高温超导体薄膜制程与物性研究

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1、高溫超導體薄膜製程與物性研究研究者:劉子毓吳佳靜指導教授：楊鴻昌教授指導老師：劉時通老師壹、研究動機超導科技於日常生活中的應用廣泛，如在大尺度的應用上有：超導傳輸線，超導磁鐵，超導核磁共振攝影儀，超導電導引，超導馬達，磁浮火車…等；而在微電子學的應用上則有：Non-DestructiveEvaluation(NDE,非破壞性檢測)、BiomagneticApplications(生物磁場應用，如心磁儀，腦磁儀)、GeophysicalApplications(地球物理應用，如礦物探勘)、ScanningS

2、QUIDMicroscope(掃描式SQUID顯微鏡)、SQUIDNMRandMRI(核磁共振及磁共振影像)…等。其中在電子領域中，可利用超導的「約瑟芬效應」製作超導量子干涉元件(SQUID)。利用SQUID製作出的磁量儀能偵測出地磁數百萬分之一的微小磁場，其偵測範圍如圖(一)。而薄膜品質的好壞是製成SQUID過程中的重要關鍵。因此，如何製作良好的薄膜是現今許多實驗室努力研究的對象。圖一SOUID的偵測範圍貳、目的12薄膜表面的粗糙程度會影響電子的穿隧效應，因此利用超導薄膜製作元件時，將會影響元件的性能。

3、特別是薄膜的表面平整度，容易影響電流的穩定度，進而影響元件的品質(靈敏度、雜訊…)。在文獻上有不少方法來改進鍍膜系統，以求能達到高臨界溫度〈T〉且表面好的薄膜。有些研究團隊用離子束將薄膜打平，解決表面粗糙的問題；有些利用二次鍍膜來解決。我們則希望能從改變鍍膜系統的變因，找到最好的條件，探討濺鍍系統中的壓力和溫度對超導溫度與表面粗糙程度的影響，以期利用最簡單的方法達到最佳效果。參、文獻探討關於超導的研究始於1911年，Onnes發現Hg在4.2K附近電阻消失。事實上，不單單是Hg，許多元素與化合物都會在特定

4、的溫度下具有超導電性，而這個溫度就稱為臨界溫度(Tc)。「零電阻」是超導體的主要特性之一，其成因主要是晶格上的離子振動(聲子Phonon)促使兩個電子往相反方向自旋並彼此相吸引成為古柏對(Cooperpair)。古柏對能集合有如一個粒子，集體流動，不受離子振動和晶格缺陷的影響。圖二電子經過正離子，吸引正離子位移，位移的區域因此對負電荷有更高的吸引力。此吸引力大於庫侖排斥力，使兩個電子形成古柏對。超導體的另一特性是「完全反磁性」，不論外加磁場的次序，超導體的內部磁場感應強度都是零。這些特點使超導體具有強大的

5、應用潛力，特別是開發元件應用的高溫超導薄膜。薄膜的成長過程可分離場(Ex-Situ)與臨場(In-Situ)製作過程。Ex-Situ是指鍍膜與結晶熱處理過程分開；In-Situ則是指兩者均在適當的基板溫度下同時進行。另外在靶材的使用上，可分為多重鍍源與單一鍍源。多重鍍源對每一個鍍源都須穩定的控制，較為複雜；單一鍍源常利用更換新靶使薄膜成份趨於理想，較多重鍍源單純許多。現今主要的薄膜成長技術有濺鍍法(Sputtering)、雷射蒸鍍法(PulsedLaserDeposition)、有機金屬氣相沉積法(Org

6、anicMetalChemicalVapour)。薄膜的超導性質、元件的特性與基板的晶格常數、表面的平整度、粗糙度、清潔度有很大的關係，故而必須選擇與靶材晶格常數匹配的基座。釔鋇銅氧(YBa2Cu3O7-δ12簡稱YBCO)的結構如圖(三)，其中氧的個數是，為了使薄膜的含氧量足夠，且晶格的排列良好，退火(anneal)的過程相當重要。除此之外，濺鍍過程的壓力、溫度、靶與基板的距離都會影響薄膜的組成。圖三YBCO的結構圖肆、實驗方法及步驟一樣品製備(1)清洗基座鍍膜前的首要步驟─清洗基座，對YBCO在薄膜上

7、的成長影響很大。有乾淨平整的基座，可使YBCO均勻成長。本實驗使用的基座是氧化鎂(MgO)，尺寸為4×3mm。實驗前先將基座放入裝有丙酮的燒杯中，以超音波振盪器清洗3~5分鐘後，再將燒杯以水浴法加熱至丙酮沸騰，然後取出基座放入酒精中，加熱至沸騰。小心取出基座並用氮氣吹乾，即可得到乾淨的基座。(2)濺鍍濺鍍系統簡介A.濺鍍原理在適當的成長溫度、壓力、基座與靶材相對位置下，以高電壓通入真空腔，系統中的氬氣會因而游離成氬離子12及電子形成電漿，氬離子向安裝著靶材的負極移動，將靶材(YBa2Cu3O7-δ)中的成

8、分原子打出，堆積在樣品基座上，而形成YBCO的晶格結構。本實驗使用RF-離軸式磁控濺鍍系統。所謂RF是在高電壓中加入交流電壓。濺鍍時，氬離子會不斷累積在靶材上，造成電壓差降低，使濺鍍速率漸慢。以交流電壓可將累積的電荷帶走，維持一定的電壓差，使濺鍍速率保持一定。而「磁控」濺鍍則是在靶材的後方裝上永久磁鐵，帶正電荷的氬離子受到勞侖茲力，會限制在靶面附近，可以增加離子撞向靶材的機會，提高濺鍍速率。靶材原子氬離子電子基座靶材圖四濺鍍原