DD295875A5 - Verfahren zur erzeugung duenner hochtemperatursupraleitender schichten auf silicium oder galliumarsenid - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung duenner hochtemperatursupraleitender Schichten mit Perovskitstruktur auf Silicium- oder Galliumarsenid-Substraten durch laserinduzierte Plasmaabscheidung. Das Verfahren ist fuer die Herstellung supraleitender Bauelemente fuer die Mikro- und Supraleiterelektronik (z. B. von SQUID's) anwendbar und loest die Aufgabe, ohne anschlieszende Temperung des Filmes auszukommen. Das wird erreicht, indem waehrend der laserinduzierten Verdampfung gleichzeitig Sauerstoff direkt an den Wechselwirkungsbereich von Laserstrahlung und Target geleitet und mittels einer zwischen Target und Substrat angeordneten und gegenueber dem Target auf positivem Potential gehaltenen Elektrode ein elektrisches Feld zur Ausbildung einer Niedervoltentladung angelegt wird.{Hochtemperatursupraleitung; Schicht; Si; GaAs; laserinduzierte Plasmaabscheidung; Niedervoltentladung}

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung dünner hochtemperatursupraleitender Schichten mit Perovskitstruktur auf Silicium- oder Galliumarsenid-Substraten durch laserinduzierte Plasmaabscheidung ohne anschließende Temperung des Filmes. Das Verfahren ist für die Herstellung supraleitender Bauelemente für die Mikro- und Supraleiterelektronik (z. B. von SQUIDs) anwendbar.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Für die Erzeugung dünner hochtemperatur-supraleitender Y/Ba/Cu/O-, Bi/Ca/Sr/Cu/O- oder Tl/Ca/Ba/Cu/O-Filme lassen sich bevorzugt laserinduzierte Beschichtungsverfahren einsetzen. Durch laserinduzierte Beschichtungsverfahren werden dünne homogene Schichten mit hohen Abscheideraten erzeugt (D. Dijkkamp, T. Vankatesan et al., Appl. Phys. Lett. 51 [1987] S. 619). Als Targetmaterial werden meist hochtemperatursupraleitende Proben eingesetzt. Es kann aber auch, wie mittels Laserionisations-Massenspektrometrie nachgewiesen wurde (H.-J.Dietze, S.Becker, Intern. J. MassSpectrom. Ion Proc. 82 [1988J, R1-R5), ein ungesintertes Mischungstarget-bestehend aus den Oxiden der obengenannten Metalle- angewandt werden. Bei den bisher bekannten Verfahren zur Erzeugung dünner hochtemperatursupraleitender Schichten ist eine Nachbehandlung (Temperung, Annealing) im Sauerstoffstrom bei ca. 800-900⁰C notwendig, wobei beim langsamen Abkühlen (1 °C/min) die für die Supraleitung notwendige Perovskitstruktur auskristallisiert, wenn u.a. ein optimaler Einbau von Sauerstoffatomen in das Kristallgitter gewährleistet ist.

Während des Annealingprozesses des dünnen mittels laserinduzierter Plasmaabscheidung erzeugten Filmes auf einem Si- oder GaAs-Substrat finden in Abhängigkeit von der Substrattemperatur und der Reaktivität der chemischen Elemente unerwünschte Diffusions- und Interfacereaktionen statt, die zu einer signifikanten Verschlechterung der supraleitenden Eigenschaften führen (S. Becker, H.-J. Dietze, Erzeugung von supraleitenden Filmen, Preprint Zfl-Mitt. 1988). So führt z.B. die Kontamination des Filmes mit Si oder GaAs aus dem Substrat zu Gitterstörungen in der Perovskitstruktur und damit zum Sinken der Sprungtemperatur bis zum Verlust der supraleitenden Eigenschaften des dünnen Films.

Es gibt eine Reihe von Arbeiten zur Anwendung eines Kurzzeit-Annealings (M. Aslam et al., Appl. Phys. Lett. 53 [1988] S. 153), die aber bisher wenig befriedigende Ergebnisse lieferten.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist die Erzeugung von hochtemperatur-supraleitenden Schichten mit hoher Sprungtemperatur und hoher Stromtragfähigkeit ohne Annealing des Filmes auf Silicium- oder Galliumarsenidsubstraten als Voraussetzung für die Anwendung der Supraleitertechnik in der Mikroelektronik.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde,ein auf der laserinduzierten Plasmaabscheidung beruhendes Verfahren zur Erzeugung dünner Schichten mit supraleitenden Eigenschaften auf Substraten (insbesondere Silicium- oder Galliumarsenid) anzugeben, das ohne Annealing-Prozeß auskommt.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Erzeugung dünner hochtemperatursupraleitender Schichten auf Silicium- oder Galliumarsenidsubstraten besteht aus der Verdampfung von Material eines Targets, das die Elemente der zu bildenden Schicht in der erforderlichen stöchiometrischen Zusammensetzung enthält, und der Abscheidung der verdampften Teilchen auf dem Substrat und ist dadurch gekennzeichnet, daß gleichzeitig Sauerstoff direkt in den Wechselwirkungsbereich von Laserstrahlung und Target geleitet und mittels einer zwischen Target und Substrat angeordneten und gegenüber dem Target auf positivem Potential liegenden Elektrode ein elektrisches Feld zur Ausbildung einer Niedervoltentladung angelegt wird.

Durch das elektrische Feld zwischen Target (O V) und Elektrode (100-200 V) werden die im Laserplasma gebildeten Elektronen zur Elektrode beschleunigt und leiten eine Niedervolt-Entladung ein, die zwischen Target und Elektrode brennt (H.-J.Dietze und H. Zahn, Z. Exp. Techn. Phys. XX [1972] S.389). In der Niedervolt-Entladung werden die neutralen Teilchen des Laserplasmas und die Moleküle des zugeführten Sauerstoffs ionisiert. Gleichzeitig werden aus dem Katodenfleck weitere Elektronen und Neutralteilchen emittiert; letztere werden durch die positiv geladenen Ionen erzeugt, die durch das starke elektrische Feld am Rande des Katodenflecks zum Target (Katode) hin beschleunigt werden und die Targetoberfläche sputtern. Durch die Kombination von Laserverdampfung, Ionisation, im Laserplasma, Ionisation in der Bogenentladung und Sputterprozeß wird ein expandierendes Plasma mit hohem lonisationsgrad erhalten, wobei die Plasmazusammensetzung weitgehend der Zusammensetzung des Targets entspricht. Ist der Partialdruck des Sauerstoffs hoch genug (—10~³ Torr) und die durch den Laserimpuls erzeugte Teilchendichte groß, so kann die Bogenentladung auch zwischen Target-Elektrode-Substrat brennen. Der ablaufende Abscheidevorgang kann als eine „ionengestützte" Abscheidung bezeichnet werden, wobei der Schichtausbildungsprozeß durch die kinetische Energie der Ionen verbessert wird.

In der Niederdruckentladung werden durch Elektronenstoßionisation aus molekularem Sauerstoff mit Elektronen metastabile O₂ ⁺-lonen der Lebensdauer t > 1 ms gebildet. Der Beschüß des Substrats mit O₂ ⁺ -Ionen führt zur Einstellung der gewünschten Sauerstoffkonzentration im Film und aufgrund der kinetischen Energie der Ог⁺-Іопеп zu einer signifikanten Verbesserung der Filmeigenschaften.

Die Substrattemperatur beträgt dabei 450⁰C. Somit findet die Erzeugung von hochtemperatur-supraleitenden Schichten unter thermischen Bedingungen statt, die die Diffusionseffekte und chemischen Reaktionen zwischen Film und Substrat auf ein Minimum reduzieren. Die ionenaktivierte Abscheidung führt zur Ausbildung sehr homogener, epitaktischer Filme mit Perovskitstruktur ohne ex-situ Annealing im Sauerstoffstrom bei höheren Temperaturen.

Die Abscheidung kann dabei auf Halbleitersilicium oder Galliumarsenid direkt erfolgen oder auf einem Substrat mit einer Interfaceschicht mit Perovskitstruktur (wie z. B. SrTiO₃), wobei diese Interfaceschicht ein noch günstigeres epitaktisches Aufwachsen des supraleitenden Filmes ermöglicht.

Ausführungsbeispiel

Zwischen Target und Substrat wird eine Elektrode mit rechteckiger Öffnung aus hochschmelzendem Material (Tantal oder Wolfram) montiert, die auf einem positiven Potential von 200 V liegt. Als Targetmaterial wird ein Oxidgemisch der chemischen Elemente Bi, Ca, Sr und Cu im definierten Konzentrationsverhältnis eingesetzt. Als Substratmaterial wird Si oder GaAs verwendet, wobei die vorgegebene Substrattemperatur von 450^cC während der Abscheidung konstant gehalten wird. In die Nähe des Laserfokus wird über eine Düse Sauerstoff in die Abscheidekammer eingelassen, wobei der Partialdruck etwa 10^-4 Torr beträgt. Bei Laserbeschuß wird das Target ständig bewegt. Die Wechselwirkung des fokussierten Laserstrahls mit dem Targetmaterial führt zur Verdampfung der Metalloxide des Mischungstargets. Die im Laserplasma gebildeten Elektronen und negativen Ionen werden zur Elektrode beschleunigt (Positive Ionen mit einer kinetischen Energie kleiner als das Elektrodenpotential werden zurückgedrückt) und leiten eine Niedervoltentladung ein, wodurch die Spannung zwischen Elektrode und Target auf eine Bogenbrennspannung von 20 V zusammenbricht. In dieser Bogenentladung wird ein großer Teil der durch die fokussierte Laserstrahlung verdampften und durch den Sputterprozeß der Bogenentladung erzeugten neutralen Teilchen, ionisiert, wobei die positiven Ionen zum Substrat fliegen, wenn ihre Anfangsenergie > 2OeV beträgt. Durch die Kombination dieser beiden Prozesse erfolgt eine vollständige Abtragung der Oberfläche des Targetmaterials. Die zum Target beschleunigten positiven Ionen sputtern die Targetoberfläche, wobei durch den Sputterprozeß eine Stöchiometrieübertragung vom Target über das Plasma zum Substrat möglich wird, d. h., das im Target vorgegebene Konzentrationsverhältnis der Metalle wird ohne Diskriminierungseffekte in den zu erzeugenden supraleitenden Film übertragen. Während des Abscheidevorgangs werden die Laserimpulsfolgefrequenzen und die Bogenbrennzeit so synchronisiert, daß ein quasikontinuierliches Plasma brennt. Positiv geladene O₂ ⁺-lonen werden in den Film implantiert und in die epitaktisch aufwachsende Perovskitstruktur des Filmes stöchiometrisch eingebaut. Die Substrattemperatur von 450°C während des Abscheidevorganges garantiert die Beweglichkeit der abgeschiedenen Atome und Cluster im Film, was zu einer guten Homogenität des Filmes führt.

Claims (4)

1. Verfahren zur Erzeugung dünner hochtemperatursupraleitender Schichten auf Silicium- oder Galliumarsenidsubstraten, bestehend aus der Verdampfung von Material eines Targets, das die Elemente der zu bildenden Schicht in der erforderlichen stöchiometrischen Zusammensetzung enthält, und der Abscheidung der verdampften Teilchen auf dem Substrat, dadurch gekennzeichnet, daß gleichzeitig Sauerstoff direkt in den Wechselwirkungsbereich von Laserstrahlung und Target geleitet und mittels einer zwischen Target und Substrat angeordneten und gegenüber dem Target auf positivem Potential gehaltenen Elektrode ein elektrisches Feld zur Ausbildung einer Niedervoftentladung angelegt wird.

2. Verfahren nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Partialdruck des zugeführten Sauerstoffs etwa 10~⁴ Torr bis 10~³ Torr beträgt.

3. Verfahren nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Potentialdifferenz zwischen Target und Elektrode zwischen 100 und 200V beträgt.

4. Verfahren nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat während des Abscheideprozesses auf einer Temperatur von ca. 450⁰C gehalten wird.