一种制备组合薄膜材料库的装置与方法

摘要

本次发明属于薄膜材料制备技术领域，具体涉及一种制备组合薄膜材料库的装置与方法。本发明装置由组合脉冲激光镀膜机、激光器、计算机、复合分子泵和双级旋片泵组成；所述的组合脉冲激光镀膜机由RHEED电子枪、预抽管路、步进电机、靶材选择回转机构、RHEED荧光屏与CCD图像传感器、激光窗、基片架、掩膜架、伺服电机和真空室组成，通过靶材选择回转机构控制靶材切换，本发明方法是根据带沉积薄膜要求设计出相应结构的掩膜，通过组合脉冲激光镀膜机精确可控沉积多元组分薄膜库。本发明的设备操作简便，结构模块化，方便维修，填补了目前高度可控化沉积薄膜材料库设备的空缺，为薄膜材料库的制备提供了一种新型可行方法，具有广阔的应用前景。

主权项

采用制备组合薄膜材料库的装置制备组合薄膜材料库的方法，所述的制备组合薄膜材料库的装置由组合脉冲激光镀膜机、激光器、计算机、复合分子泵和双级旋片泵组成；所述的组合脉冲激光镀膜机由RHEED电子枪、预抽管路、步进电机、靶材选择回转机构、RHEED荧光屏与CCD图像传感器、激光窗、基片架、掩膜架、伺服电机和真空室组成；所述的激光器、RHEED电子枪、步进电机和伺服电机均与计算机连接并由计算机控制；所述的复合分子泵与真空室相连，双级旋片泵与预抽管路相连，复合分子泵和双级旋片泵之间通过阀门相连，激光器与激光窗在同一轴线上相对设置；所述的步进电机控制靶材选择回转机构，伺服电机控制掩膜架，靶材固定在靶材选择回转机构上，掩膜装卡在掩膜架上，基片固定在基片架上，靶材与基片位于同一轴线上，二者之间距离保持在70mm，掩膜位于靶材和基片之间靠近基片表面的位置，与基片保持5mm的距离；所述的靶材选择回转机构由靶座、靶材、大棘爪、大棘轮、小棘轮、靶材传动轴、小棘爪、小齿轮和大齿轮组成；所述的小棘轮和大齿轮与靶材传动轴连接，大棘轮与靶材传动轴配合，小齿轮均布在大棘轮上，靶座与小齿轮轴为螺纹连接，成为一体进行同步运动，靶材安装在靶座表面，小棘爪安装在小棘轮周围，与小棘轮啮合，所述的大棘爪安装在大棘轮周围，与大棘轮啮合；其特征在于按照以下步骤进行：步骤1：设计待制备的组合薄膜材料库的结构、形状及组分分布，确定选用的靶材种类，并给出薄膜材料各组分的成分分布方程，即薄膜各组分的成分含量随沉积位置变化的关系，其中成分含量取值为0～1；步骤2：针对待制备的组合薄膜材料库进行掩膜形状设计；步骤2.1：建立模型，求解掩膜的形状参数；(1)建立薄膜沉积坐标系：将大小为a×a的正方形的沉积基片放入笛卡尔x，y坐标系内，设(0,0)(a,0)(0,a)(a,a)正方形范围内为沉积面，其中每一点坐标为(x，y)；当沉积时间t＝0时，掩膜的上边界为y₁(x)，下边界为y₂(x)，在沉积坐标系中，掩膜向上或向下，以随沉积时间t变化的速度v移动，其函数为v(t)；设掩膜向上运动为正，设沉积单层膜厚的时间为T，设单层膜厚为1，则单位时间内沉积膜厚度为1/T；激光器工作状态随沉积时间变化为w(t)，镀膜时w(t)＝1，不工作时w(t)＝0，在不同点的沉积厚度为h(x，y)；在沉积时间t＝0时，基片上的沉积区域与掩膜的位置关系，一种是在y₁(x)上方，即沉积区域位于掩膜漏孔上方，一种是介于y₁(x)与y₂(x)之间，即沉积区域位于掩膜漏孔范围内，根据两种不同情况建立掩膜参数模型；(2)建立掩膜参数模型，求解掩膜的形状参数；当沉积区域(x₀，y₀)在y₁(x)上方时：$s_1=\underset{0}{\overset{t_1}{\int }}v\left(t\right)dt=y_0-y_1\left(x_0\right)$$s_2=\underset{0}{\overset{t_2}{\int }}v\left(t\right)dt=y_0-y_2\left(x_0\right)$$h(x_0,y_0)=\frac{1}{T}\underset{t_1}{\overset{t_2}{\int }}w\left(t\right)dt$其中：s₁为设掩膜上边界到(x₀，y₀)距离，s₂为下边界到(x₀，y₀)的距离，t₁为掩膜上边界移动到(x₀，y₀)所需时间，t₂为下边界移动到(x₀，y₀)所需时间；带入特定的边界条件，令w(t)＝1，速度v为常数并令v(t)＝U，掩膜上下边界均为直线，则有：y₁(x)＝k₁x+b₁y₂(x)＝k₂x+b₂$h(x_0,y_0)=\frac{1}{T}(t_2-t_1)=\frac{1}{T}\frac{(k_1-k_2)x_0+(b_1-b_2)}{U}$其中k₁、k₂、b₁、b₂为掩膜的形状参数，联立步骤1中的薄膜材料各组分的成分分布方程求解k₁、k₂、b₁、b₂，得到掩膜上边界和下边界的直线方程；当(x₀，y₀)介于y₁(x)与y₂(x)之间时：$s_3=\underset{0}{\overset{t_3}{\int }}v\left(t\right)dt=y_0-y_2\left(x_0\right)$$h(x_0,y_0)=\frac{1}{T}\underset{0}{\overset{t_3}{\int }}w\left(t\right)dt$其中s₃为掩膜下边界到(x₀，y₀)的距离，t₃为掩膜下边界移动到(x₀，y₀)所需时间；带入特定的边界条件，令w(t)＝1，速度为常数且v(t)＝U，掩膜上下边界均为直线，则有：y₂(x)＝k₃x+b₃$h(x_0,y_0)=\frac{1}{T}\frac{y_1-(k_3{x}_1+b_3)}{U}$其中k₃、b₃为掩膜的形状参数，联立步骤1中的薄膜材料各组分的组分分布方程求解k₃、b₃，得到掩膜下边界的直线方程；步骤2.2：根据掩膜边界方程，确定掩膜上下边界形状及大小，并制备相对应的漏孔形状的掩膜，当设计的漏孔大小超过了掩膜架上安置漏孔大小时，可以将解得的漏孔区域划分为两块或多块区域，将不同区域分别视为不同次沉积的漏孔，再分别加工成不同掩膜；步骤3：根据沉积区域的需求和对薄膜材料库后续检测实验需求，对基片进行加工处理和网格划分；步骤4：将制备好的掩膜和基片分别安装在掩膜架和基片架上，将靶材安装在靶材选择回转机构上，在计算机控制系统中设定好掩膜的运动速度，安置好组合薄膜材料库制备设备；步骤5：启动复合分子泵和双级旋片泵，将真空室抽真空至10^‑6Pa以下；步骤6：由计算机控制伺服电机和步进电机，步进电机控制靶材选择回转机构，伺服电机控制掩膜架，带动掩膜运动控制掩膜屏蔽状况，将靶材以及掩膜调整到掩膜参数模型中t＝0时刻的初始位置，打开激光器进行薄膜沉积；步骤7：在沉积的同时，由RHEED反馈薄膜表面沉积状态，由RHEED电子枪发射出电子束，掠过薄膜表面，经过衍射在RHEED荧光屏上进行成像，通过CCD图像传感器将衍射情况反馈给计算机控制系统，对薄膜表面进行实时监控，并获得单层膜沉积时间T，反馈给控制系统，由控制系统自动完成对掩膜速度随时间变化的速度v(t)的调整；步骤8：沉积完一种薄膜材料后，由步进电机带动靶材选择回转机构切换到下一靶材，重复步骤6和7，直到一个单层膜沉积完成；步骤9：单层膜沉积完成后靶材掩膜回到最初始位置，再重复步骤6、7和8，获得一定厚度的成分梯度薄膜；步骤10：关闭设备，打开放气阀，通入空气，取出基片，即可获得所设计制备的薄膜材料库。