样品生长装置、样品生长方法及分子束外延系统与流程

1.本发明属于分子束外延技术，具体涉及一种基于分子束外延技术的样品生长装置及样品生长方法。


背景技术：

2.分子束外延(mbe)是一种在晶体基片上生长高质量的晶体薄膜的技术。其原理是在一个超高真空腔室内，所需组分的分子束源炉经过加热而产生蒸气，经小孔准直后形成的分子束或原子束，按一定的束流强度比例喷射到适当温度的单晶基片上，同时控制分子束对衬底进行扫描，与表面发生相互作用，就可使分子或原子按晶体排列一层层外延生长形成所需的材料。
3.分子束外延技术已经广泛地应用于半导体器件行业，其中用于外延生长的基片尺寸有2英寸、4英寸、6英寸等。为了提高样品生长效率，目前市面上分子束外延设备多以多片机为主，即一次可生产多片（比如4片机每次可同时生产4片样品）。同时生产多片往往需要一个很大的样品托，上面并排放置多个基片，这无疑会增加样品托的尺寸，也意味着样品生长室的设计尺寸也要相应地扩大，增加了设计成本和难度；由于分子束源炉入射角度的不可调，同时生产多片也需要多个分子束源炉进行喷射，很难保证样品的均匀性，亦增加了布局难度和成本。
4.如何解决多片样品生产的设计成本高以及均匀性等难题，提供一种性价比高的多片样品生长装置，是目前急需解决的问题。


技术实现要素：

5.本发明的主要目的在于提供一种样品生长装置、样品生长方法及分子束外延系统，从而克服现有技术的不足。
6.为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：一种样品生长装置，包括：真空腔室，以及，位于所述真空腔室内的旋转部分和倾斜调节部分；所述旋转部分包括旋转台、旋转机构和承载于所述旋转机构上的基片，所述旋转机构设置于所述旋转台上且驱动所述基片绕所述旋转台周向公转，且所述旋转台可自转；所述倾斜调节部分包括倾斜调节机构及与所述倾斜调节机构相连的分子束源炉，所述倾斜调节机构在所述基片公转的过程中调整所述分子束源炉的倾斜角度，使所述分子束源炉入射的分子束全覆盖住不同公转位置处的基片。
7.在一优选实施例中，所述旋转机构包括第一驱动电机、连杆、样品托和加热部，所述第一驱动电机通过连杆与所述样品托相连，所述基片承载于所述样品托上，所述加热部设置于所述样品托上，对样品托上的基片加热，所述第一驱动电机通过连杆驱动样品托带动基片绕旋转台的中心轴公转。
8.在一优选实施例中，所述倾斜调节机构包括倾斜调节平台、弹性压缩件和调节组
件，所述倾斜调节平台包括上压板，所述分子束源炉固定于所述上压板上，所述弹性压缩件与上压板的中部相连，所述调节组件与上压板的其中一端相连，所述调节组件通过对所述弹性压缩件压缩或拉伸，驱动所述上压板倾斜，倾斜的同时带动所述分子束源炉倾斜，改变所述分子束源炉的分子束的入射角度及范围。
9.在一优选实施例中，所述上压板的倾斜角度与所述分子束源炉的倾斜角度相等。
10.在一优选实施例中，所述倾斜调节平台还包括位于上压板下方的底座，所述调节组件包括第二驱动电机、移动轴和移动槽，所述移动轴的一端穿过上压板与第二驱动电机相连，另一端伸入到所述移动槽内，所述移动槽形成于所述底座上，所述移动轴在所述第二驱动电机的驱动下沿所述移动槽移动，移动的同时带动所述上压板倾斜。
11.在一优选实施例中，所述移动轴和移动槽之间通过螺纹连接。
12.在一优选实施例中，所述倾斜调节机构还包括倾斜定位组件，所述倾斜定位组件设置于所述上压板的另一端，用于对上压板的倾斜进行定位。
13.在一优选实施例中，所述倾斜定位组件包括支矩杆和定位槽，所述支矩杆的一端与上压板固定，另一端为球形顶头，所述定位槽为形成于所述底座上的弧形槽，所述球形顶头位于弧形槽内且与弧形槽相切。
14.在一优选实施例中，所述倾斜调节机构还包括预紧力提供件，所述弹性压缩件的两侧各设一所述预紧力提供件，且所述预紧力提供件位于上压板和底座之间。
15.在一优选实施例中，所述分子束源炉的倾斜角度的计算公式为：；其中，a为分子束源炉的倾斜角度，n为第二驱动电机的转速，p为移动轴的螺距，d为移动轴的中心轴与支矩杆的中心轴之间的距离，t为第二驱动电机转动的时间，n﹒t为第二驱动电机转动的圈数。
16.一种样品生长方法，其包括：采用所述的样品生长装置在基板上生长薄膜，从而获得样品。进一步的，所述样品生长方法是利用分子束外延方法在基板上生长薄膜。
17.一种分子束外延系统，其包括所述的样品生长装置。进一步的，所述分子束外延系统还可以包括其它常用的辅助机构，如控制设备、真空设备等，且不限于此。
18.与现有技术相比较，本发明的有益效果至少在于：提供的一种样品生长装置通过驱动基片公转及配合调节分子束源炉的倾斜角度，使得基片在不同的公转位置，都可以通过调节分子束源炉的倾斜角度，在基片公转过程中使得单个分子束源炉入射的分子束全覆盖该基片的公转位置，进行多片基片分子束外延生长。与传统的多片样品生长装置相比，该样品生长装置结构简单紧凑，成本较低，且装卸方便，定位精度高，生产多片样品可通过单个分子束源炉调整角度，进行喷射位置的改变，很好地保证喷射的均匀性。
附图说明
19.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，
还可以根据这些附图获得其他的附图。
20.图1是本发明一实施方式中样品生长装置在初始状态下的结构示意图；图2是本发明一实施方式中旋转部分的结构示意图；图3是本发明一实施方式中分子束源炉在倾斜状态下的结构示意图。
21.附图标记说明：1、真空腔室，2、旋转部分，21、旋转台，22、旋转机构，221、第一驱动电机，222、连杆，223、样品托，224、加热部，3、倾斜调节部分，31、挡板，32、倾斜调节机构，321、弹性压缩件，322、上压板，323、底座，33、分子束源炉，34、第二驱动电机，35、移动轴，36、移动槽，37、倾斜定位组件，371、支矩杆，372、定位槽，38、预紧力提供件，4、基片，5、固定垫块，6、弹簧支杆。
具体实施方式
22.通过应连同所附图式一起阅读的以下具体实施方式将更完整地理解本发明。本文中揭示本发明的详细实施例；然而，应理解，所揭示的实施例仅具本发明的示范性，本发明可以各种形式来体现。因此，本文中所揭示的特定功能细节不应解释为具有限制性，而是仅解释为权利要求书的基础且解释为用于教示所属领域的技术人员在事实上任何适当详细实施例中以不同方式采用本发明的代表性基础。
23.如图1所示，本发明实施例所揭示的一种样品生长装置，包括真空腔室1及位于真空腔室1内的旋转部分2和倾斜调节部分3，真空腔室1主要为样品（如基片4）生长提供一个洁净的真空环境，确保提供合适的分子平均自由程，以便有效地控制分子束直射到样品表面进行外延生长，期间不与杂质分子发生碰撞。
24.旋转部分2用于承载待外延生长的基片4及驱动基片4公转。本实施例中，如图2所示，旋转部分2包括旋转台21、旋转机构22和基片4，旋转台21可自转，所述基片4承载于旋转机构22上，旋转机构22设置于旋转台21上且驱动基片4绕旋转台21的中心轴公转。本实施例中，旋转机构22具体包括第一驱动电机221、连杆222、样品托223和加热部224，其中，第一驱动电机221优选安装于旋转台21的中心轴处，也可以安装于旋转台21的其他位置。第一驱动电机221通过连杆222与样品托223相连，样品托223的中心轴与旋转台21的中心轴相平行，且样品托223与旋转台21的中心轴按一定距离调节摆放（此距离可根据需要调节），基片4承载于样品托223上，第一驱动电机221通过连杆222驱动样品托223带动基片4绕旋转台21的中心轴公转。优选地，加热部224设置于样品托223上，用于对样品托223进行加热，使得分子束源炉33出射的分子束流在一定温度的基片4上沉积，基片4与分子束发生反应，进行分子束外延生长，形成外延层。
25.倾斜调节部分3用于对分子束源炉33的倾斜角度进行调节，通过调整分子束源炉33的倾斜角度，以使在上述旋转部分2驱动基片4公转的过程中，使分子束源炉33入射的分子束完全覆盖住不同公转位置处的基片4。本实施例中，倾斜调节部分3具体包括挡板31、倾斜调节机构32和与倾斜调节机构32相连的分子束源炉33，倾斜调节机构32具体包括倾斜调节平台、弹性压缩件321和调节组件，其中，倾斜调节平台包括上下相对设置的上压板322与底座323，上压板322水平设置，弹性压缩件321设置于上压板322的中部且位于上压板322和底座323之间，弹性压缩件321的中心轴优选与上压板322的中心轴重合，实施时，弹性压缩件321可采用柔性波纹管。分子束源炉33及挡板31固定于上压板322上，分子束源炉33的下
端具体通过一固定垫块5固定到上压板322上，分子束源炉33与上压板322垂直，优选，通过加热分子束源炉33，使分子束源炉33内的分子以一定的束流强度喷射到基片4表面上，进行外延生长。挡板31位于分子束源炉33前，用于控制分子束源炉33的开断，从而改变基片4上形成的外延层的组分和掺杂。具体地，挡板31将分子束源炉33的分子束的出口挡住，当分子束源炉33受热喷出分子束，挡板31打开，分子束就能出来。
26.调节组件与上压板322的其中一端（如左端）相连，调节组件通过对弹性压缩件321压缩或拉伸，驱动上压板322的一端向下或向上倾斜，倾斜的同时同步带动分子束源炉33倾斜，改变分子束源炉33的分子束的入射角度及范围。本实施例中，调节组件还包括第二驱动电机34、移动轴35和移动槽36，其中，移动轴35的一端穿过上压板322与第二驱动电机34相连，另一端伸入到移动槽36内，实施时，移动轴35具体可为螺纹轴。移动槽36形成于底座323上，实施时，移动轴35与移动槽36具体可通过螺纹连接。移动轴35在第二驱动电机34的驱动下转动，转动的同时沿移动槽36上下移动，移动的同时带动上压板322倾斜。具体地，当移动轴35沿移动槽36向下移动时，驱动上压板322对柔性波纹管进行压缩，进而驱动上压板322的对应端对向下倾斜，上压板322倾斜的同时，带动其上的分子束源炉33向左倾斜；反之，驱动上压板322的对应端向上倾斜，上压板322倾斜的同时，带动其上的分子束源炉33向右倾斜。
27.上述上压板322的倾斜角度与分子束源炉33的倾斜角度是相等的，其中，上压板322的倾斜角度具体可通过以下公式计算得到：；其中，a为分子束源炉33的倾斜角度，n为第二驱动电机34的转速，p为移动轴35的螺距，螺距是移动轴35的螺纹转动一圈所上升的距离，d为移动轴35的中心轴与支矩杆371的中心轴之间的距离，t为第二驱动电机34转动的时间，n﹒t为第二驱动电机34转动地圈数。
28.优选地，倾斜调节部分3还包括倾斜定位组件37，倾斜定位组件37设置于上压板322的另一端（如右端），用于对上压板322的倾斜进行定位。具体地，本实施例中，倾斜定位组件37包括支矩杆371和定位槽372，其中，支矩杆371的一端与上压板322固定，具体地，支矩杆371的一端设置有螺纹，即支矩杆371的一端通过螺纹与上压板322固定连接，保证上压板322倾斜时受力平衡；支矩杆371的另一端为球形顶头，定位槽372为形成于底座323上的弧形槽，支矩杆371的球形顶头位于弧形槽内且与弧形槽相切，用于对上压板322的倾斜进行滑动定位。具体地，当上压板322的左端向下倾斜时，支矩杆371的球形顶头沿弧形槽向右上方弧形滑动，反之，支矩杆371的球形顶头沿弧形槽向左上方弧形滑动。
29.优选地，倾斜调节部分3还包括预紧力提供件38，具体地，本实施例中，弹性压缩件321的两侧各设一预紧力提供件38，且预紧力提供件38位于上压板322和底座323之间。实施时，预紧力提供件38可采用弹簧实现，弹簧固定在弹簧支杆6上，上压板322和底座323上各设一弹簧支杆6，弹簧的上下两端各固定一弹簧支杆6，预紧力提供件38提供上压板322的安装预紧力和其倾斜运动时的联接力。
30.另外，旋转部分2和倾斜调节部分3各自独立又相互配合，优选地，旋转部分2的样品托223与分子束源炉33相互平行，且样品托223的中心轴与分子束源炉33的中心轴是同轴的，这样，两个部分所占的布局空间最小，倾斜调节部分3的倾斜调节覆盖面也大。
31.本实施例中一种样品生长装置的具体工作原理为：在初始状态下，整个装置的位置如图1所示，具体地，上压板322呈水平状态，柔性波纹管处于初始未被压缩或未被拉神的状态，分子束源炉33竖直设置且与上压板322垂直，支矩杆371的球形顶头竖直地位于底座323弧形槽的中间，并与之相切。在工作状态下，旋转部分2的第一驱动电机221通过连杆222驱动样品托223带动基片4绕旋转台21的中心轴公转，公转的过程中，如图3所示，倾斜调节部分3的第二驱动电机34转动，带动螺纹轴发生转动，转动的同时驱动螺纹轴沿移动槽36向下旋转移动，下移的同时驱动上压板322的左端对中间的柔性波纹管进行压缩，上压板322右端的支矩杆371在螺纹轴螺纹下旋时，其球形顶头因为上压板322左端的倾斜，而在弧形槽内向右上方自由滑动，从而带动上压板322的右端向上发生倾斜，保证了整个上压板322的倾斜过程。上压板322上固定的分子束源炉33及挡板31角度亦发生倾斜，在样品托223上的基片4绕旋转台21的中心轴公转时，通过上压板322的倾斜角度的调节，使得分子束源炉33的分子束流的直射角度改变，从而使得单个分子束源炉33喷射的分子束可以全覆盖基片4表面，进而进行多片样品的外延生长且保证生长均匀性。进行多片样品的外延生长时，可以在样品托223上放置多个基片4，通过旋转机构22的旋转以及倾斜调节部分3的倾斜调整，对多个基片4进行均匀地外延生长。
32.本实施例提供了一种样品生长装置，通过驱动基片4公转及配合调节分子束源炉33的倾斜角度，使得基片4在不同的公转位置，都可以通过调节分子束源炉33的倾斜角度，在基片4公转过程中使得单个分子束源炉33入射的分子束全覆盖该基片4的公转位置，进行多片基片分子束外延生长。与传统的多片样品生长装置相比，该样品生长装置结构简单紧凑，成本较低，且装卸方便，定位精度高，生产多片样品可通过单个分子束源炉33调整角度，进行喷射位置的改变，很好地保证喷射的均匀性。利用本发明的样品生长装置，可以在蓝宝石衬底、sic衬底、gan单晶衬底等基板上生长形成高质量的晶体薄膜。
33.本发明的各方面、实施例、特征及实例应视为在所有方面为说明性的且不打算限制本发明，本发明的范围仅由权利要求书界定。在不背离所主张的本发明的精神及范围的情况下，所属领域的技术人员将明了其它实施例、修改及使用。
34.在本发明案中标题及章节的使用不意味着限制本发明；每一章节可应用于本发明的任何方面、实施例或特征。
35.除非另外具体陈述，否则术语“包含(include、includes、including)”、“具有(have、has 或having)”的使用通常应理解为开放式的且不具限制性。
36.尽管已参考说明性实施例描述了本发明，但所属领域的技术人员将理解，在不背离本发明的精神及范围的情况下可做出各种其它改变、省略及/或添加且可用实质等效物替代所述实施例的元件。另外，可在不背离本发明的范围的情况下做出许多修改以使特定情形或材料适应本发明的教示。因此，本文并不打算将本发明限制于用于执行本发明的所揭示特定实施例，而是打算使本发明将包含归属于所附权利要求书的范围内的所有实施例。此外，除非具体陈述，否则术语第一、第二等的任何使用不表示任何次序或重要性，而是使用术语第一、第二等来区分一个元素与另一元素。