一種高通量組合材料制備裝置及制備方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種高通量組合材料制備裝置及制備方法，包括：儲(chǔ)靶腔，用于儲(chǔ)存?zhèn)溆玫乃霭胁?；制備腔，通過(guò)離子束濺射在靶材表面并在基片表面反濺沉積多層薄膜材料從而形成組合材料芯片前驅(qū)體；以及換靶腔，在所述制備腔和所述儲(chǔ)靶腔之間傳遞或存取所述靶材；其中，所述儲(chǔ)靶腔內(nèi)、所述制備腔內(nèi)、以及所述換靶腔內(nèi)均為真空狀態(tài)。本發(fā)明提供的高通量組合材料制備裝置及制備方法避免了靶材的污染，并減少制備裝置內(nèi)氧氣等污染源對(duì)薄膜造成的污染，從而能夠得到高品質(zhì)的高通量組合材料芯片。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種高通量組合材料制備裝置及制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及材料制備技術(shù)，具體是涉及一種高通量組合材料制備裝置及制備方法。

【背景技術(shù)】
[0002]高通量組合材料制備技術(shù)的核心是在一塊較小的基片上同時(shí)集成生長(zhǎng)成千上萬(wàn)乃至上百萬(wàn)種不同組分、結(jié)構(gòu)和性能的材料，并通過(guò)自動(dòng)掃描式或并行式快速表征技術(shù)獲得材料成分、結(jié)構(gòu)和性能等關(guān)鍵信息，快速構(gòu)建多元材料相圖或材料數(shù)據(jù)庫(kù)，從中快速篩選出性能優(yōu)良的材料或找到材料的“組分-結(jié)構(gòu)-性能”關(guān)聯(lián)性，以此提高材料研發(fā)的效率。在一塊較小基片上同時(shí)集成生長(zhǎng)的不同組分、結(jié)構(gòu)和性能的材料被稱(chēng)為高通量組合材料芯片，可與集成電路芯片或生物基因芯片類(lèi)比。高通量組合材料芯片的制備過(guò)程通常分為“組合”和“成相”兩個(gè)階段，其中組合是將不同組成的材料按照一定順序和組合比例規(guī)律進(jìn)行順序堆疊，通常可采用連續(xù)掩模和分立掩模的方式來(lái)完成，然后通過(guò)分別采取低溫和高溫?zé)崽幚淼姆绞绞共牧习l(fā)生均勻混合和成相的過(guò)程，完成組合材料芯片的制備。
[0003]組合材料芯片通?？梢酝ㄟ^(guò)磁控濺射、離子束濺射、溶液噴射等方式完成制備過(guò)程。其中離子束濺射鍍膜裝置相比其他幾種方法具有分辨率高、薄膜致密和控制精度高等特點(diǎn)，可以完成高樣品密度的、薄膜形態(tài)的組合材料芯片的精確制備。
[0004]2004 年，Xiao-Dong Xiang 在雜志《Applied Surface Science))上發(fā)表了文章(Xiao-Dong Xiang, High throughput synthesis and screening for funct1nalmaterials, Appl.Surf.Sc1., 223, 54-61，2004)。在該文中，公開(kāi)了一種離子束派射鍍膜裝置，該裝置采用“鼓”狀的多靶材旋轉(zhuǎn)更換模塊，旋轉(zhuǎn)更換所需要靶材至石墨擋板窗口，使離子束可以入射至其表面，并濺射出靶材材料，結(jié)合連續(xù)或分立掩模在基片表面形成組合材料芯片如驅(qū)體的制備。
[0005]在上述的離子束濺射鍍膜裝置中，“鼓”狀靶材更換模塊雖可以完成靶材更換使用，但由于反濺出的原子運(yùn)動(dòng)的非定向性，易造成靶材的污染，進(jìn)而污染所制備的薄膜前驅(qū)體。而由于組合材料芯片前驅(qū)體要求高純度，雜質(zhì)存在可能提高低溫?cái)U(kuò)散過(guò)程的擴(kuò)散勢(shì)壘，同時(shí)易破壞外延薄膜晶格的完整性，造成一定程度的晶格缺陷，影響薄膜功能特性。
[0006]并且，在組合材料芯片的制備過(guò)程中，由于低溫和高溫?zé)崽幚磉^(guò)程對(duì)芯片的成相十分重要，往往該過(guò)程需要在一定的氣氛條件下完成，并且大氣中氧氣和水汽等氣體會(huì)對(duì)薄膜成分造成污染，上述的離子束濺射鍍膜裝置需要在大氣條件下將組合材料芯片取出，使組合材料芯片暴漏于空氣中，易對(duì)組合材料芯片造成污染。
[0007]另外，上述的離子束濺射鍍膜裝置只能內(nèi)置少量有限靶材于高真空環(huán)境下，更換靶材通常需要打開(kāi)真空腔體，此過(guò)程中也造成靶材暴露于大氣條件下，由于上述問(wèn)題，對(duì)于有些對(duì)氧氣敏感的靶材，該設(shè)備無(wú)法使用，降低了該設(shè)備的使用范圍。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]為了解決上述問(wèn)題，本發(fā)明的目的在于提供一種高通量組合材料制備裝置及制備方法，在真空環(huán)境下實(shí)現(xiàn)多個(gè)靶材的更換和組合材料芯片前驅(qū)體的沉積，避免引入雜質(zhì)造成污染，以期得到高品質(zhì)的高通量組合材料芯片。
[0009]為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用了以下技術(shù)方案:
[0010]一種高通量組合材料制備裝置，具有這樣的特征，包括:儲(chǔ)靶腔，用于儲(chǔ)存?zhèn)溆玫陌胁?；制備腔，通過(guò)離子束濺射在靶材表面并在基片表面反濺沉積多層薄膜材料從而形成組合材料芯片前驅(qū)體；以及換靶腔，在制備腔和儲(chǔ)靶腔之間傳遞或存取靶材；其中，儲(chǔ)靶腔內(nèi)、制備腔內(nèi)、以及換靶腔內(nèi)均為真空狀態(tài)。
[0011]進(jìn)一步地，在本發(fā)明提供的高通量組合材料制備裝置中，還可以具有這樣的特征:還包括:原位熱處理腔，對(duì)組合材料芯片前驅(qū)體進(jìn)行原位熱處理；以及樣品過(guò)渡腔，向制備腔內(nèi)輸送基片，并將制備腔內(nèi)的組合材料芯片前驅(qū)體傳遞至原位熱處理腔。
[0012]進(jìn)一步地，在本發(fā)明提供的高通量組合材料制備裝置中，還可以具有這樣的特征:換靶腔內(nèi)和樣品過(guò)渡腔內(nèi)均設(shè)有二維傳動(dòng)裝置。
[0013]進(jìn)一步地，在本發(fā)明提供的高通量組合材料制備裝置中，還可以具有這樣的特征:儲(chǔ)靶腔與換靶腔之間、換靶腔與制備腔之間、制備腔與樣品過(guò)渡腔之間均由插板閥連接。
[0014]進(jìn)一步地，在本發(fā)明提供的高通量組合材料制備裝置中，還可以具有這樣的特征:還包括設(shè)置在樣品過(guò)渡腔與原位熱處理腔之間的裝片臺(tái)；樣品過(guò)渡腔與裝片臺(tái)之間、原位熱處理腔與裝片臺(tái)之間均由插板閥連接。
[0015]進(jìn)一步地，在本發(fā)明提供的高通量組合材料制備裝置中，還可以具有這樣的特征:儲(chǔ)靶腔內(nèi)設(shè)有容納若干靶材的活動(dòng)靶材架。
[0016]進(jìn)一步地，在本發(fā)明提供的高通量組合材料制備裝置中，還可以具有這樣的特征:儲(chǔ)靶腔內(nèi)填充有降低氧分壓的吸氣劑。
[0017]進(jìn)一步地，在本發(fā)明提供的高通量組合材料制備裝置中，還可以具有這樣的特征:制備腔內(nèi)設(shè)有:掩模板，承載靶材的靶材工作臺(tái)，以及承載基片的樣品臺(tái)。
[0018]進(jìn)一步地，在本發(fā)明提供的高通量組合材料制備裝置中，還可以具有這樣的特征:原位熱處理腔為可拆卸式熱處理腔。
[0019]進(jìn)一步地，在本發(fā)明提供的高通量組合材料制備裝置中，還可以具有這樣的特征:儲(chǔ)靶腔內(nèi)和制備腔內(nèi)的工作氣壓均小于5X 10_5托。
[0020]另外，本發(fā)明還提供了一種高通量組合材料制備方法，包含上述任意一項(xiàng)中的高通量組合材料制備裝置，其特征在于，包含以下步驟:
[0021]第一步，將樣品過(guò)渡腔內(nèi)抽真空；
[0022]第二步，將基片傳遞至樣品臺(tái)；
[0023]第三步，將需要濺射的靶材傳遞至靶材工作臺(tái)；
[0024]第四步，通過(guò)離子束濺射靶材表面，并在基片表面反濺沉積薄膜材料從而形成組合材料芯片前驅(qū)體；針對(duì)需沉積多種不同薄膜材料的組合材料芯片前驅(qū)體，當(dāng)前一層薄膜材料沉積完成后，更換靶材，并再次進(jìn)行離子束濺射；
[0025]第五步，當(dāng)離子束濺射結(jié)束后，將組合材料芯片前驅(qū)體傳遞至原位熱處理腔；并由原位熱處理腔對(duì)組合材料芯片前驅(qū)體進(jìn)行熱處理，從而最終形成高通量組合材料芯片。
[0026]本發(fā)明在上述基礎(chǔ)上具有的積極效果是:
[0027]本發(fā)明提供的高通量組合材料制備裝置，通過(guò)將儲(chǔ)靶腔、換靶腔、制備腔、樣品過(guò)渡腔、裝片臺(tái)、以及原位熱處理腔整合在一起并整體形成真空環(huán)境，在真空環(huán)境下實(shí)現(xiàn)靶材間的更換、組合材料芯片前驅(qū)體的沉積、到原位熱處理整個(gè)組合材料芯片全流程的制備，避免了靶材的污染，并減少制備裝置內(nèi)氧氣等污染源對(duì)薄膜造成的污染，從而得到高品質(zhì)的高通量組合材料芯片。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0028]圖1為本發(fā)明的實(shí)施例中高通量組合材料制備裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0029]為了使本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的技術(shù)手段、創(chuàng)作特征、達(dá)成目的與功效易于明白了解，以下實(shí)施例結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明提供的高通量組合材料制備裝置及制備方法作具體闡述。
[0030]如圖1所示，本實(shí)施例提供的高通量組合材料制備裝置，其包括:儲(chǔ)靶腔1，換靶腔2，制備腔3，樣品過(guò)渡腔4，裝片臺(tái)5，以及原位熱處理腔6。
[0031]在本實(shí)施例提供的高通量組合材料制備裝置中，裝片臺(tái)5設(shè)置在樣品過(guò)渡腔4與原位熱處理腔6之間。并且，儲(chǔ)靶腔I與換靶腔2之間、換靶腔2與制備腔3之間、制備腔3與樣品過(guò)渡腔4之間、樣品過(guò)渡腔4與裝片臺(tái)5之間、原位熱處理腔6與裝片臺(tái)5之間均由插板閥7連接。
[0032]儲(chǔ)靶腔I用于儲(chǔ)存?zhèn)溆没驎簳r(shí)不用的靶材。具體的，儲(chǔ)靶腔I內(nèi)設(shè)有容納若干靶材的活動(dòng)靶材架11，活動(dòng)靶材架11設(shè)置為可升降運(yùn)動(dòng)、可旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的結(jié)構(gòu)，用于實(shí)現(xiàn)向換靶腔2內(nèi)輸送或回收靶材，另外，由于靶材對(duì)氧環(huán)境十分敏感，因此，需要將儲(chǔ)靶腔I內(nèi)填充有降低氧分壓的吸氣劑以形成缺氧無(wú)水環(huán)境。
[0033]制備腔3設(shè)有:固定或者是連續(xù)移動(dòng)的掩模板31，承載靶材的靶材工作臺(tái)32，以及承載基片的樣品臺(tái)33。制備腔3內(nèi)通過(guò)高精度的離子束濺射在靶材表面，并在基片表面按組合比例反濺沉積多層薄膜材料從而形成組合材料芯片前驅(qū)體。
[0034]換靶腔2內(nèi)設(shè)有十字形二維傳動(dòng)裝置21，用于在制備腔3和儲(chǔ)靶腔I之間傳遞或存取靶材。換靶腔2每次向靶材工作臺(tái)32只傳遞一塊靶材，進(jìn)行濺射。避免對(duì)其他靶材造成污染。
[0035]樣品過(guò)渡腔4內(nèi)設(shè)有十字形二維傳動(dòng)裝置41，用于沉積薄膜材料的基片由樣品過(guò)渡腔4的入口進(jìn)入制備裝置，并經(jīng)二維傳動(dòng)裝置41向制備腔3內(nèi)輸送基片，通過(guò)二維傳動(dòng)裝置41還可將制備腔內(nèi)反濺沉積完的組合材料芯片前驅(qū)體傳遞至原位熱處理腔6。根據(jù)不同情況需要，可采用輔助離子源輔助濺射過(guò)程的實(shí)現(xiàn)。
[0036]原位熱處理腔6用于對(duì)組合材料芯片前驅(qū)體進(jìn)行原位熱處理，具體的為，從樣品過(guò)渡腔4傳遞過(guò)來(lái)的組合材料芯片前驅(qū)體在原位熱處理腔內(nèi)通過(guò)低溫?zé)崽幚恚垢鲗颖∧げ牧系脑卦谀咏缑嫣幇l(fā)生擴(kuò)散，從而實(shí)現(xiàn)各元素間的充分混合；再通過(guò)高溫結(jié)晶成相形成高質(zhì)量薄膜樣品。
[0037]另外，由于熱處理過(guò)程耗時(shí)較長(zhǎng)，為了提高該制備裝置的工作效率，在本實(shí)施例中，原位熱處理腔6為可拆卸式熱處理腔，其通過(guò)快速拆卸法蘭連接到制備裝置的插板閥7。當(dāng)然，拆卸下來(lái)的原位熱處理腔6可以單獨(dú)進(jìn)行熱處理。這樣的結(jié)構(gòu)設(shè)置，使得在不影響制備腔3內(nèi)工作的情況下，可以任意更換其它原位熱處理腔，并且根據(jù)需要在不同的原位熱處理腔中可以獨(dú)立填充惰性氣體或反應(yīng)氣體，實(shí)現(xiàn)同時(shí)并行對(duì)數(shù)個(gè)組合材料芯片前驅(qū)體進(jìn)行熱處理，從而提高工作效率。
[0038]由于制備組合材料芯片的前驅(qū)體需具備高純凈度，以保證多膜層元素之間的相互充分?jǐn)U散，因此，本實(shí)施例提供的制備裝置將儲(chǔ)靶腔I內(nèi)、制備腔3內(nèi)、換靶腔2內(nèi)、原位熱處理腔6內(nèi)、以及樣品過(guò)渡腔4內(nèi)均設(shè)置成真空狀態(tài)。具體的，換靶腔2內(nèi)、儲(chǔ)靶腔I內(nèi)、制備腔3內(nèi)、原位熱處理腔6內(nèi)、以及樣品過(guò)渡腔4內(nèi)的工作氣壓均小于I X 10_5托。為了使組合材料芯片前驅(qū)體獲得更高純凈度，儲(chǔ)靶腔I內(nèi)和制備腔3內(nèi)的工作氣壓均可進(jìn)一步設(shè)置為小于5X10_7托。在這種高真空環(huán)境下，可以保證組合材料芯片前軀體的高純度，避免疊層沉積膜受外界環(huán)境的影響，，有利于熱處理過(guò)程中疊層間元素的快速、徹底地相互擴(kuò)散，以期得到高質(zhì)量的高通量組合材料芯片。
[0039]采用本實(shí)施例提供的高通量組合材料制備裝置在制備組合材料時(shí)，采用離子束濺射方法并由以下步驟進(jìn)行:
[0040]1.將樣品過(guò)渡腔4內(nèi)抽真空；
[0041]2.將基片由樣品過(guò)渡腔4進(jìn)入并傳遞至制備腔3內(nèi)的樣品臺(tái)33 ；
[0042]3.需要濺射的靶材由換靶腔2內(nèi)的二維傳動(dòng)裝置21傳遞至靶材工作臺(tái)32 ；
[0043]4.通過(guò)離子束濺射到靶材工作臺(tái)32上的靶材表面，并在基片表面反濺沉積薄膜材料從而形成組合材料芯片前驅(qū)體；針對(duì)需沉積多種不同薄膜材料的組合材料芯片前驅(qū)體，當(dāng)前一層薄膜材料沉積完成后，由換靶腔2內(nèi)的二維傳動(dòng)裝置21將靶材工作臺(tái)32上的靶材傳遞回儲(chǔ)靶腔1，并將下一靶材傳遞至靶材工作臺(tái)32再次進(jìn)行離子束濺射；
[0044]5.當(dāng)離子束濺射結(jié)束后，將沉積有多層不同薄膜材料的組合材料芯片前驅(qū)體經(jīng)二維傳動(dòng)裝置41傳遞至原位熱處理腔6 ;并由原位熱處理腔6對(duì)組合材料芯片前驅(qū)體進(jìn)行熱處理，從而最終形成高通量組合材料芯片。
[0045]本實(shí)施例提供的高通量組合材料制備裝置通過(guò)將儲(chǔ)靶腔、換靶腔、制備腔、樣品過(guò)渡腔、裝片臺(tái)、以及原位熱處理腔整合在一起并整體形成真空環(huán)境，在真空環(huán)境下實(shí)現(xiàn)靶材間的更換、組合材料芯片前驅(qū)體的沉積、到原位熱處理整個(gè)組合材料芯片全流程的制備，避免了靶材的污染，并減少制備裝置內(nèi)氧氣等污染源對(duì)薄膜造成的污染，從而得到高品質(zhì)的高通量組合材料芯片。
[0046]當(dāng)然本發(fā)明所涉及的高通量組合材料制備裝置及制備方法并不僅僅限定于本實(shí)施例中的結(jié)構(gòu)，任何對(duì)本發(fā)明進(jìn)行的等同修改和替代也都在本發(fā)明的范疇內(nèi)。
[0047]例如，本發(fā)明提供的高通量組合材料制備裝置還可以在制備腔預(yù)留若干連接窗口，通過(guò)這些連接窗口，可以將制備腔和掃描電子顯微鏡、質(zhì)譜儀等其他設(shè)備連接。
[0048]在本實(shí)施例中的高通量組合材料制備裝置結(jié)合離子束濺射方法制備高通量組合材料芯片。當(dāng)然，基于本發(fā)明提供的高通量組合材料制備裝置，同樣可采用其他制備方法(如磁控濺射、激光脈沖沉積等)以制備高通量組合材料芯片。
【權(quán)利要求】
1.一種高通量組合材料制備裝置，其特征在于，包括: 儲(chǔ)靶腔，用于儲(chǔ)存?zhèn)溆玫乃霭胁模? 制備腔，通過(guò)離子束濺射在靶材表面并在基片表面反濺沉積多層薄膜材料從而形成組合材料芯片前驅(qū)體；以及 換靶腔，在所述制備腔和所述儲(chǔ)靶腔之間傳遞或存取所述靶材； 其中，所述儲(chǔ)靶腔內(nèi)、所述制備腔內(nèi)、以及所述換靶腔內(nèi)均為真空狀態(tài)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高通量組合材料制備裝置，其特征在于，還包括: 原位熱處理腔，對(duì)所述組合材料芯片前驅(qū)體進(jìn)行原位熱處理；以及 樣品過(guò)渡腔，向所述制備腔內(nèi)輸送所述基片，并將所述制備腔內(nèi)的所述組合材料芯片前驅(qū)體傳遞至所述原位熱處理腔。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的高通量組合材料制備裝置，其特征在于: 所述換靶腔內(nèi)和所述樣品過(guò)渡腔內(nèi)均設(shè)有二維傳動(dòng)裝置。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的離子束濺射高通量組合材料制備裝置，其特征在于: 所述儲(chǔ)靶腔與所述換靶腔之間、所述換靶腔與所述制備腔之間、所述制備腔與所述樣品過(guò)渡腔之間均由插板閥連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的高通量組合材料制備裝置，其特征在于: 還包括設(shè)置在所述樣品過(guò)渡腔與所述原位熱處理腔之間的裝片臺(tái)； 所述樣品過(guò)渡腔與所述裝片臺(tái)之間、所述原位熱處理腔與所述裝片臺(tái)之間均由所述插板閥連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任意一項(xiàng)所述的高通量組合材料制備裝置，其特征在于: 所述儲(chǔ)靶腔內(nèi)設(shè)有容納若干所述靶材的活動(dòng)靶材架。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任意一項(xiàng)所述的高通量組合材料制備裝置，其特征在于: 所述儲(chǔ)靶腔內(nèi)填充有降低氧分壓的吸氣劑。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任意一項(xiàng)所述的高通量組合材料制備裝置，其特征在于: 所述制備腔內(nèi)設(shè)有:掩模板，承載所述靶材的靶材工作臺(tái)，以及承載所述基片的樣品臺(tái)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高通量組合材料制備裝置，其特征在于: 所述儲(chǔ)靶腔內(nèi)和所述制備腔內(nèi)的工作氣壓均小于510_5托。
10.一種高通量組合材料制備方法，包含權(quán)利要求2至9中任意一項(xiàng)所述的制備裝置，其特征在于，包含以下步驟: 第一步，將所述樣品過(guò)渡腔內(nèi)抽真空； 第二步，將所述基片傳遞至所述樣品臺(tái)； 第三步，將需要濺射的所述靶材傳遞至所述靶材工作臺(tái)； 第四步，通過(guò)離子束濺射靶材表面，并在基片表面反濺沉積薄膜材料從而形成所述組合材料芯片前驅(qū)體；針對(duì)需沉積多種不同薄膜材料的所述組合材料芯片前驅(qū)體，當(dāng)前一層薄膜材料沉積完成后，更換所述靶材，并再次進(jìn)行離子束濺射； 第五步，當(dāng)離子束濺射結(jié)束后，將所述組合材料芯片前驅(qū)體傳遞至所述原位熱處理腔；并由所述原位熱處理腔對(duì)所述組合材料芯片前驅(qū)體進(jìn)行熱處理，從而最終形成高通量組合材料芯片。
【文檔編號(hào)】C23C14/46GK104404468SQ201410734080
【公開(kāi)日】2015年3月11日 申請(qǐng)日期:2014年12月4日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月4日
【發(fā)明者】向勇, 閆宗楷, 張海濤, 葉繼春, 項(xiàng)曉東 申請(qǐng)人:寧波英飛邁材料科技有限公司