KR950007088B1 - Bi-sr-ca-cu-o section target for superconductive thin film - Google Patents
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Abstract
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Description
본 발명은, 예를들어 스퍼터링(sputtering)법에 의하여 기판표면에 초전도막을 형성할때에 사용되는 타아겟(target)재로서, 특히 냉각효과가 높고 저항률이 낮으며 더욱이 기계적 강도가 뛰어난 Bi-Sr-Ca-Cu-O계 초전도막 형성용 타아겟재에 관한 것이다.The present invention is a target material used for forming a superconducting film on the surface of a substrate by, for example, a sputtering method. In particular, the present invention is a Bi-Sr having a high cooling effect, low resistivity, and excellent mechanical strength. A target material for forming a -Ca-Cu-O-based superconducting film.
근래에 예를들어 스퍼터링법으로 기판표면에 Bi-Sr-Ca-Cu-O계 초전도막을 형성하는 시험이 행해지고 있다.In recent years, the test which forms a Bi-Sr-Ca-Cu-O type superconducting film in the surface of a board | substrate by the sputtering method is performed, for example.
이 Bi-Sr-Ca-Cu-O계 초전도막의 형성에는, 타아겟재가 사용된다,A target material is used for formation of this Bi-Sr-Ca-Cu-O type superconducting film.
이 타아겟재는, 우선 원료분말로서 모두 10㎛ 이하의 평균입경을 보유하는 Bi산화물, Sr탄산염, Ca탄산염 및 Cu산화물의 분말을 준비하고, 또한 필요에 따라서 Pb산화물을 준비하고, 이들 원료분말을 소정의 비율로 배항하여 혼합한후, 이 혼합분말에 700∼800℃범위 내의 온도에서 소정시간 유지하는 소성처리와 분쇄를 2∼3회 반복 실시하여, Bi-Sr-Ca-Cu-O계 초전도 세라믹분말을 형성하고, 계속하여 이 초전도 세라믹분말에,This target material is prepared by first preparing a powder of Bi oxide, Sr carbonate, Ca carbonate and Cu oxide having an average particle diameter of 10 μm or less as a raw material powder, and preparing Pb oxide as needed. After roasting and mixing at a predetermined ratio, the mixed powder was repeatedly subjected to baking and pulverizing two or three times to maintain the mixture at a temperature within the range of 700 to 800 ° C. for two hours. To form a ceramic powder, and then to this superconducting ceramic powder,
분위기 : 10-2torr 이하의 진공Atmosphere: Vacuum below 10 -2 torr
가열온도 : 800∼900℃Heating temperature: 800 ~ 900 ℃
압력 : 100∼200kgf/㎠Pressure: 100 ~ 200kgf / ㎠
가열유지시간 : 1∼4시간 조건으로 진공 핫프레스(hot press)를 실시하므로써 제조된다.Heating holding time: It is manufactured by performing a vacuum hot press on the conditions of 1 to 4 hours.
따라서, 제조된 타아겟재는Therefore, the prepared target material
(a) 실질적으로 Bi-Sr-Ca-Cu-O계 세라믹 또는 Bi-Pb-Sr-Ca-Cu-O계 세라믹(이하 양자를 합쳐서 Bi-Sr-Ca-Cu-O계 세라믹이라고 함)로 이루어지거나, (b) 혹은 20용량% 이하의 산화구리(이하, CuO로 표시한다)를 함유하고, 나머지가 실질적으로 Bi-Sr-Ca-Cu-O계 세라믹으로 이루어지는 조성의 소결체로 되어 있다.(a) substantially Bi-Sr-Ca-Cu-O-based ceramics or Bi-Pb-Sr-Ca-Cu-O-based ceramics (hereinafter collectively referred to as Bi-Sr-Ca-Cu-O-based ceramics) It consists of (b) or 20 volume% or less of copper oxide (henceforth represented by CuO), and the remainder is a sintered compact of the composition which consists of Bi-Sr-Ca-Cu-O type ceramics substantially.
또한, 상기한 종래의 타아겟재에 있어서의 CuO의 함유는, 예를들어 스퍼터링장치 및 스퍼터 조건에 의하여 타아겟재의 조성이 그대로 박막조성으로 되지 않고, CuO가 부족할 경우가 있으므로 초전도 세라믹분말의 제조시에 이것이 여분의 CuO를 20용량% 이하의 범위로 함유하도록 제조함에 의한 것이다.In addition, since the composition of the target material does not become a thin film composition as it is by the sputtering apparatus and sputtering conditions as mentioned above, the CuO content may be lacking, for example, when manufacturing superconducting ceramic powder. This is because it is manufactured to contain excess CuO in the range of 20 volume% or less.
그러나, 상기한 종래의 타아겟제에 있어서는 상대적으로 냉각효율이 낮아서, 이 때문에 스퍼터시 타아겟재의 스퍼터 표면과 냉각밑면의 온도차가 크게 되므로, 타아겟재에 열응력으로 의한 결렬이 발생하기 쉽고 또 저항도 크므로, 비교적 장치가 값 싼 직류 2극 스퍼터링장치를 사용할 수 없어서, 보통 값 비싼 고주파 스퍼터링장치를 필요로 하며, 더욱이 기계적 강도가 낮고 극히 깨지기 쉬워서 그 취급에 세심한 주위를 기울이지 않으면 안되는 등의 문제점이 있다.However, in the above-described conventional target agent, the cooling efficiency is relatively low, and thus the temperature difference between the sputter surface and the cooling bottom of the target material during sputtering becomes large, so that the target material is easily broken due to thermal stress, and also the resistance is high. Because of the large size, relatively inexpensive DC 2-pole sputtering devices cannot be used, and therefore, expensive high-frequency sputtering devices are usually required. Moreover, mechanical strength is low and extremely fragile, and care must be taken in handling them. have.
그래서, 본 발명자들은 상술한 바와 같은 관점에서, 종래의 Bi-Sr-Ca-Cu-O계 초전도막 형성용 타아겟재가 지닌 문제점을 해결하고자 연구를 행한 결과, Bi-Sr-Ca-Cu-O계 세라믹(이 경우, 초전도막 형성시에 Cu의 보급이 가능하므로 Bi-Sr-Ca-O계 세라믹이라도 좋다)의 분말에, 필요에 따라서 CuO를 공존시킨 상태에서, 금속 Cu분말을 8∼40용량%의 비율로 배합하여 혼합한 후, 예를들어 진공분위기중에서, 온도 : 400∼900℃, 압력 : 100∼200kgf/㎠의 조건에서 진공 핫프레스하므로써 제조된 타아겟재는, 금속 Cu소지에 Bi-Sr-Ca-O계 세라믹 및 Bi-Sr-Ca-Cu-O계 세라믹 중의 어느 한쪽 또는 양쪽을, 필요에 따라서 함유시킨 CuO와 함께 균일하게 분산된 조직을 가지게 되며, 이 결과 Bi-Sr-Ca-Cu-O계 초전도막 형성용 타아겟재는, 소지를 구성하는 금속 Cu에 의하여 냉각효율이 한단계 향상될 뿐만 아니라, 저항이 현저하게 저하되고 또한 기계적 강도도 향상되어, 높은 인성(靭性)을 갖게 된다는 식견을 얻은 것이다.Therefore, the present inventors conducted a study to solve the problem of the target material for forming a conventional Bi-Sr-Ca-Cu-O-based superconducting film from the viewpoint as described above, Bi-Sr-Ca-Cu-O 8 to 40 metal Cu powder in a state in which CuO coexists in powder of a ceramic-based ceramic (in this case, Cu may be supplied at the time of superconducting film formation, so a Bi-Sr-Ca-O-based ceramic may be used). After mixing and mixing in a proportion of volume%, for example, the target material produced by vacuum hot pressing under conditions of temperature: 400 to 900 ° C. and pressure: 100 to 200 kgf / cm 2 in a vacuum atmosphere is made of metal Cu. Either or both of the -Sr-Ca-O-based ceramics and the Bi-Sr-Ca-Cu-O-based ceramics have a uniformly dispersed structure with CuO contained as necessary. As a result, Bi-Sr- In the target material for forming a Ca-Cu-O-based superconducting film, the cooling efficiency can be improved by one step by the metal Cu constituting the base. In addition, the inventors have found that the resistance is significantly lowered and the mechanical strength is also improved to have high toughness.
본 발명은 상기한 식견에 의거하여 이루어진 것으로, 금속 Cu : 8∼40용량%를 함유하고, 더욱이 필요에 따라서 CuO : 20용량% 이하를 함유하며, 나머지가 Bi, Sr 및 Ca의 복합산화물을 주체로 하는 Bi-Sr-Ca-O계 세라믹 및 Bi, Sr, Ca 및 Cu의 복합산화물을 주체로 하는 Bi-Sr-Ca-Cu-O계 세라믹중의 어느 한쪽 또는 양쪽과 불가피 불순물로서 이루어지는 조성과, 금속 Cu의 소지(素地)에 상기한 세라믹 혹은 상기한 세라믹과 CuO가 균일하게 분산된 조직을 보유하는 Bi-Sr-Ca-Cu-O계 초전도막형성용 타아겟재에 특징으로 갖는 것이다.The present invention has been made on the basis of the above-mentioned findings, and contains 8 to 40% by volume of metal Cu, 20% by volume or less of CuO as necessary, and the rest mainly contains complex oxides of Bi, Sr and Ca. A composition consisting of any one or both of Bi-Sr-Ca-O-based ceramics and Bi-Sr-Ca-Cu-O-based ceramics mainly composed of a composite oxide of Bi, Sr, Ca, and Cu, And a target material for forming a Bi-Sr-Ca-Cu-O-based superconducting film having a structure in which the ceramic or the ceramic and CuO are uniformly dispersed in the base of the metal Cu.
또한 본 발명의 타아겟재에 있어서, 금속 Cu의 함유량을 8∼40용량%로 한정한 것은, 그 함유량이 8용량% 미만에서는 원하는 냉각효율, 저항율 및 기계적 강도를 확보할 수 없고, 그 함유량이 40용량%를 초과하면, 필요에 따라서 20용량% 이하의 범위에서 함유되는 CuO와의 관계에 있어서 Cu의 상대량이 지나치게 많아져서 소정 조성의 초전도막을 형성할 수 없게 되므로, 그 함유량을 8∼40용량%로 결정하였다.In the target material of the present invention, the content of the metal Cu is limited to 8 to 40% by volume. When the content is less than 8% by volume, desired cooling efficiency, resistivity and mechanical strength cannot be ensured, and the content is 40%. If the capacity% is exceeded, the relative amount of Cu becomes too large in relation to CuO contained in the range of 20% by volume or less, if necessary, so that a superconducting film having a predetermined composition cannot be formed. Decided.
다음에, 본 발명의 타아겟재를 실시예에 의하여 구체적으로 설명한다.Next, the target material of this invention is demonstrated concretely by an Example.
원료분말로서, 모두 5㎛ 이하의 평균입경을 보유하고, 또한 각각 제1표에 표시되는 조성을 지닌 Bi-Sr-Ca-Cu-O계 세라믹분말 및 Bi-Sr-Ca-Cu-O계 세라믹분말, 이 경우에 이들 세라믹 분말의 합성시에, 필요에 따라서 제1표에 표시되는 양의 CuO도 공존시키고, 금속 Cu분말을 준비하고, 이들 원료분말을 제1표에 표시되는 배합조성으로 배합하여 혼합한 후, 10-3torr의 진공분위기중에서 온도 750℃, 압력 : 150kgf/㎠, 유지시간 3시간의 조건에서 진공 핫프레이스를 실시하므로써 실질적으로 배합조성과 동일한 성분조성 및 모두 금속 Cu의 소지에, 상기한 세라믹 혹은 상기한 세라믹과 CuO과 균일하게 분산된 조직을 보유하며 또한 직경 50mm×두께 : 4mm의 치수를 가진 본 발명의 타아겟재 1∼11 및 비교 타아겟재 1∼4를 각각 제조하였다.As raw material powders, both Bi-Sr-Ca-Cu-O-based ceramic powders and Bi-Sr-Ca-Cu-O-based ceramic powders each having an average particle diameter of 5 µm or less, and each having a composition shown in Table 1 In this case, when synthesizing these ceramic powders, CuO in the amount shown in the first table is also coexisted if necessary, metal Cu powder is prepared, and these raw material powders are blended in the compounding composition shown in the first table. After mixing, vacuum hot place is carried out in a vacuum atmosphere of 10 -3 torr at a temperature of 750 ° C., a pressure of 150 kgf / cm 2, and a holding time of 3 hours. In addition, the target materials 1-11 and the comparative target materials 1-4 of the present invention which had the above-mentioned ceramics or a structure uniformly dispersed with the above-mentioned ceramics and CuO and had a diameter of 50 mm x thickness: 4 mm were prepared, respectively.
[표 1]TABLE 1
(※ ; 본 발명범위 외)(*; Outside the scope of the present invention)
또한 비교 타아겟재 1∼4는 소지를 형성하는 금속 Cu의 함유량이 본 발명의 범위에서 벗어난 것이다.In addition, the content of the metal Cu which forms the base material of the comparative target materials 1-4 is out of the range of this invention.
또 비교의 목적으로 금속 Cu분말의 배합을 실시하지 않고 또 진공 핫프레스에서의 온도를 850℃로 높인 것 이외는 동일한 조건에서 종래의 타아겟재 1, 2를 제조하였다.In addition, the conventional target materials 1 and 2 were manufactured on the same conditions except the metal Cu powder is not mix | blended for the purpose of a comparison, and the temperature in vacuum hot press was raised to 850 degreeC.
계속하여 이 결과로 얻어진 각종 타아겟재에 대하여 냉각효율을 평가할 목적으로 열전도율과 저항율도 측정하고 또한 기계적 강도를 평가할 목적으로 항절력을 측정하였다.Subsequently, the thermal conductivity and the resistivity were also measured for the purpose of evaluating the cooling efficiency of the various target materials obtained as a result, and the drag force was measured for the purpose of evaluating the mechanical strength.
계속하여 이들 각종 타아겟재를 각각 직류 마그넷톤 스퍼터링장치(고주파 마그넷론스퍼터링장치를 사용해도 좋다)에 장입(裝入)하여,Subsequently, these various target materials were charged to a direct current magnet tone sputtering apparatus (you may use a high frequency magnetron sputtering apparatus),
분위기 전체압력 : 10-4∼10-1torrThe whole atmosphere of pressure: 10 -4 ~10 -1 torr
분위기 : Ar 또는 산소를 5∼50% 함유한 ArAtmosphere: Ar or Ar containing 5 to 50% oxygen
공급전력 : 100∼600W, 기판재질 : 평면치수가 100mm2의 MgO단 결정Power supply: 100 ~ 600W, Substrate material: MgO single crystal with 100mm 2 planar dimension
기판가열 : 7000℃ 또는 가열하지 않음Substrate heating: 7000 ℃ or not heating
기판-타아겟 사이 거리 : 50∼130mmBoard-Target Distance: 50 ~ 130mm
박막의 두께 : 2㎛의 조건으로 스퍼터링을 실시하고, 스퍼터 후의 박막에 대하여 대기중에서 온도 : 850℃로 30시간 유지후 노냉(爐冷)의 조건으로 소둔(燒鈍)처리를 실시하고, 이 상태로 4단자법에 의하여 임계온도(Tc)를 측정하였다. 이들의 측정결과를 제1표에 표시하였다.The thickness of the thin film is sputtered under the condition of 2 占 퐉, and the thin film after the sputtering is held in the air at a temperature of 850 ° C for 30 hours, followed by annealing treatment under the condition of no-cooling. The critical temperature (Tc) was measured by the 4-terminal method. These measurement results are shown in the first table.
제1표에 표시된 결과로부터, 본 발명 타아겟재 1∼11은 모두 종래의 타아겟재 1, 2에 비하여 한단계 높은 열전도율(냉각효율) 및 항절력(기계적 강도)을 나타내며 또한 저항율도 낮고, 게다가 종래의 타아겟재와 동등한 특성을 가진 초전도막을 형성할 수있으나, 비교 타아겟재 1∼4에서 볼 수 있듯이, Cu함유량이 본 발명의 범위로부터 낮은 쪽으로 벗어나면, 상기한 특성으로 원하는 향상효과를 얻을 수 없게 되는 반면, 그 함유량이 높은 쪽으로 벗어나면 원하는 초전도막을 형성할 수가 없다는 것이 분명하다.From the results shown in Table 1, all of the target materials 1 to 11 of the present invention exhibit a higher thermal conductivity (cooling efficiency) and cut-off force (mechanical strength) than the conventional target materials 1 and 2, and also have a low resistivity. Although it is possible to form a superconducting film having properties equivalent to that of the target material, as shown in Comparative target materials 1 to 4, when the Cu content is lower than the range of the present invention, the desired improvement effect cannot be obtained with the above characteristics. On the other hand, it is clear that if the content is higher, the desired superconducting film cannot be formed.
상기한 바와 같이 본 발명의 타아겟재는 초전도막 형성에 조성적 문제는 없으며 그 위에 뛰어난 냉각효율을 가지므로 고속스퍼리를 실시해도 열응력에 의한 결렬발생이 없고 또 저항율이 현저하게 낮으므로, 고주파 스퍼터링은 물론이고, 직류 2극 스퍼터링에 의한 박막형성도 가능하며, 더욱이 기계적 강도도 높으므로 취급하기가 용이하다는 등 공업상 유용한 특성을 보유하는 것이다.As described above, since the target material of the present invention has no compositional problem in forming the superconducting film and has excellent cooling efficiency thereon, even if high speed spurting is performed, no breakage due to thermal stress and the resistivity are significantly low. As well as sputtering, it is possible to form a thin film by direct current two-pole sputtering, and also has industrially useful characteristics such as easy handling because of high mechanical strength.
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