Научная статья на тему 'ПОЛУЧЕНИЕ ТОНКИХ ПЛЕНОК НА ОСНОВЕ YBA2CU3O7- МЕТОДОМ МАГНЕТРОННОГО РАСПЫЛЕНИЯ'

ПОЛУЧЕНИЕ ТОНКИХ ПЛЕНОК НА ОСНОВЕ YBA2CU3O7- МЕТОДОМ МАГНЕТРОННОГО РАСПЫЛЕНИЯ Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

CC BY
161
16
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
НАНОСТРУКТУРИРОВАННАЯ КЕРАМИКА / NANOSTRUCTURED CERAMICS / СЛОЖНЫЕ ОКСИДЫ / COMPLEX OXIDES / ТОНКИЕ ПЛЕНКИ / THIN FILMS

Аннотация научной статьи по нанотехнологиям, автор научной работы — Гамматаев С.Л., Хашафа А.Х.Д., Палчаев Д.К., Эмиров Ю.Н., Мурлиева Ж.Х.

Приведены результаты исследований, направленных на разработку технологии изгото-вления мишеней для магнетронного распыления, а также получения тонких плѐнок высокотем-пературного сверхпроводника (ВТСП) YBa2Cu3O7-δ на кремниевых подложках. В работе ис-пользовался классический вариант планарного круглого магнетрона. Кремниевые подложки были выбраны с целью исследования структуры формируемого ВТСП-слоя (интерфейса) при заданных технологических режимах. Распыляемые мишени из наноструктурированной керами-ки различной плотности изготавливались по новой технологии путем спекания нанопорошков различной дисперсности, полученных при сжигании нитрат-органических прекурсоров, содер-жащих элементы соединения YBa2Cu3O7-δ. Показано, что на кремниевых подложках с оксидной пленкой на поверхности можно получать текстурированные слои YBa2Cu3O7-δ. Проведены си-стематические исследования влияния технологических параметров на качество получаемых тонких пленок. В результате оптимизации этих параметров обеспечивается возможность полу-чения сверхпроводящих текстурированных пленок с воспроизводимыми свойствами. Это поз-волит исследовать влияние варьирования технологических условий (изовалентное замещение, допирование различными элементами, термообработка и др.) на свойства получаемых пленок.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по нанотехнологиям , автор научной работы — Гамматаев С.Л., Хашафа А.Х.Д., Палчаев Д.К., Эмиров Ю.Н., Мурлиева Ж.Х.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Preparation of the thin films based on YBa2Cu3O7- by magnetron sputtering

The results of research aimed at the development of manufacturing technology for magnetron sputtering targets, and thin films of high-temperature superconductor (HTS) YBa2Cu3O7-δ in the sili-con of the substrate are submitted. We used the classic version of the round planar magnetron. Silicon substrates were chosen to study the structure formed by the HTSC layer (interface) for the given pro-cess conditions. Sputtering targets of nanostructured ceramics of different densities were produced by the new technology by sintering of nanopowders of various dispersion obtained from the combustion of organic nitrate precursors, compounds containing elements of YBa2Cu3O7-δ. It is shown that on sili-con substrates with the oxide film on the surface layers, textured YBa2Cu3O7-δ can be obtained. The systematic study of the influence of process parameters on the quality of the thin films are submitted. As a result of these parameters optimization textured superconducting films with reproducible proper-ties can be otained. This allows investigating the effect of varying process conditions (isovalent substi-tution, different elements doping, heat treatment, etc.) on the properties of the resulting films.

Текст научной работы на тему «ПОЛУЧЕНИЕ ТОНКИХ ПЛЕНОК НА ОСНОВЕ YBA2CU3O7- МЕТОДОМ МАГНЕТРОННОГО РАСПЫЛЕНИЯ»

УДК 621.318

СЛ.Гамматаев, А.Х.Д.Хашафа, Д.К.Палчаев, Ю.Н.Эмиров, Ж.Х. Мурлиева, С.Х. Гаджимагомедов, Н.Г.Гасанов, Н.М.-Р.Алиханов, Р.М.Эмиров

Получение тонких пленок на основе YBa2Cu3O7-§ методом магнетронного

распыления

Дагестанский государственный университет;Россия, 367001, г. Махачкала, ул. М. Гад-жиева, 43 а;dairpalchaev@mail.ru

Приведены результаты исследований, направленных на разработку технологии изготовления мишеней для магнетронного распыления, а также получениятонких плёнок высокотемпературного сверхпроводника (ВТСП) YBa2Cu3O7-s на кремниевых подложках. В работе использовался классический вариант планарного круглого магнетрона. Кремниевые подложки были выбраны с целью исследования структуры формируемого ВТСП-слоя (интерфейса) при заданных технологических режимах. Распыляемыемишени из наноструктурированной керамики различной плотности изготавливались по новой технологии путем спекания нанопорошков различной дисперсности, полученных при сжигании нитрат-органических прекурсоров, содержащих элементы соединения YBa2Cu3O7-s. Показано, что на кремниевых подложках с оксидной пленкой на поверхности можно получать текстурированные слои YBa^^O-^б.Проведены систематические исследования влияния технологических параметров на качество получаемых тонких пленок. В результате оптимизации этих параметров обеспечивается возможность получения сверхпроводящих текстурированных пленок с воспроизводимыми свойствами.Это позволит исследовать влияние варьирования технологических условий (изовалентное замещение, допирование различными элементами, термообработка и др.)на свойства получаемых пленок.

Ключевые слова: наноструктурированная керамика, сложные оксиды, тонкие пленки.

Введение

В настоящее время интенсивно развиваются технологии осаждения сложных многослойных структур [1], содержащих ВТСП-слои, для решения проблем электронной техники и электроэнергетики [2, 3].

При нанесении сложных многослойных покрытий на основе YBa2Cu3O7-5Широко используется метод магнетронного распыления. Преимуществом данного метода является возможность получения YBa2Cu3O7-5 пленок в одну стадию, которые по качеству и характеристикам не уступают [4] пленкам, полученным другимиметодами, но при этом имеют более однородную толщину и гладкую поверхность.

На основе анализа опыта, накопленного как российскими, так и зарубежными исследователями [1-7], была разработана и создана магнетронная распылительная система для получения тонких слоев сложных оксидов Y(Ba1-xВеx)2Cu3O7-5C воспроизводимыми структурой и свойствами.

В настоящей работе приведены технологии получения мишеней из наноструктури-рованной керамики и тонких пленок YBa2Cu3O7-5 на кремниевых подложках, а также результаты исследования их структуры.

Методика получения

Ранее нами были получены [8] сверхпроводящие материалы на основе Y(Ba2-xBex)2Cu3O7-s путем компактирования порошков исходных оксидов различной дисперсности: от 20 нм до 10 мкм. Различная дисперсность достигалась термической обработкой при 500-900°С аморфного порошка, получаемого путем сжигания прекур-

сора, осажденного из водных растворов нитратов соответствующих металлов и глицина. По мере нагревания аморфного порошка происходила его рекристаллизация с образованием орторомбической фазы сложного оксида YBa2Cu307-s.

Наноструктурированные сверхпроводящие материалы различной плотности на основе YBa2Cu307-s, содержащие преимущественно фазу, оптимально насыщенную кислородом, изготавливались из порошков, полученных методом, отличающимся от предыдущего как способом сжигания нитрат-органических прекурсоров, так и способом компактирования. Новый способ получения нанопорошка дает возможность управления технологическим параметром - скоростью сгорания загустевшего осадка, возникающего при выпаривании жидкого раствора определенного состава. Кроме того, применялись другие способы термообработки образовавшегося порошка после сгорания прекурсора. Эта технология обеспечивает определенное распределение размеров частиц в получаемом порошке в результате выбора скорости сгорания. Заданное распределение размеров частиц в наноструктурированном порошке, в свою очередь, обеспечивает формирование структуры с соответствующей плотностью и дисперсностью частиц в один этап.

Для получения исходных порошков нитраты иттрия, бария и меди смешиваются в соответствующих мольных долях и растворяются в воде в соотношении материал/вода, равном 0,03:1. В качестве «топлива» добавляется глицерин в количестве 0,5-1,5 % от общей массы водного раствора нитратов. Полученный раствор выпаривается при непрерывном помешивании до желеобразного состояния. Этот осадок вспыхивает с образованием аморфного сыпучего прекурсора, после чего он подвергается термообработке до 350- 9150С с выдержкой при этих температурах в течение 1-20 часов для удаления недогоревшей органики и формирования соответствующего распределения размеров частиц.

Мишени для распыления, изготовленные из порошка по указанной выше технологии, имели оптимальные размеры: толщину 2-6 мм и диаметр 30-40 мм, так как мишени меньшей толщины приходилось часто менять, а у мишеней большой толщины снижалась мощность разряда плазмы.

Пленки YBa2Cu307-5ПOлучали на кремниевых подложках в среде Аг, А/02и 02 путем распыления мишеней при конфигурации расположения мишень-подложка - 45°off-axis. Давление рабочего газа составляло ~10-0,1 Па, ток разряда ~ 60-200 мА, температура подложки варьировалась от 400 до 800 0С.

Морфология поверхности образцов исследовалась на атомно-силовом микроскопеNtegгaSpectгa (NT-MDT), сканирующем электронном микроскопе LE0-1450 с EDX-анализатором INCA Energy. Толщина пленок, их структурное совершенство и рентгенограммы исследованы с помощью просвечивающего электронного микроскопа (ПЭМ) TecnaiTF20.Морфология керамики исследовалась на сканирующем электронном микроскопе ASPEXExpress с EDX-анализатором 0megaMax. Рентгенофазовый анализ проводился на порошковом дифрактометре «PANanaliticaffimpireanseries 2».

Результаты и обсуждение

На рисунке 1 приведены результаты исследования морфологии керамик на основе YBa2Cu307-5, полученных двумя способами: по обычной керамической технологии и новой технологии.

Рис. 1. Морфология керамик УВа2Сиз07-з,полученных по обычной (слева) и новой технологии (справа)

В первом случае синтез и спекание порошка осуществлялись при температурах 920 и 950 0С в течение 20 и 24 часов соответственно, а во втором - термообработка полученного прекурсора проводилась при 910 0С в течение 20 часов, затем порошок спекался при 920 0С в течение 1 часа. Изменяя температуру термообработки порошка перед спеканием (в течение 1 часа),можно получать керамику с различной плотностью, отличающейся до трех раз. При сравнении изображений, приведенных на рис. 1, видно, что для образца, полученного по новой технологии, плотность и «сцепление» между частицами выше по сравнению с образцом, полученным по обычной технологии.

Рентгенофазовый анализ показал, что наноструктурирование приводит не только к возрастанию плотности, но и к переходу от двухфазного состояния фаз с различным содержанием кислорода, как у керамики, полученной по обычной технологии, к однофазному состоянию, обогащенному кислородом [7-9]. Эти результаты позволяют сделать вывод о том, что использование нанопорошка, представляющего собой смеси оксидов иттрия, бария и меди в аморфном состоянии [9], способствует заполнению пор, а имеющийся избыток кислорода, адсорбированного нанопорошком, обеспечивает оптимальное насыщение им образцов.

Рис. 2. Изображение ТЭМ структуры Si /УВа2Сиз07-з на сколе (справа - увеличение фрагмента)

На рисунке 3 приведена структура пленки Si/YBa2Cu3O7-ö(cnpaBa - увеличение

фрагмента), полученной методом магнетронного распыления при следующих технологических параметрах: конфигурация расположения мишень-подложка - off-axis; угол между подложкойи мишенью 45°; температура подложки -700 0С; ток разряда 100 мА; давление - 4 Па; продолжительность 60 минут в средах распыления Ar/O2. В процессе магнетронного распыления в чистом аргоне происходит диффузионное обеднение по кислороду и изменение стехиометрического состава поверхности мишени [10], поэтому использовалась рабочаясмесь Аг/02в соотношении 1:3.Эти параметры приводили к текстурированно-му росту пленки (см. рис. 3) с высокой скоростью и преимущественной ориента-

Рис. 3. Электронограмма Si ^а2Си307-§

пленки

цией в направлении [001].

Рис. 4. Результаты исследования фазового анализа состава материалов пленки (сверху) и мишени (снизу) на основе УБа2Си307-5

На рисунке 2 снизу вверх просматриваются: монокристаллический кремний с аморфным слоем оксида кремния, затем переходный слой от оксида кремния к слою текстурированного УБа2Си307-5. Аморфный слой блокирует монокристаллическую

структуру кремниевой подложки, тем не менее осаждаемый слой на поздних стадиях роста приобретает текстурированную поликристалличность. На переходном слое (интерфейсе толщиной ~10 nm) наблюдается плавный переход осаждаемой пленки от аморфного к нанокристаллическому состоянию, после которого сразу растет текстури-рованный слой. Электронограмма (см. рис. 3) этого слоя, снятая на (ПЭМ) TecnaiTF20, подтверждает возможность получения текстурированных слоев УВа2Си307-5 на подложках кремния с оксидной пленкой на поверхности.

На рисунке 4 представлены результаты фазового анализа мишени и пленки, которые показывают соответствие состава пленки фазе сверхпроводника УВа2Си307-5. Пик, соответствующий иттрию (при фазовом анализе пленки на ~3keV), прикрывается пиком для кремния. Положения и относительная интенсивность остальных пиков для всех элементов, содержащихся в пленке и мишени, согласуются.

На рисунке 5 приведены АСМ изображения (2D, 3D) и профиль поверхности пленки УВа2Си307-5. Она имеет зернистую структуру, что подтверждается изображениями поверхностей, полученных с помощью ПЭМ и АСМ (см. рис. 3 и 5).

Перепад высот составляет 100 нм, средняя шероховатость - 25 нм, размеры зерен -от 50 до 80 нм. На сканах и изображении структуры на сколе Si/YBа2Cu307-5 (на ПЭМ) наблюдается тенденция возрастания зерен - блоков текстуры по мере удаления от интерфейса.

О 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 0 0.5 ¡.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0

urn Plane, litYi

Рис. 5. Сканы пленки Si/YBа2Cu3O7_5 толщиной ~100 нм, осажденной при температуре подложки 7000С в среде Аг/02 в соотношении 1:3

Заключение

Оптимальными параметрами для получения совершенных слоев толщиной 100 нм состава YBa2Cu307-s на установке являются: давление - 1-3Па, температура подложки 700-750 0С, ток разряда 150-200 мА в среде смеси аргона и кислорода в соотношении 3:1.

В ходе отработки технологии было установлено, что при указанных выше технологических параметрах скорость роста пленок зависела от плотности материала распыляемой мишени. Наибольшая скорость роста пленки ~3 нм/мин достигалась при плотности материала мишени~4,8 г/см3. С повышением плотности мишени скорость роста существенно снижалась. Скорость роста пленки возрастает с увеличением тока разряда без существенного изменения качества, а с увеличением давления она снижается. Увеличение температуры подложки приводит к повышению однородности пленки.

На подложках кремния с оксидной пленкой на поверхности можно получать тек-стурированные слои УВа2Си307-5. Размеры зерен - блоков текстуры сувеличением толщины пленки возрастают от нано- до микрометров.

Работа выполнена при финансовой поддержке Госзада-ний№ 2560,№ 16.1103.2014 К.

Литература

1. Мастеров Д.В. Магнетронное напыление и исследование пленок высокотемпературного сверхпроводника УВа2Си307-5для применений в пассивных высокочастотных устройствах:автореф. дис. ... канд. физ.-мат. наук. - Н.Новгород, 2009.

2. KangS., GoyalA., LiJ., GapudA.A., MartinP.M., HeatherlyL., ThompsonJ.R., Chris-tenD.K., ListF.A., ParanthamanM., LeeD.F. //Science. - 2006. - Vol.311, № 5769. -P. 1911-1914.

3. Schwartz J.,EffioT., LiuX., V. LeQ., MbarukuA.L., Schneid-er-MuntauH.J., Shen T., SongH., TrociewitzU.P., WangX., WeijersH.W. High Field Superconducting Solenoids Via High Temperature Superconductors // IEEE Transactions on Applied Superconductivity. -2008. - Vol.18,№ 2. - P.70-81.

4. Гояла А. Токонесущие ленты второго поколения на основе высокотемпературных сверхпроводников.- М.: ЛКИ, 2009. - С. 133-148.

5. Дроздов Ю.Н., Мастеров Д.В., Павлов С.А., Парафин А.Е. Магнитронное распыление J-Ba-Cu-Омишени: эффекты изменения напряжения разряда и скорости осаждения пленок// Журнал технической физики. - 2009. -Т. 79. -Вып. 1. - С.125-129.

6. Дроздов Ю.Н., Мастеров Д.В., Павлов С.А., Парафин А.Е. Юнин П.А. Особенности магнитронного напыления эпитаксиальных пленок УВСО для применения в устройствах сверхпроводниковой электроники// Журнал технической физики. -2015. -Т. 85. -Вып.11. - С. 109-116.

7. Самойлов М.Н., Сухов В.А., Рахманов А.Р. Метастабильные фазы в пленках YB-C0, создаваемые кратковременными отжигами// Физикитвердого тела. - 2003. -Т. 45. -Вып. 11. - С.17-21.

8. Рабаданов М.Х.,Гаджимагомедов С.Х.,Исмаилов А.М.,Исмаилов Х.Н., Мурлиева Ж.Х.,Палчаев Д.К. Наноматериалы на основе Y(Ba1-x Bex)2Cu307-s // Вестник Дагестанского государственного университета. - 2012. - Вып. 1. - С.40-45.

9. Гаджимагомедов С.Х.,Фараджева М.П.,Табит А.Ф.А.,Гамматаев С.Л.,ХашафаА.Х.Д.,Палчаев Д.К.Получение наноструктурированных материалов на ос-

нове УВа2Си307-5 // Вестник Дагестанского государственного университета. - 2014. -Вып. 1. - С. 36-42.

10. Мастеров Д.В., Дроздов М.Н., Дроздов Ю.Н., Павлов С.А., Парафин А.Е., Юнин П.А. Изменения элементного состава и микроструктуры мишени УВа2Си307-5 при магнетронном распылении //Письма в ЖТФ. - 2013. - Т. 39. -Вып. 19. - С.41-50.

Поступила в редакцию 3 сентября 2015 г.

UDC 621.318

Preparation of the thin films based on YBa2Cu3O7-§ by magnetron sputtering

S.L.Gammataev, A.H.D.Hashafa, D.K.Palchaev, Yu N.Emirov, Zh.Kh.Murlieva, S.H. Gadzhimagomedov, N.G.Gasanov, N.M.—R.Alihanov, R.M.Emirov

Dagestan State University; Russia, 367001, Makhachkala, M. Gadzhiev st., 43 a;dairpalchaev@mail. ru

The results of research aimed at the development of manufacturing technology for magnetron sputtering targets, and thin films of high-temperature superconductor (HTS) YBa2Cu3O7_5 in the silicon of the substrate are submitted. We used the classic version of the round planar magnetron. Silicon substrates were chosen to study the structure formed by the HTSC layer (interface) for the given process conditions. Sputtering targets of nanostructured ceramics of different densities were produced by the new technology by sintering of nanopowders of various dispersion obtained from the combustion of organic nitrate precursors, compounds containing elements of YBa2Cu3O7_s. It is shown that on silicon substrates with the oxide film on the surface layers, textured YBa2Cu3O7_s can be obtained. The systematic study of the influence of process parameters on the quality of the thin films are submitted. As a result of these parameters optimization textured superconducting films with reproducible properties can be otained. This allows investigating the effect of varying process conditions (isovalent substitution, different elements doping, heat treatment, etc.) on the properties of the resulting films.

Keywords:nanostructuredceramics,complex oxides, thin films.

Received3September, 2015

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.