一种生长立方织构三氧化二钇膜层的方法

专利名称：一种生长立方织构三氧化二钇膜层的方法
技术领域：
本发明涉及一种获得立方织构三氧化二钇的制备方法。
技术背景陶瓷氧化物三氧化二钇(丫203，以下简称为氧化钇)，通过磁控溅射的方法制备成膜应 用于诸多领域，特别是在超导材料研究中，常以氧化钇薄膜作为隔离层，常规情况下，用 磁控溅射方法镀膜来生长氧化钇薄膜时，以陶瓷氧化物Y203做为耙材。陶瓷氧化物耙材 的溅射产额较相应的金属靶材的溅射产额低，因而成膜生长速率慢，且必须使用射频的溅 射电源。而金属材料溅射产额高，生长速率快，可用直流溅射电源，成本低。以金属材料为溅射靶材，需进行反应溅射形成相应氧化物。本发明使用钇(Y)金属耙，采取反应溅射方式生长双轴取向的氧化钇。 发明内容本发明的目的是提供一种生长双轴取向氧化钇薄膜的方法。采用磁控溅射镀膜方法，以Y金属为靶材，以水气代替氧气作为反应气体，在立方织构金属衬底上制备氧化钇膜。 所制得的氧化钇隔离层具有单一立方织构，以满足在其上外延生长其它隔离层并生长 YBCO涂层的需要。为了实现上述发明目的，本发明采用以下的技术方案一种生长立方织构氧化钇膜层的方法，该方法包括下述步骤(1) 、将具有立方织构的金属衬底，或具有立方结构或赝立方结构的单晶衬底进行清 洁处理；(2) 、清洗后的上述衬底置于磁控溅射沉积腔体中，抽真空至腔体的背底真空小于或 等于5xl(T4Pa;将衬底加热至500-820°C，再充氩气至腔体气压lxl0"Pa-8xl0"Pa;以Y 金属为溅射靶材，采用直流磁控溅射沉积方法，丌始预溅射；(3) 、预溅射20分钟后，通入水气，使沉积腔体内的水含量控制在lxlO'3-8xlO—3Pa， 并调控制沉积腔体内压力至1Pa-5Pa，开始正式溅射沉积，沉积完后，即得氧化钇膜。在本发明中，所使用的具有立方织构的金属衬底，对金属并没有作具体的限定，只要 是能具有立方织构的任何金属衬底，都适用本发明，都能实现本发明的目的，经常使用的
金属衬底有具有立方织构的金属镍或镍合金衬底。此外也可以使用具有立方结构或赝立方结构的单晶衬底，也都适用本发明，也都能实现本发明的目的，如SrTiO,， LaA10:i， Mg0 等单晶衬底。需要说明的是，在所述步骤(3)中，通入水气，使沉积腔体内的水含量控制在 1x10—3-8xl0—3PaPa，这里所说的1x10—3-8xlO'3Pa是水气压，该水气压相当于水气在沉积腔 体内的分压；并调控制沉积腔体内压力至1Pa-5Pa，此歩骤可通过调节氩气进腔体的进气 量或对真空腔体的抽气量来实现。在所述的步骤(1)中，将具有立方织构的金属衬底，或具有立方结构或赝立方结构 的单晶衬底进行清洁处理；要求清洁处理后的表面不留水迹、污渍；在所述的步骤(2)中，所述的溅射靶材和衬底的距离即靶基距为60-150mm。 在所述的步骤(2)、 (3)中，所述的预溅射和溅射的溅射功率为100-350W。 在所述的歩骤(2)、 (3)中，所述的预溅射为非正式溅射，采取遮挡的方式，用遮挡物将衬底遮挡住，使预溅射的产物不能沉积到衬底上；待预溅射结束后、开始正式溅射沉积前，撤掉遮挡物。本发明是采用磁控溅射镀膜方法，以Y金属为靶材，在具有立方织构的金属衬底，或 带有立方织构氧化物隔离层的金属衬底，或具有立方结构或赝立方结构的单晶衬底上制备 立方织构氧化钇膜。所采用的磁控溅射镀膜方法是一种真空的物理沉积方法。在抽真空至 腔体的背底真空小于或等于5xl(^Pa之后，充氩气至腔体气压1x10—'Pa-8x10—'Pa，在预溅 射20分钟后，通入水气，使沉积腔体内的水含量控制在1x10—:'-8x10—2Pa，并调控制沉积 腔体内压力至1Pa-5Pa。其中，充氩气和通入水气优选采用下述方式在所述的步骤(2)的充氩气至腔体内的过程中，是采用管路直接将氩气通向溅射靶 材的靶材面。在所述的步骤(3)的通入水气至腔体内的过程中，是采用管路直接将水气通向衬底 的沉积面。所述的氩气为纯度^99.999%的氩气。纯度^99.999%的氩气称为高纯氩气。 在所述的步骤(3)中，溅射时间依所需厚度而定。在所述的步骤(2)、 (3)中，操作顺序为腔体抽背底真空、衬底加热、高纯氩气预 溅射、通水、调腔体气压、正式溅射。 本发明优点本发明提供了 一种生长立方织构氧化钇膜层的方法。l.用常规磁控溅射方法镀膜来生长￥203薄膜，以陶瓷氧化物Y203做为靶材，陶瓷
氧化物靶材的溅射产额较相应的金属靶材的溅射产额低，因而成膜生长速率慢，且必须使 用射频的溅射电源。而金属材料溅射产额高，生长速率快，可用直流溅射电源，成本低。2. 以金属材料为溅射靶材，生长氧化钇，需进行反应溅射形成相应氧化物。在高温 氧环境中金属镍或镍合金衬底易被氧化而对成膜不利。本发明以水代替氧气作为反应气 体，有效阻止了直接通入的氧气将金属衬底氧化。水中的氧足以形成氧化物，水中的氢可 阻止金属基底氧化。因此，在一定水压下，即可以将溅射产物氧化，形成氧化物膜，又可 防止衬底被氧化，生成立方织构Y203薄膜。3. 该方法适合于具有立方织构的金属衬底，和具有立方结构或赝立方结构的单晶衬底。4. 本发明提供的方法生长的氧化钇膜为纯立方织构。x-光衍射e-2e扫描为纯c轴，无Y203 (lll)取向和NiO生成。


图i为采用本发明的方法生长的立方织构y2o3 x-光衍射e-2e扫描图2为采用本发明的方法生长的立方织构Y203 X-光衍射(111) cp扫描 图3为采用本发明的方法生长的立方织构Y203X-光衍射(111)极图 图4为采用本发明的方法生长的立方织构Y203X-光衍射(111) 2.5D极图 图5为采用本发明的方法生长的立方织构Y203表面形貌6为采用本发明的方法在钇稳定二氧化锆单晶衬底上生长的立方织构Y203 X-光衍射e-2e扫描具体实施方式
在下述实施例中，预溅射均采用遮挡的方式，用遮挡物将衬底遮挡住，使预溅射的产物不能沉积到衬底上；待预溅射结束后、正式溅射前撤掉遮挡物。 实施例1将具有立方织构的金属衬底用丙酮进行超声清洗除油，表面不留水迹、污渍。将该样 品放入磁控溅射沉积腔体中，抽真空至背底真空小于5x10—4Pa。衬底升温至500。C，充氩 气至lxl(TPa;以金属钇为溅射靶材，采用直流磁控溅射沉积技术,溅射功率100W，靶基 距60mm，丌始预溅射；20分钟后向腔体内通入水气，使腔体内水气分压为3xl0—3Pa，控 制沉积腔体内总气压2Pa,开始正式溅射沉积。沉积完后，即得丫203膜。图l为采用本发明的方法在金属NiW衬底上生长的立方织构Y203 x-光衍射e-2e扫描，图2为其(111) (p扫描。从图中可看出，Y203为纯C轴取向和优良的平面内取向，cp 扫描半高宽小于7。。图3、图4为其相应的(111)极图和2.5D极图。表现了Y203单一 立方织构取向。图5为扫描电镜观测的Y203表面形貌图。表面平整、连续，晶界覆盖完整。实施例2将具有立方织构的金属衬底用丙酮进行超声清洗除油，表面不留水迹、污渍。将该样 品放入磁控溅射沉积腔体中，抽真空至背底真空小于5xl(TPa。衬底升温至600。C，充氩 气至3xl0—'Pa;以金属钇为溅射靶材，采用直流磁控溅射沉积技术,溅射功率300W，靶基 距150mm，开始预溅射；20分钟后向腔体内通入水气，使腔体内水气分压为6xlO—3Pa， 控制沉积腔体内总气压lPa，开始正式溅射沉积。沉积完后，即得丫203膜。实施例3将具有立方织构的金属衬底用丙酮进行超声清洗除油，表面不留水迹、污渍。将该样 品放入磁控溅射沉积腔体中，抽真空至背底真空小于5x10—4Pa。衬底升温至700。C，充氩 气至8xl0—'Pa;以金属钇为溅射靶材，采用直流磁控溅射沉积技术，溅射功率200W,靶基 距120mm，开始预溅射；20分钟后向腔体内通入水气，使腔体内水气分压为lxlO—3Pa， 控制沉积腔体内总气压5Pa，开始正式溅射沉积。沉积完后，即得Y203膜。实施例4将具有立方织构的金属衬底用丙酮进行超声清洗除油，表面不留水迹、污渍。将该样 品放入磁控溅射沉积腔体中，抽真空至背底真空小于5xl(TPa。衬底升温至750。C，充氩 气至5xl0—'Pa;以金属钇为溅射耙材，采用直流磁控溅射沉积技术,溅射功率250W，靶基 距100mm，开始预溅射；20分钟后向腔体内通入水气，使腔体内水气分压为5xlO—3Pa， 控制沉积腔体内总气压2Pa，开始正式溅射沉积。沉积完后，即得Y203膜。实施例5将钇稳定二氧化锆(为具有立方结构)的单晶衬底，用丙酮进行超声清洗除油，表面 不留水迹、污渍。将该样品放入磁控溅射沉积腔体中，抽真空至背底真空小于5xlO—卞a。 衬底升温至820。C，充氩气至5xl0—'Pa;以金属钇为溅射靶材，采用直流磁控溅射沉积技 术，溅射功率350W，靶基距150mm，开始预溅射；20分钟后向腔体内通入水气，使腔体 内水气分压为8xlO—^a，控制沉积腔体内总气压3Pa,开始正式溅射沉积。沉积完后，即得Y203膜。图6为采用本发明的方法在钇稳定二氧化锆(YSZ)单晶衬底上生长的立方织构Y203x-光衍射e-2e扫描，表现出纯c轴取向。
实施例6将UA103 (为赝立方结构)的单晶衬底，用丙酮进行超声清洗除油，表面不留水迹、 污渍。将该样品放入磁控溅射沉积腔体中，抽真空至背底真空小于5xl(TPa。衬底升温至 750°C，充氩气至2xl0—'Pa;以金属钇为溅射靶材，采用直流磁控溅射沉积技术,溅射功率 250W，靶基距120mm，开始预溅射；20分钟后向腔体内通入水气，使腔体内水气分压为 2xlO—3Pa，控制沉积腔体内总气压lPa，开始正式溅射沉积。沉积完后，即得Y203膜。
权利要求
1、一种生长立方织构氧化钇膜层的方法，其特征在于，该方法包括下述步骤(1)、将具有立方织构的金属衬底，或具有立方结构或赝立方结构的单晶衬底进行清洁处理；(2)、清洗后的上述衬底置于磁控溅射沉积腔体中，抽真空至腔体的背底真空小于或等于5×10-4Pa；将衬底加热至500-820℃，再充氩气至腔体气压1×10-1Pa-8×10-1Pa；以Y金属为溅射靶材，采用直流磁控溅射沉积方法，开始预溅射；(3)、预溅射20分钟后，通入水气，使沉积腔体内的水含量控制在1×10-3-8×10-3Pa，并调控制沉积腔体内压力至1Pa-5Pa，开始正式溅射沉积，沉积完后，即得氧化钇膜。
2、 根据权利要求1所述的生长立方织构氧化钇膜层，其特征在于在所述的步骤(2) 中，所述的溅射靶材和衬底的距离即靶基距为60-150mm。
3、 根据权利要求1或2所述的生长立方织构氧化钇膜层，其特征在于在所述的步 骤(2)、 (3)中，所述的预溅射和正式溅射的溅射功率为100-350W。
4、 根据权利要求1或2所述的生长立方织构氧化钇膜层，其特征在于在所述的歩 骤(2)、 (3)中，所述的预溅射为非正式溅射，采取遮挡的方式，用遮挡物将衬底遮挡住， 使预溅射的产物不能沉积到衬底上；待预溅射结束后、开始正式溅射沉积前，撤掉遮挡物。
5、 根据权利要求1或2所述的生长立方织构氧化钇膜层，其特征在于在所述的步 骤(2)的充氩气至腔体内的过程中，是采用管路直接将氩气通向溅射靶材的靶材面。
6、 根据权利要求1或2所述的生长立方织构氧化钇膜层，其特征在于在所述的步 骤(3)的通入水气至腔体内的过程中，是采用管路直接将水气通向衬底的沉积面。
7、 根据权利要求1或2所述的生长立方织构氧化钇膜层，其特征在于所述的氩气 为纯度^99.999%的氩气。
全文摘要
一种生长立方织构氧化钇膜层的方法，包括(1)将具有立方织构的金属衬底，或具有立方结构或赝立方结构的单晶衬底进行清洁处理；(2)清洗后的上述衬底置于磁控溅射沉积腔体中，抽真空至腔体的背底真空小于或等于5×10^-4Pa。将衬底加热至500-820℃，再充氩气至腔体气压1×10^-1Pa-8×10^-1Pa。以Y金属为溅射靶材，采用直流磁控溅射沉积方法，开始预溅射；(3)预溅射20分钟后，通入水气，使沉积腔体内的水含量控制在1×10^-3-8×10^-3Pa，，并调控制沉积腔体内压力至1Pa-5Pa，开始正式溅射沉积，沉积完后，即得氧化钇膜。所制得的氧化钇隔离层具有单一立方织构，以满足在其上外延生长其它隔离层并生长YBCO涂层的需要。
文档编号C23C14/08GK101117702SQ20061008904
公开日2008年2月6日 申请日期2006年7月31日 优先权日2006年7月31日
发明者刘慧舟, 飞 屈, 坚 杨 申请人:北京有色金属研究总院