專利名稱：制備材料芯片的k分分形掩膜方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種制備材料芯片的掩膜方法，尤其涉及一種制備材料芯片的k分分形的掩膜方法，屬于材料芯片領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
1995年以來發(fā)展了并行集成的材料合成技術(shù)，稱之為材料芯片。材料芯片的提出被Science雜志推舉為1998年世界十大科技進(jìn)展之一。所謂材料芯片實(shí)質(zhì)上是一種高密度的材料庫陣列，運(yùn)用并行組合掩膜技術(shù)和薄膜材料合成技術(shù)，可以快速地將成千上萬種具有不同化學(xué)組分的材料并行集成到一塊基片上，即為合成材料芯片。項(xiàng)曉東等人最早采用二分法組合掩膜方法與濺射沉積相結(jié)合制造出世界上第一個(gè)材料芯片。根據(jù)現(xiàn)有的文獻(xiàn)報(bào)道，掩膜方法大體上可分為兩類一類是最終所得的材料成份是分立的，如二分掩膜方法和四分掩膜方法，參見Peter G Schultz，Xiao-DongXiang.Combinatorial approaches to materials science.Current Opinion inSolid State & Materials Science.1998，3153-158.(材料科學(xué)中的組合方法，固態(tài)及材料科學(xué)新見)；另一類是最終所得的材料成份是連續(xù)的，如三角形平移掩膜方法，參見Young K.Yoo and Frank Tsui.Continuous Phase Diagramming ofEpitaxial Films.MRS BULLETIN，APR 2002，27(4)316-323(晶體薄膜的連續(xù)相圖，材料研究學(xué)會(huì)通報(bào))。
由于材料體系當(dāng)中特定元素或者組分的變化對(duì)于材料性能具有重要的影響，因此制備材料芯片要考慮兩方面的因素，一個(gè)是元素或者組分的種類，另一個(gè)就是其在體系當(dāng)中的含量變化。這些工作均須在掩膜策略的設(shè)計(jì)當(dāng)中得到體現(xiàn)。
對(duì)于第一類方法來說，到目前為止，用其制備的材料芯片所包含元素的水平(這里的水平是指材料的含量變化)最多為4，因此它不能很好的體現(xiàn)材料性能隨成分的變化趨勢；而用第二類掩膜方法制成的芯片，雖然可以彌補(bǔ)第一類掩膜方法的缺陷，卻受到元素類別數(shù)的制約，比如三角形平移掩膜技術(shù)制成的材料芯片只包含三種元素所構(gòu)成的材料。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對(duì)上述的不足和缺陷，提供一種新的掩膜方法，即制備材料芯片的k分分形掩膜方法，該掩摸方法不受材料內(nèi)元素種類的多少和每種元素水平數(shù)的限制，從而解決克服現(xiàn)有的掩膜方法中存在的不足。
本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明方法如下以所需制成的材料芯片中元素的最大水平數(shù)k為依據(jù)，首先將基本掩膜分成具有與其相似結(jié)構(gòu)的k個(gè)中心對(duì)稱的區(qū)域，即k分分形，其中之一被設(shè)為通透狀態(tài)；將所得掩膜依次向同一方向旋轉(zhuǎn)360°/k，每旋轉(zhuǎn)一次即濺射第一種元素的一個(gè)水平，旋轉(zhuǎn)第一個(gè)周期后，芯片上有k個(gè)材料單元，每一個(gè)單元都代表不同的水平；以后每加入一種元素采用一張新掩膜，將當(dāng)前芯片上材料單元區(qū)對(duì)應(yīng)的掩膜區(qū)域按照基本掩膜的分形方式進(jìn)行分形就得到下一張新的掩膜，即每張掩膜都有與基本掩膜相似的結(jié)構(gòu)；經(jīng)過n次分形疊加以k次旋轉(zhuǎn)操作就可以得到最大水平數(shù)為k的任意n種元素組合而成的材料芯片。
K分分形具體分為兩種情況(1)當(dāng)k≤6時(shí)采用正多邊形分形法，即確定一個(gè)正k邊形，然后將其分割為面積盡可能大的中心對(duì)稱的k個(gè)同等大小而且互相相接的正k邊形，將k個(gè)正k邊形中的一個(gè)設(shè)為通透狀態(tài)；(2)當(dāng)k≥7時(shí)采用內(nèi)切圓分形法，即首先確定一個(gè)圓，然后作該圓的k個(gè)內(nèi)切圓，并且這k個(gè)內(nèi)切圓分別沿大圓的圓周依次排列，相鄰兩個(gè)內(nèi)切圓相互外切，將k個(gè)內(nèi)切圓之一設(shè)為通透狀態(tài)。
本發(fā)明具有實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著進(jìn)步，本發(fā)明對(duì)于制備包含任意n個(gè)元素的材料芯片具有普遍的適用性，它不受元素的水平數(shù)限制，比現(xiàn)有的掩膜技術(shù)具有更高的實(shí)用性。用該掩膜技術(shù)制得的材料芯片構(gòu)造規(guī)則，為測量和研究提供了很大的便利。


圖1本發(fā)明k＝3時(shí)的掩膜和芯片結(jié)構(gòu)1-a基本掩膜示意1-b濺射a元素的三個(gè)水平之后的材料芯片示意1-c第二張膜結(jié)構(gòu)示意1-d濺射第二種元素b后材料芯片示意1-e第三張膜結(jié)構(gòu)示意1-f加入第三種元素后的材料芯片示意2本發(fā)明k＝5時(shí)的掩膜和芯片結(jié)構(gòu)2-a五水平式膜-1示意2-b五水平式膜-2示意2-c五水平二元素材料芯片的成分分布圖3本發(fā)明k＝6時(shí)的芯片的成分分布4本發(fā)明k＝7時(shí)的掩膜結(jié)構(gòu)圖具體實(shí)施方式
如圖所示，以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)描述實(shí)施例1 k＝3時(shí)的本發(fā)明掩膜方法如圖(1)所示，首先構(gòu)造基本掩膜，即將一個(gè)正三角形分割成四個(gè)大小相等的正三角形，將除中心外的三個(gè)小三角形中的任意一個(gè)設(shè)為通透狀態(tài)(圖1-a)，當(dāng)濺射第一種元素的第一種水平后將該掩膜向左旋轉(zhuǎn)120°濺射第二種水平的該元素，同樣再將其向左旋轉(zhuǎn)120°濺射第三種水平，最后向左旋轉(zhuǎn)120°回到起始位置(圖1-b)。在加入第二種元素時(shí)只要將前面所得材料芯片上單元體所對(duì)應(yīng)的掩膜按照基本掩膜的構(gòu)造技術(shù)進(jìn)行一次細(xì)分(也就是sierpinski分割，如圖1-c)，同樣將該掩膜依次向左轉(zhuǎn)120°，每到一個(gè)新的位置，濺射不同水平的第二種元素，最后得到三個(gè)水平的前兩種元素所組成的材料芯片(圖1-d)。按同樣的技術(shù)構(gòu)造第三種掩膜從而制備三元素的材料芯片(圖1-e，圖1-f)。用這種方法通過9(3×3)次實(shí)驗(yàn)就可以構(gòu)造出包含了27(33)種材料單元的三元素三水平的材料芯片，而且元素每增加一個(gè)只要將掩膜細(xì)分一次；因此用這種掩膜方法可以構(gòu)造出含任意n個(gè)元素構(gòu)成的三水平的材料芯片。相對(duì)于傳統(tǒng)的研究方法它把實(shí)驗(yàn)次數(shù)由3n次減少到3n次，而且不受n大小的限制。
實(shí)施例2 k＝5時(shí)的本發(fā)明掩膜方法如圖(2)所示，圖2-a，圖2-b就是k＝5時(shí)采用的第一、二張掩膜，此時(shí)正多邊形為正五邊形，每次旋轉(zhuǎn)的角度為360°/5。圖2-c就是用這兩張掩膜制備的水平數(shù)為5的二元素構(gòu)成的材料芯片。以后每增加一種新元素只要將材料芯片上單元對(duì)應(yīng)的掩膜區(qū)域細(xì)分成第一張掩膜的結(jié)構(gòu)，用這種掩膜方法就可以制備出含任意n元素的五水平的材料芯片，與傳統(tǒng)方法相比它把實(shí)驗(yàn)次數(shù)由5n次減少到5n次，而且不受n大小的限制。
實(shí)施例3 k＝6時(shí)的本發(fā)明掩膜方法如圖3所示，當(dāng)k＝6時(shí)分形為7個(gè)正六邊形，這里是采用k＝6時(shí)的第一和第二張掩膜，濺射了a，b兩種元素所制成的材料芯片結(jié)構(gòu)圖。同樣的用這種方法可以制備出含任意n元素的六水平的材料芯片，相對(duì)于傳統(tǒng)的研究方式它把實(shí)驗(yàn)次數(shù)由6n次減少到6n次，而且不受n大小的影響。
實(shí)施例4 k＝7時(shí)的本發(fā)明掩膜方法如圖4所示，在以上實(shí)例中可以發(fā)現(xiàn)每一張膜的中心部分的正多邊形，其每一個(gè)頂點(diǎn)為三個(gè)相同大小的正多邊形所共有，為了避免相鄰正多邊形互相重疊必須滿足[(k-2)×180/k]×3≤360，即k≤6；因此當(dāng)k≥7時(shí)把正多邊形變成相切圓的形式，如圖4，這是針對(duì)k＝7的情況，其中虛線和數(shù)字表示將膜依次向左旋轉(zhuǎn)360°/7度，每旋轉(zhuǎn)到一個(gè)新的位置濺射第一種元素a的新的水平，當(dāng)旋轉(zhuǎn)7次之后就會(huì)得到圖中所示的情況。如果要加入第二種元素，只要將圖2中所示的材料單元體對(duì)應(yīng)的掩膜仿照基本掩膜的方式進(jìn)行細(xì)分，當(dāng)水平數(shù)繼續(xù)增加時(shí)只要相應(yīng)增加相切圓的個(gè)數(shù)，利用這樣的掩膜技術(shù)就可以制備出由水平數(shù)為k的n種元素構(gòu)成的材料芯片，且這里的k，n均為任意的自然數(shù)，即這種方法不受k，n的限制，彌補(bǔ)了現(xiàn)有掩膜技術(shù)的缺陷。
權(quán)利要求
1.一種制備材料芯片的k分分形掩膜方法，其特征在于，以所需制成的材料芯片中元素的最大水平數(shù)k為依據(jù)，首先將基本掩膜分成具有與其相似結(jié)構(gòu)的k個(gè)中心對(duì)稱的區(qū)域，即k分分形，其中之一被設(shè)為通透狀態(tài)，將所得掩膜依次向同一方向旋轉(zhuǎn)360°/k，每旋轉(zhuǎn)一次即濺射第一種元素的一個(gè)水平，旋轉(zhuǎn)第一個(gè)周期后，芯片上有k個(gè)材料單元，以后每加入一種元素采用一張新掩膜，將當(dāng)前芯片上材料單元區(qū)對(duì)應(yīng)的掩膜區(qū)域按照基本掩膜的分形方式進(jìn)行分形就得到下一張新的掩膜，即每張掩膜都有與基本掩膜相似的結(jié)構(gòu)，經(jīng)過n次分形疊加以k次旋轉(zhuǎn)操作就得到最大水平數(shù)為k的任意n種元素組合而成的材料芯片。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備材料芯片的k分分形掩膜方法，其特征是，所述的K分分形當(dāng)k≤6時(shí)，采用正多邊形分形法，即確定一個(gè)正k邊形，然后將其分割為面積盡可能大的中心對(duì)稱的k個(gè)同等大小而且互相相接的正k邊形，將k個(gè)正k邊形中的一個(gè)設(shè)為通透狀態(tài)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備材料芯片的k分分形掩膜方法，其特征是，所述的K分分形當(dāng)k≥7時(shí)，采用內(nèi)切圓分形法，即首先確定一個(gè)圓，然后作該圓的k個(gè)內(nèi)切圓，并且這k個(gè)內(nèi)切圓分別沿大圓的圓周依次排列，相鄰兩個(gè)內(nèi)切圓相互外切，將k個(gè)內(nèi)切圓之一設(shè)為通透狀態(tài)。
全文摘要
一種制備材料芯片的k分分形掩膜方法，屬于材料芯片領(lǐng)域。本發(fā)明以所需制成的材料芯片中元素的最大水平數(shù)k為依據(jù)，首先將基本掩膜分成k個(gè)中心對(duì)稱的區(qū)域，即k分分形，其中之一被設(shè)為通透狀態(tài)，將所得掩膜依次向同一方向旋轉(zhuǎn)360°/k，每旋轉(zhuǎn)一次即濺射第一種元素的一個(gè)水平，旋轉(zhuǎn)第一個(gè)周期后，芯片上有k個(gè)材料單元，以后每加入一種元素采用一張新掩膜，將當(dāng)前芯片上材料單元區(qū)對(duì)應(yīng)的掩膜區(qū)域按照基本掩膜的分形方式進(jìn)行分形就得到下一張新的掩膜，即每張掩膜都有與基本掩膜相似的結(jié)構(gòu)，經(jīng)過n次分形疊加以k次旋轉(zhuǎn)操作就得到最大水平數(shù)為k的任意n種元素組合而成的材料芯片。本發(fā)明方法不受元素的水平數(shù)限制，具有較強(qiáng)的實(shí)用性和普遍的適用性。
文檔編號(hào)G03F1/68GK1523443SQ0315090
公開日2004年8月25日 申請(qǐng)日期2003年9月11日 優(yōu)先權(quán)日2003年9月11日
發(fā)明者馮蘭, 顧明, 蔡英文, 何丹農(nóng), 余震, 蘭 馮 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)