CN117364232A - 分子束整流机构、坩埚、蒸发源炉和分子束外延设备 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种分子束整流机构、坩埚、蒸发源炉和分子束外延设备。分子束整流机构包括：管道，所述管道被配置为接收分子束；设在管道中的第一止挡部和第二止挡部，所述第一止挡部包括多个止挡叶片，所有所述止挡叶片在所述管道横截面上的投影完全覆盖所述管道横截面，且任意相邻的两个所述止挡叶片在所述管道中共同形成可供所述分子束穿过的折弯通道，所述第二止挡部位于所述第一止挡部的下游，所述第二止挡部上开设有多个可供所述分子束穿过的孔。本申请能够提升分子束流的均匀度，进而提升结晶质量。

Description

分子束整流机构、坩埚、蒸发源炉和分子束外延设备

技术领域

本申请涉及半导体技术领域，特别是涉及一种分子束整流机构、坩埚、蒸发源炉和分子束外延设备。

背景技术

分子束外延技术一项在超高真空条件下，类似于真空蒸发镀把构成晶体的各个组分和掺杂的原子(分子)，以一定的热运动速度，按一定的比例从喷射炉中喷射到基片上去进行晶体外延生长而制备单晶膜的一种方法，简称MBE法。简单来讲，分子束外延技术是在超高真空环境中利用分子束流进行反应、从而实现单晶薄膜外延生长的技术。

在实践中，常规源炉常采用坩埚口直接喷射的方式来现实分子束流的注入；而对于一些特殊的源炉，例如裂解源炉，其中的分子束管道可以为弯曲的、细长的，在这类特殊源炉的坩埚口向前喷射分子束时，分子束流往往无法均匀地从坩埚口喷出，进而导致了晶体外延生长的质量无法得到提升。

发明内容

有鉴于此，本申请实施例为解决背景技术中存在的至少一个问题而提供一种分子束整流机构、坩埚、蒸发源炉和分子束外延设备。

第一方面，本申请实施例提供了一种分子束整流机构，包括：

管道，所述管道被配置为接收分子束；

设在所述管道中的第一止挡部和第二止挡部，

所述第一止挡部包括多个止挡叶片，所有所述止挡叶片在所述管道横截面上的投影完全覆盖所述管道在所述第一止挡部处的横截面，且任意相邻的两个所述止挡叶片在所述管道中共同形成可供所述分子束穿过的折弯通道，

所述第二止挡部位于所述第一止挡部的下游，所述第二止挡部上开设有多个可供所述分子束穿过的孔。

结合本申请的第一方面，在一可选实施方式中，各个所述止挡叶片交错倾斜设置，相邻的所述止挡叶片在所述管道横截面上的投影部分重合，相邻的所述止挡叶片在所述管道的至少一个纵截面上的投影部分重合。

结合本申请的第一方面，在一可选实施方式中，若所述止挡叶片的数量为两个，所述止挡叶片在所述管道的内壁上形成椭圆弧，两个所述止挡叶片在所述管道的至少一个纵截面上的投影呈X状。

结合本申请的第一方面，在一可选实施方式中，所述第二止挡部位于所述管道的出口处；或者，

所述孔的直径小于0.5mm；或者，

所有所述孔在所述第二止挡部上环形阵列分布或矩形阵列分布；或者，

所述第二止挡部包括一个止挡板，所述止挡板上开设有多个所述孔。

结合本申请的第一方面，在一可选实施方式中，所述止挡板垂直于所述管道的轴线。

结合本申请的第一方面，在一可选实施方式中，所述第一止挡部和所述第二止挡部均与所述管道形成一体构造；或者，所述第一止挡部和所述第二止挡部均通过所述管道中的卡槽与所述管道卡接。

结合本申请的第一方面，在一可选实施方式中，所述管道包括直管管道，所述直管管道上设有所述第一止挡部和所述第二止挡部。

第二方面，本申请实施例还提供了一种坩埚，所述坩埚包括如上述第一方面中任意一项所述的分子束整流机构，所述分子束整流机构靠近坩埚口设置。

第三方面，本申请实施例还提供了一种蒸发源炉，所述蒸发源炉包括如上述第二方面所述的坩埚。

第四方面，本申请实施例还提供了一种分子束外延设备，所述分子束外延设备包括如上述第三方面所述的蒸发源炉。

本申请实施例所提供的分子束整流机构，在管道中设在第一止挡部和第二止挡部，第二止挡部位于第一止挡部的下游，在第一止挡部中，任意相邻的两个止挡叶片在管道中共同形成可供分子束穿过的折弯通道，且所有止挡叶片在管道横截面上的投影完全覆盖管道横截面，当分子束在管道中向前运动时，首先被止挡叶片挡住而打乱该分子束原有的空间分布，且止挡叶片之间形成的折弯通道也可以使得分子束在改变空间分布后仍然可以向下游运动至第二止挡部，再经由第二止挡部的孔喷出进而得到整流后的均匀分布的分子束；可见，本申请实施例中的分子束整流机构在超高真空环境下，无需借助于任何机械运动或是油脂类物质，单纯地依靠自身结构特征即可提升分子束流均匀度，进而可以降低结晶缺陷，即提高结晶质量，上述的分子束整流机构尤其适用在具有细长管道或弯曲管道的蒸发源炉中。

本申请附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本申请一实施例提供的一种分子束整流机构的立体图；

图2为本申请一实施例提供的一种分子束整流机构的立体透视图；

图3为本申请一实施例提供的第一止挡部的立体图；

图4为为图1中A向的向视图；

图5为本申请一实施例提供的两个止挡叶片在管道的一个纵截面上的投影部分重合的示意图；

图6为本申请一实施例提供的两个止挡叶片在管道的一个纵截面上的投影呈X状的示意图；

图7为图1中B向的向视图图；

图8为普通坩埚对应的分子束在晶圆平面内的分布模拟图；

图9为本申请一实施例提供的坩埚对应的分子束在晶圆平面内的分布模拟图；

图中：1、管道；10、出口；11、内壁；12、直管管道；2、第一止挡部；21、止挡叶片；22、椭圆弧；3、第二止挡部；30、孔；4、折弯通道。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本申请的实施方式。虽然附图中显示了本申请的实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本申请而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本申请更加透彻和完整，并且能够将本申请的范围完整地传达给本领域的技术人员。

应当理解，尽管在本申请可能采用术语“第一”、“第二”、“第三”等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本申请范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

为使本申请的技术方案和有益效果能够更加明显易懂，下面通过列举具体实施例的方式进行详细说明。其中，附图不一定是按比例绘制的，局部特征可以被放大或缩小，以更加清楚的显示局部特征的细节；除非另有定义，本文所使用的技术和科学术语与本申请所属的技术领域中的技术和科学术语的含义相同。

如图1所示，本申请实施例提供一种分子束整流机构，包括：

管道1，管道1被配置为接收分子束；

设在管道1中的第一止挡部2和第二止挡部3，

第一止挡部2包括多个止挡叶片21，所有止挡叶片21在管道1横截面上的投影完全覆盖管道1在第一止挡部2处的横截面，且任意相邻的两个止挡叶片21在管道1中共同形成可供分子束穿过的折弯通道4，

第二止挡部3位于第一止挡部2的下游，第二止挡部3上开设有多个可供分子束穿过的孔30。

当管道1在超高真空环境中，假设管道1中没有第一止挡部2和第二止挡部3，那么分子束在管道1中向下游方向进行无规则的杂乱运动，分子束的空间分布不均匀，分子束在从管道1中射出后会打到晶圆基体上，而在到达基体的分子束空间分布不均匀时，也会导致结晶缺陷而降低晶圆的良率，其中的管道1可以为分子束外延设备中的某一蒸发源炉中的坩埚的一部分。

在本申请实施例提供的分子束整流机构中，管道1与该管道1中的第一止挡部2和第二止挡部3可以视为一个没有相对机械运动的整体部件。管道1中空间分布不均匀的分子束在管道1中向前运动时，首先被止挡叶片21挡住而打乱该分子束原有的空间分布，且止挡叶片21之间形成的折弯通道4也可以使得分子束在改变空间分布后仍然可以向下游运动至第二止挡部3，再经由第二止挡部3的孔30喷出进而得到整流后的均匀分布的分子束，可见，上述的分子束整流机构可以在分子束的喷射路径上设置，用以实现将原本空间分布不均匀的分子束整流为空间均匀分布的分子束，本申请结构简单，无需借助于任何机械运动或是油脂类物质，单纯地依靠自身结构特征即可提升分子束流均匀度，适合超高真空环境，其中的管道1在为细长管道时分子束整流效果尤甚明显。

进一步地，各个止挡叶片21交错倾斜设置，如图2和图3所示，相邻的止挡叶片21在管道1横截面上的投影部分重合，如图4所示，相邻的止挡叶片21在管道1的至少一个纵截面上的投影部分重合，如图5所示。

在图2、图3中，各个止挡叶片21交错倾斜设置，不管是在管道1的纵截面上还是横截面上，相邻的两个止挡叶片21均会存在投影重合，如图4和图5所示，那么相邻的两个止挡叶片21之间可以形成空隙，该空隙即可以视为折弯通道4。

在一个具体实施例中，若止挡叶片21的数量为两个，止挡叶片21在管道1的内壁11上形成椭圆弧22，且两个止挡叶片21在管道1的至少一个纵截面上的投影呈X状，如图6所示。

在本实施例中，各个止挡叶片21可以为大致为半椭圆状薄板，薄板厚度具体参数在本实施例中为1mm，且该薄板的具有一定的硬度，可以在分子束打到薄板时，薄板仍与管道1保持相对静止。薄板的材质可以是任意符合真空使用要求、且不和分子束中的分子发生反应的材质，例如热解氮化硼陶瓷。

在管道1的内径沿管道1轴向都是相同的情况，则管道1的所有横截面的大小面积均相等，所有止挡叶片21在管道1横截面上的投影与该横截面的相同，即所有止挡叶片21在管道1横截面上的投影完全覆盖管道1横截面。而在内径变化的管道1中，管道1的所有横截面的大小面积则会发生渐变，而所有止挡叶片21在管道1横截面上的投影面积与管道1在第一止挡部2处的最大横截面相同，因此所有止挡叶片21在管道1横截面上的投影完全覆盖管道1在第一止挡部2处的横截面，也可以理解为，相邻止挡叶片21形成的空隙堵住，则所有止挡叶片21可以完全阻止分子束在管道1中穿过第一止挡部2。

需要说明的是，本申请中的止挡叶片21的具体结构包括但不局限于半椭圆状的结构，也可以为其他任意满足所有止挡叶片21在管道1横截面上的投影完全覆盖管道1在第一止挡部2处的横截面，且任意相邻的两个止挡叶片21在管道1中共同形成可供分子束穿过的折弯通道4的形状。

进一步地，第二止挡部3位于管道1的出口处，所有孔30在第二止挡部3上环形阵列分布或矩形阵列分布。具体地，第二止挡部3包括一个止挡板，止挡板上开设有多个孔30，其中的止挡板垂直于管道1的轴线。

如图7所示，大量的孔30在止挡板上环形阵列分布，孔30的分布是均匀的，且孔30的直径小于0.5mm，而在孔30的直径过小时也会造成制造成本的上升，因此，孔径也不宜过小，该止挡板的材质可以是任意符合真空使用要求、且不和分子束中的分子发生反应的材质，例如热解氮化硼陶瓷。其中，半椭圆状薄板的末端到止挡板的净距长度可以介于2cm至3cm，在这一净距长度参数距离下的设计可以使得空间均匀性效果明显。

第一止挡部2和第二止挡部3在管道1中与该管道1没有机械相对运动，第一止挡部2和第二止挡部3与管道1的连接方式可以是多样的，例如第一止挡部2和第二止挡部3均通过管道1中的卡槽与管道1卡接，其中卡槽卡接的形式为本领域技术人员所悉知的，故而在此不在详细地赘述。

优选地，第一止挡部2和第二止挡部3均与管道1形成一体构造。第一止挡部2、第二止挡部3和管道1三部分作为一个一体构造，连接部分可以使用例如焊接等固定连接的形式，本实施例中可以使用任意一种适用在超高真空环境下的固定连接方式，比如第一止挡部2与管道1的一部分一体成型，第二止挡部3和管道1的另一部分也一体成型，管道1的两部分再连接起来也可以实现上述的需求等等。在分子束整流机构稳定工作的情况下，管内材料沉积不明显，故而也不会干扰原先的分子束的大小。

进一步地，管道1包括直管管道12，直管管道12上设有第一止挡部2和第二止挡部3。假设管道1为折弯管道，第一止挡部2在一个折弯部分，第二止挡部3在另一个折弯部分，管道在第一止挡部2和第二止挡部3之间存在弯曲部分，该弯曲部分会导致分子束运动撞击的均匀性发生改变，相较于管道在第一止挡部2和第二止挡部3之间存为直管部分而言，会降低分子束在的均匀性，因此，管道在第一止挡部2和第二止挡部3之间的部分为直管管道12。

验证性地，基于蒙特卡洛法对从普通坩埚或从具有分子束整流机构的特殊坩埚中喷射到晶圆的分子束进行仿真模拟，图8为普通坩埚对应的分子束在晶圆平面内的分布模拟，图9为特殊坩埚对应的分子束在晶圆平面内的分布模拟。当其他条件相同，在280mm的晶圆所对应的圆形区域，图8中的分子束分布范围为84％-100％，图9中的分子束分布范围为97％-100％，可以看出具有分子束整流机构使得分子束在晶圆上的分布更广更均匀。

本申请实施例提供了一种坩埚，坩埚包括如上述的分子束整流机构，分子束整流机构靠近坩埚口设置。

其中，分子束整流机构可以作为原有坩埚的一部分，即在原有坩埚的坩埚口附近设置第一止挡部2和第二止挡部3；分子束整流机构也可以作为独立的附件，安装在坩埚口上。

本申请实施例提供了一种蒸发源炉，蒸发源炉包括如上述的坩埚。

本申请实施例提供了一种分子束外延设备，分子束外延设备包括如上述的蒸发源炉。

在分子束外延技术中，分子束外延设备可以包括真空泵、离子规真空计、蒸发源、样品处理台、反射式高能电子衍射仪、束流检测仪等多个部分，并且需要在超高真空的环境中工作。其中的蒸发源作为分子束外延设备的核心部分，主要由多个不同的蒸发源炉组成，而蒸发源炉则主要包括坩埚、加热丝、热屏蔽罩、测温热电偶、挡板、循环水冷系统等结构。

应当理解，以上实施例均为示例性的，不用于包含权利要求所包含的所有可能的实施方式。在不脱离本公开的范围的情况下，还可以在以上实施例的基础上做出各种变形和改变。同样的，也可以对以上实施例的各个技术特征进行任意组合，以形成可能没有被明确描述的本申请的另外的实施例。因此，上述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，不对本申请专利的保护范围进行限制。

Claims (10)

1.一种分子束整流机构，其特征在于，包括：

管道，所述管道被配置为接收分子束；

设在所述管道中的第一止挡部和第二止挡部，

所述第一止挡部包括多个止挡叶片，所有所述止挡叶片在所述管道横截面上的投影完全覆盖所述管道横在第一止挡部处的截面，且任意相邻的两个所述止挡叶片在所述管道中共同形成可供所述分子束穿过的折弯通道，

所述第二止挡部位于所述第一止挡部的下游，所述第二止挡部上开设有多个可供所述分子束穿过的孔。

2.根据权利要求1所述的分子束整流机构，其特征在于，各个所述止挡叶片交错倾斜设置，相邻的所述止挡叶片在所述管道横截面上的投影部分重合，相邻的所述止挡叶片在所述管道的至少一个纵截面上的投影部分重合。

3.根据权利要求2所述的分子束整流机构，其特征在于，若所述止挡叶片的数量为两个，所述止挡叶片在所述管道的内壁上形成椭圆弧，两个所述止挡叶片在所述管道的至少一个纵截面上的投影呈X状。

4.根据权利要求1所述的分子束整流机构，其特征在于：

所述第二止挡部位于所述管道的出口处；或者，

所述孔的直径小于0.5mm；或者，

所有所述孔在所述第二止挡部上环形阵列分布或矩形阵列分布；或者，

所述第二止挡部包括一个止挡板，所述止挡板上开设有多个所述孔。

5.根据权利要求4所述的分子束整流机构，其特征在于，所述止挡板垂直于所述管道的轴线。

6.根据权利要求1所述的分子束整流机构，其特征在于，所述第一止挡部和所述第二止挡部均与所述管道形成一体构造；或者，所述第一止挡部和所述第二止挡部均通过所述管道中的卡槽与所述管道卡接。

7.根据权利要求1所述的分子束整流机构，其特征在于，所述管道包括直管管道，所述直管管道上设有所述第一止挡部和所述第二止挡部。

8.一种坩埚，其特征在于，所述坩埚包括如权利要求1至7任意一项所述的分子束整流机构，所述分子束整流机构靠近坩埚口设置。

9.一种蒸发源炉，其特征在于，所述蒸发源炉包括如权利要求8所述的坩埚。

10.一种分子束外延设备，其特征在于，所述分子束外延设备包括如权利要求9所述的蒸发源炉。