分子束外延MBE液氮低溫系統

分子束外延MBE液氮低溫系統是一種在超高真空環境下制備高質量單晶薄膜的關鍵技術。為了實現的材料純度和精確的界面控制，MBE系統必須有效地抑制來自腔體內部的熱輻射和殘余氣體污染。液氮制冷系統在此扮演了“低溫衛士"的角色。

一、 液氮制冷系統在MBE中的核心功能與重要性

液氮制冷系統通過其-196°C（77K）的極低溫，主要實現以下三個關鍵功能：

1. 熱輻射屏蔽（Cryo-shielding）： MBE生長腔室內的加熱源（如襯底加熱塊、 effusion cell 爐子）溫度高達數百甚至上千度，會產生強烈的熱輻射。這些熱輻射會直接或間接加熱其他部件（如腔壁、快門），導致其放氣，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載，維持了系統的熱穩定性。

2. 捕獲殘余氣體（Cryo-pumping / Gettering）： 即使在超高真空下，腔室內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，就會成為致命的雜質。液氮冷卻的表面（特別是內部包裹式冷屏）像一個“低溫捕集器"，當殘余氣體分子碰撞到其表面時，會因失去動能而被牢牢“凍結"吸附，從而有效地將這些污染物從真空環境中移除，創造出一種“超潔凈"的生長環境。這是獲得高遷移率半導體材料（如GaAs、AlGaAs）的前提。

3. 保護關鍵部件： 液氮系統也常用于冷卻MBE的另一個核心部件——反射式高能電子衍射（RHEED）槍。RHEED槍在工作時會產生大量熱量，若不有效冷卻，其自身的熱變形和放氣會嚴重影響電子束的穩定性和真空度。液氮冷卻確保了RHEED信號的穩定和精確，為原位實時監控晶體生長提供了保障。

分子束外延MBE液氮低溫系統參數

二、 液氮制冷系統的組成與工作原理

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

1. 液氮儲罐/或小型液氮杜瓦： 大型的室外儲罐或可移動的杜瓦瓶，用于儲存液氮。

2. 真空絕熱傳輸管道： 連接液氮儲罐和MBE主機的管道，其雙層真空結構能最大限度地減少液氮在輸送過程中的汽化損失。

3. 液氮純化系統：即氣液分離器，成套的液氮傳輸系統不可少氣液分離器系統，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，保持系統溫度蕞低化。

4. 分配與控制單元（Distribution & Control Unit）： 系統的“大腦"。通常包括：

• 液位傳感器（Level Sensor）： 實時監測冷阱內的液氮液位。

• 電磁閥（Solenoid Valves）： 根據液位信號控制液氮的注入與切斷。

• 壓力傳感器： 調節輸送壓力。

• 安全泄壓閥（Safety Relief Valve）： 在系統節點上安裝泄壓閥，確保系統壓力不會過高，防止危險。

5. 冷頭/冷阱（Cold Head /      Cryo-shroud）： 安裝在MBE腔室內部的最終冷卻部件。通常是圍繞在生長區域周圍的、內部有盤管或夾層的金屬屏壁。液氮在其中循環，使其外表面溫度降至蕞低。

該系統的工作流程：
液氮液位傳感器檢測到冷阱內液位低于設定值后，發送信號給系統編程控制器，控制器打開電磁閥，液氮在罐體收到系統控制器模式下，自動增壓，并通過真空管道流入冷阱，最終使液位上升至設定值，電磁閥關閉。液氮在冷阱內吸熱汽化后形成的氮氣，通過專門的排氣管道安全地排出系統。