[发明专利]多层制品及其制造方法

说明书

相关申请的相互引用

本发明申请根据35 U.S.C.§119(e)(1)要求1999年11月18日提交的题为“多层制品及其制造方法”的共同拥有的美国临时专利申请60/166,140的优先权。

发明背景

多层制品可以用在多种用途中。例如，超导体，包括氧化物超导体，能够由多层制品形成。典型地，这样的超导体包含一个超导体材料层和一个通常称为衬底的层，衬底能够增强多层制品的机械强度。

通常，除增强多层超导体的强度以外，衬底应该表现某些其它的性质。例如，衬底应该具有低居里温度，以使衬底在超导体的应用温度下不具铁磁性。另外，衬底内的化学物种应该不能扩散到超导体材料层中，并且衬底的热膨胀系数应与超导体材料大致相同。此外，如果衬底用于氧化物超导体，衬底材料应该是相对抗氧化的。

对于某些材料，如钇-钡-铜-氧化物(YBCO)，材料处于超导体状态时提供高输送电流的能力取决于该材料的结晶取向。例如，当材料的表面被双轴织构时，这样的一种材料能够表现较高的临界电流密度(Jc)。

本文所使用的“双轴织构的”是指一个表面，对于此表面，晶粒与该表面平面的一个方向成精调直线。双轴织构的表面的一个典型例子是立方织构的表面，在该表面中晶粒几乎与该表面的垂直方向成精调直线。立方织构的表面的例子包括(100)[001]和(100)[011]表面，双轴织构的表面的一个例子是(113)[211]表面。

对于某些多层超导体，超导体材料层为一个外延层。本文所使用的“外延层”是指一个材料层，其结晶取向与一个材料层的表面的结晶取向直接相关，在该材料层表面上沉积外延层。例如，对于一种具有沉积到一个衬底上的一个超导体材料外延层的多层超导体，超导体材料层的结晶取向与衬底的结晶取向直接相关。因此，除上述的衬底性质外，衬底具有一个双轴织构的表面或一个立方织构的表面也是需要的。

某些衬底并不能容易地表现所有上述的特性，因此可以在衬底和超导体层之间沉积一个或多个通常称为缓冲层的中间层。缓冲层的抗氧化性可以比衬底更强，并减少衬底与超导体层之间的化学物种的扩散。此外，缓冲层能够具有一个与超导体材料很匹配的热膨胀系数。

典型地，一个缓冲层就是一个外延层，因此其结晶取向与沉积了缓冲层的表面的结晶取向直接相关。例如，在一个具有一个衬底、一个外延缓冲层和一个超导体材料外延层的多层超导体上，缓冲层表面的结晶取向与衬底表面的结晶取向直接相关，且超导体材料层的结晶取向与缓冲层表面的结晶取向直接相关。因此，具有一个缓冲层的多层超导体所表现出的超导特性可能依赖于缓冲层表面的结晶取向。

缓冲层表面可能包含某些缺陷和/或杂质。这些缺陷和/或杂质能够影响沉积在缓冲层(例如，超导体材料的一个外延层)表面上的外延层的结晶取向，这可能降低所获得的多层超导体表现某些超导特性的能力。

本发明概述

本发明涉及多层制品(例如多层超导体)及制造此类多层制品的方法。总的来说，该方法包括调理(例如通过化学调理和/或热调理)一个基础层(例如，缓冲层或超导体材料层)的表面，然后在基础层经过调理的表面上沉积一个材料(例如，超导体材料、超导体材料的前体、覆盖材料(cap material)或一种缓冲层材料)层。经过调理的表面可能较光滑、具有较高的密度、具有较低的杂质密度、表现与其它材料层的增强的粘合性、和/或当用X-射线衍射测量时，表现较小的摇摆曲线宽度。用本发明方法制备的一种多层超导体能够表现较高的临界电流密度(Jc)。用本发明方法制备的一种多层超导体可以制成一种具有较大的表面积的物体，如晶片或带状体。

本文使用的“化学调理”是指一种方法，该方法使用一种或多种化学物种(例如气相化学物种和/或溶液相化学物种)来影响在一个材料层如缓冲层或超导体材料层的表面中的变化。

本文使用的“热调理”是指一种方法，该方法伴随或不伴随化学调理，使用高温影响在一个材料层如缓冲层或超导体材料层的表面中的变化。优选热调理在受控环境(例如温度和压力)中进行。

本发明一种多层制品的制造方法的一个方面的特征是，该方法包括化学调理一个缓冲层或超导体层的表面以形成经调理的表面，然后将第二材料层沉积到经调理的表面上。

本发明一种多层制品的制造方法的另一方面的特征是，该方法包括将一个缓冲层或超导体层的表面加热至高于该层的沉积温度或结晶温度至少约5℃的温度。在低于约700托的氧气压力下加热该层以形成一个被调理的表面。该方法还包括将第二材料层沉积到经调理的表面上。

本文使用的“沉积温度”是指正被调理的层被沉积时的温度。