CN103668085A

CN103668085A - 脉冲激光沉积装置

Info

Publication number: CN103668085A
Application number: CN201310619627.0A
Authority: CN
Inventors: 章嵩; 王传彬; 沈强; 张联盟; 涂溶
Original assignee: Wuhan University of Technology WUT
Current assignee: Wuhan University of Technology WUT
Priority date: 2013-11-29
Filing date: 2013-11-29
Publication date: 2014-03-26

Abstract

本发明公开了一种脉冲激光沉积装置，包括沉积腔以及设于沉积腔内的靶材和基板座，所述的基板座与靶材相对设置，沉积腔腔体上设有与靶材倾斜相对的光学窗口，用于入射脉冲激光以轰击靶材，靶材烧蚀后产生等离子气并到达基板座上的基板表面，作用生成目标薄膜，所述的靶材为圆盘状，包括多种不同材料的扇形体；由于靶材是多种不同单元材料构成的多元靶材，绕中心轴旋转时，脉冲激光光束周期性照射在各单元靶材表面，由各单元靶材产生的等离子气在基板上进行自组装，形成所需的目标薄膜材料，通过调整多元靶材中的不同材料的面积比，即可得到任意比例的薄膜。

Description

脉冲激光沉积装置

技术领域

本发明涉及一种物理气相沉积技术领域，尤其涉及一种脉冲激光沉积装置。

背景技术

脉冲激光沉积（Pulse Laser Deposition，PLD）技术是一种常见的无机薄膜物理气相沉积技术，该技术制备的薄膜材料表面平整，薄膜厚度可精确控制。

但在利用PLD技术沉积目标薄膜材料前，需要先制备相应的靶材（三维体材料）。如：沉积A_xB_y薄膜前，需要制备（通常为烧结）成分为A_xB_y的靶材。

但是，有些化合物材料，特别是非化学计量比的化合物只能以二维材料——薄膜形式存在，不能以三维材料形式稳定存在，导致无法制备目标靶材以及后续的薄膜。此外，由于现有的PLD技术中均采用单元靶材，导致PLD技术仅能制备成分均匀的薄膜，而无法得到非均匀、层状或梯度薄膜。

如公开号为US6489587B2的美国专利，以两束激光同时分别打在两个单元靶材（以下分别称作A靶、B靶）上，从A、B靶中打出的A、B原子是同时到达基板表面，所以在基板上形成的薄膜与也就为均质的AB膜。

现有的PLD技术中，均采用单一成分的靶材，由于受到靶材的限制，因此只能够制备成分、结构单一的薄膜，无法得到一些非化学计量比的薄膜与结构上非均质的薄膜；目标成分（材料）不能以三维材料稳定存在时，现有技术无法制备目标薄膜。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够实现均匀、与非均匀薄膜的制备的脉冲激光沉积装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种脉冲激光沉积装置，包括沉积腔以及设于沉积腔内的靶材和基板座，所述的基板座与靶材相对设置，沉积腔腔体上设有与靶材倾斜相对的光学窗口，用于入射脉冲激光以轰击靶材，靶材烧蚀后产生等离子气并到达基板座上的基板表面，作用生成目标薄膜，所述的靶材为圆盘状，由多种不同材料的扇形体组成。

本发明所述的脉冲激光沉积装置，其靶材可转动。

接上述技术方案，本发明所述的脉冲激光沉积装置，其基板座可转动。

接上述技术方案，本发明所述的脉冲激光沉积装置，其靶材和基板座的转动方向相反。

接上述技术方案，本发明所述的脉冲激光沉积装置，其靶材设于沉积腔底部，所述的基板座设于沉积腔顶部。

本发明所述的脉冲激光沉积装置，其靶材为二元靶材，包括夹角为θ_A的A材料扇形体和夹角为θ_B的B材料扇形体，θ_A+θ_B =360°。

接上述技术方案，本发明所述的脉冲激光沉积装置，其靶材为A材料扇形体、B材料扇形体和C材料扇形体构成的三元靶材。

本发明的有益效果是：由于靶材是由多种不同单元材料构成的多元靶材，绕中心轴旋转时，脉冲激光光束周期性照射在各单元靶材表面，由各单元靶材产生的等离子气在基板上进行自组装，形成所需的目标薄膜材料，实际生产中，可根据目标薄膜成分、结构，进行多元靶材的组装，通过调整多元靶材中的不同材料的面积比，即可得到任意比例的薄膜，突破了传统的靶材概念。

附图说明

图1是本发明实施例激光沉积装置的结构示意图；

图2是本发明多层薄膜（a）、梯度薄膜（b）、单层均质薄膜（c）以及相应的光电子能谱分析结果。

其中：1—基板座，2—基板以及基板上生长的薄膜，3—等离子气，4—多元靶材，5—脉冲激光。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

参照图1所示，本发明公开了一种脉冲激光沉积装置，包括沉积腔以及设于沉积腔内的靶材4和基板座1，基板座1用于固定基板2并给基板2加热。本发明的一个实施例中，基板座1可绕中心轴旋转，使薄膜在基板2的平面内均匀生成。

基板座1与靶材4相对设置，本发明的一个实施例中，靶材4可设于沉积腔底部，基板座1设于沉积腔顶部。靶材4和基板座1均可转动，并且靶材4和基板座1的转动方向相反。沉积腔腔体上设有与靶材4倾斜相对的光学窗口，用于入射脉冲激光5以轰击靶材4，靶材4烧蚀后产生等离子气3并到达基板座1上的基板2表面，作用生成目标薄膜。

靶材4为圆盘状，包括多种不同材料的扇形体。具体可由夹角分别为θ_A的A材料扇形体42、夹角为θ_B的B材料扇形体41、……、夹角为θ_n的N材料扇形体组成，其中θ_A+θ_B+……+θ_n=360°。

由于靶材4是由多种不同材料构成的多元靶材，绕中心轴旋转时，脉冲激光5光束周期性照射在各单元靶材表面，由各单元靶材产生的等离子气（含分子、原子、离子）在基板2上进行自组装，形成所需的目标薄膜材料，实际生产中，可根据目标薄膜成分、结构，进行多元靶材的组装，多元靶材的组装是将各单元靶材按照目标薄膜的成分组成，切成相应角度的扇形，再组装成整体多元靶材，通过调整多元靶材中的A，B，C，……，N的面积比，得到任意比例的多层薄膜。

作为一种具体的实施例，靶材4为A材料扇形体42和B材料扇形体41构成的二元靶材，A材料扇形体42的夹角为θ_A，B材料扇形体41夹角为θ_B，其中θ_A+θ_B=360°，这样就能得到A_xB_y薄膜。

作为又一种具体的实施例，靶材4为A材料扇形体42、B材料扇形体41和C材料扇形体构成的三元靶材，其中θ_A+θ_B+θ_c =360°，这样就能得到A_xB_yC_z的薄膜。

当然，还可以通过相同原理获得四元靶材、五元靶材甚至多元靶材。

综上，本装置可以通过使各单元（靶材）组分在基板上自组装完成目标薄膜的制备，当需要制备一系列组分连续或准连续变化的薄膜时，多元靶材能够跳过靶材制备环节，直接改变各单元靶材大小，以现实目标薄膜的制备，大大简化了制备流程，如果同样制作均质的AB薄膜，本装置只需要一台激光器即可，设备结构简单，价格更低，可以通过调整多元靶材中的A，B的面积比，得到任意比例的A_xB_y薄膜，如：A_0.5B_0.5薄膜，由于本技术中A原子与B原子是不同时到达基板表面的，这样就可以实现多层膜（如：ABABABAB）以及梯度薄膜（如：AA_xB_yB薄膜）的制备。

本发明装置具有如下优点：

1、在脉冲激光沉积技术中采用多元靶材，实现薄膜材料的制备；

2、该技术可制备如图2中（a）所示的多层薄膜，可制备如图2中（b）所示的梯度薄膜，以及图2中（c）所示的，通过调节多元靶材的自转速度与基板的温度，现实上述薄膜的制备；

3、通过调节多元靶材中各单元靶材的大小，可实现对薄膜成分的精确控制。

以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种脉冲激光沉积装置，包括沉积腔以及设于沉积腔内的靶材（4）和基板座（1），所述的基板座（1）与靶材（4）相对设置，沉积腔腔体上设有与靶材倾斜相对的光学窗口，用于入射脉冲激光（5）以轰击靶材（4），靶材（4）烧蚀后产生等离子气（3）并到达基板座（1）上的基板（2）表面，作用生成目标薄膜，其特征在于：所述的靶材（4）为圆盘状，由多种不同材料的扇形体组成。

2.根据权利要求1所述的一种脉冲激光沉积装置，其特征在于，所述的靶材（4）可转动。

3.根据权利要求1所述的一种脉冲激光沉积装置，其特征在于，所述的基板座（1）可转动。

4.根据权利要求2或3所述的一种脉冲激光沉积装置，其特征在于，所述靶材（4）和基板座（1）的转动方向相反。

5.根据权利要求4所述的一种脉冲激光沉积装置，其特征在于，所述的靶材（4）设于沉积腔底部，所述的基板座（1）设于沉积腔顶部。

6.根据权利要求5所述的一种脉冲激光沉积装置，其特征在于，所述的靶材（4）为二元靶材，包括夹角为θ_A的A材料扇形体（42）和夹角为θ_B的B材料扇形体（41），θ_A+θ_B =360°。

7.根据权利要求5所述的一种脉冲激光沉积装置，其特征在于，所述的靶材（4）为A材料扇形体（42）、B材料扇形体（41）和C材料扇形体构成的三元靶材。