用于薄膜沉积的固体前体进料系统技术方案

公开了一种干粉MOCVD蒸气源系统，所述系统利用重量分析粉末进料器、进料速率测量和进料器控制系统、蒸发器和装载锁定系统执行薄膜生产的连续运转，特别是REBCO型高温超导体(HTS)带材的薄膜生产的连续运转。(HTS)带材的薄膜生产的连续运转。(HTS)带材的薄膜生产的连续运转。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于薄膜沉积的固体前体进料系统
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求2019年3月13日提交的标题为“Powder Feed Vapor Source for MOCVD of High
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Performance REBCO Tape”的美国临时专利申请第62/817,909号的优先权和利益，其全部内容以引用方式并入本文。
[0003]专利技术背景


[0004]本文公开的主题的实施方案总体上涉及用于向气相沉积反应器供应粉末状材料的系统和方法，并且更具体地涉及用于由固体前体材料制造高温超导体的系统和方法。

技术介绍

[0005]在气相沉积加工中，特别是经由MOCVD加工制造高温超导体时，需要将精确且严格控制的数量的前体材料准确地递送到反应器沉积室。用于氧化物超导体沉积的最常见的MOCVD前体在室温下为固体，蒸气压低，需要升高的温度才能实现通常在约150
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300C范围内的蒸发。用于生成前体蒸气的早期途径利用了具有溶解的或悬浮的固体前体的鼓泡器，但很难使用，并且需要长时间暴露在高温下(这会导致化合物降解)，并受到高度可变且不可预测的蒸气递送速率的困扰。
[0006]利用闪蒸途径生成的前体蒸气的氧化物超导体MOCVD加工始于20世纪90年代初。当被闪蒸时，大部分前体材料保持在室温下，这保留了前体材料的性质，而小部分散装材料依次蒸发。历史上，闪蒸途径的第一个具体实现方式是气溶胶MOCVD蒸气源[Langlet1989]。将一种或几种前体粉末溶解在有机溶剂中，然后将这种溶液雾化并以气溶胶形式进料到加热蒸发器中。这种基于溶液的途径随后通过将液体溶液直接注入到蒸发器中被改进[Felten 1995]。这项技术目前在商业上用于第二代(2G)高温超导体(HTS)线材的生产，但存在许多缺点。首先，前体在蒸发和递送系统内的冷凝可能导致结垢、堵塞和向反应区递送的可变性，以及昂贵前体材料的损失。为了避免这些问题，整个CVD递送系统通常都必须使用加热带或其他方式进行隔绝和加热。进一步地，已知的是，与前体蒸气一起生成的大量溶剂蒸气是沉积工艺中的一个潜在问题，特别是对于REBCO(稍后讨论)型超导体而言更是如此。
[0007]因此，多年来开发了以下几种无溶剂干式MOCVD蒸气源的实现方式以进一步提高容积式进料器的性能：带式闪蒸源[Kaul 1993；Klippe 1995]；基于振动进料器的固体源[Samoylenkov 1996]；基于研磨机进料器的固体源[Hubert等人，US 5,820,678]；以及基于容积式进料螺杆式进料器的固体源[Eils 2011]；而其他人开发了机械地计量粉末进料的途径，[例如，Long等人，U.S.8,101,235]。这些固体源途径有其自身的一系列缺点。例如，粉末加料斗内颗粒的自分离和粉末的涡旋以及其他损耗可能导致难以控制且难以预测的高度可变的粉末递送速率。
[0008]高温超导体薄膜织构、生长速率和最终导体性能特性对与前体递送系统相关的因
素特别敏感。在液氮温度(77K)下具有超导性质的材料包括作为一组称为高温超导体(HTS)的氧化物基超导体之一的YBa2Cu3O7‑
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(YBCO)。与在液氦温度(4.2K)下运转的传统超导体相比，高温超导体具有用于开发处于更高运转温度下的超导体部件的潜力。在更高温度下运转的超导体使得超导部件和产品能够被更经济地开发。在最初发现YBCO超导体之后，发现了其他具有类似化学组成但Y被其他稀土(RE)元素取代的超导体。这个超导体家族往往被表示为REBCO，其中RE可包括Y、La、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb或Lu。
[0009]在REBCO线材的制造过程中，有几种沉积REBCO型薄膜的方法，包括金属有机化学气相沉积(MOCVD)、脉冲激光沉积(PLD)、反应性共蒸发(RCE)和金属有机沉积(MOD)。物理气相沉积(PVD)技术范畴内的许多方法一般都存在这些问题：生长速率低；要求高真空；需要持续更换源；区域覆盖范围中等并且仅限视线范围内的沉积。此类限制，尤其是低生长速率，对于用于HTS线材和带材的YBCO薄膜技术的经济可行性商业化是有问题的。具有高度受控的前体递送的MOCVD可克服这些缺点中的许多缺点，并产生用于涂层导体应用的高质量的厚超导YBCO薄膜。
[0010]MOCVD技术已直接应用于YBCO薄膜生长，并显示出通过对传统半导体MOCVD进行修改以获得更高温度、氧化性气氛和更低蒸气压前体来制造高质量YBCO的能力(Zhang等人)。更高的温度(比用于半导体III
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V化合物MOCVD的温度高出200K以上)需要改进的反应器设计和改进的加热器，而较低的蒸气压前体需要更加注意前体蒸气流控制和稳定性。最初的结果是有希望的，并且对于在单晶氧化物衬底上生长的YBCO薄膜，实现了Tc>90K和Jc>106A/cm2(Schulte等人)。
[0011]随着高温超导体(HTS)材料的发现；其中一个重点涉及开发用于大功率电气应用的HTS线材。此类应用包括但不限于传输电缆、配电电缆、电动机、发电机、电磁铁、故障电流限制器、变压器和储能器。为了使HTS线材成为这些大功率电气应用的成功解决方案，需要满足不同应用的大功率电气要求，同时成本足够低，以满足这些应用的商业要求。
[0012]感兴趣的主要电气特性之一是HTS线材的临界电流。临界电流(Ic)是超导体失去超导性质并变为非超导的电流。超导体的临界电流受超导体所经历的温度和磁场的影响。温度和磁场越高，临界电流越低。为了能够满足各种应用的技术要求，HTS线材将需要在这些应用所经历的温度和磁场中具有足够高的临界电流。
[0013]提高超导体的临界载流能力的关键途径之一是将磁通钉扎材料引入到超导体中。在更高的磁场下，II型超导体允许磁通量进入被超导电流涡旋包围的量子化包中。这些穿透部位称为磁通管。磁通钉扎是II型超导体中磁通管的自由运动由于它们与超导材料中的缺陷相互作用而受到抑制的现象。邻近或包围此类缺陷的磁通管的能量发生改变，并且其通过超导材料的运动受到阻碍。磁通钉扎试图利用允许磁场线穿透到II型超导体中并限制性能特性的双临界场。增加的各向异性和降低的载流能力是由于有助于磁通量的穿透的未钉扎的磁通管引起的。因此，在高温超导体中需要磁通钉扎来防止“磁通蠕变”，磁通蠕变会引起导体的电压和有效电阻，并降低临界电流(Ic)和临界电流密度(Jc)。
[0014]因此，在超导体内包含作为磁通钉扎中心的钉扎位点或中心有助于提高临界载流能力。钉扎中心可由具有特定取向的非超导材料的特定成分构成。此类中心一般可称为钉扎位点或中心、磁通钉扎中心、缺陷或缺陷中心。这些磁通钉扎中心的存在使线材能够改善临界电流，即使在强磁场中也是如此。
[0015]与任何超导线材一样，关键目标之一是改善磁通钉扎性质，进而改善REBCO线材的Ic。已研究了许多工艺来生产具有纳本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于沉积薄膜的前体进料系统，所述系统包括：粉末进料器组件，所述粉末进料器组件包括进料螺杆装置和用于容纳前体粉末的粉末容器；装载锁定组件，所述装载锁定组件包括用于重新装载所述粉末进料器组件粉末容器的压力隔离室；称重机构，所述称重机构耦接到所述粉末容器并且被配置为提供所述粉末容器中的前体粉末的连续质量数据；控制系统，所述控制系统包括PID回路和数据处理器；以及蒸发器，所述蒸发器被配置为接收来自所述粉末进料器组件的所述前体粉末并蒸发所述粉末，其中所述控制系统数据处理器进一步包括算法，所述算法被配置为将来自所述称重机构的所述连续质量数据转换成进料螺杆速率以向所述蒸发器递送目标前体粉末进料速率。2.如权利要求1所述的进料系统，其中所述粉末前体由多于一种薄膜组分构成。3.如权利要求1所述的进料系统，其中所述装载锁定组件进一步包括多个阀以便在所述进料系统连续运转时隔离用于添加粉末前体的组件。4.如权利要求1所述的进料系统，所述进料系统进一步包括搅拌器装置以辅助粉末混合和分配。5.如权利要求1所述的进料系统，其中所述蒸发器进一步包括出口滤网。6.一种用于沉积薄膜的前体进料系统，所述系统包括：粉末进料器组件，所述粉末进料器组件包括进料螺杆装置和用于容纳前体粉末的粉末容器；装载锁定组件，所述装载锁定组件包括用于重新装载所述粉末进料器组件粉末容器的压力隔离室；控制系统，所述控制系统包括PID回路和数据处理器；过程变量输入，所述过程变量输入能够被所述控制系统接收；以及蒸发器，所述蒸发器被配置为接收来自所述粉末进料器组件的所述前体粉末并蒸发所述粉末，其中所述控制系统数据处理器进一步包括算法，所述算法被配置为将所述过程变量输入转换成进料螺杆速率以向所述蒸发器递送目标前体粉末进料速率。7.如权利要求6所述的进料系统，其中所述过程变量输入为前体粉末质量。8.如权利要求6所述的进料系统，其中所...

【专利技术属性】
技术研发人员：M，
申请(专利权)人：梅托克斯技术公司，
类型：发明
国别省市：