Конспекты лекций лекция 6 Методики (продолжение) Получение сп пленок и тонких слоев

УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС ДИСЦИПЛИНЫ

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ ФИЗИКИ СВЕРХПРОВОДИМОСТИ

Лекция 6

Это целый класс исследований и приложений сверхпроводников: СП электроника, микроэлектроника, а сейчас и наноэлектроника, квантовый компьютер и т.д.

Наверняка в своей работе придется с этим столкнуться.
5.2.1. Испарение и осаждение в вакууме

1. Термическое испарение.

1) Металл нагревается до Т_исп. Обычно Т_исп>Т_пл (In сублимирует).

Т_исп – когда упругость пара высока (~10^-2 мм рт. ст.=тор).

Nb: Т_исп=3000^оС (10^-2 тор)

Pb, Sn: Т_исп=1000-1500^оС. Легко достижимо.

2) Конденсация пара на подложку.

Температура подложки Т_D очень важна (при высокой температуре атомы на подложке подвижны, строят решетку). И, наоборот: при – аморфизация пленки.

3) Существует критическая температура конденсации Т_кр.

Она зависит от металла, плотности испаряемого пучка (скорости конденсации).

Необходимо Т_D<Т_кр. Иначе переиспарение.

Пример: Pb, скорость конденсации 10 Å/сек, то Т_кр=400^оС.

4) Скорости осаждения 1-1000 Å/сек.

5) Испарители.

Лодочки из тугоплавких металлов Nb, W, Ta (чтобы не было реакции при Т_исп и не перегорали).

Варианты:

Размеры для лабораторных исследований ~ нескольких сантиметров, I~10-100 A, V~1-10 В.

Преимущество лодочек – простота.

Тигли из С, Al₂O₃ (алунд), BeO и др. с Т_пл>2000^оС.

Нагрев с помощью катушки:

Через тигель из графита ток пропускается прямо:

Преимущество тиглей: сохраняется площадь испаряемого металла, т.е. поток.

И другие.

Здесь испарители – электронные пушки.

1) Простые конструкции.

Нагрев тигля электронным пучком:

Катод – обычно петля (сам катод нагревается током):

2) Водоохлаждаемая пушка.

Простая лабораторная конструкция. Слабая фокусировка электронов. Большая интенсивность пучка электронов.

V~5 кВ, I~100 мА, P~1 кВт.

Скорости осаждения ~10-100 Å/сек.


3) Пушка с фокусировкой (более сложная).

Такие пушки громоздки. Обычно нужны большие потоки частиц.

4) Пушка с магнитным полем и фокусировкой.

Поворот электронного пучка в Н.

5) Расчет пушек.
3. Получение пленок сплавов и соединений (совместное осаждение).

1) Из нескольких испарителей (одновременно). Смесь – разлетится: Nb-Sn.

Наверху – подложки (разная Т), измерители толщины, измерители скорости.

Много подложек, можно получать градиент состава.

2) Пульсирующий пучок.

Напряжение то к 1, то к 2; времена работы ₁, ₂. Состав ~₁/₂. Регулировка состава с помощью схемы.

а). Низкие температуры. Используются для получения аморфных СП пленок.

Т_D=78 K (жидкий азот).

б). Т_D=4.2 K (жидкий гелий). Схема примерно та же, но условия жестче (теплота испарения существенно меньше, гелий легко испаряется). Применяется для тех металлов, для которых охлаждение азотом недостаточно (Pb, маленькая температура Дебая, атомы подвижны даже при Т_N).

б). Высокие Т_D. Важны для пленок сплавов, соединений переходных металлов, ВТСП.

Специальные печки. Простой (лабораторный) метод – нагреваемая фольга (Ta, W, Nb).

Края загнуть, чтобы подложка не выпала.

г). Используются маски для получения структур.
5.2.2. Катодное распыление.

1. На постоянном токе (dc).

Ионный ток I_ион=1-100 мА (зависит от геометрии).

Для тугоплавких металлов при разумных T_D величина 1. Для легкоплавких металлов величина  при больших T_D может быть значительно меньше (_Al  0.1).

Сплав A_xB_y:

Отношение площадей должно быть

S₁:S₂=(x/₁₁) : (y/₂₂).

3. Преимущество катодного распыления: можно достичь значительно лучшей термализации распыляемых атомов и равномерного (на атомном уровне) смешения.

Частоты f~10-20 МГц.

Можно делать 2 электрода:

Преимущества:

1. 
   Легче зажечь разряд.
   
2. 
   Можно сделать третий (поджигающий) электрод.
   
3. 
   Можно распылять и диэлектрики (мишень кладут на электрод). Потенциал мишени периодически меняется и скопления зарядов на диэлектрике не возникает.
   

1) Схема:

2) Заряженные ионы в разряде движутся по силовым линиям Н.

3) Магнитное поле удерживает ионы Ar⁺ вблизи мишени дольше.

Обычно основная масса ионов во всей камере. Здесь – концентрация вблизи мишени.

4) Резко растет скорость распыления (при тех же мощностях).

5) Большие площади мишеней, значит большие подложки. Лучше равномерность слоя.

В последнее время применяется все шире. Для ВТСП также.

Принципиально этот метод экивалентен электронному пучку. Тут может быть как непрерывный, так и импульсный режим (типичные параметры последнего: мощность лазера в импульсе ~10⁷ Вт, частота повторения импульсов 50 Гц, длительность импульса 10 нс=10^-8 сек).

Большая скорость испарения, регулировка скорости испарения мощностью пучка – фильтр. Имеются свои интересные особенности: возбуждение определенных атомных уровней испаряемого материала.

Существуют варианты: двухпучковое испарение (две мишени, подбор состава), осаждение паров.

Пучок ионов. Направленный (а не так как в катодном – хаос).

Разновидность всех типов: лазерного, катодного и т.д.

Важно для получения ряда соединений.

Это испарение в активной среде.

Пример 1:

Nb в N₂NbN Т_с=15 К.

Существенные параметры: давление, скорость испарения, T_D. Оптимизируют.

Пример показывает, что соединение может образовываться в процессе

осаждения на нагреваемую подложку, без дополнительного отжига.

Такой метод называется “in situ”.

Пример 2:

При лазерном реактивном распылении были получены пленки NbC с рекордной (для этого соединения) Т_с=12 К. И наиболее совершенные. Ниобий испарялся в парах углеродосодержащих веществ.

5.2.7. Химическое осаждение из газовой фазы. CVD

1. Этим методом получают: Nb₃Sn, Nb₃Ge, Nb₃Al, ВТСП и другие соединения.

Метод – промышленный.

2. Пример Nb₃Sn.

1) Образуют хлориды Nb и Sn. Это газы!

Пропускают Cl через стружки Nb и Sn при Т=800^оС.

Образуются NbCl₄ и SnCl₂.

2) В реакционной камере в атмосфере Н₂ восстанавливают хлориды до металлов (при Т=1000^оС). Металлы осаждаются на подложку. И реагируют между собой.

Легко вводить примеси – добавить газы.

Высокая скорость осаждения=поток хлоридов.

3. Установка для получения покрытий (лент):

Используют также бромиды вместо хлоридов.

Вариант метода: MOCVD. Металлорганические соединения. Используется для ВТСП.
5.2.8. Молекулярно-лучевая эпитаксия (МЛЭ).

Эпитаксия – наращивание кристаллической решетки.

Наиболее современная методика – послойная (атомная) МЛЭ с контролем.

Пример для YBa₂Cu₃O₇.

Ячейка:

Очень хороший вакуум, но обдув кислородом.

Малая скорость осаждения (атомные слои). Чередование слоев: YBaOCuO₂ и т.д.

Контроль с помощью электронной дифракции в процессе осаждения (HEED).

Поатомная (atom-by-atom) МЛЭ и лазерная эпитаксия – самые современные методы создания уникальных пленок, новых соединений.

Этими методами созданы пленки (уникальные соединения):

YBa₂Ca_n-1Cu_nO_x.

В элементарную ячейку решетки соединения YBa₂Cu₃O₇ вставлены дополнительные блоки CaCuO₂.

Получено n=12! Можете представить себе параметр такой решетки. Ничего подобного в физике твердого тела ранее не было.

Т.е. половина элементарной ячейки – от одного соединения, а половина – от второго.

G.Logvenov, I.Bozovic. Physica C 468, 100-1004 (2008)

5.2.9. Другие методы.

1. «Взрывающиеся» проволочки.

Импульс тока с конденсатора.
2. «Ударное» испарение.

Перегрев, всё испаряется. Даже сплав.

3. Электрохимическое осаждение.

Из соответствующего электролита.

Анод растворяется, и ионы осаждаются на катод.

4. Плазменное распыление.

В струю плазмы (Т=4000-10000^оС) вводят тугоплавкий материал. Очень высокие скорости осаждения. Так получают толстые слои.

Для получения слоев ВТСП вводят окислы.

1. Для измерения толщины используется пьезокварц. Меняется его резонансная частота при осаждении пленки. Это изменение частоты (пропорциональное толщине пленки) и мерят (точный метод – высокая чувствительность).

2. Измеряя изменение частоты со временем (производную), получают скорость осаждения.

3. Контроль температуры – пирометром.