專利名稱：一種用于沉積涂層材料膜,尤其是超導(dǎo)氧化物膜的方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種涂層材料膜的沉積方法和設(shè)備，尤其涉及在制備超導(dǎo)復(fù)合帶工藝中對超導(dǎo)氧化物膜和/或緩沖層的沉積的方法和設(shè)備。
背景技術(shù)：
大規(guī)模生產(chǎn)在柔性金屬帶上沉積的YBCO或REBCO超導(dǎo)膜的可能性具有很大的工業(yè)價值。這種材料的制備需要對超導(dǎo)膜進(jìn)行完全的原位氧化，以將氧缺陷限制到低于0.1的值。
在常規(guī)的真空沉積技術(shù)中，相對于真空室內(nèi)的平均氧分壓，超導(dǎo)薄膜的氧化需要生長膜表面上的有效氧分壓局部增加。
涉及熱共蒸發(fā)的原位氧化設(shè)備是公知的，例如專利DE-A-19631101所公開的通過氧擴(kuò)散器的循環(huán)通道可以確保對生長膜的表面進(jìn)行氧化；該氧擴(kuò)散器呈盒狀，氧氣從盒體內(nèi)部流出；該盒體具有延遲氧分子從膜的生長區(qū)域流出的功能，從而相對于真空室內(nèi)其余部分的分壓使有效氧分壓增加。
然而，上述設(shè)備和其他類似系統(tǒng)存在一些嚴(yán)重的缺陷，即為了保證氧分壓的顯著增加，它們需要保持盒體的邊緣離生長膜的表面非常近的距離(在十分之一毫米的范圍)。因此，必須要想辦法不僅僅對氧擴(kuò)散器位置進(jìn)行精確地起始調(diào)節(jié)，而且在沉積過程中要對氧擴(kuò)散器到生長膜的距離進(jìn)行連續(xù)地、精確地控制。為了確保這類設(shè)備的有效操作，因此，構(gòu)建嚴(yán)密的和/或精密的復(fù)雜機(jī)械定位系統(tǒng)非常必要。無論如何，這種方法的可靠性都不能完全令人滿意。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的之一是提供一種用于涂層材料膜沉積的方法和設(shè)備，尤其用于在制備超導(dǎo)復(fù)合帶工藝中對超導(dǎo)氧化物膜和/或緩沖層沉積的方法和設(shè)備，它們不存在上述提及的現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷。特別是，本發(fā)明的目的之一是提供一種能以高制備速率連續(xù)操作、確保進(jìn)行有效沉積和高可靠性，同時具有簡便的、經(jīng)濟(jì)的實(shí)施方式的方法和設(shè)備。
根據(jù)所述目的，本發(fā)明涉及了一種分別在所附的權(quán)利要求1和權(quán)利要求13所定義的方法及設(shè)備。
本發(fā)明的方法和設(shè)備能夠使沉積區(qū)域獲得的有效氧分壓顯著增加，以使所述氧分壓能夠與用現(xiàn)有系統(tǒng)獲得的氧分壓相比較，但卻不需要現(xiàn)有系統(tǒng)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)和處理手段。事實(shí)上，氧氣流傳輸?shù)木嚯x比現(xiàn)有系統(tǒng)中的氧氣流的傳輸距離大的多，即相對于現(xiàn)有系統(tǒng)要求的十分之幾毫米，該距離在幾毫米的范圍之內(nèi)。
因此，移動系統(tǒng)會更加簡化且要求較低精度的結(jié)構(gòu)和操作，也使高速率進(jìn)行沉積和氧化的步驟成為可能。最終生產(chǎn)率和工藝可靠性獲得顯著提高，整個生產(chǎn)成本隨之減少。
氣相處理步驟不僅僅可以采用氧氣實(shí)施，也可以采用實(shí)現(xiàn)其它功能的其它類型氣體實(shí)施，例如所提供的氣體可以是組合氣體(例如氬氣、氫氣混合氣體)或者是其它類型的反應(yīng)氣體。
附圖簡介本發(fā)明進(jìn)一步的特征和優(yōu)點(diǎn)清楚地體現(xiàn)在隨后實(shí)施方案的非限制性實(shí)施例的表述中，請參照附圖，其中

圖1是本發(fā)明設(shè)備的第一個實(shí)施方案的示意圖；圖2是圖1所示設(shè)備細(xì)節(jié)部分的放大示意圖；和圖3和4分別是本發(fā)明設(shè)備的第二個實(shí)施方案的側(cè)視圖和剖視圖。
本發(fā)明的最佳實(shí)施方式圖1中，總體上1代表著一臺沉積涂層材料膜的設(shè)備，特別是用于在制備超導(dǎo)復(fù)合帶工藝中沉積超導(dǎo)氧化物膜和/或緩沖層的設(shè)備。設(shè)備1是在帶狀襯底4上連續(xù)處理形成膜2(該膜可以是，尤其是一種或多種超導(dǎo)氧化物膜，或者其它所謂的緩沖層)的設(shè)備。
設(shè)備1包括殼體5限定殼體內(nèi)的真空腔6的邊界，真空腔6裝配至少一個抽氣泵7，以使真空腔6內(nèi)的壓力達(dá)到10-5mbar范圍內(nèi)的預(yù)設(shè)壓力值P0。
真空腔6內(nèi)容納有沉積裝置10，以使膜2形成在襯底4的表面11上，以及如圖1中箭頭13所示的氣相處理裝置12，用于將氣體流傳送到襯底4或者襯底4上生長膜2的工作表面14上。
根據(jù)本領(lǐng)域常規(guī)使用的技術(shù)，沉積裝置10包括用于在真空腔6內(nèi)形成蒸發(fā)區(qū)16的蒸發(fā)裝置15和連續(xù)供給裝置17，用于連續(xù)將襯底4送入真空腔16內(nèi)并沿前進(jìn)方向18通過蒸發(fā)區(qū)16。特別是，蒸發(fā)裝置15包含有一系列電加熱坩鍋20用來蒸發(fā)形成膜2所必要的合適的元素前驅(qū)體，所述被蒸發(fā)的元素形成蒸發(fā)區(qū)16并沉積在面對坩鍋20的襯底4的表面11上。可以理解，裝置1也可以包含其他類型的蒸發(fā)裝置15和更一般情況下任何公知類型的沉積裝置。
輸送襯底4的供料裝置17也可以是任何公知的類型，圖1僅示意性的給出了一種包括設(shè)置在襯底4橫向上并支撐襯底4高于蒸發(fā)區(qū)16的一對滾輪22，以及沿前進(jìn)方向18移動襯底4的牽引滾輪23。
氣相處理裝置12包含至少一個裝配有一個噴嘴26或優(yōu)選多個噴嘴26的氣體擴(kuò)散器25，和在蒸發(fā)區(qū)16內(nèi)移動擴(kuò)散器25的移動裝置27。裝配加壓裝置28(現(xiàn)有的)用來在壓力下，尤其是在入口壓力P1約2atm的壓力下，將氣體供給擴(kuò)散器25。
擴(kuò)散器25含有一個通過管31連接到加壓裝置28或者更一般地連接到壓力氣體源上的盒狀體30，該盒狀體30內(nèi)部形成平行連接到管31的噴嘴26。
根據(jù)所要實(shí)施的處理種類，氣體可以是氧氣或者其他類型的反應(yīng)氣體，例如一種組合氣體，如氬氣和氫氣的混合氣體。
同樣參照圖2，噴嘴26是超聲膨脹噴嘴，即一種可以使通過的氣流產(chǎn)生超聲膨脹的專用設(shè)計(jì)噴嘴。將每個噴嘴26如此成型并經(jīng)受噴嘴的入口和出口的壓力差以便使通過噴嘴的氣流經(jīng)過超聲膨脹進(jìn)行傳送，尤其是絕熱超聲膨脹。
術(shù)語“超聲膨脹噴嘴”意味著以這樣一種方式成型的噴嘴，即在噴嘴入口和出口之間具有確定的、足夠高壓力差的情況下，通過該噴嘴的氣流經(jīng)過膨脹并最終其速度增加到超聲速的數(shù)值。
每個噴嘴都有一個與管31相連的入口35，且具有小于管31橫截面的入口部分。每個噴嘴26含有一個從入口35開始的具有恒定截面的通孔36，該通孔的橫截面基本上等于入口橫截面；一個止于出口38的擴(kuò)展槽37，該擴(kuò)展槽的出口橫截面大于通孔橫截面，也就是說大于入口橫截面。每個噴嘴26入口橫截面和出口橫截面的比值范圍包括在約1∶2到約1∶20之間。
這樣設(shè)計(jì)每個噴嘴，可以產(chǎn)生一個氣體傳送區(qū)域40，該區(qū)域中至少在遠(yuǎn)到離噴嘴26的出口38的距離D約為5mm，甚至遠(yuǎn)到距離約10mm時，其出口壓力P2至少是真空腔壓力P0的十倍。換句話說，這樣設(shè)計(jì)的每個噴嘴26都可以產(chǎn)生一個氣體傳送區(qū)域，該區(qū)域中至少在遠(yuǎn)到離噴嘴26的出口38的距離D約為5mm(甚至遠(yuǎn)到距離約10mm)時，產(chǎn)生的氧分壓至少是真空腔內(nèi)氧分壓的十倍。
采用這種方式，目的區(qū)域的氧分壓顯著增加，同時并不改變真空腔6的壓力。
擴(kuò)散器25設(shè)置在表面11的下面，噴嘴26基本上與表面11成垂直設(shè)置。噴嘴26的出口38設(shè)置的距離D1要小于距表面11的距離D。因?yàn)闅庀鄠魉蛥^(qū)域相對較寬(也就是說，距離D相對較大，在幾毫米的范圍之內(nèi))，所以距離D1也會相對較大，例如要大于1mm，甚至如果必要，要大于2mm或者3mm，更特別的情況要在約3mm到約5mm之間。
移動裝置27可以是任意類型；比如，移動裝置27包含一個滑塊45，擴(kuò)散器25安裝在該滑塊上，并且該滑塊在平行于前進(jìn)方向18的導(dǎo)向桿46上滑動?；瑝K45在傳動裝置47的驅(qū)動下移動，從而帶動擴(kuò)散器25在蒸發(fā)區(qū)域16內(nèi)循環(huán)。
設(shè)備1還包含一個用來加熱襯底4的裝置48，比如紅外燈或者電加熱裝置。裝置48置于襯底正上方，與襯底的表面11和蒸發(fā)區(qū)16相對。
本發(fā)明所涉及的設(shè)備1的操作方法如下將帶狀的襯底4持續(xù)供給通過真空腔6，真空腔中始終保持預(yù)設(shè)的壓力值P0，因此這里氧分壓相對較低。而當(dāng)襯底4橫貫真空腔6時，開始執(zhí)行蒸發(fā)步驟，在這個過程中蒸發(fā)區(qū)16形成。襯底4橫貫蒸發(fā)區(qū)16，在此實(shí)施薄膜2在表面11上的沉積步驟。
與沉積步驟相關(guān)聯(lián)的是氣相原位處理步驟。也就是相關(guān)的在同樣沉積步驟中發(fā)生的氧化步驟以及氣流13(氧氣流)被輸送到加工表面14(也就是在襯底4上生長的薄膜2的表面)。氣相處理(氧化)步驟通過裝備有超聲膨脹噴嘴26的擴(kuò)散器25來完成的，該步驟因此包含一個超聲膨脹步驟，尤其是被輸送的氣流13的絕熱超聲膨脹步驟。
在進(jìn)口氣壓P1下，氣流13被輸送到擴(kuò)散器25，顯示約為2個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。因此在超聲膨脹步驟之前，氣相處理步驟包含一個使氣流13加壓步驟。
有利的是，氣相處理(氧化)步驟循環(huán)完成，使得擴(kuò)散器25通過滑動裝置27循環(huán)進(jìn)入蒸發(fā)區(qū)16。
能夠理解設(shè)備1不僅適于在氧氣流中使用，也可以在其他類型氣體中使用。因此，根據(jù)本發(fā)明提供的幾種不同的可能方法，在氣相處理這個步驟中，根據(jù)所執(zhí)行方式的不同和特定的作用，其它氣體可以代替氧氣被輸送。例如加熱、清洗，或者對加1表面14(根據(jù)處理過程，或許是襯底4表面或是生長在襯底4上的薄膜表面)任何情況下的處理。
尤其是當(dāng)氣流是反應(yīng)氣體流時，如組合氣體，比如氬氣和氫氣的混合氣體時，處理步驟就是一個還原步驟。
無論被輸送的是那種氣體，氣相處理步驟可以在沉積步驟之前，之后，或其間進(jìn)行。
在圖3和圖4的實(shí)施方式中，相同或相似的零件都用相同的數(shù)字標(biāo)示。供給裝置17限定襯底4通過蒸發(fā)區(qū)16的曲線路徑，將移動裝置27設(shè)計(jì)成帶動擴(kuò)散器25接近襯底4的表面11，并沿著曲線路徑進(jìn)入蒸發(fā)區(qū)16，蒸發(fā)區(qū)位于所述供給裝置17所限定的路徑的內(nèi)徑向上。
特別地，供給裝置17包括一個堅(jiān)固的、圓柱形的、發(fā)動機(jī)驅(qū)動的園盤55。該圓盤能夠圍繞中軸A旋轉(zhuǎn)而且有徑向外部側(cè)面表面56，該表面上纏繞著襯底4的縱向拉伸線57。圓盤的表面56有一個環(huán)狀切口58，該切口基本沿圓盤55的直徑平面設(shè)置，以截于蒸發(fā)區(qū)16。其上延展著襯底4的中心縱向拉伸帶59。切口58被61和62兩輪之間的環(huán)形間隙所限定。兩輪彼此并排，并沿軸A對準(zhǔn)，能夠繞軸A旋轉(zhuǎn)。
蒸發(fā)裝置15置于由輪61和62限定邊界的圓盤55的內(nèi)腔體65中。特別地，坩鍋20由支架66支撐。該支架伸入腔體65內(nèi)，徑向地置于圓盤55的內(nèi)側(cè)以及襯底4的路徑內(nèi)部。
兩個滾軸67平行置于圓盤55兩側(cè)，一個在圓盤55的上游，一個在下游。它們用來限制纏繞在圓盤55上的襯底4的縱向拉伸線57。
移動裝置27包括三個發(fā)動機(jī)驅(qū)動臂68。這三個臂以圓周方式彼此隔開120°角的距離置于腔體65內(nèi)，繞軸A固定旋轉(zhuǎn)。驅(qū)動臂68支撐著裝備有超聲膨脹噴嘴26的各個擴(kuò)散器25。擴(kuò)散器25軸向置于懸臂端，在驅(qū)動臂68各自的自由端以便彼此一致排列，同時和切口58也保持一致。
權(quán)利要求
1.一種在襯底上沉積涂層材料膜的方法，特別是用于超導(dǎo)復(fù)合帶的超導(dǎo)氧化物膜和/或緩沖層膜的沉積，包含在襯底(4)上沉積膜(2)的步驟，該步驟與氣相原位處理步驟相關(guān)聯(lián)，在氣相原位處理步驟中，將氣流(13)輸送到襯底(4)的加工表面(14)或在襯底上生長的膜(2)的加工表面，所述方法的特征在于所述的氣相處理步驟包括使被輸送的氣流(13)超聲膨脹的步驟。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的沉積涂層材料膜的方法，其特征在于所述的沉積步驟是真空沉積步驟。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的沉積涂層材料膜的方法，其特征在于所述的氣相處理步驟可以在所述的沉積步驟之前、之后或之間進(jìn)行。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3中的任一項(xiàng)所述的沉積涂層材料膜的方法，其特征在于所述的氣相處理步驟是氧化步驟，氣流(13)是氧氣氣流。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-3中的任一項(xiàng)所述的沉積涂層材料膜的方法，其特征在于所述的氣相處理步驟是由組合氣體實(shí)施的還原步驟，例如氬氣和氫氣的混合氣體。
6.根據(jù)前述任一項(xiàng)權(quán)利要求中所述的沉積涂層材料膜的方法，其特征在于所述的超聲膨脹步驟至少經(jīng)一個超聲膨脹噴嘴(26)完成，氣流(13)通過超聲膨脹噴嘴來輸送，將所述的噴嘴設(shè)計(jì)成能產(chǎn)生輸送區(qū)(40)，在該區(qū)域中至少在距離所述噴嘴約為5mm或約10mm處，具有的氧分壓約是所述輸送區(qū)外的氧分壓的10倍。
7.根據(jù)前述任一項(xiàng)權(quán)利要求中所述的沉積涂層材料膜的方法，其特征在于所述噴嘴(26)的入口橫截面和出口橫截面的比值包括在約1∶2到1∶20之間。
8.根據(jù)前述任一項(xiàng)權(quán)利要求中所述的沉積涂層材料膜的方法，其特征在于所述氣相處理步驟循環(huán)進(jìn)行。
9.根據(jù)前述任一項(xiàng)權(quán)利要求中所述的沉積涂層材料膜的方法，其特征存于所述沉積步驟和氣相處理步驟都在真空腔(6)中進(jìn)行，而且在所述超聲膨脹步驟之前，所述處理步驟還包括使氣流(13)加壓的步驟。
10根據(jù)前述任一項(xiàng)權(quán)利要求中所述的沉積涂層材料膜的方法，其特征在于在所述的沉積步驟中，襯底(4)穿過腔體(6)內(nèi)形成的蒸發(fā)區(qū)(16)。
11根據(jù)前述任一項(xiàng)權(quán)利要求中所述的沉積涂層材料膜的方法，其特征在于所述的襯底(4)是帶狀的，并被連續(xù)供料通過蒸發(fā)區(qū)(16)。
12.根據(jù)權(quán)利要求10或11所述的沉積涂層材料膜的方法，其特征在于所述襯底(4)沿實(shí)質(zhì)上是曲線的路徑橫貫所述蒸發(fā)區(qū)(16)，并且所述蒸發(fā)區(qū)(16)徑向位于所述路徑內(nèi)部。
13.一種在襯底上沉積涂層材料膜的設(shè)備(1)，尤其用于沉積超導(dǎo)復(fù)合帶的超導(dǎo)氧化物薄膜和/或緩沖層，所述設(shè)備包括內(nèi)部安裝有沉積裝置(10)和氣相處理裝置(12)的腔體(6)，所述沉積裝置(10)用于在襯底(4)的表面(11)上形成涂層材料膜(2)，所述氣相處理裝置(12)用于將氣流(13)輸送到襯底或在襯底上的生長膜的加工表面(14)上，所述設(shè)備(1)的特征在于所述氣相處理裝置(12)包含至少一個超聲膨脹噴嘴(26)，所述氣流(13)在進(jìn)行超聲膨脹的同時通過該超身膨脹噴嘴而被傳送。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的設(shè)備，其特征在于所述腔體(6)是真空腔。
15.根據(jù)權(quán)利要求13或14所述的設(shè)備，其特征在于所述噴嘴(26)被設(shè)計(jì)成用于產(chǎn)生輸送區(qū)(40)，在該區(qū)域中至少距離所述噴嘴約5mm處，具有的氧分壓至少約是真空腔(6)內(nèi)氧分壓的十倍。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的設(shè)備，其特征在于所述噴嘴(26)具有入口橫截面和出口橫截面的比值包括在約1∶2到1∶20之間。
17.根據(jù)權(quán)利要求13到16的任意一項(xiàng)所述的設(shè)備，其特征在于所述的沉積裝置(10)包括蒸發(fā)裝置(15)，以形成蒸發(fā)區(qū)(16)。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的設(shè)備，其特征在于所述的氣相處理裝置(12)包括至少一個擴(kuò)散器(25)和移動裝置(27)，所述擴(kuò)散器(25)裝備有多個超聲膨脹噴嘴(26)，所述移動裝置(27)帶動所述擴(kuò)散器(25)在蒸發(fā)區(qū)(16)內(nèi)循環(huán)。
19.根據(jù)權(quán)利要求17或18所述的設(shè)備，其特征在于該裝置還包括增壓裝置(28)，所述增壓裝置用于在壓力下將氣體提供到所述氣相處理裝置(12)中。
20.根據(jù)權(quán)利要求17-19任一項(xiàng)所述的設(shè)備，其特征在于它還包括供給裝置(17)，所述供給裝置(17)攜帶襯底(4)通過蒸發(fā)區(qū)(16)。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的設(shè)備，其特征在于所述襯底(4)為帶狀，所述供給裝置(17)是連續(xù)供給裝置，連續(xù)提供襯底(4)通過蒸發(fā)區(qū)(16)。
22.根據(jù)權(quán)利要求20或21所述的設(shè)備，其特征在于所述供給裝置(17)限定襯底(4)實(shí)質(zhì)上以曲線路徑通過所述蒸發(fā)區(qū)(16)，且所述蒸發(fā)裝置(15)徑向置于所述路徑的內(nèi)側(cè)。
全文摘要
本發(fā)明提供一種在襯底上沉積涂層材料膜的制備方法及其設(shè)備，尤其用于沉積超導(dǎo)氧化物薄膜和/或緩沖層來制備超導(dǎo)復(fù)合帶。在襯底(4)上沉積膜(2)的步驟涉及到原位氣相處理步驟，在該步驟中將氣流(13)傳送到襯底的加工表面(14)或襯底上生長膜的加工表面上。該氣相處理步驟是通過超聲膨脹噴嘴(26)實(shí)施的。
文檔編號C23C14/58GK101072893SQ200480026384
公開日2007年11月14日 申請日期2004年9月10日 優(yōu)先權(quán)日2003年9月11日
發(fā)明者埃爾波特·巴爾迪尼, 安芮·告茲, 斯歐·哉那拉 申請人:艾迪森股份公司