Способ получения пленок высокотемпературных сверхпроводников

 

Использование: в области криогенной радиотехники, микроэлектроники, а именно при изготовлении электронных приборов, работа которых основана на эффекте Джозефсона. Сущность изобретения: способ заключается в распылении мишени заданного состава пучком ионов инертного газа. Причем в процессе распыления на растущую пленку собирают отрицательные ионы кислорода с энергией 1,5 10 эВ, которые освобождаются из мишени в процессе ее бомбардировки ионами аргона. Ионы кислорода собирают, например, путем подачи на растущую пленку положительного напряжения. Предложенный способ позволяет упростить и удешевить технологический процесс и повысить критическую температуру получаемых пленок.

Изобретение относится к криогенной радиотехнике, микроэлектронике, в частности, может быть использовано при изготовлении электронных приборов, работа которых основана на сверхпроводимости или эффекте Джозефсона.

Для изготовления датчиков таких приборов используют тонкие пленки высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) и многослойные структуры на их основе, которые наносят на различные, в том числе и полупроводниковые, подложки. Важным требованием к технологии создания многослойных ВТСП структур является возможность нанесения последующих слоев без нарушения поверхностных и объемных свойств предыдущих.

Известен способ нанесения пленочных слоев без нарушения поверхностных свойств предыдущих слоев или подложек, который основан на распылении пучком ионов инертного газа в вакууме массивной мишени из материала получаемой пленки, в том числе и пленки сложного состава, каковой является пленка ВТСП (например, УВаСиО) [1] Применение указанного способа к пленкам ВТСП, например УВаСиО имеет тот недостаток, что в процессе распыления такие пленки обладают дефицитом кислорода, для восстановления которого необходим последующий высокотемпературный отжиг при высокой температуре (920^оС), что нарушает свойства предыдущих слоев.

Известен способ получения пленок ВТСП путем распыления составной мишени пучком ионов, в котором для восстановления потерянного при распылении кислорода используют дополнительный источник ионов кислорода, с помощью которого в процессе напыления облучают растущую пленку ионами кислорода [2] В этом случае устраняют недостаток способа, связанный с дефицитом кислорода в пленках ВТСП, но усложняется и удорожается технологический процесс получения пленок из-за наличия дополнительного источника ионов кислорода в вакуумной камере и необходимости контроля за работой двух источников одновременного основного, распыляющего мишень, и дополнительного, облучающего ионами кислорода растущую пленку; деформируется структура растущей пленки из-за ее ионной бомбардировки, так как источники ионов не обеспечивают энергию ионов менее 20 эВ. Деформация структуры приводит к ухудшению сверхпроводящих свойств пленки, в частности к снижению критической температуры.

Целью изобретения является устранение перечисленных недостатков. Это достигается за счет отбора на подложку, т.е. на растущую пленку, ионов кислорода, освобождающихся из самой мишени при ее распылении. Свойством излучать отрицательные ионы кислорода при распылении обладают ионные кристаллы.

Сущность способа заключается в том, что на растущую пленку вытягиваются ионы не рабочего газа, как это имеет место при плазменных методах получения пленок, а ионы кислорода, вылетающие из ВТТСП мишени благодаря ее специфическому ионному строению. Осуществить такой сбор можно, например, с помощью электрического поля, прикладываемого к растущей пленке, причем величина поля должна находиться в диапазоне 1,5-10 эВ.

Реализация указанного способа заключается в следующем.

В вакуумной камере, оснащенной источником ионов, устанавливают ВТСП мишень, например, УВаСиО под углом 45^о к пучку распыляющих ионов, обычно ионов аргона. Параллельно мишени на расстоянии 5-7 см устанавливают подложки из любого материала, например, Si, MgO, SrTiO₃ и др. Камеру откачивают до предельного вакуума, затем подают в источник инертный газ, аргон и при давлении 210^-4 мм рт.ст. включают источник ионов с энергией 0,8-1,2 кэВ и проводят процесс напыления пленки ВТСП.

В процессе распыления мишени собирают на растущую пленку отрицательные ионы кислорода с энергией 1,2-10 эВ. Это осуществляют, например, с помощью положительного электрического напряжения, подводимого к растущей пленке.

После достижения пленкой заданной толщины выключают источник ионов и снимают электрический потенциал с пленки.

П р и м е р 1. В вакуумную камеру, оснащенную источником ионов с энергией 0,8-1,2 кэВ, под углом 45^о к источнику устанавливают ВТСП мишень из УВаСиО. К подогреваемым до 600-680^оС подложкам, расположенным параллельно мишени, прикладывают электрический потенциал 1,5 В. Вакуумную камеру откачивают до предельного вакуума, затем подают аргон и при давлении 210^-4 мм рт.ст. включают ионный пучок. Процесс проводят до достижения пленкой заданной толщины, обычно 0,5-0,6 мкм, после чего выключают источник ионов и снимают напряжение с пленки. Затем в камеру напускают кислород до давления 1 мм рт.ст. и плавно в течение 30 мин снижают температуру подложек до комнатной.

Приведенный процесс позволяет получать пленки УВаСиО с критической температурой более 80 К. Минимальная величина напряжения, прилагаемого к пленке, определена величиной энергии активации диффузии кислорода в пленке ВТСП, которая составляет 1,3 эВ.

При меньшем напряжении на подложках критическая температура ВТСП пленок снижается с 85 до 60 К.

П р и м е р 2. В вакуумную камеру, оснащенную источником ионов с энергией 0,8-1,2 кэВ под углом 45^о к источнику устанавливают ВТСП мишень из УВаСиО. К подогреваемым до 600+680^оС подложкам, расположенным параллельно мишени, прикладывают электрический потенциал 30 В. Вакуумную камеру откачивают до предельного вакуума, затем подают аргон и при давлении 210^-4 мм рт.ст. включают ионный пучок. Процесс проводят до достижения пленкой заданной толщины, обычно 0,5-0,6 мкм, после чего выключают источник ионов и снимают напряжение с пленки. Затем в камеру напускают кислород до давления 1 мм рт.ст. и плавно в течение 30 мин снижают температуру подложек до комнатной.

В данном случае критическая температура пленок снижается до 68 К. Это связано с изменением величины кристаллографических констант в пленке из-за наличия ионной бомбардировки. Таким образом, верхний порог напряжения, прикладываемого к подложке, должен быть снижен до 10 В.

Указанная цель изобретения упрощение и удешевление технологии получения ВТСП пленок и улучшение их сверхпроводящих свойств достигается за счет того, что нет необходимости оснащать вакуумную камеру дополнительным источником ионов; нет необходимости в контроле за работой одновременно двух источников ионов: одного для распыления мишени, второго для облучения пленки ионами; улучшаются критическая температура полученных ВТСП пленок благодаря более полному насыщению кислородом растущей пленки за счет кислорода, освобождающего из мишени, и за счет более совершенной структуры пленки, которая не нарушается ионами высоких энергий более 10 эВ.

Формула изобретения

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПЛЕНОК ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ СВЕРХПРОВОДНИКОВ, включающий распыление мишени из оксидного материала в вакууме пучком ионов аргона, осаждение распыленного материала на подложку и облучение ее ионами кислорода, отличающийся тем, что подложку облучают отрицательными ионами кислорода с энергией 1,5-10 эВ, которые освобождаются из мишени в процессе ее распыления.