[发明专利]通过反应蒸发进行的原位薄膜的生长

说明书

本申请是优先权日为2003年12月1日、发明名称为“通过反应蒸发进行的原位薄膜的生长”的中国发明专利申请2004800357028(PCT/US2004/038372)的分案申请。

(关于联合资助的研究和开发的声明)

通过由海军研究局授予的合同No.N00014-03-M-0005的条款，美国政府可在本发明中具有已付清的许可，并在有限的情况具有要求专利所有人在规定的合理条款上许可其它人的权利。

技术领域

本发明的领域一般涉及用于制造薄膜的方法。更具体地，本发明的领域涉及原位形成不需要高温退火的诸如超导MgB₂的膜的方法。

背景技术

二硼化镁(MgB₂)是超导转变温度(T_c)为约39K的超导材料。人们在用MgB₂形成超导导线、条带和膜方面存在很大的兴趣。超导导线例如可被用于超导磁体、故障电流限制器和电力传输。膜可被用于制造Josephson结、SQUIDS(超导量子干涉器件)、微电子互连、RSFQ(快速单通量量子)器件和其它器件。膜还可被加入谐振器、滤波器和延迟线等的形式的RF和微波器件。

关于膜应用，为了实现电子应用所需的多层技术，需要生长完全原位MgB₂膜。淀积MgB₂膜的主要困难在于，MgB₂相在高温下的热力学稳定需要非常高的Mg蒸汽压。与MgB₂膜形成有关的第二个问题是Mg对氧化的高敏感性。这两个方面使得难以用常规的物理汽相淀积(PVD)技术生长MgB₂膜。

已通过在生长室内将Mg-B或Mg-MgB₂混合物原位退火制造原位MgB₂膜。但是，由这种技术制造的膜表现出较低的T_C和较差的结晶性。另外还在低温(＜350℃)下制造了原位MgB₂膜，但是这些膜不是外延的，它们的结晶性较差，它们的T_C值较低，并且它们的电阻率高。Zeng等已通过使用HPCVD(混合物理化学汽相淀积)技术原位生长MgB₂膜。参见X.H.Zeng等，In situ epitaxial MgB₂ thin films forsuperconducting electronics，Nature Materials1，第1～4页(2002)。但是，该方法不容易适应需要大面积膜生长的多层器件或应用。并且，在Zeng等提出的方法中使用的衬底温度高于700℃，并且，生长只在有限数量的衬底材料上是成功的。

因此需要在约300～700℃的温度范围内原位制造MgB₂膜的方法。还需要能够在各种衬底材料上原位生长MgB₂膜的方法。需要能够制造适用于多层装置制造中的原位MgB₂膜的方法。该方法还优选可应用于MgB₂以外的超导膜。

发明内容

在本发明的第一方式中，在衬底上原位形成MgB₂膜的方法包括以下步骤：(a)在淀积区中将硼淀积到衬底的表面上；(b)将衬底移动到包含加压的气态镁的反应区中；(c)将衬底移回到淀积区中；和(d)重复步骤(a)～(c).

在本发明的第二方面中，通过使用第一方面的方法产生MgB₂膜。

在本发明的第三方面中，原位形成MgB₂的薄膜的方法包括以下步骤：设置可旋转的滚筒(platen)，滚筒在具有反应区和单独的淀积区的壳体内是可旋转的；设置与反应区耦合的蒸发单元，该蒸发单元包含镁。硼源被设置在淀积区的附近，且电子束瞄向硼源。衬底被加载到滚筒上，滚筒然后被旋转。衬底周围的局部环境被加热。蒸发单元被加热以在反应区中产生气态镁。通过使用电子束枪蒸发硼。

在本发明的第四方面中，通过使用第三方面的方法产生MgB₂膜。

在本发明的第五方面中，在衬底上原位形成已知的超导化合物的超导膜的方法包括以下步骤：(a)在淀积区中将超导体的一种或更多种元素淀积到衬底的表面上；(b)加热超导体的非气态元素，以在反应区内产生所述元素的加压的气态相；(c)将衬底移动到包含加压的气态元素的反应区中；(d)将衬底移回到淀积区中；和(e)重复步骤(a)～(d)。