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集成生長成千上萬乃至上百萬種不同組分、結(jié)構(gòu)和性能的材料，并通過自動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，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集成生長的不同組分、結(jié)構(gòu)和性能的材料被稱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比。高通量組合材料芯片的制備過程通常分為“組合”和“成相”兩個階段，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)律進行順序堆疊，通?？刹捎眠B續(xù)掩模和分立掩模的方式來完成，然后通過分別采取低溫和高溫熱處理的方式使材料發(fā)生均勻混合和成相的過程，完成組合材料芯片的制備。
[0003]組合材料芯片通常可以通過磁控濺射、離子束濺射、溶液噴射等方式完成制備過程。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，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動的非定向性，易造成靶材的污染，進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)存在可能提高低溫擴散過程的擴散勢皇，同時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程中，由于低溫和高溫熱處理過程對芯片的成相十分重要，往往該過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對薄膜成分造成污染，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真空腔體，此過程中也造成靶材暴露于大氣條件下，由于上述問題，對于有些對氧氣敏感的靶材，該設(shè)備無法使用，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)境下實現(xiàn)多個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]為了達到上述目的，本發(fā)明采用了以下技術(shù)方案:
[0010]—種高通量組合材料制備裝置，具有這樣的特征，包括:儲靶腔，用于儲存?zhèn)溆玫陌胁?制備腔，通過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，在制備腔和儲靶腔之間傳遞或存取靶材;其中，儲靶腔內(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，對組合材料芯片前驅(qū)體進行原位熱處理；以及樣品過渡腔，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)和樣品過渡腔內(nèi)均設(shè)有水平方向上的二維傳動裝置。
[0013]進一步地，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:儲靶腔與換靶腔之間、換靶腔與制備腔之間、制備腔與樣品過渡腔之間均由插板閥連接。
[0014]進一步地，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:樣品過渡腔開設(shè)有取樣口。
[0015]進一步地，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:還包括取樣腔，該取樣腔設(shè)置在樣品過渡腔與原位熱處理腔之間，并且，樣品過渡腔與取樣腔之間、原位熱處理腔與取樣腔之間均由插板閥連接;或者，取樣腔由插板閥連接至所述樣品過渡腔。
[0016]進一步地，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:材料表征腔，用于對所述組合材料芯片進行晶體結(jié)構(gòu)表征，所述材料表征腔由插板閥連接至所述樣品過渡腔或所述制備腔。
[0017]進一步地，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:儲靶腔內(nèi)設(shè)有容納若干靶材的活動靶材架。
[0018]進一步地，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:儲靶腔內(nèi)填充有降低氧分壓的吸氣劑;或者，儲靶腔內(nèi)設(shè)置有抽真空裝置。
[0019]進一步地，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，承載基片的樣品臺，以及用于傳遞靶材和基片的三維傳遞裝置。
[0020]進一步地，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。
[0021]進一步地，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:儲靶腔內(nèi)和制備腔內(nèi)的工作氣壓均小于5X10—5托。
[0022]另外，本發(fā)明還提供了一種高通量組合材料制備方法，包含上述任意一項中的高通量組合材料制備裝置，其特征在于，包含以下步驟:
[0023]第一步，將樣品過渡腔內(nèi)抽真空；
[0024]第二步，將基片傳遞至樣品臺；
[0025]第三步，將需要濺射的靶材傳遞至靶材工作臺；
[0026]第四步，通過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;針對需沉積多種不同薄膜材料的組合材料芯片前驅(qū)體，當前一層薄膜材料沉積完成后，更換靶材，并再次進行離子束濺射；
[0027]第五步，當離子束濺射結(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組合材料芯片前驅(qū)體進行熱處理，從而最終形成高通量組合材料芯片。
[0028]本發(fā)明在上述基礎(chǔ)上具有的積極效果是:
[0029]本發(fā)明提供的高通量組合材料制備裝置，通過將儲靶腔、換靶腔、制備腔、樣品過渡腔、取樣腔、原位熱處理腔、以及材料表征腔整合在一起并整體形成真空環(huán)境，在真空環(huán)境下實現(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。
【附圖說明】
[0030]圖1為本發(fā)明的實施例一中高通量組合材料制備裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0031]圖2為本發(fā)明的實施例二中高通量組合材料制備裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0032]為了使本發(fā)明實現(xiàn)的技術(shù)手段、創(chuàng)作特征、達成目的與功效易于明白了解，以下實施例結(jié)合附圖對本發(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。
[0033]〈實施例一〉
[0034]如圖1所示，本實施例提供的高通量組合材料制備裝置包括:儲靶腔1，換靶腔2，制備腔3，樣品過渡腔4，以及原位熱處理腔5。
[0035]在本實施例提供的高通量組合材料制備裝置中，并且，儲靶腔1與換靶腔2之間由插板閥6a連接、換靶腔2與制備腔3之間由插板閥6b連接、制備腔3與樣品過渡腔4之間由插板閥6c連接。
[0036]儲靶腔1用于儲存?zhèn)溆没驎簳r不用的靶材。具體的，儲靶腔1內(nèi)設(shè)有容納若干靶材的活動靶材架11，活動靶材架11設(shè)置為可升降運動、可旋轉(zhuǎn)運動的結(jié)構(gòu)，用于實現(xiàn)向換靶腔2內(nèi)輸送或回收靶材，另外，由于靶材對氧環(huán)境十分敏感，因此，需要將儲靶腔1內(nèi)填充有降低氧分壓的吸氣劑以形成缺氧無水環(huán)境。當然，也可以采用在儲靶腔1內(nèi)設(shè)置抽真空裝置的方式進行除氣，進一步的，設(shè)置抽真空裝置可優(yōu)選為濺射離子栗。
[0037]制備腔3設(shè)有:固定或者是連續(xù)移動的掩模板31，承載靶材的靶材工作臺32，承載基片的樣品臺33，以及用于傳遞靶材和基片的三維傳遞裝置34。制備腔3內(nèi)通過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。根據(jù)不同情況需要，可采用輔助離子源輔助濺射過程的實現(xiàn)。
[0038]換靶腔2內(nèi)設(shè)有水平方向上的十字形二維傳動裝置21，用于在制備腔3和儲靶腔1之間傳遞或存取靶材。換靶腔2每次向靶材工作臺32只傳遞一塊靶材，進行濺射。避免對其他靶材造成污染。
[0039]樣品過渡腔4開設(shè)有取樣口41，并且，樣品過渡腔4內(nèi)設(shè)有水平方向上的十字形二維傳動裝置42，用于沉積薄膜材料的基片由樣品過渡腔4的取樣口 41進入制備裝置，并經(jīng)二維傳動裝置42向制備腔3內(nèi)輸送基片，