ハイブリッド物理化学蒸着

ハイブリッド物理化学蒸着法(HPCVD) は、物理蒸着法(PVD) と化学蒸着法(CVD) を組み合わせた薄膜堆積技術です。

二ホウ化マグネシウム（MgB ₂）薄膜成長の例では、HPCVDプロセスはホウ素前駆体ガスとしてジボラン（B ₂ H ₆ ）を使用しますが、ガス源のみを使用する従来のCVDとは異なり、加熱されたバルクマグネシウムペレット（純度99.95％）が堆積プロセスでのMg源として使用されます。このプロセスは前駆体ガスの化学分解と金属バルクの物理的蒸発を伴うため、ハイブリッド物理化学蒸着と呼ばれています。

システム構成

HPCVD システムは通常、水冷式反応器チャンバー、ガス入口および流量制御システム、圧力維持システム、温度制御システム、ガス排気および洗浄システムで構成されます。

HPCVD と他の CVD システムの主な違いは、加熱ユニットにあります。HPCVD では、基板と固体金属源の両方が加熱モジュールによって加熱されます。従来の HPCVD システムには、通常、ヒーターが 1 つしかありません。基板と固体金属源は同じサセプター上に置かれ、誘導加熱または抵抗加熱によって同時に加熱されます。特定の温度を超えると、バルク金属源が溶融し、基板の周囲に高い蒸気圧が発生します。次に、前駆体ガスがチャンバーに導入され、高温で基板の周囲で分解します。分解された前駆体ガスの原子が金属蒸気と反応し、基板上に薄膜を形成します。前駆体ガスをオフにすると、堆積が終了します。単一ヒーター設定の主な欠点は、金属源の温度と基板温度を個別に制御できないことです。基板温度が変化すると、金属蒸気圧も変化するため、成長パラメータの範囲が制限されます。2 ヒーター HPCVD 構成では、金属源と基板は 2 つの別々のヒーターによって加熱されます。したがって、成長パラメータをより柔軟に制御できます。

HPCVDによる二ホウ化マグネシウム薄膜

_{HPCVD は、二ホウ化マグネシウム (MgB 2} ) 薄膜を堆積するための最も効果的な技術です。他の MgB ₂堆積技術は、超伝導転移温度が低く結晶性が低いか、 Mg 蒸気中でのex situアニールが必要です。これらの MgB ₂膜の表面は粗く、非化学量論的です。その代わりに、HPCVD システムでは、超伝導回路の基本要素である再現性のある均一なジョセフソン接合を作成するために必要な、滑らかな表面を持つ高品質のin situ純粋 MgB ₂膜を成長させることができます。

原理

Mg-B 系の理論的な状態図から、高温でのMgB ₂の熱力学的相安定性には高い Mg蒸気圧が必要であることがわかります。MgB _{2 は線状化合物であり、Mg/B 比が}化学量論の1:2を超えている限り、高温での余分な Mg はガス相にあり、排出されます。また、MgB _{2が形成されると、熱分解するためには大きな運動障壁を乗り越える必要があります。そのため、MgB}₂フィルム堆積の冷却段階で高い Mg蒸気圧を維持することについて過度に心配する必要はありません。

純粋な映画

HPCVD による二ホウ化マグネシウム薄膜の成長プロセス中、キャリアガスは約 100 Torrの圧力の精製水素ガス H ₂です。この H ₂環境により、堆積中の酸化が防止されます。バルクの純粋な Mg 片が、サセプタ上部の基板の隣に配置されます。サセプタが約 650 °C に加熱されると、純粋な Mg 片も加熱され、基板の近くに高い Mg蒸気圧が発生します。ジボラン(B ₂ H _{6 ) が}ホウ素源として使用されます。ホウ素前駆体ガス B ₂ H ₆がリアクタチャンバに導入されると、MgB ₂膜の成長が始まります。MgB _{2膜の成長速度は、B}₂ H ₆ /H ₂混合物の流量によって制御されます。ホウ素前駆体ガスのスイッチをオフにすると、膜の成長が停止します。

炭素合金フィルム

磁場中における超伝導二ホウ化マグネシウム薄膜の性能を向上させるには、膜に不純物をドープすることが望ましい。HPCVD 技術は、炭素ドープまたは炭素合金化MgB ₂薄膜を成長させる効率的な方法でもある。炭素合金化 MgB ₂薄膜は、キャリアガスに金属有機マグネシウム前駆体、ビス (メチルシクロペンタジエニル) マグネシウム前駆体を追加することを除いて、上記の純粋な MgB 2 薄膜堆積プロセス_と同じ方法で成長させることができる。HPCVD による炭素合金化 MgB ₂薄膜は、非常に高い上部臨界磁場 ( H _c2 ) を示す。磁場がab面と平行な場合、低温で60 Tを超えるH _c2が観測される。

参照

参考文献

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