Способ изготовления мишени для магнетронного нанесения сверхпроводниковых пленок состава bi-pb-sr-ca-cu-o
Владельцы патента RU 2385517:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Московский государственный институт электронной техники (технический университет) (RU)
Изобретение относится к способу получения сверхпроводниковых изделий на основе керамики состава Bi-Pb-Sr-Ca-Cu-O и может быть использовано для изготовления мишеней, предназначенных для получения наноразмерных пленок высокотемпературного сверхпроводника (ВТСП) методом магнетронного напыления. Техническим результатом изобретения является разработка способа изготовления многокомпонентной мишени для магнетронного напыления сверхпроводниковых пленок состава Bi-Pb-Sr-Ca-Cu-O, которая имеет эффективный теплоотвод от керамики в процессе напыления и защищена от растрескивания. Сущность изобретения: в способе изготовления мишени для магнетронного нанесения сверхпроводниковых пленок состава Bi-Pb-Sr-Ca-Cu-O, включающем загрузку сверхпроводящего мелкодисперсного порошка в стакан, помещение стакана в пресс-форму и прессование с помощью стального пуансона, используется стакан из меди, дно и боковые стенки которого облужены слоем свинца, а в момент прессования стакан нагревается до температуры плавления свинца. 2 з.п. ф-лы, 6 ил.
Изобретение относится к способу получения сверхпроводниковых изделий на основе керамики состава Bi-Pb-Sr-Ca-Cu-O и может быть использовано для изготовления мишеней, предназначенных для получения наноразмерных пленок высокотемпературного сверхпроводника (ВТСП) методом магнетронного напыления.
В процессе магнетронного напыления многокомпонентной керамической мишени возникает ее разогрев, поверхность мишени изменяет состав. Изменение температуры вызывает также внутренние механические напряжения и растрескивание мишени. Это приводит к неустойчивости процесса изготовления и снижает качество сверхпроводниковых пленок толщиной менее 100 нм.
Известен способ изготовления сверхпроводниковых мишеней горячим прессованием, заключающийся в подготовке исходной шихты порошка и дальнейшем прессовании с усилием 150 кгс/см2 в вакуумной камере при давлении 10-3 Торр и температуре 750 градусов Цельсия [1].
Техническим результатом является керамическая мишень в виде диска диаметром 50 мм, толщиной 4 мм, состава Bi-Pb-Sr-Ca-Cu-O и полученные на ее основе тонкие пленки сверхпроводника с критической температурой перехода в сверхпроводящее состояние 100 К.
При монтаже мишени в установку для теплоотвода используется паста и внешние прижимные элементы. Однако в такой конструкции нагрев подложки до температуры 700°С и выделение мощности на источнике приводит к неконтролируемому разогреву мишени и нестабильности процесса получения ВТСП пленок.
Недостатками способа являются: необходимость создания теплоотвода от сверхпроводниковой керамики при монтаже мишени в установку, растрескивание мишени при эксплуатации, сложность обеспечения низкой и контролируемой температуры на мишени в процессе распыления.
Известен способ изготовления сверхпроводниковых мишеней горячим прессованием, заключающийся в подготовке исходной шихты порошка, отжиге шихты в печи при температуре 850-1000°С, дальнейшем прессовании под давлением 300-560 кгс/см2 в воздушной атмосфере при температуре 850°С [2].
Техническим результатом является изготовленная керамическая мишень в виде диска диаметром 50 мм, толщиной 10 мм состава Bi-Pb-Sr-Ca-Cu-O и полученные на ее основе тонкие пленки сверхпроводника с критической температурой перехода в сверхпроводящее состояние 80 К.
Недостатками способа являются: необходимость создания теплоотвода от сверхпроводниковой керамики при монтаже мишени в установку, растрескивание мишени при эксплуатации, сложность обеспечения низкой и контролируемой температуры на мишени в процессе распыления.
Прототипом данного изобретения является способ изготовления сверхпроводниковой мишени с помощью энергии взрывчатых веществ [3]. Порошок сверхпроводящего материала загружают в стальной контейнер с цилиндрической внутренней полостью. Затем осуществляют подпрессовку и герметизацию пуансоном в виде медного диска. Полученная заготовка размещается на стальной опоре, установленной в песчаном грунте под углом к продольной оси канала ствола порохового метательного устройства, равным 78-80 градусов. Собирают пакет под сварку взрывом из плакирующей заготовки в виде медного диска, соединенной с демпфирирующей прокладкой из высокоэластичного материала и стальным экраном. Осуществляют сварку взрывом ударного нагружения за счет разгона цилиндрического ударника из высокопластичного материала пороховым метательным устройством и удара его в стальной экран со скоростью 480-620 м/с.
Техническим результатом является изготовленная сверхпроводниковая мишень для магнетронного распыления, в которой обеспечивается надежный тепловой контакт между распыляемой керамикой и окружающим металлом формы, в которую запрессована керамика.
Задача изобретения - разработка способа изготовления многокомпонентной мишени для магнетронного напыления сверхпроводниковых пленок состава Bi-Pb-Sr-Ca-Cu-O, которые имеют эффективный теплоотвод от керамики в процессе напыления и защищены от растрескивания.
Достижение этого реализуется благодаря разработанной технологии горячего прессования шихты порошка состава (BiPb)2Sr2Ca2Cu3O10 в медный стакан, дно и стенки которого облужены свинцом.
Способ, предлагаемый заявителем, направлен на упрощение производства многокомпонентных керамических изделий, изготовление сверхпроводниковых мишеней, в том числе диаметром более 70 мм состава Bi-Pb-Sr-Ca-Cu-O, имеющих надежный тепловой контакт между распыляемой керамикой и основанием магнетрона. Хорошая теплопроводность между всеми элементами изделия способна предотвратить термическое разрушение мишени в процессе магнетронного распыления, а также неконтролируемого изменения стехиометрии ее состава.
Способ изготовления мишени для магнетронного нанесения сверхпроводниковых пленок состава Bi-Pb-Sr-Ca-Cu-O включает в себя загрузку сверхпроводящего мелкодисперсного порошка в стакан, помещение стакана в пресс-форму и прессование с помощью стального пуансона, отличающийся тем, что используется стакан из меди, дно и боковые стенки которого облужены слоем свинца, а в момент прессования стакан нагревается до температуры плавления свинца.
Прилагаемые чертежи, которые включены в заявку как составляющая часть, иллюстрируют сущность предлагаемого изобретения.
На фиг.1 показан медный стакан,
где 1 - медный стакан
2 - слой свинца
На фиг.2 показана схема расположения элементов устройства для прессования мишени,
где 1 - медный стакан
3 - верхний пуансон
4 - матрица
5 - нижний пуансон
6 - шихта
На фиг.3 представлен способ крепления изготовленной мишени к основанию магнетрона,
где 1 - медный стакан
7 - столик с подложками MgO
8 - линии магнитного поля
9 - мишень
10 - уплотнительное кольцо
11 - основание магнетрона
12 - магнитная система
На фиг.4 представлена пресс-форма с расположенным в ней медным стаканом,
где 1 - медный стакан
3 - верхний пуансон
4 - матрица
5 - нижний пуансон
На фиг.5 показан поперечный разрез мишени BiPbSrCaCuO,
Где 1 - медный стакан
2 - слой свинца
9 - мишень
На фиг.6 показана зависимость относительного электросопротивления от температуры BiPbSrCaCuO пленок,
где 13 - температурная зависимость относительного электросопротивления для пленки, полученной из мишени в виде керамического диска
14 - температурная зависимость относительного электросопротивления для пленки, полученной из мишени, изготовленной по описанному методу
На первом этапе создания мишени изготавливается медный стакан (Фиг.1), дно и внутренние стенки которого облуживаются химически чистым свинцом. Стакан помещается в пресс-форму на нижний пуансон (Фиг.2.). Через верхнее отверстие засыпается навеска шихты сверхпроводникового порошка состава (BiPb)2Sr2Ca2Cu3O10 и производится ее равномерное распределение по площади стакана. Затем вставляется верхний пуансон и производится прессование. В процессе прессования пресс-форма нагревается до температуры, при которой слой свинца на поверхности стакана расплавляется и образует надежный металлургический контакт со сверхпроводниковой керамикой. После выдавливания из матрицы мишень готова к использованию.
Конструкция мишени позволяет получить надежный тепловой контакт медного стакана к основанию магнетрона. Прижимное кольцо опирается не на хрупкую керамику, а на пластичную медь (Фиг.3). Теплопроводящая паста на основании магнетрона не диффундирует в керамику и не отравляет ее.
Необходимо отметить, что свинец, используемый для создания контакта сверхпроводниковая керамика-стакан, и медь, используемая в качестве материала стакана, являются "родственными" материалами, присутствующими также в составе распыляемого материала, и, следовательно, не вносят загрязнений в состав напыленных слоев.
С целью повышения плотности керамики в мишени при ее изготовлении и уменьшения остаточных механических напряжений для стакана в пресс-форме изготавливается ниша, а диаметр пуансона равен внутреннему диаметру верхней кромки стенок стакана (Фиг.4). Таким образом, в момент прессования давление равномерно распределено по площади сверхпроводникового порошка.
Для уменьшения вероятности растрескивания и отслоения керамики в условиях термоциклирования боковые стенки стакана делают коническими, а дно стакана имеет больший диаметр, чем его верхняя кромка (Фиг.1.). Возникающие механические напряжения в таких условиях не приводят к описанным выше дефектам.
Пример изготовления многокомпонентной сверхпроводниковой мишени.
Для изготовления мишени по описанному способу использовался сверхпроводниковый порошок фазы (BiPb)2Sr2Ca2Cu3O10. По данным измерения магнитной восприимчивости порошок содержал только фазу 2223. Химический анализ состава соответствовал также этой фазе.
Медный стакан 1 (Фиг.1) имел внешний диаметр 105 мм, внутренний диаметр на верхней кромке 100 мм, на нижней 102 мм. Глубина 5 мм. Конструкция использованной пресс-формы показана на Фиг.4. Дно и стенки стакана облуживались химически чистым свинцом. Толщина слоя свинца 300 мкм.
Стакан помещался в пресс-форму и сверху в него засыпался
сверхпроводниковый порошок. Общий вес шихты составлял 200 грамм. Расчетная плотность мишени - 5,1 г/см.
Порошок равномерно распределялся в стакане и свободном объеме матрицы. Для этого пресс-форма помещалась на вибростенд. Сверху на порошок давил собственным весом верхний пуансон.
После предварительного уплотнения вся сборка помещалась в пресс с давлением 500 тонн, которое поддерживалось 20-40 минут. Все это время температура пресс-формы составляла 322°С. Это на 5 градусов ниже температуры плавления чистого свинца. Однако давление создавало условия для быстрой диффузии свинца в керамику и создания хорошего металлургического контакта.
Полученная мишень (Фиг.5) использовалась для магнетронного напыления сверхпроводниковых пленок состава Bi1.8Pb0.4Sr2Ca2Cu3O10. К стальному основанию магнетрона 11 медный стакан 1 с мишенью 9 прижимался уплотнительным кольцом 10, на границе магнетрон-стакан для улучшения теплоотвода наносилась теплопроводящая паста (Фиг.3).
Параметры нанесения:
вакуум: рабочее при запуске аргона и кислорода 2 Па
электрический режим: высокочастотное распыление мощностью 90-300 Вт.
подложка: MgO.
В процессе распыления подложку нагревали до температуры 800°С. После нанесения пленки отжигались в смеси Ar и О2 в течение 10 часов при температуре 860°С. Полученные образцы имели проводимость при толщинах более 10 нм. Температура начала перехода в сверхпроводящее состояние изготовленных пленок составляла 110 К, температура полного перехода - 105 К (Фиг.6), что превосходит результаты, полученные для аналогичных условий напыления с использованием керамической мишени в виде диска.
Источники информации
1. Патент США № 5077269 от 31.12.1991, H01L 39/12.
2. Патент США № 5059585 от 22.10.1991, H01L 39/12.
3. Патент РФ № 2240205 от 11.20.2004, В23К 20/08 - прототип.
1. Способ изготовления мишени для магнетронного нанесения сверхпроводниковых пленок состава Bi-Pb-Sr-Ca-Cu-O, включающий загрузку сверхпроводящего мелкодисперсного порошка в стакан, помещение стакана в пресс-форму и прессование с помощью стального пуансона, отличающийся тем, что используется стакан из меди, дно и боковые стенки которого облужены слоем свинца, а в момент прессования стакан нагревается до температуры плавления свинца.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что боковые стенки стакана делают коническими, а дно стакана имеет больший диаметр, чем его верхняя кромка.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что для стакана в пресс-форме изготавливается ниша, а диаметр пуансона равен внутреннему диаметру верхней кромки стенок стакана.
