автореферат диссертации по электронике, 05.27.06, диссертация на тему:Получение тонких пленок YBa2Cu3O6+8 для устройств твердотельной электроники

ГБ 0й

На правах рукописи

КРАВЧЕНКО Константин Юрьевич

ПОЛУЧЕНИЕ ТОНКИХ ПЛЕНОК УВа2Си306+5 ДЛЯ УСТРОЙСТВ ТВЕРДОТЕЛЬНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

Специальность 05.27.06 - Технология полупроводников и

материалов электронной техники

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ВОРОНЕЖ - 1998

Работа выполнена на кафедре «Материалы и элементы радиоэлектронной аппаратуры» Воронежского государственного технического университета.

Научный руководитель

доетор физико-математических наук, профессор Балашов Ю.С.

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор Гркднев С.А.

кандидат технических лаук Матвеев В.Н.

Ведущая организация:

Воронежский государственный университет

Защита состоится 10 декабря 1998 г. в 14 час. в конференц-зале на заседании диссертационного совега К 063.81.06 при Воронежском государственном техническом университете по адресу: 394026, г. Воронеж, Московский проспект, 14.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Воронежского государственного технического университета.

Автореферат разослан " £ " ноября 1993 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Пантелеев В.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В последние десятилетия проблема миниатюризации техники СВЧ решается за счет замены объемных волноводных линий на полосковые, микрополосковые, а также компланарные линии Однако широкое использование планарных структур ограничено тем, что даже лучшие из нормальных проводников, такие, как серебро, медь, золото имеют достаточно высокое поверхностное сопротивление, что приводит к недопустимо высоким собственным потерям в структурах, изготовленных на их основе. Другая проблема, присущая нормальным проводникам, связана с тем, что глубина, на которую СВЧ поле проникает в нормальный проводник (глубина скин-слоя), зависит от частоты как 1/1/?. Вследствие этого скорость распространения сигнала также зависит от частоты. Это приводит к искажению сигнала, т.е. наблюдается дисперсия.

Устранение отмеченных проблем возможно за счет использования тонких пленок сверхпроводников. Во-первых, поверхностное сопротивление сверхпроводников в СВЧ диапазоне как минимум на порядок ниже поверхностного сопротивления лучших из нормальных проводников, что приводит к соизмеримому снижению потерь. Во-вторых, глубина проникновения электромагнитного поля в сверхпроводник не зависит от частоты до нескольких сотен ГГц и, таким образом, дисперсия в СВЧ спектре почти отсутствует.

При создании СВЧ цепей с нормальными проводниками для избежания чрезмерных потерь необходимо использовать относительно толстые диэлектрики. При этом для избежания перекрестных наводок необходимо смежные линии размещать как можно дальше друг от друга. Поверхностное сопротивление сверхпроводников так мало, что даже использование тонких диэлектриков не приводит к существенным потерям. Это позволяет значительно снижать расстояния между элементами СВЧ схем при постоянстве электрических характеристик.

Наиболее распространенными методами, использующимися для получения пленок высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП), являются традиционные методы вакуумного напыления, т.к. они совместимы с технологией изготовления полупроводниковых микросхем и микроэлектронной аппаратуры и позволяют в полной мере использовать достижения в этой области. Однако существуют значительные трудности при получении

воспроизводимых и достаточно стабильных пленок ВТСП, необходимых при разработке микроэлектронных устройств, в том числе для СВЧ применений. Кроме этого, немаловажным, с точки зрения практического использования тонких пленок УВагСизОб+б, является обеспечение их защиты от атмосферной деградации и оценка эффективности этой защиты.

Настоящая работа посвящена исследованию особенностей процесса роста пленок УВа2СизО&+5 при магнетронном распылении; исследованию электрофизических свойств пленок УВагСизОб+б и их зависимости от условий получения; исследованию атмосферной деградации пленок УВагСизОг.ц,, созданию защитных покрытий от нее и оценке эффективности этой защиты; исследованию особенностей реализации элементов твердотельной электроники на основе тонких пленок УВа2СизОб+5- Работа выполнена в соответствии с научным направлением радиотехнического факультета Воронежского государственного технического университета "Перспективные радиоэлектронные и лазерные устройства и системы передачи, приема и обработки информации".

Цель работы заключалась в установлении взаимосвязи между основными технологическими параметрами процесса получения и свойствами пленок УВагСизОб+б, используемых для элементов твердотельной электроники. Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1.Установить основные технологические режимы процесса нанесения тонких пленок УВагСщОб+а-

2.Установить режимы технологического процесса последующего кислородного насыщения пленок УВа2СизОб+5-

3.Провести выбор покрытий для защиты пленок УВа2Си30б(5 от атмосферного воздействия. Отработать технологию нанесения защитных покрытий.

4.Разработатъ на основе ВТСП полосовой СВЧ фильтр и Я-Ы ключевой элемент и исследовать их характеристики в СВЧ диапазоне.

Объектами исследования являлись режимы технологического процесса получения тонких пленок УВа2СизОб1й для элементов твердотельной электроники, а также электрофизические свойства тонких пленок УВагСщОь+й, полученных магнетронным распылением на подложках К^О, БгТЮз, (оксид циркония, стабилизированный оксидом иттрия), А120з с буферным слоем Се02 и с буферным слоем

Научная новизна заключается во введении нового технологического параметра (потенциал растущей пленки); установлении пределов изменения основных параметров (температура подложки, давление рабочего газа, парциальные давления газов, скорость осаждения); установлении оптимального содержания кислорода в пленке УВагСизОб+а; в выборе состава и технологии получения буферных и защитных слоев; оптимизации параметров элементов твердотельной электроники на основе полученных пленок.

Практическая значимость. Отработанные технологические процессы получения пленок ВТСП на основе УВа2СизОб№ позволили решить задачу проектирования полосковых СВЧ фильтров и Я-Ы ключей, а также создают технологическую базу для проектирования новых элементов твердотельной электроники.

Основные положения, выносимые на защиту.

1 .Технологические режимы процесса магнетронного нанесения тонких пленок УВа2Си-.Об+5 на подложках АЬОэ с буферным слоем СеОг и 51 с буферным слоем оксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия (YSZ).

2.Параметры технологического процесса кислородного насыщения пленок УВагСизОб+б, полученных магнетронным распылением.

3.Выбор и технология нанесения защитных покрытий для пленок УВа2Си306+5.

4.Результаты проектирования элементов твердотельной электроники (полоскового СВЧ фильтра и Б-Ы ключа) на основе тонких пленок ВТСП.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на научных семинарах Воронежского государственного технического университета и Института проблем технологии микроэлектроники и особо чистых материалов РАН, а также на Второй (1995 г.) и Третьей (1996 г.) Всероссийских научно-технических конференциях с международным участием «Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники», Дивноморское, Россия; на Всероссийской научно-техническая конференции с участием зарубежных ученых «Микро- и ианоэлекгроиика-98» (МНЭ-98), Звенигород, 1998 г.

Публикации. Основные результаты исследований опубликованы в 6 работах в виде статей и тезисов докладов, список которых приводится в конце автореферата.

Личный вклад автора. Автор принимал непосредственное участие в подготовке и проведении экспериментов, в обсуждении полученных результатов и подготовке работ к печати. Отработка технологии получения

пленок УВагСизОб+б с воспроизводимыми параметрами осуществлялась под руководством кандидата физико-математических наук В.Л. Марченко.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы (137 наименований) и приложения. Объем диссертации составляет 142 страницы машинописного текста, включая 46 рисунков и 10 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснованы актуальность темы диссертационной работы, сформулированы основные цели и задачи, обсуждается научная новизна и практическая значимость полученных результатов, даны сведения о структуре и содержании работы, представлен список работ по материалам диссертации.

В первой главе дан обзор литературы, посвященной проблеме получения тонких пленок УВагСизОь+б с высокими критическими параметрами для устройств микроэлектроники и СВЧ аппаратуры.

Наилучшие по качеству пленки УВагСизОб,^ эпитаксиально выращивают на небольшом количестве подложек. При этом, большинство материалов, используемых для осаждения УВагСизО^в, имеют серьезные недостатки (высокий ¡яд, большая величина диэлектрической проницаемости ¿; либо существование структурных переходов, приводящих к разрыву осажденной пленки). Использование в качестве материала подложек монокристаллического А120з ~ 3*10"5, е ~ 10) является наиболее предпочтительным для

применения в технике СВЧ. Однако для использования А1203 в качестве подложек для выращивания пленок УВа2СизОб+5 необходим буферный слой, исключающий взаимодиффузию и химические реакции между ВТСП и АЬОз и выступающий как зародышеобразующий слой для эпитаксиального роста УВагСизОб+б- В качестве такого слоя может быть использована пленка СеСЬ, параметр решетки которого прекрасно согласуется с длиной диагонали плоскости аЬ УВа2Си30б+в-

Мри получении пленок сверхпроводящего многокомпонентного оксида УВагСизОб+й наряду с ростом основной сверхпроводящей фазы образуются и другие соединения. Эти соединения, представляющие собой диэлектрические оксиды У, Ва и Си, образуют включения в виде островков в кленке осаждаемого материала. Рост и эволюция островков связаны с ростом фазы (123) и влияют на структурное совершенство и электрофизические параметры

пленки. Диэлектрические включения могут не только не ухудшать, но и повышать сверхпроводниковые свойства пленок, выступая как центры пиннинга магнитного потока, повышая тем самым электрофизические параметры пленок. Помимо этого, диэлектрические включения могут положительно влиять и на структурное совершенство основной фазы, играя роль стоков для дефектов и нестехиометричных атомов. Управление концентрацией посторонних включений позволит улучшать свойства пленок

YBa2Cu306«¡.

Физические свойства соединения УВа2Сиз06но в значительной степени определяются кислородной нестехиометрией. Для УВагСизОб+в характерно существование двух модификаций: сверхпроводящей орторомбической при 8>0,5 и несверхпроводящей тетрагональной при 5<0,5. В кристалле УВа2Си-|Об+б перенос электрического заряда осуществляется дырками, локализованными в Си02 плоскостях. Содержание кислорода в Си02-плоскостях определяется кристаллографической структурой и не изменяется при термообработке в различных средах. Величину 8 определяет подвижный кислород, расположенный в Cu-O-цепочках между слоями ВаО. При 8<0,5 атомы цепочечного кислорода забирают на себя электроны из Си02-плоскостей, легируя тем самым зону проводимости дырками. Изменение числа носителей в YBn2Cu306+8 приводит к изменению электрических параметров, в том числе критической температуры Тс. Конечное значение 5 определяется режимом последующего )сислородного охлаждения от температуры роста, во время которого кислород диффундирует в пленку из атмосферы камеры. Эффективный коэффициент диффузии определяется дефектной структурой реального образца. Для оптимизации постростовой кислородной термообработки необходимо in situ контролировать содержание кислорода в образце.

Пребывание пленок УВа2Си30б+5 в атмосфере приводит к деградации электрических характеристик: снижению критических температур Тс и плотности тока jc, росту сопротивления. Химические реакции соединения с углекислым газом и водой приводят к образованию на поверхности образцов аморфных слоев, взаимодействие с водой снижает концентрацию кислорода в кристаллической структуре YBa2Cu30646 Особенно быстро деградация происходит при конденсации воды на поверхности пленок. Нанесение серебряных и полимерных покрытий существенно замедляют деградацию. Тем

не менее, проблема создания защитных покрытий для пленок УВа2СнзОс,(« окончательно не решена. Для многих, в т.ч радиотехнических, применений ВТСП пленок требуется диэлектрическое защитное покрытие с малыми потерями в переменных электромагнитных полях. Кроме этого, с технологической точки зрения, для обеспечения возможности корректировки концентрации кислорода в пленке УВагСизО^ желательно, чтобы защитное покрытие пропускало кислород при температурах 400-500°С, применяемых при окислительных термообработках.

В конце обзора литературы рассмотрены преимущества и особенности создания элементов СВЧ аппаратуры (полосно-пропускающего фильтра и 8-К ключа) на основе ВТСП.

По второй главе дается описание методик получения и исследования пленок УВа2Сиз06+8 и СВЧ элементов на их основе.

Пленки УВа2СизОб+5 получали внеосевым магнетронным распылением стехиометричной мишени на постоянном токе. Оптимальные условия роста определены по результатам измерений структурных и электрических характеристик пленок. Нагрев подложек до температур эпитаксиалыюго роста пленок УВа2СизОб+8 (650-750°С) осуществлялся излучением кварцевых ламп. При этом на обратной стороне оптически прозрачных подложек предварительно формировался слой N¡0 для повышения поглощающей способности. Для получения качественных пленок УВагСизОби; необходимо обеспечить стабильность и однородность температуры подложки в течение всего процесса напыления.

Для оптимизации процесса получения пленок УВа2Си306 В и обеспечения возможности управления процессом бомбардировки растущей пленки, необходимо контролировать энергию и потоки энергичных частиц, поступающих на подложку. Характеристики ионного потока определялись из данных зондовых измерений. В качестве зонда использовалась как сама пленка УВа2СизОб+5, т.к. в кислородной среде она имеет приемлемую проводимость, так и подложка YSZ без пленки ВТСП. Для обеспечения необходимой проводимости подложка YSZ при этом должна иметь температуру Т3>600°С.

Для оптимизации кислородной термообработки пленок УВагСизОг.+б необходимо //7 хИи контролировать содержание кислорода в образце. Это возможно благодаря корреляции между кислородной концентрацией в УВа2СизО(,(5 и сопротивлением в нормальном состоянии. При этом необходимо

учитывать, что многие диэлектрические подложки, применяемые для выращивания пленок УВа^СизОб«, при нагреве приобретают заметную проводимость, что приводит к шунтированию сопротивления пленки ВТСП (см. рис.1).

При проведении резистивных измерений с включенным магнетронным разрядом на образец необходимо подавать смещение для устранения шунтирования сопротивления пленки плазмой. Необходимое содержание кислорода в образце может быть достигнуто его закалкой от соответствующей температуры, определяемой из зависимости равновесного содержания кислорода в УВа;гСизОб+5 от температуры.

Рис.1. Температурная зависимость сопротивления структуры пленка-подложка.

1 - подложка МцО; 2- подложка УБХ.

В данной работе для исследования состава, структуры и морфологии пленок УВа2СизОб+5 использовались стандартные методы (рентгеновский спектральный микроанализ (РСМА), электронная оже-спектроскопия, метод дифракции быстрых электронов на отражение, рентгеновская дифрактометрия, оптическая и сканирующая электронная микроскопии). Измерение сопротивления, плотности критического тока, критической температуры сверхпроводящего перехода тонких пленок УВа2С«зОг>+й осуществлялось по стандартной четырехконтактной методике.

Для эффективной работы £>-Ы ключа важно иметь высокое значение отношения поверхностного сопротивления пленки ВТСП в нормальном (Ы) и в

сверхпроводящем (Б) состояниях (так называемое коммутационное качество пленки Н"/II*). Поэтому, Б-Ы ключевой элемент реализовывался в виде длинной и узкой свернутой в меандр компланарной линии. Технологическая последовательность процесса создания экспериментальных СВЧ элементов на основе пленок УВагСизОб+е включала следующие операции: формирование на подложке Л120( буферного слоя СеОг; напыление пленки УШзСщО,,^; нанесение через маску на участок пленки УВагСизОб+в, используемый под элемент, слоя YSZ, обеспечивающего защиту УВагСизОб+б от атмосферной деградации; формирование контактных площадок согласно разработанной топологии; фотолитография; ионное травление и, наконец, кислородная термообработка для доокисления УВагСизОб+б до 5-0,9.

В третьей главе приведены основные экспериментальные результаты исследования зависимости состава, структуры поверхности, критической температуры сверхпроводящего перехода тонких пленок УВа2СизО(),8 от условий их получения, а также результаты защиты пленок УВагСизОб^ от атмосферной деградации.

При получении пленок УВагСизОб+в на их поверхности обычно присутствуют частицы посторонних фаз. Концентрация и размеры частиц, покрывающих пленку, в значительной степени зависят от температуры, при которой осуществляется рост. Так пленки, выращенные при более низких температурах (~600°С), обладали гладкой поверхностью, яа которой не наблюдались частицы посторонних фаз размером более 10 им. При повышении температуры роста на получаемых пленках возникают поверхностные частицы. При этом с ростом температуры наблюдается увеличение размера частиц. Необходимо отметить, что, несмотря на наличие поверхностных частиц, сверхпроводящие свойства пленок остаются высокими.

Исследование пленок методами РСМА и электронной оже-спектроскопии показало, что поверхностные частицы обогащены медью, в то время как сами пленки имеют дефицит по Ва. Дефицит Ва, вероятно, связан с его реиспарением, т.к. упругость паров Ва значительно выше упругости паров других металлических компонент. Повышение скорости напыления за счет увеличения прикладываемой к магнетрону мощности, в целом, оказывает благоприятное воздействие на состав пленок У-Ва-Си-О.

Исследование изменения структуры поверхности пленок УВагСизС^а от расстояния до мишени позволили установить, что физическими факторами,

определяющими качество получаемых пленок УВа2СизОг,+5, являются: скорость роста и подвижность атомов на подложке во время роста. В зависимости от их соотношения возможны ситуации я-ориентированного роста (максимальная скорость осаждения), оориентированного островкового роста (приводящего к получению пленок с порами) (средняя скорость), либо рост пленок с поверхностными частицами посторонних фаз (минимальная скорость).

Длч получения качественных пленок УВа2СизОб+8 с поверхностью, свободной от частиц посторонних фаз, необходимо взаимно оптимизировать скорость роста и подвижность адсорбированных атомов на подложке. При этом, для реализации приемлемой скорости роста, желательно иметь возможность повышать подвижность атомов. Подвижность адсорбированного атома на подложке выражается как: V = а0Уехр(- Едиф/кТ} (а0 - расстояние между

позициями адсорбции, V- частота колебаний атома, Е^ф - энергия активации диффузии). Наиболее простой способ стимуляции подвижности - повышение температуры подложки. Однако повышение температуры приводит к реиспарению отдельных составляющих и, как следствие, нарушению необходимой стехиометрии. Другим способом управления подвижностью атомов может быть стимуляция за счет некоторой бомбардировки растущей пленки энергичными частицами плазмы. Во время ионно-плазменного напыления поверхность растущей пленки подвергается бомбардировке ионами и электронами с энергией Е<д(У,-Уг) (<у - заряд частицы, Ур - потенциал пленки, И, - потенциал плазмы (пространства)). В зависимости от энергии частиц, ионная бомбардировка может привести к повышению подвижности атсмов на поверхности (что позволит снизить температуру роста); диссоциации молекул на поверхности (например 02); десорбции атомов или молекул, реиспарению и изменению структуры пленю!. Пороговые энергии перечисленных процессов близки к соответствующим энергиям связи, порядок величины которых составляет несколько эВ как для атомов твердых тел, так и для молекул газа.

Для оптимизации процесса напыления пленок УВа^СизОг^я были проведены зондовые измерения параметров разряда в широком диапазоне варьирования давления газа, тока магнетрона и отношения давлений газов в рабочей смеси. При определении параметров плазмы предполагалось, что электроны в невозмущенной плазме обладают максвелловским распределением, и весь коллектив электронов условно может быть разделен на две группы:

г, .1ю1 .. -сок!

горячие с плотностью тока ]спас и холодные с плотностью тока )еюс:

JJVp)=tL +jc:!,t exp^:1/-, о

/ л1/3

, (2)

\ 2 71 inj

где e,me - заряд, температура и масса электрона соответственно. Электронный и ионный токи определялись согласно формулам для плоского зонда:

Kimc = enß{kTe/2mne)"\ (3)

iiHac=0.8eniS{kTe/2nMl)'/2, (4)

где п„, «,■ - концентрация электронов и ионов соответственно:, М, - масса иона; S - площа;ц> зонда.

Оценки, проведенные на основании выражений (1)-(4), показывают, что количество ионов, бомбардирующих подложку, -4,5 раза больше количества металлических атомов, поступающих на подпояску в тоже время. При этом разность между плазменным и плавающим потенциалами (V,-Vj), которая определяет энергию, с которой ионы бомбардируют электрически изолированную растущую пленку, равна ~ 4 - 5 В. Энергия активации поверхностной диффузии Едиф составляет -0,25 эВ, а энергия активации десорбции компонентов УВагСизОб+а Кдес =1,3 эВ. Как видно, это меньше энергии, приобретаемой ионами за счет разности между плазменным V, и плавающим V/ потенциалами. В результате, в частности, может иметь место селективная десорбция адсорбированных атомов, приводящая к изменению состава осаждаемой пленки УВа2СизОй«- Исследования показали, что пленки YBajCuiOert, выращенные при плавающем и плазменном потенциалах подложки при одинаковых всех прочих условиях, имеют раз ну из структуру поверхности.

Таким образом, для создания воспроизводимой технологии получения пленок УВагСизОй+б необходимо учитывать потенциал пленки во время се роста. Кроме этого, поскольку в процессе напыления происходит изменение потенциалов, то необходимо также в реальном времени определять Г, и У г и корректировать потенциал растущей пленки. Использование пленки

УВагС'идОб+й или проводящей подложки в качестве зонда позволяет изменять условия бомбардировки растущей пленки и управлять процессом роста.

При исследовании процессов окисления пленок УВагСизОб+з содержание кислорода в них определялось по результатам измерения электросопротивления с использованием предварительно полученной зависимости р(&). Полученные зависимости сопротивления образца от давления кислорода (рис.2) показывают, что при включении разряда возрастает степень окисления пленки УВа2СизОб+8 (уменьшается сопротивление образца), что соответствует повышению эквивалентного давления кислорода в камере. С ростом температуры повышение окислительной способности кислорода магнетронной ппазмой становится незначительным по сравнению с термической диссоциацией кислорода на подложке (рис.2б). Так как давление кислорода, при котором происходит тетра-орто переход в пленках УВа2Си3Об+5 при температурах роста (т.е. Т=650-750°С) лежит в диапазоне 0,1-2 атм., а магнетронная плазма при давлениях гшелорода, в которых возможно существование стабильного магнетронного разряда, не позволяет повысить активность молекулярного кислорода в камере до подобных эквивалентных давлений, то содержание кислорода в пленке УВагСизОб+я при температуре роста соответствует пссперхпроводяшей тетрагональной фазе. Для перевода их в сверхпроводящую орторомбическую фазу необходима последующая кислородная термообработка.

0 3 0 6

Р, тЬаг

800

600

Е

О 400

сс

200

0 9

0.1 1 10 100 1000 Р.тЬаг

Рис 2 Зависимость сопротивления пленки УВа2СчзС)6,5 от давления кислорода при включенном и выключенном магнетронном разряде; а)темпсратура Т-=520°С; б) температура Т=715°С; 1 - с разрядом; 2 - без разряда.

Благодаря связи между содержанием кислорода в пленке и ее сопротивлением было также установлено, что процесс окисления пленки УВагСи зОб+б хорошо описывается выражением:

П(Т,Р,0 К/Г,Р)+ВСГ, Р)схр(-1/т) (5)

Полученная зависимость позволяет определять время, в течение которого пленка достигает кислородного насыщения при заданной температуре, и оптимизировать процесс кислородной термообработки пленок УВагСизОб+о

Для оптимизации процесса кислородной термообработки пленок УВазСизОб+о и определения оптимального значения кислородного легирования была исследована зависимость критической температуры Тс от температуры закалки. Полученные результаты представлены на рнс.З. Как видно из рисунка, несмотря на то, что максимальное значение Тс исследованных образцов ниже, чем Тс монокристалла, что вероятно связано с некоторым нарушением параметров решетки и отклонением от стехиометрического состава, зависимость Т,; от содержания кислорода в пленке носит куполообразный характер как и в монокристаллах. Т.о., в пленках УВагСиЮб+б так же, как и в монокристаллах, оптимальное значение 8=0,9.

380

400 420 440 460 Температура закалки, °С

480

Рис.3. Зависимость температуры Тс и ширины с1Тс сверхпроводящего перехода пленки УВагСизОб« от температуры закалки.

При измерении сопротивления пленок УВагСизОб+б в зависимости от температуры при оптимизации окислительных термообработок было обнаружено, что уже слабое воздействие влаги приводит к заметному росту их сопротивления во время на!рева в осушенном кислороде при Т>240°С (кривая 1 на рис.4). Сопротивление при меньших температурах, Тс и 8ТС при этом еще не изменяются Термообработки и хранение образцов в осушенном кислороде приводят к стандартной линейной температурной зависимости сопротивления (кривая 2 на рис.4). Аномальный рост сопротивления пленок мы связываем со снижением содержания кислорода в решетке УБа2СизОб+5 из-за усиленной нагревом реакции с находящейся в соединении водой. Эта чувствительность сопротивления к наличию следов влаги была нами использована для оценки защитных свойств покрытия.

В качестве защитимо покрытия было предложено использовать YSZ. Защищенные пленки УВагСизОб+з подвергались многократным выдержкам в парах кипящей воды и термоциклированию при охлаждении до температуры жидкого азота и отогреванию их до комнатной температуры. В обоих случаях на поверхности образцов конденсировалась влага. Температурный ход сопротивления после .'¡тих воздействий не изменялся и соответствовал кривой 2.

О 100 200 300 400 500

т,"с

Рис.4. Электросопротивление пленки УВагСизОц+в при нагреве в осушенном кислороде. I- содержащей влагу; 2- предварительно дегидратированной.

Выявленными особенностями пленок на ВТСП является то, что они пропускают кислород из атмосферы внутрь защищаемой пленки У В^СщСЛ,^-При этом времена достижения равновесного содержания кислорода при температурах Т~380°С пленок ВТСП с защитным покрытием УБ7 и без него имеют близкие значения. Однако после нагревоа выше 400"С защитные свойства покрытия портились. Как видно из рисунка, сопротивление при этих температурах растет сильнее, чем линейно, что вызвано снижением концентрации кислорода в УВагСизОб+б- По-видимому, выход кислорода из ВТСП приводит к отслаиванию или разрушению сплошности пленки

В четвертой главе приведены экспериментальные результаты исследования полосового СВЧ фильтра и тонкопленочного Б-Ы ключа на основе ВТСП.

Исследование параметров полосно-пропускающего СВЧ фильтра, содержащего ВТСП элементы, осуществлялось путем сравнения его характеристик с характеристиками фильтра аналогичной конструкции, выполненного на основе нормального проводника (меди). Сравнение велось как при комнатной температуре, так и при температуре кипения жидкого азота (77К). Исследования показали, что замена медных полосковых элементов на керамические ВТСП элементы позволяет получить выигрыш по потерям и повысить избирательность фильтра. Однако при этом отмечается некоторое увеличение неравномерности коэффициента передачи в полосе пропускания.

Исследование АЧХ Б-Ы ключа, представляющего собой компланарную линию свернутую в меандр, осуществлялось в нормальном и сверхпроводящем состояниях в диапазоне частот 10-1000 МГц. Исследования показали, что Б-И переход в пленке УВагСизО^+в приводит к изменению затухания в линии от а<0,3 дБ до а>30 дБ. Оценки, проведенные с учетом того, что затухание в подложке АЦОз пренебрежимо мало, показали, что пленка УВа^СизО,^^, использованная для создания данного ключевого элемента, имеет поверхностное сопротивление на частоте 1 ГГц ~ 35 мОм при температуре 100 К и ~ 16 мкОм при температуре 77 К, что свидетельствует о высоком качестве полученных пленок УВагСизОб+а-

В приложении описывается методика расчета полосно-пропускающего СВЧ фильтра на встречных стержнях и Б-Ы ключа, выполненного на компланарной линии свернутой в меандр.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1 .Отработаны технологические методики, позволяющие воспроизводимо получать тонкие пленки УВагСизОб+б с высокими критическими параметрами (jc>2*10(> А/см2, Тс-90 К) на подложках A12Oi с буферным слоем СеО> и Si с буферным слоем YSZ. Развиты экспериментальные методы, позволяющие in situ контролировать процессы напыления и окисления тонких пленок УВа2СизО<н> Для воспроизводимого получения тонких пленок УВа;Си?Ом» методом магнетронного распыления необходимо учитывать потенциал растущей пленки. Морфология поверхности, получаемых магнетроиным распылением пленок УВагСизОб+з, зависит от энергии и плотности ионов, бомбардирующих поверхность растущей пленки. Плотностью ионов и их энергией можно управлять путем изменения параметров распыления и потенциала подложки.

2.Пленки УВагСизОб« при магнетронном распылении при повышенных давлениях (до 100 Па) растут в несверхпроводящей тетрагональной фазе. Повышение окислительной способности кислорода магнетронной плазмой при температур;« роста (650-750°С) незначительно по сравнению с ее повышением за счет термической диссоциации кислорода на подложке. Для перевода полученных пленок YBajCujOMs в сверхпроводящую орторомбическую фазу необходима последующая термообработка в кислороде. Предложено для оптимизации процесса кислородной термообработки пленок YT^CuiOi+s использовать зависимость R(T,P,t), позволяющую по изменению сопротивления пленок УВа2СизОй,я при их отжиге в кислороде проводить количественные оценки характерных времен насыщения пленок кислородом при различных температурах отжига. Зависимость критической температуры сверхпроводящего перехода Тс тонких пленок YBa2Cu306ts от содержания кислорода (6+8) имеет куполообразный характер. Для получения пленок УВагСизО^,, с максимальным значением Тс необходимо обеспечить содержание кислорода (6+8)~6,9.

3.Для защиты пленок YBa2CuiO(,+s от атмосферной деградации предложено использовать тонкий слой YSZ. Защитный слой YSZ позволяет проводить доокисление пленок УВагСизОб+б. Процессы, сопровождающиеся выходом кислорода из защищаемой пленки УВагСизОг^й, приводят к потере защитных свойств покрытия YSZ.

4.Теоретические и экспериментальные результаты проектирования полоскового СВЧ фильтра и S-N ключа показывают, что отработанные технологические процессы получения пленок ВТСП на основе УВагСизО^в позволяют решать задачи проектирования вышеназванных элементов, а также создают технологическую базу для проектирования новых элементов твердотельной электроники.

Но теме диссертации опубликованы следующие работы: 1 .Андреев И.В., Балашов Ю.С., Кравченко К.Ю. Использование высокотемпературных сверхпроводников в фильтрах СВЧ-диапазона// Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники. Труды второй всероссийской научно-технической конференции с международным участием. Таганрог, 1995. С.7.

2.Исследование электрофизических свойств связанных микрополосковых линий/ И.В. Андреев, Ю.С. Балашов, И.М. Голев, К.К). Кравченко, A.B. Прохорчук// Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники. Труды третьей всероссийской научно-технической конференции с международным участием. Таганрог, 1996. С.92.

3.Андреев И.В., Балашов Ю.С., Кравченко К.Ю. СВЧ-фильтр с ВТСП элементами// Элементы и устройства микроэлекгронкой аппаратуры. Межвуз. сб. науч. -ф. Воронеж, 1997. С.4-13.

4.Кравченко К.Ю., Марченко В.А. Особенности получения тонких пленок высокотемпературных сверхпроводников УВагСщОб+х// Элементы и устройства микроэлекгронной аппаратуры. Межвуз. сб. науч. тр. Воронеж, 1997. С.14-21.

5.Кравченко К.Ю., Марченко В.А. Защита ВТСП элементен от деградации// Микро- и наноэлектроника-98. Труды всероссийской научно-технической конференции с участием зарубежных ученых. Звенигород, 1998.

6.Исследование фазового состава границы раздела в тонкопленочной системе YBaiCiijO-^/CeOj на сапфире по оже-спекграм при ионном профилировании/ В.Г. Бешенков, А.Г. Знаменский, К.Ю. Кравченко, В.А. Марченко// Микро- и наноэлектроника-98. Труды всероссийской научно-технической конференции с участием зарубежных ученых. Звенигород, 1998.

ЛБ № 020419 от 12.02.92. Подписано к печати' i5.II.98,. Объем 1,0 усл.печ.л. Тираж 85 экз. Зак.

Издательство Воронежского государственного технического

университета 394026 Воронеж, Московский проспект, 14