一种用于MBE的智能生长系统及其使用方法技术方案

本发明专利技术公开了一种用于MBE的智能生长系统及其使用方法，用于实时检测外延材料的生长情况并进行分析，同时自动调整外延材料的生长参数，进而提高外延材料的生长质量及可重复性。该系统由原位检测系统、数据分析系统、自动控制系统及其他组件构成。原位检测系统通过椭偏仪、RHEED、红外测温仪等仪器对外延材料生长情况的进行实时检测，同时对数据进行采集并传输到数据分析系统中对数据进行人工智能处理分析，并将分析结果反馈至自动控制系统对生长参数进行实时调整。本系统实现了实时监测和自动控制MBE外延生长，解决了人工监测和控制的主观性问题，优化了MBE外延生长的流程。优化了MBE外延生长的流程。优化了MBE外延生长的流程。

【技术实现步骤摘要】
一种用于MBE的智能生长系统及其使用方法


[0001]本专利技术涉及一种实时控制MBE生长的系统及其使用方法，尤其涉及一种运用人工智能分析和控制的系统。

技术介绍

[0002]分子束外延(MBE)是一种物理沉积单晶薄膜的方法，在超高真空腔内，源材料通过高温蒸发、辉光放电离子化、气体裂解，电子束加热蒸发等方法，产生分子束流。入射分子束与衬底交换能量后，经表面吸附、迁移、成核、生长成膜。该方法的优点是使用的衬底温度低，膜层生长速率慢，束流强度易于精确控制，膜层组分和掺杂浓度可随源的变化而迅速调整。
[0003]MBE生长系统配备有多种监控设备，可以对生长过程中外延材料表面晶体结构、生长速率、外延膜厚度等参数进行检测。现阶段外延材料的生长情况通常由人工进行监测，并且生长情况的分析和参数的调整需要生长工艺师来完成，从而实现MBE外延生长过程的监测和控制。然而这样的机制具有很强的主观性，无论是外延材料生长的状况还是生长参数的调整都依赖于人的判断，而人的判断本身存在一些问题：1.分析结果受制于生长工艺师的个人经验与状态；2.生长参数的调整由人工进行，分析结果局限于人工观测的时间点及反应时间。总而言之，这样的机制生长出来的外延材料质量上存在参差，良品率无法保证，外延生长的可重复性差。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提供一种用于MBE的智能生长系统及使用方法，用于实时检测外延材料的生长情况并进行分析，同时自动调整外延材料的生长参数，进而提高外延材料的生长质量及可重复性，实现了实时监测和自动控制MBE外延生长，解决了人工监测和控制的主观性问题，优化了MBE外延生长的流程。
[0005]本专利技术提供的一种用于MBE的智能生长系统，由原位检测系统、数据分析系统、自动控制系统构成。
[0006]本系统的基本工作原理为：(a)原位检测系统实时检测外延材料的生长情况。(b)原位检测系统配套数据采集装置对数据进行采样，并且实时地传输至数据分析系统。(c)数据分析系统接收来自原位检测系统的数据，对数据进行处理和分析，并将分析结果反馈至自动控制系统，同时对外延材料的参数和生长参数进行数据的记录和传输。(d)自动控制系统根据分析结果自动地调整外延材料生长参数，包括衬底温度、束流比等。
[0007]本系统是反馈控制系统，形成闭环结构，原位检测系统向数据系统输出检测数据进行数据分析，数据检测系统将分析结果传输至自动控制系统进行生长参数调整，原位检
测系统受到来自自动控制系统的反馈，调整检测频率。生长参数调整前后，数据分析系统将综合对比分析，若参数调整后外延生长情况不符合预期要求，则自动控制系统接收分析结果继续对生长参数进行调整，再次校准生长参数，直至符合预期要求。
[0008]本专利技术的原位检测系统包括但不仅限于椭偏仪、RHEED、红外测温仪、真空计、残余气体分析仪，其他适用于MBE实时检测且能够实现无损检测的装置均可以组合集成原位检测系统。
[0009]目前，一般的MBE生长系统的光学端口配备的都是传统视口，而在MBE生长过程中生长腔室内传统视口的温度较衬底温度而言比较低，外延材料分子很容易沉积在视口上影响光路及观测，所以不得不减少视口暴露时间，实时检测不能持续进行。而本专利技术的原位检测系统配备有MBE加热式视口，视口可从室温加热至500℃以上，有效防止生长腔内的外延材料分子沉积，可以实现对外延材料生长连续、实时的检测。
[0010]椭偏仪是一种用于探测薄膜厚度、光学常数以及材料微结构的光学测量仪器。基于椭偏仪的检测我们根据不同材料的结构及生长过程建立符合的光学函数库和椭偏拟合模型，通过实时获取材料的椭偏参数，利用人工智能技术对其进行精确快速地计算分析得到材料的组分、厚度、粗糙度等信息。
[0011]反射式高能电子衍射(RHEED)是高能电子衍射的一种工作模式。它将能量为10～50keV的单电子束掠入射到晶体表面，其反射束带有晶体表面信息，并呈现于荧光屏。本专利技术采用的RHEED原位检测的采样频率和间隔可调，根据外延材料外延生长的不同阶段人为设定采样频率。生长成膜阶段的采样间隔较长；成核阶段对外延材料的生长质量至关重要，且相比于生长阶段，成核阶段时间较短大约为1
‑
2分钟，所以该阶段实施全阶段采样，采样频率较快。通过RHEED获取图案特征和衍射强度，然后在经过数据分析系统分析就可以得到薄膜的晶体结构和表面粗糙度。
[0012]其数据分析系统根据不同的材料构建相应的数据库和分析模型，同时对多种检测方式的数据进行分析，基于数据库通过模型计算得出当前状态下的最佳生长温度等参数，并将参数传输至自动控制系统对生长参数进行调整。数据库的构建原始数据来源于以往实际实验中的大量数据和专业分析人员的分析，数据库是动态的，可以不断进行优化，数据分析系统中记录的实验数据将会成为数据库优化的资粮。
[0013]数据分析系统集成了远程控制功能和信息储存功能，MBE生长过程的所有数据都会实时地上传至远程控制端，研究人员可以通过远程控制端监测MBE生长情况和远程控制系统。除此以外，研究人员可以利用远程控制端的数据研究学习，同时这些数据也将用于数据分析系统的优化。
[0014]本系统的使用方法为：a.确定外延材料的类型及参数；b.根据材料类型在数据分析系统中建立对应的数据库和分析模型；d.外延材料自动生长；e.材料非原位检测(显微镜、XRD、EPD等)；f.数据校准优化。
[0015]本专利技术具有如下优点：
[0016]本专利技术提供的一种用于MBE的智能生长系统对于多种外延材料的制备具有普适
性，不同的外延材料只需在数据分析系统建立对应的数据库和改变初始设定参数即可。
[0017]本专利技术提供的一种用于MBE的智能生长系统实现了对MBE外延生长实时监测和自动控制，进而提高了外延材料的生长质量及可重复性，解决了人工观测存在的主观性问题，避免外延生长的参差，优化了MBE外延生长的流程，收集了大量的实验数据可以用于后续数据库的优化和更新，同时也为研究人员提供良好的样本用于研究学习。
附图说明
[0018]图1为MBE智能生长系统的工作原理图
具体实施方式
[0019]下面将结合具体实施方式来对本专利技术做进一步详细的说明，该实例仅用来说明本专利技术，并不限制本专利技术的范围。
[0020]实施例一
[0021]一种用于MBE的智能生长系统及其使用方法，以尺寸大小为3in的碲锌镉材料为衬底，膜厚设计为10μm，镉的组分设计为0.31的中波碲镉汞外延材料的制备为例。
[0022]选用400nm
‑
1000nm光谱范围，全光谱范围最快采集时间为0.3秒的椭偏仪；能量范围为500eV
‑
15keV，电子束流为30uA，电子束斑尺寸为100um
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150mm，工作距离为50mm
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500mm的RHEED；PhotriX
TM
系列红外测温仪；
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于MBE的智能生长系统及其使用方法，其特征在于，该系统由原位检测系统、数据分析系统、自动控制系统组成。2.根据权利要求书1所述一种用于MBE的智能生长系统及其使用方法，其特征在于，该系统的工作原理为：原位检测系统实时检测外延材料的外延生长情况，并对检测数据进行采样，将采样数据传输至数据分析系统进行处理和分析，分析结果反馈至自动控制系统对生长参数进行实时调整，数据分析系统将对参数调整前后的外延材料生长情况进行分析对比，并作为进一步数据分析、数据反馈的关键参数。3.根据权利要求书1所述一种用于MBE的智能生长系统及其使用方法，其特征在于，所述原位检测系统可以表征MBE外延生长外延材料和环境的信息，具备原位、实时、无损检测的特性，包括但不仅限于目前本发明采用的椭偏仪、RHEED、红外测温仪、真空计、残余气体分析仪。4.根据权利要求书3所述原位检测系统，其特征在于，原位检测系统配备有MBE加热式视口，防止生长腔内的外延材料分子沉积在MBE系统的光学视口上影响光路和观测，通过原位检测技术实现对外延材料生长连续、实时的反馈控制。5.根据权利要求书3所述原位检测系统，其特征在于，基于椭偏仪的检测我们根据不同外延材料的结构及生长过程建立符合的光学函数库和椭偏拟合模型，通过实时获取外延材料的椭偏参数，利用人工智能...

【专利技术属性】
技术研发人员：王晓晖，琚海涛，刘一凡，简贤，
申请(专利权)人：电子科技大学长三角研究院湖州，
类型：发明
国别省市：