CN112342503A - 一种高通量电子束组合材料蒸发系统及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及真空镀膜系统领域，公开了一种高通量电子束组合材料蒸发系统及其方法。该高通量电子束组合材料蒸发系统包括：真空腔体，所述真空腔体设置为真空；电子束蒸发装置，设置于所述真空腔体下部；基片托架，设置于所述真空腔体上部，用于放置基片；连续掩膜装置和/或分立掩膜装置，设置于所述真空腔体上部，位于所述基片托架和所述电子束蒸发装置之间。本发明的高通量电子束组合材料蒸发系统，实现了高通量材料样品的制备，大大提高了组合材料样品的制备效率。
Description
技术领域
本发明涉及真空镀膜系统，特别涉及一种高通量电子束组合材料蒸发系统及其方法。
背景技术
电子束蒸发作为真空镀膜的一种重要技术和方法，它通过电磁场控制阴极产生的电子按特定轨迹运动，加热坩埚内的被蒸发材料，使被蒸发材料在真空环境下蒸发，并沉积到基片上。但是传统的电子束蒸发系统一次只能制备一种材料成分的样品，若需要获得一组任意材料三元相图，以1％的成分分辨率计算，需要进行1003(即106)次试验，即使按每天制备30个样品计算，也需要近百年时间才能制备完成。为提高样品的制备效率，本发明在借鉴集成电路制造用掩模技术的基础上，将掩模技术成功应用到材料制备系统中，实现了高通量材料样品的制备，解决传统电子束蒸发系统样品制备过程效率低下问题，极大的缩短了样品的制备时间和制备成本。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高通量电子束组合材料蒸发系统。可以实现在单个样品芯片上获得数十个到数万个成分各异的样品点，极大的缩短样品的制备时间和制备成本。
为解决上述技术问题，本发明的实施方式提供了一种高通量电子束组合材料蒸发系统，一种高通量电子束组合材料蒸发系统，包括：
真空腔体，所述真空腔体设置为真空；
电子束蒸发装置，设置于所述真空腔体下部；
基片托架，设置于所述真空腔体上部，用于放置基片；
掩膜装置，所述掩膜装置为连续掩膜装置和/或分立掩膜装置，设置于所述真空腔体上部，位于所述基片托架和所述电子束蒸发装置之间。
可选的，所述连续掩膜装置包括连续掩膜和电机，所述电机驱动连续掩膜移动。
可选的，所述分立掩膜装置包括分立掩膜支架和电机，所述电机驱动分立掩膜支架旋转，所述分立掩膜支架用于放置分立掩膜。
为了监测材料的蒸发速率，可选的，所述真空腔体设有晶振，位于所述基片托架下方。
可选的，所述真空腔体中间设有一隔板，所述隔板带孔，位于所述电子束蒸发装置和基片托架之间，
可选的，所述真空腔体内设有电子源挡板，位于所述电子束蒸发装置上方，所述电子源挡板可以移动。
可选的，所述真空腔体内设有基片挡板，位于所述基片托架下方，所述基片挡板可以移动。
可选的，所述电子束蒸发装置包括电子束蒸发源和坩埚。
可选的，所述基片托架可以旋转。
本发明的实施方式还提供了一种高通量电子束组合材料蒸发方法，包括以下步骤：电子束蒸发装置的高能电子束流加热坩埚内材料，进行第一种材料的熔化、蒸发，所述第一种蒸发的材料进入真空腔体上部时，连续掩膜逐步遮挡基片上蒸发材料的沉积位置，完成第一种材料的沉积，连续掩膜退回，基片绕原点旋转0-180度，电子束蒸发装置进行第二种材料的熔化、蒸发，所述第二种材料进入真空腔体上部，所述连续掩膜逐步遮挡基片上蒸发材料的沉积位置，完成第二种材料的沉积；连续掩膜退回，基片绕原点旋转0-180度，电子束蒸发装置进行第N种材料的熔化、蒸发，所述第N种材料进入真空腔体上部，所述连续掩膜逐步遮挡基片上蒸发材料的沉积位置，完成第N种材料的沉积，所述N为3-200；重复以上步骤0-200次，形成组合材料芯片。
本发明的实施方式还提供了另一种高通量电子束组合材料蒸发方法包括以下步骤：电子束蒸发装置的高能电子束流加热坩埚内材料，进行第一种材料的熔化、蒸发，在分立掩膜装置上放置第一掩膜片，完成第一种材料的沉积；基片旋转0-180度，使用第一掩膜片，在基片上沉积第二种材料；基片旋转0-180度，使用第一掩膜片，在基片上沉积第M种材料，M为3-200；基片完成旋转360度后，将第一掩膜片替换为第二掩膜片，重复上述过程；基片完成旋转360度后，将第二掩膜片替换为第N掩膜片，N为3-200；形成组合材料芯片。
本发明实施方式与现有技术相比，主要区别及其效果在于：本发明通过连续掩膜装置合理控制掩膜片的运动，分立掩膜装置通过多组掩膜片的相互配合控制技术，实现在单个样品芯片上获得数十个到数万个成分各异的样品点，可极大的缩短样品的制备时间和制备成本，解决传统电子束蒸发系统样品制备过程效率低下问题。在真空腔体中设置了晶振，用于监测材料的蒸发速率和沉积厚度，获得更好的沉积效果。本发明还提供了两种高通量电子束组合材料蒸发方法，即连续掩膜和分立掩膜方法，可以根据工艺要求进行各种个性化设计，用更短的时间，获得成分信息更丰富的组合材料样品芯片。
附图说明
图1是本发明实施例的高通量电子束组合材料蒸发系统的结构示意图；
图2是本发明实施例的高通量电子束组合材料蒸发系统中分立掩膜装置的结构示意图；
图3是本发明实施例的高通量电子束组合材料蒸发系统中连续掩膜的工作原理图；
图4是本发明实施例的高通量电子束组合材料蒸发系统中分立掩膜和镀膜后样品点排布图。
具体实施方式
在以下的叙述中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，本领域的普通技术人员可以理解，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请各权利要求所要求保护的技术方案。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步地详细描述。图中相同或相似的构件采用相同的附图标记表示。
本发明的一个实施例中，如图1所示，本发明的实施方式提供了一种高通量电子束组合材料蒸发系统，包括：真空腔体，真空腔体设置为真空；电子束蒸发装置，设置于真空腔体下部；基片托架3，设置于真空腔体上部，用于放置基片4，该基片托架3可以旋转或移动；掩膜装置，掩膜装置为连续掩膜装置和分立掩膜装置，设置于真空腔体上部，位于基片托架3和电子束蒸发装置之间。在另一实施例中，可根据芯片材料的制作需求，单独设置一连续掩膜装置或单独设置一分立掩膜装置。
在本实施例中，连续掩膜装置包括连续掩膜2和电机，电机驱动连续掩膜2移动。分立掩膜装置包括分立掩膜支架6和电机，电机驱动分立掩膜支架6旋转，分立掩膜支架6用于放置分立掩膜5。电子束蒸发装置包括电子束蒸发源10和坩埚9。
为了监测材料的蒸发速率，真空腔体设有晶振1，位于该基片托架3下方。
本发明的一个实施例中，真空腔体中间可以设一隔板7，该隔板带孔，位于电子束蒸发装置和基片托架3之间。真空腔体内还可设有电子源挡板8，位于电子束蒸发装置上方，电子源挡板可以移动。此外，真空腔体内还可以设有基片挡板12，位于基片托架3下方，基片挡板12可以移动。该隔板7、电子源挡板8和基片挡板12可以遮挡蒸发源蒸发的材料，使材料在沉积过程中，沉积的更均匀稳定。
该种高通量电子束组合材料蒸发系统工作原理为，真空腔体达到设计真空度(一般最小需要优于1×10-3Pa)以及系统冷却水压达到设计要求后，电子束蒸发源10开始工作，高能电子束流加热坩埚9内的材料，使材料温度升高。当该材料温度达到此真空度下的蒸发温度后，材料开始蒸发。移开电子源挡板8，使蒸发材料通过隔板7上的孔进入真空腔体上部，通过晶振1监测材料的蒸发速率。在蒸发速率平稳后，打开基片挡板12，使蒸发材料在基片4上进行沉积。在整个沉积过程中，可以通过晶振参数监测材料的沉积厚度。
本发明的另一个实施例中，还提供了一种高通量电子束组合材料蒸发方法，连续掩膜方法，包括以下步骤：电子束蒸发装置的高能电子束流加热坩埚内材料，进行第一种材料的熔化、蒸发，所述第一种蒸发的材料进入真空腔体上部时，连续掩膜逐步遮挡基片上蒸发材料的沉积位置，完成第一种材料的沉积，连续掩膜退回，基片绕原点旋转0-180度，电子束蒸发装置进行第二种材料的熔化、蒸发，所述第二种材料进入真空腔体上部，所述连续掩膜逐步遮挡基片上蒸发材料的沉积位置，完成第二种材料的沉积；连续掩膜退回，基片绕原点旋转0-180度，电子束蒸发装置进行第N种材料的熔化、蒸发，所述第N种材料进入真空腔体上部，所述连续掩膜逐步遮挡基片上蒸发材料的沉积位置，完成第N种材料的沉积，所述N为3-200；重复以上步骤0-200次，形成组合材料芯片。
在某个具体实施例中，如图3所示，在掩模支架6旋转到图二所示位置时，通过连续掩模2逐步遮挡三角形基片上蒸发材料的沉积位置，使得蒸发材料在基片的连续掩模2运动方向上的分布呈梯度变化(如图三)，使得第一种蒸发材料在A点沉积最多，在BC边上沉积最少(沉积量最少可以为0)。当第一种材料蒸发完成后，连续掩模2退回BC边缘位置，电子源坩埚9转位，进行第二种材料的熔化、蒸发，同时三角形基片绕O点顺时针旋转120度，使得B点朝上，连续掩模2平行AC边。蒸发时，连续掩模2在电机推进下逐步前进，遮挡越来越多的基片位置，使得第二种蒸发材料在基片上沿B点到AC垂线方向上，第二种材料的沉积量成梯度分布。第二种材料蒸发完成后，电子源坩埚9再转位，换第三种蒸发材料，连续掩模2退回AC边缘位置，基片绕O点顺时针继续旋转120度，使得C点朝上，按照前两步同样工序完成第三种材料的蒸发，蒸发效果如图三右下图所示，形成一个三元材料芯片的单次交叠。芯片上每个样品点对应一种特定的材料成分。为了达到更好的效果，可以不断重复上诉三种材料的蒸发过程，形成一个多次三元交叠的三元材料芯片。
本发明的另一个实施例中，还提供了另一种高通量电子束组合材料蒸发方法，分立掩膜方法，包括以下步骤：电子束蒸发装置的高能电子束流加热坩埚内材料，进行第一种材料的熔化、蒸发，在分立掩膜装置上放置第一掩膜片，完成第一种材料的沉积；基片旋转0-180度，使用第一掩膜片，在基片上沉积第二种材料；基片旋转0-180度，使用第一掩膜片，在基片上沉积第M种材料，M为3-200；基片完成旋转360度后，将第一掩膜片替换为第二掩膜片，重复上述过程；基片完成旋转360度后，将第二掩膜片替换为第N掩膜片，N为3-200；形成组合材料芯片。
在某个具体实施例中，如图4所示，采用四个掩模组合制备16×16个样品点的芯片。先采用Mask1做掩模片，在基片上蒸镀一种材料A(在基片的一个角上沉积8×8个为A材料的样品点)，然后基片旋转90度后继续使用Mask1，在基片上蒸镀第二种材料B(在基片的一个相邻角上沉积8×8个为B材料的样品点)，继续上述过程2次，使基片旋转4×90°＝360°后，在基片的四个角上分别镀了四种材料的样品点。然后将Mask1替换为Mask2，重复Mask1过程继续在基片上蒸镀A、B、C、D四种材料，结果使得基片上出现AA、AB、AC、AD、BA、BB、BC、BD、CA、CB、CC、CD、DA、DB、DC、DD共16个样品区域(每个区域有4×4个样品点)。然后继续更换Mask3和Mask4重复上述过程，试验完成后，可以得到图四右侧的样品芯片，其中共包含了256个样品点，芯片四个角上均为纯材料的样品，中间各样品点都是A、B、C、D四种材料的混合组分。上述过程可以不仅仅限于四种材料和四种掩模片，采用的掩模片级数越多得到的样品点数越多，采用的的材料种类越多时，获得样品点的成分信息越丰富。并且掩模上孔的形状和分布规则可以实际根据工艺要求进行各种个性化设计。
分立掩模模式制备的样品为一个一个相互分开的样品点，其原理是在分立掩模的模版上开有按一定规律排布的小孔，蒸发材料需要通过贴近基片表面的分立掩模薄片上的小孔才能沉积到基片上，所以基片上沉积的样品点分布与分立掩模上小孔的分布规则相同。可以根据更换不同的掩模片实现不同规则样品点的沉积。也可以采用多种掩模基片之间的组合配合不同蒸发材料制备多元分立样品芯片。
虽然通过参照本发明的某些优选实施方式，已经对本发明进行了图示和描述，但本领域的普通技术人员应该明白，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。
Claims (10)
1.一种高通量电子束组合材料蒸发系统，其特征在于，包括：
真空腔体，所述真空腔体设置为真空；
电子束蒸发装置，设置于所述真空腔体下部；
基片托架，设置于所述真空腔体上部，用于放置基片；
掩膜装置，所述掩膜装置为连续掩膜装置和/或分立掩膜装置，设置于所述真空腔体上部，位于所述基片托架和所述电子束蒸发装置之间。
2.根据权利要求1所述的高通量电子束组合材料蒸发系统，其特征在于，所述连续掩膜装置包括连续掩膜和电机，所述电机驱动连续掩膜移动。
3.根据权利要求1所述的高通量电子束组合材料蒸发系统，其特征在于，所述分立掩膜装置包括分立掩膜支架和电机，所述电机驱动分立掩膜支架旋转，所述分立掩膜支架用于放置分立掩膜。
4.根据权利要求1所述的高通量电子束组合材料蒸发系统，其特征在于，所述真空腔体设有晶振，位于所述基片托架下方。
5.根据权利要求1-4中任意一项所述的高通量电子束组合材料蒸发系统，其特征在于，所述真空腔体中间设有一隔板，所述隔板带孔，位于所述电子束蒸发装置和基片托架之间。
6.根据权利要求1-4中任意一项所述的高通量电子束组合材料蒸发系统，其特征在于，所述真空腔体内设有电子源挡板，位于所述电子束蒸发装置上方，所述电子源挡板可以移动。
7.根据权利要求1-4中任意一项所述的高通量电子束组合材料蒸发系统，其特征在于，所述真空腔体内设有基片挡板，位于所述基片托架下方，所述基片挡板可以移动。
8.根据权利要求1-4中任意一项所述的高通量电子束组合材料蒸发系统，其特征在于，所述电子束蒸发装置包括电子束蒸发源和坩埚。
9.一种高通量电子束组合材料蒸发方法，其特征在于，包括以下步骤：电子束蒸发装置的高能电子束流加热坩埚内材料，进行第一种材料的熔化、蒸发，所述第一种蒸发的材料进入真空腔体上部时，连续掩膜逐步遮挡基片上蒸发材料的沉积位置，完成第一种材料的沉积，连续掩膜退回，基片绕原点旋转0-180度，电子束蒸发装置进行第二种材料的熔化、蒸发，所述第二种材料进入真空腔体上部，所述连续掩膜逐步遮挡基片上蒸发材料的沉积位置，完成第二种材料的沉积；连续掩膜退回，基片绕原点旋转0-180度，电子束蒸发装置进行第N种材料的熔化、蒸发，所述第N种材料进入真空腔体上部，所述连续掩膜逐步遮挡基片上蒸发材料的沉积位置，完成第N种材料的沉积，所述N为3-200；重复以上步骤0-200次，形成组合材料芯片。
10.一种高通量电子束组合材料蒸发方法，其特征在于，包括以下步骤：电子束蒸发装置的高能电子束流加热坩埚内材料，进行第一种材料的熔化、蒸发，在分立掩膜装置上放置第一掩膜片，完成第一种材料的沉积；基片旋转0-180度，使用第一掩膜片，在基片上沉积第二种材料；基片旋转0-180度，使用第一掩膜片，在基片上沉积第M种材料，M为3-200；基片完成旋转360度后，将第一掩膜片替换为第二掩膜片，重复上述过程；基片完成旋转360度后，将第二掩膜片替换为第N掩膜片，N为3-200；形成组合材料芯片。
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