DE3822599C2

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Info

Publication number: DE3822599C2
Application number: DE3822599A
Authority: DE
Inventors: Rainer Dr. 8000 Muenchen De Bruchhaus; Wolf-Eckhard 8000 Muenchen De Bulst; Richard Dr. 8019 Steinhoering De Einzinger; Ludwig 8905 Mering De Hofmann; Winfried Dr. 8025 Unterhaching De Holubarsch; Harald Dr. 8000 Muenchen De Schmidt
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1988-07-04
Filing date: 1988-07-04
Publication date: 1993-08-26
Also published as: DE3822599A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Herstellungsverfahren für Hochtemperatur-Supraleiter-Schichten, wie es im Oberbe griff des Patentanspruches 1 angegeben ist.

Hochtemperatur-Supraleiter-Schichten aus Y-Ba₂Cu₃O_x können mittels Laserabscheidung, ausgehend von einem Target aus dem vorgenannten Material, auf einem Lithiumniobat-Substrat bei einer Substrattemperatur von etwa 400°C dünnschichtig abge schieden werden. Dieses Verfahren erfordert jedoch ein an schließendes Glühen in Sauerstoff bei einer hohen Temperatur von etwa 850°C.

Bei eingehenden Untersuchungen solcher Supraleiter-Dünnschich ten auf Lithiumniobat wurde jedoch festgestellt, daß diese dünnen Supraleiterschichten Risse haben. Es wird angenommen, daß diese Risse auf den unterschiedlichen thermischen Ausdeh nungskoeffizienten des Substratmaterials und des Schichtmate rials Yttrium-Barium-Kupfer-Oxid beruhen. Außerdem wurde auch festgestellt, daß in derart hergestellten Schichten inhomogene Verteilung von Yttrium, Barium und Kupfer vorliegt. Schließlich konnte auch nachgewiesen werden, daß eine Diffusion von Lithium und Niob in das Yttrium-Barium-Kupfer-Oxid-Material der dünnen Schicht vorliegt.

Zu bisherigen Herstellungsverfahren von Yttrium-Barium-Kupfer- Oxid-Supraleiter-Schichten auf Lithiumniobat liegt das nach folgend angegebene Preprint vor:
"Substrate Effects on the Properties of Y-Ba-Cu-O Super conducting Films Prepared by Laser Deposition" T. Venkatesan, C. C. Chang, D. Dÿkkamp, S. B. Ogale, E. W. Chase, L. A. Farrow, D. M. Hwang, P. F. Miceli, S. A. Schwarz, J. M. Tarascon,
Bell Communications Research, Red Bank, NJ 07701, X. D. Wu and A. Inam,
Physics Department, Rutgers University, Piscataway, NJ 08854.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es Maßnahmen anzugeben, mit denen Yttrium-Barium-Kupfer-Oxid-Schichten als rißfreie Supraleiter-Schichten auf Lithiumniobat-Substrat hergestellt werden können, wobei auch inhomogene Verteilung der Supra leiterelemente und Eindiffusion von Lithium und Niob ausrei chend vermieden sein soll.

Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren nach dem Patentanspruch 1 gelöst und weitere Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Für die vorliegende Erfindung wird eine Maßnahmenkombination benutzt, die sich erheblich vom Stand der Technik unterschei det. Gemäß einem Merkmal der Erfindung werden die Schichten mittels Hochfrequenz-Magnetron-Hochleistungszerstäubung mit Dunkelraum abschirmung erzeugt, wobei ein Target verwendet wird, das eine Keramik des stöchiometrischen Materials Y₁Ba₂Cu₃O_x ist. Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird auf ein Lithium-Niobat-Sub strat aufgestäubt, das sich auf einer Temperatur im Bereich von 500 bis 700°, vorzugsweise 550 bis 670°, insbesondere um 640°C, befindet. Bei auf derartigen Temperaturen befindlicher Ober fläche des Substrats wächst das Yttrium-Barium-Kupfer-Oxid- Material in situ kristallin und texturiert auf, wie dies durch Nachprüfung bestätigt werden konnte. Bei Vorgehen entsprechend der Erfindung ist weiteres Kristallisationsglühen bei höheren Temperaturen nicht mehr erforderlich.

Dieser erfindungsgemäß durchgeführte "Niedertemperatur"-Prozeß vermeidet thermische Fehlanpassung zwischen dem Substrat und der auf dem Substrat aufgestäubten und kristallin und textu riert aufgewachsenen Supraleiter-Schicht. Erfindungsgemäß hergestellte Schichten haben auch gute Haftfestigkeit auf dem Substrat und haben sich als rißfrei erwiesen. Es konnte nach gewiesen werden, daß bei erfindungsgemäßem Vorgehen nur noch vernachlässigbare Diffusion von Lithium und Niob in das Material der kristallinen supraleitenden Schicht auftritt.

Um den erforderlichen Sauerstoffgehalt für hohe Sprungtempera tur T_C mit elektrischem Widerstand gleich Null in den Schichten zu erhalten, wird dem Gas in der Zerstäuberanlage, bevorzugt ist dies Argon, noch Sauerstoff beigemischt. Es hat sich gezeigt, daß Sauerstoffbeimischungen zwischen 5 und 30% zu günstigen Er gebnissen führen. Insbesondere ist die Sauerstoffbeimischung zwischen 5 und 20%, vorzugsweise um 10% zu bemessen. Es ist wichtig, daß diese Sauerstoffkonzentration wenigstens in der Umgebung des Substrats bzw. der aufwachsenden Schicht vorliegt. Z. B. kann diese Sauerstoffkonzentration mittels einer "Sauer stoffdusche" bewirkt werden, wobei Zuführung von Sauerstoff mit Temperaturen bis zur Temperatur des Substrats von Vorteil ist.

Nach Beendigung des Aufstäubeprozesses wird noch in der Zer stäuberanlage eine Temperaturbehandlung der auf dem Substrat befindlichen Schicht bei Temperaturen zwischen 400°C bis 500°C für eine Dauer um etwa eine halbe Stunde durchgeführt. Während dieses Prozeßschrittes wird das Material der dann supraleiten den Schicht, wie erforderlich, mit Sauerstoff beladen. Es wird dabei mit praktisch reinem Sauerstoff gearbeitet.

Als Beispiel für Parameter des Zerstäubungs-Prozesses seien angegeben:

Basisdruck
P = 10^-5 mbar
Druck beim Aufstäuben	P = 4·10^-2 mbar
Aufstäubeleistung	P = 100 W
DC-Potential	70 Volt
Aufstäubungsgeschwindigkeit	r = 250 nm/h

Mit der Erfindung lassen sich auf Lithiumniobat-Substrat dünne supraleitende Schichten herstellen, die kristallin und mit der c-Achse senkrecht zur Oberfläche des Substrats texturiert sind.

Für die Supraleitung ergibt sich eine vorteilhaft hohe Sprung temperatur T_C.

Durch entsprechende, an sich bekannte, zusätzliche Maßnahmen, können nach der Erfindung Supraleiter-Schichten hergestellt werden, die vorgegebene (Flächen-)Strukturen haben, z. B. Lei terbahnen und dgl.

Die Figur zeigt eine Zerstäubungsapparatur 1, wie sie für die Erfindung verwendet worden ist. Mit 2 ist das Target, mit 3 das Substrat, auf das die Schicht aufzustäuben ist, mit 4 eine Heizung für das Substrat 3 und mit 5 die Dunkelraumabschir mung bezeichnet. Mit 6 ist eine ringförmige Einrichtung "Sauer stoffdusche" bezeichnet, mittels derer Sauerstoff, wie durch die Pfeile 7 angegeben, durch die Düsenöffnungen 8 hindurch in wenigstens die nähere Umgebung der auf dem Substrat aufwach senden Schicht 9 zugeführt wird.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung einer supraleitenden Schicht aus Material des Systems Y₁Ba₂Cu₃O_x auf Lithiumniobat, wobei das Material dieser Schicht durch Abscheidung auf der Oberfläche des Substrats bei höheren Temperaturen erfolgt, gekennzeichnet dadurch,
daß die Abscheidung durch Hochfrequenz-Magnetron-Hochleistungszerstäubung unter Verwendung eines keramischen Targets (2) erfolgt, wobei das Material des Targets stöchiometrisches Y₁-Ba₂-Cu₃-Oxid der Schicht (9) ist,
daß das Aufstäuben und Aufwachsen auf der Substratoberfläche (3) bei Temperaturen zwischen 550 und 700°C erfolgt,
daß dem Zerstäubungsgas in der Zerstäubungsapparatur (1) wenig stens in der Umgebung der aufwachsenden Schicht (9) 5 bis 30% Sauerstoff, bezogen auf das Zerstäubungsgas, beigemischt ist und
daß nach erfolgtem kristallinen und texturierten Aufwachsen der Schicht (9) noch in die Zerstäubungsapparatur (1) praktisch rei ner Sauerstoff gegeben wird, um während wenigstens etwa einer halben Stunde die Schicht mit Sauerstoff zu beladen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß das Aufstäuben und texturiert kristalline Aufwachsen bei Temperaturen zwischen 550 und 670° durchgeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, daß dem Zerstäubergas 5 bis 20% Sauerstoff beigemischt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, daß Sauerstoff mit Temperaturen bis zur Temperatur des Substrats in die nähere Umgebung der aufwachsenden Schicht (9) zugeführt wird.