DE69205911T3

DE69205911T3 - Verfahren zur Herstellung einer supraleitenden Dünnschicht aus Oxydverbindungen.

Info

Publication number: DE69205911T3
Application number: DE69205911T
Authority: DE
Inventors: Hideo Itozaki; Tatsuoki Nagaishi; Hidenori Nakanishi; Saburo Tanaka
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1991-07-29
Filing date: 1992-07-28
Publication date: 2000-03-09
Anticipated expiration: 2012-07-29
Also published as: EP0526326B2; JPH0532493A; EP0526326A3; US5258366A; DE69205911D1; EP0526326B1; DE69205911T2; EP0526326A2

Description

Hintergrund der Erfindung

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Verbesserung eines Verfahrens zur Herstellung eine supraleitenden Dünnschicht aus Verbundoxid mit einer glatten Oberfläche durch die Laserverdampfungstechnik.

Beschreibung des verwandten Gebietes

Die Supraleitfähigkeit wurde während einer langen Zeit als ein Phänomen angesehen, welches nur bei äußerst niedrigen Temperaturen zu beobachten ist, die mit flüssigem Helium als Kühlmittel verwirklicht werden können. Jedoch wurde die Möglichkeit der Existenz eines neuartigen supraleitenden Materials 1986 durch Bednorz und Müller beschrieben, welche entdeckten, daß (La,Sr)&sub2;CuO&sub4; bei 30 K supraleitend war. In den Vereinigten Staaten von Amerika entdeckten C. W. Chu et al. 1987 als weiteres supraleitendes Material YBa&sub2;Cu&sub3;O7-δ mit einer kritischen Temperatur von ungefähr 90 K. Maeda et al. entdeckten ein supraleitendes Material vom sogenannten Wismuth-Typ. Dies bedeutet die Möglichkeit eines verstärkten Einsatzes von Supraleitern höher Tc, da die Supraleitfähigkeit mit dem billigen flüssigen Stickstoff als Kühlmittel verwirklicht werden kann.
Dieser neuartige supraleitenden Materialien wurden in Form einer gesinterten Masse durch die Pulvermetallurgie herstellt, können jedoch auch als Dünnschicht mit sehr hoher Qualität erzeugt werden.
Die Laserverdampfungstechnik ist eine der vielversprechendsten Techniken. In der Tat können supraleitende Dünnschichten mit verbesserten supraleitenden Eigenschaften durch die Laserverdampfungstechnik hergestellt werden, ohne daß eine Nachbehand lung wie z. B. ein Glühvorgang dünner auf einem Substrat abgeschiedener Schichten erforderlich ist (siehe z. B. EP-A-0265886).
Zwar können supraleitende Dünnschichten aus einem Oxid mit sehr hoher Qualität durch die Laserverdampfungstechnik hergestellt werden, jedoch weist diese Laserverdampfungstechnik noch den Nachteil auf, daß unerwünschte feine Oxidteilchen auf der Oberfläche der erhaltenen Dünnschicht erzeugt werden. Das Vorhandensein derartiger feiner Teilchen ist jedoch bei der Herstellung supraleitender Einrichtungen unerwünscht, welche eine glatte supraleitende Dünnschicht erfordern.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, diesen Nachteil zu vermeiden und ein neuartiges Verfahren zur Herstellung einer supraleitenden Dünnschicht durch Oxidverarbeitung zu schaffen mit einer verbesserten Oberflächeneigenschaft und zwar mittels der Laserverdampfungstechnik.

Zusammenfassung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren zur Herstellung einer supraleitenden Dünnschicht aus Verbundoxid nach Anspruch 1.
Die Erfinder untersuchten den Übertragungspegel eines auf ein Target während der Laserverdampfung auftreffenden Laserstrahls und stellten fest, daß der Pegel sich mit der Zeit ändert und variiert. Andererseits weist ein Laserstrahl eine Energieverteilung auf mit einem intensiven Peak in der Mitte des Auftrefflecks des Laserstrahls auf der Targetoberfläche. Daraus erfolgt, daß eine vollständige Verdampfung nicht in demjenigen Bereich erzeugt werden kann, welcher nicht mit ausreichender Laserenergie bestrahlt wird. Aus dem derartigen Bereich herausgeschlagenes oder verdampftes Targetmaterial kondensiert und wird auf der Targetoberfläche abgeschieden und bildet dadurch die unerwünschten feinen Oxidteilchen.
Erfindungsgemäß wird nun die rückwärtige Fläche des Targets zwangsweise gekühlt während der Laserverdampfung, so daß bei entsprechender vorgegebener Kühlung nicht mehr vereinzeltes Targetmaterial aus dem obenerwähnten Bereich herausge schlagen wird, in dem der Laserstrahl keinen ausreichenden Energiepegel aufweist, wodurch die Ausbildung oder die Abscheidung der feinen Oxidteilchen wirksam verhindert wird.
Beim Laserverdampfungsverfahren trifft ein Laserstrahl auf die Oberfläche eines Targets auf und erzeugt dort einen Laserstrahlfleck auf der Oberfläche. Wie oben erwähnt, weist dieser Fleck eine vorgegebene radiale Verteilung der Laserenergie dergestalt auf, daß in der Mitte des Flecks die höchste Energiedichte herrscht, wobei der Energiepegel des Laserstrahls mittels der Laserverdampfung sich mit der Zeit ändert oder variiert. Eine theoretische Erklärung der Tatsache, daß die Oberflächeneigenschaft einer dadurch erhaltenen Dünnschicht durch die Kühlung des Targets gemäß der vorliegenden Erfindung verbessert wird, ist derzeit nicht möglich.
Die Kühlung der rückwärtigen Fläche des Targets kann durch jede beliebige Technik erzielt werden. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird ein Kühlrohr innerhalb des Targethalters angeordnet, durch welches eine Kühlflüssigkeit z. B. Wasser, strömt. Die Kühlflüssigkeit durchströmt fernerhin eine außerhalb der Vakuumkammer angeordnete Kühleinheit.
Die Temperatur der rückwärtigen Fläche des zu kühlenden Targets kann experimentell bestimmt werden. Beispielsweise wird die rückwärtige Fläche eines Targets auf 10ºC abgekühlt, wenn der Laserstrahl eine Energiedichte von 1,5 bis 2,0 J/cm² besitzt und auf ein Oxidtarget mit einer Dicke von 2 mm bei einem Abstand zwischen dem Target und dem Substrat von 50 mm auftrifft. Der Energiepegel hängt hauptsächlich von der Art des Targetmaterials ab und kann leicht experimentell bestimmt werden. Vorteilhaft ist es, wenn die rückwärtige Fläche des Targets auf eine Temperatur von weniger als 30ºC während der Verdampfung abgekühlt wird. Eine spezielle untere Grenze für diese Temperatur besteht nicht.
Bei einem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung wurde ein dünnes Target vorteilhafterweise verwendet, um so eine erhöhte Kühlwirkung von der rückwärtigen Fläche auf die Targetoberfläche zu erhalten. Das Target weist vorzugsweise eine Dicke von weniger als 5 mm und insbesondere von weniger als 2 mm auf.
Die Laserverdampfungstechnik selbst ist gut bekannt, wobei herkömmliche Betriebsbedingungen in der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden können. Im folgenden werden typische Betriebsparameter genannt:
Substrattemperatur 600 bis 700ºC
Gasdruck in der Kammer 133,32 bis 1333,2 dPa (100 bis 1000 m Torr)
Abstand zwischen Target
und Substrat 40 bis 100 mm
Laserdichte 1,0 bis 3,0 J/cm²
Abscheiderate 10 bis 1000 A/min
Obwohl jeder Laser verwendbar ist, wird im allgemeinen ein Excimer-Laser verwendet.
Als Substrat dient vorzugsweise ein Einkristallsubstrat aus Oxid, z. B. aus MgO, SrTiO&sub3;, LaAlO&sub3;, LaGaO&sub3; und yttriumstabilisiertem Zirkoniumdioxid (YSZ).
Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich einsetzen zur Herstellung von Dünnschichten aus allen bekannten Supraleitern mit hoher Tc, z. B. La-Sr(Ba)-Cu-O, Y-Ba-Cu-O, Bi- Sr-Ca-Cu-O und TI-Ba-Ca-Cu-O.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es, in stabiler oder reproduzierbarer Weise supraleitende Dünnschichten aus Verbundoxid mit verbesserten Oberflächeneigenschaften und verbesserten supraleitenden Eigenschaften herzustellen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 zeigt den Aufbau einer schichtbildenden Vorrichtung, die in dem erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzt werden kann.
Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung weist eine Vakuumkammer 1 auf, in der ein Substrathalter 2 und ein Targethalter 3 angeordnet sind, wobei ein Laser 5 einen La serstrahl auf das Target durch ein transparentes Fenster 4 in der Vakuumkammer 1 hindurch richtet.
Der Substrathalter 2 und der Targethalter 3 sind derart aufgebaut, daß sowohl das Substrat 6 als auch das Target 7 in einer gewünschten Höhe, einer beliebigen Ausrichtung und eine geeigneten Winkel angeordnet werden können. Der vom Laser 5 ausgesandte Laserstrahl wird durch ein optisches System 8 gebündelt.
Der Targethalter 3 ist mit einer Wasserhülle 3a versehen, die mit einem Wasserkreislauf 9a, 9b und 9c in Verbindung steht. Im Kreislauf 9c ist eine Kühleinrichtung 9 vorgesehen.
Das Target 7, das vom Targethalter 3 gehalten wird, kann durch die Wasserhülle 3a während der Schichtausbildung wirksam gekühlt werden.

Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels

Im folgenden wird die Erfindung im Zusammenhang mit einem Ausführungsbeispiel beschrieben, ohne daß diese dadurch begrenzt wird.
Eine supraleitende Dünnschicht aus einem Y-Verbundoxid wurde mit der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung hergestellt.
Eine Dünnschicht wurde auf der (100)-Ebene eines MgO-Einkristallsubstrats durch das Laserverdampfungsverfahren abgeschieden. Als Target diente ein Sinterkörper aus einem Verbundoxid mit der Zusammensetzung YBa&sub2;Cu&sub3;Oy. Die Betriebsbedingungen sind in Tabelle 1 zusammengefaßt.

Tabelle 1

Substrattemperatur 700 (ºC)
Gasdruck 533,3 dPa (400(mTorr))
Laserenergiedichte 1,5 bis 2,0 (J/cm²)
Schichtdicke 2000 (Å)
Das Target 7 wurde am gekühlten Targethalter 3 mittels Silberpaste derart befestigt, so daß eine hohe thermische Leitfähigkeit oder ein thermischer Kontakt verwirklicht wurde Der Abstand zwischen dem Target und dem Substrat wurde auf 70 mm eingestellt und die Abscheiderate auf 300 Å/min.
Zum Vergleich mit dem erhaltenen Muster (Muster 1) wurde das Verfahren zur Herstellung eines zweiten Musters (Muster 29 wiederholt und zwar in der gleichen Vorrichtung, ohne daß jedoch das Target gekühlt wurde.
Die Dichte der Oxidteilchen auf der Oberfläche des Substrats wurde mittels eines Rasterelektronenmikroskops für Oberflächen (SEM) bestimmt, wohingegen die supraleitenden Eigenschaften durch herkömmliche Verfahren bestimmt wurden.
Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 zusammengefaßt. Die kritische Stromdichte (Jc) wurde bei 77 k bestimmt. Tabelle 2

Claims

1. Verfahren zur Herstellung einer supraleitenden Dünnschicht aus Verbundoxid, bei dem es sich um einen Supraleiter mit hoher Tc handelt, auf einem Substrat durch eine Laserverdampfungstechnik, dadurch gekennzeichnet, daß die rückwärtige Fläche des verwendeten Targets während der Schichtausbildung zwangsweise gekühlt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die rückwärtige Fläche des Targets auf eine Temperatur von weniger als 30ºC während der Verdampfung gekühlt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das Target eine Dicke von weniger als 5 mm aufweist.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem der Laserstrahl eine Energiedichte zwischen 1,0 und 3,0 J/m² aufweist.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem das Substrat auf eine Temperatur zwischen 600 und 750ºC aufgeheizt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem der Gasdruck in der Abscheidekammer auf einen Wert zwischen 133,32 und 1333,2 dPa (100 und 1000 m Torr) eingestellt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem der Abstand zwischen Target und Substrat auf einen Wert zwischen 40 und 100 mm eingestellt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem die Abscheiderate auf einen Wert zwischen 10 und 1000 Amin eingestellt wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem das Verbundoxid ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus La-Sr(Ba)-Cu-O, Y-Ba-Cu-O, Bi-Sr-Ca- Cu-O und TI-Ba-Ca-Cu-O.