Способ получения пленок сверхпроводящих оксидных материалов Советский патент 1992 года по МПК H01L39/12 H01L39/24 

Изобретение относится к получению материалов, обладающих высокотемпературной сверхпроводимостью, в частности к технологии получения пленок оксидных материалов с высокотемпературной сверхпроводимостью, которые используются для создания твердотельных электронных устройств обработки информации.

Цель изобретения - повышение воспроизводимости и однородности параметров пленок.

Сущность предлагаемого способа заключается в следующем.

Осуществляют осаждение в вакууме на подложку компонент, образующих пленку. Осаждение проводят 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, удовлетворяющей 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 осуществлять одновременно с процессом осаждения 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 образования высокотемпературной сверхпроводящей кристаллической фазы в оксидном материале пленки. Синтез пленки с кристаллической фазой, обладающей высокотемпературнойсверхпроводимостью, осуществляется непосредственно при ее осаждении в вакууме. Это становится возможным при использовании бомбардировки поверхности растущей оксидной пленки ионами и атомами кислорода с энергиями, достаточными для активации элементарных процессов кристаллизации; фазового перехода атомов и молекул осаждаемого вещества из парообразного состояния в твердое, поверхностной диффузии и химического взаимодействия компонентов материалов пленки, образования зародышей и упорядочения кристаллической структуры. Кроме того, бомбардировка растущей пленки повышает ее плотность за счет уменьшения размеров кристаллитов. Увеличение плотности пленки улучшает основные эксплуата- ционные параметры сверхпроводящих пленок: плотность критического тока 1о и температуру перехода в сверхпроводящее состояние Тс.

Для обеспечения полного окисления 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 уменьшения относительного пересыщения других компонентов материала пленки на поверхности растущей пленки. При обычно используемых скоростях осаждения оксидной пленки от долей до нескольких микрон в час плотность потока энергетических кислородных частиц должна находиться в диапазоне 5 1013 -10 частиц см . Минимальная энергия кислородных частиц, бомбардирующих поверхность растущей пленки, должна быть достаточной для активизации элементарных процессов кристаллизации и позволять снижать температуру подложки за счет энергии потока этих час гиц. Это определяет нижний предел энергии кислородных частиц. Максимально допустимая энергия кислородных частиц должна быть недостаточной для создания радиационных дефектов повторного распыления растущей пленки. Повторное распыление пленки частицами кислорода является 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 связа5 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 энергиями частиц несколько сотен электрон-вольт может достигать несколько сотен градусов. Минимальная температура нагрева подложки

5 должна быть не ниже температуры, при которой становится возможным отжиг радиационных дефектов, вызванных этой бомбардировкой. Бомбардировка энергетическими частицами кислорода вносит изме0,нения в соотношения коэффициентов прилипания атомов и молекул компонент материала оксидной пленки. Это требует внесения 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, наносят на подложку из фианита. Для этого откачивают рабочий объем вакуумной установки электронно-лучевого распыления 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 осаждения. Включают электронно-лучевые источники распыления, с помощью которых получают три атомно- молекулярных пучка: а) иттрия с плотностью

5 ю14 атомов ;бария с плотностью 3« 1014 атомов см 2 с ; меди с плотностью 6« О1 атомов , направленных в зону осаждения. Затем вводят в эту зону осаждения нагретую подложку и открывают заслонку и производят осаждение оксидной пленки YiBa2Cu30 -x при одновременном воздействии на поверхность растущей пленки потоком ионов кислорода. Скорость роста пленки YtBa2Cu307 x в указанных уело- виях составляет 0,3 мкм/ч. Процесс осаждения проводят 2 ч, Полученная 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 наносят на подложку из BaFz. Процесс нанесения осуществляют аналогично примеру 1 при следующих режимах: температура нагрева подложки 890 К. плотность потока ионов кислорода 3 -1015 ионов и их энергия 50-150 эВ, плотности атомно-молекулярных пучков иттрия, бария и меди прежние, скорость роста в этих условиях 0,5 мкм/ч, время осаждения 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 наносят на подложку из сапфира. Процесс нанесения осуществляют аналогично примеру 1, но температуру подложки устанавливают 850 К, плотности атомно-молекулярных пучков иттрия, бария 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, время осаждения 40 мин. Полученная 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 наносят на кремниевую подложку. Для этого откачивают рабочий обьем вакуумной установки лазерного распыления 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 распыления керамики, Ег, ВааСизОт-х, обеспечивающий поток компонентов материала

керамики в зону осаждения плотностью 10 5 частиц . Затем вводят в эту зону осаждения нагретую до 780 К кремниевую подложку, открывают заслонку и производят осаждение оксидной пленки Ег, Ва2СизО -х при одновременной бомбардировке поверхности растущей пленки потоком ионов кислорода, скорость роста пленки в этих условиях 1.2 мкм/ч, время

5

Q g л

5 л

5

0

0

5

осаждения 1 ч. Полученная 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), обладающеговысокотемпературнойсверхпроводимостью, наносят на подложку из МдО. Для нанесения пленки используют вакуумную установку термического распыления, у которой по периметру ее рабочего объема расположены источники (ячейки Кнудсена) атомно-молекулярных потоков компонент оксидного материала: висмута, стронция, кальция, меди и четыре источника ионов кислорода. Эти ионные источники кислорода располагаются между ячейками Кнудсена так, что у каждой ячейки Кнудсена ближайшими соседями являются источники ионов кислорода. Внутри рабочего обьема имеются вращающийся барабан для крепления подложек, обеспечивающий последовательное перемещение подложек вдоль периметра рабочего объема, и система нагрева подложек. Подложки из МдО закрепляют на барабане, откачивают рабочий объем до Па, нагревают подложки до 960 К. Затем включают ячейки Кнудсена, устанавливают заданный для каждой из них рабочий режим, обеспечивающий получение соответственно необходимых плотностей атомно-молекулярных пучков висмута, стронция, кальция 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 производят последовательное осаждение каждого из компонентов оксидной пленки, при этом в промежутках времени между последовательным осаждением компонентов на пленку воздействуют ионами кислорода Скорость осаждения пленки 0,1 мкм/ч, время осаждения 3 ч. Пленка обладает высокотемпературной сверхпроводимостью, Тс 95 К, 10 Ю6 А/см2 (Т 77 К).

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

ки информации, основанные на использова-осаждение на нагретую подложку компонии появляющейся возможности изготовле-нент, входящих в состав материала, о т л и ч ания на одной (кремниевой) подложкею щ и и с я тем, что, с целью повышения

полупроводниковых и сверхпроводящих ус-воспроизводимости и однородности параметтройств. При этом параметры пленки восп-5 ров, производят осаждение атомов и ионов

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

однородности потока кислорода и его восп-атомов и ионов кислорода составляет 50роизводимости.150 эВ. а их плотность И (удовлетворяет соФормулаизобретения10 отношению Н (1-10) la, где z - плотность

Способ получения пленок сверхпрово-потока других компонентов, дящих оксидных материалов, включающий

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