Гибридное физико-химическое осаждение из паровой фазы
Гибридное физико-химическое осаждение из паровой фазы (HPCVD) представляет собой метод осаждения тонких пленок , который сочетает в себе физическое осаждение из паровой фазы (PVD) и химическое осаждение из паровой фазы (CVD).
В случае диборида магния (MgB 2 выращивания тонких пленок используется диборан (B 2 H 6 бора ) в процессе HPCVD в качестве газа -предшественника ) , но в отличие от обычного CVD, в котором используются только газообразные источники, нагретые объемные магниевые гранулы (чистота 99,95 %) ) используются в качестве источника Mg в процессе осаждения. Поскольку этот процесс включает химическое разложение газа-прекурсора и физическое испарение массы металла, его называют гибридным физико-химическим осаждением из паровой фазы.
Конфигурация системы
[ редактировать ]Система HPCVD обычно состоит из камеры реактора с водяным охлаждением, системы ввода газа и управления потоком, системы поддержания давления, системы контроля температуры, а также системы отвода и очистки газа.
Основное отличие HPCVD от других систем CVD заключается в нагревательном блоке. Для HPCVD и подложка, и источник твердого металла нагреваются с помощью нагревательного модуля. Обычная система HPCVD обычно имеет только один нагреватель. Подложка и твердотельный металлический источник расположены на одном и том же токоприемнике нагреваются индуктивно или резистивно и одновременно . Выше определенной температуры объемный источник металла плавится и создает высокое давление пара вблизи подложки. Затем газ-прекурсор вводится в камеру и разлагается вокруг подложки при высокой температуре. Атомы разложившегося газа-прекурсора реагируют с парами металла, образуя тонкие пленки на подложке. Осаждение заканчивается при выключении газа-прекурсора. Основным недостатком установки с одним нагревателем является температура источника металла и температура подложки, которую невозможно контролировать независимо. При изменении температуры подложки изменяется и давление пара металла , ограничивая диапазон параметров роста. В схеме HPCVD с двумя нагревателями источник металла и подложка нагреваются двумя отдельными нагревателями. Таким образом, это может обеспечить более гибкое управление параметрами роста.
Тонкие пленки диборида магния, полученные HPCVD
[ редактировать ]HPCVD оказался наиболее эффективным методом нанесения тонких пленок диборида магния (MgB 2 ). Другие технологии осаждения MgB 2 либо имеют пониженную температуру сверхпроводящего перехода и плохую кристалличность , либо требуют отжига ex situ в парах Mg. Поверхности этих пленок MgB 2 шероховатые и нестехиометрические . высококачественные Вместо этого система HPCVD может выращивать in situ пленки чистого MgB 2 с гладкими поверхностями, которые необходимы для создания воспроизводимых однородных джозефсоновских переходов , фундаментального элемента сверхпроводящих цепей.
Принцип
[ редактировать ]Судя по теоретической фазовой диаграмме системы Mg-B, высокое давление паров требуется для термодинамической фазовой стабильности MgB 2 при повышенной температуре Mg. MgB 2 представляет собой линейное соединение, и пока соотношение Mg/B превышает стехиометрическое значение 1:2, любой дополнительный Mg при повышенной температуре будет находиться в газовой фазе и будет эвакуирован. Кроме того, как только MgB 2 образуется, ему приходится преодолевать значительный кинетический барьер для термического разложения. Поэтому не следует слишком беспокоиться о поддержании высокого давления пара Mg на стадии охлаждения осаждения пленки MgB 2 .
Чистые фильмы
[ редактировать ]В процессе выращивания тонких пленок диборида магния методом HPCVD газом-носителем является очищенный газообразный водород H 2 при давлении около 100 Торр . Эта среда H 2 предотвращает окисление во время осаждения. Кусочки чистого магния помещаются рядом с подложкой в верхней части токоприемника . Когда токоприемник нагревается примерно до 650 °C, кусочки чистого Mg также нагреваются, что создает высокое давление паров Mg вблизи подложки. диборан (B 2 H 6 используется В качестве источника бора ) . Пленки MgB 2 начинают расти, когда газ-прекурсор бора B 2 H 6 в камеру реактора вводят . Скорость роста пленки MgB 2 контролируется расходом смеси B 2 H 6 /H 2 . Рост пленки прекращается при отключении газа-прекурсора бора.
Пленки, легированные углеродом
[ редактировать ]Чтобы улучшить характеристики сверхпроводящих тонких пленок диборида магния в магнитном поле, желательно легировать в пленки примеси. Метод HPCVD также является эффективным методом выращивания , легированных или легированных тонких пленок MgB 2 углеродом . , легированные углеродом, Пленки MgB 2 можно выращивать тем же способом, что и процесс осаждения чистых пленок MgB 2 , описанный выше, за исключением добавления металлорганического предшественника магния, бис(метилциклопентадиенил)магния в газ-носитель , легированные углеродом, . Тонкие пленки MgB2 полученные методом HPCVD, демонстрируют чрезвычайно высокое верхнее критическое поле ( H c2 ). H c2 более 60 Тл при низких температурах наблюдается, когда магнитное поле параллельно плоскости ab .
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- Цзэн, Сянхуэй; Погребняков Алексей Владимирович; Кочаров, Армен; Джонс, Джеймс Э.; Си, XX; Лышек, Эрик М.; Редвинг, Джоан М.; Сюй, Шэнъюн; Ли, Ци; Леттьери, Джеймс; Шлом, Даррелл Г.; Тянь, Вэй; Пан, Сяоцин; Лю, Цзы-Куй (2002). in situ «Эпитаксиальные тонкие пленки MgB 2 для сверхпроводящей электроники». Природные материалы . 1 (1). Спрингер Природа: 35–38. arXiv : cond-mat/0203563 . дои : 10.1038/nmat703 . ISSN 1476-1122 . ПМИД 12618845 .
- Си, XX; Погребняков А.В.; Сюй, С.Ю.; Чен, К.; Цюи, Ю.; Мерц, EC; Чжуан, CG; Ли, Ци; Ламборн, ДР; Редвинг, Дж. М.; Лю, З.К.; Сукиасян А.; Шлом, Д.Г.; Венг, XJ; Дики, ЕС; Чен, Ю.Б.; Тиан, В.; Пан, XQ; Кибарт, С.А.; Дайнс, RC (2007). «Тонкие пленки MgB 2 методом гибридного физико-химического осаждения из паровой фазы». Физика C: Сверхпроводимость . 456 (1–2). Эльзевир Б.В.: 22–37. doi : 10.1016/j.physc.2007.01.029 . ISSN 0921-4534 .