蒸发裂解源的设计与仿真

本文为解决分子束外延(MBE)技术中VA族元素蒸镀时容易形成分子束团簇而无法进行化合物合成的问题，设计了一种能实现分子束裂解镀膜的蒸发裂解源。首先，为了方便源材料的更换，在克努森炉的基础上实现了裂解源的双开口结构；其次，为了验证结构设计的可靠性，通过有限元软件ANSYS对蒸发区和裂解区的温度分布情况进行了稳态热仿真；最后，为了验证蒸发裂解源的实用性，通过温控仪对蒸发区和裂解区进行了升温实验。仿真分析表明：蒸发区和裂解区在工作时温度分布均匀，温度能够分别保持在527℃和1213℃以上，同时互联区的温度也能够保持在400℃以上；升温实验表明：蒸发区和裂解区的实际升温情况与仿真情况基本一致，设备符合实际生产需要。该研究为国内MBE系统中分子束裂解镀膜提供了设备基础，具有良好的应用前景。

分子束外延(Molecular Beam Epitaxy, MBE)技术是在真空沉积法和表面反应动力学研究的基础上， 由美国贝尔实验室的卓以和在二十世纪70 年代开创的[1]。历史上，MBE 技术的出现极大地推动了以超薄层微结构为基础的半导体技术的进步， 并随着半导体材料的不断更新迭代， 更多质量好、性能优越的III-V族化合物半导体薄膜材料与器件的市场需求又反过来推动着MBE 技术的发展和产品的迭代[2] [3]。

III-V 族化合物半导体薄膜材料通常由气相沉积法形成，而常见VA 族元素在进行气相沉积时，束流通常由四聚体分子构成， 无法直接进行化合， 需要将分子束流裂解成原子后再进行化合[4] [5] [6]。

而MBE系统中用于沉积薄膜的核心设备通常为蒸发源，于是怎样研发出能够满足精准位置镀膜、分子束裂解的蒸发源成为了III-V 族化合物半导体材料进一步发展的核心问题。

目前国内针对常见VA 族分子束裂解的蒸发源设备的研究很少，章贺磊等[7]设计了一款针对砷(As)分子束裂解功能的蒸发源， 该源可以蒸发并裂解出As 单质原子以形成单质膜， 但其裂解区部分未设置冷却装置，使用条件要求较高。在常见VA 族分子束裂解镀膜研究的文献中，他们基本采用的是国外的蒸发裂解源产品进行的试验，以研究热度较高的关于锑(Sb)裂解的文献为例，国内Zha 等[8]采用芬兰DCA公司的蒸发裂解源进行Sb 的裂解镀膜，该源为带电控阀的分离式双温区结构，能够精准控制Sb 的束流大小，但其容量较大，仪器价格昂贵，不利于精准位置的镀膜；张宏飞等[9]采用RIBER 公司的VCOR蒸发源进行Sb 的裂解镀膜，该源为带简易阀的一体式双温区结构，能粗略控制Sb 的束流大小，支持局部蒸镀，且无需拆卸阀门，但其最高裂解温度只有900℃，无法满足高真空条件下Sb 的完全裂解；国外Saputro 等[10]采用克努森炉进行Sb 的裂解掺杂，该炉是实验室标准的束源炉，结构简单、易于操作，但其为单温区结构，裂解温度低，无法满足Sb 分子束的完全裂解[11]。