Single liquid solution sources를 이용하여

MOCVD법으로 YBa2Cu3Ox 박막 제조

김보련·이희균．·홍계원．·신형식

전북대학교 화학공학부, ．한국 원자력 연구소

Preparation of YBa2Cu3Ox films

by MOCVD using single liquid solution sources

Bo-Ryoun Kim, Hee-Gyoun Lee．, Gye-Won Hong．, Hyung-Shik Shin

School of Chemical Engineering, Chonbuk National University

．Korea Atomic Energy Research Institute

서 론

화학증착법(Chemical vapor deposition; CVD)은 가열하여 증기상태로된 원료물질이 반응구역 내로 운반가스에 의해 전달되어 기판 표면에서 화학증착 반응을 일으켜 고체상태의 증착층을 얻는 방법으로 고온 초전도 박막의 제조에 많이 이용되는 방법이다.

1988(1)년 Berry등이 처음으로 YBa2Cu3Ox(YBCO) 박막을 CVD법으로 제조하는 데 성공하였고, 그 후로 많은 연구자들이 High Tc(critical temperature) 및 Jc(critical current density)를 갖는 YBCO 초전도 박막을 얻기 위해 원료물질이나 장치개발 또는 증착조건에 초점을 맞추어 활발한 연구를 진행하고 있다.   CVD법은 빠른 속도로 장시간 증착을 시킬 수 있으며 형태나 크기에 크게 제한을 받지 않는 장점을 가지고 있다.

단 결정을 기판으로 사용하여 좋은 박막을 만들려는 노력이 많은 연구자들에 의해 진행되어왔다(2)(3). 이런 초전도 박막은 초고속 연산컴퓨터, 조셉슨 소자를 이용하여 미세한 자장을 정확하게 감지할 수 있는 SQUID와 같은 전자장치를 만드는데 응용할 수 있으나 산업화하기 위해서는 박막의 선재화가 필수 조건인데 원료물질을 그대로 증발시키는 고전적인 CVD법으로는 원료물질의 휘발성과 안정성의 제어가 어렵기 때문에 박막을 연속적으로 재현할 수 없는 단점이 있었다.

본 실험에서는 원료물질이 반응기안에서 균일하게 증발하여 증착되도록 □-diketonate기로 이루어진 킬레이트 화합물을 유기용매인 tetrahydrofuran(THF)에 녹여서 single liquid solution sources로 제조하여 연속적으로 반응기안으로 분사함으로써 YBCO초전도 박막을 제조하였으며, 제조된 박막은 XRD 및 SEM등을 통하여 결정구조 및 미세구조 등을 측정하여 초전도 박막의 특성을 조사하였다.

실험방법

본 실험은 single solution sources를 제조하기 위하여 원료물질로 Y(thd)3, Ba(thd)2, Cu(thd)2 (thd=2,2,6,6-tetramethyl-3,5-heptanedione) □-diketonate 킬레이트 화합물을 유기용매 THF에 Y(thd)3, Ba(thd)2, 와Cu(thd)2 가 1.0:1.8:2.4의 몰비가 되도록 녹여 solution을 제조하여(4)(5 Fig. 1 과 같은 반응기안에 0.2□/min 속도로 L-MFC(liquid mass flow controller)에 공급된다. L-MFC에서 전자적으로 조절 공급된 원료는 atomizer로 유입되어 mist 형태로 분사되며, carrier gas는 Ar을 사용하며, 반응가스는 산소를 사용한다. Atomizer를 통하여 분사된 용액은 350℃인 preheated zone에서 유기용매는 증발하고, 킬레이트 화합물은 evaporation되어 800℃의 반응기 안에서 원료물질이 MgO기판과 반응함으로써 YBCO초전도 박막을 제조하였다.

Fig. 1 .Schematic diagram of single solution MOCVD reactor

CVD법을 이용하여 YBCO박막을 제조할 때 사용되는 산소는 YBCO의 결정화뿐 아니라 thd와 THF의 thermal decomposition에 이용된다. 다음과 같은 화학반응식을 살펴볼 수 있다.

원료물질의 분해와 YBCO 생성반응

M(thd)□+ O2 □ YBa2Cu3Ox + □thd	(1)

유기용매의 연소

2thd + 29O2 □ 18H2O + 22CO2	(2)

2THF + 11O2 □ 8H2O +8CO2	(3)

M = Y, Ba, Cu. thd = C11H18O2. THF = C4H8O 이다.

Single solution sources를 가지고 YBCO박막을 제조할 때 원료용액의 농도, carrier gas의 유속과 THF용액의 주입량이 박막성장 속도를 결정하는 변수로 작용을 한 것 같다.  Table 1에 CVD 반응조건을 나타내었다.

Table 1. Deposition conditions

Molar ratio of precursors	1.0: 2.4: 2.7
Injection rate of THF solution	0.2 □/min
Carrier gas (Ar)	450 □/min
Reactant gas (O2)	250 □/min
Total gas pressure	7 Torr
Partially oxygen pressure	0.3 Torr
Deposition temperature	800℃
Deposition time	20 min

결과 및 토론

Single liquid solution sources를 이용하여 제조한 초전도 박막의 초전도 peak을 관찰하기 위하여 XRD분석을 하여 Fig. 2에 나타내었다.

Fig. 2 . X-ray diffraction pattern of the YBa2Cu3Ox film

deposited on MgO

(b)

Fig .3. SEM micrograph of YBCO film deposited on MgO

(a)

: (a) surface, (b) cross-section

Fig. 3.은 제조된 박막을 SEM으로 관찰한 것이다. (a)는 기판표면에 증착된 박막의 표면으로 비교적 균일한 상이 제조됨을 알 수 있었으며, (b)는 박막의 단면을 통해 막의 두께를 관찰한 것이다.

참고문헌

1. H.Yamane, H.Kurosawa and T.Hirai, Cem. Lett., (1988),939

2. A.D berry, D.K. Gaskill, R.T.Holm, E.J.Cukauskas, R.Kaplan and R.L.Henry,    Appl.Phys.Lett, 52(1988), 1743

3. K.Watanabe, N.Kobayasi, H.Yamane, H.Kurosawa, T.Hirai, H.Kawabe and     Y.Muto, J.Appl.Phys, 28(1986), L1417

4. K.Onabe, S.Nagaya, N.Hirano, T.Yamaguchi, Y.Iijima, N.Sadakata, T.Saitoh    and O.Kohno, Adv. in Superconductivity Ⅶ(1994), ed. by K.Yamafuji and      T.Morishita, Proc. of 7th Int. Symp.on superconductivity, Kitakyushu,          Springer-Verlag Tokyo, 601