一种配比可控的大面积高通量复合薄膜合成装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供一种配比可控的大面积高通量复合薄膜合成装置和方法，其中，所述合成装置中设置了可移动的基片架，并在基片架和靶材之间设置了用于遮挡掩膜部分区域的挡板，在合成薄膜的过程中，利用挡板掩盖部分掩膜孔并移动基片架，调整基片架与靶材的相对位置和移动速度，从而调整辉羽中心在每个掩膜孔中停留的时间，不仅可以控制每个掩膜孔对应复合薄膜样品的厚度，克服了高通量PLD镀膜不均匀的缺陷，还可以通过控制每个掩膜孔在沉积不同材料时，辉羽中心停留的时间比，调整每个掩膜孔对应的基片样品中沉积的不同材料之间的配比，从而实现配比可控。

A Large Area High Flux Composite Thin Film Synthesizer with Controllable Proportion and Its Method

The invention provides a large area and high flux composite film synthesizing device and method with controllable ratio, in which a movable substrate rack is arranged, and a shield plate is arranged between the substrate rack and the target material for covering part of the mask area. In the process of synthesizing the film, a partial mask hole is covered by the shield plate and the substrate rack is moved to adjust the phase of the substrate rack and the target material. By adjusting the residence time of the plume center in each mask hole, not only the thickness of each mask hole corresponding to the composite film sample can be controlled, but also the inhomogeneous defect of high-throughput PLD coating can be overcome. By controlling the residence time ratio of the plume center in each mask hole when depositing different materials, the substrate sample corresponding to each mask hole can be adjusted. The proportion of different materials deposited can be controlled.

【技术实现步骤摘要】
一种配比可控的大面积高通量复合薄膜合成装置及方法
本专利技术涉及材料学领域的在基片上同时合成不同组分配比的复合薄膜的装置和方法，具体涉及一种配比可控的大面积高通量复合薄膜合成装置及方法。
技术介绍
目前材料领域的一个研究热点就是高通量复合材料合成，即每次实验可以制备大量的材料组分不一样的样品，这样样品制备的效率可以大大提高。同时由于这些样品规则分布，可以自动扫描测试，从而测试的效率也大大提高。材料研究者通过这样大量的材料制备及自动化测试，从而寻找最佳的材料配方、迅速优化材料性能以及发现新型材料。脉冲激光沉积（PulsedLaserDeposition,PLD），就是将高能激光聚焦于靶材上一个较小的面积，利用激光的高能量密度将部分靶材料蒸发甚至电离，使其能够脱离靶材而向基底运动，进而在基底上沉积，从而形成薄膜的一种方式。在众多的薄膜制备方法中，脉冲激光沉积技术的应用较为广泛，可用来制备金属、半导体、氧化物、氮化物、碳化物、硼化物、硅化物及硫化物等各种材料的薄膜，甚至还用来制备一些难以合成的材料薄膜，如金刚石、立方氮化物膜等。目前利用PLD高通量合成复合薄膜材料的手段主要有两种：一是组合方法，Xiang等（Xiang,etal.,Science268:1738(1995)）在美国劳伦斯伯克利国家实验室通过一种新的组合材料的方法制备出了具有超导性能的复合材料。利用该方法制备薄膜的过程中，沉积的薄膜被掩膜分成一系列的小样品，对应不同的靶材使用不同的分立掩膜板，使不同的源材料在基底上沉积的位置和含量不一样，从而在通过热退火后，沉积在基底上不同位置的薄膜的化学组分就各不相同，最后对基底上的薄膜进行自动扫描测试得到不同组分薄膜的材料参数，这一方法大大提高了材料合成和测试速度，降低了材料研发的成本。这种方法最大的问题是制备的样品比较小，带来测试的困难和误差。由于PLD辉羽具有很强的方向性，其制备的薄膜集中于辉羽中心生长，一般制备的样品尺寸为10mm×10mm，如果样品尺寸过大就会出现制备薄膜材料的厚度不均匀性的问题。如果10mm×10mm的样品通过掩膜版分成100个小样品，那每个样品就一般只有0.5mm×0.5mm大小，这样的样品对于很多测试（譬如四点探测电学性能测试、XRF材料成分测试等）都有很大的困难。第二种方法是多元脉冲激光沉积法。申请号为201510046669.9中国专利技术专利公开了一种用于批量合成复合材料的多元脉冲激光沉积系统和方法，此多元脉冲激光沉积的设备可一次性批量制备100种不同材料配方或不同工艺的材料，并可同时对多达100种材料样品进行快速自动化测试和筛选，解决了组合方法制备复合薄膜的缺陷，但是这个方法最大的问题就是制备的材料组分配比不可控。另外此方法仍然存在制备的薄膜厚度不均匀问题，在一些性能对于厚度敏感的材料，比如用纳米压痕测量薄膜的硬度时，由于薄膜不均匀，在薄膜比较薄的地方，可能测出来的是基底的硬度，会给实验结果带来一些误差，从而让批量制备的材料不具有互相可比性。因此，现有技术有待改进。
技术实现思路
针对上述现有技术中存在的问题，本专利技术的目的在于提供一种配比可控的大面积高通量复合薄膜合成装置及方法，旨在克服现有高通量复合薄膜合成装置及方法得到的薄膜样品厚度不均匀、且组分配比不可以控的缺点。本专利技术的技术方案如下：一种配比可控的大面积高通量复合薄膜合成装置，其中，包括：用于发射激光束的高能激光器，真空腔，设置在真空腔内的靶材架，设置在真空腔内、可沿X轴和Y轴双向移动的基片架，基片架驱动机构，固定在靶材架上的靶材，固定在基片架上的基片，掩膜和挡板，所述真空腔上设有石英窗口；所述高能激光器发出的激光束通过石英窗口入射到靶材上；所述掩膜覆盖在基片的表面，靶材和掩膜相对设置；所述挡板位于掩膜和靶材之间、用于遮挡掩膜的部分或全部掩膜孔；所述基片架用于沿着Y轴方向移动以将所述掩膜孔逐排露出于所述挡板，并沿着X轴方向移动以将每一排的各个掩膜孔分别与辉羽中心相对；所述基片架用于沿着X轴方向移动以将所述掩膜孔逐列露出于所述挡板，并沿着Y轴方向移动以将每一列的各个掩膜孔分别与辉羽中心相对。所述的配比可控的大面积高通量复合薄膜合成装置，其中，所述基片架驱动装置包括固定支撑板，连接在固定支撑板上、沿X轴移动的滑板，滑板驱动机构，连接在滑板上、沿Y轴方向移动的滑块，滑块驱动机构，所述滑块与基片架固定连接。所述的配比可控的大面积高通量符合薄膜合成装置，其中，所滑板驱动机构包括X轴电机，与X轴电机输出轴固接的X轴丝杆，螺纹连接在X轴丝杆外周的X轴丝杆螺母，与X轴丝杆的端部固定连接的X轴丝杆支撑座，所述X轴电机和X轴丝杆螺母固定连接在固定支撑板上，所述X轴丝杆固定座与滑板固定连接，带动滑板在固定支撑板上沿X轴方向移动，从而带动滑块及基片架沿X轴方向移动；所述滑块驱动机构包括Y轴电机，与Y轴电机输出轴连接的Y轴丝杆，螺纹连接在Y轴丝杆外周的Y轴丝杆螺母，与Y轴丝杆的端部固定连接的Y轴丝杆支撑座，所述Y轴电机和Y轴丝杆螺母固定连接在滑板上，所述Y轴丝杆固定座与滑块固定连接，带动滑块在沿Y轴滑动，从而带动基片架沿Y轴方向移动。所述的配比可控的大面积高通量复合薄膜合成装置，其中，所述挡板上设有可使一排或一列掩膜孔露出的条形孔。所述的配比可控的大面积高通量符合薄膜合成装置，其中，所述挡板包括第一挡板和第二档板，所述第一挡板上设有长度方向与X轴平排的横向条形孔，所述第二挡板上设有长度方向与Y轴平排的竖向条形孔。所述的配比可控的大面积高通量符合薄膜合成装置，其中，还包括第一挡板驱动机构和第二挡板驱动机构，所述第一挡板驱动机构驱动第一挡板移动覆盖在掩膜表面或退回至掩膜外周区域，所述第二挡板驱动机构驱动第二挡板移动覆盖在掩膜表面或退回至掩膜外周区域。所述的配比可控的大面积高通量符合薄膜合成装置，其中，所述真空腔上设有第一法兰和第二法兰，所述第一挡板驱动机构包括位于真空腔外部的第一电机，第二挡板驱动机构包括位于真空腔外部的第二电机，第一电机的推杆和第二电机的推杆分别穿过第一法兰和第二法兰、与真空腔内的第一挡板和第二挡板固定连接。本专利技术还提供一种利用上述装置合成配比可控的高通量复合薄膜的方法，包括以下步骤：S1、沿着Y轴方向逐排沉积至少一层第一源材料，其中，沉积每一层第一源材料时：沿着Y轴方向移动基片架，使得所述掩膜孔第1排露出于所述挡板之外，然后沿着X轴方向移动所述基片架，使得该第1排的每一掩膜孔依次与辉羽中心相对；沿着Y轴方向移动基片架，使得所述掩膜孔第2排露出于所述挡板之外，然后沿着X轴方向移动所述基片架，使得该第2排的每一掩膜孔依次与辉羽中心相对；直至每一排的各个掩膜孔依次与所述辉羽中心相对；S2、沿着X轴方向逐列沉积至少一层第二源材料，其中，沉积每一层第二源材料时：沿着X轴方向移动基片架，使得所述掩膜孔第1列露出于所述挡板之外，然后沿着Y轴方向移动所述基片架，使得该第1列的每一掩膜孔依次与辉羽中心相对；沿着X轴方向移动基片架，使得所述掩膜孔第2列露出于所述挡板之外，然后沿着Y轴方向移动所述基片架，使得该第2列的每一掩膜孔依次与辉羽中心相对；直至每一列的各个掩膜孔依次与所述辉羽中心相对。所述的合成配比可控的高通量复合薄膜的方法，其中，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种配比可控的大面积高通量复合薄膜合成装置，其特征在于，包括：用于发射激光束的高能激光器，真空腔，设置在真空腔内的靶材架，设置在真空腔内、可沿X轴和Y轴双向移动的基片架，基片架驱动机构，固定在靶材架上的靶材，固定在基片架上的基片，掩膜和挡板，所述真空腔上设有石英窗口；所述高能激光器发出的激光束通过石英窗口入射到靶材上；所述掩膜覆盖在基片的表面，靶材和掩膜相对设置；所述挡板位于掩膜和靶材之间、用于遮挡掩膜的部分或全部掩膜孔；所述基片架用于沿着Y轴方向移动以将所述掩膜孔逐排露出于所述挡板，并沿着X轴方向移动以将每一排的各个掩膜孔分别与辉羽中心相对；所述基片架用于沿着X轴方向移动以将所述掩膜孔逐列露出于所述挡板，并沿着Y轴方向移动以将每一列的各个掩膜孔分别与辉羽中心相对。

【技术特征摘要】
1.一种配比可控的大面积高通量复合薄膜合成装置，其特征在于，包括：用于发射激光束的高能激光器，真空腔，设置在真空腔内的靶材架，设置在真空腔内、可沿X轴和Y轴双向移动的基片架，基片架驱动机构，固定在靶材架上的靶材，固定在基片架上的基片，掩膜和挡板，所述真空腔上设有石英窗口；所述高能激光器发出的激光束通过石英窗口入射到靶材上；所述掩膜覆盖在基片的表面，靶材和掩膜相对设置；所述挡板位于掩膜和靶材之间、用于遮挡掩膜的部分或全部掩膜孔；所述基片架用于沿着Y轴方向移动以将所述掩膜孔逐排露出于所述挡板，并沿着X轴方向移动以将每一排的各个掩膜孔分别与辉羽中心相对；所述基片架用于沿着X轴方向移动以将所述掩膜孔逐列露出于所述挡板，并沿着Y轴方向移动以将每一列的各个掩膜孔分别与辉羽中心相对。2.根据权利要求1所述的配比可控的大面积高通量复合薄膜合成装置，其特征在于，所述基片架驱动机构包括固定支撑板，连接在固定支撑板上、沿X轴移动的滑板，滑板驱动机构，连接在滑板上、沿Y轴方向移动的滑块，滑块驱动机构，所述滑块与基片架固定连接。3.根据权利要求2所述的配比可控的大面积高通量复合薄膜合成装置，其特征在于，所滑板驱动机构包括X轴电机，与X轴电机输出轴固接的X轴丝杆，螺纹连接在X轴丝杆外周的X轴丝杆螺母，与X轴丝杆的端部固定连接的X轴丝杆支撑座，所述X轴电机和X轴丝杆螺母固定连接在固定支撑板上，所述X轴丝杆固定座与滑板固定连接，带动滑板在固定支撑板上沿X轴方向移动，从而带动滑块及基片架沿X轴方向移动；所述滑块驱动机构包括Y轴电机，与Y轴电机输出轴固连的Y轴丝杆，螺纹连接在Y轴丝杆外周的Y轴丝杆螺母，与Y轴丝杆的端部固定连接的Y轴丝杆支撑座，所述Y轴电机和Y轴丝杆螺母固定连接在滑板上，所述Y轴丝杆固定座与滑块固定连接，带动滑块在沿Y轴滑动，从而带动基片架沿Y轴方向移动。4.根据权利要求3所述的配比可控的大面积高通量复合薄膜合成装置，其特征在于，所述挡板上设有可使一排或一列掩膜孔露出的条形孔。5.根据权利要求3所述的配比可控的大面积高通量复合薄膜合成装置，其特征在于，所述挡板包括第一挡板和第二档板，所述第一挡板上设有长...

【专利技术属性】
技术研发人员：张晓军，
申请(专利权)人：张晓军，
类型：发明
国别省市：广东,44