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单晶制备：分子束外延蒸发源坩埚、基片选择及真空度考虑
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关注：
1) 分子束外延原理 ：分子束（蒸发源及背底真空控制）、外延(基片晶格匹配控制)
2) 蒸发源分类
3) 活性金属单晶制备 (hf参观)
ST K-Cell Evaporator的沉积速率是由坩埚温度决定的，通过使用热偶和温控仪准确地控制熔炉的温度
记录整理：
磁控溅射或MBE均可制备单晶薄膜
活性，腐蚀性很强 与坩埚反应，2200 K
RHEED 实时监测生长过程，(掠入射)
LEED不能在线可以原位 （垂直入射）
u 1700C除气数10天， 使用涂层坩埚，氧化钇坩埚
氧化物去除，因蒸发压 ，跑掉了
ce 不能用Al2O3坩埚，Ce与Al有置换反应；
Mo 坩埚已融化；水冷铜坩埚局部熔化
单晶钨坩埚
计算jinshu态u不需要加u计算
基片处理及铈蒸发源除气工艺参数：文献摘录
分类 | 温度、真空、Ar气溅射(除C、除氧) | 备注 |
2016 | From Dr.Feng |
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铈源除气 | 除气最高温度1600℃ 除气过程: 600℃以前，升温速率15℃/min；600℃-900℃，升温速率8℃/min；900 ℃之后，升温速率15℃/min 除气过程中真空度变差，可达10-9 Torr量级；冷却过程中真空度由于Ce泵的作用，真空度可达5x10-11 Torr |
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铈蒸发 | 沉积薄膜温度1550℃，1500℃；真空度5x10-10 Torr |
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2015 | From Dr. Chen |
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通行做法 | W(110)衬底在氧气氛下1227℃除去表面析出C杂质，然后快速闪至约1927℃退火去除表面残留O。 |
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基片处理 | W(110)，2.0 keV能量旳Ar离子来溅射样品，溅射后的表面比较粗糙；为了获得较平整的台面，不得不釆取高温退火；而为了尽量减少高温退火时C杂质的偏析，采取快速闪至约827℃的温度后迅速降温的方法。 经过处理的表面依然存在较多的偏析C，而裸露的干净W区域有限，这对单晶铺薄膜的质量有较大影响。 | 样品台温度只能达到927℃ |
铈源除气 | 钽坩埚；首先需要在超高真空下对铈源进行长时间除气(约10天)，除气时最大功率达到70 W；由于Ce离子带电荷多，除气基本结束时，蒸发束流达到80μA； |
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铈蒸发 | 除气结束后，在Si(111)表面做了蒸发尝试，蒸发时的功率约为50 W，束流为5.5 μA，蒸发时间为2 h48 min。 |
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1997 | 复旦大学：W(110)面二维氧化的低能电子显微镜研究 |
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W(110)处理 | LEEM Ⅲ本底真空度为4.0 ×10-8 Pa 。为了获得W(110)清洁表面, 特别是清除体内的碳玷污, 将样品在4.0 ×10-6Pa O2气氛中加热到1027℃，退火5min , 然后闪烁加热到1827℃三次。 将此清洁处理过程反复多次, 就可得到W(110)-(1×1)清洁表面。这里用LEEM 系统也能进行表面清洁程度监测，非清洁W(110)表面LEEM 像中会出现由于表面分凝作用而产生的W2C 颗粒，有时这种监测手段甚至比AES 还要灵敏。 |
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氧吸附 | 氧吸附是衬底温度保持在600-1050 ℃条件下进行的。氧气由漏阀导入，其压强范围为2.7 ×10-6 —10.7 ×10-6Pa , 时间为几分钟。氧暴露量可由超高真空电离规测得的压强来确定, 单位为L(1L =1.33 ×10-4Pa·s)；关闭氧源后腔体真空度立即降到10-7Pa , 然后逐渐进入10-8Pa . |
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2009 | Photoemission from the valence bands of Ce(111) on W(110) |
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基片处理 | W(110)，加热到2300℃，多次反复 |
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铈源除气 | 长时间除气，1 × 10-10 Torr |
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铈蒸发 | 3 × 10-10Torr，4.5 ML后即有LEED像，layer-by-layer生长模式，沉积4-6h |
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2008 | k- and spin-dependent hybridization effects in Ce monolayer |
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| 腔室真空10-11Torr，在蒸发和退火过程中会短时间升至10-10Torr |
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基片处理 | W(110)，在氧气气氛下(5×10-8 torr)加热到1300℃，15min一个循环，多次反复；随后在2300℃闪蒸 |
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铈蒸发 | W(110)基片处于室温，0.5 ML Ce，有明锐的LEED图案 |
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2004 | Surface science: Growth of Ce on Rh(1 1 1) |
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铈蒸发 | 液氮冷却电子束源，小心除气后；蒸发速率0.1 ML/min；蒸发过程中制备腔室真空优于1.6 × 10-10 Torr |
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1998 | Surface electronic structure of epitaxial Ce and La films |
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| 铈或镧薄膜厚度~60-Å；W(110)基片处于室温；钨丝加热蒸发，Ce沉积速率，~5 Å/min；在蒸发过程中，真空室真空由10-10 Torr 升高至~5×10-10Torr；在500K，退火后，出现明锐的LEED图像， dhcp结构 |
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1987 | Epitaxial film growth of single crystal Ce/V prepared by molecular-beam epitaxy epitaxical film growth |
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| 蒸发速率0.5-1.0 Å/sec，真空优于2x10-10 torr；基片温度，300-1000 ℃ 在沉积有V(110)薄膜的α-Al2O3 (11-20)基体上首次成功制备了γ-Ce(111)单晶薄膜 |
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1986 | Initial stages of hydride formation: Hydrogen on Ce(001) |
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| γ-Ce晶体，抛光后装样，原位Ar溅射清洗-退火多次循环，500eV, 8 μA, 20 min; 280℃退火后出现(1×1)图案，AES和UPS显示表面无污染。 |
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2012 | Growth and Morphology of Ceria on Ruthenium (0001) |
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| 反应分子束外延，基片温度360-1000°C，电子束蒸发源，Mo坩埚，氧分压1 × 10−8 and 5 ×10−7 Torr；沉积速率0.15 ML/min；萤石结构氧化物膜厚3.12 Å. W-Re热电偶测温。 |
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网络摘录：
为什么电子蒸发源没有k-cell源稳定；
http://www.quantech.com.cn/offerlist.htm?spm=0.0.0.0.DTvmhW产品介绍
产品编号：ST-Effusion-Cell
产品名称：蒸发源
产品用途：ST Effusion-Cell 蒸发源良好的设计使其作为一个稳定的高温炉，可以用来可控地蒸发多种材料。独特的套筒设 计为用户提供了更多的灵活性，当用户需要不同的沉积材料时，
熔炉和坩埚都可被任意更换。
工作电压：0～70VDC
工作压力范围：10-2Pa ～10-8Pa
工作电流：0～15A
极限真空可达：10-10Pa
（可根据客户需求定制）
1.超高真空环境：2×10-10Torr
工作原理
1.ST-Effusion-Cell为可控地蒸镀小面积薄膜材料提供了一个理想工具。待沉积材料被加热到产生合适的蒸汽压后，
气体分子就会由蒸镀孔冲出，形成稳定的分子束流。ST K-Cell Evaporator的沉积速率是由坩埚温度决定的，通过
使用热偶和温控仪准确地控制熔炉的温度。
2.ST-Effusion-Cell包括一个水冷或液氮冷却的套筒、电极和一个波纹管密封的挡板装置，所有这些都被安装在一个
CF35的法兰上。
3.ST-Effusion-Cell的熔炉被设计为一个可移动的套筒，其中包含坩埚、加热元件与热屏蔽。通过环状钨丝加热坩埚，
坩埚底部带有嵌入式热电偶，用于精确的温度测量。合适位置的热电偶能够精确地跟踪内部熔炉的温度，以提供高的
稳定性和可重复性。
蒸发源是用来加热膜材使之气化蒸发的装置。目前所用的蒸发源主要有电阻加热，电子束加热，感应加热，电弧加热和激光加热等多种形式。
电阻加热式蒸发源的发热材料一般选用W、Mo、Ta、Nb等高熔点金属，Ni、Ni-Cr合金。把它们加工成各种合适的形状，在其上盛装待蒸发的膜材。
一般采用大电流通过蒸发源使之发热，对膜材直接加热蒸发，或把膜材放入石墨及某些耐高温的金属氧化物（如Al2O3，BeO）等材料制成的坩埚中进行间接加热蒸发。
电阻加热蒸发装置结构较简单，成本低，操作简便，应用普遍。
电阻加热蒸发源材料需具有以下特点:
①高熔点必须高于待蒸发膜材的熔点（常用膜材熔点1000～2000℃）。
②低的饱和蒸气压保证足够低的自蒸发量，不至于影响系统真空度和污染膜层。
③化学性能稳定在高温下不应与膜材发生反应，生成化合物或合金化。
表1各种蒸发源材料的熔点和相应饱和蒸气压的温度列出了各种蒸发源材料的熔点和相应饱气压的温度。其中钨在加热到蒸发温度时，会因加热结晶而变脆；
钽不会变脆；钼则会因纯度不同而不同，有的会变脆，有的则不会变脆。钨和水汽起反应，会形成挥发性氧化物WO3，因此钨在残余水汽中加热时，加热材料会不断受到损耗。残余气体压力较低时，虽然材料损耗并不多，但是它对膜的污染是较严重的。耐高温的金属氧化物如铝土、镁土作为蒸发源材料时，它们不能直接通电加热而只能采用间接的加热方法。
表1 各种蒸发源材料的熔点和相应饱和蒸气压的温度
| 蒸发源材料 | 熔点/K | 相应饱和蒸气压的温度/K | ||
| 1.33×10-6Pa | 1.33×10-3Pa | 1.33Pa | ||
| C | 3427 | 1527 | 1853 | 2407 |
| W | 3683 | 2390 | 2840 | 3500 |
| Ta | 3269 | 2330 | 2680 | 3330 |
| Mo | 2890 | 1865 | 2230 | 2800 |
| Nb | 2714 | 2035 | 2400 | 2930 |
| Pt | 2045 | 1565 | 1885 | 2180 |
| Fe | 1808 | 1165 | 1400 | 1750 |
| Ni | 1726 | 1200 | 1430 | 1800 |
根据膜材的性质以及它与蒸发源材料的浸润性，电阻加热蒸发源可以制成不同的结构形式，图1为各种形状的电阻蒸发源。
①丝状和螺旋丝状蒸发源常用的丝状蒸发源结构其金属丝可以是单股丝或多股丝。图1 (a)、(b)中的结构适合蒸镀小量的具有极好浸润性的材料，如铝材。图1 (c)、(d)所示结构为螺旋锥形和篮式蒸发源，一般用于蒸发粗颗料或块状材料和不易与蒸发源相浸润构材料，如银、铜、铬等。
图1 各种形状的电阻蒸发源
采用丝状源时应注意膜材对热丝的浸润性。如热丝温升太快，膜材不易立刻熔化致使膜材对热丝浸润不充分，从而会使没有充分熔化的膜材从热丝上脱落下来；同时温升太快也会造成膜材中气体突然释放引的小液滴飞溅现象。因此，使用丝状源时应注意温度的控制。
丝状源的主要缺点是支持的膜材量太少，而且还会随着膜材的蒸发使热丝温度升高，导致蒸发速率的变化。对于要求严格控制蒸发速率的镀膜工艺，该缺点应予注意。
②箔盘状和槽状蒸发源图1(e)、(f)、(g)是用片箔状或块状材料加工成的蒸发盘和蒸发舟。这些蒸发源有坑槽，镀料放置在坑槽内，受热后在坑槽内形成熔池。粉末状镀料可制成适当大小的团粒放在坑槽内进行蒸镀。
③铝蒸发用坩埚加热器在真空镀膜技术中，以铝作为膜材的占有重要的地位 由于铝的化学性能活泼、熔融后的铝流动性很好，因此在高温下它会腐蚀许多金属或化合物。对于石墨加热器，铝会渗入石墨使其胀裂。所以，采用高纯度石墨或氮化硼合成导电陶瓷材料作为铝膜材蒸发源是比较理想的。
氮化硼导电陶瓷是比石墨更为理想网蒸发器材料，它是由耐腐蚀、耐热性能优良的氮化物、硼化物等材料通过热压，涂复制成的一种具有导电性的陶瓷材料。这种氮化硼导电陶瓷一般由下面三种材料组成。
①氮化硼10%～20%（质量比，以下同），粒度 20～50μm。
②耐火材料20%～80%，有氮化铝、氮化硅、硼化铝等，粒度20～50μm。
③导电材料80%～20%，有石墨、碳化硼、碳化钛、碳化锆、碳化铬、碳化硅、硼化钛、硼化锆、硼化铬、硼化铍、硼化镁和硼化钙等。常用二硼化钛或二硼化锆，粒度≤50μm。
制作方法如下：
将上述三种材料按质量比混合均匀，用氮化硼或石墨作模具，在压力为10～40MPa和温度为1500～1900℃的条件下热压成形。
氮化硼导电陶瓷与石墨等材料的特性比较见表2耐熔坩埚材料特性的比较。用氮化硼导电陶瓷制成的蒸发器的形式如图2氮化硼导电陶瓷蒸发器（舟）所示。
表2 耐熔坩埚材料特性的比较
| 坩埚材料特性 | 氮化硼合成导电陶瓷 | 钨、钼、锆等耐熔金属 | 石墨 | 氧化铝陶瓷 |
| 耐热性 | 好 | 好 | 最好 | 好 |
| 对熔融金属的耐蚀性 | 最好 | 差 | 好 | 好 |
| 对熔融金属的润湿性 | 好 | 好 | 好 | 好 |
| 抗热冲击性 | 好 | 好 | 好 | 差 |
| 电功率消耗 | 小 | 小 | 小 | 大 |
| 蒸发膜层纯度 | 最好 | 差 | 差 | 好 |
| 设备维护保养 | 好 | 差 | 差 | 差 |
图2 氮化硼导电陶瓷蒸发器（舟）
氮化用合成电导陶瓷材料的最大缺点是成本太高。近年来人们又把注意力集中到提高石墨坩埚的寿命，研究高寿命的石墨发热体上来。日本真空株式会社(ULVAC)制造的EW系列高真空镀铝设备中所采用的耐高温熔铝浸蚀的高寿命石墨坩埚，其平均寿命可达18次。国内有关单位已采用将液态热固性合成树脂涂复在坩埚内外壁上，或将其浸入到液态树脂中，然后加热使树脂固化，再经高温碳化处理，使树脂分解碳化的工艺方法，成功地制成了在1400℃和10-3Pa下进行高温熔铝的特性石墨坩埚，其平均使用寿命为10～15次。
Dr. Eberl MBE-Komponenten GmbH 是专业的MBE设备制造商，具有20余年的产品制造及工艺研发经验。其多年的生产研发经验和严格的生产工艺管理，保证了每一个产品都具有优秀的性能和可靠的质量，满足了用户获得高纯度、高精度外延薄膜的要求。除完整的MBE系统外，我们还可以为用户提供与各类MBE系统配套的蒸发源及其他分子束外延组件。
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