CN204550788U - 克努曾箱蒸发源 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种克努曾箱蒸发源，其包括：一加热装置，用以加热装载于坩埚内的源材料；及一电动挡板装置，用以控制蒸发源的开放与遮挡状态。本实用新型通过设置一加热装置可在坩埚处形成一均匀而稳定的温度分布，实现了蒸发源高精度的温度稳定与控制，温度最高可达1650℃。本实用新型通过设置一电动挡板装置，可通过一微小电流脉冲快速高效地控制挡板的开关状态，并可实现实验的远程操控。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种蒸发源装置，尤其涉及一种分子束外延生长的蒸发源装置。
背景技术
分子束外延生长是一种新型、精确可控的薄膜生长技术，在10-8Pa超高真空以下以0.1-1nm/s量级的慢沉积速率蒸发镀膜，超高真空腔体中，蒸发源加热相应的元素将蒸发出的分子蒸镀到衬底上。分子束外延生长可以精确控制薄膜组分与薄膜厚度，在低维量子强关联体系，高温超导，新型半导体材料，超晶格新型器件等领域发挥着不可替代的作用。蒸发源的精度严重影响着分子束外延生长***的精度。而温度的控制与保持是影响蒸发源精度的重要因素，因而一种可以精确地对温度控制与保持的加热***具有十分积极的意义。
另一方面，分子束外延生长***中通常有多个装有不同元素的蒸发源，通过精确地控制蒸发源挡板的开关时间可以在保持蒸发源热平衡的情况下精确地控制某一元素的蒸发时间与生长***中达到衬底的元素流，利用挡板周期性的开关可以生长可控制层厚的超晶格结构，在制造微波器件，高温超导材料等领域具有广阔的前景。因而一种可以精确高效并且便捷的地控制挡板的***具有十分重要的意义。
克努曾箱（Knudson Cell）蒸发源是一种高精度的分子束外延生长***蒸发源，箱前有小口供分子束出射，使用过程中，箱内保持准平衡态，使分子束的组分与流量不变，箱前有挡板控制蒸发时间，但是其温度的控制与保持、挡板的控制却一直制约着其精度的提高。在克努曾箱蒸发源的启动开始阶段，低温区间内，其温度剧烈变化不能稳定，温度漂移大。启动一段时间后，进入高温区间，虽然其温度漂移将变小，但整个过程都存在，这是由于***工作过程中箱内准热平衡不能很好地保持造成的。另外，在停止加热时，由于热辐射与热传导，***温度下降过快。通过对现有克努曾箱蒸发源的测试与分析，发现其加热方式，加热丝的选取与构造，热辐射的屏蔽与否均是产生温度误差的主要原因，而挡板部件的设计也无法达到高效、精确、便捷的要求。
例如德国CreaTec Fischer & Co.GmbH公司与MBE Components公司的克努曾箱蒸发源设计，该设计采用的加热方式为钨丝或钽丝直接绕于坩埚表面热辐射加热，但其加热丝呈直角弯折，易断裂。两种设计的挡板装置均是采用磁力杆手动开关，不能够电动操控，费时费力且不能够实现高效、精确控制与远程实验控制。两种设计在实际应用中均有较大的问题。
实用新型内容
有鉴于此，探索新的克努曾箱蒸发源装置，特别是一种具有稳定加热功能的克努曾箱蒸发源装置具有十分重要的意义。
一种克努曾箱蒸发源，其包括：一坩埚、一固定架以及一加热丝结构。所述固定架为笼状结构，环绕所述坩埚设置，所述加热丝通过所述固定架固定，并等间隔螺旋环绕所述坩埚设置。
与现有技术相比，本实用新型所提供的克努曾箱蒸发源装置具有以下优点：
1、加热丝等间隔螺旋缠绕，解决了现有技术对坩埚加热不均匀的缺点。
2、加热丝使用支架支撑，整体弯折较小，不易断裂且形状固定，重复使用状态稳定，加热至高温后加热丝***也不会发生形变而引发短路、加热效率低、加热不均匀等问题。
3、采用热辐射加热，加热效率高，加热快且最高温度达1650℃。
附图说明
图1为本实用新型第一实施例的克努曾箱蒸发源的结构示意图。
图2为应用本实用新型第一实施例的克努曾箱蒸发源的***结构示意图。
图3为本实用新型第二实施例的克努曾箱蒸发源装置的结构示意图。
图4为本实用新型第二实施例的克努曾箱蒸发源装置的***结构示意图。
主要元件符号说明
| 克努曾箱蒸发源 | 100 |
| 坩埚 | 10 |
| 材料收纳部 | 12 |
| 开口 | 14 |
| 固定架 | 20 |
| 第一绝热支撑板 | 22 |
| 第二绝热支撑板 | 24 |
| 绝热支撑杆 | 26 |
| 固定结构 | 28 |
| 加热丝 | 30 |
| 电动挡板装置 | 60 |
| 克努曾箱蒸发源装置 | 200 |
| 挡板支撑杆 | 610 |
| 挡板 | 620 |
| 永久磁铁 | 630 |
| 第一电磁线圈 | 640 |
| 第二电磁线圈 | 650 |
如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本实用新型。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的阐述。参照附图，应理解，这些实施例仅用于说明本实用新型而不用于限制本实用新型的范围。此外应理解，在阅读了本实用新型讲授的内容后，本领域技术人员可以对本实用新型作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
请参阅图1，本实用新型实施实例提供一种克努曾箱蒸发源100，其包括：一坩埚10、一固定架20、一加热丝30。所述固定架20环绕所述坩埚10设置，并用于固定所述加热丝30。
请一并参阅图2，所述坩埚10为圆柱形，具有相对的两端，其中，一端开口，一端封闭，形成一个材料收纳部12以及一个开口14。使用时，将蒸发材料放置在所述材料收纳部12中，加热蒸发后蒸发材料的分子从所述开口14蒸镀到一个衬底上，从而获得一薄膜材料。该坩埚10的材料包括Al2O3陶瓷、钽、PBN（聚萘二酸丁醇酯）、石墨、石英、钨、钼等，形状圆柱形、侧面带有一定倾斜角度的圆台型、锥形、四方体型等，其最基本的特征是具有放置蒸发材料的材料收纳部12以及一面向基底的开口14。本实施例中，该坩埚10为Al2O3陶瓷材料制成，具体形状为中空的圆柱，其侧面与底部壁厚1mm，外径10mm，在其顶部有开口14，开口处具有宽约3mm的外延用以将所述材料收纳部12支撑在固定架20上。
所述固定架20为笼式结构，其包括一第一绝热支撑板22、一第二绝热支撑板24以及多个绝热支撑杆26。所述多个绝热支撑杆26固定于所述第一绝热支撑板与所述第二绝热支撑板24之间。所述多个绝热支撑杆26间隔设置，并固定于所述第一绝热支撑板22与所述第二绝热支撑板24之间的方式不限，可以用粘结剂固定，也可以采用机械固定，如铆钉或者卡扣的方式，或者也可以与所述第一绝热支撑板22及所述第二绝热支撑板24通过一体成型的方式形成一个整体。第一绝热支撑板22具有一个通孔224，所述第一绝热支撑板22、所述第二绝热支撑板24及所述多个绝热支撑杆26共同围成一个收纳空间28。所述坩埚10的材料收纳部12通过所述通孔224设置在所述收纳空间28内，并被所述多个绝热支撑杆26环绕设置。
所述第一绝热支撑板22、一第二绝热支撑板24以及多个绝热支撑杆26为绝热材料制成，该绝热材料包括Al2O3陶瓷，PBN，可加工陶瓷等。本实施例中，所述第一绝热支撑板22为由Al2O3陶瓷材料制成的片状圆环，内径为12mm，外径为18mm；所述第二绝热支撑板24为Al2O3陶瓷材料制成的片状圆板，外径为18mm；所述多个绝热支撑杆26为Al2O3陶瓷材料制成的圆柱状杆，其上有固定所述加热丝30的固定结构29，例如孔，槽或者沟等等。
所述加热丝30通过所述固定架20固定，环绕所述坩埚10设置，并与所述坩埚10间隔设置。具体地，所述加热丝30通过所述多个绝缘支撑杆26固定，并螺旋环绕所述坩埚10间隔设置。所述加热丝30到所述坩埚10外表面的距离与所述多个绝缘支撑杆26到所述坩埚10外表面的距离相等。所述多个绝缘支撑杆26具有等间隔设置的通孔，所述加热丝30可以等间隔螺旋环绕所述多个绝缘支撑杆26并穿过所述通孔固定。由于所述加热丝30通过所述固定架20等间隔螺旋环绕所述坩埚10设置，使得且加热丝30缠绕均匀，从而保证使用过程中克努曾箱蒸发源100内的热平衡，温度保持精确稳定，提高了该克努曾箱蒸发源100的蒸发精度。所述加热丝30的材料包括钨丝，钽丝等其他材料。本实施例中，所述加热丝30为0.3mm的钨丝
请参阅图3及图4，本实用新型第二实施例提供一种克努曾箱蒸发源装置200，与第一实施例的努曾箱蒸发源100相比，进一步包括一电动挡板装置60，用于控制所述克努曾箱蒸发源蒸发源00的开放与遮挡状态。
所述电动挡板装置60包括一挡板支撑杆610、一挡板620、一永久磁铁630、一第一电磁线圈640以及一第二电磁线圈650。所述档板620固定设置于所述挡板支撑杆610的一端，所述永久磁铁630固定设置于所述挡板支撑杆610的另一端。所述固定架20沿着所述挡板支撑杆610延伸的方向靠近所述挡板620固定于所述挡板支撑杆610。所述坩埚10的开口14与所述挡板620相对设置，所述挡板支撑杆610可以相对所述固定架20转动，使得所述挡板620可以覆盖在所述开口14的上方或者，离开所述开口14的上方，从而控制蒸发源的开放与遮挡状态。
所述挡板支撑杆610为金属制成，可以为不锈钢或钽制成。该挡板支撑杆610的长度和直径可以根据实际需要选择。本实施例中，该挡板支撑杆610为不锈钢杆，长度185mm，直径为1.6mm。
所述挡板620固定于所述挡板支撑杆610的端部，并且可以由所述挡板支撑杆610的转动带动其转动。所述挡板620为圆形片状，面积大于等于所述坩埚10的开口14。所述挡板620的材料包括不锈钢片、钽片，铝片等其他材料。本实施例中，所述挡板620为不锈钢片，厚度为1mm。
所述永久磁铁630固定于所述挡板支撑杆610远离所述挡板620的另一端。所述永久磁体630的两个磁极间隔设置在所述挡板支撑杆610的两侧。所述第一电磁线圈640和所述第二电磁线圈650均由铁芯以及缠绕在铁芯表面的线圈组成。所述第一电磁线圈640线圈缠绕方向与所述第二电磁线圈650缠绕方向相反，从而使得所述第一电磁线圈640与所述第二电磁线圈650的磁极相反。所述第一电磁线圈640与所述第二电磁线圈650间隔设置在所述永久磁体630的两侧，并分别与所述拥挤磁体630的磁极相对。当给所述第一电磁线圈640以及所述第二电磁线圈650通电流脉冲时，南北极相反的第一电磁线圈640和第二电磁线圈650分别对永久磁铁630产生吸引力与排斥力，使得永久磁铁630吸附在所述第一电磁线圈640上，带动挡板支撑杆610转动，从而使得挡板620偏向一边，覆盖在所述坩埚10的开口上方，起到遮挡蒸发源的作用。所述第一电磁线圈640和第二电磁线圈650通以电流脉冲的同时磁化了第一电磁线圈640和第二电磁线圈650内的铁芯，电流脉冲结束后，铁芯仍保持磁性，永久磁铁受力不变，可以保证挡板620稳定的遮挡蒸发源。反之，在所述第一电磁线圈640和第二电磁线圈650内通以方向相反的电流脉冲，永久磁铁630受力反向，永久磁铁630带动挡板支撑杆610反方向转动，使得所述挡板620偏向另一边，从而不再遮挡蒸发源。同时所述第一电磁线圈640和第二电磁线圈650内的铁芯被反向磁化，保证电流脉冲结束后永久磁铁630受力不变，挡板620相对于蒸发源稳定在非遮挡状态。本实施例中，所述永久磁铁630的形状为三棱柱状，通过真空胶与不锈钢的挡板支撑杆610固定。所述第一电磁线圈640和所述第二电磁线圈650为外径1mm的铜线绕制而成，共绕有5层，每层20圈。
与现有技术相比，本实用新型所提供的克努曾箱蒸发源装置具有以下优点：加热丝等间隔螺缠绕，解决了现有技术对坩埚加热不均匀的缺点；加热丝使用支架支撑，整体弯折较小，不易断裂且形状固定，重复使用状态稳定，加热至高温后加热丝***也不会发生形变而引发短路、加热效率低、加热不均匀等问题；采用热辐射加热，加热效率高，加热快且最高温度达1650℃；电动挡板装置解决了以往蒸发源装置需要手动开关的不便，实现了电脑控制与远程实验的需要，保证了控制的精度。
Claims (10)
1.一种克努曾箱蒸发源，其包括：一坩埚、一固定架以及一加热丝结构，其特征在于，所述固定架为笼状结构，环绕所述坩埚设置，所述加热丝通过所述固定架固定，并等间隔螺旋环绕所述坩埚设置。
2.如权利要求1所述的克努曾箱蒸发源，其特征在于，所述固定架包括一第一绝热支撑板、一第二绝热支撑板以及多个绝热支撑杆，所述多个绝热支撑杆间隔设置，并固定于所述第一绝热支撑板与所述第二绝热支撑板之间，围成一个收纳空间。
3.如权利要求2所述的克努曾箱蒸发源，其特征在于，所述第一绝热支撑板具有一通孔，所述坩埚穿过该通孔设置于所述收纳空间。
4.如权利要求3所述的克努曾箱蒸发源，其特征在于，其特征在于，所述多个绝缘支撑杆围绕所述坩埚对称设置。
5.如权利要求3所述的克努曾箱蒸发源，其特征在于，所述坩埚具有一开口，以及一材料收纳部，所述材料收纳部设置于所述收纳空间。
6.如权利要求3所述的克努曾箱蒸发源，其特征在于，所述加热丝结构环绕所述多个绝热支撑杆形成所述螺旋结构，该螺旋结构通过所述多个绝热支撑杆支撑。
7.如权利要求6所述的克努曾箱蒸发源，其特征在于，所述多个绝缘支撑杆中的每个绝缘支撑杆都具有等间隔设置的多个通孔，所述加热丝等间隔螺旋环绕所述多个绝缘支撑杆并穿过所述多个通孔固定。
8.如权利要求2所述的克努曾箱蒸发源，其特征在于，所述固定架的材料为Al2O3。
9.如权利要求1所述的克努曾箱蒸发源，其特征在于，所述加热丝结构为钽丝或钨丝。
10.如权利要求1所述的克努曾箱蒸发源，其特征在于，所述加热丝结构由多个加热丝串联或并联组成。
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| CN104988463A (zh) * | 2015-06-24 | 2015-10-21 | 深圳市华星光电技术有限公司 | 一种加热源及有机发光二极管的蒸镀机 |
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| US10014493B2 (en) | 2015-06-24 | 2018-07-03 | Shenzhen China Star Optoelectronics Technology Co., Ltd | Heating source and evaporator of organic light emitting diode |
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