專利名稱：采用無接觸加熱的共蒸發(fā)工藝制備薄膜的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種制備薄膜的方法和裝置，特別是涉及一種采用無接觸加熱的共蒸發(fā)工藝制備薄膜的方法和裝置。
常用制備薄膜的方法是采用脈沖激光淀積法(以下簡稱PLD)、濺射法、電子束共蒸發(fā)和熱共蒸積法等。PLD方法能生長出性能優(yōu)良的薄膜，但它的生長速度會隨膜層面積增大和增厚而變緩慢，制備難度亦隨之迅速加大。此外，PLD法還需要昂貴的大功率準(zhǔn)分子激光器，而且用PLD方法制備薄膜會產(chǎn)生小顆粒(particle)，影響膜的質(zhì)量。如文獻(xiàn)1Double-sided YBa2Cu3O7-δthin films madeby off-axis pulsed laser deposition，supercond.Sci.Technol.14，543-547，2001中所介紹的。采用濺射方法制備薄膜，如文獻(xiàn)2Uniformdeposition of YBa2Cu3O7-δthinfilms over an 8 inch diameter area by a 90°off-axis sputtering technique，Appl.Phys.Lett.69(25)3911，1996中所介紹的，該方法易形成反濺射，使膜的質(zhì)量下降。電子束共蒸發(fā)制備大面積膜，如文獻(xiàn)3Properties of thin and ultra-thin YBCO films grown by aCo-evaporation technique，Journal of Alloys and Compounds251，156-160，1997中所述該方法的電子槍，熱源等都需要超高真空，而生長有些薄膜，如高溫超導(dǎo)膜又需要氧氣，同時電子槍設(shè)備必須用高電壓，因此這些原因造成該方法的設(shè)備復(fù)雜，費(fèi)用昂貴。另外，該方法一般需要后退火處理，不適合制備大面積高溫超導(dǎo)厚膜。熱共蒸發(fā)法雖可以實(shí)現(xiàn)大面積薄膜的淀積，如文獻(xiàn)4Continuous YBa2Cu3O7-δFilm Deposition by Optically Controlled Reactivethermal Co-evaporation，IEEE Transactions on Applied Superconductivity，7，1181-1184，1997中所述，該方法又具有設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，淀積薄膜的均勻性好，品質(zhì)高，淀積速率快等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)應(yīng)用與淀積3-9英寸的大面積超導(dǎo)薄膜中，具有廣泛的市場應(yīng)用前景。但是這一方法也有自身的缺陷，如通常采用金屬鎢和鉭材料作為熱舟，這兩種物質(zhì)在氧氣中易氧化，且在高溫中易蒸發(fā)，因此在制膜過程中，鎢或鉭摻入到薄膜中，大大降低膜的品質(zhì)。
本發(fā)明的目的在于克服上述由金屬材料作為熱舟，而在制膜過程中熱舟材料易氧化而造成膜質(zhì)量下降的缺點(diǎn)，提供了一種采用無接觸加熱的共蒸發(fā)制備薄膜的方法和裝置。
本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的本發(fā)明提供的采用無接觸加熱的共蒸發(fā)制備薄膜方法的專用裝置，包括帶有石英窗口的真空室、紅外測溫儀、和安裝在真空室外兩側(cè)與真空室連通的真空機(jī)組，真空室內(nèi)上方安裝基片加熱器、檔板和光欄；高壓氣瓶通過真空室壁上的針閥與真空室連通；控制計(jì)算機(jī)與控制電源和基片加熱器電連接；其特征在于還包括至少一套由安裝在真空室內(nèi)的一靶懸浮管、中空水冷管制作的感應(yīng)線圈和副感應(yīng)線圈、感應(yīng)電源和副感應(yīng)電源作成的渦流加熱器；其中中空水冷管與外部水冷系統(tǒng)向連通，感應(yīng)線圈和副感應(yīng)線圈均勻的纏繞在靶懸浮管外壁上部和下部，相鄰二匝保持絕緣，感應(yīng)線圈兩端引線分別連接于感應(yīng)電源和副感應(yīng)電源輸出端之上；感應(yīng)電源分別與計(jì)算機(jī)電連接；基片加熱器位于真空室的下部與靶懸浮管口相對，蒸積靶材放置于靶懸浮管之中，基片和靶懸浮管口之間還放置了擋板和光欄。
所述的渦流加熱器在同一真空室內(nèi)包括1-6套。
所述的感應(yīng)線圈的匝數(shù)為1-100匝，匝數(shù)與所需要的蒸積溫度，蒸積靶材的直徑、厚度、電阻率以及高頻電源輸出的頻率及功率相關(guān)。通過調(diào)節(jié)副感應(yīng)線圈的電流可以控制靶的懸浮位置，并使其穩(wěn)定。
所述的感應(yīng)電源和副感應(yīng)電源輸出交變頻率可以是50Hz-100MHz。
所述的感應(yīng)線圈和副感應(yīng)線圈包括中空水冷紫銅管、中空銀管、或其它導(dǎo)電材料制成的中空螺旋管。
所述的靶懸浮管包括用石英、陶瓷、玻璃或其它絕緣材料制成。
本發(fā)明的裝置采用中空水冷感應(yīng)線圈照計(jì)算的匝數(shù)均勻的纏繞在靶懸浮管管外壁，匝數(shù)為1-100匝不等，匝數(shù)與所需要的蒸積溫度，蒸積靶材的直徑、厚度、電阻率以及高頻電源輸出的頻率及功率有關(guān)。以保持良好的水冷效果，另外管壁要有適當(dāng)?shù)暮穸?，以保證能夠通過高頻大電流。此種設(shè)計(jì)主要是利用電磁感應(yīng)效應(yīng)和楞次定律，當(dāng)線圈與高頻交變電源接通時，高頻交變電流在線圈內(nèi)激發(fā)很強(qiáng)的高頻交變磁場，此時交變磁通穿過的導(dǎo)電靶材內(nèi)部產(chǎn)生渦流，釋放出大量的焦耳熱，達(dá)到蒸積溫度，實(shí)現(xiàn)膜的生長。另外，應(yīng)為磁通與渦流磁場相互作用，靶受到懸浮力，當(dāng)懸浮力大于重力時靶就懸浮起來。副感應(yīng)線圈產(chǎn)生一個與重力同向的力。感應(yīng)線圈、副感應(yīng)線圈產(chǎn)生的力與重力為零的位置就為靶穩(wěn)定的位置。
本發(fā)明提供的一種應(yīng)用本發(fā)明的采用無接觸加熱共蒸發(fā)的裝置制備薄膜的方法，包括將蒸積靶材放置于靶懸浮管內(nèi)，打開水冷裝置，循環(huán)冷卻水流經(jīng)感應(yīng)線圈、副感應(yīng)線圈從而降低了系統(tǒng)的溫度，維持真空系統(tǒng)在要求的真空度下，調(diào)節(jié)高頻交變感應(yīng)電源的功率和頻率達(dá)到所要求的蒸積溫度，靶材開始蒸積；靶的溫度測量通過紅外測溫儀測定。
本發(fā)明提供的制膜方法包括以下具體步驟1.首先將蒸積靶材清潔后放置于靶懸浮管內(nèi)，將基片固定于基片加熱器上，關(guān)閉真空室并打開裝置的水冷系統(tǒng)以降低系統(tǒng)溫度；2.接著開啟真空機(jī)組對系統(tǒng)抽真空，并維持真空反應(yīng)室氣壓在10-4-10-3Pa；3.接下來通過基片加熱器的控溫裝置將基片溫度升至200-800℃的長膜溫度，并調(diào)節(jié)高頻交變感應(yīng)電源輸出50-100MHz、輸出功率為3000W，使蒸積靶材達(dá)到所要求的蒸積溫度(蒸積溫度因蒸積靶材的熔點(diǎn)而定)；4.最后開啟光攔和擋板靶材開始蒸積，蒸積所需時間根據(jù)所要得到薄膜厚度決定；靶的溫度測量通過紅外測溫儀測定。
對于制備YBa2Cu3O7-δ超導(dǎo)薄膜金屬銅、金屬釔靶需分別用各自的渦流加熱器，進(jìn)行加熱達(dá)到各自的蒸積所需溫度。氟化鋇是通過另一個渦流加熱的金屬釔舟加熱到所需溫度的，控制金屬釔氟化鋇金屬銅蒸積的摩爾比率為1∶2∶3，蒸積持續(xù)時間為5-30分鐘。此后通入氧氣對膜進(jìn)行退火處理。所獲得的123相的YBa2Cu3O7-δ超導(dǎo)薄膜，厚度為200-2000nm，零電阻溫度89-91K.。Jc為2-4MA/cm2。測量表明薄膜為高質(zhì)量超導(dǎo)薄膜。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是該裝置實(shí)現(xiàn)使蒸積材料懸浮不與容器相接觸，避免了舟蒸發(fā)對薄膜的污染，具有可以在充氣環(huán)境，包括有氧環(huán)境使用，淀積速率快且易控制等優(yōu)點(diǎn)，適用于熱蒸積法制備不同種類薄膜。此外它是在金屬內(nèi)部各處同時加熱，而不是使熱量從外面?zhèn)鬟f進(jìn)去，因此加熱的效率高，速率快。另外，感應(yīng)線圈可同時連接電極和水冷裝置，在加熱蒸積靶材的同時實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的水冷，從而達(dá)到簡化設(shè)備結(jié)構(gòu)的目的。
本發(fā)明制備方法簡單將蒸積靶材放置于懸靶浮管內(nèi)，維持真空系統(tǒng)在一定的真空度，調(diào)節(jié)高頻交變電源的功率和頻率達(dá)到蒸積溫度，同時利用水冷系統(tǒng)降低系統(tǒng)的溫度。靶的溫度測量采用紅外測溫儀測定，測溫準(zhǔn)確便捷。


圖1本發(fā)明共蒸發(fā)裝置結(jié)構(gòu)組成示意圖。
圖2本發(fā)明共蒸發(fā)裝置中的渦流加熱器結(jié)構(gòu)示意圖。
(1)靶懸浮管； (2)感應(yīng)線圈(中空水冷管)；(3)副感應(yīng)線圈(中空水冷管)；(4)、感應(yīng)電源；(5)副感應(yīng)電源；(6)真空機(jī)組；(7)控制計(jì)算機(jī)；(8)測溫儀；(9)高壓氣瓶； (10)控溫裝置；(11)基片加熱器； (12)真空室；(13)檔板； (14)光欄具體實(shí)施方式
實(shí)施例1下面就結(jié)合附圖1、2和實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步的說明按圖1和2所示制作一臺無接觸加熱的共蒸發(fā)制備薄膜的裝置。靶懸浮管(1)用石英制成直徑2-10cm，高3-35cm；感應(yīng)線圈(2)和副感應(yīng)線圈(3)用中空紫銅水冷管繞制而成。所用中空紫銅水冷管直徑為3-25mm的，在用石英套管制作的靶懸浮管(1)外均勻纏繞5-15匝，纏繞時注意孔隙適當(dāng)，要保證相鄰二匝保持絕緣；感應(yīng)線圈(2)和副感應(yīng)線圈(3)的兩端引線與真空室12外的感應(yīng)電源(4)和副感應(yīng)電源(5)分別電連接；真空室(12)、擋板(13)和可調(diào)光欄(14)用不銹鋼制成。真空室(12)的上方是基片加熱器(11)，基片加熱器與控制電源(10)相連，真空室的真空度由兩側(cè)的抽氣裝置(6)和充氣裝置(9)維持。基片的溫度由紅外測溫儀(8)通過石英窗口測得。對于渦流加熱器部分，加熱器位于真空室的下部，蒸積靶材放置于靶懸浮管(1)之中。電源所輸出的電流和電壓分別由計(jì)算機(jī)(7)控制。在真空反應(yīng)室中，基片和靶懸浮管口之間還放置了擋板(13)和光欄(14)，目的是控制蒸發(fā)的速率?；瑴囟扔蠸CIT型紅外測溫儀通過觀察石英窗口測得。
實(shí)施例2
按圖1所示制作一臺無接觸加熱的共蒸發(fā)制備薄膜的裝置，只是該真空室(12)內(nèi)設(shè)置有三套渦流靶加熱器(如圖2所示)，用于共蒸發(fā)方法制備YBa2Cu3O7-δ超導(dǎo)薄膜。三套渦流靶加熱器中感應(yīng)線圈(2)和副感應(yīng)線圈(3)分別與各自的交變感應(yīng)電源相連接；調(diào)整加熱器與基片的距離，將金屬銅、金屬釔及氟化鋇分別置于三個靶懸浮管(1)之中。
實(shí)施例3應(yīng)用實(shí)施例1的裝置制備三英寸大面積釔鋇銅氧(YBa2Cu3O7-δ)超導(dǎo)薄膜。
首先將蒸積靶材金屬釔、氟化鋇、金屬銅清潔后放置于靶懸浮管內(nèi)，將基片固定于基片加熱器上，關(guān)閉真空室并打開裝置的水冷系統(tǒng)以降低系統(tǒng)溫度；接著開啟真空機(jī)組對系統(tǒng)抽真空，并維持真空反應(yīng)室的氣壓在10-4pa，以保證靶材蒸氣能夠蒸積到基片表面；接下來通過基片加熱器的控溫裝置將基片溫度升至200-800℃的長膜溫度，并調(diào)節(jié)高頻交變感應(yīng)電源輸出30MHz、輸出功率為3000W，使蒸積靶材達(dá)到所要求的蒸積溫度(蒸積溫度因蒸積靶材的熔點(diǎn)而定)；金屬銅、金屬釔靶分別用個自的渦流加熱裝置達(dá)到蒸積所需溫度。氟化鋇是通過另一個渦流加熱的金屬釔舟加熱到所需溫度的，控制金屬釔、氟化鋇、金屬銅蒸積的摩爾比率為1∶2∶3，蒸積持續(xù)時間為5-30分鐘；蒸積時開啟光攔和擋板靶材開始蒸積，靶的溫度測量通過紅外測溫儀測定。
此后還包括通入氧氣對膜進(jìn)行退火處理。所獲得的123相的YBa2Cu3O7-δ超導(dǎo)薄膜，厚度為200-2000nm，零電阻溫度89-91K.。Jc為2-4MA/cm2。測量表明薄膜為高質(zhì)量超導(dǎo)薄膜。
此方法操作簡便，制膜速度快，重復(fù)性好，具有廣泛的應(yīng)用前景。
實(shí)施例4制備四英寸大面積釔鋇銅氧(YBa2Cu3O7-δ)超導(dǎo)薄膜。
所用實(shí)驗(yàn)裝置以及實(shí)驗(yàn)過程與實(shí)施例1相同，只是實(shí)驗(yàn)是在氧壓為10-100pa條件下進(jìn)行。所獲得的樣品經(jīng)測試，超導(dǎo)薄膜厚度為200-1600nm，零電阻溫度89-90K。Jc為2.2-3.8MA/cm2。測量表明薄膜為高質(zhì)量超導(dǎo)薄膜。
實(shí)施例5、制備大面氧化鈦薄膜所用實(shí)驗(yàn)裝置以及實(shí)驗(yàn)過程與實(shí)施例1相同，只是只用一個鈦靶，并且實(shí)驗(yàn)是在氧壓為1-3Pa條件下進(jìn)行。所獲得的樣品經(jīng)測試，為優(yōu)質(zhì)氧化鈦薄膜。
實(shí)施例6制備金屬基底緩沖層本實(shí)施例如圖1所示。靶懸浮管(1)用三氧化二鋁制成，直徑2-10cm，高3-35cm；感應(yīng)線圈(2)和副感應(yīng)線圈(3)用中空紫銅水冷管繞制而成。所用中空紫銅水冷管直徑為3-25mm的，在三氧化二鋁套管外均勻纏繞5-15匝，纏繞時注意孔隙適當(dāng)，相鄰二匝保持絕緣。此共蒸發(fā)法制備金屬基底緩沖層裝置共有二套渦流靶加熱器，分別與各自的交變電源相連接；真空室(12)、擋板(13)和可調(diào)光欄(14)用不銹鋼制成。調(diào)整加熱器與基片的距離，將金鎂、金屬鈰分別至于二個加熱器之中。
應(yīng)用本實(shí)施例的裝置進(jìn)行金屬基底緩沖層，首先打開水冷以降低系統(tǒng)溫度，將真空室的氧氣壓調(diào)節(jié)到1-100Pa，以保證金屬蒸氣能夠蒸積到基片表面，并被氧化成所需緩沖層。淀積前把基底加熱到200-800℃，然后打開高頻交變電源開始淀積緩沖層。所用高頻交變電源輸出30MHz、輸出功率為3000W。首先淀積氧化鎂第一緩沖層，然后再淀積氧化鈰第二緩沖層。通過控制每一靶材加熱功率和蒸發(fā)時間控制每一層的厚度。
X射線衍射測量表明薄膜為高質(zhì)量緩沖層薄膜。
權(quán)利要求
1.一種采用無接觸加熱的共蒸發(fā)工藝制備薄膜的裝置，包括帶有石英窗口的真空室、和安裝在真空室外兩側(cè)與真空室連通的真空機(jī)組，真空室內(nèi)上方安裝基片加熱器、檔板和光欄；高壓氣瓶通過真空室壁上的針閥與真空室連通；控制計(jì)算機(jī)與控制電源和基片加熱器電連接；以及帶有紅外測溫儀；其特征在于還包括至少一套由安裝在真空室內(nèi)的一靶懸浮管、中空水冷管制作的感應(yīng)線圈和副感應(yīng)線圈、感應(yīng)電源和副感應(yīng)電源作成的渦流加熱器；其中感應(yīng)線圈和副感應(yīng)線圈均勻纏繞在靶懸浮管外壁的上部和下部，相鄰二匝保持絕緣，感應(yīng)線圈、副感應(yīng)電源兩端引線分別連接于真空室外的感應(yīng)電源和副感應(yīng)電源輸出端之上；感應(yīng)電源分別與計(jì)算機(jī)電連接；基片加熱器位于真空室的下部，蒸積靶材放置于靶懸浮管之中，基片和靶懸浮管口之間還放置了擋板和光欄。
2.按權(quán)利要求1所述的采用無接觸加熱的共蒸發(fā)工藝制備薄膜的裝置，其特征在于所述的渦流加熱器在同一真空室內(nèi)包括1-6套。
3.按權(quán)利要求1所述的采用無接觸加熱的共蒸發(fā)工藝制備薄膜的裝置，其特征在于所述的感應(yīng)線圈的匝數(shù)為1-100匝，匝數(shù)與所需要的蒸積溫度，蒸積靶材的直徑、厚度、電阻率以及高頻電源輸出的頻率及功率相關(guān)。通過調(diào)節(jié)副感應(yīng)線圈的電流可以控制靶的懸浮位置，并使其穩(wěn)定。
4.按權(quán)利要求1所述的采用無接觸加熱的共蒸發(fā)工藝制備薄膜的裝置，其特征在于所述的感應(yīng)電源和副感應(yīng)電源輸出交變頻率可以是50Hz-100MHz。
5.按權(quán)利要求1所述的采用無接觸加熱的共蒸發(fā)工藝制備薄膜的裝置，其特征在于所述的感應(yīng)線圈和副感應(yīng)線圈包括中空水冷紫銅管、中空銀管、或其它導(dǎo)電材料制成的中空螺旋管。
6.按權(quán)利要求1所述的采用無接觸加熱的共蒸發(fā)工藝制備薄膜的裝置，其特征在于所述的靶懸浮管包括用石英、陶瓷、玻璃或其它絕緣材料制成。
7.一種應(yīng)用權(quán)利要求1所述的采用無接觸加熱的共蒸發(fā)工藝制備薄膜的裝置進(jìn)行制備薄膜的方法，其特征在于將蒸積靶材放置于靶懸浮管內(nèi)，維持真空系統(tǒng)在要求的真空度下，調(diào)節(jié)高頻交變感應(yīng)電源的功率和頻率達(dá)到所要求的蒸積溫度，靶材開始蒸積；同時打開水冷，冷水經(jīng)感應(yīng)線圈、副感應(yīng)線圈降低系統(tǒng)的溫度，靶的溫度測量通過紅外測溫儀測定。
8.按權(quán)利要求7所述的采用無接觸加熱的共蒸發(fā)工藝制備薄膜的裝置進(jìn)行制備薄膜的方法，其特征在于包括以下具體步驟(1).首先將蒸積靶材清潔后放置于靶懸浮管內(nèi)，將基片固定于基片加熱器上，關(guān)閉真空室并打開裝置的水冷系統(tǒng)以降低系統(tǒng)溫度；(2).接著開啟真空機(jī)組對真空系統(tǒng)抽真空，并維持真空反應(yīng)室氣壓在10-4-10-3Pa；(3).接下來通過基片加熱器的控溫裝置將基片溫度升至200-800℃的長膜溫度，并調(diào)節(jié)高頻交變感應(yīng)電源輸出50-100MHz、輸出功率為3000W，使蒸積靶材達(dá)到所要求的蒸積溫度；(4).最后開啟光攔和擋板靶材開始蒸積，蒸積所需時間根據(jù)所要得到薄膜厚度決定；靶的溫度測量通過紅外測溫儀測定。
全文摘要
本發(fā)明涉及采用無接觸加熱的共蒸發(fā)工藝制備薄膜的方法和裝置。該方法包括將蒸積靶材放置于靶懸浮管內(nèi)，維持真空系統(tǒng)在要求的真空度下，調(diào)節(jié)高頻交變感應(yīng)電源的功率和頻率達(dá)到所要求的蒸積溫度，靶材開始蒸積；同時打開水冷，冷水經(jīng)感應(yīng)線圈、副感應(yīng)線圈降低系統(tǒng)的溫度，靶的溫度測量通過紅外測溫儀測定。該裝置在真空鍍膜設(shè)備中至少安裝一套由靶懸浮管、中空水冷管制作的感應(yīng)線圈和副感應(yīng)線圈、感應(yīng)電源和副感應(yīng)電源作成的渦流加熱器；其中感應(yīng)線圈和副感應(yīng)線圈均勻的纏繞在靶懸浮管外壁上部和下部，相鄰二匝保持絕緣，感應(yīng)線圈與電源電連接；感應(yīng)電源分別與計(jì)算機(jī)電連接。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)蒸積材料懸浮不與容器相接觸，避免了舟蒸發(fā)對薄膜的污染。
文檔編號C23C14/26GK1510160SQ0215798
公開日2004年7月7日 申請日期2002年12月20日 優(yōu)先權(quán)日2002年12月20日
發(fā)明者劉震, 周岳亮, 朱亞彬, 王淑芳, 陳正豪, 呂惠賓, 楊國楨, 劉 震 申請人:中國科學(xué)院物理研究所