一种用于高温薄膜沉积的加热装置的制作方法

本发明属于薄膜制备技术领域，尤其涉及静止或移动的长带状金属衬底上的高温环境薄膜制备，可用于溅射、蒸发、PLD、MOCVD等薄膜制备工艺，具体为一种用于高温薄膜沉积的加热装置。

背景技术：

在薄膜制备领域中，为了实现薄膜的控制生长，进而达到控制薄膜物理化学性质的目的，通常需要给薄膜生长所附着的衬底加热。

许多厂家和研究机构都在集中精力设计更为优越的反应室，为配合反应室设计，加热器也必须做出相应的改进。由于腔体内气体反应对于温度有严格要求，所以必须研制具有温度均匀、升温降温速度快、稳定快、可重复好等特点的高性能薄膜沉积加热系统。具体而言，薄膜沉积加热系统必须：具有快速将温度提高到生长各层薄膜所需的高温；达到设定温度后，能够稳定地维持在这一温度不发生变化，既具备热稳定性；能在短时间内实现温度的迅速上升和下降，从而在晶片上形成陡峭层；能控制加热器实现不同的设定温度，满足生长多层沉积膜的需要；具有良好的可重复性，使每次生长出来的材料具有相同的性质。目前市场上的制备薄膜的设备加热方式主要有两种：电阻丝加热和高频感应加热。

电阻丝加热是通过使用电阻比较高的电阻丝，通以大电流，使电阻丝产生大量的焦耳热，电阻丝在短时间内升温至1500～2000℃。然后高温的电阻丝向石墨基座传热，传热的形式主要以辐射为主，因此也有把该热方式称作辐射加热的。采用电阻丝加热主要的优点有结构简单，发热原理简单，温度控制方便等；而且作为传统的加热方式，其技术是十分成熟的。缺点主要有成本高，维护相对困难，且升降温速度相对较慢。而且这种加热方式要求对发热体的数量、空间分布等进行很好的设计，以保证衬底获得足够高且均匀分布的温度，因此加热器的设计更难，所需要的空间也更大。

感应加热主要依据电磁感应、趋肤效应和热传导三项基本原理,即将导体置于高频的电磁场中，使导体内感应出同频率的电流，在该电流的作用下发热。感应加热已经在工业界使用超过了40年，其应用领域很广泛。高频感应加热与传统的加热设备相比具有诸多优点：加热温度高，而且是非接触式加热，这对结构复杂的腔体而言是十分优越的；加热效率高，节能；加热速度快，被加热物的表面氧化少；容易实现自动控制；作业环境好；干净无污染。而其不足在于如果采用这种方法对衬底直接加热，则衬底必须是导电的，且形状规则，电阻率分布均匀,有趋肤效应(当导体中有交流电或者交变电磁场时，导体内部的电流分布不均匀，电流集中在导体的“皮肤”部分，也就是说电流集中在导体外表的薄层，越靠近导体表面，电流密度越大，导线内部实际上电流较小。结果使导体的电阻增加，使它的损耗功率也增加。)，而且高频磁场会对周围的设备产生影响。

上述两种加热方式各有优缺点，它们的共同之处在于衬底升温所需的能量是由外部转移或转换而来。但是在转移或转换的过程中，真正用于衬底升温所需的能量很少，大部分的能量都被发热体或电源本身浪费掉了。当在长带状的金属衬底上制备薄膜时，辐射加热虽然可用于这样的带状金属衬底的加热，但必须对加热源进行很好的设计才能保证温度沿金属衬底长度和宽度方向均匀分布，而这样的加热源常常是比较复杂的。采用高频感应进行加热金属薄带时，则要求电场频率很高才能保证交变电场的趋肤深度限制在材料内部以提高能效。在高频下，真空腔体内很容易产生高频电场的耦合激发起等离子体。感应加热和等离子体的同时发生，对于温度的准确控制是不利的。

在对带状金属衬底进行加热时，与上述两种常用加热方式相比，通过在金属衬底内引入电流，利用金属自身的电阻来发热的方式则显得更为简单且能效更高。目前，已有相关专利(CN104046963A)采用类似的方式来对金属衬底进行加热。但此专利中加热电极对移动的金属衬底基带进行加热时经常由于接触不良而导致电极片与基带之间会发生放电。这种放电导致的局部高温会熔化基带，影响YBCO带材的表面形貌和导电性能。

因此，在对带状金属衬底加热时，鉴于已有加热方式的不足，本发明专利提出了一种如下的新的加热方式及装置。

技术实现要素：

针对上述存在问题或不足，为解决给静止或移动的带状金属基带衬底提供一种高效、均匀且可靠的加热方法，本发明提供了一种用于高温薄膜沉积的加热装置。

该用于高温薄膜沉积的加热装置包括第一电极组和第二电极组。

第一电极组和第二电极组相同，且并列设置于薄膜生长区两侧；两个电极组位于两个衬底卷绕盘转轴之间。

所述电极组由陶瓷板、导电金属片、银钨Ag-W棒、弹性支撑装置和电阻金属片组成；陶瓷板有两片，用于安装导电金属片，并可在支架上自由滑动；导电金属片有12-40个，等间距且成对地固定于两片陶瓷板的内表面，其上端焊有Ag-W棒，相对的两根Ag-W棒间为金属衬底基带的通道，各成对的Ag-W棒相互电连接，并且与电源接口形成电连接；每对电阻金属片构成一个电极单元，各电极单元通过电流分配电路形成电连接；电流分配电路为串联的电阻，各个电极单元分别连接于对应相邻电阻间的连接点；两片陶瓷板通过弹性支撑装置使得金属衬底基带被夹持于各个电极单元的Ag-W棒之间。

所述通道是指工作状态下金属衬底基带的位置即静止时或金属衬底基带在卷绕盘之间的运动途径；通道位于成对导电金属片之间，其两侧边缘与Ag-W棒相接触。

所述电源接口是指与外部电源连接的电路接口。

进一步的，所述弹性支撑装置为穿过两片陶瓷板的螺杆以及配套的螺母和弹簧，导电金属片通过弹簧垫片固定在陶瓷板上。

进一步的，所述电流分配电路分配的具体比例由所选择电阻的值来确定。

进一步的，所述导电金属片通过铜线连接在与分配电阻接触的螺钉上，以实现均匀的电流分布。

进一步的，所述Ag-W棒为圆柱棒。

进一步的，所述电极组的两端还设置了定位狭缝，以保证金属衬底基带移动过程中始终与Ag-W棒保持垂直。

之所以采用Ag-W合金棒，是因为在实验过程中给金属衬底基带加热的电流大(20A以上)、金属衬底基带温度和真空室气压(300～600Pa)较高，这就要求电极和金属衬底基带间具有很好的电接触，否则就会造成基带和电极之间放电而烧毁基带和电极，而Ag-W合金棒兼具有高导电和高熔点的特性，抗氧化能力强，并具有抑制电弧的作用，非常适合这种环境。

本发明的工作流程是：电流I通过电极从金属衬底基带的两个边缘导入到金属衬底基带上，并在其上流动；金属衬底基带(具有较高电阻率的哈氏合金等)在自身电阻的作用下发热达到YBCO生长所需的温度，而沉积区处于两个电极组之间。

由于金属衬底基带和电极之间是相对滑动的，所以金属衬底基带通电加热方式的关键在于如何保证基带和电极在相对滑动的状态下仍有良好的电接触，否则会导致电极Ag-W片与金属衬底基带之间发生放电。这种放电导致的局部高温会熔化基带。另外，在卷绕盘的卷绕张力作用下，这种熔化甚至会使基带绷断，从而导致沉积失败。由于陶瓷板可在支架上自由滑动，因而接触力的大小可通过支架上的弹簧进行调节，且导电金属片通过弹簧垫片固定在陶瓷板上，Ag-W棒为圆柱棒，这样基带能始终与Ag-W棒保持良好的电接触。另外在两个电极组的两端也设置了定位狭缝，以保证基带移动过程中始终与Ag-W棒保持垂直。

该加热方式具有明显的优势：

①金属衬底基带自身发热，在基带外的温度梯度很大，离开基带表面的温度下降很快。这就使得受基带发热烘烤的喷淋头的温度明显降低。从而有效抑制金属有机源在出口处的分解反应，既提高了金属有机源利用率，又消除了反应生成物在喷淋头出口处沉积的现象，因此更佳利于YBCO带材的长时间稳定制备；②由于空间温度场梯度很大，喷淋头可以距基带很近但其自身温度不会过高，因此YBCO薄膜的沉积速率和金属有机源的利用率更高；③该加热方式主要是通过热传导来使表面升温，因此加热更快、效率更高，因此更节能；④加热过程中，电流只流经位于两个电极之间的金属基带部分，沉积区位于两个电极之间，故而很容易通过增加电极之间距离等方式来扩展沉积区域；⑤由于两个电极之间的空间是开放的，因而可在金属基带两个表面都设置喷淋头，实现双面YBCO带材的制备。只要金属基带两个表面沉积的缓冲层厚度、结构一致，则两面YBCO薄膜的生长温；度就能保持一致，从而制备两面均匀一致的双面YBCO带材。

本发明可以迅速地使金属衬底加热至800℃以上，且其上温度分布均匀，该均匀分布的区间也可以很容易地根据需要进行调整，并且能源利用率高。再配合上金属衬底的分段加热和卷绕后，更能实现多层薄膜的连续卷绕制备。这些对于薄膜的工业化制备尤为重要，可以提高所制备薄膜的质量，同时降低薄膜的制备成本。另外，采用该加热方法也能很容易地在金属衬底两面同时实现一致性双面薄膜的制备，对于提高金属衬底的使用效率，降低成本，提高性能具有重要作用。

综上所述，本发明具有简单，能源利用率高的优点；可用于带状的金属衬底或其上制备有(导电或绝缘的)缓冲层的带状金属衬底的加热，也能实现金属衬底的分段加热，并且金属衬底可以是静止或移动的；实现多层薄膜的连续卷绕制备，在金属衬底两面同时实现一致性双面薄膜的制备，对于提高金属衬底的使用效率，降低成本，提高性能具有重要作用。

附图说明

图1是本发明的立体结构和电路连接示意图；

图2是实施例电极组的立体结构示意图；

图3是对应于图2电极组的俯视示意图；

图4是对应于图2电极组的右视示意图；

图5是加热电极的等效计算电路图；

图6是带状金属衬底上三个不同位置的YBa₂Cu₃O_7-x(YBCO)薄膜的X射线衍射2theta扫描图；

图7是带状金属衬底上中间位置的YBCO薄膜的X射线衍射ω扫描及φ扫描曲线；

附图标记：1.陶瓷绝缘板，2.导电金属片，3.Ag-W棒，4.导线，5.金属衬底基带，6.电流分配电阻，7.金属螺杆，8.金属螺帽，9.金属螺钉，10.弹簧，11.定位卡槽。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。

将图1所示的装置用于第二代高温超导涂层导体YBa₂Cu₃O_7-x(YBCO)薄膜的制备。截取一段宽1cm长度长于生长区、已经沉积好缓冲层薄膜的哈氏合金基带(LaMnO₃/homo-epi MgO/IBAD-MgO/SDP-Y₂O₃/Hastelloy)，将该段金属衬底的两个侧边进行打磨以去除侧边上沉积的氧化物以实现良好的电接触，然后采用焊接的方式将其首尾焊接到不锈钢牵引带上，最后按照上述实施方式固定好金属衬底基带，将不锈钢牵引带连接到卷绕盘上，并连接好电路。将MOCVD系统的生长室抽真空至1Pa以下。称取金属有机源分别为128.4mg的Y(TMHD)₃、143mg的Gd(TMHD)₃、696mg的Ba(TMHD)₂、356.885mg的Cu(TMHD)₂和16.9175mg的Zr(TMHD)₄(thmd：2，2，6，6-四甲基-3，5-庚二酮)，一起溶于5ml四氢呋喃溶剂中，并超声振荡使其充分溶解，形成均匀澄清的金属有机源溶液。打开电源，给金属衬底基带通以26A的电流(电压约为30V)。打开牵引电机，将金属衬底牵引至生长区。待温度稳定后，采用蠕动泵将金属有机源溶液送入300℃的蒸发室中闪蒸成为金属有机源蒸气。该有机源蒸气在Ar气的带动下与O₂和N₂O气体混合，经过320℃的输气管道后由喷淋头喷射到经过生长区的金属衬底上反应生成YBCO薄膜。

本实施例采用图2所示电极组进行加热，其俯视示意图和右视示意图分别如图3和图4所示。

加热电极的等效计算电路图如图5所示。图5中，分配电阻的大小与金属基带、Ag-W棒在陶瓷板上的分布间距和Ag-W棒的组数有关。假设Ag-W棒的组数是8，即两块陶瓷板上共有16根Ag-W合金棒，并假设Ag-W的电阻相对于基带电阻可以忽略不计，则电极与基带的等效电路如图5所示。图5中R表示相邻两组Ag-W棒之间的基带的等效电阻，表示为式R＝ρ×l/(w×d),式中ρ表示金属基带的电阻率，w和d分别表示基带的宽度和厚度，l表示相邻两组Ag-W棒的中心距。

Rn(n＝1，2，···，7)表示电流分配电阻，Ag-W棒则等效于电路中R和Rn之间的连线。为了使每组Ag-W片上承载的电流相等，假设该电流为I，则电流源输出的总电流为8I。根据基尔霍夫定律，分配电阻Rn可表示为式Rn＝R×n/(8-n)，实物中分配电阻采用的是相同的金属基带并根据式Rn＝R×n/(8-n)计算结果裁剪而成。

再将制备好的YBCO样品放入通有一个大气压O₂的管式炉中，在500摄氏度下保温30分钟后，最后取出薄膜样品进行表征。

所制备出的薄膜的结构如图6和图7所示。

图6中显示，三个不同位置的(00l)面的衍射峰都很尖锐，衍射峰强度也差不多，且都没有杂峰，表面三个位置的YBCO晶粒均为纯c轴生长，也说明了该带状金属衬底上YBCO薄膜结晶质量很均匀。

图7中两条曲线的半高宽值分别为1.38°和2.78°，表明该位置上的YBCO薄膜面外和面内取向很好，具有和单晶上YBCO薄膜相类似的双轴织构。

由此可见，采用本发明的加热装置所制备的YBCO薄膜的结晶质量及取向性好。

综上所述，这种基带通电加热方式有效克服了原有加热系统的不足，其原理、结构简单，加热迅速，能效高，通过消除电极与基带间因接触不良导致的放电，该加热方式可以实现单面或双面YBCO长带材的连续卷绕制备。