KR0166710B1 - 고온 초전도 박막의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고온 초전도 박막의 제조방법에 관한 것으로, 알루미나 기관상에 Cu층을 형성시키고 그 위에 YBO층을 형성시킨 다음, 열처리를 행하여 CuAl₂O₄완충층과 YBCO박막을 형성시킴을 특징으로 하여 알루미나 기판/CuAl₂O₄완충층/YBCO박막의 구조를 갖도록 하여, Al이온 확산이 방지되며, YBCO박막과 알루미나 기판의 열팽창 계수 차이에 의한 미세균열의 발생이 방지되는 장점이 있으며, 비싼 단결정 기판을 사용하지 않고도 값싼 알루미나 기판상에 YBCO박막을 간단하게 제조할 수 있고, 고온 초전도 박막의 소자 응용을 위한 하이브리드 IC제작에 있어서도 라인 패턴(Line pattern)설계의 다양화 및 제작이 용이하게 한 것이다. (선택도:제3도)

Description

고온 초전도 박막의 제조방법

제1도는 종래의 방법에 있어서 기판재질에 따른 YB_a2Cu₃O_7-y고온 초전도 박막의 ρ-T특성을 나타낸 그래프이고,

제2도는 본 발명의 의한CuAl₂O₄층 형성의 EDS 뎁스 프로파일(depth profile ;심층단면)을 나타내는 것으로, 점선으로 표시된 것은 Cu이온의 프로파일 데이터(profile data)이며,

제3도는 열처리에 의한 Cu조성물 변화 및 CuAl₂O₄의 형성을 나타내는 X선회절(XRD;X-ray diffration) 패턴(pattern)이고, 제 4도는 본 발명의 방법으로 제조된 시편의 두께에 따른 ρ-T특성을 나타내는 것이다.

본 발명은 알루미나(Al₂O₃)기판상에 고온 초전도 박막을 제조하는 방법에 관한 것으로, 좀 더 구체적으로는 알루미나 기판상에 Cu박막을 형성한 후 열처리를 행하여 기판과 고온 초전도 박막사이에 CuAl₂O₄완충막을 형성시킴을 특징으로 하는 고온 초전도 박막의 제조방법에 관한 것이다.

현재까지 좋은 초전도 특성을 가진 고온 초전도 박막을 제조하기 위한 기판으로서 SrTiO₄또는 MgO 단결정을 사용하고 있으나, 이들을 고가이기 때문에 값싼 기판을 이용하기 위한 많은 연구가 진행되어 왔으며, 그 결과 알루미나 기판이 대표적 기판으로 사용되고 있다. 그러나, 알루미나 기판상에 직접 YB_a2Cu₃O_7-y계 고온 초전도 박막(이하 YBCO라 칭함)을 제조하는 경우에는 알루미나 기판과 형성된 YBCO 박막간에 화학적 반응이 일어나 A1이온이 YBCO 박막으로 확산되어 들어가 YBCO 박막의 초전도 특성이 저하되고, YBCO와 알루미나 기판과의 열팽창 계수 차이에 의하여 온도변화에 따른 미세균열(micro-crack)이 발생되는 단점이 있었다. 기한의 재질에 따른 고온 초전도 박막의 특성예는 제1도에 도시되어 있다.

따라서, 본 발명자 등은 알루미나 기판상에 Cu층을 형성시킨 다음, 이 위에 YBa_1+XO_Y(이하 YBCO라 칭함) 박막을 형성시켜 시편을 제조한 다음, 산소분위기하, 850~950℃에서 30~60분간 열처리함으로서 Cu층이 알루미나 기판과 화학반응을 일으켜 CuAl₂O₄층을 형성하는 동시에 YBO 박막과 반응하여 YBCO 박막을 형성하게 되고 생성된 CuAl₂O₄층이 알루미나 기판으로부터 확산되는 Al이온을 방지하는 역할을 발견하여 본 발명을 완성하였다.

즉, 알루미나 기판상에 Cu층과 YBO 박막을 형성시킨 후, 열처리를 행하면 Cu 층은 300˚C에서 Cu₂O가 되며, 600˚C에서는 CuO 가 되어 반응성이 뛰어난 Cu 이온으로 존재하게 되고 이 이온들이 YBO막과 알루미나 기판으로 확산됨으로써 YBO와 Cu막 사이에 일정한 두께의 YBCO 박막을 형성함과 동시에 CuAl₂O₄층을 형성하게 된다.

본 발명의 고온 초전도 박막을 제조하는 방법을 좀 더 구체적으로 설명하면 다음과 같다. 알루미나 기판상에 Cu를 금속 마스크 (mask)를 이용하거나 전자 비임(beam)혹은 저항가열에 의해 0.5~10㎛의 두께로 증착한 후, 일반적인 고상반응법에 의해 제조된 YBa_1+XO_y펠릿(pellet)을 사용하여 전자비임, 스퍼터링(sputtering)및 스크린 프린팅(Screen printing)방법으로 1.5~10㎛의 두께로 YBO 박막을 Cu층 위에 형성시켜 시편을 제조한다. YBO 박막을 제조함에 있어서 Ba원소가 Y이나 Cu원소에 비하여 반응속도가 빠르기 때문에 Ba의 조성은 X 값을 0.5~3.5로 변화시켜 조절한다.

상술한 방법으로 제조한 시편을 0.1~1기압의 사소분위기에서 850~950˚C 로 30~60분, 450~650˚C에서 3~5시간 동안 열처리를 행하여 알루미나 기판과 YBO박막사이에 CuAl₂O₄완충 층을 형성시킴과 동시에 YBCO박막을 제조한다.

본 발명에 의하여 제조된 고온 초전도 박막은 종래의 방법으로 제조된 고온 초전도 박막의 단점인 YBCO박막내로의 Al이온 확산이 방지되며, YBCO박막과 알루미나 기판의 열팽창 계수 차이에 의한 미세균열의 발생이 방지되는 장점이 있으며, 비싼 단결정 기판을 사용하지 않고도 값싼 알루미나 기판상에 YBCO 박막을 간단하게 제조할 수 있고, 고온 초전도 박막의 소자 응용을 위한 하이브리드 IC제작에 있어서도 라인 패턴(Line pattern) 설계의 다양화 및 제작이 용이한 효과가 있다.

본 발명의 고온 초전도 박막에서 Al이온의 확산을 효과적으로 방지하는 완충층으로 사용되는 CuAl₂O₄은은 Cu증착막과 알루미나 기판과의 화학적 반응에 의해서 형성되며, 형성된 Cu층의 상부 Cu층이 YBO 박막과 화학적 반응을 일으키어 YBCO 박막을 형성하는 것은 제2도 및 제3도에 도시된 도면으로 부터 쉽게 알 수 있다. 즉 제2도는 SEM/EDS 데이타로서, 점선으로 표시된 Cu이온의 뎁스 프로파일(depth profile;심층단면 )결과로부터 알 수 있듯이 Cu이온이 YBO 층으로 확산되어 들어가므로 YBCO박막이 형성되고 제3도는 XRD분석결과로 Cu층은 300˚C에서 Cu₂O 가 되며 600˚에서는 CuO 가 됨으로서 반응이 용이한 Cu이온으로 존재하게 되어 이 이온들이 YBO막과 알루미나 기판으로 확산됨으로서 YBO 와 Cu막 사이에 일정한 두께의 YBCO막을 형성함과 동시에 CuAl₂O₄층을 형성하게 된다.

YBCO 박막의 두께는 열처리 온도와 시간, Cu 층과 YBO층의 두께에 의하여 결정할 수 있으며 미반응의 YBO 층은 YBCO 박막으로부터 쉽게 분리된다. 본 발명의 제조방법으로 제조한 YBCO박막의 시편을 온도를 변화시키면서 고유저항을 측정하여 제4도에 도시하였다. 여기에서 Cu층의 두께를 3,6,9㎛로 하여 이를 각각 (a),(b),(c)로 하였다. 도면으로부터 알 수 있는 바와 같이 Cu층의 두께를 9㎛로 하여 제조하였을 경우 임계온도는 70K 이었으며, Cu층의 두께에 따라 YBCO박막의 초전도 특성이 변화됨을 알 수 있다.

Claims (2)

1. 알루미나 기판상에 Cu층을 형성시키고 그 위에 YBO층을 형성시킨 다음, 열처리를 행하여 CuAl₂O₄완충층과 YBCO 박막을 형성시킴을 특징으로 하여 알루미나 기판/ CuAl₂O₄완충층 /YBCO 박막의 구조를 갖고, 상기 Cu층은 0.5~10㎛ 의 두께로 형성시키며, 열처리시 알루미나 기판 및 YBO막과 화학적으로 반응하여 CuAl₂O₄완충층과 YBCO박막을 형성시킨 것을 특징으로 하는 고온 초전도 박막을 제조하는 방법.
2. 제1항에 있어서, 열처리는 0.1~1 기압의 산소분위기하,850~950˚C로 30~60분,450~650˚C에서 3~5시간 동안 행함을 특징으로 하는 고온 초전도 박막을 제조하는 방법.

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