Способ обработки пленок системы в @ -с @ -s @ -с @ -о
Изобретение относится к технологии обработки нового класса материалов, обладающих сверхпроводимостью при высоких температурах-ВТСП, более конкретно к их высокотемпературной обработке в активной атмосфере. Изобретение обеспечивает повышение критического тока 1а в пленках. Отжиг пленок системы Bi-Ca-Sr-Cu-О ведут при 890-970 К в течение 3-5 ч в атмосфере, содержащей кислород и пары висмута при их парциальном давлении 0,1,5-15 Па 0,1- 1,5 Па соответственно. Получают пленки с 1а 5 -103 А/см2. 1 табл., 1 ил.
СОЮЗ СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИК (я)з С 30 В ЗЗ/02,29/22
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ
ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ
ПРИ ГКНТ СССР
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4689143/26 (22) 11.05,89 (46) 15.05,92. Бюл. N 18 (71) Физико-технический институт им.
А,Ф,Иоффе (72) Ю.А.Бойков и О.С.Грибанова . (53) 621.315.592 (088,8) (56) К. Kunoda„Preparation of New High-Te
Supercondactlng Oxide Bi-Sr-Са-Си-О Thin
Film by Electron Beam Deposition
Technique.//Jap, j. of Appl. Phys, 1988, voh
27, ¹ 4, L. 625 — 627, Н.Adachi. Preparation and. Properties of
Superconducting Bl-Sr-Са-Си-О, Thin
Films.//Jap. J. of AppL Phys. 1988, ч. 27, N.
4, L. 643-645, Изобретение относится к технологии обработок пленок нового класса материалов, обладающих сверхпроводимостью при высоких температурах, ВТСП, более конкретно — к высокотемпературной обработке в активной атмосфере, Одним из основных параметров сверхпроводящего материала является величина критического тока i l
БЦ 1733516 А1 (54) СПОСОБ ОБРАБОТКИ ПЛЕНОК СИСТЕМЫ Bi — Са-Sr — Cv-0 (57) Изобретение относится к технологии обработки нового класса материалов, обладающих сверхпроводимостью при высоких температурах-ВТСП, более конкретно к их высокотемпературной обработке в активной атмосфере. Изобретение обеспечивает повышение критического тока 4 в пленках. Отжиг пленок системы Bi-Ca-Sr-Cu-О ведут при 890 — 970 К в течение 3 — 5 ч в атмосфере, содержащей. кислород и пары висмута при их парциальном давлении 0,1,5 — 15 Па 0,1— 1,5 Па соответственно, Получают пленки с 4 - 5 .10 А/см, 1 табл., 1 ил. дефекты, границы зерен, дислокации, двойниковые границы и т.д. По этой причине возрастание концентрации дефектов приводит к падению величины !АР и снижения Т . В связи с этим актуальным является создание новых способов обработки пле- (Ъ нок, позволяющих улучшить структуру ВТСП-планок. (Я Известен способ обработки поликристаллических пленок Bl-Ca-Sr-Cu-О толщиной около 200 мкм, полученных методикой О" электронно-лучевого осаждения, которой заключается в отжиге пленок в потоке кислорода при 1070 — 1160 К в течение 1 ч. В д результате обраб тки по этому способу получены поликристаллические пленки, главная кристаллографическая ось С в которых ориентирована перпендикулярно к поверхности подложки. Недостатком. пленок, обработанных по этому способу, является высокая степень 1733516 поликристалличности пленок: размер зерна = 10 -10 А и вследствие этого низкие значения 4р. leap в таких поликристаллических ВТСП-пленках составляет 5 10 H/см 2 % 2 (Т = 77 К), Наиболее близким к предлагаемому является способ обработки ВТСП-пленок BiCa-Sr-Cu-О, включающий отжиг в атмосфере кислородосодержащего газа. Пленки Bi-Ca-Sr-Cu-О толщиной 0,5-1 мкм, приготовленные магнетронным распылением на подложках MgO и $гТ Оз, отжигаясь на воздухе или. в атмосфере кислорода также в два этапа; первоначальный отжиг проводился при 1160 К 20 мин, затем при 1070 К 9 ч. Парциальное давление кислорода при отжиге не приведено (составляет 2 КПа), Достоинством способа является то, что пленки, обработанные по способу-прототипу, имеют преимущественную ориентацию кристаллитов и критический ток достигает в них больших величин по сравнению с аналогом — I p = 10 А/см при Т = 77 К, Однако 3 2. это значение критического тока является недостаточным для ряда применений ВТСП-пленок, например, в качестве межсоединений в схемах микроэлектроники. Целью изобретения является повышение критического тока в поликристаллических системах Bi-Ca-Sr-Cv-О, Поставленная цель достигается тем, что в известном способе обработки пленок, включающем от>киг в атмосфере кислородсодер>кащего газа, отжиг проводят при 890— 970 К в течение 3-5 ч в упомянутой атмосфере, дополнительно содер>кащей пары Bi, при парциальных давлениях кислорора и паров Bi 1 5-15 и 0,1 — 1,5 Па соответственно. Сущность предлагаемого способа заключается в формировании ВТСП-прослоек стехиометрического состава между кристаллами поликристаллической ВТСП-пленки, Одним из существенных признаков предлагаемого способа является температура Т, при которой проводится обработка пленки. Эта температура должна лежать в интервале 890-970 К. Экспериментально установлено, что при такой температуре происходит эффективное взаимодействие материала пленки с активной атмосферой, в которой проводится отжиг, При температурах, меньших нижней границы интервала Т < 890 К, не происходит активного насыщения областей, прилегающих к границам зерен, висмутом иэ окружающей атмосферы. При Т > 970 К происходит реиспарение легколетучего компонента Bi из приповерхностного слоя и из области границ зерен. В обоих указанных случаях наблюдается отклонение состава приграничных областей кристаллитов отстехиометрического и сниже5 ние крйтического тока. Причем стехиометричность состава не удается обеспечить за счет варьирования парциальных давлений и кислорода в широких пределах. Следующим необходимым признаком 10 предлагаемого способа является время обработки пленок, которое должно ограничиваться интервалом 3 — 5 ч, B том случае, если время обработки составляет менее 3 ч, насыщение висмутом областей вблизи границ 15 кристаллитов осуществляется не в полной мере и стехиометричность состава не достигается. Если же время обработки пленки превышает 5 ч, то на поверхности пленки образуются включения фазы, обогащенной 20 висмутом, а также пленка становится неоднократной по толщине. Отклонения состава прослоек между кристаллами от стехиометрического проявляются, таким образом, при выходе времени отжига как за верхнюю, так 25 и за нижнюю границы заявляемого диапазона, что влечет за собой снижение критического тока. . Также необходимым признаком предлагаемого способа является величина пар30 циального давления активных компонентов атмосферы, в которой производится обработка, Парциальные давления кислорода— Р0> и паров Bi-РБ должно находится в интервалах 1,5 — 15 и 0,1 — 1,5 Па соответствен- но. При величинах Pp < 1,5 Па происходит обеднение приповерхностного слоя пленки и областей вблизи границ кристаллитов кислородом и вследствие этого падение 4, так как ВТСП-свойства материалов Bi-Ca-Sr-Cu40 О черезвычайно чувствительны к дефициту кислорода в составе материала, При Ро> > 15 Па не происходит эффективного взаимодействия висмута, находящегося в l18poBGA фазе, с материалом пленки, так как он взаимодействует с кислородом. При величинах Pei < 0,1 Па атомы висмута испаряются из обьема пленки, причем наиболее интенсивно этот процесс протекает по дефект;м структуры (в частности, по границам зерен), При величине Рв. > 1 5 Па на поверхности пленки образуются включения фазы, обогащенной висмутом. Иэ всего этого следует, что в случаях выхода величин парциальных давлений висмута и кислорода за границы укаэанных интервалов происходит отклонение состава области вблизи границ кристаллов или на поверхности пленки от 1733516 рой и цифровым вольтметром Щ1314, Затем в рабочий объем через натекатель под давлением подавался кислород ОСЧ до достижения парциального давления кислорода 8 5 Па, Давление паров висмута и кислорода регистрировалось лампами flMT-2, подкл юченными к ионизационно-термопарному вакуумметру. После установления в рабочем объеме необходимого парциального давле0 ния обоих компонентов активной атмосферы температуру обрабатываемых пленок, закрепленных s оoб5оoйAм еe, поднимали до Т = =930 К, Температура пленок фиксировалась ХА-термопарой и цифровым вольтметром 5 Щ1413, Отжиг пленок проводился в динамическом режиме, т.е. через рабочий объем осуществлялся проток кислорода в присутствии постоянного источника паров Bi, Время отжига составляло t = 4 ч и фиксиро0 валось по хронометру. На полученных пленках затем четырехзондовым методом измерено сопротивление пленок и сняты вольт-амперные характеристики при Т = 77 К, из которых определялось значение IKp. 5 Данные по режимам и параметрам приведены в таблице, В полном соответствии с описанным примером проводилась обработка пленок и при других режимах, входящих в интервалы, 0 указанные в формуле изобретения, Причем варьирование трех из четырех параметров режима обработки проводилось при фиксировании только какого-либо одного параметра, что позволяло проследить влияние 5 всевозможных сочетаний параметров режима обработки на свойства обработанной пленки. стехиометрического, что во всех случаях ведет к падению 4р, Таким образом, для достижения поставленной цели критическими являются не только температура обработки, но и время обработки, а также величины парциальных давлений активных компонентов атмосферы, что свидетельствует о существенности режимов способа, На чертеже показан участок пленки 200 1 х 200 мкм, снятый в характеристических лучах В В тонких (до 1 MKM) поликристаллических пленках Bi-Ca-Sr-Cu-О как в процессе конденсации, так и последующей высоко- 1 температурной обработки происходит обеднение поверхностного слоя и областей, прилегающих к границам кристаллитов, висмутом (это подтверждается чертежом). В результате ухода атомов висмута в указанных 2 областях пленки образуется фаза (Sro,ûCàoë) Си02. Образование включений этой несверхпроводящей фазы является причиной падения критического тока при "< Tc. 2 Для устранения влияния несверхпроводящей фазы экспериментально найдены режимы, обеспечивающие стехиометричность состава и, соответственно, сверхпроводящие свойства межкристаллитных прослоек, 3 Таким образом, предлагаемый способ представляет собой новую совокупность неразрывных существенных признаков, которая приводит к появлению нового свойства; формированию в поликристаллической 3 ВТСП-пленке межкристаллитных прослоек стехиометрического состава, обладающих сверхпроводящими свойствами при Т < Т,, Пример. Обработка поликристаллических ВТСП-пленок Bi-Ca-Sr-Cu-О прово- 40 дилась в вакуумированном объеме установки УВН-2М, Толщина пленок составляла 1 мкм, пленки получены методом лазерного распыления, на положках MgO, распы"=ние мишени Bi-Ca-Sr-Cu-О прово- 45 дилось в импульсном режиме: длительность импульсов 10 с, энергия излучения за один импульс 100 Дж, в качестве источника излучения использовался лазер ГОР 100 М, Рабочий объем предварительно откачан до 50 давления остаточной атмосферы P = 10 Па. Затем с помощью нихромного нагревателя разогревался помещенный в рабочий объем контейнер с висмутом, являющийся источником паров Вь Температура разогрева 55 контейнера (Т = 850 С) обеспечивала активное испарение висмута в рабочий объем и достижение парциального давления паров Bi в объеме 0,8 Па, Температура контейнера с висмутом регистрировалась ХК-термопаТаким образом, предлагаемый заявляемый способ обработки пленок позволяет повысить критический ток в поликристаллических ВТСП-планках Bi-Ca-Sr-Cu-О в 2 — 5 раз, Такое увеличение критического тока стало возможным благодаря обнаруженным экспериментально режимам, при которых в обрабатываемых пленках устраняются не сверхпроводящие межкристаллитные прослойки, существенно понижающие iKð в пленках, B результате обработки происходит насыщение висмутом областей пленки, прилегающих к границам кристаллитов, и достижение в них стехиометрического состава, в результате чего эти области становятся сверхпроводящими, Кроме того, предлагаемый способ характеризуется более высокой технологичностью вследствие использования существенно более. низких температур отжига: 890-930 К вместо 1200 К в способе-прототипе. 1733516 Формула изобретения Способ обработки пленок системы BiCa-Sr-Cu-О с высокотемпературной сверхп роводимостью путем их отжига в атмосфере, содержащей кислород, о т л ич а ю шийся тем, что, с целью повышения критического тока, отжиг ведут при 890-970 К в течение 3 — 5 ч при дополнительном введении в атмосферу паров висмута с парци5 альным давлением 0,1 — 1,5 Па и давлении кислорода 1,5-15 Па.
