分子束外延(MBE)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。為了實現極佳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。
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的極低溫，主要實現以下三個關鍵功能：
熱輻射屏蔽：MBE生長腔室內的加熱源(如襯底加熱塊、 effusion cell
爐子)溫度高達數百度甚至上千度，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。
捕獲殘余氣體： 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。
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。
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)
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。
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：即氣液分離器，成套的液氮傳輸系統不可缺少氣液分離器系統，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，保持系統溫度低化。
分配與控制單元： 系統的“大腦”。通常包括：
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液位傳感器： 實時監測冷阱內的液氮液位。
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電磁閥： 根據液位信號控制液氮的注入與切斷。
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壓力傳感器： 調節輸送壓力。
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安全泄壓閥： 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。
冷頭/冷阱：安裝在MBE腔室內部的終冷卻部件。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極低。
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，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。
液氮系統流程圖
分離器結構
