СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ МНОГОСЛОЙНЫХ СТРУКТУР ИЗ МАТЕРИАЛА YВaСuО С ДВУХ СТОРОН ПОДЛОЖКИ Российский патент 2002 года по МПК H01L39/24 

Изобретение относится к сверхпроводящей технике, в частности к формированию структуры типа SIS и других многослойных структур с различными электрофизическими свойствами, которые могут быть использована при изготовлении сверхпроводящих устройств микроэлектроники, полосковых резонаторов, джозефсоновских контактов, сквид-магнитометров, болометров, приемников ИК-излучения.

Наибольшее распространение при изготовлении многослойных структур типа SIS в настоящее время получили способы, основанные на использовании распыляемых мишеней с различными электрофизическими свойствами [1]. В качестве диэлектрического слоя в этом случае используется материал подложки SrTiO₃. Этим способом удается получить эпитаксиальные пленки, достаточно совершенные по структуре и с хорошими диэлектрическими свойствами, однако процесс смены распыляемой мишени сопряжен с дополнительными технологическими сложностями и деградацией пленки на одной поверхности за время откачки вакуума.

Известны способы создания ВТСП пленок с двух сторон подложки [2], в которых у одного класса веществ слой высокотемпературных сверхпроводников находится в пространстве между каждыми двумя двойными уровнями оксида меди, у другого класса веществ слой высокотемпературных сверхпроводников находится между каждыми двумя простыми уровнями. Параметры этих промежуточных структур регулируются путем контролируемой подачи кислорода или соответственно отвода кислорода.

Однако данный способ имеет ряд недостатков. Отсутствует возможность получения качественной полированной поверхности и, таким образом, изготовление, например, полоскового резонатора остается весьма проблематичным; имеются трудности контроля измерения переходного слоя между двумя структурами, а также сложности учета влияния изменения параметров проводимости при варьировании давлением кислорода.

Известен способ нанесения на субстрат двустороннего покрытия из высокотемпературного сверхпроводника [3], заключающийся в том, что на полированный субстрат наносят двухстороннее покрытие из сверхпроводника. Двухстадийный метод, при котором напыление проводят при повышенной температуре, после чего субстрат (in suti) в атмосфере кислорода охлаждают до комнатной температуры. Первый двусторонне полированный субстрат приводят в тесный контакт со вторым субстратом, полированным только с одной стороны, полированной поверхностью этого второго субстрата. Неполированную поверхность второго субстрата приводят в тепловой контакт с нагревательным устройством. При этом происходит напыление на свободную поверхность первого субстрата, после чего этот сустбрат отъединяют и удаляют. В это же время второй субстрат остается подсоединенным к нагревательному устройству и подвергается напылению на полированную поверхность. Первый субстрат после этого приводят в тесный контакт его напыленной поверхностью с напыленной поверхностью второго субстрата и осуществляют напыление на его вторую поверхность.

Недостатком этого способа является малый процент выхода пленок высокого качества из-за многостадийности процесса нанесения.

Известен также способ изготовления сверхпроводящих электронных структур со сверхпроводящими слоями на противоположных сторонах тонкой диэлектрической пластины [4]. На первой механически стабильной подложке формируется первый слой сверхпроводника, а поверх него защитный слой. К защитному слою крепится вторая механически стабильно несущая подложка, после чего осуществляется уменьшение толщины первой подложки для получения тонкого слоя диэлектрика. Затем на второй стороне слоя диэлектрика формируется второй слой сверхпроводника.

Недостатком этого способа является дополнительные операции шлифовки и полировки первой подложки и необходимости при этом разгермитизации, вторичного вакуумирования и длительности воздействия вакуума на готовую пленку с одной стороны подложки с нанесенной пленкой.

Авторами заявляемого изобретения установлено свойство материала YBa₂Cu₃O_7-x активно деградировать при нагревании, охлаждении, разгермитизации и вторичном вакуумировании. При этом происходит диссипация атомов нестехиометрического кислорода из кристаллической структуры и деградация сверхпроводящих свойств пленки.

Известен способ одновременного напыления ВТСП-пленки с двух сторон подложки, в котором использован метод скрещенных лазерных лучей позволяющий проводить напыление от двух мишеней [5].

Недостатком способа является необходимость в двух лазерах и возможное образование новых сложных не сверхпроводящих молекул в плазме двух скрещенных факелов и в связи с этим неидентичность электрофизических параметров полученных пленок с разных сторон подложки.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является способ нанесения ВТСП пленки с двух сторон подложки [6], в котором использован метод лазерной абляции с расположением подложки параллельно оси плазменного факела. В этом способе напыление проводят при давлении кислорода Р=10^-3 торр и температуре 430^oС с последующим отжигом в атмосфере кислорода в течение 2-5 часов. При указанном расположении подложки пленку наносят одновременно на две стороны подложки, но при этом способе поверхности имеют клинообразную геометрию, т. е. толщина пленки сильно зависит от расстояния до факела. Этим способом невозможно напыление более чем трехслойных структур (SIS).

Задачей изобретения является создание способа формирования из одного материала YBaCuO с двух сторон подложки структур с различными электрофизическими свойствами, обеспечивающего создание слоев хорошего качества, морфологии и отсутствие микробрызг на поверхности в одном технологическом цикле (in situ), без изменения установленного перед началом процесса давления в камере. Указанный технический результат достигается тем, что в способе формирования многослойных структур из материала YBaCuO с двух сторон подложки методом лазерной абляции подложку устанавливают внутри цилиндрической печи на держателе со смещенным центром тяжести на расстоянии 1-3 см от мишени, держатель фиксируют по нормали к распыляемой мишени, после получения пленки заданной толщины с одной стороны подложки фиксатор держателя подложки отводят и подложка опрокидывается на 180^o и фиксируется, после чего процесс напыления продолжают с другой стороны подложки без перерыва технологического цикла из той же мишени при неизменных параметрах лазерного излучения, давлении и температуры. Держатель может быть выполнен в виде кольца, внутри которого уставлена подложка, причем на кольце укреплен груз для смещения центра тяжести. Для нанесения покрытия с различными электрофизическими свойствами из одной мишени устанавливается фиксированная температура подложки в пределах 950-270^oС, соответствующая нанесению пленок из ряда: сверхпроводник, нормальный проводник, полупроводник, изолятор и процесс осуществляют в атмосфере воздуха или кислорода при давлении 0,01-0,3 торр.

При напылении обратной стороны подложки освобождением фиксатора держатель подложки внутри печки переворачивается на 180^o. После переворота сохраняется геометрия напыления, при которой плазменный факел распыляемой керамики ориентирован нормально к поверхности подложки в 1-3 см от нее. В качестве подложек используют материалы SrTiO₃, LаАlO₃, MgO, ZrO₂. Регулирование температуры подложки осуществляется варьированием мощности питания вакуумной печи, а измеряется температура термопарным датчиком.

Таким образом, в процессе проведенных исследований создан способ формирования пленок YBaCuO пленок с различными электрофизическими свойствами с двух сторон подложки, осуществляемый в одном технологическом процессе, из одной мишени при неизменных параметрах лазерного излучения, давления и температуры, только путем переворота держателя с подложкой внутри вакуумной печи на 180^o. Экспериментально установлены параметры лазерного излучения, геометрического расположения и температурного режима для нанесения пленок с различными элекрофизическими свойствами.

Устройство, при помощи которого реализуется предлагаемый способ, включает в себя лазер ЛТИ-403, вакуумную камеру, систему кварцевых линз для фокусировки лазерного луча на мишень. Установка имеет также систему вакуумной откачки и регулируемого напуска воздуха или кислорода. Температура напыления контролируется термопарным датчиком.

Подложка крепится внутри цилиндрической печи на специальном держателе на расстоянии 1-3 см от мишени. Держатель подложки фиксируется по нормали к распыляемой мишени. Благодаря смещенному центру тяжести держателя, при освобождении фиксатора, держатель переворачивается на 180^o. Вакуумная камера имеет окна для визуализации контроля за экспериментом и кварцевое окно для прохождения лазерного излучения. Предложенный способ можно пояснить примером получения ВТСП пленок с двух сторон подложки: с критическим током j_c≈10⁶ А/см²; Т_c≈92.3 К; ΔТ≈0.8 -1.0 К.

Пример 1. Мишень состава YВа₂Сu₃О_6.93-х, приготовленная по пиролизной керамической технологии, устанавливается на держателе внутри вакуумной камеры в цилиндрической печи. Подложки типа SrТiO₃, LаАlO₃, отполированные с обеих сторон, фиксируются на держателе со смещенным центром тяжести по нормали к поверхности мишени на расстоянии 3 см. Вакуумная камера откачивается до давления 0.1 торр, включается печь и подложка нагревается до температуры 860^oС, далее включается лазер сфокусированный на мишени в пучок диаметром 1 мм и плотностью мощности излучения ≈10⁸ Вт/см² с частотой следования импульсов 12-13 Гц. При этих характеристиках излучения лазера и на расстоянии 3 см подложки от мишени пленка напыляется со скоростью 40 нм/мин. После получения пленки заданной толщины с одной стороны подложки фиксатор держателя подложки отводится и подложка опрокидывается на 180^o, после чего процесс напыления продолжается без перерыва технологического цикла с другой стороны подложки. По окончании процесса напыления печь отключается, камера наполняется воздухом и напыленные образцы извлекаются из камеры после охлаждения печи. Проведенные исследования показали, что качество, морфология и электрофизические свойства полученных таким образом пленок соответствуют эпитаксиальному росту без микробрызг. Морфология поверхности пленок наблюдалась на туннельном микроскопе, а их электрофизические свойства измерялись четырехзондовым методом и бесконтактным индуктивным способом.

Пример 2. Для напыления полупроводниковых пленок мишень состава YВа₂Сu₃О_6.93-х, приготовленная по пиролизной керамической технологии, устанавливается на держателе внутри вакуумной камеры в цилиндрической печи. Подложки типа SrТiO₃, LаАlO₃, отполированные с обеих сторон, фиксируются на держателе со смещенным центром тяжести по нормали к поверхности мишени на расстоянии 3 см. Вакуумная камера откачивается до давления 0.1 торр, включается печь и подложка нагревается до температуры 600^oC-720^oС, далее включается лазер сфокусированный на мишени в пучок диаметром 1 мм и плотностью мощности излучения ≈10⁸ Вт/см² с частотой следования импульсов 12-13 Гц. При этих характеристиках излучения лазера и на расстоянии 3 см подложки от мишени пленка напыляется со скоростью 50 нм/мин. После получения пленки заданной толщины с одной стороны подложки фиксатор держателя подложки отводится и подложка опрокидывается на 180^o, после чего процесс напыления продолжается без перерыва технологического цикла с другой стороны подложки. По окончании процесса напыления печь отключается, камера наполняется воздухом и напыленные образцы извлекаются из камеры после охлаждения печи. Для напыления диэлектрических пленок мишень состава YВа₂Сu₃О_6.93-х напыляется при температуре 270-300^oС.

Источники, принятые во внимание
1. Wellstood, Kingston, and Clark, Appl Pfys. Lett 56 [23] 4. June 1990 0003-6951/90/232336-03S02.00 1990 American Institut of Pfysics. p. 2336-2338. Supercunducting thin - film multiturn wils of YBaCuO.

2. Заявка Германии 4124048. МПК 5 H 01 L, 39/24, 39/22, 39/12 "Контакт Джозефсона в высокотемпературных сверхпроводниках и способ его создания".

3. Заявка Германии 4137238. МПК С 23 С 14/22, 13/35 H 01 L, 39/24 "Способ нанесения на субстрат двухстороннего покрытия из высокотемпературного сверхпроводника".

4. Патент США 5280013 МПК H 01 L 39/24. "Способ получения пленки высокотемпературного сверхпроводника на противоположных сторонах подложки".

5. В.Г. Прохоров и др. // СФХТ, 1992, 3, с. 505-509.

6. А. И. Головашкин и др. // Тезисы докл. 2 Всес. Конф. по ВТСП - Киев, 1989, т 2, с. 260.

Изобретение относится к сверхпроводниковой технике, в частности к формированию структуры типа SIS. Предложен способ формирования многослойных структур из материала YBaCuO с двух сторон подложки методом лазерной абляции. Способ характеризуется следующим: подложку устанавливают внутри цилиндрической печи на держателе со смещенным центром тяжести на расстоянии 1-3 см от мишени, держатель фиксируют по нормали к распыляемой мишени. После получения пленки заданной толщины с одной стороны подложки фиксатор держателя подложки отводят и подложка опрокидывается на 180^o. После этого процесс напыления продолжают с другой стороны подложки без перерыва технологического цикла из той же мишени при неизменных параметрах лазерного излучения, давления и температуры. Подложку укрепляют внутри держателя, выполненного в виде кольца со смещенным центром тяжести. В результате обеспечивается формирование структур с различными электрофизическими свойствами, при этом обеспечивается создание слоев хорошего качества, морфологии и отсутствие микробрызг на поверхности в одном технологическом цикле, без изменения параметров лазерного излучения, давления и температуры. 2 з.п.ф-лы.

1. Способ формирования многослойных структур из материала YBaCuO с двух сторон подложки методом лазерной абляции, отличающийся тем, что подложку устанавливают внутри цилиндрической печи на держателе со смещенным центром тяжести на расстоянии 1-3 см от мишени, держатель фиксируют по нормали к распыляемой мишени, после получения пленки заданной толщины с одной стороны подложки фиксатор держателя подложки отводят и подложка опрокидывается на 180^o, после чего процесс напыления продолжают с другой стороны подложки без перерыва технологического цикла из той же мишени при неизменных параметрах лазерного излучения, давления и температуры. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для нанесения из одной мишени покрытия с различными электрофизическими свойствами поворот подложки осуществляют при фиксированном значении температуры в пределах 270-950^oС, соответствующей нанесению слоев из ряда: сверхпроводник, нормальный проводник, полупроводник, изолятор, и процесс осуществляют в атмосфере воздуха или кислорода при давлении 0,01-0,3 торр. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что подложку укрепляют внутри держателя, выполненного в виде кольца со смещенным центром тяжести.