分子束外延(MBE)是一種在超高真空環(huán)境下制備高質(zhì)量單晶薄膜的關(guān)鍵技術(shù)。為了實(shí)現(xiàn)極佳的材料純度和精確的界面控制，MBE系統(tǒng)必須有效地抑制來自腔體內(nèi)部的熱輻射和殘余氣體污染。

　　一、 液氮制冷系統(tǒng)在MBE中的核心功能與重要性

　　液氮制冷系統(tǒng)通過其-196°C的極低溫，主要實(shí)現(xiàn)以下三個(gè)關(guān)鍵功能：

　　熱輻射屏蔽：MBE生長腔室內(nèi)的加熱源(如襯底加熱塊、 effusion cell 爐子)溫度高達(dá)數(shù)百度甚至上千度，會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的熱輻射。這些熱輻射會(huì)直接或間接加熱其他部件(如腔壁、快門)，導(dǎo)致其放氣，破壞真空度，并成為污染源。液氮冷阱和 shrouds 通過吸收這些熱輻射，極大地降低了腔室的背景熱負(fù)載，維持了系統(tǒng)的熱穩(wěn)定性。

　　捕獲殘余氣體： 即使在超高真空下，腔室內(nèi)仍存在微量的殘余氣體分子(如H?O, CO, CO?, O?等)。這些分子一旦吸附在生長的晶格表面，就會(huì)成為致命的雜質(zhì)。液氮冷卻的表面(特別是內(nèi)部包裹式冷屏)像一個(gè)“低溫捕集器”，當(dāng)殘余氣體分子碰撞到其表面時(shí)，會(huì)因失去動(dòng)能而被牢牢“凍結(jié)”吸附，從而有效地將這些污染物從真空環(huán)境中移除，創(chuàng)造出一種“超潔凈”的生長環(huán)境。這是獲得高遷移率半導(dǎo)體材料(如GaAs、AlGaAs)的前提。

　　保護(hù)關(guān)鍵部件： 液氮系統(tǒng)也常用于冷卻MBE的另一個(gè)核心部件——反射式高能電子衍射(RHEED)槍。RHEED槍在工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量熱量，若不有效冷卻，其自身的熱變形和放氣會(huì)嚴(yán)重影響電子束的穩(wěn)定性和真空度。液氮冷卻確保了RHEED信號的穩(wěn)定和精確，為原位實(shí)時(shí)監(jiān)控晶體生長提供了保障。

　　二、 液氮制冷系統(tǒng)的組成與工作原理

　　一套完整的MBE液氮輸送與循環(huán)系統(tǒng)通常由以下幾部分組成：(需要根據(jù)客戶系統(tǒng)情況配置)

　　液氮儲(chǔ)罐/或小型液氮杜瓦： 大型的室外儲(chǔ)罐或可移動(dòng)的杜瓦瓶，用于儲(chǔ)存液氮。

　　真空絕熱傳輸管道： 連接液氮儲(chǔ)罐和MBE主機(jī)的管道，其雙層真空結(jié)構(gòu)能大限度地減少液氮在輸送過程中的汽化損失。

　　液氮純化系統(tǒng)：即氣液分離器，成套的液氮傳輸系統(tǒng)不可缺少氣液分離器系統(tǒng)，用于純化液氮在管路傳輸過程中所汽化的部分液體，并排出氣體，保持系統(tǒng)溫度低化。

　　分配與控制單元： 系統(tǒng)的“大腦”。通常包括：

1. 液位傳感器： 實(shí)時(shí)監(jiān)測冷阱內(nèi)的液氮液位。
2. 電磁閥： 根據(jù)液位信號控制液氮的注入與切斷。
3. 壓力傳感器： 調(diào)節(jié)輸送壓力。
4. 安全泄壓閥： 在系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)上安裝泄壓閥，確保系統(tǒng)壓力不會(huì)過高，防止危險(xiǎn)。

　　冷頭/冷阱：安裝在MBE腔室內(nèi)部的終冷卻部件。通常是圍繞在生長區(qū)域周圍的、內(nèi)部有盤管或夾層的金屬屏壁。液氮在其中循環(huán)，使其外表面溫度降至極低。

　　系統(tǒng)的工作流程：

　　液氮液位傳感器檢測到冷阱內(nèi)液位低于設(shè)定值后，發(fā)送信號給系統(tǒng)編程控制器，控制器打開電磁閥，液氮在罐體收到系統(tǒng)控制器模式下，自動(dòng)增壓，并通過真空管道流入冷阱，終使液位上升至設(shè)定值，電磁閥關(guān)閉。液氮在冷阱內(nèi)吸熱汽化后形成的氮?dú)猓ㄟ^專門的排氣管道安全地排出系統(tǒng)。

液氮系統(tǒng)流程圖

分離器結(jié)構(gòu)