CN110551982B - 一种用于脉冲激光成膜的靶材、薄膜的制造方法及设备 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例公开了一种用于脉冲激光成膜的靶材、薄膜的制造方法及设备。该靶材包括位于所述靶材表面的第一区域和第二区域，其中，所述第一区域和所述第二区域分别具有第一组分和第二组分，所述第一组分和所述第二组分不同，在成膜期间，所述脉冲激光的光斑轰击所述第一区域和所述第二区域以获得可调整组分的薄膜。本发明实施例提供的靶材、组合薄膜的制造方法及设备，通过设计合成组合型靶材，并结合对激光光斑的控制调节，能够实现多种目的组合薄膜的生长；并能够极大地提高样品合成的效率，能够(连续)调控具体的某个生长变量，实现系列样品的平行制备；该制造设备的原理简单、复杂程度低，降低了累计误差和机械损耗的影响。

Description

一种用于脉冲激光成膜的靶材、薄膜的制造方法及设备
技术领域
本发明涉及材料制备技术领域，特别涉及一种用于脉冲激光成膜的靶材、薄膜的制造方法及设备。
背景技术
新材料的发现往往是一个漫长和偶然的过程，研发周期长、投入大、效率低。研究人员希望能够面向实际需求进行材料设计，实现从依赖经验的试错型摸索向有理论依据的、可计算预测的科学设计转变。但材料的组分-结构-性能之间的关系是复杂多变的，目前还没有一种理论或实验能够全面、准确地获取所有的必需信息。建立完整、精确的材料相图库虽有助于实现该目标，但是多元素排列组合、多参量调控将使薄膜材料的研究不可避免地面临从庞大样品库中筛选合适材料的难题。
传统的材料研究采用的是“单一条件(组分)合成-测试-调整参数-再合成”的“顺序迭代”试错模式，在此模式下，新材料从研究到实用至少需要十年的时间，这很难满足现代社会对材料研发高效和低成本的需求。新近发展的高通量组合薄膜技术能够在一次合成过程中形成对某一参量的梯度控制，从而实现在一块衬底上获得一系列的化学成分/厚度等的样品，能够极大地提高样品合成的效率，进而快速建立完整、精确的材料相图库。
现有技术的高通量组合薄膜技术采用的是多个不同化学成分的靶材(源)，通过一定的几何结构或机械掩膜的方式实现化学成分组合或厚度梯度变化。但现有技术需要协同控制多个靶材和机械掩膜的运动，提高了成膜设备的复杂性，且往复的机械运动会带来累计误差并加速机械的损耗。
因此，希望有一种新的技术方案，能够解决上述问题。
发明内容
鉴于上述问题，本发明实施例提供了一种用于脉冲激光成膜的靶材、薄膜的制造方法及设备，从而能够使用单个靶材实现多种目的组合薄膜的生长。
根据本发明的一方面，提供一种用于脉冲激光成膜的靶材，包括：位于所述靶材表面的第一区域和第二区域，其中，所述第一区域和所述第二区域分别具有第一组分和第二组分，所述第一组分和所述第二组分不同，在成膜期间，所述脉冲激光的光斑轰击所述第一区域和所述第二区域以获得可调整组分的薄膜。
优选地，所述第一区域和所述第二区域为同心的圆或圆环。
优选地，所述第一区域和所述第二区域为互补形状，所述第一区域和所述第二区域在距靶材中心的不同半径的圆周上的弧长比例随所述半径变化。
优选地，所述弧长比例与所述半径成正比。
优选地，所述第一区域的形状为从靶材中心延伸的直线和曲线，与靶材周边围绕的封闭形状。
根据本发明的另一方面，提供一种薄膜的制造方法，包括以下步骤：提供衬底；提供如权利要求1所述的靶材；使用脉冲激光轰击所述靶材的第一区域和第二区域；在所述衬底上得到所述薄膜。
优选地，所述靶材的第一区域和第二区域为同心的圆或圆环，所述脉冲激光的光斑同时轰击所述第一区域和所述第二区域，在所述成膜期间，调整所述光斑轰击的所述第一区域和所述第二区域的面积比例。
优选地，所述靶材的第一区域和第二区域在距靶材中心的不同半径的圆周上的弧长比例随半径变化，在所述成膜期间，所述光斑的轰击轨迹为与所述靶材同心的圆环，调整所述圆环半径以得到组分配比不同的所述薄膜。
根据本发明的再一方面，提供一种薄膜的制造装置，包括：衬底基座，用于放置衬底；靶材基座，与所述衬底基座相对设置，用于放置如权利要求1所述的靶材；以及脉冲激光发生器，用于产生脉冲激光轰击所述靶材。
优选地，所述制造装置还包括：掩膜板，位于所述脉冲激光的轰击路径上，用于调整所述脉冲激光的轰击面积。
本发明实施例提供的用于脉冲激光成膜的靶材、薄膜的制造方法及设备，通过设计合成组合型靶材，并结合对激光光斑的控制调节，能够实现多种目的组合薄膜的生长；并能够极大地提高样品合成的效率，能够(连续)调控具体的某个生长变量，实现系列样品的平行制备；该制造设备的原理简单、复杂程度低，降低了累计误差和机械损耗的影响。
附图说明
通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
图1示出了根据本发明第一实施例的靶材的结构示意图；
图2示出了根据本发明第二实施例的靶材的结构示意图；
图3示出了根据本发明第三实施例的靶材的结构示意图；
图4示出了根据本发明第四实施例的靶材的结构示意图；
图5示出了根据本发明第一实施例的薄膜的制造方法的流程图；
图6示出了根据本发明第二实施例的薄膜的制造方法的流程图；
图7示出了根据本发明第三实施例的薄膜的制造方法的流程图；
图8示出了根据本发明第一实施例的薄膜的制造设备的结构示意图；
图9示出了根据本发明第二实施例的薄膜的制造设备的结构示意图；
图10示出了根据本发明第三实施例的薄膜的制造设备的结构示意图。
图11示出了根据本发明实施例的掩膜板的俯视示意图。
具体实施方式
以下将参照附图更详细地描述本发明的各种实施例。在各个附图中，相同的元件采用相同或类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。此外，在图中可能未示出某些公知的部分。
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。在下文中描述了本发明的许多特定的细节，例如部件的结构、材料、尺寸、处理工艺和技术，以便更清楚地理解本发明。但正如本领域的技术人员能够理解的那样，可以不按照这些特定的细节来实现本发明。
应当理解，在描述部件的结构时，当将一层、一个区域称为位于另一层、另一个区域“上面”或“上方”时，可以指直接位于另一层、另一个区域上面，或者在其与另一层、另一个区域之间还包含其它的层或区域。并且，如果将部件翻转，该一层、一个区域将位于另一层、另一个区域“下面”或“下方”。
在本发明的描述中，术语“薄膜”是相对于“厚膜”而言，“厚膜”是指在衬底上用印刷烧结等技术所形成的厚度为10微米到数十微米的膜层，“薄膜”是指厚度小于10微米的膜层。组合薄膜是由不同组分构成的薄膜。
图1示出了根据本发明第一实施例的靶材的结构示意图。如图1所示，该靶材10包括两种组分，A组分11(第一组分)和B组分12(第二组分)。图1(a)示出了该靶材10的俯视图，图1(b)示出了该靶材10沿A-A方向的剖视图。该靶材10为圆盘状，A组分11和B组分12的界限为一条直线和一条曲线，直线与曲线之间的夹角为θ。该靶材10的半径例如为R，半径为r处的夹角例如可以按照θ＝2πx进行设计，其中x为化合物A1-xBx中B组分12的含量。即在半径为r的圆环上，A组分11和B组分12的比例为1-x：x，其中，0≤x≤1。
图2示出了根据本发明第二实施例的靶材的结构示意图。如图2所示，该靶材10包括两种组分，A组分11和B组分12。图2(a)示出了该靶材10的俯视图，图2(b)示出了该靶材10的主视剖视图。该靶材10为圆盘状，A组分11是一个半径为r的圆盘，B组分12是一个内径为r，外径为R的圆环。A组分11和B组分12相互接触，共同形成一个圆盘。
图3示出了根据本发明第三实施例的靶材的结构示意图。如图3所示，该靶材10包括两种组分，A组分11和B组分12。图3(a)示出了该靶材10的俯视图，图3(b)示出了该靶材10沿A-A方向的剖视图。该靶材10例如为一个半径为R的圆盘，A组分11和B组分12的界限为一条直线和一条曲线，该曲线例如为阿基米德螺旋线。A组分11和B组分12的比例为1-x：x，在半径r的取值由0到R的过程中，x的取值由0逐渐变化为1。
图4示出了根据本发明第四实施例的靶材的结构示意图。如图4所示，该靶材10包括三种组分，A组分11、B组分12和C组分13。图4(a)示出了该靶材10的俯视图，图4(b)示出了该靶材10沿A-A方向的剖视图。该靶材10例如为半径为R圆盘，在半径为r的圆环上，A组分11、B组分12和C组分13具有特定的比例。
在本发明的一个可选实施例中，靶材由不同组分的材料构成。在不同半径的圆环上，构成靶材的种类和/或种类数量、各组分的种类、各组分的配比不相同。
在本发明的一个可选实施例中，靶材用于脉冲激光成膜。靶材包括位于靶材表面的第一区域和第二区域。第一区域和第二区域分别具有不同的第一组分和第二组分。在成膜期间，脉冲激光的光斑轰击第一区域和第二区域可以获得可调组分的薄膜。
需要说明的是，以上仅为靶材的几种实施例，本发明的靶材并不限于此。根据本发明实施例的靶材，至少包括两种组分。靶材的形状、组分的种类以及各组分的形状、位置等，可以根据实际的需求进行设计。根据本发明实施例的靶材上特定的一部分具有特定的组分及比例。
图5示出了根据本发明第一实施例的薄膜的制造方法的流程图。薄膜例如为组合薄膜，结合图1和图5，对组合薄膜制造方法的流程进行说明。组合薄膜的制造包括以下步骤：
在步骤S500中，提供衬底；
提供衬底，所述衬底用于组合薄膜的生长。
在步骤S501中，将靶材放置在预定的位置；
靶材例如为图1所示的具有两种组分的靶材，用于形成组合薄膜。靶材例如放置在与衬底相对的位置上。
在步骤S502中，使靶材旋转；
设置靶材的旋转方向、旋转速度等。例如使圆盘状的靶材沿其轴心旋转。
在步骤S503中，调整轰击位置；
组合薄膜的制造例如可以选择脉冲激光沉积(Pulsed Laser Deposition，PLD)。利用激光轰击靶材，使靶材溅射沉积在衬底上，形成组合薄膜。
调整激光光斑照射在靶材上的位置(轰击位置)，使激光照射在离靶材圆心固定的半径处。
需要说明的是，上述的设置步骤并无严格的顺序要求。对靶材旋转的设置以及对激光光斑位置调整等的顺序可以根据实际的需求进行调整。
在步骤S504中，对靶材进行轰击，在衬底上沉积得到组合薄膜。
利用激光对旋转的靶材进行轰击，随着靶材的旋转，靶材受激光照射的位置为一个圆环。结合图1以及对图1的相关说明可知，圆环上的两种组分具有特定的比例。溅射得到的组合薄膜具有特定的配比A1-xBx。
上述的第一实施例利用单靶实现了具有不同化学成分的均匀组合薄膜的生长；并且只需调整轰击位置，便可生长得到配比不同的组合薄膜。
在本发明的一个可选实施例中，在成膜期间，光斑的轰击轨迹为与靶材同心的圆环。通过调整此圆环的半径，可得到组分配比不同的薄膜。
在本发明的一个可选实施例中，靶材10例如为图4所示的具有三种组分的靶材。利用上述的组合薄膜的制造方法，可以制得具有三种组分的组合薄膜。通过调整轰击位置，可以实现对三种组分配比的调整。
在本发明的一个可选实施例中，靶材的第一区域(第一组分)和第二区域(第二组分)在距靶材中心的不同半径的圆周上的弧长比例随半径变化。在成膜期间，脉冲激光的轰击范围是圆心为靶材中心的圆环的至少一部分。通过调整受轰击范围(圆环的半径)以得到组分配比不同的薄膜。
需要说明的是，以上仅为部分实施例。使用不同的靶材，可以得到不同组成及配比的组合薄膜。通过调整轰击位置，可以调整生成组合薄膜的组分及各组分的配比。
图6示出了根据本发明第二实施例的薄膜的制造方法的流程图。薄膜例如为组合薄膜，结合图2和图5，对组合薄膜制造方法的流程进行说明。组合薄膜的制造包括以下步骤：
在步骤S600中，提供衬底；
提供衬底，所述衬底用于组合薄膜的生长。
在步骤S601中，将靶材放置在预定的位置；
靶材10例如为图2所示的具有两种组分的靶材，用于形成组合薄膜。靶材例如放置在与衬底相对的位置上。
在步骤S602中，调整初始轰击位置；
组合薄膜的制造例如可以选择脉冲激光沉积(Pulsed Laser Deposition，PLD)。利用激光轰击靶材，使靶材溅射沉积在衬底上，形成组合薄膜。
调整激光光斑初始照射在靶材上的位置(初始轰击位置)，使得初始的激光光斑打到A组分11和B组分12的面积成一定的比例。初始的激光光斑打到的地方也可以全部是A组分11或全部是B组分12。
在步骤S603中，对靶材进行轰击，轰击过程中对轰击位置进行调整，在衬底上得到组分改变的组合薄膜。
在对靶材10进行轰击的过程中，对轰击位置进行调整。例如沿着靶材10的径向匀速移动激光光斑的照射位置，使得激光光斑照射下的A组分11和B组分12的比例逐渐变化，从而在衬底上生长得到化学配比范围不同的组分渐变薄膜。
在本发明的一个可选实施例中，靶材10为如图2所示的靶材，在生成组合薄膜的过程中，靶材10沿其轴心进行旋转。
在本发明的一个可选实施例中，靶材10例如为矩形，在生成组合薄膜的过程中，靶材10固定不动。
在本发明的一个可选实施例中，靶材的第一区域和第二区域为同心的圆或圆环。脉冲激光的光斑同时轰击第一区域和第二区域。在成膜期间，调整光斑轰击下的第一区域和第二区域的面积比例以生长得到化学配比范围不同的组分渐变薄膜。
图7示出了根据本发明第三实施例的薄膜的制造方法的流程图。薄膜例如为组合薄膜，如图7所示，组合薄膜的制造包括以下步骤：
在步骤S700中，提供衬底；
提供衬底，所述衬底用于组合薄膜的生长。
在步骤S701中，将靶材放置在预定的位置；
将靶材放置在预定的位置，例如放置在与衬底相对的位置上。靶材用于形成组合薄膜。
在步骤S702中，对靶材进行轰击，轰击过程中对轰击面积进行调整，在衬底上得到厚度渐变的组合薄膜。
组合薄膜的制造例如可以选择脉冲激光沉积(Pulsed Laser Deposition，PLD)。利用激光轰击靶材，使靶材溅射沉积在衬底上，形成组合薄膜。
在对靶材10进行轰击的过程中，对轰击面积进行调整。例如在激光光源的出口处加装掩膜板。通过调节掩膜板来调节打在靶材上的激光光斑的形状，实现对打在靶材上的激光光斑面积的调整。在不改变各处激光脉冲能量密度的情况下，各点的生长速率与激光的面积相关。上述操作可以在衬底上获得厚度渐变的组合薄膜。
以上仅为本发明的部分实施例。通过对上述实施例进行简单结合，便可得到其他的实施例。例如将上述的第二实施例和第三实施例进行简单的结合，便可得到生长组分和生长厚度均渐变的组合薄膜。
图8示出了根据本发明第一实施例的薄膜的制造设备的结构示意图。该薄膜例如为组合薄膜，如图8所示，该组合薄膜的制造设备包括靶材基座20、衬底基座30以及脉冲激光发生器40。
具体的讲，靶材基座20用于承载靶材10。靶材基座20例如可以使靶材10绕着靶材的轴心旋转。
衬底基座30与靶材基座20相对设置。衬底基座30用于承载衬底，在衬底上形成最终的组合薄膜50。
脉冲激光发生器40用于对靶材10进行轰击，例如为脉冲激光光源。脉冲激光发生器40可以灵活的进行位置调整，使轰击发生在靶材10上的特定位置上。
该组合薄膜的制造设备在使用时，靶材10绕着自身的轴心旋转，脉冲激光发生器40轰击靶材10的表面(例如为脉冲激光光源提供激光光源轰击靶材10，光斑例如为图中所示的三角形)。靶材10被轰击后电离并膨胀而形成羽状辉光(羽辉)。羽辉中的物质(靶材)在衬底上沉积形成组合薄膜。
图9示出了根据本发明第二实施例的薄膜的制造设备的结构示意图。该薄膜例如为组合薄膜，如图9所示，该组合薄膜的制造设备包括靶材基座20、衬底基座30以及脉冲激光发生器40。
具体的讲，靶材基座20用于承载靶材10。
衬底基座30与靶材基座20相对设置。衬底基座30用于承载衬底，在衬底上形成最终的组合薄膜50。
脉冲激光发生器40用于对靶材10进行轰击。脉冲激光发生器40例如为脉冲激光光源。脉冲激光光源可进行灵活地调整，能够使激光轰击在靶材10上的特定位置上。
该组合薄膜的制造设备在使用时，靶材10例如为图2所示的具有两种组分的靶材。调整脉冲激光光源，使初始发出的激光轰击在靶材10上的特定位置上。打在靶材10上的激光光斑具有一定的面积，激光光斑覆盖下的例如全部是A组分11或全部是B组分12或是A组分11和B组分12具有一定的比例。在组合薄膜50的生长过程中，对脉冲激光光源进行调节以改变激光光斑照射的位置，实现对激光轰击下A组分11和B组分12的面积比例的调整。靶材10在被激光轰击后电离并膨胀而形成羽状辉光(羽辉)。羽辉中的物质(靶材)在衬底上沉积形成组合薄膜。靶材10被轰击后电离并膨胀而形成羽状辉光(羽辉)。羽辉中的物质(靶材)在衬底上沉积形成组合薄膜50。在组合薄膜50生长的过程中，靶材10与脉冲激光光源相互配合(调整打在靶材10上激光光斑的位置，调整A组分11和B组分12受轰击的面积)，从而生长得到化学配比范围不同的组分渐变的组合薄膜50。
图10示出了根据本发明第三实施例的薄膜的制造设备的结构示意图。图11示出了根据本发明实施例的掩膜板的俯视示意图。
该薄膜例如为组合薄膜，如图10所示，该组合薄膜的制造设备包括靶材基座20、衬底基座30、脉冲激光发生器40以及掩膜板60。
具体的讲，靶材基座20用于承载靶材10。
衬底基座30与靶材基座20相对设置。衬底基座30用于承载衬底，在衬底上形成最终的组合薄膜50。
脉冲激光发生器40用于对靶材10进行轰击。
掩膜板60安装在脉冲激光发生器40的轰击路径上。以脉冲激光发生器40为脉冲激光光源为例，掩膜板60安装在脉冲激光光源的出口处。如图11所示，掩膜板60例如为具有三角形镂空(掩膜图案)的掩膜板。脉冲激光光源发出的激光经过掩膜板60打在靶材10上的激光光斑的形状例如为三角形(如图10所示)。通过调节掩膜板60的位置，使得打在靶材10上的激光光斑的面积不同。在不改变各处激光脉冲能量密度的情况下，各点的生长速率与激光光斑的面积相关。
该组合薄膜的制造设备在使用时，靶材10被激光轰击后电离并膨胀而形成羽状辉光(羽辉)。羽辉中的物质(靶材)在衬底上沉积形成组合薄膜50。在组合薄膜50生长的过程中，通过调节掩膜板60的位置，实现对靶材10上激光光斑面积的控制，进而控制组合薄膜的生长速率，最终得到厚度渐变的组合薄膜50。
在本发明的可选实施例中，掩膜板的形状可以根据具体的情况进行设计，掩膜图案(镂空的形状)可以是矩形、圆形等。
需要说明的是，以上仅为本发明的部分实施例。通过对上述实施例进行简单结合，便可得到其他的实施例。例如将上述的第二实施例和第三实施例进行简单的结合，便可得到制造生长组分和生长厚度均渐变的组合薄膜的制造设备。
应当说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
依照本发明的实施例如上文所述，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (8)

1.一种薄膜的制造装置，其特征在于，包括：
衬底基座，用于放置衬底；
靶材基座，与所述衬底基座相对设置，用于放置靶材；
脉冲激光发生器，用于产生脉冲激光轰击所述靶材；
掩膜板，用于调整所述脉冲激光的轰击区域，
其中，所述靶材包括位于所述靶材表面的第一区域和第二区域，所述第一区域和所述第二区域分别具有第一组分和第二组分，所述第一组分和所述第二组分之间设置有界限，所述第一组分和所述第二组分不同，在成膜期间，所述脉冲激光的光斑轰击所述第一区域和所述第二区域以获得可调整组分的薄膜；通过调节所述掩膜板的位置得到厚度渐变的薄膜。
2.根据权利要求1所述的薄膜的制造装置，其特征在于，所述第一区域和所述第二区域为同心的圆或圆环。
3.根据权利要求1所述的薄膜的制造装置，其特征在于，所述第一区域和所述第二区域为互补形状，所述第一区域和所述第二区域在距靶材中心的不同半径的圆周上的弧长比例随所述半径变化。
4.根据权利要求3所述的薄膜的制造装置，其特征在于，所述弧长比例与所述半径成正比。
5.根据权利要求1所述的薄膜的制造装置，其特征在于，所述第一区域的形状为从靶材中心延伸的直线和曲线，与靶材周边围绕的封闭形状。
6.一种薄膜的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
提供衬底；
提供靶材；
使用脉冲激光轰击所述靶材的第一区域和第二区域；
在所述衬底上得到所述薄膜，
其中，所述靶材包括位于所述靶材表面的第一区域和第二区域，所述第一区域和所述第二区域分别具有第一组分和第二组分，所述第一组分和所述第二组分之间设置有界限，所述第一组分和所述第二组分不同；
在成膜期间，所述脉冲激光的光斑轰击所述第一区域和所述第二区域以获得可调整组分的薄膜；调整面积以得到厚度渐变的薄膜。
7.根据权利要求6所述的制造方法，其特征在于，所述靶材的第一区域和第二区域为同心的圆或圆环，所述脉冲激光的光斑同时轰击所述第一区域和所述第二区域，在所述成膜期间，调整所述光斑轰击的所述第一区域和所述第二区域的面积比例，获得可调组分的薄膜。
8.根据权利要求6所述的制造方法，其特征在于，所述靶材的第一区域和第二区域在距靶材中心的不同半径的圆周上的弧长比例随半径变化，在所述成膜期间，所述光斑的轰击轨迹为与所述靶材同心的圆环，调整所述圆环半径以得到组分配比不同的所述薄膜。
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