一種磁控濺射裝置及其應(yīng)用的制作方法
【專利摘要】一種磁控濺射裝置及其應(yīng)用，能夠使管型或圓柱狀基底在軸向上連續(xù)旋轉(zhuǎn)，軸向轉(zhuǎn)速與基底溫度可調(diào)可控，且在加熱的條件下能夠保持基底溫度均勻一致，能夠在管型及圓柱狀基底上沉積制備出均勻的固體薄膜，擴(kuò)展了磁控濺射方法的使用范圍。
【專利說(shuō)明】一種磁控濺射裝置及其應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及磁控濺射裝置，具體說(shuō)是一種能夠用磁控濺射的方法在管型或者圓柱狀基底上沉積薄膜的基底旋轉(zhuǎn)、固定與加熱裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]磁控濺射技術(shù)是物理氣相沉積技術(shù)中的一種，廣泛的應(yīng)用于固體薄膜的制備領(lǐng)域之中，具有沉積速率快、固體薄膜與基底結(jié)合力好、厚度均勻且可調(diào)可控、制備工藝重復(fù)性好等特點(diǎn)，適用于制備大面積均勻薄膜。但是，目前磁控濺射技術(shù)主要應(yīng)用于在平板型基底上制備薄膜，而在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，有需要在管型、圓柱狀基底上制備均勻一致的薄膜，如何采用磁控濺射的方法在其上制備均勻一致的薄膜，如在固體氧化物燃料電池管型電極基底上濺射電解質(zhì)薄膜或者電解質(zhì)隔層薄膜，需要采用特殊的磁控濺射裝置，以達(dá)到在特定的工藝條件之下制備出均勻致密薄膜的效果。
[0003]因此，通過(guò)改進(jìn)磁控濺射裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)在管型或圓柱狀基底上制備均勻的固體薄膜具有現(xiàn)實(shí)意義，能夠擴(kuò)展磁控濺射技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域，同時(shí)在管型或圓柱狀基底上制備出的均勻固體薄膜能夠有效的改進(jìn)在具體應(yīng)用領(lǐng)域的應(yīng)用效果。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了能夠采用磁控濺射技術(shù)在管型或圓柱狀基底上制備一致性良好的均勻薄膜，本發(fā)明的目的在于提供一種能夠在管型或圓柱狀基底上濺射制備出一致性良好薄膜的基底旋轉(zhuǎn)、固定與加熱裝置。該裝置能夠在10°c -900°c的溫度范圍內(nèi)控制基底溫度，可調(diào)可控，能夠在不同的 靶基距、濺射氣壓、氣體流量、濺射功率下在管型基底上制備一致性良好的薄膜，濺射靶為 矩形狀，靶與基片臺(tái)所處平面平行或有0-45°的夾角，且中心連線與基片臺(tái)所處平面垂直，靶的形狀與基片臺(tái)形狀相似，靶與基片臺(tái)相對(duì)應(yīng)的邊平行，邊長(zhǎng)比在
0.1-2的范圍之內(nèi)。磁控濺射電源可是是直流電源或交流電源，可以采用金屬靶材或陶瓷靶材進(jìn)行金屬薄膜或者化合物薄膜的制備。
[0005]本發(fā)明的優(yōu)良效果在于:
[0006]通過(guò)設(shè)計(jì)磁控濺射裝置的基底旋轉(zhuǎn)、固定與加熱裝置，能夠使管型或圓柱狀基底實(shí)現(xiàn)軸向連續(xù)旋轉(zhuǎn)，且管型基底溫度可調(diào)可控，能夠在一定的基底溫度范圍之內(nèi)進(jìn)行濺射，從而實(shí)現(xiàn)在管型或圓柱狀基底上制備出一致性良好的均勻薄膜。
[0007]1、本發(fā)明所設(shè)計(jì)的磁控濺射裝置，管型或者圓柱狀基底能夠在軸向上連續(xù)勻速旋轉(zhuǎn)。
[0008]2、本發(fā)明所設(shè)計(jì)的磁控濺射裝置，管型或者圓柱狀基底在加熱的情況下受熱均勻，溫度一致性好。
[0009]3、本發(fā)明所設(shè)計(jì)的磁控濺射裝置，能夠在不同形狀的管型或圓柱狀基底上制備一致性良好的均勻固體薄膜。
[0010]4、本發(fā)明所設(shè)計(jì)的磁控濺射裝置，可以采用直流電源或者交流電源作為磁控濺射電源。
[0011]5、本發(fā)明所設(shè)計(jì)的磁控濺射裝置，可以采用金屬靶材或者陶瓷靶材，可以進(jìn)行金屬薄膜的制備，也可以進(jìn)行化合物薄膜的制備。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0012]圖1為磁控濺射基底安裝裝置的剖面圖。
[0013]圖2為磁控濺射裝置腔室的剖面圖。
[0014]圖中:I為齒輪,2為密封磁流體,3為轉(zhuǎn)動(dòng)軸,4為夾具,5為管狀或圓柱狀基底,6為熱電偶，7為電加熱器，8為導(dǎo)線，9為濺射靶，10為循環(huán)冷卻水。
【具體實(shí)施方式】
[0015]如圖1-2所示，一種磁控濺射裝置，包括一個(gè)密閉的長(zhǎng)方型腔體，于腔體內(nèi)的底部設(shè)有用于放置濺射靶靶材的基片臺(tái)，于腔體內(nèi)、基片臺(tái)的下方設(shè)有磁鋼；于腔體內(nèi)的頂部設(shè)有樣品臺(tái)；
[0016]于樣品臺(tái)下方、腔體的左右側(cè)壁上相對(duì)對(duì)稱設(shè)有用于固定鍍件的夾具，相對(duì)設(shè)置于左右側(cè)壁上的夾具一端端面相對(duì)應(yīng)，夾具的另一端為設(shè)有轉(zhuǎn)動(dòng)軸，轉(zhuǎn)動(dòng)軸穿過(guò)側(cè)壁面與電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)連接。
[0017]于轉(zhuǎn)動(dòng)軸與長(zhǎng)方型腔體的側(cè)壁間設(shè)有水冷磁流體，通過(guò)水冷磁流體密封轉(zhuǎn)動(dòng)軸，水冷磁流體固定于長(zhǎng)方型腔體的側(cè)壁上；
[0018]于長(zhǎng)方型腔體的外側(cè)壁上設(shè)有冷卻水`夾套，冷卻水夾套上的進(jìn)出水口分別與外界水源相連；
[0019]水冷磁流體上的進(jìn)出水口分別經(jīng)冷卻水夾套與外界水源相連；水冷磁流體轉(zhuǎn)動(dòng)軸所處腔室壁內(nèi)部有循環(huán)冷卻水流動(dòng)，以保證在濺射過(guò)程中器壁處于冷卻狀態(tài)。
[0020]所述濺射靶采用的磁控濺射電源采用直流電源或者交流電源；
[0021]于所述長(zhǎng)方型腔體側(cè)壁上設(shè)有抽氣口，抽氣口通過(guò)管路與一真空泵相連。
[0022]所述夾具為2對(duì)以上,每對(duì)均于腔體左右側(cè)壁上相對(duì)對(duì)稱。
[0023]靶材的形狀與基片臺(tái)的形狀均為矩形，對(duì)應(yīng)邊平行放置，且邊長(zhǎng)比在0.1-2之間。
[0024]夾具遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)動(dòng)軸的一端為圓形，在圓形的圓周處均勻分布的三個(gè)或者四個(gè)彈簧片，圓形的大小可以根據(jù)基底的直徑或者長(zhǎng)度進(jìn)行調(diào)節(jié)。
[0025]圖1為磁控濺射基底安裝裝置的剖面圖，采用水冷磁流體密封轉(zhuǎn)動(dòng)軸，轉(zhuǎn)動(dòng)軸由外置電機(jī)帶動(dòng)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)具有調(diào)速功能，夾具固定在轉(zhuǎn)動(dòng)軸的前端，由在圓周均勻分布的三個(gè)或者四個(gè)彈簧片構(gòu)成，可以根據(jù)基底的直徑或者長(zhǎng)度進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)，管型或圓柱狀基底由兩個(gè)夾具所固定，樣品臺(tái)可以安裝1-20組(軸中心在一條直線上的兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)軸及所帶夾具為一組)轉(zhuǎn)動(dòng)軸設(shè)備，從而一次可以濺射多根管型或圓柱狀基底。
[0026]圖2為磁控濺射裝置腔室的剖面圖，加熱電阻絲置于樣品臺(tái)內(nèi)部，熱電偶從樣品臺(tái)的上部伸入濺射腔室之內(nèi)，接近于基底外壁，通過(guò)外電路控制基片臺(tái)升降溫速率與基底溫度，在基底軸向轉(zhuǎn)動(dòng)的情況下，實(shí)現(xiàn)基底受熱均勻，溫度一致，從而得到均勻一致的固體薄膜；水冷磁流體轉(zhuǎn)動(dòng)軸所處腔室壁內(nèi)部有循環(huán)冷卻水流動(dòng)，以保證在濺射過(guò)程中器壁處于冷卻狀態(tài)。[0027]實(shí)施例1
[0028]如圖1所示，磁控濺射儀的基底安裝裝置上共有5組轉(zhuǎn)動(dòng)軸及夾具，在5根外徑為3cm、長(zhǎng)度為1.5m的NiO+YSZ/YSZ (YSZ為氧化釔摻雜的氧化鋯)管型固體氧化物燃料的膜電極上制備GDC (氧化釓摻雜的氧化鈰)薄膜隔層，在基底溫度為400°C的溫度下進(jìn)行濺射，以Ce/Gd合金材料為祀材進(jìn)行反應(yīng)派射，祀為矩形，長(zhǎng)為Im,寬為0.5m,祀基距為9cm,派射完成后，在管型基底兩端與中間部位的隔層厚度相當(dāng)，在基底任一徑向截面的圓周上的薄膜厚度相當(dāng)，且微觀結(jié)構(gòu)一致，致密性良好，制備出了均勻一致的GDC電解質(zhì)隔層薄膜。
[0029]實(shí)施例2
[0030]如圖1所示，磁控濺射儀的基底安裝裝置上共有4組轉(zhuǎn)動(dòng)軸及夾具，在4根外徑為
2.0cm、長(zhǎng)度為1.0m的NiO+YSZ/YSZ管型固體氧化物燃料的膜電極上制備SDC(氧化釤摻雜的氧化鈰)薄膜隔層，在基底溫度為800°C的溫度下進(jìn)行濺射，以Ce/Sm合金材料為靶材進(jìn)行反應(yīng)濺射，靶為矩形，長(zhǎng)為0.Sm,寬為0.3m，靶基距為8cm，濺射完成后，在管型基底兩端與中間部位的隔層厚度相當(dāng)，在基底任一徑向截面的圓周上的薄膜厚度相當(dāng)，且微觀結(jié)構(gòu)一致，致密性良好，制備出了均勻一致的SDC電解質(zhì)隔層薄膜。
[0031]實(shí)施例3
[0032]如圖1所示，磁控濺射儀的基底安裝裝置上共有4組轉(zhuǎn)動(dòng)軸及夾具，在4根外徑為
0.8cm、長(zhǎng)度為1Ocm的NiO+YSZ管型固體氧化物燃料的陽(yáng)極基底上制備YSZ(氧化釔摻雜的氧化鋯)電解質(zhì)薄膜，在基底溫度為800°C的溫度下進(jìn)行濺射，以Y/Zr合金材料為靶材進(jìn)行反應(yīng)濺射，靶為矩形，長(zhǎng)為8cm，寬為4cm，靶基距為6cm，濺射完成后，在管型基底兩端與中間部位的隔層厚度相當(dāng)，在基底任一徑向截面的圓周上的薄膜厚度相當(dāng)，且微觀結(jié)構(gòu)一致，致密性良好，制備出了均勻一致的YSZ電解質(zhì)薄膜。
[0033]實(shí)施例4
[0034]如圖1所示，磁控濺射儀的基底安裝裝置上共有4組轉(zhuǎn)動(dòng)軸及夾具，在4根長(zhǎng)度為
1.0m、外橫截面及尺寸如熱電偶6所示的橢圓管形的NiO+YSZ/YSZ固體氧化物燃料的膜電極上制備SDC (氧化釤摻雜的氧化鈰)薄膜隔層，在基底溫度為800°C的溫度下進(jìn)行濺射，以Sm/Ce合金材料為祀材進(jìn)行反應(yīng)派射，祀為矩形，長(zhǎng)為0.8m,寬為0.3m,祀基距為8cm,派射完成后，在管型基底兩端與中間部位的隔層厚度相當(dāng)，在基底任一徑向截面的圓周上的薄膜厚度相當(dāng)，且微觀結(jié)構(gòu)一致，致密性良好，制備出了均勻一致的SDC電解質(zhì)隔層薄膜。
【權(quán)利要求】
1.一種磁控濺射裝置，其特征在于: 包括一個(gè)密閉的長(zhǎng)方型腔體，于腔體內(nèi)的底部設(shè)有用于放置濺射靶靶材的基片臺(tái)，于腔體內(nèi)、基片臺(tái)的下方設(shè)有磁鋼；于腔體內(nèi)的頂部設(shè)有樣品臺(tái)； 于樣品臺(tái)下方、腔體的左右側(cè)壁上相對(duì)對(duì)稱設(shè)有用于固定鍍件的夾具，相對(duì)設(shè)置于左右側(cè)壁上的夾具一端端面相對(duì)應(yīng)，夾具的另一端為設(shè)有轉(zhuǎn)動(dòng)軸，轉(zhuǎn)動(dòng)軸穿過(guò)側(cè)壁面與電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)連接。
2.按照權(quán)利要求1所述濺射裝置，其特征在于: 于轉(zhuǎn)動(dòng)軸與長(zhǎng)方型腔體的側(cè)壁間設(shè)有水冷磁流體，通過(guò)水冷磁流體密封轉(zhuǎn)動(dòng)軸，水冷磁流體固定于長(zhǎng)方型腔體的側(cè)壁上； 于長(zhǎng)方型腔體的外側(cè)壁上設(shè)有冷卻水夾套，冷卻水夾套上的進(jìn)出水口分別與外界水源相連； 水冷磁流體上的進(jìn)出水口分別經(jīng)冷卻水夾套與外界水源相連；水冷磁流體轉(zhuǎn)動(dòng)軸所處腔室壁內(nèi)部有循環(huán)冷卻水流動(dòng)，以保證在濺射過(guò)程中器壁處于冷卻狀態(tài)。
3.按照權(quán)利要求1或2所述濺射裝置，其特征在于: 所述濺射靶采用的磁控濺射電源采用直流電源或者交流電源； 于所述長(zhǎng)方型腔體側(cè)壁上設(shè)有抽氣口，抽氣口通過(guò)管路與一真空泵相連。
4.按照權(quán)利要求1所述濺射裝置，其特征在于:所述夾具為2對(duì)以上，每對(duì)均于腔體左右側(cè)壁上相對(duì)對(duì)稱。`
5.按照權(quán)利要求1所述濺射裝置，其特征在于: 靶材的形狀與基片臺(tái)的形狀均為矩形，對(duì)應(yīng)邊平行放置，且邊長(zhǎng)比在0.1-2之間。
6.按照權(quán)利要求1所述濺射裝置，其特征在于: 夾具遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)動(dòng)軸的一端為圓形，在圓形的圓周處均勻分布的三個(gè)或者四個(gè)彈簧片，圓形的大小可以根據(jù)基底的直徑或者長(zhǎng)度進(jìn)行調(diào)節(jié)。
7.按照權(quán)利要求1所述濺射裝置，其特征在于: 樣品臺(tái)內(nèi)部設(shè)有加熱電阻絲，一熱電偶從樣品臺(tái)的上部伸入濺射腔室之內(nèi)，加熱電阻絲與外界電源相連，通過(guò)外電路控制基片臺(tái)升降溫速率與基底溫度，在基底軸向轉(zhuǎn)動(dòng)的情況下，實(shí)現(xiàn)基底受熱均勻，溫度一致，從而得到均勻一致的固體薄膜； 轉(zhuǎn)動(dòng)軸由外置電機(jī)帶動(dòng)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)具有調(diào)速功能，夾具固定在轉(zhuǎn)動(dòng)軸的前端。
8.—種權(quán)利要求1所述濺射裝置的應(yīng)用，其特征在于: 所述濺射裝置用于管型或圓柱狀基底磁控濺射鍍膜，能夠在管型或圓柱狀基底上沉積制備均勻一致的固體薄膜； 管型或圓柱狀基底在加熱的條件下能夠保持基底溫度均勻一致，且基底溫度可調(diào)可控； 磁控濺射可以采用金屬靶材或者陶瓷靶材，進(jìn)行金屬薄膜的制備或進(jìn)行化合物薄膜的制備。
9.按照權(quán)利要求8所述的應(yīng)用，其特征在于:對(duì)于化合物薄膜的制備，可以采用金屬靶材進(jìn)行反應(yīng)濺射，也可以采用陶瓷靶材進(jìn)行濺射。
10.按照權(quán)利要求8所述的應(yīng)用，其特征在于: 管型或圓柱狀基底能夠在軸向上連續(xù)旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速可調(diào)可控；管型或圓柱狀基底由兩個(gè)夾具所固定，樣品臺(tái)下方安裝1-20組帶夾具的轉(zhuǎn)動(dòng)軸，轉(zhuǎn)動(dòng)軸的軸中心在一條直線上的兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)軸及所帶夾具為一組，從而一次`可以濺射1-20根管型或圓柱狀基底。
【文檔編號(hào)】C23C14/35GK103866249SQ201210539031
【公開(kāi)日】2014年6月18日 申請(qǐng)日期:2012年12月13日 優(yōu)先權(quán)日:2012年12月13日
【發(fā)明者】程謨杰, 武衛(wèi)明, 涂寶峰, 崔大安 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所