專利名稱：復(fù)合薄膜制備系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及復(fù)合薄膜制備系統(tǒng)領(lǐng)域，特別涉及一種激光分子束外延-磁控濺射復(fù)合成 膜系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
薄膜技術(shù)在現(xiàn)今的工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究中占有重要的地位。在眾多的薄膜制備方法中， 磁控濺射和脈沖激光沉積在固體薄膜的生長(zhǎng)中是兩種相互不可替代的重要方法 磁控濺射的方法 一般是采用輝光放電的方法使惰性氣體(如氬氣)放電離化而產(chǎn)生等離 子體，等離子體中的陽(yáng)離子Ur+)在電場(chǎng)的作用下被加速而轟擊處于陰極的固態(tài)靶材，當(dāng) 離子轟擊靶材的能量大于靶材表面粒子的結(jié)合能時(shí)，這些粒子就要以離子或原子的形式脫 離靶材，在附近的襯底上沉積而形成薄膜。通常的賊射方法效率很低，磁控'踐射是在陰極 的表面加上一平行的磁場(chǎng)，由于等離子體中的電子和離子受到磁場(chǎng)的作用，運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生 偏轉(zhuǎn)，被束縛在陰極附近的區(qū)域，從而大大增加了氣體原子的離化效率，使等離子體的濃 度大大增加，從而在較低的電場(chǎng)強(qiáng)度和氣壓的情況下，獲得較高的濺射速率。 脈沖激光沉積的方法高能激光束(一般是準(zhǔn)分子激光器產(chǎn)生的脈沖紫外激光)經(jīng)過聚焦 打在靶上，瞬間產(chǎn)生很高的溫度，將靶表面的物質(zhì)蒸發(fā)出來。被蒸發(fā)出的物質(zhì)向各個(gè)方向 的分布是不同的，垂直靶面方向的分布最多，由于溫度很高并與激光相互作用產(chǎn)生高溫等 離子體的擴(kuò)散束流，形成較亮的羽輝。羽輝各個(gè)部分的溫度和成分是不同的，在羽輝的末 端，由于溫度的降低，等離子體開始結(jié)合成各種原子分子，因此基片一般放置在羽輝的邊 緣，到達(dá)基片的物質(zhì)沉積在基片上，形成與靶材成分基本一致的薄膜。這兩種方法由于各自的特點(diǎn)，分別適用于不同材料薄膜的制備。它們功能上的互補(bǔ)性 能基本解決當(dāng)前所有固體薄膜的生長(zhǎng)問題。但到目前為止，這兩種方法都是以分立的裝置 單獨(dú)使用，只能生長(zhǎng)適用于其中一種技術(shù)能夠生長(zhǎng)的薄膜。不能使需要分別用兩種方法才 能生長(zhǎng)優(yōu)質(zhì)薄膜的材料實(shí)現(xiàn)原位集成生長(zhǎng)，這種集成生長(zhǎng)只能非原位(經(jīng)真空室外傳遞) 才能實(shí)現(xiàn)。這樣往往造成薄膜表面的嚴(yán)重污染，大大降低集成薄膜界面質(zhì)量，甚至改變其
性質(zhì)，無論對(duì)基礎(chǔ)性研究還是器件研制，這個(gè)問題都是應(yīng)當(dāng)避免的。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是為了克服現(xiàn)有薄膜制備過程中，磁控濺射和脈沖激光沉積兩種設(shè)備獨(dú) 立所引起的樣品表面污染等問題，從而提供一種復(fù)合薄膜制備系統(tǒng)。 本發(fā)明提供的一種復(fù)合薄膜制備系統(tǒng)，包括 用于取出和放入樣品的樣品室，包括樣品存儲(chǔ)臺(tái)；磁控濺射裝置，包括磁控室、磁控室樣品臺(tái)和用于在真空中在磁控室樣品臺(tái)和樣品室 的樣品存儲(chǔ)臺(tái)之間傳送樣品的磁控室樣品傳遞機(jī)構(gòu)；以及激光分子束外延裝置，包括激光室、激光室樣品臺(tái)、以及用于在真空中在激光室樣品 臺(tái)和樣品室的樣品存儲(chǔ)臺(tái)之間傳送樣品的激光室樣品傳遞機(jī)構(gòu)；其中，所述樣品室通過密閉的第一管路連通到激光分子束外延室，所述樣品室通過密閉的 第二管路連通到磁控室。進(jìn)一步地，該系統(tǒng)還包括掃描隧道顯微鏡，所述掃描隧道顯微鏡包括掃描隧道顯微鏡 工作室、位于掃描隧道顯微鏡工作室內(nèi)的掃描隧道顯微鏡樣品臺(tái)和用于在真空中在掃描隧 道顯孩i鏡樣品臺(tái)和樣品室的樣品存儲(chǔ)臺(tái)之間傳送樣品的掃描隧道顯微鏡工作室樣品傳遞機(jī) 構(gòu)，所述掃描隧道顯微鏡工作室通過密閉的第三管路與所述樣品室連通。進(jìn)一步地，還包括預(yù)抽室，所述預(yù)抽室通過帶有真空閥門的第四管路連通至所述樣品 室，所述預(yù)抽室設(shè)有用于在真空中在預(yù)抽室和樣品室的樣品存儲(chǔ)臺(tái)之間傳送樣品的預(yù)抽室 樣品傳遞纟/L構(gòu)。進(jìn)一步地，所述第一、第二、第三和第四管路上分別設(shè)有真空閥門。 進(jìn)一步地，所述復(fù)合薄膜制備系統(tǒng)還可以設(shè)有減震裝置，降低工作過程中外界的干擾。 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于將磁控濺射和激光分子束蒸發(fā)結(jié)合在同一系統(tǒng)中，既能原位集成 生長(zhǎng)不同材料的異質(zhì)結(jié)和多層膜，實(shí)現(xiàn)以完整和無污染的界面來研究不同材料在原胞尺度 或物理特征尺度內(nèi)的相互作用，為發(fā)現(xiàn)和研究材料的本征的物理效應(yīng)和發(fā)展交叉學(xué)科提供 材料基礎(chǔ)；同時(shí)也能為薄膜器件研制提供關(guān)鍵的器件基體。


: 圖1為薄膜制備系統(tǒng)示意圖；圖2為樣品室存儲(chǔ)臺(tái)組件示意圖；圖3為樣品存儲(chǔ)托與樣品臺(tái)結(jié)構(gòu)圖；圖4為磁控賊射裝置的樣品臺(tái)結(jié)構(gòu)，其中，圖4a為平視圖，圖4b為俯視圖，圖4c為自轉(zhuǎn)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)圖，圖4d為公轉(zhuǎn)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)圖；圖5為激光分子束沉積裝置樣品臺(tái)組件結(jié)構(gòu)圖；圖6為激光分子束沉積裝置靶組件結(jié)構(gòu)圖；圖7為激光分子束沉積裝置耙組件的自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)圖；圖8為設(shè)有減震裝置的薄膜制備系統(tǒng)示意圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一 步的解釋和說明。圖1給出了一種薄膜制備系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，該薄膜制備系統(tǒng)包括磁控賊射裝置101、激光 分子束外延生長(zhǎng)裝置102、掃描隧道顯微鏡103、樣品室104和預(yù)抽室105。樣品室通過密 封的管路分別與磁控濺射裝置、激光分子束外延生長(zhǎng)裝置、掃描隧道顯微鏡和預(yù)抽室連通， 管路上根據(jù)需要可以設(shè)置閥門，如氣動(dòng)板閘閥等。樣品室的結(jié)構(gòu)如圖2所示，包括樣品存儲(chǔ)臺(tái)201、樣品存儲(chǔ)臺(tái)控制桿202、和安裝在樣 品室壁上的配有膠圈與刀口的兩用活開門組件(圖中未示出)，樣品存儲(chǔ)臺(tái)控制桿202通過 第一法蘭203伸入樣品室內(nèi)部，該樣品存儲(chǔ)臺(tái)控制桿202在樣品室內(nèi)的一端設(shè)有一樣品存 儲(chǔ)托301，如圖3所示，所述樣品存儲(chǔ)托301為圓環(huán)帶狀，其上下邊緣各有三個(gè)對(duì)稱分布 的"L"型卡口 302，圓形樣品臺(tái)303上設(shè)有對(duì)應(yīng)卡口 302的支腳304,當(dāng)樣品臺(tái)303放置 在樣品存儲(chǔ)托301上時(shí)，首先將支腳304對(duì)準(zhǔn)樣品存儲(chǔ)托卡口 302的豎槽，進(jìn)入后再旋轉(zhuǎn) 進(jìn)入橫槽，達(dá)到固定的目的；該樣品室還設(shè)有一機(jī)械手204，如圖2所示， 一根金屬棒205 通過第二法蘭206由外部伸入樣品室內(nèi)，其位于樣品室外的端部套有中空的套管207，該 套管與所述第二法蘭206密封連接，所述套管外還設(shè)有磁力控制環(huán)208，可以控制所述金 屬棒205在該套管207內(nèi)前后移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)，所述金屬棒205在樣品室內(nèi)的一端安裝有一機(jī) 械爪209,所述機(jī)械爪209的形狀與所述存儲(chǔ)托301相同，但是略小于存儲(chǔ)托，該機(jī)械爪 209上也設(shè)有"L"型卡口 210,且橫槽在上，這樣樣品臺(tái)在存儲(chǔ)臺(tái)上的時(shí)候，將機(jī)械爪 209向下移動(dòng)，將卡口 210的豎直部分對(duì)準(zhǔn)樣品臺(tái)的支腳304,繼續(xù)向下直到卡口 210的橫
槽部分和樣品臺(tái)的支腳304到同一高度，旋轉(zhuǎn)機(jī)械手，使支腳進(jìn)入機(jī)械爪卡口橫槽并且達(dá) 到存儲(chǔ)臺(tái)卡口的豎直部分，這樣豎直的提起機(jī)械爪就可以將樣品臺(tái)303從存儲(chǔ)臺(tái)209上取 出。另外，樣品存儲(chǔ)托可以上下表面都有卡口，從而同時(shí)在上面安裝兩個(gè)樣品存儲(chǔ)臺(tái)。如圖4所示，磁控濺射裝置包括磁控室樣品臺(tái)，為了能夠在真空中將裝有樣品的樣品 臺(tái)從樣品室轉(zhuǎn)移到位于磁控室內(nèi)的磁控室樣品臺(tái)上，磁控室中設(shè)有磁控室樣品臺(tái)組件，磁 控室樣品臺(tái)組件采用如圖4a和圖4b所示的結(jié)構(gòu)該磁控室樣品臺(tái)組件包括一安裝在磁控室壁上的磁控室樣品臺(tái)接口法蘭401,該磁控 室樣品臺(tái)接口法蘭401上分別垂直安裝有磁控室樣品臺(tái)自轉(zhuǎn)控制桿402、磁控室樣品臺(tái)公 轉(zhuǎn)控制桿403和磁控室樣品臺(tái)Z軸控制桿404,各個(gè)控制桿采用與所述樣品室機(jī)械爪相同 的結(jié)構(gòu)伸入磁控室內(nèi)部，保證在真空密封的同時(shí)能夠自由旋轉(zhuǎn)和進(jìn)退，所述磁控室樣品臺(tái) 接口法蘭401上還安裝有帶計(jì)算機(jī)控制接口的磁控室樣品臺(tái)控制電機(jī)405,該磁控室樣品 臺(tái)控制電機(jī)405與磁控室樣品臺(tái)自轉(zhuǎn)控制桿402通過皮帶傳動(dòng)(圖中未示出)；所述磁控室 樣品臺(tái)組件還包括一位于磁控室內(nèi)的Z軸傳動(dòng)平臺(tái)406,該Z軸傳動(dòng)平臺(tái)406設(shè)有一通孔， 該通孔內(nèi)壁設(shè)有螺紋，所述磁控室樣品臺(tái)Z軸控制桿404的末端一段設(shè)有螺紋，并伸入所 述Z軸傳動(dòng)平臺(tái)406的通孔中，與其內(nèi)壁的螺紋配合，這樣，通過旋轉(zhuǎn)磁控室樣品臺(tái)Z軸 控制桿404,就可以控制Z軸傳動(dòng)平臺(tái)406在Z軸方向的升降；所述磁控室樣品臺(tái)公轉(zhuǎn)控制桿403位于磁控室內(nèi)的末端設(shè)有齒輪410,如圖4d所示， 一內(nèi)齒輪外套通過一真空軸承轉(zhuǎn)動(dòng)固定在Z軸傳動(dòng)平臺(tái)406上，該內(nèi)齒輪外套內(nèi)壁409與 所述磁控室樣品臺(tái)公轉(zhuǎn)控制桿末端410通過齒輪嚙合，所述內(nèi)齒輪外套下端固定有水平方 向的磁控室樣品臺(tái)懸臂桿407,該懸臂桿末端安裝有磁控室樣品臺(tái)408,通過旋轉(zhuǎn)磁控室樣 品臺(tái)公轉(zhuǎn)控制桿402，帶動(dòng)內(nèi)齒輪套的轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了磁控室樣品臺(tái)408公轉(zhuǎn)的目的， 同時(shí)，由于采用了齒輪套的結(jié)構(gòu)，由于齒輪套有一定的長(zhǎng)度，在Z軸傳動(dòng)平臺(tái)沿Z軸移動(dòng) 的情況下，可以帶動(dòng)磁控室樣品臺(tái)406在Z軸方向移動(dòng)，并且保持與磁控室樣品臺(tái)公轉(zhuǎn)控 制桿末端部齒輪410的嚙合；所述磁控室樣品臺(tái)自轉(zhuǎn)控制桿402在磁控室內(nèi)穿過Z軸傳動(dòng)平臺(tái)，其末端固定一齒輪 411,該齒輪與一固定在磁控室樣品臺(tái)懸臂杠桿上的齒輪組412嚙合，如圖4a和圖4c所示， 通過齒輪組412中多個(gè)齒輪嚙合傳動(dòng)，最終帶動(dòng)磁控室樣品臺(tái)408所在的齒輪413，從而 實(shí)現(xiàn)磁控室樣品臺(tái)408的自轉(zhuǎn)。所述激光分子束外延生長(zhǎng)裝置的激光室包括激光室樣品臺(tái)組件和靶組件，如圖5所示，
所述激光室樣品臺(tái)組件包括一激光室接口法蘭505,位于激光室外的激光室樣品臺(tái)自轉(zhuǎn)控 制桿501、激光室樣品臺(tái)平移控制桿502和激光室樣品臺(tái)擋板控制桿504分別通過所述激 光室接口法蘭505進(jìn)入激光室內(nèi)部，各個(gè)控制桿的結(jié)構(gòu)與樣品室機(jī)械手的結(jié)構(gòu)相同，保證 在真空密封的同時(shí)轉(zhuǎn)、能夠自由旋進(jìn)退，所述激光室接口法蘭505上還設(shè)有帶計(jì)算機(jī)控制 接口的激光室樣品臺(tái)控制電機(jī)503,該控制電機(jī)與激光室樣品臺(tái)平移控制桿502之間通過 皮帶傳動(dòng)，這樣，就可以通過計(jì)算機(jī)直接控制激光室樣品臺(tái)平移控制桿502,所述激光室 接口法蘭505上還可以設(shè)有一激光室樣品臺(tái)加熱控溫接口 506，用于將控制信號(hào)和電源連 接至激光室內(nèi)的加熱控溫模塊；所述激光室樣品臺(tái)平移控制桿502在激光室內(nèi)的一端為中空套管，內(nèi)壁通過螺紋連接 一內(nèi)管，該內(nèi)管的另一端位于一推力杠桿507的傾斜的凹槽內(nèi)，所述推力杠桿507由兩根 桿轉(zhuǎn)動(dòng)連接，組成"<"型，推力杠桿507的兩端分別旋轉(zhuǎn)固定在激光室樣品臺(tái)接口法蘭 505內(nèi)壁和水平的激光室樣品臺(tái)移動(dòng)平臺(tái)508上，所述推力杠桿的凹槽沿著桿身分布，旋 轉(zhuǎn)激光室樣品臺(tái)平移控制杠桿時(shí)，所述內(nèi)管在套管內(nèi)壁螺紋的作用下伸縮，使得內(nèi)管另一 端在推力杠桿的傾斜凹槽內(nèi)移動(dòng)，從而達(dá)到推力杠桿507及其激光室樣品臺(tái)移動(dòng)平臺(tái)508 平移的目的；所迷激光室樣品臺(tái)擋板控制桿504在激光室內(nèi)的一端固定有擋板509,旋轉(zhuǎn)激光室樣 品臺(tái)擋板控制桿504,可以控制擋板509旋入或離開樣品與耙材之間，達(dá)到防止樣品在耙 材預(yù)處理時(shí)被污染的目的；所述激光室樣品臺(tái)移動(dòng)平臺(tái)508上固定有激光室樣品臺(tái)，該樣品臺(tái)的結(jié)構(gòu)與所述樣品 室內(nèi)的樣品存儲(chǔ)托結(jié)構(gòu)基本相同，不同的地方是，只在樣品臺(tái)的上邊緣有三個(gè)"L"型卡D ;所述激光室樣品臺(tái)自轉(zhuǎn)控制桿頂端設(shè)有齒輪，所述樣品臺(tái)下端也設(shè)有一可以同軸轉(zhuǎn)動(dòng) 的齒輪，通過固定在激光室樣品臺(tái)自轉(zhuǎn)控制桿頂端的齒輪控制樣品臺(tái)所在的大齒輪，在旋 轉(zhuǎn)樣品臺(tái)自轉(zhuǎn)控制桿的時(shí)候就可以通過齒輪的咬合帶動(dòng)樣品臺(tái)自轉(zhuǎn)。上述結(jié)構(gòu)的激光室樣品臺(tái)組件中，激光室樣品臺(tái)移動(dòng)平臺(tái)的存在可以保證激光室樣品 臺(tái)平移運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性，而且通過推力杠桿，可以增大激光室樣品臺(tái)移動(dòng)的距離，從而調(diào)節(jié) 基片與靶的距離，實(shí)現(xiàn)樣品臺(tái)從激光室樣品傳遞桿向激光室樣品臺(tái)的轉(zhuǎn)移。激光室中所述靶組件如圖6和圖7所示，靶組件由靶組件接口法蘭，法蘭外的靶自轉(zhuǎn)控制旋鈕602、公轉(zhuǎn)控制旋鈕603、平動(dòng)控制旋鈕604、雙層傳動(dòng)桿以及傳動(dòng)桿頂端的四個(gè)
靶套605,與樣品臺(tái)類似，每個(gè)靶套上都開有三個(gè)"L，，的卡口，在其中的一個(gè)卡口上焊有 彈簧片。當(dāng)靶材固定在類似于樣品臺(tái)的帶有三個(gè)支腳的靶托上時(shí)，可以從進(jìn)樣室經(jīng)過交接傳遞 進(jìn)入激光室(過程與樣品臺(tái)交接過程相同)，這時(shí)旋轉(zhuǎn)靶組件使其中一個(gè)空靶套正對(duì)傳遞桿 上的樣品托開口部分，然后讓靶套自轉(zhuǎn)使其三個(gè)卡口的豎直部分對(duì)準(zhǔn)靶托的支腳，水平移 動(dòng)靶套，讓靶托的支腳擠開靶套簧片，進(jìn)入靶套卡口的的橫槽部分，控制靶套使其自轉(zhuǎn)讓 支腳到達(dá)橫槽的底部和樣品托卡口的豎直部分，水平移動(dòng)靶套讓其后退脫離樣品托，這樣 就完成了靶材由外到激光室的傳遞過程。同樣的，將其上的步驟逆序執(zhí)行則可以完成靶材 的向外傳遞過程。激光室自轉(zhuǎn)控制旋鈕602和公轉(zhuǎn)控制旋鈕603的結(jié)構(gòu)和傳動(dòng)方式如圖7所示，公轉(zhuǎn)控 制旋鈕603末端704與雙層傳動(dòng)桿的內(nèi)桿701 —端通過齒輪噴合，通過內(nèi)桿701的轉(zhuǎn)動(dòng)帶 動(dòng)固定于內(nèi)桿701另一端的靶套605公轉(zhuǎn)；所述自轉(zhuǎn)控制旋鈕602的末端705與雙層傳動(dòng) 桿的外桿702齒輪嚙合，所述外桿702的另一端706與靶套上的齒輪703嚙合，從而將自 轉(zhuǎn)控制旋鈕的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為靶套的自轉(zhuǎn)。激光室靶組件的設(shè)計(jì)保證了每次只有一個(gè)靶材與樣品正對(duì)，進(jìn)行激光蒸發(fā)成膜，避免 了靶材之間的交叉污染，整個(gè)靶組件通過平動(dòng)控制旋鈕604,可以調(diào)節(jié)平動(dòng)桿606的長(zhǎng)度， 從而調(diào)節(jié)靶套605的水平位置。所述的STM由Oraicron公司生產(chǎn)，型號(hào)為VT-麗-SPM。所述預(yù)抽室包括一真空腔、與所述預(yù)抽室真空腔連通的機(jī)械泵和分子泵，所述樣品室 還設(shè)有離子泵等。另外，所述預(yù)抽室、磁控賊射裝置、激光分子束外延生長(zhǎng)裝置以及STM中都分別設(shè)有 用于將樣品在各個(gè)裝置與樣品室之間通過相連通的密閉管道轉(zhuǎn)移的傳遞機(jī)構(gòu)，該傳遞機(jī)構(gòu) 的結(jié)構(gòu)與樣品室中的機(jī)械手結(jié)構(gòu)相同。如圖8所示，為了減少振動(dòng)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的影響，薄膜制備系統(tǒng)還可以設(shè)有減震裝置。使用上述系統(tǒng)制備薄膜時(shí)首先，關(guān)閉預(yù)抽室與樣品室之間密閉管路上的板閘閥，打開預(yù)抽室上的活開門，將樣 品置于預(yù)抽室傳遞機(jī)構(gòu)上；然后，關(guān)閉活開門，啟動(dòng)預(yù)抽室的機(jī)械泵和分子泵，當(dāng)達(dá)到一定的真空時(shí)，開啟預(yù)抽 室與樣品室之間密閉管路上的板閘閥，通過預(yù)抽室傳遞機(jī)構(gòu)將樣品置于樣品室的樣品存儲(chǔ)
臺(tái)上；然后，關(guān)閉預(yù)抽室與樣品室之間密閉管路上的板閘閥，關(guān)閉預(yù)抽室的機(jī)械泵和分子泵， 啟動(dòng)磁控濺射裝置或激光分子束外延裝置的真空設(shè)備，將整個(gè)薄膜制備系統(tǒng)抽真空；其次，使用樣品傳遞操作桿將樣品臺(tái)從樣品存儲(chǔ)臺(tái)取下，并通過傳遞機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)移到激光分子束外延室或磁控室內(nèi)的樣品臺(tái)上，關(guān)閉所有密閉管路上的板閘閥，開始進(jìn)行薄膜生長(zhǎng)； 再次，生長(zhǎng)結(jié)束后，如果還要繼續(xù)使用另一設(shè)備進(jìn)行另一種薄膜的生長(zhǎng)，則使用樣品傳遞機(jī)構(gòu)將樣品經(jīng)樣品室的樣品臺(tái)中轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)移到另 一設(shè)備中，繼續(xù)生長(zhǎng)；再次，把樣品轉(zhuǎn)移到樣品室，關(guān)閉真空設(shè)備，關(guān)閉各個(gè)氣動(dòng)板閘閥，啟動(dòng)預(yù)抽室的機(jī)械泵和分子泵，達(dá)到一定真空時(shí)，開啟連通預(yù)抽室與樣品室的管路上的氣動(dòng)板閘閥，通過預(yù)抽室的樣品傳遞機(jī)構(gòu)將樣品轉(zhuǎn)移到預(yù)抽室中；最后，關(guān)閉連通預(yù)抽室與樣品室的管路上的氣動(dòng)板閘閥，預(yù)抽室放氣，打開活開門將才羊品取出。上述制備過程中，如果需要觀察樣品的形貌等特征，可以將樣品通過樣品室直接轉(zhuǎn)移 到STM中進(jìn)行原位觀察，無須暴露于外部環(huán)境，避免了樣品的污染。 各個(gè)腔室的搡作如下1.磁控濺射室抽真空操作當(dāng)磁控室的離子泵和磁控濺射真空室都處于大氣狀態(tài)時(shí)，首先 檢查電源，各電源的電源線是否連接牢靠，真空系統(tǒng)和各電控拒是否連接了地線，系統(tǒng)冷 卻水管路是否已經(jīng)連接完畢，冷卻水是否已經(jīng)打開，氣動(dòng)閘板閥所需的壓力為5個(gè)大氣壓 力，驅(qū)動(dòng)氣體壓力是否已經(jīng)符合要求。完成上述步驟以后打開系統(tǒng)總電源。關(guān)閉磁控室與 樣品室之間的氣動(dòng)閘板閥，打開離子泵與磁控室之間的閘板閥。打開機(jī)械泵，當(dāng)機(jī)械泵排 氣口沒有油霧時(shí)，打開分子泵與磁控室之間的閘板閥，打開ZDF-5412復(fù)合真空計(jì)，當(dāng)真空 室真空達(dá)到20Pa時(shí)，啟動(dòng)分子泵，當(dāng)真空室真空度達(dá)到3x l(T Pa時(shí)，關(guān)閉分子泵上方 的CF150閘板閥，啟動(dòng)離子泵，關(guān)閉分子泵，等待分子泵停機(jī)后，關(guān)閉機(jī)械泵，這樣可以 使用離子泵抽氣到6 x 10—6 Pa。 如磁控室離子泵處于真空狀態(tài)而磁控濺射真空室處于大 氣狀態(tài)，則首先關(guān)閉磁控室與樣品室之間的氣動(dòng)閘板閥。打開機(jī)械泵，當(dāng)機(jī)械泵排氣口沒 有油霧時(shí)，打開分子泵與磁控室之間的閘板閥，打開復(fù)合真空計(jì)，當(dāng)真空室真空度達(dá)到20 Pa時(shí)，啟動(dòng)分子泵，分子泵運(yùn)行正常以后，打開離子泵與磁控室之間的閘板閥，當(dāng)真空室 真空度達(dá)到3. Ox l(T4 Pa時(shí)，關(guān)閉分子泵上方的閘板閥，啟動(dòng)離子泵，關(guān)閉分子泵，等待 分子泵停機(jī)后關(guān)閉機(jī)械泵。
如磁控濺射真空室處于真空狀態(tài)而磁控室的離子泵處于大氣狀態(tài)時(shí)，首先關(guān)閉磁控室 與樣品室之間的氣動(dòng)閘板閥，打開磁控室放氣閥對(duì)磁控室進(jìn)行放入千燥氮?dú)?，?dāng)磁控室也 處于大氣狀態(tài)以后，打開離子泵與磁控室之間的閘板閥，打開分子泵與磁控室之間的閘板 閥，打開機(jī)械泵，當(dāng)機(jī)械泵排氣口沒有油霧時(shí)，打開復(fù)合真空計(jì)，當(dāng)真空室真空度達(dá)到20 Pa時(shí)，啟動(dòng)分子泵，當(dāng)真空室真空度達(dá)到3. Ox i(T pa時(shí)，關(guān)閉分子泵上方的閘板閥，啟動(dòng)離子泵，關(guān)閉分子泵，等待分子泵停機(jī)后，關(guān)閉機(jī)械泵，可使真空室達(dá)到6. 0xl0—6Pa的 真空。如磁控室的離子泵和磁控真空室都處于真空狀態(tài)時(shí)，而離子泵并沒有處于工作狀態(tài)。首 先關(guān)閉磁控室和樣品室之間的啟動(dòng)閘板閥，打開離子泵和磁控室之間的閘板閥，打開機(jī)械 泵，當(dāng)機(jī)械泵排氣口沒有油霧時(shí)，啟動(dòng)分子泵，分子泵運(yùn)行正常以后，打開分子泵與磁控 室之間的的閘板閥，打開復(fù)合真空計(jì)。當(dāng)工作結(jié)束后，首先關(guān)閉真空計(jì)，如需維持真空度則不需再做任何操作，否則關(guān)閉離子泵 上方的CF150閘^反閥，關(guān)閉離子泵電源。2. 激光分子束外延室系統(tǒng)的操作當(dāng)激光室的離子泵和激光真空室都處于大氣狀態(tài)時(shí)，在 檢查確認(rèn)電路水路連接正確后，首先關(guān)閉激光室與樣品室之間的氣動(dòng)閘板閥，打開離子泵 與激光室之間的閘板閥。打開機(jī)械泵，當(dāng)機(jī)械泵排氣口沒有油霧時(shí)，打開分子泵與激光室 之間的閘板閥，打開熱偶真空計(jì)，當(dāng)真空室真空度達(dá)到20 Pa時(shí)，啟動(dòng)分子泵，分子泵運(yùn) 行正常以后，打開高真空真空計(jì)，當(dāng)真空室真空度達(dá)到3. Ox 10-4 Pa時(shí)，關(guān)閉分子泵上的 閘板閥，啟動(dòng)離子泵，關(guān)閉分子泵，等待分子泵停機(jī)后關(guān)閉機(jī)械泵，當(dāng)真空室真空度達(dá)到3. 0xi(T7 pa時(shí)，啟動(dòng)升華泵，運(yùn)行兩分鐘，使真空室真空度達(dá)到6 x 10—8 Pa。當(dāng)激光室的離子泵處于真空狀態(tài)而激光真空室處于大氣狀態(tài)時(shí)，首先關(guān)閉激光室與樣品室 之間的氣動(dòng)閘板閥。打開機(jī)械泵，當(dāng)機(jī)械泵排氣口沒有油霧時(shí)，打開分子泵與激光室之間 的閘板閥，打開熱偶真空計(jì)，當(dāng)真空室真空度達(dá)到2DPa時(shí)，啟動(dòng)分子泵，分子泵運(yùn)行正 常以后，打開離子泵與激光室之間的閘板閥，打開高真空計(jì)，當(dāng)真空室真空度達(dá)到3x 10—4 Pa時(shí)，關(guān)閉分子泵上的閘板閥，啟動(dòng)離子泵，關(guān)閉分子泵，等待分子泵停機(jī)后，關(guān)閉機(jī)械 泵，當(dāng)真空室真空度達(dá)到3x 10—7 Pa時(shí)，啟動(dòng)升華泵，運(yùn)行2分鐘，可使真空室真空度達(dá) 到6. 0 x l(T Pa。當(dāng)激光真空室處于真空狀態(tài)而激光室的離子泵處于大氣狀態(tài)時(shí)，首先關(guān)閉激光室與樣品室
之間的氣動(dòng)閘板閥，打開激光室放氣閥對(duì)激光室進(jìn)行放入干燥氮?dú)?，?dāng)激光室也處于大氣 狀態(tài)以后，打開離子泵與激光室之間的閘板閥，打開分子泵與激光室之間的閘板閥。打開 機(jī)械泵，當(dāng)機(jī)械泵排氣口沒有油霧時(shí)，打開熱偶真空計(jì)，當(dāng)真空室真空度達(dá)到20 Pa時(shí)， 啟動(dòng)分子泵，分子泵運(yùn)行正常以后，打開高真空計(jì)，當(dāng)真空室真空度達(dá)到3x l(T pa時(shí)， 關(guān)閉分子泵上方的閘板閥，啟動(dòng)離子泵，關(guān)閉分子泵，等待分子泵停機(jī)后，關(guān)閉機(jī)械泵， 當(dāng)真空室真空度達(dá)到3x10—7 Pa時(shí)，啟動(dòng)升華泵，運(yùn)行2分鐘，可以使真空室真空達(dá)到6 xlO—8Pa.工作結(jié)束后，首先關(guān)閉高真空真空計(jì)和熱偶真空計(jì)，如需維持真空則不再做任 何操作，否則關(guān)閉離子泵上方的閘板閥，關(guān)閉離子泵電源。3. 預(yù)抽室系統(tǒng)操作當(dāng)預(yù)抽室處于大氣狀態(tài)時(shí)，首先關(guān)閉預(yù)抽室與樣品室之間的氣動(dòng)閘板 閥，打開分子泵與預(yù)抽室之間的閘板閥，打開預(yù)抽室機(jī)械泵，當(dāng)機(jī)械泵排氣口沒有油霧時(shí)， 打開真空計(jì)，當(dāng)真空室真空度達(dá)到20 Pa時(shí)，啟動(dòng)分子泵，抽到真空6 x 10-5 pa。 當(dāng)預(yù)抽室處于真空狀態(tài)時(shí)，首先關(guān)閉預(yù)抽室與樣品室之間的氣動(dòng)閘板閥，打開機(jī)械泵，當(dāng)機(jī) 械泵排氣口沒有油霧時(shí)，啟動(dòng)分子泵，分子泵運(yùn)行正常以后，打開分子泵與預(yù)抽室之間的 鬧板閥，打開真空計(jì)，真空抽到6. Oxl(T5 Pa。當(dāng)工作結(jié)束后，首先關(guān)閉復(fù)合真空計(jì)，關(guān) 閉分子泵與預(yù)抽室之間的閘板閥，按下分子泵電源上的停止按鈕，當(dāng)分子泵電源上的顯示 值降到G以后，關(guān)閉分子泵電源，再關(guān)閉機(jī)械泵。4. STM室和樣品室系統(tǒng)操作說明當(dāng)STM室、STM室的離子泵、樣品室、樣品室的離子泵 和預(yù)抽室都處于大氣狀態(tài)時(shí)。首先關(guān)閉激光室與樣品室之間和磁控室與樣品室之間的閘板 閥，分別打開STM室與樣品室之間和預(yù)抽室與樣品室之間的氣動(dòng)閘板閥。打開分子泵與預(yù) 抽室之間的閘板閥，打開預(yù)抽室機(jī)械泵，當(dāng)機(jī)械泵排氣口沒有油霧時(shí)，打開復(fù)合真空計(jì)， 當(dāng)真空室真空度達(dá)到20 Pa時(shí)，啟動(dòng)分子泵，分子泵正常工作以后分別打開STM室與樣品 室的真空計(jì)，當(dāng)真空室真空度達(dá)到3x10—4 Pa時(shí)，分別關(guān)閉STM與樣品室之間和預(yù)抽室與 樣品室之間的氣動(dòng)閘板閥，再分別啟動(dòng)STM室和樣品室的離子泵，當(dāng)STM室真空達(dá)到3x 10—' Pa時(shí)，啟動(dòng)升華泵，運(yùn)行兩分鐘，使STM室真空度達(dá)到6 x 10—8 Pa。 樣品室可以通過 離子泵直接抽到3 x 10—7 Pa。如果不要求對(duì)系統(tǒng)制備的樣品進(jìn)行觀察，則可以省去上述系統(tǒng)中的STM,上述薄膜制 備系統(tǒng)之所以要求超高真空，主要是STM對(duì)真空度要求很高，沒有了 STM,預(yù)抽室也可以 省去，只要直接用機(jī)械泵和分子泵對(duì)樣品室抽真空即可達(dá)到要求，從而使薄膜制備系統(tǒng)的 成本和體積大大降低。
權(quán)利要求
1.一種復(fù)合薄膜制備系統(tǒng)，包括用于取出和放入樣品的樣品室，包括樣品存儲(chǔ)臺(tái)；磁控濺射裝置，包括磁控室、磁控室樣品臺(tái)和用于在真空中在磁控室樣品臺(tái)和樣品室的樣品存儲(chǔ)臺(tái)之間傳送樣品的磁控室樣品傳遞機(jī)構(gòu)；以及激光分子束外延裝置，包括激光室、激光室樣品臺(tái)、以及用于在真空中在激光室樣品臺(tái)和樣品室的樣品存儲(chǔ)臺(tái)之間傳送樣品的激光室樣品傳遞機(jī)構(gòu)；其中，所述樣品室通過密閉的第一管路連通到激光分子束外延室，所述樣品室通過密閉的第二管路連通到磁控室。
2. 按照權(quán)利要求1所述的復(fù)合薄膜制備系統(tǒng)，其特征在于，還包括掃描隧道顯微鏡， 所述掃描隧道顯微鏡包括掃描隧道顯微鏡工作室、位于掃描隧道顯微鏡工作室內(nèi)的掃描隧 道顯微鏡樣品臺(tái)和用于在真空中在掃描隧道顯微鏡樣品臺(tái)和樣品室的樣品存儲(chǔ)臺(tái)之間傳送 樣品的掃描隧道顯微鏡工作室樣品傳遞機(jī)構(gòu)，所述掃描隧道顯微鏡工作室通過密閉的第三 管路與所述樣品室連通。
3. 按照權(quán)利要求1或2所述的復(fù)合薄膜制備系統(tǒng)，其特征在于，還包括預(yù)抽室，所述 預(yù)抽室通過帶有真空閥門的第四管路連通至所述樣品室，所述預(yù)抽室設(shè)有用于在真空中在 預(yù)抽室和樣品室的樣品存儲(chǔ)臺(tái)之間傳送樣品的預(yù)抽室樣品傳遞機(jī)構(gòu)。
4. 按照權(quán)利要求1所述的復(fù)合薄膜制備系統(tǒng)，其特征在于，所述第一、第二和第三管 路上分別設(shè)有真空閥門。
5. 按照權(quán)利要求1所述的復(fù)合薄膜制備系統(tǒng)，其特征在于，所述磁控室包括一安裝在 磁控室壁上的磁控室樣品臺(tái)接口法蘭(401),所述磁控室樣品臺(tái)接口法蘭(401 )上分別垂 直安裝有磁控室樣品臺(tái)自轉(zhuǎn)控制桿(402 )、磁控室樣品臺(tái)公轉(zhuǎn)控制桿(403 )和磁控室樣品 臺(tái)Z軸控制桿(404 ),各個(gè)控制桿伸入磁控室內(nèi)部，且在真空密封的同時(shí)能夠自由旋轉(zhuǎn)和 進(jìn)退，所述磁控室樣品臺(tái)接口法蘭(401)上還安裝有磁控室樣品臺(tái)控制電機(jī)(405 ),所述 磁控室樣品臺(tái)控制電機(jī)(405 )與磁控室樣品臺(tái)自轉(zhuǎn)控制桿(402 )通過皮帶傳動(dòng)；所述磁 控室還包括一位于磁控室內(nèi)的Z軸傳動(dòng)平臺(tái)(406 )，該Z軸傳動(dòng)平臺(tái)(406 )設(shè)有一通孔， 該通孔內(nèi)壁設(shè)有螺紋，所述磁控室樣品臺(tái)Z軸控制桿(404 )的末端設(shè)有螺紋并與所述通孔 內(nèi)壁的螺紋配合；所述磁控室樣品臺(tái)公轉(zhuǎn)控制桿(403 )的位于磁控室內(nèi)的末端設(shè)有齒輪(410 ), —內(nèi)齒 輪外套通過一真空軸承轉(zhuǎn)動(dòng)固定在Z軸傳動(dòng)平臺(tái)(406 )上，該內(nèi)齒輪外套的內(nèi)壁(409 ) 與所述磁控室樣品臺(tái)公轉(zhuǎn)控制桿末端的齒輪(410 )嚙合，所述內(nèi)齒輪外套下端固定有水平 方向的磁控室樣品臺(tái)懸臂桿(407 )，所述磁控室樣品臺(tái)(408 )安裝在所述磁控室樣品臺(tái)懸 臂桿(407 )的末端上；所述磁控室樣品臺(tái)自轉(zhuǎn)控制桿(402 )在磁控室內(nèi)穿過Z軸傳動(dòng)平臺(tái)(406 )并且在末 端通過齒輪傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)該磁控室樣品臺(tái)(408 )自轉(zhuǎn)。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種薄膜制備系統(tǒng)，包括用于取出和放入樣品的樣品室，包括樣品存儲(chǔ)臺(tái)；磁控濺射裝置，包括磁控室、磁控室樣品臺(tái)和用于在真空中在磁控室樣品臺(tái)和樣品室的樣品存儲(chǔ)臺(tái)之間傳送樣品的磁控室樣品傳遞機(jī)構(gòu)；以及激光分子束外延裝置，包括激光室、激光室樣品臺(tái)、以及用于在真空中在激光室樣品臺(tái)和樣品室的樣品存儲(chǔ)臺(tái)之間傳送樣品的激光室樣品傳遞機(jī)構(gòu)；所述樣品室通過密閉的第一管路連通到激光分子束外延室，且所述樣品室通過密閉的第二管路連通到磁控室；本發(fā)明將磁控濺射和激光分子束蒸發(fā)結(jié)合在同一裝置中，既能原位集成生長(zhǎng)不同材料的異質(zhì)結(jié)和多層膜，實(shí)現(xiàn)完整和無污染的界面；同時(shí)也能為薄膜器件研制提供關(guān)鍵的器件基體。
文檔編號(hào)C23C14/22GK101210311SQ200710306080
公開日2008年7月2日 申請(qǐng)日期2007年12月29日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月31日
發(fā)明者昊 吳, 張福昌, 曹立新, 浩 楊, 君 苗, 浩 袁, 波 許, 力 趙, 趙崇凌, 趙柏儒, 鐘建平 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院物理研究所