RU1575856C - Способ получени пленок сверхпровод щих оксидных материалов - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к получению материалов , обладающих сверхпроводимостью . Цель изобретени  - повышение воспроизводимости и однородности параметров пленок. Это достигаетс  тем, что на подогретую подложку осаждают компоненты сверхпровод щей пленки совместно с потоком атомов и ионов кислорода с энергией 50-150 эВ, при этом плотность потока И, частиц кислорода соотноситс  с плотностью потока 2 частиц других компонентов как Н (1-10)- 2 . За счет этого активируютс  процессы кристаллизации, повышаетс  плотность пленки, что с учетом воспроизводимости потока кислорода и его однородности приводит к поставленной цели.

Description

Изобретение относитс  к получению материалов, обладающих высокотемпературной сверхпроводимостью, в частности к технологии получени  пленок оксидных материалов с высокотемпературной сверхпроводимостью , которые используютс  дл  создани  твердотельных электронных устройств обработки информации.

Цель изобретени  - повышение воспроизводимости и однородности параметров пленок.

Сущность предлагаемого способа заключаетс  в следующем.

Осуществл ют осаждение в вакууме на подложку компонент, образующих пленку. Осаждение провод т на подложку, нагретую до температуры ниже температуры структурного фазового перехода материала

пленки в кристаллическую фазу, обладающую высокотемпературной сверхпроводимостью , и воздействуют на осаждаемую пленку потоком ионов и атомов кислорода с энергией 50-150 эВ и плотностью потока, удовлетвор ющей соотношению -10, где И - плотность потока частиц кислорода; h - плотность потока других компонент, образующих пленку. Воздействие на осаждаемую пленку потоком ионов и атомов кислорода можно осуществл ть одновременно с процессом осаждени  других компонент, образующих пленку, либо в промежутках между последовательным осаждением компонент материала пленки.

При этом нет необходимости в высокотемпературном отжиге пленки в среде, содержащей кислород при температуре

сл

00

сл с

значительно выше температуры образовани  высокотемпературной сверхпровод щей кристаллической фазы в оксидном материале пленки. Синтез пленки с кристаллической фазой, обладающей высокотемпературнойсверхпроводимостью , осуществл етс  непосредственно при ее осаждении в вакууме. Это становитс  возможным при использовании бомбардировки поверхности растущей оксидной пленки ионами и атомами кислорода с энерги ми, достаточными дл  активации элементарных процессов кристаллизации; фазового перехода атомов и молекул осаждаемого вещества из парообразного состо ни  в твердое, поверхностной диффузии и химического взаимодействи  компонентов материалов пленки, образовани  зародышей и упор дочени  кристаллической структуры. Кроме того, бомбардировка растущей пленки повышает ее плотность за счет уменьшени  размеров кристаллитов. Увеличение плотности пленки улучшает основные эксплуата- ционные параметры сверхпровод щих пленок: плотность критического тока 1о и температуру перехода в сверхпровод щее состо ние Тс.

Дл  обеспечени  полного окислени  компонентов материала пленки необходимо , чтобы плотность потока частиц кислорода , бомбардирующих подложку, была по крайней мере равна или с учетом различий в коэффициентах конденсации превосходила плотности потоков частиц других компонентов материала пленки. Дальнейшее относительное увеличение плотности потока кислородных частиц нецелесообразно, так как приводит к излишнему нагреву подложки и снижению скорости роста пленки за счет уменьшени  относительного пересыщени  других компонентов материала пленки на поверхности растущей пленки. При обычно используемых скорост х осаждени  оксидной пленки от долей до нескольких микрон в час плотность потока энергетических кислородных частиц должна находитьс  в диапазоне 5 1013 -10 частиц см . Минимальна  энерги  кислородных частиц, бомбардирующих поверхность растущей пленки, должна быть достаточной дл  активизации элементарных процессов кристаллизации и позвол ть снижать температуру подложки за счет энергии потока этих час гиц. Это определ ет нижний предел энергии кислородных частиц. Максимально допустима  энерги  кислородных частиц должна быть недостаточной дл  создани  радиационных дефектов повторного распылени  растущей пленки. Повторное распыление пленки частицами кислорода  вл етс  селективным

из-за большой химической активности и поэтому приводит не только к резкому уменьшению скорости роста, но и отклонению химического состава пленки от заданного.

Это ограничивает верхний предел энергии кислородных частиц 150 эВ. Бомбардировка поверхности растущей пленки энергетическими (50-150 эВ) частицами кислорода приводит к снижению оптимальных темпе0 ратур синтеза материала пленки с кристаллической фазой, обладающей высокотемпературной сверхпроводимостью , до температур ниже температуры его структурного фазового перехода, Это св за5 но, как с резкой активацией бомбардировкой элементарных процессов кристаллизации, так и повышением температуры поверхности растущей пленки. Повышение температуры подложки из-за ее

0 бомбардировки потоком частиц плотностью 1015 частиц и энерги ми частиц несколько сотен электрон-вольт может достигать несколько сотен градусов. Минимальна  температура нагрева подложки

5 должна быть не ниже температуры, при которой становитс  возможным отжиг радиационных дефектов, вызванных этой бомбардировкой. Бомбардировка энергетическими частицами кислорода вносит изме0 ,нени  в соотношени  коэффициентов прилипани  атомов и молекул компонент материала оксидной пленки. Это требует внесени  соответствующей корректировки соотношений плотностей потоков этих ком5 понент.

П р и м е р 1. Пленку оксидного материала с высокотемпературной сверхпроводимостью YiBa2Cu30 -x с температурой Тф структурного фазового перехода в кристал0 лическую фазу, обладающую высокотемпературной сверхпроводимостью Тф 1023 К, нанос т на подложку из фианита. Дл  этого откачивают рабочий объем вакуумной установки электронно-лучевого распылени  до

5 предельного вакуума 2- 10 Па, нагревают подложку до температуры 1020 , включают источник потока ионов кислорода и устанавливают режим его работы, обеспечивающий получение плотности потока 10

- , i«sficie плиi нити пшика (U

0 ионов с и энергией 50-150 эВ, направленного в зону осаждени . Включают электронно-лучевые источники распылени , с помощью которых получают три атомно- молекул рных пучка: а) иттри  с плотностью

5 ю14 атомов ;бари  с плотностью 3« 1014 атомов см 2 с ; меди с плотностью 6« О1 атомов , направленных в зону осаждени . Затем ввод т в эту зону осаждени  нагретую подложку и открывают заслонку и производ т осаждение оксидной пленки YiBa2Cu30 -x при одновременном воздействии на поверхность растущей пленки потоком ионов кислорода. Скорость роста пленки YtBa2Cu307 x в указанных уело- ви х составл ет 0,3 мкм/ч. Процесс осаждени  провод т 2 ч, Полученна  пленка имеет орторомбическую кристаллическую фазу, Тс 90 К, 10 105 А/см2 П - 77 К).

П р и м е р 2. Оксидную пленку YiBaaCuaOv-x нанос т на подложку из BaFz. Процесс нанесени  осуществл ют аналогично примеру 1 при следующих режимах: температура нагрева подложки 890 К. плотность потока ионов кислорода 3 -1015 ионов и их энерги  50-150 эВ, плотности атомно-молекул рных пучков иттри , бари  и меди прежние, скорость роста в этих услови х 0,5 мкм/ч, врем  осаждени  1 ч. Пленка YI ВааСизОт-х обладает орторомбическрй кри- сталлической фазой, Тс 92 К, 0 7 -10 А/см2 СТ 77К).

П р и м е р 3. Оксидную пленку YiBaaCusOy-x нанос т на подложку из сапфира . Процесс нанесени  осуществл ют аналогично примеру 1, но температуру подложки устанавливают 850 К, плотности атомно-молекул рных пучков иттри , бари  и меди прежние, плотность потока ионов кислорода устанавливают равной 5-Ю15 ионов см с , а их энергию 100-150 эВ, скорость роста 1 мкм/ч, врем  осаждени  40 мин. Полученна  пленка имеет орторомбическую кристаллическую фазу, Тс 88 К,

|0 3 -105А/см2(Т 77 К).

П р и м е р 4. Пленку оксидного материала Ег, Ва2СизО -х(Тф 1080 К)с высокотемпературной сверхпроводимостью нанос т на кремниевую подложку. Дл  этого откачивают рабочий обьем вакуумной установки лазерного распылени  до предельного вакуума Па. Нагревают подложку до 780 К, включают источник потока ионов кислорода, устанавливают режим его работы, обеспечи- вающий получение потока плотностью 5 1015 ионов и энергией 100-120 эВ, включают лазер и устанавливают режим лазерного распылени  керамики, Ег, ВааСизОт-х, обеспечивающий поток компонентов материала

керамики в зону осаждени  плотностью 10 5 частиц . Затем ввод т в эту зону осаждени  нагретую до 780 К кремниевую подложку, открывают заслонку и производ т осаждение оксидной пленки Ег, Ва2СизО -х при одновременной бомбардировке поверхности растущей пленки потоком ионов кислорода, скорость роста пленки в этих услови х 1.2 мкм/ч, врем 

5

Q g л

5 л

5

0

0

5

осаждени  1 ч. Полученна  пленка имеет орторомбическую кристаллическую фазу, Тс - 86 К, 10 105 А/см2 (Т 77 К).

П р и м е р 5. Пленку оксидного материала Bl2Sr2CaCu20e+x (Тф 1060 К), обладающеговысокотемпературной сверхпроводимостью, нанос т на подложку из МдО. Дл  нанесени  пленки используют вакуумную установку термического распылени , у которой по периметру ее рабочего объема расположены источники ( чейки Кнудсена) атомно-молекул рных потоков компонент оксидного материала: висмута , стронци , кальци , меди и четыре источника ионов кислорода. Эти ионные источники кислорода располагаютс  между  чейками Кнудсена так, что у каждой  чейки Кнудсена ближайшими сосед ми  вл ютс  источники ионов кислорода. Внутри рабочего обьема имеютс  вращающийс  барабан дл  креплени  подложек, обеспечивающий последовательное перемещение подложек вдоль периметра рабочего объема, и система нагрева подложек. Подложки из МдО закрепл ют на барабане, откачивают рабочий объем до Па, нагревают подложки до 960 К. Затем включают  чейки Кнудсена, устанавливают заданный дл  каждой из них рабочий режим, обеспечивающий получение соответственно необходимых плотностей атомно-молекул рных пучков висмута, стронци , кальци  и меди в диапазоне 101 - 10 атомов см с . Включают источники ионов кислорода и устанавливают режим работы каждого из них, обеспечивающий плотности потоков в диапазоне 10 -5 1015 ионов и энергию 100-150 эВ Включают вращение барабана со скоростью 2 оборота/мин. Открывают заслонки источников и производ т последовательное осаждение каждого из компонентов оксидной пленки, при этом в промежутках времени между последовательным осаждением компонентов на пленку воздействуют ионами кислорода Скорость осаждени  пленки 0,1 мкм/ч, врем  осаждени  3 ч. Пленка обладает высокотемпературной сверхпроводимостью , Тс 95 К, 10 Ю6 А/см2 (Т 77 К).

Таким образом, данный способ позвол ет получать высококачественные оксидные пленки с высокотемпературной сверхпроводимостью с высокими эксплуатационными параметрами, значительно расширить диапазон используемых материалов подложки, включа  в их число важный и наиболее широко используемый в микроэлектронике полупроводниковый материал, как кремний. Это позвол ет создавать принципиально новые микроэлектронные системы обработ

ки информации, основанные на использова-осаждение на нагретую подложку компонии по вл ющейс  возможности изготовле-нент, вход щих в состав материала, о т л и ч ани  на одной (кремниевой) подложкею щ и и с   тем, что, с целью повышени 

полупроводниковых и сверхпровод щих ус-воспроизводимости и однородности параметтройств . При этом параметры пленки восп-5 ров, производ т осаждение атомов и ионов

роизводимы от способа к способу икислорода совместно с компонентами, вхоодинаковы по всей площади пленки за счетд щими в состав материала, причем энерги 

Claims (1)

1. однородности потока кислорода и его восп-атомов и ионов кислорода составл ет 50роизводимости .150 эВ. а их плотность И (удовлетвор ет соФормулаизобретени 10 отношению Н (1-10) la, где z - плотность

   Способ получени  пленок сверхпрово-потока других компонентов, д щих оксидных материалов, включающий