KR970009739B1 - 고온초전도박막의 제조방법 - Google Patents

Abstract

내용없음.

Description

고온초전도박막의 제조방법

제1도는 본 발명에 의한 고온초전도박막의 온도에 따른 저항특성을 도시한 그래프.

제2도는 본 발명에 의한 고온초전도박막의 X선 회절패턴을 도시한 그래프.

본 발명은 고온초전도박막의 제조방법에 관한 것으로, 특히 막질을 향상시키고 기판에 수직방향으로 가간섭거리를 길게함으로써 터널형 조셉슨 접합을 구현할 수 있는 고온초전도박막의 제조방법에 관한 것이다.

고온초전도박막는 근래에 발견된 성분이 복잡한 산화계화합물로서 금속계 초전도체와는 달리, 박막, 선재등과 같은 가공기술이 매우 중요한데, 상기 가공기술중 박막의 경우에는 스퍼터링(sputtering)법, 열증착법, 전자빔 증착법 또는 엑시머 레이저(eximer laser)등을 사용하는 레이저 어블레이션(laser ablation) 방법으로 제조되고 있는데, 이중 스퍼터링법은 진공상태에서 글로우(glow) 방전에 의해 이온화된 기체분자를 가속시켜 증착시키고자 하는 타겟(target)에 충돌시킴으로써 기체의 상호 운동량 교환에 의해 상기 타겟으로부터 튀어나온 입자를 기판위에 부착시키는 방법이고, 열증착법이나 전자빔 증착법은 열이나 전자빔을 이용하여 증착시키고자 하는 물질으 용융 및 증발시켜 기판에 증착시키는 방법으로써 스퍼터링방법과 함께 사용되고 있으나, 이러한 방법들은 주로 매우 낮은 압력에서 박막제조가 이루어지므로써 반응성가스인 산소가 부족하게 되어 산화물 고온초전도체와 같이 많은 양의 반응성가스를 필요로 하는 경우에 적용하면 초전도특성이 크게 저하되기 때문에, 이를 보완하기 위해 PrBa₂Cu₃O_7-x와 같은 반도체성 완충충을 사용하여 전이온도를 높이기도 한다.

그리고 상기 초전도박막의 성장형태로는 비정질성장, 다결정성장 또는 에피텍시(epitaxy)성장등이 있는데, 각기 필요에 따라 사용되나 주로 전기적특성과 미세구조등이 보다 적합한 에피텍시 성장박막형태나 여러종류의 박막소자에 사용되며, 이러한 에피텍시 성장박막은 성장조건 또는 기판의 종류에 따라 성장방향(결정축방향)이 달라지게 된다.

또한 상기 고온초전도체를 이용하는 박막소자는 그 종류가 다양하며, 이 중 각종 능동소자나 초전도 양자간섭소자의 경우에는 두 초전도체가 얇은 절연막으로 절연되어 있을때 양자 사이에 전위가 없어도 직류전류가 흐르게 되며, 바이러스 전압을 걸면 전압에 비례한 주파수 교류가 발생하는 '조셉슨 효과(Josephson effect)'를 이용하기 위해 조셉슨 접합(Josephson junction) 구조를 사용하는데, 이 조셉슨 접합은 다음의 두 구조로 크게 나눌 수 있다.

첫재는, 초전도체 사이의 마이크로 브리지(micro bridge)를 이용하거나 또는 점접촉을 이용하여 약결합형 조셉슨 접합으로서 제작이 용이하여 현재까지 주로 이용되어 왔으나 완벽한 조셉슨 효과를 나타내지 못하는 문제점이 있다.

둘째는, 두 초저도체 사이에 얇은 절연막을 끼워 넣은 샌드위치형의 터널형 조셉슨 접합으로서, 예를 들어_C으로 에피텍셜 성장시킴으로써 가간섭거리가 매우 짧고(YBa₂Cu₃O_7-x의 경우_C축 가간섭거리()는 2Å~5Å이고, a-b축의 가간섭거리()는 10Å~20Å임), 비등방성을 가지고 있으므로 제작이 어려운 문제점이 있으나, 조셉슨 효과가 뛰어나 여러 가지 소자제작에 사용할 수 있기 때문에 이 구조를 이용하여 박막의 두께를 균일하게 하고 박막상에 구멍이 나지 않도록하는등 박막의 질을 향상시키며, 가간섭거리가 큰 축이 기판에 수직방향으로 에피텍셜시키기 위한 연구가 활발히 진행중이다.

그러나 상기한 바와 같이 기존의 스퍼터링 방법이나 열증착법 또는 전자빔 증착법은 YBa₂Cu₃O_7-x의 격자구조나 기판특성상 기판의 수직방향으로 박막의 a축을 성장시키기 어려우며, 이를 만족시켜 박막을 성장시켰다 할지라도 전이온도가 낮거나 막질이 불량하여 초전도특성이 저하되므로써 사용이 불가능하며, 앞에서 상술한 바와 같이 반도체성 완충층을 사용하는 방법도 있으나 이 경우에도 제작이 번거로울뿐만 아니라 여전히 막질이 개선되지 못하는 문제점이 있다.

따라서 본 발명의 목적은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 엑시머 레이저를 사용하여 막질을 향상시키고 높은 전이온도 특성을 나타내며, 간섭거리가 큰 축으로 에피텍셜 성장시킬 수 있고 고온초전도박막 박막의 제조방법을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 고온초전도체박막의 제조방법은 기판상에 레이저 어블레이션을 사용하여 고온초전도박막을 a축 방향으로 성장시키는 과정과, 상기 고온초전도박막 성장 과정후 결과물을 열처리하는 과정을 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

이하 첨부도면을 참조하여 본 발명을 좀 더 상세하게 설명하고자 한다.'

먼저 고온초전도박막을 형성하기 위한 SrTiO₃, LaAIO₃또는 MgO등의 기판을 사용하는데, 사용되는 기판에 따라 반응챔버내의 기판온도를 다르게 한다.

즉, 상기 SrTiO이나 LaAIO₃기판을 사용하는 경우에는 경우에는 반응챔버내의 기판온도를 650℃~680℃ 로 하며, MgO 기판을 사용하는 경우에는 기판온도를 620℃~630℃ 로 하여 SrTiO₃이나 LaAIO₃기판을 사용하는 경우보다 다소 낮게 한다.

그리고 산소분압은 a축 방향으로 에치텍셜 성장시키기 위해 기존의 c축으로의 에피텍셜 성장시 보다 높은 500mTorr~700mtoor로 하고, 산소의 유압은 30sccm~40sccm로 하며, 막질을 결정하는 중요한 요소인 타겟과 기판은 서로 평향하게 마주보는 상태에서 그 거리를 7cm~8cm로 하며, 상기 타겟에 조사되는 엑시머 레이저는 주기(repetition rate)를 8Hz~12Hz로, 단위 면적당 에너지는 1.5J/cm²~2.0J/ cm²로 하여 45° 의 입사각으로 타겟에 조사되도록 하여 고온초전도체 박막을 성장시킨다.

상기와 같은 조건에서의 고온초전도체 박막의 성장과정을 살펴보면, 상기 엑시머 레이저로부터 나오는 레이저빔이 광학부에 의해 전달되어 타겟에 조사되면 타겟으로부터 플라즈마가 형성되면서 강한 에너지를 갖는 입자들이 튀어나와 히터에 의해 가열된 기판상에 증착되어 박막이 형성됨을 알 수 있다.

그리고 상기와 같은 박막 성장과정이 완료되면 열처리를 실시하는데, 그 조건은 다음과 같다.

먼저 박막성장중의 기판온도를 유지한 상태에서 반응챔버내의 산소분압을 600Torr까지 채우고, 이 산소분압을 유지하면서 기판온도를 480℃ 까지 분당 10도씩 저하시킨 후 480^oC 에 다다르면 다시 이 온도를 1시간동안 유지시킨 후 마지막 실온이 될 때까지 분당 5도씩 저하시켜 모든 과정은 완료한다.

이러한 방법으로 성장된 고온초전도체 박박의 막질은 전자현미경(SEM : Sanning Electron Microscope)로 관측한 결과, 구멍이 없이 매우 조밀한 구조를 가지며, 표면이 매끄럽고 두께가 균일하며, 전이온도(Tc)의 경우에도 제1도에 도시한 바와 같이 84K로서 기존의 다른 방법으로 제조된 박막에 의해 매우 높으며, 기판의 수직 방향으로 성장 또한 제2도에 도시한 바와 같이 대부분이 a축으로 성장하였다.

이상에서와 같이 본 발명에 의하면 고온초전도박막의 전이온도가 매우 높기 때문에 액체질소를 냉매로 사용할 수 있으며, 표면이 매끄럽고 미세구조가 조밀하며, 제작이 결정구조가 a축으로 에피텍셜 성장됨으로서 a축과 c축이 인위적으로 혼재된 다층박막제작시의 에피텍셜성장이 가능하여 각종 소자에 적용할 수 있는효과가 있다.

Claims (6)

1. 기판상에 레이저 어블레이션법을 사용하여 고온초전도박막을 축방향으로 성장시키는 과정과, 상기 고온초전도박막 성장과정 후 결과물을 열처리하는 과정을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 고온초전도 박막의 제조방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 기판은 SrTiO₃, LaAlO₃또는 MgO중 하나임의 특징으로 하는 고온초전도박막의 제조방법.
3. 제2항에 있어서, 상기 SrTiO₃기판을 사용하는 경우 레이저 어블레이션에 의한 고온초전도박막의 증착시 반응챔버의 온도를 650℃~680℃ 로 하는 것을 특징으로 하는 고온초전도박막의 제조방법.
4. 제2항에 있어서, 상기 MgO 기판을 사용하는 경우 레이저 어블레이션에 의한 고온초전도박막의 증착시 고온초전도박막의 제조방법.
5. 제1항에 있어서, 상기 레이저 어블레이션 방법은 하기의 조건을 만족하여 수행하는 것을 특징으로 하는 고온초전도박막의 제조방법.
6. 제1항에 있어서, 상기 열처리과정은 박막성장중의 기판온도 상에서 반응챔버 내의 산소분압을 600Torr로 채우는 과정과 600Torr의 산소분압을 유지하면서 기판온도를 480℃ 까지 분당 10도씩 저하시킨 후 480℃ 에 다다르면 다시 이 온도를 1시간동안 유지시키는 과정과, 실온이 될 때까지 분당 5도씩 저하시키는 과정을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 고온초전도박막의 제조방법.