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MBE(分子束外延)所用到的不同形状的源炉(k-cell)各有什么优缺点?

发表时间:2017-03-29 00:00

选择坩埚形状时,第一原则是要和k-cell的加热丝的形状匹配,满足这个前提之后再来考虑其他的方面。这是因为如果形状不匹配,加热就会不均匀,一方面测温不准会影响实验可重复性,另一方面坩埚各个部分热膨胀不均匀可能会导致损坏。

接下来再考虑其他方面的问题。最原教旨的k-cell是这么个东西:想象一个封闭的盒子,盒子里面放着某种可升华/蒸发的材料,那么在一定的温度下,材料表面升华/蒸发的分子数与凝华/凝结的分子数是相同的,此时的蒸气压就是材料在该温度下的饱和蒸气压。这时如果我们在盒子上开一个很小的洞,从这个洞里就会射出分子束,而束流的大小完全由材料的蒸气压决定,也就是完全由盒子的温度决定,这就是MBE技术可以精确控制分子束流大小的基本原理。

但在实际应用中,大部分情况下MBE蒸发源坩埚的开口都相当大,因为开口大束流才能够大,才能有相对可接受的生长速度,所以实际的蒸发源是在蒸气压准平衡甚至非平衡的条件下工作的。这几种坩埚形状最大的区别是束流的大小和分布。锥形坩埚离平衡态最远,束流较高且分布角度大,束流的控制也是最不精确的。酒瓶形最接近平衡态,束流低、分布角度小,但束流控制精确,我会用来蒸发Na之类的高蒸汽压材料。直筒型各方面性能比较中庸,适合大部分材料,是我用得最多的类型。

考虑束流分布角度时还需要注意不同蒸发源之间的交叉污染问题,这个问题对于锥形坩埚比较严重。

我不爱用锥形坩埚还有一个很现实的原因:蒸发源倾斜安装时,坩埚里的东西容易撒……

这是基于我个人经验给的一些参考数据:

如果要追求1nm/s级的高速生长,并且衬底是2英寸以上的晶圆——锥形坩埚

如果生长速度是0.1nm/s级或以下,并且经计算束流可以均匀覆盖整个衬底——

150C时蒸气压在10^4 mbar以下:直筒坩埚

150C时蒸气压在10^4 mbar以上:酒瓶坩埚

出现种种不同设计的原因是综合考虑均匀和束流稳定性。至于缩口的那个形状。曾经是veeco的专利,兼顾了稳定性和均匀性,因此大卖。

分子束外延的源炉一般是针对不同材料的性质而特殊设计。

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