一種制備具有雙軸織構(gòu)的氧化物薄膜的設(shè)備和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及薄膜材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種制備具有雙軸織構(gòu)的氧化物薄膜的 設(shè)備和方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 具有雙軸織構(gòu)的薄膜，由于其晶粒取向具有一定的一致性，因此相對于無織構(gòu)的 普通薄膜具有一些特殊的物理性質(zhì)，因此雙軸織構(gòu)氧化物薄膜在一些領(lǐng)域可以產(chǎn)生很好的 應(yīng)用效果。如果要在無織構(gòu)的基底材料上制備具有雙軸織構(gòu)的薄膜，現(xiàn)有技術(shù)有兩種物理 氣相沉積方法，即傾斜基底沉積（ISD)和離子束輔助沉積（IBAD)。但是，ISD技術(shù)只能制備 種類很少的薄膜材料、而且薄膜的c軸方向并不與基底垂直，因此其使用范圍有很大的限 制。IBAD技術(shù)的適用范圍更加廣泛，其原理為在薄膜生長過程中使用輔助離子束以一定的 角度傾斜入射轟擊，從而使薄膜材料在形核或生長過程中，擇優(yōu)取向的晶粒獲得相對優(yōu)勢， 而抑制其他取向的晶粒。IBAD技術(shù)可制備的雙軸織構(gòu)薄膜材料包括氧化鎂（MgO)、鋯酸釓 (Gd 2Zr207)、氧化鈰（Ce02)、氧化釔（Y20 3)、氧化釔穩(wěn)定氧化鋯（YSZ)、銦錫氧化物（IT0)等。 輔助離子束能量為數(shù)百eV，傾斜入射角度在30?60°范圍內(nèi)。不過，IBAD技術(shù)因?yàn)樾枰?昂貴的離子源，存在成本高的缺點(diǎn)。
[0003] 磁控濺射技術(shù)是一種傳統(tǒng)的薄膜制備方法，相對于其他的真空沉積技術(shù)，其設(shè)備 造價(jià)較低，對真空度的要求也不高，具有低成本的顯著優(yōu)勢，因此在產(chǎn)業(yè)化的薄膜制備領(lǐng)域 得到了廣泛的應(yīng)用。在使用磁控濺射方法制備氧化物薄膜的過程中，在合適的參數(shù)條件下 會出現(xiàn)粒子束流轟擊正在沉積的薄膜的現(xiàn)象，這一粒子束流主要由氧負(fù)離子和氧原子構(gòu) 成。這一現(xiàn)象的物理機(jī)制在于，靶材表面的氧元素（在使用純金屬靶材的情況下，當(dāng)真空室 內(nèi)濺射氣體中含有氧氣，也會由于靶材中毒現(xiàn)象而在表面存在氧化物層）以氧負(fù)離子的形 式被濺射出來，在靶材表面的等離子體鞘層沿著垂直于靶材表面的方向受到加速，在行進(jìn) 過程中負(fù)離子也可能失去電子從而成為氧原子，但仍具備一定的能量。因此，主要由氧負(fù)離 子和氧原子構(gòu)成的粒子束流，會沿著靶材法線方向轟擊正在沉積過程中的薄膜。這一轟擊 現(xiàn)象可能會引起反濺射效應(yīng)從而降低薄膜的厚度，轟擊強(qiáng)度過大時(shí)甚至?xí)种票∧どL， 因此在薄膜制備過程中一般需要避免這樣的粒子束流轟擊現(xiàn)象。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的主要目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種制備具有雙軸織構(gòu)的氧化 物薄膜的設(shè)備和方法，能以較低的成本制備出具有雙軸織構(gòu)的氧化物薄膜。
[0005] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：
[0006] 一種制備具有雙軸織構(gòu)的氧化物薄膜的設(shè)備，包括磁控濺射真空室以及安裝在所 述磁控濺射真空室內(nèi)的磁控濺射靶材和樣品架，所述磁控濺射靶材為在磁控濺射過程中能 夠產(chǎn)生主要由氧負(fù)離子和氧原子構(gòu)成的粒子束流的金屬或金屬氧化物靶材，所述磁控濺射 靶材和所述樣品架的相對位置經(jīng)配置，使得所述磁控濺射靶材與所述樣品架上安裝的基底 材料之間的距離在1厘米?100厘米范圍內(nèi)，且從所述磁控濺射靶材上射出的所述粒子束 流在所述基底材料上的入射方向與所述基底材料的法線之間的夾角在30°?60°范圍 內(nèi)，所述磁控濺射真空室的工作氣壓在〇. OlPa?10Pa范圍內(nèi)，在磁控濺射過程中濺射功率 和濺射電壓受控制以產(chǎn)生能量在范圍內(nèi)1〇〇?l〇〇〇eV的所述粒子束流。
[0007] -種制備具有雙軸織構(gòu)的氧化物薄膜的方法，使用所述的設(shè)備產(chǎn)生粒子束流并對 正在基底材料上沉積的氧化物薄膜進(jìn)行定向轟擊，從而使所述氧化物薄膜獲得雙軸織構(gòu)。
[0008] 本發(fā)明通過調(diào)節(jié)磁控濺射參數(shù)，產(chǎn)生主要由氧負(fù)離子和氧原子構(gòu)成的輔助粒子束 流，對正在成長的薄膜進(jìn)行定向轟擊，從而具備類似IBAD技術(shù)中輔助離子束的效果，可以 使得薄膜中擇優(yōu)取向的晶粒在形核或者生長過程中具備相對優(yōu)勢，而其他取向的晶粒則受 到抑制，從而可以使制備的氧化物薄膜具有雙軸織構(gòu)。
[0009] 進(jìn)一步地：
[0010] 所述氧化物薄膜材料可以為氧化鎂（MgO)、鋯酸釓（Gd2Zr20 7)、氧化鈰（Ce02)、氧化 釔（Y203)、氧化釔穩(wěn)定氧化鋯（YSZ)、銦錫氧化物（IT0)等。所述磁控濺射靶材是可以提供 需沉積薄膜中的金屬元素或金屬元素的氧化物的靶材。例如，為了制備氧化鎂薄膜，可以使 用鎂靶材，也可以使用氧化鎂靶材。
[0011] 所述磁控濺射靶材與所述樣品架上安裝的基底材料之間的距離在1厘米?100厘 米范圍內(nèi)，例如8厘米。
[0012] 從所述磁控濺射靶材上射出的所述粒子束流在所述基底材料上的入射方向與所 述基底材料的法線之間的夾角在30°?60°范圍內(nèi)，例如45°。
[0013] 所述基底材料為單一成分的材料，或具有單層或多層覆膜結(jié)構(gòu)的材料，所述基底 靜置在所述樣品架上或進(jìn)行運(yùn)動(dòng)以實(shí)現(xiàn)大面積薄膜或長帶狀薄膜的均勻制備。
[0014] 所述基底材料的表面溫度控制在-196?1000°C范圍內(nèi)，例如30°C。
[0015] 可通入惰性氣體或者惰性氣體和氧氣的組合以實(shí)現(xiàn)磁控濺射真空室的工作氣壓 的調(diào)節(jié)。
[0016] 進(jìn)一步地，對獲得雙軸織構(gòu)的氧化物薄膜進(jìn)行熱處理，以改善其表面形貌或應(yīng)力 狀態(tài)。
[0017] 進(jìn)一步地，在獲得雙軸織構(gòu)的氧化物薄膜上外延生長相同材料的薄膜、或者外延 生長其他材料薄膜。
[0018] 本發(fā)明的有益效果：
[0019] 本發(fā)明基于傳統(tǒng)的磁控濺射技術(shù)，但利用以往薄膜制備過程中認(rèn)為需要避免的粒 子束流轟擊現(xiàn)象，使沉積過程中產(chǎn)生主要由氧負(fù)離子和氧原子構(gòu)成的粒子束流，去定向轟 擊正在生長的薄膜，實(shí)現(xiàn)了輔助薄膜沉積、使薄膜產(chǎn)生雙軸織構(gòu)的效果。通過控制真空室內(nèi) 的工作氣壓、磁控濺射靶材與基底材料之間的距離、以及粒子束流的入射角度，使薄膜在沉 積過程中被能量在100?l〇〇〇eV范圍內(nèi)的粒子束流傾斜入射轟擊，能夠讓薄膜中擇優(yōu)取向 的晶粒在形核或者生長過程中具備相對優(yōu)勢，而其他取向的晶粒則受到抑制，最終可以得 到具有雙軸織構(gòu)的氧化物薄膜。相對于離子束輔助沉積方法這一現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明不需要 使用昂貴的離子源，因此具有低成本的顯著優(yōu)勢。
【附圖說明】
[0020] 圖1是本發(fā)明實(shí)施例的磁控濺射設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖；
[0021] 圖2是由本發(fā)明實(shí)施例所制備的氧化鎂薄膜的（111)晶面U掃描XRD測量結(jié)果， 可以反映其面外織構(gòu)情況；
[0022] 圖3是由本發(fā)明實(shí)施例所制備的氧化鎂薄膜的（200)晶面9掃描XRD測量結(jié)果， 可以反映其面內(nèi)織構(gòu)情況。
【具體實(shí)施方式】
[0023] 以下對本發(fā)明的實(shí)施方式作詳細(xì)說明。應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的是，下述說明僅僅是示例性的， 而不是為了限制本發(fā)明的范圍及其應(yīng)用。
[0024] 發(fā)明人研宄發(fā)現(xiàn)，磁控濺射產(chǎn)生的粒子束流的常見能量是數(shù)百eV，恰好是IBAD技 術(shù)中輔助離子束典型的能量大小，因?yàn)榭梢岳眠@樣的粒子束流的轟擊來使擇優(yōu)取向晶粒 在形核或生長過程中獲得相對優(yōu)勢的效果。而且，該粒子束流由于加速方向垂直于靶材表 面，因此具有較好的定向性，可以方便、可靠地設(shè)置其入射角度，從而可以達(dá)到使特定氧化 物薄膜獲得雙軸織構(gòu)的目的。本發(fā)明利用粒子束流轟擊正在生長的薄膜這個(gè)一般需要在磁 控濺射過程中被避免的現(xiàn)象，經(jīng)適當(dāng)配置后應(yīng)用到制備雙軸織構(gòu)薄膜的過程中卻取得了很 好的應(yīng)用效果。由于粒子束流在磁控濺射系統(tǒng)中就可以產(chǎn)生，并不需要使用昂貴的離子源 設(shè)備，所以本發(fā)明提出的技術(shù)方案相對于IBAD技術(shù)這一現(xiàn)有技術(shù)具備明顯的低成本優(yōu)勢。 下文中將把該粒子束流稱為輔助粒子束流。
[0025] 參閱圖1，根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例，制備具有雙軸織構(gòu)的氧化物薄膜的設(shè)備包括 磁控濺射真空室1以及安裝在磁控濺射真空室1內(nèi)的磁控濺射靶材2和樣品架3,其中，磁 控濺射靶材2為在磁控濺射過程中能夠產(chǎn)生主要由氧負(fù)離子和氧原子構(gòu)成的粒子束流5的 金屬或金屬氧化物靶材，磁控濺射靶材2和樣品架3的相對位置經(jīng)配置，使得磁控濺射靶材 2與樣品架3上安裝的基底材料4之間的距離在1厘米?100厘米范圍內(nèi)，且從磁控濺射靶 材2上射出的粒子束流5在基底材料4上的入射方向與基底材料4的法線之間的夾角0 在30°?60°范圍內(nèi)，磁控濺射真空室1的工作氣壓在O.OlPa?10Pa范圍內(nèi)，在磁控濺 射過程中，濺射功率和電壓受控制以產(chǎn)生能量在范圍內(nèi)100?1000eV的粒子束流。
[0026] 在另一些實(shí)施例中，提供一種使用該設(shè)備制備具有雙軸織構(gòu)的氧化物薄膜的方 法，該方法可以包括以下具體步驟：
[0027] (S1)根據(jù)所需沉積的薄膜材料，在磁控濺射真空室中安裝相應(yīng)的靶材；
[0028] (S2)調(diào)節(jié)革巴材與樣品架的相對位置，在1?100厘米范圍內(nèi)選擇合適的革巴材與基 底之間的距離，在30?60°范圍內(nèi)選擇靶材法線與基底法線的夾角；
[0029] (S3)將基底清