СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПЛЕНОК МЕТАЛЛООКСИДНЫХ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ СВЕРХПРОВОДНИКОВ Советский патент 1994 года по МПК C23C14/28 

Изобретение относится к технологии осаждения пленок с использованием лазерного излучения, а именно к способам получения пленок высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП), и может использоваться в технологии больших и сверхбольших интегральных схем (БИС и СБИС), СКВИД.

Цель изобретения - улучшение качества пленок за счет уменьшения шероховатости их поверхности, повышения однородности структуры и состава - формирования однофазных структур путем снижения содержания капельной фазы, улучшения технологичности процесса при обеспечении высокой скорости осаждения и адгезии пленок к подложке.

При давлении кислорода в процессе осаждения менее 0,13 Па ухудшается качество пленки, она становится неоднородной по структуре, уменьшается доля тетрагональной фазы за счет увеличения содержания оксидов и сопутствующих фаз, резко ухудшаются и исчезают сверхпроводящие свойства. При давлении кислорода более 13 Па способ становится нетехнологичным из-за низкой скорости осаждения (чрезмерное расстояние осаждающего потока на атомах кислорода) и уменьшения адгезии пленки к подложке.

Двухступенчатый напуск кислорода в вакуумную камеру в процессе охлаждения пленки необходим для обеспечения: 1) фазового перехода тетрагональной структуры в орторомбическую и 2) насыщения этой фазы кислородом до оптимальной величины - с определенным содержанием и упорядочением в кислородной подсистеме орторомбической фазы. При давлении кислорода более 133 Па и менее 40 Па на первом этапе охлаждения (температура подложки более 773 К и давлении кислорода более 5˙10⁴ Па и менее 2 ˙10⁴ Па на втором этапе охлаждения (температура подложки менее 773 К) ухудшаются сверхпроводящие (СП) свойства пленки.

Температура подложки Т_n=773 К выбиралась в температурном интервале максимального поглощения кислорода пленкой, состоящей из орторомбической фазы.

При скорости охлаждения более 35 К/мин на первом этапе и более 25 К/мин на втором этапе фазовые превращения происходят не полностью, синтезируются многофазные пленки, что ухудшает качество пленок за счет снижения однородности структуры и состава пленок.

При плотности мощности лазерного излучения q >10⁸Вт/cм² происходит увеличение содержания капельной фазы в паровом потоке и соответственно дефектов в пленке. Кроме того, при q <10⁸ Вт/см² возрастает степень ионизации и средняя энергия частиц парового потока, что приводит к росту шероховатости пленки и появлению макродефектов в пленке (проколы, поры и т.д.), а также к нарушению стехиометрии состава пленки. Следовательно, при q >10⁸ Вт/см² качество пленок ухудшается. При q < 10⁷ Вт/см²снижается технологичность процесса за счет уменьшения скорости осаждения. При частоте импульсов лазерного излучения V >15 Гц ухудшается качество пленки вследствие снижения однородности пленки по фазовому составу и структуре и чрезмерного разогрева мишени.

При расстоянии от мишени до подложки более 3 см в потоке пара уже происходит конденсация и поэтому возрастает количество капель, осаждающихся на подложку.

При расстоянии от мишени до подложки менее 1,5 см происходит реиспарение легколетучего компонента с подложки, наблюдается нестехиометрия состава пленки. Кроме того, увеличивается распыление подложки и пленки и возрастает шероховатость пленки, при этом наблюдается также неоднородность состава пленки (она обусловлена узкой диаграммой направленности разлета паров мишени).

П р и м е р. Подложку из поликора устанавливают на микропечи в вакуумной камере с безмасляной системой откачки. Мишень из сверхпроводящей металлооксидной керамики YBa₂Cu₃O₇ устанавливают в держателе параллельно поверхности подложки на расстоянии 1,5 см от нее. Вакуумную камеру откачивают до давления 1,3˙ 10⁴ Па. Для уменьшения парциального давления сопутствующих газов в камеру напускают кислород (чистота 99,9%) до атмосферного давления, вновь откачивают камеру до давления 1,3 ˙10^-4 Па. Включают микропечь и температуру подложки доводят до 853К. Контроль температуры осуществляют с помощью хромель-алюмелевой термопары. Напускают в камеру кислород до давления 0,13 Па. Через фокусирующую линзу и окно вакуумной камеры лазерное излучение (длина волны 1,06 мкм, интенсивность излучения на мишени 10⁷ Вт/см², длительность импульса 30 нс, частота следования импульсов 1 Гц, диаметр пятна на мишени ≈3 мм) направляют на мишень под углом 30^о к ее поверхности и сканируют ее. При этом вещество мишени осаждается на подложку со скоростью 5/ИМП и образуют на ней пленку толщиной 0,15 мкм. После осаждения пленки выключают микропечь и осуществляют регулируемый отжиг, для чего в камеру напускают кислород до давления 40 Па (время напуска ≈ 10 сек), подложка охлаждается со скоростью 20-25 К/мин. При температуре подложки 373 К камеру разгерметизируют и извлекают подложку с осажденной пленкой.

Способ обеспечивает получение пленок с максимальной температурой сверхпроводящего перехода 98К и минимальной шириной перехода 1 К, критический ток достигает 10⁵ А/см² (77К).

Предлагаемый способ обеспечивает высокий выход годных образцов и большую производительность. Получаемые пленки имеют стабильные характеристики и при выдержке на воздухе в течение двух месяцев их СП свойства не деградируют.

В предлагаемом способе в процессе формирования пленок отсутствуют структурные превращения между фазами с резко отличающимися параметрами кристаллографической ячейки, вследствие чего не создается условий для возникновения значительных напряжений внутри растущей пленки и в результате она практически не содержит макродефектов типа крупных пор и трещин и характеризуется высокой адгезией к подложке.

Способ получения пленок металлооксидных высокотемпературных сверхпроводников относится к технологии пленочной микроэлектроники и может быть использован в производстве больших и сверхбольших интегральных схем для получения элементов с применением сверхпроводящих эффектов, в частности СКВИДов. Цель изобретения - уменьшение качества пленок за счет уменьшения их шероховатости и повышение однородности структуры, а также улучшения технологичности процесса. За счет выбора режимов испарения мишени, в частности плотности мощности лазерного излучения, частоты лазерных импульсов и давления кислорода, температуры подложки в процессе осаждения пленки в диапазоне (853-1023)К, а также режимов двухэтапного охлаждения подложки с пленкой после осаждения, обеспечивается требуемая структура пленки при высокой ступени ее однородности и стехиометрии. В качестве режимов, обеспечивающих требуемый результат при охлаждении пленки, определены скорость охлаждения пленки на различных этапах, давление кислорода, также различное на различных этапах, и температурная граница между этапами - 773 К. Кроме того, выбор расстояния мишень-подложка в диапазоне (1,5-3)см позволяет дополнительно улучшить качество пленок. 2 з.п. ф-лы.

1. СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПЛЕНОК МЕТАЛЛООКСИДНЫХ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ СВЕРХПРОВОДНИКОВ, включающий испарение мишени из наносимого материала в атмосфере кислорода импульсным лазерным излучением, осаждение его на нагретую подложку и охлаждение подложки в два этапа в атмосфере кислорода, отличающийся тем, что, с целью улучшения качества пленок и повышения технологичности процесса, испарение материала осуществляют при плотности мощности лазерного излучения 10⁷ - 10⁸ Вт/см², частоте следования импульсов не более 15 Гц и давлении кислорода (0,13-13)Па, температуру подложки в процессе осаждения поддерживают в диапазоне (853-1023)К, охлаждение подложки на первом этапе проводят со скоростью не более 35 К/мин до температуры 773 К при давлении кислорода (40-133)Па, а на втором этапе охлаждение подложки проводят со скоростью не более 25 К/мин при давлении кислорода (2-5) · 10⁴ Па. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в процессе осаждения пленки расстояние мишень - подложки выбирают в диапазоне (1,5-3) см.