[發明專利]一種可調控組織的薄膜高通量制備的裝置及其方法

在審

• 申請號: 201711262864.0
• 申請日: 2017-12-04
• 公開（公告）號: CN108034928A
• 公開（公告）日: 2018-05-15
• 發明（設計）人: 龐曉露;楊楊;高克瑋;楊會生;徐秋發;李東東;童海生
• 申請（專利權）人: 北京科技大學
• 主分類號: C23C14/35
• 分類號: C23C14/35;C23C14/58;C23C14/16;C23C28/02
• 代理公司: 北京金智普華知識產權代理有限公司 11401
• 代理人: 皋吉甫

本發明涉及一種可調控組織的薄膜高通量制備的裝置及其方法。該裝置包括半導體激光器、XRD分析儀、具有成分梯度分布的薄膜樣品以及場發射掃描電子顯微鏡。采用雙靶磁控共濺射的方法制備成分梯度分布的薄膜樣品，薄膜樣品要求在橫向上成分梯度分布，在縱向上均勻分布。薄膜樣品在真空條件下采用激光熱處理加熱，激光采用線掃的方式自上向下掃描，激光能量不斷改變。因此薄膜樣品表面縱向上成分相同，熱處理工藝參數不同，橫向上成分不同，熱處理工藝參數相同，因此可以研究成分?組織對性能的影響。

技術領域

本發明屬于薄膜材料高通量制備與薄膜組織能量調控領域，具體涉及一種可調控組織的薄膜高通量制備的裝置及其方法。

背景技術

高通量制備是指在短時間內完成大量樣品的制備，即在一塊基體上通過工藝設計完成大量不同成分材料的同時制備。1995年項曉東首次在《Science》中提出“組合材料芯片”技術，將其用于熒光材料的篩選和三元相圖的研究，高通量制備技術得到快速發展。隨著工業的不斷發展，目前現有的“試錯法”材料研發模式已經跟不上時代對新材料的需求，研發模式的改革迫在眉睫。2012年，中國開始“材料基因組”工程計劃，旨在通過高通量制備技術和高通量表征技術的發展帶動材料研發模式的改變，大大提高新材料研發速度，使中國在材料領域迅速趕超歐美等工業大國。目前高通量制備技術主要采用掩膜法和共沉積法，這兩種方法都可以得到成分連續分布的薄膜材料，用于研究成分對薄膜性能的影響。但是對于材料而言，使用性能不僅與薄膜成分有關，還與薄膜的組織結構有關，如在相同的成分下組織為等軸晶則具有較好的綜合機械性能且裂紋不易發展，所以難以發生脆性斷裂；而當顯微組織為柱狀晶時材料具有特定方向上具有好的力學性能，并且組織致密，但在外力作用下兩個柱狀晶的界面處容易出現裂紋發生脆性斷裂。因此我們不僅需要實現薄膜成分的高通量表征，還需要通過高通量技術實現成分-組織-性能關系的高通量表征。材料的顯微組織與薄膜的沉積條件和后續熱處理有關，通過改變參數可以得到不同的顯微組織（如非晶、準晶和晶體）。

激光作為二十世紀六十年代出現的一種新型光源，問世以來得到快速發展，經過幾十年的研究，到目前為止，激光已發展成為種類繁多、應用廣泛的一個現代工具。激光由于能量密度高，加熱速度快，定位準確的優點，在激光切割、激光焊接以及激光熱處理等領域大規模使用。對于高通量薄膜材料，由于沉積原子以多層疊加的方式生長，必須要經過后續熱處理工藝完成原子在深度方向上的均勻化。若在加熱爐中完成熱處理的話，薄膜材料表面的組織性能一致，并不能實現高通量薄膜的組織-性能高通量表征，若采用激光加熱熱處理就可以實現薄膜的不同區域采用不同的加熱溫度，因此達到一塊薄膜基體表面不僅具有成分梯度，還具有顯微組織的梯度變化。

發明內容

為了解決上述問題，本發明的目的在于提供一種可以快速制備同時具有成分梯度和顯微組織梯度變化的薄膜樣品的技術，這樣就可以快速評價高通量薄膜中具有最優使用性能的顯微組織。

本發明的技術方案是：一種可調控組織的薄膜高通量制備的裝置，該裝置包括基體，磁控濺射鍍膜機和用于提供能量實現薄膜局部熱處理的半導體激光器。

其中，所述磁控濺射鍍膜機采用雙靶共濺射，所述基體位于所述磁控濺射鍍膜機的雙靶之間，且所述基體到所述磁控濺射鍍膜機的雙靶之間的距離相等。

進一步，所述基體為單晶Si。

進一步，所述半導體激光器波長為248nm，掃描速度0.05mm/s，激光能量為200-500W連續可調。

本發明的另一目的是提供使用上述調控組織的薄膜高通量制備的裝置的方法，該方法具體包括以下步驟：

步驟1：首先將單晶Si基體清洗干凈后放入磁控鍍膜機，采用雙靶同時濺射的方法，使得薄膜樣品在橫向上成分梯度分布，在縱向上無成分梯度；