一種原位掩模轉換裝置及其使用方法

2023-07-20 14:16:21

一種原位掩模轉換裝置及其使用方法
【專利摘要】本發明涉及一種原位掩模轉換裝置，包括一可運動的掩模板支架，掩模板支架上開設有至少兩個開孔，開孔內放置有掩模板。掩模板支架旁設置有可活動的基片移動驅動裝置，基片移動驅動裝置上可拆卸連接有與掩模板相匹配的基片，基片移動驅動裝置能夠將基片推送入開孔並貼覆於掩模板上，基片移動驅動裝置還能夠帶動基片離開所述開孔。該原位掩模轉換裝置可以應用於真空腔體內，能夠實現了在真空環境下的掩模板更換，有效避免對樣品的汙染。此外，還能減少製備過程中，掩模板造成的陰影效應，保證了薄膜質量。本發明還涉及一種原位掩模轉換裝置的使用方法，可以實現掩模板在製備環境下的自動更換，節約掩模板更換的時間，提高了製備效率，操作更加方便。
【專利說明】一種原位掩模轉換裝置及其使用方法

【技術領域】
[0001] 本發明涉及高通量組合材料製備【技術領域】，具體涉及一種原位掩模轉換裝置及其 使用方法。

【背景技術】
[0002] 2011年美國和歐盟分別提出了"材料基因組計劃"（Materials Genome Initiative, MGI)和"加速冶金學"（Accelerated Metallurgy，ACCMET)科學計劃，中國也 在2011年底由中國科學院和中國工程院召開香山科學會議討論應對策略，2012年啟動中 國版材料基因組計劃重大諮詢項目，並在2014年形成戰略規劃和實施建議。以上所述科 學計劃均強調了高通量組合材料研究方法在加速材料研發進程中的重要作用，其出發點在 於，採用傳統順序迭代式的"試錯法"的材料研發耗時費力，新材料從研發到應用周期太長， 越來越趕不上快速發展的工業需求。高通量組合材料研究是在一塊較小的基片上同時集成 生長成千上萬乃至上百萬種不同組分、結構和性能的材料，並通過自動掃描式或並行式快 速表徵技術獲得材料成分、結構和性能等關鍵信息，快速構建多元材料相圖或材料資料庫， 從中快速篩選出性能優良的材料或找到材料的"組分-結構-性能"關聯性，以此提高材料 研發的效率。所述在一塊較小基片上同時集成生長的不同組分、結構和性能的材料被稱為 高通量組合材料晶片，可與集成電路晶片或生物基因晶片類比。高通量組合材料晶片的制 備過程通常分為"組合"和"成相"兩個階段，其中組合是將不同組成的材料按照一定順序 和組合比例規律進行順序堆疊，然後通過分別採取低溫和高溫熱處理的方式使材料發生均 勻混合和成相的過程，完成組合材料晶片的製備。在高通量組合材料研究過程中，通常採 用掩模鍍膜法來實現組合材料晶片的製備，根據組合材料晶片樣本庫的組成方式不同一般 可分為分立模板法和連續掩模法。其中，分立模板法是指將2元或4元掩模板置於基片上 方，採用磁控濺射、離子束濺射或雷射脈衝沉積等薄膜沉積方法沉積薄膜於基片上，按照一 定順序依次旋轉和更換掩模板即可在基片上得到多個分立樣品。這種方法除了完成材料的 製備，用於篩選具備某種特性的材料以外，還特別適合於器件的製備和篩選。該技術最早由 Xiao-Dong Xiang等人發表,該方法可以在一塊基片上一次製備成百上千個樣品。如授權公 告號為CN2140916C(專利號為ZL02113385. 6)的中國發明專利《二分旋轉全組合材料合成 方法》中公開的方法，通過二分旋轉操作製備一套總數為N的掩模組，通過N次掩模過程實 現N種元素的全組合，最終得到一個單元總數2 N的材料樣本庫。通過對這一樣本庫的性能 測試，可以快速篩選出具備特定性能的新型材料體系。上述方法均需要將基片和掩模板固 定在同一底座上，傳統上每次更換掩模板都需要將掩模連同基片和底座一同取出真空腔， 並暴露於大氣中，破壞系統局部真空，易受到氧氣等影響，尤其是某些對氧敏感的材料不適 合採用這種方法。此外整個操作過程複雜，每次實驗都需要消耗較長時間。
[0003] 連續掩模法指的是掩模板通過往復連續移動，採用磁控濺射、離子束濺射或雷射 脈衝沉積等薄膜沉積方法在基底上形成厚度梯度分布的膜層的一種方法，該方法可廣泛應 用於各種複雜化合物材料的連續相圖研製和摻雜改性研究，結合雷射劃線等技術，該方法 同樣適用於器件的高通量製備和研究。為了克服傳統高通量組合薄膜材料和器件製備過 程中掩模板更換耗時且易造成樣品汙染的缺點，Samuel S. Mao在文章 "High throughput growth and characterization of thin film materials" 中提出米用原位掩模板更換裝 置，通過旋轉堆疊存放的掩模板進行更換，可以有效避免樣品和掩模板的汙染，也可以有效 避免破壞真空環境，提1?製備效率，但此裝置中掩|旲板與樣品基片間留有較大空隙，易造成 陰影效應，影響樣品質量。


【發明內容】

[0004] 本發明所要解決的第一個技術問題是針對上述現有技術提供一種能夠在真空環 境內實現掩模板更換且能減少陰影效應影響的原位掩模轉換裝置。
[0005] 本發明所要解決的第二個技術問題是針對上述現有技術提供一種原位掩模轉換 裝置的使用方法，能夠在不拆卸基片和掩模板的情況下實現基片的沉積過程。
[0006] 本發明解決上述第一個技術問題所採用的技術方案為：一種原位掩模轉換裝置， 其特徵在於：包括一可運動的掩模板支架，所述掩模板支架上開設有至少兩個開孔，所述開 孔內放置有掩模板；
[0007] 所述掩模板支架旁設置有可活動的基片移動驅動裝置，所述基片移動驅動裝置上 可拆卸連接有與掩模板相匹配的基片，所述基片移動驅動裝置能夠能將所述基片推送入所 述開孔並貼覆於所述掩模板上，所述基片移動驅動裝置還能夠帶動基片離開所述開孔。
[0008] 優選地，所述基片移動驅動裝置包括固定架，所述固定架上連接一能夠適度平移 的柔性驅動臂，所述柔性驅動臂上連接一用於固定基片的基片架。
[0009] 可選擇地，所述驅動臂為可伸縮機械手或者可升降的機械手，所述可伸縮的機械 手或者可升降的機械手為具有一定的平移柔性度的機械手，所述可伸縮機械手或者可升降 的機械手由動力源驅動。
[0010] 為了方便放置掩模板，對應於所述掩模板在所述開孔內的放置位置，所述開孔的 內壁上、沿開孔周緣設置有第一凸臺，所述掩模固定設置在所述第一凸臺上。
[0011] 為了準確放置基片以對準掩模板的放置位置，保證基片沉積的準確性，同時方便 基片放置，對應於所述基片的入口方向的一端，所述開孔呈喇叭口外擴設置，從而形成與所 述開孔軸向呈一定角度設置的滑槽；或者對應於所述基片的入口處，所述開孔周緣上連接 設置有與所述開孔軸向呈一定角度的導向槽，所述導向槽自與開孔的連接處向外呈喇叭口 外擴設置。
[0012] 掩模根據不同的設計要求，所述掩模板支架為可旋轉的盤體、可平移的帶狀支撐 體或者可旋轉的盤體與可平移的帶狀支撐體的結合體。
[0013] 優選地，所述盤體為圓盤狀，所述開孔以盤體圓心為中心均勻周向設置在所述盤 體上，依順時針或者逆時針順序，先後沉積順序的掩模板依次放置在各開孔內。
[0014] 本發明解決上述第二個技術問題所採用的技術方案為：一種原位掩模轉換裝置的 使用方法，其特徵在於：包括如下步驟：
[0015] 步驟一、將製備所需的多個掩模板分別放入對應的掩模板支架上的各個開孔內， 並將原位掩模轉換裝置放入製備環境中；
[0016] 步驟二、將放置有第一層材料沉積所需掩模板的開孔對準基片移動驅動裝置上連 接的基片；
[0017] 步驟三、開啟原位掩模轉換裝置，基片移動驅動裝置推動基片進入開孔內，使得基 片對準掩模板並將其壓緊貼覆在掩模板上；
[0018] 步驟四、利用掩模板進行基片的第一層材料沉積。
[0019] 步驟五、第一層材料沉積完畢後，基片移動驅動裝置帶動基片離開開孔；
[0020] 步驟六、掩模板支架運動，使得放置有下一層材料沉積所需的掩模板的開孔對準 基片移動驅動裝置上連接的基片；
[0021] 步驟七、基片移動驅動裝置推動基片進入開孔內，使得基片對準掩模板並將其壓 緊貼覆在掩模板上；
[0022] 步驟八、利用掩模板進行基片的材料沉積；
[0023] 步驟九、該層材料沉積完畢後，基片移動驅動裝置帶動基片離開開孔；
[0024] 步驟十、如果基片的所有材料沉積未完成則返回步驟六，如果基片的所有材料沉 積完成，則返回步驟十一；
[0025] 步驟十一、自原位掩模轉換裝置上取下基片，並將基片取出製備環境。
[0026] 與現有技術相比，本發明的優點在於：該原位掩模轉換裝置可以應用於真空腔體 內完成基片與至少兩個掩模板的配合沉積過程，整個製備過程中不需要將掩模板拿出更 換，實現了在真空環境下的掩模板更換，能有效避免了大氣中水、氧等物質對樣品的汙染。 此外，該原位掩模轉換裝置能夠實現基片與掩模板自對準，並且將基片與掩模板緊貼，減少 了製備過程中，掩模板造成的陰影效應，保證了薄膜質量。同時，該原位掩模轉換裝置的使 用方法可以實現掩模板在製備環境下的自動更換，節約掩模板取出製備環境進行更換的時 間，提高了製備效率，操作更加方便。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0027] 圖1為本發明實施例中基片未放置在開孔中的原位掩模轉換裝置的結構示意圖。
[0028] 圖2為本發明實施例中基片放置在開孔中的原位掩模轉換裝置的部分剖視圖。
[0029] 圖3為本發明實施例中原位掩模轉換裝置的使用方法流程圖。

【具體實施方式】
[0030] 以下結合附圖實施例對本發明作進一步詳細描述。
[0031] 如圖1、圖2所示，本實施例中的原位掩模轉換裝置，包括一可運動的掩模板支架， 根據不同的設計需要，掩模板支架為可旋轉的盤體1、可平移的帶狀支撐體或者可旋轉的盤 體1與可平移的帶狀支撐體的結合體。本實施例中掩模板支架選用可旋轉的盤體1，該盤體 1可以利用驅動杆連接在動力源上以帶動盤體1依順時針或者逆時針方向進行旋轉。為了 方便控制和使用，盤體1為圓盤狀，盤體1上開設有至少兩個開孔2,開孔2內放置有掩模板 3,本實施例中該掩模板3固定放置在開孔2中，開孔2的形狀適配於掩模板3的形狀。根 據不同的需求，開孔2內也具有可供掩模板3運動的空間，則掩模板3可以通過動作控制器 控制驅動器以帶動掩模板3在開孔2中平移、傾斜或者旋轉移動，再配合具體的製備工藝， 在基片上沉積成所需的樣品圖案。
[0032] 開孔2的數量最優設置為鍍膜的次數，即為需要的掩模板3的總數量。開孔2以盤 體1圓心為中心均勻周向設置在盤體1上，各開孔2各固定設置一個掩模板3,掩模板3依 照先後沉積順序沿順時針或者逆時針方向依次放置在各個開孔2中，如果盤體1的旋轉方 向為順時針方向，則依順時針方向依次將先後沉積順序的掩模板3放置入開孔2內，反之則 依逆時針方向依次將先後沉積順序的掩模板3放置入開孔2內。如果開孔2數量為M個， 則盤體1每次旋轉的角度為360° /M，本實施例盤體1的轉動方向選用順時針旋轉方向。
[0033] 掩模板支架旁設置有可活動的基片移動驅動裝置和基片架，本實施例中，可活動 的基片移動驅動裝置和基片架均設置於掩模板支架的上方。基片移動驅動裝置和基片架之 間由驅動臂相連，基片架上可拆卸連接有與掩模板3相匹配的基片6,基片移動驅動裝置能 夠能將基片6推送入開孔2並貼覆於掩模板3上，基片移動驅動裝置還能夠帶動基片6離 開開孔2。基片移動驅動裝置包括固定架4,該固定架4可以固定在工藝腔體內。固定架4 上連接一能夠活動的驅動臂5,驅動臂5上連接一用於固定基片6的基片架7。驅動臂5為 可伸縮機械手或者可升降的機械手，可伸縮機械手或者可升降的機械手由動力源驅動，該 可伸縮的機械手或者可升降的機械手為具有一定的平移柔性度的機械手，以方便實現基片 6與掩模板3在一定的對準誤差情況下的自對準。本實施例中的驅動臂5選用可伸縮機械 手。
[0034] 其中上述開孔2的徑向截面形狀與掩模3的形狀、基片6的形狀均適配設置，即當 掩模3、基片6為圓形時，則開孔2為圓形開設，當掩模3、基片6為方形時，則開孔2為方形 開設。
[0035] 為了方便固定掩模板3,對應於掩模板3在開孔2內的放置位置，開孔2的內壁上、 沿開孔2周緣設置有凸臺21，掩模板3固定設置在凸臺21上。
[0036] 為了準確放置基片6以匹配掩模3的放置位置，保證基片6沉積的準確性，對應於 基片6的入口方向的一端，開孔2呈喇叭口外擴設置，從而形成與開孔2軸向呈一定角度設 置的滑槽22。或者對應於基片6的入口處，開孔2周緣上連接設置有與開孔2軸向呈一定 角度的導向槽，導向槽自與開孔2的連接處向外呈喇叭口外擴設置。為了製造方便，本實施 例中選用前者滑槽22的方案。如此不僅可以方便利用可伸縮機械手將基片6推入開孔2 內，且基片6可以剛好對準貼覆掩模板3上。
[0037] 滑槽22與開孔2的交匯折彎處距凸臺21放置掩模板3的一面的距離基本等於掩 模板3和基片6的厚度和，如此可以減少可伸縮機械手對基片6的推入開孔內的距離，可有 效防止在推動過程中基片3因為扭動發生的誤差，影響成品質量。
[0038] 如圖3所示，該原位掩模轉換裝置的使用方法，包括如下步驟：
[0039] 步驟一、將製備所需的至少兩個掩模板3分別放入對應的掩模板支架上的各個開 孔2內，並將原位掩模轉換裝置放入製備環境中；
[0040] 步驟二、將放置有第一層材料沉積所需掩模板3的開孔2對準基片移動驅動裝置 上連接的基片6 ;
[0041] 步驟三、開啟原位掩模轉換裝置，基片移動驅動裝置推動基片6進入開孔2內，使 得基片6對準掩模板3並將其壓緊貼覆在掩模板3上；
[0042] 步驟四、利用掩模板進行基片6的第一層材料沉積。
[0043] 步驟五、第一層材料沉積完畢後，基片移動驅動裝置帶動基片離開開孔；
[0044] 步驟六、掩模板支架運動，使得放置有下一層材料沉積所需的掩模板3的開孔對 準基片移動驅動裝置上連接的基片6 ;
[0045] 步驟七、基片移動驅動裝置推動基片6進入開孔內，使得基片6對準掩模板3並將 其壓緊貼覆在掩模板3上；
[0046] 步驟八、利用掩模板進行基片6的材料沉積；
[0047] 步驟九、該層材料沉積完畢後，基片移動驅動裝置帶動基片6離開開孔；
[0048] 步驟十、如果基片6的所有材料沉積未完成則返回步驟六，如果基片6的所有材料 沉積完成，則返回步驟十一；
[0049] 步驟十一、自原位掩模轉換裝置上取下基片6,並將基片6取出製備環境。
[0050] 其具體使用方法如下：
[0051] 該原位掩模轉換裝置在使用時，將實驗所需的至少兩個掩模板3分別放入對應的 掩模板支架上的各個開孔2內，打開製備腔體並將該原位掩模轉換裝置整體放置於製備腔 體內進行使用。在該原位掩模轉換裝置開啟工作前，調整盤體1的位置，使得可伸縮機械手 支撐基片6在放置有第一層材料沉積所需掩模板3的開孔2的上端。然後根據製備需要可 將製備腔體內抽真空，開啟原位掩模轉換裝置，則伴隨著可伸縮機械手的伸開，帶動基片架 7,從而可伸縮機械手推動基片6沿滑槽22進入第一個開孔內，在此過程中，由於可伸縮機 械手具有一定的平移柔性度，故可伸縮機械手可以通過微平移調整，使得基片6對準掩模 板3並將其壓緊貼覆在掩模板3上，然後進行基片6的第一層材料沉積。待第一層材料完 畢後，可伸縮機械手回縮，同時帶動基片6離開第一個開孔，然後盤體1順時針旋轉360° / M，與第一開孔相鄰的第二開孔旋轉到基片6的下端對準基片6的位置，然後依次重複上述 過程直至基片6的多層材料沉積完成，第一個開孔又旋轉至基片6的下端，整個原位掩模轉 換裝置工作完成。然後調整製備腔體內的氣壓基本等同於外界氣壓，再打開製備腔體，取出 製備完成的基片6。
[0052] 由上述原位掩模轉換裝置的工作過程可知，在多個掩模板3對基片6沉積過程中， 不需要每利用一個掩模板3進行材料沉積後便將掩模板3自真空腔體內取出更換，而是在 所有掩模板3對基片6的材料沉積過程完成後，才會取出製備完成的基片6。對於整個沉積 製備過程，在真空環境下即完成了所有掩模板3的更換，大大減少了沉積過程中大氣對基 片6的汙染，同時節省了更換掩模板3的時間，提高了生產效率，操作更加簡單。
[0053] 此外，作為上述方案的一種替代方案，盤體1或者帶狀支撐體可以固定設置，而固 定架4可活動設置，從而帶動驅動臂5沿掩模板3的放置軌跡運動，而驅動臂5則帶動基片 6,並分別與各個掩模板3配合完成沉積製備過程。
【權利要求】
1. 一種原位掩模轉換裝置，其特徵在於：包括一可運動的掩模板支架，所述掩模板支 架上開設有至少兩個開孔（2)，所述開孔（2)內放置有掩模板（3); 所述掩模板支架旁設置有可活動的基片移動驅動裝置，所述基片移動驅動裝置上可拆 卸連接有與掩模板（3)相匹配的基片（6)，所述基片移動驅動裝置能夠能將所述基片（6)推 送入所述開孔（2)並貼覆於所述掩模板（3)上，所述基片移動驅動裝置還能夠帶動基片（6) 離開所述開孔（2)。
2. 根據權利要求1所述的原位掩模轉換裝置，其特徵在於：所述基片移動驅動裝置包 括固定架（4)，所述固定架（4)上連接一能夠活動的驅動臂（5)，所述驅動臂（5)上連接一 用於固定基片（6)的基片架（7)。
3. 根據權利要求2所述的原位掩模轉換裝置，其特徵在於：所述驅動臂（5)為可伸縮 機械手或者可升降的機械手，所述可伸縮的機械手或者可升降的機械手為具有一定的平移 柔性度的機械手，所述可伸縮機械手或者可升降的機械手由動力源驅動。
4. 根據權利要求1所述的原位掩模轉換裝置，其特徵在於：對應於所述掩模板（3)在 所述開孔（2)內的放置位置，所述開孔（2)的內壁上、沿開孔（2)周緣設置有凸臺（21)，所 述掩模板（3)固定設置在所述凸臺（21)上。
5. 根據權利要求4所述的原位掩模轉換裝置，其特徵在於：對應於所述基片（6)的入 口方向的一端，所述開孔（2)呈喇叭口外擴設置，從而形成與所述開孔（2)軸向呈一定角度 設置的滑槽（22);或者對應於所述基片（6)的入口處，所述開孔（2)周緣上連接設置有與 所述開孔（2)軸向呈一定角度的導向槽，所述導向槽自與開孔（2)的連接處向外呈喇叭口 外擴設置。
6. 根據權利要求1所述的原位掩模轉換裝置，其特徵在於：所述掩模板支架為可旋轉 的盤體（1)、可平移的帶狀支撐體或者可旋轉的盤體（1)與可平移的帶狀支撐體的結合體。
7. 根據權利要求6所述的原位掩模轉換裝置，其特徵在於：所述盤體（1)為圓盤狀，所 述開孔（2)以盤體（1)圓心為中心均勻周向設置在所述盤體（1)上，依順時針或者逆時針 順序，先後沉積順序的掩模板（3)依次放置在各開孔（2)內。
8. -種如權利要求1所述的原位掩模轉換裝置的使用方法，其特徵在於：包括如下步 驟： 步驟一、將製備所需的至少兩個掩模板（3)分別放入對應的掩模板支架上的各個開孔 (2)內，並將原位掩模轉換裝置放入製備環境中； 步驟二、將放置有第一層材料沉積所需掩模板（3)的開孔（2)對準基片移動驅動裝置 上連接的基片（6); 步驟三、開啟原位掩模轉換裝置，基片移動驅動裝置推動基片（6)進入開孔（2)內，使 得基片（6)對準掩模板（3)並將其壓緊貼覆在掩模板（3)上； 步驟四、利用掩模板進行基片￠)的第一層材料沉積。 步驟五、第一層材料沉積完畢後，基片移動驅動裝置帶動基片離開開孔； 步驟六、掩模板支架運動，使得放置有下一層材料沉積所需的掩模板（3)的開孔對準 基片移動驅動裝置上連接的基片； 步驟七、基片移動驅動裝置推動基片（6)進入開孔內，使得基片（6)對準掩模板（3)並 將其壓緊貼覆在掩模板（3)上； 步驟八、利用掩模板進行基片￠)的材料沉積； 步驟九、該層材料沉積完畢後，基片移動驅動裝置帶動基片（6)離開開孔； 步驟十、如果基片（6)的所有材料沉積未完成則返回步驟六，如果基片（6)的所有材料 沉積完成，則進行步驟十一； 步驟十一、自原位掩模轉換裝置上取下基片￠)，並將基片（6)取出製備環境。
【文檔編號】C23C14/04GK104213074SQ201410414674
【公開日】2014年12月17日 申請日期:2014年8月21日 優先權日:2014年8月21日
【發明者】向勇, 閆宗楷, 張海濤, 葉繼春 申請人:寧波英飛邁材料科技有限公司