CN207567338U - 一种用于制备组合材料的高通量磁控溅射系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于制备组合材料的高通量磁控溅射系统，该装置包括真空室，以及设置于真空室中的多个磁控溅射阴极和基片，基片设置于真空室顶部，多个磁控溅射阴极斜对着基片设置，不同的磁控溅射阴极上设置不同类型的靶材，还包括旋转挡板及旋转挡板的驱动机构；多个磁控溅射阴极围绕旋转挡板的旋转轴设置，旋转挡板上设置一通孔，且旋转挡板绕轴旋转一周时，旋转挡板上的通孔使磁控溅射阴极其中最多一者射出的原子不被旋转挡板阻挡。通过本实用新型，能够利用磁控溅射的梯度实现一次性批量生长成百上千种不同的材料。并且能够避免不同靶材之间的干扰，同时控制靶材更替沉积的速度，能实现不同靶材上的原子溅射到基片后达到原子级别的混合。

Description

一种用于制备组合材料的高通量磁控溅射系统

技术领域

本实用新型涉及材料合成领域，尤其涉及一种用于制备组合材料的高通量磁控溅射系统。

背景技术

材料高通量实验要求在短时间内完成大量样品的制备与表征，其核心的思想是将传统材料研究中采用的顺序迭代方法改为并行处理，以量变引起材料研究效率的质变。作为“材料基因组技术”三大要素之一，高通量实验扮演着承上启下的关键角色。高通量组合材料芯片技术是在一块较小的基片上同时集成生长成千上万乃至上百万种不同组分、结构和性能的材料，并通过自动扫描式或并行式快速表征技术获得材料成分、结构和性能等关键信息，快速构建多元材料相图或材料数据库，从中快速筛选出性能优良的材料或快速找到材料的“组分-结构-性能”关联性，以此提高材料研发的效率。

高通量组合材料芯片的制备过程通常分为“组合”和“成相”两个步骤，其中“组合”是将不同组成的材料按照一定顺序和组合比例规律进行顺序堆叠，然后通过分别采取低温和高温热处理的方式使材料发生均匀混合和成相的过程。传统的高通量方法通常为{AAABBBCCCDDD} 式组合，会形成层状堆叠或者混合不均匀等缺点；本技术利用梯度分布{ABCDABCDABCD}式组合，一次性成相，能达到原子级别的混合。

磁控溅射镀膜设备维护简单、发展成熟。多靶磁控溅射技术在磁控溅射的基础上，同时溅射多个靶材，可用于制备含有多种组分的材料，但过去采取多靶磁控共溅射(专利公开号CN1087130)只是用来生长某一种材料，适用于大规模量产，但对于寻找材料配方的研发，效率则非常低。

实用新型内容

本实用新型的目的在于避免现有技术的不足之处而提供一种用于制备组合材料的高通量磁控溅射系统。

本实用新型的目的可以通过采用如下的技术措施来实现，设计一种用于制备组合材料的高通量磁控溅射系统，包括真空室，以及设置于真空室中的多个磁控溅射阴极和基片，基片设置于真空室顶部，多个磁控溅射阴极正对基片设置，不同的磁控溅射阴极上设置不同类型的靶材，其特征在于，还包括旋转挡板及旋转挡板的驱动机构；多个磁控溅射阴极围绕旋转挡板的旋转轴设置，旋转挡板上设置一通孔，驱动机构驱动旋转挡板旋转时，控制通孔在正对磁控溅射阴极最多其中一者时停留指定时间。

其中，多个磁控溅射阴极围绕旋转挡板的旋转轴成圆形。

其中，旋转挡板绕轴旋转时，通孔因旋转形成的圆形的直径小于等于多个磁控溅射阴极依序连线形成的圆形的直径。

其中，旋转挡板面向磁控溅射阴极的一侧设置第二挡板，第二挡板垂直旋转挡板设置，第二挡板至少将通孔与旋转挡板的其他位置隔离。

其中，还包括第三挡板，防止通孔旋转到第二挡板交界处两个靶材的原子同时溅射到基片上，同时所述第三挡板还用于挡住通孔从而对所有靶材进行预溅射。

其中，基片上设置热源，用以使溅射到基片上的原子充分混合。

其中，还包括掩膜板，掩膜板设置于基片和磁控溅射阴极之间，且平行基片设置。

其中，旋转挡板的驱动机构控制旋转挡板绕轴旋转，且在旋转挡板的通孔与磁控溅射阴极其中之一者位置重合时，控制旋转挡板停留 10-1000毫秒级别的时间间隔。

其中，通孔的位置与磁控溅射阴极的位置相对应，以使每一磁控溅射阴极溅射的原子从通孔射出到基片。

其中，在真空室内压强10^-2～10^-3Pa时，由至少1个射频等离子体源产生等离子体，并将等离子体输运到磁控溅射阴极表面，吸引等离子体中的离子轰击靶材起溅射作用。

区别于现有技术，本实用新型的一种用于制备组合材料的高通量磁控溅射系统，包括真空室，以及设置于真空室中的多个磁控溅射阴极和基片，基片设置于真空室顶部，多个磁控溅射阴极斜对基片设置，不同的磁控溅射阴极上设置不同类型的靶材，还包括旋转挡板及旋转挡板的驱动机构；多个磁控溅射阴极围绕旋转挡板的旋转轴设置，旋转挡板上设置一通孔，且旋转挡板绕轴旋转一周时，旋转挡板上的通孔使磁控溅射阴极其中最多一者射出的原子不被旋转挡板阻挡。通过本实用新型，能够利用磁控溅射的梯度实现一次性批量生长成百上千种不同的材料，避免不同靶材之间的干扰，同时控制靶材更替沉积的速度，使不同靶材溅射到基片后达到原子级别的混合。

附图说明

图1是本实用新型提供的一种用于制备组合材料的高通量磁控溅射系统的实施方式的结构示意图；

图2是本实用新型提供的一种用于制备组合材料的高通量磁控溅射系统的实施方式中设置第二、三挡板的结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本实用新型的技术方案作进一步更详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本实用新型保护的范围。

参阅图1，图1是本实用新型提供的一种用于制备组合材料的高通量磁控溅射系统的结构示意图。该装置100用于合成由相同材料合成的、多种不同组成成分的组合材料。

装置100包括真空室110，以及设置于真空室110内的多个磁控溅射阴极120和基片130。其中基片130设置于真空室110的顶部，多个磁控溅射阴极120的射出表面斜对基片设置。磁控溅射阴极120的数量根据组合材料的组成类型来确定，且与组合材料的组成类型数量相同。在本实施方式中，磁控溅射阴极120的数量的数量设定为3个，如图1 所示。在三个磁控溅射阴极120上设置待合成的组合材料的不同类型靶材。优选的，多个磁控溅射阴极120围绕旋转挡板140的旋转轴成圆形，即将多个磁控溅射阴极120放置于以转轴与水平面交点为圆心的圆周上，或者将多个磁控溅射阴极120放置于以转轴与水平面交点为中心的正多边形的顶点上。如图1所示，本实施方式中的三个磁控溅射阴极120 放置于一正三角形的顶点上。在真空室110内压强10^-2～10^-3Pa时，由至少1个射频等离子体源产生等离子体，并将等离子体输运到磁控溅射阴极120表面，吸引等离子体中的离子轰击靶材起溅射作用。

此外，还包括旋转挡板140和旋转挡板的驱动机构150。旋转挡板 140设置于磁控溅射阴极120和基片130之间，可阻挡靶材从磁控溅射阴极120向基片130溅射。在驱动机构150的驱动下，旋转挡板140绕一旋转轴进行旋转。三个磁控溅射阴极120围绕旋转挡板140的旋转轴设置。同时在旋转挡板140上设置一通孔141。通孔141的形状可为圆形、方形或其他任意形状。通孔141的位置与磁控溅射阴极120的位置相对应，以使每一磁控溅射阴极120溅射的原子从通孔141射出到基片 130。旋转挡板140绕轴旋转时，通孔141因旋转形成的圆形的直径小于等于多个磁控溅射阴极120依序连线形成的圆形的直径，以保证在旋转挡板140旋转过程中，磁控溅射阴极120有机会对正通孔141，以使其上设置的靶材的原子溅射后，通过通孔141，沉积到基片130上。通孔141的于磁控溅射阴极120的射出表面面积，当通孔141对正磁控溅射阴极120其中之一者时，该磁控溅射阴极120上设置的靶材原子可从通孔141溅射到基片130，其他磁控溅射阴极120上设置的靶材溅射的原子则被旋转挡板140阻挡。

进一步，在旋转挡板140面向磁控溅射阴极120的一侧设置第二挡板142，第二挡板142垂直旋转挡板140设置，第二挡板142至少将通孔141所在区域与旋转挡板140的其他位置隔离，如图2中所示。当旋转挡板140进行旋转时，通过第二挡板142的阻挡作用，使正对通孔141 的磁控溅射阴极120上的靶材溅射的原子从通孔141射出，其他磁控溅射阴极120上的靶材溅射的原子即使向通孔141的方向溅射，也不会从通孔141射出，而被第二挡板142阻挡。因为两种不同类型的靶材原子溅射后，若不进行隔离，两种原子相遇可能会发生反应，生成杂质物质沉积到基片130上，设置旋转挡板140，以及旋转挡板140上的通孔141、第二挡板142，可有效避免不同类型原子发生反应，保证了合成的组合材料的纯度。同时，还包括一第三挡板143，用于防止通孔141旋转到第二挡板142交界处时两个靶材的原子同时溅射到基片130上，同时第三挡板143还用于挡住通孔141从而对所有靶材进行预溅射。

进一步，在基片130上设置热源131，用以使溅射到基片130上的不同靶材类型的原子充分混合。同时在基片130下侧设置掩膜板160，通过设置于掩膜板160上的图案，可将靶材原子沉积在基片130的指定位置，且形成固定形状的组合材料。在本实施方式中，掩膜板160采用镂空的格子状，靶材原子沉积时，会从掩膜板160镂空部位穿过，沉积到基片130上，形成块状的组合材料。由于不同靶材的特性不同，因此在不同类型的靶材的原子在基片130上沉积时，在基片上的不同位置沉积的量也各不相同。设置于磁控溅射阴极120上的三种靶材原子分时沉积到基片130上，加掩膜板130后，在基片上得到的块状组合材料的各组分含量是各不相同的。

本实用新型涉及的溅射是指具有足够能量的带电粒子或中性粒子碰撞物体表面时，可把能量传递给表面的原子，只要表面原子获得的能量大于本身的电离能，就能摆脱周围原子的束缚而离开物体表面的现象。磁控溅射阴极120上设置的靶材起辉以后，在Ar离子的撞击下，会向外溅射出靶材上的原子，实现靶材的溅射。在磁控溅射阴极120和基片130之间设置旋转挡板140，旋转挡板140上设置通孔141，当通过旋转挡板的驱动机构150驱动旋转挡板旋转时，控制旋转挡板140在通孔141正对磁控溅射阴极120其中之一者时，停留指定时间。该停留时间可任意设定，可设定为毫秒。当通孔141旋转到某一磁控溅射阴极 120的上方时，该磁控溅射阴极120上设置的靶材的原子溅射到基片130 上，当旋转挡板140继续转动时，该磁控溅射阴极120的靶材原子溅射被旋转挡板140阻挡，不能直接沉积到基片130上。当通孔141旋转到下一磁控溅射阴极120的上方时，又会有另一种靶材的原子溅射到基片 130上。控制旋转挡板140不停旋转，则使三个磁控溅射阴极120轮流通过通孔141正对基片130，从而使三个磁控溅射阴极120上的不同靶材原子轮流溅射到基片130上。

通过本实用新型的装置100，可在一块基片上同时集成生长成千上万乃至上百万种不同组分、结构和性能的材料。通过自动扫描式或并行式快速表征技术获得材料成分、结构和性能等关键信息，快速构建多元材料相图或材料数据库，从中快速筛选出性能优良的材料或快速找到材料的“组分-结构-性能”关联性，提高了材料研发的效率。

区别于现有技术，本实用新型的用于制备组合材料的高通量磁控溅射系统，包括真空室，以及设置于真空室中的多个磁控溅射阴极和基片，基片设置于真空室顶部，多个磁控溅射阴极正对基片设置，不同的磁控溅射阴极上设置不同类型的靶材，还包括旋转挡板及旋转挡板的驱动机构；多个磁控溅射阴极围绕旋转挡板的旋转轴设置，旋转挡板上设置一通孔，且旋转挡板绕轴旋转一周时，旋转挡板上的通孔使磁控溅射阴极其中最多一者射出的原子不被旋转挡板阻挡。通过本实用新型，能够利用磁控溅射的梯度实现一次性批量生长成百上千种不同的材料，避免不同靶材之间的干扰，同时控制靶材更替沉积的速度，使不同靶材溅射到基片后达到原子级别的混合。

以上所述仅为本实用新型的实施方式，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种用于制备组合材料的高通量磁控溅射系统，包括真空室，以及设置于所述真空室中的多个磁控溅射阴极和基片，所述基片设置于所述真空室顶部，所述多个磁控溅射阴极正对所述基片设置，不同的磁控溅射阴极上设置不同类型的靶材，其特征在于，还包括旋转挡板及旋转挡板的驱动机构；

所述多个磁控溅射阴极围绕所述旋转挡板的旋转轴设置，所述旋转挡板上设置一通孔，所述驱动机构驱动所述旋转挡板旋转时，控制所述通孔在正对所述磁控溅射阴极最多其中一者时停留指定时间。

2.根据权利要求1所述的一种用于制备组合材料的高通量磁控溅射系统，其特征在于，多个所述磁控溅射阴极围绕所述旋转挡板的旋转轴成圆形。

3.根据权利要求1所述的一种用于制备组合材料的高通量磁控溅射系统，其特征在于，所述旋转挡板绕轴旋转时，所述通孔因旋转形成的圆形的直径小于等于所述多个磁控溅射阴极依序连线形成的圆形的直径。

4.根据权利要求1所述的一种用于制备组合材料的高通量磁控溅射系统，其特征在于，所述旋转挡板面向所述磁控溅射阴极的一侧设置第二挡板，所述第二挡板垂直所述旋转挡板设置，所述第二挡板至少将所述通孔所在区域与所述旋转挡板的其他位置隔离。

5.根据权利要求1所述的一种用于制备组合材料的高通量磁控溅射系统，其特征在于，还包括第三挡板，防止通孔旋转到第二挡板交界处两个靶材的原子同时溅射到基片上，同时所述第三挡板还用于挡住通孔从而对所有靶材进行预溅射，清除掉靶材表面的氧化层或者吸附的其他杂质。

6.根据权利要求1所述的一种用于制备组合材料的高通量磁控溅射系统，其特征在于，所述基片上设置热源，用以使溅射到所述基片上的原子充分混合。

7.根据权利要求1所述的一种用于制备组合材料的高通量磁控溅射系统，其特征在于，还包括掩膜板，所述掩膜板设置于所述基片和磁控溅射阴极之间，且平行所述基片设置。

8.根据权利要求1所述的一种用于制备组合材料的高通量磁控溅射系统，其特征在于，所述旋转挡板的驱动机构控制所述旋转挡板绕轴旋转，且在所述旋转挡板的通孔与所述磁控溅射阴极其中之一者位置重合时，控制所述旋转挡板停留10-1000毫秒级别的时间间隔。

9.根据权利要求1所述的一种用于制备组合材料的高通量磁控溅射系统，其特征在于，所述通孔的位置与所述磁控溅射阴极的位置相对应，以使每一所述磁控溅射阴极溅射的原子从所述通孔射出到所述基片。

10.根据权利要求1所述的一种用于制备组合材料的高通量磁控溅射系统，其特征在于，在真空室内压强10^-2～10^-3Pa时，由至少1个射频等离子体源产生等离子体，并将等离子体输运到所述磁控溅射阴极表面，吸引等离子体中的离子轰击靶材起溅射作用。