Спосіб одержання плівок металооксидних високотемпературних надпровідників

1 Спосіб одержання плівок металооксидних високотемпературних надпровідників, що включає формування в атмосфері робочого газу потоку плазми і потоку компонентів матеріалу, одержано Винахід відноситься до технології осадження тонких плівок на підкладках з використанням вакуумного розпилення матеріалу мішені (лазерне напилення, магнетронне напилення), а саме, до способів отримання плівок високотемпературних надпровідників ( ВТНП) і може бути використаний в мікроелектроніці в технології виготовлення великих і надвеликих інтегральних схем (ВІС НВІС), СКВІДів, при розробці і виробництві приладів оптоі мікроелектроніки на основі ефекту високотемпературної надпровідності Найбільш близьким технічним рішенням до винаходу, що заявляється, є спосіб отримання плівок металооксидних високотемпературних надпровідників, який полягає в тому, що випарення матеріалу мішені здійснюють при густині потужності лазерного випромшення 10-10 Вт/см2, частоті повторення імпульсів не більш 15 Гц і тиску робочого газу - кисню (0,13-13) Па, температуру підкладки в процесі осадження підтримують в діапазоні (853-1023)К, охолодження на першому етапі проводять зі швидкістю не більш 35 К/хв до температури 773 К при тиску кисню (40-133 Па), а на другому етапі охолодження підкладки проводять зі швидкістю не більш 25 К/хв при тиску кисню (2-5)10 4 Па Недоліком цього способу є недостатня точність стехіометрії складу напилюваних плівок і її ВІДПОВІДНІСТЬ стехіометрії розпилюваної речовини, вш го шляхом випарювання мішені з матеріалу, що наноситься, і осадження плівок високотемпературних надпровідників на підкладку, який відрізняється тим, що випарювання мішені проводять у просторово-часовому суміщенні процесів імпульсного лазерного випромінювання і реактивного магнетронного розпилювання речовини мішені в схрещеному магнітному і електричному полях з процесами термообробки і осадження плівок 2 Спосіб за п 1, який відрізняється тим, що випарювання матеріалу лазерним випромінюванням здійснюється при густині його потужності 107-108 Вт/см2, частоті імпульсів 3-5 Гц, довжині імпульсів 10 не а також нерівномірність товщини і ХІМІЧНОГО складу напилюваних плівок по площині В основу винаходу поставлена задача отримання плівок металооксидних високотемпературних надпровідників шляхом випарення мішені дією на речовину мішені імпульсного лазерного випромінювання, розширення технологічних можливостей, поліпшення якості осаджуваних плівок і їх ВІДПОВІДНІСТЬ стехіометричному складу напилюваної речовини, рівномірності товщини напилюваних плівок по площині за рахунок повноти випарення компонентів розпилюваної мішені, їх переносу і осадження на підкладку при забезпеченні високої адгезії плівок до підкладки Поставлена задача вирішується тим, що в способі отримання плівок металооксидних високотемпературних надпровідників, який включає формування в атмосфері робочого газу потоку плазми компонентів матеріалу, що наноситься, і осадження плівок ВТНП на підкладку, згідно винаходу випарення мішені проводять в просторово-часовому суміщенні процесів імпульсного лазерного випромінювання і реактивного магнетронного розпилення речовини мішені в схрещених магнітних та електричних полях, а також процесів термообробки і осадження плівок При цьому випаровування речовини мішені лазерним випромшенням здійснюють при густині його потужності g = 10 -108 Вт/см2, частоті імпульсів v = 3-5 Гц, довжина їм О 24207 пульса 10 не Сканування лазерного проміння по площині матеріалу мішені здійснюють осьовим обертанням катоду мішені При густині потужності лазерного випромінювання д>108 Вт/см2 відбувається збільшення крапельної фази в паровому потоці і, ВІДПОВІДНО, макродефектів в осаджуваємій ПЛІВЦІ І порушення стехіометричного складу При д 5 Гц погіршується якість плівки за рахунок погіршення її однорідності по фазовому складу і структурі Магнетронним джерелом розпилення формується направлений потік плазми до підкладки, отриманий в розряді зі схрещеними електричним і магнітними полями, з утворенням іонного потоку з енергією ІОНІВ 1000 еВ Сутність технічного рішення, що заявляється, полягає у наступному Мішень ВТНП можна розглядати як композицію оксидів металів з різною енергією розриву зв'язків Ме-0 і різною температурою їх випарення Наприклад, металооксидну кераміку УВагСизО? можна розглядати як композицію оксидів Y2O3, BaO, CuO, в яких енергія розриву ХІМІЧНИХ зв'язків Ме-0 складає Y-0 - 170±2 ккал/моль, Ва-0 134±3 ккал/моль і Си-0 63±10 ккал/моль Природно чекати, що призастосуванні тільки магнетронного розпилення, іонний потік компонентів мішені буде збагачений компонентами з меншою енергією розриву зв'язків В розпилюваній речовині У випадку УВагСизО? це буде мідь, що спостерігається на практиці Оскільки температура лазерного імпульсу досягає 106 К, то при дії лазерного випромінювання всі компоненти речовини мішені переводятся в плазмо-газоподібний стан Але застосування тільки лазерного випарення приводить до утворення хмарки випареної речовини з флуктуаціями густини компонентів в об'ємі газу (плазми), що при осадженні плівки на підкладку в свою чергу приводить до порушення стехіометрії і структури плівки Рух іонного потоку в схрещених електричному і магнітному полях магнетронного джерела сприяє рівномірності розподілу компонентів в об'ємі потоку і, ВІДПОВІДНО, їх осадженню на підкладці Порівняльний аналіз з прототипом дозволяє зробити висновок, що запропонований спосіб відрізняється від відомого просторово-часовим суміщенням процесів імпульсного лазерного і магнетронного розпилення речовини мішені, осадження і термообробку и на підкладці в вигляді плівки, що по складу відповідає хімічному складу речовини мішені Таким чином, запропоноване технічне рішення відповідає критерію "Новина" Аналіз лггературних даних показує, що процеси лазерного і магнетронного випарення речовин і осадження випаруваної речовини у вигляді плівки на підкладку ВІДОМІ Але їх окреме використання для отримання плівок багатокомпонентних систем не забезпечує умов, необхідних для досягнення технічного результату, які вони проявляють у рішення, що заявляється підвищення точності стехіометричного складу напилюваних плівок і їх ВІДПОВІДНІСТЬ стехіометричному складу розпилюваної речовини, рівномірність товщини напилюваних плівок по площині Таким чином, запропоноване технічне рішення відповідає критерію "Винахідницький рівень" Приклад. Спосіб, що пропонується, може бути здійснений слідуючим чином Попередньо очищену підкладку з сапфіру або МдО встановлюють на мікропечі в вакуумній камері з безмасляною системою відкачки за кільцевим анодом Мішень з металооксидної напровідникової кераміки у формі диску встановлюють на катоді - постійному магніті Вакуумну камеру відкачують до тиску 1 0 6 торр Для зменшення парціального тиску супутніх газів в камеру напускають аргон (чистота 99,9%) до атмосферного тиску і знову відкачують камеру до тиску 10 торр, включають магнетрон і обробляють підкладку плазмою на протязі 15 хвилин, напускають у камеру кисень до тиску 10 2 торр Через фокусуючу лінзу і вікно вакуумної камери лазерне випромінювання (довжина хвилі 1 064 мкм, енергія лазерного пучка Е = 0 35 Дж, інтенсивність випромінювання на мішені 108 Вт/см2, довжина імпульсу 10 не , частота слідування імпульсів 3 Гц, діаметр плями на мішені 1 мм) направляють на мішень під кутом 45° до и поверхні і сканують лазерний промінь по поверхні мішені шляхом обертання катоду мішені Одночасно при температурі мікропечі 1023 К вмикають магнетрон і прискорюючу напругу катод-мішень-анод При цьому речовина мішені осаджується на підкладку зі швидкістью 0,3-0,5 нм/імп і утворює на ній плівку з товщиною 0,15 мкм Після закінчення процесу напилення плівки вимикають мікропіч і регульовано охолоджують підкладку зі швидкістю 5-7 К/хв до 373 К При цій температурі камеру розгерметизовують і виймають підкладку з осадженою плівкою В таблиці приведені результати КІЛЬКІСНОГО аналізу отриманих плівок по складу компонентів Y,Ba,Cu,0 в порівнянні із складом вихідної речовини - мішені і плівки, отриманої за допомогою тільки лазерного випаровування Для кращої наглядності і порівняння складу плівок приведені також формули у вигляді YBa2±xCu3±y07±z, Де x,y,z - відхилення числа атомів від ідеального складу УВагСизО? Як видно з таблиці, застосування запропонованого технічного рішення дає змогу значно зменшити коефіцієнти x,y,z, тобто наблизити склад отримуваних плівок до складу вихідної речовини - мішені Спосіб забезпечує отримання однорідних по товщині (0,15±0,01) мкм плівок з температурою надпровідного переходу Тн - 91-93 К, мінімальною шириною переходу ДМ К, критичний струм досягає 10-10 6 А/см 2 при77К Запропонований спосіб забезпечує високий вихід придатних зразків Отримані плівки у середньому експлуатуються протягом 4-х МІСЯЦІВ Зміна електричних параметрів плівок ВТНП протягом вищезгаданого терміну не спостерігалась 24207 Зразок Вміст елементів (мас. %) Формула Y Ва Си 0 Еталон Прототип 13,44 15,83 41,13 41,33 27,40 25,80 16,32 16,72 №1 №2 №3 14,05 12,62 15,62 39,96 33,11 40,49 25,28 24,63 23,84 18,89 19,25 17,04 Тираж 50 екз Відкрите акціонерне товариство «Патент» Україна, 88000, м Ужгород, вул Гагаріна, 101 (03122) 3 - 7 2 - 8 9 (03122) 2 - 5 7 - 0 3 YB32-0 02 Сиз-0 15 О7-0 25 YB32-0 38 Сиз-0 73О7-1 2513 YB32-0 17 Сиз-0 49 O7-0 46 YB32-0 31 Сиз-0 27 O7-0 47 YB32-0 32 Сиз-0 56 O7-0 92 24207