CN218812045U - 一种掩膜装置和制备高通量薄膜的系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种掩膜装置和制备高通量薄膜的系统，其中，上述掩膜装置包括：掩膜版，掩膜版上设有通孔；偏压装置，偏压装置上设有孔结构，偏压装置设于掩膜版的表面；且孔结构和通孔连通；掩膜版和偏压装置之间绝缘。通过使用本实用新型提出的掩膜装置，能够有效提升制备高通量薄膜的效率并降低制备成本。本实用新型还提供了上述掩膜装置的应用。

Description

一种掩膜装置和制备高通量薄膜的系统

技术领域

本实用新型涉及高通量薄膜技术领域，尤其是涉及一种掩膜装置和制备高通量薄膜的系统。

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。

制备高通量薄膜，需要大量的基板进行大量的实验，极大的增加了实验成本，并且效率较低，因此亟需提高制备高通量薄膜的效率，并降低实验成本。

实用新型内容

本实用新型旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本实用新型提出一种掩膜装置，能够有效节约制备高通量薄膜的耗时和成本。

本实用新型还提出了一种包括上述掩膜装置的系统。

根据本实用新型第一方面的实施例，提出了一种掩膜装置，所述掩膜装置包括：

掩膜版，所述掩膜版上设有通孔；

偏压装置，所述偏压装置上设有孔结构，所述偏压装置设于所述掩膜版的表面；且所述孔结构和所述通孔连通；

所述掩膜版和所述偏压装置之间绝缘。

根据本实用新型实施例的掩膜装置，至少具有如下有益效果：

在磁控溅射沉积薄膜的过程中，薄膜沉积的速度快慢，与靶材和掩膜版之间的电场强度相关，具体的，电场强度越强，沉积速度越快，相同时间内在衬底上沉积的薄膜的厚度越厚，反之则沉积速度降低，相同时间内沉积的薄膜的厚度越薄。

本实用新型提供的掩膜装置上设有偏压装置，可通过偏压装置上的偏压值，调节上述电场强度，即调节相同时间内薄膜的沉积厚度。

此外，为了保障沉积环境的稳定，掩膜版和基板均需要进行接地，本实用新型将掩膜版和偏压装置之间绝缘，保证了所述偏压装置作用的有效行使。

进一步的，本实用新型提供的掩膜装置可以通过调节通孔的个数，以及每个通孔上偏压装置的偏压在相同的时间内，沉积得到多个厚度不同的薄膜，形成高通量薄膜。

而传统技术中，高通量薄膜的制备方法大多是通过采用多种掩膜版，多次沉积得到，即每次沉积只能得到一种薄膜，这种方法只是节约了基底的使用，并没有节约沉积的时长和长时间沉积带来的成本。

因此和传统技术相比，本实用新型提供的掩膜装置可节约制备高通量薄膜的时长和成本。

根据本实用新型的一些实施例，所述掩膜版由遮挡部和通孔组成。

在磁控溅射过程中，经由靶材发射的待沉积物质到达所述掩膜版时，所述遮挡部部分的待沉积物质直接沉积在遮挡部上，所述通孔部位的待沉积物通过掩膜版沉积至基板表面，形成薄膜。

所述通孔的形状根据所得薄膜要求的形状设计，工业生产中可根据要求进行调整。

所述通孔的形状包括但不限于圆形、方形、三角形和菱形中的至少一种。

优选地，所述通孔的形状为圆形和矩形中的至少一种。

根据本实用新型的一些实施例，所述通孔的内径或其边长为5mm～30mm。其中边长是指通孔为矩形时，所有边的边长都应在上述范围内。

由于所述偏压装置的控制范围有限，因此将所述通孔的孔径设置于上述范围，可使所述偏压装置对所述通孔的所有区域产生均匀、有效的影响。

根据本实用新型的一些实施例，所述通孔的内径为5mm～10mm。

根据本实用新型的一些实施例，所述掩膜版上，所述通孔的个数≥2个，例如可以是4个、8个甚至更多个。所述通孔的个数和可根据所述高通量薄膜所需沉积区域的个数进行调整，本实用新型不做特殊限定。

根据本实用新型的一些实施例，所述偏压装置为导体。

采用导电能力强的导体，可以提升所述偏压装置的作用效果。

根据本实用新型的一些实施例，所述偏压装置的材质为金属，例如可以是铝或铝合金。

根据本实用新型的一些实施例，所述孔结构和所述通孔的尺寸相同或相似，由此所述偏压装置对所述通孔环境内的电压调节更均匀、有效，以所述掩膜装置为设备制备的高通量薄膜的参数控制更精确。

根据本实用新型的一些实施例，所述掩膜版和所述偏压装置之间绝缘的方法包括在两者之间设置绝缘垫片。

根据本实用新型第二方面的实施例，提出了一种制备高通量薄膜的系统，所述系统包括所述的掩膜装置，以及分别设于所述掩膜装置两侧的靶材和基板。

由于所述系统采用了上述实施例的掩膜装置的全部技术方案，因此至少具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果。

实际生产中，所述靶材的材质和型号，根据需要沉积得到的薄膜的种类进行选择，本实用新型不做具体限定。

根据本实用新型的一些实施例，所述靶材为铜靶、钛靶、铝靶、钨靶和ITO靶中的至少一种。

根据本实用新型的一些实施例，所述靶材和所述掩膜版之间的距离为30mm～200mm。

根据本实用新型的一些实施例，所述基板和所述掩膜版之间的距离为1mm～20mm。

根据本实用新型的一些实施例，所述基板的材质包括硅、玻璃、蓝宝石中的至少一种。

根据本实用新型的一些实施例，所述基板为玻璃基板或硅片。

根据本实用新型的一些实施例，所述基板和掩膜版之间的距离为1mm～5mm。

当所述系统用于制备高通量薄膜时，需使所述靶材接通负压源，所述掩膜版和基板连接接地装置，所述偏压装置接通偏压源，进行磁控溅射沉积。

采用所述系统制备高通量薄膜，制备方法更简单，效率更高，成本更低。

根据本实用新型的一些实施例，所述偏压源的电压范围为-50V～50V。

当所述偏压源的电压为正时，所述偏压装置和所述靶材之间的压差增大，电场强度增加，plasma(等离子体，Ar被电离产生的Ar⁺)密度增加，薄膜沉积速度加快；而当所述偏压源的电压为负时，所述偏压装置和所述靶材之间的压差减小，电场强度降低，plasma密度降低，薄膜沉积速率降低。也就是说，实际生产中可通过调整不同通孔所对应的偏压源的电压，可同时在同一个基板上形成性能具有差异的多个薄膜，即形成高通量薄膜。由此高通量薄膜的制备时间短，效率高。

根据本实用新型的一些实施例，所述偏压源的电压范围为-25V～25V。例如具体可以是20V、0V、-10V或-20V中的至少一种。

根据本实用新型的一些实施例，所述磁控溅射沉积的时长为10s～1000s。在实际生产中，该时间可根据薄膜厚度等生产需要进行调整，上述范围是常用的时间范围，但本实用新型并不做硬性要求。

根据本实用新型的一些实施例，所述磁控溅射沉积的时长为500s～1000s。

根据本实用新型的一些实施例，所述制备方法中的能量密度为1kw/m²～50kw/m²。该能量密度是单位面积靶材对应的能量，在磁控溅射的过程中，靶材作为阴极，基板接地作为阳极。

根据本实用新型的一些实施例，由所述系统制备得到的高通量薄膜性能良好。

根据本实用新型的一些实施例，所述高通量薄膜中分布有厚度范围在0.01μm～10μm的若干子薄膜。

根据本实用新型的一些实施例，所述高通量薄膜中分布有厚度范围在4.1μm～5.4μm的若干子薄膜；例如具体的可以分布有4.1μm的第一子薄膜，4.5μm的第二子薄膜，5.1μm的第三子薄膜，5.4μm的第四子薄膜。

若无特殊说明，本实用新型的“约”实际表示的含义是允许误差在±2％的范围内，例如约100实际是100±2％×100。

本实用新型的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本实用新型而了解。

附图说明

本实用新型的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本实用新型一个实施例中掩膜装置的俯视图；

图2是图1中A-A`方向的剖面示意图；

图3是本实用新型一个实施例中系统的布局示意图；

图4是本图3中系统的工作状态示意图。

图5是本实用新型一个实施例所得高通量薄膜的结构示意图。

附图标记：

掩膜版100、遮挡部110、通孔120；

偏压装置200；

靶材300；

基板400；第一子薄膜410、第二子薄膜420、第三子薄膜430、第四子薄膜440；

负压源510、接地装置520、第一偏压源531、第二偏压源532。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，如果有描述到第一、第二等只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本实用新型中的具体含义。

在本实用新型的一个实施例中，提供了一种掩膜装置，掩膜装置由以下部件组成：

掩膜版100，掩膜版100由遮挡部110和通孔120组成；

偏压装置200，偏压装置200上设有孔结构，偏压装置设于掩膜版100的表面；且孔结构和通孔120连通；

掩膜版100和偏压装置200之间绝缘。

可以理解的是，偏压装置200的材质为金属铝，其上的孔结构的尺寸和通孔120相同，且两者的设置位置重叠对应。由此，偏压装置200可更好的调整通孔120的电场环境。

可以理解的是，通孔120的形状为正方形，其边长为8mm；由此偏压装置200可对通孔120的所有区域产生均匀、有效的影响。

进一步可以理解的是，掩膜版100上通孔120的个数为4个，以2×2阵列的形式设于掩膜版100上。

可以理解的是，掩膜版100和偏压装置200之间绝缘的方式是在两者之间设置绝缘片(图上未示出)。

本实施例所提供的掩膜装置的俯视图如图1所示，图1中沿A-A`方向的剖面示意图如图2所示。

在本实用新型的另一个实施例中，提供了一种制备高通量薄膜的系统，具体结构包括：

掩膜装置，以及分别设于掩膜装置两侧的靶材300和基板400。本实施例中的掩膜装置来自实施例1。

由此当上述系统用于制备高通量薄膜时，在偏压装置200上施加不同的偏压，磁控溅射靶材300，通过掩膜装置的掩膜作用，可在基板400上形成特定形状(通孔120的形状)、特定个数(通孔120的个数)的，性质不同的薄膜。

可以理解的是，靶材300为铜靶。

可以理解的是，基板400为玻璃板。

可以理解的是，靶材300和掩膜版100之间的距离50mm。

可以理解的是，基板400和掩膜版100之间的距离为5mm。

本实施例所提供的系统的布局示意图如图3所示。

采用上述实施例提供的系统，制备高通量薄膜的具体步骤为：

使所述靶材300接通负压源510，掩膜版100和基板400连接接地装置520，偏压装置接通偏压源，进行磁控溅射沉积。

具体的，四个通孔120对应的四个偏压装置200分别接通电压为-50V的第一偏压源531、电压为-25V的第二偏压源532、电压为0V的第三偏压源和电压为25V的第四偏压源(由于结构遮挡，在图中未示出)。

进一步的，本实施例中磁控溅射沉积的时长为500s。

本实施例中采用的能量密度为50kw/m²(单位面积靶材对应的能量)。

本实施例中，装置的搭建原理示意图如图4所示。

本实施例中，制得的高通量薄膜的结构示意图如图5所示。其中和通孔120的位置、形状和个数对应，高通量薄膜分布于基板400上，分别是厚度为4.1μm的第一子薄膜410，厚度为4.5μm的第二子薄膜420，厚度为5.1μm的第三子薄膜430和厚度为5.4μm的第四子薄膜440。

本实施例中，通过调节每个通孔120对应的偏压装置200连接的偏压源的电压，调节了制备过程中的电场强度，由此同时制备得到了四个厚度不相同的子薄膜，显著提升了制备效率，提升了基板400的利用率(节约了成本)。

成本计算：

按照掩膜版上有8个通孔120进行成本计算，若采用本实用新型提供的掩膜装置，则根据生产过程参数统计可知，开腔更换样品的时间和制备的时间需要24h，且本实用新型提供的制备方法仅需要一片6寸晶圆作为基板400，由此基板400需耗费成本300元。

如果采用传统的制备方法，即同样在一个基板400上沉积8个薄膜，但是每个薄膜制备完成后进行掩膜版的更换，由此需要的成本虽然没有显著的提升，但是制备时长为24h×8＝192h；由此本实用新型提供的制备方法和传统的制备方法相比，效率提升了8倍。

如果采用更加传统的制备方法，即每个基板400上仅沉积一个薄膜，则需要耗费8片基板400；由此本实用新型提供的制备方法，不仅效率提升了8倍，成本也仅为传统方法的1/8。

综上，本实用新型通过合理的设计掩膜装置的结构，可有效提升高通量薄膜的制备效率，同时节约高通量薄膜的制备成本。

上面结合附图对本实用新型实施例作了详细说明，但本实用新型不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本实用新型宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (10)

1.一种掩膜装置，其特征在于，所述掩膜装置包括：

掩膜版(100)，所述掩膜版(100)上设有通孔(120)；

偏压装置(200)，所述偏压装置(200)上设有孔结构，所述偏压装置(200)设于所述掩膜版(100)的表面；且所述孔结构和所述通孔(120)连通；

所述掩膜版(100)和所述偏压装置(200)之间绝缘。

2.根据权利要求1所述的掩膜装置，其特征在于，所述偏压装置为导体。

3.根据权利要求1所述的掩膜装置，其特征在于，所述通孔(120)的形状包括圆形、方形、三角形和菱形中的至少一种。

4.根据权利要求3所述的掩膜装置，其特征在于，当所述通孔(120)的形状为圆形时，所述通孔(120)的内径为5mm～30mm。

5.根据权利要求1～4任一项所述的掩膜装置，其特征在于，所述掩膜版(100)和所述偏压装置(200)之间设置有绝缘垫片。

6.一种制备高通量薄膜的系统，其特征在于，所述系统包括如权利要求1～5任一项所述掩膜装置，以及分别设于所述掩膜装置两侧的靶材(300)和基板(400)。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述靶材(300)和所述掩膜版(100)之间的距离为30mm～200mm。

8.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述基板(400)和掩膜版(100)之间的距离为1mm～20mm。

9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述基板(400)和掩膜版(100)之间的距离为1mm～5mm。

10.根据权利要求6～9任一项所述的系统，其特征在于，所述靶材(300)为铜靶、钛靶、铝靶、钨靶和ITO靶中的至少一种。

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