СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ СВЕРХПРОВОДЯЩИХ ПЛЕНОК Советский патент 1995 года по МПК H01L39/24 

Изобретение относится к высокотемпературной сверхпроводниковой (ВТСП) микроэлектронике, в частности к технологии формирования пленочных сверхпроводниковых структур, и может быть использовано для создания приборов на основе эффекта сверхпроводимости.

Цель изобретения повышение эффективности использования распыляемого материала, увеличение однородности пленок по составу и толщине при уменьшении дефектности.

Данный способ отличается от известного тем, что подложки размещают параллельно оси симметрии катодного распылительного узла между входным отверстием вакуумной откачной системы и выходным отверстием системы напуска аргона и кислорода. При этом подложки располагают на расстоянии (4-20)D от катодного распылительного узла, где D расстояние между осью симметрии распылительного узла и распыляемой мишенью. В качестве катодного распылительного узла может быть выбрана любая симметричная система, например цилиндрический инвертированный магнетрон, планарная распылительная система со встречным размещением мишеней, причем как магнетронного, так и диодного типа и т.д. Существенным признаком является также то, что осаждение пленки проводят при величине газового потока 0,2-150 мм рт.ст. л/с.

Совокупность новых признаков заявленного решения позволяет увеличить однородность пленок по составу и толщине при уменьшении дефектности. Это достигается за счет того, что заявляемый способ обеспечивает вынос потоком газа-носителя (смесь аргона и кислорода) распыленных частиц вещества из зоны катодного распылительного узла, а также их перемешивание. Известно, что в обычных распылительных системах существует неоднородное угловое распределение распылительного материала ВТСП мишени. В данном случае удаление подложки от распылительного узла и эффективное перемешивание в газовом потоке обеспечивают высокую однородность потока распыленного вещества по составу. Одновременно с этим, благодаря размещению подложек на расстоянии l (4-20)D, где D расстояние между осью симметрии распылительного узла и распыляемой мишенью, от катодного распылительного узла, предотвращается попадание на них крупных частиц распыляемого материала, не долетающих до подложек из-за своей массы.

Наблюдаемый положительный эффект существует только в указанных диапазонах изменения параметров. Так, при расстоянии между подложками и катодным распылительным узлом l < 4D и газовом потоке менее 0,2 мм рт.ст. л/с осаждается неравномерная по толщине и составу пленка с большим содержанием крупных частиц. В случае увеличения газового потока более 150 мм рт.ст. л/с и удалении подложек от катодного распылительного узла на расстояние свыше 20D пленка обладает плохими свойствами ввиду малой толщины и снижения эффективности использования распылительного материала, а также нестабильности работы распылительного устройства.

На чертеже показано устройство для осуществления способа получения ВТСП-пленок; 1 подложки; 2 нагреватель; 3 мишень; 4 область разряда; 5 вакуумная камера.

П р и м е р 1. В качестве распылительного узла используют систему встречно размещенных магнетронов. Подложки ZrO₂ или SrTiO₃ диаметром до 30 мм в количестве 10 шт. нагревают до 700^оС и зажигают разряд. Выходные отверстия системы напуска аргона и кислорода, нагреватель 2 подложки и входное отверстие вакуумной откачной системы, размещают на оси симметрии катодного распылительного узла. Расстояние от узла до нагревателя подложек выбирают равным 4 D, где D расстояние между осью симметрии распылительного узла и распыляемой мишенью 3. Устанавливают газовый поток (90% Ar и 10% О₂) равным 0,2 мм рт.ст. л/с.

После предварительной очистки в разряде 4 мишени открывают заслонку и напыляют в течение 1 ч на подложку слой Y Ba₂Cu₃O_7-б толщиной 0,1 мкм. Охлаждают подложки, напускают кислород в вакуумную камеру 5 и проводят низкотемпературный отжиг при 400^оС 10 мин. Измеряют критические параметры сверхпроводящих пленок Т_с 89-92 К, j_c 2˙ 10⁶ А/см². Пленки однородны по химическому составу, макродефекты в пленках отсутствуют.

П р и м е р 2. Напыление пленок ведут аналогично примеру 1. В качестве распылительного узла используют цилиндрический инвертированный магнетронный узел. Расстояние l выбирают равным 20D, а величину потока устанавливают равной 150 мм рт.ст. л/с. В подложкодержателе закрепляют 10 подложек диаметром 30 мм. После напыления измеряют критические параметры сверхпроводящих пленок Т_с 88-91 К, j_c3 ˙ 10⁶ А/см². Пленки однородны по химическому составу, макродефекты в пленках отсутствуют.

П р и м е р 3. Напыление пленок ведут аналогично примеру 1. Расстояние l выбирают равным 10 D, а величину потока устанавливают равной 50 мм рт.ст. л/с. После напыления измеряют критические параметры сверхпроводящих пленок Т_с 90-92 К, j_c 5˙ 10⁶ А/см². Пленки однородны по химическому составу, макродефекты в пленках отсутствуют.

П р и м е р 4. Напыление пленок ведут по способу-прототипу. На подложкодержателе закрепляют одну подложку диаметром 30 мм. После напыления и низкотемпературного отжига измеряют критические параметры ВТСП-пленки в центре подложки Т_с 89-92 К, j_c 5˙ 10⁵ А/см². На краю подложки свойства пленок существенно хуже: Т_с 85-89 К, j_c 10⁴ А/см². По краям подложки в пленке отмечен неоднородный состав с избытком содержания бария. Отмечено наличие макровключений на всей поверхности пленок.

В предлагаемом способе в 2-3 раза увеличивается эффективность использования распыленного материала по сравнению с прототипом. В известном способе используют только менее половины распыленного материала мишени. В предложенном способе за счет эффекта продувки удается повысить коэффициент использования материала мишени и увеличить число подложек.

Одновременно достигается повышение качества пленок до повеpхности подложки за счет увеличения однородности пленок по составу и толщине при уменьшении дефектности, а также появляется возможность нанесения ВТСП-пленки на обе стороны подложки одновременно.

Сущность изобретения: способ включает осаждение сверхпроводниковых пленок путем распыления керамической мишени в катодном распылительном узле. Подложки размещают параллельно оси симметрии катодного распылительного узла между входным отверстием вакуумной откачкой системы и выходным отверстием системы напуска аргонаи кислорода на расстоянии l (4 - 20) D от катодного распылительного узла, где D расстояние между осью симметрии распылительного узла и распыляемой мишенью. Осаждение пленки проводят при величине газового потока через зону распыления 0,2 150 мм рт.ст.л./с. 1 ил.

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ СВЕРХПРОВОДЯЩИХ ПЛЕНОК, включающий размещение и нагрев в вакуумной камере монокристаллических подложек, осаждение сверхпроводниковых пленок путем распыления керамической мишени в катодном распылительном узле в смеси аргона и кислорода, охлаждение подложки и напуск кислорода, низкотемпературный отжиг, отличающийся тем, что, с целью увеличения однородности пленок по составу и толщине при уменьшении дефектности, подложки размещают параллельно оси симметрии катодного распылительного узла между входным отверстием вакуумной откачной системы и выходным отверстием системы напуска аргона и кислорода на расстоянии l (4 20) D от катодного распылительного узла, где D расстояние между осью симметрии распылительного узла и распыляемой мишенью, а осаждение пленки проводят при величине газового потока через зону распыления 0,2 150 мм рт.ст.л/с.