CN104213074A - 一种原位掩模转换装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种原位掩模转换装置，包括一可运动的掩模板支架，掩模板支架上开设有至少两个开孔，开孔内放置有掩模板。掩模板支架旁设置有可活动的基片移动驱动装置，基片移动驱动装置上可拆卸连接有与掩模板相匹配的基片，基片移动驱动装置能够将基片推送入开孔并贴覆于掩模板上，基片移动驱动装置还能够带动基片离开所述开孔。该原位掩模转换装置可以应用于真空腔体内，能够实现了在真空环境下的掩模板更换，有效避免对样品的污染。此外，还能减少制备过程中，掩模板造成的阴影效应，保证了薄膜质量。本发明还涉及一种原位掩模转换装置的使用方法，可以实现掩模板在制备环境下的自动更换，节约掩模板更换的时间，提高了制备效率，操作更加方便。

Description

一种原位掩模转换装置及其使用方法

技术领域

本发明涉及高通量组合材料制备技术领域，具体涉及一种原位掩模转换装置及其使用方法。

背景技术

2011年美国和欧盟分别提出了“材料基因组计划”(Materials Genome Initiative,MGI)和“加速冶金学”(Accelerated Metallurgy，ACCMET)科学计划，中国也在2011年底由中国科学院和中国工程院召开香山科学会议讨论应对策略，2012年启动中国版材料基因组计划重大咨询项目，并在2014年形成战略规划和实施建议。以上所述科学计划均强调了高通量组合材料研究方法在加速材料研发进程中的重要作用，其出发点在于，采用传统顺序迭代式的“试错法”的材料研发耗时费力，新材料从研发到应用周期太长，越来越赶不上快速发展的工业需求。高通量组合材料研究是在一块较小的基片上同时集成生长成千上万乃至上百万种不同组分、结构和性能的材料，并通过自动扫描式或并行式快速表征技术获得材料成分、结构和性能等关键信息，快速构建多元材料相图或材料数据库，从中快速筛选出性能优良的材料或找到材料的“组分-结构-性能”关联性，以此提高材料研发的效率。所述在一块较小基片上同时集成生长的不同组分、结构和性能的材料被称为高通量组合材料芯片，可与集成电路芯片或生物基因芯片类比。高通量组合材料芯片的制备过程通常分为“组合”和“成相”两个阶段，其中组合是将不同组成的材料按照一定顺序和组合比例规律进行顺序堆叠，然后通过分别采取低温和高温热处理的方式使材料发生均匀混合和成相的过程，完成组合材料芯片的制备。在高通量组合材料研究过程中，通常采用掩模镀膜法来实现组合材料芯片的制备，根据组合材料芯片样本库的组成方式不同一般可分为分立模板法和连续掩模法。其中，分立模板法是指将2元或4元掩模板置于基片上方，采用磁控溅射、离子束溅射或激光脉冲沉积等薄膜沉积方法沉积薄膜于基片上，按照一定顺序依次旋转和更换掩模板即可在基片上得到多个分立样品。这种方法除了完成材料的制备，用于筛选具备某种特性的材料以外，还特别适合于器件的制备和筛选。该技术最早由Xiao-Dong Xiang等人发表，该方法可以在一块基片上一次制备成百上千个样品。如授权公告号为CN2140916C(专利号为ZL02113385.6)的中国发明专利《二分旋转全组合材料合成方法》中公开的方法，通过二分旋转操作制备一套总数为N的掩模组，通过N次掩模过程实现N种元素的全组合，最终得到一个单元总数2^N的材料样本库。通过对这一样本库的性能测试，可以快速筛选出具备特定性能的新型材料体系。上述方法均需要将基片和掩模板固定在同一底座上，传统上每次更换掩模板都需要将掩模连同基片和底座一同取出真空腔，并暴露于大气中，破坏系统局部真空，易受到氧气等影响，尤其是某些对氧敏感的材料不适合采用这种方法。此外整个操作过程复杂，每次实验都需要消耗较长时间。

连续掩模法指的是掩模板通过往复连续移动，采用磁控溅射、离子束溅射或激光脉冲沉积等薄膜沉积方法在基底上形成厚度梯度分布的膜层的一种方法，该方法可广泛应用于各种复杂化合物材料的连续相图研制和掺杂改性研究，结合激光划线等技术，该方法同样适用于器件的高通量制备和研究。为了克服传统高通量组合薄膜材料和器件制备过程中掩模板更换耗时且易造成样品污染的缺点，Samuel S.Mao在文章“Highthroughput growth and characterization of thin film materials”中提出采用原位掩模板更换装置，通过旋转堆叠存放的掩模板进行更换，可以有效避免样品和掩模板的污染，也可以有效避免破坏真空环境，提高制备效率，但此装置中掩模板与样品基片间留有较大空隙，易造成阴影效应，影响样品质量。

发明内容

本发明所要解决的第一个技术问题是针对上述现有技术提供一种能够在真空环境内实现掩模板更换且能减少阴影效应影响的原位掩模转换装置。

本发明所要解决的第二个技术问题是针对上述现有技术提供一种原位掩模转换装置的使用方法，能够在不拆卸基片和掩模板的情况下实现基片的沉积过程。

本发明解决上述第一个技术问题所采用的技术方案为：一种原位掩模转换装置，其特征在于：包括一可运动的掩模板支架，所述掩模板支架上开设有至少两个开孔，所述开孔内放置有掩模板；

所述掩模板支架旁设置有可活动的基片移动驱动装置，所述基片移动驱动装置上可拆卸连接有与掩模板相匹配的基片，所述基片移动驱动装置能够能将所述基片推送入所述开孔并贴覆于所述掩模板上，所述基片移动驱动装置还能够带动基片离开所述开孔。

优选地，所述基片移动驱动装置包括固定架，所述固定架上连接一能够适度平移的柔性驱动臂，所述柔性驱动臂上连接一用于固定基片的基片架。

可选择地，所述驱动臂为可伸缩机械手或者可升降的机械手，所述可伸缩的机械手或者可升降的机械手为具有一定的平移柔性度的机械手，所述可伸缩机械手或者可升降的机械手由动力源驱动。

为了方便放置掩模板，对应于所述掩模板在所述开孔内的放置位置，所述开孔的内壁上、沿开孔周缘设置有第一凸台，所述掩模固定设置在所述第一凸台上。

为了准确放置基片以对准掩模板的放置位置，保证基片沉积的准确性，同时方便基片放置，对应于所述基片的入口方向的一端，所述开孔呈喇叭口外扩设置，从而形成与所述开孔轴向呈一定角度设置的滑槽；或者对应于所述基片的入口处，所述开孔周缘上连接设置有与所述开孔轴向呈一定角度的导向槽，所述导向槽自与开孔的连接处向外呈喇叭口外扩设置。

掩模根据不同的设计要求，所述掩模板支架为可旋转的盘体、可平移的带状支撑体或者可旋转的盘体与可平移的带状支撑体的结合体。

优选地，所述盘体为圆盘状，所述开孔以盘体圆心为中心均匀周向设置在所述盘体上，依顺时针或者逆时针顺序，先后沉积顺序的掩模板依次放置在各开孔内。

本发明解决上述第二个技术问题所采用的技术方案为：一种原位掩模转换装置的使用方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤一、将制备所需的多个掩模板分别放入对应的掩模板支架上的各个开孔内，并将原位掩模转换装置放入制备环境中；

步骤二、将放置有第一层材料沉积所需掩模板的开孔对准基片移动驱动装置上连接的基片；

步骤三、开启原位掩模转换装置，基片移动驱动装置推动基片进入开孔内，使得基片对准掩模板并将其压紧贴覆在掩模板上；

步骤四、利用掩模板进行基片的第一层材料沉积。

步骤五、第一层材料沉积完毕后，基片移动驱动装置带动基片离开开孔；

步骤六、掩模板支架运动，使得放置有下一层材料沉积所需的掩模板的开孔对准基片移动驱动装置上连接的基片；

步骤七、基片移动驱动装置推动基片进入开孔内，使得基片对准掩模板并将其压紧贴覆在掩模板上；

步骤八、利用掩模板进行基片的材料沉积；

步骤九、该层材料沉积完毕后，基片移动驱动装置带动基片离开开孔；

步骤十、如果基片的所有材料沉积未完成则返回步骤六，如果基片的所有材料沉积完成，则返回步骤十一；

步骤十一、自原位掩模转换装置上取下基片，并将基片取出制备环境。

与现有技术相比，本发明的优点在于：该原位掩模转换装置可以应用于真空腔体内完成基片与至少两个掩模板的配合沉积过程，整个制备过程中不需要将掩模板拿出更换，实现了在真空环境下的掩模板更换，能有效避免了大气中水、氧等物质对样品的污染。此外，该原位掩模转换装置能够实现基片与掩模板自对准，并且将基片与掩模板紧贴，减少了制备过程中，掩模板造成的阴影效应，保证了薄膜质量。同时，该原位掩模转换装置的使用方法可以实现掩模板在制备环境下的自动更换，节约掩模板取出制备环境进行更换的时间，提高了制备效率，操作更加方便。

附图说明

图1为本发明实施例中基片未放置在开孔中的原位掩模转换装置的结构示意图。

图2为本发明实施例中基片放置在开孔中的原位掩模转换装置的部分剖视图。

图3为本发明实施例中原位掩模转换装置的使用方法流程图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

如图1、图2所示，本实施例中的原位掩模转换装置，包括一可运动的掩模板支架，根据不同的设计需要，掩模板支架为可旋转的盘体1、可平移的带状支撑体或者可旋转的盘体1与可平移的带状支撑体的结合体。本实施例中掩模板支架选用可旋转的盘体1，该盘体1可以利用驱动杆连接在动力源上以带动盘体1依顺时针或者逆时针方向进行旋转。为了方便控制和使用，盘体1为圆盘状，盘体1上开设有至少两个开孔2，开孔2内放置有掩模板3，本实施例中该掩模板3固定放置在开孔2中，开孔2的形状适配于掩模板3的形状。根据不同的需求，开孔2内也具有可供掩模板3运动的空间，则掩模板3可以通过动作控制器控制驱动器以带动掩模板3在开孔2中平移、倾斜或者旋转移动，再配合具体的制备工艺，在基片上沉积成所需的样品图案。

开孔2的数量最优设置为镀膜的次数，即为需要的掩模板3的总数量。开孔2以盘体1圆心为中心均匀周向设置在盘体1上，各开孔2各固定设置一个掩模板3，掩模板3依照先后沉积顺序沿顺时针或者逆时针方向依次放置在各个开孔2中，如果盘体1的旋转方向为顺时针方向，则依顺时针方向依次将先后沉积顺序的掩模板3放置入开孔2内，反之则依逆时针方向依次将先后沉积顺序的掩模板3放置入开孔2内。如果开孔2数量为M个，则盘体1每次旋转的角度为360°/M，本实施例盘体1的转动方向选用顺时针旋转方向。

掩模板支架旁设置有可活动的基片移动驱动装置和基片架，本实施例中，可活动的基片移动驱动装置和基片架均设置于掩模板支架的上方。基片移动驱动装置和基片架之间由驱动臂相连，基片架上可拆卸连接有与掩模板3相匹配的基片6，基片移动驱动装置能够能将基片6推送入开孔2并贴覆于掩模板3上，基片移动驱动装置还能够带动基片6离开开孔2。基片移动驱动装置包括固定架4，该固定架4可以固定在工艺腔体内。固定架4上连接一能够活动的驱动臂5，驱动臂5上连接一用于固定基片6的基片架7。驱动臂5为可伸缩机械手或者可升降的机械手，可伸缩机械手或者可升降的机械手由动力源驱动，该可伸缩的机械手或者可升降的机械手为具有一定的平移柔性度的机械手，以方便实现基片6与掩模板3在一定的对准误差情况下的自对准。本实施例中的驱动臂5选用可伸缩机械手。

其中上述开孔2的径向截面形状与掩模3的形状、基片6的形状均适配设置，即当掩模3、基片6为圆形时，则开孔2为圆形开设，当掩模3、基片6为方形时，则开孔2为方形开设。

为了方便固定掩模板3，对应于掩模板3在开孔2内的放置位置，开孔2的内壁上、沿开孔2周缘设置有凸台21，掩模板3固定设置在凸台21上。

为了准确放置基片6以匹配掩模3的放置位置，保证基片6沉积的准确性，对应于基片6的入口方向的一端，开孔2呈喇叭口外扩设置，从而形成与开孔2轴向呈一定角度设置的滑槽22。或者对应于基片6的入口处，开孔2周缘上连接设置有与开孔2轴向呈一定角度的导向槽，导向槽自与开孔2的连接处向外呈喇叭口外扩设置。为了制造方便，本实施例中选用前者滑槽22的方案。如此不仅可以方便利用可伸缩机械手将基片6推入开孔2内，且基片6可以刚好对准贴覆掩模板3上。

滑槽22与开孔2的交汇折弯处距凸台21放置掩模板3的一面的距离基本等于掩模板3和基片6的厚度和，如此可以减少可伸缩机械手对基片6的推入开孔内的距离，可有效防止在推动过程中基片3因为扭动发生的误差，影响成品质量。

如图3所示，该原位掩模转换装置的使用方法，包括如下步骤：

步骤一、将制备所需的至少两个掩模板3分别放入对应的掩模板支架上的各个开孔2内，并将原位掩模转换装置放入制备环境中；

步骤二、将放置有第一层材料沉积所需掩模板3的开孔2对准基片移动驱动装置上连接的基片6；

步骤三、开启原位掩模转换装置，基片移动驱动装置推动基片6进入开孔2内，使得基片6对准掩模板3并将其压紧贴覆在掩模板3上；

步骤四、利用掩模板进行基片6的第一层材料沉积。

步骤五、第一层材料沉积完毕后，基片移动驱动装置带动基片离开开孔；

步骤六、掩模板支架运动，使得放置有下一层材料沉积所需的掩模板3的开孔对准基片移动驱动装置上连接的基片6；

步骤七、基片移动驱动装置推动基片6进入开孔内，使得基片6对准掩模板3并将其压紧贴覆在掩模板3上；

步骤八、利用掩模板进行基片6的材料沉积；

步骤九、该层材料沉积完毕后，基片移动驱动装置带动基片6离开开孔；

步骤十、如果基片6的所有材料沉积未完成则返回步骤六，如果基片6的所有材料沉积完成，则返回步骤十一；

步骤十一、自原位掩模转换装置上取下基片6，并将基片6取出制备环境。

其具体使用方法如下：

该原位掩模转换装置在使用时，将实验所需的至少两个掩模板3分别放入对应的掩模板支架上的各个开孔2内，打开制备腔体并将该原位掩模转换装置整体放置于制备腔体内进行使用。在该原位掩模转换装置开启工作前，调整盘体1的位置，使得可伸缩机械手支撑基片6在放置有第一层材料沉积所需掩模板3的开孔2的上端。然后根据制备需要可将制备腔体内抽真空，开启原位掩模转换装置，则伴随着可伸缩机械手的伸开，带动基片架7，从而可伸缩机械手推动基片6沿滑槽22进入第一个开孔内，在此过程中，由于可伸缩机械手具有一定的平移柔性度，故可伸缩机械手可以通过微平移调整，使得基片6对准掩模板3并将其压紧贴覆在掩模板3上，然后进行基片6的第一层材料沉积。待第一层材料完毕后，可伸缩机械手回缩，同时带动基片6离开第一个开孔，然后盘体1顺时针旋转360°/M，与第一开孔相邻的第二开孔旋转到基片6的下端对准基片6的位置，然后依次重复上述过程直至基片6的多层材料沉积完成，第一个开孔又旋转至基片6的下端，整个原位掩模转换装置工作完成。然后调整制备腔体内的气压基本等同于外界气压，再打开制备腔体，取出制备完成的基片6。

由上述原位掩模转换装置的工作过程可知，在多个掩模板3对基片6沉积过程中，不需要每利用一个掩模板3进行材料沉积后便将掩模板3自真空腔体内取出更换，而是在所有掩模板3对基片6的材料沉积过程完成后，才会取出制备完成的基片6。对于整个沉积制备过程，在真空环境下即完成了所有掩模板3的更换，大大减少了沉积过程中大气对基片6的污染，同时节省了更换掩模板3的时间，提高了生产效率，操作更加简单。

此外，作为上述方案的一种替代方案，盘体1或者带状支撑体可以固定设置，而固定架4可活动设置，从而带动驱动臂5沿掩模板3的放置轨迹运动，而驱动臂5则带动基片6，并分别与各个掩模板3配合完成沉积制备过程。

Claims (8)

1.一种原位掩模转换装置，其特征在于：包括一可运动的掩模板支架，所述掩模板支架上开设有至少两个开孔(2)，所述开孔(2)内放置有掩模板(3)；

所述掩模板支架旁设置有可活动的基片移动驱动装置，所述基片移动驱动装置上可拆卸连接有与掩模板(3)相匹配的基片(6)，所述基片移动驱动装置能够能将所述基片(6)推送入所述开孔(2)并贴覆于所述掩模板(3)上，所述基片移动驱动装置还能够带动基片(6)离开所述开孔(2)。

2.根据权利要求1所述的原位掩模转换装置，其特征在于：所述基片移动驱动装置包括固定架(4)，所述固定架(4)上连接一能够活动的驱动臂(5)，所述驱动臂(5)上连接一用于固定基片(6)的基片架(7)。

3.根据权利要求2所述的原位掩模转换装置，其特征在于：所述驱动臂(5)为可伸缩机械手或者可升降的机械手，所述可伸缩的机械手或者可升降的机械手为具有一定的平移柔性度的机械手，所述可伸缩机械手或者可升降的机械手由动力源驱动。

4.根据权利要求1所述的原位掩模转换装置，其特征在于：对应于所述掩模板(3)在所述开孔(2)内的放置位置，所述开孔(2)的内壁上、沿开孔(2)周缘设置有凸台(21)，所述掩模板(3)固定设置在所述凸台(21)上。

5.根据权利要求4所述的原位掩模转换装置，其特征在于：对应于所述基片(6)的入口方向的一端，所述开孔(2)呈喇叭口外扩设置，从而形成与所述开孔(2)轴向呈一定角度设置的滑槽(22)；或者对应于所述基片(6)的入口处，所述开孔(2)周缘上连接设置有与所述开孔(2)轴向呈一定角度的导向槽，所述导向槽自与开孔(2)的连接处向外呈喇叭口外扩设置。

6.根据权利要求1所述的原位掩模转换装置，其特征在于：所述掩模板支架为可旋转的盘体(1)、可平移的带状支撑体或者可旋转的盘体(1)与可平移的带状支撑体的结合体。

7.根据权利要求6所述的原位掩模转换装置，其特征在于：所述盘体(1)为圆盘状，所述开孔(2)以盘体(1)圆心为中心均匀周向设置在所述盘体(1)上，依顺时针或者逆时针顺序，先后沉积顺序的掩模板(3)依次放置在各开孔(2)内。

8.一种如权利要求1所述的原位掩模转换装置的使用方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤一、将制备所需的至少两个掩模板(3)分别放入对应的掩模板支架上的各个开孔(2)内，并将原位掩模转换装置放入制备环境中；

步骤二、将放置有第一层材料沉积所需掩模板(3)的开孔(2)对准基片移动驱动装置上连接的基片(6)；

步骤三、开启原位掩模转换装置，基片移动驱动装置推动基片(6)进入开孔(2)内，使得基片(6)对准掩模板(3)并将其压紧贴覆在掩模板(3)上；

步骤四、利用掩模板进行基片(6)的第一层材料沉积。

步骤五、第一层材料沉积完毕后，基片移动驱动装置带动基片离开开孔；

步骤六、掩模板支架运动，使得放置有下一层材料沉积所需的掩模板(3)的开孔对准基片移动驱动装置上连接的基片；

步骤七、基片移动驱动装置推动基片(6)进入开孔内，使得基片(6)对准掩模板(3)并将其压紧贴覆在掩模板(3)上；

步骤八、利用掩模板进行基片(6)的材料沉积；

步骤九、该层材料沉积完毕后，基片移动驱动装置带动基片(6)离开开孔；

步骤十、如果基片(6)的所有材料沉积未完成则返回步骤六，如果基片(6)的所有材料沉积完成，则进行步骤十一；

步骤十一、自原位掩模转换装置上取下基片(6)，并将基片(6)取出制备环境。