CN114000191B - 一种用于分子束外延均匀加热的系统及加热方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于分子束外延均匀加热的系统及加热方法，属于晶体薄膜外延生长技术领域，包括样品台、加热组件和隔热组件；样品台内部设有隔热组件，其底部用于放置衬底基片；加热组件包括电机、加热器支架和红外线辐射加热器；加热器支架的一端与所述电机的输出轴相连，其另一端依次穿过样品台、隔热组件后与红外线辐射加热器相连；电机用于驱动加热器支架旋转从而带动红外线辐射加热器转动以对位于样品台底部的衬底基片的一面加热。本发明通过驱动加热器支架旋转带动红外线辐射加热器转动，在沉积过程中可以使衬底温度保持均匀稳定，操作简单，普适性广，加热均匀性高。

Description

一种用于分子束外延均匀加热的系统及加热方法

技术领域

本发明属于晶体薄膜外延生长技术领域，更具体地，涉及一种用于分子束外延均匀加热的系统及加热方法。

背景技术

分子束外延（Molecular Beam Epitaxy，简称MBE）是一种晶体外延生长技术，这种薄膜制备方法已逐渐应用于金属、绝缘介质等多种材料体系，成为了生长化合物半导体材料的重要的生产技术。MBE系统保持在超高真空条件（10^-8Pa数量级），不同组元从束源喷射炉中蒸发出来，经小孔准直后形成原子束或分子束，再喷射到被加热的单晶衬底表面上，并在该表面进行吸附、解析、迁移而沉积单晶薄膜，从而生长出单原子层量级厚度的膜层。在MBE薄膜生长过程中，衬底温度均匀性是影响晶体生长过程和速度的关键因素，直接关系到薄膜的结构均匀性和电参数稳定性。衬底温度均匀性差会导致反应物在衬底表面吸附、解析、迁移不均衡现象，造成薄膜质量下降以及原材料大量浪费等问题。理想的生长环境需要在束流源发射原子/分子束流前衬底表面达到均匀的生长温度，从而保证大面积的均匀外延生长，严格把控薄膜厚度、化学组分和杂质浓度。

由于MBE系统工作条件为超高真空，腔内对流传热效果极微小，衬底主要靠加热体热辐射实现升温。目前已知的加热方式有激光加热、电子束或射频技术加热等，但存在设备成本高、干扰原位实时检测器、难获得较大面积的均匀加热等缺点。因此，在分子束外延材料生长过程中，低成本、无干扰的衬底均匀加热方法至关重要。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种用于分子束外延均匀加热的系统及加热方法，其目的在于通过驱动加热器支架旋转带动红外线辐射加热器转动 ，在沉积过程中可以使衬底温度保持均匀稳定。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种用于分子束外延均匀加热的系统，该系统包括样品台、加热组件和隔热组件；

所述样品台内部设有所述隔热组件，其底部用于放置衬底基片；

所述加热组件包括电机、加热器支架和红外线辐射加热器；

所述加热器支架的一端与所述电机的输出轴相连，其另一端依次穿过所述样品台、隔热组件后与所述红外线辐射加热器相连；所述电机用于驱动所述加热器支架旋转从而带动所述红外线辐射加热器转动以对位于所述样品台底部的所述衬底基片的一面加热。

优选地，所述样品台为可调直径样品台，在所述样品台的顶部设有用于调节其直径的调径机构。

优选地，所述调径机构包括水平板和旋转柱，所述旋转柱设置于所述水平板的一端，通过转动旋转柱旋转从而带动所述水平板转动；所述水平板上设有多个均匀分布的调径槽。

优选地，所述样品台为多个相同结构件组成的圆形结构，且每个结构件的均设有凸起部，所述凸起部装配于所述调径槽内；通过所述水平板转动以使所述凸起部在调径槽内滑动从而带动所述样品台各结构件扩张或收缩，实现样品台的直径可调。

优选地，所述隔热组件包括第一热屏蔽罩和第二热屏蔽罩，所述第一热屏蔽罩设置于所述红外线辐射加热器的外侧，所述第二热屏蔽罩设置于所述第一热屏蔽罩的外侧。

优选地，还包括测温热电偶；所述测温热电偶设置于所述红外线辐射加热器与所述衬底基片之间，用于实时检测衬底基片表面温度。

优选地，所述红外线辐射加热器为板型红外线辐射加热器。

按照本发明的另一方面，提供了一种加热方法，该方法包括以下步骤：

将衬底基片固定于样品台中，设定所述衬底基片的沉积温度；

使红外线辐射加热器以恒定角速度旋转，对衬底基片进行加热，以使衬底基片升温至预设沉积温度。

优选地，还包括以下步骤：

将衬底基片表面温度实时数据反馈至控制系统，从而即时调控红外线辐射加热器功率，使沉积过程温度保持稳定。

优选地，所述红外线辐射加热器包括加热层和辐射层，根据所采用衬底基片的红外吸收特性选择辐射频谱的辐射材料，以使所述红外线辐射加热器产生特定波段的红外辐射。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1、本发明提出的用于分子束外延均匀加热的系统通过驱动加热器支架旋转带动红外线辐射加热器转动，在沉积过程中可以使衬底温度保持均匀稳定。

2、本发明提出的用于分子束外延均匀加热的系统通过顺时针转动调径机构的旋转柱使样品台外旋，从而使可装载衬底直径变大，满足不同尺寸衬底的加热要求，普适性广。

3、本发明提出的用于分子束外延均匀加热的系统采用板型红外线辐射加热器，加热层所产生的热能被红外辐射层材料转化为红外辐射，呈面辐射向衬底方向辐射加热，使衬底在短时间内迅速升温至预设温度，传热效率高、热惯性小、设备成本低、对原位实时检测器无干扰。

4、本发明提出的用于分子束外延均匀加热的系统在红外线辐射加热器下方配有测温热电偶，将衬底表面附近温度实时数据反馈至控制系统，从而即时调控加热层功率，沉积过程中衬底温度保持稳定。

5、本发明提出的用于分子束外延均匀加热的加热方法，将被加热的衬底固定于合适尺寸的样品台上，板型红外线辐射加热器呈面辐射加热衬底，同时加热器绕中心点通过旋转使辐射均匀，加热过程中对衬底表面测温，将实时温度数据反馈至控制系统实现即时调控，该方法简单易行，可使沉积过程中衬底温度保持均匀稳定。

附图说明

图1是本发明实施例中用于分子束外延均匀加热系统的结构示意图；

图2是本发明实施例中样品台及调径机构的结构示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：110-调径机构；111-水平板；112-调径槽；113-旋转柱；120-样品台；121-凸起部；130-衬底基片；140-压片；210-电机；220-加热器支架；230-红外线辐射加热器；240-测温热电偶；310-第一热屏蔽罩；320-第二热屏蔽罩。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1和图2所示，本发明提出一种用于分子束外延均匀加热的系统，该系统包括样品台组件、加热组件以及隔热组件。

具体的，所述样品台组件从上至下依次包括调径机构110、样品台120、外延生长沉积的衬底基片130、将衬底基片固定在样品台上的压片140。

调径机构110包括水平板111和旋转柱113，所述水平板111上有多个均匀分布的调径槽112，所述样品台120相应分为多块，并设有凸起部121并装配于所述调径槽112中。所述调径机构110的旋转柱113顺时针转动时，样品台120外旋，当衬底基片130直径变大时，通过所述调径机构110旋转从而控制所述样品台120直径，以满足不同尺寸衬底基片130的加热要求。

更进一步的说明，所述加热组件包括电机210、加热器支架220、固定在所述加热器支架上的红外线辐射加热器230和测温热电偶240。

具体的，所述加热组件中红外线辐射加热器230的辐射层为涂敷材料，其辐射波长和衬底材料的共振吸收波长匹配，产生特定波段的红外辐射加热衬底基片130。所述电机210带动所述加热器支架220旋转，固定于所述加热器支架上的红外线辐射加热器230绕加热器支架中心以恒定角速度旋转，从而使衬底基片相同半径的位置受热情况完全一致。所述测温热电偶240测得衬底基片130表面附近所得实时温度数据，并通过控制系统即时调控加热层功率，控制沉积过程衬底温度保持恒定，使晶体薄膜稳定、均匀生长。

作为本发明的优选实施例，所述红外线辐射加热器230为板型红外线辐射加热器。

更进一步的说明，所述隔热组件包括第一热屏蔽罩310和第二热屏蔽罩320，设置双层热屏蔽罩减少所述红外线辐射加热器230背面以及侧面的热损失，使红外辐射的能量集中在衬底方向。

本发明的一个实施例提出一种用于分子束外延均匀加热的加热方法，该方法包括以下步骤：

S1，将衬底基片固定于样品台中，设定所述衬底基片的沉积温度；

S2，使红外线辐射加热器以恒定角速度旋转，对衬底基片进行加热，以使衬底基片升温至预设沉积温度。

具体的，所述步骤S1具体包括将衬底基片固定于调至合适直径的样品台上，该衬底基片一面用于接受辐射加热，另一面用于沉积束流源发射的分子束流，实现晶体薄膜外延生长。

进一步地，根据外延物质的最佳生长温度确定目标沉积温度，通过所述红外线辐射加热器对衬底加热，加热层所产生的热能被红外辐射层材料转化为红外辐射，呈面辐射向衬底方向辐射加热，使衬底在短时间内迅速升温至预设温度。

更进一步的说明，所述步骤S2具体包括使红外线辐射加热器绕中心点以恒定角速度旋转，对衬底保持均匀辐射。所述红外线辐射加热器下方配有测温热电偶，将衬底表面附近温度实时数据反馈至控制系统，从而即时调控加热层功率，使沉积过程温度保持稳定。

本发明的优选实施例中，还可以通过调径机构控制样品台直径，满足不同尺寸衬底的加热要求。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种用于分子束外延均匀加热的系统，其特征在于，该系统包括样品台（120）、加热组件和隔热组件；

所述样品台（120）内部设有所述隔热组件，其底部用于放置衬底基片（130）；

所述加热组件包括电机（210）、加热器支架（220）和红外线辐射加热器（230）；

所述加热器支架（220）的一端与所述电机（210）的输出轴相连，其另一端依次穿过所述样品台（120）、隔热组件后与所述红外线辐射加热器（230）相连；所述电机（210）用于驱动所述加热器支架（220）旋转从而带动所述红外线辐射加热器（230）转动以对位于所述样品台（120）底部的所述衬底基片（130）的一面加热；

所述样品台（120）为可调直径样品台，在所述样品台（120）的顶部设有用于调节其直径的调径机构（110）；

所述调径机构（110）包括水平板（111）和旋转柱（113），所述旋转柱（113）设置于所述水平板（111）的一端，通过转动旋转柱（113）旋转从而带动所述水平板（111）转动；所述水平板（111）上设有多个均匀分布的调径槽（112）；

所述样品台（120）为多个相同结构件组成的圆形结构，且每个结构件的均设有凸起部（121），所述凸起部（121）装配于所述调径槽（112）内；通过所述水平板（111）转动以使所述凸起部（121）在调径槽（112）内滑动从而带动所述样品台（120）各结构件扩张或收缩，实现样品台（120）的直径可调。

2.根据权利要求1所述的一种用于分子束外延均匀加热的系统，其特征在于，所述隔热组件包括第一热屏蔽罩（310）和第二热屏蔽罩（320），所述第一热屏蔽罩（310）设置于所述红外线辐射加热器（230）的外侧，所述第二热屏蔽罩（320）设置于所述第一热屏蔽罩（310）的外侧。

3.根据权利要求1所述的一种用于分子束外延均匀加热的系统，其特征在于，还包括测温热电偶（240）；所述测温热电偶（240）设置于所述红外线辐射加热器（230）与所述衬底基片（130）之间，用于实时检测衬底基片表面温度。

4.根据权利要求1所述的一种用于分子束外延均匀加热的系统，其特征在于，所述红外线辐射加热器（230）为板型红外线辐射加热器。

5.一种如权利要求1-4任一项所述的用于分子束外延均匀加热的 系统的加热方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

将衬底基片固定于样品台中，设定所述衬底基片的沉积温度；

使红外线辐射加热器以恒定角速度旋转，对衬底基片进行加热，以使衬底基片升温至预设沉积温度。

6.根据权利要求5所述的加热方法，其特征在于，还包括以下步骤：

将衬底基片表面温度实时数据反馈至控制系统，从而即时调控红外线辐射加热器功率，使沉积过程温度保持稳定。

7.根据权利要求5所述的加热方法，其特征在于，所述红外线辐射加热器包括加热层和辐射层，根据所采用衬底基片的红外吸收特性选择辐射频谱的辐射材料，以使所述红外线辐射加热器产生特定波段的红外辐射。

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