专利名称：电子束蒸发源装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种薄膜制备装置，特别是一种电子束蒸发设备中的具有分子束外延 功能的超高真空电子束蒸发源装置。
背景技术：
薄膜技术在工业上得到广泛的应用，特别在电子材料、磁性材料与元器件工业领 域中占有极为重要的地位。因此，制备各种性能薄膜的方法最近几十年中也得到飞跃 发展。到现在为之，薄膜的制备方法己发展有物理气相沉积(Physical Vapor Deposition, PVD)，包括真空蒸发镀膜法、溅射镀膜法、离子镀膜法和分子束外延生长等；化学气 相沉积(Chemical Vapor Deposition, CVD);氧化法；电镀法；涂敷、沉淀法等。使用 比较多的是物理气相沉积法和化学气相沉积法。
最近几十年金属超薄膜的研究已成为一个非常活跃的领域。对薄膜的深入研究对 薄膜的制备提出了越来越高的要求。溅射镀膜法、氧化法、电镀法等等无法精确控制 生长速率。而电子束蒸发(典型的如MBE分子束外延)的生长方式能够精确制备0.1~10 个单层原子层厚的金属超薄膜。
目前，具有分子束外延功能的超高真空电子束蒸发源只有极少数几个公司能够生 产，但其价格较为昂贵，而且整个设备的结构比较复杂，制备上要求极其精细，导致 成本极高，需要十几万欧元。
发明内容
发明目的本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种具有分 子束外延功能的超高真空电子束蒸发源装置。
技术方案本发明公开了一种电子束蒸发源装置，包括带有内腔的壳体，冷凝管、 第一绝缘件、第二绝缘件、离子束流收集器、用于固定蒸发材料的蒸发棒、两个导体 以及灯丝；所述壳体设有第一开口和第二开口，所述第一开口、第二开口分别与所述 第一绝缘件、第二绝缘件密封连接；所述离子束流收集器与第二绝缘件连接，且离子 束流收集器外部嵌套有收集器外壳，所述第二绝缘件、离子束流收集器以及收集器外 壳上设有射出离子束的通孔；所述蒸发棒以及两个导体一侧位于壳体的内腔中，另一 侧伸出第一绝缘件；所述灯丝与两根导体位于内腔内的一端连接；所述冷凝管与壳体 紧密连接。
本发明中，优选地，所述壳体上设有与所述冷凝管形状配合的凹槽，所述冷凝管 穿过所述第一绝缘件，置于所述凹槽内。由此可以确保冷凝管与壳体紧密接触，有效
3的降低壳体的温度。
本发明中，优选地，所述冷凝管包括外管和内管；外管与所述壳体连接，内管位 于外管中，且内管与外管固定连接的一端具有开口；内管和外管的另一端敞开。冷却 水从内管位于腔体外的一端进入，从内管与外管的连接端流到外管中，对壳体进行冷 却，同时外管中的水经由出水口流出。该设计精巧，利用一个水管的位置，进行进水 和出水的过程，节约了内部空间，同时提高了冷却效率，还能起到支撑壳体的作用。
本发明中，优选地，所述收集器外壳上设有可将所述离子束流收集器以及收集器 外壳的通孔截断的挡板，所述挡板与收集器外壳活动连接。有一控制所述挡板关闭的 控制杆；所述控制杆一端与挡板连接，另一端通过壳体的内腔后伸出第一绝缘件。由 此可以在电子束蒸发源装置外部实现对离子束的工作状态的控制。
本发明中，优选地，所述灯丝环绕两个导体一周后交错连接在两根钼棒的端部。 由此可以防止在加热的时候灯丝变形。
本发明中，优选地，所述壳体的第一开口与第一绝缘件之间设有第一铜垫块，所 述壳体的第二开口与第二绝缘件之间设有第二铜垫块。利用铜垫块降低对绝缘件的热 辐射。
本发明中，优选地，所述蒸发棒位于壳体内腔内的一端设有连接件；蒸发棒与所 述第一绝缘件以及第一铜垫块接触的部位设有绝缘层，绝缘层还起到稳定蒸发棒的作 用。。蒸发棒位于壳体内腔外的一端外部实现电路连接，通过该部件在热电子阴极发射 端和样品之间加千伏高压，用来加速电子，增大轰击电子动能，使的样品顶端局部温 度很高。
本发明中，优选地，所述蒸发棒以及导体为钼棒。
本发明中，优选地，所述第一绝缘件、第二绝缘件为绝缘陶瓷材质；所述壳体为 铜或银。
本发明的基本原理是通过加热灯丝，使之产生热电子，在蒸发材料与灯丝间加
一可控高压，高压电子轰击蒸发材料或蒸发材料容器，进而使之升温至蒸发温度，由
此产生的原子束或原子团通过超高真空的环境淀积到衬底表面，最终形成生长薄膜。 这种方法与其他方法相比较最突出的优点是薄膜的生长可以由加热灯丝的电流与高压
进行精确控制，可以到达0.02单原子层每分钟级别。
有益效果本发明提供了一种具有分子束外延功能的超高真空电子束蒸发源装置， 符合国际规范技术指标，但由于结构上的设计使成本大大减低，简化了加工与组装工 艺，同时使用上完全与现有设备相同，且更加可靠且方便调节，降低其成本，同时使 用上更加可靠且方便调节。
下面结合附图和具体实施方式
对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述和/
或其他方面的优点将会变得更加清楚。 图l为本发明外部结构示意图。
图2为本发明图1中A-A向剖视示意图。
图3为本发明冷凝管结构示意图。
图4为本发明壳体部分结构示意图。
图5为本发明第一绝缘件结构示意图。
图6为本发明第二绝缘件结构示意图。
图7为本发明离子束流收集器结构示意图。
图8为本发明收集器外壳结构示意图。
图9为本发明中挡板结构示意图。
图10为本发明第一铜垫块结构示意图。
图11为本发明第二铜垫块结构示意图。
图12为本发明两个导体以及灯丝结构示意图。
具体实施例方式
如图1和图2所示，本发明公开了一种电子束蒸发源装置，包括带有内腔的壳体1， 冷凝管2、第一绝缘件3如图5所示、第二绝缘件4、离子束流收集器5、用于固定蒸 发材料的蒸发棒6、两个导体7以及灯丝8。
所述壳体1设有第一开口9和第二开口10，所述第一开口、第二开口分别与所述 第一绝缘件、第二绝缘件密封连接；所述离子束流收集器5与第二绝缘件4连接，且 离子束流收集器外部嵌套有收集器外壳11。
如图6、图7以及图8所述第二绝缘件4、离子束流收集器5以及收集器外壳11 上设有射出离子束的通孔25、 26、 27。
如图2所示，所述蒸发棒6以及两个导体一侧位于壳体的内腔中，另一侧伸出第 一绝缘件3;所述灯丝8与两根导体7位于内腔内的部分连接；所述冷凝管2与壳体1 紧密连接。
如图4所示，所述壳体1上设有与所述冷凝管形状配合的凹槽12。所述冷凝管2 穿过所述第一绝缘件，置于所述凹槽内。这样冷却水在水管中循环，利用铜热传导性 能好的优势使整个电子束蒸发源除钨丝和样品外的部件保持较低的温度。壳体1上还 有三条窄凹槽la、 lb，其中一个用于放置连接离子收集器的导线，另一个留作备用。 窄凹槽lc用于放置关闭挡板的控制杆16。如图1所示，控制所述挡板关闭的控制杆16 (图中未示出)。所述控制杆一端与挡板15连接，另一端通过壳体的内腔后伸出第 一绝缘件。通过旋转金属控制杆带动挡板的转动，从而可以实现薄膜生长的瞬间停止。
如图3所示，所述冷凝管2包括外管13和内管14;外管与所述壳体连接，内管位 于外管中，且内管与外管固定连接的一端具有开口 15;内管和外管的另一端敞开。在 敞开部分，内管有进水口23，外管嵌套有连接管21，连接管上设有出水口22，连接管 与内管之间设有挡块24。水从内管流入，受外管壁端口的阻碍从内外管壁之间流出， 实现冷却水的循环，水流方向如图中箭头所示。
如图1和图8所示，所述收集器外壳11上设有可将所述离子束流收集器以及收集 器外壳的通孔截断的挡板15如图9所示，所述挡板与收集器外壳活动连接。
如图12所示，所述灯丝8环绕两个导体7—周后交错连接在导体的端部。灯丝为 直径0.13mm，长度42mm的钩丝，通过点焊与导体连接。
所述壳体的第一开口 9与第一绝缘件3之间设有如图10所示的第一铜垫块17，所 述壳体的第二开口 10与第二绝缘件4之间设有如图11所示的第二铜垫块18。第一绝 缘件3、第二绝缘件4、第一铜垫块17和第二铜垫块18上设有若干通孔，分别用于放 置连接离子收集器的导线、关闭挡板的控制杆16，还有一个留作备用。
如图2所示所述蒸发棒位于壳体内腔内的一端设有连接件19。连接件19作用是连 接坩埚(可选部件)和蒸发棒。因为不同的源材料可能需要更换坩埚，如果源材料是 棒状的就可以不用坩埚直接用连接件连在蒸发棒上。蒸发棒与所述第一绝缘件以及第 一铜垫块接触的部位设有绝缘层20。
本发明中所述蒸发棒6以及导体7为钼棒。导体7用于固定灯丝及与外部实现电 路连接，尺寸均为直径lmm,长度120mm。
所述第一绝缘件、第二绝缘件为绝缘陶瓷材质；所述壳体为铜或银材质。收集器 外壳11为不锈钢材质。
所述第一绝缘件绝缘加高压的金属蒸发棒和接地的铜腔体，同时起固定用于灯丝 连接的钼棒及支撑蒸发材料的钼棒。
所述第二绝缘件绝缘接地的铜腔体和电流检测用蒸发源离子束流收集器，同时固 定用于灯丝连接的钼棒及支撑离子束流收集器。
所述离子束流收集器用于收集蒸发时由电子对蒸发源原子离化所产生的离子束 流，以达到对蒸发速率检测及控制的目的。所述收集器外壳用于固定挡板以及对蒸发 源进行准直。
实施例
更具体地说，本发明实施时，将所述电子束蒸发源装置与多口法兰超高真空连接的， 在多口法兰上安装超高真空多管脚电子导线连接器、用于给被蒸发材料的高电压连接超高真空高电压导线连接器、冷却水进出口即连接管、与控制杆16相连接的控制关闭 挡板的旋转装置。壳体的前端固定的具有中孔的不锈钢收集器外壳和离子束流收集器， 两块绝缘陶瓷盖装在柱形壳体的两端，绝缘陶瓷的两端盖的中央部位设有多个穿孔， 从穿孔通过提供高电压的金属棒和连接加热灯丝的钼棒导线，蒸发棒的前端连接源金 属棒(被蒸发的源材料)或连接盛有源材料的钨、钼坩埚28，如图2所示。绝缘陶瓷 盖的边缘设有穿孔，从边缘穿孔通过冷凝管，冷凝管与壳体进行热接触，冷凝管作为 支撑管将蒸发源内部部件接至多口法兰上的一个法兰端口。壳体陶瓷绝缘端盖上开有 螺孔，冷凝管与壳体的连接均可以通过银焊的方式进行。
具有中孔的收集器外壳的中孔轴线处设有挡板，用于对蒸发出的束流进行控制。 本实施例中，多口法兰由5个1.33英寸端口和一个可旋转2.75英寸端口组成，其 中2.75英寸端口用于与真空设备连接，1.33英寸端口用于连接超高真空旋转控制器、 超高真空多管脚电子导线连接器、超高真空高压导线连接器与冷却水进出口即连接套， 本组件采用商业化产品。
本实施例中，超高真空旋转控制器用于真空外控制蒸发源的开关，本组件采用商 业化产品。
本实施例中，超高真空多管脚电子导线连接器(不少于5个管脚)其中2个管脚 用于连接加热灯丝的电流引线；2个管脚用于连接测量蒸发源内部温度的热电偶；l个 管脚用于连接测量发映蒸发源速度的离子束流，本组件采用商业化产品。 本实施例中，超高真空高电压导线连接器用于给被蒸发材料的高电压连接，本组 件采用商业化产品。
本实施例中，对于蒸发温度高于溶点的材料，则根据源材料的匹配性可选用Mo 或W坩埚，对于此类蒸发材料，要求蒸发源向上或斜向上安装在蒸发棒的连接件上。 本实施例中，可以选配热偶测温仪用于测量实验过程中腔体的温度。 本实施例中，可以选配超高真空直线伸縮器，对于蒸发温度低于溶点的材料，建 议使用直径为2-4mm、长度约为25mm的高纯度棒材，以最大程度降低交叉污染；同 时超高真空直线伸縮器可以调节棒材与灯丝的距离，使得蒸发过程中棒材变短后能维 持相同的蒸发条件。
本发明提供了一种电子束蒸发源装置的思路及方法，具体实现该技术方案的方法 和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普 通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些 改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部份均可用现有 技术加以实现。
权利要求
1、一种电子束蒸发源装置，其特征在于，包括带有内腔的壳体(1)，冷凝管(2)、第一绝缘件(3)、第二绝缘件(4)、离子束流收集器(5)、用于固定蒸发材料的蒸发棒(6)、两个导体(7)以及灯丝(8)；所述壳体(1)设有第一开口(9)和第二开口(10)，所述第一开口、第二开口分别与所述第一绝缘件、第二绝缘件密封连接；所述离子束流收集器(5)与第二绝缘件(4)连接，且离子束流收集器外部嵌套有收集器外壳(11)，所述第二绝缘件、离子束流收集器以及收集器外壳上设有射出离子束的通孔；所述蒸发棒以及两个导体一侧位于壳体的内腔中，另一侧伸出第一绝缘件(3)；所述灯丝(8)与两根导体(7)位于内腔内的一端连接；所述冷凝管(2)与壳体(1)紧密连接。
2、 根据权利要求1所述的电子束蒸发源装置，其特征在于，所述壳体(1)上设 有与所述冷凝管形状配合的凹槽(12)，所述冷凝管(2)穿过所述第一绝缘件，置于 所述凹槽内。
3、 根据权利要求1或2所述的电子束蒸发源装置，其特征在于，所述冷凝管(2) 包括外管(13)和内管(14);外管与所述壳体连接，内管位于外管中，且内管与外管 固定连接的一端具有开口 (15);内管和外管的另一端敞开。
4、 根据权利要求1或2所述的电子束蒸发源装置，其特征在于，所述收集器外壳(11) 上设有可将所述离子束流收集器以及收集器外壳的通孔截断的挡板(15)，所述 挡板与收集器外壳活动连接。
5、 根据权利要求4所述的电子束蒸发源装置，其特征在于，包括一控制所述挡板 关闭的控制杆(16);所述控制杆一端与挡板(15)连接，另一端通过壳体的内腔后伸 出第一绝缘件。
6、 根据权利要求1所述的电子束蒸发源装置，其特征在于，所述灯丝(8)环绕 两个导体(7) —周后交错连接在导体的端部。
7、 根据权利要求l所述的电子束蒸发源装置，其特征在于，所述壳体的第一开口 (9)与第一绝缘件(3)之间设有第一铜垫块(17)，所述壳体的第二开口 (10)与第二绝缘件(4)之间设有第二铜垫块(18)。
8、 根据权利要求7所述的电子束蒸发源装置，其特征在于，所述蒸发棒位于壳体 内腔内的一端设有连接件(19);蒸发棒与所述第一绝缘件以及第一铜垫块接触的部位 设有绝缘层(20)。
9、 根据权利要求1所述的电子束蒸发源装置，其特征在于，所述蒸发棒(6)以 及导体(7)为钼棒。
10、 根据权利要求1所述的电子束蒸发源装置，其特征在于，所述第一绝缘件、 第二绝缘件为绝缘陶瓷材质；所述壳体为铜或银材质。
全文摘要
本发明公开了一种电子束蒸发源装置，包括带有内腔的壳体，冷凝管、第一绝缘件、第二绝缘件、离子束流收集器、用于固定蒸发材料的蒸发棒、两个导体以及灯丝；所述壳体设有第一开口和第二开口，所述第一开口、第二开口分别与所述第一绝缘件、第二绝缘件密封连接；所述离子束流收集器与第二绝缘件连接，且离子束流收集器外部嵌套有收集器外壳，所述第二绝缘件、离子束流收集器以及收集器外壳上设有射出离子束的通孔；所述蒸发棒以及两个导体一侧位于壳体的内腔中，另一侧伸出第一绝缘件；所述灯丝与两根导体位于内腔内的一端连接；所述冷凝管与壳体紧密连接。本发明符合国际规范技术指标，简化了加工与组装工艺，降低了成本。
文档编号C23C14/30GK101619442SQ20091018327
公开日2010年1月6日 申请日期2009年7月30日 优先权日2009年7月30日
发明者丁海峰 申请人:丁海峰