[发明专利]射频偏置溅射装置及溅射方法

说明书

技术领域

本发明涉及电解质膜制备技术领域，特别是涉及一种射频偏置溅 射装置及溅射方法。

背景技术

全固态固体氧化物燃料电池是目前重要的能源转换器件。固体氧 化物燃料电池的电解质传统上采用压片的方法制备，但是获得的电池 欧姆阻较大，电池的运行温度高。近年来阳极支撑固体氧化物燃料电 池的发展，使用传统的压片方法制备出来的电解质膜已不能满足需 求。

目前有采用射频溅射制备电解质膜的方法，此方法制备出的电解 质膜无法达到行业发展的需求，不能制备出高致密度的电解质膜，限 制了阳极支撑固体氧化物燃料电池的发展及应用。

射频偏置溅射设备包括非平衡磁控电极，偏置对应电极及真空腔 室，等离子可形成于由两个电极与真空腔室构成的空间内。这些电极 中至少一者是提供射频溅射的材料，并产生射频等离子体，而射频偏 置对应电极通过吸引等离子体轰击衬底承载架上的衬底，从而获得致 密电解质膜。传统射频溅射装置，使用传统平面平衡磁控电极，衬底 承载架与真空腔室一起作为对应电极，此对应电极通常接地，以产生 射频等离子体，主要用作于制备氧化物膜。射频溅射装置解决了磁控 电极表面的放电问题，在磁控电极上产生射频等离子体，整个溅射过 程稳定。但是由于沉积源材料的能量低，在薄膜增厚的界面上，沉积 原子或原子团不能充分扩散，进而导致所沉积的薄膜在微观结构上有 许多的孔隙，且厚度不均匀，不能满足对利用溅射装置制备高致密度 电解质膜的需求。

美国专利US5556519公开了一种磁控溅射离子镀装置，通过采 用非平衡阴极，给衬底表面吸引高密度直流等离子体，主要制备致密 氮化物、碳化物及金属膜等非介电膜。这些薄膜具有显著的特征：溅 射物质属于导体，所沉积的薄膜也是导体。因此使衬底恒压偏置，可 以获得高质量的致密薄膜。而采用此设备制备氧化物薄膜或介电薄 膜，磁控电极由于电荷积累导致溅射不能持续或不断放电，整个过程 处于非稳态过程。因此，此类设备不能用于制备出氧化物薄膜或介电 薄膜，即无法制备出高致密度电解质膜。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种用于沉积高致密度电解质 膜，且溅射过程稳定的射频偏置溅射装置及溅射方法。

为解决上述问题，本发明提供一种射频偏置溅射装置，射频偏置 溅射装置包括真空室、偏置对应电极、至少两个辅助磁极、至少一个 非平衡磁控电极以及两个射频电源，每一非平衡磁控电极设有非平衡 磁场，所述偏置对应电极和至少两个辅助磁极固定在真空室内的一 端，至少两个辅助磁极对称分布在偏置对应电极的两侧，所述至少一 非平衡磁控电极固定在真空室内的另一端，所述偏置对应电极和非平 衡磁控电极分别与射频电源电连接，所述偏置对应电极与真空室绝 缘，所述至少两个辅助磁极与非平衡磁控电极形成闭合场。

进一步的，所述偏置对应电极包括滑动电环、初级旋转轴、中心 旋转板、加热装置、固定齿轮、传动齿轮、电机和至少两个衬底承载 架，所述初级旋转轴转动设在所述真空室上，且所述初级旋转轴与真 空室绝缘，所述初级旋转轴的第一端位于真空室外，初级旋转轴的第 二端位于真空室内，所述初级旋转轴的第一端与电机连接；所述滑动 电环滑动设在初级旋转轴上并电连接，同时滑动电环与射频电源连 接，所述滑动电环位于真空室外；所述固定齿轮与所述初级旋转轴同 轴设置并固定在所述真空室内，所述加热装置固定在所述固定齿轮 上，所述中心旋转板固定在初级旋转轴的第二端，所述至少两个衬底 承载架转动设在所述中心旋转板上，每一衬底承载架上设有传动齿 轮，所述传动齿轮与所述固定齿轮啮合传动。

进一步的，所述非平衡磁控电极的中心线与初级旋转轴的轴心线 之间的夹角在0°到30°之间。

进一步的，所述真空室上设有用于与真空泵连接换气口以及用于 给真空室内注入气体的进气管，所述真空室内壁设有冷却管。

进一步的，所述射频偏置溅射装置还包括冷水机，所述冷水机与 冷却管连接。

进一步的，所述非平衡磁控电极内设有冷却通道，所述冷却通道 与冷却管连接。

进一步的，所述加热装置为加热电阻丝或加热管。

进一步的，所述射频偏置溅射装置还包括屏蔽罩，所述屏蔽罩设 在真空室上，且偏置对应电极位于屏蔽罩内，所述真空室接地。

本发明还提供一种采用上述的射频偏置溅射装置进行的溅射方 法，包括以下步骤：