deposición de vapor físico-química híbrida

La deposición híbrida físico-química en fase vapor (HPCVD) es una técnica de deposición de películas delgadas que combina la deposición física en fase vapor (PVD) con la deposición química en fase vapor (CVD).

En el caso del crecimiento de películas delgadas de diboruro de magnesio (MgB₂ _{) ,}_{el proceso HPCVD utiliza}diborano (B₂H₆ ₎ como gas precursor de boro , pero a diferencia de la CVD convencional, que solo utiliza fuentes gaseosas, se emplean pastillas de magnesio a granel calentadas (99,95 % de pureza) como fuente de Mg en el proceso de deposición. Dado que el proceso implica la descomposición química del gas precursor y la evaporación física del metal a granel, se denomina deposición híbrida físico-química en fase vapor.

Configuración del sistema

El sistema HPCVD generalmente consta de una cámara de reactor refrigerada por agua, un sistema de entrada de gas y control de flujo, un sistema de mantenimiento de presión, un sistema de control de temperatura y un sistema de escape y limpieza de gases.

La principal diferencia entre HPCVD y otros sistemas CVD radica en la unidad de calentamiento. En HPCVD, tanto el sustrato como la fuente de metal sólido se calientan mediante el módulo de calentamiento. El sistema HPCVD convencional suele tener un solo calentador. El sustrato y la fuente de metal sólido se colocan en el mismo susceptor y se calientan simultáneamente por inducción o resistencia . Por encima de cierta temperatura, la fuente de metal se funde y genera una alta presión de vapor en las proximidades del sustrato. A continuación, se introduce el gas precursor en la cámara, que se descompone alrededor del sustrato a alta temperatura. Los átomos del gas precursor descompuesto reaccionan con el vapor de metal, formando películas delgadas sobre el sustrato. La deposición finaliza cuando se interrumpe el suministro de gas precursor. El principal inconveniente de la configuración con un solo calentador es que la temperatura de la fuente de metal y la del sustrato no se pueden controlar de forma independiente. Cada vez que cambia la temperatura del sustrato, también cambia la presión de vapor del metal , lo que limita los rangos de los parámetros de crecimiento. En la configuración HPCVD de dos calentadores, la fuente de metal y el sustrato se calientan mediante dos calentadores separados. De este modo, permite un control más flexible de los parámetros de crecimiento.

Películas delgadas de diboruro de magnesio mediante HPCVD

La HPCVD ha sido la técnica más eficaz para depositar películas delgadas de diboruro de magnesio (MgB₂ ₎ . Otras tecnologías de deposición de MgB₂ _presentan una temperatura de transición superconductora reducida y una cristalinidad deficiente , o bien requieren un recocido ex situ en vapor de magnesio. Las superficies de estas películas de MgB₂ _son rugosas y no estequiométricas . En cambio, el sistema HPCVD permite obtener películas de _MgB₂ puras de alta calidad in situ con superficies lisas, necesarias para fabricar uniones Josephson uniformes y reproducibles , elemento fundamental de los circuitos superconductores .

Principio

Según el diagrama de fases teórico del sistema Mg-B, se requiere una alta presión de vapor de Mg para la estabilidad termodinámica de la fase del _MgB₂ a temperaturas elevadas. El MgB₂ _es un compuesto lineal y, siempre que la relación Mg/B sea superior a la estequiométrica 1:2, cualquier exceso de Mg a temperaturas elevadas permanecerá en fase gaseosa y se evacuará. Además, una vez formado, el MgB₂ _debe superar una barrera cinética significativa para descomponerse térmicamente. Por lo tanto, no es necesario preocuparse excesivamente por mantener una alta presión de vapor de Mg durante la etapa de enfriamiento de la deposición de la película _{de MgB₂} .

Películas puras

Durante el proceso de crecimiento de películas delgadas de diboruro de magnesio mediante HPCVD, el gas portador es hidrógeno purificado (H₂ ₎ a una presión de aproximadamente 100 Torr . Este entorno de H₂ _previene la oxidación durante la deposición. Se colocan piezas de Mg puro junto al sustrato en la parte superior del susceptor . Cuando el susceptor se calienta a unos 650 °C, las piezas de Mg puro también se calientan, lo que genera una alta presión de vapor de Mg en las proximidades del sustrato. Se utiliza diborano ( _B₂H₆ ) como fuente de boro . Las películas de MgB₂ _comienzan a crecer cuando se introduce el gas precursor de boro ( _B₂H₆₎ en la cámara del reactor. La velocidad de crecimiento de la película de MgB₂ se controla mediante el caudal de la mezcla B₂H₆ _/_H₂ . El crecimiento _de la película se detiene cuando se interrumpe el suministro de gas precursor de _boro_.

Películas aleadas con carbono

Para mejorar el rendimiento de las películas delgadas de diboruro de magnesio superconductoras en un campo magnético, es conveniente doparlas con impurezas. La técnica HPCVD es un método eficiente para el crecimiento de películas delgadas _de MgB₂ dopadas o aleadas con carbono . Estas películas se pueden cultivar de la misma manera que las películas de MgB₂ puro, _siguiendo_el mismo proceso descrito anteriormente, pero añadiendo un precursor organometálico de magnesio, el precursor de bis(metilciclopentadienil)magnesio , al gas portador. Las películas delgadas de MgB₂ aleadas con carbono _{obtenidas mediante HPCVD presentan}_un campo crítico superior ( Hc₂ ) extraordinariamente alto. Se observa _un Hc₂ superior a 60 T a bajas temperaturas cuando el campo magnético es paralelo al plano ab .

Véase también

Referencias

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Xi, XX; Pogrebnyakov, AV; Xu, SY; Chen, K.; Cui, Y.; Maertz, CE; Zhuang, CG; Li, Qi; Lamborn, DR; Ala roja, JM; Liu, ZK; Soukiassian, A.; Schlom, DG; Weng, XJ; Dickey, CE; Chen, YB; Tian, W.; Pan, XQ; Cybart, SA; Dynes, RC (2007). "Películas delgadas de MgB ₂ por deposición híbrida de vapor físico-químico". Física C: Superconductividad . 456 ( 1-2 ). Elsevier BV: 22– 37. doi : 10.1016/j.physc.2007.01.029 . ISSN 0921-4534 .