Способ обработки пленок системы В @ -С @ -S @ -С @ -О Советский патент 1992 года по МПК C30B33/02 C30B29/22 

СО

С

Изобретение относится к технологии обработки нового класса материалов, обладающих сверхпроводимостью при высоких температурах-ВТСП, более конкретно к их высокотемпературной обработке в активной атмосфере. Изобретение обеспечивает повышение критического тока 1а в пленках. Отжиг пленок системы Bi-Ca-Sr-Cu-О ведут при 890-970 К в течение 3-5 ч в атмосфере, содержащей кислород и пары висмута при их парциальном давлении 0,1,5-15 Па 0,1- 1,5 Па соответственно. Получают пленки с 1а 5 -103 А/см2. 1 табл., 1 ил.

Изобретение относится к технологии обработок пленок нового класса материалов, обладающих сверхпроводимостью при высоких температурах, ВТСП, более конкретно - к высокотемпературной обработке в активной атмосфере.

Одним из основных параметров сверхпроводящего материала является величина критического тока Кр, достигаемая при температуре ниже критической температуры свехпроводящего перехода Тс. На величину кр в тонких (толщиной до 1 мкм) поликристаллических ВТСП-пленках определяющее влияние оказывает структура пленок. Поскольку для ВТСП-материалов системы Bi- Ca-Sr-Cu-О характерны малые значения длины когерентности (Я -20 А), сверхпроводящие характеристики: кр и Тс данного класса материалов оказываются чрезвычайно чувствительными к различного рода дефектам структуры таким, как точечные

дефекты,границы зерен, дислокации,двойниковые границы и т.д. По этой причине возрастание концентрации дефектов приводит к падению величины Кр и снижения Тс. В связи с этим актуальным является создание новых способов обработки пленок, позволяющих улучшить структуру ВТСП-планок.

Известен способ обработки поликристаллических пленок Bi-Ca-Sr-Cu-О толщиной около 200 мкм, полученных методикой электронно-лучевого осаждения, которой заключается в отжиге пленок в потоке кислорода при 1070-1160 К в течение 1 ч. В реаультате обраб ггки по этому способу получены поликристаллические пленки, главная кристаллографическая ось С в которых ориентирована перпендикулярно к поверхности подложки.

Недостатком пленок, обработанных по этому способу, является высокая степень

х|

Сл 00 СП

поликристалличности пленок: размер зерна 102-103 А и вследствие этого низкие значения кр. 1Кр в таких поликристаллических ВТСП-пленках составляет 5 102 А/см2 (Т 77 К).

Наиболее близким к предлагаемому является способ обработки ВТСП-пленок BI- Ca-Sr-Cu-О, включающий отжиг в атмосфере кислородосодержащего газа. Пленки BI-Ca-Sr-Cu-О толщиной 0,5-1 мкм, приготовленные магнетронным распылением на подложках МдО и SrTiOs, отжигаясь на воздухе или. в атмосфере кислорода также в два этапа: первоначальный отжиг проводился при 1160 К 20 мин, затем при 1070 К 9 ч. Парциальное давление кислорода при отжиге не приведено (составляет 2 КПа).

Достоинством способа является то, что пленки, обработанные по способу-прототипу, имеют преимущественную ориентацию кристаллитов и критический ток достигает в них больших величин по сравнению с аналогом - Кр 103 А/см2 при Т 77 К. Однако это значение критического тока является недостаточным для ряда применений ВТСП-пленок, например, в качестве межсоединений в схемах микроэлектроники.

Целью изобретения является повышение критического тока в поликристаллических системах Bi-Ca-Sr-Cu-0.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе обработки пленок, включающем отжиг в атмосфере кислородсодержащего газа, огжиг проводят при 890- 970 К в течение 3-5 ч в упомянутой атмосфере, дополнительно содержащей пары Bi, при парциальных давлениях кислорода и паров Bi 1,5-15 и 0,1-1,5 Па соответственно.

Сущность предлагаемого способа заключается в формировании ВТСП-прослоек стехиометрического состава между кристаллами поликристаллической ВТСП-плен- ки.

Одним из существенных признаков предлагаемого способа является температура Т, при которой проводится обработка пленки. Эта температура должна лежать в интервале 890-970 К Экспериментально установлено, что при такой температуре происходит эффективное взаимодействие материала пленки с активной атмосферой, в которой проводится отжиг. При температурах, меньших нижней границы интервала Т 890 К, не происходит активного насыщения областей, прилегающих к границам зерен, висмутом из окружающей атмосферы. При Т 970 К происходит реиспарение легколетучего компонента Bi из приповерхностного слоя и из области границ зерен. В обоих указанных случаях наблюдается отклонение состава приграничных областей кри стал л ито в от стехиометричес кого и с нижение критического тока. Причем стехиомет- ричность состава не удается обеспечить за счет варьирования парциальных давлений и кислорода в широких пределах.

Следующим необходимым признаком

0 предлагаемого способа является время обработки пленок, которое должно ограничиваться интервалом 3-5 ч. В том случае, если время обработки составляет менее 3 ч, насыщение висмутом областей вблизи границ

5 кристаллитов осуществляется не в полной мере и стехиометричность состава не достигается. Если же время обработки пленки превышает 5 ч, то на поверхности пленки образуются включения фазы, обогащенной

0 висмутом, а также пленка становится неоднократной по толщине. Отклонения состава прослоек между кристаллами отстехиомет- рического проявляются, таким образом, при выходе времени отжига как за верхнюю, так

5 и за нижнюю границы заявляемого диапазона, что влечет за собой снижение критического тока.

Также необходимым признаком предлагаемого способа является величина пар0 циального давления активных компонентов атмосферы, в которой производится обработка. Парциальные давления кислорода - Роз и паров Bi-Рв должно находится в интервалах 1,5-15 и 0,1-1,5 Па соответствен5 но. При величинах Ро2 1,5 Па происходит обеднение приповерхностного слоя пленки и областей вблизи границ кристаллитов кислородом и вследствие этого падение кр, так как ВТСП-свойства материалов Bi-Ca-Sr-Cu0 О чрезвычайно чувствительны к дефициту кислорода в составе материала.

При Ро2 15 Па не происходит эффективного взаимодействия висмута, находящегося в паровой фазе, с материалом пленки, так как он взаимодействует с кислородом. При величинах PBI 0,1 Па атомы висмута испаряются из объема пленки, причем наиболее интенсивно этот процесс протекает по дефект м структуры (в частности, по границам зерен).

При величине PBI 1,5 Па на поверхности пленки образуются включения фазы, обогащенной висмутом. Из всего этого следует, что в случаях выхода величин парциальных давлений висмута и кислорода за границы указанных интервалов происходит отклонение состава области вблизи границ кристаллов или на поверхности пленки от

стехиометрического, что во всех случаях ведет к падению кр.

Таким образом, для достижения поставленной цели критическими являются не только температура обработки, но и время обработки, а также величины парциальных давлений активных компонентов атмосферы, что свидетельствует о существенности режимов способа.

На чертеже показан участок пленки 200 х 200 мкм, снятый в характеристических лучах Bil

В тонких (до 1 мкм) поликристалличё- ских пленках Bi-Ca-Sr-Cu-О как в процессе конденсации, так и последующей высокотемпературной обработки происходит обеднение поверхностного слоя и областей, прилегающих к границам кристаллитов, висмутом (это подтверждается чертежом). В результате ухода атомов висмута в указанных областях пленки образуется фаза (Sro.esCao.ss) Cu02. Образование включений этой несверхпроводящей фазы является причиной падения критического тока при .

Для устранения влияния несверхпроводящей фазы экспериментально найдены режимы, обеспечивающие стехиометричность состава и, соответственно, сверхпроводящие свойства межкристаллитных прослоек.

Таким образом, предлагаемый способ представляет собой новую совокупность неразрывных существенных признаков, которая приводит к появлению нового свойства: формированию в поликристаллической ВТСП-пленке межкристаллитных прослоек стехиометрического состава, обладающих сверхпроводящими свойствами при Т Тс.

Пример. Обработка поликристаллических ВТСП-пленок Bi-Ca-Sr-Cu-О проводилась в вакуумированном объеме установки УВН-2М. Толщина пленок составляла 1 мкм, пленки получены методом лазерного рагпыления на положках МдО, распы.-ние мишени Bi-Ca-Sr-Cu-О проводилось в импульсном режиме: длительность импульсов с, энергия излучения за один импульс 100 Дж, в качестве источника излучения использовался лазер ГОР 100 М, Рабочий объем предварительно откачан до давления остаточной атмосферы Р 10 Па. Затем с помощью нихромного нагревателя разогревался помещенный в рабочий объем контейнер с висмутом, являющийся источником паров Bi. Температура разогрева контейнера (Т 850°С) обеспечивала активное испарение висмута в рабочий объем и достижение парциального давления паров Bi в объеме 0,8 Па. Температура контейнера с висмутом регистрировалась ХК-термопарой и цифровым вольтметром Щ1314. Затем в рабочий объем через натекатель под давлением подавался кислород ОСЧ до достижения парциального давления кислорода 8 Па. Давление паров висмута и кислорода регистрировалось лампами ПМТ-2, подключенными к ионизационно-термопарному вакуумметру. После установления в рабочем объеме необходимого парциального давления обоих компонентов активной атмосферы температуру обрабатываемых пленок, закрепленных в обойме, поднимали до Т 930 К. Температура пленок фиксировалась ХА-термопарой и цифровым вольтметром

Щ1413. Отжиг пленок проводился в динамическом режиме, т.е. через рабочий объем осуществлялся проток кислорода в присутствии постоянного источника паров Bi. Время отжига составляло t 4 ч и фиксировалось по хронометру. На полученных пленках затем четырехзондовым методом измерено сопротивление пленок и сняты вольт-амперные характеристики при Т 77 К, из которых определялось значение кр.

Данные по режимам и параметрам приведены в таблице.

В полном соответствии с описанным примером проводилась обработка пленок и при других режимах, входящих в интервалы,

указанные в формуле изобретения. Причем варьирование трех из четырех параметров режима обработки проводилось при фиксировании только какого-либо одного параметра, что позволяло проследить влияние

всевозможных сочетаний параметров режима обработки на свойства обработанной пленки.

Таким образом, предлагаемый заявляемый способ обработки пленок позволяет повысить критический ток в поликристаллических ВТСП-планках Bi-Ca-Sr-Cu-О в 2-5 раз, Такое увеличение критического тока стало возможным благодаря обнаруженным

экспериментально режимам, при которых в обрабатываемых пленках устраняются не сверхпроводящие межкристаллитные прослойки, существенно понижающие Кр в пленках. В результате обработки происходит насыщение висмутом областей пленки, прилегающих к границам кристаллитов, и достижение в них стехиометрического состава, в результате чего эти области становятся сверхпроводящими,

Кроме того, предлагаемый способ характеризуется более высокой технологичностью вследствие использования существенно более низких температур отжига: 890-930 К вместо 1200 К в способе-прототипе.

Формула изобретения

Способ обработки пленок системы Bi- Ca-Sr-Cu-О с высокотемпературной сверхпроводимостью путем их отжига в атмосфере, содержащей кислород, отлиdl-Ca-Sz-Cu-O

чающийся тем, что, с целью повышения критического тока, отжиг введут при 890-970 К в течение 3-5 ч при дополнительном введении в атмосферу паров висмута с парциальным давлением 0,1-1,5 Па и давлении кислорода 1,5-15 Па.