СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МИШЕНИ ДЛЯ МАГНЕТРОННОГО НАНЕСЕНИЯ СВЕРХПРОВОДНИКОВЫХ ПЛЕНОК СОСТАВА Bi-Pb-Sr-Ca-Cu-O
METHOD FOR MANUFACTURING OF TARGET FOR MAGNETRON APPLICATION OF SUPERCONDUCTING FILMS OF FOLLOWING COMPOSITION - Bi-Pb-Sr-Ca-Cu-O

Изобретение относится к способу получения сверхпроводниковых изделий на основе керамики состава Bi-Pb-Sr-Ca-Cu-O и может быть использовано для изготовления мишеней, предназначенных для получения наноразмерных пленок высокотемпературного сверхпроводника (ВТСП) методом магнетронного напыления.
В процессе магнетронного напыления многокомпонентной керамической мишени возникает ее разогрев, поверхность мишени изменяет состав. Изменение температуры вызывает также внутренние механические напряжения и растрескивание мишени. Это приводит к неустойчивости процесса изготовления и снижает качество сверхпроводниковых пленок толщиной менее 100 нм.
2
-3
Известен способ изготовления сверхпроводниковых мишеней горячим прессованием, заключающийся в подготовке исходной шихты порошка и дальнейшем прессовании с усилием 150 кгс/см в вакуумной камере при давлении 10 Торр и температуре 750 градусов Цельсия [1].
Техническим результатом является керамическая мишень в виде диска диаметром 50 мм, толщиной 4 мм, состава Bi-Pb-Sr-Ca-Cu-O и полученные на ее основе тонкие пленки сверхпроводника с критической температурой перехода в сверхпроводящее состояние 100 К.
При монтаже мишени в установку для теплоотвода используется паста и внешние прижимные элементы. Однако в такой конструкции нагрев подложки до температуры 700°С и выделение мощности на источнике приводит к неконтролируемому разогреву мишени и нестабильности процесса получения ВТСП пленок.
Недостатками способа являются: необходимость создания теплоотвода от сверхпроводниковой керамики при монтаже мишени в установку, растрескивание мишени при эксплуатации, сложность обеспечения низкой и контролируемой температуры на мишени в процессе распыления.
2
Известен способ изготовления сверхпроводниковых мишеней горячим прессованием, заключающийся в подготовке исходной шихты порошка, отжиге шихты в печи при температуре 850-1000°С, дальнейшем прессовании под давлением 300-560 кгс/см в воздушной атмосфере при температуре 850°С [2].
Техническим результатом является изготовленная керамическая мишень в виде диска диаметром 50 мм, толщиной 10 мм состава Bi-Pb-Sr-Ca-Cu-O и полученные на ее основе тонкие пленки сверхпроводника с критической температурой перехода в сверхпроводящее состояние 80 К.
Недостатками способа являются: необходимость создания теплоотвода от сверхпроводниковой керамики при монтаже мишени в установку, растрескивание мишени при эксплуатации, сложность обеспечения низкой и контролируемой температуры на мишени в процессе распыления.
Прототипом данного изобретения является способ изготовления сверхпроводниковой мишени с помощью энергии взрывчатых веществ [3]. Порошок сверхпроводящего материала загружают в стальной контейнер с цилиндрической внутренней полостью. Затем осуществляют подпрессовку и герметизацию пуансоном в виде медного диска. Полученная заготовка размещается на стальной опоре, установленной в песчаном грунте под углом к продольной оси канала ствола порохового метательного устройства, равным 78-80 градусов. Собирают пакет под сварку взрывом из плакирующей заготовки в виде медного диска, соединенной с демпфирирующей прокладкой из высокоэластичного материала и стальным экраном. Осуществляют сварку взрывом ударного нагружения за счет разгона цилиндрического ударника из высокопластичного материала пороховым метательным устройством и удара его в стальной экран со скоростью 480-620 м/с.
Техническим результатом является изготовленная сверхпроводниковая мишень для магнетронного распыления, в которой обеспечивается надежный тепловой контакт между распыляемой керамикой и окружающим металлом формы, в которую запрессована керамика.
Задача изобретения - разработка способа изготовления многокомпонентной мишени для магнетронного напыления сверхпроводниковых пленок состава Bi-Pb-Sr-Ca-Cu-O, которые имеют эффективный теплоотвод от керамики в процессе напыления и защищены от растрескивания.
2
2
2
3
10
Достижение этого реализуется благодаря разработанной технологии горячего прессования шихты порошка состава (BiPb)SrCaCuO в медный стакан, дно и стенки которого облужены свинцом.
Способ, предлагаемый заявителем, направлен на упрощение производства многокомпонентных керамических изделий, изготовление сверхпроводниковых мишеней, в том числе диаметром более 70 мм состава Bi-Pb-Sr-Ca-Cu-O, имеющих надежный тепловой контакт между распыляемой керамикой и основанием магнетрона. Хорошая теплопроводность между всеми элементами изделия способна предотвратить термическое разрушение мишени в процессе магнетронного распыления, а также неконтролируемого изменения стехиометрии ее состава.
Способ изготовления мишени для магнетронного нанесения сверхпроводниковых пленок состава Bi-Pb-Sr-Ca-Cu-O включает в себя загрузку сверхпроводящего мелкодисперсного порошка в стакан, помещение стакана в пресс-форму и прессование с помощью стального пуансона, отличающийся тем, что используется стакан из меди, дно и боковые стенки которого облужены слоем свинца, а в момент прессования стакан нагревается до температуры плавления свинца.
Прилагаемые чертежи, которые включены в заявку как составляющая часть, иллюстрируют сущность предлагаемого изобретения.
На фиг.1 показан медный стакан,
где 1 - медный стакан
2 - слой свинца
На фиг.2 показана схема расположения элементов устройства для прессования мишени,
где 1 - медный стакан
3 - верхний пуансон
4 - матрица
5 - нижний пуансон
6 - шихта
На фиг.3 представлен способ крепления изготовленной мишени к основанию магнетрона,
где 1 - медный стакан
7 - столик с подложками MgO
8 - линии магнитного поля
9 - мишень
10 - уплотнительное кольцо
11 - основание магнетрона
12 - магнитная система
На фиг.4 представлена пресс-форма с расположенным в ней медным стаканом,
где 1 - медный стакан
3 - верхний пуансон
4 - матрица
5 - нижний пуансон
На фиг.5 показан поперечный разрез мишени BiPbSrCaCuO,
Где 1 - медный стакан
2 - слой свинца
9 - мишень
На фиг.6 показана зависимость относительного электросопротивления от температуры BiPbSrCaCuO пленок,
где 13 - температурная зависимость относительного электросопротивления для пленки, полученной из мишени в виде керамического диска
14 - температурная зависимость относительного электросопротивления для пленки, полученной из мишени, изготовленной по описанному методу
2
2
2
3
10
На первом этапе создания мишени изготавливается медный стакан (Фиг.1), дно и внутренние стенки которого облуживаются химически чистым свинцом. Стакан помещается в пресс-форму на нижний пуансон (Фиг.2.). Через верхнее отверстие засыпается навеска шихты сверхпроводникового порошка состава (BiPb)SrCaCuO и производится ее равномерное распределение по площади стакана. Затем вставляется верхний пуансон и производится прессование. В процессе прессования пресс-форма нагревается до температуры, при которой слой свинца на поверхности стакана расплавляется и образует надежный металлургический контакт со сверхпроводниковой керамикой. После выдавливания из матрицы мишень готова к использованию.
Конструкция мишени позволяет получить надежный тепловой контакт медного стакана к основанию магнетрона. Прижимное кольцо опирается не на хрупкую керамику, а на пластичную медь (Фиг.3). Теплопроводящая паста на основании магнетрона не диффундирует в керамику и не отравляет ее.
Необходимо отметить, что свинец, используемый для создания контакта сверхпроводниковая керамика-стакан, и медь, используемая в качестве материала стакана, являются "родственными" материалами, присутствующими также в составе распыляемого материала, и, следовательно, не вносят загрязнений в состав напыленных слоев.
С целью повышения плотности керамики в мишени при ее изготовлении и уменьшения остаточных механических напряжений для стакана в пресс-форме изготавливается ниша, а диаметр пуансона равен внутреннему диаметру верхней кромки стенок стакана (Фиг.4). Таким образом, в момент прессования давление равномерно распределено по площади сверхпроводникового порошка.
Для уменьшения вероятности растрескивания и отслоения керамики в условиях термоциклирования боковые стенки стакана делают коническими, а дно стакана имеет больший диаметр, чем его верхняя кромка (Фиг.1.). Возникающие механические напряжения в таких условиях не приводят к описанным выше дефектам.
Пример изготовления многокомпонентной сверхпроводниковой мишени.
2
2
2
3
10
Для изготовления мишени по описанному способу использовался сверхпроводниковый порошок фазы (BiPb)SrCaCuO. По данным измерения магнитной восприимчивости порошок содержал только фазу 2223. Химический анализ состава соответствовал также этой фазе.
Медный стакан 1 (Фиг.1) имел внешний диаметр 105 мм, внутренний диаметр на верхней кромке 100 мм, на нижней 102 мм. Глубина 5 мм. Конструкция использованной пресс-формы показана на Фиг.4. Дно и стенки стакана облуживались химически чистым свинцом. Толщина слоя свинца 300 мкм.
Стакан помещался в пресс-форму и сверху в него засыпался
сверхпроводниковый порошок. Общий вес шихты составлял 200 грамм. Расчетная плотность мишени - 5,1 г/см.
Порошок равномерно распределялся в стакане и свободном объеме матрицы. Для этого пресс-форма помещалась на вибростенд. Сверху на порошок давил собственным весом верхний пуансон.
После предварительного уплотнения вся сборка помещалась в пресс с давлением 500 тонн, которое поддерживалось 20-40 минут. Все это время температура пресс-формы составляла 322°С. Это на 5 градусов ниже температуры плавления чистого свинца. Однако давление создавало условия для быстрой диффузии свинца в керамику и создания хорошего металлургического контакта.
1.8
0.4
2
2
3
10
Полученная мишень (Фиг.5) использовалась для магнетронного напыления сверхпроводниковых пленок состава BiPbSrCaCuO. К стальному основанию магнетрона 11 медный стакан 1 с мишенью 9 прижимался уплотнительным кольцом 10, на границе магнетрон-стакан для улучшения теплоотвода наносилась теплопроводящая паста (Фиг.3).
Параметры нанесения:
вакуум: рабочее при запуске аргона и кислорода 2 Па
электрический режим: высокочастотное распыление мощностью 90-300 Вт.
подложка: MgO.
2
В процессе распыления подложку нагревали до температуры 800°С. После нанесения пленки отжигались в смеси Ar и О в течение 10 часов при температуре 860°С. Полученные образцы имели проводимость при толщинах более 10 нм. Температура начала перехода в сверхпроводящее состояние изготовленных пленок составляла 110 К, температура полного перехода - 105 К (Фиг.6), что превосходит результаты, полученные для аналогичных условий напыления с использованием керамической мишени в виде диска.
Источники информации
1. Патент США № 5077269 от 31.12.1991, H01L 39/12.
2. Патент США № 5059585 от 22.10.1991, H01L 39/12.
3. Патент РФ № 2240205 от 11.20.2004, В23К 20/08 - прототип.