組合薄膜制備及原位表征系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及薄膜制備領(lǐng)域，具體涉及一種組合薄膜制備及原位表征系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]組合薄膜(Combinatorial films)即連續(xù)梯度摻雜薄膜是由不同組分構(gòu)成的薄膜，通過對(duì)前驅(qū)材料的選取可獲得具有各種功能的薄膜，例如超導(dǎo)、鐵電、介電等擁有豐富相變的材料。組合薄膜技術(shù)大大提高了材料研發(fā)的效率。因其材料相圖豐富，應(yīng)用前景廣闊，業(yè)已成為業(yè)內(nèi)關(guān)注的重點(diǎn)?，F(xiàn)有技術(shù)的組合薄膜的制備方法包括磁控濺射、脈沖激光沉積以及分子束外延等。
[0003]組合薄膜的梯度特性的表征需要良好的空間分辨率?，F(xiàn)有技術(shù)的組合薄膜的制備和測(cè)量表征分開進(jìn)行，效率較低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明提出了一種組合薄膜制備及原位表征系統(tǒng)，通過中轉(zhuǎn)腔結(jié)合機(jī)械臂實(shí)現(xiàn)了組合薄膜生長(zhǎng)后的準(zhǔn)原位表征；通過設(shè)置小體積的進(jìn)樣腔提高了基片和靶材的傳遞效率。
[0005]本發(fā)明提供一種組合薄膜制備及原位表征系統(tǒng)，包括:生長(zhǎng)腔，所述生長(zhǎng)腔中設(shè)有組合薄膜生長(zhǎng)裝置，用于在基片上生長(zhǎng)組合薄膜；至少一個(gè)表征腔，所述表征腔中設(shè)有組合薄膜表征裝置；準(zhǔn)備腔，用于對(duì)所述基片進(jìn)行預(yù)處理；中轉(zhuǎn)腔，所述中轉(zhuǎn)腔同生長(zhǎng)腔、表征腔以及準(zhǔn)備腔之間分別通過管道連接，所述管道設(shè)有閥門；機(jī)械臂，用于在所述中轉(zhuǎn)腔、表征腔以及生長(zhǎng)腔之間傳遞樣品。
[0006]優(yōu)選地，所述組合薄膜生長(zhǎng)裝置選自脈沖激光沉積裝置、磁控濺射裝置以及激光分子束外延裝置之一。
[0007]優(yōu)選地，所述分子束外延裝置采用激光轟擊靶材或者采用蒸發(fā)源，實(shí)現(xiàn)原子層生長(zhǎng)。
[0008]優(yōu)選地，所述表征裝置選自掃描探針顯微鏡、角分辨光電子能譜裝置、霍爾測(cè)量裝置、熱輸運(yùn)測(cè)量裝置、光電導(dǎo)測(cè)量裝置和電子態(tài)表征裝置之一。
[0009]優(yōu)選地，所述機(jī)械臂包括:以第一方向?yàn)檩S的360度自由旋轉(zhuǎn)度的第一臂；沿第二方向伸縮的第二臂，其中所述第一方向垂直于所述第二方向。
[0010]優(yōu)選地，所述組合薄膜制備及原位表征系統(tǒng)還包括進(jìn)樣腔，所述進(jìn)樣腔通過管道連接所述準(zhǔn)備腔，所述管道設(shè)有閥門。
[0011]優(yōu)選地，在至少一個(gè)工作狀態(tài)中，所述中轉(zhuǎn)腔與所述生長(zhǎng)腔、所述至少一個(gè)表征腔和所述準(zhǔn)備腔中的兩個(gè)腔室真空互聯(lián)，使得可以經(jīng)由所述中轉(zhuǎn)腔在所述兩個(gè)腔室之間轉(zhuǎn)移樣品。
[0012]優(yōu)選地，所述進(jìn)樣腔是唯一可以暴露于大氣環(huán)境的腔室。
[0013]優(yōu)選地，所述生長(zhǎng)腔用于生長(zhǎng)連續(xù)梯度組分薄膜。
[0014]優(yōu)選地，組合薄膜樣品和測(cè)量探針在所述準(zhǔn)備腔中進(jìn)行預(yù)處理。
[0015]本發(fā)明的組合薄膜制備及原位表征系統(tǒng)通過中轉(zhuǎn)腔將準(zhǔn)備腔、生長(zhǎng)腔和表征腔真空互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)了組合薄膜生長(zhǎng)后的原位表征和準(zhǔn)原位表征。
【附圖說明】
[0016]通過以下參照附圖對(duì)本發(fā)明實(shí)施例的描述，本發(fā)明的上述以及其它目的、特征和優(yōu)點(diǎn)將更為清楚，在附圖中:
[0017]圖1是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的組合薄膜制備及原位表征系統(tǒng)的示意性結(jié)構(gòu)框圖；
[0018]圖2是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的組合薄膜制備及原位表征系統(tǒng)的中轉(zhuǎn)腔的主視圖；以及
[0019]圖3是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的組合薄膜制備及原位表征系統(tǒng)的機(jī)械臂的示意性結(jié)構(gòu)圖。
【具體實(shí)施方式】
[0020]以下基于實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行描述，但是本發(fā)明并不僅僅限于這些實(shí)施例。在下文對(duì)本發(fā)明的細(xì)節(jié)描述中，詳盡描述了一些特定的細(xì)節(jié)部分。對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員來說沒有這些細(xì)節(jié)部分的描述也可以完全理解本發(fā)明。為了避免混淆本發(fā)明的實(shí)質(zhì)，公知的方法、過程、流程、元件和電路并沒有詳細(xì)敘述。
[0021]此外，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，在此提供的附圖都是為了說明的目的，并且附圖不一定是按比例繪制的。除非上下文明確要求，否則整個(gè)說明書和權(quán)利要求書中的“包括”、“包含”等類似詞語(yǔ)應(yīng)當(dāng)解釋為包含的含義而不是排他或窮舉的含義；也就是說，是“包括但不限于”的含義。在本發(fā)明的描述中，需要理解的是，術(shù)語(yǔ)“第一”、“第二”等僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對(duì)重要性。此外，在本發(fā)明的描述中，除非另有說明，“多個(gè)”的含義是兩個(gè)或兩個(gè)以上。
[0022]在本發(fā)明的描述中，術(shù)語(yǔ)“薄膜”是相對(duì)于“厚膜”而言，“厚膜”厚膜是指在襯底上用印刷燒結(jié)等技術(shù)所形成的厚度為10微米到數(shù)十微米的膜層，“薄膜”是指厚度小于10微米的膜層。
[0023]激光分子束外延技術(shù)(L-MBE)是在傳統(tǒng)的分子束外延技術(shù)(MBE)和脈沖激光濺射技術(shù)(PLD)上發(fā)展而來，上世紀(jì)六十年代，PLD技術(shù)首次被用于金屬薄膜制備，之后由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和各種原位檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，1991年，日本人設(shè)計(jì)并研制出了全新的激光分子束外延技術(shù)設(shè)備。L-MBE技術(shù)已經(jīng)被證明是一種最有效的高精度薄膜沉積技術(shù)，其在獲得人工控制的功能結(jié)構(gòu)中相比其他薄膜沉積技術(shù)更有優(yōu)勢(shì)。例如，在制備高溫超導(dǎo)薄膜過程中，獲得理想的化學(xué)計(jì)量比是實(shí)現(xiàn)高溫超導(dǎo)的首要條件，L-MBE技術(shù)能滿足這一條件，目前幾乎所有的高溫超導(dǎo)薄膜都是用L-MBE方法制備的，L-MBE技術(shù)已經(jīng)成為制備高溫超導(dǎo)單晶薄膜的標(biāo)準(zhǔn)手段。在激光分子束外延設(shè)備中，脈沖激光源與用于沉積薄膜的真空系統(tǒng)是相互隔離的，也即，用于形成薄膜的靶材以及用于沉積薄膜的介質(zhì)襯底設(shè)置于真空系統(tǒng)中，脈沖激光束通過一個(gè)光學(xué)窗口進(jìn)入真空系統(tǒng)入射到靶材表面，使靶材局部氣化產(chǎn)生激光焰，由此使得靶材上的粒子被剝蝕，并獲得很高的動(dòng)能，被剝蝕的粒子到達(dá)可加熱的介質(zhì)襯底表面形成薄膜。在激光分子束外延設(shè)備中，襯底溫度、激光能量、激光斑的形狀與尺寸、激光焰與襯底的距離、靶的密度和表面質(zhì)量等都可以調(diào)節(jié)，從而可獲得最佳的工藝參數(shù)。
[0024]圖1是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的組合薄膜制備及原位表征系統(tǒng)的示意性結(jié)構(gòu)框圖。該制備及原位表征系統(tǒng)包括:生長(zhǎng)腔120、表征腔130、表征腔140、中轉(zhuǎn)腔110、準(zhǔn)備腔160、進(jìn)樣腔150以及未在圖中示出的機(jī)械臂。
[0025]進(jìn)樣腔150用于提供基片、革E材、針尖等的入口。其中，基片例如為娃、錯(cuò)、碳化娃、砷化鎵、氧化鋅、氧化鋁鋰以及藍(lán)寶石等。進(jìn)樣腔150通過管道連接準(zhǔn)備腔160，管道上設(shè)有閥門185。進(jìn)樣腔150設(shè)有真空栗。進(jìn)樣腔150的體積較小，小于準(zhǔn)備腔160的體積。在組合薄膜的生長(zhǎng)中，需要將基片和靶材送入生長(zhǎng)腔120，基片還要在準(zhǔn)備腔160中進(jìn)行表面清潔。無論在生長(zhǎng)腔120中生長(zhǎng)組合薄膜，還是在準(zhǔn)備腔160中清潔基片的表面，都需要真空環(huán)境，而真空抽取是一個(gè)耗費(fèi)時(shí)間的過程。通過設(shè)置較小體積的進(jìn)樣腔150可以節(jié)省時(shí)間，提高效率。如果需要更換靶材，只需要將進(jìn)樣腔150重新抽真空。
[0026]準(zhǔn)備腔160中設(shè)置有基片清潔裝置，基片清潔裝置例如為離子槍，離子槍產(chǎn)生離子束轟擊基片的表面，用于對(duì)基片的表面進(jìn)行清潔。例如離子槍產(chǎn)生Ar離子束，清潔的時(shí)間為0.5分鐘-10分鐘。替代地，基片清潔裝置為電子束槍。準(zhǔn)備腔160還設(shè)有真空栗，用于從準(zhǔn)備腔160抽取空氣，使準(zhǔn)備腔160成為真空狀態(tài)。在優(yōu)選的實(shí)施方式中，準(zhǔn)備腔160還可以用來對(duì)組合薄膜樣品和/或測(cè)試探針進(jìn)行預(yù)處理，例如在本系統(tǒng)僅用于表征的情況，組合薄膜樣品從進(jìn)樣腔150進(jìn)入準(zhǔn)備腔160，經(jīng)過預(yù)處理后，再送入對(duì)應(yīng)的表征腔。
[0027]生長(zhǎng)腔120中設(shè)置有組合薄膜生長(zhǎng)裝置，用于在基片上生長(zhǎng)組合薄膜。組合薄膜生長(zhǎng)裝置例如為分子束外延裝置采用激光轟擊靶材或者采用蒸發(fā)源，實(shí)現(xiàn)原子層生長(zhǎng)。優(yōu)選地，組合薄膜生長(zhǎng)裝置例如為脈沖激光沉積裝置。優(yōu)選地組合薄膜生長(zhǎng)裝置例如為磁控濺射裝置。生長(zhǎng)腔120還設(shè)有真空栗，用于從生長(zhǎng)腔120抽取空氣，使生長(zhǎng)腔120成為真空狀態(tài)。
[0028]表征腔130和表征腔140中分別設(shè)有組合薄膜表征裝置。一個(gè)或多個(gè)組合薄膜表征裝置經(jīng)調(diào)適成測(cè)量組