CN113774477B - 坩埚及分子束外延系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种坩埚及分子束外延系统。用于提升分子束外延系统束流均匀性的坩埚包括：坩埚本体，用于盛放原料，坩埚本体为一端敞开、另一端封闭的中空柱体；支撑结构，设于坩埚本体的敞开端，支撑结构用于将坩埚本体的敞开端的空间分割为多个通道。本发明通过在坩埚本体的敞开端设置支撑结构，以将敞开端口的空间分割为多个通道，没有通道的部分可以阻挡部分束流直接蒸发至外延表面，使束流以更复杂的方式经多次反射蒸发至外延表面，能够大大缓解分子束外延束流均匀性受原料形状、原料使用情况的影响，而且通过调节通道的面积占比可以影响最大束流强度，不仅能够提升分子束外延系统束流均匀性，而且还能满足分子束外延工艺对束流强度的要求。

Description

坩埚及分子束外延系统

技术领域

本发明涉及分子束外延技术领域，尤其涉及一种坩埚及分子束外延系统。

背景技术

目前，红外焦平面探测器正向着大面阵、双多色的第三代焦平面探测器领域发展；随着成本的不断下降，在民用领域得到较广的应用。在众多焦平面探测器中，基于碲镉汞材料的焦平面探测器由于其较高的量子效率、探测光谱范围在全谱段可调等诸多优点占据着绝对的市场份额。

随着第三代焦平面探测器领域的发展，对碲镉汞材料尺寸的要求越来越大。相关技术中，在分子束外延碲镉汞工艺中，Te、CdTe、In源采用的是双丝泄流源，如图1所示，采用上下两套加热丝加热装有原料的坩埚，从而使原料热蒸发出来。如图2a所示，由于坩埚形状和原料形状确定，原料蒸发出来的束流在外延表面位置上不可能做到均匀性一致，均匀性还会随着外延尺寸的增大而降低，而且随着原料的使用，原料的形状发生变化，此种均匀性在外延表面的均匀性将进一步恶化，如图2b所示。材料尺寸的增大导致材料中心处与材料边缘处材料生长参数相差变大，主要指生长温度在外延表面中心与边缘处温度相差变大，和束流强度在外延表面中心与边缘处相差变大，获得的材料参数均匀性难以保证，进而影响碲镉汞探测器均匀性。

发明内容

本发明实施例提供一种坩埚及分子束外延系统，用以解决现有技术中大尺寸薄膜材料外延工艺中束流均匀性差的问题。

根据本发明实施例的用于提升分子束外延系统束流均匀性的坩埚，包括：

坩埚本体，用于盛放原料，所述坩埚本体为一端敞开、另一端封闭的中空柱体；

支撑结构，设于所述坩埚本体的敞开端，所述支撑结构用于将所述坩埚本体的敞开端的空间分割为多个通道。

根据本发明的一些实施例，所述坩埚还包括：

第一加热件，设于所述坩埚本体的外周壁；

第二加热件，设于所述坩埚本体的外周壁，所述第二加热件与所述第一加热件沿所述坩埚本体的轴向方向间隔排布。

根据本发明的一些实施例，所述第一加热件为电热丝；

所述第二加热件为电热丝。

根据本发明的一些实施例，所述电热丝缠绕于所述坩埚本体的外周壁。

根据本发明的一些实施例，所述支撑结构的吸热系数大于所述坩埚本体的吸热系数。

根据本发明的一些实施例，从坩埚本体的中心至边缘的方向上，所述通道的孔径逐渐增大。

根据本发明的一些实施例，所述坩埚本体的敞开端具有台阶结构；

所述支撑结构适于搭接于所述台阶结构。

根据本发明的一些实施例，所述支撑结构包括筒件，所述筒件为一端敞开、另一端封闭的中空柱体，所述筒件的敞开端具有向外翻折的翻边，所述筒件的底壁设有多个间隔排布的贯通孔，且从所述筒件底壁的中心至边缘的方向上，所述贯通孔的直径逐渐增大；

将所述支撑结构装配至所述坩埚本体后，所述翻边适于搭接在所述台阶结构，所述筒件的外周壁适于与所述坩埚本体的内周壁接触。

根据本发明的一些实施例，所述贯通孔包括多种不同孔径尺寸的通孔，具有相同孔径尺寸的通孔具有多个且沿所述支撑结构中心轴的周向方向均匀间隔排布。

根据本发明实施例的分子束外延系统，包括：

坩埚，所述坩埚为如上所述的用于提升分子束外延系统束流均匀性的坩埚。

采用本发明实施例，通过在坩埚本体的敞开端设置支撑结构，以将敞开端口的空间分割为多个通道，没有通道的部分可以阻挡部分束流直接蒸发至外延表面，使束流以更复杂的方式经多次反射蒸发至外延表面，能够大大缓解分子束外延束流均匀性受原料形状、原料使用情况的影响，而且通过调节通道的面积占比可以影响最大束流强度，不仅能够提升分子束外延系统束流均匀性，而且还能满足分子束外延工艺对束流强度的要求，保证分子束外延生长速率，提高稳定性，尤其是进行大尺寸衬底分子束外延工艺的需求。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。

附图说明

通过阅读下文实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。在附图中：

图1是双丝泄流源原理示意图；

图2a是现有技术中束流源束流均匀性示意图；

图2b是现有技术中束流源束流均匀性示意图；

图3是现有技术中坩埚结构示意图；

图4是本发明实施例中坩埚结构示意图；

图5是本发明实施例中支撑结构示意图；

图6是本发明实施例中支撑结构示意图；

图7是采用本发明实施例中坩埚后的束流源束流均匀性示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例。虽然附图中显示了本发明的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。

本发明第一方面实施例提出一种坩埚，在分子束外延过程中使用该坩埚，可以提升分子束外延系统束流的均匀性。具体的，如图4所示，坩埚包括：

坩埚本体10，用于盛放原料，坩埚本体10为一端敞开、另一端封闭的中空柱体；

支撑结构20，设于坩埚本体10的敞开端，支撑结构20用于将坩埚本体10的敞开端的空间分割为多个通道。

相关技术中解决束流源坩埚形状、原料形状引入的束流均匀性问题，采取的方案是改变坩埚形状，如图3所示，通过减小坩埚出口的方式提升束流均匀性。但这种方式过多的牺牲了束流强度。

而采用本申请的技术方案，不仅能够提升分子束外延系统束流均匀性，而且还能满足分子束外延工艺对束流强度的要求，保证分子束外延生长速率，提高稳定性，尤其是进行大尺寸衬底分子束外延工艺的需求。

在上述实施例的基础上，进一步提出各变型实施例，在此需要说明的是，为了使描述简要，在各变型实施例中仅描述与上述实施例的不同之处。

根据本发明的一些实施例，坩埚本体10内中空空间的横截面形状一致。例如，坩埚本体10的中空空间可以为圆柱体、长方体、正方体或多面体。

在本发明的一些实施例中，坩埚本体10可以为薄壁圆柱体。坩埚本体10的壁厚可以设置成0.1-2mm中任一尺寸。例如，可以设置坩埚本体10的壁厚为0.75mm。

在本发明的一些实施例中，坩埚本体10的长度可以为100mm-200mm，坩埚本体10的外径可以为30mm-50mm，坩埚本体10的内径可以为30mm-50mm。例如，在本发明的一个示例中，可以设置坩埚本体10的长度为144mm，坩埚本体10的外径为39.5mm，坩埚本体10的内径为38mm。

当然，本实施例中的坩埚本体10可以采用现有技术中的坩埚。

根据本发明的一些实施例，坩埚还包括：

第一加热件，设于坩埚本体10的外周壁；

第二加热件，设于坩埚本体10的外周壁，第二加热件与第一加热件沿坩埚本体10的轴向方向间隔排布。

第一加热件与第二加热件均用于加热坩埚本体10，以构造形成双丝泄流源。

根据本发明的一些实施例，第一加热件为电热丝。

根据本发明的一些实施例，第二加热件为电热丝。

需要说明的是，这里所列举的加热丝仅仅是对于加热件的举例说明，加热件还可以是其他能够实现加热功能的结构件。

根据本发明的一些实施例，电热丝缠绕于坩埚本体10的外周壁。

根据本发明的一些实施例，支撑结构20的吸热系数大于坩埚本体10的吸热系数。由此，配合双加热丝束流源上加热丝加热功率提升，解决其它束流均匀性方案中经常遇到的原料沉积在束流途径路线，进而导致束流蒸发路径受阻的情况。

在本发明的一些实施例中，坩埚本体10可以为PBN件。

在本发明的一些实施例中，支撑结构20可以为PBN件。

在本发明的一些示例中，支撑结构20还设有热解石墨PG材料层。

如图6所示，根据本发明的一些实施例，从坩埚本体10的中心至边缘的方向上，通道的孔径逐渐增大。特定的直径大小与变化规律对应着对束流均匀性提升的效果，经过模拟分析和实验分析，获得的束流均匀性能够满足4英寸甚至8英寸外延工艺。

根据本发明的一些实施例，支撑结构20可拆卸的设于坩埚本体10的敞开端。对于支撑结构20与坩埚本体10的具体连接方式，这里不作具体限定，只要能将支撑结构20固定在坩埚本体10的敞开端，并且方便拆卸下来即可。

例如，如图4和图5所示，在本发明的一些实施例，坩埚本体10的敞开端具有台阶结构。例如，坩埚本体10的敞开端可以向外翻折形成一个翻边，该翻边与坩埚本体10的侧壁可以构造形成一个台阶结构。

支撑结构20适于搭接于台阶结构，换言之，台阶结构可以用于支撑支撑结构20，以将支撑结构20架设在坩埚本体10的敞开端的端口处。

如图5、图6所示，在本发明的一些实施例，支撑结构20包括筒件，筒件为一端敞开、另一端封闭的中空柱体，筒件的敞开端具有向外翻折的翻边，筒件的底壁设有多个间隔排布的贯通孔200，且从筒件底壁的中心至边缘的方向上，贯通孔200的直径逐渐增大；

将支撑结构20装配至坩埚本体10后，翻边适于搭接在台阶结构上。筒件的外周壁适于与坩埚本体10的内周壁接触。

在本发明的一些实施例中，筒件也为薄壁圆柱件。筒件的壁厚可以设置成0.1-2mm中任一尺寸。例如，可以设置筒件的壁厚为0.75mm。

这里对筒件的具体尺寸不作限定，只要使得筒件的底壁能够与坩埚本体10的底壁间隔开，筒件的底壁与坩埚本体10的底壁之间的空间能够容纳原料即可。

例如，在本发明的一些实施例中，筒件的长度可以为10-60mm，筒件的外径可以为30mm-50mm，筒件的内径可以为30mm-50mm。例如，筒件的长度可以为30mm，筒件的外径可以为37.5mm，筒件的内径可以为36mm。

根据本发明的一些实施例，贯通孔200包括多种不同孔径尺寸的通孔，具有相同孔径尺寸的通孔具有多个且沿支撑结构20中心轴的周向方向均匀间隔排布。

例如，在筒件的底壁上可以由外到内排布三圈通孔。最外圈包括8个大孔径圆孔，这8个大孔径圆孔均匀间隔排布。中间圈包括8个中孔径圆孔，这8个中孔径圆孔均匀间隔排布。最内圈包括4个小孔径圆孔，这4个小孔径圆孔均匀间隔排布。大孔径圆孔的孔径约为7mm。中孔径圆孔的孔径约为5mm。小孔径圆孔的孔径约为3mm。筒件的底壁中心也设有一个小孔径圆孔。

下面参照图4-图7以一个具体的实施例详细描述根据本发明实施例的用于提升分子束外延系统束流均匀性的坩埚。值得理解的是，下述描述仅是示例性说明，而不是对本发明的具体限制。凡是采用本发明的相似结构及其相似变化，均应列入本发明的保护范围。

如图4所示，本发明实施例的用于提升分子束外延系统束流均匀性的坩埚，包括：坩埚本体10和支撑结构20。

坩埚本体10为150cc圆柱形热解氮化硼PBN坩埚。坩埚本体10总长144mm、外径39.5mm、内径38mm、壁厚0.75mm。坩埚本体10的顶部敞开端的端口处设有6mm外延翻边。

如图5-图6所示，支撑结构20为PBN材料件。支撑结构20呈圆筒状，且底壁开孔，类似“篦子”配件。支撑结构20的长度30mm，外径37.5mm，内径36mm，壁厚0.75mm，且顶部有6mm外延翻边，以方便放置于坩埚顶部。

支撑结构20底壁上的通孔200在圆形底壁上由外到内分别均匀排布8个7mm圆孔，8个5mm圆孔，4个3mm圆孔，1个3mm圆孔。

支撑结构20外侧生长一层热解石墨PG材料层，用于增加支撑结构20的吸热能力。

在使用过程中，先将原料放入坩埚本体10中，再将支撑结构20装配在坩埚本体10上，然后将组合的坩埚放入分子束外延系统的泄流源中加热使用。

图7是采用本发明实施例中坩埚后的束流源束流均匀性示意图。如图7所示，采用本发明实施例中坩埚后的束流源束流均匀性能够显著提高。

采用本发明实施例，具有如下有效效果：

通过在类似“篦子”的支撑结构20上设置贯通孔200，并按照直径从边缘到中心逐渐减小的排布方式，特定的直径大小与变化规律对应着对束流均匀性提升的效果，经过模拟分析和实验分析，获得的束流均匀性能够满足4英寸甚至8英寸外延工艺。而且，支撑结构20上贯通孔200以外的部分能够阻挡部分束流直接蒸发至外延表面，使束流以更复杂的方式经多次反射蒸发至外延表面，能够大大缓解分子束外延束流均匀性受原料形状、原料使用情况的影响。通过设置支撑结构20上贯通孔200部分面积与非贯通孔200部分面积的比例，可以调节分子束外延系统最大束流强度，可以根据不同的使用情境，调整面积比，从而改变最大束流强度。另外，通过设置支撑结构20更强吸热系数，可以使其配合双加热丝束流源上加热丝加热功率提升，解决其它束流均匀性方案中经常遇到的原料沉积在束流途径路线，进而导致束流蒸发路径受阻的情况。

综上，本发明实施例的坩埚能够较好的传统分子束外延系统中束流不均匀(尤其在大尺寸外延工艺中)、束流均匀性随原料使用情况发生劣化、普通均匀性提升方案影响最大束流强度、普通均匀性提升方案束流易沉积在束流蒸发路线影响束流强度等问题。此种分子束外延束流均匀性提升方法易于操作、方便加工、容易实现根据不同的使用情境调整方案，满足分子束外延大尺寸材料的使用情景。

需要说明的是，以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

本发明第二方面实施例提出一种分子束外延系统，包括：

坩埚，坩埚为如上第一方面实施例的用于提升分子束外延系统束流均匀性的坩埚。

需要说明的是，在本说明书的描述中，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。尽管在此的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。例如，在权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。

术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。

不应将位于括号之内的任何参考符号构造成对权利要求的限制。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。单词第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序。可将这些单词解释为名称。

在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。

类似地，应当理解，为了精简本发明并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该发明的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本发明要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，发明方面在于少于前面发明的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本发明的单独实施例。

Claims (7)

1.一种用于提升分子束外延系统束流均匀性的坩埚，其特征在于，包括：

坩埚本体，用于盛放原料，所述坩埚本体为一端敞开、另一端封闭的中空柱体；

支撑结构，设于所述坩埚本体的敞开端，所述支撑结构用于将所述坩埚本体的敞开端的空间分割为多个通道；

所述坩埚本体的敞开端具有台阶结构；

所述支撑结构适于搭接于所述台阶结构；

所述支撑结构包括筒件，所述筒件为中空柱体，所述筒件一端敞开，另一端的底壁设有多个间隔排布的贯通孔，呈篦子状，所述筒件的敞开端具有向外翻折的翻边，且从所述筒件底壁的中心至边缘的方向上，所述贯通孔的直径逐渐增大；

将所述支撑结构装配至所述坩埚本体后，所述翻边适于搭接在所述台阶结构，所述筒件的外周壁适于与所述坩埚本体的内周壁接触；

所述贯通孔包括多种不同孔径尺寸的通孔，具有相同孔径尺寸的通孔具有多个且沿所述支撑结构中心轴的周向方向均匀间隔排布。

2.如权利要求1所述的用于提升分子束外延系统束流均匀性的坩埚，其特征在于，所述坩埚还包括：

第一加热件，设于所述坩埚本体的外周壁；

第二加热件，设于所述坩埚本体的外周壁，所述第二加热件与所述第一加热件沿所述坩埚本体的轴向方向间隔排布。

3.如权利要求2所述的用于提升分子束外延系统束流均匀性的坩埚，其特征在于，所述第一加热件为电热丝；

所述第二加热件为电热丝。

4.如权利要求3所述的用于提升分子束外延系统束流均匀性的坩埚，其特征在于，所述电热丝缠绕于所述坩埚本体的外周壁。

5.如权利要求1所述的用于提升分子束外延系统束流均匀性的坩埚，其特征在于，所述支撑结构的吸热系数大于所述坩埚本体的吸热系数。

6.如权利要求1所述的用于提升分子束外延系统束流均匀性的坩埚，其特征在于，从坩埚本体的中心至边缘的方向上，所述通道的孔径逐渐增大。

7.一种分子束外延系统，其特征在于，包括：

坩埚，所述坩埚为根据权利要求1-6中任一项所述的用于提升分子束外延系统束流均匀性的坩埚。

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