高通量薄膜制备并原位微结构表征的装置及方法与流程

本发明涉及薄膜材料高通量制备、微加工及微结构表征领域，特别是指一种高通量薄膜制备并原位微结构表征的装置及方法。

背景技术：

传统材料科学研究主要依赖“试错”实验方法，按照“提出假设-实验验证”的方式顺序迭代，从而不断逼近目标材料。这种方法会造成材料研发与应用的割裂，且具有效率低下、控制变量无法做到真正保证等非常明显的缺陷。于是为了缩短研发周期和研发成本，材料基因组计划被提了出来。2012年，中国开始“材料基因组”工程计划，旨在通过高通量制备技术和高通量表征技术的发展带动材料研发模式的改变，大大提高新材料研发速度，使中国在材料领域迅速赶超欧美等工业大国。目前主流的高通量制备技术主要有掩膜法和共沉积法，这两种方法都可以得到成分或者厚度连续分布的材料。

这里微结构表征的原理是：由电子枪发射出来的电子束，在真空通道中沿着镜体光轴穿越聚光镜，通过聚光镜将之会聚成一束均匀电子束斑，照射在样品室内的样品上；透过样品后的电子束携带有样品内部的结构信息，样品内致密处透过的电子量少，稀疏处透过的电子量多；经过物镜的会聚调焦和电磁透镜放大后，可以看到在光学显微镜下无法看清的小于0.2um的细微结构，属于埃“原子”量级，但是测试前样品需要很薄，以让电子可以穿透过薄膜，所以在测试微结构前，需要通过使用离子束轰击的方式将薄膜减薄至可以透过的厚度。

本装置将高通量薄膜制备、减薄及微结构表征联接一起可以完成高通量薄膜的原位微结构表征装置。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种高通量薄膜制备并原位微结构表征的装置及方法。本发明获得成分及厚度变化的双变量薄膜之后，再通过特定设计的可夹持样品杆和微结构测试样品杆从而原位减薄为微结构表征制样，然后原位传入微结构表征部件中实现原位微结构表征。

该装置包括基体、激光器、激光加热器、镀膜设备、夹持样品杆、红外测温仪、减薄设备、微结构表征腔、微结构测试样品杆、插板，其中，基体置于镀膜设备的夹持样品杆上，激光器、激光加热器和红外测温仪分别安装在镀膜设备上，镀膜设备、减薄设备、微结构测试腔依次顺序通过插板连接，微结构表征腔中安装有微结构测试样品杆。

其中：

所述镀膜设备采用双靶位，基体位于镀膜设备的被溅射靶位的正上方。激光加热器作用在基体的背面，热辐射方式为均匀加热。

减薄设备内置检测器、液态镓金属源、电场加速配件。微结构表征腔内含场发射电子枪、聚光镜镜组、聚光镜光阑、物镜光阑、选区光阑、加速管、成像与放大系统。

夹持样品杆能够拆卸，且此样品杆中心区域样品槽可以再次拆卸置于微结构表征样品杆上，此样品杆形状设计也是完成原位减薄和微结构测试的关键，固定夹持的物品形状为片状物，尺寸为10*10mm；基体尺寸为10*10mm，厚度为几百um。

插板包括插板一和插板二，其中插板一连接镀膜设备和减薄设备，插板二连接减薄设备和微结构表征腔；减薄设备和微结构表征腔一直通过机械泵和分子泵维持在真空状态。

该装置的使用方法，包括步骤如下：

s1：衬底基体清洗干净，将基体先放入拆卸下来的夹持样品杆中，然后将夹持样品杆放入镀膜设备腔体中，镀膜设备腔体中有掩膜板一和掩膜板二，采用plc自动控制掩膜板一和掩膜版二移动，使薄膜样品在横向上成分梯度分布，在纵向上厚度梯度分布；

s2：将s1制备的具有成分梯度和厚度梯度分布的薄膜，与夹持样品杆一起原位传入减薄设备中进行减薄处理，将衬底全部轰击掉之后，再传入微结构表征腔中，将夹持样品杆上的减薄薄膜采用机械化方式置入微结构测试样品杆中，然后微结构表征腔中的电子束发射源发射电子对高通量薄膜进行微结构的表征。

其中：

s1具体步骤如下：

s11：将基体依次用丙酮、无水乙醇在超声波清洗仪中分别清洗5分钟去除表面油污和杂质，用氮气气枪吹干基体表面，然后置入夹持样品杆的样品槽中并卡紧；

s12：将s11中夹持样品杆与基体一同放入镀膜设备的激光脉冲沉积镀膜溅射腔体中，采用激光加热器照射基体背面进行加热，并通过红外测温仪对基体进行测温；高通量薄膜制备靶位分别选择a靶和b靶，步进电机一控制靶位公转，步进电机二控制掩膜板一横向匀速移动，步进电机三控制掩模板二竖直间断式移动，步进电机一、步进电机二和步进电机三通过plc程序控制进行；同时激光器进行溅射。

s13：plc程序设定：

①初始位置a靶处于基体正前方，基体距掩膜板一为15mm，且沿中心轴平移能够完全贴合掩膜板一的窗口一，掩膜板二下沿完全贴合基体下沿；

②打开激光器，设定溅射参数；开始轰击a靶，同时掩膜板二迅速向上移动0.5mm，同时掩膜板一匀速右移，掩膜板二不动，掩膜板一匀速移动10mm，至基体右侧与掩膜板一的窗口一左侧重合时，暂停移动；转动到b靶轰击，至b靶位置时，掩膜板一继续匀速左移10mm，至基体与掩膜板一的窗口二重合时，完成第一个周期；

③激光继续轰击b靶，掩膜板二迅速向上移动0.5mm，同时掩膜板一匀速左移10mm，至基体左侧与掩膜板一的窗口二右侧重合时，暂停移动；移动到a靶，至a靶位置时，掩膜板一继续匀速右移10mm，至基体与掩膜板一的窗口一重合时，完成第二个周期；

④循环②、③中的一、二周期直至第二十个周期结束。

s2具体步骤如下：

s21：将夹持样品杆与制备好的高通量薄膜通过传动装置转移至减薄设备中，样品杆在竖直方向上的朝向不变，整体置于减薄设备的样品台上，此时薄膜朝下，衬底朝上；

s22：断开减薄设备和镀膜设备间的插板一，将真空抽至低于工作真空后，通过监测器，在样品台上找到衬底，然后微调夹持样品杆，使样品处于离子束流正中心，并根据减薄速率和衬底厚度进行样品减薄；

减薄具体流程如下：

s221：激活离子束窗口，然后选择合适的加速电压和束流后点击暂停得到衬底图像；

s222：在离子束窗口中将特征点拖动至屏幕中央，选取整片薄膜区域位置，设定刻蚀尺寸参数，然后进行刻蚀加工，完成减薄；

s23：将减薄完成的薄膜与夹持样品杆一同传入微结构表征腔中，然后通过机械的方式将夹持样品杆中心区域可拆卸样品槽通过下方的推杆顶出并一直推入到微结构测试样品杆上，微结构测试样品杆具有特定的形状，具体是样品杆的一侧是个可以活动的类似于工字型的卡槽口，并且通过外部操控可以完成整个可拆卸样品槽的转换，之后收回推杆，抽回夹持样品杆，关闭插板二，待抽至工作真空后，进行薄膜的微结构表征测量；

测量流程如下：

s231：将微结构测试样品杆移动至待测区域，然后设置目标电压，等待beamcurrent稳定后，通过调节偏压调节灯丝发射量，然后打开灯丝寻找样品，将样品移动到中心，切换mag模式，该模式下选择合适的放大倍数，调整高度，先调节z值的变化速率，如果样品不在正焦上，仔细观察可以看到样品旁边有白影，直至影子的轮廓和样品本身轮廓重合则为正焦；

s232：调整高度之后，插入光阑后进行调焦。最后进行样品的倾转，通过观察菊池线、衍衬衬度、电子衍射、相形貌、基体取向等快速将样品杆倾转到某个取向。插入选区光栏光阑，套住需分析的物相，调整中间镜电流使选区光阑边缘清晰。调整物镜电流，使选区内物像清晰，抽出物镜光栏光阑，减弱中间镜电流，使中间镜物平面移到物镜背焦面，荧光屏上可观察到放大的电子衍射花样。

本发明的上述技术方案的有益效果如下：

该装置将镀膜设备、减薄设备和微结构表征设备实现三者原位一体化，可以节省大量的时间和科研成本。一次性完成高通量薄膜的制备与微结构表征，并且完全避免了外界对薄膜的影响，能最大程度的发挥高通量薄膜制备的优势，原位比较高通量薄膜微观结构，从而精准的获得高通量薄膜组分和厚度的变化规律。

附图说明

图1为本发明的高通量薄膜制备并原位微结构表征的装置的结构示意图；

图2为本发明的高通量薄膜制备并原位微结构表征的装置的夹持样品杆的空间示意图；

图3为本发明的高通量薄膜制备并原位微结构表征的装置的微结构测试样品杆的空间示意图；

图4为本发明的高通量薄膜制备并原位微结构表征的装置的高通量薄膜样品厚度和成分分布图；

图5为本发明的高通量薄膜制备并原位微结构表征的装置的微结构表征样品腔结构细节图；

图6为本发明的高通量薄膜制备并原位微结构表征的装置的减薄样品转移至微结构保证样品杆细节图。

其中：1-基体；2-激光器；3-激光加热器；4-镀膜设备；5-夹持样品杆；6-红外测温仪；7-减薄设备；8-微结构表征腔；9-微结构测试样品杆；10-插板一；11-插板二。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

本发明提供一种高通量薄膜制备并原位微结构表征的装置及方法。

如图1所示，该装置包括基体1、激光器2、激光加热器3、镀膜设备4、夹持样品杆5、红外测温仪6、减薄设备7、微结构表征腔8、透微结构测试样品杆9和插板，其中，基体1置于镀膜设备4的夹持样品杆5上，激光器2、激光加热器3和红外测温仪6分别安装在镀膜设备4上，镀膜设备4、减薄设备7、微结构表征腔8依次顺序通过插板连接，微结构表征腔8中安装有微结构测试样品杆9。

其中，镀膜设备4采用双靶位，基体1位于镀膜设备4的被溅射靶位的正上方。激光加热器3作用在基体1的背面，热辐射方式为均匀加热，并通过红外测温仪6进行监控温度。

减薄设备7内置扫描监测器、液态镓金属源、电场加速配件。所述微结构表征腔8内含场发射电子枪、聚光镜镜组、聚光镜光阑、物镜光阑、选区光阑、加速管、成像与放大系统。

如图2所示，所述夹持样品杆5能够拆卸，且此样品杆中心区域可以再次拆卸置于微结构表征样品杆上，此样品杆形状设计也是完成原位减薄和微结构测试的关键，固定夹持的物品形状为片状物，尺寸为10*10mm；基体1尺寸为10*10mm，厚度为100-900um。

插板包括插板一10和插板二11，其中插板一10连接镀膜设备4和减薄设备7，插板二11连接减薄设备7和微结构表征腔8；减薄设备7和微结构表征腔8通过机械泵和分子泵保持真空状态。

应用该装置的方法，包括步骤如下：

s1：衬底基体清洗干净，将基体1先放入拆卸下来的夹持样品杆5中，然后将夹持样品杆5放入镀膜设备4腔体中，镀膜设备4腔体中有掩膜板一和掩膜板二，采用plc自动控制掩膜板一和掩膜板二移动，使薄膜样品在横向上成分梯度分布，在纵向上厚度梯度分布；

s2：将s1制备的具有成分梯度和厚度梯度分布的薄膜，与夹持样品杆5一起原位传入减薄设备6中进行减薄处理，将衬底全部轰击掉之后，再传入微结构表征腔8中，将夹持样品杆5上的减薄薄膜采用机械化方式置入微结构测试样品杆9中，然后微结构表征腔8中的电子束发射源发射电子对高通量薄膜进行微结构的表征。

在实际应用中，脉冲激光沉积镀膜设备采用激光器轰击靶材，衬底位于激光脉冲沉积的目标靶材和掩膜板中心轴的延长线前15mm处。

本发明方法所制备的薄膜厚度和成分情况分布，如图4阐述的成分连续变化为：成分在薄膜z方向(朝纸面外)上a含量从100％→0，而b含量从0→100％。厚度台阶式变化：厚度在薄膜y方向上厚度一开始是xnm厚，每隔500um提高xnm，最终有20个厚度台阶，从x→20xnm。

将制备好的高通量薄膜与可夹持样品杆一起传入减薄设备中，然后通过监测器找准薄膜背面衬底位置，进行基体减薄，当薄膜减薄至100nm以下时，完成减薄。

将减薄的样品及可夹持样品杆一同传入微结构表征腔中，其中表征腔结构细节如图5，然后通过图6的方式将薄膜和整个中心区域样品槽转移至微结构测试样品杆上，微结构测试样品杆的设计如图3，然后通过外部控制微结构样品杆的拉伸卡紧样品槽，完成转换，然后电子束射入减薄至100nm以下的样品中进行不同区域的微结构表征，将全部区域全部表征出来。

下面结合具体实施例予以说明。

步骤1：首先将衬底基体清洗干净，将基体首先置入可夹持样品杆的样品槽内，一起放入激光脉冲沉积镀膜设备腔体中，镀膜设备腔体中有掩膜板一和掩膜板二，采用plc自动控制掩膜板一和掩膜板二移动，使得薄膜样品在横向上成分梯度分布，在纵向上厚度梯度分布；

步骤1.1：将基体依次用丙酮、无水乙醇在超声波清洗仪中分别清洗5分钟去除表面油污和杂质，用氮气气枪吹干基体表面，在可夹持样品杆样品槽底部和侧面贴入导电胶，将基体置入夹持样品杆的样品槽中粘紧；

步骤1.2镀膜:将基体与可夹持样品杆放入激光脉冲沉积镀膜溅射腔体中，采用激光器加热，设定需要的温度加热，并通过红外测温仪探测基体温度。靶材选择a靶和b靶，分别为a成分和b成分，采用步进电机一控制靶材公转，步进电机二控制掩膜板一横向匀速移动，步进电机三控制掩模板二竖直间断式移动，三者运动通过一个plc程序控制进行。同时激光器击打靶材进行溅射。镀膜室通过一台机械泵和分子泵控制真空。

步骤1.3：plc程序设定：

①初始位置a靶处于基体正前方，基体距掩膜板一为15mm，且沿中心轴平移能够完全贴合掩膜板一的窗口一，掩膜板二下沿完全贴合基体下沿；

②打开激光器，设定溅射参数；开始轰击a靶，同时掩膜板二迅速向上移动0.5mm，同时掩膜板一匀速右移，掩膜板二不动，掩膜板一匀速移动10mm，至基体右侧与掩膜板一的窗口一左侧重合时，暂停移动；转动到b靶轰击，至b靶位置时，掩膜板一继续匀速左移10mm，至基体与掩膜板一的窗口二重合时，完成第一个周期；

③激光继续轰击b靶，掩膜板二迅速向上移动0.5mm，同时掩膜板一匀速左移10mm，至基体左侧与掩膜板一的窗口二右侧重合时，暂停移动；移动到a靶，至a靶位置时，掩膜板一继续匀速右移10mm，至基体与掩膜板一的窗口一重合时，完成第二个周期；

④循环②、③中的一、二周期直至第二十个周期结束。

步骤2：将步骤1制备的具有成分梯度和厚度梯度分布的薄膜，与夹持样品杆一起原位传入减薄设备中进行减薄处理，将衬底全部轰击掉之后，再传入微结构表征腔中，将夹持样品杆上的减薄薄膜采用机械化方式置入微结构测试样品杆中，然后微结构表征腔中的电子束发射源发射电子对高通量薄膜进行微结构的表征。

步骤2.1：将可夹持样品杆与制备好的高通量薄膜通过传动转移至减薄设备中，整体置于减薄设备的样品台上，薄膜朝下，衬底朝上；

步骤2.2：断开减薄设备和镀膜设备间的插板一，将真空抽至低于工作真空后，通过监测器，在样品台上找到衬底，然后微调夹持样品杆，使样品处于离子束流正中心，并根据减薄速率和衬底厚度进行样品减薄，减薄具体流程如下：

①激活离子束窗口，然后选择合适的加速电压和束流后点击暂停得到衬底图像；

②在离子束窗口中将特征点拖动至屏幕中央，选取整片薄膜背面区域位置，设定减薄尺寸参数，然后进行加工，完成减薄；

步骤2.3：将减薄完成的薄膜与夹持样品杆一同传入微结构表征腔中，然后通过机械的方式将夹持样品杆中心区域可拆卸样品槽通过下方的推杆顶出并一直推入到微结构表征样品杆上，微结构测试样品杆具有特定的形状，如图3所示，具体是样品杆的一侧是个可以活动的类似于工字型的卡槽口，并且通过外部操控可以完成整个可拆卸样品槽的转换，之后收回推杆，抽回夹持样品杆，关闭插板二，待抽至工作真空后，进行薄膜的微结构表征测量。

测量流程如下：

①将微结构测试样品杆移动至待测区域，然后设置目标电压，等待beamcurrent稳定后，通过调节偏压调节灯丝发射量，然后打开灯丝寻找样品，将样品移动到中心，切换mag模式，该模式下选择合适的放大倍数，调整高度，先调节z值的变化速率，如果样品不在正焦上，仔细观察可以看到样品旁边有白影，直至影子的轮廓和样品本身轮廓重合则为正焦；

②调整高度之后，插入光阑后进行调焦。最后进行样品的倾转，通过观察菊池线、衍衬衬度、电子衍射、相形貌、基体取向等快速将样品杆倾转到某个取向。插入选区光栏光阑，套住欲分析的物相，调整中间镜电流使选区光阑边缘清晰。调整物镜电流，使选区内物像清晰，抽出物镜光栏光阑，减弱中间镜电流，使中间镜物平面移到物镜背焦面，荧光屏上可观察到放大的电子衍射花样。

这套装置及方法使用特定的可夹持样品杆及微结构测试样品杆，能一次性原位完成高通量薄膜的制备与微结构的透射结构观察，能最大程度的发挥高通量薄膜制备的优势，原位衡量高通量薄膜微结构特征，最终能够精准的获得高通量薄膜组分和厚度的变化规律。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。