KR20010011862A - 사파이어 기판을 이용한 와이비씨오박막의 형성방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 임계전류밀도 및 임계온도를 향상시킬 수 있는 사파이어 기판을 이용한 YBCO박막의 형성방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 사파이어 기판을 이용한 YBCO박막의 형성방법은, 사파이어 기판을 PLD설비의 진공챔버의 기판홀더 상에 위치시키는 단계, 상기 기판홀더의 온도를 750 ℃ 내지 850 ℃로 조절하고 그 온도를 유지하는 단계, 상기 진공챔버의 내부압력을 45 mTorr 내지 55 mTorr로 조절하고, 엑시머 레이저의 에너지 밀도를 0.8 J/㎠ 내지 2.0 J/㎠로 조절하여 세륨옥사이드 재질의 타겟에 레이저빔을 주사함으로써 상기 사파이어 기판 상에 버퍼막으로 세륨옥사이드막을 증착하는 단계 및 상기 진공챔버 내부에서 인시튜로 상기 세륨옥사이드막 상에 YBCO박막을 증착하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
따라서, YBCO박막의 임계전류밀도 및 임계온도가 향상되어 상기 YBCO박막이 응용되는 마이크로파 소자, 한류기, SQUID 및 SFQ 등의 전자소자의 신뢰도를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
Description
본 발명은 사파이어 기판을 이용한 YBCO박막의 형성방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 버퍼막을 형성함으로써 임계전류밀도 및 임계온도를 향상시킬 수 있는 사파이어 기판을 이용한 YBCO박막의 형성방법에 관한 것이다.
최근에 산업이 고도로 발달함에 따라 초전도체를 이용한 마이크로파 소자, 한류기, SQUID(Superconducting Quantum Interference Device) 및 SFQ(Single Flux Quantum) 등의 전자소자의 발달이 가속화되고 있다.
이와 같은 전자소자는 사파이어(Sapphire) 기판 상에 증착공정, 사진식각공정 등의 일련의 전자소자 제조공정이 수행됨으로써 제작되며, 상기 전자소자 제조공정에서는 초전도체로 YBCO(YBa2Cu3O7-δ) 재질의 박막을 사파이어 기판 상에 형성하는 공정이 통상 수행된다. 상기 사파이어 기판은 작은 유전상수를 가지고, 양호한 기계적 강도를 가지고, 다른 기판보다 가격이 저렴하다는 등의 장점을 가지고 있다.
그러나, 상기 사파이어 기판 상의 YBCO박막은 양호한 초전도 현상이 나타날 수 있는 특정 온도에서 YBCO박막과 반응하는 문제점이 있었다.
이에 따라, 높은 임계전류밀도와 임계온도를 얻기 위하여 사파이어 기판과 초전도막 사이에 버퍼막(Buffer layer)을 구비시키고 있다. 상기 버퍼막은 MgO, SrTiO3, YSZ(Yttria-Stabilized Zirconia), 세륨옥사이드(CeO2) 등의 재질로 이루어질 수 있다.
그러나, 특히 사파이어 기판 상에 버퍼막으로 세륨옥사이드막을 형성하고 그 상부에 YBCO박막을 형성하는 경우에는, 공정조건의 이상에 기인하여 세륨옥사이드막의 거칠기(Roughness)가 높게 나타났다.
따라서, 세륨옥사이드막 상에 형성되는 YBCO박막의 임계전류밀도가 1×106A/㎠ 로 낮게 나타남으로써 전자소자에 용이하게 응용하여 사용할 수 없는 문제점이 있었다.
본 발명의 목적은, 사파이어 기판 상에 버퍼막으로 사용되는 세륨옥사이드막의 표면 거칠기를 향상시킴으로써 그 상부에 형성되는 YBCO박막의 임계전류밀도 및 임계온도를 향상시킬 수 있는 사파이어 기판을 이용한 YBCO박막의 형성방법을 제공하는 데 있다.
도1은 일반적인 펄스 레이저 증착장비의 개략적인 구성도이다.
도2 및 도3은 사파이어 기판을 이용한 YBCO박막의 형성방법의 일 실시예를 설명하기 위한 단면도이다.
도4는 본 발명에 따라 형성된 YBCO박막의 증착온도와 임계전류밀도의 상관관계를 설명하기 위한 그래프이다.
도5는 본 발명에 따라 형성된 YBCO박막의 증착온도와 임계온도의 상관관계를 설명하기 위한 그래프이다.
※도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10 : 진공챔버 12 : 타겟홀더
14 : 기판홀더 16 : 히터
18 : 온도컨트롤러 20 : 산소가스공급라인
22 : 터보분자펌프 24 : 엑시머 레이저
26 : 렌즈 30 : 사파이어 기판
32 : 세륨옥사이드막 34 : YBCO박막
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 사파이어 기판을 이용한 YBCO박막의 형성방법은, 사파이어 기판을 PLD(Pulsed Laser Deposition : 이하, ‘ PLD ’라고 칭함)설비의 진공챔버의 기판홀더 상에 위치시키는 단계, 상기 기판홀더의 온도를 750 ℃ 내지 850 ℃로 조절하고 그 온도를 유지하는 단계, 상기 진공챔버의 내부압력을 45 mTorr 내지 55 mTorr로 조절하고, 엑시머 레이저의 에너지 밀도를 0.8 J/㎠ 내지 2.0 J/㎠로 조절하여 세륨옥사이드 재질의 타겟에 레이저빔을 주사함으로써 상기 사파이어 기판 상에 버퍼막으로 세륨옥사이드막을 증착하는 단계 및 상기 진공챔버 내부에서 인시튜로 상기 세륨옥사이드막 상에 YBCO박막을 증착하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 사파이어 기판은 900 ℃ 내지 1,100 ℃에서 4 시간 내지 6 시간 동안 열처리한 후, 상기 진공챔버에 투입할 수 있다.
그리고, 상기 세륨옥사이드막은 10 ㎚ 내지 100 ㎚ 의 두께로 형성할 수 있다.
또한, 상기 YBCO박막은 상기 진공챔버의 상기 기판홀더의 온도를 785 ℃ 내지 805 ℃로 형성하고, 상기 진공챔버의 내부압력을 350 mTorr 내지 450 mTorr로 조절하고, 엑시머 레이저의 에너지 밀도를 1.0 J/㎠ 내지 1.4 J/㎠로 조절하여 YBCO 타겟에 레이저빔을 주사함으로써 형성할 수 있다.
이하, 본 발명의 구체적인 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도1은 일반적인 펄스 레이저 증착장비의 개략적인 구성도이고, 도2는 본 발명의 일 실시예에 따라 사파이어 기판을 이용한 YBCO박막의 형성방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
실시예
도1을 참조하면 본 발명을 위한 상기 PLD 설비에는 증착공정이 진행되는 진공챔버(10)가 구비되며, 상기 진공챔버(10) 내부에는 구동원(도시되지 않음)에 의해서 공정위치로 회전 가능한 세륨옥사이드(CeO2) 타겟(Target : 12)과 YBCO(YBa2Cu3O7-δ) 타겟(12)이 각각 구비된 타겟홀더(12), 상기 타겟홀더(12)와 서로 대향하여 위치하며 사파이어 기판(30)이 고정되는 기판홀더(14)가 구비된다. 상기 기판홀더(14)의 뒷면에는 온도컨트롤러(18)에 의해서 제어되는 히터(Heater : 16)가 구비되어 있다. 그리고 상기 진공챔버(10)의 일측에 진공챔버(10)의 소정부를 통해서 렌즈(Lense : 26)를 통과한 레이저빔(Laser beam)을 타겟홀더(12)의 타겟에 주사함으로써 타겟을 이루는 세룸옥사이드 입자 또는 YBCO 입자를 튕겨내어 사파이어 기판(30) 상에 증착되도록 하는 엑시머 레이저(Eximer laser : 24)가 설치되어 있다. 그리고 진공챔버(10)의 다른 일측에는 진공챔버(10)의 내부압력을 조절하는 터보분자펌프(Turbo molecular pump : 22)가 연결되어 있고, 상기 진공챔버(10)의 또 다른 일측에는 진공챔버(10) 내부로 산소(O2)가스를 공급함으로써 진공챔버(10)의 내부압력을 조절하는 산소가스공급라인(20)이 연결되어 있다.
따라서 상술한 상기 PLD설비를 이용한 본 발명에 따른 사파이어 기판을 이용한 YBCO박막을 형성하는 방법은 먼저 사파이어 기판(30)을 고온으로 열처리하는 것으로부터 시작한다. 상기 열처리는 산소(O2)가스의 공급에 의해서 1기압상태로 내부압력이 조절된 챔버 내부에서 사파이어 기판(30)을 1050 ℃에서 5시간동안 가열함으로써 이루어진다. 상기 열처리에 의해서 사파이어 기판(30) 표면에 존재하는 수분, 이물질 등의 디펙트(Defect) 요인이 제거된다.
계속해서, 상기 열처리된 사파이어 기판(30)을 PLD설비의 기판홀더(14) 상에 은(Ag) 접착제를 이용하여 부착한 후 온도컨트롤러(18)에 의해서 제어되는 히터(16)로 기판홀더(14)를 300 ℃까지 가열하여 은 접착제가 충분히 경화되도록 한다.
이어서, 터보분자펌프(22)를 가동시켜 진공챔버(10)의 내부압력을 1×10-5Torr로 조절하고, 히터(16)를 더 가동시켜 기판홀더(14)의 온도를 800 ℃로 증가시킨 후 그 온도를 10분 동안 유지함으로써 사파이어 기판(30) 전면이 고르게 가열될 수 있도록 한다.
다음으로, 산소가스공급라인(20)을 통해서 진공챔버(10)에 소정량의 산소가스를 공급하여 산소분압을 50 mTorr 로 형성하고, 엑시머 레이저(24)의 에너지밀도를 1.5 J/㎠로 조절한 후 타겟홀더(12)의 세륨옥사이드 타겟에 레이저 빔을 주사하여 도2에 도시된 바와 같이 상기 사파이어 기판(30) 상에 세륨옥사이드막(32)을 형성한다. 상기 세륨옥사이드막(32)의 두께는 10 ㎚ 내지 100 ㎚ 가 바람직하고, 상기 세륨옥사이드막(32)은 세륨옥사이드 타겟에 레이저 빔이 주사됨에 따라 세륨옥사이드 타겟을 이루는 세륨옥사이드 입자가 외부로 튕겨나와 사파이어 기판(30) 상에 증착되어 형성된 것이다.
계속해서, 히터(16)에 의해서 기판홀더(14)의 온도를 795 ℃로 5 ℃ 하강시키고, 산소가스공급라인(20)을 통해서 진공챔버(10) 내부로 소정량의 산소가스를 공급하여 산소분압을 400 mTorr로 조절한 후 타겟홀더(12)를 회전시켜 YBCO 타겟을 공정위치로 이동시킨 후 엑시머 레이저(24)의 에너지밀도를 1.2J/㎠로 조절한 후 상기 YBCO 타겟에 레이저 빔을 주사하여 도3에 도시된 바와 같이 세륨옥사이드막(32) 상에 YBCO박막(34)을 형성한다. 즉, 상기 YBCO 타겟에 레이저 빔이 주사됨에 따라 YBCO 타겟을 이루는 YBCO 입자는 외부로 튕겨나와 세륨옥사이드막(32) 상에 증착되어 YBCO박막(34)이 형성된다.
마지막으로, 산소가스공급라인(20)을 통해서 진공챔버(10) 내부로 공급되는 산소가스의 양을 조절하여 산소분압을 1기압으로 조절한 후, 히터(16)를 더 가동시켜 기판홀더(14)의 온도가 500 ℃ 가 되도록 조절하여 1시간동안 열처리 공정을 수행하고, 이후 히터(16)를 조절하여 기판홀더(14)의 온도가 상온으로 되도록 조절한다.
이에 따라 세륨옥사이드막(32) 상에 형성된 YBCO박막(34)의 임계온도는 89.5K로 나타났고, 임계전류밀도는 3.2×106A/㎠로 나타났다. 특히, 세륨옥사이드막(32)은 a-축 방향으로 잘 성장되었으며, 격자상수는 단결정의 셀륨옥사이드와 근접하게 성장되었고, 전체 표면거칠기(Roughness)가 50 Å 미만으로 아주 깨끗하게 나타났다.
이와 같이 표면거칠기가 50 Å 미만으로 깨끗하게 나타남으로 인해서 세륨옥사이드막(32) 상에 형성되는 YBCO박막(34)의 임계전류밀도 및 임계온도를 높일 수 있다.
참고예1
참고예1은 열처리된 사파이어 기판(30) 상에 세륨옥사이드막(32)을 증착하는 온도를 실시예의 800 ℃와 상이하게 400 ℃로 조절하는 것에 특징이 있고, 그 이외의 공정조건은 실시예와 동일하게 진행한다.
전술한 바와 같은 공정의 수행에 세륨옥사이드막(32) 상의 YBCO박막(34)의 임계온도는 87K로 나타났고, 임계전류밀도는 1.5×105A/㎠로 나타남으로써 실시예보다 임계온도 및 임계전류밀도가 낮게 나타났다.
참고예2
참고예2는 열처리된 사파이어 기판(30) 상에 세륨옥사이드막(32)을 증착하는 온도를 실시예의 800 ℃와 상이하게 500 ℃로 조절하는 것에 특징이 있고, 그 이외의 공정조건은 실시예와 동일하게 진행한다.
전술한 바와 같은 공정의 수행에 세륨옥사이드막(32) 상에 형성된 YBCO박막(34)의 임계온도는 88K로 나타났고, 임계전류밀도는 3×105A/㎠로 나타남으로써 실시예보다 임계온도 및 임계전류밀도가 낮게 나타났다.
참고예3
참고예3은 열처리된 사파이어 기판(30) 상에 세륨옥사이드막(32)을 증착하는 온도를 실시예의 800 ℃와 상이하게 600 ℃로 조절하는 것에 특징이 있고, 그 이외의 공정조건은 실시예와 동일하게 진행한다.
전술한 바와 같은 공정의 수행에 세륨옥사이드막(32) 상에 형성된 YBCO박막(34)의 임계온도는 88K로 나타났고, 임계전류밀도는 1×106A/㎠로 나타남으로써 실시예보다 임계온도 및 임계전류밀도가 낮게 나타났다.
참고예4
참고예4는 열처리된 사파이어 기판(30) 상에 세륨옥사이드막(32)을 증착하는 온도를 실시예의 800 ℃와 상이하게 700 ℃로 조절하는 것에 특징이 있고, 그 이외의 공정조건은 실시예와 동일하게 진행한다.
전술한 바와 같은 공정의 수행에 세륨옥사이드막(32) 상에 형성된 YBCO박막(34)의 임계온도는 88.7K로 나타났고, 임계전류밀도는 2×106A/㎠로 나타남으로써 실시예보다 임계온도 및 임계전류밀도가 낮게 나타났다.
비교예
실시예와 동일하게 사파이어 기판(30)을 열처리한 후, 세륨옥사이드막(32) 형성공정을 생략하고 실시예와 동일한 공정조건에서 상기 사파이어 기판(30) 상에 YBCO박막(34)을 형성한다.
전술한 바와 같은 공정의 수행에 의해서 사파이어 기판(30)과 YBCO박막(34) 사이에 세륨옥사이드막(32)을 구비하지 않으면, 상기 YBCO박막(34)의 임계온도는 87.2K로 나타났고, 임계전류밀도는 1.5×105A/㎠로 나타나 실시예와 참고예 1 내지 참고예 4 보다 임계온도 및 임계전류밀도가 현저하게 낮게 나타났다.
도4 및 도5는 본 발명에 따라 형성된 YBCO박막의 증착온도와 임계전류밀도 및 임계온도의 상관관계를 각각 설명하기 위한 그래프이다.
도4 및 도5를 참조하면 증착온도 400 ℃(참고예1)에서는 임계전류밀도는 1.5×105A/㎠이고, 임계온도는 87K로 나타났고, 500 ℃(참고예2)에서는 임계전류밀도는 3×105A/㎠이고, 임계온도는 88K로 나타났고, 600 ℃(참고예3)에서는 임계전류밀도는 1×106A/㎠이고, 임계온도는 88K로 나타났고, 700℃(참고예4)에서는 임계전류밀도는 2×106A/㎠이고, 임계온도는 88.7K로 나타났고, 증착온도 800 ℃(실시예)에서는 임계전류밀도는 3×106A/㎠이고, 임계온도는 89.5K로 나타났다.
또한 사파이어 기판과 YBCO박막 사이에 세륨옥사이드막(32)을 구비하지 않으면(비교예), 800 ℃에서 상기 YBCO박막(34)의 임계전류밀도는 1.5×105A/㎠이고, 임계온도는 87.2K로 나타났다.
따라서, 세륨옥사이드막(32)의 증착온도를 증가시킴에 따라 사파이어 기판(30)-세륨옥사이드막(32)-YBCO박막(34)이 순차적으로 적층된 구조의 상기 YBCO박막(34)의 임계온도는 YBCO박막(34)의 증착온도와 비례하여 증가하는 것을 알 수 있었다.
그리고, 세륨옥사이드막(32)의 증착온도를 증가시킴에 따라 사파이어 기판(30)-세륨옥사이드막(32)-YBCO박막(34)이 순차적으로 적층된 구조의 상기 YBCO박막(34)의 임계전류밀도는 YBCO박막(34)의 증착온도와 비례하여 증가하는 것을 알 수 있었다.
따라서, 본 발명에 의하면 기판상에 버퍼막으로 표면 거칠기가 향상된 세륨옥사이드막을 증착한 후 초전도체인 YBCO박막을 형성함으로써 상기 YBCO박막의 임계전류밀도 및 임계온도가 향상되는 효과가 있다. 그러므로 상기 임계전류밀도가 향상됨에 따라 상기 YBCO박막은 조셉슨 효과를 이용한 전자소자, 마이크로파에 관련된 전자소자 등에 광범위하게 응용하여 적용할 수 있는 효과가 있다.
이상에서 본 발명은 기재된 구체예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.
Claims (4)
- 사파이어(Sapphire) 기판을 PLD(Pulsed Laser Deposition)설비의 진공챔버의 기판홀더 상에 위치시키는 단계;상기 기판홀더의 온도를 750 ℃ 내지 850 ℃로 조절하고 그 온도를 유지하는 단계;상기 진공챔버의 내부압력을 45 mTorr 내지 55 mTorr로 조절하고, 엑시머 레이저의 에너지 밀도를 0.8 J/㎠ 내지 2.0 J/㎠로 조절하여 세륨옥사이드 재질의 타겟에 레이저빔을 주사함으로써 상기 사파이어 기판 상에 버퍼막으로 세륨옥사이드막을 증착하는 단계; 및상기 진공챔버 내부에서 인시튜(In-situ)로 상기 세륨옥사이드막 상에 YBCO박막을 증착하는 단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 사파이어 기판을 이용한 YBCO박막의 형성방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 사파이어 기판은 900 ℃ 내지 1,100 ℃에서 4 시간 내지 6 시간 동안 열처리한 후, 상기 진공챔버에 투입하는 것을 특징으로 하는 상기 사파이어 기판을 이용한 YBCO박막의 형성방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 세륨옥사이드막은 10 ㎚ 내지 100 ㎚ 의 두께로 형성하는 것을 특징으로 하는 상기 사파이어 기판을 이용한 YBCO박막의 형성방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 YBCO박막은 상기 진공챔버의 상기 기판홀더의 온도를 785 ℃ 내지 805 ℃로 형성하고, 상기 진공챔버의 내부압력을 350 mTorr 내지 450 mTorr로 조절하고, 엑시머 레이저의 에너지 밀도를 1.0 J/㎠ 내지 1.4 J/㎠로 조절하여 YBCO 타겟에 레이저빔을 주사함으로써 형성하는 것을 특징으로 하는 상기 사파이어 기판을 이용한 YBCO박막의 형성방법.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1019990031425A KR100302645B1 (ko) | 1999-07-30 | 1999-07-30 | 사파이어 기판을 이용한 와이비씨오박막의 형성방법 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1019990031425A KR100302645B1 (ko) | 1999-07-30 | 1999-07-30 | 사파이어 기판을 이용한 와이비씨오박막의 형성방법 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20010011862A true KR20010011862A (ko) | 2001-02-15 |
| KR100302645B1 KR100302645B1 (ko) | 2001-09-29 |
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ID=19605842
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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| KR1019990031425A KR100302645B1 (ko) | 1999-07-30 | 1999-07-30 | 사파이어 기판을 이용한 와이비씨오박막의 형성방법 |
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| Country | Link |
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| KR (1) | KR100302645B1 (ko) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100450741B1 (ko) * | 2001-12-17 | 2004-10-01 | 학교법인 포항공과대학교 | 저온 층흐름 모드 금속산화물 박막 증착방법 및 이를이용한 나노선 합성방법 |
-
1999
- 1999-07-30 KR KR1019990031425A patent/KR100302645B1/ko not_active IP Right Cessation
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100450741B1 (ko) * | 2001-12-17 | 2004-10-01 | 학교법인 포항공과대학교 | 저온 층흐름 모드 금속산화물 박막 증착방법 및 이를이용한 나노선 합성방법 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
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| KR100302645B1 (ko) | 2001-09-29 |
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