CN105671489B - 一种制备结构可控功能薄膜的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明属于薄膜制备领域，具体为一种制备结构可控功能薄膜的装置。该装置为真空装置，由包括一个溅射靶材、一个工件台、一个传动机构和一个转动机构在内的真空腔体组成，传动机构为驱动电机、驱动轴和齿轮传动装置构成，转动机构为分度盘、磁力转动装置、工件台支撑装置构成；溅射靶材、工件台、齿轮传动装置和工件台支撑装置置于真空腔体内，驱动电机、驱动轴、分度盘、磁力转动装置置于真空腔体外。驱动电机上的皮带与驱动轴相连，驱动轴延伸至真空腔体内与齿轮传动装置连接，实现工件台自转。转动分度盘呈一定角度，通过磁力转动装置使工件台支撑装置呈一定角度，实现工件台与靶材形成一定角度，进而在工件上沉积结构可控功能薄膜。

Description

一种制备结构可控功能薄膜的装置
技术领域
本发明属于薄膜制备领域，具体地说是一种制备结构可控功能薄膜的装置。
背景技术
结构可控功能薄膜是电子、信息、生物、能源等新技术发展的重要材料，应用于高清晰度、高分辨率显示器、半导体激光器、高存储元件、生物芯片、太阳能电池及节能器件等领域，对于未来信息技术、生物技术、电子技术以及能源技术的发展具有决定性作用。如：纳米结构的二氧化钛材料不仅具有其组成单元二氧化钛纳米粒子的特性效应，还具有一定有序的结构体系，能够为光生载流子提供直接的电通路，确保快速的电子传递速率，减少光催化反应中发生的复合反应和染料敏化太阳能电池中发生的暗反应，从而提高了二氧化钛的光催化活性和光电转换效率。新颖纳米结构的三氧化钨薄膜因具有更大的比表面积、特殊的微观结构，在致色反应中可提供更多的通道，便于反应原子/离子的注入和抽出，加强薄膜内质子与三氧化钨间的反应，将极大地影响其致色响应性能。
通常，功能薄膜采用反应磁控溅射方法制备，但传统的磁控溅射过程无法控制薄膜的生长方式，不能满足大比表面积结构可控的功能薄膜的制备需求，迫切需要一种制备结构可控功能薄膜的装置和方法。利用薄膜生长过程中的阴影效应，将磁控溅射源产生的等离子体形成固定方向的入射流，通过调整入射流与衬底之间形成一定的倾斜角度，控制薄膜的结构取向。在此过程中，当衬底以一定速率旋转，则可以调控薄膜的形貌和结构，实现在二维或三维尺度可控生长纳米结构薄膜，同时还可增强膜基结合力。
发明内容
本发明的目的在于提供一种制备结构可控功能薄膜的装置，通过溅射靶材与一定速度自转的工件台呈一定角度溅射，实现在工件上沉积结构可控功能薄膜。
为了实现上述目的，本发明的技术方案是：
该装置为真空装置，由包括一个溅射靶材、一个工件台、一个传动机构和一个转动机构在内的真空腔体组成，传动机构为驱动电机、驱动轴和齿轮传动装置构成，转动机构为分度盘、磁力转动装置、工件台支撑装置构成；其中，溅射靶材 、工件台、齿轮传动装置和工件台支撑装置置于真空腔体内，驱动电机、驱动轴、分度盘、磁力转动装置置于真空腔体外，具体结构为：溅射靶材和工件台相对设置、距离可调，驱动电机上的皮带与驱动轴相连，驱动轴延伸至真空腔体内与齿轮传动装置的输入端连接，工件台与齿轮传动装置的输出端连接；磁力转动装置的一侧设置分度盘，磁力转动装置的另一侧通过连接件与工件台支撑装置连接，工件台设置于工件台支撑装置上，通过磁力转动装置使工件台支撑装置偏转，转动分度盘上的刻度显示为工件台偏转角度，使工件台法线与溅射靶材法线之间形成夹角。
所述的制备结构可控功能薄膜的装置，其特征在于，齿轮传动装置由一组小齿轮传动装置和一组大齿轮传动装置组成；其中，小齿轮传动装置由两个呈90度角的小齿轮组成，一个小齿轮与驱动轴相连，另一个小齿轮与一组大齿轮传动装置相连；大齿轮传动装置由三个相邻的大齿轮：输入大齿轮、中间大齿轮、输出大齿轮组成，大齿轮传动装置输入端的输入大齿轮与小齿轮传动装置输出端的小齿轮同轴相连，中间大齿轮分别与位于两侧的输入大齿轮和输出大齿轮相啮合，输出大齿轮与工件台同轴相连。
所述的制备结构可控功能薄膜的装置，其特征在于，驱动电机带动皮带使驱动轴旋转，驱动轴旋转带动与其连接的小齿轮旋转，小齿轮旋转带动另一个呈90度角的小齿轮旋转，另一个呈90度角的小齿轮旋转带动同轴的输入大齿轮旋转，同轴的输入大齿轮旋转带动相邻的两个大齿轮：中间大齿轮、输出大齿轮依次旋转，相邻的两个大齿轮旋转带动工件台自转。
所述的制备结构可控功能薄膜的装置，其特征在于，转动机构通过磁力转动装置使工件台支撑装置偏转大于0～90度角，转动分度盘上的刻度显示为工件台偏转大于0～90度，使工件台法线与溅射靶材法线之间形成大于0～90度夹角。
所述的制备结构可控功能薄膜的装置，其特征在于，转动机构通过磁力转动装置使工件台支撑装置偏转70～85度角，转动分度盘上的刻度显示为工件台偏转70～85度，使工件台法线与溅射靶材法线之间形成70～85度夹角。
所述的制备结构可控功能薄膜的装置，其特征在于，溅射靶材和工件台之间距离为5～10cm可调。
所述的制备结构可控功能薄膜的装置，其特征在于，采用直流电源溅射靶材在工件上沉积薄膜，溅射气体为惰性气体，反应气体为氧气或氮气，溅射靶材采用纯金属靶材：钨靶、硅靶、钛靶、镍靶或锌靶。
本发明的技术原理是：
本发明将溅射靶材法线与以一定速度自转的工件台法线呈一定夹角，利用薄膜生长过程中的阴影效应，使溅射原子或原子团优先生长于成核处或薄膜表面，构筑成高深宽比的纳米结构。同时，通过调节溅射靶材法线与工件台法线之间的夹角、工件台自转速度与方向、溅射靶材与工件台之间距离、溅射气体流量、溅射时间、溅射靶材等沉积条件，实现在工件表面上沉积结构可控功能薄膜。
本发明的优点和有益效果为：
1、本发明提出一种制备结构可控功能薄膜的装置，通过控制薄膜的生长方式和速率，获得具有一定有序结构体系，使薄膜具有大的比表面积和孔隙率。
2、本发明提出的装置不仅可以实现单一种类金属薄膜的沉积，还可以实现沉积化合物薄膜。
3、本发明通过调节溅射靶材法线与工件台法线之间的夹角、工件台自转速度与方向、溅射气体流量、反应气体种类、溅射时间等，实现沉积结构可控的金属或化合物薄膜。
附图说明
图1为本发明装置示意图。
图中，1溅射靶材；2工件台；3 驱动电机；4驱动轴；5-1小齿轮Ⅰ；5-2小齿轮Ⅱ；5-3输入大齿轮；5-4中间大齿轮；5-5输出大齿轮；6 分度盘；7 磁力转动装置；8 工件台支撑装置；9真空腔体；10皮带。
具体实施方式
在具体实施方式中，本发明提供一种制备结构可控功能薄膜的装置，该装置为真空装置，该装置由包括一个溅射靶材、一个工件台、一个传动机构和一个转动机构在内的真空腔体组成。传动机构为驱动电机、驱动轴和齿轮传动装置构成，转动机构为分度盘、磁力转动装置、工件台支撑装置构成。工件台以一定角度面对溅射靶材，溅射靶材与工件台之间距离可调。驱动电机位于真空腔体外，驱动电机上的皮带与驱动轴相连，驱动轴延伸至真空腔体内与齿轮传动装置连接。
转动机构通过转动分度盘和磁力转动装置使工件台支撑装置呈一定角度，实现工件台法线与溅射靶材法线之间形成一定夹角，溅射靶材法线与以一定速度自转的工件台法线之间呈一定夹角，溅射靶材法线与工件台法线之间的夹角α在0～90度可调，实现在工件上溅射沉积结构可控功能薄膜。
齿轮传动装置由一组小齿轮传动装置和一组大齿轮传动装置组成。小齿轮传动装置由两个呈90度的小齿轮组成，其中一个小齿轮与驱动轴相连，另一个小齿轮与一组大齿轮传动装置相连。大齿轮传动装置由三个相邻的大齿轮组成，其中一个大齿轮与小齿轮同轴相连，另一个大齿轮与工件台同轴相连。驱动电机工作带动皮带使驱动轴旋转，驱动轴旋转带动连接的小齿轮旋转。小齿轮旋转带动另一个呈90度角的小齿轮旋转，另一个呈90度角的小齿轮旋转带动同轴的大齿轮旋转。同轴的大齿轮旋转带动相邻的两个大齿轮依次旋转，相邻的两个大齿轮旋转带动工件台自转。工件台的旋转速度在0～50转/分可调，并具有正向转或反向转功能。
使用时，通过直流电源溅射靶材在工件上沉积薄膜。其中，溅射气体为惰性气体，反应气体为氧气或氮气。溅射靶材采用纯金属靶材：钨靶、硅靶、钛靶、镍靶、锌靶等。
其中磁力转动装置、工件台支撑装置为现有技术，在此不做累述。
为了使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面将结合具体实施例进行详细描述。
实施例1
如图1所示，本实施例制备结构可控功能薄膜的装置，包括置于真空腔体9内的溅射靶材 1、工件台2、齿轮传动装置（小齿轮传动装置和大齿轮传动装置）5、工件台支撑装置8和置于真空腔体9外的驱动电机3、驱动轴4、分度盘6、磁力转动装置7等，具体结构如下：
溅射靶材1和工件台2相对设置，距离5～10cm可调，驱动电机3上的皮带10与驱动轴4相连，驱动轴4延伸至真空腔体9内与齿轮传动装置连接，齿轮传动装置由一组小齿轮传动装置和一组大齿轮传动装置组成。其中，小齿轮传动装置由两个呈90度角的小齿轮（小齿轮Ⅰ5-1、小齿轮Ⅱ5-2）组成，一个小齿轮Ⅰ5-1与驱动轴4相连，另一个小齿轮Ⅱ5-2与一组大齿轮传动装置相连。大齿轮传动装置由三个相邻的大齿轮（输入大齿轮5-3、中间大齿轮5-4、输出大齿轮5-5）组成，其中大齿轮传动装置输入端的输入大齿轮5-3与小齿轮传动装置输出端的小齿轮Ⅱ5-2同轴相连，中间大齿轮5-4分别与位于两侧的输入大齿轮5-3和输出大齿轮5-5相啮合，输出大齿轮5-5与工件台2同轴相连。驱动电机3工作带动皮带10使驱动轴4旋转，速度为10～50转/分。驱动轴4旋转带动与其连接的小齿轮Ⅰ5-1旋转，小齿轮Ⅰ5-1旋转带动另一个呈90度角的小齿轮Ⅱ5-2旋转，另一个呈90度角的小齿轮Ⅱ5-2旋转带动同轴的输入大齿轮5-3旋转，同轴的输入大齿轮5-3旋转带动相邻的两个大齿轮（中间大齿轮5-4、输出大齿轮5-5）依次旋转，相邻的两个大齿轮旋转带动工件台2自转，速度为2～10转/分。
分度盘6、磁力转动装置7、工件台支撑装置8构成转动机构，磁力转动装置7的一侧设置分度盘6，磁力转动装置7的另一侧通过连接件与工件台支撑装置8连接，工件台2设置于工件台支撑装置8上，通过磁力转动装置7使工件台支撑装置8偏转70～85度角，转动分度盘6上的刻度显示为工件台2偏转70～85度，实现工件台法线（垂直于工作台方向）与溅射靶材法线（垂直于溅射靶材方向）之间形成70～85度夹角。
本实施例中，选用石英玻璃作为衬底（尺寸20mm×30mm×0.7mm），对衬底依次用丙酮、异丙醇和无水乙醇溶液进行超声清洗10分钟，将清洗过的衬底放在工件台上，工件台连接偏压电源。溅射系统本底真空度为5.6×10-4 Pa。沉积前先通入纯氩气至1.2 Pa，在工件台上施加-1000V偏压，轰击衬底2 min，以清除基底表面上吸附的空气污染物。采用直径100mm、厚度5mm的金属钨靶（纯度：99.95wt%）作为溅射靶源。调整溅射靶材法线与衬底法线之间的夹角为85度，衬底转速为30转/分。溅射靶材与衬底中心之间的距离固定为100mm。工作气体为体积纯度99.999%的氩气和体积纯度99.999%的氧气。溅射时，氩气和氧气的流量分别控制为24sccm和21sccm，溅射压力调节为5.0×10-1Pa，溅射功率为250W，溅射时间为120分钟，膜厚约为250nm，具有纳米棒状结构。
实施例2
与实施例1不同之处在于，溅射靶材法线与衬底法线之间的夹角调整为80度。沉积过程中衬底共旋转3次，每次旋转5分钟，转数为40转/分。溅射靶材采用直径100mm、厚度5mm的金属钛（纯度：99.90wt%）作为溅射靶源。溅射靶材与衬底中心之间的距离固定为80mm。溅射气体仍然是高纯氩气和高纯氧气，溅射时，氩气和氧气的流量分别控制为12sccm和5.6sccm，溅射压力保持在5.0×10-1 Pa，溅射功率为250W，溅射时间为60分钟，膜厚约为250nm，具有Zig-Zag状结构。
实施例结果表明，本发明通过调节溅射靶材法线与工件台法线之间的夹角、工件台旋转速度、溅射靶材与工件台之间的距离、溅射气体流量、溅射时间、溅射靶材等，实现在工件表面上溅射沉积结构可控功能薄膜。本发明中溅射靶材由直流电源驱动并与具有一定自转速度的工件台形成一定的角度溅射，可实现在工件表面上溅射沉积结构可控功能薄膜，拓展了磁控溅射镀膜装置的应用范围。

Claims (5)

1.一种制备结构可控功能薄膜的装置的使用方法，其特征在于，将溅射靶材法线与自转的工件台法线呈一定夹角，利用薄膜生长过程中的阴影效应，使溅射原子或原子团优先生长于成核处或薄膜表面，构筑成高深宽比的纳米结构；同时，通过调节溅射靶材法线与工件台法线之间的夹角、工件台自转速度与方向、溅射靶材与工件台之间距离、溅射气体流量、溅射时间、溅射靶材沉积条件，实现在工件表面上沉积结构可控功能薄膜；该装置为真空装置，由包括一个溅射靶材、一个工件台、一个传动机构和一个转动机构在内的真空腔体组成，传动机构为驱动电机、驱动轴和齿轮传动装置构成，转动机构为分度盘、磁力转动装置、工件台支撑装置构成；其中，溅射靶材 、工件台、齿轮传动装置和工件台支撑装置置于真空腔体内，驱动电机、驱动轴、分度盘、磁力转动装置置于真空腔体外，具体结构如下：
溅射靶材和工件台相对设置、距离可调，驱动电机上的皮带与驱动轴相连，驱动轴延伸至真空腔体内与齿轮传动装置的输入端连接，工件台与齿轮传动装置的输出端连接；磁力转动装置的一侧设置分度盘，磁力转动装置的另一侧通过连接件与工件台支撑装置连接，工件台设置于工件台支撑装置上，通过磁力转动装置使工件台支撑装置偏转，转动分度盘上的刻度显示为工件台偏转角度，使工件台法线与溅射靶材法线之间形成夹角；
齿轮传动装置由一组小齿轮传动装置和一组大齿轮传动装置组成；其中，小齿轮传动装置由两个呈90度角的小齿轮组成，一个小齿轮与驱动轴相连，另一个小齿轮与一组大齿轮传动装置相连；大齿轮传动装置由三个相邻的大齿轮：输入大齿轮、中间大齿轮、输出大齿轮组成，大齿轮传动装置输入端的输入大齿轮与小齿轮传动装置输出端的小齿轮同轴相连，中间大齿轮分别与位于两侧的输入大齿轮和输出大齿轮相啮合，输出大齿轮与工件台同轴相连；
转动机构通过磁力转动装置使工件台支撑装置偏转大于0度且小于等于90度角，转动分度盘上的刻度显示为工件台偏转大于0度且小于等于90度，使工件台法线与溅射靶材法线之间形成大于0度且小于等于90度夹角。
2.按照权利要求1所述的制备结构可控功能薄膜的装置的使用方法，其特征在于，驱动电机带动皮带使驱动轴旋转，驱动轴旋转带动与其连接的小齿轮旋转，小齿轮旋转带动另一个呈90度角的小齿轮旋转，另一个呈90度角的小齿轮旋转带动同轴的输入大齿轮旋转，同轴的输入大齿轮旋转带动相邻的两个大齿轮：中间大齿轮、输出大齿轮依次旋转，相邻的两个大齿轮旋转带动工件台自转。
3.按照权利要求1所述的制备结构可控功能薄膜的装置的使用方法，其特征在于，转动机构通过磁力转动装置使工件台支撑装置偏转70～85度角，转动分度盘上的刻度显示为工件台偏转70～85度，使工件台法线与溅射靶材法线之间形成70～85度夹角。
4.按照权利要求1所述的制备结构可控功能薄膜的装置的使用方法，其特征在于，溅射靶材和工件台之间距离为5～10cm可调。
5.按照权利要求1所述的制备结构可控功能薄膜的装置的使用方法，其特征在于，采用直流电源溅射靶材在工件上沉积薄膜，溅射气体为惰性气体，反应气体为氧气或氮气，溅射靶材采用纯金属靶材：钨靶、硅靶、钛靶、镍靶或锌靶。
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