автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Конструкторско-технологические принципы проектирования и изготовления радиоэлектронных компонентов из сверхпроводящих иттрий-бариевых купратов

На правах рукописи

ФИРСОВ НИКОЛАЙ ИЛЛАРИОНОВИЧ

КОНСТРУКТОРСКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И ИЗГОТОВЛЕНИЯ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ КОМПОНЕНТОВ ИЗ СВЕРХПРОВОДЯЩИХ ИТТРИЙ-БАРИЕВЫХ

КУПРАТОВ

Специальность 05.27.01 - Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и наноэлектроника, приборы на квантовых эффектах

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Новосибирск - 2004

Работа выполнена в Новосибирском государственном техническом университете.

Научный консультант - доктор технических наук, профессор Гридчин Виктор Алексеевич

Официальные оппоненты:

доктор химических наук, профессор Федоров Владимир Ефимович доктор технических наук, профессор Плетнев Петр Михайлович доктор физико-математических наук, профессор Югай Климентий Николаевич

Ведущая организация - Томский политехнический университет.

Защита состоится « $ » О^Ц}^*^ 2004 года в. 40 часов на заседании диссертационного совета Д 212.173.03 при Новосибирском государственном техническом университете по адресу: 630092 Новосибирск, пр. К.Маркса, 20

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НГТУ. Автореферат разослан «_»_2004 года.

Ученый секретарь диссертационного совета Корнилович А.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Открытие высокотемпературных сверхпроводников с Тс более 90 К возродило надежду на широкомасштабное применение сверхпроводимости в электронных измерительных системах, в частности, в СКВИД-магнитометрии. Вместе с тем, переход на новые сверхпроводящие материалы породил и ряд проблем. Первая из этих проблем заключалась в том, что переход на более высокие рабочие температуры неизбежно ведет к увеличению собственных шумов ВТСП элементов и к снижению метрологических характеристик ВТСП электронных устройств. Это пессимистический прогноз. Однако имелся и оптимистический прогноз. Он заключался в том, что разность между рабочей температурой и

критической Тс (90 К) выше, чем. для низкотемпературных сверхпроводников (Тс-Тр^сгг1 Ю ' 4,2 м 6 К). У перспективных ВТСП эта разность достигает значения примерно 22 К, что должно улучшить метрологические характеристики. Мнения исследователей разделились. Решение этой проблемы является актуальной задачей.

Вторая проблема-это механические свойства новых ВТСП материалов. Если НТСП были металлами (РЬ, N1), Бп, А1) или сплавами то новые материалы являются керамическими с абразивными свойствами. Изготовление из них радиокомпонент с контролируемой и воспроизводимой геометрией является актуальной задачей.

Третья проблема-это проблема устойчивости новых ВТСП материалов по отношению к окружающей среде и термоциклированию. Другими словами, эта проблема деградации метрологических характеристик.

Вторая и третья проблемы взаимосвязаны. Решить проблему воспроизводимости геометрических параметров возможно с помощью фотолитографических процессов по тонкопленочной технологии микроэлектроники. Однако, тонкопленочные ВТСП технологии уязвимы по процессам деградации.

Поперечное сечение. ответственных тонкопленочных топологических деталей составляет примерно 0,5 мкм2. Малейшие нарушения в поперечном сечении, связанные с высокой химической активностью тонких, пленок по отношению к окружающей среде, вызовут существеннее изменения в критическом токе и нормальном сопротивлении переходов Джозефсона (слабой связи). Поэтому

3 I РОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ

I БИБЛИОТЕКА

тонкопленочные варианты изготовления ВТСП радиокомпонент до сих пор не нашли широкомасштабного применения. Известны лишь демонстрационные образцы ее применения. С другой стороны, известны широкомасштабные применения новых ВТСП материалов в толстопленочном варианте (системы сотовой телефонной связи, ЯМР-томография, линии задержки). Становятся актуальными толстопленочные технологии, выполненные с использованием технологических процессов и оборудования микроэлектроники. У толстопленочных вариантов площадь поперечного сечения слабой связи на порядки выше и они должны быть менее

чувствительны к воздействию окружающей среды. Возможны также варианты и объемного (не пленочного) исполнения радиокомпонент. В последнем случае облегчается согласование интерферометра с внешними электронными цепями.

Цель и задачи исследования. Провести обобщение экспериментальных и теоретических« исследований, выполненных при создании прецизионных измерительных комплексов, с новыми высокотемпературными сверхпроводящими компонентами и разработать базу для обоснованного проектирования и изготовления таких компонентов с высокими метрологическими характеристиками.

Для достижения этой цели были поставлены и решены следующие задачи:

~ Проведен анализ, и сформулированы требования к основным технологическим операциям базового технологического маршрута при изготовлении порошка ВТСП иттриевой керамики, обеспечивающим его устойчивую воспроизводимость. Выделены наиболее существенные технологические факторы. Проведены экспериментальные исследования и предложена морфологическая модель иттриевой керамики.

- Разработана технология изготовления- эффективных ВТСП магнитных экранов двух типов, обеспечивающих- изучение предельных характеристик, квантовых интерферометров. Определены технологические режимы их изготовления. Проведены исследования экранирующих свойств изготовленных магнитных экранов и на основе модели джозефсоновской среды определены межгранульные критические токи и размер гранул в экранах.

- Разработана, технология изготовления объемных квантовых интерферометров трех типов: одноконтурного, двухконтурного, типа Харви. Проведены оптимизация и сравнительные

4

исследования их предельных параметров в измерительной ячейке с магнитным экраном. По проведенным исследованиям оценена индуктивность ВТСП интерферометра и критический ток слабой связи.

- Проведены исследования работы ВЧ СКВИД - магнитометра в составе конечных криоэлектронных устройств для медицины, геологии и метрологии с ВТСП" интерферометром " и ВТСП магнитным экраном.

- Разработан технологический маршрут и исследованы основные технологические операции изготовления не деградирующих толстопленочных ВТСП микроприборов (переходов Джозефсона, двухплечевого резонатора мегагерцового диапазона) с «утопленным» в подложку топологическим рисунком.

- Разработана и продемонстрирована методика проектирования толстопленочного ВТСП интерферометра с использованием оценочных и экспериментальных параметров YBCO керамики.

Научная новизна работы

1. Впервые в едином комплексе проведено систематическое изучение всего процесса создания устройств ВТСП криоэлектроники от технологии синтеза ВТСП порошка до измерения и оптимизации параметров действующих СКВИД-систем.

2. Установлено, что прессованная керамика после синтеза в оптимальных режимах представляет собой джозефсоновскую среду с преимущественной ориентацией кристаллитов, ось с которых перпендикулярна оси прессования. Установлено, что межкристаллитные прослойки не вносят существенного вклада в величину удельного сопротивления, а удельное сопротивление керамики вдоль оси прессования соответствует удельному сопротивлению монокристаллов в плоскости .

3. Решена проблема создания эффективных магнитных экранов для ВТСП-СКВИДов. Выполнены систематические исследования ВТСП магнитных экранов двух типов: монолитного и составного. В исследованиях впервые применен ВТСП СКВИД-магнитометр. Показано, что коэффициенты экранирования обоих типов экранов близки и равны что не уступает мировым аналогам и вполне достаточны для большинства применений в СКВИД-технике. Показано, что экранирующие, свойства полученных экранов хорошо описываются в рамках модели джозефсоновской среды и

модели Бина для сверхпроводников второго рода.

4. Впервые проведены систематические исследования предельных параметров квантовых интерферометров трех типов: одноконтурного, двухконтурного и Харви в измерительной ячейке с магнитным ВТСП экраном и в составе ВТСП магнитометра. Проведена оптимизация этих параметров для двухконтурного СКИ. Оценены критический ток слабой связи и индуктивность двухконтурного СКИ при оптимальных его геометрических размерах и условиях работы.

5. Развита концепция формирования профилированных ВТСП структур с использованием идеологии кремниевой микромеханики, что

обеспечивает принципиальную возможность решения проблемы создания не деградирующих ВТСП приборов с высокой степенью воспроизводимости и параметров.

6. Разработаны конструкторско-технологические принципы проектирования и изготовления ВТСП приборов на основе комплексных физико-технологических исследований иттрий-бариевых купратов. Приведен пример проектирования и изготовления толстопленочного квантового интерферометра из иттрий-бариевых купратов.

Практическая ценность

- Проведенный комплекс исследований позволил сформулировать требования и определить базовый технологический маршрут воспроизводимого изготовления исходного порошка для ВТСП изделий, ориентированного на изготовление СКВИДов и магнитных экранов.

Разработан состав и установлено количественное соотношение компонентов шликера для производства ВТСП магнитных экранов. Определены технологические режимы шликерного литья, обеспечивающие сплошность и однородность материала в отлитых заготовках.

- Решена проблема термической обработки отлитых заготовок, обеспечивающая полноценное удаление органических связок из них, что определяет долговременную стабильность характеристик готовых монолитных изделий.

- На основе многофакторных экспериментов разработан и практически реализован первый в России технологический маршрут изготовления ВТСП квантовых интерферометров с

высоким процентом выхода годных и обладающих повышенной долговременной стабильностью характеристик.

- На основе изготовленных ВТСП интерферометров и магнитных экранов впервые создан работоспособный ВЧ СКВИД

магнитометр с чувствительностью пригодный для

большинства применений в науке и технике. Магнитометр использован в составе конечных электронных устройств: в измерителе ослабления электромагнитных колебаний (акт внедрения) и в измерителе магнитной восприимчивости.

- Разработана практическая технология изготовления толстопленочных ВТСП приборов с предварительно микропрофилированной подложкой, обеспечивающая групповой способ изготовления ВТСП СКИ и улучшающая надежность и воспроизводимость их параметров.

- Разработаны практические методы проектирования ВТСП приборов (СКИ) с учетом технологических особенностей их изготовления.

Научные положения выносимые на защиту

1. Результаты экспериментальных исследований резистивных свойств прессованной ВТСП керамики и выводы о близости этих свойств к аналогичным свойствам монокристаллов.

2. Результаты сравнительных исследований ВТСП магнитных экранов двух типов (монолитного и составного), а также выводы о параметрах джозефсоновской среды экранов (критическом токе и размерах кристаллитов).

3. Технологические операции и режимы процесса изготовления, метод защиты и восстановления параметров слабой связи объемных интерферометров, обеспечивающие высокий процент выхода годных и долговременную стабильность характеристик.

4. Экспериментальные результаты по оптимизации эксплуатационных характеристик высокотемпературного ВЧ СКВИД - магнитометра, а также конструкция установки для измерения магнитной восприимчивости с несверхпроводящим трансформатором магнитного потока и ее эксплуатационные параметры. Достигнутый уровень чувствительности магнитометра достаточен для большинства применений в науке и технике.

5. Концепцию формирования профилированных ВТСП структур с

использованием идеологии кремниевой микромеханики. 6. Комплексную конструкторско-технологическую программу проектирования- и изготовления сверхпроводящих квантовых интерферометров и других ВТСП приборов. Реализациярезультатовработы

Теоретические, и практические результаты, полученные в диссертации, являются частью: Республиканской НТП «Разработка и создание принципиально новых технологических процессов, приборов и оборудования, основанных на явлении высокотемпературной сверхпроводимости (1989-1991); НИР Министерства высшего и профессионального образования- по темам «Разработка технологических принципов изготовления элементов электроники из ВТСП керамики» (закончена в 1994 году); результатов НИР «Разработка конструкционно-технологических принципов

изготовления элементов электроники из ВТСП керамики» (закончена в 1996 году); результатов гранта Федеральной целевой программы «Государственная поддержка интеграции высшего образования и фундаментальной науки на 1997-2001 годы»; результатов гранта НТП Минобразования России "Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники" (2001-2004 годы). Апробация работы

Результаты диссертационной работы были представлены на четырех международных конференциях АПЭП (Новосибирск, 1994, 1996, 1998, 2000); двух международных конференциях KORUS (Новосибирск 1999, Ульсан (Корея) 2000); международной конференции МЕЕМЕ (Новосибирск, 1999), пятом международном конгрессе по сверхпроводимости (Будапешт, Венгрия, 1996), пятой международной конференции по прикладной сверхпроводимости (США, 2000); международной конференции по страйпам (Рим (Италия),2000); международной научно-технической конференции «Информатика и проблемы коммуникации» (Новосибирск, 1998), научных семинарах кафедры Полупроводниковых приборов и микроэлектроники Ш ТУ; семинарах отдела Термодинамических исследований ИНХ СО РАН; семинаре кафедры Общей физики Омского государственного университета.

ВТСП ВЧ СКВИД магнитометр демонстрировался на научно-технической выставке «Фонд изобретений России» (Москва, 1995), научно-технической выставке четвертой международной конференции АПЭП (Новосибирск, 1998).

Технические характеристики ВТСП изделий включены в базу данных «Рынок ВТСП» информационного центра «Сверхпроводимость» ИФТТ РАН г.Черноголовка.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 48 работ, из них в ведущих отечественных и зарубежных изданиях 20, в том числе 7 изобретений.

Личный вклад автора диссертационной работы заключается в том, что в технологической части им были поставлены все основные цели и задачи, выработаны методы исследований ВТСП материалов и экранов, получены основные научные результаты и предложены основные физические модели. Во всех опубликованных в соавторстве работах в части, касающейся технологии, физического моделирования и анализа экспериментальных результатов, участие автора было определяющим. Обобщение результатов также выполнено автором.

Объем работы

Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы и приложений. Общий объем диссертации 332 страницы, в том числе 75 рисунков и 33 таблицы. Список литературы состоит из 273 названий.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темьь диссертации. Сформулирована цель, научная новизна и практическая ценность работы, положения, выносимые на защиту.

Глава 1. Физические свойства сверхпроводников и их применение в электронных устройствах

Глава носит обзорный характер. В начале даются определения микроскопическим и макроскопическим параметрам сверхпроводников и приводятся их характерные зависимости от внешних и внутренних факторов. Далее кратко рассматриваются применения джозефсоновских переходов для низкочастотных измерений магнитного поля, градиента магнитного поля, токов и напряжений. Подчеркивается, что в этих областях приборы, основанные на использовании джозефсоновских переходов, не имеют конкурентов и значительно превосходят по своей чувствительности приборы, основанные на других принципах.

Чувствительность ВЧ СКВИДа определяется шумами.

Теоретический анализ показывает, что возможно создание приборов на основе джозенсоновских переходов и рабочей температуре 4,2 К со спектральной плотностью внутреннего шумового потока 8Ф8(} [1]:

_ 271 2 Ф20 (271кТу/3

где

>1с=1др2.ЛА(т)

о у

2еЯп 2кТ '

безразмерная индуктивность контакта;

1С - критический ток контакта;

11п - мормальное сопротивление контакта;

Д(Т) - сверхпроводящая щель.,

(1)

1П« фо

не хуже

л/Гц

Уравнение (1) используется при проектировании

СКИ.

Далее в главе анализируются технические реализации магнитометров на основе ВЧ СКВИДов и их использование при конструировании прецизионных вольтметров, термометров, измерителей магнитной восприимчивости, магнитного кардиографа и других приборов.

Глава 2. Особенности технологии и резистивные свойства иттрий- бариевыхкупратов

Технологический маршрут получения ВТСП объемных изделий из ВТСП керамики разбит на три основные стадии. Первая стадия связана с получением порошка УВагСизОв+х, который является исходным сырьем для изготовления ВТСП электронных изделий.

Вторая стадия технологического маршрута связана с формированием требуемой конфигурации самого изделия и удалением введенных добавок.

Третья стадия технологического маршрута - спекание готовых изделий. Эта стадия, в основном, определяет эксплуатационные параметры изделий, т.к. позволяет варьировать как кислородный индекс в соединении так и плотность керамики в изделии.

Поэтому, для выявления наиболее важных технологических факторов, влияющих на получение качественных ВТСП изделий, проведен факторный эксперимент, с использованием метода математического планирования эксперимента. Функция отклика выбрана в виде:

10

у = Ь0 +Ь,х, +Ь2х2 +Ь3х, +Ь12х,х2 +ьпх,х3 +Ь25х2х3 (2) где Ь,,ЬЧ- коэффициенты регрессии, (Ь, - линейные эффекты, -эффекты взаимодействия), технологические факторы. Доверительные интервалы для коэффициентов регрессии рассчитывались с помощью I - критерия Стьюдента с вероятностью Для проверки адекватности уравнения (2) со значимыми коэффициентами использовался F - критерий Фишера с вероятностью В качестве наиболее действенных технологических факторов

выбраны:

- время синтеза порошка

- время высокотемпературной обработки (ВТО) изделия (при 950 °С);

- время низкотемпературной обработки (НТО) изделия (при 400 °С). Анализировались следующие параметры материала: критическая

температура, полученная по электрическим и магнитным

измерениям, ширина сверхпроводящего перехода, объемная плотность Роь> Удельное электрическое сопротивление при Т= 100 К (р100) и Т=300 К (р300). Эти параметры определялись по зависимостям сопротивления и намагниченности от температуры.

Коэффициенты регрессии, доверительные интервалы и критерии Фишера для разных функций отклика представлены в табл. 1.

Исходя из результатов факторного эксперимента, выбраны наиболее оптимальные технологические режимы при синтезе ВТСП керамики и спекании готовых ВТСП керамических изделий:

- время синтеза часов с промежуточным дроблением через б часов;

стадия спекания состоит из процесса ВТО с временем I ~ 6 часов, из них не менее 2 часов в атмосфере кислорода. Критерием для оптимизации технологических режимов служило сравнение характеристик керамики, построенных по уравнениям

регрессии, с экспериментальными характеристиками

монокристаллов. Для приведенных выше оптимальных режимов такое сравнение представлено рис. 1.

Таблица 1

Коэффициенты регрессии, доверительные интервалы и критерии Фишера для разных функций отклика.

Функция отклика

Коэффициент] т и "й о О. к О н ей и £ < 2 о СЛ о н _и о Н и а и О е о о (£ 2 и ■к О г о о ГЛ о. О о о о м о.

Ь0 4,634 89,92 87,07 2,86 88,66 84,68 3,98 0,75 1,37 2,37

ъ, 0,02 -0,241 -0,113 -0,13 -0,26 0,238 -0,49 -0,11 -0,15 0,12

ь2 0,32 1,424 2,29 -0,86 2,07 2,28 -0,21 -0,47 -0,55 0,59

Ъ3 -0,04 0,384 0,5 -0,12 0,32 0,43 -0,11 0,01 -0,12 -0,11

Ь,2 0,01 0,424 0,25 0,18 0,43 -0,04 0,47 0,1 0,12 -0,12

ъ„ 0,03 -0,32 -0,51 0,2 -0,47 -0,67 0,2 0,07 0,02 -0,02

ъ23 -0,02 -0,27 -0,11 -0,15 -0,22 -0,06 -0,16 -0,004 0,08 -0,06

ДЬ 0,045 0,27 0,22 0,17 0,3 0,49 0,42 0,17 0,22 0,19

а\ 0,004 0,13 0,085 0,054 0,16 0,43 0,38 0,05 0,09 0,07

Б 42,6 0,9 0,6 1,9 1,55 1,2 5,42 1,2 1,34 1,4

Из рис. 1 следует, что данные технологические режимы обеспечивают получение качественного ВТСП материала У,Ва2Си307 с р300 »0,86 мОм • см и наклоном р - Т характеристики 2,8 мкОм- см- К'1, что соответствует экспериментальному значению величины р и экспериментальному наклону для монокристаллов.

Кроме того, в Приложении В диссертации проведена оценка указанных выше величин 1(рзоо и бр/ЗТ) в предположении наличия примесной зоны в иттрий-бариевых и лантан-стронциевых купратах и проводимости по ней. Основанием для такого предположения является экспериментально наблюдаемое в этих купратах оптическое поглощение в средней ИК-области. Для описания проводимости по примесной зоне использовалась электронная теория неупорядоченных систем Мотта-Андерсона [2], каковой и является система примесных центров. Полученные оценочные значения для оптимального уровня

легирования р300 и др/ЭТ равны 0.78 мкОм-, см и 2.3 мкОм- см- К"1,

соответственно. Это находится в хорошем соотношении как, с нашими экспериментальными данными, так и с экспериментальными данными для монокристаллов [3].

б) монокристалл р,ь для разных обратив [3]

Рис. 1 Температурная зависимость удельного' УВа2Сиз07 керамики и монокристаллов

Основные выводы 2 главы: 1. Зависимость р-Тв направлении оси прессования и в диапазоне температур 200-300 К, при оптимальных режимах изготовления, линейна с наклоном 2,8 мкОм-смК"1 при р300 »0,86 мОм-см , что

13

соответствует экспериментальным зависимостям

монокристаллов в плоскости а также оценочным расчетам.

2. Межгранульные прослойки, при оптимальных режимах изготовления, не вносят существенного вклада в формирование удельного сопротивления.

3. На прессованных образцах обнаружена текстура. Ось с кристаллитов перпендикулярна оси прессования.

Глава 3. Технология изготовления и исследование экранирующих свойств объемныхВТСПмагнитныхэкранов

В этой главе рассмотрены способы изготовления ВТСП магнитных экранов.- Показано, что метод прессования ВТСП магнитных экранов из ВТСП порошка с последующей высокотемпературной обработкой имеет ряд ограничений. В частности, при большом соотношении длины к поперечному размеру для хорошей пропрессовки необходимы высокие давления. Кроме того, абразивность YBCO порошка приводит к наклепу керамики на основание прессформы и к отслаиванию нижней части заготовок при их извлечении из прессформы. Поэтому выбран альтернативный метод горячего литья под давлением. К моменту постановки задачи этот метод практически не использовался, за исключением работы [4].

Были установлены основные компоненты, определяющие качество литейного шликера: ВТСП порошок, парафин, пчелиный воск и их соотношение объемных частей. Определены технологические

режимы литья и удаления органической связки. Процесс удаления органической, связки проходил в 3 этапа: удаление парафина в адсорбенте из несверхпроводящего порошка "УВагСизОв+х (Т=180°С), полное выгорание связки и спекание

Результаты измерения величины магнитного поля внутри экрана и коэффициента экранирования от величины внешнего магнитного поля для составного и монолитного экранов приведены на рис. 2.

Впервые измерения были выполнены с использованием ВТСП ВЧ СКВИД-магнитометра с чувствительностью (1,3±0,1)- 10'п Тл/мВ. Результаты измерений проанализированы в рамках модели джозефсоновской среды и модели Бина для сверхпроводников второго рода. Результаты анализа приведены ниже в виде выводов к главе.

8>° В^-Ю'.Тл

Рис. 2. Зависимость коэффициента экранирования ВТСП магнитного экрана от приложенного внешнего магнитного поля при трех положениях датчика СКВИДа

Основные выводы 3 главы:

Метод горячего литья дает возможность изготавливать ВТСП магнитные экраны. Полученный коэффициент экранирования ~106 позволяет использовать их в СКВИД - системах. Материал экранов представляет собой множественную джозефсоновскую среду. Для выбранных технологических режимов глубина проникновения магнитного поля -40 мкм к первое критическое поле джозефсоновских переходов ~16 Л/м (0,2Э).

Величина порогового поля (резкий рост величины поля в экранируемом объеме) для наших технологических условий и толщины стенки экрана 2,5 мм равна 6-Ю"4 Тл (6 Э). Средний размер гранул в-материале экрана и средняя плотность критического тока через одиночный Джозефсоновский контакт, вычисленные на основе модели джозефсоновской среды, равны ~ 2 мкм и ~ 20 А/см2, соответственно.

Глава 4. Технология изготовления и методы защиты объемных ВТСПквантовыхинтерферометровразличной конструкции

В данной главе рассматриваются технология изготовления объемных СКИ трех конструкций: одноконтурною, дзухконтурного типа Циммермана, многоконтурного типа Харви (рис. 3); методика

определения работоспособности СКИ и основные технические характеристики СКИ в составе ВЧ СКВИД-магнитометра в измерительной ячейке с ВТСП магнитным экраном. Первая конструкция является сенсором изменения магнитного поля, а вторая -сенсором изменения градиента этого поля. Многоконтурный СКИ типа Харви является сенсором магнитного поля и обладает большей чувствительностью.

а) Циммермановский б) Одноконтурный в) Харви

Рис. 3. Конструкции ВТСП интерферометров

Разработанный технологический маршрут изготовления сверхпроводящих квантовых интерферометров (СКИ) включал в себя следующие операции:

1. Изготовление порошка ВТСП. 2. Прессование заготовок. 3. Обжиг заготовок (Т= 900 °С). 4. Изготовление отверстий. 5. Формирование слабых связей и элементов конструкции СКИ. Размер слабой связи составлял 80-100 мкм. 6. Окончательный обжиг заготовок (Т= 950 °С).

Исследования работы ВТСП интерферометров производились с использованием стандартной потокозапирающей системы. В главе описаны схема установки и методики измерения. Установлено, что:

1. Температура, при которой материал СКИ начинает переходить в сверхпроводящее состояние, равна 92 К.

2. Для работающего СКИ характерно резкое уменьшение выходного напряжения СКВИДа и появление осцилляции его постоянной составляющей от измеряемых магнитных полей. Чем выше размах осцилляции, тем выше отношение сигнал/шум.

Если осцилляции достигали своего наибольшего размаха при рабочей температуре СКИ (Т= 77.3 К), то такой СКИ считался наиболее пригодным для работы в составе ВЧ СКВИДов. Для

интерферометров, работающих в интервале температур 80-85 К были разработаны технологические приемы уменьшения значения критического тока слабой связи. Они включали операции по механическому уменьшению диаметра слабой связи, проведение дополнительных ВТО (Т= 950 °С, 2 часа) и НТО (Т= 700 °С, 5 часов).

Принципиальной проблемой является защита слабой связи СКИ от воздействия окружающей среды. В качестве метода защиты слабой связи интерферометров был использован метод пассивации защитной оболочкой из парафина. Такая защита обеспечивала среднее время работоспособности СКИ в составе СКВИД-магнитометра до 12 месяцев.

Помимо защитной функции применение парафина, позволяло производить замену негодной или не качественной слабой, связи (максимальные осцилляции не при Т=77,3 К) на новую. Негодная или не качественная связь удалялась, а в замен ее вставлялась перемычка из смеси ВТСП порошка и органического связующего. При удалении связующего, удалялись и остатки - парафиновой защитной оболочки. Такой метод позволил увеличить процент годных СКИ практически до 100 % от числа заготовок. Основные выводы 4 главы:

1. Выбранный технологический маршрут позволяет изготавливать ВТСП объемные интерферометры с чувствительностью

что удовлетворяет многим практическим

применениям.

2. Выбранный метод защиты слабой связи СКИ (пассивация парафином) обеспечивает надежную защиту СКИ от воздействий окружающей среды в течение 12 месяцев, что увеличивает срок службы СКИ в 5-6 раз по сравнению с незащищенными СКИ.

Глава 5. Основные эксплуатационные параметры ВТСП ВЧ СКВИД-магнитометра и измерительныхсистем на его основе

С целью определения практических возможностей использования изготовленных объемных ВТСП интерферометров проводилось исследование их работы в составе СКВИД-магнитометра, разработанного на кафедре ССОД НГТУ. Для этого интерферометры поочередно помещались в капсулы нижней части фидера измерительного канала (ИК) и производилась оценка их основных

технических характеристик. Были исследованы следующие характеристики СКВИД - магнитометра:

коэффициент преобразования входного магнитного потока в

выходное напряжение ИК , >

- порог чувствительности,

- частотная зависимость спектральной плотности входного шума. Методики измерений и способы оптимизации этих параметров

приведены в главе. Основные результаты можно сформулировать следующим образом:

- уменьшение диаметра отверстий и увеличение длины СКИ снижает порог чувствительности. Наименьший порог (при диаметре

-4 Ф0

огверсгий 1 мм и длине СКИ 10 мм) был равен

л/ГЦ

наибольший (при диаметре отверстий 2 мм и длине СКИ 3 мм) был равен 11-КГ4

- уменьшение длины соединительной части фидера уменьшает порог чувствительности, но незначительно: при уменьшении Р в 10 раз (от 1,05 до 0,1м) спад Б"2®^ происходит лишь на 10%; увеличение частоты ВЧ смещения ВТСП интерферометра с 15 до 25 МГц приводит к незначительному ( ~ 6%) снижению 31/2фд.

- подъем низкочастотных шумов начинается с нескольких сотен Гц, достигая увеличения в 3 раза на частоте 10 Гц. Это связано, помимо теплового шума, с проникновением в объем ВТСП интерферометра магнитного поля и движением захваченного магнитного потока в нем.

Из измерений, проведенных в оптимальном режиме, оценены индуктивность контура интерферометра (Ь« 9-Ю*10 Гн) и критический ток слабой связи (1с и 1,1 МкА)., Оценочное значение критического тока хорошо согласуется с оценкой величины 1с для одиночного джозефсоновского контакта материала магнитных экранов (1с = 0,8 мкА). При диаметре слабой связи 80-100 мкм2 коэффициент использования поперечного сечения слабой связи равен

0,0006. В работе обсуждаются причины столь низкого коэффициента использования площади поперечного сечения слабой связи.

На основе ВЧ СКВИД - магнитометра были изготовлены два конечных СКВИД - устройства для геофизики и метрологии: установка по измерению магнитной восприимчивости с диапазоном измерения»

магнитной восприимчивости от и

А А

намагниченности от для образца

м-л/Гц м-л/Гц

объемом 0,15 см3 при частоте.поля 1 кГц и:величине магнитной

индукции 0,4-Ю"4 Тл с погрешностью измерения, не более 15%;

измеритель ослабления электромагнитных колебаний радиочастотного

диапазона, позволяющий проводить измерения отношений

электромагнитных сигналов в диапазоне частот до 1 МГц и для

калибровки вольтметров переменного тока в диапазоне частот до 200

кГц, в диапазоне измеряемого сигнала от 10 мВ до нескольких вольт с

погрешностью измерения отношений- сигналов 10"3 дБ. Схемы

установок и описание методик измерения приведены в работе.

Основной вывод 5 главы: 1. Выполненные исследования ВТСП ВЧ СКВИД-магнитометрасо СКИ различных конструкций позволили определить их основные параметры. Показано, что ВТСП СКВИД-магнитометр с оптимизированным объемным ВТСП интерферометром обладает достаточной для большинства применений чувствительностью на , фо

уровне

Глава. 6. Химико- технологические особенности группового способа изготовления толстопленочных ВТСП радиокомпонентов

Технология изготовления ВТСП квантовых интерферометров и конечных электронных устройств на их основе, описанная в гл. 4 и 5, помимо достоинств имеет и ряд недостатков, а именно:

- она предусматривает работу с каждым интерферометром в отдельности, с целью доведения его до работоспособного состояния;

- парафиновая защита слабой связи интерферометра, хотя и обеспечивает его работоспособность в течение 12 месяцев, но ее желательно повысить.

Поэтому в данной, главе предлагается компромиссная (между

тонкопленочной и объемной) толстопленочная технология изготовления ВТСП квантовых интерферометров, устраняющая эти недостатки.

В первой части этой главы излагается технология изготовления толстых ВТСП пленок на алюмосиликатной подложке, технология фрезерования их лазерным лучом, приводятся основные характеристики ВТСП пленок, полученные из вольт - амперных и характеристик. Анализ исследования физических свойств, нанесенных на поверхность алюмосиликатных подложек показал:

ВТСП толстые пленки УВСО, нанесенные на поверхность алюмосиликатных подложек имеют меньшую большую

меньше ^ по сравнению с объемными образцахчи.

- Скорость деградации таких пленок при термоциклировании выше, чем у объемных образцов;

- Ухудшение физических характеристик пленок обусловлено их высокой пористостью, плохим качеством джозефсоновских межгранульных контактов.

Улучшение характеристик толстых пленок возможно на пути увеличения времени их спекания. При этом плотность пленок возрастает, и улучшаются их физические характеристики. Однако, при увеличении времени спекания пленки начинают отслаиваться от подложки.

Чтобы предотвратить отслаивание в работе предлагается технологический маршрут, который включает в себя предварительное микропрофилирование алюмооксидной подложки, заполнение микропрофиля порошком с избытком, длительное высокотемпературное спекание, удаление избытка порошка, защиту топологического рисунка диэлектрической пленкой, вскрытие в защитном слое окон под контакты и формирование контактов. Схема технологического маршрута иллюстрируется на рис. 4.

Технология микропрофилирования алюмооксидных пластин предусматривает выполнение следующих операций. С помощью фотолитографического процесса и анизотропного травления кремниевой пластины формируется негативное изображение требуемого топологического рисунка. Далее пластина вклеивается в форму для отливки алюмосиликатных пластин. После отливки, форма разбирается, извлекается отливка и проводятся дальнейшие технологические операции по извлечению связки из отлитой

В работе приводятся технологические режимы изготовления микропрофилированной кремниевой пластины, режимы изготовления профилированной алюмооксидной пластины, режимы заполнения микропрофиля порошком ВТСП и режимы его спекания.

Спираль, изготовленная по описанной выше технологии, имела следующие характеристики: Тс=91,5 К, р30о=0,8 мОм-см,

5р/ЗТ=2-КЗмОм-сМ'К~1, ^=100 А/см2 (на уровне 1 мкВ). Спираль предназначена для работы в высокодобротном резонансном

контуре с воздушным конденсатором переменной емкости.

В главе рассматривается концепция - построения ВТСП спирали (индуктивности) с использованием идеологии- кремниевой микромеханики. Концепция предусматривает изготовление спиралей (и других микрорадиокомпонентов) на профилированном диске кремния. Микропрофиль на диске кремния, полученный путем анизотропного травления, вначале пассивируется пленкой а

затем микропрофиль заполняется порошком ВТСП и проводится высокотемпературное спекание порошка В качестве

емкости резонансного контура используются распределенная емкость, а также емкость структуры ВТСП спираль - (БЮг-СаРг^Зь Такой резонансный контур может быть использован в качестве высокодобротного преселектора в системах связи, В главе приведены результаты- первичных экспериментальных, исследований отдельных стадий этой технологии, разрабатываемой в рамках проекта 205.06.01.017 НТП Минобразования РФ «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники».

Аналогичный фильтр, реализованный по тонкопленочной технологии- на подложке из LaO с распределенной емкостью, имел фиксированную резонансную частоту 24,5 МГц и добротность 54000 [5]. Управление, резонансной частотой в этом проекте не предусматривалось.

В нашем проекте управление резонансной частотой осуществляется путем подачи электрического смещения между спиралью и кремниевой подложкой. При этом к емкости барьерного слоя последовательно присоединяется емкость обедненного слоя, приповерхностного слоя Si, зависящая от поданного на структуру смещения. Помимо емкости обедненного слоя, в структуре имеется еще емкость от поверхностных состояний (ПС). Она должна быть минимальной, т.к. на;перезарядку ПС затрачивается энергия, что приводит к снижению добротности.

Вопросы минимизации плотности поверхностных состояний обсуждались нами ранее [6]. Основной вывод этих работ заключается в том, что минимальную плотность на границе раздела кремний-диэлектрик можно получить, если использовать двухслойный диэлектрик БЮг (термический) + А^Оз. Проведенные нами

дополнительные исследования показали, что такими же свойствами обладают и структуры БЮг (термический) + СаБя-

В конце главы приведен пример проектирования ВТСП квантового интерферометра на основе УВСО, с заданным уровнем собственных

шумов 5^0 = КГ4 —т==, работающего в гистерезисном режиме Рь=3.

>/Гц

Коэффициент использования площади поперечного сечения слабой связи принят равным 0,0014. Этот коэффициент определяется джозефсоновской глубиной проникновения и соответствует максимально возможному значению. Спроектированный ВТСП толстопленочный интерферометр имеет топологию, изображенную на рис. 5, и поперечное сечение слабой связи, изображенное на рис. 6. Индуктивность его равна 2,3-Ю"10 Гн, критический ток 4,3 мкА.

8Шмкм

Рис. 5. Топология ВТСП квантового интерферометра с =3 и З^ф^.О-Ш-'ФО/Л/Гц

в4*шы

к-ц

Рис. 6. Поперечное сечение слабой связи с токовым шнуром в центре

Х,= 40 мкм

Основные выводы 6 главы:

1. Предложенная толстопленочная технология с предварительно микропрофилированной подложкой обеспечивает групповой способ изготовления ВТСП СКИ и увеличение воспроизводимости их параметров.

2. Предложенная технология обеспечивает надежную защиту слабой связи СКИ от влияния окружающей среды.

3. Предложенная технология обеспечивает изготовление ВТСП микросхем, в том числе ВТСП толстопленочных планарных микрокатушек индуктивностей, на кремниевой подложке для их работы в составе высокодобротных преселекторов, с управляемой внешним смещением резонансной частотой.

4. Приведен пример проектирования топологии ВТСП квантового интерферометра с заданными эксплуатационными параметрами.

Приложения

В них приводятся результаты факторного эксперимента, модель примесной зоны в ланган-стронциевых и иттрий-бариевых купратах и проводимости по ней, а также акты об использовании материалов диссертационной работы.

Основные результаты и выводы:

1. Впервые в едином комплексе проведено систематическое изучение всего процесса создания устройств ВТСП криоэлектроники от

24

технологии синтеза ВТСП порошка до измерения и оптимизации действующих СКВИД-систем.

2. Сформулированы требования и определен базовый технологический маршрут воспроизводимого изготовления исходного порошка для ВТСП изделий, ориентированного на изготовление СКВИДов и магнитных экранов.

3. Экспериментальные исследования цилиндрических прессованных образцов керамики показали, что зависимость удельного сопротивления от температуры линейна с наклоном мкОм-см-К""1. На прессованных образцах обнаружена текстура. Ось с кристаллитов перпендикулярна оси прессования. Кислородный индекс У|Ва2Си3Ох близок к 7.

4. Разработан состав и установлено количественное соотношение компонентов шликера для производства ВТСП магнитных экранов. Определены технологические режимы шликерного литья, обеспечивающие сплошность и однородность материала в отлитых заготовках.

5. Изготовлены монолитные и составные ВТСП магнитные экраны. Для исследования их свойств впервые использован ВТСП СКВИД - магнитометр. Коэффициенты экранирования обоих типов экранов близки друг к другу и равны Это позволяет использовать их в СКВИД - системах. Экранирующие свойстза полученных экранов хорошо описываются в рамках модели джозефсоновской среды и модели Бина для сверхпроводника второго рода. Глубина проникновения магнитного поля 40 мкм, первое критическое поле Джозефсоновского перехода -16 А/м, пороговая магнитная индукция для наших экранов средний размер гранул в экранах 2 мкм и критический ток равен 20А/см2.

6. На основе многофакторных экспериментов разработан и практически реализован первый в России технологический маршрут изготовления ВТСП квантовых интерферометров с высоким процентом выхода годных и обладающих повышенной долговременной стабильностью характеристик (до 12 месяцев).

7. Впервые проведены систематические исследования предельных параметров квантовых интерферометров трех типов: одноконтурного, двух контурного и Харви в измерительной ячейке с магнитным ВТСП экраном и в составе ВТСП магнитометра. Проведена оптимизация этих параметров для двухконтурного СКИ.

25

Оценены критический ток слабой связи и

индуктивность двухконтурного СКИ при оптимальных его геометрических размерах и условиях работы

8. На основе изготовленных ВТСП интерферометров и магнитных экранов впервые создан работоспособный ВЧ СКВИД

магнитометр с чувствительностью , пригодный для

большинства применений в науке и технике. Магнитометр использован, в составе конечных электронных устройств: в измерителе ослабления электромагнитных колебаний (акт использования), позволяющий проводить калибровку вольтметров переменного тока в диапазоне частот до 200 кГц с погрешностью измерения Дб и в измерителе магнитной восприимчивости с

диапазоном измерения намагниченности от до

19—^— с погрешностью не более 15 % для образца объемом М'л/Гц

•0,15см3.

9. Развита концепция* формирования профилированных ВТСП структур с использованием идеологии кремниевой микромеханики,-что обеспечивает принципиальную возможность решения проблемы создания не деградирующих ВТСП приборов с высокой степенью воспроизводимости параметров. Спираль, изготовленная по такой технологии, имела следующие характеристики: ТС=91,5К,

р(300) =0,8 мОм-см и ^=100 А/см2 (на уровне 1 мкВ).

10. Разработаны конструкторско-технологические принципы проектирования и изготовления ВТСП приборов на основе комплексных физико-технологических исследований иттрий-бариевых купратов, приведен пример проектирования и изготовления квантового интерферометра из иттрий-бариевых купратов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Работа представляет собой обобщение экспериментальных и теоретических исследований, выполненных под руководством автора при решении крупной научно-технической задачи по созданию

прецизионных измерительных комплексов с высокотемпературными сверхпроводящими компонентами. Обобщение сформулировано в виде конструкторско-технологических принципов проектирования и изготовления радиокомпонентов из иттрий-бариевых купратов.

Цитируемая литература

1. Лихарев К. К. Ульрих ВЛ\ Системы с джозефсоновскими, контактами. Основы теории. -МлМГУ, 448 с, 1978.

2. Мотт Н., Дэвис Э. Электронные процессы в некристаллических веществах. В 2-х томах. Том 1. Изд.2. Пер с англ. — М: Мир, 368с, 1982.

3. Физические свойства высокотемпературных сверхпроводников./ под ред. Гинзберга Д.М.- Пер. с англ. - М: Мир, 544с, 1990.

4. Плетнев П.М* Регулирование свойств керамических материалов на основе оксидных соединений - с перовститовой и шпинелевой структурой введением малых добавок. - Докторская диссертация -ТПИ, Томск, 1997.

5. Erzhen Gao, Shapur Sahba, Ma Q.Y. A Superconducting PF Resonator in HF Range and its Multi-pole Filter Applications. - IEEE Trans. On applied Superconductivity. June 1999, v9, №2,3066р., 1999.

6. Фирсов Н.И., Круглов В.В., Головко В.Г. Электрические свойства МДП структур с пассивацией окисла пленкой А12О3. — Сб. "Электронное и полупроводниковое приборостроение", Новосибирск, НГУ-НЭТИ, 90-99с, 1978.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах

1. Фирсов Н.И., Черный В.Н., Рябов Е.В. и др. Особенности технологии изготовления ВТСП керамики. - В'кн.: «Физикохимия и технология высокотемпературных сверхпроводящих материалов» (Труды I Всесоюзного совещания), М.г Наука, 264-265 с, 1989.

2. Фирсов Н.И., Черный В.Н., Шадрин B.C. и др. Изготовление ВТСП пленок и изделий сложной формы методами литья и пластического формирования. - В кн.: "Физикохимия и технология высокотемпературных сверхпроводящих материалов" (Труды I Всесоюзного совещания),-М.: Наука, 371-372 с, 1989."

3. Фирсов Н.И., Черный В.Н., Чернышева В.В.' и др. Химическая

стойкость ВТСП - керамики в концентрированных и разбавленных растворах. - В кн.: "Физикохимия и технология высокотемпературных сверхпроводящих материалов" (Труды I Всесоюзного совещания), М.: Наука, 451-452 с, 1989.

4. Фирсов Н.И., Гринберг Я.С., Петров А.Ю. и др. Течение потока и магниторезистивный эффект в ВТСП пленках. -"Неоднородные электронные состояния" (Третий Всесоюзный симпозиум), Новосибирск ИНХ СО АН СССР, 100-101 с, 1989.

5. Фирсов Н.И., Головнев А.Г., Петров А.Ю. и др. Характеристики ВТСП ВЧ СКВИДов различных конструкций. (Труды IV Всесоюзного Семинара по функциональной магнитоэлектронике), Красноярск, 15 8-159с, 1990.

6. Фирсов Н.И., Головнев А.Г., Петров А.Ю. и др. Особенности технологии изготовления ВЧ СКВИДов из иттриевой керамики. (Труды IV Всесоюзного Семинара по функциональной магнитозлектронике), Красноярск, 145- 146с, 1990.

7. Фирсов Н.И., Рябов Е.В., Зиновьев В.Е. и др. Исследование влияния технологических факторов на параметры ВТСП керамики. - "Полупроводниковая тензометрия". Межвузовский сборник научных трудов. Новосибирск, НГТУ,51-59с, 1991.

8. Фирсов Н.И., Шадрин B.C. Высокотемпературные сверхпроводящие ВЧ СКВИДы. - Приборы и системы управления, №5, 15с, 1993.

9. Фирсов Н.И., Кальпус В.Ю., Шадрин B.C. Полупроводниковый преобразователь механических величин. — Авторское свидетельство СССР №324524.

10. Фирсов Н.И., Кальпус В.Ю., Шадрин B.C. Полупроводниковый преобразователь механических величин. - Авторское свидетельство СССР №459693.

11. Фирсов Н.И., Шадрин B.C., Хабаров СП. Высокотемпературный сверхпроводящий экран. - Приборы и системы управления, №5, 15с, 1993.

12. Фирсов Н.И., Новиков И.Л. высокотемпературный сверхпроводящий измеритель магнитной восприимчивости. -Сборник научных трудов. Новосибирск, НГТУ, №2, 132- 135с, 1995.

13. Фирсов Н.И., Новиков И.Л. Физико-химическая модель элементарной ячейки - "Радиотехника. Электроника- Физика (Сборник научных трудов)", Новосибирск,

НГТУ,т.1,143-149с, 1996.

14. Фирсов Н.И., Новиков И.Л. Модель электронной структуры соединения У-Ваг-Сиз-О?. -(Труды III Международной Научно -Технической Конференции АПЭП-96), Новосибирск, НГТУ, т. 1, 56-61с, 1996.

15. Фирсов Н.И., Новиков И.Л. Получение толстых поликристаллических пленок YBaCuO методом шликерного литья и их электрические характеристики. -{Труды III Международной Научно - Технической Конференции АПЭП-96), Новосибирск, НГТУ, т.1, 148- 153с, 1996.

16. Фирсов Н.И., Гаревский В.Н., Гофман Я.А. и др. Способ изготовления оксиднополупроводниковых конденсаторов. -Авторское свидетельство СССР №1083247.

17. Firsov N.I., Novikov I.L., Shadrin V.S. Crystal structure, Electron spectrum and Superconductivity of YBaCuO. - Superlattices and Microstmctures, SuppL A, v.21,269-277 p., 1997.

18. Фирсов Н.И., Новиков И.Л. Исследование экранирующих свойств высокотемпературных сверхпроводящих магнитных экранов. -Материалы Межд. науч.-тех. конф «Информатика и проблемы телекоммуникаций», Новосибирск, 131-133с, 1998.

19. Firsov N.I., Novikov I.L., Khusnutdinov R.F. Model ofmagnetic phase transition in combination Y-Ba2-Cu3-0(6+x> at x=0,41. - Book of abstracts KORUS-99, Novosibirsk, NSTU, v.2, 139p., 1999.

20. Фирсов Н.И., Круглое В.В., Головко В.Г. Электрические свойства МДП структур с пассивацией окисла пленкой А12О3.- Сб. "Электронное и полупроводниковое приборостроение". Новосибирск, НГУ-НЭТИ, 90-99с, 1978.

21. Фирсов Н.И. Способ изготовления полевого транзистора. -Авторское свидетельство СССР №686501979.

22. Круглов В.В., Фирсов Н.И. Исследование МДП структур с двойным изолятором Сб. "Электронное и полупроводниковое приборостроение". Новосибирск, НГУ-НЭТИ, 128-133С, 1978.

23. Фирсов Н.И., Голубев Ю.М., Долгополов М.В. Связь параметров шероховатости кремниевых пластин с плотностью поверхностных состояний. - "Электронная техника", серия "Технолог., организ произв. и оборудование". Вып. 3,79с, 1976.

24. Фирсов Н.И., Голубев Ю.М., Долгополов М.В. О влиянии условий полирования кремниевых пластин на плотность поверхностных

состояний. - "Электронная техника", серия "Полупроводниковые приборы". Вып. 7, 89с, 1979.

25. Калыгус В.Ю., Фирсов Н.И., Шадрин B.C. Влияние условий осаждения металла на свойства МДП структур. - "Электронная техника", серия 4 "Микроэлектроника". Вып. 2, 1975.

26. Firsov N.I., Novikov I.L., Khusnutdinov R.F. The critical concentrations of substituting metal on the phase La(2.X)-Srx-Cu-Oy diagram. - Proc.of the IEEE Conf. "High power microwave electronics: Measurement, Indentication, Application", Novosibirsk, NSTU, 1999.

27. Firsov N.I., Novikov I.L., Khusnutdinov R.F. The charge and magnetic stripes in La{2.xrSrx-Cu-04. - Proc. of 4th Inter. Sym. KORUS-2000, Ulsan, Republic of Korea, 2000.

28. Kvasov S.B., Firsov N.I., Novikov I.L. Design of the high - Tc microcoil. - Proc. ofEDM 2000, Novosibirsk, 48-52p., 2000.

29. Фирсов Н.И., Новиков И.Л., Хуснутдинов Р.Ф. Модель фазового перехода металл-диэлектрик в соединении Y-Ba2-Cu3-O(6+X) при х=0,45. - Материалы Межд. науч.-тех. конф «Информатика и проблемы телекоммуникаций», Новосибирск, 138-142с.

30. Фирсов Н.И., Новиков ИЛ., Радионов Д.С. и др. Исследование работы магнитометра на основе высокотемпературных квантовых интерферометров. -(Тр. III Международной Научно - Технической Конференции АПЭП-98), Новосибирск, НГТУ, т.9, 30-34с, 1998.

31. Киселев Г.А., Мелевский К.Е., Мешнев В.И., Фирсов Н.И., Шароглазов В.П. Способ пропитки спецтехники. - Автоское свидетельство СССР №210356.

32. Фирсов Н.И., Новиков И.Л., Радионов Д.С. Характеристики ВТСП СКВИД - магнитометров с .объемными квантовыми интерферометрами различных конструкций. - (Труды III Международной Научно - Технической Конференции АПЭП-98), Новосибирск, НГТУ,т.4,22-26с, 1998.

33. Фирсов Н.И., Новиков И.Л., Хуснутдинов Р.Ф. Модель мотто-вского перехода в соединении Y-Ba-Cu-O. - Труды III Международной Научно - Технической Конференции. АПЭП-98, Новосибирск, НГТУ, т.З, 112-116с, 1998.

34. Фирсов Н.И., Новиков И.Л., Радионов Д.С. Исследование основных технических характеристик высокотемпературного сверхпроводящего градиентометра для магнитокардиографа. -Труды III Межд. Научн.-Техн. Конф. АПЭП-98, Новосибирск, НГТУ, т.П, 35., 1998.

35. Firsov N.I., Novikov I.L., Khusnutdinov R.F. Manner of manufacturing of thik - film Josephsons transition with help laser milling. - Proc. of EDM 2000, Novosibirsk, 53-59p.v 2000.

36. Фирсов Н.И., Квасов СБ., Новиков И.Л., Разработка ВТСП микроспирали. - Труды V Межд. Научн.-Техн. Конф. АПЭП-2000, Новосибирск, НГТУ, 2000.

37. Фирсов Н.И., Хуснутдинов Р.Ф., Новиков И.Л., Толстопленочный переход Джозефсона на алюмосиликатной подложке. - Труды V Межд. Научн.-Техн. Конф. АПЭП-2000, Новосибирск, НГТУ, 2000.

38. Фирсов Н.И. Зона примесных состояний и фазовый переход металл-неметалл в легированных купратах лантана. - "Научный вестник НГТУ", №1, с. 87-94,2001.

39. Фирсов Н.И. Минимальная металлическая проводимость и край подвижности в - "Научный вестник НГТУ", №1, с. 95100,2001.

40. Firsov N.I., Novikov I.L., Khusnutdinov R.F., Kvasov S.B. The high -Tc RF SQUID magnitometer with a Copper flux transformer. -Applied Superconductivity Conference. Technology for 21st century. Pre-conference booklet. Virginia, USA, 2000.

41. Фирсов Н.И. Проводимость в La2.xSrxCuO при конечных температурах. - Доклады СО РАН ВШ, "Естественные науки", № 1, 2001.

42. Firsov N.I., Novikov I.L., Khusnutdinov R.F. Topological model ofthe charge and magnetic stripes in -Intern. Jorn. Of Modern. Physics B, v.14, №29,-3460-3465 p.,2000.

43. Kvasov S.B., Firsov N.I., Novikov I.L. Microconductor from High - Tc ceramic YBCO on a substrate froM203. - Proc. of EDM 2001, Erlagol, Altai, 106-108p., 2001.

44. Способ изготовления керамических пластин.- Патент на изобретение №2173004 от 27.08.2001. Авторы Фирсов Н.И., Новиков И.Л., Хуснутдинов Р.Ф., Квасов СБ.

45. Способ изготовления интегральных схем со сверхпроводящими компонентами.- Патент на изобретение №2173004 Авторы Фирсов Н.И., Новиков И.Л., Хуснутдинов Р.Ф., Квасов СБ.

46. Фирсов Н.И. Электрофизические свойства прессованной ВТСП керамики и ВТСП магнитных экранов. - Научный вестник НГТУ, №2 (15), с. 65-74,2003.

47. Фирсов Н.И. Технология изготовления объемных и толстопленочных высокотемпературных сверхпроводящих

квантовых интерферометров. - Научный вестник НГТУ, №2 (15), с. 53-64, 2003.

48. Фирсов Н.И. Исследование характеристик высокотемпературных объемных сверхпроводящих квантовых интерферометров в измерительных комплексах. - Автометрия, т. 40, №1, с. 96-106, 2004.

Подписано в печать Тираж 100 экз. Заказ № 20

Формат 60x84 1/16 Бумага офсетная Печ. л. 2,5

Отпечатано в типографии Новосибирского государственного технического университета 630092 Новосибирск, пр.К.Маркса, 20.

€ 3 688

СПИСОК ОСНОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ И СОКРАЩЕНИЙ.

ВВЕДЕНИЕ.

1 ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СВЕРХПРОВОДНИКОВ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ В ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВАХ.

1.1 Основные свойства сверхпроводников.

1.1.1 Критическая температура и критическое магнитное поле.

1.1.2 Купер овские пары и нормальные возбуждения в сверхпроводнике.

1.1.3 Квантовые свойства куперовских пар.

1.1.4 Разрушение сверхпроводящего состояния.

1.2 Эффект Джозефсона.

1.2.1 Туннелирование куперовских пар в системе сверхпроводник-изолятор-сверхпроводник (SIS).

1.2.2 Стационарный и нестационарный эффекты

Джозефсона в туннельных структурах.

1.2.3 Влияние магнитного поля на джозефсоновский переход.

1.2.4 Эффекты Джозефсона в слабосвязанных сверхпроводниках

1.2.5 Системы джозефсоновских контактов.

1.3 Применение слабосвязанных сверхпроводников. СКВИД-магнитометры.

1.3.1 Физические основы работы магнитометров.

1.3.2 Принципиальная блок-схема ВЧ СКВИДа и анализ ее работы.

1.3.3 Шумы ВЧ СКВИД магнитометра.

1.3.4 Техническая реализация ВЧ СКВИД магнитометров.

1.3.5 Электронные устройства на основе СКВИДов.

1.4 Активные и пассивные ВТСП элементы в электронных устройствах.

1.4.1 Формирование рынка ВТСП элементов.

1.4.2 Характеристики современных ВТСП СКВИДов.

1.4.3 Основные характеристики ВТСП магнитных экранов.

1.4.4 Материалы для изготовления ВТСП элементов электронной техники.

1.5 Цель и задачи исследований.

2 ОСОБЕННОСТИ ТЕХНОЛОГИИ И РЕЗИСТИВНЫЕ СВОЙСТВА ИТТРИЙ - БАРИЕВЫХ КУПРАТОВ.

2.1 Схема технологического маршрута.

2.2 Выбор и дозировка исходного сырья.

2.3 Выбор режимов помола смеси и брикетирование.

2.4 Граничные режимы и особенности протекания твердофазной реакции в системе YO3 - ВаСОз - СиО.

2.5 Методы контроля I стадии технологического процесса.

2.6 Выбор режимов дробления спека, помола и таблетирования.

2.7 Граничные режимы высокотемпературного отжига (ВТО).

2.8 Качественная модель физико-химических процессов при ВТО.

Морфологические особенности иттриевой керамики.

2.9 Факторный эксперимент для технологических режимов изготовления керамики.

Резюме к главе 2.

3 ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ИССЛЕДОВАНИЕ ЭКРАНИРУЮЩИХ СВОЙСТВ ОБЪЕМНЫХ ВТСП МАГНИТНЫХ ЭКРАНОВ.

3.1 Метод горячего литья под давлением.

3.2 Технологические режимы изготовления ВТСП объемных магнитных экранов.

3.3 Коэффициент экранирования монолитного и составного ВТСП магнитных экранов.

3.4 Модель джозефсоновской среды и основные внутренние параметры керамических ВТСП магнитных экранов.

3.5 Резюме к главе 3.

4 ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ И МЕТОДЫ ЗАЩИТЫ ОБЪЕМНЫХ ВТСП КВАНТОВЫХ ИНТЕРФЕРОМЕТРОВ

РАЗЛИЧНОЙ КОНСТРУКЦИИ.

4.1 Технология изготовления объемных ВТСП интерферометров.

4.2 Методика определения работоспособности ВТСП интерферометров.

4.3 Технологические приемы улучшения параметров ВТСП интерферометров и технология восстановления их работоспособности.

4.4 Методы защиты слабой связи ВТСП интерферометров.

4.5 Резюме к главе 4.

5 ОСНОВНЫЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ ПАРАМЕТРЫ ВТСП ВЧ СКВИД-МАГНИТОМЕТРА И ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ НА

ЕГО ОСНОВЕ.

5.1 Исследование работы СКВИД-магнитометра на основе объемных ВТСП интерферометров различных конструкций.

5.2 Исследование основных технических характеристик ВТСП градиентометра для магнитокардиографа. 5 .3 Исследование основных технических характеристик установки для измерения магнитной восприимчивости на основе ВТСП ВЧ СКВИД-магнитометра.

5.4 Применение объемных ВТСП СКИ и магнитного экрана в измерителе ослабления электромагнитных колебаний в радиочастотном диапазоне.

5.5 Резюме к главе 5.

6 ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ГРУППОВОГО СПОСОБА ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТОЛСТОПЛЕНОЧНЫХ

ВТСП РАДИОКОМПОНЕНТОВ.

6.1 Технология изготовления толстых пленок.

6.2 Электрофизические свойства толстых поликристаллических пленок УВагСизОб+х.

6.3 Оценка внутренних параметров толстых пленок из вольт-полевых характеристик.

6.4 Технологический маршрут и основные технологические операции изготовления толстопленочных ВТСП микроэлементов.

6.5 Микропрофилирование керамических пластин.

6.6 ВТСП спиральный резонатор с перестраиваемой частотой.

6.7 Проектирование толстопленочного интерферометра

ВТСП квантового интерферометра.

6.8 Резюме к главе 6.

Открытие высокотемпературных сверхпроводников с Тс более 90 К возродило надежду на широкомасштабное применение сверхпроводимости в электронных измерительных системах, в частности, в СКВИД-магнитометрии. Вместе с тем, переход на новые сверхпроводящие материалы породил и ряд проблем. Первая из этих проблем заключалась в том, что переход на более высокие рабочие температуры неизбежно ведет к увеличению собственных шумов ВТСП элементов и к снижению метрологических характеристик ВТСП электронных устройств. Это пессимистический прогноз. Однако имелся и оптимистический прогноз. Он заключался в том, что разность (Тс-Тр) между рабочей температурой Тр (77,3 К) и критической Тс (90 К) выше, чем для низкотемпературных сверхпроводников (Тс—Трнтсп = 10-4,2 «6 К). У перспективных

ВТСП эта разность достигает значения примерно 22 К, что должно улучшить метрологические характеристики. Мнения исследователей разделились. Решение этой проблемы является актуальной задачей.

Вторая проблема-это механические свойства новых ВТСП материалов. Если НТСП были металлами (Pb, Nb, Sn, А1) или сплавами (Nb3Ge, Nb3Ga, V3Si), то новые материалы являются керамическими с абразивными свойствами. Изготовление из них радиокомпонент с контролируемой и воспроизводимой геометрией является актуальной задачей.

Третья проблема-это проблема устойчивости новых ВТСП материалов по отношению к окружающей среде и термоциклированию. Другими словами, эта проблема деградации метрологических характеристик.

Вторая и третья проблемы взаимосвязаны. Решить проблему воспроизводимости геометрических параметров возможно с помощью фотолитографических процессов по известной тонкопленочной технологии микроэлектроники. Однако, тонкопленочные ВТСП технологии уязвимы по процессам деградации.

Поперечное сечение ответственных тонкопленочных топологических деталей составляет примерно 0,5 мкм . Малейшие нарушения в поперечном сечении, связанные с высокой химической активностью тонких пленок по отношению к окружающей среде, вызовут существенные изменения в критическом токе и нормальном сопротивлении переходов Джозефсона (слабой связи). Поэтому тонкопленочные варианты изготовления ВТСП радиокомпонент до сих пор не нашли широкомасштабного применения. Известны лишь демонстрационные образцы ее применения. С другой стороны, известны широкомасштабные применения новых ВТСП материалов в толстопленочном варианте (системы сотовой телефонной связи, ЯМР-томография, линии задержки). Становятся актуальными толстопленочные технологии, выполненные с использованием технологических процессов и оборудования микроэлектроники. У толстопленочных вариантов площадь поперечного сечения слабой связи на порядки выше (5ТО3 мкм2) и они должны быть менее чувствительны к воздействию окружающей среды. Возможны также варианты и объемного (не пленочного) исполнения радиокомпонент. Цель работы

Провести обобщение экспериментальных и теоретических исследований, направленных на решение задач по созданию прецизионных измерительных комплексов с новыми высокотемпературными сверхпроводящими компонентами и разработать базу для обоснованного проектирования и изготовления таких компонентов.

Для достижения этой цели были поставлены и решены следующие задачи:

- Проведен анализ и сформулированы требования к основным технологическим операциям базового технологического маршрута при изготовлении порошка ВТСП иттриевой керамики, обеспечивающим его устойчивую воспроизводимость. Выделены наиболее существенные технологические факторы. Проведены экспериментальные исследования и предложена морфологическая модель иттриевой керамики.

Разработана технология изготовления эффективных ВТСП магнитных экранов двух типов, обеспечивающих изучение предельных характеристик квантовых интерферометров. Определены технологические режимы их изготовления. Проведены исследования экранирующих свойств изготовленных магнитных экранов и на основе модели джозефсоновской среды определены межгранульные критические токи и размер гранул в экранах. Разработана технология изготовления объемных квантовых интерферометров трех типов: одноконтурного, двухконтурного, типа Харви. Проведены оптимизация и сравнительные исследования их предельных параметров в измерительной ячейке с магнитным экраном. По проведенным исследованиям оценена индуктивность ВТСП интерферометра и критический ток слабой связи.

Проведены исследования работы ВЧ СКВИД - магнитометра в составе конечных криоэлектронных устройств для медицины, геологии и метрологии с ВТСП интерферометром и ВТСП магнитным экраном.

Разработан технологический маршрут и исследованы основные технологические операции изготовления не деградирующих толстопленочных ВТСП микроприборов (переходов Джозефсона, двухплечевого резонатора мегагерцевого диапазона) с «утопленным» в подложку топологическим рисунком. Разработана и продемонстрирована методика проектирования толстопленочного ВТСП интерферометра с использованием оценочных и экспериментальных параметров YBCO керамики.

Работа содержит кроме «ВВЕДЕНИЯ» 6 глав и 2 Приложения.

Первая глава носит обзорный характер. В начале даются определения микроскопическим и макроскопическим параметрам сверхпроводников и приводятся их характерные зависимости от внешних и внутренних факторов. Далее кратко рассматриваются применения джозефсоновских переходов для сравнительно низкочастотных измерений магнитного поля, градиента магнитного поля, токов и напряжений. Подчеркивается, что в этих областях приборы, основанные на использовании джозефсоновских переходов, не имеют конкурентов и значительно превосходят по своей чувствительности приборы, основанные на других принципах.

Далее в главе анализируются технические реализации магнитометров на основе ВЧ СКВИДов и их использование при конструировании прецизионных вольтметров, термометров, измерителей магнитной восприимчивости, магнитного кардиографа и других приборов.

Вторая глава посвящена технологии изготовления ВТСП иттриевой керамики. В ней сформулированы требования к исходным порошкам и способам их подготовки к синтезу керамики, основанные на типовом технологическом маршруте изготовления керамических изделий радиоэлектроники. Выявлены на основе предложенной модели процесса ВТО основные морфологические особенности строения иттриевой керамики. В керамике, полученной методом прессования, обнаружена текстура. Межгранульные прослойки не вносят существенного вклада в формирование удельного сопротивления. Приведены результаты факторного эксперимента, позволяющего определить основные технологические параметры, влияющие на эксплуатационные характеристики как материала, так и изделий из него.

В третьей главе изложены основы технологии изготовления ВТСП магнитных экранов двух типов: монолитного и составного, а также экспериментальные исследования их коэффициента экранирования. Определены технологические режимы изготовления данных изделий на базе выбранного метода горячего литья под давлением, приведены основные эксплуатационные параметры для монолитного и составного экранов, из которых рассчитаны с использованием модели джозефсоновской среды основные электрофизические параметры материала.

В четвертой главе рассмотрена технология изготовления объемных ВТСП интерферометров трех типов: одноконтурного, двухконтурного типа Циммермана и многоконтурного типа Харви. Определены технологические режимы изготовления заготовок СКИ и контактов Джозефсона мостикового типа. Для повышения количества выхода годных СКИ впервые разработана технология восстановления параметров контактов в вышедших из строя интерферометрах. Предложен метод защиты слабой связи СКИ от воздействия окружающей среды, совместимый с технологией ее восстановления. Предложена методика определения работоспособных интерферометров и доведения их параметров до оптимальных.

Пятая глава посвящена исследованию основных эксплуатационных характеристик ВТСП ВЧ СКВИД-магнитометра со СКИ различных конструкций и эксплуатационных характеристик конечных электронных устройств на его основе для применения в медицине и геологии. В ней приведены основные шумовые характеристики ВЧ СКВИД-магнитометра в зависимости от диаметра отверстий интерферометров, длины соединительной части фидера, частоты высокочастотного смещения. Определено влияние термоциклирования на работоспособность СКИ. Выполнен анализ выходных характеристик СКВИД-магнитометра, и получены основные характеристики интерферометра: индуктивность контура квантования и критический ток слабой связи.

Установлены предельные характеристики разработанных конечных электронных устройств: макета градиентометра с дифференциальным включением каналов и установки по измерению магнитной восприимчивости с несверхпроводящим трансформатором магнитного потока. Представлены данные по параметрам измерителя ослабления электромагнитных колебаний радиочастотного диапазона.

Шестая глава посвящена нетрадиционной технологии изготовления толстопленочных изопланарных ВТСП керамических ИС, которые отличаются тем, что в подложке из алюмооксидной керамики изготавливают микрорельеф, затем в углубления микрорельефа закладывают порошок ВТСП с избытком и спекают. Излишки порошка сошлифовывают и заполировывают. Такая технология расширяет возможные области применения новых ВТСП материалов, улучшает воспроизводимость параметров ВТСП изделий и повышает их надежностые характеристики.

В приложении А приведены числовые данные дисперсионно-регрессионного анализа факторного эксперимента технологических режимов спекания керамики.

В приложении В проведена оценка удельного сопротивления прессованной керамики при 300 К, а также проведена оценка наклона р-Т характеристики в предположении наличия примесной зоны в иттрий-бариевых и лантан-стронциевых купратах и проводимости по ней. Для описания проводимости по примесной зоне использована электронная теория неупорядоченных систем Мота-Андерсона. Полученные оценки сравниваются как с нашими экспериментальными данными, так и с экспериментальными данными для монокристаллов и отмечается их хорошее соотвествие.

Научная новизна

1. Впервые в едином комплексе проведено систематическое изучение всего процесса создания устройств ВТСП криоэлектроники от технологии синтеза ВТСП порошка до измерения и оптимизации действующих СКВИД-систем.

2. Установлено, что прессованная керамика после синтеза в оптимальных режимах представляет собой джозефсоновскую среду с преимущественной ориентацией кристаллитов, ось С которых перпендикулярна оси прессования. Установлено, что межкристаллитные прослойки не вносят существенного вклада в величину удельного сопротивления, а удельное сопротивление керамики вдоль оси прессования соответствует удельному сопротивлению монокристаллов в плоскости [ab].

3. Решена проблема создания эффективных магнитных экранов для ВТСП-СКВИДов. Выполнены систематические исследования ВТСП магнитных экранов двух типов: монолитного и составного. В исследованиях впервые применен ВТСП СКВ ИД магнитометр. Показано, что коэффициенты экранирования обоих типов экранов близки и равны ж 106, что не уступает мировым аналогам и вполне достаточны для большинства применений в СКВИД-технике. Показано, что экранирующие свойства полученных экранов хорошо описываются в рамках модели джозефсоновской среды и модели Бина для сверхпроводников второго рода.

4. Впервые проведены систематические исследования предельных параметров квантовых интерферометров трех типов: одноконтурного, двухконтурного и Харви в измерительной ячейке с магнитным ВТСП экраном и в составе ВТСП магнитометра. Проведена оптимизация этих параметров для двухконтурного СКИ. Оценены критический ток слабой связи и индуктивность двухконтурного СКИ при оптимальных его геометрических размерах и условиях работы.

5. Развита концепция формирования профилированных ВТСП структур с использованием идеологии кремниевой микромеханики, что обеспечивает принципиальную возможность решения проблемы создания не деградирующих ВТСП приборов с высокой степенью воспроизводимости их параметров.

6. Разработаны физико-химические принципы проектирования и изготовления ВТСП приборов на основе комплексных физико-технологических исследований иттрий-бариевых купратов. Приведен пример проектирования и изготовления толстопленочного квантового интерферометра из иттрий-бариевых купратов.

На защиту автор выносит:

1. Результаты экспериментальных исследований резистивных свойств прессованной ВТСП керамики и выводы о близости этих свойств к аналогичным свойствам монокристаллов.

2. Результаты сравнительных исследований ВТСП магнитных экранов двух типов (монолитного и составного), а также выводы о параметрах джозефсонов-ской среды экранов (критическом токе и размерах кристаллитов).

3. Технологические операции и режимы процесса изготовления, метод защиты и восстановления параметров слабой связи объемных интерферометров, обеспечивающие высокий процент выхода годных и долговременную стабильность характеристик.

4. Экспериментальные результаты по оптимизации эксплуатационных характеристик (ВТ) ВЧ СКВИД - магнитометра, а также конструкцию установки для измерения магнитной восприимчивости с несверхпроводящим трансформатором магнитного потока и ее эксплуатационные параметры и выводы о достаточной чувствительности магнитометра для большинства применений в науке и технике.

5. Концепцию формирования профилированных ВТСП структур с использованием идеологии кремниевой микромеханики.

6. Комплексную конструкторско-технологическую программу проектирования и изготовления сверхпроводящих квантовых интерферометров и других ВТСП приборов.

Практическая ценность:

- Проведенный комплекс исследований позволил сформулировать требования и определить базовый технологический маршрут воспроизводимого изготовления исходного порошка для ВТСП изделий, ориентированного на изготовление СКВИДов и магнитных экранов.

Разработан состав и установлено количественное соотношение компонентов шликера для производства ВТСП магнитных экранов. Определены технологические режимы шликерного литья, обеспечивающие сплошность и однородность материала в отлитых заготовках.

Решена проблема термической обработки отлитых заготовок, обеспечивающая полноценное удаление органических связок из них, что определяет долговременную стабильность характеристик готовых монолитных изделий. На основе многофакторных экспериментов разработан и практически реализован первый в России технологический маршрут изготовления ВТСП квантовых интерферометров с высоким процентом выхода годных и обладающих повышенной долговременной стабильностью характеристик. На основе изготовленных ВТСП интерферометров и магнитных экранов впервые создан работоспособный ВЧ СКВИД магнитометр с чувствитель

-4 Ф0 ностью ~ 1,0 • 10 ,— , пригодный для большинства применений в науке и л/Гц технике. Магнитометр использован в составе конечных электронных устройств: в измерителе ослабления электромагнитных колебаний (акт внедрения) и в измерителе магнитной восприимчивости.

Разработана практическая технология изготовления толстопленочных ВТСП приборов с предварительно микропрофилированной подложкой, обеспечивающая групповой способ изготовления ВТСП СКИ и улучшающая надежность и воспроизводимость их параметров.

Разработаны практические методы проектирования ВТСП приборов (СКИ) с учетом технологических особенностей их изготовления.

Апробация

Результаты диссертационной работы были представлены на четырех международных конференциях АПЭП (Новосибирск, 1994, 1996, 1998, 2000); двух международных конференциях KORUS (Новосибирск 1999, Ульсан (Корея) 2000); международной конференции МЕЕМЕ (Новосибирск, 1999), пятом международном конгрессе по сверхпроводимости (Будапешт, Венгрия, 1996), пятой международной конференции по прикладной сверхпроводимости (США, 2000); международной конференции по страйпам (Рим (Италия),2000); международной научно-технической конференции «Информатика и проблемы коммуникации» (Новосибирск, 1998), научных семинарах кафедры Полупроводниковых приборов и микроэлектроники НГТУ; семинарах отдела Термодинамических исследований ИНХ СО РАН; семинаре кафедры Общей физики Омского государственного университета.

ВТСП ВЧ СКВИД магнитометр демонстрировался на научно-технической выставке «Фонд изобретений России» (Москва, 1995), научно-технической выставке четвертой международной конференции АПЭП (Новосибирск, 1998).

Технические характеристики ВТСП изделий включены в базу данных «Рынок ВТСП» информационного центра «Сверхпроводимость» ИФТТ РАН г.Черноголовка.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Впервые в едином комплексе проведено систематическое изучение всего процесса создания устройств ВТСП криоэлектроники от технологии синтеза ВТСП порошка до измерения и оптимизации действующих СКВИД-систем.

2. Сформулированы требования и определен базовый технологический маршрут воспроизводимого изготовления исходного порошка для ВТСП изделий, ориентированного на изготовление СКВИДов и магнитных экранов.

3. Экспериментальные исследования цилиндрических прессованных образцов керамики показали, что зависимость удельного сопротивления от температуры линейна с наклоном -2,8 мкОм см К"1. На прессованных образцах обнаружена текстура. Ось «с» кристаллитов перпендикулярна оси прессования. Кислородный индекс YjBa2Cu3Ox близок к 7.

4. Разработан состав и установлено количественное соотношение компонентов шликера для производства ВТСП магнитных экранов. Определены технологические режимы шликерного литья, обеспечивающие сплошность и однородность материала в отлитых заготовках.

5. Изготовлены монолитные и составные ВТСП магнитные экраны. Для исследования их свойств впервые использован ВТСП СКВИД - магнитометр. Коэффициенты экранирования обоих типов экранов близки друг к другу и равны -10 6. Это позволяет использовать их в СКВИД - системах. Экранирующие свойства полученных экранов хорошо описываются в рамках модели джозефсоновской среды и модели Бина для сверхпроводника второго рода. Глубина проникновения магнитного поля 40 мкм, первое критическое поле Джозефсонов-ского перехода -16 А/м, пороговая индукция для наших экранов 6-10"4 Тл, средний размер гранул в экранах 2 мкм и критических ток равен 20 А/см2.

6. На основе многофакторных экспериментов разработан и практически реализован первый в России технологический маршрут изготовления ВТСП квантовых интерферометров с высоким процентом выхода годных и обладающих повышенной долговременной стабильностью характеристик (до 12 месяцев).

7. Впервые проведены систематические исследования предельных параметров квантовых интерферометров трех типов: одноконтурного, двухконтур-ного и Харви в измерительной ячейке с магнитным ВТСП экраном и в составе ВТСП магнитометра. Проведена оптимизация этих параметров для двухконтур-ного СКИ. Оценены критический ток слабой связи (1с «1,1 мкА) и индуктивность двухконтурного СКИ при оптимальных его геометрических размерах и условиях работы (L«91040 Гн).

8. На основе изготовленных ВТСП интерферометров и магнитных экранов впервые создан работоспособный ВЧ СКВИД магнитометр с чувствитель

-4 Ф0 ностью -1,0-10 .—, пригодный для большинства применений в науке и л/Г Д технике. Магнитометр использован в составе конечных электронных устройств: в измерителе ослабления электромагнитных колебаний (акт использования), позволяющий проводить калибровку вольтметров переменного тока в диапазоне частот до 200 кГц с погрешностью измерения 10"3 Дб и в измерителе магнитной восприимчивости с диапазоном измерения намагниченности от

А А

4,2 10"5-j= до 9-т= с погрешностью не более 15 % для образца объ

Му]Гц м-у/Гц емом 0,15 см3.

9. Развита концепция формирования профилированных ВТСП структур с использованием идеологии кремниевой микромеханики, что обеспечивает принципиальную возможность решения проблемы создания не деградирующих ВТСП приборов с высокой степенью воспроизводимости параметров. Спираль, изготовленная по такой технологии, имела следующие характеристики: Тс=91,5 К, р(300) =0,8 мОм-см и jc=l00 А/см2 (на уровне 1 мкВ).

10. Разработаны конструкторско-технологические принципы проектирования и изготовления ВТСП приборов на основе комплексных физико-технологических исследований иттрий-бариевых купратов, приведен пример проектирования и изготовления квантового интерферометра из иттрий-бариевых купратов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Работа представляет собой обобщение экспериментальных и теоретических исследований, выполненных под руководством автора при решении крупной научно-технической задачи по созданию прецизионных измерительных комплексов с высокотемпературными сверхпроводящими компонентами. Обобщение сформулировано в виде конструкторско-технологические принципы проектирования и изготовления радиокомпонентов из иттрий-бариевых купра-тов.

1. Справочник по электротехническим материалам. В трех томах. - Под ред. Ю.В. Корицкого, В.В. Пасынкова. Jl-д, Энергоиздат, т.З, 398 е., 1988.

2. Шмидт В.В. Введение в физику сверхпроводников. -М.: Наука, 1982.-238 с.

3. Волков А.Ф., Заварицкий Н.В., Надь Ф.Я. Электронные устройства на основе слабосвязанных сверхпроводников. -М.: Советское радио, 7 е., 1978.

4. Физика микромира. Под ред. Д.В.Ширкова, М.: "Советская энциклопедия", 335-352 е., 1980.

5. Абрикосов А.А. Основы теории металлов. М.: Наука, 519 с., 1987.

6. Жарков Г.Ф. Туннельный эффект Джозефсона в сверхпроводниках. В кн. Сверхпроводимость. М.: Наука, 135-163 с. 1967.

7. Giffard R.P., Gallop J.C., Petley B.W. Applications of the Josephson effects -"Prog. Quant. Electron", v.4. 301-402 p. 1976.

8. Солимар Л. Туннельный эффект в сверхпроводниках и его применение. Пер. с англ. М.: Мир, 1974.

9. Кулик Н.О., Янсон Н.К. Эффекты Джозефсона в сверхпроводящих туннельных структурах. М.: Наука, 1970.

10. Лихарев К.К., Ульрих Б.Т. Системы с Джозефсоновскими контактами. Изд-во МГУ, 1978.

11. Josephson B.D. Possible new effects in superconducting tunneling. "Phys.Let", v. 1,251-253 p.

12. Янсон Н.К. и др. Экспериментальное наблюдение туннельного эффекта для куперовских пар с излучением фотонов. "ЖЭТФ", т.48, №3, 976-979 с. 1965.

13. Уизем Дж. Линейные и нелинейные волны. Пер с англ. М: Наука, 584с., 1977.

14. Кулик И.О., Янсон И.К. Эффект Джозефсона в сверхпроводящих туннельных структурах. М: Наука, 438с., 1970.15.