Hybrid fysikalisk-kemisk ångdeposition
Hybrid fysikalisk-kemisk ångdeposition (HPCVD) är en tunnfilmsdepositionsteknik som kombinerar fysisk ångdeposition (PVD) med kemisk ångdeposition (CVD).
För till exempel magnesiumdiborid (MgB 2 ) tunnfilmstillväxt, använder HPCVD-processen diboran (B 2 H 6 ) som borprekursorgas , men till skillnad från konventionell CVD, som endast använder gasformiga källor, uppvärmda bulkmagnesiumpellets (99,95 % ren) ) används som Mg-källa i avsättningsprocessen. Eftersom processen involverar kemisk nedbrytning av prekursorgas och fysikalisk avdunstning av metallbulk, kallas den hybridfysikalisk-kemisk ångavsättning.
Systemkonfiguration
HPCVD-systemet består vanligtvis av en vattenkyld reaktorkammare, gasinlopps- och flödeskontrollsystem, tryckhållningssystem, temperaturkontrollsystem och gasavgas- och reningssystem.
Den största skillnaden mellan HPCVD och andra CVD-system ligger i värmeenheten. För HPCVD värms både substrat och solid metallkälla upp av värmemodulen. Det konventionella HPCVD-systemet har vanligtvis bara en värmare. Substratet och solid metallkälla sitter på samma susceptor och värms upp induktivt eller resistivt samtidigt. Över en viss temperatur smälter bulkmetallkällan och genererar ett högt ångtryck i närheten av substratet. Därefter införs prekursorgasen i kammaren och sönderdelas runt substratet vid hög temperatur. Atomerna från den nedbrutna prekursorgasen reagerar med metallångan och bildar tunna filmer på substratet. Deponeringen avslutas när prekursorgasen stängs av. Den största nackdelen med en enkel uppvärmningsinstallation är metallkällans temperatur och substrattemperaturen kan inte kontrolleras oberoende. Närhelst substrattemperaturen ändras metallångtrycket , vilket begränsar intervallen för tillväxtparametrarna. I HPCVD-arrangemanget med två värmare värms metallkällan och substratet upp av två separata värmare. Således kan den ge mer flexibel kontroll av tillväxtparametrar.
Magnesiumdiborid tunna filmer av HPCVD
HPCVD har varit den mest effektiva tekniken för att avsätta magnesiumdiborid (MgB 2 ) tunna filmer. Andra MgB2- avsättningstekniker har antingen en reducerad supraledande övergångstemperatur och dålig kristallinitet , eller kräver ex situ- glödgning i Mg-ånga. Ytorna på dessa MgB2 - filmer är grova och icke- stökiometriska . Istället kan HPCVD-systemet odla högkvalitativa in situ rena MgB 2 -filmer med släta ytor, som krävs för att göra reproducerbara enhetliga Josephson-övergångar , det grundläggande elementet i supraledande kretsar.
Princip
Från det teoretiska fasdiagrammet för Mg-B-systemet krävs ett högt Mg- ångtryck för den termodynamiska fasstabiliteten för MgB 2 vid förhöjd temperatur. MgB2 är en linjeförening och så länge som Mg/B-förhållandet är över det stökiometriska 1:2, kommer eventuellt extra Mg vid förhöjd temperatur att vara i gasfasen och evakueras . När MgB2 väl har bildats måste det också övervinna en betydande kinetisk barriär för att termiskt sönderfalla. Så man behöver inte vara alltför bekymrad över att upprätthålla ett högt Mg- ångtryck under kylningssteget av MgB2- filmavsättningen .
Rena filmer
av magnesiumdiborid tunna filmer med HPCVD, är bärargasen renad vätgas H2 vid ett tryck av cirka 100 Torr . Denna H 2 -miljö förhindrar oxidation under avsättningen. Bulk rena Mg-bitar placeras bredvid substratet på toppen av susceptorn . När susceptorn värms upp till cirka 650 °C värms även rena Mg-bitar upp, vilket genererar ett högt Mg- ångtryck i närheten av substratet. Diboran ( B2H6 ) används som borkälla . MgB2 - filmer börjar växa när borprekursorgasen B2H6 införs i reaktorkammaren . Tillväxthastigheten för MgB2- filmen kontrolleras av flödeshastigheten för B2H6 / H2 - blandningen . Filmtillväxten upphör när borprekursorgasen stängs av.
Kollegerade filmer
För att förbättra prestandan hos supraledande tunna magnesiumdiboridfilmer i magnetfält är det önskvärt att dopa in föroreningar i filmerna. HPCVD-tekniken är också en effektiv metod för att odla koldopade eller kollegerade MgB 2 tunna filmer. De kollegerade MgB2- filmerna kan odlas på samma sätt som den rena MgB2- filmavsättningsprocessen som beskrivits ovan förutom att tillsätta en metallorganisk magnesiumprekursor, bis(metylcyklopentadienyl)magnesiumprekursor, till bärargasen. De kollegerade MgB2- tunna filmerna av Hc2 HPCVD uppvisar utomordentligt högt övre kritiskt fält ( ). H c2 över 60 T vid låga temperaturer observeras när magnetfältet är parallellt med ab -planet.
Se även
- Zeng, Xianghui; Pogrebnyakov, Alexej V.; Kotcharov, Armen; Jones, James E.; Xi, XX; Lysczek, Eric M.; Redwing, Joan M.; Xu, Shengyong; Li, Qi; Lettieri, James; Schlom, Darrell G.; Tian, Wei; Pan, Xiaoqing; Liu, Zi-Kui (2002). "In situ epitaxiella MgB 2 tunna filmer för supraledande elektronik". Naturmaterial . Springer Nature. 1 (1): 35–38. arXiv : cond-mat/0203563 . doi : 10.1038/nmat703 . ISSN 1476-1122 . PMID 12618845 .
- Xi, XX; Pogrebnyakov, AV; Xu, SY; Chen, K.; Cui, Y.; Maertz, EC; Zhuang, CG; Li, Qi; Lamborn, DR; Redwing, JM; Liu, ZK; Soukiassian, A.; Schlom, DG; Weng, XJ; Dickey, EC; Chen, YB; Tian, W.; Pan, XQ; Cybart, SA; Dynes, RC (2007). "MgB 2 tunna filmer genom hybrid fysikalisk-kemisk ångavsättning". Physica C: Supraledning . Elsevier BV. 456 (1–2): 22–37. doi : 10.1016/j.physic.2007.01.029 . ISSN 0921-4534 .