CN109852936A - 原位制备高通量薄膜并原位至微纳加工的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种原位制备高通量薄膜并原位至微纳加工的装置及方法，属于薄膜材料高通量制备及微纳加工技术领域。该装置包括基体、激光器、加热器、镀膜设备、甩胶腔体和电子束曝光腔，薄膜样品在真空或气氛条件采用激光加热，激光采用垂直照射，能量通过系统设置调整。通过掩膜板，用激光脉冲沉积方法制备成分连续分布、厚度梯度分布的高通量薄膜样品。高通量样品在横向成分连续分布，纵向厚度梯度分布，然后再激光脉冲沉积一层电极层，并通过原位输运至另一腔体中甩胶再原位输运至电子束曝光腔中进行感光胶曝光，原位获得制有图案的高通量薄膜。本发明可以实现高通量薄膜的制备、微纳图样制备并为后续电学测量提供原位的高通量样品。

Description

原位制备高通量薄膜并原位至微纳加工的装置及方法

技术领域

本技术方案属于薄膜材料高通量制备、微纳加工领域，具体涉及一种原位制备高通量薄膜并原位至微纳加工的装置及方法。

背景技术

高通量制备是指在短时间内完成大量样品的制备，即在一块基体上通过工艺设计完成大量不同成分材料的同时制备。随着工业的不断发展，目前现有的“试错法”材料研发模式己经跟不上时代对新材料的需求，研发模式的改革迫在眉睫。目前高通量制备技术主要采用掩膜法和共沉积法，这两种方法都可以得到成分或者厚度连续分布的薄膜材料。探究双变量的装置和技术虽然有，但是同时探究成分和厚度双变量的装置和技术却没有。

电子束曝光指使用电子束在表面上制造图样的工艺，是光刻技术的延伸应用。电子束曝光的精度可以达到纳米量级。传统大多数薄膜制备完成之后，直接取出，然后再转移至电子束曝光腔体中进行微纳加工和图样制备。针对高通量薄膜的制备与要求，高通量薄膜样品会直接暴露在空气中，由于空气存在氧气、水蒸气等易影响薄膜本征性能和表面物质。这样，暴露在大气后，高通量薄膜的本征性质会受到很大的影响，后续的高通量输运测量也将受到这种不可控因素的干扰，从而降低了高通量薄膜制备与测量优势。

因此本工作通过中间转移腔体将高通量薄膜制备腔与高通量电子束曝光腔体联接可以完成高通量薄膜的原位曝光。并且由于不同成分厚度的高通量薄膜从制备到表征都是完全一致的条件和环境，可以达到真正的控制其他不可控外界变量，定性的对比成分和厚度的影响。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在解决上述现有技术中存在的问题，提供一种原位制备高通量薄膜并原位至微纳加工的装置及方法，通过设计特定的掩膜板和步进模式可以获得成分及厚度变化的双变量薄膜，在制备电极层之后，再结合电子束曝光，实现高通量薄膜的原位图样制备。

该装置包括基体、激光器、加热器、镀膜设备、甩胶腔体和电子束曝光腔体，基体置于镀膜设备的样品台上，激光器和加热器分别连接镀膜设备，镀膜设备和电子束曝光腔体之间通过插板阀联接设置真空甩胶腔体。不甩胶时通过分子泵抽至真空度与镀膜腔保持一致，甩胶时通过通氮气气氛维持至普通大气压阈值。

镀膜设备采用三靶位，基体位于镀膜设备的被溅射靶位的正前方，基体和被溅射靶位之间有掩膜板一和掩膜板二，掩膜板一上开有窗口一和窗口二，甩胶腔体中有旋转加热台和机械喷涂枪。

电子束曝光腔内置扫描电子束显微镜探测头。

加热器使样品台背面受热，使样品升温，并且保证样品各处温度相同。

掩膜板一控制薄膜成分横向连续分布，掩膜板二控制薄膜厚度竖直方向台阶分布。

样品台设计成长条突出型，基体与样品台的长条截面完全贴合；基体尺寸为10*10mm，长条两侧还有两个圆柱形聚焦参照；样品台的长条截面尺寸为10*10mm，窗口尺寸为10*10mm。

甩胶腔体与镀膜设备之间通过插板一连通，甩胶腔体与电子束曝光腔之间通过插板二连通。其中甩胶腔体一直保持真空状态，真空度与镀膜设备相同。

采用上述装置的方法，包括步骤如下：

S1：衬底基体清洗干净，将基体放入激光脉冲沉积镀膜设备腔体中，采用PLC自动控制掩膜板一和掩膜板二移动，使薄膜样品在横向上成分梯度分布，在纵向上厚度梯度分布，薄膜制备完成后再换靶位溅射一层电极层；

S2：将具有成分梯度和厚度梯度分布的薄膜，通过自动机械化手段原位输运至甩胶腔体中进行甩负胶，再输运至电子束曝光腔中进行感光胶曝光，一次完成高通量样品的制备和图样制备。

其中，S1具体步骤如下：

S11：将基体依次用丙酮、无水乙醇在超声波清洗仪中分别清洗5分钟去除表面油污和杂质，氮气气枪吹干基体表面，用银胶将基体粘贴于样品台长方形顶端，保证完全贴合，背部没有暴露部分；

S12：将S11中样品台放入镀膜设备的激光脉冲沉积镀膜溅射腔体中，采用加热器加热，并通过热电偶探测基体温度；靶位分为选择A靶和B靶，步进电机一控制靶位公转，步进电机二控制掩膜板一横向匀速移动，步进电机三控制掩模板二竖直间断式移动，三者运动通过PLC程序控制进行；同时激光器进行溅射；

S13：PLC程序设定：

①初始位置A靶处于基体正前方，基体距掩膜板一为15mm，且沿中心轴平移能够完全贴合掩膜板一的窗口一，掩膜板二下沿完全贴合基体下沿；

②打开激光器，设定溅射参数；开始轰击A靶，同时掩膜板二迅速向上移动0.5mm，同时掩膜板一匀速右移，掩膜板二不动，掩膜板一匀速移动10mm，至基体右侧与掩膜板一的窗口一左侧重合时，暂停移动；转动到B靶轰击，至B靶位置时，掩膜板一继续匀速左移10mm，至基体与掩膜板一的窗口二重合时，完成第一个周期；

③激光继续轰击B靶，掩膜板二迅速向上移动0.5mm，同时掩膜板一匀速左移10mm，至基体左侧与掩膜板一的窗口二右侧重合时，暂停移动；移动到A靶，至A靶位置时，掩膜板一继续匀速右移10mm，至基体与掩膜板一的窗口一重合时，完成第二个周期；

④循环②、③中的一、二周期直至第二十个周期结束；

S14：将靶位公转至C靶，C靶上放置SrRuO₃靶材，激光轰击C靶，将SrRuO₃溅射至高通量薄膜表面作为电极层。

S2具体步骤为：

S21：将制备好的高通量薄膜通过磁力杆转移至甩胶腔体中，然后通过旋转加热台进行高速旋转并加热，并且机械喷涂枪均匀甩胶；

S22：将附着负胶的薄膜样品转移至电子束曝光腔中进行图样制备；

S23：完成后移至样品台两个圆柱形聚焦参照上进行聚焦，然后开始依次在不同高通量区域处进行图样制备。

本发明的上述技术方案的有益效果如下：

本发明的核心特色是：在开展制备高通量薄膜后，通过原位输运至另一腔体中甩胶，再原位输运至电子束曝光腔中进行感光胶曝光，原位获得制有图案的高通量薄膜样品，从而实现电学原位探测高通量薄膜的本征特征。由于不同成分厚度的高通量薄膜从制备到表征技术都是完全一致的条件和环境，这样能达到真正控制外界变量，材料性能不受外界环境因素干扰，从而能精确对比高通量薄膜的成分和厚度的影响，大大地加深高通量薄膜研究和发挥高通量薄膜材料的内在优势。

具体优点如下：

(1)针对于普通PLD只能完成单组分薄膜的制备，本发明的设计方案通过掩膜板的移动可以同时实现高通量厚度与成分的工艺条件研究；

(2)通过直接制备电极层且原位输运至电子束曝光装置进行维纳加工，可以最本质使薄膜表面不受外界大气影响，提高薄膜制图的质量，例：薄膜性能对空气中的氧气、水分甚至于二氧化碳敏感，而原位输运曝光可以避开这些干扰，并且甩胶后可以对薄膜有一个保护的作用。

(3)制备的高通量薄膜可以严格保证从制备到测量过程中除成分和厚度变量以外的实验条件完全一致，从而可以完全把控住整个过程中的实验条件，使得高通量薄膜从制备到输运测量中的不可控因素保持一致，因此“原位电子束曝光”能最大程度减少外界的干扰程度，获得本征的组分和厚度精确变化规律。

附图说明

图1为本发明的原位制备高通量薄膜并原位至微纳加工的装置结构示意图；

图2为样品台的空间示意图；

图3为本发明实施例中薄膜厚度和成分情况分布；

图4为电子束曝光样品示意图；

图5中(a)为本发明实施例中电子束曝光图案形状，(b)为电子束曝光流程图。

其中：1-基体；2-激光器；3-加热器；4-镀膜设备；5-甩胶腔体；6-电子束曝光腔；7-样品台；8-插板一；9-插板二；10-旋转加热台；11-机械喷涂枪。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

本发明提供一种原位制备高通量薄膜并原位至微纳加工的装置及方法。

如图1所示，该装置包括基体1、激光器2、加热器3、镀膜设备4、甩胶腔体5和电子束曝光腔6，基体1置于镀膜设备4的样品台7上，激光器2和加热器3分别连接镀膜设备4，镀膜设备4和电子束曝光腔6之间设置甩胶腔体5。

镀膜设备4采用三靶位，基体1位于镀膜设备4的被溅射靶位的正前方，基体1和被溅射靶位之间有掩膜板一和掩膜板二。

电子束曝光腔6内置扫描电子束显微镜探测头，甩胶腔体5包括旋转加热台10和机械喷涂枪11。

加热器3使样品台7背面受热，使样品升温，并且保证样品各处温度相同。

样品台7设计成长条突出型，如图2，基体1与样品台7的长条截面完全贴合；基体1尺寸为10*10mm，样品台7的长条截面尺寸为10*10mm，窗口10尺寸为10*10mm。

在实际应用中，脉冲激光沉积镀膜设备采用固体激光器轰击靶材，衬底位于激光脉冲沉积的目标靶材和掩膜板中心轴的延长线前15mm处。

本发明方法所制备的薄膜厚度和成分情况分布如图3阐述的成分连续变化：成分在薄膜z方向(朝纸面外)上A含量从100％→0，而B含量从0→100％。厚度台阶式变化：厚度在薄膜y方向上厚度一开始是xnm厚，每隔500um提高xnm，最终有20个厚度台阶，从x→20xnm。

电子束曝光过程如图4，电子束射入至胶体上感光形成图案，如图5(a)先于左下角样品处500um*500um区域(方块区域)处开始曝光图案，图案形状已给出。曝光完第一个区域之后，再移至下一个500um*500um区域处曝光，依次直至曝光完整个高通量样品，完成400个样品的曝光如图5(b)。

下面结合具体实施例予以说明。

步骤1:首先将衬底基体清洗干净，将基体放入激光脉冲沉积镀膜设备腔体中，采用PLC自动控制掩膜板移动，使得薄膜样品在横向上成分梯度分布，在纵向上厚度梯度分布；

步骤1.1:将基体依次用丙酮、无水乙醇在超声波清洗仪中分别清洗5分钟去除表面油污和杂质，吹风机吹干试样表面，用银胶将其粘贴于样品台长方形顶端，完全贴合，背部没有暴露部分；

步骤1.2镀膜:将烘烤干燥后的基体与样品台放入激光脉冲沉积镀膜溅射腔体中，采用激光器加热，设定需要的温度加热，并通过热电偶探测基体温度。靶材选择A靶和B靶，分别为a成分和b成分，采用步进电机一控制靶材公转，步进电机二控制掩膜板一横向匀速移动，步进电机三控制掩模板二竖直间断式移动，三者运动通过一个PLC程序控制进行。同时激光器进行溅射。镀膜室通过一台机械泵和分子泵控制真空。

步骤1.3PLC程序：初始位置A靶材处于基体正前方，基体距掩膜板一为15mm，且沿中心轴平移能够完全贴合掩膜板一的窗口一，掩膜板二下沿完全贴合基体下沿。打开激光器，同时掩膜板二向上移动0.5mm，轰击A靶，同时掩膜板一匀速右移，掩膜板二不动。掩膜板一匀速移动10mm，至基体右侧与掩膜板一的窗口一左侧重合时，暂停移动，转动到B靶。至B靶位置时，掩膜板一继续匀速左移10mm，至基体与掩膜板一的窗口二重合时，完成第一个周期。激光继续轰击B靶，同时掩膜板二向上移动0.5mm，同时掩膜板一匀速左移10mm，至基体左侧与掩膜板一的窗口二右侧重合时，暂停移动，移动到A靶，至A靶位置时，掩膜板一继续匀速右移10mm，至基体与掩膜板一的窗口1重合时，完成第二个周期。循环一、二周期直至第二十个周期结束。

步骤1.4高通量薄膜制备完成之后，将靶位公转至C靶，C靶上放置SrRuO3靶材，激光轰击C靶，将SrRuO3溅射至高通量薄膜表面作为电极层。

步骤2:将具有成分梯度和厚度梯度分布的薄膜，通过自动手段托起样品台然后原位输运至甩胶腔体，再输运至电子束曝光腔体中进行感光胶曝光，从而可以原位获得制有图案的高通量薄膜，用于接下来的电学测量。

其中，所述薄膜基体放置在附图2中样品台中心方块位置上，刚好贴合，样品台形状如下，设计成这种形状是为了甩胶腔中甩胶过程中不会将负胶甩至聚焦参照上，后续电子束曝光过程中需要通过附图2中的聚焦参照左、右进行聚焦。

步骤2.1：高通量薄膜制备完成后，采用机械自动控制，将样品台转移至相同真空情况下的甩胶腔体中，使用插板阀隔断与激光脉冲沉积设备的连接，然后更换腔体内气体，通入氮气，至接近大气压后，打开机械喷涂枪对准样品台中心进行喷胶，然后打开步进电机控制样品台的旋转，400转/min转5min，甩至均匀之后打开加热板进行加热烘烤10min。

步骤2.2：甩胶完成后，抽至真空，然后打开插板阀2，将样品托通过机械化自动转移至电子束曝光腔体中，通过SEM扫描聚焦参照左、右进行聚焦，随后对400个不同成分及厚度的高通量样品逐个曝光。

最终获得的带有电极的高通量样品通过下一步刻蚀之后可以进行后续的高通量电学性能测量。在整个过程中，薄膜制备除成分及厚度外条件完全相同、电极制备完全一致、甩胶一致及电子束曝光一致，真正的实现了从制备到电学性能表征过程中获得本征的组分和厚度精确变化规律。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种原位制备高通量薄膜并原位至微纳加工的装置，其特征在于：包括基体(1)、激光器(2)、加热器(3)、镀膜设备(4)、甩胶腔体(5)和电子束曝光腔(6)，基体(1)置于镀膜设备(4)的样品台(7)上，激光器(2)和加热器(3)分别连接镀膜设备(4)，镀膜设备(4)和电子束曝光腔(6)之间设置甩胶腔体(5)。

2.根据权利要求1所述的原位制备高通量薄膜并原位至微纳加工的装置，其特征在于：所述镀膜设备(4)采用三靶位，基体(1)位于镀膜设备(4)的被溅射靶位的正前方，基体(1)和被溅射靶位之间有掩膜板一和掩膜板二，掩膜板一上开有窗口一和窗口二，甩胶腔体(5)中有旋转加热台(10)和机械喷涂枪(11)。

3.根据权利要求1所述的原位制备高通量薄膜并原位至微纳加工的装置，其特征在于：所述电子束曝光腔(6)内置扫描电子束显微镜探测头。

4.根据权利要求1所述的原位制备高通量薄膜并原位至微纳加工的装置，其特征在于：所述加热器(3)使样品台(7)背面受热，使样品升温，并且保证样品各处温度相同。

5.根据权利要求2所述的原位制备高通量薄膜并原位至微纳加工的装置，其特征在于：所述掩膜板一控制薄膜成分横向连续分布，掩膜板二控制薄膜厚度竖直方向台阶分布。

6.根据权利要求2所述的原位制备高通量薄膜并原位至微纳加工的装置，其特征在于：所述样品台(7)设计成长条突出型，基体(1)与样品台(7)的长条截面完全贴合；基体(1)尺寸为10*10mm，样品台(7)的长条截面尺寸为10*10mm。

7.根据权利要求1所述的原位制备高通量薄膜并原位至微纳加工的装置，其特征在于：所述甩胶腔体(5)与镀膜设备(4)之间通过插板一(8)连通，甩胶腔体(5)与电子束曝光腔(6)之间通过插板二(9)连通，其中甩胶腔体(5)一直保持真空状态，真空度与镀膜设备(4)相同。

8.采用权利要求1-7所述的原位制备高通量薄膜并原位至微纳加工的装置的方法，其特征在于：包括步骤如下：

S1：衬底基体清洗干净，将基体(1)放入镀膜设备(4)腔体中，采用PLC自动控制掩膜板一和掩膜版二移动，使薄膜样品在横向上成分梯度分布，在纵向上厚度梯度分布，薄膜制备完成后再换靶位溅射一层电极层；

S2：将具有成分梯度和厚度梯度分布的薄膜，通过自动机械化手段原位输运至甩胶腔体(5)中进行甩负胶，再输运至电子束曝光腔(6)中进行原位获得制有图案的高通量薄膜，用于接下来的电学测量，一次完成高通量样品的制备和图样制备。

9.根据权利要求8所述的原位制备高通量薄膜并原位至微纳加工的装置的使用方法，其特征在于：所述S1具体步骤如下：

S11：将基体(1)依次用丙酮、无水乙醇在超声波清洗仪中分别清洗5分钟去除表面油污和杂质，用氮气气枪吹干基体表面，用银胶将基体粘贴于样品台(7)长方形顶端，保证完全贴合，背部没有暴露部分；

S12：将S11中样品台(7)放入镀膜设备(4)的激光脉冲沉积镀膜溅射腔体中，采用加热器(3)加热，并通过热电偶探测基体温度；高通量薄膜制备靶位分别选择A靶和B靶，步进电机一控制靶位公转，步进电机二控制掩膜板一横向匀速移动，步进电机三控制掩模板二竖直间断式移动，步进电机一、步进电机二和步进电机三通过PLC程序控制进行；同时激光器(2)进行溅射；

S13：PLC程序设定：

①初始位置A靶处于基体(1)正前方，基体(1)距掩膜板一为15mm，且沿中心轴平移能够完全贴合掩膜板一的窗口一，掩膜板二下沿完全贴合基体(1)下沿；

②打开激光器(2)，设定溅射参数；开始轰击A靶，同时掩膜板二迅速向上移动0.5mm，同时掩膜板一匀速右移，掩膜板二不动，掩膜板一匀速移动10mm，至基体(1)右侧与掩膜板一的窗口一左侧重合时，暂停移动；转动到B靶轰击，至B靶位置时，掩膜板一继续匀速左移10mm，至基体(1)与掩膜板一的窗口二重合时，完成第一个周期；

③激光继续轰击B靶，掩膜板二迅速向上移动0.5mm，同时掩膜板一匀速左移10mm，至基体(1)左侧与掩膜板一的窗口二右侧重合时，暂停移动；移动到A靶，至A靶位置时，掩膜板一继续匀速右移10mm，至基体(1)与掩膜板一的窗口一重合时，完成第二个周期；

④循环②、③中的一、二周期直至第二十个周期结束；

S14：将靶位公转至C靶，C靶上放置SrRuO₃靶材，激光轰击C靶，将SrRuO₃溅射至高通量薄膜表面作为电极层。

10.据权利要求8所述的原位制备高通量薄膜并原位至微纳加工的装置的使用方法，其特征在于：所述S2具体步骤如下：

S21：将制备好的高通量薄膜通过磁力杆转移至甩胶腔体(5)中，然后通过旋转加热台(10)进行高速旋转并加热，并且机械喷涂枪(11)均匀甩胶；

S22：将附着负胶的薄膜样品转移至电子束曝光腔(6)中进行图样制备；

S23：完成后移至样品台基体处进行聚焦，然后开始依次在不同高通量区域处进行图样制备。