DD293608A5

DD293608A5 - Verfahren zur herstellung hochtemperatur-supraleitender schichten

Info

Publication number: DD293608A5
Application number: DD87310060A
Authority: DD
Inventors: Gudrun Kessler; Helmut Eschring; Gernot Krabbes; Manfred Ritschel; Erich Wolf; Wolfgang Pompe
Original assignee: Zi Fuer Festkoerperphysik Und Werkstofforschung,De
Priority date: 1987-12-08
Filing date: 1987-12-08
Publication date: 1991-09-05

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung hochtemperatur-supraleitender Schichten fuer die Elektrotechnik/Elektronik. Das Verfahren ist beispielsweise bei der Herstellung mikroelektronischer Schichtbauelemente und Sensoren anwendbar. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren, bei dem eine thermische Behandlung unter Sauerstoffeinwirkung zur Einstellung hochtemperatur-supraleitender Eigenschaften durchgefuehrt wird, so zu gestalten, dasz auch solche Schichttraeger verwendet werden koennen, bei denen bei hoher thermischer Belastung unter Sauerstoffeinwirkung ein unerwuenschter Diffusionsprozesz oder eine chemische Zersetzung eintritt. Erfindungsgemaesz wird die thermische Behandlung mittels Laserbestrahlung durchgefuehrt, wobei mit dem Laserstrahl die Oberflaeche von Schichten oder kompakten Koerpern, in denen die zur Hochtemperatur-Supraleitung fuehrenden Metalle oder Metallverbindungen enthalten sind, ganz oder teilweise bestrahlt wird.{Hochtemperatursupraleitung; Schicht; Elektrotechnik; Elektronik; Schichtbauelement; Sensor; hochtemperatur-supraleitendes Material; Vorprodukt; thermische Behandlung; Sauerstoffeinwirkung, Laserbestrahlung}

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft das Gebiet der Herstellung hochtemperatur-supraleitender Schichten für die Elektrotechnik und Elektronik. Das Verfahren ist beispielsweise bei der Herstellung mikroelektronischer Schichtbauelemente und Sensoren anwendbar.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Es ist bereits bekannt, hochtemperatur-supraleitende Schichten herzustellen, indem zunächst unter Anwendung bekannter Schichtbildungsverfahren, wie z. B. Laserverdampfen, Elektronenstrahlverdampfen oder Katodenzerstäuben, eine Dünnschicht, z. B. aus Yttrium, Barium oder Kupfer bestehend, auf einem Träger erzeugt wird. Da diese Schichten amorph oder unzureichend kristallin und dadurch noch nicht hochtemperatur-supraleitend sind, ist eine thermische Nachbehandlung notwendig, mit der der hochtemperatursupraloitende Zustand erzeugt wird. Dazu werden die Schichten samt ihren Trägern in beheizten Wärmebehandlungseinrichtungen bei Temperaturen oberhalb 770K unter Sauerstoffeinwirkung behandelt. Ein wesentlicher Mangel beseht bei dieser Verfahrensweise darin, daß die meisten der üblichen Trägermaterialien nicht anwendbar sind, da bei den angegebenen hohen Temperaturen und der Sauerstoffeinwirkung bei der thermischen Behandlung der Schichten unerwünschte chemische Reaktionen oder Diffusionsprozesse eintreten. Das gilt besonders hinsichtlich der Trägermaterialien AI₂O₃, Saphir und Quarz. Die unter dem Gesichtspunkt einer großen thermischen Belastbarkeit geeigneten Trägermaterialien, wie SrTiOj oder ittriumstabilisiertes Zirkonoxid, haben andererseits den Nachteil, daß sie teuer sind und/oder für bestimmte Anwendungen, z. B. bei mikroelektronischen Schichtbauelementen (die für eine supraleitende Verdrahtung in Betracht kommen), nicht brauchbar oder üblich sind.

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung besteht in der Schaffung von Voraussetzungen für die kostengünstige Herstellung qualitativ hochwertiger hochtemperatur-supraleitender Bauelemente.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung hochtemperatur-supraleitender Schichten, bei dem eine thermische Behandlung unter Sauerstoffeinwirkung zur Einstellung hochtemperatur-supraleitender Eigenschaften durchgeführt wird, so zu gestalten, daß auch solche Schichtträger verwendet werden können, bei denen bei hoher thermischer Belastung unter Sauerstoffeinwirkung ein unerwünschter Diffusionsprozeß oder eine chemische Zersetzung eintritt.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die thermische Behandlung unter Sauerstoffeinwirkung mittels Laserbestrahlung durchgeführt wird, wobei mit dem Laserstrahl die Oberfläche von Schichten oder kompakten Körpern, in denen die zur Hochtemperatur-Supraleitung führenden Metalle oder Metallverbindungen enthalten sind, ganz oder teilweise bestrahlt wird.

Nach einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung wird die Laserstrahlbehandlung mit einer Laserstrahlimpulsfolge durchgeführt. Dabei werden die Wellenlänge, die Leistungsdichte und die Impulslänge der Laserimpulsfolge bei der Bestrahlung einer Schicht so eingestellt, daß die Temperatur unterhalb der Schicht 800K nicht übersteigt.

Nach der Erfindung kann die Laserbestrahlung auch mit einem kontinuierlich strahlenden Laser durchgeführt werden, wobei die Wellenlänge, die Leistungsdichte und die Bestrahlungsdauer einer Schicht so eingestellt werden, daß dieTemperatur unterhalb der Schicht 800K nicht übersteigt.

Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, daß eine hohe thermische Belastung der Schichtträger vermieden wird. Dadurch ist es möglich, die üblichen Schichtträgermaterialien ohne Einschränkung zu verwenden, bzw. werden unerwünschte Diffusionsprozesse und chemische Zersetzungsprozesse vermieden. Daraus resultieren besondere Vorteile bei der Herstellung mikroelektronischer Schichtbauelemente, wie z.B. von Computer-Chip-Modulen mit hochtemperatursupraleitenden Verdrahtungen, die unter Anwendung der Erfindung kostengünstig und mit sehr guten Qualitätsparametern herstellbar sind.

Ausführungsbeispiele

1. In einem Edelstahlreaktc - wird durch Bestrahlung eines gepreßten Targets der Zusammensetzung La₁₁₈Sr₀₁JCuO₄ mit einem Nd-Glas-Laser auf einerr Quarzsubstrat eine Schicht abgeschieden. Während der Abscheidung wird der Reaktor mittels einer im Target-Substrat-Raum endenden O₂-Gaszuführung belüftet.

Nach dem Abscheiden einer 300 nm dicken Schicht wird dieses in dem Reaktor im Sauerstoff st rom mit dem gleichen Laser thermisch nachbehandelt. Dazu wird ein Laserspiegel im Reaktor so eingestellt, daß die Strahlung nunmehr auf die Schicht trifft. Dabei beträgt die Impulsenergie 0,5 J, die Impulslänge etwa 20ns. Durch Defokussierung mittels einer Facettenlinse wird bei der Bestrahlung die Leistungsdichte so eingestellt, daß 800 Kam Substrat nicht überschritten werden. Eine lückenfreie Überdeckung der Oberfläche der Schicht mit dem Laserstrahl wird durch eine Substratbewegung sowie durch eine mindestens einmalige Wiederholung der Bestrahlung mit einem um 4 mm verschobenen Rastermuster erreicht. Die fertige Schicht besteht aus feinkristallinem La₁₁₈S-Sr₀JeCuO₄ und weist folgende Parameter auf: Spezifischer elektrischer Widerstand bei Raumtemperatur: 5 10"' Ocm, Sprungtemperatur: 29,5K.

2. Auf einem polierten AI₂O₃-Substrat, das mit einer Zirkonoxidschicht vergütet ist, wird in dem in Beispiel 1 genannten Reaktor unter Anwendung eines aus Y₂O₃-, CuO- und BaCO₃-Pulvern durch Mischen im Molverhältnis 1:8:6, Sintern bei 1100K (6h) und Pressen hergestellten Targets mittels Laserverdampfen eine Schicht abgeschieden. Vor der Beschichtung wird der Reaktor zunächst auf 10'³Pa evakuiert, mit O₂ bei Raumtemperatur bis zum Atmosphärendruck aufgefüllt, dieser Druck mindestens 10min belassen und dann auf 10"³Pa evakuiert. Zur Laserverdampfung wird ein TEA-CO₂-Laser (1-3 J/Impuls, Impulslänge 1 \is, j = 10^e-10⁸Wcm"², Wiederholfrequenz 1 Hz) verwendet. Bei der Abscheidung entsteht auf dem Substrat eine Y-, Ba-, und Cu-enthaltende dunkle Schicht. Nach Erreichen einer 400 nm dicken Schicht wird der Reaktor mit trockenem Sauerstoff aufgefüllt und die Schicht in strömendem Sauerstoff mit Laserimpulsen des TEA-CO₂-Lasers mehrfach abgerastert. Dabei wird mit einer Impulsenergie von 2 J und einer Impulslänge von 1 ps gearbeitet und der Abstand von der Fokalebene der Linse derart gewählt, daß sich das Substrat nicht über 800 K erwärmt. Die fertige Schicht besteht aus feinkristallinem YiBaL₉₅Cu₃O₇-J und weist folgende Parameter auf:

Spezifischer elektrischer Widerstand bei Raumtemperatur: 3 · 10"¹ Clcm, Sprungtemperatur: 79 K.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung hochtemperatur-supraleltender Schichten, bei dem eine thermische Behandlung unter Sauerstoffeinwirkung zur Einstellung hochtemperatur-supraleitender Eigenschaften durchgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die thermische Behandlung unter Sauerstoffeinwirkfung mittels Laserbestrahlung durchgeführt wird, wobei mit dem Laserstrahl die Oberfläche von Schichten oder kompakten Körpern, in denen die zur Hochtemperatur-Supraleitung führenden Metalle oder Metallverbindungen enthalten sind, ganz oder teilweise bestrahlt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserstrahlbehandlung mit einer Laserstrahlimpulsfolge durchgeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenlänge, die Leistungsdichte und die Impulslänge der Laserstrahlimpulsfolge bei der thermischen Behandlung einer Schicht so eingestellt werden, daß die Temperatur unterhalb der Schicht 800K nicht übersteigt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserstrahlbehandlung mit einem kontinuierlich strahlenden Laser durchgeführt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenlänge, die Leistungsdichte und die Bestrahlungsdauer bei der thermischen Behandlung einer Schicht so eingestellt werden, daß die Temperatur unterhalb der Schicht 800 K nicht übersteigt.