一种用于快速批量制备氧化物外延薄膜的装置与方法与流程

本发明涉及材料加工制备领域，尤其是涉及氧化物外延薄膜的快速批量制备。

背景技术：

1、现代信息技术的迅猛发展已经改变了人们的生活，实现高密度、低功耗的现代电子集成设备对电子元器件的高度集成化、小型化要求也越来越高。厚度可以低至几个纳米的薄膜材料在现代存储、芯片、显示等技术领域已经取得了巨大的经济效益。在这类超薄薄膜材料的研发过程中，通常采用脉冲激光沉积技术等物理气相沉积法制备目标材料样品。对脉冲激光沉积技术而言，薄膜样品的生长条件主要包含生长温度、氧压、激光能量密度等，优化生长条件时需要依次改变某一生长条件，直至经过多次尝试后在一定的温度、氧压、激光能量密度范围内才能获取符合设计性能需求的样品。而在每次生长样品时，高真空的获得以及升降温等过程所需花费的时间要远长于实际样品生长所需的时间。因此，往往需要很长的周期才能在遍历所有生长条件后获得一种新的材料，效率低下且成本高昂，这极大地限制了新材料的开发与应用。另一方面，尽管当前薄膜生长技术已经能够实现原子尺度的生长控制，但实际表明，在反复多次生长样品时，样品中的晶格缺陷、杂质、氧空位等会因生长条件（如激光能量、温度、氧压等）的相对变化而出现涨落，所带来的系统性误差甚至有时会混淆了样品的本征特性。

2、采用高通量组合脉冲激光薄膜生长技术，现有的方法主要是通过准分子脉冲激光依次轰击不同材料制成的靶材，使靶材组分周期性地沉积在衬底上，结合掩模板移动形成厚度梯度，可以在一次生长时制备成百上千个不同周期厚度、不同组分的样品。例如中国发明专利cn103469153a、cn103489750a、cn103871845a等所描述的即是这类技术方案。这些技术有效地加速了超导、铁电、介电等新材料的研发，但是它们都是通过沉积到衬底上的多元组分之间互相扩散来实现整个样品组分变化的，存在混合不均匀等缺点，而为了保证各组分间扩散完全，需要控制每个周期的厚度不能超过一定临界值，并且有时需要长时间的后退火。

3、另一种高通量组合脉冲激光薄膜生长技术（中国发明专利cn112481586a）则是采用组合激光能量密度的方式合成参量敏感的超导组合薄膜，其通过控制轰击到靶材表面的两束准分子脉冲激光的能量密度比值，实现在一定范围内精细微调薄膜的化学配比，从而生长得到特定组分的薄膜。这种方法的缺点在于需要复杂的光路设计，对光路控制需要较高的要求。

技术实现思路

1、（一）要解决的技术问题

2、本发明所要解决的问题在于提供一种简单易行的高通量薄膜制备方法，在一次生长时实现不同周期厚度、不同组分的氧化物外延薄膜的快速批量制备。

3、（二）技术解决方案

4、本发明提供一种用于快速批量制备氧化物外延薄膜的装置，如附图1所示，包括多靶材基座1、衬底基座2、移动掩模板3、光路系统4、监控系统5。

5、所描述的多靶材基座1用于固定靶材，至少可加载4个靶材，设置于真空腔体中，每个靶材可自转及公转，有带圆孔的挡板，可以在沉积薄膜时遮挡住其它靶材，防止靶材之间的污染。

6、所描述的衬底基座2用于固定并加热衬底，与所述靶材基座1相对设置。衬底基座2固定衬底21处为一无凸起的平面，可以使掩模板贴近移动而不会碰触到任何部件。衬底基座2可旋转，能使衬底21边缘与移动掩模板3孔状结构对齐。特别地，本发明提出衬底基座2可在xyz三个方向上移动，其中xy面内移动用于生长高通量样品，确保目标样品位置始终保持在羽辉轴向上。

7、所描述的移动掩模板3是有多个不同孔状结构的304或316不锈钢板，根据设计需要，可拆卸更换为不同孔状结构的掩模板。移动掩模板3需耐高温、真空中不释放气体。移动掩模板3设置于多靶材基座1与衬底基座2之间，由位移台控制其x、y、z三维移动。靶材表面、衬底表面相对放置，移动掩模板位于两者中间，三者需平行放置。掩模板孔状结构的中心位置始终保持对准羽辉轴向，与可在xyz三个方向上移动的衬底基座2相结合，是本发明的关键之处，能保证所生长的高通量薄膜中每个样品具有均匀的厚度与预期的组分。

8、所描述的光路系统4由若干45°反射镜、双刀可调狭缝41、透镜42、安装透镜的电动位移台43、手动吸收片44组成，用于将脉冲激光牵引进入真空腔体轰击到靶材表面。其中透镜的焦距根据腔体实际需要选择，用于将激光束聚焦到靶材表面，电动位移台43用于控制透镜焦点到靶面的距离，实现激光光斑大小的调节，为本发明独有。

9、所描述的监控系统5包括两个高清摄像机51和52、监视器54、照明led灯，主要用于监控移动掩模板3与衬底21的相对位置，以便于控制掩模板3与衬底21之间的距离小于0.2毫米，是本发明的特征。其中两个高清摄像机51和52互成90度安装在法兰上，其中一个能够从衬底正面观察掩模板图案边缘与衬底边缘是否对齐，另一个从衬底侧面观察掩模板与衬底之间的间距。

10、本发明提出基于上述的一种用于快速批量制备氧化物外延薄膜的装置快速优化外延薄膜生长条件的方法，所述方法包括：

11、影响外延薄膜生长的参数主要包括温度t、气压p、能量密度f。能量密度由入射激光能量与激光光斑大小决定，改变激光光斑大小即可调节轰击到靶材上的激光能量密度，因此在本发明中能量密度f可以通过设置透镜位置来实现更改。

12、将靶材设置到与衬底相对的位置，控制所述移动掩模板3孔状结构中心位于激光在靶材表面上的光斑中心位置，使掩模板3与衬底21的距离尽量靠近，如小于0.2毫米，可从监视器54实时观察掩模板3与衬底21靠近的距离。设置衬底温度tn、腔体气压pm以及能量密度fi，用激光对靶材进行轰击，在衬底上沉积生长条件为tnpmfi的外延薄膜，其中tn、pm、fi分别代表依次改变的生长参数。移动衬底至下一个位置，重复上述薄膜生长步骤。

13、根据移动掩模板3孔状结构大小和衬底21尺寸，可以实现同一次生长多个不同生长条件的外延薄膜样品，据此可以加快外延薄膜生长条件的优化。

14、本发明提出基于上述的一种用于快速批量制备氧化物外延薄膜的装置制备不同阳离子缺陷浓度的外延薄膜样品的方法，所述方法包括：

15、在上述快速优化生长条件的基础上获得最佳的衬底温度topt和腔体气压popt，再通过改变激光能量密度可以实现不同阳离子缺陷的精确控制。将靶材设置到与衬底相对的位置，控制所述移动掩模板3孔状结构中心位于激光在靶材表面上的光斑中心位置，通过监视器54实时观察掩模板3与衬底21靠近的距离，控制掩模板3与衬底21的距离尽量靠近，如小于0.2毫米。设置衬底温度为topt、腔体气压为popt，以及能量密度fi，用激光对靶材进行轰击，在衬底上沉积生长条件为toptpoptfi的外延薄膜。移动衬底至下一个位置，设置能量密度fi+1，用激光对靶材进行轰击，在衬底上沉积生长条件为toptpoptfi+1的外延薄膜。重复上述薄膜生长步骤n次，即可在同一片衬底上得到多个具有不同阳离子缺陷浓度的外延薄膜样品，亦即通过简单的透镜位置控制，实现对外延薄膜组分的控制。

16、（三）有益效果

17、（1）衬底基座2可在xy面内移动用于生长高通量样品，确保目标样品位置始终保持在羽辉轴向上。

18、脉冲激光沉积技术是利用脉冲激光轰击靶材表面而喷射出的定向等离子体羽辉沉积到衬底上形成薄膜，因此羽辉具有强的方向性。当移动掩模板3偏离羽辉中心时，薄膜生长速度、组分等都将受到严重影响。因此，本发明提出移动掩模板3的孔状结构中心与羽辉中心保持重合，通过在xy面内移动衬底基座2的方法来实现高通量生长，这能做到每个组分点更准确、均一的生长控制。

19、（2）使用电动位移台43控制透镜42焦点到靶面的距离，实现激光光斑大小的调节，进而调节激光能量密度。

20、激光能量密度偏高或偏低会改变薄膜的组分，例如针对钙钛矿abo3氧化物薄膜，通常认为激光能量密度偏高会引起a位产生空位，而激光能量密度偏低则导致b位产生空位。因此，本发明提出重点关注激光能量密度这一重要生长参数，使用电动位移台43实现激光光斑大小的控制，从而在一定范围内调节激光能量密度大小。该装置的加入，将进一步加快外延薄膜生长条件的优化，并使得定量研究a、b位空位对氧化物外延薄膜物性的研究成为可能。

21、（3）监控系统5用于监控移动掩模板3与衬底21的相对位置。

22、在薄膜生长过程中，羽辉受障碍物遮挡会在边缘处形成不均匀的沉积而产生阴影效应。阴影效应不仅会影响薄膜的厚度与性能，还会对高通量生长的精度产生极大的负面作用。因此，需要尽可能的使移动掩模板3贴紧衬底21。本发明采用垂直正交放置的两个高清摄像机51和52实时监控掩模板3孔状结构边缘与衬底21边缘之间的间距，以及掩模板3与衬底21之间的距离。通过实时监控，本发明能够控制掩模板3与衬底21之间的距离小于0.2毫米，这能有效避免高通量生长过程中出现严重的阴影效果。