CN101629281B - 金属有机物化学气相沉积进液装置 - Google Patents

Abstract

金属有机物化学气相沉积进液装置，涉及MOCVD沉积超导薄膜的制备技术。本发明包括蠕动泵、毛细管、气室；蠕动泵与毛细管连接；毛细管上开设有气孔，气孔与气室连通；气室设置有进气管道及气体阀门。本发明采用毛细管作为输送管道，并采用气液混合的输送方式避免了液体在进入蒸发器之前，由于真空的缘故溶液提前蒸发气化，溶质在管道内堵塞的问题，完成薄膜材料连续、稳定的制备。

Description

金属有机物化学气相沉积进液装置

技术领域

本发明涉及一种金属有机物化学气相沉积(MOCVD)的进液装置，属于低压MOCVD领域，特别是MOCVD沉积超导薄膜的制备技术。

背景技术

进入二十一世纪以来，人类一直面临着能源短缺这一严峻的问题。在耗费巨资探索新能源的同时，能源有效利用方面的研究也将起到关键的作用。YBCO高温超导材料，以其使用温度高、高场电流承载能力强、成本低廉等特点，在弱点和强点应用方面都有很好的前景。而YBCO高温超导带材(涂层导体)更是在超导发电机、电动机、强场磁体、限流器、储能系统方面有广泛的应用前景。因此，各国政府对高温超导的研究投入大量的人力和物力，并且已经将研究的重点转移到Ni基带上沉积YBCO超导涂层。

目前对于这类薄膜的制备，可以采用脉冲激光沉积、磁控溅射、电子束共蒸发、溶胶-凝胶、金属有机物化学气相沉积、金属有机物沉积、蒸发法等。从实用化的角度来看，高温超导涂层导体必须具有相当的长度(千米级以上)，同时必须能够以相当的规模进行生长。以上几种方法中脉冲激光沉积、金属有机物化学气相沉积具有生长速率快、能够提供大面积的生长源的特点。

金属有机物化学气相沉积(MOCVD)是属于化学气相沉积(CVD)的一种。它利用金属有机物作为原料，进行气相金属运输最后完成薄膜外延生长。金属有机物通过载气的运输，到达内加热的反应腔内，通过一系列物理化学反应，最终在衬底上形成外延层。MOCVD的优点在于沉积速度快、面积大、薄膜的均匀性好，可以选择多种金属有机物作为原料，薄膜层层生长的可能性更大，适合大规模低成本的工业生产。使用MOCVD法制备超导薄膜和带材的一个重要的困难是金属有机源挥发性低，蒸发温度高，而且Cu、Y、Ba三种原料的挥发特性差别较大。采用固态源需要单独控制的三个蒸发器，控制设备成本高，且在长时间连续生产中无法保持原料的稳定供应。采用液态源可以保证原料的持续稳定供应，适合大规模工业化生产，但是液态源也存在进料稳定性差及堵塞等问题。

在使用液态源时，目前使用最多的是液态传输法。液态传输法是通过将金属有机源输送入一个恒温的蒸发皿，通过快速蒸发(一般为闪蒸)少量混合后的金属有机源，将金属有机源按照精确的比例高效地传输入反应腔体内，最终形成薄膜材料。液态传输法的优点：金属有机源的比例可以在配置溶液时就精确控制，而不需要在蒸发过程中为精确控制付出昂贵的成本；可以保证长时间的溶液有机源稳定供应；蒸发的效率不会随时间增加而降低；快速少量的蒸发药品可以有效地提高药品的使用率。这些特点都适合大规模工业化的生产条件。但是液体传输法仍然存在一些难题。由于液体需要被送入一个保持真空的蒸发皿，而在液体传输的过程中，真空腔体与外界金属有机源溶液一般是通过管道连接，由阀门控制进液。这样使得液体进入真空腔体内的一瞬间，由于腔体内只存在极少量的气体，溶液被迅速吸入腔体，使得溶液的进入量无法被控制并保持稳定。而溶剂由于饱和蒸汽压的缘故，迅速蒸发，使得大部分金属有机物溶质析出，残留于管道内壁，进而堵塞管道。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种用于金属有机物化学气相沉积法(MOCVD)设备上的进液装置，以用于快速、连续地制备薄膜材料。

本发明解决所述技术问题采用的技术方案是，金属有机物化学气相沉积进液装置，包括蠕动泵、毛细管、气室；蠕动泵与毛细管连接；毛细管上开设有气孔，气孔与气室连通；气室设置有进气管道及气体阀门。

本发明还包括第二进气管道和设置于第二进气管道上的第二气体阀门。毛细管穿过气室，气孔开设于毛细管的上方。

本发明的有益效果是，采用了蠕动泵输送的方式，使用本发明可以实现速度稳定、配比精确地将反应物高效地送入金属有机物化学气相沉积设备的蒸发器，本发明采用毛细管作为输送管道，并采用气液混合的输送方式避免了液体在进入蒸发器之前，由于真空的缘故溶液提前蒸发气化，溶质在管道内堵塞的问题，完成薄膜材料连续、稳定的制备。使用该装置制备的出的薄膜沉积速度快，取向度高，表面均匀；本发明装置为工业快速生长第二代高温超导带材薄膜提供了良好的实现途径。

以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。其中，1-毛细管壁；2-毛细管；3-气室内的空腔；4-气孔；5-气室；6-隔片；7-气体阀；8-气体管道；9-第二进气管；10-出液管口；11-蠕动泵；12-锡焊。

图2是利用本发明装置制备的高温超导薄膜的X射线衍射仪θ-2θ扫描图谱。其中X轴表示2θ角(单位是度)，Y轴表示计数强度(单位是count/second)。由图3所知，利用本发明制备的YBCO超导薄膜具有(003)，(005)，(006)的C轴取向。

图3是利用本发明装置制备的高温超导薄膜的X射线衍射仪ω扫描图谱。其中X轴表示2θ角(单位是度)，Y轴表示计数强度(单位是count/second)。由图4所知，利用本发明制备的YBCO超导薄膜其C轴取向的半高宽为0.54，面外织构良好。

图4是利用本发明装置制备的高温超导薄膜的扫描电子显微镜(SEM)图象。由图4可知，本发明制备的YBCO薄膜表面平整，无裂纹。

具体实施方式

参见图1。

本发明提供一种金属有机物化学气相沉积进液装置，包括蠕动泵11、毛细管2、气室5；蠕动泵11与毛细管2连接；毛细管的另一端为出液管口；毛细管2上开设有多个气孔4，通过气孔4与气室5连通；气室5设置有进气管道及气体阀门71。毛细管壁1用锡焊12与气室5的外壁焊接。氩气通过进气管道和气体阀门71输入到气室5。

本实施例还包括第二进气管道9和设置于第二进气管道9上的第二气体阀门72，作为向蒸发器输入氩气的途径。图1中，气室5和第二进气管道9都以套管的形式套在毛细管外，第二进气管道9和气室5通过隔片6隔离。

另一实施方式是，毛细管2穿过气室5，气孔开设于毛细管2的上方。

特别的，第二进气管道9套在毛细管2外，其出口与毛细管(2)的出口同向，使蒸发装置内的氩气与液体沿同一方向喷出，以达到最佳的效果。

使用本发明的进液装置时，按下述步骤：

步骤1、将反应液体与蠕动泵连接；

步骤2、打开两个气体阀门，使氩气进入气室5和蒸发器；

步骤3：打开蠕动泵，蠕动泵带动液体进入输液管道，Ar气以一定压力和进入输液管道(毛细管)的液体混合，将液体输送至后续蒸发器中。

采用本发明的进液装置制备的薄膜相关参数及效果图参见图2-4。对YBCO薄膜的结构和表面的分析表明，采用本发明装置能够速度稳定、配比精确地将反应物高效地送入金属有机物化学气相沉积设备的反应腔内，完成第二代高温超导材料连续、稳定的制备，同时使用该装置制备的出的薄膜沉积速度快，取向度高，表面均匀。由于具备以上的优点，能够满足后期的工业化快速生产的需要。

Claims (4)

1.金属有机物化学气相沉积进液装置，其特征在于，包括蠕动泵(11)、毛细管(2)、气室(5)；蠕动泵(11)与毛细管(2)连接；毛细管(2)上开设有气孔，气孔与气室(5)连通；气室(5)设置有进气管道及气体阀门(71)。

2.如权利要求1所述的金属有机物化学气相沉积进液装置，其特征在于，还包括第二进气管道(9)和设置于第二进气管道(9)上的第二气体阀门(72)。

3.如权利要求1所述的金属有机物化学气相沉积进液装置，其特征在于，毛细管(2)穿过气室(5)，气孔开设于毛细管(2)的上方。

4.如权利要求2所述的金属有机物化学气相沉积进液装置，其特征在于，所述第二进气管道(9)套在毛细管(2)外，其出口与毛细管(2)的出口同向。

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