專利名稱：掩模限位連續組分擴展薄膜材料庫制備方法
技術領域：
本發明屬于薄膜材料制備技術領域，涉及一種掩模限位連續組分擴展薄膜 材料庫制備方法，用于薄膜材料研究中制備組分擴展薄膜材料庫以便高效率地 對薄膜的成分進行優化篩選。
背景技術：
薄膜材料的性能與它的組分密切相關。因此在薄膜材料研究中，為了得到 最佳性能，必須制備各種材料組分的薄膜進行測試，并對結果進行比較。使用 常規的研究方法，這一過程是順序進行的，即制備一種組分的材料—測試~>改 變組分再制備—再測試……，反復進行，直到找到滿足所需性能的材料組分。 這樣的研究需要大量的實驗工作和時間、資金投入。
針對這一問題，研究人員把具有不同組分的薄膜制備在同一基片的不同位 置上統一進行測試以提高效率，這就是組分擴展薄膜材料庫。目前制備組分擴 展薄膜材料庫的方法主要有三種。第一種方法是對不同材料的多個濺射靶交替 進行濺射，同時使用一個或多個移動掩模對基片進行相應的遮擋，將不同組分 的材料制備成相互互補的楔形層，經過熱擴散即可形成所期望的組分隨位置的
變化(H. Koi誦a等，Nature Materials, V3， 429-438， 2004)。這種方法的 缺點是1)需要對掩模進行精確的定位與移動，使設備結構復雜，造價高；2) 多靶的交替濺射方式和掩模復位需要的時間使薄膜制備的效率非常低，制備一 個試樣通常需要7、 8個小時甚至更長的時間；3)由于需要層間熱擴散過程， 難以應用于較低溫度(如室溫)下薄膜的生長。第二種方法是在并列排布的2
3至3個不同材料的濺射靶之間放置基片，多靶的濺射同時進行，利用試樣不同 位置與靶材的距離及角度不同所自然形成的沉積率的差別來實現組分隨位置變
化(L. F. Schneemeyer等，Applied physics letters, V75， 1967-1969， 1999)。 這種方法的缺點是為了覆蓋所需的組分范圍，要求基片的尺寸較大，不便于 測試分析；更重要的是，試樣在制備過程中位于有效濺射區域邊緣，這與通常 薄膜制備時靶面正對基片的成膜環境不一致，所得的實驗參數不一定適用于通 常的薄膜制備工藝。第三種方法是在第二種方法的基礎上，在每個靶前面安裝 一個可移動的掩模來控制組分在基片上變化的區域(SamuelGuerin等，J. Comb. Chem.， V8， 66-73， 2006)。這種方法的雖然能夠把組分的變化限制在基片上所 需要的范圍內，但是與第二種方法一樣，試樣不在靶面正對的位置上，與通常 薄膜制備時的成膜環境不一致。另一方面，這種方法要求在薄膜制備設備的特 定位置上安裝與靶數量相同的可移動掩模，并且要求能夠在真空室外操作這些 掩模的移動。實現這個目的需要專門設計的真空室，難以在已有的普通薄膜制 備設備上使用或通過對已有的普通設備進行小規模改造實現，這使它的應用受 到限制。

發明內容
本發明的目的是提供一種掩模限位連續組分擴展薄膜材料庫制備方法，以 解決現有的三種制備組分擴展薄膜材料庫的方法中分別存在的設備結構復雜、 造價高、效率低、不能用于缺少熱擴散的較低溫度下的薄膜生長研究、不易制 備較小尺寸的試樣、試樣不在靶面正對的位置、不便于在普通薄膜制備設備上 進行應用的問題。
本發明技術方案是1) 2或3個濺射靶呈旋轉對稱排布，靶面向旋轉對稱
軸傾斜，各靶軸線交于旋轉對稱軸上一點。2)基片的中心位于靶軸線的交點處，基片表面與旋轉對稱軸垂直。3)基片與濺射耙之間放置一個固定大小的掩模， 掩模的邊的位置和方向要滿足下述要求對于任意一個耙，在旋轉對稱軸和該 靶軸線所確定的平面內，用直線分別連接基片與該耙的兩個距離最遠的邊緣點 和兩個距離最近的邊緣點，兩條直線交于一點，掩模有一個邊過這點且與上述 平面垂直。3)各濺射靶同時濺射。 本發明的效果和益處是
所需的裝置結構簡單、造價低、便于安裝在普通的薄膜制備設備上使用； 薄膜制備效率高、可用于缺少熱擴散的室溫下的薄膜生長研究、組分在基片上 變化的區域可控制；基片位于濺射靶面正對的位置，成膜環境與通常的薄膜制 備相同。


圖1是使用雙靶的實施方案示意圖。 圖2是使用三靶的實施方案示意圖。
圖中l濺射靶；2濺射靶；3掩模；4基片；5旋轉對稱軸；6靶 軸線；7靶軸線；8濺射靶；9濺射靶；IO濺射靶；ll掩模； 12基片；13靶軸線；14耙軸線；15革巴軸線。 圖3是利用本發明制備的氮化硼硅試樣的組分測試結果。
具體實施例方式
以下結合技術方案和附圖詳細敘述本發明的具體實施方式
。
在圖1中，濺射靶1和2關于旋轉對稱軸5對稱，向旋轉對稱軸傾斜，靶 軸線6和7交于旋轉對稱軸上的一點；基片4為長方形，其中心位于兩耙軸線 的交點處；基片4與旋轉對稱軸垂直，其左、右邊緣分別與濺射靶1和濺射耙2 的表面平行；掩模3為長方形，其左、右邊緣分別與濺射靶1和濺射耙2的表面平行，掩模3的左邊緣位于基片4與濺射靶1兩個距離最遠的邊緣點和兩個
距離最近的邊緣點的連線交點處，右邊緣位于基片4與濺射耙2兩個距離最遠
的邊緣點和兩個距離最近的邊緣點的連線交點處。由于掩模的遮擋作用，在基
片上不同位置能夠看到的耙面積是不同的在基片4的左邊緣處能夠看見全部 濺射耙1的表面，完全看不到濺射靶2的表面；而在基片4的右邊緣處能夠看 見全部濺射靶2的表面，完全看不到濺射靶1的表面；隨著在基片4上的位置
由左至右變化，能夠看到的濺射耙1的面積由100%連續減小至0，而濺射耙2 的面積由0連續增大至100%。由于耙材元素在基片上的沉積速度與能夠看到的 耙面積大小成正比，兩耙同時濺射沉積形成的薄膜試樣隨著位置由左至右變化， 其組分中濺射靶1的元素含量連續減小，而濺射靶2的元素含量連續增大，從 而試樣中包含了兩靶元素以各種比例構成的組分。
圖2為軸向視圖，中心為旋轉對稱軸。在圖2中，濺射靶8、 9、 IO呈旋轉 對稱排布，向旋轉對稱軸傾斜，靶軸線13、 14、 15交于旋轉對稱軸上一點；掩 模11和基片12都是正三角形，垂直于旋轉對稱軸；基片12的中心位于靶軸線 13、 14、 15的交點處，基片12的三個頂點分別位于各靶軸線在基片12所在平 面的投影上，掩模11的三個邊分別與各靶軸線垂直；用直線連接基片12各頂 點與所正對的靶上與其距離最近的邊緣點，再用直線連接基片12各邊中點與所 正對的耙上與其距離最遠邊緣點，這些直線分別交于三點，掩模ll的三個邊分 別經過這三個交點。
在圖3的實施例中，利用硅靶和氮化硼靶在氬和氮的混合氣體中進行濺射 沉積制備氮化硅硼組分擴展薄膜材料庫試樣，基片長度為lcm。薄膜成分利用x 射線光電子譜分析獲得。在薄膜中由左至右硼含量連續減小，硅含量連續增大， 變化趨勢與本發明的預期一致。與理想情況不同的是，硅、硼成分在基片左右兩個邊緣上沒有分別減小為0。這是預料之中的現象，是由于實際的濺射沉積中， 靶上被濺射下來的粒子在飛行過程中存在一定程度的散射所致。
權利要求
1. 掩模限位連續組分擴展薄膜材料庫制備方法，其特征是2或3個濺射靶呈旋轉對稱排布，靶面向旋轉對稱軸傾斜，各靶軸線交于旋轉對稱軸上一點；基片的中心位于靶軸線的交點處，基片表面與旋轉對稱軸垂直；基片與濺射靶之間放置一個固定大小的掩模，掩模的邊的位置和方向滿足對于任意一個靶，在旋轉對稱軸和該靶軸線所確定的平面內，用直線分別連接基片與該靶的兩個距離最遠的邊緣點和兩個距離最近的邊緣點，兩條直線交于一點，掩模有一個邊過這點且與上述平面垂直。
全文摘要
一種掩模限位連續組分擴展薄膜材料庫制備方法，用于薄膜材料研究中高效率地優化篩選薄膜的組分。其特征是濺射靶呈旋轉對稱排布，靶面傾斜正對位于旋轉對稱軸上并與旋轉對稱軸垂直的基片；基片與濺射靶之間放置一個固定大小的掩模，掩模的邊的位置和方向滿足對于任意一個靶，在旋轉對稱軸和該靶軸線所確定的平面內，用直線分別連接基片與該靶的兩個距離最遠的邊緣點和兩個距離最近的邊緣點，兩條直線交于一點，掩模有一個邊過這點且與上述平面垂直。本發明的有益效果是結構簡單、造價低、易實施、制備效率高、可用于較低的薄膜生長溫度、組分在基片上變化的區域可控制等。
文檔編號C23C14/34GK101487113SQ20091001040
公開日2009年7月22日 申請日期2009年2月16日 優先權日2009年2月16日
發明者軍 徐, 闖 董, 陸文琪 申請人:大連理工大學