СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПОДЛОЖКИ ДЛЯ ВТСП ПОКРЫТИЙ НА ОСНОВЕ MGO - КЕРАМИКИ И СЕРЕБРА Российский патент 2004 года по МПК H01L39/24 

Изобретение относится к криоэлектронике и может быть использовано при изготовлении пленочных элементов, обладающих высокотемпературной сверхпроводимостью (ВТСП).

Известны способы изготовления подложек для ВТСП покрытий, при которых на MgO-керамику наносят слой серебра [1]. ВТСП покрытия на таких подложках имеют более высокие характеристики, однако при высокой температуре вжигания ВТСП покрытия, серебряные покрытия плавятся и коалесцируют, обнажая участки керамики для контакта с ВТСП покрытием.

Известен керамический способ изготовления подложек для ВТСП покрытий, при котором готовят смесь порошков MgO и серебра, затем прессуют эту смесь, после чего прессовки подвергают обжигу [2].

В этом случае серебро хорошо связано с керамикой, однако подложка вследствие действия высокой температуры обжига (более 1600°С) оказывается обедненной серебром, а повышение исходной концентрации серебра более 20% приводит к образованию соединяющихся пор и вытеканию из них серебра при обжиге подложки [3].

Техническим результатом изобретения является повышение качества ВТСП покрытий вследствие увеличения поверхностной концентрации серебра в керамической подложке путем увеличения его объемной исходной концентрации от 30 до 70 мас.% и удержания его в подложке.

Технический результат достигается тем, что в процесс изготовления подложки вводят дополнительные операции: промежуточный обжиг; уплотнение поверхностей подложки и шлифование рабочей поверхности. В исходную шихту добавляют необходимое количество серебра, затем ее прессуют, придавая нужную форму, и обжигают. Температура обжига керамики MgO достигает 1700°С, температура плавления серебра составляет 961°С. В зависимости от концентрации исходного серебра возможны два варианта спекания подложки при обжиге. Если содержание серебра составляет менее 20 мас.%, оно образует изолированные друг от друга включения. Если же концентрация серебра более 30 мас.%, эти включения соединяются и образуют разветвленную, пространственную сеть. При температуре, большей температуры плавления, серебро переходит в жидкое состояние и удерживается внутри керамики капиллярными силами. Поскольку поверхностное натяжение большинства металлов больше поверхностного натяжения окислов, то смачивание в системе является неполным. При повышении температуры поверхностное натяжение и вязкость серебра уменьшаются. В процессе спекания может произойти выход жидкой фазы [3]. Если содержание серебра более 70 мас.%, то возможно образование сплошной матрицы серебра с включениями керамики. Такая система не относится к керметам и имеет низкую температуру плавления, близкую к температуре плавления серебра [3]. Для системы MgO-керамика - серебро выход серебра происходит при температуре 1100°С. После спекания (Т=1700°С) в керамике не остается серебра. Капилляры оказываются пустыми. Чтобы удержать серебро внутри керамики, предлагается остановить подъем температуры обжига при 1000°С, когда прочность керамики увеличится (предварительный обжиг), уплотнить поверхности подложки внедрением в поверхность порошка MgO или другого тугоплавкого материала. После уплотнения поверхностей проводят обычный обжиг подложки, уплотненные поверхности удерживают серебро внутри капилляров. После охлаждения проводят шлифовку рабочей поверхности подложки, удаляя поверхностный слой до серебросодержащей области. Сопоставительный анализ заявленного технического решения с прототипом показывает, что заявленный способ отличается тем, что исходная концентрация серебра составляет 30-70 мас.%, после прессования проводят предварительный обжиг при температуре порядка 1000°С, затем уплотняют поверхности внедрением тугоплавкого материала и после обжига проводят шлифование рабочей поверхности, что в данной совокупности признаков в известном техническом решении отсутствует, обуславливая тем самым новизну технического решения. Технические решения, в которых проводят предварительный обжиг, уплотняют поверхность подложки и шлифуют поверхность на необходимую глубину после обжига авторам неизвестны, кроме того, совокупность признаков, состоящая из проведения предварительного обжига подложки, последующего уплотнения поверхностей и шлифования рабочей поверхности после обжига позволит обнаружить у предложенного способа изготовления подложки для ВТСП покрытий иные, в отличии от известных, свойства, к числу которых можно отнести:

- возможность изменять величину поверхностной концентрации серебра, регулируя глубину удаления поверхностного слоя, что позволяет влиять на характеристики ВТСП покрытий;

- возможность избежать потерь серебра в печи при его выделении во время обжига;

- возможность формирования криволинейных (например, цилиндрических) подложек с однородной поверхностной концентрацией серебра;

- возможность регулировать поверхностное сопротивление подложки, изменяя исходную концентрацию серебра, время обжига и глубину удаления поверхностного слоя. Таким образом, иные, в отличие от известных технических решений, свойства, присущие предложенному способу, доказывают наличие существенных отличий, направленных на достижение технического результата.

На фиг.1 представлен разрез участка подложки с изолированными включениями серебра 1. На фиг.2 представлен разрез участка подложки со сквозными порами 2 после удаления серебра при обжиге. На фиг.3 представлен разрез участка подложки после уплотнения поверхностного слоя 3 с заполненными серебром порами 4. На фиг.4 представлен разрез участка подложки после удаления поверхностного слоя.

Предлагаемый способ изготовления подложки для ВТСП покрытий был реализован следующим образом. Была приготовлена смесь, содержащая порошки MgO, серебро (≈30 мас.%) и органическую связку (3-5%). Смесь гомогенизировали, высушивали и прессовали под давлением 4-6 ГПа. Прессовки имели форму таблеток (D=40 мм, h=4 мм). Прессовки разделили на две партии. Образцы первой партии подвергали обжигу по типовой схеме: нагрев со скоростью 2°С/мин до 450°С; выдержка - 2 ч; нагрев со скоростью 4°С/мин до 1700°С; выдержка - 10 ч; охлаждение вместе с выключенной печью. Образцы второй партии обжигали с учетом данного технического решения: после прессования проводили промежуточный обжиг: нагрев со скоростью 2°С/мин до 450°С; выдержка - 2 ч; нагрев со скоростью 4°С/мин до 1000°С; выдержка - 10 ч; охлаждение вместе с выключенной печью. Затем проводили механическое внедрение порошка MgO в поверхности образцов. После обжига рабочую поверхность шлифовали до появления серебра. На все подложки по толстопленочной технологии наносили пасту, состоящую из ВТСП порошка Bi (2212) и органической связки. Образцы вжигали по типовой схеме (максимальная температура - 1000°С, выдержка - 24 ч при 870°С). После охлаждения ВТСП покрытия исследовали на величину плотности критического тока. Результаты исследований показали, что эта величина у образцов из второй партии на 50-70% выше. Визуальные исследования разрезов подложек говорят об отсутствии серебра в подложках из первой партии.

Использование предложенного способа изготовления подложки для ВТСП покрытий обеспечивает следующие преимущества:

- возможность изготавливать ВТСП покрытия с более высокими характеристиками;

- возможность изменять поверхностную проводимость подложек.

Источники информации

1. Технология толстых и тонких пленок / Под ред. А.Рейсмана, Ч.Роуза. - М.: Мир, 1972, - с.9-13; 83-87.

2. Вязников Н.Ф., Ерманов С.С. Металлокерамические материалы и изделия. - Л.: Матгиз, 1967, - 224 с.

3. Керметы / Под ред. Тинклио Дж.Р., Крэндалла У.Б. - М.: ИИЛ, 1962, с.19-27.

Использование: в криоэлектронике, при изготовлении пленочных элементов, обладающих высокотемпературной сверхпроводимостью (ВТСП). Сущность изобретения: в исходный порошок MgO вводят 30-70 мас.% серебра, затем порошок прессуют. Перед обжигом введены операции предварительного обжига при температуре порядка 1000°С, уплотнения поверхностей с помощью тугоплавких материалов, а после обжига операция шлифования рабочей поверхности до формирования необходимых поверхностных свойств. Технический результат изобретения - повышение качества ВТСП покрытий вследствие увеличения поверхностной концентрации серебра путем увеличения его исходной концентрации в пределах 30-70 мас.% и удержания внутри подложки. 4 ил.

Способ изготовления подложки для ВТСП покрытий на основе MgO-керамики и серебра, при котором готовят смесь порошков MgO и серебра, затем ее прессуют и обжигают, отличающийся тем, что смесь содержит от 30 до 70 мас.% серебра, перед обжигом проводят предварительный обжиг при температуре порядка 1000°С, затем уплотняют поверхности внедрением тугоплавкого материала, а после обжига шлифуют поверхность до получения заданных поверхностных свойств.