CN211771528U - 制备高通量薄膜的磁控溅射装置 - Google Patents

Abstract

一种制备高通量薄膜的磁控溅射装置，包括基体、基片台、圆筒、带齿圆环和掩模组件，所述带齿圆环安装在圆筒的上端处，所述掩模组件安装在圆筒的下端处，所述基***于圆筒内且与带齿圆环可转动连接，基片台安装在基体的底部上，所述基体上设有第一真空电机，第一真空电机的电机轴上设有第一齿轮，所述第一齿轮与带齿圆环的齿形结构啮合，第一真空电机用于驱动基体相对于掩模组件旋转。本实用新型提供了一种制备高通量薄膜的磁控溅射装置，该装置结构简单，适用于小型的磁控溅射镀膜机上，一次抽气完成实验并且不需要进行额外的靶材更换操作，就可以按照不同靶材制备出组分呈连续渐变式梯度分布的三元高通量薄膜。

Description

制备高通量薄膜的磁控溅射装置

技术领域

本实用新型涉及高通量薄膜制备装置技术领域，尤其是涉及一种制备高通量薄膜的磁控溅射装置。

背景技术

2011年6月，美国奥巴马政府启动“材料基因组计划”(MGI)，通过融合发展高通量计算、高通量材料实验、材料数据库等三大技术加速新材料的研发和应用。“材料高通量实验”是在短时间内完成大量样品的制备与表征。其核心思想是将传统材料研究中采用的顺序迭代方法改为并行处理，以量变引起材料研究效率的质变。更为重要的是，高通量实验可快速地提供有价值的研究成果，直接加速材料的筛选和优化，改变传统材料研究方法，加速材料研发进程，在短期内将材料从发现、制造、到应用的速度至少提高一倍，成本至少降低一半，满足当代工业对新材料研发的迫切需求。

材料高通量实验是以大量的材料实验数据为基础，且大多数材料实验是以薄膜的形式进行测试实验，因此利用制备薄膜装置进行高通量制备具有非常重要的作用。磁控溅射是物理气相沉积(Physical Vapor Deposition，PVD)的一种，可被用于制备金属、半导体、绝缘体等多材料，且具有设备简单、易于控制、镀膜面积大和附着力强等优点，在工业领域上具有广泛的应用。

利用磁控溅射进行高通量薄膜制备时有不少的缺点。采用多靶共沉积方式时，因为不同靶材溅射时溅射原子产生数量不同，造成基片上元素分布不同，无法直接完成不同组分的线性梯度分布，不能完整获得高通量材料0～100％空间覆盖。采用掩模方式时，由于自身靶材的刻蚀会影响薄膜的均匀性，造成部分区域无法形成线性梯度分布。

发明内容

为了克服现有技术存在的缺陷，本实用新型提供了一种制备高通量薄膜的磁控溅射装置，该装置结构简单，适用于小型的磁控溅射镀膜机上，应用广泛，一次抽气完成实验并且不需要进行额外的靶材更换操作，就可以按照不同靶材制备出组分呈连续渐变式梯度分布的三元高通量薄膜。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种制备高通量薄膜的磁控溅射装置，包括基体、基片台、圆筒、带齿圆环和掩模组件，所述带齿圆环安装在圆筒的上端处，所述掩模组件安装在圆筒的下端处，所述基***于圆筒内且通过轴承与带齿圆环可转动连接，基片放置在基片台上，基片台安装在基体的底部上，所述带齿圆环的内壁设有齿形结构，所述基体上设有第一真空电机，第一真空电机的电机轴上设有第一齿轮，所述第一齿轮与带齿圆环的齿形结构啮合，第一真空电机用于驱动基体相对于掩模组件旋转；

所述掩模组件包括设有掩模安装板、掩模和齿条，所述掩模安装板内设有通道，在掩模安装板的末端还设有一个与通道连通的安装孔，该通道沿着板上圆心和安装孔圆心连线方向设置，所述掩模与齿条连接，且两者均可在该通道内移动，所述掩模安装板用于将圆筒的底部封住，并在与圆筒中轴线对应处设有长方形通孔，该长方形通孔与通道连通，同时该长方形通孔尺寸小于掩模的尺寸，第二真空电机安装在圆筒的外侧上，其电机轴上设有第二齿轮，所述第二齿轮安装在该安装孔上且与齿条啮合，第二真空电机用于驱动掩模左右移动；所述基体的中心轴部还与外部电机连接，外部电机通过驱动基体，带动整个磁控溅射装置旋转。掩模在移动过程中，通过长方形通孔的边界线是直线。

进一步，所述掩模为方形。

再进一步，所述圆筒外设有用于平衡第二真空电机重量的配重。

本实用新型的有益效果主要表现在：结构简单适用于小型的三靶磁控溅射镀膜机，不需要额外大量的空间；一次抽气就可以完成实验，减少外部环境对实验的干扰，同时减小时间极大方便新材料的研发；移动掩模工作时，外部电机带动基体，使整个装置一同旋转，即掩模与基体一同旋转；此时减小了靶材刻蚀会影响薄膜的均匀性影响；同时控制靶材溅射与掩模移动能保证完整获得高通量材料0～100％空间覆盖，解决了上述两种方式的缺点。

附图说明

图1是传统的磁控溅射***示意图。

图2是本实用新型的结构示意图。

图3是图2的A向视图。

图4是掩模安装板的结构示意图。

图5是图4的纵剖图。

图6是掩模与齿条的装配示意图。

图7是图6纵剖图。

图8是靶材沉积过程的高通量薄膜示意图，其中(a)为靶材在0°方向沉积的，(b)为不同靶材在120°方向沉积的，(c)为不同靶材在240°方向沉积的，(d)为全部靶材沉积完成后的高通量薄膜示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步描述。

参照图2～图8，一种制备高通量薄膜的磁控溅射装置，包括基体2、基片台1、圆筒7、带齿圆环4和掩模组件10，所述带齿圆环4安装在圆筒7的上端处，所述掩模组件10安装在圆筒7的下端处，所述基体2位于圆筒7内且通过轴承3与带齿圆环4可转动连接，基片放置在基片台1上，基片台1安装在基体2的底部上，所述带齿圆环4的内壁设有齿形结构，所述基体2上设有第一真空电机6，第一真空电机6的电机轴上设有第一齿轮5，所述第一齿轮5与带齿圆环4的齿形结构啮合，第一真空电机6用于驱动基体2相对于掩模组件10旋转；

所述掩模组件10包括设有掩模安装板12、掩模13和齿条14，所述掩模安装板12内设有通道，在掩模安装板12的末端还设有一个与通道连通的安装孔，该通道沿着板上圆心和安装孔圆心连线方向设置，所述掩模13与齿条14连接，且两者均可在该通道内移动，所述掩模安装板12用于将圆筒7的底部封住，并在与圆筒中轴线对应处设有长方形通孔，该长方形通孔与通道连通，同时该长方形通孔尺寸小于掩模的尺寸，第二真空电机8安装在圆筒7的外侧上，其电机轴上设有第二齿轮9，所述第二齿轮9安装在该安装孔上且与齿条14啮合，第二真空电机8用于驱动掩模13左右移动；所述基体2的中心轴部还与外部电机连接，外部电机通过驱动基体2，带动整个磁控溅射装置的旋转。

本实用新型装置是对基体2结构的改进，仍然包含在图1磁控溅射机的真空腔15内。

如图1所示，基片台1，用于放置基片；基体2，用于支撑整个装置，并且外部电机带动基体旋转使整个装置旋转；轴承3，使装置能与基体2相对转动；带齿圆环4，与第一真空电机6的第一齿轮5啮合转动；第一齿轮5，传导真空电机6的力；圆筒7，连接带齿圆环4与掩模组件10，圆筒7安装第二真空电机8，并安装配重减小第二真空电机8的重量影响；第二齿轮9，传导第二真空电机8的力，使掩模进行移动。掩模组件10，使掩模移动固定在掩模安装板12内。

本实用新型装置安装在基体2，磁控溅射***中的其他基本***并未改变。磁控溅射以真空应为前提，整个反应都是真空腔15内完成。电子在辉光效应下撞击靶材16溅射出靶原子。同时为了一次抽气完成实验，三块靶材16都是不同元素，且必须每个靶倾斜靶材中心正对基体2中心。在真空腔15外有外部电机带动基体2的旋转，并且基体2可利用外部装置调整靶材与基体的距离。

如图2和图3所示，轴承3为推力球轴承，连接基体2和带齿圆环4，基体2通过推力球轴承3给予装置支撑，同时推力球轴承也允许带齿圆环4与基体2有相对转动。第一真空电机6通过第一齿轮5连接装置，控制掩模组件10与基体2的相对转动，当第一真空电机6不通电时，基体与掩模组件通过外部电机一同旋转；当第一真空电机6通电时，基体2与掩模13相对转动，使不同靶材的溅射沉积区域发生改变。多靶溅射时，靶材无法与基片面对面溅射，必然有一定的角度，同时靶材会发生刻蚀造成薄膜的不均匀性，而基体2与掩模组件10一同旋转能有效减小薄膜的不均匀性。基体2与掩模13相对转动成0°、120°、240°，这是移动式掩模制备出高通量薄膜的基础。第二真空电机8通过第二齿轮9拖动在掩模组件10内的掩模，通过掩模遮挡溅射原子，以此构成连续渐变式梯度分布的薄膜。

如图4、5、6、7所示，掩模组件10有三个部件组成，分别是掩模安装板12、掩模13和齿条14，掩模13与齿条14焊接在一起。掩模组件10利用掩模安装板12的螺栓孔与圆筒7连接。掩模组件10可能由于实际实验的要求会对掩模13和基片距离有一定的需要，可利用带齿圆环4与圆筒7之间加入不同厚度的垫片，可以调整掩模与基片的距离。掩模13放置在掩模安装板12的空心层即通道内，给与掩模支撑并且使掩模按照虚线方向移动。第二齿轮9伸入掩模安装板的安装孔即圆孔中，与空心层的齿条14啮合，以此拖动掩模在一定方向内移动。掩模13开始处于掩模安装板的方形孔，溅射原子由于掩模的阻挡，未能在基片上沉积。随着掩模的移动，部分区域被开放，溅射原子透过方形孔沉积在基片上，开放区域时间在虚线方向上成梯度变化，以此基片上沉积材料也成线性梯度分布。

如图8所示，靶材第一次沉积过程形成图8中的(a)，在0°刻度，掩模移动方向上靶材沉积成梯度变化，在移动方向的垂直方向上靶材浓度相同。图8中的(b)、(c)分别表示不同靶材在120°、240°沉积并成梯度变化。图8中的(d)表示全部沉积完成后的高通量薄膜，每两平行线内的区域表示一次沉积，三种靶材各有一块区域，最后虚线三角形就是三元高通量薄膜。虚线三角形的一个顶点与其对应的虚线表示一种靶材在顶点与虚线内梯度变化。在虚线三角形内每个点三种靶材的组合浓度都不同。

上述装置可以一次性制备出高通量组合薄膜，以此进行后续实验，可以较易获得几种材料最佳配比的薄膜。

本申请的装置是原有的三靶磁控溅射镀膜机改进的装置，具体是对基体的改进，也可利用该装置对其他镀膜装置改进，至于磁控溅射***中的其他部分，参考现有的磁控溅射***，在此不做具体限定。还需要说明本装置可安装在三靶以上的磁控溅射镀膜机上，制备三元高通量薄膜。

通过对基体的改进，增加了掩模的机构，利用移动式掩模的原理制备出高通量薄膜。掩模的移动是本装置制备组分呈连续渐变式梯度分布的多元薄膜的基础。磁控溅射机在光辉效应下，使电子撞击靶材，靶原子溅射沉积在基片上。掩模阻挡部分靶原子在基片上的沉积，同时电机拖动掩模移动，使基片所能接收的靶原子通量不同。这样移动掩模匀速运动就能创造出一个通量呈线性梯度变化的环境，这样基片上就会形成暴露于整个源的点至完全被遮蔽的点的线性梯度变化的区间，即可获得0～100％的连续线性梯度的成分分布。同时利用外部电机使基片与掩模一同旋转，减小靶材刻蚀会影响薄膜的均匀性影响。沉积完一层膜利用电机使掩模与基片发生相对转动，与原先位置构成120°，利用不同靶材做上述操作制备出组分不同呈连续渐变式梯度分布薄膜。三次沉积之后，基片上已经有了各个区域成分不同且连续渐变式梯度分布三元薄膜。加热基片，使基片上三种成分的薄膜在厚度方向上从原来的分层构成新的晶相或非晶相材料。

高通量薄膜制备过程包括以下步骤：

磁控溅射装置，该装置安装在磁控溅射***的真空腔内，真空腔内设有三个靶；每个靶包括靶体和靶材，靶材做成圆饼安装在靶体上，每个靶倾斜靶材中心正对基体中心；

步骤一、完成溅射实验的前提准备，例如基片清洗、抽气等；

步骤二、第一块靶材进行预溅射；

步骤三、开启外部电机，使基体带动整个圆筒装置旋转，再进行溅射；

步骤四、在溅射的同时，开启第二真空电机8，使掩模缓慢移动；不开启第一真空电机6，使基片与掩模组件相对静止；掩模移动结束后，结束溅射；

步骤五、开启第二真空电机8，反方向旋转使掩模归位；归位完成后，开启第一真空电机6，使掩模组件与基片相对转动，掩模组件与原先位置有120°的夹角；

步骤六、第二块靶材进行预溅射，依次按照步骤三至步骤五进行操作；

步骤七、第三块靶材进行预溅射，依次按照步骤三和步骤四进行操作溅射完成后，就能获得一块三元高通量薄膜。

以上所述是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (3)

1.一种制备高通量薄膜的磁控溅射装置，其特征在于：包括基体、基片台、圆筒、带齿圆环和掩模组件，所述带齿圆环安装在圆筒的上端处，所述掩模组件安装在圆筒的下端处，所述基***于圆筒内且通过轴承与带齿圆环可转动连接，基片放置在基片台上，基片台安装在基体的底部上，所述带齿圆环的内壁设有齿形结构，所述基体上设有第一真空电机，第一真空电机的电机轴上设有第一齿轮，所述第一齿轮与带齿圆环的齿形结构啮合，第一真空电机用于驱动基体相对于掩模组件旋转；

所述掩模组件包括设有掩模安装板、掩模和齿条，所述掩模安装板内设有通道，在掩模安装板的末端还设有一个与通道连通的安装孔，该通道沿着板上圆心和安装孔圆心连线方向设置，所述掩模与齿条连接，且两者均可在该通道内移动，所述掩模安装板用于将圆筒的底部封住，并在与圆筒中轴线对应处设有长方形通孔，该长方形通孔与通道连通，同时该长方形通孔尺寸小于掩模的尺寸，第二真空电机安装在圆筒的外侧上，其电机轴上设有第二齿轮，所述第二齿轮安装在该安装孔上且与齿条啮合，第二真空电机用于驱动掩模左右移动；所述基体的中心轴部还与外部电机连接，外部电机通过驱动基体，带动整个磁控溅射装置的旋转。

2.如权利要求1所述的制备高通量薄膜的磁控溅射装置，其特征在于：所述掩模为方形。

3.如权利要求1或2所述的制备高通量薄膜的磁控溅射装置，其特征在于：所述圆筒外设有用于平衡第二真空电机重量的配重。

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