钇钡铜氧高温超导双面外延薄膜

摘要

本发明属高温超导薄膜技术领域。由于本发明采用基片原位转动、速度可调、辐射加热、双面同时成膜的倒筒式直流溅射装置和优化的自外延制备方法,提高了膜的质量,使所制得的Y1Ba2Cu3O7－δ高温超导外延膜的性能优良;其Tco均大于90k,ΔTc均小于0.3k;基片两面的双面膜性能一致;其Tco相差小于0.5k,ΔTc相差小于0.5k,完全满足高频微波器件制做的要求。

说明书

本发明属高温超导薄膜技术领域，特别涉及双面超导薄膜的制畚。

众所周知，由于高温超导体的微波表面电阻Rs很低(仅为200μΩ左右)，因而在微波器件方面有广阔的应用，一些特殊的微波器件比如滤波器、延迟线等需要在双面超导薄膜上制作，因而近年来，对双面超导薄膜的研究增多，其制作的方法各异，有激光沉积、溅射法、MOCVD等，有双面同时制作，也有单面分别制作，已能制出φ75mm的钇钡铜氧(YBCO)高温超导双面膜。由于目前多采用传统的平面加热型的加热系统，其发热体在一个平面内，这种加热系统很难做到基片两面的温度分布均匀，因而使得两面膜的Rs均匀性差(约差100％以上)，Tc转变宽度不够理想(差1K以上)，这将大大降低利用该双面超导膜制作的微波器件的性能。

本发明的目的在于制做优良的性能一致的钇钡铜氧(YBCO)双面高温超导薄膜，以满足微波器件制作的需要。

本发明经过仔细的研究和试验，认为要解决YBCO薄膜两面膜性能差异较大的问题，必须首先解决基片两表面温度分布的均匀性，为此，本发明专门设计了一套基片旋转，辐射加热、双面同时原位成膜装置，及优化的自外延双面膜溅射工艺，成功地制出了优良的性能一致的YBCO。

本发明所述的钇钡铜氧高温超导薄膜，是指前三个组分固定为Y₁Ba₂Cu₃，而第四组分O为7-δ的系列高温超导薄膜。为制备Y₁Ba₂Cu₃O_7-δ高温超导双面薄膜，本发明专门设计了一套制备装置，其示意图如图1所示，它是一个倒筒式直流溅射装置，是在倒筒式直流磁控溅射(ICP)装置上取掉环形磁铁而形成的，这种直流溅射比通常的磁控溅射的操作更加简便，还可大大提高靶材的利用率。该装置由溅射系统1和加热系统2两大部分组成。溅射系统中固定有靶材3，加热系统2包括：将NiCr加热丝4均匀缠绕在一个一端封口的Al₂O₃管5上，其Al₂O₃腔体5壁上对称开有两个孔6、7，其中6孔中穿过热电偶8，它可测试0℃～1000℃的温度，并让热电偶8的测试端头处于Al₂O₃管5的中心，以测试该腔体的温度；7孔中穿过基片支撑杆9，处于Al₂O₃5腔体中的基片支撑杆9的端头上固定有基片夹具10，基片夹具10的两个同边上分别开有槽，基片11卡在夹具的槽内，基片支撑杆9的另一端与马达相连，基片原位转动，转速可调，从而保证在Al₂O₃腔体5中基片LaAlO₃11的两个面受到辐射加热，其温度分布均匀，保证了基片两面所溅射的超导膜的均匀性，为提高效率，在绕有加热丝4的Al₂O₃管5的外部加有三层不锈钢制做的加热辐射屏蔽罩12、13、14。

本发明利用图1所示的装置，采用优化的自外延方法制备Y₁Ba₂Cu₃O_7-δ高温超导双面膜，使膜的质量更加优异，具体的工艺为：

(1)靶材为Y₁Ba₂Cu₃O_7-δ园柱体，固定在溅射系统1上；

(2)基片为LaAlO₃(100)单晶，直径在1英寸以内，经双面抛光，清洁处理后，固定在Al₂O₃腔体5内的基片夹具10上；

(3)调整基片至靶材的距离为5～8cm；

(4)采用自外延方法溅射：

溅射条件：气氛：氧氩混合气O₂∶Ar=1∶2～3.5，总压40～65Pa

           电流：0.3～0.7A，电压：110～180v

           基片温度：760～820℃

溅射时基片以5～10转/分速度旋转；

溅射1小时后基片降温10～20℃再溅射7小时；

溅射速率控制在1nm～5nm/分。

(5)后处理：关掉氩气，通入氧气至6～8×10⁴Pa，降温至370～440℃时保温5～10分钟，然后自然冷却至室温。

利用本发明提供的溅射装置和成膜工艺制得的典型Y₁Ba₂Cu₃O_7-δ高温超导双面膜的电阻-温度变化曲线如图2所示，第1面膜的Tco=91.1k,ΔTc=0.17k，第2面膜的Tco=91.2k、ΔTc=0.18k；在18.9GHz、77°k下第1面膜的Rs=2.8mΩ，第2面膜的Rs=3.2mΩ。显然两面膜的性能相差很小，大大优于已有技术。

由于本发明采用了基片辐射加热、原位连续转动、速度可调、双面同时成膜的倒筒式直流溅射装置，与已有技术的基片平面加热、固定不动的倒筒式直流磁控溅射装置相比可使整个基片、特别是基片两面的温度分布均匀性得到很大改善；再加上采用自外延优化制备工艺提高了膜的质量，使所制得的Y₁Ba₂Cu₃O_7-δ高温超导外延薄膜的性能优良，其Tco均大于90k，ΔTc均小于0.3k，基片双面薄膜的性能一致，其Tco相差小于0.5k,ΔTc相差小于0.5k，利用这种薄膜已制出可用于卫星通讯上的微波器件比如：工作在C波段的6通道滤波器及工作频率为6.2GHz的谐振器等，完全满足微波器件的要求。

附图及附图说明：

图1本发明制做双面高温超导膜溅射装置示意图

其中：1溅射系统；2加热系统；3靶材；4加热丝；5Al₂O₃管；6、7孔；8热电偶；9基片支撑杆；10基片夹具；11基片；12、13、14热辐射屏蔽罩。

图2本发明制得的典型Y₁Ba₂Cu₃O_7-δ双面超导薄膜的电阻-温度变化曲线

其中：1第1面膜    2第2面膜

实施例1：靶材选用Y₁Ba₂Cu₃O_7-δ；

φ10×10mm²双面抛光LaAlO₃基片，溅射时以10转/分旋转，靶、基距为8cm；

基温820℃、溅射气氛：O₂∶Ar=1∶2混合气体、总压65Pa、溅射电流0.7A、溅射电压120V、溅射1小时后将基温降至805℃再溅射7小时；

溅射完成后，关掉氩气，立即通入8×10⁴Pa的氧气，并降温至440℃保温10分钟，然后自然冷却至室温。

所制得的Y₁Ba₂Cu₃O_7-δ高温超导双面膜，第1面为Tco=91.1k，ΔTc=0.17k。

第2面为Tco=91.2k,ΔTc=0.18k。

实施例2：

φ10.5×5.8mm²双面抛光基片，溅射时以5转/分旋转，基温780℃、溅射用氧氩混合气(O₂∶Ar=1∶2.5)、总压50Pa，其它溅射条件与实施例1相同，溅射1小时后，将基温降至770℃再溅射7小时，其它方法实施例1相同。制得的Y₁Ba₂Cu₃O_7-δ高温超导双面膜第1面为Tco=90.8k,ΔTc=0.2k；第2面为Tco=90.7k，ΔTc=0.3k。

实施例3：

φ15×15mm²双面抛光基片，溅射时以10转/分旋转，基温为820℃，溅射气氛为O₂∶Ar=1∶3，总压60Pa，其它溅射条件与实施例1相同，溅射1小时后，将基温降至800℃再溅射7小时，其后方法与实施例1相同。制得的Y₁Ba₂Cu₃O₇，高温超导双面膜，其第1面为Tco=90.9k,ΔTc=0.2，第2面膜为Tco=90.7k，ΔTc=0.25。