CN110777344A - 一种高通量磁控溅射纳米薄膜器件一体化制备装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高通量磁控溅射纳米薄膜器件一体化制备装置，包括主机、真空抽气装置、电源及控制系统和机柜，主机包括工作腔室、样品架、五个磁控靶和样品挡板，五个磁控靶倾斜地环绕在工作腔室顶部，实现共溅射或依次溅射；每个磁控靶配有一个靶挡板，靶挡板通过收缩开合临时遮挡对应磁控靶；样品架设置在磁控靶的下方，样品架顶部设有样品罩，样品罩具有多个样品通孔，用于高通量制备多组份混合纳米薄膜和纳米多层功能薄膜器件。样品挡板设在样品罩的上方。镀膜制备装置的磁控靶的设计充分利用了工作腔室内部的空间，能够实现共溅射或依次溅射镀膜。样品罩具有不少于100个样品通孔，能够单次同时制备上百个同样的样品，为材料基因组高通量镀膜提供可能。

Description

一种高通量磁控溅射纳米薄膜器件一体化制备装置

技术领域

本发明属于磁控溅射镀膜技术领域，具体涉及一种高通量磁控溅射纳米薄膜器件一体化制备装置。

背景技术

磁控溅射属于物理气相沉积(Physical Vapor Deposition，PVD)中的一种，磁控溅射镀膜技术是一种重要的薄膜制备方法，可以在载体上制备金属、半导体、绝缘体等多材料的薄膜，具有设备简单、易于控制、镀膜面积大和附着力强的优点。磁控溅射通过在靶阴极表面引入磁场，利用磁场对带电粒子的约束来提高等离子体密度以增加溅射率。

专利CN201110358232.0提供了一种磁控溅射系统，包括磁控室、基片转台、基片转台驱动电机、传动机构、磁控靶、机台架、真空抽气系统及电动提升机构，磁控室安装在机台架上、与位于机台架内的真空抽气系统相连，在磁控室内均布有多个安装在磁控室下法兰上的磁控靶；基片转台转动安装在磁控室上盖上，所载基片位于磁控室内、各磁控靶的上方，磁控室上盖上还安装有基片转台驱动电机，基片转台通过传动机构由驱动电机驱动旋转；机台架内安装有电动提升机构，其输出端由机台架穿出、与磁控室的上盖相连接，带动上盖及上盖上的基片转台和基片转台驱动电机升降。

目前，本领域技术人员发开了包含多个磁控靶的磁控溅射设备，用于制备不同材料的薄膜，节省了重复上样、抽真空、溅射镀膜等操作步骤。自2011年本领域提出材料基因组计划后，国内磁控溅射镀膜高通量的研究取得一定进展，例如，专利CN201820416442.8公开了一种用于高通量镀膜工艺的五靶磁控溅射镀膜仪，包括机架，机架内上部设置有真空腔室，机架底部设置有PLC控制器，真空腔室内部设置有若干个磁控溅射靶头，真空腔室外顶部设置有若干个分别与各个磁控溅射靶头连接的高压连接器，高压连接器与PLC控制器连接，每个磁控溅射靶头下方安装有电动挡板，真空腔室的底部安装有样品台，样品台下方设置有加热平台，加热温度由温控表进行控制，样品台的上面覆盖一个旋转台，旋转台上设置有一孔，机架内部还设置有用于驱动旋转台旋转的电机，可一次性制备最多32个样品。

然而，目前的高通量磁控溅射镀设备研究较少，一次性处理样品量有待提高，并且如何实现一次性处理样品的高一致性，一直是本领域技术人员面临的问题，在高通量多层膜器件磁控溅射镀膜装置研究领域尚属空白。另外，磁控靶挡板和样品台挡板如何设计才能提高挡板运动时空间的利用率，使得磁控溅射镀设备内部更加紧凑，缩小整体设备的体积，实现磁控溅射镀设备的高通量化、微型化。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种高通量磁控溅射纳米薄膜器件一体化制备装置，所述制备装置设有五个磁控靶，所述磁控靶设置在工作腔室的不同方位且具有倾斜角度，每个所述磁控靶配有一个靶挡板，所述靶挡板能够通过收缩开合的方式临时遮挡对应的磁控靶，充分利用了工作腔室内部的空间，能够实现共溅射或依次溅射镀膜。所述制备装置的样品架上方设置样品挡板，能够遮挡样品台上的不同区域，实现不同样品的差异化镀膜，所述样品架上方设有样品罩，样品罩具有不少于100个样品通孔，能够单次同时制备上百个同样的样品，为材料基因组高通量镀膜提供可能。所述制备装置特别适用于高通量制备纳米多层膜功能器件，如无机全固态电致薄膜器件，同时适用于相同条件下制备的上百个相同样品进行不同性能的破坏性和非破坏性测试。本发明通过对磁控靶、样品架、靶挡板和样品挡板的设计实现高通量样品镀膜一致性和装置结构紧凑的目的。

为了实现上述目的，本发明提供了一种高通量磁控溅射纳米薄膜器件一体化制备装置，所述制备装置包括主机、真空抽气装置、电源及控制系统和机柜，所述主机包括工作腔室、样品架、五个磁控靶和样品挡板，五个所述磁控靶倾斜地环绕在工作腔室的顶部，能够实现共溅射或依次溅射；每个磁控靶配有一个靶挡板，所述靶挡板通过收缩开合临时遮挡对应的磁控靶；所述样品架设置在磁控靶的下方，样品架顶部设有样品罩，所述样品罩具有多个样品通孔，用于高通量制备多组份混合纳米薄膜和纳米多层功能薄膜器件，所述样品挡板设在样品罩的上方。

所述主机为所述制备装置的核心工作部件，磁控溅射镀膜操作在所述工作腔室的内部进行。所述磁控靶倾斜设置在工作腔室的顶部，磁控靶与水平面之间的夹角为30-60度，优选的，所述夹角为40-50度。

优选的，所述工作腔室的顶部为倾斜壁面，所述倾斜壁面与磁控靶平行，工作腔室的中部和下部为立方体或圆柱体形状；所述工作腔室的一侧设有样品门，用于样品进出，当样品门关闭时，工作腔室内部形成密闭空间，在所述真空抽气装置的作用下形成真空环境。所述工作腔室的材质选自不锈钢或合金钢。

优选的，所述样品门与工作腔室的门框之间设有密封条和磁吸板，提高工作腔室的密封性。

优选的，所述工作腔室的上部为圆台形状，圆台侧面为倾斜壁面。

优选的，五个所述磁控靶均匀环绕设置在工作腔室顶部的倾斜壁面上，倾斜壁面具有与磁控靶相同的倾斜角度，磁控靶的靶头朝向工作腔室内部的不同方向，每个磁控靶可以设置不同的靶材，实现一次性多种材料镀膜或使用不同材料镀多层膜，同时使得所述样品架上的样品能够接受多方向的靶材溅射镀膜，还能够实现共溅射或依次溅射镀膜，具有广泛的应用前景。

所述磁控靶通过法兰固定在所述倾斜壁面上，所述工作腔室外设置多个高压连接器，每个高压连接器与对应的磁控靶连接，所述高压连接器通过电路与电源及控制系统连接。

本发明中在所述工作腔室的不同方位设置多个具有倾斜角度的磁控靶，达到了以下技术效果：(1)所述磁控靶具有一定的倾斜角度，保证每个磁控靶的溅射镀膜范围覆盖所述样品罩；(2)同一个磁控靶对所述样品架上的所有样品均匀镀膜，提高所有样品的一致性；(3)满足多种材料镀膜和镀多层膜的需要；(4)对同一个样品镀多层膜而言，不同磁控靶镀膜均匀一致，提高了样品膜层的平整度；(5)满足共溅射或依次溅射镀膜的多功能要求，且充分利用空间，尽量减小工作腔室的体积。

所述样品架包括样品台、样品罩、支撑杆和驱动旋转装置。所述样品台内部设有加热装置，样品罩可拆卸地设在样品台上方。所述支撑杆的顶部固定连接样品台，且底部穿过工作腔室的底板连接所述驱动旋转装置，所述驱动旋转装置设置在工作腔室的外部。所述样品台能够在驱动旋转装置的作用下旋转，调整样品台上的样品与每个磁控靶的对应关系，便于样品差异化镀膜。

所述样品台为板状，且表面均匀平整，用于直接放置样品，有利于提高所有样品镀膜的一致性。所述样品台的形状选自扇形、方形、圆形、平行四边形或三角形，根据镀膜样品的数量和镀膜顺序要求，选自合适的样品台的形状。

所述样品台的内部设有加热装置，所述加热装置直接加热样品台上的样品，优选的，所述加热装置为加热丝。传统的磁控溅射镀膜机的样品台一般采用间接加热的方式，即在样品台下方再设置加热装置，造成样品台温度与样品温度不一致，既浪费了热能，又造成样品温度的准确性较差的缺点。本发明将加热装置直接放入样品台，使得样品台即具有加热功能，直接均匀加热样品，提高了样品温度的准确性，也使得样品温度更加容易控制。

优选的，所述加热装置连接热电偶，所述加热装置与热电偶连接通过电路连接加热电源，控制加热温度。

所述样品罩具有多个样品通孔，优选的，所述样品罩具有不少于100个样品通孔，使用时，将样品罩安装在样品台的上方，罩住样品台上的样品板，所述样品通孔使得样品板上的对应区域暴露在磁控靶下方，可以在所述样品板暴露的区域进行镀膜，所述样品通孔的数量即为制备样品的数量。本发明所述的制备装置比传统磁控溅射镀膜设备的一次性样品处理量大一个数量级，所述样品罩能够单次同时制备上百个同样的样品，为材料基因组高通量镀膜提供可能。

优选的，所述样品罩的直径为100-150mm，所述样品通孔为边长1-10mm的正方形。

所述样品台的底部设有托板，支撑所述样品台，优选的，所述托板与样品台之间填充有绝缘材料。所述托板的材质为不锈钢或合金钢，满足样品台与所述支撑杆的刚性连接需求，所述托板与样品台之间填充的绝缘材料起到隔热和绝缘的双重作用，在提高所述加热装置的热量利用率的同时，使得样品台与地绝缘，样品台可以承受1000V的偏压，实现快速加热。

所述支撑杆连接样品台与驱动旋转装置，通过自身的运动机构实现所述样品台的升降运动和旋转运动。所述支撑杆包括空轴、套轴和绝缘套管，所述空轴的顶端套入绝缘套管，底端套入套轴，空轴能够在套轴内伸缩、转动，所述绝缘套管的顶端与所述托板固定连接，所述套轴穿过工作腔室的底板并与驱动旋转装置的从动齿轮相连。

所述支撑杆还包括固定部件、密封部件和轴承，所述固定部件选自螺母、螺钉、螺栓或铆钉，所述密封部件选自密封套、密封垫或密封圈。所述空轴的上部通过固定部件与绝缘套管固定连接，所述绝缘套管的顶端通过固定部件与所述托板固定连接，即空轴通过绝缘套管与样品台间接固定连接，这种设计能够使得样品台与周围环境或部件绝缘，提高溅射镀膜的质量。

所述套轴穿过工作腔室的底板的部位设置所述固定部件和密封部件，将所述支撑杆和样品台稳固支撑，并保证工作腔室的密封性。所述套轴与密封部件之间设有至少一个轴承，使得套轴在旋转时运动更加流畅，优选的，所述轴承设置在所述从动齿轮之上的套轴的部分，更优选的，所述轴承设置在套轴穿过工作腔室的底板的部位。

所述驱动旋转装置包括主动齿轮、从动齿轮和第一电机，所述第一电机的转轴固定连接主动齿轮，主动齿轮与从动齿轮咬合配合，从而第一电机带动主动齿轮和从动齿轮转动。所述套轴的底部穿过所述工作腔室的底板后，穿过所述从动齿轮，所述从动齿轮带动套轴和空轴旋转，进而间接带动样品台旋转。

所述样品架可以采用手动升降，也可以采用机械升降，主要是调节所述空轴与套轴的上下相对位置，实现样品台的升降。

所述支撑杆的底部穿过从动齿轮后，连接偏压电源装置，为样品台提供偏压。

所述加热装置和热电偶的电路穿过所述托板，穿入所述支撑杆的内部，并经过支撑杆穿出工作腔室的底板，连接工作腔室外部的导电滑环，所述电路通过导电滑环再连接电源，为加热装置和热电偶提供电能。本发明关于所述加热装置和热电偶的电路设计，避免了传统电路随样品台一同转动，造成电线缠绕的问题，所述电路经过支撑杆后连接到导电滑环的内环，并随所述样品架一同转动，避免了电线缠绕，导电滑环的外环连接电源并提供电能。

根据所述样品台上不同位置的样品的镀膜需要，所述样品挡板能够临时遮挡样品台上的不同位置，遮挡暂时不需要镀膜的样品。所述样品挡板水平放置，包括第一气缸、转挡轴、支柱、至少两个转挡连片和两个挡板，所述第一气缸的活塞连接并能够带动转挡轴做伸缩运动，所述支柱的底部垂直固定在转挡轴上，支柱的顶端同时连接两个所述转挡连片的前端，两个所述转挡连片的后端分别连接两个所述挡板，所述支柱通过两个转挡连片分别带动两个挡板相互靠近或相互远离，所述挡板设在样品台的上方。

所述第一气缸的一端连接气源，另一端设置转挡轴，所述转挡轴连接第一气缸的活塞，并随活塞做伸缩运动，并且转挡轴位于第一气缸外部，所述第一气缸的外部整体或部分地设置第一套体，用于保护第一气缸免受溅射镀膜的影响，同时用于固定两个所述挡板。优选的，所述第一气缸为微型气缸。

所述支柱连接转挡连片与转挡轴，优选的，所述转挡连片平行于转挡轴。所述支柱的底部垂直固定在转挡轴上，支柱的顶部同时连接两个转挡连片的前端，两个转挡连片的前端上下重叠地连接在支柱上，形成一个顶点，两个转挡连片的后端分开呈一定角度，并分别连接两个挡板。两个所述挡板的后端上下重叠地固定在所述第一气缸外部的第一套体上，两个挡板的后端形成一个顶点，两个挡板的前端分开呈一定角度。

所述挡板的形状选自扇形、方形、圆形、平行四边形或三角形，根据所述样品台的形状以及样品的镀膜顺序要求，选自合适的挡板形状。

优选的，所述样品挡板包括四个转挡连片，两个转挡连片的前端上下重叠地连接在支柱上，形成一个顶点，两个转挡连片的后端分开呈一定角度，并分别连接另外两个转挡连片的中部；所述另外两个转挡连片的前端上下重叠地连接在一起，形成一个顶点，后端分开呈一定角度，并分别连接两个挡板。

本发明设计的所述样品挡板，处于两个所述挡板之间的样品暴露在所述磁控靶之下，能够进行溅射镀膜，两个挡板下方的样品由于被遮挡，不会被镀膜，只采用简单的驱动设备第一气缸，以及转挡轴、支柱和转挡连片形成的第一传动机构，即可调整两个挡板之间的距离，再配合所述样品台的旋转，即可控制样品台上所有样品的镀膜顺序或差异化镀膜，满足多种镀膜要求，操作简单，易于控制。

使用时，气源为所述第一气缸供气，驱动活塞做伸缩运动，活塞带动所述转挡轴和支柱做伸缩运动，由于转挡连片的前端随支柱向前伸出，两个转挡连片之间的夹角减小，两个转挡连片的后端分别带动两个挡板之间的夹角减小，两个挡板相互靠近，暴露在两个挡板之间的样品数量减少；所述活塞带动转挡轴和支柱收缩时，由于转挡连片的前端随支柱向后收缩，两个转挡连片之间的夹角增大，两个转挡连片的后端分别推动两个挡板之间的夹角增大，两个挡板彼此远离，暴露在两个挡板之间的样品数量增多。通过两个所述挡板的开合，调整暴露在磁控靶之下的样品台的面积，即样品数量。

优选的，所述第一气缸连接气源的部分设置在所述工作腔室的外部，有利于节省空间，缩小工作腔室的体积，更优选的，在第一气缸与工作腔室侧壁的衔接处设置固定部件和密封部件，保证所述样品挡板的稳定固定和工作腔室的密闭性，所述固定部件选自螺母、螺钉、螺栓或铆钉，所述密封部件选自密封套、密封垫或密封圈。

所述靶挡板是第二气缸通过第二传动机构带动靶挡板片做伸展或收缩闭合的运动，实现临时遮挡靶头的技术效果。

所述靶挡板竖直放置，并包括第二气缸、挡板轴、第一连片、第二连片和靶挡板片，所述第二气缸设在工作腔室的顶部，第二气缸的活塞连接并能够带动所述挡板轴做伸缩运动，所述第一连片的顶部固定在第二气缸外部的第二套体上，底部铰接所述靶挡板片，所述第二连片的顶部连接挡板轴，底部连接靶挡板片；所述靶挡板片设在磁控靶的下方，所述挡板轴通过第二连片带动靶挡板片相对于第一连片做伸展或收缩闭合的运动。

所述第二气缸的一端连接气源，另一端设置挡板轴，所述挡板轴连接第二气缸的活塞，并随活塞做伸缩运动，并且挡板轴位于第二气缸的外部，所述第二气缸的外部整体或部分地设置第二套体，用于保护第二气缸免受溅射镀膜的影响，同时用于固定所述第一连片。优选的，所述第二气缸为微型气缸。

所述第一连片的底部铰接所述靶挡板片，使得靶挡板片能够围绕铰接部件运动，当靶挡板片伸展时，靶挡板片以铰接部件为支点向上转动，即可遮挡磁控靶；当靶挡板片收缩闭合时，靶挡板片以铰接部件为支点向下转动，即可远离磁控靶。优选的，所述铰接部件为合页或铰链。

所述靶挡板片的形状选自扇形、方形、圆形、平行四边形或三角形，优选的，所述靶挡板片的形状为圆形。

所述第二连片的顶部连接挡板轴，底部连接靶挡板片，第二连片与挡板轴和靶挡板片连接的两处均为活动连接，在传动过程中，所述第二连片的倾斜角度不断变化。

使用时，气源为所述第二气缸供气，驱动活塞和挡板轴向下伸出，所述第二连片的顶端随挡板轴向下运动，第二连片的倾斜角度变小，逐渐趋向于水平，第二连片的底端推动所述靶挡板片向上运动，靶挡板片以所述铰接部件为支点向上转动，即呈伸展状，可以遮挡磁控靶的靶头；然后，第二气缸驱动活塞和挡板轴向上收缩，所述第二连片的顶端随挡板轴向上运动，第二连片的倾斜角度变大，逐渐趋向于竖直，第二连片的底端拉动所述靶挡板片向下运动，靶挡板片以所述铰接部件为支点向下转动，当多个磁控靶对应的靶挡板片均向下转动时，多个靶挡板片即呈收缩闭合状，远离磁控靶的靶头。

优选的，所述第二气缸连接气源的部分设置在所述工作腔室的外部，有利于节省空间，缩小工作腔室的体积，更优选的，在第二气缸与工作腔室顶部的衔接处设置固定部件和密封部件，保证所述靶挡板的稳定固定和工作腔室的密闭性，所述固定部件选自螺母、螺钉、螺栓或铆钉，所述密封部件选自密封套、密封垫或密封圈。

在本发明的最优实施方式中，五个所述磁控靶具有的特定的倾斜角度，不仅能够节约空间，而且能够对下方的样品台进行完整的、均匀的照射，每个磁控靶的溅射区域均覆盖样品台。所述样品台的托板内填充绝缘物质以及支撑杆上的密封部件，能够有效防止样品台之外的部分带电，使得所述磁控靶进行溅射镀膜时，更准确地将靶材投射在样品台上，经过倾斜的磁控靶设计和绝缘设计，能够保证对样品全面、准确的镀膜，另外，再结合所述样品台内置加热装置，对样品板进行直接加热，样品板受热均匀，进一步提高样品板镀膜的均一性。所述加热装置的电路利用导电滑环保持与样品台同步转动，防止电线缠绕而阻止样品台转动，保证样品台以一定速率匀速转动，使得样品板各个角度保持同样的镀膜条件。

所述制备装置的真空抽气装置包括分子泵、真空泵和气体管路，所述分子泵设在所述工作腔室的下方，并与工作腔室内部连通，所述真空泵设在机柜内的底部，真空泵通过气体管路与分子泵相连，为工作腔室提供真空环境。

所述电源及控制系统包括真空计、质量流量显示仪、直流电源、射频电源、适配器、偏压电源、加热电源、温度控制仪、显示屏和气源控制装置；所述真空计监测和控制工作腔室内部的真空度，真空计通过真空管路连接分子泵和真空泵；所述质量流量显示仪和射频电源通过气路和电路连接并控制每个所述磁控靶的溅射镀膜；所述直流电源、适配器、偏压电源通过电路连接并控制所述驱动旋转装置，从而控制所述支撑杆和样品台的旋转运动；所述加热电源和温度控制仪通过电路连接样品台内部的加热器，且控制加热器的加热温度；所述气源控制装置通过电路连接并控制所述第一气缸和第二气缸。

所述显示屏显示所述制备装置的各项参数，例如真空度、磁控靶工作数量及镀膜时间和顺序、各个电源的电流电压、加热器温度等。所述显示屏设在机柜外表面，并通过电路连接所述真空计、质量流量显示仪、直流电源、射频电源、适配器、偏压电源、加热电源、温度控制仪和气源控制装置。

优选的，所有显示和控制仪器通过线路连接电脑，并可以通过电脑统一设置或控制，方便技术人员直接在电脑显示屏上设置和控制所述制备装置的各项参数。

优选的，所述电源及控制系统设在机柜内部。优选的，所述机柜下方设置万向轮，便于技术人员移动所述制备装置。

本发明还提供所述制备装置的使用方法，所述使用方法包括以下步骤：

(1)接通电源，根据溅射镀膜的要求，设置每个所述磁控靶的镀膜时间和镀膜顺序，设置所述直流电源、射频电源、偏压电源和加热电源的电流电压，在温度控制仪上设置的样品台的温度或温度程序；

(2)将样品基板放置在所述样品台上，启动所述真空泵和分子泵，通过所述真空计监测工作腔室中的真空度；

(3)调整样品台的高度和旋转速度；

(4)通过所述气源控制装置控制第一气缸，进而调整所述样品挡板的遮挡情况；通过所述气源控制装置控制每个第二气缸，从而遮挡不同的磁控靶；

(5)启动直流电源、偏压电源和加热电源，使加热装置达到设定温度；

(6)启动质量流量显示仪、适配器和射频电源，所述磁控靶溅射镀膜；

(7)镀膜完成后，取出样品，工作腔室冷却；

(8)关闭所述电源及控制系统和真空抽气装置。

附图说明

图1所示为主机结构图。

图2所示为样品架结构图。

图3所示为样品挡板侧面图。

图4所示为样品挡板俯视图。

图5所示为靶挡板结构图。

图6所示为高通量磁控溅射纳米薄膜器件一体化制备装置的整体机柜正面图。

附图中，1-主机，2-工作腔室，201-样品门，202-磁吸板，3-样品架，301-样品台，302-加热丝，303-热电偶，304-托板，305-云母绝缘片，306-空轴，307-套轴，308-绝缘套管，309-轴承，310-固定环，311-主动齿轮，312-从动齿轮，313-第一电机，314-导电滑环，315-接头，316-真空电极，317-样品罩，4-磁控靶，5-靶挡板，501-第二气缸，502-挡板轴，503-第一连片，504-第二连片，505-靶挡板片，506-第二套体，507-合页，6-样品挡板，601-第一气缸，602-转挡轴，603-支柱，604-转挡连片，605-挡板，606-第一套体，7-分子泵，8-真空泵，9-机柜，10-电脑显示屏，11-风扇，12-电源及控制系统。

具体实施方式

实施例1

本实施例的高通量磁控溅射纳米薄膜器件一体化制备装置的主机1结构如图1所示，主机1包括工作腔室2、样品架3、磁控靶4、靶挡板5和样品挡板6，主机1为制备装置的核心工作部件，磁控溅射镀膜操作在工作腔室2的内部进行。工作腔室2的上部为圆台形状，圆台侧面为倾斜壁面，倾斜壁面与水平面的倾斜角度为45度。工作腔室2的中部和下部为圆柱体形状。工作腔室2的一侧设有样品门201，用于样品进出，样品门201与工作腔室2的门框之间设有磁吸板202，提高工作腔室2的密封性。当样品门201关闭时，工作腔室2内部形成密闭空间，在真空抽气装置的作用下形成真空环境。工作腔室2的材质为不锈钢。

磁控靶4通过法兰固定在工作腔室2上部的倾斜壁面上，并与倾斜壁面平行，使得磁控靶4具有与倾斜壁面相同的倾斜角度，即45度角，磁控靶4的靶头面向工作腔室2内部。

磁控靶4的数量为五个，并均匀环绕分布在倾斜壁面上，即不同磁控靶4的靶头朝向不同方向，每个磁控靶4可以设置不同的靶材，实现一次性多种材料镀膜或使用不同材料镀多层膜，同时使得样品台301上的样品能够接受多方向的靶材溅射镀膜。工作腔室2外设置五个高压连接器，每个高压连接器与对应的磁控靶4连接，高压连接器通过电路与电源及控制系统连接。

本实施例的样品架3的结构如图2所示，样品架3设置在磁控靶4的下方，包括样品台301、支撑杆、样品罩317和驱动旋转装置，样品台301内部设有加热丝302，样品罩317可拆卸地设在样品台301上方。支撑杆的顶部固定连接样品台301，且底部穿过工作腔室2的底板连接驱动旋转装置，驱动旋转装置设置在工作腔室2的外部。样品台301能够在驱动旋转装置的作用下旋转，调整样品台301上的样品与每个磁控靶4的对应关系，便于样品差异化镀膜。

样品台301为圆形板状，且表面均匀平整，用于直接放置样品，有利于提高所有样品镀膜的一致性，

样品台301的内部设有加热丝302，直接加热样品台上301的样品，加热器302底部连接热电偶303，并通过电路连接加热电源。

样品罩317为圆形，直径为150mm，具有100个边长5mm的正方形样品通孔，样品通孔成排均匀分别在样品罩317上。使用时，将样品罩317安装在样品台301的上方，罩住样品台301上的样品板，样品通孔使得样品板上的对应区域暴露在磁控靶4下方，可以在样品板暴露的区域进行镀膜，样品通孔的数量即为制备样品的数量。

样品台301的底部设有托板304，支撑样品台301，托板304的材质为不锈钢，满足样品台301与支撑杆的刚性连接需求。托板304与样品台301之间填充有云母绝缘片305，起到隔热和绝缘的双重作用，在提高热量利用率的同时，使得样品台301与地绝缘，样品台301可以承受1000V的偏压，实现快速加热。

支撑杆连接样品台301与驱动旋转装置，通过自身的运动机构实现样品台301的升降运动和旋转运动。具体的，支撑杆包括空轴306、套轴307、绝缘套管308、固定部件、密封部件和轴承309。空轴306的顶端套入绝缘套管308，并通过固定环310与绝缘套管308固定连接，绝缘套管308同样使得样品台301与地绝缘。绝缘套管308的顶端通过螺栓与托板304固定连接，即空轴306通过绝缘套管308与样品台301间接固定连接。空轴306的底部套入套轴307，空轴306能够在套轴307内伸缩、转动，从而带动样品台301做升降和旋转运动。

套轴307穿过工作腔室2的底板的部位设置螺母、平垫、密封套，将支撑杆和样品台301稳固支撑，并保证工作腔室2的密封性。套轴307的外部套有两个轴承309，分别设在套轴307位于工作腔室2内部和外部的位置，使得套轴307在旋转时运动更加流畅。

驱动旋转装置包括主动齿轮311、从动齿轮312和第一电机313，第一电机313的转轴固定连接主动齿轮311，主动齿轮311与从动齿轮312咬合配合，从而第一电机313带动主动齿轮311和从动齿轮312转动。套轴307的底部穿过工作腔室2的底板后，穿过从动齿轮312，从动齿轮312带动套轴307和空轴306旋转，进而间接带动样品台301旋转。

本实施例手动升降样品台。支撑杆的底部穿过从动齿轮312后，连接真空电极316，为样品台提供偏压。

加热丝302和热电偶303的电路穿过托板304，穿入支撑杆的内部，并经过支撑杆穿出工作腔室2的底板，连接工作腔室2外部的导电滑环314，电路通过导电滑环314再连接电源，为加热丝302和热电偶303提供电能。电路经过支撑杆后连接到导电滑环314的内环，并随样品架3一同转动，避免了电线缠绕，导电滑环314的外环通过接头315连接真空电极316，再连接电源，这样节省的空间。

根据样品台301上不同位置的样品的镀膜需要，样品挡板6能够临时遮挡样品台301上的不同位置，遮挡暂时不需要镀膜的样品。本实施例的样品挡板6结构如图3和4所示，样品挡板6水平放置，包括第一气缸601、转挡轴602、支柱603、两个转挡连片604和两个挡板605，第一气缸601的活塞连接并能够带动转挡轴602做伸缩运动，支柱603的底部垂直固定在转挡轴602上，支柱603的顶端同时连接两个转挡连片604的前端，两个转挡连片604的后端分别连接两个挡板605，支柱603通过两个转挡连片604带动两个挡板605相互靠近或相互远离，挡板605设在样品台301的上方。

第一气缸601的一端连接气源，另一端设置转挡轴602，转挡轴602连接第一气缸601的活塞，并随活塞做伸缩运动，并且转挡轴602位于第一气缸601外部，第一气缸601的外部且靠近挡板605的部分设置第一套体606，用于保护第一气缸601免受溅射镀膜的影响，同时用于固定挡板605。

第一气缸601连接气源的部分设置在工作腔室2的外部，有利于节省空间，缩小工作腔室2的体积，在第一气缸601与工作腔室2侧壁的衔接处设置螺母和多个密封圈，保证样品挡板6的稳定固定和工作腔室2的密闭性。

支柱603连接转挡连片604与转挡轴602，转挡连片604平行于转挡轴602。两个转挡连片604的前端上下重叠地连接在支柱603上，形成一个顶点，两个转挡连片604的后端分开呈一定角度，并分别连接两个二级转挡连片，两个二级转挡连片再分别连接两个挡板605。两个挡板605的后端上下重叠地固定在第一气缸601外部的套体606上，两个挡板605的后端形成一个顶点，两个挡板605的前端分开呈一定角度。

挡板605的形状为前宽后窄的扇形。本发明设计的样品挡板6，处于两个挡板605之间的样品暴露在磁控靶4之下，能够进行溅射镀膜，两个挡板605下方的样品由于被遮挡，不会被镀膜，只采用简单的驱动设备第一气缸601，以及转挡轴602、支柱603、转挡连片604形成的第一传动机构，即可调整两个挡板605之间的距离，再配合样品台301的旋转，即可控制样品台301上所有样品的镀膜顺序或差异化镀膜，满足多种镀膜要求，操作简单，易于控制。

使用时，气源为第一气缸601供气，驱动活塞做伸缩运动，活塞带动转挡轴602和支柱603做伸缩运动，由于转挡连片604的前端随支柱603向前伸出，两个转挡连片604之间的夹角减小，带动两个二级转挡连片之间的夹角减小，两个二级转挡连片的后端分别带动两个挡板650之间的夹角减小，两个挡板605相互靠近，暴露在两个挡板605之间的样品数量减少；活塞带动转挡轴602和支柱603收缩时，由于转挡连片604的前端随支柱603向后收缩，两个转挡连片604之间的夹角增大，带动两个二级转挡连片之间的夹角增大，两个二级转挡连片的后端分别带动两个挡板605之间的夹角增大，两个挡板605彼此远离，暴露在两个挡板605之间的样品数量增多。通过两个挡板605的开合，调整暴露在磁控靶4之下的样品台301的面积，即样品数量。

本实施例的靶挡板5的结构如图5所示，靶挡板5竖直放置，并包括第二气缸501、挡板轴502、第一连片503、第二连片504和靶挡板片505，第二气缸501设在工作腔室2的顶部，第二气缸501的活塞连接并能够带动挡板轴502做伸缩运动，第一连片503的顶部固定在第二气缸501外部的第二套体506上，底部铰接靶挡板片505，第二连片504的顶部连接挡板轴502，底部连接靶挡板片505，靶挡板片505的形状为圆形。靶挡板片505设在磁控靶4的下方，挡板轴502通过第二连片504带动靶挡板片505相对于第一连片503做伸展或收缩闭合的运动。

第二气缸501的一端连接气源，另一端设置挡板轴502，挡板轴502连接第二气缸501的活塞，并随活塞做伸缩运动，并且挡板轴502位于第二气缸501的外部，第二气缸501的外部靠近靶挡板片505的部分地设置第二套体506，用于保护第二气缸501免受溅射镀膜的影响，同时用于固定第一连片503。

第二气缸501连接气源的部分设置在工作腔室2的外部，有利于节省空间，缩小工作腔室2的体积，在第二气缸501与工作腔室2顶部的衔接处设置螺母和密封垫，保证靶挡板5的稳定固定和工作腔室2的密闭性。

第一连片503的底部通过合页507连接靶挡板片505，使得靶挡板片505能够活动，当靶挡板片505伸展时，靶挡板片505以合页507为支点向上转动，即可遮挡磁控靶4；当靶挡板片505收缩闭合时，靶挡板片505以合页507为支点向下转动，即可远离磁控靶4。

第二连片504与挡板轴502和靶挡板片505连接的两处均为活动连接，在传动过程中，第二连片504的倾斜角度不断变化。

使用时，气源为第二气缸501供气，驱动活塞和挡板轴502向下伸出，第二连片504的顶端随挡板轴502向下运动，第二连片504的倾斜角度变小，逐渐趋向于水平，第二连片504的底端推动靶挡板片505向上运动，靶挡板片505以合页507为支点向上转动，即呈伸展状，可以遮挡磁控靶4的靶头；然后，第二气缸501驱动活塞和挡板轴502向上收缩，第二连片504的顶端随挡板轴502向上运动，第二连片504的倾斜角度变大，逐渐趋向于竖直，第二连片504的底端拉动靶挡板片505向下运动，靶挡板片505以合页507为支点向下转动，当五个磁控靶4对应的靶挡板片505均向下转动时，五个靶挡板片505即呈收缩闭合状，远离磁控靶4的靶头。

第一气缸601和第二气缸501连接的气源为同一气源，通过并联气路分别连接第一气缸601和第二气缸501，并联气路上分别设置气压调节阀。

本实施例的高通量磁控制备装置的整体结构如图6所示，真空抽气装置包括分子泵7、真空泵8和气体管路，分子泵7设在工作腔室2的下方，并与工作腔室2内部连通，真空泵8设在机柜9内的底部，真空泵8通过气体管路与分子泵7相连，为工作腔室2提供真空环境。

电源及控制系统12包括真空计、质量流量显示仪、直流电源、射频电源、适配器、偏压电源、加热电源、温度控制仪和气源控制装置，并设在机柜9内的下方；真空计监测和控制工作腔室2内部的真空度，真空计通过真空管路连接分子泵7和真空泵8；质量流量显示仪和射频电源通过气路和电路连接并控制每个磁控靶4的溅射镀膜；直流电源、适配器、偏压电源通过电路连接并控制驱动旋转装置，从而控制支撑杆和样品台301的旋转运动；加热电源和温度控制仪通过电路连接样品台301内部的加热丝302，且控制加热丝302的加热温度；气源控制装置通过电路连接并控制第一气缸601和第二气缸501。

电脑设在机柜9上部，连接并控制电源及控制系统12。电脑显示屏10设在机柜9外表面，显示制备装置的各项参数，例如真空度、磁控靶4工作数量及镀膜时间顺序、各个电源的电流电压、加热丝302的温度。

机柜9下方设置万向轮，便于技术人员移动制备装置。风扇11设在机柜9顶部，为机柜9内的各个部件降温。

实施例2

本实施例使用实施例1的高通量磁控溅射纳米薄膜器件一体化制备装置，本实施例制备100个无机全固态电致变色薄膜器件，具体方法如下：

(1)接通电源，根据溅射镀膜的要求，设置五个磁控靶4的镀膜时间为5秒，五个磁控靶4按顺时针顺序依次开始镀膜，设置直流电源、射频电源、偏压电源和加热电源的电流电压，在温度控制仪上设置的样品台301的温度；

(2)通过样品门201将塑料基底放置在样品台301上，调整样品台301高度，使整个样品台301进入磁控靶4的镀膜范围，关闭样品门201，启动真空泵8和分子泵7，通过真空计监测工作腔室2中的真空度；

(3)当真空度合格后，通过驱动旋转装置调整样品台301的速度；

(4)通过气源控制装置控制第一气缸601，进而调整样品挡板6的挡板605不遮挡样品台301上的所有样品；

(5)通过气源控制装置控制第一磁控靶对应的第二气缸，使该靶挡板片收缩闭合，露出第一磁控靶，其它靶挡板片505伸展且遮挡对应的磁控靶；

(6)启动直流电源、偏压电源和加热电源，使加热丝302达到设定温度；

(7)启动质量流量显示仪、适配器和射频电源，第一磁控靶对样品台301中部的样品镀制透明导电薄膜；

将样品罩317设在样品台301上方，重复步骤(5)－(7)，依次使用第二磁控靶、第三磁控靶、第四磁控靶、第三磁控靶、第五磁控靶、第一磁控靶分别对样品台301中部的样品镀制阴极电致变色薄膜、电子阻挡薄膜、离子导体电解质薄膜、电子阻挡薄膜、阳极电致变色薄膜、透明导电薄膜；

(8)冷却后打开真空室，关闭电源及控制系统和真空抽气装置，取出镀膜后的塑料基底，将样品沿样品罩317遮挡位置切割，就可以得到100个完全相同工艺制备的无机全固态电致变色多层薄膜器件样品。

Claims (10)

1.一种高通量磁控溅射纳米薄膜器件一体化制备装置，包括主机、真空抽气装置、电源及控制系统和机柜，其特征在于，所述主机包括工作腔室、样品架、五个磁控靶和样品挡板，五个所述磁控靶倾斜地环绕在工作腔室的顶部，能够实现共溅射或依次溅射；每个磁控靶配有一个靶挡板，所述靶挡板通过收缩开合临时遮挡对应的磁控靶；所述样品架设置在磁控靶的下方，样品架顶部设有样品罩，所述样品罩具有多个样品通孔，用于高通量制备多组份混合纳米薄膜和纳米多层功能薄膜器件，所述样品挡板设在样品罩的上方。

2.根据权利要求1所述的制备装置，其特征在于，所述磁控靶与水平面之间的夹角为30-60度，优选的，所述夹角为40-50度。

3.根据权利要求2所述的制备装置，其特征在于，五个所述磁控靶均匀环绕设置在工作腔室顶部的倾斜壁面上，倾斜壁面具有与磁控靶相同的倾斜角度，磁控靶的靶头朝向工作腔室内部的不同方向。

4.根据权利要求1所述的制备装置，其特征在于，所述样品架包括样品台、样品罩、支撑杆和驱动旋转装置，所述样品台内部设有加热装置，样品罩可拆卸地设在样品台上方，所述支撑杆的顶部固定连接样品台，且底部穿过工作腔室的底板连接所述驱动旋转装置，所述驱动旋转装置设置在工作腔室的外部。

5.根据权利要求4所述的制备装置，其特征在于，所述样品台为板状，且表面均匀平整；所述样品罩的直径为100-150mm，所述样品通孔为边长1-10mm的正方形；

所述样品台底部设有托板，支撑所述样品台，所述托板与样品台之间填充有绝缘材料。

6.根据权利要求5所述的制备装置，其特征在于，所述支撑杆包括空轴、套轴和绝缘套管，所述空轴的顶端套入绝缘套管，底端套入套轴，空轴能够在套轴内伸缩、转动，所述绝缘套管的顶端与所述托板固定连接，所述套轴穿过工作腔室的底板并与驱动旋转装置的从动齿轮相连。

7.根据权利要求1所述的制备装置，其特征在于，所述样品挡板水平放置，包括第一气缸、转挡轴、支柱、至少两个转挡连片和两个挡板，所述第一气缸的活塞连接并能够带动转挡轴做伸缩运动，所述支柱的底部垂直固定在转挡轴上，支柱的顶端同时连接两个转挡连片的前端，两个转挡连片的后端分别连接两个挡板，所述支柱通过两个转挡连片分别带动两个挡板相互靠近或相互远离。

8.根据权利要求1所述的制备装置，其特征在于，所述靶挡板竖直放置，并包括第二气缸、挡板轴、第一连片、第二连片和靶挡板片，所述第二气缸设在工作腔室的顶部，第二气缸的活塞连接并能够带动所述挡板轴做伸缩运动，所述第一连片的顶部固定在第二气缸外部的第二套体上，底部铰接所述靶挡板片，所述第二连片的顶部连接挡板轴，底部连接靶挡板片；所述靶挡板片设在磁控靶的下方，所述挡板轴通过第二连片带动靶挡板片相对于第一连片做伸展或收缩闭合的运动。

9.根据权利要求1-8任一项所述的制备装置，其特征在于，所述真空抽气装置包括分子泵、真空泵和气体管路，所述分子泵设在所述工作腔室的下方，并与工作腔室内部连通，所述真空泵设在机柜内的底部，真空泵通过气体管路与分子泵相连，为工作腔室提供真空环境；

所述电源及控制系统包括真空计、质量流量显示仪、直流电源、射频电源、适配器、偏压电源、加热电源、温度控制仪、显示屏和气源控制装置；所述真空计监测和控制工作腔室内部的真空度，真空计通过真空管路连接分子泵和真空泵；所述质量流量显示仪和射频电源通过气路和电路连接并控制每个所述磁控靶的溅射镀膜；所述直流电源、适配器、偏压电源通过电路连接并控制所述驱动旋转装置；所述加热电源和温度控制仪通过电路连接样品台内部的加热器，且控制加热器的加热温度；所述气源控制装置通过电路连接并控制所述第一气缸和第二气缸。

10.一种权利要求1所述的制备装置的使用方法，所述使用方法包括以下步骤：

(1)接通电源，根据溅射镀膜的要求，设置每个所述磁控靶的镀膜时间和镀膜顺序，设置所述直流电源、射频电源、偏压电源和加热电源的电流电压，在温度控制仪上设置的样品台的温度或温度程序；

(2)将样品基板放置在所述样品台上，启动所述真空泵和分子泵，通过所述真空计监测工作腔室中的真空度；

(3)调整样品台的高度和旋转速度；

(4)通过所述气源控制装置控制第一气缸，进而调整所述样品挡板的遮挡情况；通过所述气源控制装置控制每个第二气缸，从而遮挡不同的磁控靶；

(5)启动直流电源、偏压电源和加热电源，使加热装置达到设定温度；

(6)启动质量流量显示仪、适配器和射频电源，所述磁控靶溅射镀膜；

(7)镀膜完成后，取出样品，工作腔室冷却；

(8)关闭所述电源及控制系统和真空抽气装置。

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