Способ изготовления толстопленочной структуры на основе высокотемпературного сверхпроводника

Изобретение относится к отрасли криоэлектроники и может быть использовано при изготовлении толстопленочных структур на основе высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) и элементов, использующих эффект высокотемпературной сверхпроводимости. Сущность изобретения: способ изготовления толстопленочной структуры на основе высокотемпературного сверхпроводника включает нанесение на подложку промежуточного слоя Bi₂О₃, сушку и термообработку. Температура термообработки соответствует температуре плавления Bi₂O₃ и составляет 825°С. Время термообработки промежуточного слоя Bi₂O₃ составляет 5-6 минут. Затем наносится слой высокотемпературного сверхпроводника системы Bi-Sr-Ca-Cu-O, который сушится и ожигается для окончательного формирования требуемой кристаллической структуры и сверхпроводящих свойств. Технический результат изобретения состоит в обеспечении адгезии пленки высокотемпературного сверхпроводника висмутовой системы Bi-Sr-Ca-Cu-0 к подложке без потери сверхпроводящих свойств и улучшении качественных характеристик толстопленочной ВТСП структуры путем введения в структуру промежуточного слоя Bi₂O₃. 1 ил.

 

Изобретение относится к отрасли криоэлектроники и может быть использовано при изготовлении толстопленочных структур на основе высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) и элементов, использующих эффект высокотемпературной сверхпроводимости.

Известен способ получения буферного слоя Zr(Y)O₂ для тонкопленочных ВТСП структур [1]. Буферный слой формируется методом высокочастотного (ВЧ) магнетронного распыления мишеней, представляющих собой смесь оксидов циркония ZrO₂ и иттрия Y₂О₃, на подложки сапфира. Недостатками указанного способа являются:

- сложность аппаратурного оформления процесса получения;

- трудоемкость процесса;

- зависимость качества буферного слоя от большого числа операционных и технологических параметров.

Для толстопленочных ВТСП структур системы Bi-Sr-Ca-Cu-O буферные слои Zr(Y)O₂ непригодны, во-первых, из-за слабой адгезии ВТСП слоя и, во-вторых, из-за возможного загрязнения ВТСП слоя иттрием в процессе высокотемпературной обработки структур и нарушения вследствие этого сверхпроводящих свойств.

Известен способ изготовления сверхпроводящих покрытий на керамических подложках MgO [2], где в качестве промежуточного слоя между подложкой и покрытием используется слой серебра. Недостатком указанного способа является то, что подслой серебра не обеспечивает необходимой адгезии в многослойной структуре как со стороны подложки, так и со стороны сверхпроводящего слоя и приводит к разрушению структуры при термоциклировании.

Наиболее близким к заявляемому является способ изготовления подложки для ВТСП покрытий на основе MgO керамики и серебра, при котором готовят смесь порошков MgO и Ag, содержащую от 30 до 70% серебра, затем ее прессуют и обжигают при температуре порядка 1000°С. Далее уплотняют внедрением тугоплавкого материала и после обжига шлифуют поверхность, на которую по толстопленочной технологии наносится ВТСП покрытие [3].

Недостатками указанного способа являются:

- отсутствие серийно выпускаемых подложек и высокая стоимость из-за присутствия в их составе драгоценного металла - серебра;

- трудоемкость процесса изготовления;

- недостаточная адгезия ВТСП толстопленочного покрытия к подложке из-за высокого содержания в ее составе серебра.

Технический результат изобретения состоит в обеспечении адгезии пленки высокотемпературного сверхпроводника висмутовой системы Bi-Sr-Ca-Cu-O к подложке без потери сверхпроводящих свойств и улучшении качественных характеристик толстопленочной ВТСП структуры путем введения в структуру промежуточного слоя Bi₂O₃.

Предложенный способ изготовления толстопленочной структуры на основе высокотемпературных сверхпроводников позволяет решить эту задачу.

На подложке поликристаллического MgO методом осаждения из спиртовой взвеси осаждается слой Bi₂O₃. Слой Bi₂О₃ сушится с целью удаления спирта и подвергается высокотемпературной термообработке при температуре плавления Bi₂O₃, составляющей 825°С.

На поверхности подложки образуется гладкая, однородная, прозрачно-желтая пленка Bi₂O₃, хорошо сцепленная с поверхностью подложки благодаря проникновению расплава в поры поликристаллической подложки.

Качественные характеристики промежуточного слоя Bi₂O₃ зависят от режима термообработки.

Оптимальный режим термообработки промежуточного слоя Bi₂O₃ при температуре 825°С в течение 5-6 минут.

Более высокие температуры нецелесообразны. При температуре термообработки менее 825°С не обеспечивается необходимая плотность и адгезия слоя Bi₂O₃ к подложке: полученный слой Bi₂O₃ рыхлый, слабо сцепленный с поверхностью подложки, легко осыпается.

При продолжительности термообработки менее 5 минут при 825°С происходит неполное расплавление Bi₂O₃ и образовавшийся слой Bi₂О₃ неоднороден по своему фазовому составу и плотности. Образование однородного, хорошо сцепленного с подложкой слоя Bi₂O₃ заканчивается через 5-6 минут при температуре 825°С. Более продолжительная термообработка при этой температуре может привести к неконтролируемому растеканию слоя Bi₂O₃ и его частичному испарению. Возможно нарушение целостности слоя вследствие локального истончения на выступающих геометрических неоднородностях поверхности подложки.

На подложку с промежуточным слоем Bi₂O₃ методом шелкографии наносится слой высокотемпературного сверхпроводника состава (Bi,Pb)₂Sr₂Са₂Cu₃О_х. После предварительной сушки в термошкафу при температуре 145°С в течение 2 часов проводится высокотемпературный отжиг при температуре 860°С в течение 40 часов для окончательного формирования требуемой кристаллической структуры и сверхпроводящих свойств.

В результате формируется толстопленочная ВТСП структура на основе высокотемпературного сверхпроводника системы Bi-Sr-Ca-Cu-O. ВТСП слой хорошо сцеплен с поверхностью подложки, плотный, не отслаивается. Имеет поликристаллическую структуру.

Пример.

На подложку поликристаллического MgO методом осаждения из спиртовой взвеси осаждается слой Bi₂O₃. Взвесь готовится из изопропилового спирта марки «осч 13-5» ТУ-6-09-07-1718-91 и порошка Bi₂O₃ «осч 13-3» ТУ-6-09-02-298-90. Взвесь заливается в сосуд, на дне которого располагается подложка MgO. После выпаривания спирта подложка MgO со слоем Bi₂O₃ подвергается сушке в термошкафу при температуре 145°С в течение 2 часов. Затем проводится термообработка. Подложка со слоем Bi₂O₃ помещается в печь и нагревается до температуры плавления Bi₂O₃=825°С. Выдерживается при этой температуре в течение 5-6 минут. Слой Bi₂O₃ расплавляется, и на поверхности подложки образуется гладкая, хорошо сцепленная с поверхностью подложки пленка. На поверхность промежуточного слоя Bi₂О₃ методом шелкографии наносится слой высокотемпературного сверхпроводника Bi_1,7Pb_0,4Sr₂Ca₂Cu₃O_x. Проводится сушка при температуре 145°С в течение 2 часов и высокотемпературная термообработка на воздухе при температуре 860°С в течение 40 часов.

Проведено измерение температурной зависимости относительного сопротивления (R/R(300)) толстопленочной структуры MgO/Bi₂O₃/Bi_1,7Pb_0,4Sr₂Ca₂Cu₃O_x, изготовленной по описанному способу. Толщина промежуточного слоя Bi₂O₃ составляла 80 мкм. Толщина слоя Bi_1,7Pb_0,4Sr₂Ca₂Cu₃O_x составляла 150 мкм.

Для сравнения были изготовлены образцы толстопленочных структур MgO/Bi_1,7Pb_0,4Sr₂Ca₂Cu₃O_x без промежуточного слоя при аналогичных режимах термообработки. Слои Bi_1,7Pb_0,4Sr₂Ca₂Cu₃O_x имели недостаточную адгезию к подложке, легко царапались и отслаивались после первого термоцикла при погружении в жидкий азот.

Результаты экспериментальных исследований температурной зависимости относительного сопротивления приведены на чертеже.

Результаты исследований показали наличие сверхпроводящих свойств как в толстопленочных структурах MgO/Bi_1,7Pb_0,4Sr₂Ca₂Cu₃O_x без промежуточного слоя (фиг.1а), так и в структурах MgO/Bi₂O₃/Bi_1,7Pb_0,4Sr₂Ca₂Cu₃O_x с промежуточным слоем (фиг.1б). Причем наличие промежуточного слоя Bi₂O₃ не ухудшает критических параметров сверхпроводящей структуры.

Экспериментальные данные подтверждают достижение заявляемого технического результата.

Использование предложенного способа изготовления толстопленочных структур на основе высокотемпературного сверхпроводника обеспечивает следующие преимущества:

- обеспечивается необходимая адгезия ВТСП слоя;

- не происходит загрязнения ВТСП слоя нежелательными химическими элементами при высокотемпературной термообработке благодаря использованию в качестве промежуточного слоя оксида висмута, входящего в состав ВТСП слоя;

- в процессе высокотемпературной термообработки происходит дополнительное уплотнение ВТСП слоя благодаря тому, что процесс протекает в жидкой фазе расплавленного подслоя Bi₂O₃;

- простота аппаратурного оформления и технологичность процесса получения промежуточного слоя;

- наличие подслоя Bi₂O₃ предотвращает обеднение ВТСП слоя висмутом, компенсируя испарение этого самого легколетучего компонента из слоя высокотемпературного сверхпроводника. Благодаря этому использование промежуточного слоя Bi₂O₃ обеспечивает сохранение сверхпроводящих свойств толстопленочной структуры.

Источники информации

1. Нанотехнологии в электронике. Под. ред. Ю.А.Чаплыгина. - М., Техносфера, 2005, с.362-363.

2. Технология толстых и тонких пленок. Под ред. А. Рейсмана, К.Роуза. - М., Мир, 1972, с.9-13; 83-87.

3. Способ изготовления подложки для ВТСП покрытий на основе MgO-керамики и серебра. Игумнов В.Н., Буев А.Р., Скулкин Н.М., Иванов В.В., Филимонов В.Е. Патент РФ 2234167 от 10.08.2004. 7 Н01L 39/24. Приор. от 14.04.2003. - прототип.

Способ изготовления толстопленочной структуры на основе высокотемпературного сверхпроводника, включающий нанесение на подложку промежуточного слоя и толстой пленки высокотемпературного сверхпроводника висмутовой системы Bi-Sr-Ca-Cu-O, отличающийся тем, что в качестве промежуточного слоя используется слой Bi₂O₃, прошедший стадии предварительной сушки и термообработки при температуре плавления Bi₂O₃ в течение 5-6 мин.