Interaction laser U.V (KrF 248 nm). Cible supraconductrice YBaCuO : - étude du panache par spectrométrie de masse - application à la réalisation de couches minces

J P Marchet (1) , C. Champeaux (1) , D. Damiani (2) , P. Marchet (1) , A. Catherinot (1)

1 LMCTS - Laboratoire de Matériaux Céramiques et Traitements de Surface
2 CEA Le Ripault - CEA Le Ripault

The KrF laser-induced plasma plume created above a YBaCuO superconducting target is investigated by mass spectrometry. Correlations between this study and deposition conditions lead to elaboration of "good" superconducting thin films on MgO and LaA103 single-crystal substrates.

La réalisation de couches minces supraconductrices par ablation laser nécessite la compréhension des phénomènes mis en jeu lors de l'interaction laser-cible conduisant au transport des espèces de la cible vers le substrat. C'est pourquoi nous nous sommes intéressés à la caractérisation du panache par spectroscopie optique et par spectrométrie de masse. Ces deux études suivies d'un examen systématique des paramètres de dépôt nous ont permis d'élaborer des films supraconducteurs YBaCuO de bonne qualité (température critique 90 K, largeur de transition < 1 K) sur substrats monocristallins de type MgO et LaAlO3. 1-Analyse du panache par spectrométrie de masse Un laser à excimères KrF (248 nm, énergie de 20 à 300 mJ pour une impulsion de 14 ns) est focalisé avec une incidence de 35 °, sur un échantillon supraconducteur fritté placé à l'intérieur d'une enceinte à ultra-vide (10-9 mbar) et muni d'un mouvement de rotation. Le panache plasma formé est analysé grâce à un spectromètre de masse quadrupolaire QMG 420 ALZERS équipé d'un pompage turbomoléculaire différentiel. Du fait du faible rapport signal/bruit lors de la détection d'espèces neutres, notre étude s'est limitée aux ions. Outre les ions des atomes élémentaires (Y + , Ba + , Cu + , O +) et des molécules diatomiques oxydes (YO + , BaO + , CuO +) observés par spectroscopie optique [1], des espèces plus complexes telles que YO2 + , Y2O2 + , BaO2 + , Ba2O + et Ba2O2 + ont été détectées. L'intensité des espèces ioniques mono et di-atomiques suit une loi quasi-exponentielle en fonction de la fluence alors que celle des ions plus lourds présente un maximum pour une fluence de l'ordre de 3 J/cm 2 (voir par exemple les figures 1 et 2). Notons que c'est à cette fluence que nous obtenons les meilleurs dépôts. Les orbes d'éjection des ions, déterminés en inclinant la cible, montrent que leurs distributions angulaires très spéculaires peuvent être approximées par une loi en cos n où n varie de 90 à 170 suivant l'espèce (exemple figure 3 pour O +). 2-Corrélation : panache de vapeur éjectée-dépôts Afin de corréler les résultats de l'étude précédente à la distribution en épaisseur, un dépôt a été réalisé sur un substrat silicium auquel était accolée une grille. Les mesures d'épaisseur effectuées (figure 4) à l'aide d'un profilomètre DEKTAK IIA sont comparées à une fonction en cos p. p varie de 16 au centre (dans un disque d'environ 1 cm de diamètre) à 12 à la périphérie. A partir des approximations en cos n (orbe) et cos p (épaisseur), nous avons montré que les ions représentent 10 % des espèces contribuant à l'épaisseur du dépôt et qu'une couche de bonne qualité ne peut être obtenue que dans un cône d'angle 10° centré autour de la normale à la cible. 3-Application à la réalisation de couches minces Les analyses du panache par spectroscopie optique et par spectrométrie de masse permettent la détermination des conditions de transfert stoechiométrique des espèces cationiques (Y, Ba, Cu) de la cible vers le substrat. Mais l'élaboration de dépôts supraconducteurs de bonne qualité nécessite la maîtrise de divers paramètres tels par exemple les température et pression de dépôt, l'atmosphère et la pression de refroidissement. Une étude systématique [2] de ceux-ci nous a conduit à l'élaboration de films supraconducteurs epitaxiés (001) (axe c perpendiculaire au substrat) présentant une température critique de 90 K. et une largeur de transition inférieure à 1 K sur substrats monocristallins MgO (fig 5) et LaA1O3 (fig 6) et ce, de manière reproductible.

Domaines: Matériaux

J P Marchet, C. Champeaux, D. Damiani, P. Marchet, A. Catherinot. Interaction laser U.V (KrF 248 nm). Cible supraconductrice YBaCuO : - étude du panache par spectrométrie de masse - application à la réalisation de couches minces. Annales de Physique, 1992, 1er Colloque sur les Sources Cohérentes et Incohérentes UV, VUV et X - Applications et développements récents, 17, pp.53-55. ⟨10.1051/anphys/1992009⟩. ⟨hal-02296049⟩