专利名称：真空系统用石英活性气体发生装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及等离子体技术和晶体生长技术，特别是一种真空系统用石英活性气体发生装置。
在超高真空环境下工作的处于激发状态(活性)的原子、分子的集合体(或等离子体)发生装置在半导体晶体生长以及半导体表面处理等领域有广泛的用途。如在III-V族半导体GaN系材料的分子束外延生长以及II-VI族半导体ZnSe系材料的P型掺杂中都使用氮(N)活性原子、分子作为材料主元素的束流源和掺杂剂源。在Si、GaAs等半导体表面处理工艺中，利用活性氢原子清洗可以有效地清除表面氧化物，实现材料表面的低温清洁。
英国现有的在超高真空环境下工作的活性原子、分子发生装置是使用不锈钢材料作为主要支撑和真空密封结构，等离子体发生腔用氮化硼材料制成，且氮化硼反应炉和不锈钢外壳部分连接较为复杂，导致产品价格十分昂贵，使许多使用单位难以承受。并且由于该装置与真空系统的接口规格在制造时必须确定，事后用户难以根据自己的真空系统接口灵活变更。
本实用新型的目的在于提供一种结构简单、使用方便、成本低廉的真空系统用石英气态活性原子、分子发生装置。
本实用新型的目的通过如下技术方案完成本活性气体发生装置包括等离子体发生部分、接口、气路与阀门。由减压阀一端连接气源，另一端通过气路顺序连接角阀和真空漏阀；真空漏阀通过波纹管连接石英的管状反应腔，石英管状反应腔的另一端的端面烧结有凹形泻流孔；石英管状反应腔通过接口与超高真空系统相连接。由不锈钢套与法兰螺纹齿合压缩氟橡胶环形成密封面。即接口密封由氟橡胶圈被不锈钢套与劈状挤压块及石英反应腔侧面三者挤压后密封。在石英管状反应腔两端分别与不锈钢气路及超高真空系统的连接处设有水冷套，水冷套与石英管状反应腔的间隙中填有金属铟。在石英管状反应腔的外部耦合有射频辐射线圈。射频辐射线圈用空心铜质材料做成，线圈导线用水冷却。射频辐射线圈用氟塑料支柱支撑于机架上，保持与石英管状反应腔之间无接触。
本实用新型具有如下有益效果1.本实用新型的活性原子、分子发生装置的主体部分使用较为廉价的高纯石英材料，石英结构同时起到等离子体反应腔、真空密封、气路以及支撑的作用，大大简化了等离子体发生器的结构和制备成本，使之成为一种廉价的常用设备。本实用新型的装置已经在分子束外延超高真空系统上试用。利用本装置产生的氮等离子体已经成功地获得了ZnSe、ZnTe等II-VI族半导体料的P型重掺杂。
2.本实用新型的石英管状反应腔的直径尺寸可根据不同真空系统的要求以及使用目的而定。
3.本实用新型的石英管状反应腔与超高真空系统的接口具有拆卸方便、易于与各类不同真空系统连接的优点。
4.本实用新型在水冷套与石英管反应腔之间用铟填隙，增强了热的有效传导。
5.本实用新型可通过控制凹形泻流孔大小及漏阀开启大小来达到调节活性粒子束流和背景真空的要求。
本实用新型
如下图1为本实用新型的等离子体发生装置结构示意图。
图2为本实用新型的石英管状反应腔端面的泻流孔剖面图，图2为图1中标记12的局部放大剖视图。
图3为本实用新型的石英管状反应腔到超高真空系统的接口的剖视图。
图4为本实用新型的气体源气路到石英管状反应腔的接口的剖视图。
以下结合附图对本实用新型作进一步阐述本实用新型的离子体发生装置请参阅图1。气源1提供的气体首先经减压阀2减压至0.1～0.2MPa，然后再通过气路3并顺序通过角阀7、真空漏阀8将体气微量地泄漏至石英管状反应腔4。在石英管状反应腔内的气体经射频辐射线圈的耦合激励，在适当的气体压强下形成处于各种激发状态的气体原子及分子的混合体。反应气体经石英管状反应腔前端面上的泻流孔12泄入超高真空室13。
根据气体的放电条件，石英管状反应腔体内的气体放电压强应为1.3～1.3×10-2Pa量级。该气体压强由真空漏阀8的气体漏率、石英管状反应腔前端面上的泻流孔12的尺寸以及真空室内排气泵的排气量协调控制达到。在使用时，石英管状反应腔前端面上的泻流孔12的尺寸以及真空室内排气泵组的排气量是已经确定的量，可由真空漏阀8调整至合适的气体放电压强。
石英管状反应腔前端面上的泻流孔12的尺寸的大小可调节不同的气体通量和作用范围，可根据不同的使用目的确定。但由于该泻流孔的石英管状反应腔内气体压强的决定，故直径一般在0.1～0.4mm之间选择。
为了提高反应气体活性成分的泄放效率，石英管状反应腔前端面上的泻流孔12的几何形状的加工是一个关键问题。泻流孔的形状应为凹形结构，请参阅图2，使反应气体在泻流孔处由于与管孔壁的接触而引起的受激状态的衰变几率减至最小。
凹形泻流孔的制备方法首先在石英片表面用烧结的方法加工一个较大的凹坑，然后用超声波将针尖直径为0.05mm的钨针(直径应根据所需泻流孔的大小而定)射入凹坑中并将其震断。再用聚焦的激光束将留在石英片内的钨针汽化，这样可以获得直径约0.1mm薄壁泻流孔。最后将该石英片烧结至英管状反应腔的端口。
石英管状反应腔与超高真空系统13的连接接口由不锈钢套15与法兰16螺纹齿合压缩氟橡胶环14形成密封面。接口密封结构由氟橡胶圈14被不锈钢套15与法兰16的劈状挤压块及石英反应腔侧面三者挤压后密封。其结构请参阅图3和图4。该种连接方式密封的真空系统能够达到优于1.3×10-6Pa的真空度，可以满足一般真空系统的要求。并具有拆卸方便易于与各类真空系统连接的优点。
石英管状反应腔与气体源气路连接部分请参阅图1和图4。由于石英是脆性材料，在与不锈钢硬管管路的连接处采用不锈钢波纹软管9。这样可以提高系统的抗震能力、也因此具有较大的自由度，易于安装和位置校准。
由于石英管状反应腔腔体的工作温度很高，在其两端与不锈钢气路以及真空系统的连接处设有水冷套10和11。通过这种结构，带走等离子体发生部分的热量，起到保护真空密封圈和防止真空泄漏的作用。水冷套10和11结构请参阅图3和图4。在石英管状反应腔两连接端的水冷套与石英管状反应腔之间用铟填隙，增强热的有效传导。
射频辐射耦合线圈5用空心铜质材料制成。线圈导线可以用冷却水冷却。线圈用氟塑料支柱6支撑于外部机架上，使之与石英管状反应腔之间无接触，避免石英管状反应腔受力破损。
石英管状反应腔4以及射频辐射耦合线圈5置于金属材料保护框架内(图中未示)，防止外界因素对石英管状反应腔的破坏。金属材料保护框上盖敷金属屏蔽网(图中未示)，避免辐射能量向外界泄漏。
权利要求1.一种真空系统用石英活性气体发生装置，包括等离子体发生部分、接口及气路，其特征在于a.由减压阀2一端连接气源1，另一端通过气路3顺序连结角阀7和漏阀8；真空漏阀8通过波纹管9联接石英管状反应腔4，石英管状反应腔4的另一端面烧结有凹形泻流孔12；石英管状反应腔4通过接口与超高真空系统13相联结；b.石英管状反应腔4与超高真空系统13的连接接口密封结构由氟橡胶圈14被不锈钢套15与法兰16的劈状挤压块及石英管状反应腔侧面三者挤压后构成；c.在石英管状反应腔4两端分别与不锈钢气路及超高真空系统的连接处设有水冷套10和11，水冷套10、11与石英管状反应腔4之间的间隙中填有金属铟；d.在石英管状反应腔4的外部耦合有射频辐射线圈5，射频辐射线圈5用空心铜质材料做成，线圈导线用水冷却，射频辐射线圈5用氟塑料支柱6支撑于机架上，保持与石英管状反应腔4之间无接触。
专利摘要本实用新型提供一种新型的适用于超高真空用的用石英材料制作的气态活性原子、分子发生装置。它是将经过减压后工作气体通过真空漏阀输入到石英反应腔。在反应腔,气体与射频电场耦合产生的活性原子的分子的复合体通过泻流孔泄放至超高真空系统。该装置的等离子体发生反应腔使用高纯石英材料制成。石英结构同时起到等离子体反应腔、真空腔密封、气路以及支撑的作用,既简化了等离子体发生器结构,又降低了制备成本。
文档编号C30B35/00GK2273314SQ9622930
公开日1998年1月28日 申请日期1996年2月13日 优先权日1996年2月13日
发明者王善忠, 许颐璐, 杨建荣, 俞锦陛, 姬荣斌, 巫艳, 郭世平, 何力 申请人:中国科学院上海技术物理研究所