專利名稱：薄膜沉積設備及薄膜沉積方法
技術領域：
本發明涉及沉積薄膜材料的設備和方法，特別涉及一種分子束輔助脈沖激光沉積的薄膜沉積設備及其使用方法。
背景技術：
薄膜材料的制備方法包括化學氣相沉積(CVD)和物理氣相沉積(PVD)兩大類，這兩類方法及其制備的薄膜材料各具特色，均已得到廣泛的應用。本發明屬于物理氣相沉積的范疇，在現有的物理氣相沉積方法中，與本發明關系最密切的是脈沖激光沉積(PulsedLaser Deposition,簡稱 PLD)技術和分子束外延(Molecular Beam Epitaxy,簡稱 MBE)技術。以下對這兩種技術進行分別說明。分子束外延和脈沖激光沉積分別是二十世紀七十年代、八十年代以來迅速發展起來的薄膜制備技術。這兩種技術均與特定的設備相關聯。事實上，無論是脈沖激光沉積技術，還是分子束外延技術，都是特定的方法與特定的設備的統一。其中，脈沖激光沉積技術所使用的設備包括準分子激光器和腔體及其附屬裝置——內置于真空室中的基片臺、靶材托架等；分子束外延技術所使用的設備包括束源爐、真空室及其附屬裝置——內置于真空室中的基片臺、可以開合的束源爐擋板(亦稱為“束源爐快門”)等，以及原位實時監測系統。脈沖激光沉積和分子束外延這兩種技術所使用的設備均涉及真空室，所不同的是，就技術傳統而言，分子束外延對真空室的真空度要求更高。另外，分子束外延在制備薄膜材料的過程中也可能涉及單質元素通過化學反應生成化合物薄膜的成膜過程。不過，從總體上說，分子束外延仍屬于物理氣相沉積的范疇。脈沖激光沉積方法制備薄膜的步驟包括:根據擬制備的薄膜的物質成分制備靶材；將靶材安裝于真空室內的靶材托架上，該靶材托架能夠在旋轉馬達的驅動下進行旋轉；將用于薄膜生長的基片(單晶襯底)置于真空室內的靶材托架對面的基片臺上，利用機械泵和分子泵對真空室進行抽真空，使真空室內的真空度達到預定的真空條件；將基片加熱至預定溫度；利用準分子激光器，用一定能量密度的脈沖激光經過聚焦后，穿過真空室腔體外殼上的激光入射口入射到真空室內的靶材表面上；靶材表面的物質在高能量脈沖激光的轟擊作用下，瞬間蒸發、轉化為含有靶材組分的等離子體羽輝；等離子體羽輝射向基片，并與基片接觸后，在基片上沉積、成核、外延生長從而形成薄膜。脈沖激光沉積方法的主要優點是:(I)沉積速度快；(2)對襯底的溫度要求低；(3)所能夠制備的薄膜種類多，對靶材的物質成分幾乎沒有限制，可以沉積高熔點材料的薄膜；
(4)與靶材成分的一致性好，因而容易獲得所期望的化學計量比的多組分薄膜；(5)定向性強，薄膜分辨率高，能實現微區沉積。不過，脈沖激光沉積方法也有不足，主要是:(I)由于薄膜是島狀生長，故較難獲得幾個原胞層的超薄膜；(2)由于等離子體羽輝具有很強的方向性，以致所制備的薄膜不夠均勻； (3)難以制備大面積的薄膜。分子束外延方法制備薄膜的步驟包括:將用于制備薄膜的束源材料分別置于與真空室連通的各個束源爐中；將用于薄膜生長的基片(單晶襯底)置于真空室內的基片臺上；利用機械泵和分子泵對真空室進行抽真空，使真空室內的真空度達到預定的高真空條件；將基片加熱至預定溫度；在超高真空條件下，將束源爐中的束源材料加熱，使其轉化為氣態物質，經小孔準直后形成分子束，分子束穿過束源爐擋板，噴射到被加熱至預定溫度的基片表面上；在此過程中，通過控制分子束在基片表面上的掃描，便可使分子束中的分子或原子在基片表面上生長，從而獲得均勻的外延層；特別是，在四極質譜儀、光譜儀等原位實時監控儀器的監控下，分子束中的分子或原子按晶體排列，一層層地在基片上“外延生長”，最終形成所需要的薄膜。分子束外延方法的主要優點是:(I)可以制備不同摻雜程度或者不同成分的多層結構薄膜；(2)可以精確地控制薄膜的外延層厚度，制備超薄層的薄膜；(3)外延生長的溫度較低，有利于提高外延層的純度和完整性；(4)利用各種元素的粘附系數的差別，可制成化學配比較好的化合物半導體薄膜。當然，分子束外延方法也有其不足，主要是:(I)分子束是靠加熱束源爐產生的，故難以獲得高熔點材料的分子束，因此，該方法不適合制備高熔點材料的薄膜；(2)該方法不能在較高氣體分壓，尤其是較高氧分壓的條件下運用，故不適合制備含有氧化物的超導體、鐵電體、鐵磁體、光學晶體以及有機高分子材料薄膜。可見，在薄膜材料的制備方面，脈沖激光沉積方法和分子束外延方法各有其優點和不足，而怎樣彌補脈沖激光沉積方法和分子束外延方法各自的不足，特別是充分吸收這兩種方法各自的優點，以便制備質量更好的薄膜，甚至制備現有技術無法制備的薄膜，則是自二十世紀九十年代以來，本領域的技術人員一直在探索的問題。然而，從國內外已公開發表的技術文獻看，迄今為止，現有技術尚未在這個問題上取得實質性突破。
需要說明的是，部分研究人員所聲稱的激光分子束外延(L-MBE)方法，本質上仍屬于脈沖激光沉積方法的范疇。這是因為激光分子束外延方法只是在傳統的PLD方法的基礎上，采用了分子束外延方法所要求的高真空條件和原位實時監控手段，而沒有真正利用分子束流來制備薄膜，亦即薄膜制備的微觀動力學過程仍然是脈沖激光沉積，與分子束外延沒有實質上的聯系。由于人們研發L-MBE的根本目的是為了把PLD和MBE兩種方法的優點結合起來并克服這兩種方法各自的不足，而事實是，L-MBE使用的設備中根本沒有束源爐這一實現MBE成膜過程所必不可少的裝置，這說明在PLD和MBE的結合問題上，L-MBE給人們提供了一種相反的技術啟示，亦即束源爐和準分子激光器這兩種分別用于MBE和PLD成膜過程的裝置不能有機地結合在一起，共同作用于薄膜的制作。現有技術之所以難以充分吸收脈沖激光沉積方法和分子束外延方法各自的優點，一個很重要的原因在于，脈沖激光沉積方法和分子束外延方法形成薄膜的機理不同，從而導致其相互結合時，兩個成膜過程相互干擾，嚴重影響到薄膜的成分組成以及質量。例如，脈沖激光轟擊靶材所形成的是高能量的等離子體羽輝，而通過束源爐加熱束源材料所形成的是能量較低的分子束，前者帶電，后者不帶電；又如，脈沖激光沉積方法在基片上生長薄膜的速度較快，而分子束外延方法在基片上生長薄膜的速度較慢。在本領域技術人員看來:上述成膜機理不同造成的技術困難是不可克服的。由上述分析可知，雖然脈沖激光沉積方法和分子束外延方法在薄膜沉積領域已經發展很久，但在本領域的普通技術人員看來，將兩者結合起來是根本不可能的。

發明內容
(一)要解決的技術問題針對現有技術中存在的上述問題，本發明提供了一種分子束輔助脈沖激光沉積的薄膜沉積設備及其使用方法，以把脈沖激光沉積方法和分子束外延方法的優點結合起來，并克服這兩種方法各自的不足。(二)技術方案根據本發明的一個方面，提供了一種薄膜沉積腔。該薄膜沉積腔包括:腔體外殼，腔體外殼圍成薄膜沉積腔的腔體；靶材托架，設置于腔體的中部，用于放置由組分A構成的靶材；基片臺，設置于腔體中部，與靶材托架相對設置；激光入射口，設置于腔體外殼的側面，與并靶材托架傾斜相對，用于入射激光以轟擊靶材托架上的靶材產生等離子體羽輝；束源爐接口，設置于腔體外殼的側面并與基片臺傾斜相對，用于入射由組分B構成的分子束流；激光入射口與束源爐接口能夠同時入射激光和分子束流，使組分A與組分B分別獨立到達基片臺上的基片表面，在基片表面共同作用生成待沉積材料的薄膜。根據本發明的另一個方面，還提供了一種薄膜沉積設備。該薄膜沉積設備包括:如上文的薄膜沉積腔；激光系統，用于產生脈沖激光，并引導該脈沖激光通過激光入射口進入腔體；束源爐，與束源爐接口相連接，用于產生由組分B構成的分子束流；真空系統，與腔體通過連接管路相連接，從腔體向外，該真空系統依次包括分子泵和機械泵。根據本發明的再一個方面，還提供了一種薄膜沉積方法，其利用薄膜沉積設備沉積薄膜，該薄膜沉積設備為如上文的薄膜沉積設備；該薄膜沉積方法包括:步驟I，根據待沉積材料的物質組分，制備用于脈沖激光沉積的靶材和用于分子束外延的束源材料，靶材的組分為A，束源材料的組分為B ;步驟II，將靶材安裝到靶材托架上，將束源材料安裝到束源爐中；步驟III，將基片送入腔體中，安裝于在基片臺上；步驟IV，將聚焦后的脈沖激光穿過激光入射口轟擊腔體內的靶材表面，產生等離子體羽輝，并使等離子體羽輝在基片上沉積，將組分A沉積于基片表面；與`此同時，加熱束源爐，使束源材料氣化形成分子束，并噴射到基片上，將組分B沉積于基片表面，使組分A和組分B共同作用生成待沉積材料的薄膜。(三)有益效果本發明分子束輔助脈沖激光沉積的薄膜沉積設備及其使用方法克服了現有技術中脈沖激光沉積和分子束外延這兩種薄膜制備方法不能結合的技術偏見，最大限度地吸收了兩者的優點，并且能夠有效避免脈沖激光沉積成膜過程和分子束外延成膜過程的相互干擾，可以制備質量更好的，和現有技術中根本無法制備的薄膜。


圖1為本發明實施例薄膜沉積腔的示意圖；圖2為本發明實施例薄膜沉積設備二的示意圖；圖3為本發明實施例薄膜沉積設備三的示意圖；圖4為本發明實施例薄膜沉積方法的流程圖。
具體實施方式
為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照附圖，對本發明進一步詳細說明。需要說明的是，雖然本文可提供包含特定值的參數的示范，但應了解，參數無需確切等于相應的值，而是可在可接受的誤差容限或設計約束內近似于所述值。為方便理解，首先將本申請文件中所涉及主要元件進行編號說明，如下所示:1-薄膜沉積腔；2-薄膜沉積腔分子泵；3-薄膜沉積腔機械泵；4-閥門；5-基片臺；6-基片臺加熱裝置；7-靶材托架；8-進料口；9-激光入射口 ；10-束源爐接口 ；11-束源爐擋板；12-基片臺升降機構；13-靶材托架升降機構； 14-送料室；15-過渡室；16-送料管道；17-閥門；18-過渡管道；19-閥門；20-送料室分子泵；21-送料室機械泵；22-過渡室分子泵；23-過渡室機械泵；24-石英觀察窗；25-照明電極；26-準分子激光器；27-聚焦透鏡；28-反射鏡；29-束源爐；30-送料室磁力傳遞裝置；
40-過渡室磁力傳遞裝置；50-充氣口。根據本發明的一個方面，提供了一種薄膜沉積腔。圖1為本發明實施例薄膜沉積腔的示意圖。如圖1所示，薄膜沉積腔包括:腔體外殼，腔體外殼圍成薄膜沉積腔的腔體；靶材托架7，設置于腔體的中部，用于放置由組分A構成的靶材；基片臺5，設置于腔體中部，與靶材托架相對設置；激光入射口 9，設置于腔體外殼的側面，與并靶材托架傾斜相對，用于入射激光以轟擊靶材托架上的靶材產生等離子體羽輝；束源爐接口 10，設置于腔體外殼的側面并與基片臺傾斜相對，用于入射由組分B構成的分子束流；激光入射口 9與束源爐接口10能夠同時入射激光和分子束流，使組分A與組分B分別獨立到達基片臺5上的基片表面，在基片表面共同作用生成待沉積材料的薄膜。需要說明的是，圖1所示的薄膜沉積腔中，靶材托架設置在基片臺的下方，即以腔體外殼的水平中心面為界，激光入射口設置在水平中心面的上方；N個束源爐接口設置在水平中心面的下方。對于靶材托架設置在基片臺上方的情況，即以腔體外殼的水平中心面為界，激光入射口設置在水平中心面的下方；N個束源爐接口設置在水平中心面的上方，其具體結構與圖1所示的結構正好相反，此處不再贅述。本實施例中，靶材托架設置在基片臺的下方附近，兩者之間的距離通常不超過80mm,優選地，兩者相距20-60mm，兩者可以平行相對，也可以傾斜相對。不過，基于工藝等方面的原因考慮，也可以將靶材托架設置在基片臺的上方，甚至將靶材托架設置在基片臺的左側或者右側附近。靶材托架和基片臺不能設置在同一平面上，確切地說，是靶材與基片不能設置在同一平面上，這是因為，當靶材與基片位于同一平面時，脈沖激光轟擊靶材所產生的等離子體羽輝不可能在基片上沉積。另外，靶材托架和基片臺也不能指向同一個方向，這是因為接受激光轟擊的靶材表面與接受等離子體羽輝的基片表面不能朝向同一個方向，否貝U，等離子體羽輝難以在基片上沉積。本實施例中，在薄膜沉積腔I腔體外殼的側面設有進料口 8，在薄膜沉積腔I外殼的側面下部設有四個束源爐接口 10(由于圖1是剖面圖，故僅圖示了其中的兩個束源爐接口)；在束源爐接口 10的內部與薄膜沉積腔I的腔體之間設有可以開合的束源爐擋板11。本領域的技術人員應當了解，束源爐接口的數目可以根據需要進行調整，其需要滿足的條件為多個束源爐分別于基片臺傾斜相對。一般情況下，束源爐接口也設置在薄膜沉積腔外殼的側面，其數目為2至16個，其開口方向與基片臺傾斜相對。優選的，考慮到腔體的尺寸及對稱設置，束源爐接口的數目可以為2個、3個、4個、5個、6個、7個、8個、9個或10個。當然，為了增加整套設備的靈活性，使更多的材料可以通過分子束外延至基片上，可以適當增加束源爐接口的數目。這種情況下，全部束源爐接口可以設置為兩組或三組，每一組又可以包括2個、3個、4個、5個或6個束源爐接口，每一組中束源爐接口與基片臺的距離相同，而各組之間束源爐接口與基片臺的距離可以不同。本實施例中，激光入射口 9設置在薄膜沉積腔外殼的側面的上部，其數目為2至6個。此處，在沉積過程中，激光入射口中的一個可以作為入射激光的光學窗口，其他的可以作為原位實時監測系統(將在下文中詳細說明)的窗口使用，將其統稱為激光入射口，是因為(I)從功能上將，各個入射口的確可以作為激光入射口使用；(2)從尺寸和材質上將，各個入射口的尺寸和材質相同；(3)行業內約定俗稱的稱其為激光入射口。束源爐接口 10的位置及其開口方向，激光入射口 9的位置及其開口方向，基片臺5的位置和方向，以及靶材托架7的位置和方向呈相互配合的關系。所謂相互配合是指，通過激光入射口 9入射的激光轟擊安裝在靶材托架7上的靶材表面所產生的等離子體羽輝，以及通過束源爐接口 10入射到薄膜沉積腔內的分子束流能夠在互不干擾的情況下，分別獨立到達安裝在基片臺5上的基片表面上，共同作用生成待沉積材料的薄膜。束源爐接口 10的開口方向，是指與束源爐接口 10的平面垂直，且由外向內指向薄膜沉積腔I內腔的方向；激光入射口 9的開口方向是指與激光入射口 9的平面垂直，且由外向內指向薄膜沉積腔I內腔的方向；基片臺5的方向，是指與安放在基片臺5上的基片表面垂直，且由基片臺5指向基片的方向；靶材托架7的方向，是指與安放在靶材托架表面上的革巴材表面垂直，且由祀材托架7指向祀材的方向。根據上述定義，激光入射口的開口方向與腔體外殼對應點切面之間的夾角為α 1；束源爐接口的開口方向腔體外殼對應點切面之間的夾角為α2。激光入射口的開口方向與腔體外殼之間的夾角h以及束源爐接口的開口方向腔體外殼之間的夾角Ci2均可以根據用戶的具體需求在10° 80°之間選擇，用戶在確定a JP Ci2的數值范圍時，需要考慮實驗室或生產車間的大小以及相關配套設備的空間布局。一般說來，當夾角大于80°或小于10°時，分子束流或/和入射激光以及由入射激光轟擊靶材所形成的等離子體羽輝的運動方向會受到極大的限制，以致難以實現薄膜的制作。將夾角設置為45°是一種優選的技術方案。不過，有時候，受安置場所和相關配套設備的空間布局的限制，或者基于特殊的工藝考慮，需要將夾角設置為10° 80°之間的其他度數，如30°、50°或60°。由于脈沖激光的入射方向和分子束流前進的方向，均有可調節的余地，因此，就實現本發明的基本目的而言，并不一定要對激光入射口和束源爐接口的位置和方向作過于嚴格的限定，亦即大體上限定即可。例如，當基片臺位于靶材托架的下方時，應使束源爐接口的位置高于激光入射口的位置，該位置還應高于基片臺的位置，同時還應使束源爐接口的方向與基片臺傾斜相對。使束源爐接口的方向與基片臺傾斜相對的意義在于，避免靶材和靶材托架阻擋分子束流。為了便于調整靶材和基片的位置，從而更好地實現脈沖激光沉積和分子束外延的結合，本發明在腔體I中設置了基片臺升降機構12和靶材托架升降機構13。基片臺升降機構12和靶材托架升降機構13的作用是調節基片和靶材的高度，以便更好地實現等離子體羽輝和分子束流在基片表面上沉積。以下結合圖1對基片臺升降機構12和靶材托架升降機構13的結構進行說明。如圖1所示，基片臺升降機構12從薄膜沉積腔I腔體頂部的上方，向下貫穿至薄膜沉積腔I的腔體外殼，并與基片臺5連接；靶材托架升降機構13從薄膜沉積腔I外殼底部的下方，向上貫穿至薄膜沉積腔的腔體外殼，并與靶材托架7連接。基片臺升降機構在現有的薄膜沉積腔中已得到廣泛應用。在本發明的薄膜沉積腔中增加基片臺升降機構，能產生更好的技術效果。基片臺升降機構有多種類型。最簡單的，此類機械一般包括位于腔體外部的旋盤，在腔體外殼上的磁力法蘭，位于腔體內部的螺旋機構，該磁力法蘭用于將腔體外部旋盤的轉動耦合至腔體內部的螺旋機構，螺旋機構帶動靶材托架或基片臺升降機構上升或下降。需要說明的是，上述的結構針對的是靶材托架設置于基片臺下方的情況。對于靶材托架設置于基片臺上方的情況，與上述情況正好相反，即基片臺升降機構從薄膜沉積腔頂部的下方，向上貫穿腔體外殼之后，與基片臺連接；靶材托架升降機構從薄膜沉積腔底部的上方，向下貫穿腔體外殼之后，與靶材托架連接。需要強調的是，本發明中的薄膜沉積腔I與現有技術中的真空室的主要區別在于，薄膜沉積腔I的外殼上既有束源爐接口 10，又有激光入射口 9，并且束源爐接口 10的位置及其開口方向，激光入射口 9的位置及其開口方向，基片臺5的位置和方向，以及靶材托架7的位置和方向呈相互配合的關系。至于薄膜沉積腔I的大小、形狀、材料，以及束源爐接口 10、激光入射口 9、靶材托架7、基片臺5、石英觀察窗24、基片臺升降機構12、靶材托架升降機構13、薄膜沉積腔分子泵2、薄膜沉積腔機械泵3、閥門4等其他部件的大小、形狀等均可參照現有技術中的相應部件制`作。在本實施例薄膜沉積腔中，由激光入射口射進的激光轟擊靶材表面產生的等離子體羽輝將組分A沉積于基片表面；由束源爐接口進入分子束流將組分B沉積于基片表面。組分A和組分B共同作用，生成待沉積材料的薄膜。關于組分A和組分B與待沉積材料的關系，可以有以下兩種情況:1、待沉積材料由組分A和組分B未經過反應復合而成，例如，待沉積材料為鐵、硒、鉀復合材料，組分A為鐵，組分B為鉀和硒；或2、待沉積材料為組分A和組分B經過化學反應后生成的化合物,例如待沉積材料為鉀鐵硒(Ka8FeuSe2),組分A為鐵硒(FeSe)，組分B為鉀(K)。一般情況下，組分A為適合于采用脈沖激光沉積方法制備的高熔點材料，尤其是氧化物材料或高熔點金屬，如鐵。組分B為適合于采用分子束外延方法制備的低熔點材料，尤其是堿金屬材料。關于“相互不干擾”的問題，主要由激光入射口和束源爐接口的方位決定，當然也與基片和靶材的位置有關。例如，但不限于，靶材托架設置在基片臺的下方；以腔體外殼的水平中心面為界，激光入射口設置在水平中心面的上方#個束源爐接口設置在水平中心面的下方，從而從結構上保證了兩種組分的“相互不干擾”。在上述薄膜沉積腔的基礎上，本發明還提供了一種薄膜沉積設備，即將上述薄膜沉積腔I與激光系統、束源爐、薄膜沉積腔分子泵2和薄膜沉積腔機械泵3等裝置結合起來所組成的設備。具體來講，該薄膜沉積設備包括:如上文所述的薄膜沉積腔；激光系統，用于產生脈沖激光，并引導該脈沖激光通過所述激光入射口進入所述腔體；束源爐，與所述束源爐接口相連接，用于產生由組分B構成的分子束流；真空系統，與所述腔體通過連接管路相連接，從所述腔體向外，該真空系統依次包括分子泵和機械泵。同其他薄膜沉積設備類似，如圖1所示，該薄膜沉積腔與其真空系統相連接，該真空系統用于提供薄膜沉積必備的真空環境，包括薄膜沉積腔分子泵2和薄膜沉積腔機械泵3，其中，薄膜沉積腔分子泵2通過薄膜沉積腔I的分子泵接口與薄膜沉積腔I固定連接，薄膜沉積腔分子泵2與薄膜沉積腔機械泵3通過機械泵管連接；在薄膜沉積腔I與薄膜沉積腔分子泵2的連接通道上還設有閥門4，閥門4可采用現有技術中的氣動超高真空插板閥。在薄膜沉積腔I外殼的頂部，還設有充氣口 50。充氣口 50的作用是，在制備薄膜的過程中，可以向薄膜沉積腔I充入惰性氣體，例如氬氣。在薄膜沉積腔I腔體的側面上還設有石英觀察窗24和照明電極25，其作用是便于觀察成膜的過程，另外，有了石英觀察窗24和照明電極25，也便于操作人員向薄膜沉積腔送料或者從薄膜沉積腔取樣。需要說明的是，為了突出顯示本發明與現有技術的區別，圖1中還省略了部分現有技術中已知的部件，例如，與基片臺加熱裝置連接的導線就沒有出現在圖1中。然而，由于每次送樣或者取樣都需要開啟薄膜沉積腔的進料口 8，因此，在只有一個真空室，亦即薄膜沉積腔I的情況下，需要花費大量時間給薄膜沉積腔I抽真空，這不僅會降低薄膜沉積腔I的工作效率，而且也會增加能耗，為此，本發明還給出了另一種薄膜沉積設備。

圖2為本發明實施例薄膜沉積設備二的示意圖。如圖2所示，本發明薄膜沉積設備為包括上述實施例的薄膜沉積腔1、送料室14和過渡室15的真空沉積系統。送料室14和過渡室15也是真空室。送料室14和過渡室15通過送料管道16連通，在送料管道16上設有閥門17，過渡室15通過過渡管道18與薄膜沉積腔I的進料口連通，在過渡管道18上設有閥門19。送料室14還與送料室分子泵20連接，送料室分子泵20與送料室機械泵21連接；過渡室15還與過渡室分子泵22連接，過渡室分子泵22與過渡室機械泵23連接；送料室14還設置有送料室磁力傳遞裝置30 ;過渡室15還設置有過渡室磁力傳遞裝置40。磁力傳遞裝置在現有的PLD和MBE成膜設備中已得到廣泛應用。在本發明中，增設送料室磁力傳遞裝置和過渡室磁力傳遞裝置能產生更好的技術效果，亦即更好地維持送料室和過渡室的真空度。本發明可使用的磁力傳遞裝置有多種。以一種最簡單的磁力傳遞裝置為例，磁力傳遞裝置包括固定安裝在過渡室的外殼上且與過渡室的內腔貫通的筒狀體，筒狀體的內部設有一真空腔室，真空腔室與過渡室連通的一端設有一個帶有導向管的法蘭，在導向管內設有傳遞桿，傳遞桿的一端用于固定樣品，傳遞桿的另一端與純鐵芯子固定連接，在筒狀體的外部與純鐵芯子相對應的部位裝有可移動的手柄，手柄上裝有磁鐵，手柄移動時，可帶動純鐵芯子移動，純鐵芯子通過傳遞桿帶動樣品移動，將樣品傳遞到主真空室。
除了因與過渡管道18連通，而不再設置獨立的進料口外，在實施例二中，薄膜沉積腔I中的其他部件或裝置，以及薄膜沉積腔分子泵2和薄膜沉積腔機械泵3，均與實施例一中的部件或裝置相同。本實施例與實施例一的主要區別在于，本實施例增加了送料室、過渡室等裝置，而增加這些裝置的目的在于，更好地維持薄膜沉積腔的高真空度。需要說明的是，在實施本發明的過程中，送料室、過渡室、送料室分子泵、送料室機械泵、過渡室分子泵、過渡室機械泵、送料室磁力傳遞裝置以及過渡室磁力傳遞裝置等裝置均可采用現有技術中已有的裝置。本發明中的薄膜沉積腔1、送料室14和過渡室15，均需要與其他系統和裝置結合起來組成本發明的分子束輔助的脈沖激光沉積設備，并采用本發明的方法，才能在薄膜的制備過程中，真正實現脈沖激光沉積和分子束外延的結合。為了制備高質量的薄膜，就需要對薄膜制備進行監控。仿照現有技術中的分子束外延設備，本發明還提供了一種帶有原位實時監測系統的薄膜沉積設備。圖3為本發明實施例薄膜沉積設備三的示意圖。如圖3所示，一種分子束輔助的脈沖激光沉積設備，其包括下列裝置和系統:(I)薄膜沉積腔I ;需要說明的是，雖然圖3未標示出送料室14和過渡室15，但是，在實施本發明的過程中，包括由薄膜沉積腔1、送料室14和過渡室15構成的真空沉積系統的分子束輔助的脈沖激光沉積設備與僅采用薄膜沉積腔I的分子束輔助的脈沖激光沉積設備在工作原理上并無區別，所不同的是，包括由薄膜沉積腔1、送料室14和過渡室15構成的真空沉積系統的分子束輔助的脈沖激光沉積設備能更有效率地保持薄膜沉積腔I的高真空度；(2)激光系統，其包括準分子激光器26、聚焦透鏡27和反射鏡28，激光系統發射的激光重復頻率為l-50Hz，脈沖能量介于100mJ-500mJ之間；本實施例中的激光系統可采用現有技術中已有的準分子激光系統，另外，本實施例對激光的脈沖寬度沒有特殊要求；(3)束源爐29，束源爐29的數目和規格與束源爐接口 10的數目和規格相匹配；本實施例中的束源爐29可采用`現有技術中已有的束源爐，最好采用最高加熱溫度在攝氏1000°C以上的束源爐；(3)原位實時監測系統(未在圖3中示出)，其包括反射式高能電子衍射儀(RHEED)、薄膜厚度測量儀，四極質譜儀、光柵光譜儀以及X射線光電子譜(XPS);本實施例中的原位實時監測系統可采用現有技術中已有的反射式高能電子衍射儀(RHEED)、薄膜厚度測量儀，四極質譜儀、光柵光譜儀以及X射線光電子譜(XPS);另外，由于薄膜沉積腔I外殼側面上的激光入射口可以設置多個，并且每次PLD沉積過程通常只需利用其中的一個激光入射口，因此，其他激光入射口可作為反射式高能電子衍射儀等監測裝置的監測光學窗口使用，也就是說，激光入射口和監測光學窗口可以采用相同的尺寸和材質，靈活調配使用；另外，為了提高束源爐接口的利用效率，本發明亦可使束源爐接口與原位實時監測系統中X射線光電子譜等裝置的接口相匹配；原位實時監測系統在MBE成膜過程中早已得到廣泛應用，對于本發明來說，原位實時監測系統不是必需的，但引入原位實時監測系統，能產生更好的技術效果。至于監測方式，與MBE實質上相同。(4)自動控制系統(未在圖3中不出)，自動控制系統包括終端控制I吳塊、信息傳輸網路、激光系統控制模塊、薄膜沉積腔或者真空沉積系統控制模塊和原位實時監測系統控制模塊，終端控制模塊通過信息傳輸網路與激光系統控制模塊、真空沉積系統控制模塊和原位實時監測系統控制模塊連接，控制上述各裝置或系統的工作。本發明中的激光系統根據終端控制模塊的指令，調節脈沖激光的入射角，重復頻率和脈沖能量；本發明中的真空沉積系統控制模塊根據終端控制模塊的指令，控制薄膜沉積腔或者真空沉積系統中的各分子泵、機械泵的工作狀態和各種閥門的開啟和關閉，從而自動調節薄膜沉積腔或者包括薄膜沉積腔、過渡室和進料室在內真空沉積系統的真空度；本發明中的監測系統控制模塊根據終端控制模塊的指令，對PLD和MBE的過程進行監測，并把監測的數據反饋到終端控制模塊；本發明中的終端控制模塊根據事先設定的程序工作，通過信息網絡向上述控制模塊發出指令，控制上述各裝置或系統的工作。本發明中的自動控制系統可采用現有技術中已有的控制系統，例如，采用現有技術中已有的可編程邏輯控制器(PLC控制系統)。上文介紹了本發明中的薄膜沉積腔，以及包括薄膜沉積腔的分子束輔助的脈沖激光沉積設備，以下，進一步介紹運用上述分子束輔助的脈沖激光沉積設備來制備薄膜的方法。根據本發明的再一個方面，還提供了一種薄膜沉積方法。圖4為本發明實施例薄膜沉積方法的流程圖。如圖4所示，本發明薄膜沉積方法包括:步驟S402，根據待沉積材料的物質組分，制備用于脈沖激光沉積的靶材，以及用于分子束外延的束源材料，其中，靶材的主要組分為A，束源材料的主要組分為B ；步驟S404，將靶材安裝到靶材托架上，將束源材料安裝到束源爐中；步驟S406，將基片送入腔體中，安裝于在基片臺，同時執行以下步驟S408和步驟S408，； 步驟S408，將聚焦后的脈沖激光穿過激光入射口轟擊腔體內的靶材表面，產生等離子體羽輝，并使等離子體羽輝在基片上沉積，將組分A沉積于基片表面，期間調整激光的能量和頻率等參數，執行步驟S410 ；步驟S408’，加熱束源爐，使束源材料氣化形成分子束，并噴射到基片上，將組分B沉積于基片表面，期間調整束源爐的溫度等參數，執行步驟S410 ；步驟S410，組分A和組分B共同作用生成待沉積材料的薄膜，待薄膜厚度達到理想厚度后，關閉束源爐擋板和羽輝擋板，關閉激光和束源爐，沉積過程結束。至此，本實施例薄膜沉積方法完成，制備出符合要求的理想薄膜。以下結合所制備的具體薄膜，來描述本發明。以鉀鐵硒薄膜的制備為例，本發明薄膜沉積方法包括以下主要步驟:步驟一，制備由鐵元素組成的靶材，以及分別由鉀元素和硒元素組成的束源材料；步驟二，將鐵元素組成的靶材安裝到靶材托架上，將分別由鉀元素和硒元素組成的束源材料分別裝在兩個束源爐中；步驟二，清洗基片；步驟四，將清洗后的基片通過進料口送入薄膜沉積腔中；步驟五，將基片安裝在基片臺上；步驟六，分級抽真空，先啟動機械泵達到一定真空度后，再啟動分子泵，最后達到預定的高真空度2X10_6pa。
步驟七，通過基片臺加熱裝置將基片加熱到攝氏600°C。步驟八，將聚焦后的脈沖激光穿過激光入射口轟擊腔體內的靶材表面，產生含有元素等離子體羽輝，同時通過調整激光的入射角，使等離子體羽輝在基片上沉積；與此同時，加熱分別裝有鉀和硒兩種束源材料的兩個束源爐，使束源材料分別氣化形成鉀和硒兩種分子束流，并使這兩種分子束流分別噴射到基片上，從而在基片上外延生長；步驟九，經過20-60分鐘后，停止脈沖激光的入射，關閉束源爐，停止基片加熱，且停止對薄膜沉積腔抽真空；步驟十，在薄膜沉積腔降溫的過程中，向薄膜沉積腔內充入0.8個大氣壓的氬氣；步驟十一，待薄膜沉積腔的溫度降至常溫后，開啟薄膜沉積腔的進料口，取出基片和附著在基片上的鐘鐵砸薄I吳樣品。在執行步驟八的過程中，通過控制等離子體羽輝和分子束流在基片上的沉積過程，可以調節鉀鐵硒三種元素在鉀鐵硒薄膜樣品中的比例，從而制備出按重量百分比鉀為9% -14%的，硒為52% -60%的，余量為鐵的鉀鐵硒薄膜樣品。以鐵硒碲薄膜的制備為例，本發明實施例薄膜沉積方法包括以下主要步驟:步驟一，制備由鐵元素組成的靶材，以及分別由硒元素和碲元素組成的束源材料；步驟二，將鐵元素組成的靶材安裝到靶材托架上，將分別由硒元素和碲元素組成的束源材料分別安裝在兩個束源爐中；步驟二，清洗基片；步驟四，將清洗后的基片通過進料口送入薄膜沉積腔中；步驟五，將基片安裝在基片臺上；步驟六，分級抽真空，先啟動機械泵，達到一定真空度后，再啟動分子泵，最后達到預定的高真空度2X10_6Pa。步驟七，通過基片臺加熱裝置將基片加熱到攝氏550°C。步驟八，將聚焦后的脈沖激光穿過激光入射口轟擊腔體內的靶材表面，產生含有元素等離子體羽輝，同時通過調整激光的入射角，使等離子體羽輝在基片上沉積；與此同時，加熱分別裝有硒和碲兩種束源材料的兩個束源爐，使束源材料氣化形成硒和碲兩種分子束流，并使這兩種分子束流分別噴射到基片上，從而在基片上外延生長；步驟九，經過20-60分鐘后，停止脈沖激光的入射，關閉束源爐，停止基片加熱，且停止對薄膜沉積腔抽真空；步驟十，在薄膜沉積腔降溫的過程中，向薄膜沉積腔內充入0.9個大氣壓的氬氣；步驟十一，待薄膜沉積腔的溫度降至常溫后，開啟薄膜沉積腔的進料口，取出基片和附著在基片上的鐵砸締薄I吳樣品。在執行步驟八的過程中，通過控制等離子體羽輝和分子束流在基片上的沉積過程，可以調節鐵硒碲三種元素在鐵硒碲薄膜樣品中的比例，從而制備出按重量百分比硒為O % -59 %，碲為O % -70 %的，余量為鐵的鐵硒碲薄膜樣品。當硒的含量為零時，碲的含量按重量百分比為70%，鐵的含量按重量百分比為30%，所制備的薄膜為鐵碲薄膜；當碲的含量為零時，硒的含量按重量百分比為59%，鐵的含量按重量百分比為41%，所制備的薄膜為鐵硒薄膜。上述各實施例從不同方面對本發明進行了詳細說明。綜上所述，本發明分子束輔助脈沖激光沉積的薄膜沉積設備及其使用方法最大限度地吸收了脈沖激光沉積和分子束外延這兩種薄膜制備方法的優點，有效避免了脈沖激光沉積成膜過程和分子束外延成膜過程的相互干擾，能夠制備質量更好和采用現有技術根本無法制備的薄膜。以上所述的具體實施例，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施例而已，并不用于限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。`
權利要求
1.一種薄膜沉積腔，其特征在于，包括: 腔體外殼，所述腔體外殼圍成所述薄膜沉積腔的腔體； 靶材托架，設置于所述腔體的中部，用于放置由組分A構成的靶材； 基片臺，設置于所述腔體中部，與所述靶材托架相對設置； 激光入射口，設置于所述腔體外殼的側面，與并所述靶材托架傾斜相對，用于入射激光以轟擊所述靶材托架上的靶材產生等離子體羽輝； 束源爐接口，設置于所述腔體外殼的側面并與所述基片臺傾斜相對，用于入射由組分B構成的分子束流； 所述激光入射口與所述束源爐接口能夠同時入射激光和分子束流，使組分A與所述組分B分別獨立到達所述基片臺上的基片表面，在基片表面共同作用生成待沉積材料的薄膜。
2.根據權利要求1所述的薄膜沉積腔，其特征在于， 所述待沉積材料為所述組分A和所述組分B未經過化學反應復合而成的材料；或 所述待沉積材料為所述組分A和所述組分B經過化學反應后生成的化合物。
3.根據權利要求2所述的薄膜沉積腔，其特征在于，所述組分A為高熔點材料，所述組分B為低熔點材料。
4.根據權利要求1所述的薄膜沉積腔，其特征在于，所述基片臺與所述靶材料托架平行相對設置或傾斜相對設置。`
5.根據權利要求1所述的薄膜沉積腔，其特征在于， 所述靶材托架設置在所述基片臺的下方；以所述腔體外殼的水平中心面為界，所述激光入射口設置在所述水平中心面的上方；所述束源爐接口設置在所述水平中心面的下方；或 所述靶材托架設置在所述基片臺的上方；以所述腔體外殼的水平中心面為界，所述激光入射口設置在所述水平中心面的下方；所述束源爐接口設置在所述水平中心面的上方。
6.根據權利要求1所述的薄膜沉積腔，其特征在于，所述激光入射口的開口方向與所述腔體外殼對應點切面之間的夾角Q1介于10°到80°之間，所述束源爐接口的開口方向與所述腔體外殼對應點切面之間的夾角Q2介于10°到80°之間。
7.根據權利要求6所述的薄膜沉積腔，其特征在于，所述\為45°;所述％為45°。
8.根據權利要求1所述的薄膜沉積腔，其特征在于，所述束源爐接口與所述腔體之間設有可開合的束源爐擋板，所述靶材托架與所述基片臺之間設有可開合的羽輝擋板。
9.根據權利要求1所述的薄膜沉積腔，其特征在于，還包括基片臺升降機構和靶材托架升降機構，分別用于升降基片臺與靶材托架。
10.根據權利要求1所述的薄膜沉積腔，其特征在于，所述束源爐接口的數目為N個，所述N > 1，所述N個束源爐接口分別與所述基片臺傾斜相對。
11.根據權利要求10所述的薄膜沉積腔，其特征在于，所述N個束源爐接口分為M組，所述M < N ; 所述M組中的其中一組中的束源爐接口為多個，該組中多個束源爐接口處于同一平面，且與所述基片臺的距離相同。
12.—種薄膜沉積設備，其特征在于，包括:如權利要求1-11中任一項所述的薄膜沉積腔； 激光系統，用于產生脈沖激光，并引導該脈沖激光通過所述激光入射口進入所述腔體； 束源爐，與所述束源爐接口相連接，用于產生由組分B構成的分子束流； 真空系統，與所述腔體通過連接管路相連接，從所述腔體向外，該真空系統依次包括分子泵和機械泵。
13.根據權利要求12所述的薄膜沉積設備，其特征在于，還包括送料室和過渡室，其中: 所述送料室通過送料管道與所述過渡室相連通，所述送料管道中設有第一真空閥門；所述過渡室通過傳輸管道與所述腔體相連通，所述傳輸管道中設有第二真空閥門； 所述送料室和過渡室分別通過管道與各自的真空系統相連接； 所述送料室和所述過渡室之間設置第一磁力傳遞裝置；所述過渡室和所述腔體之間設置第二磁力傳遞裝置。
14.根據權利要求12所述的薄膜沉積設備，其特征在于，還包括:原位實時監測系統， 所述腔體外殼側面設置監測光學窗口 ；該監測光學窗口與所述基片臺傾斜相對；所述原位實時監測系統通過所述監測光學窗口朝向所述基片臺。
15.根據權利要求14所述的薄膜沉積設備，其特征在于，所述原位實時監測系統包括:反射式高能電子衍射儀、薄 膜厚度測量儀，四極質譜儀、光柵光譜儀和/或X射線光電子譜儀。
16.一種薄膜沉積方法，其利用薄膜沉積設備沉積薄膜，其特征在于，該薄膜沉積設備為如權利要求12所述的薄膜沉積設備；該薄膜沉積方法包括: 步驟I，根據待沉積材料的物質組分，制備用于脈沖激光沉積的靶材和用于分子束外延的束源材料，所述靶材的組分為A，所述束源材料的組分為B ； 步驟II，將所述靶材安裝到所述靶材托架上，將所述束源材料安裝到所述束源爐中； 步驟III，將基片送入腔體中，安裝于在所述基片臺上； 步驟IV，將聚焦后的脈沖激光穿過激光入射口轟擊腔體內的所述靶材表面，產生等離子體羽輝，并使等離子體羽輝在所述基片上沉積，將所述組分A沉積于所述基片表面；與此同時，加熱所述束源爐，使所述束源材料氣化形成分子束，并噴射到所述基片上，將所述組分B沉積于所述基片表面，使組分A和組分B共同作用生成待沉積材料的薄膜。
17.根據權利要求16所述的薄膜沉積方法，其特征在于，所述待沉積材料為所述組分A和所述組分B未經過化學反應復合而成的材料。
18.根據權利要求17所述的薄膜沉積方法，其特征在于，所述待沉積材料為鐵、硒、鉀復合材料，所述組分A為鐵，所述組分B為鉀和硒。
19.根據權利要求17所述的薄膜沉積方法，其特征在于，所述待沉積材料為鐵、硒、碲復合材料，所述組分A為鐵，所述組分B為硒和碲。
全文摘要
本發明公開了一種薄膜沉積設備及薄膜沉積方法。該薄膜沉積設備包括一薄膜沉積腔，該薄膜沉積腔包括腔體外殼，腔體外殼圍成薄膜沉積腔的腔體；靶材托架，設置于腔體的中部，用于放置由組分A構成的靶材；基片臺，設置于腔體中部，與靶材托架相對設置；激光入射口，設置于腔體外殼的側面，與并靶材托架傾斜相對，用于入射激光以轟擊靶材托架上的靶材產生等離子體羽輝；束源爐接口，設置于腔體外殼的側面并與基片臺傾斜相對，用于入射由組分B構成的分子束流；激光入射口與束源爐接口同時入射激光和分子束流。本發明能夠有效避免脈沖激光沉積成膜過程和分子束外延成膜過程的相互干擾，可以制備質量更好和采用現有技術根本無法制備的薄膜。
文檔編號C23C14/28GK103103480SQ20111036224
公開日2013年5月15日 申請日期2011年11月15日 優先權日2011年11月15日
發明者許波, 曹立新, 范慧, 朱北沂 申請人:中國科學院物理研究所