组合薄膜制备装置和方法
【专利摘要】本发明涉及一种组合薄膜制备装置和方法。所述组合薄膜制备装置包括移动掩膜板、靶材基座和衬底基座；所述移动掩膜板为具有第一轴线的圆筒形，所述移动掩膜板根据控制围绕所述第一轴线旋转；所述移动掩膜板设置有至少一个掩膜图案窗口；所述靶材基座用于固定靶材，所述靶材基座固定地或可移动地设置于所述移动掩膜板的内侧；所述衬底基座用于固定沉积组合薄膜的介质衬底，所述衬底基座设置于所述移动掩膜板的外侧，并与所述靶材基座相对。本发明的组合薄膜制备装置和方法可以形成组分呈现直线梯度变化的组合薄膜。
【专利说明】组合薄膜制备装置和方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及材料制备领域，具体涉及组合薄膜制备装置和方法。
【背景技术】
[0002]组合薄膜(Combinatorial films)是由不同组分构成的薄膜,通过对前驱材料的选取可获得具有各种功能的薄I吴，例如超导、铁电、介电等拥有丰富相变的材料。因其材料相图丰富，应用前景广阔，业已成为业内关注的重点。现有技术中常采用组合激光分子束外延技术制备组合薄膜，组合激光分子束外延技术采用不同材料制成的靶材，通过准分子激光轰击相应材料的靶材，溅射出相应的前驱组分，从而使前驱组分沉积在衬底上。通过依次对不同材料的靶材进行周期性溅射，使衬底上形成组合薄膜。
[0003]中国发明专利申请CN201310413317公开了一种利用组合激光分子束外延技术制备二元组合薄膜的设备和方法，其通过轴向转动代替机械手运动以及连续匀速地轴向运动可避免由于掩模的停止-再启动过程中引起的组分的不连续性。如图1所示，掩模板11被设置为圆环形，掩模板11上具有设置在不同位置的两个方形的第一窗口 111和第二窗口112，第一和第二窗口 111和112的形状对应于介质衬底12的形状。掩模板11可沿其轴心方向进行匀速地顺时针或逆时针旋转，且掩模板41的转动频率可根据工艺要求进行设定，靶材13的转换与掩模板41的转动周期匹配，其可由计算机进行自动化控制。将靶材A置于介质衬底12对面，按照预定方向转动掩模板11并在介质衬底12完全暴露于掩模图案窗口 111中时，控制激光开始轰击靶材A以溅射靶材A，从而在介质衬底上沉积A组分，控制掩模板11继续转动使得介质衬底12暴露于掩模图案窗口 111中的区域逐渐减小，直至衬底暴露于掩模图案窗口 111中的区域为零，停止靶材A的溅射。通过沿轴心匀速顺时针旋转，使得介质衬底12开始暴露于用于溅射组分B的第二窗口 411b中并且暴露区域随着掩模板11的转动而逐渐增大。
[0004]在靶材A溅射完成后，再将靶材B置于衬底对面，按照所述预定方向转动掩模板11并在介质衬底12开始暴露于掩模图案窗口 112中时，控制激光开始轰击靶材B以溅射靶材B，从而在衬底上沉积B组分，同时控制掩模板11继续转动使得介质衬底12暴露于掩模图案窗口 112中的区域逐渐增大，直至介质衬底12完全暴露于掩模图案窗口 112中，停止靶材B的溅射。
[0005]将掩模板设计为环形可以提高制备的连续性，但是，如图2所示，在溅射过程中，掩膜图案窗口相对于介质衬底运动时，掩膜图案窗口各部分绕转动轴的角速度相同，但线速度不同(参见图中的Vl和V2)。因此得到的组合薄膜的组分不是沿直线梯度变化，而是呈现为沿放射性的梯度变化(也即，沿转动轨迹曲线的半径方向梯度变化)。这样的组合薄膜特性在某些后期表征和应用领域是不期望的。
【发明内容】
[0006]有鉴于此，本发明所要解决的技术问题在于提供一种组合薄膜制备装置和方法，使得制备获得的组合薄膜组分沿直线地图变化。
[0007]第一方面，提供一种组合薄膜制备装置，包括移动掩膜板、靶材基座和衬底基座；
[0008]所述移动掩膜板为具有第一轴线的圆筒形，所述移动掩膜板根据控制围绕所述第一轴线旋转；所述移动掩膜板设置有至少一个掩膜图案窗口 ；
[0009]所述靶材基座用于固定靶材，所述靶材基座固定地或可移动地设置于所述移动掩膜板的内侧；
[0010]所述衬底基座用于固定沉积组合薄膜的介质衬底，所述衬底基座设置于所述移动掩膜板的外侧，并与所述IE材基座相对。
[0011]优选地，所述组合薄膜制备装置还包括靶材移动台，所述靶材基座固定设置于所述靶材移动台上，所述靶材移动台用于将所述靶材基座移动到所述移动掩膜板的内侧。
[0012]优选地，所述靶材移动台可围绕第二轴线旋转，所述第二轴线与第一轴线具有不为零的夹角。
[0013]优选地，所述组合薄膜制备装置还包括设置于移动掩膜板和所述衬底基座之间的固定掩膜板，所述固定掩膜板在与所述衬底基座相对的位置设置有掩膜图案窗口 ；
[0014]所述移动掩膜板设置有具有不同形状的第一掩膜图案窗口、第二掩膜图案窗口和第三掩膜图案窗口。
[0015]优选地，所述第一掩膜图案窗口和第二掩膜图案窗口分别具有倾斜方向相反的斜边；所述第三掩膜图案窗口具有与所述第二轴线平行的边。
[0016]优选地，所述掩膜板侧边设置有链条或轮齿，通过与所述链条或轮齿相配合的驱动齿轮驱动旋转。
[0017]优选地，所述掩膜板可拆卸地设置在所述组合薄膜制备装置中。
[0018]第二方面，提出一种基于如上所述的组合薄膜制备装置制备二元组合薄膜的方法，所述方法包括:
[0019]将第一靶材设置到与介质衬底相对的位置，控制所述移动掩膜板按照预定的方向转动，在掩膜图案窗口从所述第一靶材和所述介质衬底之间移动通过时，对第一靶材进行轰击，在所述介质衬底上沉积厚度沿第一方向渐变的第一组分；
[0020]将第二靶材设置到与介质衬底相对的位置，控制所述移动掩膜板按照预定的方向转动，在掩膜图案窗口从所述第二靶材和所述介质衬底之间移动通过时，对第二靶材进行轰击，在所述介质衬底上沉积厚度沿第二方向渐变的第二组分；
[0021]按预定周期重复上述轰击第一靶材和第二靶材的步骤。
[0022]第三方面，提出一种基于如上所述的组合薄膜制备装置制备三元组合薄膜的方法，所述方法包括:
[0023]将第一靶材设置到与介质衬底相对的位置，控制所述移动掩膜板按照预定的方向转动，在第一掩膜图案窗口从所述第一祀材和所述介质衬底之间移动通过时，对第一革巴材进行轰击，在所述介质衬底上沉积厚度沿第一方向渐变的第一组分；
[0024]将第二靶材设置到与介质衬底相对的位置，控制所述移动掩膜板按照预定的方向转动，在第二掩膜图案窗口从所述第二靶材和所述介质衬底之间移动通过时，对第二靶材进行轰击，在所述介质衬底上沉积厚度沿第二方向渐变的第二组分；
[0025]将第三靶材设置到与介质衬底相对的位置，控制所述移动掩膜板按照预定的方向转动，在第三掩膜图案窗口从所述第三靶材和所述介质衬底之间移动通过时，对第三靶材进行轰击，在所述介质衬底上沉积厚度沿第三方向渐变的第三组分；
[0026]按预定周期重复上述轰击第一靶材、第二靶材和第三靶材的步骤。
[0027]本实施例的组合薄膜制备装置，通过将移动掩膜板设置为圆筒形，将靶材设置于移动掩膜板的圆筒内部，将介质衬底设置于移动掩膜板的圆筒外部与靶材相对的位置，通过设置于圆筒筒壁的掩膜图案窗口来控制组合薄膜的沉积。由于圆筒形的移动掩膜板相对于衬底的移动可以近似为平移，从而在组合薄膜组分沉积过程中使得掩膜图案窗口相对于衬底的不同部位的移动线速度基本相同，由此可以形成组分呈现直线梯度变化的组合薄膜。
【专利附图】
【附图说明】
[0028]通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优点将更为清楚，在附图中:
[0029]图1是现有的组合薄膜制备装置的示意图；
[0030]图2是根据现有制备方法制备获得组合薄膜组分分布的示意图；
[0031]图3A-3B是本发明第一实施例的组合薄膜制备装置的结构示意图；
[0032]图3C-3D是本发明第一实施例的一个变形的组合薄膜制备装置的结构示意图；
[0033]图4是基于本发明实施例的组合薄膜`制备装置制备二元组合薄膜的方法流程图；
[0034]图5是优选的组合薄膜制备方法中一个周期生长的组合薄膜的截面图；
[0035]图6是优选的组合薄膜制备方法中在精确控制各层以形成原胞的前提下，通过四个周期形成的组合薄膜的截面图；
[0036]图7A-7B是本发明第二实施例的组合薄膜制备装置的结构示意图；
[0037]图8是本发明第二实施例的移动掩膜板和固定掩膜板的掩膜图案窗口的平面投影示意图；
[0038]图9是基于本发明实施例的组合薄膜制备装置制备三元组合薄膜的方法流程图。【具体实施方式】
[0039]以下将参照附图更详细地描述本发明。在各个附图中，相同的元件采用类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。此外，可能未示出某些公知的部分。为了简明起见，可以在一幅图中描述经过数个步骤后获得的结构。
[0040]应当理解，在描述装置的结构时，当将一层、一个区域称为位于另一层、另一个区域“上面”或“上方”时，可以指直接位于另一层、另一个区域上面，或者在其与另一层、另一个区域之间还包含其它的层或区域。并且，如果进行翻转，该一层、一个区域将位于另一层、另一个区域“下面”或“下方”。
[0041]如果为了描述直接位于另一层、另一个区域上面的情形，本文将采用“直接在……上面”或“在……上面并与之邻接”的表述方式。
[0042]在表述相对位置关系时，将位于筒状结构部件所包围的区域内称为位于该部件的内侧，将位于筒状结构部件所包围的区域外称为位于该部件的外侧。
[0043]在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
[0044]在本发明的描述中，术语“薄膜”是相对于“厚膜”而言，“厚膜”厚膜是指在衬底上用印刷烧结等技术所形成的厚度为10微米到数十微米的膜层，“薄膜”是指厚度小于10微米的膜层。
[0045]在本发明的描述中，术语“梯度变化”是指沿着预定的方向递增或者递减。术语“梯度方向”是指“梯度变化”所沿的方向。
[0046]本发明可以各种形式呈现，以下将描述其中一些示例。
[0047]激光分子束外延技术(L-MBE)是在传统的分子束外延技术(MBE)和脉冲激光溅射技术(PLD)上发展而来，上世纪六十年代，PLD技术首次被用于金属薄膜制备，之后由于计算机技术的发展和各种原位检测技术的发展，1991年，日本人设计并研制出了全新的激光分子束外延技术设备。
[0048]L-MBE技术已经被证明是一种最有效的高精度薄膜沉积技术，其在获得人工控制的功能结构中相比其他薄膜沉积技术更有优势。例如，在制备高温超导薄膜过程中，获得理想的化学计量比是实现高温超导的首要条件，L-MBE技术能满足这一条件，目前几乎所有的高温超导薄膜都是用L-MBE方法制备的，L-MBE技术已经成为制备高温超导单晶薄膜的标准手段。
[0049]在激光分子束外延设备中，脉冲激光源与用于沉积薄膜的真空系统是相互隔离的，也即，用于形成薄膜的靶材以及用于沉积薄膜的介质衬底设置于真空系统中，脉冲激光束通过一个光学窗口进人真空系统入射到靶材表面，使靶材局部气化产生激光焰，由此使得靶材上的粒子被剥蚀，并获得很高的动能，被剥蚀的粒子到达可加热的介质衬底表面形成薄膜。在激光分子束外延设备中，衬底温度、激光能量、激光斑的形状与尺寸、激光焰与衬底的距离、靶的密度和表面质量等都可以调节，从而可获得最佳的工艺参数。
[0050]图3A-3B是本发明第一实施例的组合薄膜制备装置的结构示意图。如图3A-3B所示，组合薄膜制备装置30包括移动掩膜板31、靶材基座32和衬底基座33。
[0051]其中，移动掩膜板31为具有第一轴线的圆筒形，移动掩膜板31可以根据控制围绕第一轴线旋转。在移动掩膜板上设置有至少一个掩膜图案窗口。
[0052]靶材基座32用于固定靶材，靶材基座32固定地或可移动地设置于所述移动掩膜板31的内侧。
[0053]在一个可选实施方式中,祀材基座32固定在移动掩膜板31的圆筒形中心位置。通过人工更换来进行靶材的更换。
[0054]在另一个优选的实施方式中，靶材基座32可移动地设置在移动掩膜板31的圆筒形中心位置。通过移动靶材基座32来实现靶材的更换。
[0055]衬底基座33用于固定沉积组合薄膜的介质衬底331。衬底基座33设置于移动掩膜板31的外侧，并与靶材基座32相对。
[0056]如图3A-3B所不,衬底基座33位于移动掩膜板33的圆筒中心位置的部分相对设置，使得在靶材基座32随靶材移动台旋转到移动掩膜板31的圆筒中心位置时与衬底基座33处于相对的位置，由于靶材基座32此时位于筒壁内侧，而衬底基座33位于筒壁外侧，由此，脉冲激光束轰击靶材时，靶材上被剥蚀的粒子可以通过掩膜图案窗口 311到达介质衬底从而沉积在衬底上。
[0057]为了使得靶材基座32可以移动，在本实施例中，组合薄膜制备装置30优选包括靶材移动台34，至少两个靶材基座42固定设置在靶材移动台34上。
[0058]靶材移动台34优选设置为圆柱形并可绕第二轴线旋转，使得靶材基座32跟随靶材移动台的旋转改变位置。其中，第二轴线为圆柱形的轴线。本领域技术人员容易理解，靶材移动台34也可以设置为包括从旋转轴伸出的多个旋转臂的结构或其它本领域技术人员容易想到的结构，从而实现带动靶材基座32旋转的作用。
[0059]在图3A-3B所示的组合薄膜制备装置中，移动掩膜板31的轴线(在本实施例中可称为第一轴线)与靶材移动台34的第二轴线垂直。其中，移动掩膜板31被设置得位于在使得靶材移动台34的一部分位于移动掩膜板31的圆筒所包围区域的内部(也即，圆筒形的内侧)，从而使得靶材基座32可以随靶材移动台旋转到移动掩膜板31的圆筒形所包围的区域内。优选地，移动掩膜板31位置被设置为使得靶材基座32可以随靶材移动台34旋转移动所述圆筒形包围区域的中心位置。
[0060]当然，靶材移动台34与移动掩膜板31的相互位置关系并不限于上述方式。在靶材旋转台设置为圆柱形并可绕第二轴线旋转的前提下，第一轴线和第二轴线的夹角可以是不为零的任意角度。
[0061]图3C-3D是本发明第一实施例一个变形的组合薄膜制备装置的示意图。在图3C-3D中，靶材移动台34的第二轴线与移动掩膜板31的第一轴线不垂直。靶材基座32相对于靶材移动台34的台面倾斜设置，使得其旋转到移动掩膜板31的内侧时，基座台面垂直向上。
[0062]移动掩膜板31设置有至少一个掩膜图案窗口 311 (也即，位于圆筒形的筒壁上)，移动掩膜板31可以根据控制绕第一轴线旋转。优选地，可以在圆筒形移动掩膜板31侧边设置链条或轮齿，通过与链条或轮齿相配合的驱动齿轮驱动移动掩膜板31旋转，由此，可以避免在旋转时妨碍激光束对靶材的轰击。本领域技术人员能够理解，圆筒形的移动掩膜板31可以通过其它常用的现有方式驱动实现在不影响激光轰击的前提下围绕圆筒轴线旋转。
[0063]靶材移动台32和移动掩膜板31的转动可由计算机进行自动化控制。
[0064]如图3A-3B所示，本实施例中移动掩膜板33在圆筒形的筒壁设置两个矩形镂空的掩膜图案窗口 311，两个掩膜图案窗口 311均匀分布在筒壁上。当然，本领域技术人员可以理解，掩膜图案窗口 311也可以设置为其它形状，其数量也可以设置为一个或者多个。掩膜图案窗口可以具有与介质衬底相同的形状和大小。
[0065]采用矩形镂空的掩膜图案窗口可以适宜于制备二元组合薄膜。图4是利用图3A-3B所示装置制备二元组合薄膜AhBx的方法流程图。在制备AhBx 二元组合薄膜时，A和B分别为两种不同组分的靶材，例如，在制备BahSrxTiO3时，将BaTiO3和SrTiO3作为靶材。
[0066]所述制备方法包括:
[0067]步骤410、将介质衬底固定于衬底基座上，同时将对应于二元组合薄膜的各组分的第一靶材A和第二靶材B固定于对应的靶材基座上。
[0068]步骤420、将第一靶材A设置到与介质衬底相对的位置，控制所述移动掩膜板按照预定的方向转动，在掩膜图案窗口从所述第一靶材A和所述介质衬底之间移动通过时，对第一靶材进行轰击，在所述介质衬底上沉积厚度沿第一方向渐变的第一组分。
[0069]具体地，控制靶材移动台旋转使得承载第一靶材A的靶材基座随靶材移动台旋转到与衬底基座及固定于其上的介质衬底相对的位置，按照预定的方向转动移动掩膜板，并在介质衬底完全暴露于掩膜图案窗口中时，控制激光开始轰击第一祀材A,从而在介质衬底上沉积A组分，同时，控制移动掩膜板继续转动，使得介质衬底暴露于掩模图案窗口中的区域逐渐减小，直至介质衬底暴露于掩模图案窗口中的区域为零，停止第一靶材A的溅射。
[0070]步骤430、将第二靶材B设置到与介质衬底相对的位置，控制所述移动掩膜板按照预定的方向转动，在掩膜图案窗口从所述第二靶材和所述介质衬底之间移动通过时，对第二靶材B进行轰击，在所述介质衬底上沉积厚度沿第二方向渐变的第二组分。
[0071]对于二元组合薄膜，第一方向和第二方向相反。
[0072]具体地，控制靶材移动台旋转使得承载第二靶材B的靶材基座随靶材移动台旋转到与衬底基座及固定于其上的介质衬底相对的位置，按照预定的方向转动移动掩膜板，并在介质衬底开始暴露于掩模图案窗口中时，控制激光开始轰击第二靶材B，从而在介质衬底上沉积B组分，同时，控制移动掩膜板33继续匀速转动，直到介质衬底完全暴露于掩模图案窗口 331中，停止第二靶材B的溅射。
[0073]步骤420和步骤430完成一个周期的溅射过程，此时在衬底上形成了具有二元组分连续沿直线梯度变化分布的薄膜。每个周期形成如图5截面图所示的薄膜，所述组合薄膜51形成于介质衬底52上，包括沿一个方向厚度逐渐递减的A材料层511和覆盖于A材料层511上方沿上述方向厚度逐渐递增的B材料层512。通过控制激光溅射的功率和/或掩模板51移动的速度，以及其它制备条件，可以控制每一周期生长的薄膜的厚度。当然，本领域技术人员可以理解，图5所示的薄膜结构仅为示例，通过其它工艺形成的组合材料薄膜的结构可能不同，但同样可以适用于本发明实施例。
[0074]步骤440、判断是否完成预定周期数目的沉积操作，如果是，则结束，如果否，则执行步骤420。
[0075]也即，按照预定周期重复上述步骤420和步骤430，执行多个周期的溅射过程。通过控制周期数也可以较好地控制薄膜的厚度。
[0076]图6示出了在精确控制各层以形成原胞的前提下，通过四个周期形成的组合薄膜的截面图。每个材料原胞中的掺杂离子的组分含量沿梯度方向连续梯度变化。
[0077]以上仅为优选的组合薄膜的制备方法，本领域技术人员可以了解步骤420和步骤430的顺序可以调换，其所针对的靶材也可以进行调换。
[0078]本实施例的组合薄膜制备装置，通过将移动掩膜板设置为圆筒形，将靶材设置于移动掩膜板的圆筒内部，将介质衬底设置于移动掩膜板的圆筒外部与靶材相对的位置，通过设置于圆筒筒壁的掩膜图案窗口来控制组合薄膜的沉积。由于圆筒形的移动掩膜板相对于衬底的移动可以近似为平移，从而在组合薄膜组分沉积过程中使得掩膜图案窗口相对于衬底的不同部位的移动线速度基本相同，由此可以形成组分呈现直线梯度变化的组合薄膜。
[0079]而且，本实施例的组合薄膜制制备装置的移动掩膜板设置为圆筒形可以方便地控制转动的速度和频率，实现对于组合薄膜制备过程的精确控制。
[0080]同时，优选地，本实施例的组合薄膜制制备装置的移动掩膜板设置为圆筒形，并配置两个掩膜图案窗口，其可以在转动一圈(即一个旋转周期内)实现一个周期的二元组合薄膜沉积，由此，可以直接通过控制移动掩膜板的转动圈数来控制沉积的薄膜的厚度。
[0081]图7A-7B是本发明第二实施例的组合薄膜制备装置的结构示意图。如图7A-7B所示，组合薄膜制备装置70用于制备三元组合薄膜，其包括移动掩膜板71、靶材基座72、衬底基座73和固定掩膜板74。
[0082]其中，移动掩膜板71为具有第一轴线的圆筒形，移动掩膜板71可以根据控制围绕第一轴线旋转。在移动掩膜板上设置有至少一个掩膜图案窗口。
[0083]靶材基座72用于固定靶材，靶材基座72固定地或可移动地设置于所述移动掩膜板71的内侧。
[0084]在一个可选实施方式中,祀材基座72固定在移动掩膜板71的圆筒形中心位置。通过人工更换来进行靶材的更换。
[0085]在另一个优选的实施方式中，靶材基座72可移动地设置在移动掩膜板71的圆筒形中心位置。通过移动靶材基座72来实现靶材的更换。
[0086]衬底基座73用于固定沉积组合薄膜的介质衬底731。衬底基座73设置于移动掩膜板71的外侧，并与靶材基座72相对。
[0087]如图7A-7B所示，衬底基座73位于移动掩膜板71的圆筒中心位置的部分相对设置，使得在靶材基座72随靶材移动台旋转到移动掩膜板71的圆筒中心位置时与衬底基座73处于相对的位置，由于靶材基座72此时位于筒壁内侧，而衬底基座73位于筒壁外侧，由此，脉冲激光束轰击靶材时，靶材上被剥蚀的粒子可以通过掩膜图案窗口 711到达介质衬底从而沉积在衬底上。
[0088]在本实施例中，组合薄膜制备装置70还包括设置于移动掩膜板71和衬底基座73之间的固定掩膜板74，其上优选设置有三角形的掩膜图案窗口 741。由于在介质衬底和靶材之间存在两层掩膜板，因此，仅在两层掩膜板的掩膜图案窗口相重合时，被脉冲激光束剥蚀的粒子才能够穿越掩膜板到达衬底。通过控制移动掩膜板71相对于固定掩膜板74转动，使得两层掩膜板的掩膜图案窗口的重合区域随着移动转动而变换，可以实现对介质衬底的不同区域暴露不同的实现，从而进一步实现沉积不同厚度的靶材粒子制备具有直线梯度的三元组合薄膜。本领域技术人员容易理解，掩膜图案窗口 741并不限于上述形状，其可以根据需要设置为其它形状。
[0089]图8是本发明第二实施例的移动掩膜板和固定掩膜板的掩膜图案窗口的平面投影示意图。其中，第一掩膜图案窗口 711和第二掩膜图案窗口 712的平面投影分别为斜边倾斜方向相反的直角三角形。第三掩膜图案窗口 713的平面投影分别为矩形。在一个优选实施例中，其也可以为具有一条与第二轴线平行的底边的三角形。在本实施例中，“斜边”是指相对于移动掩膜板转动是的线速度方向而言具有大于O度小于90度夹角的边。
[0090]在图8中,第一掩膜图案窗口 711相对于固定掩膜板74的掩膜图案窗口 741向上移动时，第一掩膜图案窗口 711的斜边由三角形的掩膜图案窗口 741左下角的端点开始切过三角形的掩膜图案窗口 741，使得第一掩膜图案窗口 711与三角形的掩膜图案窗口 741具有重合区域，且重合区域逐渐扩大，直至三角形的掩膜图案窗口 741完全暴露在第一掩膜图案窗口 711中。
[0091]第二掩膜图案窗口 712相对于三角形的掩膜图案窗口 741向上移动时，其重合区域变化也是类似的。
[0092]第三掩膜图案窗口 713相对于三角形的掩膜图案窗口 741向下移动时，其底边由三角形的掩膜图案窗口 741的顶部端点开始切过三角形的掩膜图案窗口 741，使得第三掩膜图案窗口 713与三角形的掩膜图案窗口 741具有重合区域，且重合区域逐渐扩大，直至三角形的掩膜图案窗口 741完全暴露在第三掩膜图案窗口 713中。
[0093]当然，本领域技术人员可以理解，图7A-7B和图8所示的掩膜图案窗口的形状仅为示例，第一掩膜图案窗口 711和第二掩膜图案窗口 712并不限于直角三角形，只要两者具有倾斜方向相反的斜边即可，其中，所述的斜边可以是直线也可以不是直线。同时，第三掩膜图案窗口 713不限于矩形或者三角形，只要为具有一条与第二轴线近似平行的底边几何形状即可。
[0094]为了使得靶材基座72可以移动，在本实施例中，组合薄膜制备装置70优选包括靶材移动台75，至少两个靶材基座72固定设置在靶材移动台75上。
[0095]靶材移动台75优选设置为圆柱形并可绕第二轴线旋转，使得靶材基座72跟随靶材移动台的旋转改变位置。其中，第二轴线为圆柱形的轴线。本领域技术人员容易理解，靶材移动台72也可以设置为包括从旋转轴伸出的多个旋转臂的结构或其它本领域技术人员容易想到的结构，从而实现带动靶材基座32旋转的作用。
[0096]在图7A-7B所示的组合薄膜制备装置中，移动掩膜板71的轴线(在本实施例中可称为第一轴线)与靶材移动台75的第二轴线垂直。其中，移动掩膜板71被设置得位于在使得靶材移动台75的一部分位于移动掩膜板71的圆筒所包围区域的内部(也即，圆筒形的内侧)，从而使得靶材基座72可以随靶材移动台旋转到移动掩膜板71的圆筒形所包围的区域内。优选地，移动掩膜板71位置被设置为使得靶材基座72可以随靶材移动台75旋转移动所述圆筒形包围区域的中心位置。
[0097]当然，靶材移动台75与移动掩膜板71的相互位置关系并不限于上述方式。在靶材旋转台设置为圆柱形并可绕第二轴线旋转的前提下，第一轴线和第二轴线的夹角可以是不为零的任意角度。
[0098]图7A-7B所示的组合薄膜制备装置的移动掩膜板仅为可选方案。也可以将移动掩膜板设置为可拆卸地安装于组合薄膜制备装置中，在不同的移动掩膜板上设置不同的掩膜图案窗口，通过替换移动掩膜板实现对于不同靶材的溅射控制。
[0099]优选地，将移动掩膜板以及固定掩膜板设置为可拆卸地安装于组合薄膜制备装置中，还可以通过替换安装移动掩膜板和拆卸固定掩膜板使得所述装置既可以用于制备二元组合薄膜也可以用于制备多元组合薄膜。
[0100]图9是利用如图7A-7B所示装置制备三元组合薄膜的方法流程图。如图9所示，所述制备方法包括:
[0101]步骤910、将介质衬底固定于衬底基座上，同时将对应于三元组合薄膜的各组分的第一靶材、第二靶材和第三靶材分别固定于对应的靶材基座上。
[0102]步骤920、将第一靶材设置到与介质衬底相对的位置，控制所述移动掩膜板按照预定的方向转动，在第一掩膜图案窗口从所述第一祀材和所述介质衬底之间移动通过时，对第一靶材进行轰击，在所述介质衬底上沉积厚度沿第一方向渐变的第一组分。
[0103]具体地，控制靶材移动台旋转使得承载第一靶材的靶材基座随靶材移动台旋转到与介质衬底相对的位置，控制所述移动掩膜板按照预定的第一方向转动，在固定掩膜板的三角形掩膜图案窗口与所述第一掩膜图案窗口开始出现重合区域时，控制激光开始轰击所述第一靶材，控制移动掩膜板继续转动，使得所述三角形掩膜图案窗口与所述第一掩模图案窗口的重合区域逐渐增大，直至所述三角形掩膜图案窗口完全暴露于所述第一掩模图案窗口中，停止轰击所述第一靶材。
[0104]步骤930、将第二靶材设置到与介质衬底相对的位置，控制所述移动掩膜板按照预定的方向转动，在第二掩膜图案窗口从所述第二靶材和所述介质衬底之间移动通过时，对第二靶材进行轰击，在所述介质衬底上沉积厚度沿第二方向渐变的第二组分。
[0105]具体地，控制靶材移动台旋转使得承载第二靶材的靶材基座随靶材移动台旋转到与介质衬底相对的位置，控制所述移动掩膜板按照预定的第一方向转动，在固定掩膜板的三角形掩膜图案窗口与所述第二掩膜图案窗口开始出现重合区域时，控制激光开始轰击所述第二靶材，控制移动掩膜板继续转动，使得所述三角形掩膜图案窗口与所述第二掩模图案窗口的重合区域逐渐增大，直至所述三角形掩膜图案窗口完全暴露于所述第二掩模图案窗口中，停止轰击所述第二靶材。
[0106]步骤940、将第三靶材设置到与介质衬底相对的位置，控制所述移动掩膜板按照预定的方向转动，在第三掩膜图案窗口从所述第三靶材和所述介质衬底之间移动通过时，对第三靶材进行轰击，在所述介质衬底上沉积厚度沿第三方向渐变的第三组分。
[0107]具体地，控制靶材移动台旋转使得承载第三靶材的靶材基座随靶材移动台旋转到与介质衬底相对的位置，控制所述移动掩膜板按照与第一方向相反的第二方向转动，在固定掩膜板的三角形掩膜图案窗口与所述第三掩膜图案窗口开始出现重合区域时，控制激光开始轰击所述第三靶材，控制移动掩膜板继续转动，使得所述三角形掩膜图案窗口与所述第三掩模图案窗口的重合区域逐渐增大，直至所述三角形掩膜图案窗口完全暴露于所述第三掩模图案窗口中，停止轰击所述第三靶材。
[0108]步骤920至步骤940完成一个周期的溅射过程，此时在衬底上形成了具有三元元组分连续沿直线方向梯度变化分布的薄膜。对于三元组合薄膜，第一、第二、第三方向为不同的方向，优选地，各方向之间的夹角为60度。
[0109]步骤950、判断是否完成预定周期数目的沉积操作，如果是，则结束，如果否，则执行步骤920。
[0110]也即，按预定周期重复上述轰击第一靶材、第二靶材和第三靶材的步骤，也即步骤920-940。通过控制周期数可以较好地控制薄膜的厚度。
[0111]本领域技术人员容易理解，上述步骤920-940的顺序可以根据需要进行调换，不会影响本实施例获取组分按照直线梯度变化的效果。
[0112]本实施例的组合薄膜制备装置，通过将移动掩膜板设置为圆筒形，将靶材设置于移动掩膜板的圆筒内部，将介质衬底设置于移动掩膜板的圆筒外部与靶材相对的位置，通过设置于圆筒筒壁的掩膜图案窗口来控制组合薄膜的沉积。由于圆筒形的移动掩膜板相对于衬底的移动可以近似为平移，从而在组合薄膜组分沉积过程中使得掩膜图案窗口相对于衬底的不同部位的移动线速度基本相同，由此可以形成组分呈现直线梯度变化的组合薄膜。
[0113]应当理解本部分仅仅选取部分实施例对于本发明进行示例性说明，而非用于限制本发明。凡在本发明精神和原则之内所做的任何修改、等同替换和改进等，均包含于本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种组合薄膜制备装置，包括移动掩膜板、靶材基座和衬底基座； 所述移动掩膜板为具有第一轴线的圆筒形，所述移动掩膜板根据控制围绕所述第一轴线旋转；所述移动掩膜板设置有至少一个掩膜图案窗口； 所述靶材基座用于固定靶材，所述靶材基座固定地或可移动地设置于所述移动掩膜板的内侧； 所述衬底基座用于固定沉积组合薄膜的介质衬底，所述衬底基座设置于所述移动掩膜板的外侧，并与所述靶材基座相对。
2.根据权利要求1所述的组合薄膜制备装置，其特征在于，所述组合薄膜制备装置还包括靶材移动台，所述靶材基座固定设置于所述靶材移动台上，所述靶材移动台用于将所述靶材基座移动到所述移动掩膜板的内侧。
3.根据权利要求2所述的组合薄膜制备装置，其特征在于，所述靶材移动台围绕第二轴线旋转，所述第二轴线与第一轴线具有不为零的夹角。
4.根据权利要求1所述的组合薄膜制备装置，其特征在于，所述组合薄膜制备装置还包括设置于移动掩膜板和所述衬底基座之间的固定掩膜板，所述固定掩膜板在与所述衬底基座相对的位置设置有掩膜图案窗口； 所述移动掩膜板设置有具有不同形状的第一掩膜图案窗口、第二掩膜图案窗口和第三掩膜图案窗口。
5.根据权利要求4所述的组合薄膜制备装置，其特征在于，所述第一掩膜图案窗口和第二掩膜图案窗口分别具有倾斜方向相反的斜边；所述第三掩膜图案窗口具有与所述第一轴线平行的边。
6.根据权利要求1所述的组合薄膜制备装置，其特征在于，所述掩膜板侧边设置有链条或轮齿，通 过与所述链条或轮齿相配合的驱动齿轮驱动旋转。
7.根据权利要求1所述的组合薄膜制备装置，其特征在于，所述掩膜板可拆卸地设置在所述组合薄膜制备装置中。
8.一种基于权利要求1所述的组合薄膜制备装置制备二元组合薄膜的方法，所述方法包括: 将第一靶材设置到与介质衬底相对的位置，控制所述移动掩膜板按照预定的方向转动，在掩膜图案窗口从所述第一靶材和所述介质衬底之间移动通过时，对第一靶材进行轰击，在所述介质衬底上沉积厚度沿第一方向渐变的第一组分； 将第二靶材设置到与介质衬底相对的位置，控制所述移动掩膜板按照预定的方向转动，在掩膜图案窗口从所述第二靶材和所述介质衬底之间移动通过时，对第二靶材进行轰击，在所述介质衬底上沉积厚度沿第二方向渐变的第二组分； 按预定周期重复上述轰击第一靶材和第二靶材的步骤。
9.一种基于权利要求4-6中任一项所述的组合薄膜制备装置制备三元组合薄膜的方法，所述方法包括: 将第一靶材设置到与介质衬底相对的位置，控制所述移动掩膜板按照预定的方向转动，在第一掩膜图案窗口从所述第一祀材和所述介质衬底之间移动通过时，对第一祀材进行轰击，在所述介质衬底上沉积厚度沿第一方向渐变的第一组分； 将第二靶材设置到与介质衬底相对的位置，控制所述移动掩膜板按照预定的方向转动，在第二掩膜图案窗口从所述第二靶材和所述介质衬底之间移动通过时，对第二靶材进行轰击，在所述介质衬底上沉积厚度沿第二方向渐变的第二组分； 将第三靶材设置到与介质衬底相对的位置，控制所述移动掩膜板按照预定的方向转动，在第三掩膜图案窗口从所述第三靶材和所述介质衬底之间移动通过时，对第三靶材进行轰击，在所述介质衬底上沉积厚度沿第三方向渐变的第三组分； 按预定周期重 复上述轰击第一靶材、第二靶材和第三靶材的步骤。
【文档编号】H01L21/02GK103871845SQ201410128987
【公开日】2014年6月18日 申请日期:2014年4月1日 优先权日:2014年4月1日
【发明者】袁洁, 金魁, 郇庆 申请人:中国科学院物理研究所