CN1037793C - 激光沉积大面积超导膜的方法及其装置 - Google Patents

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Abstract

本发明激光沉积膜导膜的方法是靶台和激光头固定激光束经由垂直于光束的平面上作圆周运动的透镜实现在靶面扫描剥离。本方法的装置由激光头、靶台、基片座、电机、转盘、轴承、吊杆、吊环、透镜和控制部分等构成，转盘偏心孔位置可变，导致透镜圆周运动半径改变，加大激光束扫描范围，进一步扩大均匀沉积面积。本发明方法应用方便、装置简单实用，对于可用激光物理气相沉积生长薄膜的各种材料，改善大面积沉积膜的均匀性十分有效。

Description

激光沉积大面积超导膜的方法及其装置
本发明提供一种利用激光束剥离金属氧化物超导靶材，沉积大面积超导膜的方法，并提供实现该方法的一种装置。
激光沉积超导膜，是利用强激光束入射某种材料，材料表面受强激光作用被剥离(气化、蒸发)形成离子喷射出来，粒子飞抵置于合适位置的衬底(基片)材料上生长成膜。目前，激光沉积技术已被认为是制备优质高Tc超导膜的有效方法之一，美国专利US 4874741所述的方法，就是利用强激光束剥离具有钙钛矿结构的钇钡铜氧化物材料制成的靶，同时在靶附近加上一个直流300v的电压，使沉积室中1mTorr(约0.13Pa)的氧气氛放电而被激活，在此条件下，衬底加热温度可以小于450℃，因此无需高温后退火处理，就可直接原位生长出零电阻温度约85K的高Tc超导膜。但是，由于激光剥离材料表面而形成的粒子束方向性很强(在靶面法向成  角度内按COS分布，n＞4)，从而只能在很小的面积上沉积较均匀的膜，这就限制了激光沉积高Tc超导膜这一技术的应用。由于激光剥离超导材料喷射粒子具有沿靶面法向飞行、与激光入射方向无关的特点，因此，如能使照射激光束相对于靶面移动，就有可能扩大均匀薄膜的面积。A。Sajjadi等人提出，在旋转的靶台下加一倾斜元件，靶面进行三维转动，其法线方向将不断变化，就会得到较大面积均匀的沉积膜(Laser-ablation deposition of uniform thinfilm of Bi，Sr，CaCu，Ox，Applied Surface Scicenee46(1990)84-88)。这种方法的不足之处是沉积膜的均匀性与每次实验条件有关，倾斜元件与靶台要分别转动、装置较复杂。
本发明的目的在于使用较简单的装置，改善较大面积激光沉积高Tc超导膜的均匀性。
本发明所提供的激光沉积超导膜的方法是沉积室充入氧气，靶台、激光头和基片均固定，基片加温，激光束经由在垂直于光束的平面上作圆周运动的透镜在靶材表面扫描剥离。可称为激光半主动扫描剥离。为了扩大均匀沉积膜的面积，透镜作圆周运动的圆周半径可变。通常透镜作圆周运动可由电机驱动，当电机转速确定，会聚的激光束在靶面作圆周运动扫描半径增大，扫描线速度必然加快，如果激光脉冲重复频率保持不变，则激光扫描的单位长度内剥离脉冲的次数减少，从而影响沉积膜生长的条件。为保证激光扫描单位长度内剥离脉冲次数相等，可从下列两种方法中任选一种：1)保持电机转速一定，随扫描半径增大或减小，扫描线速度亦增大或减小，对应不同扫描半径调整激光脉冲重复频率，使激光脉冲重复频率与所述半径的商为常数。2)保持激光脉冲重复频率不变，调整扫描圆周运动线速度，可通过调整电机转速实现，当扫描半径增大或减小时，扫描线速度减小或增大，对应于不同扫描半径，使扫描线速度或电机转速与所述半径的乘积为常数。
实现上述方法的装置，由激光头、靶台、基片座等构成，还具有电机、转盘、轴承、吊杆、吊环、透镜和控制部分等器件。电机轴楔入转盘的偏心孔内，转盘轴夹持在轴承内，透镜安装在吊环内，通过吊杆联接在轴承套上。激光头发出的激光束经过透镜会聚在预置于靶台的超导靶材，透镜受电机经整套装置驱动作圆周运动时，始终处于垂直于激光束的光路上，激光束会聚的焦点轨迹也构成一个圆周，靶材表面该圆周上材料被剥离形成沿靶面法向喷射的粒子束，该粒子束飞抵到置于靶面上方且与靶面平行的基片上沉积下来，生长成膜。由于激光束是在靶面作圆周扫描，抵达基片的粒子束中心位置也随之变化，因此能够在较大面积上沉积均匀的膜。上述装置的转盘上偏心孔可以是固定的，也可以是一带孔的滑块，该滑块装在滑槽内，向心端由弹簧顶住，另一端由可调的微动装置顶住，调节微动装置时，滑块移动，从而转盘上偏心孔位置产生变化，导致透镜作圆周运动的半径改变，激光束扫描范围加大，进一步扩大沉积面积，当上述半径改变时，控制部分调整激光脉冲重复频率或改变电机转速，以满足激光扫描单位长度内剥离脉冲次数相等。
本发明的方法应用方便，对于改善大面积沉积膜的均匀性十分有效，所提供的装置简单实用，成本便宜。利用该方法，在转盘偏心孔位置固定，基片加热温度约550℃，氧气氛压力约220 mTorr(约30Pa)的条件下，在15×15mm2的基片上原位沉积的薄膜，其R-T特性表明，各处均有零电阻温度高于85K的超导特性，薄膜的厚度不均匀性小于±2％，本发明不仅适用于激光沉积超导膜，对于其他可用激光物理气相沉积实现薄膜生长的材料，在改善生长膜的均匀性方面同样适用。
图1为本发明装置的示意图。图2是固定偏心孔的转盘剖视图，图3是带孔滑块代替偏心孔时转盘的剖视图。现结合附图说明本发明的实施情况。
图1中，电机〔1〕的电机轴〔2〕楔入转盘〔3〕的偏心孔〔14〕内，转盘轴〔4〕夹持在轴承〔5〕内，电机〔1〕带动转盘〔3〕旋转，转盘轴〔4〕将以电机轴线为中心，以偏心孔〔14〕中心线与转盘轴〔4〕的距离为半径作圆周运动，轴承〔5〕随之也作圆周运动。透镜〔9〕安装在吊环〔8〕内，通过吊杆〔7〕联接在轴承套〔6〕上，在吊杆〔7〕的传动下，透镜〔9〕就在垂直于激光束〔19〕的平面内作圆周运动。由于轴承〔5〕的作用，当转盘〔3〕旋转时，透镜〔9〕始终能够保持在传动系统的下方，处于激光束的光路上。激光束〔10〕经透镜〔9〕会聚的焦斑在予置的超导靶材〔11〕上扫描剥离，形成粒子束〔12〕沿靶面法向喷射，飞抵到置于靶面上方且与靶面平行的基片〔13〕上沉积下来，生长成膜。
图3中以带孔滑块〔15〕代替图2中固定的偏心孔〔14〕，滑块〔15〕装在滑槽〔16〕内，向心端由弹簧〔17〕顶住，另一端由可调的微动装置〔19〕顶住，〔18〕为微动装置固定座，调节微动装置，滑块〔15〕上孔位置变化，即可得到不同偏心程度的偏心孔，从而改变透镜〔9〕圆周运动半径、改变激光束扫描范围；只要靶而尺寸和透镜尺寸容许，可通过调节滑块即偏心孔位置，同时通过控制部分调节相应激光脉冲重复频率或电机转速，使沉积薄膜的面积均匀生长到期望尺寸。所述微动装置可采用千分测微头，也可以是微型步进电机，由人工或计算机对它们给出位移指令，同时给出指令调整激光脉冲频率或电机转速，以满足本方法的要求。

Claims (5)

1、一种利用激光束剥离金属氧化物超导靶材，沉积大面积超导膜的方法，沉积室充入氧气，靶台、激光头和基片均固定，基片加温，其特征在于：激光束经由在垂直于光束的平面上作圆周运动的透镜在靶材表面扫描剥离。
2、如权利要求1所述的激光沉积超导膜的方法，其特征在于所述透镜作圆周运动的圆周半径可变，对应于不同半径调整激光脉冲重复频率，使激光脉冲重复频率与所述半径的商为常数。
3、如权利要求1所述的激光沉积超导膜的方法，其特征在于所述透镜作圆周运动的圆周半径可变，对应于不同半径调整圆周运动线速度，使其与所述半径的乘积为常数。
4、一种用于权利要求1所述方法的装置，由激光头、靶台、基片座构成，其特征在于它还具有电机、转盘、轴承、吊杆、吊环、透镜，电机轴楔入转盘的偏心孔内，转盘轴夹持在轴承内，透镜安装在吊环内，通过吊杆联接在轴承套上，激光头发出的激光束经过透镜会聚在预置于靶台的超导靶材，电机带动透镜作圆周运动时，透镜始终处于垂直于激光束的光路上。
5、如权利要求4所述的装置，其特征在于转盘上的偏心孔为一带孔的滑块，该滑块装在滑槽内，向心端内弹簧顶住，另一端由可调的微动装置顶住，所述微动装置可以是千分测微头，也可以是微型步进电机。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1989008605A1 (en) * 1988-03-16 1989-09-21 Kabushiki Kaisha Toshiba Process for producing thin-film oxide superconductor
US4874741A (en) * 1988-04-14 1989-10-17 The Research Foundation Of State University Of New York Non-enhanced laser evaporation of oxide superconductors
JPH02311307A (ja) * 1989-05-26 1990-12-26 Shimadzu Corp 超伝導物質薄膜製造方法

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