專利名稱：激光沉積大面積超導(dǎo)膜的方法及其裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明提供一種利用激光束剝離金屬氧化物超導(dǎo)靶材，沉積大面積超導(dǎo)膜的方法，并提供實現(xiàn)該方法的一種裝置。
激光沉積超導(dǎo)膜，是利用強激光束入射某種材料，材料表面受強激光作用被剝離(氣化、蒸發(fā))形成離子噴射出來，粒子飛抵置于合適位置的襯底(基片)材料上生長成膜。目前，激光沉積技術(shù)已被認為是制備優(yōu)質(zhì)高TC超導(dǎo)膜的有效方法之一，美國專利US 4874741所述的方法，就是利用強激光束剝離具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的釔鋇銅氧化物材料制成的靶，同時在靶附近加上一個直流300V的電壓，使沉積室中1mTorr(約0.13Pa)的氧氣氛放電而被激活，在此條件下，襯底加熱溫度可以小于450℃，因此無需高溫后退火處理，就可直接原位生長出零電阻溫度約85K的高TC超導(dǎo)膜。但是，由于激光剝離材料表面而形成的粒子束方向性很強(在靶面法向成角度內(nèi)按COS分布，n＞4)，從而只能在很小的面積上沉積較均勻的膜，這就限制了激光沉積高TC超導(dǎo)膜這一技術(shù)的應(yīng)用。由于激光剝離超導(dǎo)材料噴射粒子具有沿靶面法向飛行、與激光入射方向無關(guān)的特點，因此，如能使照射激光束相對于靶面移動，就有可能擴大均勻薄膜的面積。A.Sajjadi等人提出，在旋轉(zhuǎn)的靶臺下加一傾斜元件，靶面進行三維轉(zhuǎn)動，其法線方向?qū)⒉粩嘧兓蜁玫捷^大面積均勻的沉積膜(Laser-ablation deposition of uniform thin film of Bi2Sr2CaCu2OX，APPlied Surface Scicence46(1990)84-88)。這種方法的不足之處是沉積膜的均勻性與每次實驗條件有關(guān)，傾斜元件與靶臺要分別轉(zhuǎn)動、裝置較復(fù)雜。
本發(fā)明的目的在于使用較簡單的裝置，改善較大面積激光沉積高TC超導(dǎo)膜的均勻性。
本發(fā)明所提供的激光沉積超導(dǎo)膜的方法是靶臺固定，激光束在靶材表面掃描剝離，同時激光頭固定，激光束經(jīng)由垂直于光束的平面上作圓周運動的透鏡實現(xiàn)掃描，可稱為激光半主動掃描剝離。為了擴大均勻沉積膜的面積，透鏡作圓周運動的圓周半徑可變。通常透鏡作圓周運動可由電機驅(qū)動，當電機轉(zhuǎn)速確定，會聚的激光束在靶面作圓周運動掃描半徑增大，掃描線速度必然加快，如果激光脈沖重復(fù)頻率保持不變，則激光掃描的單位長度內(nèi)剝離脈沖的次數(shù)減少，從而影響沉積膜生長的條件。為保證激光掃描單位長度內(nèi)剝離脈沖次數(shù)相等，可從下列兩種方法中任選一種1)保持電機轉(zhuǎn)速一定，隨掃描半徑增大或減小，掃描線速度亦增大或減小，對應(yīng)不同掃描半徑調(diào)整激光脈沖重復(fù)頻率，使激光脈沖重復(fù)頻率與所述半徑的商為常數(shù)。2)保持激光脈沖重復(fù)頻率不變，調(diào)整掃描圓周運動線速度，可通過調(diào)整電機轉(zhuǎn)速實現(xiàn)，當掃描半徑增大或減小時，掃描線速度減小或增大，對應(yīng)于不同掃描半徑，使掃描線速度或電機轉(zhuǎn)速與所述半徑的乘積為常數(shù)。
實現(xiàn)上述方法的裝置，由激光頭、靶臺、基片座等構(gòu)成，還具有電機、轉(zhuǎn)盤、軸承、吊桿、吊環(huán)、透鏡和控制部分等器件。電機軸楔入轉(zhuǎn)盤的偏心孔內(nèi)，轉(zhuǎn)盤軸夾持在軸承內(nèi)，透鏡安裝在吊環(huán)內(nèi)，通過吊桿聯(lián)接在軸承套上。激光頭發(fā)出的激光束經(jīng)過透鏡會聚在預(yù)置于靶臺的超導(dǎo)靶材，透鏡受電機經(jīng)整套裝置驅(qū)動作圓周運動時，始終處于激光束的光路上，激光束會聚的焦點軌跡也構(gòu)成一個圓周，靶材表面該圓周上材料被剝離形成沿靶面法向噴射的粒子束，該粒子束飛抵到置于靶面上方且與靶面平行的基片上沉積下來，生長成膜。由于激光束是在靶面作圓周掃描，抵達基片的粒子束中心位置也隨之變化，因此能夠在較大面積上沉積均勻的膜。上述裝置的轉(zhuǎn)盤上偏心孔可以是固定的，也可以是一帶孔的滑塊，該滑塊裝在滑槽內(nèi)，向心端由彈簧頂住，另一端由可調(diào)的微動裝置頂住，調(diào)節(jié)微動裝置時，滑塊移動，從而轉(zhuǎn)盤上偏心孔位置產(chǎn)生變化，導(dǎo)致透鏡作圓周運動的半徑改變，激光束掃描范圍加大，進一步擴大沉積面積，當上述半徑改變時，控制部分調(diào)整激光脈沖重復(fù)頻率或改變電機轉(zhuǎn)速，以滿足激光掃描單位長度內(nèi)剝離脈沖次數(shù)相等。
本發(fā)明的方法應(yīng)用方便，對于改善大面積沉積膜的均勻性十分有效，所提供的裝置簡單實用，成本便宜。利用該方法，在轉(zhuǎn)盤偏心孔位置固定，基片加熱溫度約550℃，氧氣氛壓力約220mTOrr(約30Pa)的條件下，在15×15mm2的基片上原位沉積的薄膜，其R-T特性表明，各處均有零電阻溫度高于85K的超導(dǎo)特性，薄膜的厚度不均勻性小于±2%，本發(fā)明不僅適用于激光沉積超導(dǎo)膜，對于其他可用激光物理氣相沉積實現(xiàn)薄膜生長的材料，在改善生長膜的均勻性方面同樣適用。
圖1為本發(fā)明裝置的示意圖。圖2是固定偏心孔的轉(zhuǎn)盤剖視圖，圖3是帶孔滑塊代替偏心孔時轉(zhuǎn)盤的剖視圖?，F(xiàn)結(jié)合


本發(fā)明的實施情況。
圖1中，電機〔1〕的電機軸〔2〕楔入轉(zhuǎn)盤〔3〕的偏心孔〔14〕內(nèi)，轉(zhuǎn)盤軸〔4〕夾持在軸承〔5〕內(nèi)，電機〔1〕帶動轉(zhuǎn)盤〔3〕旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)盤軸〔4〕將以電機軸線為中心，以偏心孔〔14〕中心線與轉(zhuǎn)盤軸〔4〕的距離為半徑作圓周運動，軸承〔5〕隨之也作圓周運動。透鏡〔9〕安裝在吊環(huán)〔8〕內(nèi)，通過吊桿〔7〕聯(lián)接在軸承套〔6〕上，在吊桿〔7〕的傳動下，透鏡〔9〕就在垂直于激光束〔19〕的平面內(nèi)作圓周運動。由于軸承〔5〕的作用，當轉(zhuǎn)盤〔3〕旋轉(zhuǎn)時，透鏡〔9〕始終能夠保持在傳動系統(tǒng)的下方，處于激光束的光路上。激光束〔10〕經(jīng)透鏡〔9〕會聚的焦斑在予置的超導(dǎo)靶材〔11〕上掃描剝離，形成粒子束〔12〕沿靶面法向噴射，飛抵到置于靶面上方且與靶面平行的基片〔13〕上沉積下來，生長成膜。
圖3中以帶孔滑塊〔15〕代替圖2中固定的偏心孔〔14〕，滑塊〔15〕裝在滑槽〔16〕內(nèi)，向心端由彈簧〔17〕頂住，另一端由可調(diào)的微動裝置〔19〕頂住，〔18〕為微動裝置固定座，調(diào)節(jié)微動裝置，滑塊〔15〕上孔位置變化，即可得到不同偏心程度的偏心孔，從而改變透鏡〔9〕圓周運動半徑、改變激光束掃描范圍;只要靶面尺寸和透鏡尺寸容許，可通過調(diào)節(jié)滑塊即偏心孔位置，同時通過控制部分調(diào)節(jié)相應(yīng)激光脈沖重復(fù)頻率或電機轉(zhuǎn)速，使沉積薄膜的面積均勻生長到期望尺寸。所述微動裝置可采用千分測微頭，也可以是微型步進電機，由人工或計算機對它們給出位移指令，同時給出指令調(diào)整激光脈沖頻率或電機轉(zhuǎn)速，以滿足本方法的要求。
權(quán)利要求
1.一種利用激光束剝離金屬氧化物超導(dǎo)靶材，沉積大面積超導(dǎo)膜的方法，其特征在于(1)靶臺固定，激光束在靶材表面掃描剝離，(2)激光頭固定，激光束經(jīng)由在垂直于光束的平面上作圓周運動的透鏡實現(xiàn)掃描。
2.如權(quán)利要求1所述的激光沉積超導(dǎo)膜的方法，其特征在于所述透鏡作圓周運動的圓周半徑可變，對應(yīng)于不同半徑調(diào)整激光脈沖重復(fù)頻率，使激光肪沖重復(fù)頻率與所述半徑的商為常數(shù)。
3.如權(quán)利要求1所述的激光沉積超導(dǎo)膜的方法，其特征在于所述透鏡作圓周運動的圓周半徑可變，對應(yīng)不同半徑調(diào)整圓周運動線速度，使其與所述半徑的乘積為常數(shù)。
4.一種用于權(quán)利要求1所述方法的裝置，由激光頭、靶臺、基片座構(gòu)成，其特征在于它還具有電機、轉(zhuǎn)盤、軸承、吊桿、吊環(huán)、透鏡等器件，電機軸楔入轉(zhuǎn)盤的偏心孔內(nèi)，轉(zhuǎn)盤軸夾持在軸承內(nèi)，透鏡安裝在吊環(huán)內(nèi)，通過吊桿聯(lián)接在軸承套上，激光頭發(fā)出的激光束經(jīng)過透鏡會聚在預(yù)置于靶臺的超導(dǎo)靶材，電機帶動透鏡作圓周運動時，透鏡始終處于激光束的光路上。
5.如權(quán)利要求4所述的裝置，其特征在于轉(zhuǎn)盤上的偏心孔為一帶孔的滑塊，該滑塊裝在滑槽內(nèi)，向心端內(nèi)彈簧頂住，另一端由可調(diào)的微動裝置頂住，所述微動裝置可以是千分測微頭，也可以是微型步進電機。
全文摘要
本發(fā)明激光沉積膜導(dǎo)膜的方法，是靶臺和激光頭固定激光束經(jīng)由垂直于光束的平面上作圓周運動的透鏡實現(xiàn)在靶面掃描剝離。本方法的裝置由激光頭、靶臺、基片座、電機、轉(zhuǎn)盤、軸承、吊桿、吊環(huán)、透鏡和控制部分等構(gòu)成。轉(zhuǎn)盤偏心孔位置可變，導(dǎo)致透鏡圓周運動半徑改變，加大激光束掃描范圍，進一步擴大均勻沉積面積。本發(fā)明方法應(yīng)用方便、裝置簡單實用，對于可用激光物理氣相沉積生長薄膜的各種材料，改善大面積沉積膜的均勻性十分有效。
文檔編號H01B12/06GK1075027SQ92100640
公開日1993年8月4日 申請日期1992年1月28日 優(yōu)先權(quán)日1992年1月28日
發(fā)明者安承武, 陸冬生, 范永昌 申請人:華中理工大學(xué)