專利名稱：在移動基片上用電子束蒸發(fā)制備立方織構(gòu)Y₂O₃薄膜的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電子束蒸發(fā)方法制備氧化物薄膜的工藝。本發(fā)明屬于電子束蒸發(fā)技術(shù)領(lǐng)域和YBCO涂層導體緩沖層的制備。
技術(shù)背景在高溫超導材料中，YBCO涂層導體是重要的研究領(lǐng)域。該類材料制備的主 要特點是(l)以柔性金屬帶材為基底材料，主要是用軋制及再結(jié)晶熱處理方法 獲得的具有高立方織構(gòu)的鎳及鎳合金帶材；(2)在金屬基帶上沉積一層或多層氧 化物薄膜(緩沖層)，緩沖層一方面阻止金屬氧化及向YBC0擴散，另一方面將金 屬基底的織構(gòu)傳遞給YBCO超導層，緩沖層材料要求晶格常數(shù)、熱膨脹系數(shù)與金 屬基底和YBCO相近，并且熱穩(wěn)定性好；(3)在緩沖層上沉積具有立方織構(gòu)的YBC0 涂層。在以上三個步驟中，第二步最關(guān)鍵。目前制備緩沖層的手段主要分為真空 法和非真空法。真空法主要有PLD、濺射、電子束蒸發(fā)、M0CVD等；非真空法主 要有溶膠-凝膠、電鍍、電泳沉積等。國內(nèi)外研究者大多采用真空法來制備緩沖 層，該方法沉積得到的薄膜致密、表面平整均勻、織構(gòu)度高。電子束蒸發(fā)是以電子束轟擊方式加熱鍍膜材料，使之蒸發(fā)或升華，飛至基 帶表面凝聚成膜的一種鍍膜方法。該方法是采用電子束蒸發(fā)器以e型電子槍為加 熱蒸發(fā)源(電子軌跡磁偏轉(zhuǎn)角27(T )，由電子發(fā)射源(直線狀螺旋鎢陰極)、電 子加速電源、坩堝(陽極，銅或鎢制成)、磁場線圈、冷卻水套等組成。鍍膜材 料放入水冷坩堝中，電子束自電子發(fā)射源發(fā)出，經(jīng)過磁場線圈產(chǎn)生的磁場時，電 子束聚集并偏轉(zhuǎn)270。，射入坩堝，不斷對膜料進行轟擊，其動能變成熱能使膜 料蒸發(fā)，產(chǎn)生蒸發(fā)原子。蒸發(fā)原子到達基帶表面碰撞后一部分被反射，另一部分 被吸附。吸附原子在基帶表面發(fā)生表面擴散，并產(chǎn)生兩維碰撞，形成簇團，或者 在表面停留一段時間后發(fā)生再蒸發(fā)。原子簇團與擴散原子相碰撞，或吸附單原子， 或放出單原子，這種過程反復(fù)進行，當原子數(shù)超過某一臨界值時就變?yōu)榉€(wěn)定核， 再不斷吸附其他擴散原子而逐歩長大，最后與臨近穩(wěn)定核合并，進而變成穩(wěn)定膜。至此，鍍膜材料沉積于基帶上。氧化釔，化學符號Y2Cb，其密度為5.01g/cm3，熔點為2450'C，晶格常數(shù) 為1.06nm。它的結(jié)構(gòu)類似于Mm03，屬于立方晶系。^03高溫下很穩(wěn)定，是很 好的絕緣材料，用它作為YBCO涂層導體的緩沖層不僅可以減緩金屬的高溫氧 化及擴散，而且與YBCO有很好的晶格匹配和熱膨脹系數(shù)匹配，是YBCO涂層 導體較為理想的緩沖層材料。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種在移動基片上用電子束蒸發(fā)制備立方織構(gòu)YA薄 膜的方法。該方法沉積速度快、沉積面積大、工藝相對簡便。 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案-一種電子束蒸發(fā)在移動基片上制備立方織構(gòu)Y20,薄膜的方法，該方法包括以 下歩驟(1) 在Ni或Ni合金帶材上裁取所需基片；或直接選取(100)單晶基片；(2) 在腔體內(nèi)，將基片粘貼或焊接在不銹鋼基帶上，然后抽腔體真空至小于3 X10—4Pa，隨后在10 40分鐘內(nèi)使基片溫度升至500°C 700°C，平衡10 30分 鐘，通入02或水氣，將腔體的氣壓調(diào)至4 7X10—' Pa，平衡5—15分鐘；(3) 在腔體內(nèi)，采用電子束蒸發(fā)法，用電子槍電源，轟擊坩堝內(nèi)純釔金屬表面；(4) 將工藝參數(shù)穩(wěn)定在以下范圍工作氣壓5.0 9.0X1(T Pa， 02或水氣的分 壓2 5X10—1 Pa，膜料蒸發(fā)速率O. 1 0.5 nm/秒，并沿與膜料蒸發(fā)的垂直的方 向移動不銹鋼基帶，不銹鋼基帶移動速率0.2 2 mm/秒。(5) 待氣壓、束流、膜料蒸發(fā)速率及基帶移動速率穩(wěn)定后，移開設(shè)在基帶前面 的樣品擋板，開始沉積￥20:,緩沖層；(6) 在基帶上得到Y(jié)A緩沖層，結(jié)束沉積。在上述10:,緩沖層的制備方法中，所述的Ni或Ni合金帶材是經(jīng)過軋制和再 結(jié)晶退火處理的，使其具有強立方織構(gòu)。在上述Y力:,緩沖層的制備方法中，在所述的步驟(1)中，將基片先進行清 洗，具體過程是將基片放入酒精中進行超聲波清洗，除去表面的水分；然后放 入丙酮中進行超聲波清洗，除去表面的油污。在上述YA緩沖層的制備方法中，在所述的歩驟(2)的通入02或水氣至腔 體內(nèi)的過程中，是采用管路直接將02或水氣通向基片的沉積面。在上述Y必,緩沖層的制備方法中，步驟(2)中，開啟電子槍前，真空室內(nèi) 氣壓一般需保證〈7X1(T Pa，否則會對電子槍造成損壞。本發(fā)明的優(yōu)點是本發(fā)明提供了一種電子束蒸發(fā)在移動基片上制備立方織構(gòu)Y2O3薄膜的工藝。 該方法由于沉積速度快、沉積面積大、工藝相對簡便，提高了薄膜制備的效率， 該方法得到具有強立方織構(gòu)的YA薄膜，該薄膜平整致密。該方法對YBCO涂層 導體的規(guī)模化制備有重要意義。


圖1是本發(fā)明所使用的設(shè)備示意圖。 圖2是本發(fā)明所使用的Ni合金基片的(111)極圖。 圖3是本發(fā)明所使用的Ni合金基片的SEM照片。圖4是本發(fā)明具體實施例1所制備的Y203緩沖層的x射線e -2 e掃描圖。 圖5是本發(fā)明具體實施例2所制備的Y203緩沖層的x射線8 —2 e掃描圖。 圖6是本發(fā)明具體實施例2所制備的Y2Cb緩沖層的SEM掃描圖。 圖7是本發(fā)明具體實施例3所制備的Y2Ch緩沖層的x射線O掃描圖。 圖8是本發(fā)明具體實施例3所制備的Y2Ch緩沖層的SEM掃描圖。
具體實施方式
如圖1所示，在腔體1內(nèi)設(shè)有坩鍋2，坩鍋2裝有蒸發(fā)源-純釔3，電子束 10不斷轟擊坩堝2內(nèi)的蒸發(fā)源。坩鍋2正上方設(shè)置有加熱燈4，在加熱燈4下方 設(shè)有基片5，基片5粘貼或焊接在不銹鋼基帶6上，不銹鋼基帶6的兩端分別纏 繞在纏帶輪7上，可使不銹鋼基帶6載著基片5在加熱燈4下方來回移動。在腔 體1上設(shè)有氣體進口8、連接分子泵、機械泵(圖中未示)等抽真空系統(tǒng)的抽真 空口9。在基片5前面設(shè)有可移動的樣品擋板(圖中未示)。如圖1所示，電子束蒸發(fā)在移動基片上制備立方織構(gòu)Y203薄膜的方法，該方法包括以下步驟(1) 在Ni或Ni合金帶材上裁取所需基片5;或直接選取(100)單晶基片5。 其中，Ni或Ni合金帶材是經(jīng)過軋制和再結(jié)晶退火處理的，具有強立方織構(gòu)?？?以將基片5先進行清洗，具體過程是先將基片5放入酒精中進行超聲波清洗， 除去表面的水分；然后放入丙酮中進行超聲波清洗，除去表面的油污。(2) 在腔體1內(nèi)，將基片5粘貼或焊接在不銹鋼基帶6上，然后通過抽真空口 9，抽腔體l真空至小于3X10^Pa，隨后開啟加熱燈4，在10 40分鐘內(nèi)將基片 溫度升至50(TC 70(TC，平衡10 30分鐘，通過氣體進口 8，通入Ch或水氣， 將腔體1的氣壓調(diào)至4 7X 10-3 Pa，平衡數(shù)分鐘。(3) 在腔體1內(nèi)，開電子槍電源，轟擊坩堝2內(nèi)純釔金屬表面，所述的純釔3 為純度》99.9%的釔。調(diào)整電子束10的束流大小，直至坩堝2內(nèi)材料開始蒸發(fā)， 調(diào)整時應(yīng)兼顧束流、功率和蒸發(fā)速率， 一般追求高的蒸發(fā)速率而又不使膜料四處 飛濺最為理想。(4) 將工藝參數(shù)穩(wěn)定在以下范圍工作氣壓5.0 9.0xl(T3 Pa， Ch或水氣的分
壓2 5X 10-3 Pa，膜料蒸發(fā)速率0. 1 0. 5 nm/秒，并通過纏帶輪7移動不銹鋼 基帶6，不銹鋼基帶6移動速率0. 2 2 mm/秒。(5) 待氣壓、束流、膜料蒸發(fā)速率及不銹鋼基帶6移動速率穩(wěn)定后，移開樣品 擋板(圖未示)，膜料開始往基片5上沉積，從而得到Y(jié)2Ch緩沖層。(6) 結(jié)束沉積時，關(guān)樣品擋板、束流調(diào)回零、關(guān)閉高壓、掃描坐標X、 Y調(diào)為零 并關(guān)掃描，燈絲預(yù)熱調(diào)回零、關(guān)電子槍電源，然后關(guān)氣體、降溫、停分子泵、關(guān) 機械泵。在上述Y203緩沖層的制備方法中，歩驟(3)中，開啟電子槍的具體過程為 打開電子槍燈絲預(yù)置電流，使燈絲預(yù)熱數(shù)分鐘。開電子束掃描按鈕，調(diào)節(jié)掃描X、 Y坐標，使電子束束斑的掃描位置處于坩堝內(nèi)。選擇適當電子槍高壓，并啟動高 壓按鈕。此時發(fā)射源產(chǎn)生電子束，在坩堝內(nèi)純釔金屬表面形成束斑，開始轟擊純 釔金屬。選擇一定的電子束掃描波形，并調(diào)整掃描坐標X、 Y大小，使束斑在鉗 堝內(nèi)實現(xiàn)動態(tài)掃描。增加束流，直至柑堝內(nèi)材料開始蒸發(fā)。在上述Y203緩沖層的制備方法中，歩驟(4)中，氣體分壓由殘余氣體分析 儀測得，膜料蒸發(fā)速率由膜厚監(jiān)控儀測得，不銹鋼基帶移動速率由計算機帶速控 制軟件測得。 具體實施例1:用電子束蒸發(fā)制備Y2Cb緩沖層，99.9%的塊狀純釔金屬做蒸發(fā)源。取(100)鋁酸鑭(LaAlCb)單晶基片，大小為3X10mm。(必要時需對單 晶基片進行清洗，具體過程是先放入酒精中進行超聲波清洗，除去表面的水分; 然后放入丙酮中進行超聲波清洗，除去表面的油污。)如圖1所示，把準備好的LaA10:,基片5粘在不銹鋼基帶6上，抽腔體1真 空至2X10，a，隨后升溫至50(TC，平衡20分鐘左右，通入02(保持02分壓 約為4XK^Pa)，并將總氣壓調(diào)至6X10-spa。平衡5分鐘，打開電子槍燈絲預(yù) 置電流，使燈絲預(yù)熱數(shù)分鐘。開電子束10的掃描按鈕，調(diào)節(jié)掃描X、 Y坐標，使 電子束10的束斑的掃描位置處于坩堝2內(nèi)。啟動電子槍高壓按鈕，電子束10 產(chǎn)生并在坩堝2內(nèi)純釔3表面形成束斑，進行轟擊。調(diào)整束流大小，直至坩堝2 內(nèi)材料丌始蒸發(fā)，調(diào)整時應(yīng)兼顧束流、功率和蒸發(fā)速率， 一般追求高的功率密度 而又不使膜料飛濺最為理想。穩(wěn)定束流，使蒸發(fā)速率約為0.2 nm/秒，啟動纏帶輪7，使不銹鋼基帶6移 動速率=0.2 mm/秒。待束流、蒸發(fā)速率和不銹鋼基帶6移動速率穩(wěn)定后，移開 樣品擋板，膜料丌始往LaAlCb基片上沉積，得到Y(jié)203緩沖層。結(jié)束沉積時，關(guān)樣品擋板、停纏帶輪7、束流調(diào)回零、關(guān)閉高壓、掃描坐標 X、 Y調(diào)為零并關(guān)掃描，燈絲預(yù)熱調(diào)回零、關(guān)電子槍電源，然后關(guān)氣體、降溫、
停分子泵、關(guān)機械泵，整個制備過程結(jié)束。Y2Cb緩沖層的x射線e -2 e掃描見圖4，結(jié)果表明薄膜具有強C軸取向。具體實施例2:用電子束蒸發(fā)制備Y203緩沖層，99.9%的塊狀純釔金屬做蒸發(fā)源。把具有強立方織構(gòu)的Ni合金帶材(其(111)極圖如圖2所示，掃描電子顯微 鏡圖像如圖3所示)，裁剪成大小為5 X 10mm基片。(必要時需對Ni合金基片進 行清洗，具體過程是先放入酒精中進行超聲波清洗2分鐘，除去表面的水分； 然后放入丙酮中進行超聲波清洗3分鐘，除去表面的油污。)如圖1所示，把準備好的Ni合金基片5粘在不銹鋼基帶6上，抽腔體l真 空至2X10"Pa,隨后升溫至60(TC，平衡20分鐘左右，通入Cb (保持Ch分壓 約為4Xl(^Pa)，并將總氣壓調(diào)至6X10-3Pa。平衡5分鐘，打丌電子槍燈絲預(yù) 置電流，使燈絲預(yù)熱數(shù)分鐘。開電子束10的掃描按鈕，調(diào)節(jié)掃描X、 Y坐標，使 電子束10的束斑的掃描位置處于坩堝2內(nèi)。啟動電子槍高壓按鈕，電子束10 產(chǎn)生并在坩堝2內(nèi)純釔3表面形成束斑，進行轟擊。調(diào)整束流大小，直至坩堝2 內(nèi)材料開始蒸發(fā)，調(diào)整時應(yīng)兼顧束流、功率和蒸發(fā)速率， 一般追求高的功率密度 而又不使膜料飛濺最為理想。穩(wěn)定束流，使蒸發(fā)速率約為0.2 nm/秒，啟動纏帶輪7，使不銹鋼基帶6移 動速率=0.4 mm/秒。待束流、蒸發(fā)速率和不銹鋼基帶6移動速率穩(wěn)定后，移開 樣品擋板，膜料開始往Ni合金基片5上沉積，得到Y(jié)2Cb緩沖層。結(jié)束沉積時，關(guān)樣品擋板、停纏帶輪7、束流調(diào)回零、關(guān)閉高壓、掃描坐標 X、 Y調(diào)為零并關(guān)掃描，燈絲預(yù)熱調(diào)回零、關(guān)電子槍電源，然后關(guān)氣體、降溫、 停分子泵、關(guān)機械泵，整個制備過程結(jié)束。Y2Ch緩沖層的x射線e-2e掃描見圖5，結(jié)果表明薄膜具有強C軸取向。 Y2Cb緩沖層的掃描電鏡照片見圖6，可見薄膜致密均勻，沒有微裂紋。 具體實施例3:用電子束蒸發(fā)制備Y203緩沖層，99.9%的塊狀純釔金屬做蒸發(fā)源。 把具有強立方織構(gòu)的純Ni帶材，裁剪成大小為5X10mm的基片，(必要時 需對Ni合金基片進行清洗，具體過程是先放入酒精中進行超聲波清洗2分鐘, 除去表面的水分；然后放入丙酮中進行超聲波清洗3分鐘，除去表面的油污。)如圖1所示，把準備好的純Ni基片5粘在不銹鋼基帶6上，抽腔體l真空 至2X10"Pa，隨后升溫至700'C，平衡30分鐘左右，通入水氣(保持其分壓約 為5X10^Pa)，并將總氣壓調(diào)至7X10^Pa。平衡5分鐘，打丌電子槍燈絲預(yù)置 電流，使燈絲預(yù)熱數(shù)分鐘。開電子束10的掃描按鈕，調(diào)節(jié)掃描X、 Y坐標，使電 子束10的束斑的掃描位置處于坩堝2內(nèi)。啟動電子槍高壓按鈕，電子束10產(chǎn)生
并在坩堝2內(nèi)純釔3表面形成束斑，進行轟擊。調(diào)整束流大小，直至坩堝2內(nèi)材 料開始蒸發(fā)。調(diào)整時應(yīng)兼顧束流、功率和膜料蒸發(fā)速率， 一般追求高的功率密度 而又不使膜料飛濺最為理想。穩(wěn)定束流，使膜料蒸發(fā)速率約為0.5nm/秒，啟動纏帶輪7，使不銹鋼基帶6 移動速率-lmm/秒。待束流、蒸發(fā)速率和不銹鋼基帶6移動速率穩(wěn)定后，移開 樣品擋板，開始往純Ni基片上沉積。純Ni基片5在移動過程中沉積得到Y(jié)203 緩沖層。結(jié)束沉積時，關(guān)樣品擋板、停纏帶輪7、束流調(diào)回零、關(guān)閉高壓、掃描坐標 X、 Y調(diào)為零并關(guān)掃描，燈絲預(yù)熱調(diào)回零、關(guān)電子槍電源，然后關(guān)氣體、降溫、 停分子泵、關(guān)機械泵，整個制備過程結(jié)束。Y2Ch緩沖層的x射線d)掃描見圖7，半高寬約8.5。，表明薄膜具有高度立 方織構(gòu)。Y2Ch緩沖層的掃描電鏡照片見圖8，可見薄膜致密均勻，沒有微裂紋。
權(quán)利要求
1、一種電子束蒸發(fā)在移動基片上制備立方織構(gòu)Y2O3薄膜的方法，其特征在于該方法包括以下步驟(1)在Ni或Ni合金帶材上裁取所需基片；或直接選取(100)單晶基片；(2)在腔體內(nèi)，將基片粘貼或焊接在不銹鋼基帶上，然后抽腔體真空至小于3×10-4Pa，隨后在10～40分鐘內(nèi)使基片溫度升至500℃～700℃，平衡10～30分鐘，通入O2或水氣，將腔體的氣壓調(diào)至4～7×10-3Pa，平衡5-15分鐘；(3)在腔體內(nèi)，采用電子束蒸發(fā)法，用電子槍電源，轟擊坩堝內(nèi)純釔金屬表面；(4)將工藝參數(shù)穩(wěn)定在以下范圍工作氣壓5.0～9.0×10-3Pa，O2或水氣的分壓2～5×10-3Pa，膜料蒸發(fā)速率0.1～0.5nm/秒，并沿與膜料蒸發(fā)的垂直的方向移動不銹鋼基帶，不銹鋼基帶移動速率0.2～2mm/秒。(5)待氣壓、束流、膜料蒸發(fā)速率及基帶移動速率穩(wěn)定后，移開設(shè)在基帶前面的樣品擋板，開始沉積Y2O3緩沖層；(6)在基帶上得到Y(jié)2O3緩沖層，結(jié)束沉積。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電子束蒸發(fā)在移動基片上制備立方織構(gòu)YA薄膜 的方法，其特征在于所述的Ni或Ni合金帶材是經(jīng)過軋制和再結(jié)晶退火處理的， 使其具有強立方織構(gòu)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電子束蒸發(fā)在移動基片上制備立方織構(gòu)YA薄膜的方法，其特征在于在所述的步驟(1)中，將基片先進行清洗，具體過程是: 將基片放入酒精中進行超聲波清洗，除去表面的水分；然后放入丙酮中進行超聲 波清洗，除去表面的油污。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電子束蒸發(fā)在移動基片上制備立方織構(gòu)丫20:,薄膜 的方法，其特征在于在所述的歩驟(2)的通入02或水氣至腔體內(nèi)的過程中， 是采用管路直接將02或水氣通向基片的沉積面。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種電子束蒸發(fā)在移動基片上制備立方織構(gòu)Y₂O₃薄膜的方法。將單晶基片、Ni或Ni合金基片粘貼或焊接在可以移動的不銹鋼基帶上，然后抽腔體真空至小于3×10^-4Pa，隨后將加熱器溫度升至500℃～700℃，通入O₂或水氣，將腔體氣壓調(diào)至4～7×10^-3Pa，開電子槍電源，使電子束轟擊坩堝內(nèi)純釔金屬表面，調(diào)整好工藝參數(shù)，同時待氣壓、束流、膜料蒸發(fā)速率及基帶移動速率穩(wěn)定后，移開樣品擋板，開始沉積Y₂O₃薄膜。最后得到具有強立方織構(gòu)的Y₂O₃薄膜，該薄膜平整致密。
文檔編號C23C14/08GK101117701SQ20061008904
公開日2008年2月6日 申請日期2006年7月31日 優(yōu)先權(quán)日2006年7月31日
發(fā)明者劉慧舟, 飛 屈, 堅 楊 申請人:北京有色金屬研究總院