CN110344008B - 脉冲激光镀膜装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种脉冲激光镀膜装置，包括：激光器(1)、光路系统(2)、镀膜腔体(3)；所述激光器(1)产生脉冲激光光束(21)；所述光路系统(2)将脉冲激光光束(21)引入镀膜腔体(3)内部，使得靶材(341)表面上形成羽辉(211)，来将靶材(341)的材料溅射到基带(336)上形成超导层。本发明能够提高脉冲激光镀膜的质、量以及设备的使用。

Description

脉冲激光镀膜装置

本申请是以下原申请的分案申请：

--原申请的申请日：2017年12月27日

--原申请的申请号：201711451135.X

--原申请的发明创造名称：脉冲激光镀膜装置

技术领域

本发明涉及超导材料技术领域，更具体地，涉及脉冲激光镀膜装置，尤其是涉及一种第二代高温超导带材超导层的制作装置。

背景技术

1911年荷兰莱顿大学的卡末林·昂纳斯教授在实验室首次发现超导现象以来，超导材料及其应用一直是当代科学技术最活跃的前沿研究领域之一。在过去的十几年间，以超导为主的超导电力设备的研究飞速发展，在超导储能、超导电机、超导电缆、超导限流器、超导变压器、超导磁悬浮、核磁共振等领域取得显著成果。

相对于低温超导材料而言，高温超导材料的冷却媒介由成本较高的液氦变为了成本较低的液氮，因此在高温超导材料发现之后，人们就致力于实现高温超导电性的应用。

目前进入商业化的高温超导带材分为铋系和钇系。铋系超导体即第一代超导材料，也称BSCCO超导体；钇系超导体即第二代超导材料，也称YBCO或ReBCO超导体。

以BSCCO为材料的第一代超导带材，采用银包套生产工艺，具有较高的超导转变温度(Tc～110K)。特别是其层状的晶体结构导致的片状晶体很容易在应力的作用下沿铜－氧面方向滑移。所以，利用把铋－2223先驱粉装入银管加工的方法(PIT法)，经过拉拔和轧制加工，就能得到很好的织构。另外，在铋－2223相成相热处理时，伴随产生的微量液相能够很好地弥合冷加工过程中产生的微裂纹，从而在很大程度上克服了弱连接的影响。正由于这两个基本特性，使人们通过控制先驱粉末、加工工艺及热处理技术，成功地制备出了高性能长带。

但是铋系超导材料不可逆场Hirr低，材料的Jc(B)特性在77K和0.1T以上的外磁场下性能将有严重的退化。虽经过种种努力，如引入有效钉扎中心等，但迄今为止铋系带材能不能有效的在77K高磁场下运用，这也严重影制约了铋系带材的应用范围。

以ReBCO(Re为稀土元素)为材料的第二代超导带材，也被称为涂层导体，因其具有相比铋系带材更强的载流能力、更高的磁场性能和更低的材料成本，在医疗、军事、能源等众多领域具备更广更佳的应用前景。

作为第二代高温超导的材料，YBCO晶体具有典型的缺氧钙钛矿结构，其b轴点阵常数略大于a轴，c轴的点阵常数约为a或b轴的3倍，晶格常数分别为

正交相的YBCO晶格具有超导特性。通常认为正交相的YBCO是由四方相畸变而来的，其在结构上是不稳定的。但可以通过控制工艺条件来控制YBCO晶体由四方相到正交相的转变。

YBCO的生长模式中，最常见的是延a轴生长和c轴生长两种模式。因为YBCO薄膜延a轴和b轴的晶格常数相近，因此YBCO薄膜的沿a轴或者b轴生长，统称为沿a轴生长，即YBCO薄膜的a轴或者b轴垂直于基底生长。YBCO薄膜延c轴生长，统称为沿c轴生长，即YBCO薄膜的c轴垂直于基底生长。当YBCO薄膜沿a轴生长时，会形成单轴织构，容易引入大角度晶界，不利于电流在a-b面内传输；当YBCO薄膜沿c轴生长时，形成了双轴织构，YBCO会有较高的Jc，因此一般希望YBCO薄膜沿c轴方向双轴织构生长。

第二代超导带材，由于其作为超导载流核心的ReBCO本身硬且脆，所以一般是在镍基合金基底上采用多层覆膜的工艺生产，所以又被成为涂层导体。第二代超导带材一般由金属基带、缓冲层(过渡层)、超导层以及保护层组成。金属基底的作用是为带材提供优良的机械性能。过渡层的作用一方面是防止超导层与金属基底发生元素间的相互扩散，另一方面最上方的过渡层须为超导层的外延生长提供好的模板，提高YBCO晶粒排列质量。制备超导性能优良的涂层导体，需要超导层具有一致的双轴织构。由于YBCO薄膜在a/b轴方向的排列程度(面内织构)相对较难实现，而面内织构较差会严重降低超导性能。因此需要YBCO超导薄膜在已经具有双轴织构和匹配晶格的过渡层上外延生长。制备实现双轴织构有两种主流的技术路线，一种是轧制辅助双轴织构基带(RABiTS)技术，另一种为离子束辅助沉积(IBAD)技术。ReBCO超导层制备的常见技术分为多种，有脉冲激光沉积(PLD)、金属有机物化学气相沉积(MOCVD)、金属有机物分解(MOD)、磁控溅射(Magnetron sputtering)、反应共蒸发等(Co-evap)。最后一层是保护层，主要是用来保护超导层，一般在超导带材表面镀1-5um的银层。

在YBCO涂层导体中，基带是基础部分，缓冲层是关键部分，超导层是最重要的部分。无论是RABiTS技术，还是IBAD技术，都是为了获得高质量的涂层导体做准备。随着涂层导体技术的不断发展，技术所有的物理、化学外延技术都用来研究YBCO涂层导体。

磁控溅射设备相对简单，成本低，成膜致密。但沉积速率低，存在负氧离子的反溅射效应，导致薄膜成分有严重偏离化学计量比的现象。因此实际工业化生产中很少的去利用该设备。

金属有机物化学气相沉积为化学沉积技术，其化学成分容易控制，但前驱物为金属有机物，源的价格十分昂贵，技术难度十分大，国际上少有研究组能掌握该项技术。

金属有机物分解为非真空技术，前驱物为三氟乙酸盐(TFA)，再经热处理。此方法能大大的降低设备成本，但其制备薄膜可靠性、稳定性需要进一步增加。

脉冲激光沉积法广泛的应用与氧化物膜的制备工艺，是将准分子脉冲激光器所产生的高功率脉冲激光束聚焦作用于靶材料表面，使靶材料表面产生高温烧蚀，并进一步产生高温等离子体，这种等离子体定向局域膨胀发射并在衬底上沉积而形成薄膜。

相比于其他各种镀膜方法，脉冲激光沉积具有的优势有：

1、靶、膜成分一致。这是PLD区别其他镀膜技术最重要的一点，也是PLD最大的优势。其原因在于脉冲激光沉积是瞬间产生等离子体，由于瞬间蒸发，没有择优蒸发效应，并且由于瞬间爆炸式膨胀所具有的轴向约束效应，使得靶材的成分与薄膜的成分基本一致。

2、蒸发物能量高。PLD镀膜时所产生的离子能量高大10-1000eV，中性原子能量也高达1-10eV，高的离子动能具有增强二维生长，抑制三维生长的作用，因此能获得连续致密的薄膜。

3、薄膜生长过程可同时引入多种气体。由于在镀膜过程中可以在原位引入各种活性或惰性气体或是两者混合气体。这样镀膜时与其他镀膜技术相比，压强可以有最大的变化范围，这对提高薄膜质量具有重要意义。

4、靶材易更换。由于有这个特点，原位生长时容易产生原子级别的清洁界面，PLD也更适合实现多层膜和超晶格的生长。

5、PLD的沉积条件相对容易控制，使得其具有可产业化的优势。

6、PLD可以蒸发金属、陶瓷、半导体、无机材料，特别是对高熔点材料又很大优势。

目前第二代高温超导带材已进入规模化生产阶段，针对设备大家的关注不仅仅是做出超导特性，更多的关注在于制备带材性能，制备效率和成品率。例如目前高温超导应用期待的单根带材长度为公里级，期待的带材临界电流为每厘米宽度下数百安培甚千安培以上。制备效率和成品率折算的产能形成的产出比上整条生产装置的投入，需要有一定的经济性。无论从设备的价值，还是从工艺的复杂度，产能角度，制作超导层往往是整个二代高温超导带材的瓶颈所在。围绕这些，在先技术中仍有许多的问题需要解决和克服。

一般来说提高YBCO薄膜的临界电流Ic方法有直观的两种：一种提高YBCO薄膜的临界电流密度Jc，另一种是提高YBCO薄膜的厚度。除此之外还有一种方法是引入磁通钉扎，这种方法主要用来提高带材在低温高场下的电流。然而无论是否引入钉扎，YBCO薄膜的Jc随着薄膜厚度的增加呈现指数衰减，与基底和制备工艺无关。尽管到现在为止还没有对Jc的衰减给出清晰的解释，但很多可能造成电流的限制已经被提出，包括面外、面内织构差，微结构的改变和氧缺失，a轴取向晶粒生长，且这些问题交织产生。例如YBCO薄膜的面外织构和面内织构随着薄膜厚度的增大而下降，这是由于随着薄膜厚的增大，薄膜内的a轴取向晶粒的密度以及其他错位取向晶粒的密度逐渐增加所致。通常情况下，a轴取向晶粒表面自由能较低，所有YBCO薄膜倾向于沿a轴生长，即a轴取向生长，即a轴取向晶粒生长较快。而c轴生长所需表面自由能较高，所以纯c轴取向晶粒生长较难实现，YBCO薄膜的晶粒往往是沿c轴和a轴混合生长。但是当薄膜厚度小于1μm时，c轴取向晶粒占有优势；当薄膜厚度大于1μm时，a轴取向晶粒占有优势。另外随着薄膜厚度的增大，YBCO表面的颗粒尺寸逐渐增大，颗粒密度也逐渐增大。YBCO薄膜厚到一定程度后，继续增加薄膜厚度，YBCO的临界电流不再增加，定义此薄膜厚度为YBCO的临界厚度。

目前最厚的YBCO可达6-10μm以上。单次生长YBCO薄膜太厚，会使得YBCO沿厚度方向上薄膜质量变差加剧，由于很难改变岛状生长模式，不可避免的会在薄膜中产生多种缺陷，使该镀制的YBCO薄膜临界厚度变低。分层外延生长YBCO可以减小YBCO超导层厚度效应，通过每层之间对工艺参数如温度、氧气分压、激光能量的微调，使每层镀制的YBCO薄膜尽量拥有更好的性能，沿厚度方向上a轴取向晶粒生长、大颗粒生长延缓，使YBCO临界厚度能够拓宽。

目前从脉冲激光设备角度提高第二代高温超导带材的性价比，可从三个方面来考虑。第一个方面是提高YBCO薄膜镀膜的质，第二个方面是提高YBCO薄膜镀膜的量，第三个方面是提高设备的使用。提高YBCO的薄膜的临界电流密度Jc，就可以看作是提高质的一种重要方法。提高YBCO薄膜的厚度可以看作是提高量的一种重要方法。

一、提高YBCO薄膜镀膜的质

对于PLD镀制YBCO膜，要想得到优质的YBCO薄膜性能，最重要的控制点在于：1、靶的成分，靶面平整；2、光路和光斑能量；3、温度均匀；4走带均匀。这四个问题通常交织在一起，共同对YBCO的质起着关键的作用。

对于YBCO的直接和最终表征方法就是测试带材的临界电流Ic，包括Ic的大小和均匀度。单位长度上，带材的Ic越大，均匀度越小，YBCO薄膜性能的质就越好。反之带材的Ic越小，均匀度越大，YBCO薄膜性能的质就越差。

除了最直接的表征方法，也可以通过一些间接的测试方法，测试薄膜性能，以找到一些关键的指标，表征薄膜的好坏，用于调整设备和工艺，以获得更高质量的薄膜。

间接的测试方法有很多种，可以使用原子力显微镜、X射线衍射仪、扫描电子显微镜、反射高能电子衍射仪等等。在一个设备中也可以针对多个物理量进行分析，例如用X射线衍射仪对样品薄膜进行θ-2θ扫描，ω扫描，φ扫描。用θ-2θ测试比照PDF卡片判断样品的结晶取向；通过用ω扫描，测试衍射峰半高宽FWHM来表征样品沿c轴方向生长取向的一致性，即面外织构；通过φ扫描测试样品a-b面内取向的一致性，即面内织构。

1、靶材

靶材对于带材的临界电流和临界电流密度有最直接的影响。同样的工艺下，不同的靶材镀制的ReBCO带材的临界电流Ic会有数倍，甚至数十倍的差别。哪怕用同样的粉制成的靶材，虽然成分基本相同，但不同的靶材制备的带材临界电流Ic仍有很大的差距。原因在于对靶材的控制有严格的要求，例如碳含量、密度和微观结构等等，YBCO临界电流对于这些参数的细微变动十分敏感，然而这些参数在实际制靶过程中较难保持一致。

除了微观上的区别，对靶材的宏观尺寸也有着非常严格的要求。因为脉冲激光光束打到靶材表面会形成光斑，在靶面上打出羽辉，从而将靶的材料通过溅射的方式镀制到带材上。如果靶面是平的，打出的羽辉将完全垂直于靶面和带材。由于溅射做不到完全均匀，靶材在使用一段时间后，在靶的表面上呈现波浪形式的凹坑。此时再打出的羽辉就不能做到完全垂直于靶面和带材，因此会有一些不均匀的情况出现。

专利文献US2005005846A1中提出用多个靶和来源于不同激光器的多束激光，虽然能加快镀膜沉积的速度，但仍有较大的局限性：

1)多块靶在微观成分、结构、参数上很难保证一致。多块靶材所在区域的其他的工艺参数也很难保持。例如气氛、温度。

2)不同激光器产生的光束能量，斑点不一致。

3)多块靶材表面宏观凹坑不一致，不均匀现象会有所加剧。

将多种靶材接连镀制于基带上，将大大破坏YBCO生长的均匀性，从而影响带材的临界电流密度。尤其经过多道往复，多种成分的YBCO反复叠加，将使得整个工艺非常不可控。

2、光路和光斑能量

激光蒸发在原理上类似于电子束蒸发，主要区别在于前者用激光束加热靶材，而后者则是用电子束来加热靶子的。当激光束辐射靶材时，一部分入射光被靶材吸收，一部分则被反射。当靶材的温度超过蒸发温度时，靶材就会融化蒸发，蒸发的物质与之后入射的激光相互作用，形成包含大量原子、电子和离子等离子体膨胀飞行，到达基带后制成了薄膜。

脉冲激光作用于靶材时，靶材吸收足够的激光能量后，温度急剧上升，产生相变、气化和爆炸等各种状态。当靶材的温度达到熔点值时，靶材将出现熔化，如果继续吸收激光能量，当能量达到气化潜热后，将出现沸腾现象。但是由于脉冲激光作用过程中，没有足够时间来形成普通沸腾所需要的气泡核，激光能量密度又足够高，靶材表面的的饱和蒸气压由于气化现象而急剧增大，因此，部分熔化的液体靶材将称为超热液体。当激光能量密度超过某一阈值，超热液体的温度达到0.9倍的热力学临界温度时，将出现均匀成核现象，液态靶材将迅速地由超热液体转变为蒸气和液滴的混合物，产生近似固体密度的等离子体，从靶面溅射出去，发生相爆炸。此过程将在脉冲结束后的百纳秒发生。靶材从表面到内部主要分为5个区，羽辉区、等离子体区、超热液态层区、正常液态层区和没有熔化但仍然吸收激光能量的固相区。激光与靶材的作用决定了烧蚀物的组成、产生、速度和空间分布，而这些直接影响并决定这薄膜的成分、结构和性能。

脉冲激光在靶材材表面形成不同形态、不同角度、不同大小、不同能量分布的聚焦光斑，在如此复杂的物理过程中，进而形成不同的羽辉。对于脉冲激光镀膜来说，要控制镀膜的过程和质量，就必须对光斑和光斑能量可以实现控制和调节。

如果不控制脉冲激光的光路和光斑，将产生下列问题

1)光斑的形态、角度、大小、能量分布影响到对靶材的轰击，一些时候如果不调整光路光斑，将在靶材表面刻出了过深的凹槽导致激光与靶材的接触点的方向发生了改变，导致羽辉的形态和方向发生了偏移。

2)光斑的大小关系着光斑的能量分布，一般光斑中间的区域能量最大，周围的区域能量降低。然而对于靶材不同的激光能量激发靶材的量是不同的，同时激发阈值也不同。如果不进行调整优化，将不能使脉冲激光对于靶材的溅射效率达到最优区间，使脉冲激光的能量大大的浪费。

3)对于不同的靶材，如果不根据其特性进行光路的优化和调整，将影响溅射镀膜工艺的质量和效率。

3、温度均匀性

YBCO最有利的生长温度区间非常窄，如果过热，带材表面将发生融化，如果温度低了，带材将出A轴晶，如果温度更低，带材甚至将出多晶取向，严重影响YBCO临界电流密度，最终影响临界电流。因此如何保证温区的恒温是一个关键的问题。

目前在先技术中对于加热有以下的方式：

—有电阻式加热器，如专利文献US6066836中阐述的一种电阻式的加热器。但有很大局限性：

1)镀膜工艺中往往需要在一定的氧气氛中进行，所以加热电阻丝由于氧化问题，使用寿命较短。

2)电阻丝加热升降温速度相对较慢，温度保持一致很困难。任何的因为接触不良或其他原因造成的局部温度损失都会造成温度较大的变化。

—感应加热是利用电磁感应原理把电能转化为热能的设备。感应加热通过对线圈通以高频变化的电流，线圈内产生交变磁场，将金属等被加热物质放置在形成的交变磁路中，磁力线就会贯通整个被加热金属物体，在被加热物质内部与加热电流相反的方向产生很大的涡电流，由于被加热物质内的电阻产生焦耳热，使物质自身的温度迅速上升。虽然理论上可以用于对基带的加热，但也有很大的局限性：

1)高频磁场会对周围的设备产生影响。

2)要使加热均匀，就要使工件每个局部切割的磁力线较为均匀，则在设计中比较困难。

为了获得更加均匀的温区

专利文献US2005005846A1中提出用多个温区，尤其在沉积区外增加预热区、沉积区、冷却区。

专利文献CN103276366B提出了一种适合于卷对卷连续化带材制备工艺的箱式加热器，包含多通道辊轴，在多通道辊轴内侧设置内加热罩，在多通道辊轴外侧设置外加热罩，内外加热罩为圆筒状，外加热罩的下部具有开口。

然而在先技术中均未注意到靶材和加热区的关系：无论加热区如何分布或包裹带材，带材总需要用YBCO靶材进行溅射。靶材与带材之间的镀膜区总会使加热区域的该处有一个很大的开口，进而在带材沿长度方向上的温度梯度呈现马鞍形，即此开口处造成了温度的大幅下降。

4、走带均匀

带材临界电流的均匀度，对超导的应用来说非常的重要。尤其在超导电阻型限流器中。原因在于，超导电阻型限流器利用超导带材在临界电流以上超导带材从超导态向正常态转变产生电阻，抑制故障电流达到限流作用。整个限流过程中，需要限流器中所有的超导带材共同扛住故障电流，这就需要超导带材上所有的点均匀失超，均匀的产生失超电阻。如果发生不均匀的情况，即一部分失超，一部分未失超，那失超的部分的超导带材，需要承担所有的故障电流。其负担大大的增加，一旦超过超导带材承受的极限，将会造成整个限流器的烧毁。

走带的均匀程度，决定着最终带材的均匀程度，是一个十分重要的控制参数，要求每一点张力一致，速度一致。如果没有控制好，将产生下列问题：

1)如果走带速度时快时慢，带材上镀制的膜厚将会有较大差距。

2)金属基带热容量很小，辐射加热方法在沉积区建立起来的温度场稳定性和均匀性会因为基带的抖动引起气流的变化而产生变化。

二、提高YBCO薄膜镀膜的量

提高薄膜的镀制的量，实质是提高薄膜镀制的效率，即单位时间内镀制YBCO的总量。量的增加在一些情况下势必造成质的降低，这就需要有一定的折中，尤其希望在质下降不多或者不下降的情况下多增加量。

1、脉冲激光能量和利用率的提高

脉冲激光能量的增加是提高溅射速度最直接的方式。然而由于激光与靶材的相互作用时，有着许许多多的物理过程和物理效应，是一个及其复杂的物理过程。首先激光能量会被靶材吸收，被照射表面下的一个薄层被加热，表面温度不断升高。与此同时能量向靶材的内层传到，是被加热层的厚度不断增加。但由于渗透到靶材内部的能量很少，绝大部分的能量都聚集在靶材表面，这导致表面温度持续上升。如果激光能量密度足够高，能量从激发态电子通过碰撞传给晶格使靶材加热。靶材中的部分粒子热运动不断加剧，具有足够动能，摆脱周围粒子对它的束缚，从而产生相变，蒸发沸腾。此时开始，表面温度主要由蒸发机制控制，表面的粒子温度很高，其中大量的原子被激发和离化，吸收激光辐射。当蒸气中的粒子几乎全部被离化，从而导致在靶的表面出现等离子体羽辉。激光与靶材的强相互作用在表面形成复杂的层状结构，最外层的靶材以等离子体状态喷出，实际烧蚀物中还包括众多的原子和分子和少量的团簇以及微米尺度的流体和固态颗粒物。靶材表面等离子体羽辉粒子密度非常高，称为电晕区。通过逆轫致效应，吸收绝大部分脉冲激光能量。从而屏蔽激光想靶材表面所辐射的能量。在电晕区外的等离子体，由于粒子密度相对较低，对于激光能量没有吸收效应，称为导热区。在靶材的表层即渗透层有着激烈的能量输运现象，其中以固相为主，实际上还存在也想和气相物质。除了以上的物理过程外实际上还包含许多复杂的子物理过程。例如电子激发效应、光电效应、原子或团簇发生。另外如果激光能量密度足够高，熔融靶材表面粒子的能量猝然提高，在通常情况下会产生沸腾现象。由于没有气化核，加之熔融状态及其迅猛，温度迅速上升，虽然过了沸点，但没有沸腾，形成超热现象。这个状态是一个亚稳态，任何微小的扰动都会引起爆炸性的沸腾。在这种情况下仍然忽略了很多物理过程，比如等离子体中除了吸收激光能量外还存在散射。

激光与靶材的作用决定了烧蚀物的组成、产生、速度和空间分布，而这些直接影响并决定这薄膜的成分、结构和性能。

专利文献US2005005846A1中提出用多个靶和来源于不同激光器的多束激光，虽然能加快镀膜沉积的速度，但仍有较大的局限性主要也是来源于，不同的靶和不同的激光器，势必也有不同的温区环境，气氛，一定不会带来近似的YBCO生长过程。这里面就会有均匀性的问题，从而影响带材的临界电流密度。尤其经过多道往复，多种成分的YBCO反复叠加，将使得整个工艺非常不可控。

另外脉冲激光的能量需要足够的聚焦，这一般取决于最后一块聚焦透镜的安装位置。以往的设备往往将其安装在镀膜腔体外，这往往会带来以下的问题：

1)经过聚焦的脉冲激光光束还要通过一块窗口进入镀膜腔体内，能量又多了一次损失。

2)碍于腔室本体壁与靶材的相对位置，不能变得更近或更远，脉冲激光光束的聚焦往往做了一些让步。

2、装置的结构能够适应公里级或更长的带材制备，并且被溅射镀制的带材面积更大。

对于短样的制备可以用PLD对短样基带进行静态的镀制，如果是制造工业化的长带，则需要对带材进行动态的镀制。对长带的镀制往往有两种形式。第一种形式是将长的基带事先绕制在一个圆柱形的滚筒上进行镀制。如专利文献US6147033、专利文献CN101627483中阐述的那样。虽然这种方式可以大规模生产涂层带材，但有很大的局限性。在于：

1)一台装置只能生产一种长度的带材，长度伸缩性有限。为了满足该尺寸，对于基材的采购与带材成品的卖出势必因为长度偏差，造成大量的浪费。

2)随着生产带材长度的变长，设备体积随之变大，生产带材长度的增加不具有无可持续性。

3)带材必须在沉积区的同一个位置，带材横向或纵向上轻微的移动会导致沉积膜厚的变化，这会导致带材均匀性的下降。

4)把超导带材卷到如此大的圆柱形滚筒上，或从圆柱桶上拆下时，不损坏脆弱的超导带材具有很大的挑战。

5)带材绕制到圆柱形滚筒上，每一扎都需要有相同的张力，这样才能保持镀膜时每一处的均匀，尤其镀膜是在高温环境下，做到这一点具有较大的难度。

如专利文献CN102560378B中阐述的那样，普通的单通道激光镀膜装置中。激光束通过窗口入射到靶表面，由于吸收能量，靶材表面的温度在极短时间内升高到沸点以上，随之就有大量的原子、分子从靶面蒸发出来，并以很高的速度直接喷射到基带上凝结成薄膜。因为激光蒸发出来的靶材物质呈椭圆行分布，所以单通道激光镀膜系统中，只有不到50％的蒸发物质淀积在金属基带上。从而大大限制了激光能量的利用率和带材制备速度。不适合大规模生产。

3、装置的结构具有更大的加热面积

均匀温区的体积或面积决定着单位时间内可以镀膜的面积，这样将直接影响生产效率。往往在一个镀膜腔体中，留给加热区的体积是固定的，如果单纯的用一块平板加热，真正均匀温区的体积或面积将很小，因为加热板周围的一圈有散热的问题，只有中间很小一块区域是均匀加热区。

专利文献US2005005846A1中提出用多个温区，尤其在沉积区外增加预热区、沉积区、冷却区。虽然可以是中间的沉积区保持相对温度均匀。但其他的两块区域仍然消耗掉了镀膜腔体内留给加热区的一定的体积。保证温度均匀，且加热区面积变大是提高生产效率的关键点。

4、装置能够拥有更多的材料供在一个时间内溅射

靶材需要越大越好，当然由于制靶工艺的限制，靶材到达一定的尺寸后，如果再要增大就会有裂纹等问题。此时就要考虑对于靶材的利用率。如果靶材静止不同，在高能量、高频率激光斑点作用下，数分钟之内就会在靶材表面形成一个凹坑，甚至打穿靶材，从而使镀膜过程无法持续进行。为了增加靶材利用率和延长镀膜时间，通常采用旋转靶体的办法，但即使使用直径10厘米以上的大尺寸超导靶材，该方法也只能使激光蒸发镀膜过程维持1-5小时的稳定时间。所以该方法只能满足实验室研究型短样带材的制备，无法实现满足工业化应用要求的公里级第二代高温超导带材的制备。而且，在超导靶材仅采用旋转模式下，激光斑点仅入射在靶面环形带中，靶材利用率很低，造成超导靶材耗材增加，不利于实现产业化生产所要求的低成本目标。

三、提高设备的使用

1、工艺参数易调节控制

大规模生产需要设备对工艺参数能够很容易的调节控制。工艺参数包括1)走带的道数，靶距；2)激光能量密度，激光波长，脉冲宽度和频率；3)加热均温区温度、气体分压、沉积速率；4)光斑个数，形态、角度、大小、能量分布；5)走带速度，方向，张力；

由于实际生产中，根据超导应用场合的不同，对带材性能会有各种不同的需求。例如有些超导带材追求更高的临界电流，有些超导带材追求更高的均匀度，有些则追求长度。

在每一次的生产过程中，因为基带、靶材和耗材的情况有些不一致，势必有些参数会不可避免的产生偏移，在超导层的镀制过程中，需要实时的进行控制调节。例如在镀膜过程中发现带材有些卷边，就要调小张力；可根据带材表面成膜颜色判断温度，做适当的调整；可根据等离子体辉光区的高度对靶距和气氛做一些微调；一些同时在工艺调试环节，需要针对不同掺入杂质的靶材进行工艺的优化调试，找到最优参数，有巨大的实验工作量。因此需要对设备要求工艺参数很容易的调节控制。

2、工艺参数不漂移

大规模的生产需要设备的工艺参数在一定范围里面漂移，不能变化太大，否则会使得镀膜工艺非常不可控。例如在镀膜腔体内，激光在靶面打出了羽辉，经过扩散会污染激光进入的窗口。如果不去处理，脉冲激光透过的能量会降低。如果单纯的依靠擦拭来维护，会使得工艺参数不连续，有很大的变化。

3、更容易的维护

设备在镀膜后，需要进行维护。因此设备的设计需要考虑易维护性。

4、易耗品的利用率控制

大规模的生产需要设备中的易耗品有较高的利用率和经济性。需要考虑的耗材主要是靶材、加热器、镜片等。靶材需要用一定的方法让其刻蚀均匀，使得其拥有更高的利用率。加热器由于加热温度较高，需要就经济性考虑数量的设置。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种脉冲激光镀膜装置。

根据本发明提供的一种脉冲激光镀膜装置，包括：激光器、光路系统、镀膜腔体；

所述激光器产生脉冲激光光束；所述光路系统将脉冲激光光束引入镀膜腔体内部，使得位于镀膜腔体内部的靶材表面上形成羽辉，来将靶材的材料溅射到基带上形成超导层。

优选地，所述光路系统包括振镜；

所述振镜在多个脉冲周期内，在扫描电机的驱动下改变角度以改变一束脉冲激光光束的入射角，通过扫描的方式，令该束脉冲激光光束在靶材表面的局部区域形成一组扫描聚焦光斑组。

优选地，所述光路系统包括功率调整组合镜；功率调整组合镜包括第一调整镜、第二调整镜；该束脉冲激光光束先后依次经过第一调整镜、第二调整镜、振镜；

该束脉冲激光光束对第一调整镜的入射方向与经过第二调整镜后的出射方向相同且位于同一直线上；

通过调整第一调整镜、第二调整镜之间的相对角度，调节该束脉冲激光光束经过第一调整镜、第二调整镜时的损耗能量，进而调节聚焦光斑的能量分布。

优选地，扫描聚焦光斑组在靶材表面上的扫描路径包括直线段路径、弧线段路径；直线段路径、弧线段路径依次交替连接，直线段路径之间通过弧线段路径连接，形成之字形的扫描路径，在之字形的扫描路径中没有重复扫描的区域。

优选地，在一组扫描聚焦光斑组中，各个聚焦光斑的几何中心排列同一直线上，且排列间距等于或小于被溅射的多道往复卷绕的基带之间的排列间距；各个聚焦光斑的形态、角度、大小、能量分布相同，其中，聚焦光斑的长度方向与所述直线之间垂直、构成夹角或者平行。

优选地，在脉冲激光光束的光路上，最靠近靶材的聚焦镜片通过可伸缩的管道安装于镀膜腔体的壳体上，其中，所述管道位于镀膜腔体的内部或者外部，能够调节聚焦距离。

优选地，所述光路系统包括设置于镀膜腔体内的挡片罩；所述挡片罩内设置有吸脏玻璃；

挡片罩开设有入光口、出光口；脉冲激光光束被引入镀膜腔体内后依次经过入光口、吸脏玻璃、出光口打向靶材；

吸脏玻璃暴露于入光口、出光口的区域构成接收脉冲激光光束通过的光束通过区域，吸脏玻璃能够相对挡片罩平动和/或转动，使得所述光束通过区域在吸脏玻璃的不同区域之间切换；吸脏玻璃除光束通过区域之外的区域通过挡片罩的罩壳隔离于镀膜产生的粉尘。

优选地，所述光路系统包括挡板系统；在脉冲激光光束的光路上，脉冲激光光束先经过吸脏玻璃，然后经过挡板系统；

挡板系统包括多层挡板、挡筒；挡板设置有通光孔；多层挡板在挡筒内部沿轴向依次间隔排列；挡板边缘与挡筒内壁之间气密连接；多层挡板的通光孔之间同轴设置或者不同轴设置，且形成直线通路，允许一沿直线传播的光束通过。

优选地，将最靠近吸脏玻璃的挡板记为第一个挡板；第一挡板距离吸脏玻璃的距离S与溅射点距离吸脏玻璃的距离L有如下的关系：S/L∈(0.35，0.7)。

沿脉冲激光光束的光路方向，第N个挡板与吸脏玻璃的间距S_N，满足S_N∈((S/2^N-1)×0.8，(S/2^N-1)×1.2)；

通光孔为一连续整体的通光孔，或者，通光孔为多个独立的通光孔。

优选地，所述镀膜腔体，包括腔室本体、真空系统、走带系统、走靶系统、加热系统；

腔室本体在真空系统的作用下抽真空，走带系统将多道往复的卷绕基带动态在沉积镀膜区通过，加热系统对沉积镀膜区的基带进行加热，走靶系统将靶材进行转动和/或平动使整个靶材表面均匀接收到脉冲激光形成羽辉，将靶材的材料溅射到多道往复动态通过沉积镀膜区的卷绕基带上，形成超导层。

优选地，所述多道往复动态通过沉积镀膜区的卷绕基带沿直线排布，羽辉仅溅射到所述多道往复动态通过沉积镀膜区的卷绕基带中沿直线方向排布位于中间的几道基带上。

优选地，所述走带系统，包含两个独立收放卷系统、卷对卷多道往复机构、编码器、张力传感器和导轮；每个独立收放卷系统包含通过轴依次级联的电机、齿轮箱、磁粉离合器、联轴器、磁流体密封件、带材盘，带材盘能够进行收卷或者放卷；磁流体密封件用于腔室本体和轴之间的旋转密封；卷对卷多道往复机构一侧为一个或多个相互独立的走带轮，另一侧为加热滚筒；基带从一个独立收放卷系统的带材盘中拉出后经过卷对卷多道往复结构收卷入另一个独立收放卷系统的带材盘中，途中经过一个或多个导轮的导向，编码器、张力传感器紧贴基带表面，测试基带走过的距离、张力、线速度；通过实时距离、张力、线速度的反馈控制电机、磁粉离合器能够使带材在一侧加热的状态下，保持恒张力、恒线速度的运行，且可选择走带方向。

优选地，所述走靶系统，包含靶材、靶托、靶二维平动模组，靶旋转电机、靶距调节机构；靶托承载靶材，依靠与靶托相连的靶二维平动模组和靶旋转电机带动靶托平动和转动，依靠靶距调节机构调节靶托与绕于加热滚筒上基带的距离；

优选地，所述靶二维平动模组能够周期刻蚀扫描，进而使羽辉垂直于靶材表面；靶材的材料垂直的溅射到基带表面；

其中，在一个周期刻蚀扫描中，使靶材表面的扫描聚焦光斑组沿整个靶材按之字形路径运动，路径覆盖整个靶材表面，随后靶旋转电机带动靶托转动一角度。

优选地，所述靶距调节机构，包括靶距调节电机、靶距调节皮带、靶距调节齿轮和靶距调节波纹管；

靶距调节波纹管，一头连着腔室本体，另一头在腔室本体内部连着卷对卷多道往复机构，在腔室本体外侧连着靶距调节电机、靶距调节皮带、靶距调节齿轮；通过控制靶距调节电机，依靠靶距调节皮带、靶距调节齿轮的带动，对靶距调节波纹管的长度进行压缩或拉伸，从而带动卷对卷多道往复机构上下位置的移动进而调节靶托与绕于加热滚筒上基带的距离。

优选地，所述加热系统，包含加热滚筒、加热灯管组、热反射墙；

加热滚筒内安装了加热灯管组对滚筒进行了加热，从而加热了紧贴于滚筒上的基带；加热滚筒外侧由热反射墙，靶材组合形成对加热滚筒包裹；热反射墙表面留有开口让脉冲激光光束通过打到靶材表面；热反射墙外壁贴着反射墙水冷管以调节热反射墙自身温度。

优选地，所述加热系统，还包含补偿加热灯管和/或反射墙水冷管；

补偿加热灯管安装于热反射墙与靶材之间以及各热反射墙之间；

反射墙水冷管设置于热反射墙的外侧壁；

其中，在基带的宽度方向上，反射墙水冷管位于补偿加热灯管的外侧，使得基带所在处的温度梯度的数值在热反射墙处降低，且在热反射墙与靶材之间处升高，使得温度梯度等值或者趋向于等值。

优选地，热反射墙构成加热灯管组的包裹腔体；

包裹腔体设置有通光孔、靶材对接孔，脉冲激光光束通过该通光孔进入包裹腔体内部后，经过靶材对接孔到达位于包裹腔体外部的靶材；

靶材与靶材对接孔之间的间隙形成允许靶材移动的行程空间；补偿加热灯管对行程空间加热。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明提供的脉冲激光镀膜装置，能够有效的提高YBCO的质，原因在于：

1)采用单靶，单个脉冲激光光束扫描得到的相对一致的光斑，镀膜的均匀性能保持一致；

2)采用对靶的平动和转动控制，使得靶面被脉冲激光光束均匀的刻蚀，使靶面保持平整没有凹坑进而使羽辉垂直于靶材表面。靶材的材料垂直的溅射到基带表面，保证了镀膜的质量。

3)采用一组或多组镜片组合，包括利用光纤、光栅或狭缝对光路进行了改善，进而使脉冲激光在靶材表面形成的光斑在形态、角度、大小、能量分布上可调可控；

4)采用热反射墙、靶材对恒温区的联合包裹，包括进一步的在热反射墙与靶材和各热反射墙之间增加补偿加热灯管，减少原本由于靶材和镀膜区造成的开口区域的下降温度梯度。能够保证温区的恒温；

5)采用了动态镀膜方式，带材上的每一点都经过镀膜区，制备的带材均匀；走带系统能够保持恒张力、恒线速度的运行，走带均匀。

2、本发明提供的脉冲激光镀膜装置，能够有效的提高YBCO的量，原因在于：

1)采用卷对卷的走带方式，能够适应公里级或更长的带材制备，实现了镀膜面积的增大，有效的提高了镀膜的效率。镀膜的带材可以是任意的长度，没有局限；

2)通过在腔室本体壁上延伸出向内或向外的管道，并将离靶材表面最近的一个聚焦镜片通过法兰安装于管道口，并对该管道配合以波纹管及微调结构，有效的避免了放置在腔室本体外需再通过一块窗口进入镀膜腔体内的能量损失。另外聚焦镜片也通过管道找到了合适的位置，发挥了最佳的聚焦性能；

3)采用振镜在靶面上扫描出一组扫描聚焦光斑组，从而使镀膜的速率提高了数倍；

4)采用热反射墙、靶材对恒温区的联合包裹，包括进一步的在热反射墙与靶材和各热反射墙之间增加补偿加热灯管，减少原本由于靶材和镀膜区造成的开口区域的下降温度梯度。能够保证温区的恒温；同时也使可恒温区变得更大；

5)采用对靶的平动和转动控制，使得靶面被脉冲激光光束均匀的刻蚀，使靶能维持更多时间的的溅射。

3、本发明提供的脉冲激光镀膜装置，能够有效的提高设备的使用，原因在于：

1)利用了吸脏玻璃及其挡片，规划了区域动态地主动地对镀膜粉尘进行吸收。使得工艺参数不容易产生剧烈的变化，保证了连续生产的情况下参数的一致性；且设备更易于维护。

2)本发明提供的脉冲激光镀膜装置，利用保护罩和充入的氮气保护镜片不脏，使得工艺参数不容易产生剧烈的变化，保证了连续生产的情况下参数的一致性；

3)采用了配置的真空系统，在镀膜区通入均匀的工作气体，通过真空计的反馈和电动插板阀的动态控制能将镀膜时腔室本体中的真空度稳定在一恒定值，保证镀膜过程的稳定；

4)采用了巧妙设计的靶距调节机构，能够在腔室本体外，在任意时候轻松准确的调整靶距；

5)通过设置加热灯管组，使得该耗品的寿命延长，使其综合耗品成本更低；

6)能够很容易的调节控制各个工艺参数包括走带的道数，靶距；激光能量密度，激光波长，脉冲宽度和频率；加热均温区温度、气体分压、沉积速率；光斑个数，形态、角度、大小、能量分布；走带速度，方向，张力。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为脉冲激光镀膜装置总体示意图；

图2为吸脏玻璃及聚焦镜片的不同结构布置之间的工作对比示意图；

图3为聚焦镜片和振镜结构示意图

图4为振镜结构示意图；

图5为在靶面打出不同形态光斑示意图；

图6为振镜工作示意图；

图7为不同镜片组合在靶面打出不同形态光斑的对比示意图；

图8为镀膜腔体外部和真空系统机构示意图；

图9为镀膜腔体内部各系统结构示意图；

图10走带系统结构示意图；

图11为靶距调节机构结构示意图；

图12为靶距调节机构腔室本体外部分结构示意图；

图13为走靶机构结构示意图；

图14为走靶机构结构示意图；

图15为走靶路径示意图；

图16为加热结构示意图；

图17为加热结构示意图；

图18为第一调整镜、第二调整镜之间的一个相对角度时的结构示意图；

图19为第一调整镜、第二调整镜之间的另一个相对角度时的结构示意图；

图20为两段直线段路径通过一段弧线段路径连接的示意图；

图21为增加了延长PLD设备光学窗口使用寿命的挡板系统的镀膜设备总体示意图。；

图22为真空室污染物经过延长PLD设备光学窗口使用寿命的挡板系统后污染扩散稀释示意图；

图23为延长PLD设备光学窗口使用寿命的挡板系统多层挡板排列连接示意图；

图24为延长PLD设备光学窗口使用寿命的挡板系统各挡板在真空室中相对位置分布示意图；

图25、图26分别为单一通光孔、通光孔组这两种不同类型通光孔结构的示意图；

图27为延长PLD设备光学窗口使用寿命的挡板系统在只有一层挡板时污染物沉积总量与无挡板时污染物沉积总量示意图；

图28为延长PLD设备光学窗口使用寿命的挡板系统中第二层挡板所处位置对光学窗口表面污染物的防护作用的对比；

图29为对温度梯度有影响的各因素之间的作用叠加过程的原理示意图。

图中示出：

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

根据本发明提供的一种脉冲激光镀膜装置，用于对多道往复卷绕的基带336涂覆超导层，包括激光器1、光路系统2、镀膜腔体3、控制监测系统4。

所述激光器1，主要由一台或多台激光器组成，可产生脉冲激光光束21；

所述光路系统2，至少包括一组或多组镜片24，通过对镜片组中多个镜片之间和/或多组镜片之间的组合放置能将激光器1产生的脉冲激光光束21投射入镀膜腔体3内，并在靶材341表面上形成聚焦光斑251；不同的镜片在不同的位置进行组合，将在靶材341表面形成不同的聚焦光斑251，进而形成不同的羽辉211，例如图5所示。

所述镀膜腔体3，包括腔室本体31、真空系统32、走带系统33、走靶系统34、加热系统35，用于在多道往复卷绕的动态运动的基带336上溅射沉积超导层薄膜；腔室本体31在真空系统32的作用下可达到一定的真空度，走带系统33将多道往复的卷绕基带336动态在沉积镀膜区通过，加热系统35对沉积镀膜区的基带336进行加热，走靶系统34将靶材341进行转动和平动使整个靶材341表面均匀接收到脉冲激光，形成羽辉211，从而将靶材341的材料溅射到多道往复动态通过沉积镀膜区的卷绕基带336上，形成超导层。

下面对本发明的优选例进行具体说明。

所述激光器1，产生的脉冲激光波长为38nm或248nm，总功率大于1W，激光能量密度5mJ/cm²。所述激光器1可采用准分子激光器，准分子激光器作为一种新型的可调谐激光器件，具有辐射波长短(波长在紫外波段)、高增益、高效率、和高功率等优点，并且还能在高重复频率下工作，所以越来越受到人们的青睐，特别适合于在材料加工和镀膜等领域中应用。由于准分子激光器的辐射频率处于紫外波段，不仅容易被金属、氧化物、陶瓷、玻璃、高分子材料和塑料等许多材料所吸收，而且还可将束斑尺寸控制到微米甚至亚微米量级，可大大提高束斑的能量密度，这对各种材料的加工和蒸发是十分有利的。

所述光路系统2，还包括以下任意一种或多种光路器件：

--在光路中一段或多段使用光纤改变脉冲激光光束21的角度；

--在光路中一段或多段使用光栅改善脉冲激光光束21；

--在光路中一段或多段使用狭缝改善脉冲激光光束21；

所述一组或多组镜片，由于激光的波长和功率决定了所选用的镜片的材质特性，其镜片的衬底一般采用熔融石英、晶体硅或MgF₂制成，激光反射膜具备吸收小、反射率大和耐激光破坏阈值高的特点，一般采用透明电介质膜。

所述光路系统2中离靶材341表面最近的一个聚焦镜片29，通过法兰安装于腔室本体31壁上。配合聚焦距离，可在腔室本体31壁上延伸出向内或向外的管道，将聚焦透镜29通过法兰安装于管道210的管道口。

聚焦镜片29的选择会考虑到以下几个方面的要求：1)聚焦元件的光学损耗必须要尽可能的低，这样才能充分利用到激光器输出的激光能量；2)聚焦元件处理之后的激光束的光束质量和光斑尺寸及形状的稳定性必须足够高，以保证对材料加工的稳定性；

所述光路系统2中，所述管道中有一段为镜片波纹管26，在镜片波纹管26外侧安装微调结构261，用于微调聚焦镜片的位置。从而调整靶面聚焦光斑251的大小、形态、能量分布。

所述光路系统2，在腔室本体31内部有光路通过的路径上，设置有一个吸脏玻璃27。吸脏玻璃27面向靶材341侧，用挡片对吸脏玻璃27进行遮挡保护，以使得腔室本体31中镀膜产生的粉尘不会对脉冲激光光束21当前的非通过区域的吸脏玻璃27产生污染。当吸脏玻璃27上的脉冲激光光束21的通过区域污染到一定阈值，影响脉冲激光光束21透过时，可由外部电机控制吸脏玻璃27，以转动或平动方法调节吸脏玻璃27的不同区域接收脉冲激光光束21通过。吸脏玻璃27的面积远大于脉冲激光光束21入射区域，待吸脏玻璃27所有区域或者大部分区域皆被污染后予以清洁维护。

所述光路系统2，包括至少一组振镜23，在若干个脉冲周期内，通过扫描电机22带动振镜23角度的变化改变脉冲激光的入射角，通过扫描的方式，在靶材341表面的局部区域形成一组扫描聚焦光斑组25，每组扫描聚焦光斑组25中包括一个或多个聚焦光斑251。

振镜23作为核心设备必须满足很高的动态特性要求：1)在振镜23的任意位置都可以加载正向或反向转动力矩，从而获得所需的转子角加速度或减速度；2)振镜23在任意位置都具有相同的动态特性。根据振镜的动态特性，对它的扫描电机22提出了如下的要求：1)低惯量；2)大转矩；3)宽频率特性。

所述光路系统2，有一个保护罩28罩住所有在腔室本体31外的光学器件，保护罩28内通入氮气。不让镜片表面变脏影响脉冲激光光束21。

所述光路系统2包括功率调整组合镜212；功率调整组合镜212包括第一调整镜2121、第二调整镜2122；该束脉冲激光光束21先后依次经过第一调整镜2121、第二调整镜2122、振镜23；该束脉冲激光光束21对第一调整镜2121的入射方向与经过第二调整镜2122后的出射方向相同且位于同一直线上；通过调整第一调整镜2121、第二调整镜2122之间的相对角度，调节该束脉冲激光光束21经过第一调整镜2121、第二调整镜2122时的损耗能量，进而调节聚焦光斑251的能量分布，从而例如使得多个聚焦光斑251的能量相等，其原理是因为，如图6所示，从振镜至各个聚焦光斑251的距离不相等，由于羽辉以及污染的存在，导致激光经过这个距离后的能量损耗不一致，因此通过调节该束脉冲激光光束21经过第一调整镜2121、第二调整镜2122时的损耗能量，能够使得多个聚焦光斑251的能量相等。

扫描聚焦光斑组25在靶材341表面上的扫描路径包括直线段路径411、弧线段路径412；直线段路径411、弧线段路径412依次交替连接，直线段路径411之间通过弧线段路径412连接，形成之字形的扫描路径，在之字形的扫描路径中没有重复扫描的区域。其中，直线段路径411、弧线段路径412均可以由走靶系统实现靶材的平动以及转动实现扫描聚焦光斑组25与靶材之间的相对运动，实现相应的位置关系。

所述光路系统2包括挡板系统213；在脉冲激光光束21的光路上，脉冲激光光束21先经过吸脏玻璃27，然后经过挡板系统213；挡板系统213包括多层挡板2131、挡筒2132；挡板2131设置有通光孔21311；多层挡板2131在挡筒2132内部沿轴向依次间隔排列；挡板2131边缘与挡筒2132内壁之间气密连接；多层挡板2131的通光孔21311之间同轴设置或者不同轴设置，且形成直线通路，允许一沿直线传播的光束通过。将最靠近吸脏玻璃27的挡板记为第一个挡板；第一挡板距离吸脏玻璃27的距离S与溅射点距离吸脏玻璃27的距离L有如下的关系：S/L∈(0.35，0.7)。沿脉冲激光光束21的光路方向，第N个挡板与吸脏玻璃27的间距S_N，满足S_N∈((S/2^N-1)×0.8，(S/2^N-1)×1.2)；通光孔21311为一连续整体的通光孔，或者，通光孔21311为多个独立的通光孔。

具体地，利用脉冲激光沉积PLD技术镀膜的过程中，激光通过光学窗口，例如吸脏玻璃27，进入真空镀膜腔室，因而光学窗口的状态变化直接影响到镀膜工艺状态的稳定性。PLD镀膜过程中会产生大量溅射产物，这些溅射产物会在真空室中扩散并最终沉积到腔壁，腔体零部件，视窗及光学窗口等位置。由于光学窗口的激光透射率对镜片污染非常敏感，经过长时间的工作，溅射镀膜的激光能量必然发生明显的衰减，影响实验及生产过程。本发明通过增加挡板并预留通光孔，使激光能够不受干扰的对靶材进行溅射，而大部分的污染物被挡板挡住。挡板系统的存在保证光学窗口能够长时间保持高透射率，延长生产过程中光学窗口的使用时间，提高单次生产的时间长度，极大提高生产效率。进行激光镀膜实验，在无挡板的情况下进行6小时实验，光学窗口的透射率从90％下降为69％；在有挡板的情况下，进行11小时实验，光学窗口的透射率从90％下降到87％。增加挡板的镀膜腔体在长期镀膜过程中具有非常明显的透射率优势。

更为具体地，尤其是，在光学窗口与溅射靶材之间加入挡板系统，挡板系统主要由两块以上的挡板组成。多块挡板之间通过连接机构连接在一起。第二个挡板与光学窗口的间距S₂，满足S₂∈((S/2)×0.8，(S/2)×1.2)；第三个挡板与光学窗口的间距S₃，满足S₃∈((S/4)×0.8，(S/4)×1.2)；第N个挡板与光学窗口的间距S_N，满足S_N∈((S/2^N-1)×0.8，(S/2^N-1)×1.2)。本发明通过在激光光路上增加挡板，阻挡污染物向光学窗口的扩散，来起到延长光学窗口使用寿命的目的。在系统的设计中，激光光路不会受到任何影响，而在激光光路之外的自由空间中，通过进行遮挡等手段，将污染物隔绝。由于激光光斑很小，从挡板系统通光孔透过的污染物相比无挡板系统时要少很多。污染物的扩散，经过第一层挡板之后浓度比镀膜腔体低很多，而经过第二层挡板后，污染物又比前一级更低。采用多层挡板的方式能够非常有效的保护光学窗口的状态，在一次长时间的生产任务中能保证光学窗口的透射率变化足够小，满足工艺需求。进行激光镀膜实验，在无挡板的情况下进行6小时实验，光学窗口的透射率从90％下降为69％；在有挡板的情况下，进行11小时实验，光学窗口的透射率从90％下降到87％。两次实验的其他条件都完全一致。增加挡板的镀膜腔体在长期镀膜过程中具有非常明显的稳定的透射率优势。

原理是：真空室中的污染物主要来源于溅射源溅射出的靶材料的扩散。PLD技术，磁控溅射技术，离子束溅射技术，蒸发镀膜等主要的物理气相沉积方法，其靶材料的主要沉积方向都是靶材法线方向，同时也具有一定量的侧向溅射原子。而沿法线方向运动的靶材原子在到达基片之前都会被背景气体原子散射。侧向溅射的原子以及被散射到基片之外的原子就是整个镀膜腔体表面以及光学窗口污染物的来源。常用的光学窗口，其口径一般为标准的CF法兰接口，CF100，CF150等不同规格。无论规格如何，其表面沉积污染物的密度主要与腔体结构等参数有关，只要控制好光学窗口上激光透射点的沉积物密度即可起到有效保护作用。通过延长光学窗口距离腔体的长度，可起到降低窗口表面污染物密度的作用。然而，增加光学窗口与腔壁距离的方法具有下面所述的几个明显的劣势，其一，增加了设备的占地空间，增大了成本；其二，激光溅射点分散性增大会带来镀膜均匀性下降的问题。由于溅射点间距为

其中X为反光点与溅射点的间距，

为偏转角度，因此要在特定密集区域内溅射，X增大的同时

需要减小，对振镜的精度要求非常高，设备的制造成本会较大提升。

本发明通过理论模拟指导设备的改进，利用蒙特卡罗算法模拟溅射粒子在真空室中的扩散输运过程，并计算在光学窗口上的粒子沉积总量分布。通过对比增加挡板系统后的效果，可以定量化的给出设计方案的效果评估。图27给出了在仅有一层挡板时，光学窗口上沉积镀膜分布的对比。CF100窗口透镜在经过一个直径20mm挡板之后，中心位置(激光透射点)膜层厚度约下降为原始状态(即无挡板状态)的40％。计算明确的反映出透光孔径的变小会降低光学窗口表面的污染沉积总量。第一挡板后面增加第二挡板，挡板的位置对光学窗口膜厚总量也是有影响的，图28所示在考虑扩散的条件下，第二挡板位于第一档板与光学窗口中部位置，起到的效果最好，能额外阻挡约35％的污染沉积。综合考虑，具有两层挡板的延长PLD设备光学窗口使用寿命的挡板系统，可以使污染沉积总量下降至无挡板条件下的25％。在此基础之上，依据系统具体条件，增加第三层挡板甚至第四层挡板，将会更加利于延长光学窗口使用寿命。如图25、图26所示，单一透光孔主要应用在实验及生产过程的安装，调试过程中，既对窗口污染具有防护效果，又具有较大的光路调节自由度。透光孔组则主要用于固化后的光路，在稳定生产的条件下使用。透光孔组的总面积小于单一透光孔，具有更好的防污染效果，适用于长期工业生产。

所述真空系统32，包括一个或多个以下部件：粗抽泵321、细抽泵322、电动插板阀323、阀门324、真空计325、质量流量计。粗抽泵32一路通过阀门324连接到腔室本体31。同时粗抽泵321另一路通过阀门324与细抽泵322级联再通过电动插板阀323连接到腔室本体31。细抽泵322通过电动插板阀323直接连接到腔室本体31。真空计325探测腔室本体31内的真空度。通过控制粗抽泵321、细抽泵322和相应的阀门324能将腔室本体的本底真空抽至1×1-5Pa以下。通过质量流量计精确的控制镀膜时通入的工作气体流量，并通过管道均匀的在镀膜区周围释放，通过真空计325的反馈和电动插板阀323的动态控制能将镀膜时腔室本体中的真空度稳定在一恒定值，保证镀膜过程的稳定。

所述走带系统33，包含两个独立收放卷系统331，还包括卷对卷多道往复机构332、编码器333、张力传感器334和导轮335。每个独立收放卷系统331包含一个旋转电机3311、一个齿轮箱3312、一个磁粉离合器3313、联轴器3314、磁流体密封件3315、带材盘3316，上述部件通过一个轴依次级联，可以进行收卷也可按给定的张力和速度进行放卷。磁流体密封件3315用于腔室本体31和轴之间的旋转密封。卷对卷多道往复机构332一侧为若干相互独立的走带轮3321，另一侧为加热滚筒351，道数为2-3道。基带336从一个独立收放卷系统331的带材盘3316中拉出后经过卷对卷多道往复结构332收卷入另一个独立收放卷系统331的带材盘3316中，途中经过若干导轮335的导向，编码器333、张力传感器334紧贴基带336表面，测试基带336走过的距离、张力、线速度。通过实时距离、张力、线速度的反馈控制旋转电机3311、磁粉离合器3313可以使带材在一侧加热的状态下，保持恒张力、恒线速度的运行，且可选择走带方向。

所述走靶系统34，包含靶材341、靶托342、靶二维平动模组343，靶旋转电机344、靶距调节机构345。靶托342承载靶材341，依靠与靶托342相连的靶二维平动模组343和靶旋转电机344带动靶托342平动和转动，依靠靶距调节机构345调节靶托342与绕于加热滚筒351上基带336的距离。

所述走靶系统34，其控制方式为：利用二维平动模组343，使靶材341表面的扫描聚焦光斑组25沿整个靶材341按之字形运动，如图15所示，路径314覆盖整个靶面，随后靶旋转电机344带动靶托342转动一角度，如此往复，可使得靶面被脉冲激光光束21均匀的刻蚀，使靶面保持平整没有凹坑，进而使羽辉211垂直于靶材表面。靶材341的材料垂直的溅射到基带336表面。定位槽337限定基带336的位置且对基带336的运动方向进行导向。

所述靶距调节机构345，包括靶距调节电机3451、靶距调节皮带3452、靶距调节齿轮3453和靶距调节波纹管3454。靶距调节波纹管3454，一头连着腔室本体31，另一头在腔室本体31内部连着卷对卷多道往复机构332，在腔室本体外侧连着靶距调节电机3451、靶距调节皮带3452、靶距调节齿轮3453，依靠自身特性起到真空密封和传递距离变化的作用。通过控制靶距调节电机3451，依靠靶距调节皮带3452、靶距调节齿轮3453的带动，对靶距调节波纹管3454的长度进行压缩或拉伸，从而带动卷对卷多道往复机构332上下位置的移动进而调节靶托342与绕于加热滚筒351上基带336的距离。

所述加热系统35，包含加热滚筒351、加热灯管组352、热反射墙354。加热滚筒351内安装了加热灯管组352对加热滚筒351进行了加热，从而加热了紧贴于加热滚筒351上的基带336。加热滚筒351外侧由热反射墙354，靶材341组合形成对加热滚筒351包裹。热反射墙354表面涂覆耐高温高反射物质，并留有开口让脉冲激光光束21通过打到靶材341表面。

所述热反射墙354形状和安装位置可根据温度梯度进行调整，热反射墙354外壁贴着反射墙水冷管3541，用于调节热反射墙354自身温度，进而影响整个加热系统的温度梯度，使镀膜区形成恒定温度，保证带材镀膜质量。

所述加热系统35，还包含补偿加热灯管353，安装于热反射墙354与靶材341之间以及各热反射墙354之间。对接缝处的补偿加热使镀膜区形成恒定温度，保证带材镀膜质量。

反射墙水冷管3541设置于热反射墙354的外侧壁；

其中，在基带336的宽度方向上，反射墙水冷管3541位于补偿加热灯管353的外侧，使得基带336所在处的温度梯度的数值在热反射墙354处降低，且在热反射墙354与靶材341之间处升高，使得温度梯度等值或者趋向于等值。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统、装置及其各个模块以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统、装置及其各个模块以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同程序。所以，本发明提供的系统、装置及其各个模块可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种程序的模块也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的模块视为既可以是实现方法的软件程序又可以是硬件部件内的结构。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (12)

1.一种脉冲激光镀膜装置，其特征在于，包括：激光器(1)、光路系统(2)、镀膜腔体(3)；

所述激光器(1)产生脉冲激光光束(21)；所述光路系统(2)将脉冲激光光束(21)引入镀膜腔体(3)内部，使得位于镀膜腔体(3)内部的靶材(341)表面上形成羽辉(211)，来将靶材(341)的材料溅射到基带(336)上形成超导层；

所述镀膜腔体(3)，包括腔室本体(31)、真空系统(32)、走带系统(33)、走靶系统(34)、加热系统(35)；

腔室本体(31)在真空系统(32)的作用下抽真空，走带系统(33)将多道往复的卷绕基带(336)动态在沉积镀膜区通过，加热系统(35)对沉积镀膜区的基带(336)进行加热，走靶系统(34)将靶材(341)进行转动和/或平动使整个靶材(341)表面均匀接收到脉冲激光形成羽辉(211)，将靶材(341)的材料溅射到多道往复动态通过沉积镀膜区的卷绕基带(336)上，形成超导层；

所述走靶系统(34)，包含靶材(341)、靶托(342)、靶二维平动模组(343)，靶旋转电机(344)、靶距调节机构(345)；靶托(342)承载靶材(341)，依靠与靶托(342)相连的靶二维平动模组(343)和靶旋转电机(344)带动靶托(342)平动和转动，依靠靶距调节机构(345)调节靶托(342)与绕于加热滚筒(351)上基带(336)的距离；

在脉冲激光光束(21)的光路上，最靠近靶材(341)的聚焦镜片(29)通过可伸缩的管道安装于镀膜腔体(3)的壳体上，其中，所述管道位于镀膜腔体(3)的内部或者外部，能够调节聚焦距离。

2.根据权利要求1所述的脉冲激光镀膜装置，其特征在于，所述光路系统(2)包括振镜(23)；

所述振镜(23)在多个脉冲周期内，在扫描电机(22)的驱动下改变角度以改变一束脉冲激光光束(21)的入射角，通过扫描的方式，令该束脉冲激光光束(21)在靶材(341)表面的局部区域形成一组扫描聚焦光斑组(25)。

3.根据权利要求2所述的脉冲激光镀膜装置，其特征在于，所述光路系统(2)包括功率调整组合镜(212)；功率调整组合镜(212)包括第一调整镜(2121)、第二调整镜(2122)；该束脉冲激光光束(21)先后依次经过第一调整镜(2121)、第二调整镜(2122)、振镜(23)；

该束脉冲激光光束(21)对第一调整镜(2121)的入射方向与经过第二调整镜(2122)后的出射方向相同且位于同一直线上；

通过调整第一调整镜(2121)、第二调整镜(2122)之间的相对角度，调节该束脉冲激光光束(21)经过第一调整镜(2121)、第二调整镜(2122)时的损耗能量，进而调节聚焦光斑(251)的能量分布。

4.根据权利要求3所述的脉冲激光镀膜装置，其特征在于，扫描聚焦光斑组(25)在靶材(341)表面上的扫描路径包括直线段路径(411)、弧线段路径(412)；直线段路径(411)、弧线段路径(412)依次交替连接，直线段路径(411)之间通过弧线段路径(412)连接，形成之字形的扫描路径，在之字形的扫描路径中没有重复扫描的区域。

5.根据权利要求3所述的脉冲激光镀膜装置，其特征在于，在一组扫描聚焦光斑组(25)中，各个聚焦光斑(251)的几何中心排列同一直线上，且排列间距等于或小于被溅射的多道往复卷绕的基带(336)之间的排列间距；各个聚焦光斑(251)的形态、角度、大小、能量分布相同，其中，聚焦光斑(251)的长度方向与所述直线之间垂直、构成夹角或者平行。

6.根据权利要求1所述的脉冲激光镀膜装置，其特征在于，所述光路系统(2)包括设置于镀膜腔体(3)内的挡片罩(281)；所述挡片罩(281)内设置有吸脏玻璃(27)；

挡片罩(281)开设有入光口、出光口；脉冲激光光束(21)被引入镀膜腔体(3)内后依次经过入光口、吸脏玻璃(27)、出光口打向靶材(341)；

吸脏玻璃(27)暴露于入光口、出光口的区域构成接收脉冲激光光束(21)通过的光束通过区域，吸脏玻璃(27)能够相对挡片罩(281)平动和/或转动，使得所述光束通过区域在吸脏玻璃(27)的不同区域之间切换；吸脏玻璃(27)除光束通过区域之外的区域通过挡片罩(281)的罩壳隔离于镀膜产生的粉尘。

7.根据权利要求6所述的脉冲激光镀膜装置，其特征在于，所述光路系统(2)包括挡板系统(213)；在脉冲激光光束(21)的光路上，脉冲激光光束(21)先经过吸脏玻璃(27)，然后经过挡板系统(213)；

挡板系统(213)包括多层挡板(2131)、挡筒(2132)；挡板(2131)设置有通光孔(21311)；多层挡板(2131)在挡筒(2132)内部沿轴向依次间隔排列；挡板(2131)边缘与挡筒(2132)内壁之间气密连接；多层挡板(2131)的通光孔(21311)之间同轴设置或者不同轴设置，且形成直线通路，允许一沿直线传播的光束通过。

8.根据权利要求7所述的脉冲激光镀膜装置，其特征在于，将最靠近吸脏玻璃(27)的挡板记为第一个挡板；第一挡板距离吸脏玻璃(27)的距离S与溅射点距离吸脏玻璃(27)的距离L有如下的关系：S/L∈(0.35，0.7)；

沿脉冲激光光束(21)的光路方向，第N个挡板与吸脏玻璃(27)的间距S_N，满足S_N∈((S/2^N-1)×0.8，(S/2^N-1)×1.2)；

通光孔(21311)为一连续整体的通光孔，或者，通光孔(21311)为多个独立的通光孔。

9.根据权利要求1所述的脉冲激光镀膜装置，其特征在于，所述多道往复动态通过沉积镀膜区的卷绕基带(336)沿直线排布，羽辉(211)仅溅射到所述多道往复动态通过沉积镀膜区的卷绕基带(336)中沿直线方向排布位于中间的几道基带(336)上。

10.根据权利要求1所述脉冲激光镀膜装置，其特征在于，所述走带系统(33)，包含两个独立收放卷系统(331)、卷对卷多道往复机构(332)、编码器(333)、张力传感器(334)和导轮(335)；每个独立收放卷系统(331)包含通过轴依次级联的电机(3311)、齿轮箱(3312)、磁粉离合器(3313)、联轴器(3314)、磁流体密封件(3315)、带材盘(3316)，带材盘(3316)能够进行收卷或者放卷；磁流体密封件(3315)用于腔室本体(31)和轴之间的旋转密封；卷对卷多道往复机构(332)一侧为一个或多个相互独立的走带轮(3321)，另一侧为加热滚筒(351)；基带(336)从一个独立收放卷系统(331)的带材盘(3316)中拉出后经过卷对卷多道往复结构(332)收卷入另一个独立收放卷系统(331)的带材盘(3316)中，途中经过一个或多个导轮(335)的导向，编码器(333)、张力传感器(334)紧贴基带(336)表面，测试基带(336)走过的距离、张力、线速度；通过实时距离、张力、线速度的反馈控制电机(3311)、磁粉离合器(3313)能够使带材在一侧加热的状态下，保持恒张力、恒线速度的运行，且可选择走带方向。

11.根据权利要求1所述脉冲激光镀膜装置，其特征在于，所述靶二维平动模组(343)能够周期刻蚀扫描，进而使羽辉(211)垂直于靶材(341)表面；靶材(341)的材料垂直的溅射到基带(336)表面；

其中，在一个周期刻蚀扫描中，使靶材(341)表面的扫描聚焦光斑组(25)沿整个靶材(341)按之字形路径运动，路径覆盖整个靶材(341)表面，随后靶旋转电机(344)带动靶托(342)转动一角度。

12.根据权利要求1所述脉冲激光镀膜装置，其特征在于，所述靶距调节机构(345)，包括靶距调节电机(3451)、靶距调节皮带(3452)、靶距调节齿轮(3453)和靶距调节波纹管(3454)；

靶距调节波纹管(3454)，一头连着腔室本体(31)，另一头在腔室本体(31)内部连着卷对卷多道往复机构(332)，在腔室本体外侧连着靶距调节电机(3451)、靶距调节皮带(3452)、靶距调节齿轮(3453)；通过控制靶距调节电机(3451)，依靠靶距调节皮带(3452)、靶距调节齿轮(3453)的带动，对靶距调节波纹管(3454)的长度进行压缩或拉伸，从而带动卷对卷多道往复机构(332)上下位置的移动进而调节靶托(342)与绕于加热滚筒(351)上基带(336)的距离。

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