壓差式真空抽吸的材料蒸發室的製作方法

2023-11-03 01:17:47

專利名稱：壓差式真空抽吸的材料蒸發室的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種真空材料蒸發室。
背景技術：
一表面的潔淨度或一沉積薄膜的純度等級在一些技術領域例如納米技術、催化化學、生物技術中是基本要求。
例如，在所涉及對象為幾納米至幾微米數量級的納米技術中，只有當薄膜以及其上形成有這些薄膜的基底不受任何汙染時，才能理解諸如所述薄膜的生成/生長(growth)、所述薄膜中的光誘導反應之類的現象。
在半導體領域中，薄膜的生成不能有雜質並因此不能在無意間摻雜也是基本要求。將已知量的純淨材料沉積到半導體表面上對形成金屬半導體結和半導體異質結構確實尤其重要。金屬半導體結可在半導體裝置的所有金屬觸點例如電子探測器的歐姆觸點中找到。而半導體異質結構對於光電裝置較重要。
最後，金屬異質結構因為其可能會被應用於例如磁學領域也值得探討。
在超高真空下製備這種結構的一種現有技術稱為MBE(分子束外延)。在該技術中，通過將包含使層形成的元素的材料傳送到一吸收其的金屬或半導體基底上來獲得外延層。分子束外延可實現—尤其對於半導體來說—控制摻雜層的生成，該控制摻雜層的化學成分可在若干埃的空間上隨深度的不同而變化。
因此，一蒸發室包含多個材料源1(圖1)。這些材料源1相對於要形成的積聚(piled)層交替使用。材料源1可為各種材料源，將其中最常用的一種材料源從一包含一通過焦耳效應加熱的坩堝的室(cell)中蒸發。其它材料源包括一其氣體例如是氧(O2)、氫(H2)、氮(N2)或其它氣體的等離子源，或氣體噴射器或靜電轟擊蒸發槍。當這些材料源1是室時，它們的坩堝通常為在一個端部2處開口的柱狀或錐狀或其它形狀，並被安裝成所述開口端2面對其上要沉積材料的基底3定位。
如前所述，這些沉積系統的一個要求是形成薄膜的低汙染。除了材料在真空且優選在超高真空即壓力小於10-9託下在一室4中的沉積外，材料源1本身不應該成為一可能的汙染源。因此，要對材料源1進行一深入的脫氣操作。
然而，在蒸發室中存在多個材料源1會造成另一種汙染材料源1的交叉汙染。這種汙染部分地是固體源由於存在氣體(已離子化或未離子化)而造成的汙染。當這些材料源中的一個隨後被使用時，不僅所述坩堝的元素朝向基底3蒸發，而且吸收的汙染元素也會蒸發或者與所述材料源反應。然後，如此沉積在基底3上的層會包含不需要的雜質，在半導體材料的情況下該雜質不僅會影響半導體的摻雜而且會影響材料性能。在這些材料源1附近設置具有液態氮循環的貯存面板5以冷凝(材料源蒸發的)氣體，以及在未使用的材料源1前方設置單獨的掩模6不能提供避免這種交叉汙染的完全令人滿意的解決方案。

發明內容
本發明的目的是提供一種設計簡單且操作方式簡單的真空材料蒸發室，它包括用於在一免受任何汙染的基底上生成層的材料蒸發源。
為此，本發明涉及一種材料蒸發室，它包括一真空室，一用於抽吸所述室和材料源的第一抽吸單元。
根據本發明，一易於提供全部或部分真空密封度的壁在該真空室內限定一由所述第一抽吸單元抽吸的第一空間和一由一第二抽吸單元抽吸的第二空間；將具有一主軸線的多個材料源放入所述第二空間，並將其它材料源放入所述第一空間；
所述壁包括凹口，每個所述凹口以具有一主軸線的所述材料源中的一個材料源的主軸線為中心；並且所述室包含用於堵塞或打開(clear)每個所述凹口的裝置，所述裝置被單獨的控制以便保護具有一未使用的主軸線的材料源。
本發明還涉及下面說明的在技術上可單獨或結合起來考慮的特徵用於堵塞或打開所述凹口的裝置包括掩模；在生成時，形成來自於所述第一空間的材料的元素經由已被打開的所述凹口的流速是由所述第二抽吸單元抽吸形成的。
「生成」是指通過吸收形成由放入蒸發室中的材料源蒸發的材料的元素而在樣品上逐漸形成層的過程。應區分開其中放入所述第一空間內的至少一個材料源和放入所述第二空間內的至少一個材料源同時工作的共同蒸發生成與其中放入蒸發室內的一個材料源在給定時間內工作的相繼生成。在後者的情況下，在放入所述第一空間內的一個材料源工作期間，用於堵塞或打開每個所述凹口的所述裝置處於堵塞位置。
易於提供全部或部分真空密封度的所述壁包含一板；所述第一抽吸單元包含一主泵和一副泵；所述第二抽吸單元包含一副泵；所述第一空間和所述第二空間包括至少一個液態氮貯存面板；由所述壁限定的所述第二空間的壓力低於10-7託；所述蒸發室包含用於控制所述壓力以獨立地測量所述第一空間和所述第二空間中的壓力的裝置；放入所述第二空間的具有一主軸線的所述材料源包括通過焦耳效應加熱的坩堝室；放入所述第二空間的具有一主軸線的所述材料源包括電子轟擊蒸發槍；放入所述第一空間的所述材料源包括至少一個等離子源；放入所述第一空間的所述材料源包括至少一個氣體噴射器。


下面將結合附圖對本發明進行詳細說明，其中圖1是現有技術蒸發室的示意圖；圖2是根據本發明一實施例的材料蒸發室的示意圖；以及圖3是根據本發明一實施例的易於提供全部或部分真空密封度的壁的俯視圖。
具體實施例方式
根據本發明的材料蒸發室包含一真空室10，該真空室10包括一可安裝在一操作裝置12上的樣品11。該材料蒸發室的第一個目的是通過蒸發已知量的純材料在樣品11上生成層。該材料可為通常易於在真空下蒸發的任何類型材料(鋁(Al)、鈣(Ca)、銦(In)、鑭(La)、鋰(Li)、鎵(Ga)、鍶(Sr)、鈦(Ti)、釔(Y)、鋯(Zr)等)。所述真空室10優選包括能夠將所述真空室連接到其它真空室從而形成一單個真空組件以便處理和製備一樣品11-可能地還會分析和修正形成的所述樣品11-的傳送凸緣或塞子(tap)。然後通過操縱臂將樣品11從一個真空室傳送到另一個真空室。
通過一第一抽吸單元13抽吸該蒸發室。第一抽吸單元13優選包含一主泵和一副泵，例如一低溫泵或一渦輪分子泵或其它泵。除此之外，所述抽吸單元13可包含一鈦升華器14和一低溫面板15。真空室10可包含一能夠維持層的純度的普通低溫面板16。該真空室還包含用於控制所述室內的壓力的裝置。這些控制裝置包括例如連接到一外部壓力控制裝置的所謂的B-A型真空計(Bayard-Alpert gauge)。
該蒸發室包含材料源。可設計各種材料源，最常用的一種是利用一克努森(Knudsen)式材料源17進行蒸發。然後通過焦耳效應加熱一坩堝。例如可由氮化硼或高純度石墨製成的坩堝呈具有一主軸線18的柱狀或錐狀或其它形狀。所述坩堝的一個端部19是開口的並且面對操作裝置12定位。可使用一電阻元件例如一金屬絲獲得焦耳效應。該金屬絲可有利地由鉭(Ta)製成，但也可由其它耐火材料(鉬(Mo)、鎢(W)等)製成。在另一實施例中，通過電子轟擊一蒸發槍20中的材料源進行蒸發。
蒸發室還包含其它材料源21例如其產品易於與具有一主軸線18的材料源17的材料反應的等離子源或氣體噴射器。主軸線18還限定了一主蒸發軸線。承載氣體的等離子或氣體噴射器中的氣體選自氧(O2)、氮(N2)、氫(H2)等。優選地，對樣品11的溫度也進行控制，即樣品11的溫度可隨要沉積在其表面上的元素變化。
根據本發明，可將具有一主軸線18的材料源17放入由一壁23在所述室中限定的一空間22。該壁23可確保全部或部分真空密封度，並通過一第二抽吸單元24抽吸由壁23限定的空間22。在一實施例中，該壁23由金屬(鉭、鉬、不鏽鋼等)製成。因此，應區分一包含材料源21例如等離子源或氣體噴射器的由第一抽吸單元17抽吸的第一空間25和一包含具有一主軸線18的材料源17例如坩堝室以及電子轟擊蒸發槍20的第二空間22。
所述壁23包含凹口26，每個凹口26以放入第二空間22中的具有一主軸線18的一個材料源17的主軸線18為中心。當與一凹口26對應的材料源17工作時，由該材料源發射的分子束經由所述凹口26到達樣品11。為了維持由壁23限定的空間22的有效真空(度)即一小於10-7託優選小於10-9託的壓力，該室10包含用於堵塞每個所述凹口26的裝置27。單獨地控制這些裝置27以打開選定材料源17的凹口26。在一實施例中，用於堵塞每個凹口26的這些裝置27為掩模，例如肘節(toggling)掩模或線性掩模或其它掩模。這些裝置27能夠保護材料源17不受可能的汙染。這些汙染可例如是由放入第一空間25內的材料源21(氣體噴射器、等離子源等)中的一個材料源的操作引起的。有利地，在沉積過程中在第一空間25中測得的局部壓力P1基本不影響在由第二抽吸單元抽吸的第二空間22中測得的壓力P2。換句話說，在生成過程中，形成等離子的元素例如經由敞開的凹口26的流速比第二抽吸單元24的抽吸速度S小，從而該元素由所述第二抽吸單元抽吸。然而，即使所述流速大於抽吸速度，差壓式抽吸原理仍然能保護材料源17。實際上，一旦壁23的凹口26被封閉掩模27堵塞，形成要進入真空室下部的等離子的元素將被第二抽吸單元24抽吸。因此，形成等離子的元素處在材料源17附近的時間僅僅是有限的。第二抽吸單元24包含至少一個副泵例如低溫泵、渦輪分子泵或其它泵。由壁23限定的第二空間22還可包含至少一個液態氮循環貯存面板28。這些附加的冷凝表面能夠限制分子束和第二空間22中的雜質。優選地，通過所謂的B-A型壓力控制裝置測量由壁23限定的第二空間22中的壓力。
圖2示出本發明的一實施例。蒸發室的空間由壁23分成一第一空間25和一第二空間22。該壁23是一連接到室10的側壁29上以確保部分或全部真空密封度的鉬板。在這種情況下，將該板焊接或連接到所述壁29上。該板23包含凹口26，為了簡潔，圖2中示出一個凹口。凹口26以放入在蒸發室下部由板23限定的第二空間22內的一材料源17的主軸線18為中心。裝置27能夠堵塞和打開所述凹口26。這些裝置27包括一由一外部肘節裝置30致動的肘節掩模。單獨控制每個掩模27。當一掩模27處於堵塞位置時，掩模的葉片(blade)31與板23的凹口26周圍的表面平行，以確保所述表面和掩模27之間的完全接觸。當操作放入第一空間25內的一個材料源21例如等離子源或氣體噴射器時，第一空間25和第二空間22之間的壓差也可加強該密封(度)。
蒸發室的第一空間25由一抽吸井(pumping well)32形成的第一抽吸單元13抽吸，抽吸單元13包括一可提供一冷凝表面的低溫面板15，一個或多個同時用於在該室內形成一真空並用於抽吸在層生成過程中存在的元素的副低溫泵，一確保真空的形成的鈦升華器14。由板23限定的第二空間22本身是由用於抽吸在生成薄膜期間和當打開選定的相應材料源的掩模27時存在的元素的一渦輪分子泵24和一液態氮循環貯存面板28抽吸的。
圖3示出對應於圖2的實施例中所述的板23的俯視圖。該板23包括具有橢圓形狀的凹口26。該橢圓形狀是由於材料源17的管狀形狀的影響以及材料源的主軸線18相對於板23的傾斜而形成的。雙線33示意性地示出圖2中所示板23的位於其中間的曲柄。
放入由壁23限定的第二空間22內的具有主軸線18的材料源17，以及放入第一空間25內的材料源21例如等離子源或氣體噴射器在該蒸發室中以便生成(含)氧層、(含)氮層或半導體。
權利要求
1.一種材料蒸發室，它包括一真空室(10)，一用於抽吸所述室的第一抽吸單元(13)以及材料源，其特徵在於一易於提供全部或部分真空密封度的壁(23)在所述真空室(10)中限定一由所述第一抽吸單元(13)抽吸的第一空間(25)和一由一第二抽吸單元(24)抽吸的第二空間(22)；將具有一主軸線(18)的多個材料源(17)放入所述第二空間(22)，並將其它材料源(21)放入所述第一空間(25)；所述壁(23)包括凹口(26)，每個凹口(26)以具有一主軸線(18)的所述材料源(17)中的一個材料源的所述主軸線(18)為中心；並且所述蒸發室包含用於堵塞或打開每個所述凹口(26)的裝置(27)，所述裝置(27)被單獨地控制以便保護具有一未使用的主蒸發軸線(18)的所述材料源(17)。
2.一種根據權利要求1所述的蒸發室，其特徵在於，用於堵塞或打開所述凹口(26)的所述裝置(27)包含掩模。
3.一種根據權利要求1或2所述的蒸發室，其特徵在於，在生成時，形成來自於所述第一空間(25)的材料的元素經由已被打開的所述凹口(26)的流速是由所述第二抽吸單元(24)抽吸形成的。
4.一種根據權利要求1至3之一所述的蒸發室，其特徵在於，所述易於提供全部或部分真空密封度的壁(23)包含一板。
5.一種根據權利要求1至4之一所述的蒸發室，其特徵在於，所述第一抽吸單元(13)包含一主泵和一副泵。
6.一種根據權利要求1至5之一所述的蒸發室，其特徵在於，所述第二抽吸單元(24)包含一副泵。
7.一種根據權利要求5和6所述的蒸發室，其特徵在於，所述第一空間(25)和所述第二空間(22)包括至少一個液態氮貯存面板(16，28)。
8.一種根據權利要求1至7之一所述的蒸發室，其特徵在於，由所述壁(23)限定的所述第二空間(22)的壓力低於10-7託。
9.一種根據權利要求1至8之一所述的蒸發室，其特徵在於，所述蒸發室包含用於控制所述壓力以便獨立地測量所述第一空間(25)和所述第二空間(22)中的壓力的裝置(16)。
10.一種根據權利要求1至9之一所述的蒸發室，其特徵在於，放入所述第二空間(22)的具有一主軸線(18)的所述材料源(17)包括一通過焦耳效應加熱的坩堝室。
11.一種根據權利要求1至10之一所述的蒸發室，其特徵在於，放入所述第二空間(22)的具有一主軸線(18)的所述材料源(17)包括電子轟擊蒸發槍(20)。
12.一種根據權利要求1至11之一所述的蒸發室，其特徵在於，放入所述第一空間(25)的所述材料源(21)包括至少一個等離子源。
13.一種根據權利要求1至12之一所述的蒸發室，其特徵在於，放入所述第一空間(25)的所述材料源(21)包括至少一個氣體噴射器。
全文摘要
本發明涉及一種壓差式真空抽吸的材料蒸發室。該材料蒸發室包括一真空室(10)和一用於抽吸所述室和材料源的第一抽吸單元(13)。根據本發明，一可提供完全或部分真空密封的壁(23)將所述室分成一第一空間(25)和一第二空間(22)。將具有一主軸線(18)的多個材料源(17)放入所述第二空間(22)。通過一第二抽吸單元(24)抽吸所述第二空間(22)。所述壁(23)包括都以一個材料源(17)的主軸線(18)為中心的凹口(26)。所述蒸發室還包括用於封閉或打開每個所述開孔(26)的裝置(27)，所述裝置(27)被單獨地控制以保護具有一未使用的主軸線(18)的材料源(17)。
文檔編號H05B1/00GK1662673SQ03814326
公開日2005年8月31日 申請日期2003年6月18日 優先權日2002年6月18日
發明者C·謝, A·雅裡, P-A·尼特, J-P·洛凱, J·豐佩伊裡內, H·西格瓦爾特 申請人:瑞必爾