KR100194617B1 - 펄스레이저를 사용한 YBa2Cu3O7-X 고온초전도 박막의 증착방법 - Google Patents

펄스레이저를 사용한 YBa2Cu3O7-X 고온초전도 박막의 증착방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 펄스레이저를 사용한 YBa2Cu3O7-x고온초전도 박막의 증착방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 펄스레이저를 사용한 YBCO 고온초전도 박막증착 방법은, 펄스레이저를 YBCO 고온초전도 소결체 타깃의 표면에 조사하여 기판에 고온초전도 박막을 증착하는 펄스레이저 박막증착 방법에 있어서, 상기한 YBCO판에 소결체 타깃을 연속회전시키면서, YBCO 소결체 타깃 표면에 조사되는 펄스레이저의 입사수, 입사율 및 입사 에너지밀도를 제어함으로써 YBCO 소결체 타깃표면의 평탄화를 유지하여 고온초전도 박막을 증착하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 YBCO 고온초전도 박막증착방법에 의하면, 표면입자밀도가 104개/㎠이하로 대폭 감소되어, 초전도 특성이 보다 우수한 YBCO 고온초전도 박막을 형성할 수 있다는 것이 확인되었다.

Description

펄스레이저를 사용한 YBa2Cu3O7-x고온초전도 박막의 증착방법(Deposition method of YBa2Cu3O7-xhigh temperature superconductor thin film by pulsed laser)
제1도는 펄스레이저를 사용하여 YBCO 고온초전도 박막을 증착하는데 사용되는 펄스레이저 박막증착장치의 개략적인 구성도.
제2도는 YBCO 타깃표면에 조사된 펄스레이저의 중복입사수에 따른 YBCO증착박막의 표면입자밀도의 변화에 대한 그래프.
제3도는 YBCO 타깃표면에 조사된 펄스레이저의 입사율에 따른 YBCO 증착박막의 표면입자밀도의 변화에 대한 그래프.
제4도는 YBCO 타깃표면에 조사된 펄스레이저의 입사에너지 밀도에 따른 YBCO 증착박막의 표면입자밀도의 변화에 대한 그래프.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 타깃 2 : 기판
3 : 기판가열기 4 : 가스공급노즐
5 : 펄스레이저 집광렌즈 6 : 펄스레이저 빔
7 : 펄스레이저 광선입사창 8 : 타길부착기
9 : 진공증착실 10 : 터보분자식 펌프
11 : 풀룸
본 발명은 펄스레이저를 사용한 YBa2Cu3O7-x고온초전도 박막의 증착방법에 관한 것이다. 좀 더 구체적으로, 본 발명은 펄스레이저(pulsed laser)를 사용하여 YBa2Cu3O7-x(이하, 'YBCO'라 칭함) 고온초전도 박막을 증착시, 평탄한 표면을 지닌 YBCO 소결체 타킷을 사용하여 박막표면에 존재하는 표면입자밀도를 최소화함으로써, 초전도 특성이 보다 우수한 YBCO 고온초전도 박막을 증착하는 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 펄스레이저를 YBCO고온초전도 소결체 타깃의 표면에 조사하여 기판에 고온초전도 박막을 증착하는 펄스레이저 박막증착공정에서는, 증착된 박막표면에 직경이 0.5~10μm정도의 구형입자들(이하, '표면입자'라 칭함)이 약 106개/㎠의 밀도로 존재하게 된다.
이러한 표면입자는 박막표면의 평탄성을 떨어뜨리게 되어, 고온초전도 박막의 마이크로파 표면저항(microwave surface resistance) 및 에피텍셜 다층박막(epitaxial multilayer)의 제조에 유해하게 작용하게 된다. 증착된 박막의 표면입자밀도는 펄스레이저가 조사되는 타깃표면의 평탄성과 밀접하게 연관되어 있는 것으로 알려져 있다. 또한, 레이저가 타깃표면에 중복조사되어 레이저와 타깃표면 물질간의 반응에 의해 타깃표면에서 돌기들이 생성되고 타깃표면의 평탄성이 상실되면, 돌기들 사이의 영역에서 액상입자들의 방출이나 돌기 끝부위(tip)가 방출되어 박막표면 상의 표면입자 밀도증가가 현저히 발생하는 것으로 알려져 있다.
이러한 문제점을 해결하여 최소의 표면입자밀도를 지닌 YBCO 박막을 증착하기 위한 종래의 펄스레이저 증착법에서는, 타킷표면의 평탄성을 유지하기 위해 열전도도가 우수한 Ag가 첨가된 YBCO 소결체 타깃을 사용하거나, YBCO 소결체 타깃의 표면을 CO2레이저로 주사(scan)하거나, 레이저 입사빔을 집광하는 광학렌즈를 타깃표면에 대하여 주사하거나, YBCO 타깃을 연속회전시키는 동시에 상하로 진동시켜 펄스레이저가 타깃의 표면전체에 주사되도록 하는 방법을 사용하였다.
그러나, 상기한 종래의 기술은 다음과 같은 문제점을 지니고 있었다 :
첫째, Ag가 첨가된 타깃을 사용하는 경우에는 증착된 YBCO 박막의 표면에 Ag가 석출되어 증착된 YBCO 박막의 초전도성이 저하된다.
둘째, 타깃표면에 Co2레이저를 주사하는 경우에는 타깃표면의 상분리에 의해 타깃표면의 조성이 변화되어 증착된 YBCO 박막의 초전도성이저하된다.
셋째, 타깃표면 전체에 펄스레이저를 주사하는 경우에는 레이저 조사에 의해 발생한 플라즈마의 중심위치가 계속변화되어 비균질한 박막이 증착됨으로써 YBCO 박막의 초전도성이 저하된다.
결국, 본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 펄스레이저를 사용하여 YBCO 고온초전도 박막을 증착하는데 있어서, 통상의 연속회전하는 YBCO 소결체 타깃을 사용하고 타깃에 조사되는 펄스 레이저의 공정변수를 제어함으로써, 평탄한 표면상태를 지닌 YBCO 소결체 타깃을 사용하여 증착박막의 표면입자밀도를 최소화하고, 그 결과 초전도 특성이 보다 우수한 YBCO 고온초전도 박막을 증착할 수 있는 방법을 제공함에 있다.
상기한 목적을 달성하는 본 발명에 따른 펄스레이저를 사용한 YBCO고온초전도 박막증착 방법은, 펄스레이저를 YBCO 고온초전도 소결체 타깃의 표면에 조사하여 기판에 고온초전도 박막을 증착하는 펄스레이저 박막증착 방법에 있어서, 상기 YBCO 소결체 타깃을 연속회전시키면서, YBCO 소결체 타깃 표면에 조사되는 펄스레이저의 입사수, 입사율 및 입사 에너지밀도를 제어함으로써 YBCO 소결체 타깃표면의 평탄화를 유지하여 고온초전도 박막을 증착하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기한 펄스레이저 입사수는, YBCO 소결체 타깃의 일정한 동일부위에 중복조사되는 펄스레이저의 입사수가 1 내지 100회로 조사되도록 유지하는 것이 바람직하다.
또한, 상기한 펄스레이저의 입사율은,YBCO 소결체 타깃의 일정한 동일부위에 조사되는 펄스레이저의 입사율이 1 내지 10Hz의 입사율이 되도록 조정하는 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는, 1Hz로 조정한다.
이울러, 상기한 펄스레이저의 입사 에너지밀도는 0.9 내지 1.2J/㎠로 조정하는 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는, 1J/㎠로 조정한다.
본 발명에 의해 증착되는 최소의 표면입자를 지닌 YBCO 고온초전도 박막은 평탄한 표면상태를 지닌 YBCO 소결체 타킷을 사용하는 펄스레이저 증차공정에 의해 얻어진다.
특히, 본 발명은 펄스레이저 증착공정시 펄스레이저의 중복입사수와 입사율 및 입사에너지 밀도를 제어함으로써, 표면이 평탄한 YBCO 소결체 타깃을 사용하여 표면입자밀도가 대폭적으로 저하된 고온초전도 박막을 증착하는 것을 특징으로 한다,
본 발명의 첫번째 특징은 YBCO 고온초전도 박막을 증착하기 전에 연마된 YBCO 소결체 타깃을 연속회전시키면서 일정한 입사수로 펄스레이저를 타깃표면에 조사하는 데 있다. 이는 연마된 YBCO 소결체의 타깃표면에 부착된 파쇄입자들을 제거하기 위한 것이다.
또한, 본 발명의 두번째 특징은 YBCO 소결체 타깃의 일정한 동일 부위에 중복조사되는 레이저 입사수가 1 내지 100회로 조사되도록 하여 YBCO 박막을 증착하는데 있다. 레이저 입사수가 100 회이상 중복조사된 YBCO 소결체 타깃표면에서는 돌기들이 생성되어 타깃표면의 평탄성이 상실되고, 돌기들 사이에서 방출되는 액상물질이 YBCO 박막표면에 증착되어 표면입자밀도를 증가시키게 되며, 그 결과 YBCO 박막의 초전도성이 저하되게 된다.
아울러, 본 발명의 세번째 특징은 YBCO 소결체 타깃의 일정한 동일부위에 조사되는 레이저 입사율을 1 내지 10Hz의 입사율로 조종하여 YBCO 고온초전도 박막을 증착하는데 있다. 레이저 입사율이 증가하게 되면, 레이저가 조사된 타깃표면에서 생성되는 돌기의 성장속도가 빨라져 돌기들 사이에 방출되는 액상물질이 YBCO 박막표면에 증착됨으로써, 표면입자밀도를 증가시키게 된다.
또한, 본 발명의 네번째 특징은 YBCO 소결체 타깃에 사용되는 입사레이저의 에너지밀도를 0.9 내지 1.2J/㎠로 조정하여 YBCO 박막을 증착하는데 있다. YBCO 소결체 타깃에 조사되는 에너지 밀도가 0.9J/㎠미만일 때는 레이저가 조사된 타깃표면에서 물질의 방출이 비정량적(nonstochimotery)이 되어 타깃표면에 증착된 후 표면입자밀도를 증가시키게 된다. 한편, 입사레이저의 에너지 밀도가 1.2J/㎠이상인 경우에는, 타깃표면에 생성된 돌기끝(tip) 부위가 타깃표면에서 방출되어 YBCO박막에 부착됨으로써, 표면입자밀도가 증가하게 된다.
그러나, 에너지 밀도가 0.9 내지 1.2J/㎠의 부근에서는 YBCO 타깃물질의 방출이 개시되는 문턱에너지(threshold energy)값에 해당하므로, 타깃표면의 돌기생성이최소로 되고, 상대적으로 평탄한 타깃표면이 유지되어, YBCO 박막표면의 표면입자밀도가 최소로 된다.
이하, 본 발명에 따른 펄스레이저를 사용한 YBCO 고온초전도 박막의 증착방법에 대한 바람직한 실시예를 첨부도면을 사용하여 보다 상세히 설명한다.
펄스레이저를 사용하여 YBCO 고온초전도 박막을 증착하는데 사용되는 펄스레이저 박막증착장치의 개략적인 구성도를 제1도에 나타내었다.
제1도에 도시된 바와 같이, 진공증착실(9)내에 원판형태의 YBCO 소결체 타깃(1)을 타깃부착기(8)에 부착하고, 타깃(1)의 맞은 편으로부터 일정한 거리에는 기판가열기(3)에 부착된 산화물 단결성기판(2)이 놓이게 된다. 이어서, 진공증착실(9)의 진공도를 터보분자식 펌프(10)을 사용하여 10-6Torr의 압력으로 유지시키면서 기판가열기(3)로 기판(2)을 가열하여 기판의 온도를 700℃ 내지 800℃로 승온한다. 그 후, 고순도 산소기체를 가스공급노즐(4)를 통하여 진공증착실(9) 내부로 주입하여 100mTorr로 유지한 다음, 파장이 308nm인 XeCl 엑시머 레이저의 펄스 레이저빔(6)을 집광렌즈(5)를 거쳐 펄스레이저 광선입사창(7)을 통해, 진공증착실(9) 외부에서 타깃(1)표면에 대해 45°의 각도로 입사시켜 타깃 표면에 조사함으로써, 타깃에서 발생된 풀룸(plume)에 의해 박막이 중착되게 된다.
[실시예 1]
제1도에 도시된 박막증착장치를 사용하여, 기판에 YBCO 고온초전도 박막을 증착하기 전에 연마된 YBCO 소결체 타깃을 연속회전시키면서 펄스레이저를 타깃표면에 조사하였다. 이때, 연속회전하는 YBCO 타깃표면에 조사되는 펄스레이저의 입사에너지 밀도를 1J/㎠, 입사율을 1Hz, 타깃회전수를 1rpm으로 조정하고, 펄스레이저의 총입사수를 변화시키면서 YBCO 박막을 증착하였다. 본 실시예에 의해, YBCO 타깃표면에 조사된 펄스레이저의 중복입사수에 따른 YBCO 중착박막의 표면입자밀도의 변화에 대한 결과를 제2도에 나타내었다. 제2도에서 보듯이, YBCO 타깃표면의 형상은 레이저 중복입사수가 100회 이내일 때는 평탄한 상태의 타깃표면을 유지하여 표면입자밀도가 104개/㎠이하인 박막을 얻을 수 있으나, 중복입사수가 100회 이상일 경우에는 타깃표면에서 돌기들이 현저히 성장하여 표면입자밀도가 증가된다는 것을 확인하였다.
[실시예 2]
제1도에 도시된 박막증착장치를 사용하여, 기판에 YBCO 고온초전도 박막을 증착하기 전에 연마된 YBCO 소결체 타깃을 연속회전시키면서 펄스레이저를 타깃표면에 조사하였다. 이때, 연속회전하는 YBCO 타깃표면에 조사되는 펄스레이저의 입사에너지 밀도를 1J/㎠, 중복입사수를 100회, 타깃회전수를 1rpm으로 조정하고 , 펄스레이저의 입사율을 변화시키면서 YBCO 박막을 증착하였다. 본 실시예에 의해, YBCO 타깃표면에 조사된 펄스레이저의 입사율에 따른 YBCO 증착박막의 표면입자밀도의 변화에 대한 결과를 제3도에 나타내었다. 제3ㄷ에서 보듯이, YBCO 타깃표면의 형상은 레이저 입사율이 10Hz보다 증가하게 되면, 타깃표면에서 돌기들이 생성되는 속도가 증가하여 표면입자밀도가 증가된다는 것을 알 수 있었다.
[실시예 3]
제1도에 도시된 박막증착장치를 사용하여, 기판에 YBCO 고온초전도 박막을 증착하기 전에 연마된 YBCO 소결체 타깃을 연속회전시키면서 펄스레이저를 타깃표면에 조사하였다. 이때, 연속회전하는 YBCO 타깃표면에 조사되는 펄스레이저의 중복입사수를 100회, 입사율을 1Hz, 타깃회전수를 1rpm으로 조정하고, 펄스레이저의 입사에너지 밀도를 변화시키면서 YBCO 박막을 증착하였다. 본 실시예에 의해, YBCO 타깃표면에 조사된 펄스레이저의 입사에너지 밀도에 따른 YBCO 증착박막의 표면입자밀도의 변화에 대한 결과를 제4도에 나타내었다.
제4도에서 보듯이, YBCO 타깃표면의 형상은 레이저의 에너지밀도가 0.9 내지 1.2J/㎠일 때는 평탄한 상태의 타깃표면을 유지하여 표면입자밀도가 104개/㎠이하인 박막을 얻을 수 있으나, 레이저의 에너지밀도가 0.9J/㎠미만이거나 1.2J/㎠보다 큰 경우에는 표면입자밀도가 증가된다는 것을 확인하였다.
이상에서 상세히 설명하고 입증하였듯이, 본 발명의 YBCO 고온초전도 박막증착방법에 의하면, 표면입자밀도가 104개/㎠이하로 대폭 감소되어, 초전도 특성이 보다 우수한 YBCO 고온초전도 박막을 형성할 수 있다는 것이 확인되었다.

Claims (1)

  1. 펄스레이저를 YBCO 고온 초전도 소결체 타켓의 표면에 조사하여 기판에 고온초전도 박막을 증착하는 펄스 레이저 박막 증착 방법에 있어서, 상기한 YBCO 소결체 타켓을 연속회전시키면서, YBCO 소결체 타켓 표면에 조사되는 펄스레이저의 입자수, 입사율, 입사 에너지밀도를 제어하되, YBCO 소결체 타겟의 일정한 동일부위에 중복조사되는 펄스 레이저 입자수는 1 내지 100회로, 펄스 레이저 입사율은 1 내지 10Hz로 , 펄스 레이저의 입사 에너지 밀도는 0.9 내지 1.2J/㎠로 제어하는 것을 특징으로 하는 YBa2Cu3O7-x고온초전도 박막의 증착방법.
KR1019950051468A 1995-12-18 1995-12-18 펄스레이저를 사용한 YBa2Cu3O7-X 고온초전도 박막의 증착방법 KR100194617B1 (ko)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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RU2450389C1 (ru) * 2011-01-11 2012-05-10 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Омский государственный университет им. Ф.М. Достоевского" Способ формирования гладких ультратонких ybco пленок повышенной проводимости
KR20210081138A (ko) 2019-12-23 2021-07-01 강릉원주대학교산학협력단 펄스레이저법을 이용한 질화알루미늄 박막의 제조방법

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