一種制備具有雙軸織構的氧化物薄膜的設備和方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及薄膜材料技術領域，具體涉及一種制備具有雙軸織構的氧化物薄膜的 設備和方法。
【背景技術】
[0002] 具有雙軸織構的薄膜，由于其晶粒取向具有一定的一致性，因此相對于無織構的 普通薄膜具有一些特殊的物理性質，因此雙軸織構氧化物薄膜在一些領域可以產生很好的 應用效果。如果要在無織構的基底材料上制備具有雙軸織構的薄膜，現有技術有兩種物理 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，擇優取向的晶粒獲得相對優勢， 而抑制其他取向的晶粒。IBAD技術可制備的雙軸織構薄膜材料包括氧化鎂（MgO)、鋯酸釓 (Gd 2Zr207)、氧化鈰（Ce02)、氧化釔（Y20 3)、氧化釔穩定氧化鋯（YSZ)、銦錫氧化物（IT0)等。 輔助離子束能量為數百eV，傾斜入射角度在30?60°范圍內。不過，IBAD技術因為需要 昂貴的離子源，存在成本高的缺點。
[0003] 磁控濺射技術是一種傳統的薄膜制備方法，相對于其他的真空沉積技術，其設備 造價較低，對真空度的要求也不高，具有低成本的顯著優勢，因此在產業化的薄膜制備領域 得到了廣泛的應用。在使用磁控濺射方法制備氧化物薄膜的過程中，在合適的參數條件下 會出現粒子束流轟擊正在沉積的薄膜的現象，這一粒子束流主要由氧負離子和氧原子構 成。這一現象的物理機制在于，靶材表面的氧元素（在使用純金屬靶材的情況下，當真空室 內濺射氣體中含有氧氣，也會由于靶材中毒現象而在表面存在氧化物層）以氧負離子的形 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 過程中負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，主要由氧負離 子和氧原子構成的粒子束流，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 現象可能會引起反濺射效應從而降低薄膜的厚度，轟擊強度過大時甚至會抑制薄膜生長， 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象。
【發明內容】
[0004] 本發明的主要目的在于針對現有技術的不足，提供一種制備具有雙軸織構的氧化 物薄膜的設備和方法，能以較低的成本制備出具有雙軸織構的氧化物薄膜。
[0005] 為實現上述目的，本發明采用以下技術方案：
[0006] 一種制備具有雙軸織構的氧化物薄膜的設備，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 夠產生主要由氧負離子和氧原子構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，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，所述磁控濺射真空室的工作氣壓在〇. OlPa?10Pa范圍內，在磁控濺射過程中濺射功率 和濺射電壓受控制以產生能量在范圍內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的氧化物薄膜的方法，使用所述的設備產生粒子束流并對 正在基底材料上沉積的氧化物薄膜進行定向轟擊，從而使所述氧化物薄膜獲得雙軸織構。
[0008] 本發明通過調節磁控濺射參數，產生主要由氧負離子和氧原子構成的輔助粒子束 流，對正在成長的薄膜進行定向轟擊，從而具備類似IBAD技術中輔助離子束的效果，可以 使得薄膜中擇優取向的晶粒在形核或者生長過程中具備相對優勢，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。
[0009] 進一步地：
[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，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，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構的材料，所述基底 靜置在所述樣品架上或進行運動以實現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，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現磁控濺射真空室的工作氣壓 的調節。
[0016] 進一步地，對獲得雙軸織構的氧化物薄膜進行熱處理，以改善其表面形貌或應力 狀態。
[0017] 進一步地，在獲得雙軸織構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] 本發明的有益效果：
[0019] 本發明基于傳統的磁控濺射技術，但利用以往薄膜制備過程中認為需要避免的粒 子束流轟擊現象，使沉積過程中產生主要由氧負離子和氧原子構成的粒子束流，去定向轟 擊正在生長的薄膜，實現了輔助薄膜沉積、使薄膜產生雙軸織構的效果。通過控制真空室內 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范圍內的粒子束流傾斜入射轟擊，能夠讓薄膜中擇優取向 的晶粒在形核或者生長過程中具備相對優勢，而其他取向的晶粒則受到抑制，最終可以得 到具有雙軸織構的氧化物薄膜。相對于離子束輔助沉積方法這一現有技術，本發明不需要 使用昂貴的離子源，因此具有低成本的顯著優勢。
【附圖說明】
[0020] 圖1是本發明實施例的磁控濺射設備結構示意圖；
[0021] 圖2是由本發明實施例所制備的氧化鎂薄膜的（111)晶面U掃描XRD測量結果， 可以反映其面外織構情況；
[0022] 圖3是由本發明實施例所制備的氧化鎂薄膜的（200)晶面9掃描XRD測量結果， 可以反映其面內織構情況。
【具體實施方式】
[0023] 以下對本發明的實施方式作詳細說明。應該強調的是，下述說明僅僅是示例性的， 而不是為了限制本發明的范圍及其應用。
[0024] 發明人研宄發現，磁控濺射產生的粒子束流的常見能量是數百eV，恰好是IBAD技 術中輔助離子束典型的能量大小，因為可以利用這樣的粒子束流的轟擊來使擇優取向晶粒 在形核或生長過程中獲得相對優勢的效果。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、可靠地設置其入射角度，從而可以達到使特定氧化 物薄膜獲得雙軸織構的目的。本發明利用粒子束流轟擊正在生長的薄膜這個一般需要在磁 控濺射過程中被避免的現象，經適當配置后應用到制備雙軸織構薄膜的過程中卻取得了很 好的應用效果。由于粒子束流在磁控濺射系統中就可以產生，并不需要使用昂貴的離子源 設備，所以本發明提出的技術方案相對于IBAD技術這一現有技術具備明顯的低成本優勢。 下文中將把該粒子束流稱為輔助粒子束流。
[0025] 參閱圖1，根據本發明的一些實施例，制備具有雙軸織構的氧化物薄膜的設備包括 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生主要由氧負離子和氧原子構成的粒子束流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，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，磁控濺射真空室1的工作氣壓在O.OlPa?10Pa范圍內，在磁控濺 射過程中，濺射功率和電壓受控制以產生能量在范圍內100?1000eV的粒子束流。
[0026] 在另一些實施例中，提供一種使用該設備制備具有雙軸織構的氧化物薄膜的方 法，該方法可以包括以下具體步驟：
[0027] (S1)根據所需沉積的薄膜材料，在磁控濺射真空室中安裝相應的靶材；
[0028] (S2)調節革巴材與樣品架的相對位置，在1?100厘米范圍內選擇合適的革巴材與基 底之間的距離，在30?60°范圍內選擇靶材法線與基底法線的夾角；
[0029] (S3)將基底清