CN103668085A - 脉冲激光沉积装置 - Google Patents
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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
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AxBy薄膜前,需要制备(通常为烧结)成分为AxBy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θA的A材料扇形体和夹角为θB的B材料扇形体,θA+θB =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θA的A材料扇形体42、夹角为θB的B材料扇形体41、……、夹角为θn的N材料扇形体组成,其中θA+θB+……+θn=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θA,B材料扇形体41夹角为θB,其中θA+θB=360°,这样就能得到AxBy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θA+θB+θc =360°,这样就能得到AxByCz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AxBy薄膜,如:A0.5B0.5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:AAxByB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 (7)
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θA的A材料扇形体(42)和夹角为θB的B材料扇形体(41),θA+θB =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。
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