CN216639707U - 一种四坩埚蒸发源 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种四坩埚蒸发源，包括：法兰组件、水冷组件、坩埚组件以及快门组件，法兰组件包括：真空法兰和电极法兰，水冷组件和快门组件均贯穿所述真空法兰设置，坩埚组件固定安装在水冷组件顶部；坩埚组件包括：坩埚隔板、四个坩埚台、四个坩埚台帽、四个坩埚、坩埚罩以及四个加热单元；坩埚台的外圆周加工有一环形真空空腔；每个加热单元设置在对应坩埚台的侧壁内部；坩埚隔板与所述坩埚罩围成四个独立空间，每个独立空间中容置一个坩埚台；本实用新型隔热效果好，便于控制温度，提高加热效率，在双坩埚蒸发源的基础上，增加两个蒸发源，从而提高分子束外延设备的容量和使用效率、节省成本。

Description

一种四坩埚蒸发源

技术领域

本实用新型属于分子束外延制膜技术领域，具体涉及一种四坩埚蒸发源。

背景技术

分子束外延(MBE)是一种真空镀膜方法，具体为在超高真空环境下，通过加热固体材料源(即靶材)使其升华，再经小孔准直打在单晶基底上，最终沉淀形成高质量单晶薄膜，这一方法被广泛用于制造半导体器件，并且被认为是纳米技术发展的基本工具之一。

在现有分子束外延设备中，蒸发不同材料的蒸发源通过CF(Conflat Flang)法兰连接在设备上，设备内部为超高真空环境。分子束外延生长过程需要在高真空乃至超高真空中进行，而设备维持真空的成本高昂，所以在设备法兰口有限的情况下尽可能安装更多的材料源能提高设备使用效率，而大多数蒸发源只能配置一种材料，少数能够配置两种材料，能够配置两种材料的为双坩埚蒸发源。

对固体材料源的加热方式有不同的种类，主要有电阻式加热和电子束加热两种，电阻式加热能够达到的温度有限，对熔点高于1000℃的难熔金属无能为力；电子束加热指使用电子束直接加热蒸发材料，这种方式可适用于高熔点材料，加热效率高；双坩埚蒸发源能够同时设置电阻式加热和电子束加热两种加热方式，人们会根据所使用材料的不同选取不同的加热方式。

但是，现有的双坩埚蒸发源的加热单元安装在坩埚台的外部，与坩埚台分离，通过整体加热将热量传导到坩埚中蒸发材料，并且加热单元与坩埚隔板相连接，在同时使用电阻式加热和电子束加热两种加热形式时，会导致整个坩埚罩内部的环境的温度都很高，出现隔热效果不好，不同坩埚之间的温度相互影响，对温度的控制复杂的问题。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型提供了一种四坩埚蒸发源，解决了双坩埚蒸发源隔热效果不好和不同坩埚之间的温度相互影响的技术问题，便于控制温度，提高单个坩埚的加热效率，并且在双坩埚蒸发源的基础上，增加两个蒸发源，从而提高分子束外延设备的容量和使用效率，节省成本。

本实用新型是通过下述技术方案实现的：

一种四坩埚蒸发源，包括：法兰组件、水冷组件、坩埚组件以及快门组件；

所述法兰组件包括：真空法兰和连接在真空法兰上的两个电极法兰；

所述真空法兰连接于分子束外延设备上，所述水冷组件和快门组件均贯穿所述真空法兰设置，所述坩埚组件固定安装在水冷组件顶部；水冷组件用于对坩埚组件进行冷却，快门组件用于控制坩埚组件产生的蒸汽排出；

所述坩埚组件包括：坩埚隔板、四个坩埚台、四个坩埚台帽、四个坩埚、坩埚罩以及四个加热单元；

所述坩埚罩罩置在坩埚隔板上，坩埚隔板将坩埚罩的内腔分隔为四个独立空间，在每个独立空间中容置有一个坩埚台，每个坩埚台的底部与坩埚隔板固定连接，每个坩埚台内部安装有一个坩埚，坩埚内装有待蒸发的固体材料源，每个坩埚台的顶部安装有一个坩埚台帽；

所述坩埚台的侧壁为双层结构，双层结构中间有一环形真空空腔；

所述加热单元设置在坩埚台的侧壁内部。

进一步的，所述水冷组件包括两根水冷管和水冷台；两根水冷管分别贯穿真空法兰设置；所述水冷台固定连接于两根水冷管的顶端；水冷台内设置有冷却通道；两根水冷管中，一根为进水管，另一根为出水管；进水管的一端与冷却通道连通，另一端为进水口，出水管的一端与冷却通道连通，另一端为出水口；冷却介质通过进水管的进水口流入，并在流经水冷台的冷却通道之后通过出水管的出水口流出。

进一步的，所述水冷台为圆柱体结构；所述水冷台与水冷管之间焊接；水冷管与水冷台垂直设置，水冷台与真空法兰之间同轴设置；所述水冷台内设置的冷却通道有两条，两条冷却通道并联。

进一步的，所述坩埚隔板与水冷台固定连接，坩埚罩设置有与坩埚一一对应的通孔；四个所述加热单元一一对应集成设置在对应的坩埚台侧壁内部，四个加热单元的电极与电极法兰的电极之间电连接，其中，两个加热单元为电阻式加热单元，另两个加热单元为电子束加热单元。

进一步的，所述坩埚隔板包括底板、十字型的竖板和砥柱；所述底板通过紧固件固定安装于水冷台的顶面，四个所述砥柱分别位于竖板隔开的四个独立空间内，且固定连接在底板上；坩埚台的底部与砥柱固定连接；坩埚罩通过紧固件固定连接于竖板的顶部。

进一步的，所述坩埚组件还包括与坩埚一一对应的测温单元，测温单元与电极法兰的电极连接。

进一步的，所述测温单元为热电偶，热电偶穿过坩埚隔板上的孔路固定在坩埚台上，用于测量坩埚的温度。

进一步的，所述坩埚台通过陶瓷管连接于所述坩埚隔板的砥柱上；坩埚台底部加工有一盲孔，坩埚台底部的盲孔与陶瓷管配合，并通过紧固件紧固。

进一步的，所述快门组件包括磁耦合旋转器、长杆以及快门；

磁耦合旋转器与真空法兰固定连接，长杆位于蒸发源的中轴线上，长杆的底端通过螺纹固定连接于磁耦合旋转器，顶端依次穿过水冷台、坩埚隔板和坩埚罩；

所述快门设置有五个蒸发孔，快门通过紧固件固定连接于长杆的顶端，通过磁耦合旋转器驱动实现旋转，使快门上的蒸发孔与坩埚罩的通孔同轴相对或者错离。

进一步的，所述真空法兰、所述水冷管、所述水冷台、所述坩埚隔板、所述坩埚台、所述坩埚罩以及所述快门均采用不锈钢材料制成。

有益效果：(1)本实用新型通过在坩埚台的侧壁内部设置加热单元，直接加热坩埚，由于加热单元与坩埚隔板隔离，各个独立空间的相互隔热效果更好，减少不同坩埚之间的温度影响，从而使温度控制更方便。

(2)本实用新型通过在坩埚台的侧壁内部设置加热单元，直接加热坩埚，使得单个坩埚的加热效率更高。

(3)本实用新型的坩埚台外圆周的环形真空空腔可进一步隔离坩埚与坩埚隔板之间的温度传递，隔热效果更好。

(4)本实用新型使用特制灯泡形真空法兰，可以连接电极法兰，使用电极法兰不仅可以提高电极的数量，而且安装更为简便。

(5)本实用新型的快门设置五个蒸发孔，可以选择两个蒸发孔与坩埚罩的任意两个通孔同轴相对，也可以仅使一个蒸发孔与坩埚罩的一个通孔同轴相对，从而控制基底上的单晶薄膜的可控生长。

(5)本实用新型由于采用四坩埚结构，可以在仅占用一个法兰口的情况下同时安装四个不同材料的蒸发源，四个蒸发源的使用互相独立、互不干扰，可以同时使用来实现不同材料的掺杂，更加提高了分子束外延设备的容量和使用效率。

(6)本实用新型采用模块化设计，电阻式加热的坩埚台与电子束加热的坩埚台具有相同的安装方式，可以互相替换，实现同一个蒸发源可采用两种加热方式，满足不同材料的要求，拓展了蒸发源的使用范围，进一步解决了频繁更换蒸发源的问题。

附图说明

图1是为本实用新型的四坩埚蒸发源的整体结构示意图；

图2是为本实用新型的四坩埚蒸发源的部分结构示意图；

图3为图2中四坩埚蒸发源部分的主视图；

图4为图3的A-A向的剖面图；

图5为图3中四坩埚蒸发源部分的俯视图；

图6为图5的B-B向的剖面图；

图7为本实用新型的四坩埚蒸发源的坩埚台、坩埚台帽和坩埚的剖面图。

其中，1-真空法兰，2-电极法兰，3-水冷管，31-进水口，32-出水口，4-水冷台，5-冷却通道，6-坩埚隔板，61-底板，62-竖板，63-砥柱，7-坩埚台，8-坩埚台帽，9-坩埚，10-坩埚罩，11-加热单元，12-磁耦合旋转器，13-长杆，14-快门，15-蒸发孔，16-电极。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本实用新型进行详细描述。

如图1结构所示，本实用新型实施例提供了一种四坩埚蒸发源，该四坩埚蒸发源包括法兰组件、水冷组件、坩埚组件以及快门组件；该四坩埚蒸发源在用于分子束外延设备时，通过法兰组件连接于分子束外延设备上；

法兰组件包括特制灯泡形的真空法兰1和两个电极法兰2；两个电极法兰2与真空法兰1连接，每个电极法兰2有6个电极；

如图2和图3结构所示，水冷组件包括两根水冷管3和水冷台4；两根水冷管3的直径均为6mm，且一根为进水管，另一根为出水管；所述水冷台4为圆柱体结构，且固定连接于两根水冷管3顶端；参见附图4和附图6，水冷台4内设置有冷却通道5，进水管的一端与冷却通道5连通，另一端为进水口31，出水管的一端与冷却通道5连通，另一端为出水口32；两根水冷管3分别贯穿真空法兰1，以便在真空法兰1连接于分子束外延设备时，冷却介质能够通过水冷管3从分子束外延设备外部流经分子束外延设备的内部，具体为，冷却介质通过进水管的进水口31流入，并在流经水冷台4上的冷却通道5之后通过出水管的出水口32流出，从而通过冷却介质的流动将水冷台4上的坩埚组件产生的热量带走，对坩埚组件进行降温、冷却；

更进一步地，水冷台4与水冷管3之间通过焊接进行连接；水冷管3与水冷台4垂直设置，水冷台4与真空法兰1同轴设置；水冷台4内设置的冷却通道5有两条，两条冷却通道5并联，通过两个冷却通道5与进水管和出水管的连通，能够形成两条水路，提高水冷效果，减小不同坩埚9间的温度的互相干扰。

如图1和图7结构所示，坩埚组件固定安装于水冷台4的顶部，包括坩埚隔板6、四个坩埚台7、四个坩埚台帽8、四个坩埚9、四个坩埚罩10以及四个加热单元11；

所述坩埚隔板6与水冷台4固定连接，所述坩埚罩10罩置在坩埚隔板6上；坩埚隔板6将坩埚罩10的内腔分隔为四个独立空间，在每个独立空间中容置有一个坩埚台7，每个坩埚台7的底部与坩埚隔板6固定连接，每个坩埚台7内部安装有一个坩埚9，坩埚9内装有待蒸发的固体材料源，每个坩埚台7的顶部安装有一个坩埚台帽8，坩埚罩10上设置有与四个坩埚9一一对应的通孔；四个所述加热单元11一一对应集成设置在四个坩埚台7的侧壁内部，每个加热单元11的电极16设置在坩埚台7的内底部，用于与电极法兰2的电极之间电连接，其中，两个加热单元11为电阻式加热单元，另两个加热单元11为电子束加热单元；加热单元11集成设置在坩埚台的侧壁内部，不与坩埚隔板接触，便于与坩埚隔板6隔热，且提高加热效率；所述坩埚台7的侧壁为双层结构，双层结构的环形空腔为真空，可进一步隔离坩埚与坩埚隔板之间的温度传递，隔热效果更好；

如图1结构所示，所述坩埚隔板6包括底板61、十字型的竖板62和砥柱63；所述底板61可以通过螺钉等紧固件固定安装于水冷台4的顶面，四个所述砥柱63分别位于竖板62隔开的四个独立空间内，且固定连接在底板61上；坩埚台7的底部与砥柱63固定连接；坩埚罩10通过螺钉等紧固件固定连接于竖板62的顶部；底板61和竖板62的厚度均为3mm，竖板62有助于隔绝四个坩埚9的热辐射。

更进一步地，坩埚组件还包括与四个坩埚9一一对应的测温单元(图中未示出)，测温单元与电极法兰2的电极连接。测温单元为热电偶，根据所使用的温度选取不同型号的热电偶，并使用陶瓷管对热电偶进行绝缘；热电偶穿过坩埚隔板6上的孔路固定在坩埚台7上，用于测量坩埚9的温度。

更进一步地，坩埚台7通过陶瓷管(图中未示出)连接于坩埚隔板6中的砥柱63上；如图7结构所示，坩埚台7底部加工有一盲孔，坩埚台7底部的盲孔与陶瓷管配合，使坩埚台7底部的盲孔插入陶瓷管内，再用螺钉等紧固件将坩埚台7固定于陶瓷管上，陶瓷管与砥柱配合嵌套，通过陶瓷管起到绝缘和绝热的作用；坩埚台7与坩埚台帽8之间通过螺纹连接，将坩埚9固定在内部，方便坩埚台7与坩埚台帽8之间的拆装；

如图1结构所示，快门组件包括磁耦合旋转器12、长杆13以及快门14；所述快门14为圆形板，并设置有五个蒸发孔15；磁耦合旋转器12与真空法兰1固定连接，长杆13位于蒸发源的中轴线，长杆13的底端通过螺纹固定连接于磁耦合旋转器12，顶端依次穿过水冷台4、坩埚隔板6和坩埚罩10，长杆13的顶端高于坩埚罩2mm，快门14通过紧固件固定连接于长杆13的顶端；磁耦合旋转器12选择手动或电动模式，采用磁耦合的方式驱动长杆13和快门14旋转；通过快门14的旋转，其一，能够使快门14上的蒸发孔15与坩埚罩10的通孔同轴相对，以使对应坩埚内固体材料源加热产生的蒸汽通过坩埚罩10的通孔和快门14的蒸发孔15排出，其二，能够使控制快门14上的蒸发孔15与坩埚罩10的通孔错离，即时控制停止蒸汽在分子束外延设备上的基底上的沉淀和实现固体材料源的转换；通过磁耦合旋转器12对快门14的旋转控制，可以在真空外控制坩埚罩内的蒸汽的排出与否，从而实现单晶薄膜的可控生长；所述快门14设置五个蒸发孔15，可以选择两个蒸发孔15与坩埚罩10的任意两个通孔同轴相对，也可以仅使一个蒸发孔15与坩埚罩10的一个通孔同轴相对；

真空法兰1、水冷管3、水冷台4、坩埚隔板6、坩埚台7、坩埚罩10以及快门14均可以采用不锈钢材料制成，如：304不锈钢。由于不锈钢材料具有坚固、易于加工、无磁性且在真空中放气少的特点，适合蒸发源使用。在上述四坩埚蒸发源中，选择具有长细孔的坩埚9，保证在安装蒸发源的过程中，坩埚9内的材料不会撒出。

工作原理：

通过真空法兰1将四坩埚蒸发源连接于分子束外延设备，分子束外延设备内部为真空，令真空法兰1的连接处为分界点，四坩埚蒸发源上坩埚组件所在的一侧处于真空中，而电极2法兰和磁旋转耦合器12所在的一侧处在空气中；

坩埚组件处在真空状态下对坩埚内的固体材料源进行加热，使固体材料源升华的气体通过蒸发孔，打在靶材基底上沉淀形成单晶薄膜；

通过控制真空外部的磁耦合旋转器12对真空中快门14进行旋转控制，从而控制快门14上的蒸发孔15与坩埚罩10上的通孔是否同轴，从而在真空外控制坩埚罩内的蒸汽的排出与否，实现单晶薄膜的可控生长；

冷却介质在真空外通过两根水冷管3的进水口31和出水口32，从分子束外延设备外侧流经分子束外延设备的内部，对坩埚组件进行冷却；

在四坩埚蒸发源包括测温单元时，热电偶固定在坩埚台7上，通过真空法兰1上的电极法兰2连接热电偶，从真空外测量温度。

综上所述，以上仅为本实用新型的较佳实施例而已，并非用于限定本实用新型的保护范围。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种四坩埚蒸发源，其特征在于，包括法兰组件、水冷组件、坩埚组件以及快门组件；

所述法兰组件包括：真空法兰(1)和连接在真空法兰(1)上的两个电极法兰(2)；

所述真空法兰(1)连接于分子束外延设备上，所述水冷组件和快门组件均贯穿所述真空法兰(1)设置，所述坩埚组件固定安装在水冷组件顶部；水冷组件用于对坩埚组件进行冷却，快门组件用于控制坩埚组件产生的蒸汽排出；

所述坩埚组件包括：坩埚隔板(6)、四个坩埚台(7)、四个坩埚台帽(8)、四个坩埚(9)、坩埚罩(10)以及四个加热单元(11)；

所述坩埚罩(10)罩置在坩埚隔板(6)上，坩埚隔板(6)将坩埚罩(10)的内腔分隔为四个独立空间，在每个独立空间中容置有一个坩埚台(7)，每个坩埚台(7)的底部与坩埚隔板(6)固定连接，每个坩埚台(7)内部安装有一个坩埚(9)，坩埚(9)内装有待蒸发的固体材料源，每个坩埚台(7)的顶部安装有一个坩埚台帽(8)；

所述坩埚台(7)的侧壁为双层结构，双层结构中间有一环形真空空腔；

所述加热单元(11)设置在坩埚台(7)的侧壁内部。

2.如权利要求1所述一种四坩埚蒸发源，其特征在于，所述水冷组件包括两根水冷管(3)和水冷台(4)；两根水冷管(3)分别贯穿真空法兰(1)设置；所述水冷台(4)固定连接于两根水冷管(3)的顶端；水冷台(4)内设置有冷却通道(5)；两根水冷管(3)中，一根为进水管，另一根为出水管；进水管的一端与冷却通道(5)连通，另一端为进水口(31)，出水管的一端与冷却通道(5)连通，另一端为出水口(32)；冷却介质通过进水管的进水口(31)流入，并在流经水冷台(4)的冷却通道(5)之后通过出水管的出水口(32)流出。

3.如权利要求2所述一种四坩埚蒸发源，其特征在于，所述水冷台(4)为圆柱体结构；所述水冷台(4)与水冷管(3)之间焊接；水冷管(3)与水冷台(4)垂直设置，水冷台(4)与真空法兰(1)之间同轴设置；所述水冷台(4)内设置的冷却通道(5)有两条，两条冷却通道(5)并联。

4.如权利要求2或3所述一种四坩埚蒸发源，其特征在于，所述坩埚隔板(6)与水冷台(4)固定连接，坩埚罩(10)设置有与坩埚(9)一一对应的通孔；四个所述加热单元(11)一一对应集成设置在对应的坩埚台(7)侧壁内部，四个加热单元(11)的电极(16)与电极法兰(2)的电极之间电连接，其中，两个加热单元(11)为电阻式加热单元，另两个加热单元(11)为电子束加热单元。

5.如权利要求4所述一种四坩埚蒸发源，其特征在于，所述坩埚隔板(6)包括底板(61)、十字型的竖板(62)和砥柱(63)；所述底板(61)通过紧固件固定安装于水冷台(4)的顶面，四个所述砥柱(63)分别位于竖板(62)隔开的四个独立空间内，且固定连接在底板(61)上；坩埚台(7)的底部与砥柱(63)固定连接；坩埚罩(10)通过紧固件固定连接于竖板(62)的顶部。

6.如权利要求1-3任意一项所述的一种四坩埚蒸发源，其特征在于，所述坩埚组件还包括与坩埚(9)一一对应的测温单元，测温单元与电极法兰(2)的电极连接。

7.如权利要求6所述的一种四坩埚蒸发源，其特征在于，所述测温单元为热电偶，热电偶穿过坩埚隔板(6)上的孔路固定在坩埚台(7)上，用于测量坩埚(9)的温度。

8.如权利要求5所述的一种四坩埚蒸发源，其特征在于，所述坩埚台(7)通过陶瓷管连接于所述坩埚隔板(6)的砥柱(63)上；坩埚台(7)底部加工有一盲孔，坩埚台(7)底部的盲孔与陶瓷管配合，并通过紧固件紧固。

9.如权利要求2所述一种四坩埚蒸发源，其特征在于，所述快门组件包括磁耦合旋转器(12)、长杆(13)以及快门(14)；

磁耦合旋转器(12)与真空法兰(1)固定连接，长杆(13)位于蒸发源的中轴线上，长杆(13)的底端通过螺纹固定连接于磁耦合旋转器(12)，顶端依次穿过水冷台(4)、坩埚隔板(6)和坩埚罩(10)；

所述快门(14)设置有五个蒸发孔(15)，快门(14)通过紧固件固定连接于长杆(13)的顶端，通过磁耦合旋转器(12)驱动实现旋转，使快门(14)上的蒸发孔(15)与坩埚罩(10)的通孔同轴相对或者错离。

10.如权利要求9所述的四坩埚蒸发源，其特征在于，所述真空法兰(1)、所述水冷管(3)、所述水冷台(4)、所述坩埚隔板(6)、所述坩埚台(7)、所述坩埚罩(10)以及所述快门(14)均采用不锈钢材料制成。

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