Способ изготовления сверхпроводящих пленок

 

Изобретение относится к сверхпроводимости. Целью изобретения является повышение качества сверхпроводящих пленок путем уменьшения количества пор. Поставленная цель достигается тем, что производят плазменное напыление на разогретую подложку материала ΥBa₂Cu₃O₇ величиной гранул 80 - 150 мкм до толщины пленки 10 - 1000 мкм в атмосфере кислорода, затем нагревают пленку до 945 - 955^oС со скоростью 7,7 - 7,79 град/мин, выдерживают при этой температуре в течение 2,5 - 3 ч, а охлаждают, в течение времени в два раза больше времени, затраченного на нагревание. Последовательность таких операций позволяет получить сплошную пленку без отслаивания и растрескивания с малым количеством пор. 1 табл.

Изобретение относится к сверхпроводимости и может быть использовано в экранах для защиты полупроводниковых систем от внешних радиополей, а также в качестве пассивных элементов интегральных схем (ИС). Известен способ изготовления сверхпроводящей пленки со структурой A15 [1] согласно которому пленку, состоящую из двух элементов, образующих сверхпроводник типа A₃B со структурой А15 (например, Nb₃Sn, V₃Ga и др.), наносят на подложку из изолирующего материала или металла плазменным распылением (катодным, магнетронным) мишени, составленной из обоих компонентов в таком соотношении, что состав слоя по диаграмме близок к однофазной области А15, но находится в области соединения с избытком легкоплавкой компоненты, не затвердевающей при температуре его нанесения. По достижении требуемой толщины температуру подложки повышают до уровня, при котором упругость паров легкоплавкой композиции (Sn, Ga и др.) становится достаточной для заметного ее испарения (≥1х10^-3 Па) и может формироваться соединение А₃В. При небольшой продолжительности испарения состав сдвигается к стехиометрическому в соответствии с формулой А₃В и слой кристаллизуется с образованием структуры А15. Недостатком известного способа является относительно низкое качество пленки, обусловленное нарушением стехиометрии пленок Y Ba₂Cu₃O₇из-за неравномерного размещения компонентов пленки на ее поверхности. Наиболее близким техническим решением к предлагаемому способу является способ получения сверхпроводящих пленок, согласно которому исходный порошок Y -Ba-Cu-O с размером гранул менее 74 мкм напыляется на алюминивые подложки плазменным способом [2] Полученные таким образом пленки в дальнейшем отжигали при 900^оС в течение 3 ч. Толщина пленок, получаемых известным способом, составляет 100 мкм. Недостатком известного способа является то, что для напыления используют порошок с размером гранул менее 74 мкм, так как наличие мелкой фракции зерен (в пределах 1-4 мкм) в исходном порошке при напылении плазменным способом приводит к образованию пленок с неоднородным составом, известным под названием локальной нестехиометрии по площади. Локальная нестехиометрия проявляется в том, что в пленке имеются микроучастки, в которых наблюдается избыток каких-либо компонентов (например, Y Ba или Cu) рядом с такими же микроучастками в пленках, где наблюдается недостаток этих же компонентов. Это происходит вследствие того, что частицы мелкой фракции исходного порошка Y Ba₂Cu₃O₇ полностью разлагаются в струе плазмы под действием высокой температуры (6000-11000^оС) до составляющих компонентов, которые неравномерно оседают на подложке из-за разной массы и адгезии. При последующем отжиге вследствие локальной неоднородности состава идет образование не только сверхпроводящей фазы (1: 2: 3), но и других несверхпроводящих фаз, например Y ₂BaCuO₅, в участках, где есть избыток иттрия, либо Ba₂CuO₃ и CuО в участках, где имеется избыток Ba и Cu. Таким образом, использование исходного порошка с частицами мелкой фракции (до 74 мкм) заведомо приводит к пленкам, имеющим худшее качество. Целью изобретения является повышение качества пленок путем уменьшения количества пор. Поставленная цель достигается тем, что в способе изготовления сверхпроводящих пленок, заключающемся в плазменном напылении в инертной газовой среде порошкового материала Y Ba₂Cu₃O₇ на разогретую подложку с последующей ее термообработкой в кислоте и охлаждением, величину гранул порошкового материала выбирают в пределах 80-150 мкм, напыление производят до толщины пленки 10-1000 мкм, при этом в зону образования пленки подают кислород, после чего в течение 2 ч производят нагревание пленки до 945-955^оС с постоянной скоростью, выдерживают при этой температуре в течение 2,5-3,0 ч, а затем постепенно охлаждают в течение 4 ч. При плазменном напылении пленок порошком Y Ba₂Cu₃O₇ происходит частичное разложение этого материала на простые и сложные оксиды (CuO, BaO, Y₂O₃BaCuO₅ и др. ). При увеличении гранул менее 80 мкм процесс разложения происходит настолько глубоко, что последующий отжиг не приводит к восстановлению соединения Y Ba₂Cu₃O₇, в результате чего сверхпроводящие свойства пленки теряются. При использовании порошка с величиной гранул более 500 мкм получаются пленки с разбросом по толщине более 50% что приводит к значительному снижению способности пленки пропускать большие токи, а также к малой стойкости пленок. Напыление пленки ведут до толщины 10-1000 мкм. При толщине пленки менее 10 мкм не достигается сплошности покрытия и пленка получается с дырами, а также имеет разброс по толщине более 50% При напылении пленки свыше 1000 мкм ухудшается адгезия к подложке, так как коэффициент термического расширения (КТР) Y Ba₂Cu₃O₇ отличается от КТР подложки, что приводит к ее отстаиванию от подложки из-за больших внутренних напряжений, возникающих в пленке. Подача кислорода в зону напыления пленки препятствует нарушению стехиометрии в сторону недостатка кислорода, а также сокращает время дальнейшего отжига пленки в кислороде. После напыления пленки осуществляют ее термообработку за счет постепенного нагрева до 945-955^оС в течение 2 ч с последующей выдержкой при этой температуре в течение 2,5-3,0 ч. При термообработке нанесенной пленки происходит образование сверхпроводящей фазы Y Ba₂Cu₃O₇вследствие твердофазного синтеза и обогащения кислородом. Нагрев выше 955^оС нецелесообразен из-за ухудшения качества пленок. При температуре ниже 945^оС необходимо увеличивать время термообработки для проведения полного синтеза. Увеличение времени термообработки приводит к длительному взаимодействию материала пленки с подложкой при высокой температуре, вследствие чего ухудшается качество пленки из-за миграции материала подложки в пленку. Нагрев пленки до 945-955^оС осуществляют в течение 2 ч, так как при более быстром подъеме температуры происходит отслаивание и растрескивание пленок из-за того, что напряжения, возникающие в пленке, не успевают срелаксировать. Более медленный подъем температуры снижает производительность процесса. Выдержка пленки при максимальной температуре (955^оС) менее 2,5 ч недостаточна для образования сверхпроводящей пленки, так как не успевают протекать реакции между окислами и насыщение фазы кислородом. Увеличение времени выдержки (отжига) пленки при 955^оС более 3 ч ведет к ухудшению качества пленки из-за возможной миграции материала подложки в пленку. После отжига производят медленное охлаждение пленки в течение времени, в два раза превышающего время, затраченное на нагрев, для сохранения зерна в пленке. Более быстрое охлаждение пленки, т.е. уменьшение времени охлаждения, ведет к ухудшению свойств пленки. Отличительными признаками являются следующие признаки. Материал Y Ba₂Cu₃O₇ выбирают в виде порошка с размером гранул от 80 до 150 мкм, и плазменное напыление проводят в среде инертного газа, например аргона, до толщины слоя пленки 10-1000 мкм, при этом в зону образования пленки подают кислород. Нагревание пленки с постоянной скоростью от комнатной температуры до 945-955^оС в течение 2 ч. Выдержка пленки при 945-955^оС в течение 2,5-3 ч. Охлаждение пленки в течение времени, в два раза превышающего время, затраченное на нагревание. П р и м е р. Для образования пленки Y Ba₂Cu₃O₇ берут порошок с величиной гранул 80-150 мкм и при помощи плазменной установки УПУ-3Д наносят на подложку из фианита, которую предварительно подвергают пескоструйной обработке для получения развитой поверхности. В качестве подложки можно использовать керамику, нержавеющую сталь и другие материалы. Порошкообразный материал подается из дозатора установки УПУ-3Д под срез плазмотрона и попадает в струю плазмы. За время нахождения в струе плазмы (время прохождения от плазмотрона до подложки) гранулы порошка разогреваются плазмой (температура плазмы 10000-12000^оС) и соударяются с подложкой. При этом подложка разогревается и достигает 250-400^оС (от контакта с плазмой). На поверхности подложки формируется пленка Y Ba₂Cu₃O₇, так как в процессе напыления не происходит изменения структуры материала. Для определения оптимального режима нанесения сверхпроводящей пленки проводят плазменное напыление Y Ba₂Cu₃O₇ при различном времени нагрева, выдержке при 945-955^оС и различном времени охлаждения. Данные сведены в таблицу. Как видно из таблицы, наилучшие сверхпроводящие свойства пленки наблюдаются на образцах 3, 8, 9 и 11, т.е. при нагреве до 945-955^оС в течение 2 ч, последующей выдержке при достигнутой температуре в течение 2,5-3,0 ч и охлаждении пленки до комнатной температуры в течение 4 ч. При быстром нагреве пленки до 950^оС (образец 4) в течение 1,5 ч происходит растрескивание пленки. Увеличение времени нагрева до 3 ч (образец 10) нецелесообразно из-за снижения производительности процесса. Уменьшение температуры выдержки пленки менее 945^оС (образцы 1 и 2) ведет к потере сверхпроводящих свойств пленки, а увеличение выше 955^оС (образцы 12 и 13) к снижению сверхпроводимости в пленке.

Формула изобретения

СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СВЕРХПРОВОДЯЩИХ ПЛЕНОК, заключающийся в плазменном напылении в инертной газовой среде порошкового материала YBa₂Cu₃O₇ на разогретую подложку с последующей ее термообработкой в кислорде и охлаждением, отличающийся тем, что, с целью повышения качества пленок путем уменьшения количества пор, величину гранул порошкового материала выбирают в пределах 80 - 150 мкм, напыление производят до толщины пленки 10 - 1000 мкм, при этом в зону образования пленки подают кислород, после чего в течение 2 ч производят нагревание пленки до 945 - 955^oС с постоянной скоростью, выдерживают при этой температуре в течение 2,5 - 3,0 ч, а затем постепенно охлаждают в течение 4 ч.

РИСУНКИ

Рисунок 1

MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Номер и год публикации бюллетеня: 31-2000

Извещение опубликовано: 10.11.2000        

---