반응성 코이베포레이션에 의한 산화물 박막 성장을 위한높은 쓰루풋의 피착 시스템 document_id A220623107863

HTS 물질의 페로브스카이트 페밀리를 1980년대 중반에 발견한 이래로, 고품질의 HTS 막을 피착시키는 능력에 있어서 광범위한 진보가 이루어져 왔다. HTS 물질에 의해 형성된 박막은, 예를 들어 검출기, 디지털 회로, 및 수동 마이크로파 디바이스(예를 들면, HTS 기반 필터)를 비롯하여 각종 초전도성 전자 응용기기에 매우 바람직하다. 지난 수년 동안, HTS 산화물 물질의 박막의 피착에 대한 여러가지 기술들이 개발되어 왔다. 이들 기술들에는, 스퍼터링, PLD(pulsed laser deposition), 및 MOCVD(metal-organic chemical vapor deposition)가 포함된다. 예시적인 HTS 산화물 물질로서는, YBCO(Yttrium Barium Copper Oxide), BSCCO(Bismuth Strontium Calcium Copper Oxide), TBCCO(Thallium Barium Calcium Copper Oxide), 및 HBCCO(Mercury Barium Calcium Copper Oxide)를 들 수 있다. 이들 물질들 중에서, YBCO는 상대적으로 더 작은 전도 이방성(conduction anisotropy), 자계에서의 높은 초전도성 임계 전류, 및 양호한 화학적 안정성으로 인해 많은 응용 분야에서 현재 선호되는 화합물이다. 또한, 다른 HTS 화합물들에 비해, YBCO의 고품질의 단일 상(phase) 박막들이 성장될 수 있는 상대적인 용이함이 아마도 가장 큰 특성일 것이다. 그럼에도 불구하고, 이들 물질의 박막 성장은 여전히 어렵다. 고품질의 막을 얻기 위해서는, 특정 방향으로 향하게 되는(oriented) 에피택셜 성장(면 내(in-plane) 및 면 외(out-ot-plane))이 필요한데, 이는 고품질의 막은 고온(일반적으로 700℃보다 높음)에서만 성장될 수 있음을 의미한다. 따라서, 화학적 융화성(chemical compatibility), 격자 상수 일치, 및 열 팽창 일치라고 하는 엄격한 요건들을 만족시키는 소수의 단결정 기판들 상에서만 성장이 가능하다. 또한, 기판의 속성들은 요구되는 용도에 적합해야 한다. 예를 들면, MgO는, 성장 요건(needs)을 만족시키고 또한 마이크로파 응용물에 대해 충분히 낮은 손실을 갖는 기판이다. HTS 물질들의 성장은, 이들 화합물이 산화물 형태의 적어도 세 가지 금속 종류를 일반적으로 포함한다는 사실로 인해 더욱 복잡하다. 따라서, 채용되는 성장 방법은, 적절한 막 화학양론 및 균일성을 얻기 위해 엄격하게 제어되어야 한다. 또한, 이들 물질의 인 시츄 성장에는 이들이 성장할 때 산소가 주입될 것을 필요로 하는데, 이는 물리적 기상 증착과 같은 많은 통상적인 기술들과 일반적으로 양립되지 않는다. 또한, 특정 응용물에서는, 단일 기판의 두 개의 면들 상에 HTS 박막들이 성장될 것이 요구된다. 스퍼터링, 펄스형 레이저 피착 및 금속-유기 화학 기상 증착과 같은 종래의 인 시츄 성장 기술 모두는 HTS 박막 성장에 성공적으로 이용되어 왔다. 그러나, 이들 방법들에는, 저속 성장(스퍼터링), 조성 제어의 어려움, 열악한 재현성(reproducibility), 열악한 막 균일성(스퍼터링, MOCVD), 대규모 영역 피착의 어려움(PLD), 및 확장 및 축소(scalability)의 어려움(전술한 모든 기술들이 해당됨)을 비롯한 심각한 한계 사항들이 존재한다. 보다 최근에는, 회전하는 산소-포켓 히터를 이용하는 반응성 코이베포레이션(coevaporation) 기술이 이용되어 왔으며, 이 기술은 전술한 한계 사항들 중 많은 부분들을 다루고 있다. 이 기술에서는, 회전하는 기판 지지 부재 또는 턴테이블 상에 중력에 의해 기판들이 홀딩된다. 이 기판들을 포함하는 기판 지지 부재는, 반응에 필요한 균일한 고온으로 되도록 방사 형태로 기판들을 가열시키는 원통 모양의 히터(즉, 히터 본체)에 의해 그 꼭대기, 바닥 및 측면들이 둘러싸인다. 기판 지지 부재는, 히터 본체의 내부에서 회전가능하며, 일부 회전 기간 동안 히터 본체의 하측 부분 내에 배치된 윈도우를 통해 진공 챔버에 노출된다. 진공 챔버는 히터 본체를 둘러싸며 반응을 위한 피착 소스들을 포함한다. 일실시예에서, 히터 본체는 또한 히터 본체의 바닥 부분에 위치한 산소 포켓 영역을 포함한다. 산소가 산소 포켓 영역에 공급되어 일부 회전 기간 동안 기판들이 산소에 노출된다. 산소 포켓 영역과 둘러싸는 진공 챔버 간에는 큰 압력 차가 발생한다. 이 압력 차는, 회전하는 기판 지지 부재와 산소 포켓 영역 사이에 형성된 좁은 갭에 의해 유지되며, 이에 의해 산소 포켓으로부터 산소가 느리게 누출된다. 기판들이 진공 챔버에 노출되는 회전 기간 동안, 이베포레이션(evaporation)과 같은 일반적인 PVD 기술을 이용하여 박막 구성물들(일반적으로 금속 종류들임)이 기판들의 하측 상에 피착될 수 있다. 기판들이 기판 지지 부재 상에서 산소 포켓 내로 회전될 때 산화 반응이 일어난다. 회전하는 산소 포켓 히터를 이용한 반응성 코이베포레이션은, 예를 들어 HTS 막의 성장에 필요한 높은 산소 압력 상태 하에서 발생할 수 있는 복잡성을 야기하지 않고 진공에서 금속들을 이베포레이팅할 수 있는 능력을 비롯하여 여러가지 이점들을 갖는다. 또한, 회전하는 산소 포켓 히터 기술은 비교적 큰 표면 영역을 갖는 기판들 상의 피착을 가능하게 해준다. 또한 이 기술은 동시에 여러 기판들 상에 HTS 물질을 피착시킬 수 있는 능력을 갖는다. 히터는 흑체 복사체와 거의 비슷하기 때문에, 서로 다른 기판 물질도 또한 이들이 서로 다른 흡수율을 가질지라도 동시에 통합될 수 있다. 최종적으로, 회전하는 산소 포켓 히터를 이용한 반응성 코이베포레이션은, 기판의 어떠한 면도 히터 본체와 직접 접촉하지 않기 때문에 기판의 양쪽 면상에 순차적으로 HTS 물질을 피착시킬 수 있게 해준다. 반응성 코이베포레이션 방법들이 HTS 박막의 형성에 매우 적절하지만, 반응성 코이베포레이션이 상업적으로 실용적인 제조 공정으로 구현될 수 있도록 이러한 방법들의 역량 및 안정성을 증가시킬 필요성이 남아 있다. 따라서, 반응성 코이베포레이션 피착 시스템들 및 방법들의 쓰루풋 및 신뢰성을 증가시킬 필요성이 존재한다.