制备大面积双面铊系薄膜的退火方法技术

本发明专利技术公开了制备大面积双面铊系薄膜的退火方法，包括采用数块相同厚度、与双面前驱薄膜的基片具有相同材料和晶体取向的单晶体小块，上下对称地将两块形状相同并经高温固态反应烧结的铊源与一片待退火的具有双面前驱薄膜的样品在垂直方向上等距离分开，所述前驱薄膜的样品设置在铊源中间且其中心与面积大于薄膜面积的上下铊源的中心相对准；将上述整体结构倒扣在密封的坩埚内，并连同坩埚一起置入管式炉中；然后进行退火。退火后样品上的两面薄膜电性能非常一致，并且有很好的均匀性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于薄膜后处理领域，具体来说，涉及一种制备大面积双面 铊系薄膜的退火方法。
技术介绍
近几年来，高临界温度氧化物超导薄膜及其器件的研究取得了突飞 猛进的发展。许多器件和子系统已走出实验室进入实际应用领域，已有 数千台移动通信使用高温超导滤波器的接收机前端。高质量的大面积双 面高温超导薄膜是制备工作在微波低频端具有带边陡峭度很高和插入损 耗很低的高温超导微波器件的必要条件之一。至今，制备高温超导薄膜的技术大致可以分为两大类原位制备技术和后退火制备技术。原位制 备技术实现了在高真空设备中完成薄膜的沉积和生长。在整个制备工艺 流程中，不破坏制膜设备的真空度，达到减少污染、提高薄膜质量的目 的。常用的YBC0高温超导薄膜一般都采用这种制备工艺。然而，对于具有更高临界温度的铊系高温超导薄膜来说，由于铊及其 氧化物的易挥发和毒性，目前各实验室大都采用后退火制备技术。在后 退火制备技术中，薄膜的生长是分两个阶段在不同的设备中完成的，故 称为二步法制膜技术。首先，在真空设备中沉积含铊组分或不含铊组分 的钡钙铜氧非晶前驱薄膜；紧接着，在高温炉内，非晶前驱薄膜在氧化 铊气氛中外延生长成铊系超导薄膜。查看现已发表的有关文献，前驱铊 系薄膜的制备方法一般都采用脉冲激光贱射沉积或磁控贱射沉积。这两 种方法沉积的前驱薄膜都能生长成质量很好的超导薄膜。获得高质量的 大面积双面铊系超导薄膜，关键在于要有合适的后退火方法。此外，制备大面积双面薄膜样品与制备小面积单面薄膜样品相比， 它的难度在于坩埚内后退火参数的不均匀和参数的时间效应对样品质量 的影响会变得十分严重。因此制备大面积双面薄膜要特别关注1)两 面前驱薄膜要处在相同的温区内和相同的氧化铊蒸汽压内；2)两面前驱薄膜温度升高到薄膜成相外延生长温度的时间要尽量与氧化铝坩埚内氧 化铊分压值达到前驱薄膜成相反应值的时间一致。为了满足以上的两个 条件，制备大面积双面薄膜的后退火方法变得十分的重要。因为，不同 的后退火方法会改变前驱薄膜周边氧化铊分压的准稳态分布。已报导的 实验结果也证明了不同的后退火方法对样品的质量影响很大。例如，铊源和前驱薄膜垂直放置会引起薄膜中的铊成分沿着垂直方向偏析(Chen H. Q， Johansson L.-G and Iva丽Z G 2000 Appl. Phys. Lett. 77 1197; Ginley D S, Kwak J F, Venturini E L, Morosin B and Baughman R J 1989 Physica C 160 42 );又如，用金箔将紧贴着的铊源和前驱薄膜包 裹起来会引起薄膜表面局部脱落和不均匀的花紋。已报道的后退火布局 结构相当多，有的装置比较复杂，有的比较昂贵，如采用高热导率和化 学稳、定的4争制金i计祸(Schneidewind H, Manzel M， Bruchlos G and Kirsch K 2001 Supercond. Sci. Technol. 14 200 )或一次性石英密封管(Ginley D S "Tl-based HTSC films for microelectronic applications" 9th chapter in 'Thallium - Based High _ Temperature Superconductors' edited by Hermann A M and Yakhmi S V )。因此，为了提高大面积双面铊系薄膜的各处性能的均匀性，同时为了 减弱在处理中因铊源的不均匀对薄膜均匀性的影响，有必要研制一种新 的后退火处理大面积双面铊系薄膜的方法。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种制备大面积双面 铊系薄膜的退火方法，该方法既安全可靠、又简单可行，更能获得双面 性能均匀、且优质的大面积双面铊系薄膜。为实现上述目的，本专利技术采用如下的技术方案本专利技术的，包括以下步骤 1)采用数块相同厚度、与双面溅射有前驱薄膜的基片具有相同材 料和晶体取向(001)的单晶体小块，上下对称地将两块形状相同并经高 温固态反应烧结的作为铊源的铊系高温超导体块材与一片待退火的双面 溅射有前驱薄膜的样品在垂直方向上等距离分开，所述前驱薄膜样品设 置在铊源中间且其中心与面积大于薄膜面积的上下铊源的中心相对准；2)将上述整体结构倒扣在密封的坩埚内，并连同坩埚一起置入管式炉中；3)然后进行退火，退火温度720—78(TC,退火气氛为惰性气体， 退火时间为3—5小时。进一步地，所述高温固相反应烧结的铊源是按铊系高温超导体 TlmBa2Ca^Cun02幽+2，其中m=l，n=l — 5或m=2， n-l — 4 ，按化学配比 Tl: Ba: Ca: Cu = m: 2: n-1: n的氧化物粉末经碾磨，压才莫和高温固态反应烧 结形成；所述前驱薄膜成分为含铊的TUa2Ca,w(X0y或不含铊的 Ba2Ca^CunOy的非晶薄膜，其中m=l， n=l —5或m=2, n=l — 4， O^m,"任 意值。进一步地，所述单晶体小块和双面賊射有前驱薄膜的基片的材料选 自以下组中的一种铝酸镧(LaA103)、钛酸锶(SrTi03),氧化锆(Zr02)， 钇稳定氧化锆(Y203-Zr02)，镓酸钕(NdGa03)。它们的晶向优选为(001 )。 进一步地，退火时间根据待退火的前驱薄膜厚度进行变化。 进一步地，待退火的前驱薄膜厚度为500nm—1000nm时，退火时间 为3 — 5小时。进一步地，惰性气体例如氩气的流量为15 — 30ml/min。进一步地，待退火的前驱薄膜的尺寸2—3英寸，所述铊源的尺寸为 (j) 6 Ommx 5 mm—()) 8 5 mx 6 m 。根据上述退火方法进行退火的大面积双面铊系薄膜，其化学组成为 TlmBa2Car^Cu力2n+m+2，其中01= 1 ， 11= 1 — 5或m=2， 11= 1 一4 。其中，按照上述退火方法进行退火的大面积双面铊系高温超导薄膜 样品有很好的取向(c轴垂直基片表面)和很好的层状生长的微结构。双 面薄膜的表面形貌均匀光亮，呈深褐色。同一样品上的两面薄膜电性能 较一致，都能在下列范围内超导临界温度L = 80 — 120K之间；77K 温度时，超导临界电流密度L-1,0— 4. 8 xl06A/cm2; 77K温度和10GHz 频率下，薄膜微波表面电阻Rs ^ 500 土100(iQ。本专利技术的有益效果是利用数块小晶体在前驱膜和铊源之间引成一 个畅通的扩散通道。这种结构明显改善了由铊源分解出来的氧化铊蒸汽 在薄膜表面的扩散速度，减弱时间效应。利用同样的原理，构成的两个 扩散通道增加了正反薄膜表面之间氧化铊蒸汽的扩散速度，减小正反两 片薄膜退火条件的差别。此外，用与薄膜基片相同材料和相同取向的单 晶做铊源和前驱样品之间的隔离小块。釆用这种材料一方面避免了其他 材料在退火过程中对薄膜的污染和影响薄膜的取向生长，另一方面成本很低。而且，本专利技术的方法解决了高温快速退火铊化技术中经常出现的 局部薄膜缺损和裂缝现象。这些会严重影响薄膜的临界电流。在高温快 速退火过程中，如果退火温度偏离了该条件下的成相温度，不但高温本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种制备大面积双面铊系薄膜的退火方法，包括以下步骤：１）采用数块相同厚度、与双面溅射有前驱薄膜的基片具有相同材料和晶体取向（００１）的单晶体小块，上下对称地将两块形状相同并经高温固态反应烧结的作为铊源的铊系高温超导体块材与一片待退火 的双面溅射有前驱薄膜的样品在垂直方向上等距离分开，所述前驱薄膜样品设置在铊源中间且其中心与面积大于薄膜面积的上下铊源的中心相对准；２）将上述整体结构倒扣在密封的坩埚内，并连同坩埚一起置入管式炉中；３）然后进行退火，退火温度７ ２０－７８０℃，退火气氛为惰性气体，退火时间为３－５小时。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：陈莺飞，王萍，李洁，徐晓平，黎松林，田海燕，潘军，郑东宁，
申请(专利权)人：中国科学院物理研究所，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]