直流磁控溅射法制备YBCO超导薄膜研究

王道云，赵元黎

（郑州大学物理工程学院，郑州 450001）

直流磁控溅射法制备YBCO超导薄膜研究

王道云，赵元黎

（郑州大学物理工程学院，郑州 450001）

文中采用直流磁控溅射法制备了YBCO超导薄膜，研究了镀膜过程中不同的气体总压、氧氩比、薄膜厚度以及退火温度对薄膜性质的影响，通过XRD分析，当总气压为40Pa、氧氩比为1∶2、厚度为1μm、退火温度为800℃时，是薄膜生长的最佳条件。总气压过低，镀膜过程不能进行，气压过高，分子间自由程增加，溅射速率降低；氧氩比较低时，氧离子较少，造成靶材缺氧，镀膜过程不能进行，氧氩比较高时，辉光明亮，对靶材造成损害；随着薄膜厚度的增加，薄膜的005峰半高宽由大逐渐减小，薄膜厚度为1μm时，半高宽最小。退火温度在780℃～800℃之间时，YBCO薄膜005峰的半高宽较小。

直流磁控溅射；YBCO超导薄膜；XRD

1 引言

高温超导材料出现以来，人们逐渐发现由超导体薄膜制作而成的原子层热电堆在激光（远红外至紫外）能量的测定、激光剖面的成像、热辐射探测、毫米波探测等领域有着广泛的应用前景[1]。与传统的探测器相比，激光感生热电电压器件有工作波长宽（从毫米波到远红外到紫外）、无需加偏置电压或电流、响应时间短（从纳秒到皮秒）和能在室温下工作的特点，这些优良的特性受到了人们的广泛关注[2]。

目前制备超导薄膜的方法有很多种[3]，例如，脉冲激光沉积法（PLD）、金属有机化合物气相沉积法（MOCVD）、金属有机溶液沉积（MOD）和溅射法等。

溅射法是制备钇钡铜氧（YBCO）超导薄膜的重要方法[4]。利用粒子轰击固体靶材表面，使靶材原子或者分子从表面溅射出来，入射到衬底表面，凝结形成固体薄膜。溅射法包括直流溅射（direct current sputtering）、射频溅射（radio frequency sputtering）和反应溅射（reactive sputtering）。溅射法的工艺简单，制备的条件易于控制，而且所制备的薄膜工艺重复性好。因此，本论文采用直流溅射法制备YBCO超导薄膜。

2 实验

图1为试验所采用的直流溅射制备YBCO薄膜的装置。阴极采用YBCO靶材制成，靶材与安放衬底及固定平台（阳极）构成磁控溅射装置的两极，靶基距离（两极间距）为50mm。衬底置于靶材的下方，采用SrTiO3。

工作时先将真空室抽真空到高真空（如7×10-3Pa），同时加热衬底到合适的温度，然后充入制备薄膜时所需的气体，如工作气体氩气和YBCO薄膜生长所需的氧气，同时调整气体流量，达到理想的薄膜生长氛围，然后按下直流溅射电源键，调节电压，在两极间的YBCO靶材表面产生辉光放电，建立起等离子区域。带正电的氩气离子在电场加速的作用下，轰击阴极靶，即YBCO靶材，使靶材中的粒子受到撞击后，被撞击出来，并沉积到衬底上，形成固态的薄膜。

图1 直流溅射装置

3 实验结果分析

3.1 气体总压强对YBCO的影响

本文就气体总压分别为1.2Pa、10Pa、40Pa和70Pa时进行了实验，如图2所示。1.2Pa为大部分材料镀膜时的气压，在此气体压强下，YBCO靶材未能持续辉光，没有形成薄膜。由此可以判断，YBCO薄膜形成所需的气体压强较高。当气体压强增加到10Pa时，YBCO靶材有连续的辉光，并且在衬底上形成薄膜。从XRD上可以看出，在此压强下YBCO几乎不能成相，除了002、003峰比较明显外，其他峰都比较低。直流溅射时辉光也很暗淡，表面此时工作气压还是比较低，运动离子的平均自由程较大，负离子在运动中很少发生散射，所以负离子都以较大的能量打在基片上，同时表面负离子溅射对YBCO薄膜的生长影响很大。当总压上升到40Pa时，此时薄膜完全为c轴取向，峰值都有所增加，所有的特征峰都存在，YBCO薄膜的结构得到很大的改善，并且在溅射时辉光稳定正常。当气压进一步升高到70Pa时，虽然所有的特征峰都很强，但是在溅射时由于气压高，真空室内粒子增多，粒子间碰撞次数增加，缩短了粒子的平均自由程，降低了沉积效率。综合以上情况，40Pa为最适合实验的气体总压强。

3.2 氧分压对YBCO的影响

溅射镀膜时，必须要有足够的氧分压。首先，当荷能粒子轰击靶材表面时，不同元素以氮原子或者粒子的形式从靶材表面溅射出来。如果没有足够的氧分压，靶材表面就会失氧，变成导电性很差的材料，从而影响溅射过程无法稳定进行。其次，在元素被溅射出来后，腔体中的氧也很容易被工作气体带走，这样，就会使薄膜缺氧，从而不能很好地结晶。最后，因为Ba具有高挥发性，Cu化学活性较差，高温并缺氧时，两者都比较容易流失，从而使薄膜中的成分偏离了化学计量比。但是，氧分压也不易过高，过高容易使基片发生氧化，也会影响薄膜性能。

由于氩气是工作气体，氧气是反应气体，都是不可或缺的，本实验就氧氩比为1∶1、1∶2、1∶4进行了实验，实验结果如图3。

氧氩比为1∶1时，氧含较高，各个衍射峰值很高，很明显，但是不全是c轴衍射，在005峰（47°）附近出现了一个峰，经分析这个峰为a轴取向的衍射峰，并且实验时辉光明亮，靶材表面产生了斑点。当氧氩比减小到1∶2时，004峰（31°附近）减小，其他峰还是很明显，并且峰值也很尖锐，强度也很高，此时为完全的c轴衍射。当氧氩比进一步减小至1∶4时，YBCO薄膜的峰值大幅度下降，经分析后认为，可能是氧氩比减小，氧气不足，抑制了薄膜的生长，YBCO靶材表面缺氧，不能形成完整的结晶，才导致峰值大幅下降。

综上分析，结合XRD和实际镀膜过程中的情况，选取1∶2的氧氩比最好，氧氩比为1∶4时，氧气含量较低，靶材表面缺氧，YBCO晶格不完整，薄膜峰值也相对降低，当增加至1∶1时，氧气含量充足，但是在镀膜时辉光异常明亮，并对YBCO靶材造成了一定的损坏，因此1∶2的氧氩比是适合本实验的最有利条件。

3.3 薄膜厚度的影响

薄膜厚度对感生热电电压有很大的影响，由于厚度影响感生热电电压关系很复杂，不能从理论上得到它们的直接关系，因此要在实验中对厚度对薄膜的性能进行研究。为了对不同厚度薄膜进行研究，实验采用了相同的工艺，本底真空度为7×10-3Pa，气体总压为40Pa，氧氩比为1∶2，只改变了溅射的时间，分别制备了厚度为0.4μm、0.8μm、1.0μm、1.5μm和2.0μm的薄膜，并对他们进行了XRD分析，见图4。

图中所有的YBCO薄膜大多都是c轴取向，峰值很高，清晰，并且杂相峰较少。当薄膜厚度增加时，峰逐渐由宽变窄，峰值也逐渐变高，当增加到1.0μm～1.5μm时，峰值最高，峰也最窄，即半高宽在逐渐减小，表明薄膜具有良好的面外取向性。当厚度继续增加至2.0μm时，半高宽又变大，峰值降低宽度增加，也表明薄膜的面外取向性降低。厚度的增加，使薄膜中出现了大量的晶格缺陷和位错，所以导致结晶质量变差。

3.4 退火温度对薄膜质量的影响

为了研究退火温度对薄膜的影响，实验对相同条件下的薄膜进行了退火，时间为1h，改变退火温度，退火温度分别为760℃、780℃、800℃、820℃、840℃。

图5为不同温度下退火对YBCO薄膜005峰半高宽的影响关系图。

图5 退火温度与YBCO薄膜005峰半高宽关系图

从图5可以直观地看出，在760℃温度下退火的薄膜005峰半高宽比较大，退火温度提升到780℃时，005峰的半高宽降到最低，随着退火温度进一步上升，005峰的半高宽逐渐变大，在780℃～800℃之间，上升的趋势比较缓慢，在800℃～820℃之间，上升趋势就比较急，虽然在高于820℃时，上升的趋势也比较缓，但是半高宽已经比较大了，因此，为了获得质量比较好的薄膜，退火温度应控制在780℃～800℃之间。

4 结论

实验采用直流溅射法制备了YBCO超导薄膜，并对实验条件进行了研究，包括气体总压、氧氩比、厚度和退火温度以及不同的条件对薄膜性质的影响。通过XRD分析发现：当气体总压为40Pa、氧氩比为1∶2时为较好的制备氛围；厚度在1μm～1.5μm时，有利于YBCO薄膜c轴生长，且峰值较高，峰宽较窄；退火温度在780℃～800℃时，005峰半高宽最小，面内取向性最好。

[1] 张鹏翔，文小明，顾梅梅，等.YBa2Cu3O7-δ薄膜激光功率计[J].中国激光，2002 , A29（3）∶205-208.

[2] 谈松林，张辉，崔文东，等.Ag掺杂的La0.67 Pb 0.33MnO3薄膜中激光感生热电电压效应[J].物理学报,2006 , 55（8）∶4 226-4 231.

[3] 赵磊，张宝林，等.以光辅助MOCVD法生长高质量高温超导体YBa2Cu3O6.9膜的初步研究[D].吉林大学硕士论文，2007.

[4] 韩晓，李言荣，等.直流溅射法制备YBCO带材研究[D].电子科技大学硕士论文，2008.

[5] 田民波，刘德令.薄膜科学与技术手册[M].北京：机械工业出版社，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，河南郑州人，郑州大学物理工程学院在读硕士研究生。