CN221028778U - 坩埚、蒸发源炉和分子束外延设备 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种坩埚、蒸发源炉和分子束外延设备。坩埚包括坩埚主体和加热元件；所述加热元件包括缠绕在所述坩埚主体上的第一加热丝和第二加热丝，所述第二加热丝与所述第一加热丝形成双螺旋构造，其中，所述第二加热丝被配置为在通电时的电流方向与所述第一加热丝不同。本申请能够通过双螺旋加热丝的布局，解决电热丝产生的磁场对分子束/原子束的束流干扰。
Description
技术领域
本申请涉及半导体技术领域，特别是涉及一种坩埚、蒸发源炉和分子束外延设备。
背景技术
蒸发源炉常用于薄膜外延、气相物种分析、高温化学和热力学研究等，其应用较为广泛。例如，蒸发源炉可以作为分子束外延设备、热蒸发镀膜设备的关键部分，蒸发材料的原子/分子通过蒸发源炉中的坩埚口以原子束/分子束的方式向衬底表面迁移，最终沉积在衬底表面，而沉积的速率主要由坩埚的温度和坩埚的口径控制。就坩埚温度而言，常常通过在坩埚外缠绕加热用的加热丝对坩埚进行加热，以向原材料提供能量和增加坩埚中的蒸气压。
然而，在分子束外延设备中，蒸发源炉中的坩埚外常规缠绕的加热丝可能会引入磁场，进而对分子束外延设备外延生长薄膜造成影响。具体来讲，生长腔内的带电粒子在磁场作用下会发生偏转，导致反射高能电子衍射仪RHEED观测不准确。
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坩埚、蒸发源炉和分子束外延设备，能够通过双螺旋加热丝的布局，解决电热丝产生的磁场对分子束/原子束的束流干扰。
第一方面，本申请实施例提供了一种坩埚，包括：
坩埚主体；
加热元件，所述加热元件包括缠绕在所述坩埚主体上的第一加热丝和第二加热丝，所述第二加热丝与所述第一加热丝形成双螺旋构造，其中，所述第二加热丝被配置为在通电时的电流方向与所述第一加热丝不同。
结合本申请的第一方面，在一可选实施方式中，所述第一加热丝和/或所述第二加热丝的横截面为椭圆形或异形；其中，所述异形为椭圆形和圆形共心的组合形状，圆形直径大于椭圆形短轴且小于椭圆形长轴。
结合本申请的第一方面，在一可选实施方式中，所述第一加热丝的一端被配置为接电源正极，另一端被配置为通过与所述第二加热丝串联后接电源负极。
结合本申请的第一方面，在一可选实施方式中，还包括套设在所述坩埚主体上的热屏蔽罩。
结合本申请的第一方面，在一可选实施方式中，所述热屏蔽罩上开设有可供收容所述第二加热丝和所述第一加热丝的双螺旋卡槽。
结合本申请的第一方面，在一可选实施方式中，若所述第二加热丝通过导体与所述第一加热丝相连，所述双螺旋卡槽包括两个螺旋卡槽，且两个螺旋卡槽的同一端通过环形卡槽连通，其中，所述环形卡槽中收容有所述导体。
结合本申请的第一方面，在一可选实施方式中，还包括：
设在所述坩埚主体底部的热电偶元件；
热屏蔽盖，所述热屏蔽盖封堵所述热屏蔽罩的底部，并与所述热屏蔽罩形成底部封闭的热屏蔽腔室。
结合本申请的第一方面，在一可选实施方式中，所述热屏蔽罩外还套设有循环冷却机构。
第二方面，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一方面中任意一项所述的坩埚。
第三方面，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二方面所述的蒸发源炉。
本申请实施例所提供的坩埚，相较于在坩埚主体上缠绕第一加热丝的方案相比，在该坩埚主体上还缠绕第二加热丝，且第二加热丝与第一加热丝形成双螺旋构造，且所述第二加热丝为在通电时的电流方向与第一加热丝不同；当第一加热丝和第二加热丝均通电时，一方面，第一加热丝和第二加热丝都为坩埚主体提供热源，另一方面，第一加热丝和第二加热丝均产生电流磁效应，考虑到第一加热丝和第二加热丝双螺旋布局，即第一加热丝和第二加热丝缠绕方向相同，而在流经第一加热丝和第二加热丝中的电流流向不同时，第一加热丝和第二加热丝各自产生的磁场可以相互抵消，进而减少磁场对分子束/原子束的偏转干扰，保证外延过程的正常运行。可见，本申请能够通过双螺旋加热丝的布局，解决电热丝产生的磁场对分子束/原子束的束流干扰。
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坩埚(坩埚主体未图示)的立体剖视示意图；
图2为本申请一实施例提供的加热元件的示意图；
图3为本申请一实施例提供的第一/第二电热丝的一个横截面示意图；
图4为本申请一实施例提供的第一/第二电热丝的另一个横截面示意图；
图中：1、加热元件；11、第一加热丝；12、第二加热丝；13、导体；21、热屏蔽罩；22、热屏蔽盖；3、热电偶元件；4、循环冷却机构。
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。
本申请实施例中的坩埚可以为分子束外延设备中蒸发源坩埚，坩埚中多储存有蒸发材料，例如钨、钽、钼等高温金属，蒸发这些高温金属需要极高的温度。相关技术中，常常通过在坩埚主体上缠绕单螺旋的加热电阻丝来对坩埚主体进行加热。其中，蒸发源坩埚可以为氮化硼PBN坩埚、氧化铝Al2O3坩埚、石英坩埚以及钽Ta、钨W金属坩埚等等，用户可以根据蒸发材料的熔沸点、反应活性来选择合适的坩埚，其中蒸发源加热丝一般由钨、钽等高熔点金属制做，并弯曲均匀地缠绕在坩埚主体的外壁，以对坩埚主体内蒸发材料均匀加热。
如图1所示，本申请实施例提供一种坩埚，包括坩埚主体和加热元件1；加热元件1包括缠绕在坩埚主体上的第一加热丝11和第二加热丝12，第二加热丝12与第一加热丝11形成双螺旋构造，其中，第二加热丝12被配置为在通电时的电流方向与第一加热丝11不同。
在本实施例中，在坩埚主体上缠绕第一加热丝11和第二加热丝12，坩埚主体的开口朝上，第二加热丝12与第一加热丝11形成双螺旋构造，且第二加热丝12为在通电时的电流方向与第一加热丝11不同。当第一加热丝11和第二加热丝12均通电时，一方面，第一加热丝11和第二加热丝12都为坩埚主体提供热源以蒸发上述的高温金属；另一方面，第一加热丝11和第二加热丝12均产生电流磁效应，考虑到第一加热丝11和第二加热丝12双螺旋布局，即第一加热丝11和第二加热丝12缠绕方向相同，而在流经第一加热丝11和第二加热丝12中的电流流向不同时，第一加热丝11和第二加热丝12各自产生的磁场可以相互抵消，减少甚至于避免单股缠绕加热电阻丝而引入的磁场干扰，进而减少磁场对分子束/原子束的偏转干扰，保证外延过程的正常运行。
优选地，第一加热丝11的一端被配置为接电源正极，另一端被配置为通过与第二加热丝12串联后接电源负极。
在本实施例中，第一加热丝11和第二加热丝12串联后与蒸发源炉口的正负电极连接，无需对第一加热丝11、第二加热丝12单独通电。具体地，第二加热丝12与第一加热丝11可以为同一根加热丝的两部分，无需额外的连接器件对第一加热丝11和第二加热丝12进行连接即可实现单螺旋加热丝产生的磁场的抵消。
进一步地，还包括套设在坩埚主体上的热屏蔽罩21。其中，加热丝配合热屏蔽罩21可以实现对坩埚主体中的蒸发材料的均匀加热，也可以减少对坩埚主体外的设备的高温损毁。
其中，热屏蔽罩21上开设有可供收容第二加热丝12和第一加热丝11的双螺旋卡槽。该双螺旋卡槽的设计可以使得缠绕的加热丝沿着一定的轨迹缠绕，可以保持合适的间距以使得加热丝实现加热均匀的目的，可以保证坩埚温度的稳定。
若第二加热丝12通过导体13与第一加热丝11相连，双螺旋卡槽包括两个螺旋卡槽，且两个螺旋卡槽的同一端通过环形卡槽连通，其中，环形卡槽中收容有导体13。
如图2所示，在本实施例中，螺旋卡槽、环形卡槽、螺旋卡槽的槽腔中对应收容有第一加热丝11、导体13和第二加热丝12，其中的导体13可为一个环形体。从顶部(可以视为坩埚口)观察，若第一加热丝11的电流流向是顺时针方向，则第二加热丝12则是逆时针方向，电流从电源正极到第一加热丝11自由端，流经该第一加热丝11后再通过导体13流入第二加热丝12，最后从第二加热丝12的自由端流至电源负极，第一加热丝11、第二加热丝12通过环形卡槽处的导体13的连接为一个整体，而沿着电流方向，第一加热丝11与第二加热丝12发生电流方向的改变，进而实现两个螺旋加热丝的电流流向不同，以实现单螺旋加热丝产生的磁场的抵消。
进一步地，还包括热屏蔽盖22和设在坩埚主体底部的热电偶元件3；热屏蔽盖22封堵热屏蔽罩21的底部，并与热屏蔽罩21形成底部封闭的热屏蔽腔室。
在本实施例中，热电偶元件3通常位于坩埚主体的正下方，用以精确测量蒸发源炉的温度，热屏蔽盖22和热屏蔽罩21形成一个桶状结构，其中的热屏蔽盖22和热屏蔽罩21均可以使用隔热的氮化硼材料。其中，上述的桶状结构可以将坩埚主体、热电偶元件3、加热元件1全部包裹在热屏蔽腔室中，桶状结构将热电偶元件3、加热元件1与外界隔开，可以通过桶状结构有效防止温度的扩散，有效实现热屏蔽。以及，热电偶元件3的正负极可以通过热屏蔽盖22上的开口连接到外部的电极上。
其中不管是第一加热丝11还是第二加热丝12，一般使用圆柱形的加热丝，即加热丝的横截面为圆形，然而，圆柱形的加热丝散热面积小，可以利用热量少，故而会造成一定的热量损耗，加热效率有限。
优选地，第一加热丝11和/或第二加热丝12的横截面为椭圆形或异形；其中，异形为椭圆形和圆形共心的组合形状，圆形直径大于椭圆形短轴且小于椭圆形长轴。
在本实施例中，如图3所示，加热丝的横截面为椭圆形，与横截面为圆形的相比，本实施例能够实现更为高效率的加热，温度稳定性也更佳，可以提升蒸发源炉设备长期工作的可靠性。
更进一步地，如图4所示，加热丝的横截面为异形，异形为椭圆形和圆形共心的组合形状，圆形直径大于椭圆形短轴且小于椭圆形长轴。与横截面为椭圆形的相比，本实施例中的异形截面具有更大的比表面积，故而加热效率更高，温度稳定性也更佳。
如图1所示，进一步地，热屏蔽罩21外还套设有循环冷却机构。其中，循环冷却机构可以为包围在热屏蔽罩21周围的循环冷却水管，通过外部的水压设备将冷却水通入循环冷却水管中，避免源炉温度过高对外部的其他设备部件造成影响。循环冷却机构的设置可以保证源炉的温度始终在安全可控范围内，同时也可以避免相邻的源炉温度的相互干扰，保证设备的正常运行。
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主体、加热丝、热屏蔽装置、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)
1.一种坩埚，其特征在于，包括：
坩埚主体；
加热元件，所述加热元件包括缠绕在所述坩埚主体上的第一加热丝和第二加热丝，所述第二加热丝与所述第一加热丝形成双螺旋构造，其中，所述第二加热丝被配置为在通电时的电流方向与所述第一加热丝不同。
2.根据权利要求1所述的坩埚，其特征在于，所述第一加热丝和/或所述第二加热丝的横截面为椭圆形或异形；其中，所述异形为椭圆形和圆形共心的组合形状，圆形直径大于椭圆形短轴且小于椭圆形长轴。
3.根据权利要求1所述的坩埚，其特征在于，所述第一加热丝的一端被配置为接电源正极，另一端被配置为通过与所述第二加热丝串联后接电源负极。
4.根据权利要求1所述的坩埚，其特征在于，还包括套设在所述坩埚主体上的热屏蔽罩。
5.根据权利要求4所述的坩埚，其特征在于，所述热屏蔽罩上开设有可供收容所述第二加热丝和所述第一加热丝的双螺旋卡槽。
6.根据权利要求5所述的坩埚，其特征在于，若所述第二加热丝通过导体与所述第一加热丝相连，所述双螺旋卡槽包括两个螺旋卡槽，且两个螺旋卡槽的同一端通过环形卡槽连通，其中，所述环形卡槽中收容有所述导体。
7.根据权利要求4所述的坩埚，其特征在于，还包括：
设在所述坩埚主体底部的热电偶元件；
热屏蔽盖，所述热屏蔽盖封堵所述热屏蔽罩的底部，并与所述热屏蔽罩形成底部封闭的热屏蔽腔室。
8.根据权利要求4所述的坩埚，其特征在于，所述热屏蔽罩外还套设有循环冷却机构。
9.一种蒸发源炉，其特征在于，包括如权利要求1至8任意一项所述的坩埚。
10.一种分子束外延设备，其特征在于，包括如权利要求9所述的蒸发源炉。
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