一種解決高溫下襯底原子蒸發影響平整度的方案及類似裝置制造方法
【專利摘要】本發明屬于薄膜制備領域，更確切地說涉及高溫下在襯底上進行沉積或噴鍍等方法進行薄膜制備的領域以及類似裝置。本發明的內容是提供一種解決高溫下襯底原子流失影響平整度的設計方案；本發明利用加熱裝置(1)來加熱襯底(2)至薄膜(3)生長所需的溫度，在薄膜生長的過程中利用熱反射裝置B來反射襯底表面蒸發的材料(4)、(5)，實時補償其襯底表面材料的流失；從而有效避免襯底在高溫下的蒸發造成的成膜形貌缺陷，可以生長出平整的、高質量的薄膜材料。
【專利說明】一種解決高溫下襯底原子蒸發影響平整度的方案及類似裝
【技術領域】:
[0001]本發明涉及薄膜制備領域，更確切地說涉及高溫下在襯底上進行沉積或噴鍍等方法進行薄膜制備的領域以及類似裝置。
【背景技術】:
[0002]21世紀，由于電子信息、生物技術、能源環境、國防等工業的快速發展，對各種材料的性能提出更新更高的要求，元器件的小型化、智能化、高集成、高密度存儲和超快傳輸等要求材料的尺寸越來越小，航空航天、新型軍事裝備及先進制造技術使材料的性能趨于極端化。因此，新材料的研究和創新已經是目前科學研究的重要課題和發展基礎。其中由于高純度的薄膜材料(如石墨烯、六角氮化硼等)具有特殊的物理和化學性能，以及由此產生的特殊的應用價值，迅速成為科學研究的熱點。
[0003]為了得到高純度的薄膜材料，科學界、工藝界也發明了很多制備方法。其中，化學氣相淀積法(CVD)、分子束外延生長法(MBE)等都是近幾十年發展起來的制備高純度薄膜材料的新技術。
[0004]CVD是Chemical Vapor Deposit1n的簡稱，是一種基于化學反應的薄膜淀積方法。此方法以氣體形式提供的反應物質，如制備石墨烯一般使用的甲烷、乙炔等；襯底置于反應室中，在熱能、等離子體或者紫外光等的作用下，氣體反應物在襯底表面經化學反應(分解或合成)形成固體物質的淀積，即得到薄膜材料。
[0005]分子束外延(MBE)是50年代用真空蒸發技術制備半導體薄膜材料發展而來的。其方法是將襯底放置在超高真空腔體中，和需要生長的薄膜材料按元素的不同分別放在噴射爐中，分別加熱到相應溫度的各元素噴射出的分子流能在上述襯底上生長出極薄的(可薄至單原子層水平)單晶結構或薄膜材料。如說明書附圖1為一種分子束外延摻雜模型，其中F為入射分子束，Fd為入射摻雜分子束。
[0006]目前來講，制備石墨烯、六角氮化硼等新型材料所用的襯底通常為銅(Cu)、鋁(Al)、鎳(Ni)、鈷(Co)、鐵(Fe)、鉬(Pt)等。對于這些襯底來講，在制備過程中都存在一種缺陷，即:當反應爐或噴射爐內溫度達到化學反應所需溫度(幾百度甚至更高)的時候，襯底的原子表面 會發生蒸發現象，造成襯底表面平整度變差，進而影響到成膜形貌、質量。如說明書附圖2:A圖為金屬襯底示意圖，襯底的表面應該是平滑的；在高溫反應時，成膜材料會在襯底沉積，理想情況下形成均勻平整的薄膜材料，如示意圖B ;但實際中，襯底材料會在高溫下發生原子表面蒸發造成流失，隨著時間推移，越晚沉積的部位襯底原子流失越厲害，形成如示意圖C所示的形貌缺陷。
[0007]
【發明內容】
:針對以上提到的問題，提出本發明。
[0008]本發明的內容是提供一種解決高溫下襯底原子流失影響平整度的設計方案；并構建一種類似的加熱裝置，此裝置可以在薄膜生長中實時補償蒸發的襯底原子，可有效避免襯底在高溫下的蒸發造成的成膜形貌缺陷，可以生長出平整的、高質量的薄膜材料。[0009]本發明涉及的解決方案為:對應薄膜生長時，在襯底反方向安置一高溫熱源，襯底表面蒸發的原子遇到此反射源后，首先沉積，隨后在高溫下又被熱源蒸發，類似一個反射過程，襯底原子實時補給回襯底；襯底的表面原子蒸發與補給達到動態平衡時，襯底的平整度得到完好的保存，在平整的襯底上生成的薄膜材料可以保持良好的形貌，達到高質量的成
膜產品。
[0010]本發明涉及的類似加熱裝置包含:一個加熱爐，此加熱爐可將樣品(即襯底)加熱至薄膜生長所需的溫度；一個與之相對的熱反射源，其材料不需與襯底相同，只需在高溫下將襯底蒸發的原子反射補償給襯底即可。同時，裝置或許還需要至少兩組支撐、固定器件，以實現將上述加熱爐和熱反射源連接在外部設備(如真空腔室)中完成薄膜生長的目的。
[0011]本發明的主要特點在于:
[0012]1.通過在襯底反方向安置一高溫熱反射裝置，使襯底表面蒸發的原子被熱源反射，實時補給到襯底，使襯底表面原子蒸發與吸收達到動態平衡；可有效避免襯底在高溫下的蒸發造成的鍍膜形貌缺陷，可以生長出平整的、高質量薄膜材料。本發明利用加熱裝置
(I)來加熱襯底(2)至薄膜(3)生長所需的溫度，在薄膜生長的過程中利用高溫反射裝置B來反射襯底表面蒸發的材料(4)、(5)，實時補償其襯底表面材料的流失。
[0013]2.說明I中所述的加熱裝置A可以為:電阻加熱源，電子束轟擊源，等任何將襯底加熱至薄膜生長所需要溫度的加熱裝置。
[0014]3.說明I中所述的熱反射裝置B可以為: 任何形式的加熱裝置，只需將襯底(2)表面流失的原子向回反射，并且不會造成對襯底的污染即可。
[0015]4.說明I中所述的襯底(2)包含但不僅限于:銅(Cu)、鋁(Al)、鎳(Ni)、鈷(Co)、鐵(Fe)、鉬(Pt)、金(Au)、鉻(Cr)、鎂(Mg)、錳(Mn)、鑰(Mo)、釕(Rh)、鉭(Ta)、鈦(Ti)、銠(Rh)、鎢(W)、硅(Si)、碳化硅(SiC)中的一種或任意兩種以上的組合。
[0016]5.說明I中所述的薄膜(3)可以為任意薄膜材料，例如硅、石墨烯、六角氮化硼等。
【專利附圖】
【附圖說明】:
[0017]圖1.一種分子束外延摻雜模型，其中F為入射分子束，Fd為入射摻雜分子束。
[0018]圖2.襯底的各種狀態示意圖。其中A為平滑的原子表面金屬襯底示意圖；B為理想情況下，在平滑襯底上沉積形成的均勻平整的薄膜材料示意圖；C為襯底在高溫下發生原子表面蒸發，形成具有形貌缺陷的薄膜示意圖。
[0019]圖3.解決高溫下襯底原子表面蒸發裝置的設計示意圖。其中A為可將樣品懸掛加熱的加熱爐為熱反射裝置；(I)為加熱裝置；(2)為襯底；(3)為薄膜；(4)為高溫下蒸發流失的襯底表面材料；(5)為被熱反射源反射回的襯底表面材料。
【具體實施方式】
[0020]下面將結合附圖對本發明作進一步的詳細說明。
[0021]實例一:參照圖3。
[0022]利用加熱裝置⑴來加熱襯底(2)至薄膜(3)生長所需的溫度。襯底(2)包含但不僅限于:銅(Cu)、鋁(Al)、鎳(Ni)、鈷(Co)、鐵(Fe)、鉬(Pt)、金(Au)、鉻(Cr)、鎂(Mg)、錳(Mn)、鑰(Mo)、釕(Rh)、鉭(Ta)、鈦(Ti)、銠(Rh)、鎢(W)、硅(Si)、碳化硅(SiC)中的一種或任意兩種以上的組合。
[0023]在薄膜生長的過程中利用高溫熱反射裝置B來反射高溫下因蒸發流失的襯底表面材料(4)。高溫熱反射源B可以與加熱爐A具有相同結構，其表面材料不會因為受熱蒸發對襯底(2)造成污染，并且不會吸附所蒸發出襯底材料(4)。只需達到將襯底(2)表面流失的原子向回反射的作用即可。由于材料表層原子脫離表面的概率是其溫度的函數，如果反射源溫度滿足上述條件，正好可以通過反射補償襯底在此溫度下損失的表面原子，有效地避免襯底在高溫下的蒸 發造成的鍍膜形貌缺陷，可以生長出平整的、高質量薄膜材料。
【權利要求】
1.一種解決高溫下襯底原子流失影響平整度的設計方案，其設計原理在于:在薄膜生長的過程中，通過在襯底反方向安置高溫反射裝置，襯底表面蒸發的原子遇到此高溫裝置后，在高溫下又被熱源蒸發，類似一個反射過程，襯底原子實時補給回襯底；襯底的表面原子蒸發與補給達到動態平衡時，襯底的平整度得到完好的保存，在平整的襯底上生成的薄膜材料可以保持良好的形貌，達到高質量的成膜產品。
2.根據權利要求1所述的設計方案構建一種系統，系統包括:加熱裝置、高溫反射裝置；利用加熱裝置來加熱襯底至薄膜生長所需的溫度，在薄膜生長的過程中利用高溫反射裝置來反射襯底表面因蒸發所的流失的襯底表面材料。
3.根據權利要求2所述的加熱裝置，其特點在于:任何將襯底加熱至薄膜生長所需溫度的加熱裝置，例如:電阻加熱源，電子束轟擊源。
4.根據權利要求2所述的高溫反射裝置B，其特點在于:可以為任何形式的高溫源，只需將襯底表面流失的原子向回反射、并且不會對襯底造成污染即可。
5.根據權利要求1所述的襯底，其特性在于:在薄膜生長條件下會產生蒸發或表面原子流失，此類襯底包含:銅(Cu)、鋁(Al)、鎳(Ni)、鈷(Co)、鐵(Fe)、鉬(Pt)、金(Au)、鉻(Cr)、鎂(Mg)、錳(Mn)、鑰(Mo)、釕(Rh)、鉭(Ta)、鈦(Ti)、銠(Rh)、鎢(W)、娃(Si)、碳化硅(SiC)中的一種或任意兩種及 兩種以上的組合。
6.根據權利要求1所述的生長的薄膜，其特性在于:可以為任意薄膜材料，例如:娃、石墨烯、六角氮化硼類薄膜材料。
【文檔編號】C23C16/448GK104032282SQ201310090237
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2013年3月10日 優先權日:2013年3月10日
【發明者】董國材 申請人:常州碳維納米科技有限公司, 江南石墨烯研究院