KR100233838B1 - a-축 배향 고온 초전도 박막 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 펄스레이저를 이용한 YBa2CuO7-X고온 초전도 박막의 제조 방법에 관한 것으로 a-축 배향 YBa2CuO7-X초전도 박막을 LaSrGaO4(100) 단결정 기판위에 고속 반복율을 이용한 펄스계이저 증착 방법으로 개조하였다. 본 발명에서 a-축 배향 YBa2CuO7-X초전도 박막은 700℃ 와 800℃ 사이를 유지하는 기판 온도와 100mTorr에서 300mTorr 사이를 유지하는 산소 압력 조건에서 증착하였다. 특히 펄스레이저는 1J/㎠의 에너지 밀도를 타깃 표면에 조사하였고, 반복율은 10Hz에서 100Hz 사이의 고속 반복율을 유지하였다.
Description
본 발명은 펄스레이저를 이용한 YBa2CuO7-X(이하 YBCO 라고 칭함) 고온 초전도 박막의 제조 방법에 관한 것으로, 특히 고속 반복율의 펄스레이저를 이용한 a-축 배향 YBC0 박막의 제조 방법에 관한 것이다.
YBEO 고온 초전도체가 발견된 이후, 평면형 샌드위치 형태의 조셉슨 소자나 트랜지스터 같은 전자 소자 응용을 위하여 이 물질을 박막으로 제조하는 것이 핵심적인 문제로 인식되어 왔다. 특히, YBCO 초전도체는 결정 구조가 이방성을 가지기 때문에 a-축이나 b-축으로의 초전도 특성을 나타내는 전자쌍의 가간섭 길이가 c-축 방향으로의 가간섭 길이에 비하여 10배 정도 길다. 따라서, 초전도 박막의 전자 소자 응용시 a-축이나 b-축 방향으로 전류을 흐르게 하는 것이 유리하다. 그러므로 초전도 박막의 결정 배향을 제어하는 것이 매우 중요하다.
YBCO 초전도 결정의 a-축이 기판 표면에 수직하게 성장한 a-축 배향 초전도 박막은 종래의 여러 종류의 물리적증착법과 화학적증착법에서 저온증착법으로 제조되어 왔다. { J. Fujita, et al, J. Appl. Phys., 64(3), 1290 (1988)., T. Arikawa, et al, Jap. J. Appl. Phys., 29(12), L2199 (1990)., Y. Q. Li, et al., J. Appl. Phys., 71(5), 2427 (1992)., T. Burmann, et al., solid State Comm., 90(9), 599 (1994)}. 저온증착법은 증착 기판의 온도를 c-축 배향 YBC0 박막이 성장하는 온도인 700℃와 800℃ 사이의 온도보다 100℃ 정도 낮은 600℃와 700℃ 사이의 기판 온도에서 a-축 배향 박막을 제조하는 방법으로, 이러한 저온증착법에서는 0.1nm/s 이하의 저증착 속도로 a-축 배향 박막을 제조하였다. 특히, 펄스레이저 제조 방법에서는 10Hz이하의 낮은 펄스레이저 반복율을 사용하여 비교적 낮은 증착 속도에서 a-축 배향 박막을 제조하였다 ((R. K. Singh, et al., J. Appl. Phys., 67(8), 3785(1990)., S. H. Lee, et al., J. Appl. Phys., 70(10), 5661(1991)}.
이와같은 저증착 속도와 저속 반복율을 이용한 a-축 배향 박막의 저온증착법에 의하면 700℃ 이상의 고온에서는 a-축 배향이 아닌 c-축 배향 YBC0 박막이 성장하고, 또한, 600℃ 이하의 저온에서 증착된 a-축 배향 박막 내부에는 저온때문에 생긴 산소의 불규칙 정렬이 발생하여 YBCO 고온 초전도 박막의 초전도 물성이 저하되는 단점이 있다. 그러나, 700℃ 이상의 고온에서 증착되는 c-축 배향 YBCO 박막예서는 산소 불규칙이 발생하지 않아 초전도 물성이 우수하다.
따라서, 본 발명은 펄스레이저를 사용하여 a-축 배향 YBa2CuO7-X박막을 제조하는데 있어서 고속 반복율을 이용한 a-축 배향 YBa2CuO7-X고온 초전도 박막 성장 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 a-축 배향 고온 초전도 박막 제조 방법은 초전도 소결체 타깃 표면에 고속 반복율을 갖는 펄스레이저를 조사하여 고온의 기판 온도에서 a-축 배향 초전도 박막을 증착 하도록 하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 a-축 배향 박막 제조 방법은 다음과 같이 구성된다.
a. YBCO 박막 증착시 기판의 온도는 700℃와 800℃ 사이를 유지한다.
b. YBCO 박막 증착시 산소압력은 100mTOrr와 300mTorr 사이를 유지한다.
c. 타깃과 기판 사이의 거리는 4cm와 10cm 사이를 유지한다.
d. YBC0 타깃 표면에 조사되는 펄스레이저의 에너지 밀도는 최소한 1 내지 3J/㎠ 이다.
e. YBC0 타깃 표면에 조사되는 펄스레이저의 반복율은 50Hz와 100Hz 사이를 유지한다. 이때 반복율과 증착속도는 [표 1]과 같다.
제1도는 본 발명의 펄스레이저를 이용한 YBa2CuO7-X고온 초전도 박막 증착장치의 구성도.
제2도는 본 발명의 펄스레이저 증착 방법으로 기판위에 제조된 a-축 배향 YBa2CuO7-X고온 초전도 박막의 단면도.
제3도는 본 발명의 펄스레이저 반복율을 달리하여 증착한 YBa2CuO7-X, 박막의 a-축 배향 분율과 펄스레이저 반복율 사이의 관계를 나타낸 그래프.
제4도는 본 발명의 저속 반복율과 고속 반복율을 이용하여 증착한 YBa2CuO7-X박막의 a-축 배향 성장과 증착온도의 관계를 나타낸 그래프.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : YBa2CuO7-X소결체 타깃 2 : 단결정 기판
3 : 기판 가열기 4 : 가스공급 노즐
5 : 펄스레이저 집광렌즈 6 : 펄스레이저 광선
7 : 펄스레이저 광선 입사창 8 : 타깃 부착기
9 : 진공 증착실 10 : 터보 분자식 펌프
11 : 플라즈마 12 : a-축 배향 YBa2CuO7-X박막
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 상세히 설명하기로 한다.
펄스레이저를 사용하여 YBCO 고온 초전도 박막을 증착하는 장치의 구성도를 제1도에 나타내었다. 진공 증착실(5)에서 원판 형태의 YBCO 조성을 갖는 균일한 소결체 타깃(1)을 회전이 가능한 타깃 부착기(8)에 부착하고, 타깃의 맞은편에 일정 거리에 놓인 기판 가열기(3)에 부착될 산화물 단결정 기판(2)이 놓이게 된다. 이후, 진공 증착실(9)의 진공도를 터보 분자식 펌프(10)를 사용하여 10-6Torr의 압력으로 유지시키면서 기판 가열기(3)로 기판(2)을 가열하여 기판의 온도를 700℃와 800℃ 사이로 승온한다. 이후, 고순도 산소기체를 가스공급 노즐(4)을 통해 진공 증착실(5) 내부로 주입하여 100mTorr와 300mTorr 사이로 유지한다.
다음으로 파장이 308nm인 펄스형 자외선 XeCl 엑시머 레이저 광선(6)을 진공 증착실(5) 외부에서 타깃(1) 표면에 대하여 45도 각도로 입사시켜 회전하는 YBCO 소결체 타깃(1)표면에 10Hz와 100Hz 사이의 반복율로 조사시켜 플라즈마(11)를 발생시켜 산화물 단결정 기판(2)표면에 닿게 하여 a-축 배향 YBCO 초전도 박막(12)을 증착한다.
제2도는 본 발명의 펄스레이저 증착 방법으로 기판위에 제조된 a-축 배향 YBa2CuO7-X고온 초전도 박막의 단면도이다. 산화물 단결정 기판(2) 상부에 a-축 배향 YBCO 초전도 박막(12)이 증착된 구조를 나타낸다.
본 발명의 제1실시예는 회전하는 YBC0 타깃 표면에 조사되는 펄스레이저 반복율을 달리하여 YBCO 고온 초전도 박막을 증착하는데 있다. 상세한 증착 공정은 다음과 같다.
증착기판 : LaSrGa04(100) 단결정
증착 기판의 온도 : 700℃
펄스레이저 입사에너지 밀도 : 제1도 내지 3 J/㎠
펄스레이저 반복율 1Hz, 5Hz 10Hz, 20Hz, 50Hz
기판과 타깃 사이의 거리 4.2cm
증착 산소 압력 : 100mTorr
박막 두께 : 100nm와 300nm 사이
펄스레이저 반복율을 달리하여 증착한 YBCO 박막의 배향은 K-선 회절 패턴으로 분석하였다. 700℃ 기판 온도에서 1Hz의 저 반복율로 증착한 YBCO 박막은 c-축 배향으로 성장하였고, 10Hz 이상의 고속 반복율로 증착한 YBCO 박막은 a-축 배향으로 성장하였다.
제3도에 a-축 배향 YBCO 박막의 배향 분율과 펄스레이저 반복율과의 관계를 나타내었다. a-축 배향 분율이 100% 인 경우가 a-축 배향으로 성장한 박막이다. 10Hz 이상의 고속 펄스레이저 반복율로 증착한 YBCO 박막은 a-축 배향 박막으로 제조됨을 보여주고 있다.
본 발명의 제2 실시예는 50KHz의 고속 반복율을 YBC0 타깃 표면에 조사하고 기판 온도를 달리하여 a-축 배향 YBC0 고온 초전도 박막을 증착하는데 있다. 상세한 증착 공정은 다음과 같다.
증착 기판 : LsSrGa04(100) 단결정
증착 기판의 온도 : 700℃, 720℃, 730℃, 740℃, 750℃
펄스레이저 입사 에너지 밀도 : 1 내지 3 J/㎠
펄스레이저 반복율 : 50Hz
기판과 타깃 사이의 거리 : 4.2cm
증착 산소 압력 : 100mTorr
박막 두께 : 100nm와 30Onm 사이
펄스레이저 증착온도를 달리하여 증착한 YBC0 박막의 배향은 X-선 회절 패턴으로 분석하였다. 50Hz의 고속 반복율로 증착한 박막은 720℃의 온도에서도 a-축 배향 박막으로 성장하였다. 그러나, 고속 반복율로 증착한 박막과 비교하기 위하여 1Hz의 저속 반복율로 증착한 박막은 720℃의 온도에서는 c-축 배향 성장으로 성장하였다.
제4도에 1Hz의 저속 반복율과 50Hz의 고속 반복율로 증착한 YBC0 고온 초전도 박막의 a-축 배향 분율과 증착 온도 사이의 관계도를 나타내었다. a-축 배향 분율이 100%인 경우가 a-축 배향으로 성장한 박막이다. a-축 배향 YBC0 박막의 성장 온도가 50Hz의 고속 반복율로 박막을 증착하는 경우에서 1Hz의 저속 반복율로 증착하는 경우에 비하여 20℃ 증가하였다. 즉, 펄스레이저 반복율이 고속으로 증가함에 따라 a-축 배향 YBCO 박막의 성장 온도가 증가됨을 나타내고 있다.
상술한 바와 같은 본 발명의 고속 펄스레이저 반복율을 이용한 YBCO 고온 초전도 박막 층착 방법에 의하면 c-축 배향 박막이 성장하는 700℃ 이상의 고온에서도 a-축 배향 YBC0 박막의 성장이 가능한 탁월한 효과가 있다.
Claims (7)
- 펄스레이저를 이용만 초전도 박막의 증착 방법에 있어서, 초전도 소결체 타깃 표면에 50 내지 100Hz의 고속 반복율을 갖는 펄스레이저를 조사하여 고온의 기판 온도에서 a-축 배향 초전도 박막을 증착 하도록 하는 것을 특징으로 하는 a-축 배향 고온 초전도 박막 제조 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 소결계 타깃에 조사되는 레이저는 엑시머 펄스레이저를 조사하는 것을 특징으로 하는 a-축 배향 고온 초전도 박막 제조 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 고온 초전도 박막과 소결제 타깃은 YBa2CuO7-X박막으로 구성된 산화물 고온 초전도제를 사용하는 것을 특징으로 하는 a-축 배향 고온 초전도 박막 제조 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 소결체 타깃에 조사되는 펄스레이저 반복율은 50 내지 100Hz 범위 이내로 조사하여 증착하는 것을 특징으로 하는 a-축 배향 고온 초전도 박막 제조 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 기판 온도는 700 내지 800℃ 범위의 기판 온도를 사용하여 증착하는 것을 특징으로 하는 a-축 배향 고온 초전도 박막 제조 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 펄스레이저가 타깃에 조사되는 에너지 밀도는 최소한 1 내지 3 J/㎠를 조사하여 증착하는 것을 특징으로 하는 a-축 배향 고온 초전도 박막 제조 방법.
- 제1항에 있어서, 타깃과 박막사이의 거리는 4 내지 10cm 사이에서 증착하는 것을 특징으로 하는 a-축 배향 고온 초전도 박막 제조 방법.
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