一种生长立方织构钇稳定二氧化锆膜层的方法

专利名称：一种生长立方织构钇稳定二氧化锆膜层的方法
技术领域：
本发明涉及一种获得立方织构钇稳定二氧化锆的制备方法。
技术背景陶瓷氧化物钇稳定二氧化锆(&02-￥203，以下简称为YSZ)，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YSZ薄膜作为隔离层，常规情 况下，用磁控溅射方法镀膜来生长YSZ薄膜时，以陶瓷氧化物YSZ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。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Zr-Y金属靶，采取反 应溅射方式生长双轴取向的钇稳定二氧化锆。 发明内容本发明的目的是提供一种生长双轴取向钇稳定二氧化锆薄膜的方法。采用磁控溅射镀 膜方法，以Zr-Y金属为靶材，以水气代替氧气作为反应气体，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，或具有立方结构或展立方结构的单晶衬底 上制备钇稳定二氧化锆膜。所制得的钇稳定二氧化锆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，本发明釆用以下的技术方案 一种生长立方织构钇稳定二氧化锆膜层的方法，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5xl04Pa;将衬底加热至600-850°C，再充氩气至腔体气压lxl0"Pa-8xl0"Pa;以Zr-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1x10—3-3.5xlO—2Pa， 并调控制沉积腔体内压力至1Pa-5Pa，丌始正式溅射沉积，沉积完后，即得钇稳定二氧化 锆膜。
在本发明中，所使用的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，其中，对金属并没有作具体的限定，只要是能具有立方织构或在其上带有立方织 构氧化物隔离层的任何金属衬底，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:,， Mg0等 单晶衬底。需要说明的是，在所述歩骤(3)中，通入水气，使沉积腔体内的水含量控制在 lxl0久3.5xl0,a,这里所说的lxlO—3-3.5xlO—2Pa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，此步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。 在所述的歩骤(2)、 (3)中，所述的预溅射和溅射的溅射功率为100-400W。 在所述的步骤(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Zr-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 备立方结构钇稳定二氧化锆膜。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(T4Pa之后，充氩气至腔体气压 1x10—'Pa-8xlO—'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 lxl0"-3.5x10—2Pa,并调控制沉积腔体内压力至lPa-5Pa。其中，充氩气和通入水气优选 采用下述方式在所述的歩骤(2)的充氩气至腔体内的过程中，是釆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。在所述的步骤(2)中，优选将所述的衬底加热至650-780。C。 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、JH式溅射。 本发明优点本发明提供了一种生长立方织构钇稳定二氧化锆膜层的方法。1. 用常规磁控溅射方法镀膜来生长YSZ薄膜，以陶瓷氧化物YSZ做为靶材，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。2. 以金属材料为溅射靶材，生长钇稳定二氧化锆，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YSZ薄膜。3. 该方法适合于具有立方织构的金属衬底，和带有立方织构氧化物隔离层的金属衬 底，以及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钇稳定二氧化锆膜为纯立方织构。x-光衍射e-2e扫描为纯c轴，无YSZ(lll)取向和NiO生成。


图1为采用本发明的方法生长的立方织构YSZX-光衍射e-20扫描 图2为采用本发明的方法生长的立方织构YSZX-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YSZX-光衍射(111)极图 图4为采用本发明的方法生长的立方织构YSZX-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YSZ表面形貌图具体实施方式
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将带有立方织构氧化物隔离层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 800°C，充氩气至2xl0—'Pa;以金属YSZ圆片为溅射靶材，采用直流磁控溅射沉积技术，溅 射功率320W，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—2Pa,控制沉积腔体内总气压2Pa，丌始正式溅射沉积。沉积完后，即得YSZ 膜。图1为采用本发明的方法在带有Y203隔离层的金属NiW衬底上生长的立方织构YSZ X-光衍射e-2e扫描，图2为其(111) cp扫描。从图中可看出，YSZ为纯c轴取向和优良 的平面内取向，cp扫描半高宽小于6.5。。图3、图4为其相应的(111)极图和2.5D极图。 表现了 YSZ单一立方织构取向。图5为扫描电镜观测的YSZ表面形貌图。表面平整、连 续，晶界覆盖完整。实施例2将带有立方织构氧化物隔离层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 620°C，充氩气至lxl(T'Pa;以金属YSZ圆片为溅射靶材，采用直流磁控溅射沉积技术,溅 射功率400W，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1.5xl(T2Pa，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YSZ 膜。实施例3将具有立方织构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650。C，充氩气 至8xl(T'Pa;以金属YSZ圆片为溅射靶材，采用直流磁控溅射沉积技术，溅射功率120W， 靶基距60mm，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YSZ膜。实施例4将具有立方织构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5x10—'Pa;以金属YSZ圆片为溅射靶材，采用直流磁控溅射沉积技术,溅射功率250W， 靶基距100mm，幵始预溅射；20分钟后向腔体内通入水气，使腔体内水气分压为 3.5xlO'3Pa，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YSZ膜。实施例5将SrTiO:,(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5x10—4Pa。衬底升温至 S50。C，充氩气至5xl0—'Pa;以金属YSZ圆片为溅射靶材，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7xl(^Pa，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YSZ 膜。实施例6将LaA10:,(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5x10—4Pa。衬底升温至 850°C，充氩气至5xlO—'Pa;以金属YSZ圆片为溅射靶材，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7xl(^Pa，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YSZ 膜。
权利要求
1、一种生长立方织构钇稳定二氧化锆膜层的方法，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600-850℃，再充氩气至腔体气压1×10-1Pa-8×10-1Pa；以Zr-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1×10-3-3.5×10-2Pa，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，即得钇稳定二氧化锆膜。
2、 根据权利要求l所述的生长立方织构钇稳定二氧化锆膜层，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钇稳定二氧化锆膜层，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100-400W。
4、 根据权利要求1或2所述的生长立方织构钇稳定二氧化锆膜层，其特征在于在 所述的步骤(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钇稳定二氧化锆膜层，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耙材的耙 材面。
6、 根据权利要求1或2所述的生长立方织构钇稳定二氧化锆膜层，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，是釆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钇稳定二氧化锆膜层，其特征在于在所述的步骤(2)中，所述的衬底的加热温度为650-780°C。
8、 根据权利要求1或2所述的生长立方织构钇稳定二氧化锆膜层，其特征在于所 述的氩气为纯度^99. 999%的氩气。
全文摘要
一种生长立方织构钇稳定二氧化锆膜层的方法，包括(1)将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600-850℃，再充氩气至腔体气压1×10^-1Pa-8×10^-1Pa。以Zr-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^-3-3.5×10^-2Pa，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，即得钇稳定二氧化锆膜。所制得的钇稳定二氧化锆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C23C14/08GK101117704SQ20061008904
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