直流磁控濺射法制備YBCO超導薄膜研究

王道云，趙元黎

（鄭州大學物理工程學院，鄭州 450001）

直流磁控濺射法制備YBCO超導薄膜研究

王道云，趙元黎

（鄭州大學物理工程學院，鄭州 450001）

文中采用直流磁控濺射法制備了YBCO超導薄膜，研究了鍍膜過程中不同的氣體總壓、氧氬比、薄膜厚度以及退火溫度對薄膜性質的影響，通過XRD分析，當總氣壓為40Pa、氧氬比為1∶2、厚度為1μm、退火溫度為800℃時，是薄膜生長的最佳條件。總氣壓過低，鍍膜過程不能進行，氣壓過高，分子間自由程增加，濺射速率降低；氧氬比較低時，氧離子較少，造成靶材缺氧，鍍膜過程不能進行，氧氬比較高時，輝光明亮，對靶材造成損害；隨著薄膜厚度的增加，薄膜的005峰半高寬由大逐漸減小，薄膜厚度為1μm時，半高寬最小。退火溫度在780℃～800℃之間時，YBCO薄膜005峰的半高寬較小。

直流磁控濺射；YBCO超導薄膜；XRD

1 引言

高溫超導材料出現以來，人們逐漸發現由超導體薄膜制作而成的原子層熱電堆在激光（遠紅外至紫外）能量的測定、激光剖面的成像、熱輻射探測、毫米波探測等領域有著廣泛的應用前景[1]。與傳統的探測器相比，激光感生熱電電壓器件有工作波長寬（從毫米波到遠紅外到紫外）、無需加偏置電壓或電流、響應時間短（從納秒到皮秒）和能在室溫下工作的特點，這些優良的特性受到了人們的廣泛關注[2]。

目前制備超導薄膜的方法有很多種[3]，例如，脈沖激光沉積法（PLD）、金屬有機化合物氣相沉積法（MOCVD）、金屬有機溶液沉積（MOD）和濺射法等。

濺射法是制備釔鋇銅氧（YBCO）超導薄膜的重要方法[4]。利用粒子轟擊固體靶材表面，使靶材原子或者分子從表面濺射出來，入射到襯底表面，凝結形成固體薄膜。濺射法包括直流濺射（direct current sputtering）、射頻濺射（radio frequency sputtering）和反應濺射（reactive sputtering）。濺射法的工藝簡單，制備的條件易于控制，而且所制備的薄膜工藝重復性好。因此，本論文采用直流濺射法制備YBCO超導薄膜。

2 實驗

圖1為試驗所采用的直流濺射制備YBCO薄膜的裝置。陰極采用YBCO靶材制成，靶材與安放襯底及固定平臺（陽極）構成磁控濺射裝置的兩極，靶基距離（兩極間距）為50mm。襯底置于靶材的下方，采用SrTiO3。

工作時先將真空室抽真空到高真空（如7×10-3Pa），同時加熱襯底到合適的溫度，然后充入制備薄膜時所需的氣體，如工作氣體氬氣和YBCO薄膜生長所需的氧氣，同時調整氣體流量，達到理想的薄膜生長氛圍，然后按下直流濺射電源鍵，調節電壓，在兩極間的YBCO靶材表面產生輝光放電，建立起等離子區域。帶正電的氬氣離子在電場加速的作用下，轟擊陰極靶，即YBCO靶材，使靶材中的粒子受到撞擊后，被撞擊出來，并沉積到襯底上，形成固態的薄膜。

圖1 直流濺射裝置

3 實驗結果分析

3.1 氣體總壓強對YBCO的影響

本文就氣體總壓分別為1.2Pa、10Pa、40Pa和70Pa時進行了實驗，如圖2所示。1.2Pa為大部分材料鍍膜時的氣壓，在此氣體壓強下，YBCO靶材未能持續輝光，沒有形成薄膜。由此可以判斷，YBCO薄膜形成所需的氣體壓強較高。當氣體壓強增加到10Pa時，YBCO靶材有連續的輝光，并且在襯底上形成薄膜。從XRD上可以看出，在此壓強下YBCO幾乎不能成相，除了002、003峰比較明顯外，其他峰都比較低。直流濺射時輝光也很暗淡，表面此時工作氣壓還是比較低，運動離子的平均自由程較大，負離子在運動中很少發生散射，所以負離子都以較大的能量打在基片上，同時表面負離子濺射對YBCO薄膜的生長影響很大。當總壓上升到40Pa時，此時薄膜完全為c軸取向，峰值都有所增加，所有的特征峰都存在，YBCO薄膜的結構得到很大的改善，并且在濺射時輝光穩定正常。當氣壓進一步升高到70Pa時，雖然所有的特征峰都很強，但是在濺射時由于氣壓高，真空室內粒子增多，粒子間碰撞次數增加，縮短了粒子的平均自由程，降低了沉積效率。綜合以上情況，40Pa為最適合實驗的氣體總壓強。

3.2 氧分壓對YBCO的影響

濺射鍍膜時，必須要有足夠的氧分壓。首先，當荷能粒子轟擊靶材表面時，不同元素以氮原子或者粒子的形式從靶材表面濺射出來。如果沒有足夠的氧分壓，靶材表面就會失氧，變成導電性很差的材料，從而影響濺射過程無法穩定進行。其次，在元素被濺射出來后，腔體中的氧也很容易被工作氣體帶走，這樣，就會使薄膜缺氧，從而不能很好地結晶。最后，因為Ba具有高揮發性，Cu化學活性較差，高溫并缺氧時，兩者都比較容易流失，從而使薄膜中的成分偏離了化學計量比。但是，氧分壓也不易過高，過高容易使基片發生氧化，也會影響薄膜性能。

由于氬氣是工作氣體，氧氣是反應氣體，都是不可或缺的，本實驗就氧氬比為1∶1、1∶2、1∶4進行了實驗，實驗結果如圖3。

氧氬比為1∶1時，氧含較高，各個衍射峰值很高，很明顯，但是不全是c軸衍射，在005峰（47°）附近出現了一個峰，經分析這個峰為a軸取向的衍射峰，并且實驗時輝光明亮，靶材表面產生了斑點。當氧氬比減小到1∶2時，004峰（31°附近）減小，其他峰還是很明顯，并且峰值也很尖銳，強度也很高，此時為完全的c軸衍射。當氧氬比進一步減小至1∶4時，YBCO薄膜的峰值大幅度下降，經分析后認為，可能是氧氬比減小，氧氣不足，抑制了薄膜的生長，YBCO靶材表面缺氧，不能形成完整的結晶，才導致峰值大幅下降。

綜上分析，結合XRD和實際鍍膜過程中的情況，選取1∶2的氧氬比最好，氧氬比為1∶4時，氧氣含量較低，靶材表面缺氧，YBCO晶格不完整，薄膜峰值也相對降低，當增加至1∶1時，氧氣含量充足，但是在鍍膜時輝光異常明亮，并對YBCO靶材造成了一定的損壞，因此1∶2的氧氬比是適合本實驗的最有利條件。

3.3 薄膜厚度的影響

薄膜厚度對感生熱電電壓有很大的影響，由于厚度影響感生熱電電壓關系很復雜，不能從理論上得到它們的直接關系，因此要在實驗中對厚度對薄膜的性能進行研究。為了對不同厚度薄膜進行研究，實驗采用了相同的工藝，本底真空度為7×10-3Pa，氣體總壓為40Pa，氧氬比為1∶2，只改變了濺射的時間，分別制備了厚度為0.4μm、0.8μm、1.0μm、1.5μm和2.0μm的薄膜，并對他們進行了XRD分析，見圖4。

圖中所有的YBCO薄膜大多都是c軸取向，峰值很高，清晰，并且雜相峰較少。當薄膜厚度增加時，峰逐漸由寬變窄，峰值也逐漸變高，當增加到1.0μm～1.5μm時，峰值最高，峰也最窄，即半高寬在逐漸減小，表明薄膜具有良好的面外取向性。當厚度繼續增加至2.0μm時，半高寬又變大，峰值降低寬度增加，也表明薄膜的面外取向性降低。厚度的增加，使薄膜中出現了大量的晶格缺陷和位錯，所以導致結晶質量變差。

3.4 退火溫度對薄膜質量的影響

為了研究退火溫度對薄膜的影響，實驗對相同條件下的薄膜進行了退火，時間為1h，改變退火溫度，退火溫度分別為760℃、780℃、800℃、820℃、840℃。

圖5為不同溫度下退火對YBCO薄膜005峰半高寬的影響關系圖。

圖5 退火溫度與YBCO薄膜005峰半高寬關系圖

從圖5可以直觀地看出，在760℃溫度下退火的薄膜005峰半高寬比較大，退火溫度提升到780℃時，005峰的半高寬降到最低，隨著退火溫度進一步上升，005峰的半高寬逐漸變大，在780℃～800℃之間，上升的趨勢比較緩慢，在800℃～820℃之間，上升趨勢就比較急，雖然在高于820℃時，上升的趨勢也比較緩，但是半高寬已經比較大了，因此，為了獲得質量比較好的薄膜，退火溫度應控制在780℃～800℃之間。

4 結論

實驗采用直流濺射法制備了YBCO超導薄膜，并對實驗條件進行了研究，包括氣體總壓、氧氬比、厚度和退火溫度以及不同的條件對薄膜性質的影響。通過XRD分析發現：當氣體總壓為40Pa、氧氬比為1∶2時為較好的制備氛圍；厚度在1μm～1.5μm時，有利于YBCO薄膜c軸生長，且峰值較高，峰寬較窄；退火溫度在780℃～800℃時，005峰半高寬最小，面內取向性最好。

[1] 張鵬翔，文小明，顧梅梅，等.YBa2Cu3O7-δ薄膜激光功率計[J].中國激光，2002 , A29（3）∶205-208.

[2] 談松林，張輝，崔文東，等.Ag摻雜的La0.67 Pb 0.33MnO3薄膜中激光感生熱電電壓效應[J].物理學報,2006 , 55（8）∶4 226-4 231.

[3] 趙磊，張寶林，等.以光輔助MOCVD法生長高質量高溫超導體YBa2Cu3O6.9膜的初步研究[D].吉林大學碩士論文，2007.

[4] 韓曉，李言榮，等.直流濺射法制備YBCO帶材研究[D].電子科技大學碩士論文，2008.

[5] 田民波，劉德令.薄膜科學與技術手冊[M].北京：機械工業出版社，1991, 421-425.

The Study of the YBCO Thin Film Which is Processed by Direct Current Sputtering

WANG Dao-yun, ZHAO Yuan-li
（Physical Engineering School,Zhengzhou University,Zhengzhou450001,China）

YBCO superconducting thin fi lm is processed by direct current sputtering in this paper. We have researched the nature of the thin fi lm by the different gas pressure, oxygen argon ratios, fi lm thickness and annealing temperature, and got the best coating fi lm conditions by XRD analysis. Total pressure is too low,coating process cannot undertake, total pressure is exorbitant, mean free path reduced and sputtering rate increased; oxygen argon ratios is too low, then oxygen ion less, sputtering process cannot undertake, oxygen argon is too high, glow bright and damage to target material; along with the increase of thin fi lm thickness,the changes of full width at half maximum of the fi lms from big decrease gradually, fi lm thickness of 1μm,full width at half maximum of the fi lms is smallest. Annealing at a temperature between 780 and 800℃, the 005 peak of YBCO fi lm by full width at half maximum smaller.

direct current sputtering; YBCO superconducting thin fi lm; XRD

TN305

A

1681-1070（2011）09-0034-04

2011-05-10

王道云（1984—），男，河南鄭州人，鄭州大學物理工程學院在讀碩士研究生。