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分子束外延镀膜设备的真空清洁问题-广东振华真空镀膜设备

为了获得良好的超薄单晶膜性能,我们需要注意分子束外延镀膜设备的真空清洁问题,避免在膜生长过程中基材表面和热分子束受污染的问题。再加上镀膜设备上配备的各种表面分析仪器均要求在超高真空的清洁环境下工作等等情况。因此,目前国内外研究生产的该类设备均都采用超高真空的清洁系统。在设备当中有部分重要部件,如样品传递结构系统、分子束源系统、超高真空氟橡胶插板阀等主要部件的真空清洁问题需要我们重视。

1、样品传递系统

为实现工作时长缩短、镀膜样品的快速更换,还要在更换镀膜样品过程中不破坏其超高真空状态且不污染到真空室的同时,对真空室做好真空清洁,因此需要配备样品传递系统。

样品传递结构通过直通阀连接真空室的一侧。在更换样品时是把清洁处理过的样品放在位于传递杆上样品架上,在磁力的作用下使传动传递杆通过直通阀把样品送入真空室当中,然后样品架进行更换样品,最终把外延生长好的薄膜传递出真空室。

样品传递系统在更换样品之后,等待30分钟,从大气排气到10⁻⁴Pa之时再将直通阀打开,更换样品通常10min左右就可以完成。此时的真空室的真空度依然保持在10⁻⁶-10⁻⁷Pa间的压力。

样品传递更换系统使样品交换效率大大提高,加上该系统独立设计了真空清洁排气系统,以达到真空清洁的效果。此排气系统由两台各装有分子筛的吸附泵和一台三极溅射离子泵所组成。

2、分子束源系统

作为分子束外延设备的核心部件,分子束源系统共有六个分子束炉,这些分子束炉是由石墨打造,依靠钽箔保温、炉丝加热,六个分子束炉之间都设置水冷隔板。该系统结构复杂、材料种类多、置于高温下,是一个主要出气源,直接影响真空室获得真空清洁。 

为了保证这部分保持清洁的同时,不影响到超高真空环境的真空室,所以采用整个束源放置于液氮屏蔽罩内的方法,以减少这个气源对真空室的污染。考虑到束源部分出气量较大的情况,该核心部件还配有抽速约200L/s的钛钼合金丝水冷升华泵,用作差分抽气。

3、真空氟橡胶插板阀

该设备的超高真空氟橡胶插板阀设置于上述升华泵与离子泵之间,口径Ø20cm。该阀结构上采用阀板向下压紧的设计。因而具有阀门在关闭时可借助大气越压越紧,可在确保离子泵不暴露在大气的真空清洁条件下,具备使用方便且容易再次启动的优点。

由于膜生长前的本底压力需要10⁻⁸Pa压力的真空度,加之系统残余气体中的水、碳氢化合物、CO、CO₂等成分要求含量要很少,为在分子束外延镀膜设备中得到超高真空的清洁环境,我们除了上述三个重要部件的设计之外,还需注意热分子束源材料的纯度、分子束炉的材料、纯度的选择、所用的不锈钢或陶瓷等材料的选择。