采用脉冲激光沉积工艺制备大面积超导薄膜的方法和装置.pdf

本发明公开了一种采用脉冲激光沉积工艺制备大面积超导薄膜的方法和装置，首先用真空机组将真空室内抽真空，然后向真空室内充入高纯度氧气再启动旋转加热器使基片升温并保持该温度直到薄膜沉积完成；再打开激光扫描控制系统，使激光脉冲打到靶面上靶材升华形成的羽辉到达基片表面沉积成膜；实现上述方法的装置包括反射镜、真空室、聚焦透镜、旋转加热装置、基片、靶材固定装置、真空机组、脉冲激光发生装置和测温仪；采用上述方法和装置得到的薄膜的组分与靶材一致，而且可方便得到双面、不同面积的薄膜，整个沉积过程沉积条件易控制、沉积速率高；上述装置还具有设备简单成本低、操作方便、便于引入新技术的优点。

1、  一种采用脉冲激光沉积工艺制备大面积超导薄膜的方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
(一)用真空机组将真空室内抽真空；
(二)向真空室内充入高纯度氧气；
(三)启动旋转加热器，使基片升温至一定温度，并使基片保持该温度直到薄膜沉积完成；
(四)打开激光扫描控制系统，使激光脉冲打到靶面上，靶面上的靶材被升华而形成羽辉，羽辉到达基片表面，在其上沉积成膜；
(五)降低基片温度。

2、  如权利要求1所述的采用脉冲激光沉积工艺制备大面积超导薄膜的方法，其特征在于：在所述步骤(一)中，将真空室内抽真空至10^-2-10^-4Pa；

3、  如权利要求2所述的采用脉冲激光沉积工艺制备大面积超导薄膜的方法，其特征在于：在所述步骤(二)中，向真空室内充入高纯度氧气使真空室内的压强达到40-100Pa；

4、  如权利要求3所述的采用脉冲激光沉积工艺制备大面积超导薄膜的方法，其特征在于：在所述步骤(三)中，将基片的温度升至760-900℃。

5、  如权利要求4所述的采用脉冲激光沉积工艺制备大面积超导薄膜的方法，其特征在于：在所述步骤(四)中，打开激光扫描控制系统后先调节激光扫描的步长和步数。

6、  如权利要求5所述的采用脉冲激光沉积工艺制备大面积超导薄膜的方法，其特征在于：在所述步骤(五)中，首先关闭激光发生装置、激光扫描控制系统及旋转加热器，并关闭机械泵，同时在3-10分钟内向真空室内充进一个大气压的高纯氧，并使基片温度在3-10分钟内由薄膜沉积温度迅速降低至460-550℃，接着在一个大气压的高纯氧环境下保持该温度10-30分钟，然后进一步使基片温度缓慢降低到室温。

7、  一种实现上述方法的装置，其特征在于：该装置包括脉冲激光发生装置、聚焦透镜、反射镜、真空室、旋转加热装置、基片、靶材固定装置、真空机组和测温仪；
所述真空室壁上设有至少四个开口，激光入射窗口、真空口、测温口和用于通入氧气的氧气口，测温口设有测温仪，真空口设有真空机组，在真空室内设有基片和靶材固定装置，基片固定于旋转加热器上；靶材固定装置的位置与激光入射窗口相对应，使经聚焦、反射后的光线能通过激光入射窗口到达靶材表面，基片和靶材固定装置相对应，使靶材升华形成的羽辉能到达基片表面。
所述脉冲激光发生装置、聚焦透镜、反射镜均设置于真空室外侧，其中聚焦透镜设置于脉冲激光发生装置和反射镜之间，反射镜设置于激光入射窗口上游并与激光入射窗口相对应，使脉冲激光发生装置发出的光线经聚焦透镜聚焦、反射镜反射后能由激光入射窗口到达靶材表面。

8、  如权利要求7所述的实现上述方法的装置，其特征在于：所述反射镜固定于扫描控制系统上。

9、  如权利要求8所述的实现上述方法的装置，其特征在于：所述扫描控制系统包括控制电脑及步进电机，步进电机与控制电脑相连，所述反射镜固定于步进电机上，控制电脑通过控制步进电机使反射镜可沿纵轴摇摆。

10、  如权利要求9所述的实现上述方法的装置，其特征在于：所述旋转加热装置和靶材固定装置均固定于旋转电机上。

采用脉冲激光沉积工艺制备大面积超导薄膜的方法和装置
技术领域
本发明涉及一种制备大面积超导薄膜的方法及装置。
背景技术
高温超导氧化物被发现以来，超导薄膜在微波领域得到广泛的重视。薄膜是高温超导铜氧化合物超导体中质量最好的样品，被广泛应用于无源微波器件。在微波通信领域中，现有的元器件通常采用传统金属如Cu、Ag等制成；然而，现有的通讯系统却存在基站覆盖面积有小、抗射频干扰能力弱、通话质量不高而且通话容量小的缺点；用高温超导薄膜来代替传统金属制作的微波元器件与传统金属Cu，Ag相比，具有带内插损小、通带带边陡峭、带外抑制性好等优点，可大幅度提高通讯系统的灵敏度及可靠性。所以制备出具有高临界电流密度，低表面微波电阻的高温超导薄膜是制备高性能微波器件的前提，而制备大面积双面YBCO薄膜就成为薄膜制备的一个重点。
现有的制备薄膜的方法除了脉冲激光沉积法(以下简称PLD)以外还有溅射法、电子束共蒸发和热共蒸积法等。采用溅射方法制备薄膜，如文献1：Uniform deposition of YBa₂Cu₃O_7-δthinfilms over an 8 inchdiameter area by a 90° off-axis sputteringtechnique，Appl.Phys.Lett.69(25)3911，1996中所介绍的，该方法易形成反溅射，使膜的质量下降。电子束共蒸发制备大面积膜，如文献2：Properties of thin and ultra-thin YBCO films grown by aCo-evaporation technique，Journal of Alloys and Compounds251，156-160，1997中所述：该方法的电子枪，热源等都需要超高真空，而生长有些薄膜，如高温超导膜又需要氧气，同时电子枪设备必须用高电压，因此这些原因造成该方法的设备复杂，费用昂贵。热共蒸发法虽可以实现大面积薄膜的沉积，如文献3：Continuous YBa₂Cu₃O_7-δFilmDeposition by Optically Controlled Reactive thermalCo-evaporation，IEEE Transactions on Applied Superconductivity，7，1181-1184，1997中所述，该方法又具有设备结构简单，沉积速率快等优点，但是沉积薄膜的组分控制比较困难。
发明内容
针对上述现状，本发明的目的在于克服上述方法中的缺点，提供一种薄膜组分与靶材一致、便于沉积双面薄膜、沉积速度快、沉积条件易于控制而且应用范围广、便于引入新技术的采用脉冲激光沉积工艺制备大面积超导薄膜的方法和装置。
为实现上述目的，本发明的技术方案为：
一种采用脉冲激光沉积工艺制备大面积超导薄膜的方法，该方法包括以下步骤：
(一)用真空机组将真空室内抽真空；
(二)向真空室内充入高纯度氧气；
(三)启动旋转加热器，使基片升温至一定温度，并使基片保持该温度直到薄膜沉积完成；
(四)打开激光扫描控制系统，使激光脉冲打到靶面上，靶面上的靶材升华而形成羽辉，羽辉到达基片表面，在其上沉积成膜；
(五)降低基片温度。
进一步，在所述步骤(一)中，将真空室内抽真空至10^-2-10^-4Pa；
进一步，在所述步骤(二)中，向真空室内充入高纯度氧气使真空室内的压强达到40-100Pa；
进一步，在所述步骤(三)中，将基片的温度升至760-900℃。
进一步，在所述步骤(四)中，打开激光扫描控制系统后先调节激光扫描的步长和步数。
进一步，在所述步骤(五)中，首先关闭激光发生装置、激光扫描控制系统及旋转加热器，并关闭机械泵，同时在3-10分钟内向真空室内充入一个大气压的高纯氧，并使基片温度在3-10分钟内由薄膜沉积温度迅速降低至460-550℃，接着在一个大气压的高纯氧环境下保持该温度10-30分钟，然后进一步使基片温度缓慢降低至室温。
一种实现上述方法的装置，该装置包括脉冲激光发生装置、聚焦透镜、反射镜、真空室、旋转加热装置、基片、靶材固定装置、真空机组和测温仪；
所述真空室壁上设有至少四个开口，激光入射窗口、真空口、测温口和用于通入氧气的氧气口，测温口设有测温仪，真空口设有真空机组，在真空室内设有基片和靶材固定装置，基片固定于旋转加热器上；靶材固定装置的位置与激光入射窗口相对应，使经聚焦、反射后的光线能通过激光入射窗口到达靶材表面，基片和靶材固定装置相对应，使靶材升华形成的羽辉能到达基片表面。
所述脉冲激光发生装置、聚焦透镜、反射镜均设置于真空室外侧，其中聚焦透镜设置于脉冲激光发生装置和反射镜之间，反射镜设置于激光入射窗口上游并与激光入射窗口相对应，使脉冲激光发生装置发出的光线经聚焦透镜聚焦、反射镜反射后能由激光入射窗口到达靶材表面。
进一步，所述反射镜固定于扫描控制系统上。
进一步，所述扫描控制系统包括控制电脑及步进电机，步进电机与控制电脑相连，所述反射镜固定于步进电机上，控制电脑通过控制步进电机使反射镜可沿纵轴摇摆。
进一步，所述旋转加热装置和靶材固定装置均固定于旋转电机上。
采用上述方法沉积薄膜，薄膜的组分与靶材一致，而且，可通过控制电脑、步进电机调整反射镜的角度来得到不同面积的薄膜，在整个沉积过程中沉积条件易控制，而且沉积速率高，应用范围大。上述装置，设备简单成本低，在一面薄膜沉积完成以后把基片翻转即可以相同的步骤沉积第二面薄膜，操作非常方便而且便于引入新技术。
附图说明
图1为本发明装置的结构示意图；
图2为本发明装置的旋转动作示意图。
具体实施方式：
下面结合实施例具体说明本发明。
本发明在沉积膜之前首先进行以下步骤：
1、基片清洁：
本方法所用的基片为两英寸LaAlO₃(001)基片，基片表面清洁与否对薄膜样品外观以及薄膜的最终性能起至关重要的作用，所以在制备薄膜之前需要把基片反复清洗。清洗的步骤如下：首先，将基片置于浓度为5-10％的稀硝酸中浸泡5-10分钟，溶解掉基片表面的氧化物杂质；然后将基片取出，用去离子水反复冲洗，接着放置于5-10％浓度的洗涤灵溶液之中，超声清洗5-10分钟，去除基片上的油脂等有机杂质，然后用去离子水反复冲洗；接着将基片浸泡于丙酮之中，超声清洗5-10分钟，目的也是清洗掉基片上面的有机杂质，然后用干净的丙酮冲洗一遍；接着将基片放置于无水酒精之中，超声清洗5-10分钟后取出，再用没有使用过的无水酒精冲洗一遍，并用干净的擦镜头纸将清洗完毕的基片上的酒精沾试干净，最后用气球将遗留在基片上的镜头纸毛刺吹掉，此时的基片就可以放置于基片加热器上使用。
2、将基片固定于加热器上，基片旋转的频率与激光扫描相配合，使等离子体羽辉能够均匀分布在基片上。在目前的试验过程中，采用的基片旋转频率是6Hz，即基片每分钟旋转6圈，所连接的电路中，马达采用的转速比为25∶1。
上述基片清洁完成并将基片固定在加热器上后，开始以下的沉积过程。
实施例1
将真空室抽空，首先使用机械泵将真空室抽到100Pa大气压，然后启动分子泵将真空室的真空度抽到10^-3Pa，然后关闭分子泵，充入高纯氧气至真空室的压强为70Pa。然后将基片的温度升至800℃，并一直保持到薄膜沉积完成；然后打开激光扫描控制系统，先调节激光扫描的步长和步数，使激光内触发，该激光触发后输出的能量为250毫焦左右，频率为6Hz，调节激光输出和汇聚透镜的位置，以便在靶面上获得合适的激光能量密度，当具有一定能量密度的激光脉冲打到靶面时焦点处温度可达10⁴K，10⁴K地高温使靶材被迅速加热、蒸发、电离、膨胀而形成羽辉，羽辉到达基片表面，在其上沉积成膜，调节电机4使基片旋转的频率与激光扫描相配合，从而使等离子体羽辉能够均匀分布在基片上。在目前的试验过程中，采用的基片旋转频率是6Hz，即基片每分钟旋转6圈，所连接的电路中，马达采用的转速比为25∶1。同时通过控制扫描激光在靶材表面的分布，再配合基片旋转，实现大面积薄膜的沉积，沉积的时间为60-70分钟，膜的厚度为5500±500nm，扫描约为18个周期。在沉积过程中，比较适宜的羽辉形状为核形，层次分明、内核近似白色，外层包络成蓝色，羽辉的尖端能够恰好到达基片的表面。
当沉积完成之后，关闭激光发生装置、基片旋转装置及扫描控制系统，关闭机械泵，同时在3分钟内向真空室内充进一个大气压的高纯氧，并使基片温度在10分钟内由薄膜沉积温度迅速降低到500℃，接着在一个大气压的高纯氧环境下保持10分钟，最后进一步使基片温度缓慢降低到室温，则第一面薄膜沉积完成。
实施例2
将真空室抽空，首先使用机械泵将真空室抽到10⁰Pa大气压，然后启动分子泵将真空室的真空度抽到10^-4Pa，然后关闭分子泵，充入高纯氧气至真空室的压强为40Pa。然后将基片的温度升至900℃，并一直保持到薄膜沉积完成；然后打开激光扫描控制系统，使激光内触发，该激光触发后输出的能量为250毫焦，频率为6Hz，调节激光输出和汇聚透镜的位置，以便在靶面上获得合适的激光能量密度，当具有一定能量密度的激光脉冲打到靶面时焦点处温度可达10⁴K，10⁴K的高温使靶材被迅速加热、蒸发、电离、膨胀而形成羽辉，羽辉到达基片表面，在其上沉积成膜，通过扫描控制激光在靶材表面的分布，再配合基片旋转，实现大面积薄膜的沉积，沉积的时间为60-70分钟，膜的厚度为5500±500nm，扫描约为18个周期。在沉积过程中，比较适宜的羽辉形状为核形，层次分明、内核近似白色，外层包络成蓝色，羽辉的尖端能够恰好到达基片的表面。
当沉积完成之后，关闭激光发生装置、基片旋转装置及扫描控制系统，关闭机械泵，同时在7分钟内向真空室内充进一个大气压的高纯氧，并使基片温度在3分钟内由薄膜沉积温度迅速降低到550℃，接着在一个大气压的高纯氧环境下保持30分钟，最后进一步使基片温度缓慢降低到室温，则第一面薄膜沉积完成。
实施例3
将真空室抽空，首先使用机械泵将真空室抽到10⁰Pa大气压，然后启动分子泵将真空室的真空度抽到10^-2Pa，然后关闭分子泵，充入高纯氧气至真空室的压强为100Pa。然后将基片的温度升至760℃，并一直保持到薄膜沉积完成；然后打开激光扫描控制系统，使激光内触发，该激光触发后输出的能量为250毫焦，频率为6Hz，调节激光输出和汇聚透镜的位置，以便在靶面上获得合适的激光能量密度，当具有一定能量密度的激光脉冲打到靶面时焦点处温度可达10⁴K，10⁴K的高温使靶材被迅速加热、蒸发、电离、膨胀而形成羽辉，羽辉到达基片表面，在其上沉积成膜，通过扫描控制激光在靶材表面的分布，再配合基片旋转，实现大面积薄膜的沉积，沉积的时间为60-70分钟，膜的厚度为5500±500nm，扫描约为18个周期。在沉积过程中，比较适宜的羽辉形状为核形，层次分明、内核近似白色，外层包络成蓝色，羽辉的尖端能够恰好到达基片的表面。
当沉积完成之后，关闭激光发生装置、基片旋转装置及扫描控制系统，关闭机械泵，同时在10分钟内向真空室内充进一个大气压的高纯氧，并使基片温度在6分钟内由薄膜沉积温度迅速降低到460℃，接着在一个大气压的高纯氧环境下保持20分钟，最后进一步使基片温度缓慢降低到室温，则第一面薄膜沉积完成。
上述第一面膜沉积完成以后，打开真空腔，松开紧固镙丝，将基片反转，然后固定基片，关闭真空室，抽真空，以同样的步骤开始沉积第二面薄膜。
当两面薄膜均沉积完成，样品在一个氧气压下下降到室温的时候，打开真空室门，松开旋转加热器上基片的固定螺钉，接着用镊子将基片取出，在取基片的时候注意镊子不要与膜相接触，以防在薄膜表面产生划痕，用镜头纸包裹，编号，放置于干燥器之中。
实现上述方法的脉冲激光沉积装置，如图1所示，包括：反射镜1、真空室2、聚焦透镜3、旋转电机4、10、旋转加热器5、基片7、靶材8、真空机组9、脉冲激光发生装置15及红外测温仪16；
为了扩大激光在靶材表面的扫描范围，使沉积得到的薄膜面积增大，将反射镜1固定于扫描控制系统上组成激光扫描控制系统；该扫描控制系统包括控制电脑11和步进电机12，反射镜1固定于步进电机12上，步进电机12与控制电脑11相连接，控制电脑11可按照设定的程序控制步进电机，使反射镜1可沿纵轴摇摆从而扩大激光在靶材上的扫描范围，使沉积得到的薄膜面积增大，如图2所示。
所述真空室2壁上设有四个开口，激光入射窗口211、真空口212、测温口213和用于通入氧气的氧气口214，测温口设有测温仪16，在本实施例中测温仪采用SCIT型红外测温仪，此型红外测温仪的测量范围为300-1100℃，真空口设有真空机组9，该真空机组可采用机械泵和分子泵，首先使用机械泵将真空室抽到100Pa大气压，然后启动分子泵将真空室的真空度抽到10^-2Pa左右；在真空室内设有基片7和靶材固定装置，基片固定于旋转加热器5上，旋转加热器连接旋转电机4；在使用时将靶材8固定于真空室2内的靶材固定装置上，为便于靶材旋转还可将靶材固定于旋转电机10上；靶材固定装置或旋转电机4的位置与激光入射窗口211的位置相对应，在该实施例中激光入射窗口211设于真空室2的上方，则旋转电机的位置相应设于激光入射窗口211下方，使经聚焦透镜聚焦后的光线经反射镜反射后能通过激光入射窗口211到达靶材；另外，基片7和靶材固定的位置相对应，使靶材升华形成的羽辉能到达基片7表面。
所述脉冲激光发生装置15、反射镜1、聚焦透镜3均设置于真空室2的外侧，其中聚焦透镜3设置于脉冲激光发生装置15和反射镜1之间，反射镜1设置于激光入射窗口上游并与激光入射窗口相对应，使激光脉冲发生装置15发出的光线经聚焦透镜13聚焦后到达反射镜1，经反射镜反射后由激光入射窗口211到达靶材表面。
在使用过程中，首先通过真空机组9把真空室抽空，再用旋转加热器5将基片7的温度升到预定值，然后通过氧气通道214通入氧气，并动态维持一定的气压；然后开启脉冲激光发生装置15，并通过控制电脑11控制步进电机12进而驱动反射镜1，使反射镜1可沿纵轴摇摆，从而调节激光输出，同时调节聚焦透镜3的位置，使靶材8的靶面上获得合适的激光能量密度，使靶材8被迅速加热、蒸发、电离、膨胀而形成羽辉，羽辉到达基片7表面，便在其上沉积成膜；另外，靶材8和基片7均可在靶旋转电机4、10的带动下转动，如图2所示，使靶面上获得合适的激光能量密度，并使基片7表面沉积的膜分布均匀。另外，通过红外测温仪16可测得真空室2内的温度，使膜的沉积过程得到更好的控制。
该装置，在第一面薄膜沉积完成以后，打开真空腔，松开紧固镙丝，将基片反转，然后固定基片，关闭真空室，抽真空，即可以同样的步骤开始沉积第二面薄膜。