Текстурированная подложка для формирования эпитаксиальной пленки и способ ее изготовления
Изобретение относится к текстурированной подложке для выращивания на ней эпитаксиальной пленки оксидного сверхпроводящего материала для использования в различных типах электросилового оборудования. Текстурированная подложка содержит слой текстурированного металла, по меньшей мере, на одной стороне, который включает в себя слой меди, имеющий кубическую текстуру, и слой никеля, имеющий толщину 100-20000 нм, сформированный на слое меди; слой никеля имеет слой оксида никеля, сформированный на его поверхности, имеющий толщину 1-30 нм, и слой никеля дополнительно включает в себя палладий-содержащую область, сформированную из палладий-содержащего никеля, на поверхности раздела со слоем оксида никеля. Верхний слой текстурированной подложки, т.е. слой оксида никеля, имеет шероховатость поверхности преимущественно 10 нм или менее. Ультратонкий слой оксида никеля оказывает улучшающее воздействие на ростовые свойства и адгезию эпитаксиальной пленки. Подложка имеет кристаллическую ориентацию, обеспечивающую возможность формирования высококачественной эпитаксиальной пленки на ее поверхности. 3 н. и 8 з.п. ф-лы, 4 табл.
ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
[0001] Настоящее изобретение относится к текстурированной подложке для формирования и выращивания эпитаксиальной пленки оксидного сверхпроводящего материала или подобного и, более конкретно, к текстурированной подложке для формирования эпитаксиальной пленки, имеющей хорошую кристаллическую ориентацию и адгезию.
ОПИСАНИЕ ПРЕДШЕСТВУЮЩЕГО УРОВНЯ ТЕХНИКИ
[0002] Материалы, имеющие эпитаксиальную кристаллическую структуру с кристаллической ориентацией, такие как оксидная сверхпроводящая пленка и пленка солнечного элемента, используют в различных областях из-за их специфических свойств. Примеры материалов включают в себя оксидные сверхпроводящие материалы, которые составляют сверхпроводящие проводники и сверхпроводящие защитные экраны для использования в различных типах электросилового оборудования. Материалы, имеющие эпитаксиальную кристаллическую структуру, как правило, демонстрируют плохую обрабатываемость и объемный материал, изготовленный из них, имеет невыгодную себестоимость в некоторых случаях. Таким образом, для использования материала тонкую пленку часто формируют из материала на заранее подготовленной подложке.
[0003] Для того чтобы обеспечить возможность кристаллу, имеющему текстурированную структуру, эпитаксиально расти, требуется, чтобы подложка для формирования эпитаксиальной пленки имела поверхность с текстурированной структурой. Примеры подложки включают в себя текстурированную подложку, образованную из меди в качестве главной составной части, найденную авторами настоящего изобретения (Патентный документ 1). Медная подложка для роста эпитаксиальной пленки имеет преимущество легкости регулирования кристаллической ориентации меди, имеющей кубическую текстуру {100}<001> с углом отклонения Δϕ оси кристалла, которая удовлетворяет выражению: Δϕ≤6°. Хотя медь, не включающая в себя легирующий элемент, имеет недостаточную прочность, проблему решали путем покрытия подложки металлическим слоем (основным материалом), изготовленным из нержавеющей стали или подобного.
[0004] Настоящие авторы изобретения сделали несколько модификаций к текстурированной подложке для улучшения качества формируемой на ней эпитаксиальной пленки. Например, в раскрытой модификации к текстурированной подложке, имеющей слой меди, слой тонкой пленки никеля в надлежащем количестве ламинируется на поверхности меди, чтобы дополнительно улучшать кристаллическую ориентацию (Патентный документ 2).
ДОКУМЕНТЫ УРОВНЯ ТЕХНИКИ
ПАТЕНТНЫЕ ДОКУМЕНТЫ
[0005] ПАТЕНТНЫЙ ДОКУМЕНТ 1
Выложенная японская заявка на патент № 2008-266686
ПАТЕНТНЫЙ ДОКУМЕНТ 2
Выложенная японская заявка на патент № 2009-046734
[0006] Ранее пригодность примера модификации подложки для формирования эпитаксиальной пленки часто определяли, исходя из качества кристаллической ориентации самой подложки. Поскольку характеристики формируемой на подложке эпитаксиальной пленки существенно зависят от характеристик подложки, то использование этого критерия не является ошибочным. Даже с использованием подложки, имеющей кристаллическую ориентацию, модифицированную в максимально возможной степени для формирования эпитаксиальной пленки, все равно кристаллическая ориентация разрушается или получающаяся эпитаксиальная пленка имеет недостаточную адгезию в некоторых реальных случаях. Установление условий для формирования пленки, следовательно, было затруднено.
[0007] Актуальная проблема пригодности для формирования эпитаксиальной пленки также относится к недавнему структурному изменению материала с использованием эпитаксиальной пленки. Например, в формировании обычных сверхпроводящих материалов с использованием текстурной подложки сверхпроводящий материал не является непосредственно пленкой, сформированной на подложке. Вместо этого, во многих случаях между сверхпроводящим материалом и подложкой формируют промежуточный слой. Промежуточный слой обычно включает в себя множество слоев, таких как затравочный слой для смягчения несовпадения между постоянной решетки составляющего подложку металла и постоянной решетки сверхпроводящего материала, а также барьерного слоя для предохранения элементов от диффузии из сверхпроводящего материала к подложке. В последнее время обсуждалось упрощение промежуточного слоя, удаление затравочного слоя, в частности, для уменьшения человеко-часов в производственном процессе и улучшения характеристик. Упрощение промежуточного слоя создает перспективные условия для формирования высококачественной сверхпроводящей пленки.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
ПРОБЛЕМА, РЕШАЕМАЯ С ПОМОЩЬЮ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0008] Поэтому настоящее изобретение предлагает текстурированную подложку для формирования эпитаксиальной пленки, которая имеет хорошую кристаллическую ориентацию и обеспечивает возможность формирования высококачественной эпитаксиальной пленки на поверхности подложки; и способ ее изготовления.
СРЕДСТВА ДЛЯ РЕШЕНИЯ ПРОБЛЕМЫ
[0009] Настоящее изобретение, решая эту проблему, предлагает текстурированную подложку для формирования эпитаксиальной пленки, которая включает в себя текстурированный слой металла по меньшей мере на одной стороне. Текстурированный слой металла включает в себя слой меди, имеющий кубическую текстуру, и слой никеля, сформированный на слое меди и имеющий толщину 100-20000 нм. Слой никеля имеет слой оксида никеля, образованный на его поверхности, имеющий толщину 1-30 нм и включающий в себя оксид никеля. Слой никеля дополнительно включает в себя палладий-содержащую область, образованную из палладий-содержащего никеля на поверхности раздела со слоем оксида никеля.
[0010] Настоящее изобретение относится к текстурированной подложке, которая позволяет улучшать обычную текстурированную подложку, раскрытую авторами настоящего изобретения (Патентный документ 2), имеющую улучшенные ростовые свойства и адгезию эпитаксиальной пленки с эффективным использованием хорошей кристаллической ориентации обычной текстурированной подложки. Точнее говоря, обычная текстурированная подложка, раскрытая авторами настоящего изобретения, включает в себя улучшающий кристаллическую ориентацию слой никеля для дополнительного улучшения кристаллической ориентации медной подложки, имеющей хорошую кристаллическую ориентацию. Небольшое количество добавленного к никелю палладия также делает возможным хорошую гладкость поверхности подложки. Настоящие авторы изобретения подтвердили, что ультратонкий слой оксида никеля может образовываться путем окисления текстурированной подложки, имеющей хорошую кристаллическую ориентацию и гладкость при заданных условиях окисления. Авторы настоящего изобретения обнаружили, что ультратонкий слой оксида никеля имеет улучшающее воздействие на ростовые свойства и адгезию эпитаксиальной пленки. При дополнительном исследовании на основе выводов настоящее изобретение было задумано путем четко указанных надлежащих условий для слоя оксида никеля.
[0011] Настоящее изобретение подробно описано в дальнейшем. В качестве предварительного условия, настоящее изобретение применимо к текстурированной подложке, включающей в себя слой меди с кубической текстурой. Как описано выше, это потому, что медь является наилучшей в регулировании кристаллической ориентации. Поскольку медь имеет гранецентрированную кубическую решетку, кристаллографическая ориентация слоя меди имеет кубическую текстуру {100}<001>. Является очевидно предпочтительным, чтобы слой меди имел хорошую кристаллическую ориентацию. Предпочтительно кристаллическая ориентация имеет угол отклонения Δϕ 6° или менее.
[0012] Слой никеля, сформированный на слое меди, действует как слой для улучшения кристаллической ориентации поверхности слоя меди. Никель используют в качестве улучшающего кристаллическую ориентацию слоя с точек зрения кристаллической структуры и постоянной решетки нижележащей подложки меди, а также особенной продуктивности в улучшении кристаллической ориентации. Толщина слоя никеля может быть 100-20000 нм. Толщина больше, чем в этом диапазоне, вызывает отклонение в ростовой ориентации эпитаксиальной пленки, формирующейся впоследствии. Толщина меньше чем 100 нм не производит никакого влияния на улучшение кристаллической ориентации. Более предпочтительно толщина слоя никеля может быть 500-10000 нм.
[0013] Слой оксида никеля, сформированный на слое никеля, имеет улучшающее воздействие на ростовые свойства и адгезию эпитаксиальной пленки, как описано выше. Слою оксида никеля необходимо иметь чрезвычайно тонкую толщину 1-30 нм. Это потому, что толщина больше чем 30 нм до некоторой степени имеет отрицательные влияния на ростовые свойства эпитаксиальной пленки. Толщине слоя оксида никеля необходимо быть по меньшей мере 1 нм, причем предпочтительно 5 нм или больше.
[0014] Слой оксида никеля, имеющий толщину в диапазоне, преимущественно имеет хорошую гладкость поверхности. Хотя причина положительного влияния образования слоя оксида никеля на улучшение ростовых свойств и адгезии эпитаксиальной пленки не известна, авторы настоящего изобретения полагают, что слой оксида никеля, образованный на гладком слое никеля, имеет гладкость поверхности, которая имеет влияние на формирование эпитаксиальной пленки. Точнее говоря, относительно гладкости поверхности слоя оксида никеля, шероховатость поверхности (шероховатость (Ra) по центровой линии поверхности) составляет преимущественно 10 нм или меньше.
[0015] Слой никеля, т.е. слой, улучшающий кристаллическую ориентацию, включает в себя палладий-содержащую область, образованную палладий-содержащим никелем на поверхности раздела со слоем оксида никеля. Палладий-содержащая область образуется из-за диффузии палладия, добавленного во время образования слоя никеля, в слой никеля. В то время, как добавление палладия к слою никеля осуществляется для улучшения гладкости поверхности слоя никеля, слой оксида никеля в подходящем состоянии не может быть образован из никелевого слоя, к которому не добавлен палладий. Таким образом, палладий-содержащая область в слое никеля является обязательным условием настоящего изобретения.
[0016] Палладий-содержащая область образуется из фазы сплава палладия и никеля, состав которой в области не обязательно фиксируется и допускает градиентное изменение в концентрации палладия. В предпочтительном аспекте палладий-содержащей области, область имеет глубину от поверхности слоя никеля 50-200 нм и среднюю концентрацию палладия 1-25 мас.%, остальное - никель. Избыточное количество добавленного палладия, при котором получается глубина палладий-содержащей области больше чем 200 нм, вызывает проблему уменьшения гладкости поверхности слоя никеля. Глубина и состав палладий-содержащей области может изменяться в зависимости от количества добавленного палладия и термообработки для образования слоя никеля, которые должны быть описаны.
[0017] Текстурированная подложка по настоящему изобретению позволяет улучшить кристаллическую ориентацию слоя меди и обеспечить ростовые свойства и адгезию эпитаксиальной пленки благодаря присутствию слоя оксида никеля и слоя никеля, имеющего палладий-содержащую область, как описано выше. В результате влияния слоя никеля для улучшения ориентации кристалла, степень ориентации (Δϕ) поверхности слоя меди улучшается в диапазоне 0,1-3,0°.
[0018] Текстурированная подложка для роста эпитаксиальной пленки по настоящему изобретению может формироваться единственным слоем, включающим в себя один текстурированный слой металла. Слой меди может быть присоединен к упрочняющему материалу, т.е. материалу основы. Материал основы для использования в текстурированной подложке может преимущественно включать в себя отдельно взятые нержавеющую сталь и никелевый сплав (например, сплав хастелой, сплав инконель, сплав инколой и сплав монель). Толщина и форма текстурированной подложки особо не ограничивается, включая форму пластины, форму фольги и форму ленты в зависимости от применения. Кроме того, слой меди может быть присоединен к каждой из обеих сторон основного материала, на котором могут формировать слой никеля и слой оксида никеля.
[0019] Способ изготовления текстурированной подложки для формирования эпитаксиальной пленки по настоящему изобретению описывается в дальнейшем. Способ изготовления текстурированной подложки по настоящему изобретению включает в себя этапы: образование слоя никеля на поверхности слоя меди, имеющего кубическую текстуру, путем эпитаксиального роста; добавление палладия к поверхности слоя никеля до толщины пленки, эквивалентной 1-20 нм; нагревание при 400°C или выше в неокислительной атмосфере для первой термообработки; и дополнительное нагревание при 400°C или выше в разреженной среде, имеющей парциальное давление кислорода от 10-21 до 1 Па, для второй термообработки.
[0020] В способе изготовления слой меди, имеющий кубическую текстуру, может изготавливаться обычным способом, и кубическую текстуру можно надлежащим образом получить путем термообработки для производства. Предпочтительно слой никеля образуется путем эпитаксиального роста для сохранения или улучшения кристаллической ориентации слоя меди. Способ изготовления эпитаксиальной пленки особо не ограничивается. Эпитаксиальную пленку можно изготавливать любой из различных технологий для изготовления тонкой пленки, такой как импульсное лазерное осаждение из паровой фазы (PLD), химическое осаждение из паровой фазы (CVD), напыление, вакуумное осаждение из паровой фазы, ионное осаждение, газофазное осаждение, стимулированное ионным пучком, покрытие методом центрифугирования, молекулярно-пучковая эпитаксия (MBE) и гальваническое покрытие. Гальваническое покрытие особенно предпочтительно.
[0021] Как описано выше, палладий добавляют к слою никеля для того, чтобы сделать гладким слой никеля и дополнительно сделать гладким впоследствии образующийся слой оксида никеля. Воздействие добавления палладия можно объяснить на основе исследования авторами настоящего изобретения следующим образом. Поверхность слоя никеля, образованного путем эпитаксиального роста, имеющая неровности, имеет высокую поверхностную энергию, причем проявляет тенденцию становиться гладкой и стабилизироваться, когда энергия передается путем термообработки или подобным. Добавление незначительного количества палладия создает так называемое каталитическое действие, которое обеспечивает возможность более легкого сглаживания в сочетании с термообработкой.
[0022] Количество добавленного палладия является незначительным, устанавливаясь эквивалентом толщины пленки 1-20 нм. "Эквивалент толщины пленки" рассчитывают из площади поверхности слоя никеля (расчетная площадь при игнорировании нарушений) и количества (веса) и плотности добавляемого палладия. Применяют критерий, поскольку требуется крайне малое количество добавленного палладия. Количество, чтобы полностью покрыть поверхность слоя никеля, имеющую неровности, может вызвать избыток. Количество добавленного устанавливается 1-20 нм, потому что количество меньше чем 1 нм не влияет, притом что количество больше чем 20 нм заметно ухудшает гладкость поверхности слоя никеля.
[0023] Способ добавления палладия особо не ограничивается, если небольшое количество металла, имеющего эквивалент толщины пленки 1-20 нм, может добавляться под контролем. Предпочтительным способом является любая из различных технологий для изготовления тонкой пленки, такая как PLD, CVD, напыление, вакуумное осаждение из паровой фазы, ионное осаждение, газофазное осаждение, стимулированное ионным пучком, покрытие методом центрифугирования, MBE и гальваническое покрытие. Гальваническое покрытие особенно предпочтительно.
[0024] После добавления палладия поверхность слоя никеля сглаживается путем термообработки (первая термообработка). Термообработку осуществляют при температуре 400°C или выше в неокислительной атмосфере. При температуре ниже чем 400°C миграция атомов для сглаживания поверхности замедляется. Верхним пределом температуры для термообработки является предпочтительно 1050°C. Температура выше, чем предел, может вызывать размягчение или расплавление слоя меди в некоторых случаях. Предпочтительно время для термообработки составляет от 10 минут до 2 часов. Это потому, что время для термообработки меньше чем 10 минут вызывает недостаточную миграцию атомов для сглаживания поверхности; и время для термообработки больше чем 2 часа не дает никакой разницы во влиянии. Причиной для использования неокислительной атмосферы для термообработки является то, что термообработка в окислительной атмосфере на этом этапе будет формировать нежелательный слой оксида никеля. Примеры атмосфер для первой термообработки включают в себя восстановительную атмосферу, такую как газ водород, смешанный газ монооксид углерода-диоксид углерода и газ аргон-водород.
[0025] Первая термическая обработка обеспечивает возможность поверхности слоя никеля сглаживаться, добавленному палладию диффундировать в слой никеля и палладий-содержащей области образовываться на этой поверхности. Термообработку (вторая термообработка) осуществляют в таком состоянии так, чтобы мог сформироваться гладкий слой оксида никеля.
[0026] Поскольку необходимо, чтобы слой оксида никеля имел чрезвычайно тонкую толщину 1-30 нм, то необходимо указывать условия термообработки для регулирования толщины. В качестве условия для второй термообработки, термическая обработка должна осуществляться в вакууме, точнее говоря, в разреженной среде, имеющей парциальное давление кислорода от 10-21 до 1 Па. Температуру для термообработки устанавливают 400°C или выше. Верхний предел термообработки составляет предпочтительно 1050°C, поскольку термообработка в условиях более окислительной окружающей среды (больше, чем температура), вызывает избыточный рост оксидного слоя. Предпочтительно, время для термообработки устанавливают 1 минута-30 минут.
[0027] Каждый из этапов, описанных выше, осуществляют для изготовления текстурированной подложки. Текстурированную подложку настоящего изобретения предполагается использовать в состоянии, когда слой меди присоединяется к упрочняющему материалу. В изготовлении текстурированной подложки, имеющей упрочняющий материал, время проведения для присоединения упрочняющего материала особо не ограничивается, если текстурирующая обработка слоя меди завершается. Время проведения может быть до или после формирования слоя никеля и может быть после добавления палладия к слою никеля, и первой, и второй термообработки.
[0028] Преимущественно, способ для присоединения упрочняющего материала к подложке осуществляют поверхностно-активным присоединением. Поверхностно-активное присоединение включает в себя: сухое травление поверхности стыка присоединяемого элемента так, чтобы удалить оксиды и адсорбаты на поверхности стыка для экспонирования и активации основной поверхности металла; и соединение поверхностей сразу после сухого травления. Соединение этим способом основано на атомной силе между атомами (молекулами) металла, не имеющего примесей, таких как оксиды на поверхности. В качестве конкретного способа для сухого травления для активации поверхности можно использовать отдельно взятое аргоновое или другое ионно-пучковое травление, травление пучком атомов аргона или плазменное травление. Для осуществления сухого травления требуется неокислительная атмосфера. Предпочтительно, сухое травление осуществляют в высоком вакууме.
[0029] Поверхностно-активированное присоединение обеспечивает возможность для присоединения без применения давления. Даже только совмещением соединяемых материалов можно достигнуть присоединения. Давление, однако, может быть применено, чтобы установить позиции обоих материалов или усилить прочность соединения. Приложенное давление является довольно низким, не достаточным, чтобы вызвать деформацию материала, предпочтительно 0,01-300 МПа. Поверхностно-активированное присоединение обеспечивает возможность соединения при нормальной температуре. Следовательно, не является необходимым нагревать технологическую атмосферу во время соединения. Для соединения также предпочтительна неокислительная атмосфера.
[0030] Текстурированная подложка для формирования эпитаксиальной пленки по настоящему изобретению, описанная выше, пригодна для формирования на ней эпитаксиальной пленки, используемой соответствующим образом в качестве, например, подложки для сверхпроводящего материала. Сверхпроводящий материал включает в себя слой сверхпроводящего материала, сформированный на текстурированном слое металла текстурированной подложки по настоящему изобретению, обычно имеющий промежуточный слой между подложкой и слоем сверхпроводящего материала. Промежуточный слой действует как буферный слой, с учетом разницы в постоянной решетки между сверхпроводящим материалом (например, YBCO - оксид иттрий-барий-медь) и металлом, который составляет подложку, и действие в качестве барьерного слоя для блокирования диффузии металлических элементов, содержащихся в подложке. Примеры устройства промежуточного слоя включают в себя трехслойную структуру, имеющую затравочный слой, барьерный слой и верхний слой, и двухслойную структуру, которая исключает затравочный слой из трехслойной структуры. Каждый из промежуточных слоев включает в себя любой из оксида, карбида и нитрида, имеющий толщину предпочтительно 10-1000 нм.
[0031] Конкретные примеры материала, составляющего промежуточный слой, включают в себя оксиды, такие как оксид церия и оксид циркония, сложные оксиды, такие как LaMnO, LaZrO и GdZrO, и нитриды, такие как TiN. Для таких оксидов и сложных оксидов предпочтительны оксиды и сложные оксиды, имеющие структуру перовскита или структуру флюорита. Особенно предпочтительны затравочный слой, сформированный из оксида редкоземельного элемента или сложного оксида, включающего в себя редкоземельный элемент, барьерный слой, сформированный из оксида, включающего в себя оксид циркония, верхний слой, сформированный из оксида редкоземельного элемента или сложного оксида, включающего в себя редкоземельный элемент.
[0032] Способом изготовления каждого из оксидов для образования промежуточного слоя на подложке может быть PLD, CVD напыление, ионное осаждение, газофазное осаждение, стимулированное ионным пучком, покрытие методом центрифугирования, MBE, а также осаждение методом разложения металлоорганического соединения (MOD). Слой сверхпроводящего материала может быть сформирован тем же методом. Стабилизационный слой может быть сформирован методом пленкообразования, таким как напыление и осаждение из паровой фазы, и, кроме того, присоединением слоя меди в виде фольги к слою серебра, сформированному любым из методов заранее, высокотемпературным припоем.
[0033] Предпочтительные примеры оксидного сверхпроводящего материала для составления слоя сверхпроводящего материала включают в себя сверхпроводящие материалы на основе РЗЭ, РЗЭ·Ba2Cu3OX (РЗЭ представляет один или два или более редкоземельных элементов), в частности, более конкретно YBCO, SmBCO, GdBCO, а также Y0,3Gd0,7BCO. Слой сверхпроводящего материала может быть сформирован из одного только сверхпроводящего материала, и, кроме того, оксид, отличный от сверхпроводящего материала, можно добавлять для искусственной стабилизации, чтобы улучшить сверхпроводящие характеристики. Толщина слоя сверхпроводящего материала составляет предпочтительно 100 нм или более.
ПОЛЕЗНЫЕ ЭФФЕКТЫ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0034] Как описано выше, текстурированная подложка для формирования эпитаксиального слоя по настоящему изобретению имеет хорошую кристаллическую ориентацию и обеспечивает возможность эпитаксиальной пленке, имеющей хорошую кристаллическую ориентацию и адгезию, формироваться на подложке. Более смягченные условия для роста эпитаксиальной пленки могут быть установлены по сравнению с обычными условиями. Настоящее изобретение обеспечивает подходящую подложку для изготовления различных материалов и приборов, к которым применимы характеристики эпитаксиальной пленки, таких как сверхпроводящие материалы и солнечные элементы.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
[0035] Лучший вариант осуществления настоящего изобретения описывается в дальнейшем.
(ПЕРВЫЙ ВАРИАНТ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ)
[0036] Готовили пластину меди в форме ленты, имеющей толщину пластины 1000 мкм, и прокатывали в холодном состоянии при комнатной температуре с помощью прокатных валков при степени обжатия 95% так, чтобы получить 50-мкм ленточный материал. После прокатки пластину меди термически обрабатывали, чтобы получить текстурированную кристаллическую структуру, т.е. кубическую текстуру {100}<001>. Термообработку осуществляли при температуре 750°C в течение 2 часов в атмосфере 95% газа азота и 5% газа водорода.
[0037] Слой никеля, т.е. слой улучшенной кристаллической ориентации, формировали на пластине меди, которую подвергли воздействию вышеупомянутой текстурирующей обработки, путем гальванического покрытия. При гальваническом покрытии никелем подложка была обезжирена кислотой, электролитически обезжирена и затем электролитически наносили покрытие в ванне для никелирования (ванне Уатта). Условия гальванического покрытия устанавливают при температуре 40°C и плотности тока 1 А/дм2. Время нанесения гальванического покрытия регулировали, чтобы иметь толщину гальванического покрытия никелем 1000 нм. В формировании кристаллической ориентации улучшающего слоя никеля путем гальванического покрытия условия устанавливают в диапазоне с плотностью тока 1-5 А/дм2 и температурой ванны 40-60°C.
[0038] В качестве упрочняющего материала пластину нержавеющей стали (марка SUS 304) в форме ленты, имеющей толщину 100 мкм, присоединяли к пластине меди, покрытой никелем. При соединении пластины из нержавеющей стали обе поверхности медной подложки и присоединяемой пластины из нержавеющей стали активировали с помощью быстрых атомных пучков (аргона) от прибора поверхностно-активированного соединения, и обе соединяли с помощью прокатного валка. Условия для поверхностно-активированного соединения были следующими:
степень разрежения: 10-5 Па
(в вакуумной камере; в атмосфере газа аргона в камере для травления).
Приложенное напряжение: 2 кВ
Время травления: 5 мин
Приложенное давление во время соединения: 2 МПа
[0039] Затем добавляли палладий к поверхности слоя никеля. Палладий добавляли путем нанесения гальванического покрытия. В покрытии палладием используют коммерчески доступный электролит для нанесения палладиевого покрытия, и время нанесения гальванического покрытия регулировали, чтобы иметь эквивалент толщины пленки 10 нм, как эквивалент добавленного количества, при температуре ванны 30-50°C и при плотности тока 1-3 А/дм2. После добавления палладия термообработку осуществляли при 700°C в течение 1 часа в неокислительной атмосфере (смешанный газ азот-водород).
[0040] Термическую обработку осуществляли в вакууме так, чтобы формировать слой оксида никеля. При термообработке нагревание осуществляли при 500°C в течение 20 минут в вакууме, имеющем парциальное давление кислорода 10-4 Па.
(СРАВНИТЕЛЬНЫЙ ПРИМЕР)
[0041] В первом варианте осуществления текстурированную подложку изготовляли без добавления палладия после формирования слоя никеля и без последующих двух типов термообработки.
[0042] Измеряли шероховатость поверхности и степень ориентации (Δϕ) поверхности подложки (поверхность слоя оксида никеля) текстурированной подложки, изготовленной посредством этапов, описанных выше. Шероховатость поверхности и степень ориентации (Δϕ) измеряли путем наблюдения атомно-силовым микроскопом AFM (atomic force microscope) и рентгеноструктурного анализа (ϕ сканирование). Величины пластины меди до формирования слоя никеля также измеряли для сравнения. Поперечное сечение подложки подвергали энергодисперсионному рентгеноспектральному анализу EDX, чтобы подтвердить присутствие палладий-содержащей области в слое оксида никеля и слое никеля, и чтобы измерить толщину слоя оксида никеля, глубину и среднюю концентрацию палладия в палладий-содержащей области. Результаты показаны в таблице 1.
[0043] [Таблица 1]
| Таблица 1 | ||||||
| Строение текстурированной подложки | Физические свойства | |||||
| Подложка | Слой Ni | Слой NiO | Δϕ | Шероховатость поверхности | ||
| Общая толщина | Pd-содержащая область | |||||
| Первый вариант осуществления | Cu/SUS | 1000 нм | 180 нм Pd: 20 мас.% |
10 нм | 4,57° | 5 нм |
| Сравнительный пример | 1000 нм | - | - | 4,51° | 30 нм | |
| Справочный пример 1 | - | - | - | 5,17° | 20 нм |
[0044] Как показано в таблице 1, формирование слоя никеля в качестве улучшающего кристаллическую ориентацию слоя обеспечило возможность улучшать кристаллическую ориентацию поверхности пластины меди. Благодаря формированию слоя никеля между тем шероховатость поверхности незначительно увеличилась. В отличие от этого показано, что в первом варианте осуществления с добавлением палладия к слою никеля и двухэтапной термообработкой ориентация кристалла была хорошей и шероховатость поверхности уменьшалась для достижения гладкой поверхности.
[0045] В дальнейшем, промежуточный слой и слой сверхпроводящего материала формировали на текстурированной подложке, изготовленной в первом варианте осуществления и сравнительном примере так, чтобы сформировать сверхпроводящий провод в форме ленты. Строение сверхпроводящего провода, изготовленного в настоящем варианте осуществления, является следующим. Промежуточный слой и слой сверхпроводящего материала формировали путем импульсного лазерного осаждения (PLD).
[0046] [Таблица 2]
| Таблица 2 | |||
| Строение | Материал | Толщина пленки | |
| Подложка | SUS/Cu | - | |
| Промежуточный слой | Барьерный слой | YSZ | 100 нм |
| Верхний слой | CeO2 | 400 нм | |
| Сверхпроводящая пленка | YBCO | 1000 нм | |
| Стабилизационный слой | Ag | 20 мкм |
[0047] Для того чтобы подтвердить влияние слоя оксида никеля в варианте осуществления, оценивали свойства (критическую плотность тока) каждого сверхпроводящего провода. В оценке также измеряли провода, имеющие подложку без добавления палладия и без формирования слоя оксида никеля (сравнительный пример). До формирования сверхпроводящей пленки коммерчески доступную целлофановую ленту прикрепляли к промежуточному слою и затем отсоединяли, чтобы осуществить испытание на отслаивание для оценивания адгезии промежуточного слоя. Адгезию оценивали как "○", когда промежуточный слой не прикреплялся к целлофановой ленте вовсе, как "Δ", когда частично прикреплялся, и как "×", когда полностью прикреплялся. Результаты оценки показаны в таблице 3.
[0048] [Таблица 3]
| Таблица 3 | |||
| Текстурированный слой металла | Оценка адгезии | Критическая плотность тока (77 К) | |
| Первый вариант осуществления | Cu/Ni(Pd)/NiO | ○ | 1,5 МА/см2 |
| Сравнительный пример | Cu/Ni | Δ | 0 А/см2 |
[0049] Как показано в таблице 3, текстурированная подложка по настоящему варианту осуществления обеспечила возможность хорошей адгезии промежуточного слоя и сверхпроводящей пленки, сформированной на подложке не вызывая никаких проблем в сверхпроводящих характеристиках. Напротив, подложка из сравнительного примера без образования слоя оксида никеля имела сверхпроводящую пленку, неспособную на проявление характеристик, хотя адгезия промежуточного слоя не была заметно плохой. Следовательно, текстурированная подложка не могла быть достаточно оценена на основе только одной кристаллической ориентации.
(ВТОРОЙ ВАРИАНТ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ)
[0050] Текстурированную подложку изготавливали для различного количества палладия, добавляемого к слою никеля. Основные этапы изготовления и толщина слоя никеля были такими же, как в первом варианте осуществления. Количество добавленного палладия изменяли в зависимости от изменения условий для гальванического покрытия палладием. Условия для первой термообработки (формирование палладий-содержащей области) в примерах 1-4 и справочном примере 2 были такими же, как в первом варианте осуществления, и время термообработки изменяли до 30 минут в примере 5. Все условия для второй термообработки (образование слоя оксида никеля) были такими же, как в первом варианте осуществления.
[0051] Глубину палладий-содержащей области и шероховатость поверхности подложки измеряли для по-разному изготовленной текстурированной подложки. Промежуточный слой и слой сверхпроводящего материала формировали тем же способом, как описано выше так, чтобы получить сверхпроводящий провод в форме ленты. Оценивали свойства (критическую плотность тока) каждого из сверхпроводящего провода и адгезию промежуточного слоя. Результаты показаны в таблице 4.
[0052] [Таблица 4]
| Таблица 4 | |||||||
| Текстурированная подложка | Результат оценки | ||||||
| Слой Ni | Количество добавленного Pd | Pd-содержащая область | Толщина слоя NiO | Шероховатость поверхности | Оценка адгезии | Критическая плотность тока (77 К) | |
| Пример 1 | 1000 нм | 1 нм | 140 нм | 30 нм | 5 нм | o | 0,8 МА/см2 |
| Пример 2 | 5 нм | 160 нм | 25 нм | 2 нм | o | 1,0 МА/см2 | |
| Пример 3 (первый вариант осуществления) | 10 нм | 180 нм | 10 нм | 5 нм | o | 1,5 МА/см2 | |
| Пример 4 | 20 нм | 200 нм | 5 нм | 8 нм | o | 1,2 МА/см2 | |
| Пример 5 | 5 нм | 50 нм | 26 нм | 3 нм | o | 1,0 МА/см2 | |
| Справочный пример 2 | 1000 нм | 50 нм | 240 нм | 50 нм | 30 нм | Δ | 0 А/см2 |
| Сравнительный пример | - | - | - | 30 нм | Δ | 0 А/см2 |
[0053] Как указано в таблице 4, глубина палладий-содержащей области и толщина слоя оксида никеля изменяется в зависимости от количества добавленного к слою никеля палладия, и было подтверждено, что надлежащая толщина слоя оксида никеля в примерах обеспечила возможность промежуточному слою и сверхпроводящей пленке иметь хорошую адгезию и сверхпроводящие характеристики. Полагается, однако, что количество добавленного палладия сверх надлежащего диапазона вызывает отрицательные влияния на сверхпроводящие характеристики.
ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ
[0054] Как описано выше, наряду с тем, что текстурированная подложка для формирования эпитаксиальной пленки по настоящему изобретению гарантирует кристаллическую ориентацию, оно обращает внимание на качество эпитаксиальной пленки, сформированной на подложке. Настоящее изобретение обеспечивает надлежащую подложку для изготовления различных материалов и приборов, задействующих применение эпитаксиальной пленки и подходящую подложку для формирования оксидной тонкой пленки, таких как сверхпроводящие материалы и солнечные элементы.
1. Текстурированная подложка для формирования эпитаксиальной пленки, содержащая текстурированный слой металла по меньшей мере на одной стороне,
при этом текстурированный слой металла содержит слой меди, имеющий кубическую текстуру, и слой никеля, имеющий толщину 100-20000 нм, сформированный на слое меди;
слой никеля имеет слой оксида никеля, образованный на его поверхности, имеющий толщину 1-30 нм и содержащий оксид никеля;
слой никеля дополнительно содержит палладий-содержащую область, сформированную из палладий-содержащего никеля на поверхности раздела со слоем оксида никеля.
2. Текстурированная подложка для формирования эпитаксиальной пленки по п. 1, при этом шероховатость поверхности оксида никеля составляет 10 нм или менее.
3. Текстурированная подложка для формирования эпитаксиальной пленки по п. 1, при этом палладий-содержащая область имеет глубину 50-200 нм и в среднем 1-25 мас.% палладия, остальное - никель.
4. Текстурированная подложка для формирования эпитаксиальной пленки по п. 1, при этом слой меди имеет кубическую текстуру {100}<001> с углом отклонения Δϕ оси кристалла на его поверхности, удовлетворяющим выражению: Δϕ≤6˚.
5. Текстурированная подложка для формирования эпитаксиальной пленки по любому из пп. 1-4, при этом слой меди включает в себя упрочняющий материал для упрочнения слоя.
6. Сверхпроводящий материал, содержащий по меньшей мере один промежуточный слой и слой сверхпроводящего материала, образованного из оксидного сверхпроводящего материала, которые сформированы на текстурированном слое металла охарактеризованной в любом из пп. 1-5 текстурированной подложки для формирования эпитаксиальной пленки.
7. Сверхпроводящий материал по п. 6, при этом промежуточный слой имеет по меньшей мере барьерный слой и верхний слой, барьерный слой сформирован из оксида, содержащего оксид циркония, а верхний слой сформирован из оксида редкоземельного элемента или сложного оксида, включающего в себя редкоземельный элемент.
8. Сверхпроводящий материал по п. 6 или 7, при этом слоем сверхпроводящего материала является сверхпроводящий материал на основе РЗЭ.
9. Способ изготовления охарактеризованной в любом из пп. 1-5 текстурированной подложки для формирования эпитаксиальной пленки, содержащий этапы:
формирования слоя никеля путем эпитаксиального роста на поверхности слоя меди, имеющего кубическую текстуру;
добавления палладия к поверхности слоя никеля до эквивалента толщины пленки 1-20 нм;
осуществления первой термообработки путем нагревания до температуры 400°C или выше в неокислительной атмосфере; и
дополнительного осуществления второй термообработки путем нагревания до температуры 400˚C или выше в разреженной атмосфере, имеющей парциальное давление кислорода от 10-21 до 1 Па.
10. Способ изготовления текстурированной подложки для формирования эпитаксиальной пленки по п. 9, при этом способ осуществляет этап формирования слоя никеля на поверхности слоя меди путем нанесения гальванического покрытия.
11. Способ изготовления текстурированной подложки для формирования эпитаксиальной пленки по п. 9 или 10, при этом способ осуществляет этап добавления палладия к поверхности слоя никеля путем нанесения гальванического покрытия.
