专利名称：高温超导薄膜的制造方法
技术领域：
本发明涉及超导材料，特别是氧化物系超导薄膜的制造方法。
超导材料就是在一定条件下(如低温、低外磁场、低电流)电阻为零的材料，电阻为零的状况叫超导态。这种材料在某一特定的温度Tc附近其电阻突然消失的现象叫做超导现象，该材料称为超导体。超导体从有限电阻的状态(正常态)向零电阻状态(超导态)的过渡称为正常——超导转变。发生转变时的温度Tc称为临界温度。
目前实用化的超导体如Nb3Sn，NbTi，V3Ga等的超导转变温度都非常低，一般都需要在液氦温度下使用。1986年Bednorz和Muller(Z.phys.B64，1986，189)报导了La-Ba-Cu-O氧化物体系中Tc约为30K的超导性。赵忠贤等(科学通报NO61987)报导了Y-Ba-Cu-O体系中Tc约为90-100K的超导体。在液氮温区内都有超导性，潘树明发现了“混合稀土-钡-铜-氧超导体”，Tc为80-100K(发明专利871045192)，提供了一种原料来源广，价格便宜的高温超导体。同时，人们对高温超导薄膜的制备与研究也予以极大的重视，目前，国内外学者均已注意到由于液氮温区超导体的出现，它所制成的器件可在这个温区下正常地工作，这就打破了常规超导器件的局限性，使超导器件在更大的范围内发挥作用。又由于现代电子器件是以薄膜为基础的，尤其是集成的电子器件更是这样，但是要制备好高温超导薄膜必须解决薄膜中所需金属元素的化学量比，还要解决解膜晶格取向的问题，必须在薄膜中加入一定量的氧原子并形成所需要的结晶状态。尽管有上述难题，科学家们还是迅速地找到了解决的途径。使制备高温超导薄膜的技术取得了突破性的进展，用脉冲激光淀积法、化学气相沉积、分子束外延。电子束蒸发，磁控溅射等均取得了成功。
上述这些方法存在的问题是制备小面积薄膜尚可，大于面积薄膜欠均匀性、一致性。
本发明的目的是提出一种用磁控溅射方法制备均匀的大面积高温超导薄膜的方法。
本发明提出的方法，称为“分区分靶溅射法”，下面详细说明。在溅射仪上装有磁场，由于磁场的存在，电子被约束在一个环形空间，形成密度很高的等离子环，在这种密度很高的等离子环内，Ar原子在电子作用下溅射出来，所谓分靶就是上述的YBCO溅到一个靶上，改为用三个磁控靶分别作为Cu、Y和BaF2之源，同时沉积在基片上，称之为分靶溅射，在每个磁控靶上可以是一种元素，也可以是几种元素，在不同区域，如Y、Er、各占磁控靶的一半，或Y、Er、Nd三种元素各占磁控靶的三分之一，即所谓分区。用别的元素取代铜或钡，也分别在各磁控靶上分区。用此方法可以溅射Bi系的超导薄膜。依此类推，可以根据需要作多个磁控靶。可以分别控制每个磁控靶的溅射速度，可以根据需要改变膜内元素的组分。如果这种元素作为靶材为导体，例如Cu、Y、BaF2可以用射频或者直流作电源。如果靶材为绝缘体，如BaF2则必须用射频电源，采用BaF2则必须用射频电源，采用BaF2作靶材比用Ba作靶材作出的YBCO膜质量高，在溅射时必须通入适量的氧气。氩气和氧气的比例为1∶1或2∶1。溅射必须在氩气和氧气混合气体中进行。溅射时的基片温度610-910℃。如果采用直径4.5-6.5cm的平面磁控靶。靶材分别用Cu、Y、BaF2制作，溅射气压为95-105Pa，基片到靶间的距离9.5-10.5cm，Cu用直流电源溅射，Y和BaF2用射频电源制作。溅射率的监测采用石英晶体振荡器。溅射后的薄膜必须热处理。热处理方法是将溅射的薄膜放入退火炉内。热处理制度升温到840-920℃保持25～45分钟为5～35℃/分。要控制好退火、气氛。给入的氧气必须纯净，可以给入离子态氧。或让氧气通过去离子水后再进入退火炉。在上述温度保温过程，BaF2分解并使薄膜结晶。再以0.2-2.0℃/分的速度(在干燥氧气氛下)冷却到室温。
以下用非限定实施例更具体、详细地描述本发明，有助于对本发明及其优点的理介。本发明的保护范围不受这些实施例的限定，本发明的保护范围由权利要求来决定。
实例一选取纯度99.9％以上的CuO、Y2O3、BaCO3制成靶材，靶材的直径d＝17.2cm，靶与基片距7.8cm，以600-1300W间的射频功率对上述三种料分别溅射，在室温下操作。之后将溅射的薄膜移至石英管退火炉内去退火。升温时用氩气保护，在保温和降温时，通入流动氧气。温度条件820-880℃(因为用LaAlO3作基片)。测及薄膜零电阻温度TC＝88K。电流密度Jc＝6×105A/m2。
实例二称取Y2O3、BaCO3、CuO料制成靶材，(料的纯度99.99％)，靶的直径D＝16.4cm，基片与靶间距7.4cm，按实例一的工艺制作，得到性能为TC＝89K，JC＝5×105A/m2的高温超导薄膜。
权利要求
1.一种液氮温区的超导薄膜的制备方法。其特征是所说的分区分靶溅射法，根据需要制作多个磁控靶，可以分别控制每个磁控靶，可以分别控制每个磁控靶的溅射速度，可以根据需要改变膜内元素组分。几种物质依次溅射，溅射的超导薄膜进行热处理。在干燥的氧气氛下慢慢冷却到室温。
2.按照权利要求1所说的超导薄膜，其工艺特征是若靶材为导体，则溅射电源可用直流或射频电频电源，若靶材是绝缘体，必须用射频电源。
3.按照权利要求1所说的超导薄膜，其制备工艺特征是在溅射时必须通入适量的氧气，溅射必须在氩气和氧气混合气体中进行，氩气和氧气的比例，从1∶1至2∶1。
4.按照权利要求1所说的超导薄膜，其制造工艺特征是溅射时基片温度610-910℃(YBCO膜)
5.按照权利要求1所说的超导薄膜，其制备工艺特征是溅射气压为95-105Pa(YBCO膜)
6.按照权利要求1所述的超导薄膜，其制备工艺特征是溅射后的薄膜必须热处理，热处理温度840-920℃，保持25-45分。升温速度5-15℃/分。(YBCO膜)要控制好退火的气氛，给入的氧可以是离子态氧，或让氧气通过离子水后，再进入热处理炉。再以0.2-2.0℃/分的速度(在干燥氧气氛下)冷却到室温。
7.按照权利要求1所说的超导薄膜，其特征是若制作YBCO超导薄膜，用三个磁控靶分别作为Cu、Y与BaF2源。采用BaF2作为靶材时，靶的工作稳定。膜的质量好。
全文摘要
一种液氮温区高温超导薄膜的制备方法,—分区分靶溅射法。其特征是根据需要制作多个磁控靶,可以分别控制每个磁控靶的溅射速度,可以根据需要改变膜内元素组分。几种物质依次溅射,溅射的超导薄膜进行热处理。在干燥的氧气氛下慢冷到室温,用此法制备大面积超导薄膜均匀性好。
文档编号H01L39/24GK1254191SQ98124540
公开日2000年5月24日 申请日期1998年11月12日 优先权日1998年11月12日
发明者潘树明 申请人:潘树明