[发明专利]一种高通量组合材料制备装置及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及材料制备技术，具体是涉及一种高通量组合材料制备装置及制备方法。

背景技术

高通量组合材料制备技术的核心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。在一块较小基片上同时集成生长的不同组分、结构和性能的材料被称为高通量组合材料芯片，可与集成电路芯片或生物基因芯片类比。高通量组合材料芯片的制备过程通常分为“组合”和“成相”两个阶段，其中组合是将不同组成的材料按照一定顺序和组合比例规律进行顺序堆叠，通常可采用连续掩模和分立掩模的方式来完成，然后通过分别采取低温和高温热处理的方式使材料发生均匀混合和成相的过程，完成组合材料芯片的制备。

组合材料芯片通常可以通过磁控溅射、离子束溅射﹑溶液喷射等方式完成制备过程。其中离子束溅射镀膜装置相比其他几种方法具有分辨率高、薄膜致密和控制精度高等特点，可以完成高样品密度的、薄膜形态的组合材料芯片的精确制备。

2004年，Xiao-Dong Xiang在杂志《Applied Surface Science》上发表了文章(Xiao-Dong Xiang,High throughput synthesis and screening for functional materials,Appl.Surf.Sci.,223,54-61,2004)。在该文中，公开了一种离子束溅射镀膜装置，该装置采用“鼓”状的多靶材旋转更换模块，旋转更换所需要靶材至石墨挡板窗口，使离子束可以入射至其表面，并溅射出靶材材料，结合连续或分立掩模在基片表面形成组合材料芯片前驱体的制备。

在上述的离子束溅射镀膜装置中，“鼓”状靶材更换模块虽可以完成靶材更换使用，但由于反溅出的原子运动的非定向性，易造成靶材的污染，进而污染所制备的薄膜前驱体。而由于组合材料芯片前驱体要求高纯度，杂质存在可能提高低温扩散过程的扩散势垒，同时易破坏外延薄膜晶格的完整性，造成一定程度的晶格缺陷，影响薄膜功能特性。

并且，在组合材料芯片的制备过程中，由于低温和高温热处理过程对芯片的成相十分重要，往往该过程需要在一定的气氛条件下完成，并且大气中氧气和水汽等气体会对薄膜成分造成污染，上述的离子束溅射镀膜装置需要在大气条件下将组合材料芯片取出，使组合材料芯片暴漏于空气中，易对组合材料芯片造成污染。

另外，上述的离子束溅射镀膜装置只能内置少量有限靶材于高真空环境下，更换靶材通常需要打开真空腔体，此过程中也造成靶材暴露于大气条件下，由于上述问题，对于有些对氧气敏感的靶材，该设备无法使用，降低了该设备的使用范围。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种高通量组合材料制备装置及制备方法，在真空环境下实现多个靶材的更换和组合材料芯片前驱体的沉积，避免引入杂质造成污染，以期得到高品质的高通量组合材料芯片。

为了达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种高通量组合材料制备装置，具有这样的特征，包括：储靶腔，用于储存备用的靶材；制备腔，通过离子束溅射在靶材表面并在基片表面反溅沉积多层薄膜材料从而形成组合材料芯片前驱体；以及换靶腔，在制备腔和储靶腔之间传递或存取靶材；其中，储靶腔内、制备腔内、以及换靶腔内均为真空状态。

进一步地，在本发明提供的高通量组合材料制备装置中，还可以具有这样的特征：还包括：原位热处理腔，对组合材料芯片前驱体进行原位热处理；以及样品过渡腔，向制备腔内输送基片，并将制备腔内的组合材料芯片前驱体传递至原位热处理腔。

进一步地，在本发明提供的高通量组合材料制备装置中，还可以具有这样的特征：换靶腔内和样品过渡腔内均设有二维传动装置。

进一步地，在本发明提供的高通量组合材料制备装置中，还可以具有这样的特征：储靶腔与换靶腔之间﹑换靶腔与制备腔之间﹑制备腔与样品过渡腔之间均由插板阀连接。

进一步地，在本发明提供的高通量组合材料制备装置中，还可以具有这样的特征：还包括设置在样品过渡腔与原位热处理腔之间的装片台；样品过渡腔与装片台之间﹑原位热处理腔与装片台之间均由插板阀连接。

进一步地，在本发明提供的高通量组合材料制备装置中，还可以具有这样的特征：储靶腔内设有容纳若干靶材的活动靶材架。