專利名稱：一種應(yīng)用于濺射系統(tǒng)中的密排尖端陽(yáng)極的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種濺射沉積系統(tǒng)中的陽(yáng)極結(jié)構(gòu)，特別是在大尺寸平面氧化物 耙材進(jìn)行薄膜、涂層制備時(shí)應(yīng)用的密排尖端陽(yáng)極。
背景技術(shù)：
以濺射(磁控濺射)的方法制備復(fù)雜氧化物薄膜材料，如稀土鋇銅氧等，容易 受到負(fù)氧離子反濺射(或稱負(fù)氧離子轟擊)的嚴(yán)重影響，造成薄膜成分和結(jié)構(gòu)的不 均勻。對(duì)于稀土鋇銅氧ReBa2Cu30w(ReBCO，如YBCO)等高溫超導(dǎo)薄膜材料，薄 膜成分須滿足Re:Ba:CU=l:2:3的比例關(guān)系，才能滿足高轉(zhuǎn)變溫度、高臨界電流密度 等性能的要求，因此去除負(fù)氧離子轟擊的影響對(duì)濺射方法制備上述薄膜是及其重要 的。特別是采用平面靶材濺射制備薄膜時(shí)，薄膜成分、性能以及表面形貌受負(fù)氧離 子反濺射的影響更為嚴(yán)重。以前的技術(shù)在解決上述問題，采用了很多改進(jìn)方法。如 采用偏軸濺射或離軸濺射、應(yīng)用平面靶材制備薄膜； 一種特殊的方案是采用倒筒 圓柱靶材濺射，這樣在整個(gè)濺射區(qū)域內(nèi)，靶材與基片之間一直處于垂直狀態(tài)。在整 個(gè)圓周方向的各個(gè)部分，靶材處于離軸濺射狀態(tài)(off-axis)，這樣就可把負(fù)氧離子 轟擊的效應(yīng)降低到令人滿意的程度。
采用中空筒形靶材進(jìn)行離軸濺射，雖然可以極大消除負(fù)氧離子轟擊影響，但中 空筒形靶材的濺射效率比平面靶材要低得多，因此無(wú)法滿足批量化制備的要求，極 大限制了材料制備的成本。在批量化濺射制備如果能夠應(yīng)用平面靶材進(jìn)行濺射制備， 則要經(jīng)濟(jì)得多，但必須解決負(fù)氧離子轟擊問題。
實(shí)用新型內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的在于提供一種應(yīng)用于濺射系統(tǒng)中的密排尖端陽(yáng)極，是一種平 面耙濺射批量化制備YBCO薄膜材料的濺射設(shè)備中的密排尖端陽(yáng)極，在濺射設(shè)備中， 通過(guò)加載一種密排尖端的陽(yáng)極，極大地消除負(fù)氧離子轟擊的影響，滿足批量化制備 的速度和工藝窗口要求。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型釆取以下設(shè)計(jì)方案
一種應(yīng)用于濺射系統(tǒng)中的密排尖端陽(yáng)極，以金屬作為基體，其中部鏤空，鏤空 部分的內(nèi)側(cè)邊緣是由若干個(gè)尖端體連續(xù)排列連接而成，且每個(gè)尖端體的尖端朝向鏤 空部分的中部。在濺射設(shè)備中是將密排尖端陽(yáng)極設(shè)置在濺射靶材與樣品之間，密排 尖端陽(yáng)極的鏤空部分與濺射耙材相對(duì)，并且密排尖端陽(yáng)極和濺射靶材的距離為10-30mm。
本實(shí)用新型的密排尖端陽(yáng)極首先要保證基體的良好導(dǎo)體特性，特別是應(yīng)當(dāng)與氧化 物制備的工藝條件相適應(yīng)?？紤]到高溫超導(dǎo)YBCO薄膜是在700。C 900°<:的高溫 條件下長(zhǎng)時(shí)間制備，因此作為基體的金屬材料應(yīng)當(dāng)能夠經(jīng)受700°C 900°C的高溫 的長(zhǎng)時(shí)間考驗(yàn)，同時(shí)保證高溫氧化條件下不發(fā)生氧化，不改變金屬導(dǎo)體性質(zhì)，即在 上述溫度環(huán)境下、在氧氣壓100Pa以下的條件下，不發(fā)生顯著的氧化。因此作為陽(yáng) 極材料的基體采用了耐高溫不銹鋼等金屬材料。
在濺射設(shè)備中采用本實(shí)用新型的密排尖端陽(yáng)極之所以采用尖端結(jié)構(gòu)，因?yàn)橛腥缦?好處濺射過(guò)程中產(chǎn)生的負(fù)氧離子主要來(lái)源于YBCO氧化物靶材。由于成分中活潑 金屬的存在，使得靶材無(wú)法采用金屬合金以反應(yīng)濺射的方式進(jìn)行。因此，只能采用 制備好、具有良好性能的氧化物陶瓷靶材。在Ar離子轟擊靶材的過(guò)程中，高能量的 轟擊造成O鍵斷裂，吸收高能量的氧離子以高速向基片方向運(yùn)動(dòng)。由于02'離子的半 徑較大，因此轟擊影響的面積也比較大。以前的技術(shù)在解決加載陽(yáng)極的問題時(shí)，嘗 試使用大面積的導(dǎo)電陽(yáng)極。這是由于大面積的導(dǎo)電陽(yáng)極由于面積較大，因此與負(fù)氧 離子接觸的概率越高，進(jìn)行電荷交換從而改善負(fù)氧離子轟擊的程度就越高。但是采 用這種方法，由于濺射過(guò)程是在高溫和彌散的氣相狀態(tài)下進(jìn)行的；濺射出的金屬和O 原子經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間的濺射和高溫，在陽(yáng)極上容易形成一層膜層，并且隨時(shí)間的增加而厚 度增加。時(shí)間越長(zhǎng)，陽(yáng)極越容易被膜層覆蓋，導(dǎo)電能力也很快劣化，在長(zhǎng)時(shí)間制備 的后期則無(wú)法達(dá)到應(yīng)有的效果。在短時(shí)間制備情況下，也要不斷地更換或清洗，提 高維護(hù)成本。
密排尖端陽(yáng)極的尖端體可以是以下兩種結(jié)構(gòu)平面型三角體或立體圓錐體。 所述的密排尖端陽(yáng)極的尖端體為平面型三角體。是采用金屬平板加工而成，所
加工成的平面型三角體的厚度正好為金屬平板的厚度。
所述的密排尖端陽(yáng)極的尖端體為立體圓錐體。但立體圓錐體比較難以加工，而
平面型三角體可以程控切割的方式比較容易地制備出來(lái)。為保證尖端體的功能正常，
其單元長(zhǎng)度(或高度)與底邊之間的比例應(yīng)當(dāng)AA/應(yīng)當(dāng)大于5。
密排尖端中，尖端的形狀可以是平面型尖端，也可以采用立體錐形尖端，錐形 尖端的效果比平面型要好。但錐形尖端比較難以加工，而平面型密排尖端可以程控 切割的方式比較容易地制備出來(lái)。為保證尖端的功能正常，其單元長(zhǎng)度(或高度) 與底邊之間的比例應(yīng)當(dāng)A/^應(yīng)當(dāng)大于5。
對(duì)應(yīng)濺射靶材的形狀，密排尖端陽(yáng)極的鏤空部分的形狀為矩形體或圓形體。
所述的密排尖端陽(yáng)極的鏤空部分為矩形體。
在密排尖端陽(yáng)極的鏤空部分為矩形體的情況下，在所述的密排尖端陽(yáng)極中，除其鏤空部分的矩形的四個(gè)角部上的尖端體之外，其余的尖端體的高與底邊的比例大 于5。所述的密排尖端陽(yáng)極的基體優(yōu)選為平板狀。
所述的密排尖端陽(yáng)極的鏤空部分為圓形體。 在密排尖端陽(yáng)極的鏤空部分為圓形體的情況下，所述的密排尖端陽(yáng)極的尖端體
的高與底邊的比例大于5。所述的密排尖端陽(yáng)極的基體優(yōu)選為平板狀。
為增強(qiáng)使用效果，密排尖端陽(yáng)極在使用時(shí)可以加載正偏壓。正偏壓場(chǎng)的存在，使 得負(fù)氧離子更容易向陽(yáng)極方向移動(dòng)，降低轟擊基片效應(yīng)。加載正偏壓時(shí)，要求密排 尖端陽(yáng)極與腔體和基片都處于絕緣狀態(tài)。所述的密排尖端陽(yáng)極與直流穩(wěn)壓電源相連 接，加載20-200V正偏壓。
本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)是在濺射設(shè)備中采用本實(shí)用新型的密排尖端陽(yáng)極， 一方面 由于尖端陽(yáng)極的存在提高了表面積；另一方面在尖端部分，彌散氣體即使在高溫作 用下也很難生長(zhǎng)牢固，可以很大程度地保持表面新鮮；進(jìn)而保持負(fù)氧離子消除效果。 一個(gè)對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果不帶密排尖端的陽(yáng)極在經(jīng)過(guò)60小時(shí)、800。C高溫濺射制備YBCO 后，其內(nèi)緣已經(jīng)基本呈高阻態(tài)；而采用密排尖端陽(yáng)極，在同樣的狀態(tài)下，大部分尖 端仍然保持良好的金屬良導(dǎo)體特性。采用本實(shí)用新型的密排尖端陽(yáng)極的濺射設(shè)備， 是一種能夠應(yīng)用于平面靶濺射批量化制備YBCO薄膜材料的濺射設(shè)備，通過(guò)加載本 實(shí)用新型的密排尖端的陽(yáng)極，極大地消除負(fù)氧離子轟擊的影響，滿足批量化制備的 速度和工藝窗口要求。

圖1為一種應(yīng)用于矩形濺射靶材的密排尖端陽(yáng)極。 圖2為一種應(yīng)用于圓形濺射靶材的密排尖端陽(yáng)極。 圖3為靜態(tài)濺射制備YBCO高溫超導(dǎo)薄膜的示意圖。 圖4為動(dòng)態(tài)定軸轉(zhuǎn)動(dòng)制備YBCO高溫超導(dǎo)薄膜的示意圖。 圖5為本發(fā)明的具有密排尖端陽(yáng)極的濺射設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式

一種應(yīng)用于矩形濺射靶材的密排尖端陽(yáng)極如圖1所示。支架1支撐和固定密排 尖端陽(yáng)極的矩形金屬基體2，在本實(shí)施例中，金屬基體2及其用于支撐和固定的支架 1為平板型耐高溫金屬材料，金屬基體2的中部鏤空，形成矩形鏤空濺射口，矩形鏤 空部分的內(nèi)側(cè)邊緣是由若干個(gè)尖端體3連續(xù)排列連接而成，且每個(gè)尖端體3的尖端 朝向鏤空部分的中部，密排尖端體3是以金屬加工工藝形成的，密排尖端體3在矩 形的周長(zhǎng)方向進(jìn)行重復(fù)排列，其中，由于矩形的四個(gè)角部是矩形中的拐角處，在矩 形中的4個(gè)直角區(qū)域一般不會(huì)形成密排尖端體的重復(fù)結(jié)構(gòu)，因此會(huì)形成過(guò)渡區(qū)4，每 個(gè)過(guò)渡區(qū)4只有一個(gè)尖端體，而四個(gè)角部上的尖端體不可能和矩形中的四個(gè)邊上的尖端體的結(jié)構(gòu)要求一致，所以，除其鏤空部分的矩形的四個(gè)角部上的尖端體之外， 其余的尖端體的高與底邊的比例大于5。
一種應(yīng)用于圓形濺射靶材的密排尖端陽(yáng)極如圖2所示。其中，支架ll支撐和固 定密排尖端陽(yáng)極的圓形金屬基體12，在本實(shí)施例中，金屬基體12及其用于支撐和固 定的支架11為平板型耐高溫金屬材料，金屬基體12的中部鏤空，形成圓形鏤空濺 射口，圓形鏤空部分的內(nèi)側(cè)邊緣是由若干個(gè)尖端體13連續(xù)排列連接而成，且每個(gè)尖 端體13的尖端朝向鏤空部分的中部，密排尖端體13是以金屬加工工藝形成的，密 排尖端體13在內(nèi)圓的周長(zhǎng)方向進(jìn)行重復(fù)排列，并呈中心對(duì)稱分布。
一種具有密排尖端陽(yáng)極的濺射設(shè)備如圖5所示，該濺射設(shè)備是在濺射腔體51上 設(shè)有真空管路52、進(jìn)氣管路53，并在濺射腔體內(nèi)設(shè)有濺射靶材54、加熱體55，加 熱體55與濺射靶材54相對(duì)設(shè)置，并在加熱體55上設(shè)有樣品56,在所述的濺射靶材 54與樣品56之間設(shè)有密排尖端陽(yáng)極57，該密排尖端陽(yáng)極是以金屬作為基體，其中 部鏤空，鏤空部分的內(nèi)側(cè)邊緣是由若干個(gè)尖端體連續(xù)排列連接而成，且每個(gè)尖端體 的尖端朝向鏤空部分的中部，并且鏤空部分與濺射靶材54、樣品56相對(duì)。
實(shí)施例1
如圖3所示，實(shí)施例1是靜態(tài)濺射制備YBCO高溫超導(dǎo)薄膜的示意圖。以#8 mm 的圓形YBCO平面耙材31進(jìn)行濺射，在平面靶材31下方約20mm處放置圓形YBCO 濺射耙材的密排尖端陽(yáng)極32 (在圖3中，密排尖端陽(yáng)極32中的密排尖端體未畫出， 省略)。與密排尖端陽(yáng)極32相對(duì)的是f的氧化物單晶基片34及加熱體33。 一般是 在加熱體33和氧化物單晶基片34之間加有一層均熱石英片(圖未示)，以起到均 熱、防止樣品受熱不均而炸裂的作用。在密排尖端陽(yáng)極端施加50V的正偏壓。
在實(shí)施過(guò)程中，在860。C加熱溫度、Ar/O2混合氣體氣壓20Pa條件下，以1.6A 的濺射電流、經(jīng)6個(gè)小時(shí)的濺射制備，獲得約500 nm厚的YBCO高溫超導(dǎo)薄膜。
靜態(tài)制備工藝中，加熱采用在樣品底部平面加熱的方式進(jìn)行，樣品不進(jìn)行公轉(zhuǎn) 自轉(zhuǎn)等運(yùn)動(dòng)過(guò)程。密排尖端陽(yáng)極32的內(nèi)緣一般取比樣品稍大、濺射靶材稍小一點(diǎn)的 尺寸，本實(shí)施例1中密排尖端陽(yáng)極32的內(nèi)緣尺寸為^0mm。
實(shí)施例2
采用動(dòng)態(tài)定軸轉(zhuǎn)動(dòng)制備YBCO高溫超導(dǎo)薄膜?？梢圆捎妹麨?一種批量化制備 雙面高溫超導(dǎo)薄膜裝置"專利號(hào)為200620119334.1中所公開的設(shè)備，如圖4所示， 該設(shè)備是在真空腔體45內(nèi)設(shè)置有平面型高溫超導(dǎo)材料靶材41，以及用于原位濺射電 極的金屬靶材42;真空腔體45內(nèi)中間設(shè)置有圓盤型加熱轉(zhuǎn)動(dòng)裝置，該圓盤型加熱轉(zhuǎn) 動(dòng)裝置是由圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)裝置和圓盤加熱裝置構(gòu)成。圓盤加熱裝置包括上加熱盤43和下加熱盤47;圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)裝置是由圓盤樣品臺(tái)61和轉(zhuǎn)動(dòng)裝置構(gòu)成，在圓盤樣品臺(tái)61上
間隔均勻地設(shè)有用于放置大面積超導(dǎo)薄膜基片的圓形孔(圖未示)，轉(zhuǎn)動(dòng)裝置包括
主轉(zhuǎn)動(dòng)軸49，主轉(zhuǎn)動(dòng)軸49連接圓盤樣品臺(tái)61，帶動(dòng)樣品臺(tái)61在加熱真空腔體45 內(nèi)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)加熱。
本實(shí)施例2是在上述設(shè)備的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，是在平面型高溫超導(dǎo)材料靶材41 下方約20mm處放置密排尖端陽(yáng)極48。其位置關(guān)系如附圖4所示。本實(shí)施例2是以 152 mmX76 mm的長(zhǎng)方形平面YBCO靶材進(jìn)行濺射。將f的氧化物單晶基片放置 在樣品臺(tái)61的圓形孔上，f的氧化物單晶基片，如LaA103， MgO， Ce02/Al203/Ce02 等。轉(zhuǎn)動(dòng)裝置的主轉(zhuǎn)動(dòng)軸49帶動(dòng)樣品臺(tái)61在加熱真空腔體45內(nèi)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)加熱。以 750。C的加熱溫度、Ar/O2混合氣體氣壓30Pa、樣品以6 速度旋轉(zhuǎn)的條件下，以 1.5 A的濺射電流、經(jīng)過(guò)60小時(shí)的濺射制備，獲得約300 nm厚的YBCO高溫超導(dǎo) 薄膜。
本實(shí)施例2中樣品依靠中心軸以定軸轉(zhuǎn)動(dòng)的方式帶動(dòng)樣品進(jìn)行公轉(zhuǎn)式旋轉(zhuǎn)，加 熱方式為雙面同時(shí)加熱。在濺射靶材41下方放置的密排尖端陽(yáng)極48，其內(nèi)緣尺寸為 140 mmX70 mm。
權(quán)利要求1、一種應(yīng)用于濺射系統(tǒng)中的密排尖端陽(yáng)極，其特征是以金屬作為基體，其中部鏤空，鏤空部分的內(nèi)側(cè)邊緣是由若干個(gè)尖端體連續(xù)排列連接而成，且每個(gè)尖端體的尖端朝向鏤空部分的中部。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的應(yīng)用于濺射系統(tǒng)中的密排尖端陽(yáng)極，其特征是所述 的尖端體為平面型三角體。
3、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的應(yīng)用于濺射系統(tǒng)中的密排尖端陽(yáng)極，其特征是所述 的尖端體為立體圓錐體。
4、 根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的應(yīng)用于濺射系統(tǒng)中的密排尖端陽(yáng)極，其特征是-所述的鏤空部分為矩形體。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的應(yīng)用于濺射系統(tǒng)中的密排尖端陽(yáng)極，其特征是除所 述的矩形的四個(gè)角部上的尖端體之外，其余的尖端體的高與底邊的比例大于5。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的應(yīng)用于濺射系統(tǒng)中的密排尖端陽(yáng)極，其特征是所述 的基體為平板狀。
7、 根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的應(yīng)用于濺射系統(tǒng)中的密排尖端陽(yáng)極，其特征是所述的鏤空部分為圓形體。
8、 根據(jù)權(quán)利要求7所述的應(yīng)用于濺射系統(tǒng)中的密排尖端陽(yáng)極，其特征是所述 的尖端體的高與底邊的比例大于5。
9、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的應(yīng)用于濺射系統(tǒng)中的密排尖端陽(yáng)極，其特征是所述的基體為平板狀。
專利摘要一種應(yīng)用于濺射系統(tǒng)中的密排尖端陽(yáng)極，以金屬作為基體，其中部鏤空，鏤空部分的內(nèi)側(cè)邊緣是由若干個(gè)尖端體連續(xù)排列連接而成，且每個(gè)尖端體的尖端朝向鏤空部分的中部。在濺射設(shè)備中是將密排尖端陽(yáng)極設(shè)置在濺射靶材與樣品之間，密排尖端陽(yáng)極的鏤空部分與濺射靶材相對(duì)。采用本實(shí)用新型的密排尖端陽(yáng)極的濺射設(shè)備，是一種能夠應(yīng)用于平面靶濺射批量化制備YBCO薄膜材料的濺射設(shè)備，通過(guò)加載本實(shí)用新型的密排尖端的陽(yáng)極，極大地消除負(fù)氧離子轟擊的影響，滿足批量化制備的速度和工藝窗口要求。
文檔編號(hào)C23C14/50GK201144281SQ20072019111
公開日2008年11月5日 申請(qǐng)日期2007年12月28日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月28日
發(fā)明者古宏偉, 弢 李, 王霈文 申請(qǐng)人:北京有色金屬研究總院