Способ обработки пленок системы в -с -s -с -о

ОЮЗ СОВЕТСКИХОЦИАЛИСТИЧЕСКИХЕСПУБЛИК Е ИЗОБРЕТЕНИ ПИ й институт им. г о йечч Н 96-Те Яг-Са-Сц-О Т 1 и т Ое роз 1 оп Роуз, 1988, чо. пс. Ргорегсез от Са-Сц-О, ТЫп 3. 1988, ч. 27, Р ок, обработанных по ся высокая степень ОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМРИ ГКНТ СССР К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ(56) К. Кцпос 3 аРгерагатопЯцрегсопс 3 астпд Охсе ВЕ Гп Ьу Е естгоп ВеаТесйпсце.//.ар, . оГ Арр27, М 4,. 625-627,Н.АдасЫ, Ргерагасоп аЯцрегсопсцстпд В 1-ЯгРгпз,//.ар, 3, о Арр, Р 1 у4,. 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 кР, ДОСтИГаЕМаЯ ПРИ тЕМ- пературе ниже критической температуры свехпроводящего перехода Тс. На величину ХР в тонких (толщиной до 1 мкм) поликристаллических ВТСП-пленках определяющее влияние оказывает структура пленок. Поскольку для ВТСП-материалов системы В- Са-Яг-Сц-О характерны малые значения длины когерентности Л =20 А), сверхпроводящие характеристики: кр и Тс данного класса материалов оказываются чрезвычайно чувствительными к различного рода де.фектам структуры таким, как точечные 5 С 30 В ЗЗ/02,29/ 54) СПОСОБ ОБРАБОТКИ ПЛЕНОК СИСТЕМЫ В - Са-Яг - Сц-О(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 токав пленках. Отжиг пленок системы В-Са-Яг-Сц-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 а 5 10 А/см, 1 табл., 1 ил. дефекты, границы зерен, дислокации, двоиниковые границы и т,д, По этой причине возрастание концентрации дефектов приводит к падению величины кР и снижения Тс. В связи с этим актуальным является создание новых способов обработки пленок, позволяющих улучшить структуру ВТСП-планок.Известен способ обработки поликристаллических пленок В-Са-Яг-Сц-О толщиной около 200 мкм, полученных методикой электронно-лучевого осаждения, которой заключается в отжиге пленок в потоке кислорода при 1070 - 1160 К в течение 1 ч. В результате обраб тки по этому способу получены поликристаллические пленки, главная кристаллографическая ось С в которых ориентирована перпендикулярно к поверхности подложки,Недостатком пленэтому способу, являетполикристалличности пленок: размер зерна = 10 -10 А и вследствие этого низкие значения бакр. ко в таких поликристаллических ВТСП-пленках составляет 5 10 А/см2 % 2 (Т = 77 К),Наиболее близким к предлагаемому является способ обработки ВТСП-пленок В 1- Са-Яг-Сц-О, включающий отжиг в атмосфере кислородосодержащего газа. Пленки В 1-Са-Яг-Си-О толщиной 0,5-1 мкм, приготовленные магнетронным распылением на подложках МцО и ЯгТОз, 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 - 1 кр = 10 А/см при Т = 77 К, Однако3 2это 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 Б-Са-Бг-Сц-О,Поставленная цель достигается тем, что в известном способе обработки пленок, включающем откиг в атмосфере кислород- содержащего газа, отжиг проводят при 890 - 970 К в течение 3-5 ч в упомянутой атмосфере, дополнительно содеркащей пары В, при парциальных давлениях кислорода и паров В 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 интер вале 890-970 К, Э кс пер иментал ь но установлено, что при такой температуре происходит эффективное взаимодействие материала пленки с активной атмосферой, в которой проводится отжиг, При температурах, меньших нижней границы интервала Т890 К, не происходит активного насыщения областей, прилегаощих к границам зерен, висмутом иэ окружающей атмосферы. При Т970 К происходит реиспарение легколетучего компонента В из приповерхностного слоя и из области границ зерен. Вобоих указанных случаях наблюдается отклонение состава приграничных областейкристаллитов отстехиометрического и сниже 5 ние крйтического тока, Причем стехиометричность состава не удается обеспечить засчет варьирования парциальных давлений икислорода в широких пределах,Следующим необходимым признаком10 предлагаемого способа является время обработки пленок, которое должно ограничиваться интервалом 3 - 5 ч, В том случае, есливремя обработки составляет менее 3 ч, насыщение висмутом областей вблизи границ15 кристаллитов осуществляется не в полноймере и стехиометричность состава не достигается. Если же время обработки пленкипревышает 5 ч, то на поверхности пленкиобразуются включения фазы, обогащенной20 висмутом, а также пленка становится неоднократной по толщине. Отклонения составапрослоек между кристаллами от стехиометрического проявляются, таким образом, привыходе времени отжига как за верхнюю, так25 и за нижнюю границы заявляемого диапазона, что влечет за собой снижение критического тока,. Также необходимым признаком предлагаемого способа является величина пар 30 циального давления активных компонентоватмосферы, в которой производится обработка, Парциальные давления кислорода -Ро и паров В 1-Рв должно находится в интервалах 1,5 - 15 и 0,1 - 1,5 Па соответствен-35 но. При величинах Ро1,5 Па происходитобеднение приповерхностного слоя пленкии областей вблизи границ кристаллитов кислородом и вследствие этого падение 1 кр, таккак ВТСП-свойства материалов В 1-Са-Яг-Сц 40 О чрезвычайно чувствительны к дефицитукислорода в составе материала,При Ро15 Па не происходит эффективного взаимодействия висмута, находящегося в паровой фазе, с материаломпленки, так как он взаимодействует с кислородом. При величинах Рв0,1 Па атомывисмута испаряются из обьема пленки, причем наиболее интенсивно этот процесс протекает по дефект;м структуры (в частности,по границам зерен),При величине Рв1,5 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 от1733516 рой и цифровым вольтметром Щ 1314, Затемв рабочий объем через натекатель под давлением подавался кислород ОСЧ до достижения парциального давления кислорода 85 Па, Давление паров висмута и кислородарегистрировалось лампами ПМТ, подключенными к ионизационно-термопарному вакуумметру. После установления в рабочемобъеме необходимого парциального давле 0 ния обоих компонентов активной атмосферы температуру обрабатываемых пленок,закрепленных в обойме, поднимали до Т ==930 К, Температура пленок фиксироваласьХА-термопарой и цифровым вольтметром5 Щ 1413, Отжиг пленок проводился в динамическом режиме, т,е. через рабочий объемосуществлялся проток кислорода в присутствии постоянного источника паров В 1,Время отжига составляло 1 = 4 ч и фиксиро 0 валось по хронометру. На полученных пленках затем четырехзондовым методомизмерено сопротивление пленок и снятывольт-амперные характеристики при Т = 77К, из которых определялось значение ар.5 Данные по режимам и параметрам приведены в таблице,В полном соответствии с описаннымпримером проводилась обработка пленок ипри других режимах, входящих в интервалы,0 указанные в формуле изобретения, Причемварьирование трех из четырех параметроврежима обработки проводилось при фиксировании только какого-либо одного параметра, что позволяло проследить влияние5 всевозможных сочетаний параметров режима обработки на свойства обработаннойпленки,стехиометрического, что во всех случаях ведет к падению кр,Таким образом, для достижения поставленной цели критическими являются нетолько температура обработки, но и времяобработки, а также величины парциальныхдавлений активных компонентов атмосферы, что свидетельствует о существенностирежимов способа,На чертеже показан участок пленки 200 1х 200 мкм, снятый в характеристических лучах В 1В тонких (до 1 мкм) поликристаллических пленках В-Са-Яг-Си-О как в процессеконденсации, так и последующей высокотемпературной обработки происходитобеднение поверхностного слоя и областей,прилегающих к границам кристаллитов, висмутом (это подтверждается чертежом). В результате ухода атомов висмута в указанных 2областях пленки образуется фаза(ЯголСао,з 5) Св 02. Образование включенийэтой несверхпроводящей фазы являетсяпричиной падения критического тока приТТс, 2Для устранения влияния несверхпроводящей фазы экспериментально найдены режимы, обеспечивающие стехиометричностьсостава и, соответственно, сверхпроводящие свойства межкристаллитных прослоек, 3Таким образом, предлагаемый способпредставляет собой новую совокупность неразрывных существенных признаков, которая приводит к появлению нового свойства;формированию в поликристаллической 3ВТСП-пленке межкристаллитных прослоекстехиометрического состава, обладающихсверхпроводящими свойствами при ТТП р и м е р. Обработка поликристаллических ВТСП-пленок В 1-Са-Яг-Со-О проводилась в вакуумированном объемеустановки УВНМ, Толщина пленок составляла 1 мкм, пленки получены методомлазерного распыления, на положках М 90,распы":ние мишени В-Са-Яг-Со-О проводилось в импульсном режиме: длительностьимпульсов 10 с, энергия излучения заодин импульс 100 Дж, в качестве источникаизлучения использовался лазер ГОР 100 М,Рабочий объем предварительно откачан до 50давления остаточной атмосферы Р = 10 Па.Затем с помощью нихромного нагревателяразогревался помещенный в рабочий объемконтейнер с висмутом, являющийся источником паров Вь Температура разогрева 55контейнера (Т = 850 С) обеспечивала активное испарение висмута в рабочий объем идостижение парциального давления паровВ в объеме 0,8 Па, Температура контейнерас висмутом регистрировалась ХК-термопаТаким образом, предлагаемый заявляемый способ обработки пленок позволяет повысить критический ток в поликристаллических ВТСП-планках В-Са-Яг-Сц-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 1 р в пленках, В 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.Формула изобретения Способ обработки пленок системы В 1- Са-Яг-Сос высокотемпературной сверхпроводимостью путем их отжига в атмосфере, содержащей кислород, о т л ич а ю щ и й с я 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 парци альным давлением 0,1 - 1,5 Па и давлениикислорода 1,5-15 Па.