一种分子束外延设备的控制系统

技术领域

本申请属于薄膜沉积技术领域，尤其涉及一种分子束外延设备的控制系统。

背景技术

分子束外延技术是一种在超高真空条件下进行的材料制备工艺，通过将组成薄膜的各元素在各自的束源炉中加热成定向分子束入射到加热的衬底上进行薄膜生长。在这一过程中，需要实时监控束源炉的温度、衬底的温度，以及控制束源炉的挡板开闭，以确保薄膜生长过程的顺利进行和薄膜质量的控制。

基于对分子束外延过程中关键参数的实时监控需求，有必要开发一种分子束外延设备的控制系统，以实现对关键参数的精准监测和控制，从而提高薄膜生长的效率和质量。

发明内容

本申请提供了一种分子束外延设备的控制系统，用于实现对关键参数的精准监测和控制，从而提高薄膜生长的效率和质量。

为实现上述申请目的，本申请采用的技术方案如下：

本申请实施例提供了一种分子束外延设备的控制系统，包括：

温度控制子系统，用于监视和控制各个束源炉的温度，以控制各个束源炉中元素蒸发的时间；

挡板控制子系统，用于控制设置在各个束源炉的出口处的挡板的开启和关闭，以控制各个束源炉中元素在衬底上进行薄膜生长的时间。

在一些实施例中，温度控制子系统还包括温控表，温控表用于设置各个束源炉的每个步骤的运行参数，运行参数包括目标温度和运行时间；

温度控制子系统用于根据运行参数，控制各个束源炉依次按照步骤顺序工作。

在一些实施例中，针对每个束源炉的每个步骤，运行时间设有余量。

在一些实施例中，针对每个束源炉的每个步骤，运行时间为第一时长，需要维持目标温度的时长为第二时长，第一时长大于第二时长。

每个步骤的起始时刻至到达目标温度的时刻之间的最大时差小于第一时长与第二时长的差值。因为若最大时差大于第一时长与第二时长的差值，则温度维持在目标温度的时长无法达到理想值。

温度控制子系统还用于在观察到温度维持在目标温度的时长达到第二时长的情况下，控制对应束源炉结束当前步骤，并进入下一个步骤。

在一些实施例中，温度控制子系统设有系统主界面；

系统主界面设有用于展示各个束源炉的温度变化曲线的坐标系区域；

系统主界面还设有“下一步”按钮，用于触发控制对应束源炉结束当前步骤，并进入下一个步骤。

在一些实施例中，温度控制子系统还用于监视各个束源炉的电流、电压和功率，以及设置各个束源炉的运行功率。

在一些实施例中，温度控制子系统还用于根据设置的加热速率，控制各个束源炉的升温速率。例如，分子束外延设备的控制系统处于手动运行状态时，可以通过设置束源炉的加热速率，控制各个束源炉的升温速率。

在一些实施例中，温度控制子系统还具有全屏显示各个束源炉的温度变化曲线的功能，以及具有记录各个束源炉的实验数据和保存各个束源炉的温度变化曲线图的功能。例如，实验数据包括束源炉的温度、电流、电压、功率等数据。

与现有技术相比，本申请实施例的有益效果是：

本申请实施例提供的分子束外延设备的控制系统，可以通过温度控制子系统监视和控制各个束源炉的温度，以控制所述各个束源炉中元素蒸发的时间。还可以通过挡板控制子系统控制设置在所述各个束源炉的出口处的挡板的开启和关闭，以控制所述各个束源炉中元素在衬底上进行薄膜生长的时间。还可以利用温度控制子系统的监控束源炉温度功能，通过提前结束当前步骤，以确保每个步骤维持在目标温度的时长为最佳的实际需求值。如此可以保证每个步骤中束源炉工作和元素蒸发的稳定性，降低由于升温误差带来的不良影响，从而实现对关键参数的精准监测和控制，提高薄膜生长的效率和质量。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了本申请实施例提供的分子束外延设备的控制系统的登录界面图；

图2示出了本申请实施例提供的分子束外延设备的控制系统的系统主界面图；

图3示出了本申请实施例提供的分子束外延设备的控制系统的配置通讯端口示意图；

图4示出了本申请实施例提供的温控表运行参数设置的示意图；

图5示出了本申请实施例提供的束源炉的温度变化曲线示意图；

图6示出了本申请实施例提供的束源炉的温度变化曲线的全屏示意图；

图7示出了本申请实施例提供的两个步骤的温度变化曲线图。

具体实施方式

为了使本申请要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

在本申请实施例中，分子束外延设备包括多个束源炉，每个束源炉用于加热蒸发一种元素。该元素可以是有机固态材料、单质、化合物半导体、或者高熔点金属材料等。

为了确保薄膜生长过程的顺利进行和薄膜质量的控制，本申请实施例提供的分子束外延设备的控制系统，具备控制元素蒸发的时间，以及控制元素在衬底上生长的时间的功能。为此，本申请实施例提供的分子束外延设备的控制系统，包括温度控制子系统和挡板控制子系统。温度控制子系统用于控制束源炉的温度，以实现控制元素蒸发的时间。挡板控制子系统用于控制设置在束源炉的出口处的挡板的开启和关闭，以实现控制元素在衬底上生长的时间。

例如，温度控制子系统可以采集束源炉的实时运行温度，并根据束源炉的目标温度和实时运行温度，控制对束源炉的加热过程。例如，可以通过控制束源炉的电流、电压或者功率，使得束源炉的温度达到目标温度。例如，还可以通过PID(ProportionIntergration Differentiation，比例积分微分)控制算法使得束源炉的温度稳定在目标温度或其附近。例如，还可以通过控制束源炉的功率或者加热速度，以控制束源炉的温度的上升速率。

为了说明本申请所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。

本申请实施例提供的分子束外延设备的控制系统，可以将预设的温度制度输入到温控表，也可以设定束源炉的功率、加热速度方式运行束源炉。在设备运行中，控制系统可以显示实时的电流、电压、功率和温度等信息，这些信息可以按照需求存储到指定文件中。

图1示出了本申请实施例提供的分子束外延设备的控制系统的登录界面。在输入正确的登录名和密码就可以进入系统操作界面。

图2示出了本申请实施例提供的分子束外延设备的控制系统的系统主界面。例如，根据图1所示界面登录进入系统操作界面时，显示如图2所示的系统主界面。

如图2所示，系统主界面包含用于展示束源炉的温度变化曲线的坐标系区域。例如，每个束源炉的温度变化曲线可以采用类型或颜色的曲线表示。

如图2所示，系统主界面还包括用于展示各个束源炉的参数的显示及控制区域。例如，图2中的“加热A”所在区域对应编号为A的束源炉的参数的显示及控制区域，“加热B”所在区域对应编号为B的束源炉的参数的显示及控制区域。以此类推，“加热G”所在区域对应编号为G的束源炉的参数的显示及控制区域。

在图2所示的各个显示及控制区域中，“电压”为束源炉的实时电压，“电流”为束源炉的实时电流，“测量”为束源炉的实时运行温度，第一个“设定”为束源炉的设定功率，“功率”为束源炉的实时功率，第二个“设定”为束源炉的目标温度，“速率”为束源炉的加热速率。

在图2所示系统主界面中，还具有“下一步”、“待机”和“请记录实验数据”按钮，它们的功能将在下文介绍。

图3示出了本申请实施例提供的分子束外延设备的控制系统的配置通讯端口示意图。

例如，可以点击菜单栏中查看-参数设置，分别设置温控表和电参数采集通讯端口分别为COM7和COM9。例如，打开设备管理器，将温控表端口配置为COM7，电参数采集模块通讯端口配置为COM9。其中，温控表用于测量束源炉的实时运行温度，以及设定束源炉的目标温度。即可以通过温控表实现对束源炉的温度制度预设。电参数采集模块可以测量束源炉的电流、电压、功率等。

图4示出了本申请实施例提供的温控表的温度制度预设。

在一些实施例中，可以在图2所示的系统主界面的相应的显示及控制区域中，选择需要设置的束源炉的编号进行双击左键，系统弹出如图4所示的“温控表运行参数设置”窗口。

例如，操作人员分别输入目标温度、到达目标温度所需运行时间与PID编号，然后点击写入按钮，预设的温度制度参数将写入温控表中。

需要说明的是，由于薄膜生长需要进行多次，即不能仅靠一次蒸发完成。因此在元素蒸发完一次之后，需要降温等待一定时长，然后再次升温蒸发。如此循环多次，以完成薄膜生长。其中，每次蒸发可以看做为一个步骤。

如图4所示，作为一种示例，束源炉的温控分为10个步骤，对应步1、步2，……，步10。不同步骤中的目标温度、运行时间和PID编号可以相同，也可以不相同。应理解，根据实际需要，束源炉的温控也可以分为其他数量的步骤，例如40步。

在本申请的一些实施例中，束源炉的温度控制可以按照如图4所示设置的参数自动运行。

例如，在根据图4设置完参数之后，可以点击图2所示的“待机”按钮，使得束源炉的温度控制按照如图4所示设置的参数自动运行，此时界面中“待机”字样会变为“RUN”。

具体地，束源炉的温度控制按照图4所示设置的参数自动运行，可以包括以下内容：

(1)在自动运行时，温控表开始工作，使得相应的显示及控制区域中显示对应束源炉的电压、电流、功率、温度等数值。并且坐标系区域展示各个束源炉的温度变化曲线。例如，各个束源炉的温度变化曲线如图5所示。

(2在自动运行过程中，如需提前进入下一步温度阶段，可以点击图2所示的“下一步”。例如，若当前状态处于图4中的步3阶段，且需要提前进入下一步温度阶段时，可以点击图2所示的“下一步”，以进入步4对应的温度控制。如需提前结束实验，可以点击“RUN”。此时“RUN”将转变为“RESET”。

在本申请的一些实施例中，束源炉的温度控制也可以手动运行，具体可以包括如下两种模式：

(1)功率运行模式。例如在图2所示界面中的第一个设定栏键入定值，即可以按照恒功率模式运行。如果需要停止，该功率设定栏键入数值“0”即可。

(2)按照加热速率线性斜率加热。例如在图2所示界面中的速率栏键入加热速率值，如“15”，并在第二个设定栏键入目标温度，如“500”，即可以按照恒加热速率模式运行。如果需要停止，该速率栏和设定栏均键入数值“0”即可。

在本申请的一些实施例中，在束源炉的温度控制按照如图4所示设置的参数自动运行，或者手动运行时，均可以点击图2所示界面中的“请记录实验数据”按钮，进行数据采集。此时该按钮“请记录实验数据”变为“数据记录中”。如果实验结束，终止数据采集，可以点击“数据记录中”按钮，数据记录结束终止，该按钮转变为“数据记录停止”，如图5所示。采集的数据将保存在log文件夹中，文件名称可以为“当前日期+小时分钟秒”，如231215192641.csv。

在本申请的一些实施例中，还可以双击图5所示坐标系的空白处，使得温度变化曲线切换为全屏显示，如图6所示。此时还可以点击图6中的保存按钮，将该图保存为bmp格式。

综上所述，本申请实施例提供的分子束外延设备的控制系统，包括：

温度控制子系统，用于监视各个束源炉的实时电流、实时电压、实时功率、实时运行温度等信息，以及设置各个束源炉的设定功率、目标温度等信息，以达到监控束源炉温度的目的；

挡板控制子系统，用于控制设置在各个束源炉的出口处的挡板的开启和关闭，以控制各个束源炉中元素在衬底上进行薄膜生长的时间。

上述分子束外延设备的控制系统，可以实现对关键参数的精准监测和控制，从而提高薄膜生长的效率和质量。

在本申请的一些实施例中，图4所示的温控表运行参数设置中，每个步的运行时间均设有余量。例如，实际需要维持目标温度的时长为800秒，但是设置的运行时间为900秒。并且，在每个步骤中，步骤的起始时刻至到达目标温度的时刻之间的最大时差应小于100秒。如此设置之后，当温度维持在目标温度的时长达到800秒时，可以点击“下一步”，以提前结束当前步骤，并进入下一个步骤。如此可以使得各个步骤中，温度维持在目标温度的时长为理想值，从而保证每个步骤中束源炉工作和元素蒸发的稳定性，从而实现对关键参数的精准监测和控制，从而提高薄膜生长的效率和质量。

如图7所示，作为一种示例，第一温度变化曲线11升温至目标温度花费了60秒，因此可以在860秒处提前(即提前40秒)结束当前步骤，并进入下一个步骤。作为一种示例，第二温度变化曲线12升温至目标温度花费了80秒，因此可以在880秒处提前(即提前20秒)结束当前步骤，并进入下一个步骤。

综上所述，本申请实施例提供的分子束外延设备的控制系统，还可以利用温度控制子系统的监控束源炉温度功能，通过提前结束当前步骤，以确保每个步骤维持在目标温度的时长为最佳的实际需求值。如此可以保证每个步骤中束源炉工作和元素蒸发的稳定性，降低由于升温误差带来的不良影响，从而实现对关键参数的精准监测和控制，提高薄膜生长的效率和质量。

以上所述实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使对应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。