一種全自動(dòng)超高真空電子束蒸發(fā)薄膜生長(cháng)系統

2009-09-18 張義邴 上海大學(xué)物理系

　　電子束沉積技術(shù)的關(guān)鍵是其薄膜生長(cháng)和控制系統。本文基于微型計算機DA和IEEE 488接口技術(shù)，報道了一種全自動(dòng)超高真空電子束蒸發(fā)薄膜生長(cháng)系統，自動(dòng)化程度高，使用方便，名義薄膜厚度測量分辨率可達0.1A。精度，可實(shí)現雙源共蒸發(fā)功能和程序預設定的多源多層薄膜自動(dòng)沉積。

　　在固體薄膜的制備中，常見(jiàn)的沉積方法有：脈沖激光沉積（PLD, Pulsed Laser Deposition）、磁控濺射(Magnetron Sputtering)、熱蒸發(fā)(ThermalEvaporation)、電子束蒸發(fā)(EBE, E-Beam Evaporation)、分子束外延(MBE, Molecular- BeamEpitaxy)、化學(xué)氣相沉積(CVD, Chemical Vapor Deposition)等。其中的電子束方法因其薄膜沉積均勻、蒸發(fā)速率和薄膜膜厚容易控制、成膜面積大、成本適中等特點(diǎn)，在超導薄膜、多層金屬/合金巨磁阻薄膜、納米薄膜、超晶格薄膜等得到了人們的普遍關(guān)注。早在二十世紀初人們就發(fā)現在真空中聚焦陰極射線(xiàn)(電子)可熔解難熔材料。1933年Brain和Skinner利用加速電子加熱石墨坩堝進(jìn)行材料蒸發(fā)，隨后人們發(fā)明了很多電子束技術(shù)，電子束蒸發(fā)薄膜制備得到了快速發(fā)展。

　　電子束蒸發(fā)系統一般由真空腔體、電子槍、坩堝、膜厚監控和系統控制單元構成，利用電子束的能量熔化蒸發(fā)源成為蒸汽后沉積到襯底上。系統的關(guān)鍵是電子束的控制和薄膜厚度的測量，電子束的聚焦、電子束光斑位置與大小、光斑XY方向的掃描等對良好的薄膜沉積起到重要作用。UTT 400超高真空鍍膜系統是瑞士Balzers公司設計的單電子槍雙坩堝電子束蒸發(fā)系統，利用磁偏轉線(xiàn)圈和電場(chǎng)控制電子束270°偏轉，避免陰極燈絲的污染，能量根據當前蒸發(fā)速率與設定蒸發(fā)速率的偏差通過(guò)PID運算由12位DA轉換器控制，膜厚和蒸發(fā)速率由5MHz頻率晶振檢測。但是其核心控制基于單片機，線(xiàn)路復雜，故障率高，顯示信息過(guò)少，自動(dòng)化程度不高。該系列鍍膜儀在國內外運行的狀況顯示：設備維護工作量大，使用困難，運轉效率不高。本文報道了基于微型計算機DA和IEEE 488接口技術(shù)對該系統的徹底改進(jìn)和優(yōu)化。

1、電子束蒸發(fā)系統真空室組成與薄膜沉積均勻性

　　圖1為UTT400超高真空電子束蒸發(fā)鍍膜儀真空室示意圖。襯底加熱器為自制鈮合金加熱盤(pán)，可控制襯底溫度在室溫～900℃之間，擋板和擋板控制單元用于蒸發(fā)過(guò)程中控制擋板的打開(kāi)（當前層沉積開(kāi)始）和關(guān)閉（當前層沉積結束），晶振用于檢測當前薄膜厚度和蒸發(fā)速率，蒸發(fā)舟可使用鉭、鉬、鎢等用于熱蒸發(fā)。磁偏轉線(xiàn)圈在電場(chǎng)的配合下控制電子束270°偏轉聚焦到相應的坩堝上熔化蒸發(fā)源，電子束斑點(diǎn)可在XY方向上按選定頻率和幅度掃描，使蒸發(fā)材料熔化更加均勻。本裝置目前配置2個(gè)坩堝，利用轉動(dòng)控制或雙電子槍可裝配多達4個(gè)坩堝。高真空系統由雙級機械前級泵、渦旋分子泵、鈦升華金屬泵組成，在金屬密封的情況下經(jīng)烘烤極限真空度可達1.0×10-11mbar，實(shí)現了超高真空鍍膜。

UTT400超高真空電子束蒸發(fā)鍍膜儀真空室關(guān)鍵單元示意圖

圖1 UTT400超高真空電子束蒸發(fā)鍍膜儀真空室關(guān)鍵單元示意圖

　　圖2為電子束蒸發(fā)Knudsen盒模型薄膜沉積均勻性計算示意圖。真空罩蒸發(fā)源上空間位置（r, φ） 處的蒸發(fā)速率根據Knudsen盒（簡(jiǎn)稱(chēng)K-Cell）模型和Maxwell分布規律可表示為：

　　Me為源蒸發(fā)速率，dMc/dAc為偏離Knudsun盒中心軸φ角度徑向位置r處單位面積的沉積速率，ψ為dAc面積元法向與徑向r的夾角。如果半徑為rs的薄膜沉積襯底居中垂直于Knudsen盒中心軸，襯底與Knudsen盒口中心距離r0，則襯底邊緣與襯底中心薄膜沉積厚度比de/d0為：

　　re為襯底邊緣到Knudsen盒開(kāi)口中心距離，公式中下標e 代表襯底邊緣(edge)。本系統襯底直徑為80 mm，襯底與坩堝距離400mm，可計算沉積厚度de/d0=0.980，即最大不均勻性約2.0%。

Knudsen盒模型電子束蒸發(fā)均勻性示意圖

圖2 Knudsen盒模型電子束蒸發(fā)均勻性示意圖