專利名稱：一種加長型筒狀陽極的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種筒狀靶濺射系統(tǒng)，特別是在復(fù)雜氧化物薄膜制備中應(yīng)用的 筒狀靶濺射系統(tǒng)中的加長型筒狀陽極。 發(fā)明背景
筒狀靶(cylinder target)濺射系統(tǒng)是為了應(yīng)對復(fù)雜氧化物濺射過程中出現(xiàn)的負(fù) 氧離子轟擊現(xiàn)象而采用的一種技術(shù)，其方法是將原來的平面靶材濺射改為有一定厚 度的圓筒狀濺射靶材，經(jīng)過電離的Ar氣在濺射過程中轟擊到筒狀耙材的內(nèi)壁，落 在加熱基片上進(jìn)行薄膜沉積。這種方式的好處是可以保證在濺射耙材的每個(gè)位置， 濺射產(chǎn)物與基片之間的位置關(guān)系處于離軸狀態(tài)，從而避免從靶材中由高能Ar原子 轟擊出的負(fù)氧離子直接轟擊基片和薄膜表面，造成薄膜成分不均勻和性能的嚴(yán)重劣 化。
以前的技術(shù)在利用筒狀靶濺射的時(shí)候，比較多的考慮到濺射速率和濺射系統(tǒng)(大 尺寸筒狀陰極)的緊湊性問題，其陽極為平面型，尺寸較小，不超過筒狀靶內(nèi)徑。 經(jīng)過長期的實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，即使在不施加正偏壓的情況下，陽極的加載也是消除負(fù) 氧離子轟擊的有效手段；同時(shí)如果加載的陽極面積較小，消除負(fù)氧離子轟擊能力會 變?nèi)?；同時(shí)彌散的氣態(tài)原子在高溫條件下附著在陽極上的速度也很快，容易形成掉 渣等問題，影響成膜質(zhì)量。
實(shí)用新型內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的是提供一種在筒狀靶濺射設(shè)備中所使用的增大陽極面積、提 高濺射效果的加長型筒狀陽極。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采取以下的技術(shù)方案
一種加長型筒狀陽極，其特征在于該加長型筒狀陽極為筒狀，其底壁設(shè)有若 干個(gè)濺射氣體進(jìn)氣孔，其頂部為敞口，該敞口的周邊緣向外凸出形成支撐邊，該敞 口并配有陽極蓋，在陽極蓋上接有進(jìn)氣管路。
所述的加長型筒狀陽極為圓筒狀。
所述的加長型筒狀陽極為無氧銅材料制成。
所述的陽極蓋為聚四氟乙烯材料絕緣制成。在傳統(tǒng)的筒狀靶材濺射的設(shè)計(jì)中，為了節(jié)省空間， 一般采用可拆卸的平面陽極。 該陽極位于濺射陰極(靶材)的頂端?？紤]到導(dǎo)通筒狀靶材的尺寸，該陽極的平面 尺寸應(yīng)小于筒狀靶材的內(nèi)圓。這種大尺寸濺射系統(tǒng)(包括陰極和陽極)的好處是結(jié) 構(gòu)更加緊湊，同時(shí)可以采用經(jīng)真空密封布置在濺射設(shè)備的上蓋上，可以通過調(diào)節(jié)濺 射陰極上下移動來調(diào)節(jié)靶基距，變化濺射條件。其不利的方面是陽極尺寸較小， 在經(jīng)歷長時(shí)間濺射后，陽極上極易由于彌散的濺射原子沉積而形成一層導(dǎo)電性不好 的膜層，影響陽極的導(dǎo)電性；更加嚴(yán)重的是經(jīng)過長時(shí)間累積，膜層厚度增加可能導(dǎo) 致掉渣等現(xiàn)象而落在基片上，嚴(yán)重影響薄膜的表面形貌和性能；同時(shí)小尺寸的陽極 也不利于消除倒筒靶濺射殘存的小部分負(fù)氧離子轟擊現(xiàn)象。因此，從改進(jìn)陽極來改 進(jìn)薄膜制備是筒狀靶濺射制備高性能YBa2Cu307-s(YBCO)超導(dǎo)薄膜的關(guān)鍵。從已經(jīng) 表現(xiàn)出來的問題來看，陽極需要具有一定的尺寸，同時(shí)還需要適應(yīng)筒狀耙濺射部件 的具體形狀。經(jīng)過不斷地嘗試改進(jìn)，本實(shí)用新型提出了加長型筒狀陽極，采用頂端 懸掛式將該加長型筒狀陽極安裝在筒狀靶濺射設(shè)備中，經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，加長型筒狀陽 極同傳統(tǒng)的平面陽極相比，具有明顯的改善高溫超導(dǎo)薄膜成膜質(zhì)量和表面均勻性的 作用。
本實(shí)用新型是對中空筒狀靶濺射系統(tǒng)的改進(jìn)和完善，所設(shè)計(jì)出一種加長型筒狀 陽極，該加長型筒狀陽極的環(huán)壁在沉積薄膜的過程中均起到了與已有的平面陽極同 樣的作用，極大地增加了陽極面積，提高了濺射過程中的正效果。在筒狀耙濺射設(shè) 備中安裝了本實(shí)用新型的加長型筒狀陽極，經(jīng)實(shí)驗(yàn)證實(shí)，在制備復(fù)雜氧化物薄膜、 特別是高溫YBCO等稀土鋇銅氧薄膜時(shí)，可顯著改善負(fù)氧離子轟擊以及濺射物質(zhì)堆 積掉渣等負(fù)影響，有顯著的改善薄膜生長質(zhì)量、提高性能的作用。

圖l是加長型筒狀陽極的結(jié)構(gòu)示意圖。其中，l是加長型筒狀陽極，2是陽極 蓋；3是進(jìn)氣管路；4是濺射氣體進(jìn)氣孔
圖2是陽極蓋和進(jìn)氣管路的結(jié)構(gòu)示意圖。其中，2是陽極蓋；3是進(jìn)氣管路。
圖3是在筒狀靶濺射設(shè)備中安裝加長型筒狀陽極的結(jié)構(gòu)示意圖。ll是水箱；12 是筒狀靶材；13是水冷層；14是水箱的支撐腳；15是數(shù)塊磁體；16是絕緣圈；17 是支撐邊；18是懸掛邊；l是加長型筒狀陽極。
圖4是帶加長型筒狀陽極的筒狀靶濺射設(shè)備裝在真空室內(nèi)的結(jié)構(gòu)示意圖。其中， 19是加熱體；20是真空室。
具體實(shí)施方式

本實(shí)用新型的加長型筒狀陽極1采用無氧銅材料制成，以防止真空條件下放氣影 響制備條件。如圖l、圖2所示，加長型筒狀陽極1的陽極蓋2上接有進(jìn)氣管路3， 進(jìn)氣管路3通入到加長型筒狀陽極1內(nèi)部，加長型筒狀陽極1的底壁均勻密布有若 干個(gè)進(jìn)氣口4，濺射時(shí)采用氬、氧混合氣體，氬、氧混合氣體通過進(jìn)氣管路3進(jìn)入加 長型筒狀陽極1內(nèi)部，并通過若干個(gè)進(jìn)氣口 4可以進(jìn)入水箱內(nèi)的腔體內(nèi)，保證濺射 氣體均勻。
在本實(shí)用新型的加長型筒狀陽極安裝在筒狀靶濺射設(shè)備中結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所 示，筒狀靶材12放置在水箱11中的底壁上，筒狀靶材12的外環(huán)壁與水箱11的內(nèi) 環(huán)壁緊密接觸；筒狀靶材12的上方為較長的水箱11的內(nèi)環(huán)壁；采用的加長型筒狀
陽極1為筒型結(jié)構(gòu)，加長型筒狀陽極1的底壁為平面型；加長型筒狀陽極1的圓筒 直徑尺寸小于筒狀靶材12的圓筒的內(nèi)徑，并伸入到筒狀靶材12內(nèi)，其底部位于筒 狀靶材12的上部位置，其外壁與筒狀靶材12的內(nèi)壁之間留有空隙，加長型筒狀陽 極1的支撐邊17懸掛在水箱11的懸掛邊18上，并通過圈絕緣16與水箱11絕緣。 水箱11的底部是三個(gè)支撐水箱11的支撐腳14，用以固定水箱11。在水箱11的環(huán) 壁內(nèi)設(shè)有水夾層13，是一個(gè)充滿水的夾層，水夾層13的寬度尺寸稍大，在本實(shí)施例 中為2 — 3cm，數(shù)塊磁體15安放進(jìn)水箱11內(nèi)，圍繞水箱11的環(huán)壁的一周，均布排 列在水箱11的水夾層的內(nèi)壁上，圍繞一圈的數(shù)塊磁體15與筒狀耙材12的中部相對。 水箱的水夾層13內(nèi)所設(shè)置數(shù)塊磁體15，可以保證磁體不退磁，同時(shí)水夾層13中的 冷卻水可以冷卻筒狀靶材12，防止筒狀靶材12過熱開裂。其中，水箱ll中的水夾 層13上部和下部分別連接進(jìn)水管、出水管，以使水夾層形成水冷通路；由于水夾層 13是由其底端連接到水箱陰極的，所以該設(shè)備與以前設(shè)計(jì)的重要區(qū)別在于陰極以支 撐腳支撐在濺射設(shè)備底端。這也是由加長陽極的特性決定的，因?yàn)槿绻捎脼R射設(shè) 備的頂端(即采用上蓋開啟方式時(shí)真空室的上蓋)布置陰極，則所需設(shè)備很高、真 空腔體很大，均不利于薄膜的制備。由于陰、陽極之間不能短路，否則濺射不能起 輝，所以陽極蓋2以及水箱上的絕緣圈16均為聚四氟乙烯材料絕緣制成。
本實(shí)用新型的加長型筒狀陽極安裝在筒狀靶濺射設(shè)備中，如圖4所示，筒狀靶濺 射設(shè)備置于真空室19內(nèi)，并在水箱11的下部有加熱體20。
加長型筒狀陽極1的特點(diǎn)是加長型筒狀陽極1的筒的高度與其底壁的直徑的 比例很大，這樣做的好處是加長型筒狀陽極1的底壁不僅相當(dāng)于已有的陽極的底平面可以消除負(fù)氧離子，接收向上彌散、濺射出靶材的原子沉積的作用，而且由于
加長型筒狀陽極1的環(huán)壁與水箱11之間留有充分的空隙，實(shí)際上，加長型筒狀陽極
1的環(huán)壁在沉積薄膜的過程中均起到了與已有的平面陽極同樣的作用，極大地增加了
陽極面積，提高了濺射過程中的正效果。當(dāng)然，隨著與濺射耙材之間距離的增加，
其效果有很大的減弱，因此加長型筒狀陽極1的長度應(yīng)當(dāng)是有一定限度的。
經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，采用本實(shí)用新型的加長型筒狀陽極的筒狀耙濺射設(shè)備，相比于普通
采用小平面陽極的濺射設(shè)備，在同樣條件下制備薄膜的性能更好、工藝窗口更寬、
薄膜表面形貌以及均勻性均優(yōu)于傳統(tǒng)濺射設(shè)備，體現(xiàn)了本實(shí)用新型的突出有益效果。
采用本實(shí)用新型的加長型筒狀陽極的筒狀靶濺射設(shè)備在安裝時(shí)，將陰極、陽極 和氣路三部分安裝配關(guān)系合理裝配，則形成本實(shí)用新型的濺射系統(tǒng)。筒狀耙濺射設(shè) 備置于真空室19內(nèi)(如圖4所示)，整個(gè)濺射系統(tǒng)實(shí)際上是在一個(gè)密封的真空腔體 內(nèi)，在使用時(shí)，首先要將真空腔體抽真空至1(^Pa量級；達(dá)到真空度后再通入Ar、 02混合氣體，在通入氣體之前，Ar、 02要在混氣室內(nèi)混合，然后通入真空腔體內(nèi)。
其實(shí)施方式是在采用本實(shí)用新型的加長型筒狀陽極的筒狀靶濺射設(shè)備中，將 安裝了 YBCO筒狀靶材裝備在真空濺射系統(tǒng)中，在濺射系統(tǒng)的底部布置加熱系統(tǒng)和 樣品臺并放置氧化物單晶基片樣品(如鋁酸鑭)；基片樣品加熱到870。C，通入Ar、 02混合氣體進(jìn)行濺射(濺射氣壓20Pa、濺射電流1.6 A);濺射6小時(shí)后，獲得厚 度約400 nm的YBCO薄膜樣品；然后在450°C通入0.8 a加的純02進(jìn)行退火半小時(shí)， 獲得TO卯K、 Jc>2 MA/cm2的YBCO薄膜材料。
使用時(shí)，加熱體一般采用平面型的加熱爐體或平面型白金片等，放置在筒狀耙 材的正下方。濺射的靶一基片之間的距離是靶基距，靶基距為60 — 90mm。靶材加載 負(fù)電壓，連接到濺射電源，濺射電源進(jìn)行直流濺射時(shí)，在靶材上加載負(fù)壓，從而使 帶正壓的經(jīng)過的電離Ar+離子打到靶材上并依靠磁力線的約束在濺射區(qū)域?qū)R射物 質(zhì)打出靶體落在基片上。
權(quán)利要求1、 一種加長型筒狀陽極，其特征在于該加長型筒狀陽極為筒狀，其底壁設(shè)有 若干個(gè)濺射氣體進(jìn)氣孔，其頂部為敞口，該敞口的周邊緣向外凸出形成支撐邊，該 敞口并配有陽極蓋，在陽極蓋上接有進(jìn)氣管路。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的加長型筒狀陽極，其特征在于所述的加長型筒狀陽 極為圓筒狀。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的加長型筒狀陽極，其特征在于所述的加長型筒 狀陽極為無氧銅材料制成。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的加長型筒狀陽極，其特征在于所述的陽極蓋為聚四 氟乙烯材料絕緣制成。
專利摘要一種加長型筒狀陽極，該加長型筒狀陽極為筒狀，其底壁設(shè)有若干個(gè)濺射氣體進(jìn)氣孔，其頂部為敞口，該敞口的周邊緣向外凸出形成支撐邊，該敞口并配有陽極蓋，在陽極蓋上接有進(jìn)氣管路。加長型筒狀陽極的環(huán)壁在沉積薄膜的過程中均起到了與已有的平面陽極同樣的作用，極大地增加了陽極面積，提高了濺射過程中的正效果。采用本實(shí)用新型的加長型筒狀陽極的筒狀靶濺射設(shè)備，在制備復(fù)雜氧化物薄膜、特別是高溫YBCO等稀土鋇銅氧薄膜時(shí)，可顯著改善負(fù)氧離子轟擊以及濺射物質(zhì)堆積掉渣等負(fù)影響，有顯著的改善薄膜生長質(zhì)量、提高性能的作用。相比于普通采用小平面陽極的濺射設(shè)備，在同樣條件下制備薄膜的性能更好、工藝窗口更寬、薄膜表面形貌以及均勻性均優(yōu)于傳統(tǒng)濺射設(shè)備，體現(xiàn)了本實(shí)用新型的突出有益效果。
文檔編號C23C14/34GK201154986SQ20072019112
公開日2008年11月26日 申請日期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, 王小平, 王霈文 申請人:北京有色金屬研究總院