Гибридное физико-химическое осаждение из паровой фазы - Hybrid physical–chemical vapor deposition

Реакторная камера лабораторного масштаба гибридное физико-химическое осаждение из паровой фазы (HPCVD) в Университете штата Пенсильвания, США. В нержавеющая сталь подозревающий сидит на кварцевом стержне внутри камеры с водяным охлаждением. Во время наплавки он будет нагреваться индукционный нагрев змеевик (медная трубка вне камеры). В Карбид кремния (SiC) субстрат и магний гранулы находятся на вершине получателя.

Гибридное физико-химическое осаждение из паровой фазы (HPCVD) - это осаждение тонких пленок техника, сочетающая физическое осаждение из паровой фазы (PVD) с химическое осаждение из паровой фазы (CVD).

Например, диборид магния (MgB2) рост тонкой пленки, процесс HPCVD использует диборан (B2ЧАС6) как бор предшественник газ, но в отличие от обычного химического осаждения из паровой фазы, в котором используются только газовые источники, в качестве источника магния в процессе осаждения используются нагретые гранулы магния (чистота 99,95%). Поскольку в процессе задействованы химическое разложение газа-прекурсора и физическое испарение объемного металла это называется гибридным физико-химическим осаждением из газовой фазы.

Конфигурация системы

Система HPCVD обычно состоит из камеры реактора с водяным охлаждением, системы впуска газа и управления потоком, системы поддержания давления, системы контроля температуры и системы выпуска и очистки газа.

Основное отличие HPCVD от других систем CVD заключается в блоке нагрева. В случае HPCVD и подложка, и твердый металлический источник нагреваются модулем нагрева. Обычная система HPCVD обычно имеет только один нагреватель. Подложка и твердый металлический источник находятся на одном и том же подозревающий и нагреваются индуктивно или сопротивляясь в то же время. Выше определенной температуры объемный источник металла плавится и генерирует высокий давление газа в непосредственной близости от 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, когда прекурсор выключается. Основным недостатком установки с одним нагревателем является температура источника металла, а температура подложки не может контролироваться независимо. При изменении температуры подложки металл давление газа также изменяется, ограничивая диапазоны параметров роста. В схеме HPCVD с двумя нагревателями источник металла и подложка нагреваются двумя отдельными нагревателями. Таким образом, он может обеспечить более гибкий контроль параметров роста.

Тонкие пленки диборида магния методом HPCVD

HPCVD был наиболее эффективным методом осаждения диборида магния (MgB2) тонкие пленки. Другой MgB2 технологии осаждения либо имеют сверхпроводящий температура перехода и плохая кристалличность, или требовать ex situ отжиг в парах Mg. Поверхности этих MgB2 фильмы грубые и нестехиометрический. Вместо этого система HPCVD может выращивать высококачественные на месте чистый MgB2 пленки с гладкой поверхностью, которые необходимы для обеспечения воспроизводимости однородных Джозефсоновские переходы, фундаментальный элемент сверхпроводящий схемы.

Принцип

Из теоретических фазовая диаграмма системы Mg-B, высокий Mg давление газа требуется для термодинамической фазовой стабильности MgB2 при повышенной температуре. MgB2 является линейным соединением, и до тех пор, пока соотношение Mg / B выше стехиометрический 1: 2, любой дополнительный магний при повышенной температуре будет в газовая фаза и быть эвакуированным. Также, как только MgB2 образуется, он должен преодолеть значительный кинетический барьер, чтобы термически разложиться. Таким образом, не нужно слишком беспокоиться о поддержании высокого уровня Mg. давление газа во время стадии охлаждения MgB2 напыление пленки.

Чистые фильмы

В процессе выращивания тонких пленок диборида магния с помощью HPCVD газ-носитель очищается. водород газ H2 при давлении около 100 Торр. Это H2 окружающая среда предотвращает окисление во время осаждения. Кусочки чистого магния кладут рядом с подложкой на верхнюю часть подозревающий. Когда подозревающий нагревается примерно до 650 ° C, куски чистого Mg также нагреваются, что дает давление газа в непосредственной близости от подложки. Диборан (B2ЧАС6) используется как бор источник. MgB2 фильмы начинают расти, когда бор газ-прекурсор B2ЧАС6 вводится в камеру реактора. Скорость роста MgB2 пленка контролируется расходом B2ЧАС6/ЧАС2 смесь. Рост пленки прекращается при отключении газа-прекурсора бора.

Пленки, легированные углеродом

Чтобы улучшить характеристики сверхпроводящих тонких пленок диборида магния в магнитном поле, желательно допинг примеси в пленках. Техника HPCVD также является эффективным методом выращивания углерод легированные или углеродныелегированный MgB2 тонкие пленки. Легированный углеродом MgB2 пленки можно выращивать так же, как и чистый MgB2 Процесс осаждения пленок описан выше, за исключением добавления металлоорганический предшественник магния, бис (метилциклопентадиенил) магний прекурсор в газ-носитель. Легированный углеродом MgB2 тонкие пленки HPCVD показывают чрезвычайно высокое верхнее критическое поле (ЧАСc2). ЧАСc2 более 60 Т при низких температурах наблюдается, когда магнитное поле параллельно ab-самолет.

Смотрите также

использованная литература

  • Цзэн, Сянхуи; Погребняков, Алексей В .; Котчаров, Армен; Джонс, Джеймс Э .; Xi, X. X .; Lysczek, Eric M .; Redwing, Joan M .; Сюй, Шэнъён; Ли, Ци; Леттьери, Джеймс; Schlom, Darrell G .; Тиан, Вэй; Пан, Сяоцин; Лю, Цзы-Куи (2002). "Эпитаксиальный MgB in situ2 тонкие пленки для сверхпроводящей электроники ». Материалы Природы. Springer Nature. 1 (1): 35–38. arXiv:cond-mat / 0203563. Дои:10.1038 / nmat703. ISSN  1476-1122. PMID  12618845.
  • Xi, X.X .; Погребняков, А.В .; Xu, S.Y .; Chen, K .; Cui, Y .; Maertz, E.C .; Zhuang, C.G .; Ли, Ци; Lamborn, D.R .; Redwing, J.M .; Liu, Z.K .; Soukiassian, A .; Schlom, D.G .; Weng, X.J .; Дики, E.C .; Chen, Y.B .; Tian, ​​W .; Pan, X.Q .; Cybart, S.A .; Дайнс, Р. (2007). "MgB2 тонкие пленки методом гибридного физико-химического осаждения из газовой фазы ». Physica C: сверхпроводимость. Elsevier BV. 456 (1–2): 22–37. Дои:10.1016 / j.physc.2007.01.029. ISSN  0921-4534.