專(zhuān)利名稱：一種生長(zhǎng)立方織構(gòu)二氧化鈰膜層的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種獲得立方織構(gòu)二氧化鈰的制備方法。
技術(shù)背景陶瓷氧化物二氧化鈰(Ce02),通過(guò)磁控濺射的方法制備成膜應(yīng)用于諸多領(lǐng)域，特別是 在超導(dǎo)材料研究中，常以Ce02薄膜作為隔離層。常規(guī)情況下，在用磁控濺射方法鍍膜來(lái) 生長(zhǎng)Ce02薄膜時(shí)，以陶瓷氧化物Ce02做為靶材。陶瓷氧化物靶材的濺射產(chǎn)額較相應(yīng)的 金屬靶材的濺射產(chǎn)額低，因而成膜生長(zhǎng)速率慢，且必須使用射頻的濺射電源。而金屬材料 濺射產(chǎn)額高，生長(zhǎng)速率快，可用直流濺射電源，成本低。以金屬材料為濺射靶材，需進(jìn)行 反應(yīng)濺射形成相應(yīng)氧化物。本發(fā)明使用Ce金屬靶，采取反應(yīng)濺射方式生長(zhǎng)雙軸取向的 二氧化鈰。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種生長(zhǎng)雙軸取向二氧化鈰薄膜的方法。采用磁控濺射鍍膜方 法，以金屬Ce為靶材，以水氣代替氧氣作為反應(yīng)氣體，在具有立方織構(gòu)的金屬襯底，或 帶有立方織構(gòu)氧化物隔離層的金屬襯底，或具有立方結(jié)構(gòu)或贗立方結(jié)構(gòu)的單晶襯底上制備 二氧化鈰膜。所制得的二氧化鈰隔離層具有單一立方織構(gòu)，以滿足在其上外延生長(zhǎng)其它隔 離層并生長(zhǎng)YBCO涂層或直接生長(zhǎng)YBCO涂層的需要。 為了實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用以下的技術(shù)方案 一種生長(zhǎng)立方織構(gòu)二氧化鈰膜層的方法，該方法包括下述步驟(1) 、將具有立方織構(gòu)的金屬襯底，或帶有立方織構(gòu)氧化物隔離層的金屬襯底，或具 有立方結(jié)構(gòu)或展立方結(jié)構(gòu)的單晶襯底進(jìn)行清潔處理；(2) 、清洗后的上述襯底置于磁控濺射沉積腔體中，抽真空至腔體的背底真空小于或 等于5xl(^Pa;將襯底加熱至600-750°C，再充氬氣至腔體氣壓lxl0"Pa-8xl0—ipa;以金 屬Ce為濺射靶材，采用直流磁控濺射沉積方法，開(kāi)始預(yù)濺射；G)、預(yù)濺射20分鐘后，通入水氣，使沉積腔體內(nèi)的水含量控制在lxlO—3-6.5xlO—3Pa, 并調(diào)控制沉積腔體內(nèi)壓力至1Pa-5Pa，開(kāi)始正式濺射沉積，沉積完后，即得二氧化鈰膜。 在本發(fā)明中，所使用的具有立方織構(gòu)的金屬襯底，或帶有立方織構(gòu)氧化物隔離層的金
屬襯底，其中，對(duì)金屬并沒(méi)有作具體的限定，只要是能具有立方織構(gòu)或在其上帶有立方織 構(gòu)氧化物隔離層的任何金屬襯底，都適用本發(fā)明，都能實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，經(jīng)常使用的金 屬襯底有具有立方織構(gòu)的金屬鎳或鎳合金襯底。此外也可以使用具有立方結(jié)構(gòu)或贗立方結(jié) 構(gòu)的單晶襯底，也都適用本發(fā)明，也都能實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，如Zr02， LaA10,，等單晶襯 底。需要說(shuō)明的是，在所述步驟(3)中，通入水氣，使沉積腔體內(nèi)的水含量控制在lxl(T3-6.5xl(r3Pa Pa，這里所說(shuō)的1x10—3-6.5xl(T3Pa是水氣壓，該水氣壓相當(dāng)于水氣在沉積腔體內(nèi)的分壓；并調(diào)控制沉積腔體內(nèi)壓力至1Pa-5Pa，此步驟可通過(guò)調(diào)節(jié)氬氣進(jìn)腔體的進(jìn)氣量或?qū)φ婵涨惑w的抽氣量來(lái)實(shí)現(xiàn)。在所述的步驟(1)中，將具有立方織構(gòu)的金屬襯底，或帶有立方織構(gòu)氧化物隔離層的金屬襯底，或具有立方結(jié)構(gòu)或贗立方結(jié)構(gòu)的單晶襯底進(jìn)行清潔處理；要求清潔處理后的表面不留水跡、污漬；在所述的歩驟(2)中，所述的濺射靶材和襯底的距離即靶基距為80-150mm。 在所述的步驟(2)、 (3)中，所述的預(yù)濺射和濺射的濺射功率為100-200W。 在所述的步驟(2)、 (3)中，所述的預(yù)濺射為非正式濺射，采取遮擋的方式，用遮擋物將襯底遮擋住，使預(yù)濺射的產(chǎn)物不能沉積到襯底上；待預(yù)濺射結(jié)束后、開(kāi)始正式濺射沉積前，撤掉遮擋物。本發(fā)明是采用磁控濺射鍍膜方法，以金屬Ce為靶材，在具有立方織構(gòu)的金屬襯底， 或帶有立方織構(gòu)氧化物隔離層的金屬襯底，或具有立方結(jié)構(gòu)或贗立方結(jié)構(gòu)的單晶襯底上制 備立方織構(gòu)二氧化鈰膜。所采用的磁控濺射鍍膜方法是一種真空的物理沉積方法。在抽真 空至腔體的背底真空小于或等于5xl(^Pa之后，充氬氣至腔體氣壓1x10—'Pa-8xl(TPa，在 預(yù)濺射20分鐘后，通入水氣，使沉積腔體內(nèi)的水含量控制在1x10—:i-6.5x10—2Pa，并調(diào)控 制沉積腔體內(nèi)壓力至1Pa-5Pa。其中，充氬氣和通入水氣優(yōu)選采用下述方式在所述的歩驟(2)的充氬氣至腔體內(nèi)的過(guò)程中，是采用管路直接將氬氣通向?yàn)R射靶 材的靶材面。在所述的歩驟(3)的通入水氣至腔體內(nèi)的過(guò)程中，是采用管路直接將水氣通向襯底 的沉積面。所述的氬氣為純度^99.999%的氬氣。純度^99.999%的氬氣稱為高純氬氣。 在所述的步驟(3)中，濺射時(shí)間依所需厚度而定。在所述的步驟(2)、 (3)中，操作順序?yàn)榍惑w抽背底真空、襯底加熱、高純氬氣預(yù) 濺射、通水、調(diào)腔體氣壓、正式濺射。
本發(fā)明優(yōu)點(diǎn)
本發(fā)明提供了一種生長(zhǎng)立方織構(gòu)二氧化鈰膜層的方法。
1. 用常規(guī)磁控濺射方法鍍膜來(lái)生長(zhǎng)Ce02薄膜，以陶瓷氧化物Ce02做為耙材，陶瓷 氧化物靶材的濺射產(chǎn)額較相應(yīng)的金屬靶材的濺射產(chǎn)額低，因而成膜生長(zhǎng)速率慢，且必須使 用射頻的濺射電源。而金屬材料濺射產(chǎn)額高，生長(zhǎng)速率快，可用直流濺射電源，成本低。
2. 以金屬材料為濺射靶材，生長(zhǎng)二氧化鈰，需進(jìn)行反應(yīng)濺射形成相應(yīng)氧化物。在高 溫氧環(huán)境中金屬鎳或鎳合金襯底易被氧化而對(duì)成膜不利。本發(fā)明以水代替氧氣作為反應(yīng)氣 體，有效阻止了直接通入的氧氣將金屬襯底氧化。水中的氧足以形成氧化物，水中的氫可 阻止金屬基底氧化。因此，在一定水壓下，即可以將濺射產(chǎn)物氧化，形成氧化物膜，又可 防止襯底被氧化，生成立方織構(gòu)Ce02薄膜。
3. 該方法適合于具有立方織構(gòu)的金屬襯底，和帶有立方織構(gòu)氧化物隔離層的金屬襯 底，以及具有立方結(jié)構(gòu)或贗立方結(jié)構(gòu)的單晶襯底。
4. 本發(fā)明提供的方法生長(zhǎng)的二氧化鈰膜為純立方織構(gòu)。x-光衍射e-2e掃描為純c軸取
向。


圖1為采用本發(fā)明的方法在帶有YSZ/Y203隔離層的金屬NiW襯底上生長(zhǎng)的立方織
構(gòu)ce02 x-光衍射e-2e掃描
圖2為采用本發(fā)明的方法生長(zhǎng)的立方織構(gòu)Ce02X-光衍射(111) cp掃描 圖3為采用本發(fā)明的方法生長(zhǎng)的立方織構(gòu)Ce02X-光衍射(111)極圖 圖4為采用本發(fā)明的方法生長(zhǎng)的立方織構(gòu)Ce02X-光衍射(111) 2.5D極圖 圖5為采用本發(fā)明的方法生長(zhǎng)的立方織構(gòu)Ce02表面形貌圖
圖6為釆用本發(fā)明的方法在立方織構(gòu)NiW合金襯底上生長(zhǎng)的立方織構(gòu)Ce02 X-光衍
射e-2e掃描
圖7為采用本發(fā)明的方法在單晶Zr02襯底上生長(zhǎng)的立方織構(gòu)Ce02 X-光衍射G-2e掃
描
具體實(shí)施例方式
在下述實(shí)施例中，預(yù)濺射均采用遮擋的方式，用遮擋物將襯底遮擋住，使預(yù)濺射的產(chǎn) 物不能沉積到襯底上；待預(yù)濺射結(jié)束后、正式濺射前撤掉遮擋物。
實(shí)施例1
將帶有立方織構(gòu)氧化物隔離層的金屬襯底用丙酮進(jìn)行超聲清洗除油，表面不留水跡、 污漬。將該樣品放入磁控濺射沉積腔體中，抽真空至背底真空小于5x10—4Pa。襯底升溫至 750°C，充氬氣至3x10—'Pa;以金屬Ce圓片為濺射靶材，采用直流磁控濺射沉積技術(shù)，濺 射功率200W，靶基距150mm，開(kāi)始預(yù)濺射；20分鐘后向腔體內(nèi)通入水氣，使腔體內(nèi)水氣 分壓為5xl(T3Pa，控制沉積腔體內(nèi)總氣壓1 Pa，開(kāi)始正式濺射沉積。沉積完后，即得Ce02 膜。
圖1為采用本發(fā)明的方法在帶有YSZ/Y203隔離層的金屬NiW襯底上生長(zhǎng)的立方織構(gòu) Ce02X-光衍射e-2e掃描，圖2為其(111) (p掃描。從圖中可看出，Ce02為純c軸取向和 優(yōu)良的平面內(nèi)取向，(p掃描半高寬小于7。。圖3、圖4為其相應(yīng)的(111)極圖和2.5D極 圖。表現(xiàn)了 Ce02單一立方織構(gòu)取向。圖5為掃描電鏡觀測(cè)的Ce02表面形貌圖。表面平 整、連續(xù)，晶界覆蓋完整。
實(shí)施例2
將具有立方織構(gòu)金屬襯底用丙酮進(jìn)行超聲清洗除油，表面不留水跡、污漬。將該樣品 放入磁控濺射沉積腔體中，抽真空至背底真空小于5xl(T'Pa。襯底升溫至700。C，充氬氣 至1x10—'Pa;以金屬Ce圓片為濺射靶材，采用直流磁控濺射沉積技術(shù),濺射功率150W， 靶基距120mm，丌始預(yù)濺射；20分鐘后向腔體內(nèi)通入水氣，使腔體內(nèi)水氣分壓為 1.0xl(T3Pa，控制沉積腔體內(nèi)總氣壓3Pa,開(kāi)始正式濺射沉積。沉積完后，即得Ce02膜。
圖6為采用本發(fā)明的方法在立方織構(gòu)Ni金屬襯底上生長(zhǎng)的立方織構(gòu)Ce02 X-光衍射
e-2e掃描
實(shí)施例3
將帶有立方織構(gòu)氧化物隔離層的金屬襯底用丙酮進(jìn)行超聲清洗除油，表面不留水跡、 污漬。將該樣品放入磁控濺射沉積腔體中，抽真空至背底真空小于5xl(TPa。襯底升溫至 600°C，充氬氣至8x10—'Pa;以金屬Ce為濺射靶材，釆用直流磁控濺射沉積技術(shù),濺射功 率100W,靶基距80mm，開(kāi)始預(yù)濺射；20分鐘后向腔體內(nèi)通入水氣，使腔體內(nèi)水氣分壓 為3xl(^Pa，控制沉積腔體內(nèi)總氣壓5Pa，開(kāi)始正式濺射沉積。沉積完后，即得Ce02膜。
實(shí)施例4
將帶有立方織構(gòu)氧化物隔離層的金屬襯底用丙酮進(jìn)行超聲清洗除油，表面不留水跡、污漬。將該樣品放入磁控濺射沉積腔體中，抽真空至背底真空小于5xl(TPa。襯底升溫至 650°C，充氬氣至5x10—'Pa;以金屬Ce圓片為濺射靶材，采用直流磁控濺射沉積技術(shù)，濺 射功率180W，靶基距150mm，開(kāi)始預(yù)濺射；20分鐘后向腔體內(nèi)通入水氣，使腔體內(nèi)水氣 分壓為4xl0—3Pa，控制沉積腔體內(nèi)總氣壓2Pa，開(kāi)始正式濺射沉積。沉積完后，即得Ce02膜。實(shí)施例5將ZrO,(為具有立方結(jié)構(gòu))的單晶襯底，用丙酮進(jìn)行超聲清洗除油，表面不留水跡、 污漬。將該樣品放入磁控濺射沉積腔體中，抽真空至背底真空小于5x10—'Pa。襯底升溫至 700°C，充氬氣至2x10—'Pa;以金屬Ce為濺射靶材，采用直流磁控濺射沉積技術(shù),濺射功 率150W，靶基距100mm，丌始預(yù)濺射；20分鐘后向腔體內(nèi)通入水氣，使腔體內(nèi)水氣分壓 為6.5xlO^Pa，控制沉積腔體內(nèi)總氣壓2 Pa，開(kāi)始正式濺射沉積。沉積完后，即得Ce02 膜。實(shí)施例6將LaAlO,(為贗立方結(jié)構(gòu))的單晶襯底，用丙酮進(jìn)行超聲清洗除油，表面不留水跡、 污漬。將該樣品放入磁控濺射沉積腔體中，抽真空至背底真空小于5xl(T'Pa。襯底升溫至 730°C，充氬氣至5x10—'Pa;以金屬Ce為濺射靶材，采用直流磁控濺射沉積技術(shù)，濺射功 率120W，靶基距150mm，開(kāi)始預(yù)濺射；20分鐘后向腔體內(nèi)通入水氣，使腔體內(nèi)水氣分壓 為2xl(T、a，控制沉積腔體內(nèi)總氣壓lPa，開(kāi)始正式濺射沉積。沉積完后，即得Ce02膜。
權(quán)利要求
1、一種生長(zhǎng)立方織構(gòu)二氧化鈰膜層的方法，其特征在于，該方法包括下述步驟(1)、將具有立方織構(gòu)的金屬襯底，或帶有立方織構(gòu)氧化物隔離層的金屬襯底，或具有立方結(jié)構(gòu)或贗立方結(jié)構(gòu)的單晶襯底進(jìn)行清潔處理；(2)、清洗后的上述襯底置于磁控濺射沉積腔體中，抽真空至腔體的背底真空小于或等于5×10-4Pa；將襯底加熱至600-750℃，再充氬氣至腔體氣壓1×10-1Pa-8×10-1Pa；以金屬Ce為濺射靶材，采用直流磁控濺射沉積方法，開(kāi)始預(yù)濺射；(3)、預(yù)濺射20分鐘后，通入水氣，使沉積腔體內(nèi)的水含量控制在1×10-3-6.5×10-3Pa，并調(diào)控制沉積腔體內(nèi)壓力至1Pa-5Pa，開(kāi)始正式濺射沉積，沉積完后，即得二氧化鈰膜。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的生長(zhǎng)立方織構(gòu)二氧化鈽膜層，其特征在于在所述的步驟 (2)中，所述的濺射靶材和襯底的距離即靶基距為80-150mm。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的生長(zhǎng)立方織構(gòu)二氧化鈰膜層，其特征在于在所述的 歩驟(2)、 (3)中，所述的預(yù)濺射和正式濺射的濺射功率為100-200W。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的生長(zhǎng)立方織構(gòu)二氧化鈰膜層，其特征在于在所述的 步驟(2)、 (3)中，所述的預(yù)濺射為非正式濺射，采取遮擋的方式，用遮擋物將襯底遮擋 住，使預(yù)濺射的產(chǎn)物不能沉積到襯底上；待預(yù)濺射結(jié)束后、開(kāi)始正式濺射沉積前，撤掉遮 擋物。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的生長(zhǎng)立方織構(gòu)二氧化鈰膜層，其特征在于在所述的歩驟(2)的充氬氣至腔體內(nèi)的過(guò)程中，是采用管路直接將氬氣通向?yàn)R射靶材的靶材面。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的生長(zhǎng)立方織構(gòu)二氧化鈰膜層，其特征在于在所述的歩驟(3)的通入水氣至腔體內(nèi)的過(guò)程中，是釆用管路直接將水氣通向襯底的沉積面。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的生長(zhǎng)立方織構(gòu)二氧化鈰膜層，其特征在于在所述的步驟(2)中，所述的襯底的加熱溫度為600-750。C。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的生長(zhǎng)立方織構(gòu)二氧化鈰膜層，其特征在于所述的氬 氣為純度￡99.999%的氬氣。
全文摘要
一種生長(zhǎng)立方織構(gòu)二氧化鈰膜層的方法，包括(1)、將具有立方織構(gòu)的金屬襯底，或帶有立方織構(gòu)氧化物隔離層的金屬襯底，或具有立方結(jié)構(gòu)或贗立方結(jié)構(gòu)的單晶襯底進(jìn)行清潔處理；(2)、清洗后的上述襯底置于磁控濺射沉積腔體中，抽真空至腔體的背底真空小于或等于5×10^-4Pa；將襯底加熱至600-750℃，再充氬氣至腔體氣壓1×10^-1Pa-8×10^-1Pa；以金屬Ce為濺射靶材，采用直流磁控濺射沉積方法，開(kāi)始預(yù)濺射；(3)、預(yù)濺射20分鐘后，通入水氣，使沉積腔體內(nèi)的水含量控制在1×10^-3-6.5×10^-3Pa，并調(diào)控制沉積腔體內(nèi)壓力至1Pa-5Pa，開(kāi)始正式濺射沉積，沉積完后，即得二氧化鈰膜。所制得的二氧化鈰隔離層具有單一立方織構(gòu)，以滿足在其上外延生長(zhǎng)其它隔離層并生長(zhǎng)YBCO涂層的需要。
文檔編號(hào)C23C14/08GK101117703SQ20061008904
公開(kāi)日2008年2月6日 申請(qǐng)日期2006年7月31日 優(yōu)先權(quán)日2006年7月31日
發(fā)明者劉慧舟, 飛 屈, 堅(jiān) 楊 申請(qǐng)人:北京有色金屬研究總院