具体实施方式

在以下的具体实施方式中将给出其他特征和优点，对本领域的技术人员而言，这些特征和优点根据所作描述就可以容易地看出，或者通过实施如以下描述中所述的实施方式，连同权利要求和附图而被认识。

文中所用的术语“和/或”在用于两项或更多项的罗列时，表示所列项中的任何一项可以单独使用，或者可以使用所列项中的两项或更多项的任意组合。例如，如果描述一种组合物含有组分A、B和/或C，则该组合物可只含有A；只含有B；只含有C；含有A和B的组合；含有A和C的组合；含有B和C的组合；或含有A、B和C的组合。

在本文中，相对的术语，例如第一和第二，顶部和底部等仅用于区分一个实体或行为与另一个实体或行为，而非必须要求或暗示这些实体或行为之间的任何实际的这种关系或顺序。

本领域技术人员和作出或使用本公开的技术人员能够对本公开进行修改。因此，应理解，附图所示和上文所述的实施方式仅用于例示的目的，并且不旨在限制本公开的范围，根据专利法的原则(包括等同原则)所解释，本公开的范围由所附权利要求限定。

出于本公开的目的，术语“连接”(所有形式的：连接、连接着的、相连接的等)一般意味着两个部件彼此直接或间接地结合。这种接合本质上可以是静止的或者本质上是可移动的。这种结合可以通过两个部件与任何另外的中间构件彼此一体地形成为单个整体来实现，或者通过该两个部件来实现。除非另有说明，否则这种接合本质上可以是永久性的，或者本质上可以是可移除的或可释放的。

如本文所用，术语“约”指量、尺寸、公式、参数和其他数量和特征不是精确的且无需精确的，而可按照要求是大致的和/或更大或者更小，如反映公差、转化因子、四舍五入、测量误差等，以及本领域技术人员所知的其他因子。当使用术语“约”来描述范围的值或端点时，应理解本公开包括所参考的具体值或者端点。无论说明书中的范围的数值或端点是否使用“约”列举，范围的数值或端点旨在包括两种实施方式：一种用“约”修饰，另一种未用“约”修饰。还应理解，每个范围的端点在与另一个端点有关及独立于另一个端点时都是重要的。

本文所用的术语“基本”、“基本上”及其变化形式旨在表示所述的特征等于或近似等于一数值或描述。例如，“基本上平面”的表面旨在表示表面是平面或大致平面。此外，“基本上”旨在表示两个数值相等或近似相等。在一些实施方式中，“基本上”可以表示彼此相差在约10％之内的值，例如彼此相差在约5％之内的值，或彼此相差在约2％之内的值。

本文所用的方向术语，例如上、下、右、左、前、后、顶、底，仅仅是参照绘制的附图而言，并不用来表示绝对的取向。

本文所用的术语“该”、“一个”或“一种”表示“至少一个(一种)”，并且不应局限为“仅一个(一种)”，除非有明确相反的说明。因此，例如，提到的“一种部件”包括具有两个或更多个这类部件的实施方式，除非上下文有另外明确的表示。

存在许多用于在金属带上沉积YBCO层的沉积方法。这些方法包括脉冲激光沉积(PLD)、反应性共蒸发(RCE)、金属有机沉积(MOD)和金属有机化学气相沉积(MOCVD)。在卷盘到卷盘过程中，已使用MOCVD在金属带上沉积YBCO。带为12毫米宽，且通过多次以在合理的时间内获得足够厚的层。因为沉积速率低，所以使用多次通过。在较高的沉积速率下，晶体品质下降，并且无法获得所需的效能(临界电流、临界温度、磁场性能等)。已使用光激发辅助沉积以较高的沉积速率获得高品质的层，但是遇到了金属有机前体的利用率差和YBCO厚度的均匀性差问题。

一般而言，本公开内容涉及具有多个喷淋头的金属有机化学气相沉积(MOCVD)反应器，其特别适合于制造高温超导体(HTS)带或线，并且涉及用于制造HTS带或线的方法。

公开了一种反应器，其能够通过具有一贯的高品质的光激发金属有机化学气相沉积，在千米长度的带纹理的金属带上进行高温超导体层(例如YBCO)的卷盘到卷盘沉积。反应器可以长时间运行，而不会显著的光激发衰减，从而能够生产千米级的带或线。

参照图1和图3，反应器10包括多个喷淋头40、50、60，其中前体喷淋头40被放置成在加工时相对更靠近带纹理的金属带20的上表面22的位置，该前体喷淋头40在金属带20的上表面22上方提供均匀的前体流，并且第一气帘喷淋头50和第二气帘喷淋头60在带20的任一侧上，在前体喷淋头40的任一侧上，提供气帘(惰性或另外的非反应性气帘)。气帘有助于防止沉积在光或辐射源72、82上或者沉积在窗口71、81上(光或辐射源透过此窗口在带纹理的金属带20的上表面上提供光或辐射)。光源72、82或窗口71、81可包括例如石英窗口或具有光学器件的发光二极管(LED)，光学器件被构造为能够使来自LED的所有或大部分光透射通过喷淋头40、50、60和带20之间(特定而言为前体喷淋头40和带20之间)的狭窄间隙。

根据一个实施方式，如图3所指示的，第一组72的发光二极管将光照射在带20的一半上，而第二组82将光照射到另一半上，其中来自LED 76、86的辐射被镜子78、88反射，以形成相应的光束73、83(准直的或聚焦的)，每个光束实际上照亮了带20的上表面22的一半。或者，如图1和图4中看到，反应器10和光束73、83也可以构造成使得光束73、83从两侧照亮带20的全部或大部分上表面22。

诸如通道(未示出)之类的加热机构被提供到反应器壁和反应器的其他部分，以允许加热反应器的部分和壁(例如通过传热流体的流动来加热)，从而保持所有反应器壁与内部部件表面(LED或窗口除外)的温度足够高，以防止前体或反应副产物发生冷凝，但温度不会过高而造成他们分解(例如在300℃至400℃的范围内，或约350℃)。

参照图2，通过使电流流过带20，例如使电流通过两个导电辊90、92之间的带20，可将带20加热至沉积温度，所述导电辊90、92接触带20并连接至恒定电流源94。替代地或另外地，位于带20下方并且面向带20的下表面21的钨卤素灯120可用于加热带20。反应器10可包括外壳31。此外壳31中的压力(如果存在的话)高于反应器壳体30中的压力，并且此压力通过差动泵送来维持。带20通过一根或多根差动泵送的入口管和出口管16、18(各示出一个)进入和离开反应器壳体30。(类似地，如在一个或多个附图中所描绘的，带20通过差动泵送的管进入和离开外壳31。)

再次参考图1至图3，特别强调图3中的特征，带或线20从图3的纸平面移出，或如图1中箭头A所示向右移，从图2中的进给卷盘12到卷取卷盘14，带或线20的期望宽度尺寸在0.1至20cm、或1至15cm、或5至15cm、或8至12cm的范围内。卷盘12、14可以处于大气压或处于低真空(例如，低真空)。在反应器10与卷盘12、14所维持的压力之间可以有多个阶段的差动泵送。对于图3所示的反应器10的实施方式，如图2所示，通过使来自恒定电流源94的电流通过来加热带20(亦即没有也在图2中示出的任选的或替代的灯120)。

通过紧密间隔(及中央)的前体喷淋头40，载气中的前体在沿着长度范围为25至1000cm、或50至500cm、或60至300cm、或70至250cm、或80至150cm或约100cm的沉积区的多个点42处进料。前体喷淋头40的位置靠近(1至2cm)带纹理的带20。前体喷淋头40具有两个多孔板(在气流中串列放置，用作混合板和喷淋头)，以便提供足够的压力差，并且使前体在带20的上表面上方均匀分布。两个另外的喷淋头50、60产生惰性气帘，其防止前体或反应副产物到达LED或窗口，LED光通过此窗口进入反应器10中。另外，将LED或窗口设置在净化凹部80中，以进一步抑制任何前体或反应副产物到达光源。两侧上的排气歧管(如图3所示)连接到真空泵(未示出)，真空泵使用节流阀将反应器保持在所需压力。保持所有反应器壁与内部部件表面(LED除外)的温度足够高(例如350℃)，以防止前体或反应副产物发生冷凝，但温度不会过高而造成他们分解。带20的温度由感测带的底表面或顶表面的一或多个高温计来监测和控制(图2所示的顶表面监测)。

前体喷淋头40产生驻点流，以在10cm宽的金属(哈氏合金(Hastelloy)、不锈钢等等)带20上获得均匀的YBCO层，同时实现高前体利用率。带20可以更窄或更宽，在这种情况下，需要更窄或更宽的前体喷淋头40。在此设计中，前体喷淋头40的长度期望为100cm长，但是取决于沉积区的期望长度，此长度可以更短或更长。光激发期望由在385-405nm处发射的发光二极管(LED)提供(例如可以将波长调整为更短或更长)。来自反应器一侧上的LED的光束被引导到一半的带上。可以通过使电流通过带或放置在带下方的钨卤素灯，来完成带加热。在图2中示出了反应器10的示意图，其中带20通过使电流通过而被加热。

如在图1和3中可以看到的，通过将两个气帘喷淋头50、60放置在前体喷淋头40的任一侧上以提供惰性或另外的非反应性气体的气帘，大大地最小化或甚至完全避免了在LED上的沉积。另外，将窗口或LED以及相关的光学器件72、82放置在气体净化凹部80中，以提供额外的保护而不使前体或反应副产物沉积在它们上。例如，如图2所示，根据一个实施方式，光源72、82可以是具有抛物面反射器76、86的LED 76、86的阵列，抛物面反射器76、86始终沿着沉积区将准直光束73、83引导到基本上一半(相应的一半)的带20上。将所有反应器壁和喷淋头加热至约350℃，以防止在其上沉积前体或反应副产物，从而无需在每次运行后清洁反应器。这也大大降低了颗粒落在带上的可能性。LED期望是水冷的。在光源72、82为窗口形式的实施方式中，还可能在反应器腔室的外部具有LED和光学器件，其中光通过UV透明窗口72、82进入。使用光学器件，可以将LED光束期望地调得足够高，以照亮带的一半，但也可以任选地将其侧向扇出以照亮带的5-10cm长度。

如图2和图3中所指示的，通过经发射率校正的高温计或通过一个或多个这种高温计P来监测带温度，指向带的上侧(图2)或下侧(图3)上。用气体净化高温计端口，以防止前体或反应副产物在高温计上的任何沉积。排气歧管EM经由反应器10任一侧上的排气端口100、110连接到腔室30，并连接到合适的真空泵(流动位置和方向如箭头VP所示)，真空泵将反应器10保持在期望的压力下。主喷淋头和带之间的间隔期望为约1-2cm，优选为约1cm。由于格拉斯霍夫(Grashof)数与间距的立方成正比，因此这种相对较小的间距确保了低的格拉斯霍夫数。在足够低的格拉斯霍夫数下，避免了浮力引起的对流。由于边界层和边界层上方的前体的浓度在带20的整个宽度上是恒定的，因此所使用的所得驻流点流动几何确保了均匀的沉积。

带20期望地透过差动泵送的腔室/外壳31(图2)带入反应器中，以便能够使进给和卷取卷盘12、14在大气压下。电流通过期望的水冷、高导电性圆柱形电极90、92馈送到带或从带中拉出。在一些实施方式中，电极90、92被配置成与地面及/或其余的反应器部件/部分电隔离。电极表面经过高度抛光，以确保良好的接触。从恒定电流源94馈送电流，使得接触电阻的任何变化都无关紧要。主喷淋头40或前体喷淋头40具有两个多孔板44、46，以确保来自喷淋头40的均匀流动。最外面的喷淋头板46具有约0.6-1mm(优选0.8mm)直径的孔，并且他们的长度约为0.5至1cm。孔的密度为15至20个/cm²。内喷淋头板44的孔直径为1-2mm，长0.5至1cm，且密度为4至20个/cm²。气体经由歧管(未示出)在沿着喷淋头40的多个端口42处馈送到主喷淋头，以便可将其均匀分布在内部喷淋头板44上方。提供气帘(期望为惰性气体或Ar气帘)的两个外喷淋头或气帘喷淋头50、60具有板54、64，其板54、64的孔径、长度和密度与前体喷淋头40中的内喷淋头板46相似。气体，期望地为Ar，经由歧管(未示出)在沿着相应的喷淋头50、60的多个端口52、62处被馈送到这些外喷淋头50、60，以便将其均匀地分布在相应的多孔板54、64的上方。板32(支撑板)将反应器腔室30分成两部分。在带20的底部及其边缘处，带和板32(支撑板)之间的间距期望约为1mm。支撑板32中的一个或多个槽或孔33允许气体(惰性净化气体)被均匀地馈送到带20下方。此流动防止任何前体或反应副产物沉积在带20的下侧上或进入反应腔室30的底部。在一些实施方式中，支撑板被配置成与带成间隔关系(例如非接触)，并且支撑板被配置成支撑一条或多条气体净化管线，气体净化管线被配置成穿过支撑板并且被指向带的下表面。在一些实施方式中，将带直接用电流加热(即，与支撑板直接接触)或用卤素灯加热(即，不与支撑板直接接触)。在不直接接触的配置中，支撑板被配置为允许将净化气体朝向带的背面。对于使用基座加热的实施方式，基座在本文中也被称为支撑板，并且在这种情况下，在基座/支撑板的任一侧上可以存在另外的热隔离的“支撑板”。如果将支撑板用作在电流加热的情况下的支撑板，则将沿着带的长度以规则的间隔配置/放置额外的绝缘材料。模型化指示，沉积均匀度约为1.7％，且反应器效率约为40％。

带20可替代地或附加地使用放置在带20下方的钨卤素灯120加热，如图2所示。可以在板32的中间区段(例如由虚线37、38描绘的中间区段36)中使用熔融石英窗口，以允许灯辐射照射在带20的底表面上。一个或多个槽或孔33(在多个的情况下沿着沉积区均匀地间隔开)允许净化带20和石英窗口之间的空间。惰性净化气体通过不允许前体和反应副产物进入带20和窗口之间的空间，来防止沉积在石英窗口上。

期望由一个PID控制器控制一组灯120，此PID控制器从监测带20的顶表面或底表面的经发射率校正的高温计P获得反馈。沿沉积区的长度放置经发射率校正的光学高温计，以向位于其下方的特定灯组提供反馈。多区加热区能够调整沿着带的温度分布。高温计P可以定位成监测带的顶表面或底表面的温度。如果高温计监测顶表面，则在喷淋头内制造窄直径的净化端口，该端口的一端由熔融石英窗口密封，如图2所示。如果将高温计放置在带的下方以监测带的背面(图3)，则高温计管的尖端应远离带足够远，以使灯的辐射不会出现阴影。另外，高温计管的内表面应粗糙，以使反射光不会因沿内壁的多次反射而向下传播到高温计。

带还可以通过与带接触放置的电加热基座(加热器)进行加热。基座和带路径需要弯曲，以保持基座和带之间的良好接触。在一些实施方式中，曲线的半径在约20至50m之间，优选地为25m。在一些实施方式中，为了在带和喷淋头之间保持恒定的高度，喷淋头也被弯曲

可以使用组合方法来加热带，例如用钨卤素灯从下面加热带，并且还通过电流通过来加热，如图2所示。

使用线性阵列的透射玻璃柱面透镜或线性反射准直仪，例如可从Chromasens(德国康斯坦茨)获得的准直仪。因此，如图4中(对于宽度)以及图1(对于长度与宽度)的光束73、83的图解中看到，可以将来自LED线性阵列的光在一个维度上准直以照亮带的整个长度和宽度。这可以通过在腔室两侧上使用LED来完成。来自腔室任一侧的线性或(略微)聚焦的光束73、83可以(并且期望如此)完全重迭，从而促进良好的覆盖和均匀性。透射透镜的线性阵列是透镜的阵列或单个长条形柱面玻璃透镜也可以代替沉积腔室侧面中的透明窗口71、81，作为另一个替代方面。

可以起作用的柱面透镜的一个实施方式是由N-BK7制造的K&S OPTICS(美国纽约州格林)100-200柱面平凸透镜，其焦距为10mm，且直径为12.5mm。可以将透镜放置在距LED大约10mm的位置，以捕获来自LED的超过一半的光，并将其准直成大约10mm宽的线性光束。

可从THORLABS(美国新泽西州牛顿)获得的替代透镜LJ1878L2-A具有类似的聚焦特性。THORLABS透镜具有一个优点，即，用于350至700nm波长范围的抗反射涂层，涂层包含沉积腔室最感兴趣的波长。

线性反射实施方式可以使用类似于例如来自CHROMASENS的C型或D型反射器的反射器。反射器的具体形式的细节可以定制成沉积腔室的最终形式，因此可以在光照明的均匀性和效率之间进行适当的权衡。

金属涂层的选择对于反射元件很重要。对于短于500nm的波长，铝通常是低损耗的选择。在更长的波长下，银和金是首选。如果需要在宽的波长范围(包括高于和低于500nm的波长)上使用一种材料，则铝通常是优选的，因为铝具有均匀的低损耗。

LED波长的选择：可构建具有多种波长的LED阵列，选择这些波长以优化反应和沉积过程。对于此YCBO反应器，可以使用从UV(紫外)到可见的一系列波长。一个实施方式具有沿着LED阵列的长度重复的3波长LED组，此组中的365nm、385nm和405nm LED在近UV和最短的蓝波长范围内提供完整的光谱覆盖。可以使用其他类型的光源(如激光)来制定相同类型的波长多样性方案。

尽管为了说明给出了示例性的实施方式和实施例，但是前面的描述并不旨在以任何方式限制本公开和所附权利要求书的范围。因此，可以对上述实施方式和实施例进行修改和变动而基本上不偏离本公开的精神和各种原理。所有这些变动和修改旨在包括在本公开和所附权利要求保护的范围内。