DE69127425T2

DE69127425T2 - Prozess zur Herstellung einer dünnen supraleitenden Oxyd-Schicht

Info

Publication number: DE69127425T2
Application number: DE69127425T
Authority: DE
Inventors: Hisao Hattori; Hideo Itozaki; Tatsuoki Nagaishi
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1990-11-15
Filing date: 1991-11-15
Publication date: 1998-01-02
Anticipated expiration: 2011-11-16
Also published as: EP0486055B1; US5210070A; EP0486055A3; DE69127425D1; EP0486055A2

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer supraleitenden dünnen Oxidschicht. Spezieller bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Verfahren, das das Laserablationsverfahren zur Herstellung einer dünnen Schicht hoher Qualität von auf Bi-basierenden Oxidsupraleitern mit guten Reproduktionseigenschaften benutzt.
Oxidsupraleiter, die auf Bi-Sr-Ca-Cu-O basieren, haben bekanntlich eine kritische Temperatur von ungefähr 100 K, welche höher ist als die von Oxidsupraleitern, die auf Y-Ba-Cu-O basieren. Jedoch ist die Wahrscheinlichkeit, daß eine Bi&sub2;Sr&sub2;Ca&sub2;Cu&sub3;Ox-Phase einer hohen kritischen Temperatur gleichzeitig mit einer Phase niedriger kritischer Temperatur, die mit Bi&sub2;Sr&sub2;Ca&sub1;Cu&sub2;Oy bezeichnet wird, hoch. Daher ist die Temperatur, bei welcher der elektrische Widerstand vollständig Null wird, niedrig, obwohl der Widerstand bei einer hohen Temperatur anfängt zu fallen.
Oxidsupraleiter müssen als hochkristalline dünne Schichten gebildet werden, um sie in supraleitenden Bauelementen, sowie Josephson-Elementen und Transistoren mit supraleitender Basis zu benutzen. Anders ausgedrückt werden die einzelnen Schichten eines supraleitenden Bauelementes vorzugsweise aus einkristallinen dünnen Schichten hergestellt und die Eigenschaften des supraleitenden Bauelementes werden sich sehr stark verschlechtern, wenn es eine Schicht geringer Kristallinität enthält.
Ein Laserablationsverfahren ist eine Technik, bei der ein Target eines Ausgangsmaterials in einer Vakuumatmosphäre mit einem Laserstrahl bestrahlt wird, um ein Plasma zu erzeugen, so daß eine dünne Schicht auf einem Substrat wächst. Da keine elektromagnetischen Felder irgendeiner Art benötigt werden, wird das Laserablationsverfahren als geeignet zur Herstellung von dünne Schichten hoher Qualität angesehen.
Während verschiedene Arten von Lasern als Lichtquelle benutzt werden können, ist ein Exzimer-Laserablationsverfahren, das einen Exzimer-Laser als Lichtquelle einsetzt, fähig, dünne Schichten mit hoher Rate und doch niedriger Substrattemperatur zu erzeugen, da der eingesetzte Laserstrahl eine hohe Energie in einem Bereich kurzer Wellenlängen von 150 nm bis 400 nm hat. Dieses Verfahren hat die folgenden zusätzlichen Vorteile und hat die Aufmerksamkeit als eine Technik auf sich gezogen, die zur Herstellung von dünnen Schichten von Oxidsupraleitern geeignet ist, welche eine vielkomponentige Zusammensetzung haben:
(1) es kann eine dünne Schicht ohne Fehlanpassung der Zusammensetzung vom Target erhalten werden;
(2) die Schichtbildung kann über einen breiten Bereich von Drücken bis zu ungefähr einem Torr durchgeführt werden,
(3) die Wachstumsrate kann bis zu einem extrem hohen Wert gesteigert werden; und
(4) die auftretende Reaktion ist ein Prozeß unter Beleuchtung mit einem Licht hoher Energie, der nicht im thermischen Gleichgewicht ist.
Daher wird angenommen, daß das Exzimer-Laserablationsverfahren eine Technik ist, die geeignet zur Herstellung von dünnen Schichten von Oxidsupraleitern, die auf Bi-Sr-Ca-Cu-O basieren, ist.
Konventionelle Oxidsupraleiter, die auf Bi-Sr-Ca-Cu-O basieren, ob sie in Volumenform oder als dünne Schicht vorliegen, zeigten das Problem schlechter supraleitender Eigenschaften, da zwei Phasen mit verschiedenen kritischen Temperaturen gleichzeitig hergestellt werden. Im speziellen für Anwendungen, in denen Supraleiterbauelemente mit hoher Kristallinität benötigt werden, wurden Oxidsupraleiter, die auf Bi-Sr-Ca-Cu-O basieren, aufgrund der Schwierigkeit bei der Herstellung von einphasigen Supraleitern selten eingesetzt.
Sogar, wenn das Exzimer-Laserablationsverfahren bei der Herstellung supraleitender dünner Schichten von auf Bi-Sr-Ca-Cu- O-basierenden Oxiden benutzt wurde, war es schwierig, daß die Zusammensetzung des Targets sich richtig in der fertigen dünnen Schicht widerspiegelt, aufgrund der Wiederverdampfung des Elementes, was es unmöglich macht, dünne Schichten mit einer konstanten Zusammensetzung herzustellen.
Ein Laserablationsverfahren zur Herstellung von Bi-Sr-Ca-Cu-O- Schichten ist in Appl. Phys. Lett., Band 55, Nr. 20, 13. November 1989, Seiten 2123-2125, New York, USA; Ivanov Z. et al.: "Superconducting (Bi,Pb)-Ca-Sr-Cu-O thin films prepared in situ by laser ablation" offenbart.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung wurde unter diesen Umständen gemacht und hat als Ziel die Bereitstellung eines Prozesses, bei dem supraleitende Schichten von auf Bi-Sr-Ca-Cu-O-basierenden Oxiden in konstanter Weise hergestellt werden können, die eine vorgegebene Zusammensetzung haben.
Dieses Ziel wird mit einem Prozeß erreicht, der die Merkmale des Anspruchs 1 hat.
Der Prozeß der vorliegenden Erfindung setzt ein Laserablationsverfahren zur Herstellung einer dünnen Schicht von supraleitendem, auf Bi-Sr-Ca-Cu-O-basierendem Oxid ein.
Wenn eine dünne Schicht supraleitenden Bi&sub2;Sr&sub2;Ca&sub2;Cu&sub3;Ox-Oxids entsprechend dem Prozeß der vorliegenden Erfindung hergestellt wird, ist es vorzuziehen, daß die Oberflächentemperatur des Substrats 610 bis 670ºC ist, und wenn eine dünne Schicht supraleitenden Bi&sub2;Sr&sub2;Ca&sub1;Cu&sub2;Oy-Oxids hergestellt wird, ist es vorzuziehen, daß die Oberflächentemperatur des Substrats 680 bis 750ºC ist. Der Meßwert der Temperatur des Substrats kann abhängig von der Meßmethode abweichen und der Unterschied kann bis zu ± 40ºC sein. Bei dem Verfahren der vorliegenden Erfindung wird die Temperatur des Substrats mit einem Schicht- Thermoelement gemessen, das mit einem normalen Thermoelement kalibriert ist, und der Wert, der beim Kontaktieren des Schicht-Thermoelementes mit der Oberfläche des zu messenden Substrats erhalten wird, legt einen Standard fest.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

Fig. 1 zeigt diagrammartig ein Beispiel einer Laserablationsausrüstung, die eingesetzt wird, um den Prozeß der vorliegenden Erfindung durchzuführen.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden im Detail beschrieben. Die Ausführungsformen, die hier angegeben werden, sind nur für illustrative Zwecke und sollten in keiner Weise benutzt werden, um den technischen Rahmen der Erfindung zu begrenzen.
Fig. 1 zeigt diagrammartig ein Beispiel einer Laserablationsausrüstung, die eingesetzt werden kann, um den Prozeß der vorliegenden Erfindung durchzuführen. Die Laserablationsausrüstung, die in Fig. 1 gezeigt ist, umfaßt eine Kammer 3, die ein Lasereintrittsfenster 12, einen Sauerstoffeinlaß 13 und einen Gasauslaß 10, durch welchen das Innere der Kammer auf ein hohes Vakuum evakuiert werden kann, einen Substrathalter 5, der innerhalb der Kammer 3 angeordnet ist und der mit einer Substratheizung (nicht gezeigt) ausgerüstet ist, und eine Targethalter 7, der mit einem Motor 16 gedreht werden kann, hat.
Eine Exzimer-Laservorrichtung 1 und eine Sammellinse 2 zur Konzentration des Laserstrahls sind außerhalb der Kammer 3 positioniert.
Der Laserstrahl, der von der Laservorrichtung 1 ausgesendet wird, wird mit der Sammellinse 2 konzentriert, um durch das Fenster 12 in die Kammer 3 eingelassen zu werden, so daß er ein Target 6 von Ausgangsmaterial beleuchtet, das auf dem Targethalter 7 befestigt ist. Der Laserstrahl wird in einer solchen Weise fokussiert, daß er einen Ort beleuchtet, der leicht gegenüber dem Zentrum des Targets 6 versetzt ist. Da das Target 6 mit Hilfe des Motors 16 drehbar ist, gibt es mit der Ausrüstung, die in Fig. 1 gezeigt ist, keine Möglichkeit, daß das Target 6 ungleichmäßig durch den Laserstrahl beleuchtet wird.
Unter Gebrauch der oben beschriebenen Ausrüstung wurde eine supraleitende dünne Oxidschicht mit dem Prozeß der vorliegenden Erfindung hergestellt.

BEISPIEL 1

Ein Einkristall von MgO wurde als Substrat 4 in der Ausrüstung der Fig. 1 eingesetzt. Das Target 6 war eine Scheibe von gesintertem Pulver, das Bi, Sr, Ca und Cu in einem atomaren Bi:Sr:Ca:Cu-Verhältnis von 2:2:2:3 enthalten hat. Zur Herstellung einer supraleitenden dünnen Oxidschicht wurde der Abstand zwischen dem Substrat 4 und dem Target 6 auf 50 mm eingestellt, wobei die Temperatur der Substratoberfläche auf 650ºC gesetzt wurde. Die Temperaturmessung wurde mit einem Schicht- Thermoelement durchgeführt, das mit einem normalen Thermoelement kalibriert worden ist.
Nach dem Evakuieren der Kammer 3 auf 1 x 10&supmin;&sup7; Torr wurde Sauerstoffgas durch den Einlaß 13 eingelassen, um den Druck auf 0,4 Torr zu erhöhen. Daraufhin wurde ein Exzimer-Laserstrahl mit 1,5 J/cm² und 1 Hz auf die Targetoberfläche appliziert und die Schichtbildung wurde 10 min lang durchgeführt. Sofort danach wurde die Stromzufuhr zu dem Heizer zur schnellen Kühlung unterbrochen.
Mit Röntgenbeugung wurde verifiziert, daß die gebildete supraleitende Schicht aus einphasigem Oxidsupraleiter aus Bi&sub2;Sr&sub2;Ca&sub2;Cu&sub3;Ox zusammengesetzt ist, das in der c-Achsenrichtung orientiert ist.

VERGLEICHSBEISPIEL

Ein Einkristall von MgO wurde als Substrat 4 in der Ausrüstung der Fig. 1 wie in Beispiel 1 benutzt. Das Target 6 war eine Scheibe von gesintertem Pulver, das Bi, Sr, Ca und Cu in einem atomaren Bi:Sr:Ca:Cu-Verhältnis von 2:2:2:3 enthalten hat. Für die Herstellung einer supraleitenden dünnen Oxidschicht wurde der Abstand zwischen dem Substrat 4 und dem Target 6 auf 50 mm, wie im Beispiel 1, eingestellt, wobei die Temperatur der Substratoberfläche auf 700ºC gesetzt wurde. Die Temperaturmessung wurde unter Einsatz eines Schicht-Thermoelementes durchgeführt, das mit einem normalen Thermoelement kalibriert worden ist.
Nach dem Evakuieren der Kammer 3 auf 1 x 10&supmin;&sup7; Torr wurde Sauerstoffgas durch den Einlaß 13 eingelassen, um den Druck auf 0,4 Torr zu erhöhen. Daraufhin wurde ein Exzimer-Laserstrahl mit 1,5 J/cm² und 1 Hz auf die Targetoberfläche appliziert und die Schichtbildung wurde 10 min lang durchgeführt. Sofort danach wurde die Stromzufuhr zu dem Heizer zur schnellen Kühlung unterbrochen.
Durch Röntgenbeugung wurde verifiziert, daß die gebildete supraleitende Schicht aus einphasigem Oxidsupraleiter aus Bi&sub2;Sr&sub2;Ca&sub1;Cu&sub2;Oy zusammengesetzt war.
Wie oben beschrieben, sichert der Prozeß der vorliegenden Erfindung die Herstellung supraleitender dünner Schichten hoher Qualität von Bi&sub2;Sr&sub2;Ca&sub2;Cu&sub3;Ox-Oxid durch das Laserablationsverfahren, die bisher unerreichbar waren. Die supraleitenden dünnen Oxidschichten, die mit dem Prozeß der vorliegenden Erfindung hergestellt werden, sind optimal für den Einsatz in elektronischen Elementen, wie Josephson-Elementen und supraleitenden Transistoren.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung einer supraleitenden dünnen Schicht auf einem Substrat, wobei die Schicht aus einem einphasigen Oxidsupraleiter von Bi&sub2;Sr&sub2;Ca&sub2;Cu&sub3;Ox, das in der c-Achsenrichtung orientiert ist, zusammengesetzt ist, der die folgenden Schritte umfaßt:

Herstellung eines Targets aus einem Oxid, das Bi, Sr, Ca und Cu enthält;

Positionierung des Targets, so daß es dem Substrat in einer Kammer gegenübersteht;

Einstellen der Atmosphäre in der Kammer, daß sie einen Sauerstoffpartialdruck von 0,01 bis 1 Torr hat;

Einstellen der Oberflächentemperatur des Substrats, so daß sie in einem Bereich von 610 bis 670ºC ist; und

Bestrahlen des Targets mit einem Exzimer-Laserstrahl von ungefähr 1,5 J/cm² und 1 Hz.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das atomare Verhältnis von Bi:Sr:Ca:Cu in dem Target 2:2:2:3 ist.