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3英寸YBCO双面超导薄膜的外延生长和均匀性研究

陶伯万  
【摘要】:由于YBCO高温超导薄膜具有优异的电学性能,用其制作的微波器件在液氮温区具有品质因子高、插损低、体积小、重量轻等优点,因而受到了广泛的重视。本论文基于溅射生长薄膜的基本原理,围绕3英寸双面YBCO薄膜的外延生长及均匀性问题进行了深入系统的研究: 针对双面薄膜制备中两面一致性问题,本论文首次采用基片旋转的方式,实现了基片两面的同时沉积,使沉积的双面薄膜两面一致。在保证两面一致的前提下,针对薄膜面内均匀性问题,比较研究了基片面内水平、倾斜、垂直旋转以及面外旋转的沉积特点,并通过对基片夹具的巧妙改变,首次实现了新颖、简单的单轴驱动双轴旋转技术,使倒筒靶溅射沉积大面积双面薄膜的均匀性得到显著提高。并首次采用双靶共同对双面同时进行沉积,使直流溅射沉积3英寸双面YBCO薄膜的沉积速率从0.3nm/min提高到了1.0nm/min。 对倒筒靶溅射沉积薄膜的厚度分布规律进行了系统的研究,分别采用几何投影的方法和两次沉积源变换的方法克服了定向传递和扩散传递中薄膜面积大于靶尺寸的问题,发现倒筒靶的高度对于薄膜厚度分布的影响很小。其次,还发现通过双轴旋转方式调和了在面外旋转中厚度分布变化趋势相反的问题,明显改善了薄膜的厚度均匀性。再次,采用转速调制时薄膜厚度均匀性还可进一步改善,理论上均匀性可达5%以内。此外,双轴旋转用于多元氧化物薄膜的沉积,可以显著提高薄膜的成份均匀性,在3英寸范围内,成份差在5%以下。另外,双轴旋转方式还可用于其它不同形状的PVD靶源沉积,特别是锥形靶溅射沉积中,可以获得更均匀的薄膜。 在对YBCO薄膜外延生长机理的研究中,通过对薄膜生长初期特征,薄膜形貌随厚度的演化,温度和沉积速率对薄膜生长形态的影响,以及不同基片对薄膜生长的影响等的研究,发现在760—820℃内生长温度对生长初期薄膜结晶的影响较小,沉积初期薄膜均以C轴外延生长,针状的晶粒在高的生长温度下更容易形成,而a轴生长的晶粒则主要是在生长后期形成的。 通过对工艺条件的系统研究,特别是设计制作了3英寸面内温度起伏小于±5℃的筒型辐射加热器对基片进行辐射加热,获得了沉积3英寸YBCO双面薄膜的最佳工艺条件(总压:30—35Pa,氧氩比为1:2,基温为810℃,靶基距为60mm)。 首次采用自外延工艺,即先高于正常沉积温度20一5护C溅射1一2小时,使初期先 形成正确的晶体结构,然后降低到比正常温度低10一30oC的温度进行长时间的沉 积,大大改善了薄膜的晶体结构(FWllM005从0.40降到0.28。),显著提高了薄膜 的性能(RS从0.89m。降低到0.35m。)。 通过以上各点和进一步改善薄膜生长温度、薄膜厚度、薄膜成份的均匀性, 在双轴旋转方式下成功研制出了2英寸双面YBCO薄膜,其Tc为89K,RS分 布在20一50m。(145GHz,75K)。在采用双轴旋转加转速调制方式下又成功研 制出了3英寸双面YBCO薄膜,其性能为:Tc分布在89.8一90.2K,Jc分布在 2.5一2.9M户“c扩,RS分布在50一75m。(145GHz,75K),其RS平均性质为0.6m。 (8 .SGHz,77K),己小批量提供国内外使用,经在微波谐振器、滤波器中的应 用表明该方法研制的2’‘和3’‘YBCO双面薄膜完全可以满足微波器件研制的要 求。


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