CN108330456A - 一种高通量材料制备的装置及其应用 - Google Patents

一种高通量材料制备的装置及其应用 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种高通量材料制备的装置及其应用。本申请的装置，包括基片台、材料共混区、基片台移动系统、溅射源和溅射电源；基片台上安装有若干个可组装延伸的基片单元；溅射源包括若干个不同靶材料的溅射阴极，各溅射阴极独立控制，使用时，所有溅射阴极的束流汇集于材料共混区；材料共混区为不同靶材料的溅射材料的混合区域；基片台移动系统控制基片台移动，使基片单元依序通过材料共混区，进行磁控溅射。本申请的装置，可以实现不同材料按不同比例沉积，从而制备出一系列的新材料，并且可以实现持续的高通量生产，极大的方便了新材料的研发以及材料基因组材料库建库。

Description

一种高通量材料制备的装置及其应用
技术领域
本申请涉及新材料制备设备领域，特别是涉及一种高通量材料制备的装置及其应用。
背景技术
2011年6月24日，时任美国总统奥巴马提出“材料基因组计划”，标志着材料基因组技术从概念阶段发展到实施阶段，并迅速引起国际上的广泛关注。该计划经过多年的发展，逐渐衍生出一套新的计算、实验、大数据库工具一体化的材料研究体系，这些软件和工具将会为整个材料研发提供新的平台，为找到最适合预期性能的材料提供帮助。这些平台的存在将会为各个交叉性学科专业团队之间的无缝交流提供保障。
材料基因组材料库的建设除了需要高通量计算外，还需要收集大量的实验数据作为支撑。目前，大多数的功能材料是以薄膜的形式使用，因此以薄膜为主的组合材料学方法，也称材料芯片技术，在功能材料的研究与开发中有非常重要的作用。传统的薄膜材料制备方法效率低下，一次性只能生产同一组分和构造类型的一批次薄膜材料，无法满足材料基因组材料库的建库使用需求。
因此，亟需研发一种可以高通量的制备新材料的实验工具和平台，以便快速建立材料数据库。
发明内容
本申请的目的是提供一种新的高通量材料制备的装置及其应用。
本申请采用了以下技术方案：
本申请的一方面公开了一种高通量材料制备的装置，包括基片台1、材料共混区2、基片台移动系统3、溅射源4、溅射电源5；基片台1上安装有若干个可组装延伸的基片单元；溅射源4包括若干个不同靶材料的溅射阴极，每个溅射阴极由独立的溅射电源5控制，并且使用时，所有溅射阴极的束流汇集于材料共混区2；材料共混区2为不同靶材料的溅射阴极对基片单元进行溅射的区域，并且，各溅射阴极的溅射材料在材料共混区2混合；基片台移动系统3控制基片台1移动，使基片单元依序通过材料共混区2，进行磁控溅射。
其中，基片单元用于在其表面形成磁控溅射膜，基片台用于安装基片单元；基片单元的数量或者类型可以根据生产需求而选择或任意组装。
需要说明的是，本申请的高通量材料制备的装置，实际上是一个改进的磁控溅射系统，本申请的装置包括若干个独立控制的不同靶材料的溅射阴极，这就可以实现，采用一台装置生产各种不同组分组合的一系列的新材料，极大的方便了材料基因组材料库的建库使用。其中，选择开启不同的溅射阴极，可以实现不同材料的沉积，制备各种组分的新材料；通过调节各个溅射阴极的溅射电源的放电参数，可以改变材料沉积的配比。并且，本申请的装置还包括安装有若干基片单元的基片台和基片台移动系统，可以实现持续不断的高通量生产，可以理解，基片台上，在一次磁控溅射过程中，就只有其中一个或几个基片单元处于工作状态，而其它基片单元都是待机状态，因此，可以持续不断的加入新的基片单元、取走已经溅射好的基片单元，实现高通量的持续生产。此外，本申请的装置中，每个溅射阴极都是独立控制，因此，可以根据其参数调节，获得一系列的不同特征的新材料。
还需要说明的是，本申请的关键在于通过结构改进，实现不同特征的新材料的高通量生产，至于磁控溅射系统的其它组成部分，例如保护气氛系统、真空系统等都可以参考现有的磁控溅射，在此不做具体限定。
优选的，基片单元为圆形、矩形或者其它任意形状，每个基片单元之间相互连接或相互绝缘、隔热。
需要说明的是，基片单元的形状可以根据所需要的检测或产品需求而定，在此不做具体限定。
优选的，本申请的装置还包括偏压系统，其中，偏压系统独立的为各基片单元提供偏压，或者同时为所有或部分基片单元提供偏压。
优选的，本申请的装置还包括加热系统，其中，加热系统独立的为各基片单元加热，或者同时为所有或部分基片单元加热。
需要说明的是，为了获得一系列不同特征的新的膜材料，有时候需要对基片单元提供偏压或者加热，因此，本申请的改进装置方案中，进一步的包括偏压系统和/或加热系统，以对基片单元提供相应的偏压或者加热。
优选的，基片台移动系统3通过丝杆传动或气动的传动方式，控制基片台1在X、Y或Z方向移动。
优选的，不同靶材料的溅射阴极中，靶材料选自Cu、Al、V、Ti、Cr、Mn、Zn、Zr、Nb、Mo、Pd、Ag、Ta、W、Pt、Au等金属材料及其合金中的任意一种，或者，靶材料为TiO2、CuO、ZrO2、CdS或PbS。
优选的，不同靶材料的溅射阴极的数量为2-100个，各溅射阴极的靶材料各不相同。
优选的，溅射电源5为直流电源或脉冲电源，脉冲电源包括中频脉冲、射频脉冲和高功率脉冲中的任意一种，可独立的为各溅射阴极提供驱动。
优选的，基片台1与溅射源4的距离为5-100cm，并且，材料共混区2中，各溅射阴极的溅射材料的交汇区域面积为1-100cm2。
需要说明的是，由于基片单元是安装在基片台上的，因此，基片台1与溅射源4的距离实际上就是磁控溅射的距离。
本申请的另一面公开了本申请的装置在新材料研发、材料基因组材料库建库或高通量薄膜材料生产中的应用。
可以理解，本申请高通量材料制备的装置，能够高通量的生产一系列不同特征的新材料，因此，特别适用于新材料研发，同时也能够满足材料基因组材料库建库的使用需求，也能够适用于薄膜材料的高通量生产。采用本申请高通量材料制备的装置能够有效的缩短新材料的研发周期，减小研发成本。
本申请的装置针对目前新材料开发周期长、成本高的问题，我们提出了采用特有的磁控溅射技术将不同材料按照不同的比例进行沉积，并通过调节溅射源及基片台参数在一次实验中制备系列材料。本申请所公开的装置是基于磁控溅射技术，其中包含若干磁控溅射源，所有磁控溅射源可同时在一个小基片单元上沉积，并可以通过调节每个磁控溅射源的放电参数改变材料配比；此外，基片台上阵列排布若干小基片单元，可通过基片台控制系统调节沉积单元位置及基片温度，实现新材料的高通量制备。本申请公开的新材料高通量制备装置在科研及产业界具有极大的应用前景。
本申请的有益效果在于：
本申请的高通量材料制备的装置，其中设置多个基片单元以及多个独立控制的溅射阴极，通过启动不同的溅射阴极可以实现不同材料按不同比例沉积，从而制备出一系列的新材料，并且各个基片单元依序进行磁控溅射，可以实现持续的高通量生产，极大的方便了新材料的研发以及材料基因组材料库建库。
附图说明
图1是本申请实施例中高通量材料制备的装置的结构示意图；
图2是本申请实施例中基片单元相互绝缘并加偏压的示意图；
图3是本申请实施例中不同溅射源分别使用直流电源或射频电源的示意图。
具体实施方式
目前新材料开发周期长、成本高等，是阻碍新材料研发的一个重要因素。而造成新材料开发周期长、成本高的一个很重要的因素就是，现有的材料芯片技术中，薄膜新材料的生产无法满足研发的使用需求，特别是在材料基因组材料库建库的过程中，需要大批量的一系列的薄膜新材料。本申请针对以上问题，创造性的研发了一款新的高通量材料制备的装置；本申请采用特有的磁控溅射技术将不同材料按照不同的比例进行沉积，并通过调节溅射源及基片台参数在一次实验中制备系列材料。
本申请的装置是基于磁控溅射技术构建的，其中包含若干个溅射阴极，所有溅射阴极可同时在一个小的基片单元上沉积，并通过调节每个溅射阴极的放电参数改变材料配比，同时基片台上阵列排布若干小基片单元，可通过基片台控制系统调节沉积单元位置及基片温度，实现新材料的高通量制备。
下面通过具体实施例对本申请作进一步详细说明。以下实施例仅对本申请进行进一步说明，不应理解为对本申请的限制。
实施例
本例的高通量材料制备的装置，如图1所示，包括基片台1、材料共混区2、基片台移动系统3、溅射源4、溅射电源5；基片台1上安装有若干个可组装延伸的基片单元，每个基片单元用于放置一个或多个磁控溅射基膜；溅射源4包括若干个不同靶材料的溅射阴极，每个溅射阴极由独立的溅射电源5控制，并且使用时，所有溅射阴极的束流汇集于材料共混区2；材料共混区2为不同靶材料的溅射阴极对基片单元进行溅射的区域，并且，各溅射阴极的溅射材料在材料共混区2混合；基片台移动系统3控制基片台1移动，使基片单元依序通过材料共混区2，进行磁控溅射。
本例中，基片台1包含3×3个基片单元，各基片单元尺寸为1×1cm2。材料共混区2为各溅射源共同沉积的交汇点，交汇区域面积与基片单元面积相同为1cm2。基片台移动系统3通过高精度的丝杆传动方式，控制基片台1在X、Y或Z方向移动。
本例中，各溅射阴极所用材料选用Cu、Al、V、Ti、Cr、Mn、Zn、Zr、Nb、Mo、Pd、Ag、Ta、W、Pt、Au等金属材料及其合金中的任意一种，且溅射阴极的数量为5个。
本例中，溅射电源5为溅射源提供电源，本例采用直流电源进行溅射。基片台1与材料共混区2高度相同，基片台1与溅射源4距离为20cm。
进一步的，改进方案中，高通量材料制备的装置还包括偏压系统和加热系统，每个基片单元相互连接，且同时提供偏压、加热功能；又或者，如图2所示，给特定的基片单元施加偏压，用以增加溅射材料的离化率。
更进一步的改进方案中，5个溅射阴极由4个金属靶材和1个陶瓷靶材组成，如图3所示，4个金属靶材采用直流电源进行溅射，陶瓷靶材采用射频电源进行溅射。
本例的高通量材料制备的装置，通过独立的控制5个溅射阴极，可以实现任意两种材料、任意三种材料、任意四种材料或五种材料的混合沉积；同时，独立的控制5个溅射阴极的放电参数，可以改变各材料沉积的配比，形成一系列的新材料。
可以理解，溅射阴极的数量可以根据生产或研发需求而设计，例如需要混合沉积的材料种类比较多的情况下，可以设计更多数量的溅射阴极；至于靶材料的选择，同样根据具体的生产或研发需求而定，原则上只要可以适用于磁控溅射的材料都可以作为本申请的靶材料。基片台与溅射源的距离根据实际使用中的磁控溅射距离而定，材料共混区中各溅射源共同沉积的交汇区域面积由所需要生产的新材料的大小而定，一般与基片单元的面积相同即可。
以上内容是结合具体的实施方式对本申请所作的进一步详细说明，不能认定本申请的具体实施只局限于这些说明。对于本申请所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换。

Claims (10)

1.一种高通量材料制备的装置，其特征在于：包括基片台(1)、材料共混区(2)、基片台移动系统(3)、溅射源(4)和溅射电源(5)；
所述基片台(1)上安装有若干个可组装延伸的基片单元；
所述溅射源(4)包括若干个不同靶材料的溅射阴极，每个溅射阴极由独立的溅射电源(5)控制，并且使用时，所有溅射阴极的束流汇集于所述材料共混区(2)；
所述材料共混区(2)为不同靶材料的溅射阴极对基片单元进行溅射的溅射材料的混合区域；
所述基片台移动系统(3)控制所述基片台(1)移动，使基片单元依序通过材料共混区(2)，进行磁控溅射。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述基片单元为圆形、矩形或者其它任意形状，每个基片单元之间相互连接或相互绝缘、隔热。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：还包括偏压系统，所述偏压系统独立的为各基片单元提供偏压，或者同时为所有或部分基片单元提供偏压。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：还包括加热系统，所述加热系统独立的为各基片单元加热，或者同时为所有或部分基片单元加热。
5.根据权利要求1-4任一项所述的装置，其特征在于：所述基片台移动系统(3)通过丝杆传动或气动的传动方式，控制所述基片台(1)在X、Y或Z方向移动。
6.根据权利要求1-4任一项所述的装置，其特征在于：所述不同靶材料的溅射阴极中，靶材料选自Cu、Al、V、Ti、Cr、Mn、Zn、Zr、Nb、Mo、Pd、Ag、Ta、W、Pt、Au等金属材料及其合金中的任意一种，或者，靶材料为TiO2、CuO、ZrO2、CdS或PbS。
7.根据权利要求1-4任一项所述的装置，其特征在于：所述不同靶材料的溅射阴极的数量为2-100个，各溅射阴极的靶材料各不相同。
8.根据权利要求1-4任一项所述的装置，其特征在于：所述溅射电源(5)为直流电源或脉冲电源，所述脉冲电源包括中频脉冲、射频脉冲和高功率脉冲中的任意一种，可独立的为各溅射阴极提供驱动。
9.根据权利要求1-4任一项所述的装置，其特征在于：所述基片台(1)与溅射源(4)的距离为5-100cm，所述材料共混区(2)中，各溅射阴极的溅射材料的交汇区域面积为1-100cm2。
10.根据权利要求1-9任一项所述的装置在新材料研发、材料基因组材料库建库或高通量薄膜材料生产中的应用。
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