Способ получения пленок сверхпроводящих оксидных материалов
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.
СОЮЗ СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИК (я)5 Н 01 1 39/12, 39/24
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ
ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ.
К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4421749/25 (22) 06.05.88 (46) 30,11.92.Бюл."№ 44 (71) Институт радиотехники и электроники
АН СССР (72) И.M. Котелянский. М.А, Магомедов И
В.А, Лузанов (56) Н. Adachl et al. 1омметрегасоге process
for the preparation of the high Tc
supercondvctlng thin films — Appl, Phys, Ltd, 1987, ч. 51, ¹ 26, р. 2263-2265.
Now, à cooler thin-film processChemical Nfeek. 1988, April27, р. 15, (54) СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПЛЕНОК
СВЕРХПРОВОДЯЩИХ ОКСИДНЫХ МАТЕРИАЛОВ
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
„„5U „;, 1575856А1 (57) Изобретение относится к получению материалов, обладающих сверхпроводимостью. Цель изобретения — повышение воспроизводимости и однородности пара-. метров 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
I>, частиц кислорода соотносится с плотностью потока lz частиц других компонентов как 1 = (1 — 10) b, За счет этого активируют- ся процессы кристаллизации, повышается плотность пленки, что с учетом воспроизводимости потока кислорода и его однородности приводит к поставленной цели.
l пленки в кристаллическую фазу, обладаю- 1 д
,у™а щую высокотемпературной сверхпроводимостью, и воздействуют на осаждаемую пленку потоком ионов и атомов кислорода с энергией 50-150 зВ и плотностью потока, О© удовлетворяющей соотношению 1а и/4» (Я
-10, где 11 — плотность потока частиц кислоро- СЬ да; 12 — 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
1575856 значительно выше температуры образования высокотемпературной сверхпроводящей кристаллической фазы в оксидном материале пленки. Синтез пленки с кристаллической фазой, обладающей высокотемпературной сверхпроводимостью, 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 упорядоченн ия кристаллической ст руктуры, Кроме того, бомбардировка растущей пленки повышает. ее плотность за счет уменьшения размеров кристаллитов. Увеличение плотности пленки улучшает основные эксплуатационные параметры сверхпроводящих пленок: плотность критического тока 1 и температуру перехода в сверхпроводящее состояние Т .
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 наход2иться в диапазоне 5 10 -10 частиц см с
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 частиц.
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 иэ-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 э8. Бомбардировка поверхности растущей пленки энергетическими (50 — 150 э8) частицами кислорода приводит к снижению оптимальных темпе10 ратур синтеза материала пленки с кристаллической фазой, обладающей высокотемпературной сверхпроводимостью, до температур ниже температуры его структурного фазового перехода; Это связано, как с резкой активацией бомбардировкой элементарных процессов кристаллизации, так и повышением температуры поверхности растущей пленки, Повышение температуры подложки из-за ее
20 бомбардировки потоком частиц плотностью
=10 частиц см с и энергиями частиц несколько сотен электрон-вольт может достигать несколько сотен градусов. Минимальная температура нагрева подложки должна быть не ниже температуры, при которой становится возможным отжиг радиационных дефектов, вызванных этой бомбардировкой. Бомбардировка энергетическими частицами кислорода вносит изменения в соотношения коэффициентов прилипания атомов и молекул компонент материала оксидной пленки, Это требует внесения соответствующей корректировки соотношений плотностей потоков этих компонент.
Пример 1. Пленку оксидного материала с высокотемпературной сверхпроводимостью Y3832CU307 х с температурой Тф структурного фазового перехода в кристал40 лическую фазу, обладающую высокотемпературной сверхпроводимостью Тф= 1023 К, наносят на подложку из фианита. Для этого откачивают рабочий объем вакуумной установки электронно-лучевого распыления до
45 предельного вакуума 2. 10 Па. нагревают подложку до температуры 1020 К <Тф, включают источник потока ионов кислорода и устанавливают режим его работы, обеспечивающий получение плотности потока 1015
50 ионов см с и энергией 50-150 эВ, направленного в зону осаждения, Включают электронно-лучевые источники распыления, с помощью которых получают три атомномолекулярных пучка; а) иттрия с плотностью
10 атомов см с;бария с плотностью 3
° 10 атомов см с меди с плотностью 6
<0 атомов см с, направленных в зону осаждения. Затем вводят в эту зону осаждения нагретую подложку и открывают за1575856 слонку и производят осаждение оксидной пленки Y
90 К, lo— = 10 А/см (T=77 К), Пример 2. Оксидную пленку
Y Процесс нанесения осуществляют аналогично примеру 1 при следующих режимах: температура нагрева подложки 890 К, плотность потока ионов кислорода 3 10 ионов см 2 с 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 У1Ва2СВЗ07-х ОбЛаДаЕт ОРтОРОМбИЧЕСКОй КРИсталлическойфазой, Т,=92 К, lo=7 10 А/см 2 (Т =77 К). Пример 3. Оксидную пленку У1Ва2Си3О7- 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 1015 ионов см с, а их энергию 100 — 150 эВ, скорость роста 1 мкм/ч, время осаждения 40 мин. Полученная пленка имеет орторомбическую кристаллическую фазу, Т = 88 К, ! =3 10 А/см (Т = 77 К). Пример 4. Пленку оксидного материала Ег, BazCug07-х (T ф= !080 К) с высокотемпературной сверхпроводимостью наносят на кремниевую подложку. Для этого откачивают рабочий обьем вакуумной установки лазерного распыления до предельного вакуума 10 Па. Нагревают подложку до 780 К, включают источник потока ионов кислорода, устанавливают режим его работы, обеспечивающий получение потока плотностью 5. 10 ионов см с и энергией 100 — 120 эВ, включаютлазер и устанавливают режим лазерного распыления керамики, Er, Ва2Соз07-х, обеспечивающий поток компонентов материала керамики в зону осаждения плотностью 10 частиц см 2 с ". Затем вводят в эту зону осаждения нагретую до 780 K кремниевую подложку, открывают заслонку и производят осаждение оксидной пленки Ег, Ва2Сиз07-х пРи одновРеменной бомбаРдировке поверхности растущей пленки потоком ионов кислорода, скорость роста пленки в этих условиях l,2 мкм/ч, время 55 димостью 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 обработосаждения 1 ч. Полученная пленка имеет орторомбическую кристаллическую фазу, Тс 86 К, lo= 10 А/см (Т=77 К); Пример 5. Пленку оксидного материала В!гЯг2СаСц20в+х (Тф= 1060 К), обладающего высокотемпературной сверхпроводимостью, наносят на подложку из MgO. 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 15 источника ионов кислорода. Эти ионные источники кислорода располагаются между ячейками Кнудсена так, что у каждой ячейки Кнудсена ближайшими соседями являются источники ионов кислорода. Внутри рабоче20 го объема имеются вращающийся барабан для крепления подложек, обеспечивающий последовательное перемещение подложек вдоль периметра рабочего объема, и система нагрева подложек. Подложки из MgO за25 крепляют на барабане, откачивают рабочий объем до,10 Па, нагревают подложки до 960 К. Затем включают ячейки Кнудсена, устанавливают заданный для каждой иэ них рабочий режим, обеспечивающий получение соответственно необходимых плотностей атомно-молекулярных пучков висмута, стронция, кальция и меди в диапазоне 10 — 10 атомов см 2 с 1, Включают источники ионов кислорода и устанавливают режим 35 работы каждого из них, обеспечивающий плотности потоков в диапазоне 10 -5 14 .10 ионов см 2 с 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, Т =95 К, lo =10 А/см (Т=77 К). Таким образом, данный способ позволяет получать высококачественные оксидные пленки с высокотемпературной сверхпрово1575856 Составитель А.Серебряков Техред М.Моргентал Корректор О.Густи Редактор Заказ 559 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж 35, Раушская наб,. 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина, 101 ки информации, основанные на использовании появляющейся возможности изготовления на одной (кремниевой) подложке полупроводниковых и сверхпроводящих устройств. При этом параметры пленки воспроизводимы от способа к способу и одинаковы по всей площади пленки за счет однородности потока кислорода и его воспроизводимости. Формула изобретения Способ получения пленок сверхпроводящих оксидных материалов, включающий осаждение на нагретую подложку компонент, входящих в состав материала, о т л и ч аю шийся тем, что, с целью повышения воспроизводимости и однородности парамет5 ров, производят осаждение атомов и ионов кислорода совместно с компонентами, входящими в состав материала, причем энергия атомов и ионов кислорода составляет 50150 зВ. а их плотность! (удовлетворяет со10 отношению 1 (1-10) 1р, где lz — плотность потока других компонентов.
