本發(fā)明涉及薄膜生長技術領域，更具體地說，涉及一種用于提高蒸發(fā)束流穩(wěn)定性的的坩堝和具有該坩堝的源爐。

背景技術：

薄膜材料是集成電子系統(tǒng)與現(xiàn)代科技的基礎，大多數(shù)電子器件的核心元器件都基于或者包含薄膜材料，比如半導體器件、顯示器、燃料電池、光電器件等等。隨著技術的進步，薄膜制備的工藝尺度已經能夠達到原子量級。目前，最為精確的薄膜制備技術之一就是分子束外延(MBE)。分子束外延技術的不斷改進會對薄膜生長的精確控制及對應用該技術的電子器件性能的提高有重要的影響，從而滿足電子器件與現(xiàn)代科技的進一步發(fā)展對薄膜材料的制備技術的精度提出的更高的要求。

分子束外延(MBE)是一種可在原子尺度精確控制外延厚度、摻雜濃度和界面平整度的薄膜生長技術，可以生長自然界中不存在的薄膜材料，例如超薄膜、超晶格、特種材料摻雜、各種異質界面，從而調控其電學性能、磁學性能、力學性能等，實現(xiàn)很多新奇的物理特性。與傳統(tǒng)的真空蒸發(fā)相比，分子束外延系統(tǒng)具有超高真空(通常背底氣壓小于10-7Pa)，并配置一系列的原位監(jiān)測和分析系統(tǒng)，可以獲得非常高質量的薄膜。它的基本原理是通過交替開啟和關閉坩堝前端的擋板、以及控制原子或束流的噴射時間(即擋板開關的時間)，來實現(xiàn)原子的逐層生長，MBE的生長主要是由分子束和晶體表面的生長動力學控制。因此控制分子束的穩(wěn)定性以及襯底表面的生長溫度，對生長高質量的材料至關重要。

分子束外延生長具體的實現(xiàn)方式就是將要生長的材料，按元素的不同將高純度單質金屬源材料分別放在不同的噴射源的坩堝里，然后在外加電阻絲的作用下，加熱到相應溫度，此時在坩堝內，各元素達到飽和蒸氣壓，就會噴射出分子流，噴射而出的分子或者原子按照擋板控制的次序和數(shù)量到達襯底表面后，就會吸附在襯底表面，然后經過遷移、再排列等，最后在適當?shù)奈恢猛Ａ?，逐層形成外延薄膜。但是，在實際生產和研究的過程中發(fā)現(xiàn)擋板的開啟和關閉會影響蒸發(fā)源溫度的穩(wěn)定性，采用現(xiàn)有的源爐制備的薄膜精度、質量相對較差，且電子技術的不斷發(fā)展對薄膜制備精度也提出了更高的要求，促使人們對蒸發(fā)源溫度以及束流穩(wěn)定性展開了積極的探索。急需開發(fā)出制備高精度薄膜的設備。

經檢索，發(fā)明創(chuàng)造的名稱為：超高真空分子束外延蒸發(fā)裝置(申請?zhí)枺?01520365256.2，申請日：2015-05-29)，該超高真空分子束外延蒸發(fā)裝置包括：水冷裝置，水冷裝置上設置有 安裝孔；加熱裝置，加熱裝置安裝在安裝孔內；熱屏蔽裝置，熱屏蔽裝置安裝在安裝孔內并圍設在加熱裝置的外周，熱屏蔽裝置開設有散熱部，其提高蒸發(fā)裝置的蒸發(fā)效率。但并沒有從根本上解決薄膜的制備精度較差的問題。

此外，發(fā)明創(chuàng)造的名稱為：多組件陶瓷坩堝及其制造方法(申請?zhí)枺?00610064728.6申請日：2006-11-30)，該坩堝一封閉端、一開口端、一自開口端沿伸至封閉端的長度；自開口端沿伸至封閉端長度間的圓周，內表面和外表面，坩堝包括至少兩個構件，底部構件和頂部構件，在圓周上連在一起形成接頭；坩堝在至少內表面的一部分或外表面的一部分具有涂層，用于通過密封接頭固定連接構件；該方案并沒有解決薄膜的制備精度較差的問題。

技術實現(xiàn)要素：

1.發(fā)明要解決的技術問題

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術中薄膜的制備精度較差的問題，提供一種用于提高蒸發(fā)束流穩(wěn)定性的的坩堝和具有該坩堝的源爐；

其中提供的一種用于提高蒸發(fā)束流穩(wěn)定性的坩堝，基于降低熱輻射理論提高熱蒸發(fā)源溫度及束流的穩(wěn)定性，克服現(xiàn)有薄膜生長中開關束流擋板對分子束流的影響，進而提高源薄膜的精度、質量；

其中提供的一種提高蒸發(fā)束流穩(wěn)定性的源爐，采用降低熱輻射理論提高熱蒸發(fā)源溫度及束流的穩(wěn)定性，克服現(xiàn)有薄膜生長中開關束流擋板對分子束流的影響，進而提高源薄膜的精度、質量。

2.技術方案

為達到上述目的，本發(fā)明提供的技術方案為：

本發(fā)明的一種用于提高蒸發(fā)束流穩(wěn)定性的坩堝，坩堝設置為直筒形，且坩堝頂部外壁與坩堝底部外壁等徑，用于減少坩堝頂部的熱輻射；坩堝頂部設置有定位墊片，定位墊片用于固定坩堝頂部。

優(yōu)選地，定位墊片的墊片內圈的半徑大于坩堝頂部的外徑，定位墊片與坩堝頂部之間設置有間隙，所述墊片內圈上設置有定位凸塊，該定位凸塊與坩堝頂部相接處，定位凸塊用于固定坩堝頂部。

優(yōu)選地，定位墊片材料的黑度系數(shù)小于坩堝材料的黑度系數(shù)。

本發(fā)明的一種提高蒸發(fā)束流穩(wěn)定性的源爐，包括坩堝、蒸發(fā)源和加熱單元，所述的坩堝設置于蒸發(fā)源內，坩堝的外部設置有加熱單元，該加熱單元用于對坩堝進行加熱，所述坩堝上述的坩堝。

優(yōu)選地，坩堝還包括定位墊片，該定位墊片為圓環(huán)形；所述的定位墊片套裝于坩堝頂部， 定位墊片用于固定坩堝頂部。

優(yōu)選地，坩堝的開口方向上設置有束流擋板。

優(yōu)選地，所述蒸發(fā)源包括保護外罩和固定基座，保護外罩內設置有容納腔，所述固定基座設置于容納腔的底部，該固定基座用于固定坩堝底部。

優(yōu)選地，所述的保護外罩的頂部設置有與定位墊片相配合的墊片槽，該墊片槽用于固定定位墊片。

優(yōu)選地，所述的固定基座上設置有測溫元件，測溫元件用于檢測坩堝的溫度。

優(yōu)選地，所述的定位墊片的厚度小于墊片槽的深度。

3.有益效果

采用本發(fā)明提供的技術方案，與已有的公知技術相比，具有如下顯著效果：

(1)本發(fā)明的一種用于提高蒸發(fā)束流穩(wěn)定性的的坩堝和具有該坩堝的源爐，基于降低熱輻射理論提高熱蒸發(fā)源溫度及束流的穩(wěn)定性，創(chuàng)造性的設計了坩堝頂部的壁厚與坩堝底部的壁厚相等，且定位墊片與坩堝頂部之間設置有間隙，克服現(xiàn)有薄膜生長中開關束流擋板對分子束流的影響，進而提高源薄膜的精度、質量；

(2)本發(fā)明的一種用于提高蒸發(fā)束流穩(wěn)定性的的坩堝和具有該坩堝的源爐，減小束流擋板開啟或者關閉對坩堝溫度的影響，提高坩堝溫度及束流的穩(wěn)定性，減小熱輻射的量以降低坩堝溫度的波動，更加穩(wěn)定控制束流以制備更高質量的薄膜，滿足了現(xiàn)代電子器件發(fā)展對薄膜技術提出的更高要求。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的坩堝與源爐的結構示意圖；

圖2為本發(fā)明的俯視結構示意圖；

圖3為本發(fā)明的保護外罩的結構示意圖；

圖4為現(xiàn)有技術的坩堝與源爐的結構示意圖。

附圖中的標號說明：

100、坩堝；110、坩堝頂部；120、坩堝底部；130、定位墊片；131、墊片內圈；132、定位凸塊；133、墊片外圈；

200、蒸發(fā)源；210、保護外罩；211、容納腔；212、墊片槽；220、固定基座；221、測溫元件；222、基座定位筒；

300、加熱單元；

400、束流擋板；

100’、現(xiàn)有坩堝；130’、頂部外沿。

具體實施方式

下文對本發(fā)明的示例性實施例的詳細描述參考了附圖，該附圖形成描述的一部分，在該附圖中作為示例示出了本發(fā)明可實施的示例性實施例。盡管這些示例性實施例被充分詳細地描述以使得本領域技術人員能夠實施本發(fā)明，但應當理解可實現(xiàn)其他實施例且可在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下對本發(fā)明作各種改變。下文對本發(fā)明的實施例的更詳細的描述并不用于限制所要求的本發(fā)明的范圍，而僅僅為了進行舉例說明且不限制對本發(fā)明的特點和特征的描述，以提出執(zhí)行本發(fā)明的最佳方式，并足以使得本領域技術人員能夠實施本發(fā)明。因此，本發(fā)明的范圍僅由所附權利要求來限定。

下文對本發(fā)明的詳細描述和示例實施例可結合附圖來更好地理解，其中本發(fā)明的元件和特征由附圖標記標識。

實施例1

結合圖1、圖2、圖3和圖4所示，本實施例的一種用于提高蒸發(fā)束流穩(wěn)定性的坩堝，坩堝100設置為直筒形，且坩堝頂部110外壁與坩堝底部120外壁等徑，且坩堝頂部110的壁厚與坩堝底部120的壁厚相等，即將坩堝設置為直筒形，且沒有頂部的外沿，用于減少坩堝頂部110的熱輻射；坩堝頂部110設置有定位墊片130，定位墊片130用于固定坩堝頂部110(如圖1所示)。

本實施例的定位墊片130的墊片內圈131的半徑大于坩堝頂部110的外徑，定位墊片130與坩堝頂部110之間設置有間隙(如圖2所示)，避免了墊片內圈131直接與坩堝頂部110接觸，從而減小了坩堝頂部110向定位墊片130的熱傳遞，減小了定位墊片130的表面溫度，所述墊片內圈131上設置有定位凸塊132，該定位凸塊132與坩堝頂部110相接處，定位凸塊132用于固定坩堝頂部110，定位凸塊132可通過點接觸與坩堝頂部110接觸，具有較好的固定效果，并且避免了定位墊片130與坩堝頂部110的熱傳遞，該定位凸塊132設置為4個，且定位凸塊132在墊片內圈131上均勻分布。定位墊片130材料的黑度系數(shù)小于坩堝100材料的黑度系數(shù)，進一步的減小了定位墊片130的輻射傳熱，小于坩堝100材料的黑度系數(shù)小于等于0.1，本實施例黑度系數(shù)0.1。定位墊片130的表面光潔度大于等于▽11，本實施例為▽11。

MBE技術可以制備單原子層精度的高質量的薄膜材料，在現(xiàn)代電子器件與技術中有極為重要的應用。該技術通過交替開啟和關閉坩堝前端的擋板來精確控制薄膜的逐層生長，而擋板的開啟和關閉會影響坩堝的溫度及束流穩(wěn)定性，從而影響薄膜及其器件的品質與電學性質。源溫度(即坩堝100溫度)對分子束流將會產生較大的影響，源溫度變化0.5℃將可以造成分子束流1％量級的變化，特別是在在實際的生長過程中，打開或者關閉束流擋板400會影響 熱輻射的量，造成源的溫度會有±0.2℃～±1℃的變化，并將造成分子束流產生1％變化(甚至于更大的變化)，對雜質與化學計量比等因素特別敏感的物理性質產生直接的影響，并直接影響薄膜的質量。

針對以上的技術問題，現(xiàn)有的研究人員尚未有效的發(fā)現(xiàn)上述技術問題，因此也沒有能從根本上解決上述技術問題。熱量傳遞方式包括熱傳導、對流傳熱和輻射傳熱三種基本方式。熱傳導依靠物質的分子、原子或電子的移動或/和振動來傳遞熱量，需要有直接的熱接觸；對流傳熱依靠流體微團的宏觀運動來傳遞熱量，對流傳熱只能在流體中存在，并伴有動量傳遞；輻射傳熱是通過電磁波傳遞熱量，不需要中間介質，在真空中輻射能的傳遞最有效。因此，在分子束外延系統(tǒng)的超高真空中，影響坩堝100溫度的主要因素就是熱輻射。

而本發(fā)明在不改變蒸發(fā)源200本身設計的基礎上，通過長時間的理論研究發(fā)現(xiàn)束流擋板400的開啟或者關閉是影響源的熱輻射造成溫度波動的主要原因，創(chuàng)造性的提出降低高溫熱源的熱輻射強度，坩堝頂部110外壁與坩堝底部120外壁等徑，且坩堝頂部110的壁厚與坩堝底部120的壁厚相等，即將坩堝設置為直筒形，且沒有頂部的外沿，并從根源上減小了坩堝頂部110的輻射傳熱，并通過全新的技術方案獲得更穩(wěn)定的溫度及束流控制，進而避免束流擋板400打開或者關閉對溫度穩(wěn)定性的影響，從而提高薄膜的質量。

現(xiàn)有坩堝100’的頂部外沿130’用于固定現(xiàn)有坩堝100’(如圖4所示)，頂部外沿130’與現(xiàn)有坩堝100’主體具有良好的熱接觸，因此使得頂部外沿130’的溫度T1與現(xiàn)有坩堝100’頂部內表面的溫度為T2基本相同，即T1≈T2；現(xiàn)有坩堝100’的頂部外沿130’高溫部分的面積大大增加，使得頂部外沿130’具有較大的熱輻射。束流擋板400的開啟或者關閉對頂部熱輻射的量有很大的影響。在開關束流擋板400的時候，會導致較大的輻射傳熱變化，影響整個現(xiàn)有坩堝100’的溫度以及束流的穩(wěn)定性。

本發(fā)明基于降低熱源的熱輻射，坩堝頂部110的壁厚與坩堝底部120的壁厚相等，減小束流擋板400對溫度的擾動，著重降低坩堝頂部110的熱輻射的量，定位墊片130與坩堝頂部110之間設置有間隙，從而使得定位墊片130的溫度T2’<<T1’，且定位墊片130材料的黑度系數(shù)小于坩堝100材料的黑度系數(shù)，從而將坩堝頂部110熱輻射量減少50％以上，降低了束流擋板400對坩堝100溫度的影響，使得坩堝100溫度的變化低于±0.1℃，獲得更加穩(wěn)定可控的束流以制備更高質量的薄膜，提高了薄膜的質量。

本發(fā)明創(chuàng)造性的提出改進坩堝設計來穩(wěn)定分子束流，從根源上降低輻射傳熱來減小源溫度的波動，并獲得更穩(wěn)定的束流。本發(fā)明采用兩種方案來降低熱輻射，其一：通過減小坩堝100熱輻射表面積的方式，采用無頂部外沿130’設計來降低高溫部分的面積以降低熱輻射。通常，頂部外沿130’的直徑是現(xiàn)有坩堝100’開口直徑的兩倍或以上，換算成面積，分子束 流通過的坩堝開口只占約1/4的表面積。因此，通過去掉現(xiàn)有坩堝100’的固定外沿，可以大幅度降低熱輻射，且定位墊片130與坩堝100分離設計，且兩者沒有良好熱接觸，使得定位墊片130處于相對較低溫狀態(tài)，進而減少定位墊片130輻射傳熱對坩堝100的影響。其二：定位墊片130材料的黑度系數(shù)小于坩堝100材料的黑度系數(shù)，并進行拋光處理，進一步的降低熱輻射。從而大幅減小束流擋板400開啟或者關閉對坩堝溫度的影響，提高坩堝100溫度及束流的穩(wěn)定性。本發(fā)明采用全新技術方案，從根本上減小熱輻射的量以降低坩堝溫度的波動，本發(fā)明的技術方案采用最簡潔、經濟的方式解決了重要的問題。本發(fā)明的設計通過使用無頂部外沿130’的坩堝以減少熱輻射面積，打開或者關閉束流擋板400的過程中，坩堝100的溫度的變化低于±0.1℃，更加穩(wěn)定控制束流以制備更高質量的薄膜，滿足了現(xiàn)代電子器件發(fā)展對薄膜技術提出的更高要求。

實施例2

本實施例的一種提高蒸發(fā)束流穩(wěn)定性的源爐，包括坩堝100、蒸發(fā)源200和加熱單元300，所述的坩堝100設置于蒸發(fā)源200內，坩堝100的外部設置有加熱單元300，該加熱單元300用于對坩堝100進行加熱，加熱單元300為加電阻絲，所述坩堝100為實施例1所述的坩堝100。坩堝100的定位墊片130為圓環(huán)形；所述的定位墊片130套裝于坩堝頂部110，定位墊片130用于固定坩堝頂部110，坩堝100的開口方向上設置有束流擋板400(如圖3所示)。并通過全新的技術方案獲得更穩(wěn)定的溫度及束流控制，進而避免束流擋板400打開或者關閉對溫度穩(wěn)定性的影響，從而提高薄膜的質量。

實施例3

本實施例的基本內容同實施例2，不同之處在于：蒸發(fā)源200包括保護外罩210和固定基座220，保護外罩210內設置有容納腔211，所述固定基座220設置于容納腔211的底部，該固定基座220用于固定坩堝底部120。該容納腔211用于容納坩堝100，容納腔211的內徑大于坩堝100的外徑，即坩堝100外壁不與容納腔211接觸；且固定基座220上設置有基座定位筒222，該基座定位筒222用于與坩堝100底部相配合，且基座定位筒222的外徑小于容納腔211的內徑，基座定位筒222不與容納腔211內壁接觸。

本實施例的保護外罩210的頂部設置有與定位墊片130相配合的墊片槽212，該墊片槽212用于固定定位墊片130，定位墊片130的墊片外圈133與墊片槽212相配合，墊片槽212可對定位墊片130進行固定，定位墊片130的厚度小于墊片槽212的深度，避免了束流擋板400直接與定位墊片130接觸了，從而減小了束流擋板400的打開或者關閉對坩堝100溫度的影響。

固定基座220上設置有測溫元件221，測溫元件221用于檢測坩堝100的溫度，從而時時檢測坩堝100的溫度，當溫度變化的時候可及時的加熱單元300的加熱功率，進而可以保 證坩堝100溫度的穩(wěn)定性，使得坩堝100的溫度的變化低于±0.1℃，得到更加穩(wěn)定可控的束流以制備更高質量的薄膜，滿足了現(xiàn)代電子器件發(fā)展對薄膜技術提出的更高要求。

在上文中結合具體的示例性實施例詳細描述了本發(fā)明。但是，應當理解，可在不脫離由所附權利要求限定的本發(fā)明的范圍的情況下進行各種修改和變型。詳細的描述和附圖應僅被認為是說明性的，而不是限制性的，如果存在任何這樣的修改和變型，那么它們都將落入在此描述的本發(fā)明的范圍內。此外，背景技術旨在為了說明本技術的研發(fā)現(xiàn)狀和意義，并不旨在限制本發(fā)明或本申請和本發(fā)明的應用領域。

更具體地，盡管在此已經描述了本發(fā)明的示例性實施例，但是本發(fā)明并不局限于這些實施例，而是包括本領域技術人員根據(jù)前面的詳細描述可認識到的經過修改、省略、(例如各個實施例之間的)組合、適應性改變和/或替換的任何和全部實施例。權利要求中的限定可根據(jù)權利要求中使用的語言而進行廣泛的解釋，且不限于在前述詳細描述中或在實施該申請期間描述的示例，這些示例應被認為是非排他性的。例如，在本發(fā)明中，術語“優(yōu)選地”不是排他性的，這里它的意思是“優(yōu)選地，但是并不限于”。在任何方法或過程權利要求中列舉的任何步驟可以以任何順序執(zhí)行并且不限于權利要求中提出的順序。因此，本發(fā)明的范圍應當僅由所附權利要求及其合法等同物來確定，而不是由上文給出的說明和示例來確定。