REVISTA MEXICANA I)E FíSICA ~~ Slll'I.E:\IENTO .1, 260-2(14 l>lcrE~1HRE ]9(}X

Efecto de las condiciones de r f sputtering en las propiedades morfológicas ysuperconductoras en películas delgadas de YBa2Cu:¡07_J

M. Acosta 1,2, O. Arés 1.2 Yictor Sosa 1, C. Acosta I y O. Cch 11 Departame1lto de Física Aplicada, Cl'lltro de /m'l'.Higoción y de Eswdios A\'o1l:.ados

/IlJIit/tlo Politt'cnico Nacional, Unidad ,\féridllApartado posUll73 "Cnn/e11lex", 973/0 Mérit/(I, ~i/('mán, Alcxic(J,

"1Laboratorio de SupercOIlt/uctiridad, /nstit/tlo de A1meriale,\'y R('actiwJ.!Ipara la Electrónica, FaCilItad dl' Fúica,Ulli\'l'n'idtU/ de La Hahana

Vedado IMOO, lB Habollo, Cuba

Recibido el 4 de fehrero de \ tJ9X;acertado el 2\ dc ahri 1de 1998

Empicando la ténlica de lf s/JIll1eri"8 con magnetrón en la cllllliguración ofra.ü.~.••e crecieron ill situ película ••delgada ••dc YBeO u.••andoSrTiO,1 (\ 00) como ••ustrafO. Se estudió el efecto de la distancia hlanco-sustr<lto en b (cmpcratur<l crítil'a (T~,)Y en la densidad de corrientecrítica (.r.), ;'\Juestras mejores muestras tienen valores de Te -- 85 K Y .Ir -- 101

; i\lcm2 a 20 K. La morfología de la ~urerricie fue estudiadaernrkalldo micrmcoría de fuer/a ¡¡t(¡mira (Ar~1) y rnicr(N:oría l'ICCII"{lnil'ade harrido (SEM), ohscl"vándose terrazas de crccimienl<l conalturas entre escalonl.?"sdel orden del parámelro r de la red, Las muestras L'fecidas en posiciones no óptimas rrcsentan n:giolle ••no ~upcn.:t)[J,durtora ..•, Este erecto está relacionado con el homhanJco que rccihcll c~tas relículas por los iOllc" de oxígeno o por las partícula" energétÍl'J.'del r1a••ma.

l)e.WTllllort'S: YBCO; películas delgadas; hornhardeo jónico: If.\pl/rrl'I"illg

Using an off-a.\is ('onfigurJtioll we havc prepareJ in sirll su¡x'rconductíng YBa2CLI30';'_,j (YBCO) (hin lilms on SrTiO" ••inglc-crystal (100)

suh ••trate~. \Ve have studicd thc ctfect 01' the distance from the target- ••ubslrate on lhe críticaltemrerature O:.) ano current den ••ity (le) 01' ourIilms. Our hest samrlcs hao T, ""-85 K and Je ""- IOf, A/cm:! al 20 K. Surfacc torograrhy \\'a!' ex.unined hy <ltomil.:force microscopy (AF~t,ano ~canl1ing cleclron microscory (SE)\1), showing the growlh 01' "riral.~hapl'd terrare ••.The height hetwcl'n stcr'" wa." 01' the ordcr 01' thec-a\i~ lcnglh. S<lrnrlc.••grov..-nat not optimi7cd pmitiol1!' prc ••elltl'd non supcrnlllduc(ing regilln ••.The damagc 01' thi ••regions was relatcd lolhe homhardmcnt 01' negali\'e oxygen ions ur highly-energetic particJes presenl in the rla ••ma

Ke\'II"O/f/S: YBCO; thin films; ion homhardrnent: Ifs/lllllerill~

PACS X1.15.Cd

1. Introducci<Ín

Una de las técnicas más usadas en la preparación oc películasdelgadas de YBCO es la de Ifsl'u1tering con magnetrón. Nu-IllCroSllS trabajos han aparecido describiendo la preparacióny las propiedades de las películas dc YBCO creciJas (;011 ('std

técnica 11. 2].

El proceso de crecimiento es complicado ya que la caJi.dad de las películas depende de varios factores estrechamenteinterrelacionados como son: la potencia de re la presión tolalen la cámara y las presiones de (ada uno de los gases, la po-sición relativa y la t.1istancia dd sustrato respecto dd hlancoy la temperatura del sustralO, entre otros.

Un aspecto de gran peso en la compleja dependencia delos faclores ante ..•mencionados, es la presencia de los iOlles0- en la cámara. Estos ¡onc" se forman en la superficie delblanco [:ll y son acelerados por el campo eléctrico del cañóndt.:1 lIlagnt.:trón, por lo que son capaces de llegar al sustratocon ellergías de unas decenas y hasta cientos de eY; energíaque es ::.uticicnte para provocar ¡-('s/1UlIerillg en b capa H-.(i 1y otros daños severos a la misma.

2. Detalles experimentales

Las películas delgadas de YBCO fueron crecidas in situ usan-do la técnica de '1spulIering con magnetrón, t.:mpleando co~mo sustratos SrTiO:~ (100), de dimensiones Ixl x 0.1 cm:i.Los crecimientos se realizaron en una cámara de vacío Coo-ke Vacuulll ProdUClS, que con~.aa de una oomha mecánica yuna difusora. Nuestro sislema opera con un cañón de magnc4

Irón dc 2 pulgadas US' Ine. Usamos en nuestros crecimientosuna potencia de rf de 100 \\'. 1:1olanco (5.0S cm de diámetroy 0.6 cm de espesor) fue sintcri/.ado ti partir de polvos estc-quiométricos de YECO (1 :2:3).

El suslrato es calentado por efecto Joule. La temperaturadurante l'i proceso es controlada a través de una computado-ra, con una rrcl'isión dc 0.1oc. La tempcratura en d sustra-to (T,) fue determinada empicando un pirómetro infrarrojo(Thcn1Jakt Raytek 11\-1).Los gasL:s empleados rara el pmcc-so dc spullering fueron una inCIda de 01 y Ar.

Las mediciones de resistividad fueron realil.adas USJnooel tliétodo convencional de cuatro puntas. empleando un re-frigerador dc ciclo l'l'rrado de He (Cryolllcch lTlodcl 51'15),

EFECTO DE LAS CONDICIONES DE '.fSPU7TERING EN LAS PROPIEDADES ... 261

que permite alcanzar tempera/u ras de hasta 10 K. Para de-terminar la corriente crítica a 77 K se emplearon las mcdi.ciones convencionales de corriente-voltaje, por cuatro puntascon el criterio de I mVIcm. A bajas temperaturas fue nece-sario recurrir a la técnica de apantallamiento magnético paradeterminar la densidad de corriente crítica.

Empicando una configuraci6n de Bragg-Brentano, seobtuvieron los patrones de difracción de nuestras mues-tras y las curvas de balanceo, mediante un difractómctroSicmcns D500. La topografía de la superficie de las películasde YBCO obtenidas fue analizada usando la técnica de mi.croscopía de fuerza atómica (AFM) en un equipo ParkerScicntifk Instrumcnts Autoprobc L59. Para complementarlos análisis de la morfología de las muestras se realizaronimágenes usando la técnica de microscopía electrónica de ba.rrido (SEM) en un equipo JEOL 3SC.

1 lona oscuray p v,:~: Vo 0-

blanco

~__ 1 0-

canón ma¡n •••trón

FIGURA 1. Representación esquemática de la distribución angularde los iones 0-. donde {3c es el ángulo para Ct: ::: 900 respectode la normal al blanco, Vo es la velocidad inicial del ión y V....lacomponente normal después de ser acelerado.

3, Resultados y discusión

FIGURA J. Representación esquemática de la capa SCI.

FIGURA 4. Curva de resistencia vs. temperatura para la región su-perconductora de la muestra SC l.

FIGURA 2. Esquema de nuestro sistema donde se presenta el conoformado por los iones 0- , delimitado por las !fneas de proyección(LP) y la ubicación de los sustratos de algunos crecimientos.

""""Temperatura (K)

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carlón drll1Hl~lIttról1 2 1 ~= -+LP~ P

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3.1. Efecto de resput!ering por los iones 0-

lun-Hao Xu el al. [3J enconlraron que como resultado de laaceleración que adquieren los iones 0- perpendicular a lasuperficie del blanco, éstos van a tener una distribución an.guIar preferencial en la dirección normal al blanco y no unadistribución coscnoidal como el resto de las especies neutras.Asumiendo que al inicio el ión 0- viaja con una velocidadVa, formando un ángulo Q' respecto de la normal al blanco,tendremos que producto de la ganancia de energía cinética,este ión se vuelve más energético y cambia su dirección conun ángulo reducido i3 respecto de la normal al blanco, co-mo se muestra en la Fig. l. Considerando el caso o = 90°,obtienen un ángulo máximo l3e que describe la distribuciónangular de los iones 0- más peligrosos para la configuraciónoff-axis.

Al empicar Po, = iO mTorr, PA, = 60 mTorr y las dis-tancias Dh = 3.5 cm, D" = 3 cm, T, = 660° e, (posición Ien la Fig. 2), observamos un fenómeno muy interesante: lacapa crecida (SCl) tiene dos regiones bien delimitadas, comose muestra esquemáticamente en la Fig. 3. La primera región,más cercana al blanco era negra, especular y superconductoray la otra región era opaca y aislante. En la Fig. 4 se muestrala curva de resistencia vs. temperatura para la región super-conductora con valores de Te = 80.5 K, Ton5{'t = 91 K Ycorriente crítica le = 0.3 mA a 77 K.

La existencia de estas dos zonas bien delimitadas en lamuestra SC 1, sugiere que el sustrato fue cortado por la super.flcie cónica formada por iones energéticos 0- que se muevencon un ángulo ¡J < (3,. Nosotros estimamos el valor de (3, deacuerdo a las características de nuestro sistema, obteniendo elvalor teórico de (3, = 30.6°. La Ifnea de separación entre lasdos regiones de se l aparece en un ángulo ,Be experimentalde 30°, lo que coincide con el valor calculado teóricamente.De hecho la observación de estas dos zonas en se I , constitu-ye una evidencia experimental de este modelo de distribuciónangular de los iones 0- .

262 M. ACOSTA. o. ARÉS. V1CTOR SOSA. c. ACOSTA y O. CEH

"

('l

(b)

,

••11

1II

y

o ,Energla (KeV)

FIGURA 7. EDAX para las LOnas (a) superconductora y (b) afecta-da por rcsputtering de la muestra se 1.

En las imágenes obtenidas por la técnica de SEM (Fig. 6),se observan las diferencias entre las Jos regiones de se l.En la zona scveramente dañada apareccn crátcres provoca.dos por el bombardeo mientras en la región superconductorase observa una región mucho más compacta. En la Fig. 7 semuestran los resullados de los análisis EDAX a las dos zonasy se observa que la zona aislante está deficiente en Cu y Ba.respecto de la zona superconductora, lo que es característicode las regiones que sufren respul1erillg [31.

Al colocar un sustrato ahora en la posición Dh = 2.5 cmy DI' = 3 cm. manteniendo POz = 70 mTorr, PAr =60 mTorr y T, = 660°C (muestra SC2), se observó unfenómeno similar al anterior. Se distinguen dos regiones cla-ramente diferenciadas, pero esta vez con la región dañadamás cercana al blanco. Este efecto debe estar relacionadocon el bombardeo de las panículas energéticas del plasma.En esta posición la capa queda prácticamente sumergida enel plasma. Nuevamente la zona bombardeada es opaca, nosuperconductora y deficiente en Cu y en Ba y la región su-perconductora negra y especular. Las propiedades supercon-ductoras de esta se muestran en la Pig. 12.

Con el objetivo de reducir los efectos del hombardeo analiza-dos en el punto anterior. ubicamos el sustrato en la posición3 de la Fig, 2 (Dh = 3.5 cm y Do = 4 cm), manteniendo laPo, = 70 mTorr, PA, = 60 mTorr y T, = 660°C. Cbnestos parámetros fue posible obtener una capa homogénea(SC3), especular y superconductora. manteniendo una razónde depósilo de aproximadamente I nm/min.

En la Fig. 8 se muestra la curva resislcncia \'s. lemperalu-ra para esta muestra. de donde se obtienen los siguientes va-lores: Te = 85 K. Tons('t = 91 K. !::iT = TolIsl't - Te = 6 K.El ensanchamiento de la transición superconductora de 6 Ken esta muestra, es característico de un alargamiento delpárametro del eje e de la red y de esfuerzos creados duran-te el proceso de crecimiento [5, 7-9).

3.2. Propiedades supcrcondllctonls y estructurales de laspelículas delgadlls de YIlCO

(a/

o

¡.mOSOl0.25000

FIGURA 6. Imagen SEM de: (a) zona afectada por rcspullcnng y(b) lOna superconductora de la muestra se!.

Una observación de las imágenes obtenidas por AFM(Fig. 5) Y SEM (Fig. 6) de ¡as dos regiones de SC!. nlOes-tran que la superficie de la región aislante está severamenteafectada por el bombardeo de los iones 0-. Se observan cla-ramente islas de YBCO similares a las reportadas para casosde efectos severos de resputtering l2]. a diferencia de la re-gión superconductora que se observa mucho más compacta ydensa.

FIGURA 5. Imagen AFM de: (a) zona afectada por el rcspu((cringy (h) zona superconductora de la muestra se!.

I<e". Mex. fú. 44 S.J (1998) 260-264

EFECTO DE LAS CONDICIONES DE if SPlflTERING EN LAS PROPIEDADES ... 263

(b)

o(a)

FIGURA 11. Imagen AFM tridimensional para un grano individualde la muestra Se3, donde se aprecian las terrazas de crecimienlo.

FIGURA 10. Imágenes de la mueslra Se3 empleando las técnicas(a) AFM y (b) SEM.

El valor de corriente crítica para la muestra SC3 es de65 mA a 77 K, lo que considerando un espesor estima-do por la técnica de SEM de 2000 A nos permite ohteneruna densidad de corriente crítica de 1.6 x 104 Alcm2. Apli-cando la técnica de shie/dillg a 20 K se obtiene un valor de2 x 106 Ncm2• con un error del 20%.

Los detalles de las curvas de resistencia l/S. temperatu-ra para las muestras SC l. SC2. y SC3. se muestran en laFig. 12. Al comparar las curvas para SC 1 y SC3 la Ton", esprácticamente la misma, siendo más ancha la transición su-perconductora para SC I (T, = 80.5 K). Este ensanchamientomayor de se I deberá estar relacionado con los defectos en lared que pueden generar el bombardeo residual de iones de 0-y que fue sugerido fundamentalmente por la forma piramidalde los granos de esta muestra.

907080

2e

••••

•••• •• •

100 150 200

Temperatura (K)

•

3020

8~ ~ [ftiii iIf •

'" [,

ª- •I•ª ., ., , , ,

.'" ~iIf

~

~~ 1 [. I A . - --J.. _ .

,------------------;.~100

80

ª 80

.3e

~.,

Ir

20

oO 80

FIGURA 8. Curva de resistencia \'s. temperatura para la mucs-Ira Se3.

FIGURA 9. Difractograma para la muestra Se3. en el inset se mues.Ira curva de balanceo para el pico (005), para el que se obtuvo unvalor de D.W = 0.71.

En el difractograma de la capa SC3 que se muestra cnla Fig. 9. aparecen mayoritariamente los picos (00f) ca-racterísticos de crecimiento orientado según el eje c. Elparámetro c de esta muestra fue de (1 1.707 "= 0.008) A.valor mayor que el reportado para películas de alta calidad(c = 11.689 A. según BofIa el a/. [10]). El valor del anchode la curva de balanceo (rocking curve en inglés) a su alturamedia (c.w) es de 0.71 para el pico (005) de la muestra SC3.Este valor es relativamente elevado en comparación con losreportados para películas delgadas de YBCO de alta calidad.c.w = 0.16 [101. lo que evidencia que la crislalinidad de lamuestra está afectada.

En la Fig. 10 se preselllan las imágenes por las técnicasAFM y SEM de la muestra SC3. La superficie de los granoses más plana para Se3 en contraste con la estructura pirami-dal de los granos en la zona superconductora de SC l.

En la Fig. 1I se observan las terrazas de crecimiento deun grano de la muestra SC3. La altura entre terraza y terrazatiene un valor aproximado de 12 Á, lo que está en buena co-rrespondencia con el valor del eje e de la rcd para el YBCO.

Re\'. Mex. Fú . .¡.j S3 (1998) 26()..•264

~1. ACOSTA. O. ARÉS. VICTOR SOSA. c. ACOSTA y O CEH

FIGURA 12. Gráfica de resistencia VS. temperatura para SCl, SC2y SC3.

En el caso de SC2, que es la muestra dañada por laspartículas energéticas del plasma, la característica resisten-cia vs. temperatura es diferente. pues presenta una Tonset =87 K, que asociamos con características diferentes del bom-bardeo que recibió en esta zona. Se observa claramente quenuestra mejor muestra SC3 presenta aún un ensanchamiento!:J.T en la transición superconductora. por lo que suponemosque en la posición donde la colocamos existe un bombardeoresidual de iones 0-.

En un trabajo reali/.ado por Schneider el al. [5], fue estu-diado intencionalmente el bombardeo de Ar+ sohre películasde YBCO. Ellos encontraron que el bombardeo de los ionesAr+ produce un ensanchamiento en la transición :')"T y en el~!l' de las muestras crecidas, determinando una potencia debombardeo umbral de 35 eVx 1016 Ar+/s.em2 para la pro-ducción de estos defectos. Al realizar los cálculos correspon-dientes a las características de nuestro sistema ohtenemos queel Hujo mínimo de iones 0- asociado con nuestro magnetrónes del orden de 1016 0- /s.cm2 que está en correspondenciacon el valor de flujo determinado por Schneider el al. [51,como valor umbral para provocar daños a la capa en creci-miento.

Este cálculo nos permite afirmar que en nuestras condi-ciones de crecimiento aún en posiciones como la 3 de laFig. 2, no existen limitaciones para que el bombardeo deiones 0- sea suficiente como para afectar las propiedadesde la muestra Se3 sin signos evidentes de respllltering.

• se,-0- SC2-1- SC3

Empleando la técnica de If s/JII1tering con magnetrón en laconfiguración off-axis, se obtuvieron películas delgadas ..:;u-perconduclOras de YBCO con valores de Te '" 85 K, J(' '"10" Ncm2 a 77 K Y '" IOfl Ncm2 a 20 K, con ralones dedepósito altas (- I nm/min).

Se corroboró experimentalmente que existe una distribu-ción angular de las energías de los iones 0- que son genera-dos en la superficie del blanco. Los iones que pueden provo-car resputtering en la capa dehen dirigirse en un COIlO cuyoángulo IJc respecto de la normal al blanco, oscila entre 200

y 30° en dependencia de las características y parámetros delsistcma de sputtering utilizado.

Para posiciones del sustrato que cumplen con ,j > Jc aúnpueden existir niveles de bombardeo de iones 0- que no se-an suficientes para provocar respwtering de la capa, pero sípara inducir defectos que afectan la optimización de sus pro-piedades superconductoras.

En la optimización de la distancia horilontal sustrato-blanco (Dio) quedó claramente establecido que la dismi-nución de esta magnitud puede acarrear dafios considera-hles a la capa en crecimiento por efectos de la partículasenergéticas del plasma y cn el caso de alejamiento por ionesenergéticos 0-.

En un sistema de '.1 spllrte,.ing con magnetrón en confi-guración off-axis, en el que se utilizcn presiones totales me-dias (-130 mTorr) y en posiciones de sustrato que permitanohtencr razones de depósito altas ('" l nm/min), la oplimi¿a-ci6n de las propiedades superconductoras resulta una tareadifícil. Se dehe prestar especial atención a las característicasdel cañón de magnetrón con vistas a lograr esta optimilaL'Íón.

Agradecemos el apoyo brindado por el personal del Depar-tamento de Física Aplicada, CINVESTAV-1PN, en especial aOswaldo Gómez, Fidel Gamboa, Fabio Chalé, Felipe Caba-llero, \Vilian Cauich, Daniel [,ére/., Roberto Sánchel.., VictorRejón, Mario Herrera y a la Dra. Patricia Quintana.

Este trabajo ha sido parcialmente financiado por el pro-yecto 3437-E del CONACyT y la Secretaría de RelacionesExteriores del gobierno mexicano.

Agradecimientos

4. Conclusiones

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1. E. García-González, G. Wagner. M. Reedyk. and H.-U Haber-meier.J Appl. Ph)'s. 78 (1995) 353.

2. L.M. Wang, H.H. Sung. J.H. Chern. and Re. Yang, 1. Appl.Ph)'s. 73 (1993) 8419.

3. Jun-HaoXu, B.~1. ~1oon.and K.V. Rao, ./. Mare,: ReJ. 10(1995) 798.

4. H. Enami el al.. 1.1>11.1. Appl. Phys. 29 (1990) L 782.

5. R. Schneider el al.. Physica e 220 (1994) 165.

6. T.I. Selinder,G. Larsson, and U. Helmersson, 1. Af'pl. PhYJ. 69(1991) 390; H. En.mi el al, Jpll. 1. Appl. Phrs. 29 (1990) L782.

7. André Wong. Ruixing Liang. Michael Gardncr. ami Walter NlIardy,J. Appl. Ph)' 82 (1997) 3019.

8. lA. Kittl and \V.L. Johnson. J. MOler. Res. 7 (1992) 2003.9. Andrea Gauzzi and Davor Pa\"una, Appl. Ph.\"s.Leu. fJ() (1995)

1836.10. V Boffa el al., Plmica e 271,(1997) 218.

Reo'.Mex. Fís. 44 S3 (199M)260-264