專利名稱：疊層薄膜以及淀積方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種疊層薄膜和一種淀積方法，尤其是涉及一種作為中間層的疊層薄膜的淀積方法，其中在所述中間層被置于一規(guī)定基板上的條件下成形一氧化物超導(dǎo)層。
背景技術(shù)：
通常，比如日本專利特-開(kāi)No.7-291626描述了一種中間層的淀積方法，其中在所述中間層被置于一基板上的條件下成形一氧化物超導(dǎo)層。
在這份公開(kāi)物所描述的技術(shù)中，利用一種激光燒蝕方法(laser ablationmethod)來(lái)成形一中間層，在這種激光燒蝕方法中，利用激光對(duì)一種靶材料進(jìn)行照射，并且從靶材料上散射出來(lái)的物質(zhì)被蒸發(fā)到一基板上。通過(guò)在基板相對(duì)于靶材料以一規(guī)定角度傾斜設(shè)置的條件下淀積所述中間層，形成了一種具有大體平行于基板法線方向的特定晶軸的薄膜。
因此，由于形成于基板上的中間層沿著一特定方向定向，所以形成于其上的超導(dǎo)層也定向，由此具有優(yōu)越的超導(dǎo)性能。
但是，在前述公開(kāi)物所描述的方法中，由于基板被定位成相對(duì)于靶材料傾斜設(shè)置，所以基板的一端部與靶材料之間的距離會(huì)相對(duì)較大，同時(shí)基板的另一端部與靶材料之間的距離會(huì)相對(duì)較小。在與靶材料相距較遠(yuǎn)的所述端部側(cè)，中間層的薄膜厚度減小，而在與靶材料相距較近的所述另一端部側(cè)，中間層的薄膜厚度增加。中間層的薄膜厚度因此大幅度變化。
通常，中間層的薄膜厚度與該中間層的取向(orientation)相關(guān)聯(lián)。隨著中間層薄膜厚度的增大，取向得以改善。因此，薄膜厚度的變化會(huì)導(dǎo)致取向發(fā)生變化。從而，形成于該中間層上的超導(dǎo)層也會(huì)在取向上發(fā)生變化，由此阻礙了其具有優(yōu)越的超導(dǎo)性能。
中間層的薄膜厚度還會(huì)影響該中間層的表面粗糙度。隨著中間層薄膜厚度的增加，表面粗糙度會(huì)增大。由于中間層薄膜厚度的變化會(huì)導(dǎo)致表面粗糙度發(fā)生變化，所以形成于其上的超導(dǎo)層也會(huì)發(fā)生取向變化。這也會(huì)阻礙其具有優(yōu)越的超導(dǎo)性能。
此外，由于基板相對(duì)于靶材料傾斜設(shè)置，并且中間層的源材料僅從一個(gè)方向蒸發(fā)，所以應(yīng)該基本平行于基板的法線方向的該中間層的特定晶體取向?qū)⒉辉倨叫杏谠摲ň€方向。在這種中間層上成形超導(dǎo)層將在超導(dǎo)層的取向上產(chǎn)生負(fù)面影響，導(dǎo)致超導(dǎo)性能下降。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明旨在解決前述問(wèn)題。
本發(fā)明的一個(gè)目的是，提供一種薄膜厚度變化較少的疊層薄膜以及其淀積方法。
本發(fā)明的另外一個(gè)目的是，提供一種具有平行于基板法線的特定晶體取向的疊層薄膜，以及一種淀積方法。
在根據(jù)本發(fā)明的淀積方法中，淀積材料從一種靶材料的表面散射出來(lái)，并且散射出的這種淀積材料在一基板表面上生長(zhǎng)以形成薄膜。該淀積方法包括下述步驟(1)對(duì)一基板進(jìn)行定位，使得該基板的一表面與靶材料的一表面形成一規(guī)定角度而進(jìn)入第一狀態(tài)，在這種狀態(tài)下，基板的一端部與靶材料之間的距離相對(duì)較小，而基板的另一端部與靶材料之間的距離相對(duì)較大；(2)在所述第一狀態(tài)下在所述基板上成形一第一薄膜；(3)對(duì)所述基板進(jìn)行定位，使得該基板的所述表面與靶材料的所述表面形成一規(guī)定角度而進(jìn)入第二狀態(tài)，在這種狀態(tài)下，基板的所述端部與靶材料之間的距離相對(duì)較大，而基板的所述另一端部與靶材料之間的距離相對(duì)較?。灰约?4)在所述第二狀態(tài)下在所述第一薄膜上成形一第二薄膜。
在包括這些步驟的淀積方法中，在第一狀態(tài)下形成第一薄膜，在所述第一狀態(tài)下，基板的所述端部與靶材料之間的距離相對(duì)較小，而基板的所述另一端部與靶材料之間的距離相對(duì)較大，從而使得該第一薄膜的厚度在基板的所述端部側(cè)增加，但在基板的所述另一端部側(cè)減小。此后，在第二狀態(tài)下在第一薄膜上形成第二薄膜，在所述第二狀態(tài)下，基板的所述端部與靶材料之間的距離相對(duì)較大，而基板的所述另一端部與靶材料之間的距離相對(duì)較小，從而使得該第二薄膜的厚度在基板的所述端部側(cè)減小，而在基板的所述另一端部處增加。在第一薄膜與第二薄膜的組合體中，薄膜的厚度在基板的所述端部和所述另一端部處大體相等。因此可以提供一種具有均勻薄膜厚度的薄膜的淀積方法。
還有，在所述第一狀態(tài)下，由于基板的所述端部側(cè)與靶之間的距離相對(duì)較短，所以淀積材料從基板的所述端部側(cè)供給。在所述第二狀態(tài)下，由于基板的所述另一端部與靶材料之間的距離較短，所以淀積材料從基板的所述另一端部供給。最終，淀積材料從基板的兩側(cè)供給，并且薄膜的特定取向可以大體平行于基板的法線方向。
優(yōu)選的是，所述淀積方法還包括一在第二薄膜上成形一超導(dǎo)層的步驟。
優(yōu)選的是，所述淀積方法還包括將基板定位成第三狀態(tài)的步驟和在該第三狀態(tài)下在第二薄膜上成形一第三薄膜的步驟，其中在所述第三狀態(tài)下，基板的所述表面與靶材料的所述表面對(duì)置。
更為優(yōu)選的是，將所述基板定位成第三狀態(tài)的步驟包括對(duì)基板進(jìn)行定位使得基板的所述表面與靶材料的所述表面大體平行對(duì)置的步驟。
優(yōu)選的是，所述淀積方法還包括一在所述第三薄膜上成形一超導(dǎo)層的步驟。
優(yōu)選的是，成形一超導(dǎo)層的步驟包括一形成超導(dǎo)層的步驟，該超導(dǎo)層包括下述元素由釔(Y)、鈥(Ho)、釤(Sm)、镥(Lu)、鐿(Yb)、銩(Tm)、鉺(Er)、鏑(Dy)、釓(Gd)、銪(Eu)、鑭(La)以及釹(Nd)構(gòu)成的組中選擇的一種；鋇(Ba)；銅(Cu)；以及氧(O)，它們大體具有1∶2∶3∶y的比率(y是一等于或者大于6的數(shù))。
優(yōu)選的是，成形一超導(dǎo)層的步驟包括一成形多個(gè)超導(dǎo)層的步驟。
優(yōu)選的是，成形多個(gè)超導(dǎo)層的步驟包括一成形多個(gè)具有不同組分的超導(dǎo)層的步驟。
優(yōu)選的是，成形一超導(dǎo)層的步驟包括利用下述任一種工藝成形一超導(dǎo)層離子束濺射(IBS)，濺射，熱共蒸發(fā)(thermal co-evaporation)，MOD(MetalOrganic Decomposition，金屬有機(jī)分解)，MBE(Molecular Beam Epitaxy，分子束外延)，MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition，金屬有機(jī)化學(xué)汽相淀積)，電子束蒸發(fā)以及激光燒蝕。
優(yōu)選的是，所述靶材料為氧化物。
優(yōu)選的是，所述靶材料包括由下述物質(zhì)構(gòu)成的組中選擇的至少一種鈦酸鍶(SrTiO3)，氧化鎂(MgO)，氧化鋯(ZrO2)，氧化鉿(HfO2)，氧化鐠(PrO2)，氧化鋯釓(Zr2Gd2O7)，氧化鋯釤(Zr2Sm2O7)，氧化鋯鑭(Zr2La2O7)，氧化釤(Sm2O3)，鋯酸鋇(BaZrO3)，氧化釹鎵(NdGaO3)，氧化釔穩(wěn)定化氧化鋯(yttriastabilized zirconia)(YSZ)，氧化釔(Y2O3)，氧化鈰(CeO2)，氧化鐿(Yb2O3)，以及氧化鈥(Ho2O3)。
優(yōu)選的是，在成形第一薄膜的步驟和成形第二薄膜的步驟中，每單位面積上所蒸發(fā)陽(yáng)離子的量在摩爾數(shù)上大體相同。
優(yōu)選的是，成形第一薄膜的步驟和成形第二薄膜的步驟包括利用電子束蒸發(fā)、激光燒蝕、濺射或者它們的組合來(lái)形成薄膜。
優(yōu)選的是，所述基板是一種具有柔性的金屬條帶，并且從所述端部至另一端部的方向大體垂直于該金屬條帶的長(zhǎng)度方向。
優(yōu)選的是，所述基板包括由下述材料構(gòu)成的組中選擇的至少一種銀、銀合金、鎳、鎳合金以及不銹鋼。
優(yōu)選的是，所述基板包括多層，并且多層中的每一層包括由下述材料構(gòu)成的組中選擇的至少一種銀、銀合金、鎳、鎳合金以及不銹鋼。
優(yōu)選的是，所述淀積方法還包括交替地多次重復(fù)進(jìn)行成形第一薄膜的步驟和成形第二薄膜的步驟的步驟。
根據(jù)本發(fā)明的疊層薄膜利用前述方法之一制造而成。在這種情況下，疊層薄膜具有一多層結(jié)構(gòu)，與單層結(jié)構(gòu)相比，這種多層結(jié)構(gòu)使得畸變(distortion)被分散。此外，由于薄膜之間的界面相對(duì)于基板表面傾斜，所以能夠設(shè)計(jì)出畸變消除的方向。在諸如超導(dǎo)電纜或者超導(dǎo)磁體這樣產(chǎn)品應(yīng)用的設(shè)計(jì)過(guò)程中，關(guān)鍵在于控制施加于線材上的畸變。因此本發(fā)明相對(duì)于常規(guī)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于，線材本身分散了畸變，給結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了自由度。
還有，由于與單層結(jié)構(gòu)相比，多層結(jié)構(gòu)允許對(duì)薄膜之間的界面數(shù)目進(jìn)行控制，所以可以對(duì)熱阻和電阻加以控制。此外，由于界面相對(duì)于基板表面傾斜設(shè)置，所以可以對(duì)界面的面積進(jìn)行控制，由此熱阻和電阻可以由此發(fā)生變化。這種控制結(jié)構(gòu)的物理性能值的額外因素增加了材料設(shè)計(jì)過(guò)程中的自由度。當(dāng)應(yīng)用到限流器上時(shí)，由于對(duì)熱阻和電阻的控制非常關(guān)鍵，所以相對(duì)于常規(guī)技術(shù)來(lái)說(shuō)本發(fā)明是優(yōu)越的。


圖1是用于本發(fā)明第一實(shí)施例中的淀積設(shè)備的側(cè)視圖；圖2是從圖1中箭頭II所示方向觀看到的淀積設(shè)備的前視圖；圖3是所示淀積設(shè)備的側(cè)視圖，用于圖示淀積第一薄膜的步驟；圖4是從圖3中箭頭IV所示方向觀看到的淀積設(shè)備的前視圖；圖5是其上淀積有所述第一薄膜的基板的橫剖視圖；圖6是所示淀積設(shè)備的側(cè)視圖，用于圖示淀積第二薄膜的步驟；圖7是從圖6中箭頭VII所示方向觀看到的淀積設(shè)備的前視圖；圖8是其上淀積有所述第二薄膜的基板的橫剖視圖；圖9是所述淀積設(shè)備的側(cè)視圖，用于圖示淀積第三薄膜的步驟；圖10是從圖9中箭頭X所示方向觀看到的淀積設(shè)備的前視圖；圖11是其上淀積有所述第三薄膜的基板的橫剖視圖；圖12是超導(dǎo)層的橫剖視圖，該超導(dǎo)層形成于第一實(shí)施例的第二薄膜上；圖13是一超導(dǎo)層的橫剖視圖，該超導(dǎo)層形成于第二至第五實(shí)施例中的第三薄膜上。
具體實(shí)施例方式
第一實(shí)施例圖1是用于本發(fā)明第一實(shí)施例中的淀積設(shè)備的側(cè)視圖。圖2是從圖1中箭頭II所示方向觀看到的淀積設(shè)備的前視圖。參照?qǐng)D1和2，淀積設(shè)備1具有一真空室10、一設(shè)置于真空室10中的支撐桿11、一固定在支撐桿11上的靶12、以及一激光振蕩裝置20，該激光振蕩裝置20利用激光器從外部對(duì)靶12進(jìn)行照射。
一基板100被設(shè)置在一遠(yuǎn)離靶12的位置處?；?00具有一主表面100a、一端部100f以及另一端部100e。主表面100a的法線100b與靶12的主表面12a的法線12b形成了一規(guī)定角度θ。支撐桿11發(fā)生旋轉(zhuǎn)，使得靶12沿著箭頭R所示的方向發(fā)生旋轉(zhuǎn)。
圖3是所示淀積設(shè)備的一側(cè)視圖，用于圖示一淀積第一薄膜的步驟。圖4是從圖3中箭頭IV所示方向觀看到的淀積設(shè)備的前視圖。在圖3和4中，組分比例為YO1.5∶ZrO2＝0.16∶0.84的燒結(jié)氧化釔穩(wěn)定化氧化鋯(YSZ)被用作靶12。在真空室內(nèi)的壓力為13Pa(0.10Torr)的條件下，在該真空室內(nèi)填充氬氣?；?00被設(shè)置使得從靶12的中心部分至基板100的中心部分的距離為50mm?；?00由一加熱器加熱到650℃的溫度。基板100的寬度為10mm、長(zhǎng)度為200mm、厚度為0.1mm，并且被加工成一縱向延伸條帶的形狀?；?00由鎳合金制成。
基板100被保持處于第一狀態(tài)，即基板100的一端部100f與靶12之間的距離相對(duì)較小，但是另一端部100e與靶12之間的距離相對(duì)較大。與此同時(shí)，基板100的主表面100a的法線100b與靶12的主表面12a的法線12b形成一規(guī)定角度θ(＝45°)。
利用波長(zhǎng)為248nm的KrF受激準(zhǔn)分子激光器從由箭頭21所示方向?qū)Π?2進(jìn)行照射。所述激光器的能量密度為2J/cm2，并且頻率為150Hz。靶12沿著由箭頭R所示方向進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。從而，靶12發(fā)生出激光流(luminous seed，發(fā)光種子)13?；?00沿著由箭頭102所示方向以7mm/min的速度縱向輸送。隨著基板100連續(xù)穿過(guò)激光流13而淀積第一薄膜。圖5是其上淀積有所述第一薄膜的基板的橫剖視圖。參照?qǐng)D5，第一薄膜110被淀積在基板100的主表面100a上。第一薄膜110的厚度在一端部100f附近相對(duì)較大，并且在另一端部100e附近相對(duì)較小。
圖6是所示淀積設(shè)備的一側(cè)視圖，用于圖示一淀積第二薄膜的步驟。圖7是從圖6中箭頭VII所示方向觀看到的淀積設(shè)備的前視圖。參照?qǐng)D6和7，在第二薄膜的淀積過(guò)程中，基板100處于第二狀態(tài)，即基板100的一端部100f與靶12之間的距離相對(duì)較大，但是基板100的另一端部100e與靶12之間的距離相對(duì)較小?；?00的主表面100a的法線100b與靶12的主表面12a的法線12b形成一大致45°的角度。
在這種狀態(tài)下，在與圖3和4中所示步驟相同的條件下，從由箭頭21所示方向用激光照射靶12。由此產(chǎn)生出激光流13，使得第二薄膜淀積在基板100上。
圖8是其上淀積有所述第二薄膜的基板的橫剖視圖。參照?qǐng)D8，第一薄膜110被淀積在基板100上，而第二薄膜120被淀積在第一薄膜110上。在基板100的一端部100f側(cè)，第二薄膜120的厚度較小，而在另一端部100e側(cè)，第二薄膜120的厚度較大。需要指出的是，第一薄膜110和第二薄膜120具有相同組分。在第一薄膜110與第二薄膜120的組合體中，在一端部100f側(cè)和另一端部100e側(cè)，薄膜厚度幾乎相等。第一厚度110和第二薄膜120是用作一中間層的YSZ薄膜。
利用一種X射線衍射方法對(duì)最終的YSZ薄膜進(jìn)行評(píng)估，并且對(duì)指示[200]平面取向的強(qiáng)峰進(jìn)行觀測(cè)。最終，發(fā)現(xiàn)[200]平面大體平行于基板100的主表面100a，并且具有強(qiáng)烈的取向。
當(dāng)利用一X射線極數(shù)測(cè)定裝置(X-ray pole figure measurement)對(duì)YSZ薄膜的取向進(jìn)行估測(cè)時(shí)，可以確認(rèn)具有平面內(nèi)取向(in-plane orientation)。YSZ薄膜的[111]平面的φ掃描的半值幅為22°。
此外，利用X射線極數(shù)測(cè)定裝置對(duì)基板100的主表面100a的法線100b與YSZ薄膜的<200>方向之間的偏移角(α′偏移角)進(jìn)行估測(cè)。α′偏移角為32°。
沿著從YSZ薄膜的基板100的一端部100f至另一端部100e的方向?qū)SZ薄膜的薄膜厚度分布進(jìn)行檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在與一端部100f相距3mm、5mm和7mm的位置處，薄膜厚度分別為2.1μm、2.2μm和2.1μm。在該范圍內(nèi)薄膜厚度的變化量為0.1μm。
第二實(shí)施例在第二實(shí)施例中，在第一實(shí)施例中的YSZ薄膜上形成了一由氧化釔(Y2O3)制成的薄膜作為第三薄膜。圖9是所示淀積設(shè)備的一側(cè)視圖，用于圖示一淀積第三薄膜的步驟。圖10是由圖9中X所示方向觀看到的淀積設(shè)備的前視圖。參照?qǐng)D9和10，制備由氧化釔制成的靶12，并且利用淀積設(shè)備1進(jìn)行淀積操作，同時(shí)靶12和基板100相互平行排布。
圖11是其上形成有所述第三薄膜的基板的橫剖視圖。參照?qǐng)D11，第一薄膜110被形成在基板100的主表面100a上，第二薄膜120被形成在第一薄膜110上，并且第三薄膜130被形成在第二薄膜120上。第三薄膜130是一氧化釔薄膜。
利用所述X射線衍射方法對(duì)最終的氧化釔薄膜進(jìn)行評(píng)估，并且對(duì)指示[400]平面取向的強(qiáng)峰進(jìn)行觀測(cè)。最終，發(fā)現(xiàn)[400]平面大體平行于主表面100a具有強(qiáng)烈取向。
當(dāng)利用所述X射線極數(shù)測(cè)定裝置對(duì)氧化釔薄膜的取向進(jìn)行估測(cè)時(shí)，可以確認(rèn)具有平面內(nèi)取向。氧化釔的[222]平面的φ掃描的半值幅為17°。此外，α′偏移角(主表面100a的法線100b與氧化釔的<400>方向之間的偏移角)為2.1°。
對(duì)由氧化釔穩(wěn)定化氧化鋯薄膜和氧化釔薄膜形成的復(fù)合薄膜的薄膜厚度分布進(jìn)行檢驗(yàn)。在與基板100的一端部100f相距3mm、5mm和7mm的位置處，薄膜厚度分別為2.1μm、2.2μm和2.1μm。在該范圍內(nèi)薄膜厚度的變化量為0.1μm。
第三實(shí)施例在第三實(shí)施例中，一氧化鈰(CeO2)薄膜被制成第二實(shí)施例中的第三薄膜。在這里，氧化鈰被用作靶。其它條件被設(shè)定為與第二實(shí)施例中相似。
利用所述X射線衍射方法對(duì)最終的氧化鈰薄膜進(jìn)行測(cè)量，并且對(duì)指示[200]平面取向的強(qiáng)峰進(jìn)行觀測(cè)。最終，發(fā)現(xiàn)氧化鈰薄膜的[200]平面具有大體平行于基板100的主表面100a的強(qiáng)烈取向。
當(dāng)利用所述X射線極數(shù)測(cè)定裝置對(duì)氧化鈰薄膜的取向進(jìn)行估測(cè)時(shí)，可以確認(rèn)具有平面內(nèi)取向。氧化鈰的[111]平面的φ掃描的半值幅為17°。此外，α′偏移角(氧化鈰的<200>方向與主表面100a的法線100b之間的偏移角)為1.9°。
對(duì)由氧化釔穩(wěn)定化氧化鋯薄膜和氧化鈰薄膜構(gòu)成的復(fù)合薄膜的薄膜厚度分布進(jìn)行檢驗(yàn)。在與基板100的一端部100f相距3mm、5mm和7mm的位置處，薄膜厚度分別為2.1μm、2.2μm和2.2μm。在該范圍內(nèi)薄膜厚度的變化量為0.1μm。
第四實(shí)施例在第四實(shí)施例中，一氧化鐿(Yb2O3)薄膜被制成第三薄膜。因此，一由氧化鐿制成的靶被用作第三淀積步驟中的靶。其它條件被設(shè)定為與第二實(shí)施例中相似。
利用所述X射線衍射方法對(duì)最終的氧化鐿薄膜進(jìn)行評(píng)估，并且對(duì)指示[400]平面取向的強(qiáng)峰進(jìn)行觀測(cè)。最終，發(fā)現(xiàn)[400]平面具有大體平行于基板100的主表面100a的強(qiáng)烈取向。
當(dāng)利用所述X射線極數(shù)測(cè)定裝置對(duì)氧化鐿薄膜的取向進(jìn)行估測(cè)時(shí)，可以確認(rèn)具有平面內(nèi)取向。氧化鐿的[222]平面的φ掃描的半值幅為20°。此外，α′偏移角(氧化鐿的<400>方向與基板100的主表面100a的法線方向之間的偏移角)為2.3°。
對(duì)由氧化釔穩(wěn)定化氧化鋯薄膜和氧化鐿薄膜構(gòu)成的復(fù)合薄膜的薄膜厚度分布進(jìn)行檢驗(yàn)。在與基板100的一端部100f相距3mm、5mm和7mm位置處，薄膜厚度分別為2.1μm、2.2μm和2.1μm。在該范圍內(nèi)薄膜厚度的變化量為0.1μm。
第五實(shí)施例在第五實(shí)施例中，一氧化鈥(Ho2O3)薄膜被制成第二實(shí)施例中的第三薄膜。因此，氧化鈥被用作靶。其它條件被設(shè)定為與第二實(shí)施例中相似。
利用所述X射線衍射方法對(duì)最終的氧化鈥薄膜進(jìn)行評(píng)估，并且對(duì)指示[400]平面取向的強(qiáng)峰進(jìn)行觀測(cè)。最終，發(fā)現(xiàn)[400]平面具有大體平行于基板100的主表面100a的強(qiáng)烈取向。
當(dāng)利用所述X射線極數(shù)測(cè)定裝置對(duì)氧化鈥薄膜的取向進(jìn)行估測(cè)時(shí)，可以確認(rèn)具有平面內(nèi)取向。氧化鈥的[222]平面的φ掃描的半值幅為18°。此外，α′偏移角(氧化鈥的<400>方向與基板100的主表面100a的法線方向之間的偏移角)為2.0°。
對(duì)由氧化釔穩(wěn)定化氧化鋯薄膜和氧化鈥薄膜構(gòu)成的復(fù)合薄膜的薄膜厚度分布進(jìn)行檢驗(yàn)。在與基板100的一端部100f相距3mm、5mm和7mm位置處，薄膜厚度分別為2.1μm、2.2μm和2.1μm。在該范圍內(nèi)薄膜厚度的變化量為0.1μm。
對(duì)比實(shí)施例在一對(duì)比實(shí)施例中，僅在如第一實(shí)施例中在圖3和4所示的第一狀態(tài)下成形一氧化釔穩(wěn)定化氧化鋯薄膜，在該第一狀態(tài)下，基板100的一端部100f與靶12之間的距離相對(duì)較小，而另一端部100e與靶12之間的距離相對(duì)較大。
利用所述X射線衍射方法對(duì)最終的氧化釔穩(wěn)定化氧化鋯薄膜進(jìn)行評(píng)估，并且對(duì)指示[200]平面取向的強(qiáng)峰進(jìn)行觀測(cè)。最終，發(fā)現(xiàn)[200]平面具有大體平行于基板100的主表面100a的強(qiáng)烈取向。
當(dāng)利用所述X射線極數(shù)測(cè)定裝置對(duì)氧化釔穩(wěn)定化氧化鋯薄膜的取向進(jìn)行估測(cè)時(shí)，可以確認(rèn)具有平面內(nèi)取向。氧化釔穩(wěn)定化氧化鋯的[111]平面的φ掃描的半值幅為22°。此外，α′偏移角(氧化釔穩(wěn)定化氧化鋯的<200>方向與基板100的主表面100a的法線方向之間的偏移角)為7.8°。
對(duì)氧化釔穩(wěn)定化氧化鋯薄膜的薄膜厚度分布進(jìn)行檢驗(yàn)。在與基板100的一端部100f相距3mm、5mm和7mm位置處，薄膜厚度分別為1.7μm、2.1μm和2.6μm。在該范圍內(nèi)薄膜厚度的變化量為0.9μm。
對(duì)比實(shí)施例的特征在于在基板傾斜設(shè)置的條件下進(jìn)行淀積。這種淀積方法被稱作ISD(Inclined Substrate Deposition，傾斜基板淀積)。第一至第五實(shí)施例的特征在于在利用ISD方法進(jìn)行淀積之后，在基板朝向相反方向傾斜設(shè)置的條件下進(jìn)行淀積。這種淀積方法被稱作RISD(Reverse ISD，反向ISD)。在第二至第五實(shí)施例中，在利用ISD方法進(jìn)行淀積之后，在靶與基板相互平行排布的條件下進(jìn)行第三淀積。在這種配置下的淀積方法被稱作平行淀積。從第一至第五實(shí)施例以及對(duì)比實(shí)施例中獲得的結(jié)果在表1中示出。
表1

第六實(shí)施例在第六實(shí)施例中，一超導(dǎo)層被淀積在由對(duì)比實(shí)施例和第一至第五實(shí)施例制得的基板上。燒結(jié)的Yba2Cu3Oy(y約等于7)被用作一種超導(dǎo)材料的靶。在“YBa2Cu3Oy”中，y大約為6～7，并且氧的含量隨著靶的制造條件而發(fā)生變化。用在本發(fā)明中，y優(yōu)選盡可能地接近7。在下文中，為了方便起見(jiàn)這種材料被簡(jiǎn)稱為YBCO。
一基板被置于距離所述靶50mm遠(yuǎn)的位置處，該基板具有在對(duì)比實(shí)施例和第一至第五實(shí)施例中制得的薄膜?；宓臏囟扔杉訜崞鞅３衷?00℃。在一真空室內(nèi)，氧氣氣氛的壓強(qiáng)為13Pa(0.10Torr)。利用波長(zhǎng)為248nm的KrF受激準(zhǔn)分子激光器，在激光能量密度為20J/cm3并且頻率為20Hz的條件下對(duì)所述靶進(jìn)行激光照射。所述靶和基板相互平行排布。
當(dāng)利用激光對(duì)靶進(jìn)行照射時(shí)，靶發(fā)射出發(fā)光種子(一激光流)。通過(guò)基板以3.3mm/min的速度縱向移動(dòng)并且基板連續(xù)穿過(guò)所述激光流的方式進(jìn)行淀積操作。
在淀積操作完成之后，基板的溫度從700℃逐步冷卻至室溫，同時(shí)保持室內(nèi)的壓強(qiáng)條件為13Pa(0.10Torr)。
在淀積超導(dǎo)層之后，通過(guò)一通用濺射設(shè)備覆蓋2μm厚的銀。在所述超導(dǎo)層被導(dǎo)入一管內(nèi)填充有在室溫下壓強(qiáng)為1.0×105Pa的氧氣的石英管內(nèi)后，溫度升高至700℃，并且在這種狀態(tài)下持續(xù)10分鐘進(jìn)行退火處理。然后使其逐漸冷卻至室溫。
圖12是形成于第一實(shí)施例中第二薄膜上的超導(dǎo)層的橫剖視圖。參照?qǐng)D12，第一薄膜110被成形在基板100上，第二薄膜120被成形在第一薄膜110上，而超導(dǎo)層140被成形在第二薄膜120上。
圖13是形成于第二至第五實(shí)施例中第三薄膜上的超導(dǎo)層的橫剖視圖。參照?qǐng)D13，第一薄膜110被成形在基板100上。第二薄膜120被成形在第一薄膜110上。第三薄膜130被成形在第二薄膜120上。超導(dǎo)層140被成形在第三薄膜130上。
最終超導(dǎo)層的特性如表2中所示。
表2

臨界電流Ic和臨界電流密度Jc利用一種直流四端點(diǎn)方法(a dcfour-terminal method)在一自磁場(chǎng)(a self-magnetic field)中在溫度為77K的液態(tài)氮中加以測(cè)定。在所述X射線極數(shù)測(cè)定裝置中利用[103]平面的φ掃描的半值幅對(duì)YBCO的平面內(nèi)取向進(jìn)行評(píng)估。
第七實(shí)施例在第七實(shí)施例中，一超導(dǎo)層被淀積在由對(duì)比實(shí)施例和第一至第五實(shí)施例制得的基板上。燒結(jié)的HoBa2Cu3Oy(y約等于7)被用作超導(dǎo)材料的靶。在“HoBa2Cu3Oy”中，y大約為6～7，并且氧的含量會(huì)隨著靶的制造條件而發(fā)生變化。用在本發(fā)明中，y優(yōu)選盡可能地接近7。在下文中，為了方便起見(jiàn)，這種材料將被簡(jiǎn)稱為HoBCO。
在與第六實(shí)施例類似的條件下，在其上形成有對(duì)比實(shí)施例和第一至第五實(shí)施例中所制得的薄膜的基板上成形一由HoBCO薄膜形成的超導(dǎo)層。在與第六實(shí)施例相似的條件下，在所述超導(dǎo)層上制取一銀薄膜，并且此后進(jìn)行退火處理。
最終超導(dǎo)層的特性在表3中示出。
表3

在表3中，臨界電流Ic和臨界電流密度Jc利用一種直流四端點(diǎn)方法在一自磁場(chǎng)中于溫度為77K的液態(tài)氮中加以測(cè)定。在所述X射線極數(shù)測(cè)定裝置中利用[103]平面的φ掃描的半值幅對(duì)HoBCO的平面內(nèi)取向進(jìn)行測(cè)定。
盡管在前面已經(jīng)對(duì)本發(fā)明的若干實(shí)施例進(jìn)行了描述，但是所示出的這些實(shí)施例可以進(jìn)行多種變型。
首先，在成形第三薄膜的過(guò)程中，靶與基板可以形成一銳角。
在成形超導(dǎo)層的步驟中，超導(dǎo)層可以被制成包括下述元素釔(Y)、鈥(Ho)、釤(Sm)、镥(Lu)、鐿(Yb)、銩(Tm)、鉺(Er)、鏑(Dy)、釓(Gd)、銪(Eu)、鑭(La)以及釹(Nd)中的至少一種；鋇(Ba)；銅(Cu)；以及氧(O)，它們大體具有1∶2∶3∶y的比率(y是等于或者大于6的數(shù))。
可以成形多個(gè)超導(dǎo)層。例如，可以成形一由YBCO與NdBCO形成的疊層結(jié)構(gòu)?？蛇x擇地，這種結(jié)構(gòu)可以被制成使得HoBCO、NdBCO、HoBCO、NdBCO依次疊置。
在成形超導(dǎo)層的步驟中，可以利用下述方法中任意一種離子束濺射(IBS)，濺射，熱共蒸發(fā)，MOD(Metal Organic Decomposition，金屬有機(jī)分解)，MBE(Molecular Beam Epitaxy，分子束外延)，MOCVD(Metal OrganicChemical Vapor Deposition，金屬有機(jī)化學(xué)汽相淀積)，電子束蒸發(fā)以及激光燒蝕。
下述材料中的任意一種均可以被用作所述靶鈦酸鍶(SrTiO3)，氧化鎂(MgO)，氧化鋯(ZrO2)，氧化鉿(HfO2)，氧化鐠(PrO2)，氧化鋯釓(Zr2Gd2O7)，氧化鋯釤(Zr2Sm2O7)，氧化鋯鑭(Zr2La2O7)，氧化釤(Sm2O3)，鋯酸鋇(BaZrO3)，氧化釹鎵(NdGaO3)，氧化釔穩(wěn)定化氧化鋯(YSZ)，氧化釔(Y2O3)，氧化鈰(CeO2)，氧化鐿(Yb2O3)，以及氧化鈥(Ho2O3)。
盡管激光燒蝕被用作一種制造第一薄膜和第二薄膜的方法，但是本發(fā)明并不局限于此，第一和第二薄膜可以利用電子束蒸發(fā)、激光燒蝕、濺射或者它們的組合淀積而成。
此外，在第一和第二薄膜的淀積過(guò)程中，每單位面積上蒸發(fā)的陽(yáng)粒子的量?jī)?yōu)選在摩爾數(shù)上相同，以便獲得相同的淀積速度。
在此所用的基板可包括由下述材料構(gòu)成的組中選擇的至少一種銀、銀合金、鎳、鎳合金以及不銹鋼。
基板可以包括多層，并且多層中的每一層均可以包括由下述材料構(gòu)成的組中選擇的至少一種銀、銀合金、鎳、鎳合金以及不銹鋼。例如，可以使用由疊置的鎳與不銹鋼制成的基板或者由疊置的銀與不銹鋼制成的基板。
成形第一薄膜的步驟和成形第二薄膜的步驟可以交替地多次重復(fù)。
在圖3和4中所示位置處設(shè)置基板100的條件下成形第一薄膜之后，可以在基板100倒置的條件下淀積第二薄膜，也就是說(shuō)在基板100設(shè)置為使得一端部100f在圖1中指向上方的條件下。
一0.5μm厚的第一薄膜、一0.5μm厚的第一薄膜以及一1μm厚的第二薄膜可以依次疊置在一金屬基板上。
可選擇地，可以將一第一薄膜、一第二薄膜、一第一薄膜、一第二薄膜、一第三薄膜以及一第一薄膜依次疊置在一金屬基板上。本發(fā)明可以應(yīng)用于多種疊層樣式。
需要明白的是，在此所公開(kāi)的實(shí)施例僅用于例證目的，并非加以限制。本發(fā)明的范圍并不由前述內(nèi)容表明，而是由權(quán)利要求加以限定，并且希望包含在所述范圍內(nèi)的這些權(quán)利要求的所有等效描述以及所有變型。
根據(jù)本發(fā)明，可以成形一種厚度大體均勻并且具有大體平行于基板法線方向的規(guī)定取向的薄膜。
工業(yè)實(shí)用性本發(fā)明可以應(yīng)用于一中間層的淀積方法的領(lǐng)域內(nèi)，其中在所述中間層被置于一基板上的條件下成形一氧化物超導(dǎo)層。
權(quán)利要求
1.一種淀積方法，通過(guò)從靶材料(12)的表面散射出一淀積材料并且使得散射出的該淀積材料在一基板(100)的表面上生長(zhǎng)而形成一薄膜，包括下述步驟對(duì)基板(100)進(jìn)行定位，使得該基板(100)的表面(100a)相對(duì)于該靶材料(12)的表面(12a)形成一規(guī)定角度而進(jìn)入一第一狀態(tài)，在這種狀態(tài)下，該基板(100)的一端部(100f)與該靶材料(12)之間的距離相對(duì)較小，而該基板(100)的另一端部(100e)與該靶材料(12)之間的距離相對(duì)較大；在所述第一狀態(tài)下在該基板(100)上成形一第一薄膜(110)；對(duì)該基板(100)進(jìn)行定位，使得該基板(100)的表面(100a)與該靶材料(12)的表面(12a)大致形成該規(guī)定角度而進(jìn)入一第二狀態(tài)，在這種狀態(tài)下，該基板(100)的該端部(100f)與該靶材料(12)之間的距離相對(duì)較大，而該基板(100)的該另一端部(100e)與該靶材料(12)之間的距離相對(duì)較??；以及在所述第二狀態(tài)下在該第一薄膜(110)上成形一第二薄膜(120)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的淀積方法，還包括一在所述第二薄膜(120)上成形一超導(dǎo)層(140)的步驟。
3.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的淀積方法，還包括下述步驟將所述基板(100)定位成一第三狀態(tài)，在該第三狀態(tài)下，該基板(100)的表面(100a)與該靶材料(12)的表面(12a)對(duì)置；和在所述第三狀態(tài)下在該第二薄膜(120)上成形一第三薄膜(130)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3中所述的淀積方法，其中將該基板(100)定位成第三狀態(tài)的所述步驟包括對(duì)該基板(100)進(jìn)行定位使得該基板(100)的表面(100a)與該靶材料(12)的表面(12a)大體平行對(duì)置的步驟。
5.根據(jù)權(quán)利要求3中所述的淀積方法，還包括一在所述第三薄膜(130)上成形一超導(dǎo)層(140)的步驟。
6.根據(jù)權(quán)利要求2中所述的淀積方法，其中所述成形一超導(dǎo)層(140)的步驟包括一形成包括下列元素的超導(dǎo)層(140)的步驟，該元素是由釔、鈥、釤、镥、鐿、銩、鉺、鏑、釓、銪、鑭以及釹構(gòu)成的組中選擇的至少一種；鋇；銅；以及氧，它們大體具有1∶2∶3∶y的比率(y是一等于或者大于6的數(shù))。
7.根據(jù)權(quán)利要求2中所述的淀積方法，其中所述成形一超導(dǎo)層(140)的步驟包括一成形多個(gè)所述超導(dǎo)層(140)的步驟。
8.根據(jù)權(quán)利要求7中所述的淀積方法，其中所述成形多個(gè)超導(dǎo)層(140)的步驟包括一成形具有不同組分的該多個(gè)超導(dǎo)層(140)的步驟。
9.根據(jù)權(quán)利要求2中所述的淀積方法，其中所述成形一超導(dǎo)層(140)的步驟包括利用離子束濺射，濺射，熱共蒸發(fā)，金屬有機(jī)分解，分子束外延，金屬有機(jī)化學(xué)汽相淀積，電子束蒸發(fā)以及激光燒蝕中的任一種工藝成形所述超導(dǎo)層(140)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的淀積方法，其中所述靶材料(12)為氧化物。
11.根據(jù)權(quán)利要求10中所述的淀積方法，其中所述靶材料(12)包括由鈦酸鍶，氧化鎂，氧化鋯，氧化鉿，氧化鐠，氧化鋯釓，氧化鋯釤，氧化鋯鑭，氧化釤，鋯酸鋇，氧化釹鎵，氧化釔穩(wěn)定化氧化鋯，氧化釔，氧化鈰，氧化鐿，以及氧化鈥構(gòu)成的組中選擇的至少一種。
12.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的淀積方法，其中在所述成形第一薄膜(110)的步驟和所述成形第二薄膜(120)的步驟中，每單位面積上所蒸發(fā)陽(yáng)離子的量在摩爾數(shù)上大體相同。
13.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的淀積方法，其中所述成形第一薄膜(110)的步驟和所述成形第二薄膜(120)的步驟包括利用電子束蒸發(fā)、激光燒蝕、濺射或者它們的組合來(lái)成形薄膜。
14.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的淀積方法，其中所述基板(100)是一具有柔性的金屬條帶，并且從所述端部(100f)至所述另一端部(100e)的方向大體垂直于該金屬條帶的長(zhǎng)度方向。
15.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的淀積方法，其中所述基板(100)包括由銀、銀合金、鎳、鎳合金以及不銹鋼構(gòu)成的組中選擇的至少一種。
16.根據(jù)權(quán)利要求15中所述的淀積方法，其中所述基板(100)包括多層，并且多層中的每一層包括由銀、銀合金、鎳、鎳合金以及不銹鋼構(gòu)成的組中選擇的至少一種。
17.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的淀積方法，還包括交替地多次重復(fù)進(jìn)行所述成形第一薄膜(110)的步驟和所述成形第二薄膜(120)的步驟的步驟。
18.一種利用根據(jù)權(quán)利要求1至17中任一方法制成的疊層薄膜。
全文摘要
本發(fā)明制造出一種具有均勻厚度并且具有一平行于基板主表面的晶軸的薄膜。在一種淀積方法中，通過(guò)從靶(12)的表面散射出一種淀積材料并且使得散射出的這種淀積材料在一基板(100)的主表面(100a)上生長(zhǎng)而形成一薄膜。該方法包括下述步驟將基板(100)定位成第一狀態(tài)，在該狀態(tài)下，一端部(100f)與靶(12)之間的距離較小，而另一端部(100e)與靶(12)之間的距離相對(duì)較大；在第一狀態(tài)下在基板(100)上成形一第一薄膜(110)；將基板(100)定位成第二狀態(tài)，在該狀態(tài)下，一端部(100f)與靶(12)之間的距離較大，而另一端部(100e)與靶(12)之間的距離較??；以及在第二狀態(tài)下在第一薄膜(110)上成形一第二薄膜(120)。
文檔編號(hào)C23C14/34GK1492940SQ0182301
公開(kāi)日2004年4月28日 申請(qǐng)日期2001年12月10日 優(yōu)先權(quán)日2001年3月9日
發(fā)明者種子田賢宏, 三, 藤野剛?cè)? 也, 大松一也 申請(qǐng)人:住友電氣工業(yè)株式會(huì)社, 財(cái)團(tuán)法人國(guó)際超電導(dǎo)產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究中心