專利名稱：一種帶加長型筒狀陽極的筒狀靶濺射設備的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種筒狀靶濺射系統，特別是在復雜氧化物薄膜制備中應用的筒 狀靶濺射系統。
背景技術：
筒狀耙(cylinder target)濺射系統是為了應對復雜氧化物濺射過程中出現的負 氧離子轟擊現象而采用的一種技術，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，經過電離的Ar氣在濺射過程中轟擊到筒狀靶材的內壁， 落在加熱基片上進行薄膜沉積。這種方式的好處是可以保證在濺射靶材的每個位 置，濺射產物與基片之間的位置關系處于離軸狀態，從而避免從靶材中由高能 Ar原子轟擊出的負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 能的嚴重劣化。
以前的技術在利用筒狀靶濺射的時候，比較多的考慮到濺射速率和濺射系統 (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 內徑。經過長期的實驗研究發現，即使在不施加正偏壓的情況下，陽極的加載也 是消除負氧離子轟擊的有效手段；同時如果加載的陽極面積較小，消除負氧離子 轟擊能力會變弱；同時彌散的氣態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，影響成膜質量。

發明內容
本發明的目的是提供一種制備薄膜的性能好、工藝窗口寬、薄膜表面形貌以 及均勻性均優的帶加長型筒狀陽極的筒狀靶濺射設備。 為了實現上述目的，本發明采取以下的技^:方案
一種帶加長型筒狀陽極的筒狀靶濺射設備，該濺射設備包括有
水箱，該水箱為筒狀，其頂部為敞口，該敞口的周邊緣向外凸出形成懸掛邊，
其上配合有絕緣圈，并在該水箱的環壁內設有水夾層；
筒狀靶材，該筒狀靶材為筒狀，其頂部和底部均為敞口，其底部置于水箱內
的底壁上，該筒狀靶材的整體位于水箱的下部，該筒狀靶材的外環壁與水箱的內
環壁緊密接觸；加長型筒狀陽極，該加長型筒狀陽極為筒狀，其底壁設有若干個濺射氣體進 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，在陽極蓋上接有進氣管路，該加長型筒狀陽極置于水箱內，并伸入到筒狀靶 材內，其底部位于筒狀靶材的上部位置，其外壁與筒狀靶材的內壁之間留有空隙， 該加長型筒狀陽極的支撐邊懸掛在水箱的懸掛邊上，并通過所述的圈絕緣與水箱 絕緣；
數塊磁體，該數塊磁體圍繞水箱的環壁的一周、間隔設在水箱的水夾層的內 壁上，該數塊磁體與筒狀靶材的中部相對。
本發明涉及的濺射設備的結構分如下幾個部分濺射陰極、氣路和冷卻水路 的結構。本發明的濺射設備的內容包括加長型筒狀陽極的設計和裝置、筒狀耙 材支撐和水箱的設計，及裝配、濺射氣體氣路的設計和裝配。本發明的核心部分 是加長型筒狀陽極及與之相匹配的水箱(陰極)和濺射氣路的結構和連接關系。 本發明的濺射設備置于真空室內，并在水箱的下部有加熱體。
在傳統的筒狀靶材濺射的設計中，為了節省空間， 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]到導通筒狀靶材的尺寸，該陽極 的平面尺寸應小于筒狀靶材的內圓。這種大尺寸濺射系統(包括陰極和陽極)的 好處是結構更加緊湊，同時可以采用經真空密封布置在濺射設備的上蓋上，可以 通過調節濺射陰極上下移動來調節靶基距，變化濺射條件。其不利的方面是陽 極尺寸較小，在經歷長時間濺射后，陽極上極易由于彌散的濺射原子沉積而形成 一層導電性不好的膜層，影響陽極的導電性；更加嚴重的是經過長時間累積，膜 層厚度增加可能導致掉渣等現象而落在基片上，嚴重影響薄膜的表面形貌和性 能；同時小尺寸的陽極也不利于消除倒筒靶濺射殘存的小部分負氧離子轟擊現 象。因此，從改進陽極來改進薄膜制備是筒狀耙濺射制備高性能YBCO超導薄 膜的關鍵。從已經表現出來的問題來看，陽極需要具有一定的尺寸，同時還需要 適應筒狀靶濺射部件的具體形狀。經過不斷地嘗試改進，本發明提出了帶加長型 筒狀陽極的筒狀靶濺射設備，并將頂端懸掛式濺射陰極改為底部支撐式，經實驗 證明，該套濺射系統同傳統的濺射系統相比，具有明顯的改善高溫超導薄膜成膜 質量和表面均勻性的作用。
在本發明的帶加長型筒狀陽極的筒狀靶濺射設備中，所述的冷卻水箱、筒狀 耙材、加長型筒狀陽極均為圓筒狀。在本發明的帶加長型筒狀陽極的筒狀靶濺射設備中，在所述的冷卻水箱外的 底壁上設有支撐腳。
在本發明的帶加長型筒狀陽極的筒狀靶濺射設備中，所述的加長型筒狀陽極 為無氧銅材料制成。
在本發明的帶加長型筒狀陽極的筒狀靶濺射設備中，所述的水箱上的絕緣圈、
陽極蓋均為聚四氟乙烯材料絕緣制成。
本發明的靶濺射設備經過對中空筒狀靶濺射系統的改進和完善，設計出一種 帶加長型筒狀陽極的筒狀靶濺射設備，經實驗證實，在制備復雜氧化物薄膜、特 別是高溫YBCO等稀土鋇銅氧薄膜時，可顯著改善負氧離子轟擊以及濺射物質 堆積掉渣等負影響，有顯著的改善薄膜生長質量、提高性能的作用。


圖1是加長型筒狀陽極的結構示意圖。其中，1是加長型筒狀陽極，2是 陽極蓋；3是進氣管路；4是濺射氣體進氣孔
圖2是陽極蓋和進氣管路的結構示意圖。其中，2是陽極蓋；3是進氣管路。 圖3是帶加長型筒狀陽極的筒狀靶濺射設備的結構示意圖。11是水箱；12
是筒狀靶材；13是水冷層；14是水箱的支撐腳；15是數塊磁體；16是絕緣圈； 17是支撐邊；18是懸掛邊。
圖4是帶加長型筒狀陽極的筒狀靶濺射設備裝在真空室內的結構示意圖。其 中，19是加熱體；20是真空室。
具體實施例方式
如圖1、圖2、圖3所示，在本發明的帶加長型筒狀陽極的筒狀靶濺射設備中， 筒狀耙材12放置在水箱11中的底壁上，筒狀靶材12的外環壁與水箱11的內環 壁緊密接觸；筒狀靶材12的上方為較長的水箱11的內環壁；采用的加長型筒狀 陽極1為筒型結構，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耙材12的圓筒的內徑，并伸入到筒狀靶材12內，其底部位 于筒狀耙材12的上部位置，其外壁與筒狀靶材12的內壁之間留有空隙，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 ll絕緣。水箱ll的底部是三個支撐水箱ll的支撐腳14，用以固定水箱ll。在 水箱11的環壁內設有水夾層13，是一個充滿水的夾層，水夾層13的寬度尺寸 稍大，在本實施例中為2—3cm,數塊磁體15安放進水箱11內，圍繞水箱11的環壁的一周，均布排列在水箱11的水夾層的內壁上，圍繞一圈的數塊磁體15與 筒狀耙材12的中部相對。水箱的水夾層13內所設置數塊磁體15，可以保證磁 體不退磁，同時水夾層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 本設備與以前設計的重要區別在于陰極固定在濺射設備底面，即固定在水箱11 的底端。這也是由加長陽極的特性決定的，因為如果采用濺射設備的頂端(即采 用上蓋開啟方式時真空室的上蓋)布置陰極，則所需設備很高、真空腔體很大， 均不利于薄膜的制備。
如圖4所示，本發明的濺射設備置于真空室19內，并在水箱11的下部有加 熱體20。
本發明的加長型筒狀陽極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l的陽極蓋2上接有進氣管路 3，進氣管路3通入到加長型筒狀陽極1內部，加長型筒狀陽極1的底壁均勻密 布有若干個進氣口4，濺射時采用氬、氧混合氣體，氬、氧混合氣體通過進氣管 路3進入加長型筒狀陽極1內部，并通過若干個進氣口 4進入水箱11內的腔體 內，保證濺射氣體均勻。由于陰、陽極之間不能短路，否則濺射不能起輝，所以 水箱上的絕緣圈16、陽極蓋2均為聚四氟乙烯材料絕緣制成。
加長型筒狀陽極1的特點是加長型筒狀陽極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l的底壁不僅相當于已有的陽極 的底平面可以消除負氧離子，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l的環壁與水箱ll之間留有充分的空隙，實際上，加長 型筒狀陽極1的環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。當然，隨著與濺射靶 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的長度應當是 有一定限度的。
經實驗證明，采用本發明的帶加長型筒狀陽極的筒狀靶濺射設備，相比于普 通采用小平面陽極的濺射設備，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于傳統濺射設備，體現了本發明的突出有益效果。
在安裝時，將陰極、陽極和氣路三部分安裝配關系合理裝配，則形成本發明 的濺射系統。本發明的筒狀靶濺射設備置于真空室19內(如圖4所示)，整個濺 射系統實際上是在一個密封的真空腔體內，在使用時，首先要將真空腔體抽真空 至10^Pa量級；達到真空度后再通入Ar、 02混合氣體，在通入氣體之前，Ar、 02要在混氣室內混合，然后通入真空腔體內。
其實施方式是將安裝了 YBCO筒狀靶材裝備在真空濺射系統中，在濺射 系統的底部布置加熱系統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混合氣體進行濺射(濺射氣壓20Pa、濺射電 流1.6A);濺射6小時后，獲得厚度約400nm的YBCO薄膜樣品；然后在450°C 通入0.8 fl加的純02進行退火半小時，獲得TO90 K、 Jc>2 MA/cm2的YBCO薄 膜材料。
使用時，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—卯mm。靶 材加載負電壓，連接到濺射電源，濺射電源進行直流濺射時，在靶材上加載負壓， 從而使帶正壓的經過的電離Ar+離子打到靶材上并依靠磁力線的約束在濺射區 域將濺射物質打出靶體落在基片上。
權利要求
1、一種帶加長型筒狀陽極的筒狀靶濺射設備，其特征在于該濺射設備包括有水箱，該水箱為筒狀，其頂部為敞口，該敞口的周邊緣向外凸出形成懸掛邊，其上配合有絕緣圈，并在該水箱的環壁內設有水夾層；筒狀靶材，該筒狀靶材為筒狀，其頂部和底部均為敞口，其底部置于水箱內的底壁上，該筒狀靶材的整體位于水箱的下部，該筒狀靶材的外環壁與水箱的內環壁緊密接觸；加長型筒狀陽極，該加長型筒狀陽極為筒狀，其底壁設有若干個濺射氣體進氣孔，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，在陽極蓋上接有進氣管路，該加長型筒狀陽極置于水箱內，并伸入到筒狀靶材內，其底部位于筒狀靶材的上部位置，其外壁與筒狀靶材的內壁之間留有空隙，該加長型筒狀陽極的支撐邊懸掛在水箱的懸掛邊上，并通過所述的圈絕緣與水箱絕緣；數塊磁體，該數塊磁體圍繞水箱的環壁的一周、間隔設在水箱的水夾層的內壁上，該數塊磁體與筒狀靶材的中部相對。
2、 根據權利要求1所述的帶加長型筒狀陽極的筒狀靶濺射設備，其特征在 于所述的冷卻水箱、筒狀靶材、加長型筒狀陽極均為圓筒狀。
3、 根據權利要求1或2所述的帶加長型筒狀陽極的筒狀靶濺射設備，其特 征在于在所述的冷卻水箱外的底壁上設有支撐腳。
4、 根據權利要求3所述的帶加長型筒狀陽極的筒狀靶濺射設備，其特征在于所述的加長型筒狀陽極為無氧銅材料制成。
5、 根據權利要求4所述的帶加長型筒狀陽極的筒狀靶濺射設備，其特征在于所述的水箱上的絕緣圈、陽極蓋均為聚四氟乙烯材料絕緣制成。
全文摘要
一種帶加長型筒狀陽極的筒狀靶濺射設備，包括有水箱，在該水箱的環壁內設有水夾層；筒狀靶材，該筒狀靶材的外環壁與水箱的內環壁緊密接觸；加長型筒狀陽極，其底壁設有若干個濺射氣體進氣孔，并配有陽極蓋，在陽極蓋上接有進氣管路；數塊磁體，該數塊磁體圍繞水箱的環壁的一周。加長筒型陽極采用無氧銅材料制成，水箱上的絕緣圈、陽極蓋均為聚四氟乙烯材料絕緣制成。在制備復雜氧化物薄膜、特別是高溫YBCO等稀土鋇銅氧薄膜時，采用帶加長型筒狀陽極的筒狀靶濺射設備可顯著改善負氧離子轟擊以及濺射物質堆積掉渣等負影響，有顯著的改善薄膜生長質量、提高性能的作用。
文檔編號C23C14/34GK101469405SQ20071030455
公開日2009年7月1日 申請日期2007年12月28日 優先權日2007年12月28日
發明者古宏偉, 弢 李, 王小平, 王霈文 申請人:北京有色金屬研究總院