CN100537822C - 金属基带上连续生长的多层立方织构隔离层的制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种金属基带上连续生长的多层立方织构氧化物隔离层，是在具有立方织构的金属基带上依次有氧化钇膜、钇稳定二氧化锆膜、二氧化铈膜三层膜。一种连续生长多层立方织构氧化物隔离层的制备方法，包括：(1)将金属基带清洁处理；(2)将金属基带缠绕放带轮和收带轮上；(3)以Y金属为溅射靶材，预溅射；(4)使金属基带经过沉积区，溅射沉积氧化钇；(5)以Zr-Y金属为溅射靶材，预溅射；(6)使金属基带经过沉积区，溅射沉积钇稳定二氧化锆；(7)以金属Ce为溅射靶材，预溅射；(8)使金属基带经过沉积区，溅射沉积二氧化铈。该方法以水气代替氧气作为反应气体。制得的多层隔离层具有单一立方织构，满足外延生长YBCO涂层的需要。
Description
技术领域
本发明涉及一种金属基带上连续生长的多层立方织构氧化物隔离层，及其一种连续生长多层立方织构氧化物隔离层的制备方法。
背景技术
Y系涂层导体是将YBCO生长在带有立方织构隔离层的柔性金属基带上。这是由于高温超导材料是氧化物陶瓷，韧性差，要制造长的超导线材或带材，必须以柔性金属材料作为衬底，将氧化物超导材料沉积在金属基带上。但高温下许多氧化物超导材料与大多数金属基体之间会互相反应，影响超导性能，所以在金属基底上加一层或多层隔离层，其目的是为了传递衬底织构，阻止金属衬底向超导层扩散，与YBCO在晶格结构和热稳定性等方面很好的匹配，减少YBCO层弱连接对临界电流密度的影响。因此立方织构氧化物隔离层的制备对YBCO涂层导体的生长至关重要。对涂层导体的应用而言，需有一定的长度才更具有实际应用价值，因此本发明提供一种连续生长多层立方织构氧化物隔离层的制备方法。
通过磁控溅射的方法在具有立方织构的金属衬底上生长Y2O3/YSZ/CeO2(氧化钇/钇稳定二氧化锆/氧化铈)结构的多层立方织构氧化物隔离层。常规情况下，用磁控溅射方法镀膜来生长上述各陶瓷氧化物薄膜时，以各自陶瓷氧化物做为靶材。陶瓷氧化物靶材的溅射产额较相应的金属靶材的溅射产额低，因而成膜生长速率慢，且必须使用射频的溅射电源。而金属材料溅射产额高，生长速率快，可用直流溅射电源，成本低。以金属材料为溅射靶材，需进行反应溅射形成相应氧化物。
发明内容
本发明的目的是提供一种金属基带上连续生长的多层立方织构氧化物隔离层。隔离层中的各层膜既能够很好地传递了衬底的立方织构，且织构取向均匀；又能够有效地阻止金属基底的扩散，抑制了金属基底的氧化。
本发明的另一个目的是提供一种连续生长多层立方织构氧化物隔离层的方法。采用磁控溅射镀膜方法，分别以Y、Zr-Y和Ce金属为靶材，以水气代替氧气作为反应气体，在具有立方织构的金属衬底上连续制备Y2O3/YSZ/CeO2结构的多层立方织构氧化物隔离层。所制得的多层隔离层具有单一立方织构，以满足在其上外延生长YBCO涂层的需要。
为了实现上述发明目的，本发明采用以下的技术方案：
一种金属基带上连续生长的多层立方织构隔离层，是在具有立方织构的金属基带上生长多层立方织构氧化物隔离层。该隔离层在金属基带上依次由氧化钇膜、钇稳定二氧化锆膜、二氧化铈膜三层膜组成。
所述的金属基带上的隔离层为连续的带材。
在所述的金属基带上连续生长的多层立方织构隔离层中，氧化钇(Y2O3)膜的厚度为100-250nm；钇稳定二氧化锆(YSZ)膜的厚度为200-400nm；二氧化铈(CeO2)膜的厚度为小于100nm，并大于10nm。
一种连续生长多层立方织构氧化物隔离层的制备方法，该方法包括下述步骤：
(1)、采用具有立方织构的金属基带作为衬底，并将该金属基带进行清洁处理；
(2)、真空腔体中，将清洗后的上述金属基带缠绕在放带轮和收带轮上；
(3)、抽真空至腔体的背底真空小于或等于5×10-4Pa；将金属基带加热至500-800℃，待达到所需温度30分钟后，再充氩气至腔体气压1×10-1Pa-8×10-1Pa；以Y金属为溅射靶材，采用直流磁控溅射沉积方法，开始预溅射；
(4)、预溅射20分钟后，通入水气，使沉积腔体内的水含量控制在1×10-3-8×10-3Pa，并调控制沉积腔体内压力至1Pa-5Pa，通过卷绕盘带动金属基带经过沉积区，进行正式溅射沉积氧化钇，在金属基带上得到氧化钇膜，在生长氧化钇膜结束后，使腔体恢复初始状态；
(5)、再对腔体抽真空，并抽真空至腔体的背底真空小于或等于5×10-4Pa；将金属基带加热至600-820℃，待达到所需温度30分钟后，再充氩气至腔体气压1×10-1Pa-8×10-1Pa；以Zr-Y金属为溅射靶材，采用直流磁控溅射沉积方法，开始预溅射；
(6)、预溅射20分钟后，通入水气，使沉积腔体内的水含量控制在1×10-3-3.5×10-2Pa，并调控制沉积腔体内压力至1Pa-5Pa，通过卷绕盘带动金属基带经过沉积区，进行正式溅射沉积钇稳定二氧化锆，在已沉积氧化钇膜的金属基带上得到钇稳定二氧化锆膜，在生长钇稳定二氧化锆膜结束后，使腔体恢复初始状态；
(7)、再对腔体抽真空，并抽真空至腔体的背底真空小于或等于5×10-4Pa；将衬底加热至600-750℃，待达到所需温度30分钟后，再充氩气至腔体气压1×10-1Pa-8×10-1Pa；以金属Ce为溅射靶材，采用直流磁控溅射沉积方法，开始预溅射；
(8)、预溅射20分钟后，通入水气，使沉积腔体内的水含量控制在1×10-3-6.5×10-3Pa，并调控制沉积腔体内压力至1Pa-5Pa，通过卷绕盘带动金属基带经过沉积区，进行正式溅射沉积二氧化铈，在已沉积氧化钇和钇稳定二氧化锆膜的金属基带上得到二氧化铈膜，即制成连续生长多层立方织构氧化物隔离层。
在本发明中，所使用的具有立方织构的金属基带作为金属衬底，经常使用的金属衬底有具有立方织构的金属镍或镍合金衬底。
需要说明的是，在所述步骤(4)中，通入水气，使沉积腔体内的水含量控制在1×10-3-8×10-3Pa，这里所说的1×10-3-3.5×10-2Pa是水气压，该水气压相当于水气在沉积腔体内的分压；并调控制沉积腔体内压力至1Pa-5Pa，此步骤可通过调节氩气进腔体的进气量或对真空腔体的抽气量来实现。
在所述步骤(6)、步骤(8)中，水气压意义同上。
在所述步骤(4)中，卷绕盘带动金属基带的走带速度为0.1mm/sec-3mm/sec；在所述步骤(6)中，卷绕盘带动金属基带的走带速度为0.1mm/sec-2mm/sec；在所述步骤(8)中，卷绕盘带动金属基带的走带速度为0.1mm/sec-6mm/sec。
卷绕盘是由电机、传动机构、放带轮和收带轮等构成，工作时，开动电机，通过传动机构使放带轮和收带轮转动，以带动金属基带往返运转。在所述步骤(2)中，金属基带的两端是先与引带连接再缠绕在放带轮和收带轮上，并将引带部分置于沉积区域。引带为与立方织构的金属基带材料热膨胀系数相同或相近的金属带材。
在所述的步骤(1)中，对金属衬底进行清洁处理，要求清洁处理后的表面不留水迹、污渍。
在所述的步骤(3)中，是采用腔体内的加热装置对金属基带加热，加热装置对金属基带所提供的均匀的加热温度区域是溅射沉积区域的2-3倍。
在所述的步骤(3)-(8)中，所述的溅射靶材和衬底的距离即靶基距为60-150mm。
在所述的步骤(3)-(4)中，所述的预溅射和溅射的溅射功率为100-350W。
在所述的步骤(5)-(6)中，所述的预溅射和溅射的溅射功率为100-400W。
在所述的步骤(7)-(8)中，所述的预溅射和溅射的溅射功率为70-200W。
在所述的步骤(3)-(8)中，所述的预溅射为非正式溅射，采取遮挡的方式，用遮挡物将衬底遮挡住，使预溅射的产物不能沉积到衬底上；待预溅射结束后、开始正式溅射沉积前，撤掉遮挡物。
本发明是采用磁控溅射镀膜方法，分别以Y、Zr-Y和Ce金属为靶材，采取反应溅射方式，先后在具有立方织构的金属基带上生长双轴取向的Y2O3、YSZ和CeO2。所采用的磁控溅射镀膜方法是一种真空的物理沉积方法。在抽真空至腔体的背底真空小于或等于5×10-4Pa之后，充氩气至腔体气压1×10-1Pa-8×10-1Pa，在预溅射20分钟后，分别在所述步骤(4)、(6)、(8)中，通入水气，使沉积腔体内的水含量分别控制在1×10-3-8×10-3Pa[步骤(4)]、1×10-3-3.5×10-2Pa[步骤(6)]、1×10-3-6.5×10-3Pa[步骤(8)]，并调控制沉积腔体内压力至1Pa-5Pa。其中，充氩气和通入水气优选采用下述方式：
在所述的步骤(3)、(5)、(7)的充氩气至腔体内的过程中，是采用管路直接将氩气通向溅射靶材的靶材面。
在所述的步骤(4)、(6)、(8)的通入水气至腔体内的过程中，是采用管路直接将水气通向衬底的沉积面。
在所述的步骤中，溅射时间依所需镀膜的基带长度和选择的走带速度而定。
在所述的步骤(4)、(6)、(8)的卷绕盘带动金属基带经过沉积区过程中，金属基带移动的方向为从放带轮走向收带轮，或从收带轮走向放带轮。
在所述的步骤(4)、(6)、(8)的卷绕盘带动金属基带经过沉积区过程中，各层膜的生长为金属基带一次走带完成一层膜，或金属基带往复多次完成一层膜。
所述的氩气为纯度≧99.999％的氩气。纯度≧99.999％的氩气称为高纯氩气。
在所述的步骤中，各层膜的生长可采取走带一次完成，亦可往复多次完成一层膜。本发明优点：
本发明提供了一种在具有立方织构的金属衬底上连续制备Y2O3/YSZ/CeO2结构的多层立方织构氧化物隔离层的方法。
1.用常规磁控溅射方法镀膜来生长氧化物薄膜，以相应的陶瓷氧化物做为靶材，陶瓷氧化物靶材的溅射产额较相应的金属靶材的溅射产额低，因而成膜生长速率慢，且必须使用射频的溅射电源。而金属材料溅射产额高，生长速率快，可用直流溅射电源，成本低。本发明分别以Y、Zr-Y和Ce金属为靶材，采取反应溅射方式先后生长双轴取向的Y2O3、YSZ和CeO2。
2.以金属材料为溅射靶材，生长氧化物，需进行反应溅射形成相应氧化物。在高温氧环境中金属镍或镍合金衬底易被氧化而对成膜不利。本发明以水代替氧气作为反应气体，有效阻止了直接通入的氧气将金属衬底氧化。水中的氧足以形成氧化物，水中的氢可阻止金属基底氧化。因此，在一定水压下，即可以将溅射产物氧化，形成氧化物膜，又可防止衬底被氧化，生成立方织构氧化物薄膜。
3.该方法适合于具有立方织构的金属衬底，如镍及镍合金。
4.本发明提供的方法生长的Y2O3/YSZ/CeO2膜为纯立方织构。X-光衍射θ-2θ扫描为纯c轴，各层膜均无(111)取向生成。很好地传递了衬底的立方织构，且织构取向均匀。
5.本发明提供的方法生长的Y2O3/YSZ/CeO2隔离层有效地阻止了金属基底的扩散，抑制了金属基底的氧化。
6.本发明提供的方法生长的Y2O3/YSZ/CeO2隔离层，表面致密无裂纹。
7.本发明提供的方法采用非正式基底材料为引带，可有效减少基底材料的浪费，降低成本。
附图说明
图1为采用本发明的方法生长的立方织构CeO2/YSZ/Y2O3/NiW X-光衍射θ-2θ扫描
图2a，2b，2c，2d分别为采用本发明的方法生长的Y2O3(111)X射线衍射2D极图，2.5D极图，
扫描，ω扫描
图3a，3b，3c，3d分别为采用本发明的方法生长的YSZ(111)X射线衍射2D极图，2.5D极图，扫描，ω扫描
图4a，4b，4c，4d分别为采用本发明的方法生长的CeO2(111)X射线衍射2D极图，2.5D极图，扫描，ω扫描
图5为采用本发明的方法生长的5米长立方织构CeO2/YSZ/Y2O3/NiW各层扫描半高宽沿长度方向的分布。
图6为采用本发明的方法生长的10米长立方织构CeO2/YSZ/Y2O3/NiW各层扫描半高宽沿长度方向的分布。
图7为采用本发明的方法生长的立方织构CeO2/YSZ/Y2O3/NiW表层CeO2扫描电镜照片。
图8为CeO2/YSZ/Y2O3/NiW结构扫描俄歇探针分析。
图9为采用本发明的方法生长的10米长立方织构CeO2/YSZ/Y2O3/NiW的实物照片。
具体实施方式
在下述实施例中，预溅射均采用遮挡的方式，用遮挡物将衬底遮挡住，使预溅射的产物不能沉积到衬底上；待预溅射结束后、正式溅射前撤掉遮挡物。
实施例1
将具有立方织构的金属基带前后两端与引带连接，并进行清洁处理。将清洗后的上述金属基带及引带缠绕在放带轮和收带轮上，并置于真空腔体中，再将引带部分置于沉积区域。抽真空至腔体的背底真空小于或等于5×10-4Pa；将金属基带加热至500℃，待达到所需温度30分钟后，再充氩气至腔体气压1×10-1Pa。
以Y金属为溅射靶材，采用直流磁控溅射沉积方法，射功率320W，靶基距120mm，开始预溅射。预溅射20分钟后，通入水气，使沉积腔体内的水含量控制在1×10-3Pa，并调控制沉积腔体内压力至1Pa，开始正式溅射沉积。正式溅射沉积开始后，金属基带开始走动，走带速度0.1mm/see。待所要沉积的金属基带全部经过沉积区，沉积完毕，即得氧化钇膜。在生长氧化钇膜结束后，使腔体恢复初始状态。
在已沉积氧化钇膜的金属基带上继续生长立方织构YSZ膜。抽真空至腔体的背底真空小于或等于5×10-4Pa；将金属基带加热至600℃，待达到所需温度30分钟后，再充氩气至腔体气压1×10-1Pa。
以Zr-Y金属为溅射靶材，采用直流磁控溅射沉积方法，射功率320W，靶基距120mm，开始预溅射。预溅射20分钟后，通入水气，使沉积腔体内的水含量控制在3.5×10-2Pa，并调控制沉积腔体内压力至5Pa，开始正式溅射沉积钇稳定二氧化锆；正式溅射沉积开始后，金属基带开始走动，走带速度0.5mm/sec。待所要沉积的金属基带全部经过沉积区，沉积完毕，即在已沉积氧化钇膜的金属基带上得到钇稳定二氧化锆膜，在生长钇稳定二氧化锆膜结束后，使腔体恢复初始状态。
在已沉积氧化钇和钇稳定二氧化锆膜的金属基带上继续生长立方织构二氧化铈膜。抽真空至腔体的背底真空小于或等于5×10-4Pa；将衬底加热至600℃，待达到所需温度30分钟后，再充氩气至腔体气压1×10-1Pa。
以金属Ce为溅射靶材，采用直流磁控溅射沉积方法，射功率200W，靶基距120mm，开始预溅射。预溅射20分钟后，通入水气，使沉积腔体内的水含量控制在1×10-3Pa，并调控制沉积腔体内压力至1Pa，开始正式溅射沉积二氧化铈。正式溅射沉积开始后，金属基带开始走动，走带速度3mm/sec。待所要沉积的金属基带全部经过沉积区，沉积完毕，在已沉积氧化钇和钇稳定二氧化锆膜的金属基带上得到二氧化铈膜，即制成连续生长多层立方织构氧化物隔离层。
所得到的金属基带上连续生长的多层立方织构氧化物隔离层，是在金属基带上依次生长氧化钇膜、钇稳定二氧化锆膜、二氧化铈膜三层膜，其中，氧化钇(Y2O3)膜的厚度为200nm；钇稳定二氧化锆(YSZ)膜的厚度为300nm；二氧化铈(CeO2)膜的厚度为30nm。
图1为采用本发明的方法在带有Y2O3隔离层的金属NiW衬底上生长的立方织构YSZX-光衍射θ-2θ扫描，图2为其(111)
扫描。从图中可看出，YSZ为纯c轴取向和优良的平面内取向，扫描半高宽小于6.5°。图3、图4为其相应的(111)极图和2.5D极图。表现了YSZ单一立方织构取向。图5为扫描电镜观测的YSZ表面形貌图。表面平整、连续，晶界覆盖完整。
图1为采用本发明的的方法生长的立方织构CeO2/YSZ/Y2O3/NiW X-光衍射θ-2θ扫描。表明各层膜均为纯c轴取向。图2a，2b，2c，2d分别为采用本发明的方法生长的Y2O3(111)X射线衍射2D极图，2.5D极图，扫描，ω扫描。其
扫描和ω扫描半高宽分别为7.77°和5.02°
图3a，3b，3c，3d分别为采用本发明的方法生长的YSZ(111)X射线衍射2D极图，2.5D极图，扫描，ω扫描。其扫描和ω扫描半高宽分别为7.68°和4.67°
图4a，4b，4c，4d分别为采用本发明的方法生长的CeO2(111)X射线衍射2D极图，2.5D极图，
扫描，ω扫描。其
扫描和ω扫描半高宽分别为7.93°和4.44°。
图5为采用本发明的方法生长的5米长立方织构CeO2/YSZ/Y2O3/NiW各层
扫描半高宽沿长度方向的分布。5米长扫描半高宽平均值为CeO2＝7.41°，YSZ＝7.18°，Y2O3＝7.16°。
图6为采用本发明的方法生长的10米长立方织构CeO2/YSZ/Y2O3/NiW各层扫描半高宽沿长度方向的分布。
扫描半高宽平均值为CeO2＝7.93°，YSZ＝7.75°，Y2O3＝7.69°。
图7为采用本发明的方法生长的立方织构CeO2/YSZ/Y2O3/NiW表层CeO2扫描电镜照片。表面连续致密。
图8为CeO2/YSZ/Y2O3/NiW结构扫描俄歇探针分析。表明隔离层有效地阻止了金属衬底的扩散。
图9为采用本发明的方法生长的10米长立方织构CeO2/YSZ/Y2O3/NiW的实物照片。
实施例2
将具有立方织构的金属基带前后两端与引带连接，并进行清洁处理。将清洗后的上述金属基带及引带缠绕在放带轮和收带轮上，并置于真空腔体中，再将引带部分置于沉积区域。抽真空至腔体的背底真空小于或等于5×10-4Pa；将金属基带加热至700℃，待达到所需温度30分钟后，再充氩气至腔体气压5×10-1Pa。
以Y金属为溅射靶材，采用直流磁控溅射沉积方法，射功率350W，靶基距60mm，开始预溅射。预溅射20分钟后，通入水气，使沉积腔体内的水含量控制在8×10-3Pa，并调控制沉积腔体内压力至2Pa，开始正式溅射沉积。正式溅射沉积开始后，金属基带开始走动，走带速度3mm/sec。待所要沉积的金属基带全部经过沉积区，沉积完毕，即得氧化钇膜。在生长氧化钇膜结束后，使腔体恢复初始状态。
在已沉积氧化钇膜的金属基带上继续生长立方织构YSZ膜。抽真空至腔体的背底真空小于或等于5×10-4Pa；将金属基带加热至750℃，待达到所需温度30分钟后，再充氩气至腔体气压5×10-1Pa。
以Zr-Y金属为溅射靶材，采用直流磁控溅射沉积方法，射功率400W，靶基距60mm，开始预溅射。预溅射20分钟后，通入水气，使沉积腔体内的水含量控制在3×10-2Pa，并调控制沉积腔体内压力至2Pa，开始正式溅射沉积钇稳定二氧化锆；正式溅射沉积开始后，金属基带开始走动，走带速度0.8mm/sec。待所要沉积的金属基带全部经过沉积区，沉积完毕，即在已沉积氧化钇膜的金属基带上得到钇稳定二氧化锆膜，在生长钇稳定二氧化锆膜结束后，使腔体恢复初始状态。
在已沉积氧化钇和钇稳定二氧化锆膜的金属基带上继续生长立方织构二氧化铈膜。抽真空至腔体的背底真空小于或等于5×10-4Pa；将衬底加热至650℃，待达到所需温度30分钟后，再充氩气至腔体气压5×10-1Pa。
以金属Ce为溅射靶材，采用直流磁控溅射沉积方法，射功率70W，靶基距60mm，开始预溅射。预溅射20分钟后，通入水气，使沉积腔体内的水含量控制在5×10-3Pa，并调控制沉积腔体内压力至2Pa，开始正式溅射沉积二氧化铈。正式溅射沉积开始后，金属基带开始走动，走带速度6mm/sec。待所要沉积的金属基带全部经过沉积区，沉积完毕，在已沉积氧化钇和钇稳定二氧化锆膜的金属基带上得到二氧化铈膜，即制成连续生长多层立方织构氧化物隔离层。
所得到的金属基带上连续生长的多层立方织构氧化物隔离层，是在金属基带上依次生长氧化钇膜、钇稳定二氧化锆膜、二氧化铈膜三层膜，其中，氧化钇(Y2O3)膜的厚度为100nm；钇稳定二氧化锆(YSZ)膜的厚度为400nm；二氧化铈(CeO2)膜的厚度为10nm。
实施例3
将具有立方织构的金属基带前后两端与引带连接，并进行清洁处理。将清洗后的上述金属基带及引带缠绕在放带轮和收带轮上，并置于真空腔体中，再将引带部分置于沉积区域。抽真空至腔体的背底真空小于或等于5×10-4Pa；将金属基带加热至800℃，待达到所需温度30分钟后，再充氩气至腔体气压8×10-1Pa。
以Y金属为溅射靶材，采用直流磁控溅射沉积方法，射功率350W，靶基距80mm，开始预溅射。预溅射20分钟后，通入水气，使沉积腔体内的水含量控制在7×10-3Pa，并调控制沉积腔体内压力至5Pa，开始正式溅射沉积。正式溅射沉积开始后，金属基带开始走动，走带速度2mm/sec。待所要沉积的金属基带全部经过沉积区，沉积完毕，即得氧化钇膜。在生长氧化钇膜结束后，使腔体恢复初始状态。
在已沉积氧化钇膜的金属基带上继续生长立方织构YSZ膜。抽真空至腔体的背底真空小于或等于5×10-4Pa；将金属基带加热至820℃，待达到所需温度30分钟后，再充氩气至腔体气压8×10-1Pa。
以Zr-Y金属为溅射靶材，采用直流磁控溅射沉积方法，射功率400W，靶基距80mm，开始预溅射。预溅射20分钟后，通入水气，使沉积腔体内的水含量控制在2.5×10-2Pa，并调控制沉积腔体内压力至5Pa，开始正式溅射沉积钇稳定二氧化锆；正式溅射沉积开始后，金属基带开始走动，走带速度2.0mm/sec。待所要沉积的金属基带全部经过沉积区，沉积完毕，即在已沉积氧化钇膜的金属基带上得到钇稳定二氧化锆膜，在生长钇稳定二氧化锆膜结束后，使腔体恢复初始状态。
在已沉积氧化钇和钇稳定二氧化锆膜的金属基带上继续生长立方织构二氧化铈膜。抽真空至腔体的背底真空小于或等于5×10-4Pa；将衬底加热至750℃，待达到所需温度30分钟后，再充氩气至腔体气压8×10-1Pa。
以金属Ce为溅射靶材，采用直流磁控溅射沉积方法，射功率100W，靶基距80mm，开始预溅射。预溅射20分钟后，通入水气，使沉积腔体内的水含量控制在6.5×10-3Pa，并调控制沉积腔体内压力至5Pa，开始正式溅射沉积二氧化铈。正式溅射沉积开始后，金属基带开始走动，走带速度0.5mm/sec。待所要沉积的金属基带全部经过沉积区，沉积完毕，在已沉积氧化钇和钇稳定二氧化锆膜的金属基带上得到二氧化铈膜，即制成连续生长多层立方织构氧化物隔离层。
所得到的金属基带上连续生长的多层立方织构氧化物隔离层，是在金属基带上依次生长氧化钇膜、钇稳定二氧化锆膜、二氧化铈膜三层膜，其中，氧化钇(Y2O3)膜的厚度为100nm；钇稳定二氧化锆(YSZ)膜的厚度为250nm；二氧化铈(CeO2)膜的厚度为100nm。
实施例4
将具有立方织构的金属基带前后两端与引带连接，并进行清洁处理。将清洗后的上述金属基带及引带缠绕在放带轮和收带轮上，并置于真空腔体中，再将引带部分置于沉积区域。抽真空至腔体的背底真空小于或等于5×10-4Pa；将金属基带加热至700℃，待达到所需温度30分钟后，再充氩气至腔体气压3×10-1Pa。
以Y金属为溅射靶材，采用直流磁控溅射沉积方法，射功率250W，靶基距150mm，开始预溅射。预溅射20分钟后，通入水气，使沉积腔体内的水含量控制在5×10-3Pa，并调控制沉积腔体内压力至1Pa，开始正式溅射沉积。正式溅射沉积开始后，金属基带开始走动，走带速度0.6mm/sec。待所要沉积的金属基带全部经过沉积区，沉积完毕，即得氧化钇膜。在生长氧化钇膜结束后，使腔体恢复初始状态。
在已沉积氧化钇膜的金属基带上继续生长立方织构YSZ膜。抽真空至腔体的背底真空小于或等于5×10-4Pa；将金属基带加热至700℃，待达到所需温度30分钟后，再充氩气至腔体气压3×10-1Pa。
以Zr-Y金属为溅射靶材，采用直流磁控溅射沉积方法，射功率250W，靶基距150mm，开始预溅射。预溅射20分钟后，通入水气，使沉积腔体内的水含量控制在8×10-3Pa，并调控制沉积腔体内压力至1Pa，开始正式溅射沉积钇稳定二氧化锆；正式溅射沉积开始后，金属基带开始走动，走带速度1mm/sec。待所要沉积的金属基带全部经过沉积区，沉积完毕，即在已沉积氧化钇膜的金属基带上得到钇稳定二氧化锆膜，在生长钇稳定二氧化锆膜结束后，使腔体恢复初始状态。
在已沉积氧化钇和钇稳定二氧化锆膜的金属基带上继续生长立方织构二氧化铈膜。抽真空至腔体的背底真空小于或等于5×10-4Pa；将衬底加热至700℃，待达到所需温度30分钟后，再充氩气至腔体气压3×10-1Pa。
以金属Ce为溅射靶材，采用直流磁控溅射沉积方法，射功率150W，靶基距150mm，开始预溅射。预溅射20分钟后，通入水气，使沉积腔体内的水含量控制在4×10-3Pa，并调控制沉积腔体内压力至1Pa，开始正式溅射沉积二氧化铈。正式溅射沉积开始后，金属基带开始走动，走带速度2mm/sec。待所要沉积的金属基带全部经过沉积区，沉积完毕，在已沉积氧化钇和钇稳定二氧化锆膜的金属基带上得到二氧化铈膜，即制成连续生长多层立方织构氧化物隔离层。
所得到的金属基带上连续生长的多层立方织构氧化物隔离层，是在金属基带上依次生长氧化钇膜、钇稳定二氧化锆膜、二氧化铈膜三层膜，其中，氧化钇(Y2O3)膜的厚度为250nm；钇稳定二氧化锆(YSZ)膜的厚度为200nm；二氧化铈(CeO2)膜的厚度为50nm。
实施例5
将具有立方织构的金属基带前后两端与引带连接，并进行清洁处理。将清洗后的上述金属基带及引带缠绕在放带轮和收带轮上，并置于真空腔体中，再将引带部分置于沉积区域。抽真空至腔体的背底真空小于或等于5×10-4Pa；将金属基带加热至650℃，待达到所需温度30分钟后，再充氩气至腔体气压2×10-1Pa。
以Y金属为溅射靶材，采用直流磁控溅射沉积方法，射功率100W，靶基距80mm，开始预溅射。预溅射20分钟后，通入水气，使沉积腔体内的水含量控制在6×10-3Pa，并调控制沉积腔体内压力至2Pa，开始正式溅射沉积。正式溅射沉积开始后，金属基带开始走动，走带速度0.4mm/sec。待所要沉积的金属基带全部经过沉积区，沉积完毕，即得氧化钇膜。在生长氧化钇膜结束后，使腔体恢复初始状态。
在已沉积氧化钇膜的金属基带上继续生长立方织构YSZ膜。抽真空至腔体的背底真空小于或等于5×10-4Pa；将金属基带加热至750℃，待达到所需温度30分钟后，再充氩气至腔体气压2×10-1Pa。
以Zr-Y金属为溅射靶材，采用直流磁控溅射沉积方法，射功率100W，靶基距80mm，开始预溅射。预溅射20分钟后，通入水气，使沉积腔体内的水含量控制在3×10-3Pa，并调控制沉积腔体内压力至2Pa，开始正式溅射沉积钇稳定二氧化锆；正式溅射沉积开始后，金属基带开始走动，走带速度0.1mm/sec。待所要沉积的金属基带全部经过沉积区，沉积完毕，即在已沉积氧化钇膜的金属基带上得到钇稳定二氧化锆膜，在生长钇稳定二氧化锆膜结束后，使腔体恢复初始状态。
在已沉积氧化钇和钇稳定二氧化锆膜的金属基带上继续生长立方织构二氧化铈膜。抽真空至腔体的背底真空小于或等于5×10-4Pa；将衬底加热至650℃，待达到所需温度30分钟后，再充氩气至腔体气压2×10-1Pa。
以金属Ce为溅射靶材，采用直流磁控溅射沉积方法，射功率70W，靶基距80mm，开始预溅射。预溅射20分钟后，通入水气，使沉积腔体内的水含量控制在3×10-3Pa，并调控制沉积腔体内压力至2Pa，开始正式溅射沉积二氧化铈。正式溅射沉积开始后，金属基带开始走动，走带速度0.1mm/sec。待所要沉积的金属基带全部经过沉积区，沉积完毕，在已沉积氧化钇和钇稳定二氧化锆膜的金属基带上得到二氧化铈膜，即制成连续生长多层立方织构氧化物隔离层。
所得到的金属基带上连续生长的多层立方织构氧化物隔离层，是在金属基带上依次生长氧化钇膜、钇稳定二氧化锆膜、二氧化铈膜三层膜，其中，氧化钇(Y2O3)膜的厚度为180nm；钇稳定二氧化锆(YSZ)膜的厚度为280nm；二氧化铈(CeO2)膜的厚度为100nm。
实施例6
将具有立方织构的金属基带前后两端与引带连接，并进行清洁处理。将清洗后的上述金属基带及引带缠绕在放带轮和收带轮上，并置于真空腔体中，再将引带部分置于沉积区域。抽真空至腔体的背底真空小于或等于5×10-4Pa；将金属基带加热至550℃，待达到所需温度30分钟后，再充氩气至腔体气压2×10-1Pa。
以Y金属为溅射靶材，采用直流磁控溅射沉积方法，射功率300W，靶基距150mm，开始预溅射。预溅射20分钟后，通入水气，使沉积腔体内的水含量控制在3×10-3Pa，并调控制沉积腔体内压力至2Pa，开始正式溅射沉积。正式溅射沉积开始后，金属基带开始走动，走带速度0.8mm/sec。待所要沉积的金属基带全部经过沉积区，沉积完毕，即得氧化钇膜。在生长氧化钇膜结束后，使腔体恢复初始状态。
在已沉积氧化钇膜的金属基带上继续生长立方织构YSZ膜。抽真空至腔体的背底真空小于或等于5×10-4Pa；将金属基带加热至700℃，待达到所需温度30分钟后，再充氩气至腔体气压2×10-1Pa。
以Zr-Y金属为溅射靶材，采用直流磁控溅射沉积方法，射功率350W，靶基距120mm，开始预溅射。预溅射20分钟后，通入水气，使沉积腔体内的水含量控制在1×10-3Pa，并调控制沉积腔体内压力至2Pa，开始正式溅射沉积钇稳定二氧化锆；正式溅射沉积开始后，金属基带开始走动，走带速度0.3mm/sec。待所要沉积的金属基带全部经过沉积区，沉积完毕，即在已沉积氧化钇膜的金属基带上得到钇稳定二氧化锆膜，在生长钇稳定二氧化锆膜结束后，使腔体恢复初始状态。
在已沉积氧化钇和钇稳定二氧化锆膜的金属基带上继续生长立方织构二氧化铈膜。抽真空至腔体的背底真空小于或等于5×10-4Pa；将衬底加热至700℃，待达到所需温度30分钟后，再充氩气至腔体气压2×10-1Pa。
以金属Ce为溅射靶材，采用直流磁控溅射沉积方法，射功率120W，靶基距150mm，开始预溅射。预溅射20分钟后，通入水气，使沉积腔体内的水含量控制在2×10-3Pa，并调控制沉积腔体内压力至2Pa，开始正式溅射沉积二氧化铈。正式溅射沉积开始后，金属基带开始走动，走带速度4mm/sec。待所要沉积的金属基带全部经过沉积区，沉积完毕，在已沉积氧化钇和钇稳定二氧化锆膜的金属基带上得到二氧化铈膜，即制成连续生长多层立方织构氧化物隔离层。
所得到的金属基带上连续生长的多层立方织构氧化物隔离层，是在金属基带上依次生长氧化钇膜、钇稳定二氧化锆膜、二氧化铈膜三层膜，其中，氧化钇(Y2O3)膜的厚度为200nm；钇稳定二氧化锆(YSZ)膜的厚度为300nm；二氧化铈(CeO2)膜的厚度为20nm。
经检测，实施例2-6方法中所生长的Y2O3/YSZ/CeO2膜均为纯立方织构；X-光衍射θ-2θ扫描为纯c轴，各层膜均无(111)取向生成；很好地传递了衬底的立方织构，且织构取向均匀。实施例2-6方法中所生长的Y2O3/YSZ/CeO2隔离层，其表面致密无裂纹。
Claims (15)
1、一种金属基带上连续生长多层立方织构氧化物隔离层的制备方法，其特征在于：该方法包括下述步骤：
(1)、采用具有立方织构的金属基带作为衬底，并将该金属基带进行清洁处理；
(2)、真空腔休中，将清洗后的上述金属基带缠绕放带轮和收带轮上；
(3)、抽真空至腔休的背底真空小于或等于5×10-4Pa；将金属基带加热至500-800℃，待达到所需温度30分钟后，再充氩气至腔体气压1×10-1Pa-8×10-1Pa；以Y金属为溅射靶材，采用直流磁控溅射沉积方法，开始预溅射；
(4)、预溅射20分钟后，通入水气，使沉积腔体内的水含量控制在1×101-8×10-1Pa，并调控制沉积腔休内压力至1Pa-5Pa，通过卷绕盘带动金属基带经过沉积区，进行正式溅射沉积氧化钇，在金属基带上得到氧化钇膜，在生长氧化钇膜结束后，使腔体恢复初始状态；
(5)、再对腔体抽真空，并抽真空至腔体的背底真空小于或等于5×10-4Pa；将金属基带加热至600-820℃，待达到所需温度30分钟后，再充氩气至腔体气压1×10-1Pa-8×10-1Pa；以Zr-Y金属为溅射靶材，采用直流磁控溅射沉积方法，开始预溅射；
(6)、预溅射20分钟后，通入水气，使沉积腔体内的水含量控制在1×10-1-3.5×10-2Pa，并调控制沉积腔体内压力至1Pa-5Pa，通过卷绕盘带动金属基带经过沉积区，进行正式溅射沉积钇稳定二氧化锆，在已沉积氧化钇膜的金属基带上得到钇稳定二氧化锆膜，在生长钇稳定二氧化锆膜结束后，使腔体恢复初始状态；
(7)、再对腔体抽真空，并抽真空至腔体的背底真空小于或等于5×10-4Pa；将衬底加热至600-750℃，待达到所需温度30分钟后，再充氩气至腔体气压1×10-1Pa-8×10-1Pa；以金属Ce为溅射靶材，采用直流磁控溅射沉积方法，开始预溅射；
(8)、预溅射20分钟后，通入水气，使沉积腔体内的水含量控制在1×10-1-6.5×10-1Pa，并调控制沉积腔体内压力至1Pa-5Pa，通过卷绕盘带动金属基带经过沉积区，进行正式溅射沉积二氧化铈，在已沉积氧化钇和钇稳定二氧化锆膜的金属基带上得到二氧化铈膜，即制成连续生长多层立方织构氧化物隔离层。
2、根据权利要求1所述的金属基带上连续生长多层立方织构氧化物隔离层的制备方法，其特征在于：在所述步骤(4)中，卷绕盘带动金属基带的走带速度为0.1mm/sec-3mm/sec；在所述步骤(6)中，卷绕盘带动金属基带的走带速度为0.1mm/sec-2mm/sec；在所述步骤(8)中，卷绕盘带动金属基带的走带速度为0.1mm/sec-6mm/sec。
3、根据权利要求1所述的金属基带上连续生长多层立方织构氧化物隔离层的制备方法，其特征在于：在所述步骤(2)中，金属基带的两端是先与引带连接再缠绕在放带轮和收带轮上，并将引带部分置于沉积区域。
4、根据权利要求1所述的金属基带上连续生长多层立方织构氧化物隔离层的制备方法，其特征在于：在所述的步骤(1)中，对金属衬底进行清洁处理，要求清洁处理后的表面不留水迹、污渍。
5、根据权利要求1所述的金属基带上连续生长多层立方织构氧化物隔离层的制备方法，其特征在于：在所述的步骤(3)中，是采用腔体内的加热装置对金属基带加热，加热装置对金属基带所提供的均匀的加热温度区域是溅射沉积区域的2-3倍。
6、根据权利要求1所述的金属基带上连续生长多层立方织构氧化物隔离层的制备方法，其特征在于：在所述的步骤(3)-(8)中，所述的溅射靶材和衬底的距离即靶基距为60-150mm。
7、根据权利要求1所述的金属基带上连续生长多层立方织构氧化物隔离层的制备方法，其特征在于：在所述的步骤(3)-(4)中，所述的预溅射和溅射的溅射功率为100-350W。
8、根据权利要求1所述的金属基带上连续生长多层立方织构氧化物隔离层的制备方法，其特征在于：在所述的步骤(5)-(6)中，所述的预溅射和溅射的溅射功率为100-400W。
9、根据权利要求1所述的金属基带上连续生长多层立方织构氧化物隔离层的制备方法，其特征在于：在所述的步骤(7)-(8)中，所述的预溅射和溅射的溅射功率为70-200W。
10、根据权利要求1所述的金属基带上连续生长多层立方织构氧化物隔离层的制备方法，其特征在于：在所述的步骤(3)-(8)中，所述的预溅射为非正式溅射，采取遮挡的方式，用遮挡物将衬底遮挡住，使预溅射的产物不能沉积到衬底上；待预溅射结束后、开始正式溅射沉积前，撤掉遮挡物。
11、根据权利要求1所述的金属基带上连续生长多层立方织构氧化物隔离层的制备方法，其特征在于：在所述的步骤(3)、(5)、(7)的充氩气至腔体内的过程中，是采用管路直接将氩气通向溅射靶材的靶材面。
12、根据权利要求1所述的金属基带上连续生长多层立方织构氧化物隔离层的制备方法，其特征在于：在所述的步骤(4)、(6)、(8)的通入水气至腔体内的过程中，是采用管路直接将水气通向衬底的沉积面。
13、根据权利要求1所述的金属基带上连续生长多层立方织构氧化物隔离层的制备方法，其特征在于：在所述的步骤(4)、(6)、(8)的卷绕盘带动金属基带经过沉积区过程中，金属基带移动的方向为从放带轮走向收带轮，或从收带轮走向放带轮。
14、根据权利要求1所述的金属基带上连续生长多层立方织构氧化物隔离层的制备方法，其特征在于：在所述的步骤(4)、(6)、(8)的卷绕盘带动金属基带经过沉积区过程中，各层膜的生长为金属基带一次走带完成一层膜，或金属基带往复多次完成一层膜。
15、根据权利要求1所述的金属基带上连续生长多层立方织构氧化物隔离层的制备方法，其特征在于：所述的氩气为纯度≧99.999％的氩气。
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