洗之后安裝在磁控濺射設備的樣品架上；
[0030] (S4)關閉真空室并開動真空泵將氣壓降至ImPa以下；
[0031] (S5)通入氣流，在0.01?10Pa范圍內調節工作氣壓；
[0032] (S6)選擇合適的濺射功率和陰極電壓，使得薄膜沉積過程中可以被能量在100? lOOOeV范圍內的輔助粒子束流入射轟擊。
[0033] (S7)控制沉積時間停止濺射過程，獲得所需厚度的具有雙軸織構的薄膜。
[0034] 使用本方法制備的氧化物薄膜的材料需要具有在傾斜入射粒子轟擊下可以獲 得雙軸織構的性質，主要包括：氧化鎂（MgO)、鋯酸釓（Gd 2Zr207)、氧化鈰（Ce02)、氧化釔 (Y203)、氧化釔穩定氧化鋯（YSZ)、銦錫氧化物（ITO)等。在實施例1中，使用該方法制備的 是MgO薄膜。
[0035] 磁控濺射可以選擇直流模式，也可以選擇交流模式。本實施例中使用的是交流模 式。
[0036] 在步驟S1中，所使用的靶材成分為需沉積薄膜中的金屬元素，或者需沉積薄膜中 的金屬元素的氧化物。本實施例中使用的是鎂靶材。
[0037] 在步驟S2中，所使用的靶材與基底之間的距離可以在1?100厘米范圍內選擇， 本實施例中使用的是8厘米。輔助粒子束流入射方向與基底法線之間的夾角可以在30? 60°范圍內選擇，本實施例中使用的夾角是45°。
[0038] 在步驟S3中，所使用的基底可以選擇單一成分的材料，也可以選擇具有單層或多 層覆膜結構的材料。本實施例中使用的基底是在Hastelloy C276合金上有非晶態氧化釔 (Y203)薄膜的單層覆膜結構。在該步驟中，基底可以靜置在樣品架，也可以在樣品架上運動 以實現大面積薄膜或長帶狀薄膜的均勻制備。本實施例中使用的是基底靜置的模式。在該 步驟中，，根據需制備薄膜的種類在-196?1000°C范圍內選擇控制基底的表面溫度。本實 施例中基底溫度為約30 °C。
[0039] 在步驟S5中，所使用的氣流為惰性氣體，或者惰性氣體和氧氣的組合，其中惰性 氣體為如下氣體的一種或若干種的組合：氬氣、氪氣、氙氣等。本實施例中，使用的惰性氣體 為氬氣，并與氧氣組合一起通入真空室，其中氬氣流量所占體積分數為87. 5%，氧氣流量所 占體積分數為12. 5%，最終使真空室內的工作氣壓為0. 3Pa。
[0040] 在步驟S6中，本實施例中所使用的濺射功率為70W，輔助粒子束流的能量約為 700eV〇
[0041] 在步驟S7中，通過控制沉積時間獲得的薄膜厚度在1?lOOOnm范圍內，本實施例 中的薄膜厚度約為2nm。在本步驟中獲得的雙軸織構薄膜，面外織構半高寬在0. 1?20°范 圍內，面內織構半高寬在0. 1?40°范圍內。本實施例中，MgO薄膜具有以（111)晶面平行 于基底表面的面外織構，同時也具有三重對稱的面內織構，其面外織構半高寬約為2. 1°， 面內織構半高寬約為28. 2°。
[0042] 通過上述步驟獲得的具備雙軸織構薄膜，有可能存在表面粗糙度過大、或者應力 過強的問題，可以通過后續熱處理，改善其表面形貌或應力狀態。另外，也可以在該薄膜上 外延生長相同材料的薄膜，或者外延生長其他材料的薄膜。這樣的外延生長處理，可以獲得 進一步提高雙軸織構程度、提高阻隔元素擴散能力、改善晶格常數、提高測量信號強度等作 用，可以使得到的薄膜具有更廣泛的應用范圍，或者使薄膜性能測量難度降低。在本實施例 中，在上述的2nm厚度MgO薄膜上，繼續使用磁控濺射系統，采用了可以避免輔助粒子束流 轟擊的生長條件，在550°C的基底溫度下外延生長了約150nm厚的MgO薄膜，從而可以進行 XRD測量以表征其織構情況，測量結果如圖2和3所示。
[0043] 實施例2 :使用上述實施例的參數，但是將工作氣壓提高到2Pa，可以獲得具有 (001)晶面平行于基底表面的面外取向的MgO薄膜，其面內織構為四重對稱。
[0044] 實施例3 :使用釔鋯合金靶材，輔助粒子束流入射方向與基底表面法線夾角55°， 離子能量控制為350eV，基底溫度100°C，薄膜厚度lOOOnrn，其他參數與實施例1相同，可以 獲得具有（〇〇1)晶面平行于基底表面的面外取向的YSZ薄膜，其面內織構為四重對稱。
[0045] 實施例4 :使用釓鋯合金靶材，輔助粒子束流入射方向與基底表面法線夾角55°， 離子能量控制為200eV，基底溫度200°C，薄膜厚度500nm，其他參數與實施例1相同，可以獲 得具有（001)晶面平行于基底表面的面外取向的Gd 2Zr207薄膜，其面內織構為四重對稱。
[0046] 本方法不需要使用昂貴的離子源，只是在常見的磁控濺射設備中調節沉積參數得 到合適的輔助粒子束流，從而使薄膜沉積過程中受到束流輔助轟擊以產生雙軸織構，因此 本發明與現有技術方案（離子束輔助沉積方法）相比，具有明顯的低成本優勢。
[0047] 以上內容是結合具體/優選的實施方式對本發明所作的進一步詳細說明，不能認 定本發明的具體實施只局限于這些說明。對于本發明所屬技術領域的普通技術人員來說， 在不脫離本發明構思的前提下，其還可以對這些已描述的實施方式做出若干替代或變型， 而這些替代或變型方式都應當視為屬于本發明的保護范圍。
【主權項】
1. 一種制備具有雙軸織構的氧化物薄膜的設備，其特征在于，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0,01Pa?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l〇〇eV?lOOOeV的所述粒子束流。
2. -種制備具有雙軸織構的氧化物薄膜的方法，其特征在于，使用權利要求1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。
3. 如權利要求2所述的方法，其特征在于，所述氧化物薄膜材料為氧化鎂、鋯酸釓、氧 化鈰、氧化釔、氧化釔穩定氧化鋯或銦錫氧化物，所述磁控濺射靶材為能夠提供需沉積薄膜 中的金屬元素或金屬元素的氧化物的靶材。
4. 如權利要求2所述的方法，其特征在于，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。
5. 如權利要求2至4任一項所述的方法，其特征在于，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。
6. 如權利要求2至5任一項所述的方法，其特征在于，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。
7. 如權利要求2至5任一項所述的方法，其特征在于，所述基底材料的表面溫度控制 在-196°C?1000°C范圍內。
8. 如權利要求2至5任一項所述的方法，其特征在于，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。
9. 如權利要求2至5任一項所述的方法，其特征在于，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。
10. 如權利要求2至5任一項所述的方法，其特征在于，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。
【專利摘要】一種制備具有雙軸織構的氧化物薄膜的設備和方法，該設備包括磁控濺射真空室以及安裝在磁控濺射真空室內的磁控濺射靶材和樣品架，磁控濺射靶材與基底材料之間的距離在1厘米～100厘米范圍內，且從磁控濺射靶材上射出的粒子束流在基底材料上的入射方向與基底材料的法線之間的夾角在30°～60°范圍內，磁控濺射真空室的工作氣壓在0.01Pa～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100eV～1000eV的粒子束流，該粒子束流轟擊正在生長的薄膜使之產生雙軸織構。采用本發明，不需要使用昂貴的離子源就能制備出具有雙軸織構的氧化物薄膜。
【IPC分類】C23C14-08, C23C14-35
【公開號】CN104593742
【申請號】CN201510029133
【發明人】肖紹鑄, 馮峰, 瞿體明, 朱宇平, 盧弘愿, 韓征和
【申請人】清華大學深圳研究生院
【公開日】2015年5月6日
【申請日】2015年1月20日