射频偏置溅射装置及溅射方法
【技术领域】
[0001]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】
[0002]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。
[0003]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。
[0004]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。
[0005]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】
[0006]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。
[0007]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。
[0008]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。
[0009]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。
[0010]进一步的，所述真空室上设有用于与真空栗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。
[0011 ]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。
[0012]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。
[0013]进一步的，所述加热装置为加热电阻丝或加热管。
[0014]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。
[0015]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:
[0016]a、将原材料制成衬底，并将其衬底清洗干净；
[0017]b、将清洗好后的衬底固定在衬底承载架上；
[0018]C、在非平衡磁控电极上安装电解质靶材；
[0019]d、利用真空栗抽真空室使其真空度小于1.0X KT4Pa;
[0020]e、给真空室加热，使其真空室内的温度达到200°C—500°C;
[0021]f、给真空室内冲入氩气，使其真空室内的压力为0.1Pa;
[0022]g、偏置对应电极旋转，且转速调为3-10转/分；
[0023]h、同时开启非平衡磁控电极及偏置对应电极，非平衡磁控电极功率逐渐增加到100-200W，保持偏置对应电极的功率为5?50W，并通入氧气，氧气的流量保持在5SCCM;
[0024]1、电解质薄膜沉积完成后，自然冷却，制得电解质膜。
[0025]本发明溅射装置通过增设辅助磁极，同时非平衡磁控电极采用非平衡磁场分布，使其在溅射过程中等离子体扩展至衬底表面，即增加轰击到衬底表面的等离子体密度；同时设置偏置对应电极，以吸引射频等离子体，确保过程稳定。利用此设备制备出的薄膜微观结构无空隙，即结构致密，且厚度均匀，同时薄膜厚度可小于5μπι。
【附图说明】
[0026]图1是本发明射频偏置溅射装置的较佳实施方式的结构示意图。
[0027]图2是辅助磁场及对应电极的示意图。
[0028]图3是本发明射频偏置溅射装置的另一较佳实施方式的结构示意图。
【具体实施方式】
[0029]下面结合附图对本发明作进一步说明。
[0030]如图1和图2所示，本发明制备高致密度电解质膜的射频偏置溅射装置的较佳实施方式包括真空室1、偏置对应电极、屏蔽罩4、非平衡磁控电极12和两个辅助磁极14，所述偏置对应电极和非平衡磁控电极12分别电连接有射频电源(图未示出)，所述两个辅助磁极14对称设在偏置对应电极的两侧，所述偏置对应电极和两个辅助磁极14均设在真空室I内的一端，所述非平衡磁控电极12设在真空室I内的另一端;所述屏蔽罩4固定在真空室I内，所述屏蔽罩4呈桶状，且偏置电极位于屏蔽罩4内，所述真空室I接地，所述屏蔽罩4用于进一步增强偏置对应电极产生等离子体的电场。
[0031]所述真空室I上设有换气口13和进气管(图未示出)，所述换气口 13与真空栗连接用于抽真空;所述进气管用于给真空室I内注入气体，所述真空室I内壁设有用于冷却真空室I冷却管(图未示出)，所述冷却管与冷水机连接。
[0032]所述偏置对应电极包括滑动电环2、初级旋转轴3、中心旋转板5、加热装置8、固定齿轮10、传动齿轮11和四个衬底承载架6。所述初级旋转轴3通过轴承穿设在所述真空室I上，所述初级旋转轴3的第一端位于真空室I外，初级旋转轴3的第二端位于真空室I内，所述初级旋转轴3第一端通过皮带与电机连接，电机用于驱动初级旋转轴3转动;所述滑动电环2滑动设在初级旋转轴3上并电连接，同时滑动电环2与射频电源连接，所述滑动电环2位于真空室I外;所述固定齿轮10与所述初级旋转轴3同轴设置并通过铆钉9固定在所述真空室I内，所述加热装置8固定在所述固定齿轮10上;所述中心旋转板5固定在初级旋转轴3的第二端，所述中心旋转板5上设有四个衬底承载架6，每一衬底承载架6上设有次级旋转轴7，所