Устройство для высокотемпературного осаждения сверхпроводящих слоев

Изобретение относится к устройствам для высокотемпературного осаждения сверхпроводящих слоев на подложках в форме ленты с использованием импульсного лазера и может быть использовано в электротехнической промышленности. Устройство содержит камеру осаждения с окном для ввода лазерного излучения и мишень, выполненную из материала, предназначенного для образования сверхпроводящего слоя. Мишень в процессе работы облучают лазерным излучением. В камере осаждения предусмотрены также нагреватель подложки и устройство для перемещения подложки вдоль нагревателя. Нагреватель включает, по крайней мере, три нагревательных элемента из нержавеющей стали. Нагревательные элементы выполнены в форме полос из сетки тканевого плетения. Такая конструкция нагревательных элементов позволяет обеспечить однородность электрических параметров по всей площади нагревательных элементов. Ширина каждого нагревательного элемента превышает ширину ленты в 1,1÷1,3 раза. Зазор между нагревательными элементами составляет не более 0,2 ширины ленты. При таком соотношении размеров обеспечивается равномерное распределение температур в зоне напыления. Изобретение позволяет повысить надежность устройства, стабильность его технологических параметров, а также снизить эксплуатационные затраты. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Предлагаемое техническое решение относится к устройствам, специально предназначенным для изготовления конструктивных элементов приборов с использованием сверхпроводимости, в частности к устройствам для высокотемпературного осаждения сверхпроводящих слоев с использованием импульсного лазера.

Известно устройство для высокотемпературного осаждения сверхпроводящих слоев на подложках в форме ленты, включающее камеру осаждения, внутри которой установлен нагреватель, выполненный в форме трубки, на который намотана подложка в форме ленты. Нагреватель с намотанной на него лентой окружен экраном трубчатой формы. Нагреватель с лентой вращается и одновременно перемещается вдоль оси экрана. В камере осаждения также установлена мишень, выполненная из материала, предназначенного для распыления и осаждения сверхпроводящего слоя. Экран трубчатой формы выполнен с отверстием, расположенным напротив мишени. В камере осаждения, кроме того, предусмотрено окно для ввода лазерного излучения, обеспечивающего распыление сверхпроводящего материала мишени. Распыленный сверхпроводящий материал осаждается на подложку в форме ленты (US Patent №6506439 «Apparatus and process for the production of superconductive layer», filed: November, 22, 2000, published: January, 14, 2003, IPC: H01L 39/24).

Преимуществом известного устройства является его высокая производительность и высокая стабильность параметров в течение всего технологического процесса.

Однако известное устройство не позволяет обеспечить регулирование температуры по длине подложки. В известном устройстве распределение температур по всей поверхности подложки однородно, в то время как перед входом в зону напыления целесообразно обеспечить повышенный градиент температуры по сравнению с другими участками подложки. В самой зоне напыления и на выходе из зоны напыления целесообразно обеспечить медленное снижение температуры по длине подложки. Такое распределение температур может быть получено с помощью нагревателя, обеспечивающего возможность создания нескольких температурных зон, что в свою очередь позволяет улучшить структуру напыляемого сверхпроводящего слоя.

Известно также устройство для высокотемпературного осаждения сверхпроводящих слоев на подложках в форме ленты, состоящее из камеры осаждения, с окном для ввода лазерного излучения, нагревателя подложки, включающего, по крайней мере, три нагревательных элемента, устройства для перемещения ленты вдоль нагревательных элементов, мишени, выполненной из материала, предназначенного для распыления и осаждения сверхпроводящего слоя, а также диафрагмы с отверстием, расположенным между мишенью и нагревателем подложки (US Patent Application №2005005846, «High throughput continuous pulsed laser deposition process and apparatus», filed: June, 23, 2003, published: January, 13, 2005, IPC: H01L 39/24).

Преимуществом известного устройства, по сравнению с устройством, рассмотренным выше, является возможность создания нескольких температурных зон за счет использования нескольких нагревательных элементов. В качестве нагревательных элементов в известном устройстве использованы лампы. За счет такой конструкции устройства структура напыляемого сверхпроводящего слоя может быть улучшена.

Чтобы достичь требуемой однородности температуры подложки при работе такого устройства, подложка должна быть расположена на некотором расстоянии от нагревателя. При близком расположении подложки к нагревателю наблюдается высокая неоднородность температурного поля за счет дискретности источника излучения, определяемой конструкцией нагревательных элементов.

Кроме того, в процессе работы устройства оптическая мощность ламп падает за счет того, что вместе с подложкой баллоны ламп постепенно вместе с подложкой запыляются. Ресурс ламповых нагревателей невысок вследствие их конструктивных особенностей, что дополнительно усугубляется в условиях их запыления. Требуется частая замена ламп, что снижает надежность работы оборудования и повышает эксплуатационные затраты.

Для обеспечения необходимой рабочей температуры требуется постоянно повышать рабочее напряжение ламп и постоянно контролировать параметры технологического процесса, что также обуславливает высокие эксплуатационные затраты в процессе работы известного устройства.

Задача создания предлагаемого изобретения - повышение стабильности технологических параметров устройства, а также повышение его надежности и снижение эксплуатационных затрат.

Поставленная задача решается за счет того, что в устройстве для высокотемпературного осаждения сверхпроводящих слоев на подложках в форме ленты, состоящем из камеры осаждения, с окном для ввода лазерного излучения, нагревателя подложки, включающего, по крайней мере, три нагревательных элемента, устройства для перемещения ленты вдоль нагревателя подложки, мишени, выполненной из материала, предназначенного для распыления и осаждения сверхпроводящего слоя, а также диафрагмы с отверстием, расположенным между мишенью и нагревателем подложки, нагревательные элементы изготовлены из нержавеющей стали и выполнены в форме полос из сетки тканевого плетения, каждый из нагревательных элементов соединен электрически с одной стороны с общей контактной панелью, жестко закрепленной в корпусе камеры осаждения, а с другой стороны соединен с одной из изолированных друг от друга подпружиненных пластин блока контактов, между контактной панелью и блоком контактов со стороны, противоположной рабочей поверхности нагревателей, установлен электрический изолятор, при этом ширина нагревательного элемента превышает ширину ленты в 1,1÷1,3 раза, а зазор между нагревательными элементами не более 0,2 ширины ленты.

Между электрическим изолятором и нагревательными элементами может быть установлен теплоизолятор.

В предпочтительном варианте выполнения теплоизолятор изготовлен из пористой керамики и прилегает к нагревательным элементам.

Также целесообразно, чтобы между теплоизолятором из пористой керамики и электрическим изолятором был установлен блок отражательных экранов.

В предлагаемом устройстве нагревательные элементы имеют плоскую форму, т.к. изготовлены из нержавеющей стали и выполнены в форме полос из сетки тканевого плетения. Такое выполнение нагревателей обеспечивает возможность установки подложки в форме ленты по отношению к ним с минимальным зазором. Температура по длине подложки за счет того, что нагреватели плоские и зазоры между ними и подложкой невелики, характеризуется высокой однородностью, что в свою очередь позволяет повысить стабильность технологических параметров устройства.

Кроме того, поскольку подложка расположена близко к нагревателям, мощность нагревателей невелика, а следовательно, эксплуатационные затраты также невелики.

Нагреватели должны быть изготовлены из нержавеющей стали, поскольку нержавеющая сталь обладает высокой химической инертностью и не взаимодействует с атмосферой, используемой в технологическом процессе (от восстановительной до окислительной), и обладает одновременно высокой стойкостью к окислению, т.е. не взаимодействует с напыляемым материалом. Кроме того, нержавеющая сталь обладает высокой прочностью и имеет высокое удельное сопротивление. Указанные свойства нержавеющей стали позволяют обеспечить минимально возможные габариты нагревателя, а следовательно, минимизировать тепловые потери.

В предлагаемом устройстве нагреватели выполнены в форме полос из сетки тканевого плетения. Такое выполнение нагревателей позволяет дополнительно повысить стабильность технологических параметров, поскольку сетка хорошо держит форму. Кроме того, проволока, из которой изготовлена металлическая сетка, калибрована, за счет чего изготовленные из нее нагревательные элементы имеют однородные электрические параметры по всей площади, что также позволяет обеспечить высокую стабильность технологических параметров устройства.

Каждый из нагревательных элементов соединен электрически с одной стороны с общей контактной панелью, жестко закрепленной в корпусе камеры осаждения, а с другой - с одной из изолированных друг от друга подпружиненных пластин блока контактов для того, чтобы компенсировать температурные деформации в процессе нагрева, так как зазор между подложкой и нагревателем предпочтительно иметь минимальный.

Наличие электрического изолятора между контактной панелью и блоком контактов со стороны, противоположной рабочей поверхности нагревателей, позволяет одновременно обеспечить электрическую изоляцию и жесткую фиксацию блока контактов, что также позволяет свести к минимуму влияние температурных деформаций в процессе работы устройства и повысить надежность его работы.

Экспериментально установлено, что ширина нагревательного элемента должна превышать ширину ленты в 1,1÷1,3 раза. Именно при таком соотношении размеров подложки и нагревательного элемента удается получить наиболее равномерное распределение температур в зоне напыления.

Также экспериментально установлено, что зазор между нагревательными элементами должен быть не более 0,2 ширины ленты. Именно при такой величине зазора обеспечивается высокая однородность температурного поля в рабочей зоне.

Именно за счет того, что в устройстве предлагаемой конструкции нагревательные элементы обладают высокой формоустойчивостью, и одновременно за счет соотношения размеров нагревательных элементов температурное поле однородно и тепловые потери низкие, достигается высокая стабильность технологических параметров и высокая надежность устройства.

При этом эксплуатационные затраты в процессе работы устройства минимальны за счет исключения необходимости постоянного контроля параметров, высокой надежности элементов устройства и малых энергетических затрат.

Для уменьшения утечек тепла целесообразно, чтобы между электрическим изолятором и нагревательными элементами был установлен теплоизолятор, что также позволит снизить эксплуатационные затраты при работе устройства.

В предпочтительном варианте выполнения устройства теплоизолятор изготовлен из пористой керамики и прилегает к нагревательным элементам, что снижает тепловые потери за счет излучения.

Между теплоизолятором из пористой керамики и электрическим изолятором может быть установлен блок отражательных экранов, что позволяет уменьшить тепловые потери за счет теплопроводности.

Предлагаемое техническое решение поясняется чертежами.

ФИГ.1 - Блок-схема устройства для высокотемпературного осаждения сверхпроводящих слоев.

ФИГ.2 - Нагреватель подложки (вид сбоку).

ФИГ.3 - Нагреватель подложки (вид сверху).

Предлагаемое устройство для высокотемпературного осаждения сверхпроводящих слоев содержит камеру осаждения 1 с окном для ввода лазерного излучения 2, нагреватель подложки 3, мишень 4, которая выполнена из материала, предназначенного для распыления и осаждения сверхпроводящего слоя, и диафрагму 5 с отверстием 6.

Нагреватель подложки содержит нагревательные элементы 7, каждый из которых соединен электрически с одной стороны с общей контактной панелью 8, жестко закрепленной в корпусе, изолированные друг от друга подпружиненные пластины 9 блока контактов, электрический изолятор 10, а также теплоизолятор 11 и блок отражательных пластин 12. Подложка в форме ленты 13 расположена между диафрагмой и нагревателями. Для подачи на нагреватели напряжения предусмотрены контактные клеммы 14.

Устройство работает следующим образом.

Подложку в форме ленты закрепляют на катушке устройства для перемещения подложки. Ленту пропускают в зазор между диафрагмой 5 с отверстием 6 и нагревательными элементами 7.

Второй конец ленты закрепляют на второй катушке устройства для перемещения подложки. На нагревательные элементы 7 через контактные клеммы 14 подается напряжение. Катушки вращаются, и лента перемещается вдоль нагревательных элементов 7. Мишень 4 облучается лазерным излучением. Материал мишени испаряется и через отверстие 6 диафрагмы 5 осаждается на подложку в форме ленты.

Была изготовлена экспериментальная установка осаждения высокотемпературного осаждения сверхпроводящих высокотемпературных слоев. В камере осаждения устройства были установлены устройство перемещения подложки, мишень и блок нагревателей, включающий пять нагревательных элементов. Нагревательные элементы были изготовлены из стали 12X18H10T и выполнены в форме полос из сетки тканевого плетения №08. Ширина каждого нагревательного элемента составляла 12 мм, длина - 35 мм. Величина зазоров между нагревательными элементами составляла 2 мм. Каждый из нагревательных элементов был соединен с одной стороны с общей контактной панелью 2, жестко закрепленной в корпусе блока нагревателей 3, а с другой с одной из изолированных друг от друга подпружиненных пластин 4. Между контактной панелью 2 и подпружиненными пластинами 4 был установлен керамический изолятор, выполненный из микалекса. Между электрическим изолятором 5 и нагревательными элементами 7 был установлен пористый теплоизолятор 6, выполненный из вспененного кварца. Между теплоизолятором 6 и электрическим изолятором 5 было установлено шесть отражательных пластин из стали 12X18H10T толщиной 0,1 мм.

Установка была опробована для нанесения буферного слоя, состоящего из СеO2 Покрытие осаждали на подложку в форме ленты, изготовленной из W-Ni, шириной 10 мм, толщиной 1 мм и длиной 1 м. Мишень, изготовленную из CeO2, облучали эксимерным лазером с длиной волны 248 нм. Температура каждого из нагревательных элементов контролировалась термопарами и составляла в направлении перемещения ленты соответственно 750, 800, 800, 800, 750°C. Был нанесен слой CeO2 толщиной 100 нм. Длина участка, покрытого нанесенным слоем, составляла 100 мм. В процессе работы температура каждого элемента стабилизировалась на уровне ±1°C. После проведения процесса осаждения размеры и форма нагревательных элементов не были нарушены. Энергозатраты составили 0,6 кВт·час.

1. Устройство для высокотемпературного осаждения сверхпроводящих слоев на подложках в форме ленты, состоящее из камеры осаждения с окном для ввода лазерного излучения, нагревателя подложки, включающего, по крайней мере, три нагревательных элемента, устройства для перемещения ленты вдоль нагревателя подложки, мишени, выполненной из материала, предназначенного для распыления и осаждения сверхпроводящего слоя, а также диафрагмы с отверстием, расположенным между мишенью и нагревателем подложки, отличающееся тем, что нагревательные элементы изготовлены из нержавеющей стали и выполнены в форме полос из сетки тканевого плетения, каждый из нагревательных элементов соединен электрически с одной стороны с общей контактной панелью, жестко закрепленной в корпусе камеры осаждения, а с другой стороны с одной из изолированных друг от друга подпружиненных пластин блока контактов, между контактной панелью и блоком контактов со стороны, противоположной рабочей поверхности нагревательных элементов, установлен электрический изолятор, при этом ширина нагревательного элемента превышает ширину ленты в 1,1÷1,3 раза, а зазор между нагревательными элементами не более 0,2 ширины ленты.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит теплоизолятор, установленный между электрическим изолятором и нагревательными элементами.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что теплоизолятор выполнен из пористой керамики и прилегает к нагревательным элементам.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что между теплоизолятором из пористой керамики и электрическим изолятором установлен блок отражательных экранов.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области сверхпроводниковой микроэлектроники, в частности к изготовлению сверхпроводниковых туннельных переходов, джозефсоновских переходов, структур типа сверхпроводник-изолятор-сверхпроводник (СИС), структур сверхпроводник-изолятор-нормальный металл (СИН), болометров на холодных электронах.
Изобретение относится к изготовлению сверхпроводящей ленты на основе соединения Nb3Sn и может быть использовано при изготовлении сверхпроводящих магнитных систем различного назначения.
Изобретение относится к изготовлению сверхпроводящей ленты на основе соединения Nb3Sn и может быть использовано при изготовлении сверхпроводящих магнитных систем различного назначения.

Изобретение относится к криоэлектронике и может быть использовано для экранирования интегральных схем и других магниточувствительных устройств. .

Изобретение относится к области электротехники, в частности к сверхпроводящему ленточному проводу, сверхпроводящему устройству и к способу изготовления сверхпроводящего ленточного провода.

Изобретение относится к области получения высокотемпературных сверхпроводящих покрытий на металлической подложке. .

Изобретение относится к способу получения сверхпроводниковых изделий на основе керамики состава Bi-Pb-Sr-Ca-Cu-O и может быть использовано для изготовления мишеней, предназначенных для получения наноразмерных пленок высокотемпературного сверхпроводника (ВТСП) методом магнетронного напыления.

Изобретение относится к сверхпроводящему тонкопленочному материалу и способу его изготовления. .

Изобретение относится к криогенной технике, в частности к способу формирования многослойных сверхпроводящих нанопленок. .

Изобретение относится к способам формирования методом лазерного напыления нанопленок сложного металлооксидного соединения состава YВа2Сu3O7-х (YBCO) повышенной проводимости и может быть использовано при создании элементов наноэлектроники

Изобретение относится к области получения сверхпроводящих соединений и изготовления нанопроводников и приборов на их основе, что может быть использовано в электротехнической, радиотехнической, медицинской и других отраслях промышленности, в частности для оптического тестирования интегральных микросхем, исследования излучения квантовых точек и в системах квантовой криптографии

Изобретение относится к области сверхпроводимости и нанотехнологий, а именно к способу получения и обработки композитных материалов на основе высокотемпературных сверхпроводников (BTCП), которые могут быть использованы в устройствах передачи электроэнергии, для создания токоограничителей, трансформаторов, мощных магнитных систем
Изобретение относится к технологии изготовления тонкопленочных высокотемпературных сверхпроводящих материалов и может быть использовано при промышленном производстве длинномерных сверхпроводящих лент для создания токопроводящих кабелей, токоограничителей, обмоток мощных электромагнитов, электродвигателей и т.д

Изобретение относится к технологии изготовления тонкопленочных высокотемпературных сверхпроводящих материалов, в частности к изготовлению подложек для этих материалов

Изобретение относится к электричеству, к электрофизике и теплопроводности материалов, к явлению нулевого электрического сопротивления, т.е. к гиперпроводимости, и нулевого теплового сопротивления, т.е. к сверхтеплопроводности материалов при околокомнатных и более высоких температурах. Сущность изобретения: на поверхности или в объеме невырожденного или слабо вырожденного полупроводникового материала размещают электроды, образующие выпрямляющие контакты с материалом. При этом выбирают расстояние между электродами (D) значительно меньше глубины проникновения в материал электрического поля (L), (D<<L), вызванного контактной разностью потенциалов. Минимальное расстояние между электродами DMIN=20 нанометров, максимальное расстояние между электродами DMAX=30 микрометров. До, после или во время формирования электродов в материал вводят электронно-колебательные центры (ЭКЦ) в концентрации (N) от 2·1012 см-3 до 6·1017 см-3. Доводят температуру материала до температуры гиперпроводящего перехода (Th) или до более высокой температуры. Технический результат: возможность осуществления эффекта гиперпроводимости и сверхтеплопроводности при температурах вблизи и выше комнатной. 12 з.п. ф-лы, 26 ил.

Изобретение относится к области высокотемпературной сверхпроводимости и может использоваться для изготовления ленточных высокотемпературных сверхпроводников второго поколения. Сущность: устройство для нанесения сверхпроводящих слоев содержит камеру осаждения с зоной нагрева, через которую перемещается протяженная подложка; импульсно-периодический лазер, сфокусированный на мишень, имеющую покрытие из сверхпроводящего материала; механизм для перемещения импульсного лазерного луча по поверхности мишени, от которой в результате импульсной лазерной абляции отделяется материал и ударяет в нагреваемую протяженную подложку; механизм перемещения мишени, и блок управления последовательных движений лазерного луча и перемещения мишени. Технический результат достигается за счет того, что механизм перемещения мишени содержит постоянно вращающийся вал, на котором закреплена мишень, имеющая осевую симметрию относительно оси вращения, параллельной направлению перемещения подложки через зону нагрева. Технический результат: упрощение устройства при обеспечении возможности повышения скорости нанесения сверхпроводящих слоев. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к сборке из металлических элементов, составляющей заготовки для сверхпроводника. Сборка содержит, по меньшей мере, один проводниковый элемент, адаптированный для обеспечения сверхпроводящей нити в конечном сверхпроводнике, и по меньшей мере один легирующий элемент, обеспечивающий источник легирования для легирования проводникового элемента, и источник олова. Сборка содержит по меньшей мере такое число легирующих элементов, расположенных вне проводниковых элементов, каково число проводниковых элементов, и металлическая сборка содержит по меньшей мере два легирующих элемента для каждого проводникового элемента. Проводниковый элемент и легирующий элемент выполнены в виде прутков и составляют отдельные элементы. Трубчатый элемент размещен вне проводникового элемента и легирующего элемента. Сборка размещена так, что по меньшей мере два легирующих элемента позиционированы рядом и в двух различных направлениях каждого проводникового элемента. Изобретение обеспечивает получение высококачественного сверхпроводника, позволяет повысить производительность и снизить затраты на производство. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 9 ил.

Изобретение относится к технологии криоэлектроники и может быть использовано при изготовлении высокотемпературных сверхпроводящих (ВТСП) схем. Техническим результатом изобретения является повышение качества ВТСП схем, увеличение их температурного рабочего диапазона, повышение удельного сопротивления ВТСП материала в нормальном состоянии путем введения ферромагнитной примеси в ВТСП пленку при электроискровой обработке отрицательными импульсами, мощность которых находится из заявленного соотношения. 4 ил.

Изобретение относится к способам формирования методом лазерного напыления сверхпроводящих пленок. Изобретение обеспечивает получение на золотом буферном подслое сверхпроводящих пленок с высокими токонесущими свойствами, обеспечивающими значения плотности сверхпроводящего критического тока не ниже 105 А/см2. В способе формирования YBa2Cu3O7-x пленок с высокой токонесущей способностью на золотом буферном подслое золотая контактная площадка формируется на диэлектрической подложке перед нанесением пленок YBa2Cu3O7-x на диэлектрической подложке. Для распылении мишеней из золота и керамики YBa2Cu3O7 используется лазер с длиной волны излучения 1,06 мкм, длительностью импульса 10÷20 нс и частотой повторения импульсов 10 Гц, плотностью мощности лазерного излучения (5÷7)·108 Вт/см2, при этом предварительно нагревается мишень из золота и подложка до температуры T=450-500°C, устанавливается давление 0,1÷0,5 Па, после этого распыляется мишень из золота на подложку через маску, расположенную на расстоянии 0,3÷0,5 мм от подложки, затем нагревается мишень YBa2Cu3O7 до T=600÷700°C, нагревается подложка до температуры 800÷840°C, устанавливается давление 50-100 Па, и распыляется мишень YBa2Cu3O7 на сформированные контактные площадки до толщины 50 -200 нм с образованием пленок с критической температурой сверхпроводящего перехода Tc=88-89 K, шириной сверхпроводящего перехода ΔTc= 2÷3 K, плотностью критического тока Jc>105 А/см2. 6 ил.

Изобретение относится к устройствам для высокотемпературного осаждения сверхпроводящих слоев на подложках в форме ленты с использованием импульсного лазера и может быть использовано в электротехнической промышленности

Наверх