本發(fā)明主要涉及超高真空系統(tǒng)中的材料制備的生長源，尤其是用于高質(zhì)量金屬單晶薄膜的生長。

背景技術(shù)：

高質(zhì)量金屬薄膜材料在磁記錄媒介、自旋器件以及半導(dǎo)體器件中應(yīng)用廣泛，因此這項發(fā)明對注重薄膜結(jié)構(gòu)的高精度控制和可重復(fù)性的研究環(huán)境而言有特別重要的意義。

當(dāng)需要制備高質(zhì)量的薄膜時，我們利用連接在超高真空系統(tǒng)中的電子束蒸發(fā)源生長金屬薄膜。金屬源材料，通常作成棒狀，上面加上正高壓，便可吸引由燈絲通電(I_f)加熱產(chǎn)生的熱電子，熱電子轟擊金屬棒，形成發(fā)射電流(I_e)，電子將動能傳遞給金屬棒，使之加熱蒸發(fā)，其加熱功率等于電壓與發(fā)射電流的乘積(W＝V×I_e)。金屬源棒被加熱到足夠高的溫度后，就能以非常低的速率發(fā)射出原子，穿過真空，到達(dá)樣品架上的襯底。同時有一定比例的原子會被電子電離，這些離子可以被收集，形成蒸發(fā)束電流(I_flux)，用來探測原子束流的大小。

隨著金屬源棒被蒸發(fā)，源棒和燈絲的距離會增加，導(dǎo)致有效電場下降，燈絲發(fā)射的熱電子數(shù)(I_e)下降，蒸發(fā)速率就會下降。傳統(tǒng)的蒸發(fā)源通過不斷增加棒上的高壓或者增大燈絲電流來補償其影響。隨著距離的增大，補償其影響所需要增加的電壓/電流也越來越大，而這在距離較大的時候很難實現(xiàn)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了解決電壓/電流的增大存在物理極限的問題，本發(fā)明目的是，提出一種自動化電子束蒸發(fā)源及控制方法，不改變電壓/電流的值，而將蒸發(fā)束電流和發(fā)射電流作為反饋，通過改變源棒的位置，以精確控制薄膜生長速率且不用頻繁補充金屬源材料。

本發(fā)明解決技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：超高真空系統(tǒng)中的電子束蒸發(fā)源的控制方法，在棒狀金屬源材料即金屬源棒加上正高壓，以吸引燈絲發(fā)射的熱電子，由燈絲通電(I_f)加熱產(chǎn)生的熱電子，熱電子轟擊金屬源材料，形成發(fā)射電流(I_e)，熱電子將動能傳遞給棒狀金屬源材料，使金屬源材料加熱蒸發(fā)，其加熱功率等于電壓與發(fā)射電流的乘積(W＝V×I_e)；金屬源棒被加熱到足夠高的溫度后以非常低的速率發(fā)射出金屬源原子束成為蒸發(fā)源，穿過真空，到達(dá)樣品架上的襯底生長薄膜；同時原子束有一定比例的原子會被電子電離，這些離子被收集，形成蒸發(fā)束電流(I_flux)，用來探測原子束流的大??；計算機控制的線性驅(qū)動器驅(qū)動蒸發(fā)源即金屬源棒進(jìn)動，能減少補充源棒的頻率，同時利用金屬源蒸發(fā)束電流和發(fā)射電流作為反饋提供薄膜生長速率。

將發(fā)射電流(燈絲和源棒之間的電流)、蒸發(fā)束電流、以及整合的薄膜生長速率計讀數(shù)(9)作為反饋控制線性驅(qū)動器(2)驅(qū)動源棒位置(3)(即與燈絲的間隔距離)。

蒸發(fā)源發(fā)射路徑上有一個離子收集片，其上有一個同心孔供蒸發(fā)束通過，離子收集片探測到蒸發(fā)原子電離產(chǎn)生的蒸發(fā)束電流的一部分。如果在收集片上加一可變負(fù)電壓，那么探測到的電流會更大。

位置可調(diào)的源棒需要加上一正高壓，以吸引燈絲發(fā)射的熱電子。熱電子集中在源棒尖端，將其融化蒸發(fā)，并能減少周圍部件的放氣。源棒制備成細(xì)長棒狀，且有恒定的橫截面面積，保證熱電子轟擊的部分始終是一致的，確保任何時候源棒蒸發(fā)時薄膜生長條件都是一樣的。

控制系統(tǒng)需要監(jiān)視和控制加在源棒上的高壓以及燈絲發(fā)出的發(fā)射電流?？刂葡到y(tǒng)軟件需要控制蒸發(fā)時長、蒸發(fā)速率和生長厚度。對于不同的源棒、生長速率和厚度，控制系統(tǒng)軟件需要可編輯相應(yīng)參數(shù)?？刂葡到y(tǒng)軟件控制線性驅(qū)動器的動作，線性驅(qū)動器采用直線電機或步進(jìn)、伺服電機轉(zhuǎn)化為直線的進(jìn)動用于控制源棒的位置。

如果源棒被過度加熱而熔化流走，導(dǎo)致發(fā)射電流驟降，發(fā)射電流和蒸發(fā)束電流偏離最佳值時，控制系統(tǒng)要能靈敏感知并在源棒重新凝固之后對源棒位置做出相應(yīng)調(diào)整。

蒸發(fā)源上設(shè)有一個遮板(8)，在停止蒸發(fā)的時候遮擋蒸發(fā)束，并有一個同心孔，在薄膜生長的時候讓蒸發(fā)束通過。

遮板也能在任何時刻阻擋從真空腔室飛來的其他帶電粒子到到離子收集片上去，以減少噪聲，提高蒸發(fā)束電流的準(zhǔn)確性。

蒸發(fā)源應(yīng)有一個很低的放氣率，以適合在超高真空中應(yīng)用。在源棒設(shè)有冷卻水罩，燈絲為環(huán)繞狀燈絲，源棒降低周圍溫度減少放氣。另外，所有材料都要可應(yīng)用于超高真空。

生長速率和蒸發(fā)速率需要有一個可編輯控制系統(tǒng)來監(jiān)視。其中的可編輯的參數(shù)包括蒸發(fā)束電流、發(fā)射電流和整合的生長速率計讀數(shù)。電子束蒸發(fā)源通過控制源棒(3)上的高壓、燈絲的電流(5)、源棒的位置等，來達(dá)到恒定的薄膜生長速率。

利用源棒和燈絲之間的發(fā)射電流作為反饋，通過線性驅(qū)動器(2)保持源棒和燈絲之間的距離恒定。用源棒和燈絲之間的發(fā)射電流作為反饋，線性驅(qū)動器(2)能保持它們之間的距離恒定。一開始，蒸發(fā)速率通過真空腔室內(nèi)的厚度計(如晶振)來測量，記錄對應(yīng)的發(fā)射電流和蒸發(fā)束電流，在生長的時候，維持它們恒定。

如果蒸發(fā)束電流和發(fā)射電流的比值發(fā)生了變化，這時的發(fā)射電流不再是蒸發(fā)速率的真實反映，因此需要關(guān)閉遮板，直到建立新的蒸發(fā)速率，再記錄下此時的發(fā)射電流和蒸發(fā)束電流的比值，并使之保持恒定。遮板再次打開，重新生長薄膜。

始終保持源棒上的高壓、燈絲的電流、源棒到燈絲的距離在整個生長過程中穩(wěn)定來達(dá)到恒定的薄膜生長速率。一開始，蒸發(fā)速率通過真空腔室內(nèi)的晶振來測量，到達(dá)所需蒸發(fā)速率時記錄相應(yīng)的發(fā)射電流和蒸發(fā)束電流。隨著生長的進(jìn)行，源棒被蒸發(fā)，燈絲和源棒的距離變大，發(fā)射電流和蒸發(fā)束電流降低，反饋到控制系統(tǒng)，使線性驅(qū)動器驅(qū)動源棒向前移動，重新達(dá)到初始的發(fā)射電流和蒸發(fā)束電流。同時，將源棒加長，用陶瓷定位孔柱固定，將源棒與燈絲導(dǎo)體柱絕緣，可大大減少維護(hù)次數(shù)。此外，還設(shè)計了一個可編輯自動化的電子控制系統(tǒng)，可根據(jù)需要調(diào)節(jié)薄膜生長速率。當(dāng)蒸發(fā)束電流和發(fā)射電流的比值發(fā)生了變化，這時的發(fā)射電流不再是蒸發(fā)速率的真實反映，因此需要關(guān)閉遮板，直到建立新的蒸發(fā)速率，記錄下此時的發(fā)射電流和蒸發(fā)束電流的比值，并使之保持恒定，然后遮板打開，重新生長薄膜。

超高真空系統(tǒng)中的電子束蒸發(fā)源，包括棒狀金屬源材料即金屬源棒、正高壓電源、遮板(8)和生長速率計(9)的組合體、離子收集片(7)、燈絲(5)、定位孔柱(絕緣陶瓷)(4)、金屬源棒(3)外圍為冷卻水罩(6)，燈絲支架的金屬柱(1)以及線性驅(qū)動器(2)，正高壓電源施加金屬源棒正高壓，陰極燈絲發(fā)射的熱電子，由燈絲通電(I_f)加熱產(chǎn)生的熱電子，熱電子轟擊金屬源材料，形成發(fā)射電流(I_e)；金屬源棒被熱電子轟擊加熱到足夠高的溫度后以非常低的速率發(fā)射出金屬源原子束成為蒸發(fā)源，蒸發(fā)源上設(shè)有一個遮板(8)，在停止蒸發(fā)的時候遮擋蒸發(fā)束，遮板上設(shè)有一個同心孔，在遮板打開薄膜生長的時候讓蒸發(fā)束通過；陶瓷等耐熱材料制備的定位孔柱來活絡(luò)限定源棒在軸向的進(jìn)動，并使源棒在調(diào)整位置的時候也始終在蒸發(fā)源豎直中心上，蒸發(fā)源發(fā)射路徑上有一個離子收集片，其上有一個同心孔供蒸發(fā)束通過，離子收集片探測到蒸發(fā)原子電離產(chǎn)生的蒸發(fā)束電流，利用蒸發(fā)束電流的一部分通過一個可編程序來監(jiān)視控制蒸發(fā)束電流(I_flux)。

本發(fā)明的有益效果：將源棒加長，用陶瓷定位孔柱固定，將源棒與燈絲導(dǎo)體柱絕緣，可大大減少維護(hù)次數(shù)。此外，還設(shè)計了一個可編輯自動化的電子控制系統(tǒng)，可根據(jù)需要調(diào)節(jié)薄膜生長速率。維持源棒的進(jìn)動使生長位置不變，不僅有利于薄膜生長的各種條件始終保持穩(wěn)定，還能精確控制薄膜的生長速率。同時，利用可編輯的自動化的電子控制系統(tǒng)，生長過程中也不再需要頻繁地人為調(diào)整源棒的位置，薄膜生長的速率也可以編入控制系統(tǒng)中。

附圖說明

圖1是提出的電子束蒸發(fā)源的橫截面示意圖；

圖2是蒸發(fā)源及其反饋控制系統(tǒng)的示意圖(相同部件與圖1有相同的標(biāo)號)。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進(jìn)一步說明：

圖1和圖2的說明如下。其中包括遮板(8)和生長速率計(9)的組合體，離子收集片(7)，燈絲(5)，定位孔柱(絕緣陶瓷)(4)，源棒(3)，冷卻水罩(6)，燈絲支架的金屬柱(1)以及線性驅(qū)動器(2)。

常用的是一種水冷卻(6)式的電子束蒸發(fā)源(也可以采用風(fēng)冷式)。所要蒸發(fā)的金屬源材料，即源棒(3)，與線性驅(qū)動器(2)相連，它的位置由一個反饋系統(tǒng)控制，線性驅(qū)動器驅(qū)動源棒使之與燈絲(5)之間距離始終保持一定(最佳)，以穩(wěn)定薄膜的生長速度和生長條件。源棒上加一正高壓以吸引燈絲發(fā)射的熱電子，電子轉(zhuǎn)移動能使源棒熔化蒸發(fā)，且僅有金屬棒尖端被熔化，這可以減少周圍部件的放氣。放氣過多不僅會污染真空腔室也會降低薄膜生長的質(zhì)量。

源棒由一線性驅(qū)動器驅(qū)動，移動的幅度由發(fā)射電流(源棒和燈絲之間的熱電子電流)、蒸發(fā)束電流以及整合的生長速率計的反饋決定。實際生長厚度和蒸發(fā)速率可通過蒸發(fā)束電流、發(fā)射電流和整合的生長速率計反映，控制系統(tǒng)軟件應(yīng)能編輯它們的值。

蒸發(fā)源還需要一個帶同心孔的離子收集片測量蒸發(fā)束電流。它能讓大部分蒸發(fā)出來的原子通過并到達(dá)目標(biāo)襯底上。如圖2(7)。被電離的那部分源材料粒子被離子收集片收集，產(chǎn)生蒸發(fā)束電流。如果在離子收集片加一定負(fù)偏壓能收集更多電離粒子。

遮板，如圖1(8)，應(yīng)由圖2中的外部控制系統(tǒng)操作。當(dāng)需要停止生長的時候關(guān)上遮板，擋住蒸發(fā)束，而同心孔(10)是為了在遮板打開的時候讓蒸發(fā)束通過。

遮板應(yīng)當(dāng)與生長速率計協(xié)同工作。生長之前在遮板未打開的時候，可讓生長速率計達(dá)到設(shè)定的速率。生長速率計在遮板同心孔(10)的一側(cè)。此外，控制軟件要在遮板關(guān)閉的時候記錄當(dāng)前的蒸發(fā)束電流和發(fā)射電流，它們的值與當(dāng)前的蒸發(fā)速率相對應(yīng)。當(dāng)遮板打開的時候就可以通過穩(wěn)定蒸發(fā)束電流和發(fā)射電流的值來控制蒸發(fā)速率。

遮板還有一作用即能防止來自真空腔室的其他帶電粒子到達(dá)離子收集片(8)上，這樣能減少噪聲，提高蒸發(fā)束電流的準(zhǔn)確性。

蒸發(fā)束電流信號通常較弱，因此將它的數(shù)值在一段時間內(nèi)的平均，再與信號較強的發(fā)射電流比較。后者主要用來在生長過程中動態(tài)調(diào)節(jié)源棒的位置。如果發(fā)射電流降低了，金屬棒和燈絲的距離能通過線性驅(qū)動器補償。如果改變蒸發(fā)速率，遮板就會關(guān)閉，直到重新建立穩(wěn)定的蒸發(fā)束電流和發(fā)射電流的比例?？刂葡到y(tǒng)記錄下這一比例，當(dāng)遮板打開的時候用來控制蒸發(fā)速率。如此，穩(wěn)定的發(fā)射電流和蒸發(fā)束電流就保證我們選定的蒸發(fā)速率在生長過程中始終一樣。

控制系統(tǒng)需要監(jiān)視和控制源棒電壓、燈絲電流、發(fā)射電流和蒸發(fā)束電流?？刂葡到y(tǒng)的軟件也需要控制蒸發(fā)時間、蒸發(fā)速率和生長厚度。此外，對于不同源棒，軟件需要可編輯參數(shù)。控制以上這些參數(shù)能夠優(yōu)化薄膜生長條件?？刂葡到y(tǒng)必須能夠感知發(fā)射電流和蒸發(fā)束電流的突變，并做出相應(yīng)的調(diào)整。這種情況是有可能發(fā)生的，因為當(dāng)金屬棒被過度加熱，尖端融化流走時會造成發(fā)射電流的驟降。

蒸發(fā)源需要有一個定位孔柱，在線性驅(qū)動器調(diào)整源棒的位置的時候它能保持源棒始終沿著蒸發(fā)源的豎直中心不變。這是為了保證源棒和燈絲在水平方向的相對位置關(guān)系不變。