[发明专利]一种制备具有双轴织构的氧化物薄膜的设备和方法

说明书

技术领域

本发明涉及薄膜材料技术领域，具体涉及一种制备具有双轴织构的氧化物薄膜的设备和方法。

背景技术

具有双轴织构的薄膜，由于其晶粒取向具有一定的一致性，因此相对于无织构的普通薄膜具有一些特殊的物理性质，因此双轴织构氧化物薄膜在一些领域可以产生很好的应用效果。如果要在无织构的基底材料上制备具有双轴织构的薄膜，现有技术有两种物理气相沉积方法，即倾斜基底沉积(ISD)和离子束辅助沉积(IBAD)。但是，ISD技术只能制备种类很少的薄膜材料、而且薄膜的c轴方向并不与基底垂直，因此其使用范围有很大的限制。IBAD技术的适用范围更加广泛，其原理为在薄膜生长过程中使用辅助离子束以一定的角度倾斜入射轰击，从而使薄膜材料在形核或生长过程中，择优取向的晶粒获得相对优势，而抑制其他取向的晶粒。IBAD技术可制备的双轴织构薄膜材料包括氧化镁(MgO)、锆酸钆(Gd₂Zr₂O₇)、氧化铈(CeO₂)、氧化钇(Y₂O₃)、氧化钇稳定氧化锆(YSZ)、铟锡氧化物(ITO)等。辅助离子束能量为数百eV，倾斜入射角度在30～60°范围内。不过，IBAD技术因为需要昂贵的离子源，存在成本高的缺点。

磁控溅射技术是一种传统的薄膜制备方法，相对于其他的真空沉积技术，其设备造价较低，对真空度的要求也不高，具有低成本的显著优势，因此在产业化的薄膜制备领域得到了广泛的应用。在使用磁控溅射方法制备氧化物薄膜的过程中，在合适的参数条件下会出现粒子束流轰击正在沉积的薄膜的现象，这一粒子束流主要由氧负离子和氧原子构成。这一现象的物理机制在于，靶材表面的氧元素(在使用纯金属靶材的情况下，当真空室内溅射气体中含有氧气，也会由于靶材中毒现象而在表面存在氧化物层)以氧负离子的形式被溅射出来，在靶材表面的等离子体鞘层沿着垂直于靶材表面的方向受到加速，在行进过程中负离子也可能失去电子从而成为氧原子，但仍具备一定的能量。因此，主要由氧负离子和氧原子构成的粒子束流，会沿着靶材法线方向轰击正在沉积过程中的薄膜。这一轰击现象可能会引起反溅射效应从而降低薄膜的厚度，轰击强度过大时甚至会抑制薄膜生长，因此在薄膜制备过程中一般需要避免这样的粒子束流轰击现象。

发明内容

本发明的主要目的在于针对现有技术的不足，提供一种制备具有双轴织构的氧化物薄膜的设备和方法，能以较低的成本制备出具有双轴织构的氧化物薄膜。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种制备具有双轴织构的氧化物薄膜的设备，包括磁控溅射真空室以及安装在所述磁控溅射真空室内的磁控溅射靶材和样品架，所述磁控溅射靶材为在磁控溅射过程中能够产生主要由氧负离子和氧原子构成的粒子束流的金属或金属氧化物靶材，所述磁控溅射靶材和所述样品架的相对位置经配置，使得所述磁控溅射靶材与所述样品架上安装的基底材料之间的距离在1厘米～100厘米范围内，且从所述磁控溅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与所述基底材料的法线之间的夹角在30°～60°范围内，所述磁控溅射真空室的工作气压在0.01Pa～10Pa范围内，在磁控溅射过程中溅射功率和溅射电压受控制以产生能量在范围内100～1000eV的所述粒子束流。

一种制备具有双轴织构的氧化物薄膜的方法，使用所述的设备产生粒子束流并对正在基底材料上沉积的氧化物薄膜进行定向轰击，从而使所述氧化物薄膜获得双轴织构。

本发明通过调节磁控溅射参数，产生主要由氧负离子和氧原子构成的辅助粒子束流，对正在成长的薄膜进行定向轰击，从而具备类似IBAD技术中辅助离子束的效果，可以使得薄膜中择优取向的晶粒在形核或者生长过程中具备相对优势，而其他取向的晶粒则受到抑制，从而可以使制备的氧化物薄膜具有双轴织构。

进一步地：

所述氧化物薄膜材料可以为氧化镁(MgO)、锆酸钆(Gd₂Zr₂O₇)、氧化铈(CeO₂)、氧化钇(Y₂O₃)、氧化钇稳定氧化锆(YSZ)、铟锡氧化物(ITO)等。所述磁控溅射靶材是可以提供需沉积薄膜中的金属元素或金属元素的氧化物的靶材。例如，为了制备氧化镁薄膜，可以使用镁靶材，也可以使用氧化镁靶材。

所述磁控溅射靶材与所述样品架上安装的基底材料之间的距离在1厘米～100厘米范围内，例如8厘米。