一种超高真空原位薄膜多图案化装置及方法

1.本发明属于原位图案化领域，涉及一种超高真空原位薄膜多图案化装置及方法。


背景技术：

2.基于二维材料的电子器件具备优良光电性质、输运性质、超导性质等等，具有广泛的应用前景。由于二维材料的表面极易受大气中杂质或气体分子吸附的影响而导致结构与性质的改变，因此二维材料常在超高真空环境下，通过分子束外延(mbe)等方式进行制备。二维电子器件的基本性质，比如高分辨原子相、超导电性、拓扑性，都离不开在超高真空环境下原位的生长与测试。因此实现原位制备与测试二维电子器件非常重要。
3.原位图案化是二维电子器件研究中的一项关键环节。即在材料生长过程中，在衬底与蒸发源之间放置具有特定镂空图案的掩膜，从而使蒸发束源可以从掩膜镂空部分透过而在另一侧的衬底上生长出特定图案的器件。
4.在典型的图案化工艺过程中，通常掩膜和衬底之间存在一定间距。该间距虽然避免了模板和衬底之间的粘附问题，但也会由于蒸发束源呈一定角度发散，使得通过掩膜镂空部份复制到衬底的图案尺寸更大，导致展宽问题严重、图案失真，进而影响器件极限线宽或多图案套刻精度。这就要求掩膜与衬底间具有尽可能小的间距，以减小展宽，提高器件图案对掩膜图案的忠实性。
5.当遇到多层结构或复杂图案的器件时，需采用多片不同掩膜套刻加工实现多图案化，但实际作业过程中，只能通过人工对掩膜进行更换或移动，通过人工观察和操作来将掩膜和样品间距尽可能缩小，但这样操作费时费力，精细化程度过低。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种超高真空原位薄膜多图案化装置及方法，能够调节掩膜和样品之间的间距，并且能够进行多图案化作业。
7.为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
8.一种超高真空原位薄膜多图案化装置，包括超高真空腔体、样品托、多位掩膜台和光学位移传感器；
9.超高真空腔体内设置有水平通道，样品托位于水平通道顶部，样品位于样品托底部，多位掩膜台位于水平通道中，多位掩膜台在水平方向设置有多个镂空位，掩膜位于镂空位上，多位掩膜台分别连接有第一直线运动机构和第二直线运动机构，第一直线运动机构和第二直线运动机构的运动方向分别为水平方向和竖直方向；超高真空腔体底部设置有观察通道，观察通道一端连通样品托底部，另一端连通超高真空腔体外部，观察通道内密封设置有石英观察窗，石英观察窗下方设置有光学位移传感器，光学位移传感器的测量端朝向样品托底部。
10.优选的，超高真空腔体内设置有竖直通道，竖直通道底部与水平通道连通，竖直通道顶部设置有第一线性位移台，第一线性位移台输出方向为竖直方向，第一线性位移台输
出端连接有样品托插槽，样品托插入样品托插槽中。
11.进一步，样品托插槽底部设置有镂空限位槽，镂空限位槽开口方向与多位掩膜台运动方向一致，镂空限位槽上设置有向上延伸的定位槽；每个镂空位底部设置有一个限位辊，当限位辊位于定位槽正下方时，镂空位上的掩膜中心点位于样品托底部样品中心点的正下方。
12.进一步，超高真空腔体正面设置有传样通道，传样通道一端与竖直通道侧壁连通，另一端连通有工艺真空腔体。
13.优选的，样品托包括旗形样品托板、陶瓷座和陶瓷夹板，陶瓷座和陶瓷夹板位于旗形样品托板底部，陶瓷座和陶瓷夹板上分别设置有圆形台阶孔及椭圆形台阶孔，陶瓷座及陶瓷夹板分别通过圆形台阶孔及椭圆形台阶孔与旗形样品托板螺栓连接，椭圆形台阶孔的长轴方向为陶瓷夹板向陶瓷座靠近的方向，样品被夹持在陶瓷座和陶瓷夹板之间。
14.进一步，陶瓷座和陶瓷夹板顶部设置有两个金属座，两个金属座间隙设置，样品两端分别与两个金属座接触；样品托底部设置有电刷，电刷与其中一个金属座接触，并且电刷连接有导线。
15.优选的，镂空位的尺寸小于掩膜尺寸，镂空位顶部外侧设置有四个围挡，四个围挡围成的区域形状和尺寸与所述掩膜轮廓和外尺寸相同。
16.优选的，样品托顶部设置有加热台。
17.优选的，超高真空腔体正面设置有正面观察位，正面观察位密封设置有观察窗，观察窗外部设置有长焦显微镜，长焦显微镜镜头朝向样品托底部。
18.一种基于上述任意一项所述超高真空原位薄膜多图案化装置的图案化方法，其特征在于，包括以下步骤：
19.步骤一，将光学位移传感器的测距光束对准样品底面并记录距样品距离；
20.步骤二，通过第一直线运动机构将多位掩膜台中需要作业的特定的掩膜水平移动至样品正下方，并中心对齐；
21.步骤三，将光学位移传感器的测距光束对准特定的掩膜表面并记录距特定的掩膜的距离，将距样品距离与距掩膜距离之差作为特定的掩膜和样品的间距；
22.步骤四，根据特定的掩膜和样品的间距，通过第二直线运动机构将特定的掩膜竖直移动靠近样品底部至需要间距；
23.步骤五，在样品底面制备具有特定的掩膜图案的薄膜功能层；
24.步骤六，制备完成后，通过第二直线运动机构将特定的掩膜降低到初始高度，回到步骤二，切换下一个需要作业的掩膜；
25.步骤七，直到样品完成多图案化作业，多位掩膜台回到初始位置。
26.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
27.本发明基于镂空掩膜物理遮挡实现制备特定薄膜功能层的图案化，无任何物质、能量作用于样品表面，能够避免图案化过程中对材料的污染与破坏；通过第一直线运动机构，能够实现多掩膜图案化的连续切换作业，通过第二直线运动机构能够调节样品和掩膜的间距，并通过光学位移传感器，能够分别获取样品和掩膜与光学位移传感器的距离，从而实时判断样品和掩膜的间距，实现样品和掩膜的间距更精确的调节，实现样品和掩膜的超小间距，可有效改善展宽效应，提高器件图案对掩膜图案的忠实性；在超高真空原位进行掩
膜更换，在实现器件多图案化工艺的同时保持表界面高度清洁。
28.进一步，通过第一线性位移台能够将插有样品托的样品托插槽在竖直通道内移动，方便进行样品托的更换和高度调节。
29.进一步，镂空限位槽能够对多位掩膜台的移动方向进行限位，通过定位槽和限位辊的配合，能够保证掩膜中心点与样品中心点的对齐，避免图案化作业时位置偏差。
30.进一步，通过传样通道，可与其他特定工艺真空腔体进行真空互联，方便更换样品托，可最大限度地保持样品材料的本征特性，主要满足实验室需求，也能为器件研发提供帮助。
31.进一步，通过陶瓷座和陶瓷夹板的间距可调功能，适应不同尺寸样品，保证夹持的牢固。
32.进一步，电刷用于对样品通直流电以进行较高温度热处理，两个金属座间隙设置，能够避免短路，对样品和装置造成伤害。
33.进一步，四个围挡能够对掩膜进行限位，防止掩膜在作业过程中晃动甚至掉落。
34.进一步，加热台能够用于热辐射加热样品。
35.进一步，通过正面观察位的长焦显微镜，能够观测样品与掩膜间的相对运动以及对准情况。
附图说明
36.图1为本发明的多图案化应用的超高真空原位掩膜图案化装置的结构示意图；
37.图2为本发明的样品托和样品托插槽的结构示意图；
38.图3为本发明的多位掩膜台的结构示意图。
39.其中：1-超高真空腔体；2-样品位；3-掩膜位；4-传样位；5-正面观察位；6-底部观察位；7-蒸发源位；8-扩展位；9-电极法兰；10-第一线性位移台；11-连接杆；12-加热台；13-样品托；14-样品托插槽；15-多位掩膜台；16-掩膜位移台；17-掩膜位移台驱动机构；18-第二线性位移台；19-限位导轨；20-限位辊；21-二维位移平台；22-光学位移传感器；23-测距光束；24-石英观察窗；200-样品；201-第一螺纹孔；202-第二螺纹孔；203-旗形样品托板；204-金属座；205-陶瓷座；206-陶瓷夹板；207-圆形台阶孔；208-椭圆形台阶孔；209-电刷；210-镂空限位槽；300-掩膜；301-镂空位；302-围挡；303-轴承座；304-微型滚珠轴承。
具体实施方式
40.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
41.需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。
42.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相
关的所列项目的任意的和所有的组合。
43.如图1所示，为本发明所述的超高真空原位薄膜多图案化装置，包括超高真空腔体1，所述超高真空腔体1呈圆柱状，所述超高真空腔体1顶部中心设有样品位2，径向右端设有掩膜位3，正面垂直分布设有传样位4与正面观察位5，超高真空腔体1底部中心设有底部观察位6，底部环绕设有多个共聚焦的蒸发源位7，径向左端设有扩展位8，所述超高真空腔体1与所述各功能位连接的部件通过刀口法兰密封连接。
44.超高真空腔体1内设置有水平通道，水平通道右端为掩膜位3，超高真空腔体1内设置有竖直通道，竖直通道底部与水平通道连通，竖直通道顶部为样品位2，中间为传样位4，底部为正面观察位5。
45.如图2所示，竖直通道内设置有样品承载机构，所述样品承载机构与所述样品位2连接，所述样品承载机构包括电极法兰9、第一线性位移台10、连接杆11、加热台12、样品托13、样品托插槽14，所述样品承载机构用于承载、固定、加热样品200以及调节样品200于垂直方向位移。
46.电极法兰9和第一线性位移台10固定在超高真空腔体1顶部，所述连接杆11两端设螺纹且其中一端与样品托插槽14上所设的螺纹孔旋合连接，另一端与所述电极法兰9上所设螺纹孔旋合连接，第一线性位移台10输出端与连接杆11连接。
47.具体地，所述样品托13包括旗形样品托板203、金属座204、陶瓷座205及陶瓷夹板206，所述金属座204分为两部分相对置于陶瓷座205两侧并通过紧定螺钉连接，所述陶瓷座205及陶瓷夹板206分别通过圆形台阶孔207及椭圆形台阶孔208与所述旗形样品托板203通过沉头螺钉连接，椭圆形台阶孔208的长轴方向为陶瓷夹板206向陶瓷座205靠近的方向，所述沉头螺钉头部高度与所述圆形台阶孔207及椭圆形台阶孔208台阶深度相同，所述金属座204、陶瓷座205及陶瓷夹板206用于夹持固定样品200。
48.更具体地，所述金属座204两部分上分别设有与样品200宽度相同的凹槽且间距与样品200长度相同，所述凹槽深度与样品200高度相差100微米以使样品200表面突出于金属座204表面，所述陶瓷座205为固定端，所述陶瓷夹板206为活动端并可沿所述椭圆形台阶孔208长轴方向活动，所述样品200置于所述金属座204凹槽内通过移动所述陶瓷夹板206使其与陶瓷座205相夹固定，所述金属座204、陶瓷座205及陶瓷夹板206组合表面平齐。
49.掩膜位3连接有掩膜承载机构，掩膜承载机构位于水平通道内，如图3所示，所述掩膜承载机构包括多位掩膜台15、掩膜位移台16、掩膜位移台驱动机构17、第二线性位移台18，掩膜位移台驱动机构17和第二线性位移台18设置在超高真空腔体1右侧，第二线性位移台18连接多位掩膜台15，用于带动多位掩膜台15沿水平方向运动，掩膜位移台驱动机构17输出端连接掩膜位移台16，掩膜位移台驱动机构17用于驱动掩膜位移台16，所述多位掩膜台15位于所述掩膜位移台16上端通过螺钉连接，掩膜位移台16用于带动多位掩膜台15沿竖直方向运动，驱动所述掩膜承载机构用于承载、固定、更换掩膜300以及调节掩膜300与样品200间距。
50.所述多位掩膜台15上加工有多组镂空位301、围挡302、轴承座303，所述镂空位301长度与宽度与掩膜300相差1毫米使得掩膜300可置于镂空位301上且掩膜300中心图案不被遮挡，所述围挡302位于所述镂空位301四角处且围成的区域形状与所述掩膜300轮廓相同，所述围挡302顶部的所处高度要小于所述陶瓷座205底部的所处高度，且围挡302高度大于
掩膜300的厚度。
51.具体地，所述轴承座303位于多位掩膜台15下端对称位置，所述轴承座303内嵌套有微型滚珠轴承304，所述限位辊20嵌套于所述微型滚珠轴承304内并可通过滚珠轴承304作用作轴向旋转，所述限位辊20的长度与所述限位导轨19上相对的镂空限位槽210的间距相同，所述微型滚珠轴承304用于使限位辊20进行滚动位移。
52.限位辊20采用表面光滑的优质不锈钢圆柱体，所述微型滚珠轴承304采用无油陶瓷微型滚珠轴承。
53.样品托插槽14底部设置有对准限位机构，对准限位机构包括限位导轨19及限位辊20，限位导轨19为两部分相对位于样品托插槽14左右两侧对称位置分别通过第一螺纹孔201与第二螺纹孔202使用螺钉连接，所述限位导轨19上设有呈“倒t”形的镂空限位槽210，所述限位辊20的直径与所述限位导轨19的“倒t”形的镂空限位槽210宽度相同，镂空限位槽210开口方向与多位掩膜台15运动方向一致，所述限位辊20间分布距离与所述限位导轨19的“倒t”形的镂空限位槽210分布距离相同，镂空限位槽210“倒t”形结构的上半部分为定位槽。所述对准限位机构用于运动限位以及对准掩膜300与样品200，当限位辊20位于定位槽正下方时，镂空位301上的掩膜300中心点位于样品托13底部样品200中心点的正下方。
54.还包括位移监测系统，所述位移监测系统包括二维位移平台21、光学位移传感器22、长焦显微镜；二维位移平台21位于底部观察位6，底部观察位6设置有观察通道，观察通道一端连通样品托13底部，另一端连通超高真空腔体1外部，观察通道内密封设置有石英观察窗24，所述光学位移传感器22固定于二维位移平台21上端，通过调节所述二维位移平台21使得所述光学位移传感器22所发射的测距光束23透过石英观察窗24对准样品200表面并测得距样品200距离，当所述多位掩膜台15所承载的掩膜300经水平移动至样品200正下方时，所述测距光束23对准掩膜300表面并测得距掩膜300距离，所述距样品200距离与所述距掩膜300距离之差即为掩膜300与样品200间距。正面观察位5密封设置有观察窗，观察窗外部设置有长焦显微镜，所述长焦显微镜位于所述正面观察位5外侧并正对样品200以观测样品200与掩膜300间的相对运动以及所述限位导轨19与限位辊20的对准情况。
55.样品托插槽14上端通过螺钉连接有加热台12，所述加热台包括陶瓷托与加热丝，所述加热丝呈“s”形盘绕于所述陶瓷托上并通过导线连接电极法兰9的接线柱通电发热，所述加热台12用于热辐射加热样品200。
56.样品托插槽14上连接有电刷209且两者通过陶瓷垫圈绝缘，所述电刷209通过导线连接电极法兰9的接线柱并与所述金属座204一侧接触，所述电刷209用于对样品200通直流电以进行较高温度热处理。
57.所述多位掩膜台15可以置放多个掩膜300并通过水平运动进行交替更换，需要不同的掩膜300图时只需调节所述掩膜台15上不同的掩膜300对准样品200即可，以实现多图案化。
58.超高真空腔体1底部环绕设有多个共聚焦的蒸发源位7用于连接蒸发源并且焦点位于样品200中心，蒸发源位7可连接多个不同源材料、不同形式的蒸发源，以配合多图案化实现制备多种功能的特定图案的薄膜层。
59.所述光学位移传感器21采用具有微米级精度的光谱共焦位移传感器，所述石英观察窗24采用带有挡板的增透石英玻璃观察窗，以避免材料蒸镀过程中污染观察窗而影响测
距精度，从而实现掩膜300与样品200间距的微米级精度监测。
60.所述掩膜位移台16采用运动精度具有微米级精度的光学升降台，所述掩膜位移台驱动机构17采用具有毫米级精度和微米级精度的两级差分机制的微分头直线导入器，以能够精密驱动控制所述掩膜位移台16，实现控制掩膜300与样品200间距至微米级。
61.掩膜300与样品200间距控制至微米级时，图案化极限尺寸可达5微米。
62.本发明还公开超高真空原位掩膜图案化方法，包括以下步骤：
63.步骤s1：将样品200置于样品托13上金属座204的凹槽内并移动陶瓷夹板206使其与陶瓷座205相夹固定样品200再利用螺钉紧固，传入特定超高真空设备待完成特定工艺。
64.步骤s2：将多种器件所需特定图案的掩膜300置于多位掩膜台15的各镂空位301上。
65.步骤s3：将掩膜承载机构对接至超高真空腔体1的掩膜位3并密封法兰；
66.步骤s4：将样品承载机构(除样品托13之外)的部件对接至超高真空腔体1的样品位2，同时利用电极法兰9完成样品承载机构的电气连接并密封法兰。
67.步骤s5：将超高真空腔体1与真空泵组及真空测量系统、蒸发源、石英观察窗24等功能部件连接并与器件制备工艺所需特定超高真空设备进行真空互联；
68.步骤s5：利用第一线性位移台10垂直移动将样品托插槽14对准超高真空腔体1的传样位4处。
69.步骤s6：使用传样杆将承载有完成特定工艺的样品200的样品托13由特定超高真空设备经由传样位4传入样品托插槽14内.
70.步骤s7：利用第一线性位移台10垂直移动将样品托插槽14对准超高真空腔体1的正面观察位5处。
71.步骤s8：利用二维位移平台21的二维平移运动将光学位移传感器22的测距光束23对准样品200表面并记录距样品200距离。
72.步骤s8：利用第二线性位移台18的水平移动将多位掩膜台15移动至样品托插槽14附近。
73.步骤s9：在利用正面观察位5外侧的长焦显微镜的观测下，利用掩膜位移台16的垂直移动粗调机制将限位辊20对准限位导轨19的“倒t”形的镂空限位槽210的水平段。
74.步骤s10：利用第二线性位移台18的水平移动将掩膜台15上某特定图案掩膜300所在位置两侧的限位辊20分别对准限位导轨19的“倒t”形的镂空限位槽210的两垂直段。
75.步骤s11：利用二维位移平台21的二维平移运动将光学位移传感器22的测距光束23对准该特定掩膜300表面并记录距掩膜300距离，同时将步骤s8所述距样品200距离与距掩膜300距离作差即为掩膜300-样品200间距。
76.步骤s12：在利用正面观察位5外侧的长焦显微镜的观测下，利用掩膜位移台16的垂直移动粗调机制进行上升进给，将限位辊20沿限位导轨19的“倒t”形的镂空限位槽210的垂直段上升，同时在光学位移传感器22的监测下，并结合掩膜位移台16的垂直移动微调机制，精确控制缩小掩膜300-样品200间距至微米级。
77.步骤s13：利用蒸发源位7所连接的蒸发源、加热台12与电刷209，按器件制备所需特定蒸发源、工艺温度、工艺时间等参数，精确制备具有某特定图案的薄膜功能层。
78.步骤s14：在利用正面观察位5外侧的长焦显微镜的观测下，利用掩膜位移台16的
垂直移动粗调机制将限位辊20沿限位导轨19的“倒t”形的镂空限位槽210的垂直段下降至水平段，利用第二线性位移台18的水平移动将掩膜台15上具有另一特定图案的掩膜300按步骤s10～s13对准、调节间距、精确制备具有另一特定图案的薄膜功能层。
79.步骤s15：以此类推，按器件制备特定工艺要求进行多图案化。
80.需要说明的是，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。
81.应该理解，以上描述是为了进行图示说明而不是为了进行限制。通过阅读上述描述，在所提供的示例之外的许多实施例和许多应用对本领域技术人员来说都将是显而易见的。因此，本教导的范围不应该参照上述描述来确定，而是应该参照前述权利要求以及这些权利要求所拥有的等价物的全部范围来确定。出于全面之目的，所有文章和参考包括专利申请和公告的公开都通过参考结合在本文中。在前述权利要求中省略这里公开的主题的任何方面并不是为了放弃该主题内容，也不应该认为申请人没有将该主题考虑为所公开的发明主题的一部分。