[实用新型]薄膜沉积腔及应用该薄膜沉积腔的薄膜沉积设备

说明书

技术领域

本实用新型涉及薄膜材料的沉积设备，特别涉及一种分子束辅助脉冲激光沉积的薄膜沉积腔及应用该薄膜沉积腔的薄膜沉积设备。 

背景技术

薄膜材料的制备方法包括化学气相沉积(CVD)和物理气相沉积(PVD)两大类，这两类方法及其制备的薄膜材料各具特色，均已得到广泛的应用。本实用新型属于物理气相沉积的范畴，在现有的物理气相沉积方法中，与本实用新型关系最密切的是脉冲激光沉积(Pulsed Laser Deposition，简称PLD)技术和分子束外延(Molecular Beam Epitaxy，简称MBE)技术。以下对这两种技术进行分别说明。 

分子束外延和脉冲激光沉积分别是二十世纪七十年代、八十年代以来迅速发展起来的薄膜制备技术。这两种技术均与特定的设备相关联。事实上，无论是脉冲激光沉积技术，还是分子束外延技术，都是特定的方法与特定的设备的统一。其中，脉冲激光沉积技术所使用的设备包括准分子激光器和腔体及其附属装置——内置于真空室中的基片台、靶材托架等；分子束外延技术所使用的设备包括束源炉、真空室及其附属装置——内置于真空室中的基片台、可以开合的束源炉挡板(亦称为“束源炉快门”)等，以及原位实时监测系统。 

脉冲激光沉积和分子束外延这两种技术所使用的设备均涉及真空室，所不同的是，就技术传统而言，分子束外延对真空室的真空度要求更高。另外，分子束外延在制备薄膜材料的过程中也可能涉及单质元素通过化学反应生成化合物薄膜的成膜过程。不过，从总体上说，分子束外延仍属于物理气相沉积的范畴。 

脉冲激光沉积方法制备薄膜的步骤包括：根据拟制备的薄膜的物质成分制备靶材；将靶材安装于真空室内的靶材托架上，该靶材托架能够在旋 转马达的驱动下进行旋转；将用于薄膜生长的基片(单晶衬底)置于真空室内的靶材托架对面的基片台上，利用机械泵和分子泵对真空室进行抽真空，使真空室内的真空度达到预定的真空条件；将基片加热至预定温度；利用准分子激光器，用一定能量密度的脉冲激光经过聚焦后，穿过真空室腔体外壳上的激光入射口入射到真空室内的靶材表面上；靶材表面的物质在高能量脉冲激光的轰击作用下，瞬间蒸发、转化为含有靶材组分的等离子体羽辉；等离子体羽辉射向基片，并与基片接触后，在基片上沉积、成核、外延生长从而形成薄膜。 

脉冲激光沉积方法的主要优点是：(1)沉积速度快；(2)对衬底的温度要求低；(3)所能够制备的薄膜种类多，对靶材的物质成分几乎没有限制，可以沉积高熔点材料的薄膜；(4)与靶材成分的一致性好，因而容易获得所期望的化学计量比的多组分薄膜；(5)定向性强，薄膜分辨率高，能实现微区沉积。不过，脉冲激光沉积方法也有不足，主要是：(1)由于薄膜是岛状生长，故较难获得几个原胞层的超薄膜；(2)由于等离子体羽辉具有很强的方向性，以致所制备的薄膜不够均匀；(3)难以制备大面积的薄膜。 

分子束外延方法制备薄膜的步骤包括：将用于制备薄膜的束源材料分别置于与真空室连通的各个束源炉中；将用于薄膜生长的基片(单晶衬底)置于真空室内的基片台上；利用机械泵和分子泵对真空室进行抽真空，使真空室内的真空度达到预定的高真空条件；将基片加热至预定温度；在超高真空条件下，将束源炉中的束源材料加热，使其转化为气态物质，经小孔准直后形成分子束，分子束穿过束源炉挡板，喷射到被加热至预定温度的基片表面上；在此过程中，通过控制分子束在基片表面上的扫描，便可使分子束中的分子或原子在基片表面上生长，从而获得均匀的外延层；特别是，在四极质谱仪、光谱仪等原位实时监控仪器的监控下，分子束中的分子或原子按晶体排列，一层层地在基片上“外延生长”，最终形成所需要的薄膜。 

分子束外延方法的主要优点是：(1)可以制备不同掺杂程度或者不同成分的多层结构薄膜；(2)可以精确地控制薄膜的外延层厚度，制备超薄层的薄膜；(3)外延生长的温度较低，有利于提高外延层的纯度和完整性； (4)利用各种元素的粘附系数的差别，可制成化学配比较好的化合物半导体薄膜。当然，分子束外延方法也有其不足，主要是：(1)分子束是靠加热束源炉产生的，故难以获得高熔点材料的分子束，因此，该方法不适合制备高熔点材料的薄膜；(2)该方法不能在较高气体分压，尤其是较高氧分压的条件下运用，故不适合制备含有氧化物的超导体、铁电体、铁磁体、光学晶体以及有机高分子材料薄膜。