CN103866249A - 一种磁控溅射装置及其应用 - Google Patents

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武卫明
涂宝峰
崔大安
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Abstract

一种磁控溅射装置及其应用，能够使管型或圆柱状基底在轴向上连续旋转，轴向转速与基底温度可调可控，且在加热的条件下能够保持基底温度均匀一致，能够在管型及圆柱状基底上沉积制备出均匀的固体薄膜，扩展了磁控溅射方法的使用范围。

Description

一种磁控溅射装置及其应用
技术领域
本发明涉及磁控溅射装置，具体说是一种能够用磁控溅射的方法在管型或者圆柱状基底上沉积薄膜的基底旋转、固定与加热装置。 
背景技术
磁控溅射技术是物理气相沉积技术中的一种，广泛的应用于固体薄膜的制备领域之中，具有沉积速率快、固体薄膜与基底结合力好、厚度均匀且可调可控、制备工艺重复性好等特点，适用于制备大面积均匀薄膜。但是，目前磁控溅射技术主要应用于在平板型基底上制备薄膜，而在实际生产过程中，有需要在管型、圆柱状基底上制备均匀一致的薄膜，如何采用磁控溅射的方法在其上制备均匀一致的薄膜，如在固体氧化物燃料电池管型电极基底上溅射电解质薄膜或者电解质隔层薄膜，需要采用特殊的磁控溅射装置，以达到在特定的工艺条件之下制备出均匀致密薄膜的效果。 
因此，通过改进磁控溅射装置来实现在管型或圆柱状基底上制备均匀的固体薄膜具有现实意义，能够扩展磁控溅射技术的应用领域，同时在管型或圆柱状基底上制备出的均匀固体薄膜能够有效的改进在具体应用领域的应用效果。 
发明内容
为了能够采用磁控溅射技术在管型或圆柱状基底上制备一致性良好的均匀薄膜，本发明的目的在于提供一种能够在管型或圆柱状基底上溅射制备出一致性良好薄膜的基底旋转、固定与加热装置。该装置能够在10℃-900℃的温度范围内控制基底温度，可调可控，能够在不同的靶基距、溅射气压、气体流量、溅射功率下在管型基底上制备一致性良好的薄膜，溅射靶为矩形状，靶与基片台所处平面平行或有0-45°的夹角，且中心连线与基片台所处平面垂直，靶的形状与基片台形状相似，靶与基片台相对应的边平行，边长比在0.1-2的范围之内。磁控溅射电源可是是直流电源或交流电源，可以采用金属靶材或陶瓷靶材进行金属薄膜或者化合物薄膜的制备。 
本发明的优良效果在于： 
通过设计磁控溅射装置的基底旋转、固定与加热装置，能够使管型或圆柱状基底实现轴向连续旋转，且管型基底温度可调可控，能够在一定的基底温度范围之内进行溅射，从而实现在管型或圆柱状基底上制备出一致性 良好的均匀薄膜。 
1、本发明所设计的磁控溅射装置，管型或者圆柱状基底能够在轴向上连续匀速旋转。 
2、本发明所设计的磁控溅射装置，管型或者圆柱状基底在加热的情况下受热均匀，温度一致性好。 
3、本发明所设计的磁控溅射装置，能够在不同形状的管型或圆柱状基底上制备一致性良好的均匀固体薄膜。 
4、本发明所设计的磁控溅射装置，可以采用直流电源或者交流电源作为磁控溅射电源。 
5、本发明所设计的磁控溅射装置，可以采用金属靶材或者陶瓷靶材，可以进行金属薄膜的制备，也可以进行化合物薄膜的制备。 
附图说明
图1为磁控溅射基底安装装置的剖面图。 
图2为磁控溅射装置腔室的剖面图。 
图中：1为齿轮，2为密封磁流体，3为转动轴，4为夹具，5为管状或圆柱状基底，6为热电偶，7为电加热器，8为导线，9为溅射靶，10为循环冷却水。 
具体实施方式
如图1-2所示，一种磁控溅射装置，包括一个密闭的长方型腔体，于腔体内的底部设有用于放置溅射靶靶材的基片台，于腔体内、基片台的下方设有磁钢；于腔体内的顶部设有样品台； 
于样品台下方、腔体的左右侧壁上相对对称设有用于固定镀件的夹具，相对设置于左右侧壁上的夹具一端端面相对应，夹具的另一端为设有转动轴，转动轴穿过侧壁面与电动机传动连接。 
于转动轴与长方型腔体的侧壁间设有水冷磁流体，通过水冷磁流体密封转动轴，水冷磁流体固定于长方型腔体的侧壁上； 
于长方型腔体的外侧壁上设有冷却水夹套，冷却水夹套上的进出水口分别与外界水源相连； 
水冷磁流体上的进出水口分别经冷却水夹套与外界水源相连；水冷磁流体转动轴所处腔室壁内部有循环冷却水流动，以保证在溅射过程中器壁处于冷却状态。 
所述溅射靶采用的磁控溅射电源采用直流电源或者交流电源； 
于所述长方型腔体侧壁上设有抽气口，抽气口通过管路与一真空泵相连。 
所述夹具为2对以上，每对均于腔体左右侧壁上相对对称。 
靶材的形状与基片台的形状均为矩形，对应边平行放置，且边长比在0.1-2之间。 
夹具远离转动轴的一端为圆形，在圆形的圆周处均匀分布的三个或者四 个弹簧片，圆形的大小可以根据基底的直径或者长度进行调节。 
图1为磁控溅射基底安装装置的剖面图，采用水冷磁流体密封转动轴，转动轴由外置电机带动进行转动，电机具有调速功能，夹具固定在转动轴的前端，由在圆周均匀分布的三个或者四个弹簧片构成，可以根据基底的直径或者长度进行适当的调节，管型或圆柱状基底由两个夹具所固定，样品台可以安装1-20组（轴中心在一条直线上的两个转动轴及所带夹具为一组）转动轴设备，从而一次可以溅射多根管型或圆柱状基底。 
图2为磁控溅射装置腔室的剖面图，加热电阻丝置于样品台内部，热电偶从样品台的上部伸入溅射腔室之内，接近于基底外壁，通过外电路控制基片台升降温速率与基底温度，在基底轴向转动的情况下，实现基底受热均匀，温度一致，从而得到均匀一致的固体薄膜；水冷磁流体转动轴所处腔室壁内部有循环冷却水流动，以保证在溅射过程中器壁处于冷却状态。 
实施例1 
如图1所示，磁控溅射仪的基底安装装置上共有5组转动轴及夹具，在5根外径为3cm、长度为1.5m的NiO+YSZ/YSZ（YSZ为氧化钇掺杂的氧化锆）管型固体氧化物燃料的膜电极上制备GDC（氧化钆掺杂的氧化铈）薄膜隔层，在基底温度为400℃的温度下进行溅射，以Ce/Gd合金材料为靶材进行反应溅射，靶为矩形，长为1m，宽为0.5m，靶基距为9cm，溅射完成后，在管型基底两端与中间部位的隔层厚度相当，在基底任一径向截面的圆周上的薄膜厚度相当，且微观结构一致，致密性良好，制备出了均匀一致的GDC电解质隔层薄膜。 
实施例2 
如图1所示，磁控溅射仪的基底安装装置上共有4组转动轴及夹具，在4根外径为2.0cm、长度为1.0m的NiO+YSZ/YSZ管型固体氧化物燃料的膜电极上制备SDC（氧化钐掺杂的氧化铈）薄膜隔层，在基底温度为800℃的温度下进行溅射，以Ce/Sm合金材料为靶材进行反应溅射，靶为矩形，长为0.8m，宽为0.3m，靶基距为8cm，溅射完成后，在管型基底两端与中间部位的隔层厚度相当，在基底任一径向截面的圆周上的薄膜厚度相当，且微观结构一致，致密性良好，制备出了均匀一致的SDC电解质隔层薄膜。 
实施例3 
如图1所示，磁控溅射仪的基底安装装置上共有4组转动轴及夹具，在4根外径为0.8cm、长度为10cm的NiO+YSZ管型固体氧化物燃料的阳极基底上制备YSZ（氧化钇掺杂的氧化锆）电解质薄膜，在基底温度为800℃的温度下进行溅射，以Y/Zr合金材料为靶材进行反应溅射，靶为矩形，长为8cm，宽为4cm，靶基距为6cm，溅射完成后，在管型基底两端与中间部位的隔层厚度相当，在基底任一径向截面的圆周上的薄膜厚度相当，且微观结构一致，致密性良好，制备出了均匀一致的YSZ电解质薄膜。 
实施例4 
如图1所示，磁控溅射仪的基底安装装置上共有4组转动轴及夹具，在4根长度为1.0m、外横截面及尺寸如热电偶6所示的椭圆管形的NiO+YSZ/YSZ固体氧化物燃料的膜电极上制备SDC（氧化钐掺杂的氧化铈）薄膜隔层，在基底温度为800℃的温度下进行溅射，以Sm/Ce 合金材料为靶材进行反应溅射，靶为矩形，长为0.8m，宽为0.3m，靶基距为8cm，溅射完成后，在管型基底两端与中间部位的隔层厚度相当，在基底任一径向截面的圆周上的薄膜厚度相当，且微观结构一致，致密性良好，制备出了均匀一致的SDC电解质隔层薄膜。 

Claims (10)

1.一种磁控溅射装置，其特征在于：
包括一个密闭的长方型腔体，于腔体内的底部设有用于放置溅射靶靶材的基片台，于腔体内、基片台的下方设有磁钢；于腔体内的顶部设有样品台；
于样品台下方、腔体的左右侧壁上相对对称设有用于固定镀件的夹具，相对设置于左右侧壁上的夹具一端端面相对应，夹具的另一端为设有转动轴，转动轴穿过侧壁面与电动机传动连接。
2.按照权利要求1所述溅射装置，其特征在于：
于转动轴与长方型腔体的侧壁间设有水冷磁流体，通过水冷磁流体密封转动轴，水冷磁流体固定于长方型腔体的侧壁上；
于长方型腔体的外侧壁上设有冷却水夹套，冷却水夹套上的进出水口分别与外界水源相连；
水冷磁流体上的进出水口分别经冷却水夹套与外界水源相连；水冷磁流体转动轴所处腔室壁内部有循环冷却水流动，以保证在溅射过程中器壁处于冷却状态。
3.按照权利要求1或2所述溅射装置，其特征在于：
所述溅射靶采用的磁控溅射电源采用直流电源或者交流电源；
于所述长方型腔体侧壁上设有抽气口，抽气口通过管路与一真空泵相连。
4.按照权利要求1所述溅射装置，其特征在于：所述夹具为2对以上，每对均于腔体左右侧壁上相对对称。
5.按照权利要求1所述溅射装置，其特征在于：
靶材的形状与基片台的形状均为矩形，对应边平行放置，且边长比在0.1-2之间。
6.按照权利要求1所述溅射装置，其特征在于：
夹具远离转动轴的一端为圆形，在圆形的圆周处均匀分布的三个或者四个弹簧片，圆形的大小可以根据基底的直径或者长度进行调节。
7.按照权利要求1所述溅射装置，其特征在于：
样品台内部设有加热电阻丝，一热电偶从样品台的上部伸入溅射腔室之内，加热电阻丝与外界电源相连，通过外电路控制基片台升降温速率与基底温度，在基底轴向转动的情况下，实现基底受热均匀，温度一致，从而得到均匀一致的固体薄膜；
转动轴由外置电机带动进行转动，电机具有调速功能，夹具固定在转动轴的前端。
8.一种权利要求1所述溅射装置的应用，其特征在于：
所述溅射装置用于管型或圆柱状基底磁控溅射镀膜，能够在管型或圆柱状基底上沉积制备均匀一致的固体薄膜；
管型或圆柱状基底在加热的条件下能够保持基底温度均匀一致，且基底温度可调可控；
磁控溅射可以采用金属靶材或者陶瓷靶材，进行金属薄膜的制备或进行化合物薄膜的制备。
9.按照权利要求8所述的应用，其特征在于：对于化合物薄膜的制备，可以采用金属靶材进行反应溅射，也可以采用陶瓷靶材进行溅射。
10.按照权利要求8所述的应用，其特征在于：
管型或圆柱状基底能够在轴向上连续旋转，转速可调可控；管型或圆柱状基底由两个夹具所固定，样品台下方安装1-20组带夹具的转动轴，转动轴的轴中心在一条直线上的两个转动轴及所带夹具为一组，从而一次可以溅射1-20根管型或圆柱状基底。
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