DE69004148T2

DE69004148T2 - Verfahren zur Herstellung einer oxydsupraleitenden Schicht.

Info

Publication number: DE69004148T2
Application number: DE90108847T
Authority: DE
Inventors: Shigeru Okuda
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1989-05-19
Filing date: 1990-05-10
Publication date: 1994-04-28
Anticipated expiration: 2010-05-11
Also published as: JP2853161B2; CA2016028A1; EP0398164B1; JPH02307807A; CA2016028C; EP0398164A3; EP0398164A2; DE69004148D1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines supraleitenden Oxidfilms und insbesondere auf ein Verfahren zum Herstellen eines supraleitenden Oxidfilms unter Verwendung von Laserablation oder Laserablage rung.
Aus Applied Physics Letters, vol. 53, Nr. 16, 17. Oktober 1988, Seiten 1557-1559, ist das epitaxiale Aufwachsen von dünnen Filmen aus YBa&sub2;Cu&sub3;O7-x mittels eines Laserverdampfungsverfahrens bekannt. Unmittelbar nach dem Auftragen des supraleitenden Materials wird reiner Sauerstoff in die Ablagerungskammer eingeführt und die Filmtemperatur wird mittels Wärmeleitung innerhalb von ungefähr 3 Minuten auf 600ºC erniedrigt. Die Filme werden dann in strömendem Sauerstoffgas in einer Stunde auf Umgebungstemperatur abgekühlt. Mit dieser Technik wird keine zusätzliche Sauerstoffplasmaquelle für das an Ort und Stelle stattfindende Kristallwachstum benötigt. Es wird angenommen, daß der Laserstrahl selbst den notwendigen Sauerstoff bei jedem Impuls aktiviert.
Aufgrund der aktuellen Entwicklung von Lasergeräten wurde eine Laserablagerungstechnik vorgeschlagen, bei der ein Target mit einem Laserstrahl beaufschlagt wird, um das Targetmaterial zu verdampfen oder abzuschlagen und um auf einem Substrat einen Film zu bilden (siehe hierzu beispielsweise "Saisentan Laser Kako Gijutsu" herausgegeben von Hiromichi Kawasumi, CMC Shuppan).
Diese Laserablagerungstechnik weist folgende Merkmale auf:
(1)Der Film wird gewöhnlich mit hoher Geschwindigkeit gebildet.
(2) Die Zusammensetzung kann leicht gesteuert werden.
Insbesondere Laserablation mit einem gepulsten Excimerlaserstrahl, der eine hohe Energiedichte von wenigstens 0,5 bis 1 J/cm² aufweist, wird als ein Mittel zum Bilden eines dünnen, supraleitenden Oxidfilms mit Y-Ba-Cu-O, Bi-Sr-Ca-Cu- O oder Ähnlichem aufgrund ihrer Fähigkeit der Temperaturerniedrigung durch photochemische Reaktion herausgestellt (siehe hierzu beispielsweise Applied Physics Letters 53, 517 (1988) von C. C. Chang et al.).
Es wurde gezeigt, daß die Geschwindigkeit der Filmbildung bzw. Filmherstellung mittels Laserablation proportional zur Frequenz des verwendeten Laserstrahls ist. Wenn jedoch die Frequenz eines Laserstrahls zum Bilden eines supraleitenden Oxidfilms aus Y-Ba-Cu-0, Bi-Sr-Ca-Cu-O oder Ähnlichem einfach erhöht wird, ist es schwierig, Sauerstoff einzubauen, der in solchen supraleitenden Oxidfilmen enthalten sein muß, da die Geschwindigkeit der Filmbildung zu hoch ist. Wenn ein Oxidsupraleiter zu wenig Sauerstoff enthält, ist seine kritische Temperatur TC verringert. Es ist daher unzweckmäßig, die Frequenz des Laserstrahls zu erhöhen, um einfach die Geschwindigkeit der Filmbildung zu verbessern.
Konkreter ausgedrückt ist es möglich, einen Y-Ba-Cu-O-Film bei jedem Puls mit einer Dicke von ungefähr 0,1 bis 0,2 nm (1 bis 2 Å) mittels Laserablation mit einem ArF-Gaslaser herzustellen. Somit kann ein beispielsweise bei einer Laserstrahlfrequenz von 5 Hz pro Stunde ein Film mit einer Dicke zwischen 1800 nm (18000 Å) 3600 nm (36000 Å) gebildet werden. Wenn jedoch beispielsweise ein Film mit einem mit 10 Hz gepulstem Laserstrahl gebildet wird, kann in den auf diese Art und Weise gebildeten supraleitenden Oxidfilm nicht genügend Sauerstoff eingebaut werden, da die Geschwindigkeit der Filmbildung zu hoch ist, obwohl die Menge des gebildeten Films theoretisch pro Zeiteinheit verdoppelt wurde.

KURZFASSUNG DER ERFINDUNG

Folglich ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines supraleitenden Oxidfilms bereitzustellen, bei dem selbst bei hohen Filmbildungsgeschwindigkeiten genügend Sauerstoff eingebaut werden kann.
Dieses Ziel wird erreicht durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1.
Das erfinderische Verfahren zum Herstellen eines supraleitenden Oxidfilms umfaßt:
a. einen ersten Ablagerungsschritt durch Beaufschlagen eines Targets aus einem supraleitenden Oxidmaterial mit einem Laserstrahl, um unter einer Atmosphäre, die Sauerstoff enthält, aus dem Target herausgeschlagene Atome und/oder Moleküle auf einem ersten Teil eines Substrats abzulagern; und
b. einen zweiten Ablagerungsschritt während dem das Substrat bewegt wird, um unter der Atmosphäre, die Sauerstoff enthält, aus dem Target herausgeschlagene Atome und/oder Moleküle auf einem zweiten Teil des Substrats, der sich von dem ersten Teil des Substrats unterscheidet, abzulagern, und
c. der erste und der zweite Ablagerungsschritt werden wiederholt.
Unter Bezugnahme auf Fig. 1 erfolgt die Filmbildung einem ersten Teil 4 eines Substrats 3, das einem Target 1 gegenüberliegt, wenn das Target 1 mit einem Laserstrahl 2 beaufschlagt wird. Diese Filmbildung wird unter einer Atmosphäre ausgeführt, die Sauerstoff enthält. Das Substrat 3 kann in Richtung der Pfeile 5, 6, 7 und 8 bewegt werden. Wenn daher das Substrat 3 in eine der Richtungen bewegt wird, erfolgt die nachfolgende Filmbildung auf einem zweiten Teil, der sich von dem ersten Teil 4 des Substrats 3 unterscheidet. Zu dieser Zeit erfolgt auf dem ersten Teil 4 des Substrats 3, der der Filmbildung unterworfen worden ist, des Substrats 3 eine Temperung mit Sauerstoff, so daß genügend Sauerstoff in den auf diese Weise gebildeten supraleitenden Oxidfilm eingebaut werden kann. Dieses Ablagern und das Tempern mit Sauerstoff werden abwechselnd wiederholt, bis ein supraleitender Oxidfilm mit einer gewünschten Dicke vorliegt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Frequenz des Laserstrahls vorzugsweise wenigstens mit 10 Hz gewählt.
Bisher lag die Frequenz des Laserstrahls bei der Bildung eines supraleitenden Oxidfilms aus Y-Ba-Cu-O oder Bi-Sr-Ca-Cu- O mittels Laserablation gewöhnlich unter 10 Hz. Im allgemeinen kann jedoch die Frequenz eines solchen Laserstrahls auf einen Bereich von 60 bis 100 Hz erhöht werden und es ist wünschenswert, die Laserstrahlfrequenz zu erhöhen, um die Möglichkeiten des Lasergeräts genügend auszunützen und um die Menge des pro Zeiteinheit erzeugten Films zu erhöhen.
Gemäß der Erfindung wird das Substrat beispielsweise um 5 nm (50 Å) bewegt, nachdem ein Teil davon der Filmbildung unterworfen worden ist, um erneut einen Film auf einem anderen Teil zu bilden, während der Teil, der der Filmbildung zuvor unterworfen worden war, mit Sauerstoff getempert wird, um genügend Sauerstoff einzubauen. Es ist daher möglich, einen Laserstrahl mit einer Frequenz von wenigstens 10 Hz zu verwenden, wodurch die Möglichkeiten eines Lasergeräts genügend ausgenützt werden.
Mit der vorliegenden Erfindung ist es daher möglich, einen supraleitenden Oxidfilm mit hoher Geschwindigkeit unter Verwendung eines Hochfrequenzlaserstrahls zu bilden, ohne die supraleitenden Eigenschaften zu beeinträchtigen. Die vorliegende Erfindung läßt sich daher besonders vorteilhaft auf dem Gebiet magnetischer Abschirmungen, supraleitender Drahtstangen oder Ähnlichem anwenden, die die Bildung großer Mengen supraleitenden Films erfordern.
Diese und andere Ziele, Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der detaillierten Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen verdeutlicht.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist eine perspektivische Darstellung, die das Prinzip des erfinderischen Verfahrens zum Herstellen eines supraleitenden Oxidfilms illustriert;
Fig. 2 zeigt die Relation zwischen Laserstrahlfrequenz und Filmgewicht in einem Referenzbeispiel;
Fig. 3 illustriert den Zusammenhang zwischen der Laserstrahlfrequenz und der kritischen Temperatur in einem Referenzbeispiel;
Fig. 4 ist eine Draufsicht, die eine beispielhafte Art und Weise der Bewegung der Regionen darstellt, auf denen die Filmbildung erfolgt, indem das Substrat gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegende Erfindung bewegt wird.

BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN

Bevor ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beschrieben wird, wird folgendes Referenzbeispiel dargestellt:

Referenzbeispiel

Ein Target aus Y&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O6,9 wurde verwendet, um Laserablagerung mit einem ArF-Gaslaser in einer Atmosphäre mit einem Sauerstoffdruck von 26,7 Pa (200 mTorr) durchzuführen. Ein MgO-Substrat wurde verwendet mit einem Target/Substrat-Abstand von 40 mm und einer Substrattemperatur von 700ºC. Die Frequenz eines Laserstrahls mit einer Energiedichte von 1 J/Puls wurde in einem Bereich von 1 bis 50 Hz variiert, um für eine Stunde Filme bei einigen Frequenzen innerhalb dieses Bereichs zu bilden. Die Figuren 2 und 3 zeigen die Werte für Filmgewicht und kritische Temperatur TC, die sich dabei ergaben.
Wie sich aus Figur 2 ergibt, steigt das Filmgewicht mit der Frequenz an, während, wie aus Figur 3 zu ersehen, die kritische Temperatur TC des derart geformten supraleitenden Films bei Frequenzen über 10 Hz unter 77 K fällt, was bedeutet, daß in flüssigem Stickstoff keine Supraleitung vorliegt.
Nun wird ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beschrieben.

Ausführungsbeispiel

In dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wurde ein Targetmaterial, ein Laser, eine Sauerstoff enthaltende Atmosphäre, ein Substratmaterial, eine Substrattemperatur und ein Target/Substrat-Abstand verwendet, die den Werten des vorstehend erläuterten Referenzbeispiels entsprechen.
Wie aus Figur 4 zu ersehen, war die Substratgröße 60 mm x 40 mm und die Regionen, auf denen die Filmbildung stattfand, wurden jede Sekunde weiterbewegt: T T T T T T T . . . Die Energiedichte des Laserstrahls war mit 1 J/Puls gleich dem Referenzbeispiel, während seine Frequenz 40 Hz betrug.
Das nach einer Stunde Filmbildung gemessene Filmgewicht betrug 52 mg und die kritische Temperatur TC 90 K.
Wenn man das Ausführungsbeispiel der Erfindung mit dem Referenzbeispiel vergleicht, sieht man, daß die kritische Temperatur des Referenzbeispiels bei einer Laserstrahlfrequenz von 40 Hz unter 4,2 K fällt, so daß in flüssigem Stickstoff keine Supraleitung vorliegt, obwohl das Filmgewicht identisch mit dem des Ausführungsbeispiels ist. Mit dem Ausführungsbeispiel wird andererseits eine hohe kritische Temperatur TC erreicht, da genügend Sauerstoff gleichzeitig in die verbleibenden Teile bzw. Gebiete eingebaut werden kann, wenn die Filmbildung in bestimmten Teilen bzw. Bereichen durchgeführt wird.

Claims

1. Verfahren zum Herstellen eines supraleitenden Oxidfilms, mit:

einem ersten Ablagerungsschritt durch Beaufschlagen eines Targets (1) aus einem supraleitendem Oxidmaterial mit einem Laserstrahl (2), um unter einer Atmosphäre, die Sauerstoff enthält, aus dem Target (1) herausgeschlagene Atome und/oder Moleküle auf einem ersten Teil (4) eines Substrats (3) abzulagern; und

einem zweiten Ablagerungsschritt, während dem das Substrat (3) bewegt wird, um unter der Atmosphäre, die Sauerstoff enthält, aus dem Target (1) herausgeschlagene Atome und/oder Moleküle auf einem zweiten Teil des Substrats (3), der sich von dem ersten Teil (4) des Substrats (3) unterscheidet, abzulagern, so daß die Filmbildung auf dem zweiten Teil des Substrats (3) erfolgt, während der erste Teil (4) des Substrats (3), auf dem die Filmbildung zuvor erfolgt ist, mit Sauerstoff getempert wird, um den Einbau von genügend Sauerstoff zu ermöglichen,

wobei der erste und der zweite Ablagerungsschritt abwechselnd wiederholt werden.

2. Verfahren zum Herstellen eines supraleitenden Oxidfilms gemäß Anspruch 1, worin der Laserstrahl (2) ein gepulster Strahl mit einer Frequenz von 10 Hz ist.