[发明专利]一种带加长型筒状阳极的筒状靶溅射设备

说明书

技术领域

本发明涉及一种筒状靶溅射系统，特别是在复杂氧化物薄膜制备中应用的筒状靶溅射系统。

发明背景

筒状靶(cylinder target)溅射系统是为了应对复杂氧化物溅射过程中出现的负氧离子轰击现象而采用的一种技术，其方法是将原来的平面靶材溅射改为有一定厚度的圆筒状溅射靶材，经过电离的Ar气在溅射过程中轰击到筒状靶材的内壁，落在加热基片上进行薄膜沉积。这种方式的好处是可以保证在溅射靶材的每个位置，溅射产物与基片之间的位置关系处于离轴状态，从而避免从靶材中由高能Ar原子轰击出的负氧离子直接轰击基片和薄膜表面，造成薄膜成分不均匀和性能的严重劣化。

以前的技术在利用筒状靶溅射的时候，比较多的考虑到溅射速率和溅射系统(大尺寸筒状阴极)的紧凑性问题，其阳极为平面型，尺寸较小，不超过筒状靶内径。经过长期的实验研究发现，即使在不施加正偏压的情况下，阳极的加载也是消除负氧离子轰击的有效手段；同时如果加载的阳极面积较小，消除负氧离子轰击能力会变弱；同时弥散的气态原子在高温条件下附着在阳极上的速度也很快，容易形成掉渣等问题，影响成膜质量。

发明内容

本发明的目的是提供一种制备薄膜的性能好、工艺窗口宽、薄膜表面形貌以及均匀性均优的带加长型筒状阳极的筒状靶溅射设备。

为了实现上述目的，本发明采取以下的技术方案：

一种带加长型筒状阳极的筒状靶溅射设备，该溅射设备包括有：

水箱，该水箱为筒状，其顶部为敞口，该敞口的周边缘向外凸出形成悬挂边，其上配合有绝缘圈，并在该水箱的环壁内设有水夹层；

筒状靶材，该筒状靶材为筒状，其顶部和底部均为敞口，其底部置于水箱内的底壁上，该筒状靶材的整体位于水箱的下部，该筒状靶材的外环壁与水箱的内环壁紧密接触；

加长型筒状阳极，该加长型筒状阳极为筒状，其底壁设有若干个溅射气体进气孔，其顶部为敞口，该敞口的周边缘向外凸出形成支撑边，该敞口并配有阳极盖，在阳极盖上接有进气管路，该加长型筒状阳极置于水箱内，并伸入到筒状靶材内，其底部位于筒状靶材的上部位置，其外壁与筒状靶材的内壁之间留有空隙，该加长型筒状阳极的支撑边悬挂在水箱的悬挂边上，并通过所述的圈绝缘与水箱绝缘；

数块磁体，该数块磁体围绕水箱的环壁的一周、间隔设在水箱的水夹层的内壁上，该数块磁体与筒状靶材的中部相对。

本发明涉及的溅射设备的结构分如下几个部分：溅射阴极、气路和冷却水路的结构。本发明的溅射设备的内容包括：加长型筒状阳极的设计和装置、筒状靶材支撑和水箱的设计，及装配、溅射气体气路的设计和装配。本发明的核心部分是加长型筒状阳极及与之相匹配的水箱(阴极)和溅射气路的结构和连接关系。本发明的溅射设备置于真空室内，并在水箱的下部有加热体。

在传统的筒状靶材溅射的设计中，为了节省空间，一般采用可拆卸的平面阳极。该阳极位于溅射阴极(靶材)的顶端。考虑到导通筒状靶材的尺寸，该阳极的平面尺寸应小于筒状靶材的内圆。这种大尺寸溅射系统(包括阴极和阳极)的好处是结构更加紧凑，同时可以采用经真空密封布置在溅射设备的上盖上，可以通过调节溅射阴极上下移动来调节靶基距，变化溅射条件。其不利的方面是：阳极尺寸较小，在经历长时间溅射后，阳极上极易由于弥散的溅射原子沉积而形成一层导电性不好的膜层，影响阳极的导电性；更加严重的是经过长时间累积，膜层厚度增加可能导致掉渣等现象而落在基片上，严重影响薄膜的表面形貌和性能；同时小尺寸的阳极也不利于消除倒筒靶溅射残存的小部分负氧离子轰击现象。因此，从改进阳极来改进薄膜制备是筒状靶溅射制备高性能YBCO超导薄膜的关键。从已经表现出来的问题来看，阳极需要具有一定的尺寸，同时还需要适应筒状靶溅射部件的具体形状。经过不断地尝试改进，本发明提出了带加长型筒状阳极的筒状靶溅射设备，并将顶端悬挂式溅射阴极改为底部支撑式，经实验证明，该套溅射系统同传统的溅射系统相比，具有明显的改善高温超导薄膜成膜质量和表面均匀性的作用。

在本发明的带加长型筒状阳极的筒状靶溅射设备中，所述的冷却水箱、筒状靶材、加长型筒状阳极均为圆筒状。

在本发明的带加长型筒状阳极的筒状靶溅射设备中，在所述的冷却水箱外的底壁上设有支撑脚。

在本发明的带加长型筒状阳极的筒状靶溅射设备中，所述的加长型筒状阳极为无氧铜材料制成。

在本发明的带加长型筒状阳极的筒状靶溅射设备中，所述的水箱上的绝缘圈、阳极盖均为聚四氟乙烯材料绝缘制成。