автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Пленки ВТСП-материалов: методы получения, структурные особенности, сверхпроводящие свойства, применение в микроэлектронике

« • о ОД На правах рукописи

ИЛЮШЕЧКИН Александр Юрьевич ^¡М

ПЛЕНКИ ВТСП-МАТЕРИАЛОВ: МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ, СТРУКТУРНЫЕ ОСОБЕННОСТИ, СВЕРХПРОВОДЯЩИЕ СВОЙСТВА, ПРИМЕНЕНИЕ В МИКРОЭЛЕКТРОНИКЕ

Специальность 05.27.01 - Твердотельная электроника, микроэлектроника и наноэлек-. .ика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1997г.

Работа выполнена в лаборатории ионно-плазменной технологии и вакуумных процессов Центрального научно-исследовательского технологического института "ТЕХНОМАШ", г.Москва и в лаборатории высокотемпературных сверхпроводников Квинслендского университета (The High Temperature Superconductors Laboratory, The University of Queensland), Австралия.

Научный руководитель:

кандидат химических наук ст.н.с Белянин А.Ф. Официальные оппоненты:

доктор технических наук профессор Миркин Л.И.

кандидат физико-математических наук Григорошвили Ю.С.

Ведущая организация: Институт микроэлектроники РАН,

гЛрославль

Защита состоится "_1998г. в_часов на

заседании диссертационного совета Д.053.02.02 в Московском институте электронной техники по адресу: 103498, Москва, Зеленоград, МИЭТ (ТУ).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИЭТ (ТУ).

Автореферат разослан"___"_1998г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д.053.02.02

доктор технических наук профессор В.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Одним из достоинств материалов, обладающих высокотемпературной сверхпроводимостью (ВТСП), является возможность их использования не только в виде керамик, но и в виде тонких и толстых пленок, что представляет особый интерес для их применения в микроэлектронике.

Области применений ВТСП-пленок в микроэлектронике, как и в других отраслях, определяются особенностями каждой ВТСП-систсмы, их достоинствами и недостатками с точки зрения условий получения и свойств.

Применение ВТСП-материалов в электронике прежде всего возможно в чисто сверхпроводниковьтх устройствах. Почти все такие устройства основаны на джозефсоновских переходах или же областях с ограниченным потоком заряда [ 1, 2]. Такие устройства могут быть получены путем фотолитографии сверхпроводящей пленки или же использования тонких слоев металла или изолятора между двумя сверхпроводящими областями, через которые сверхпроводящие электроны могут пройти. Когда ток становится относительно высоким, эта область перестает быть сверхпроводящей, вызывая измеримое падение напряжения в устройстве. Основным требованием к формированию таких переходов являются контролируемые и стабильные характеристики переходов, воспроизводимые в каждом устройстве. Использование ВТСП в чисто сверхпроводниковых устройствах уже нашло воплощение в виде сверхпроводящих транзисторов [3].

В течение многих лет используются гибридные устройства на основе сверхпроводящих и полупроводниковых материалов. Обычно упоминаются [4] три уровня гибридизации: 1) комбинирование сверхпроводника и полупроводника в одном устройстве; 2) комбинирование отдельных сверхпроводниковых и полупроводниковых устройств в интегральной схеме; 3) комбинирование сверхпроводящих и полупроводниковых схем в полной системе. Все перечисленные комбинации сверхпроводников и полупроводников в интегральных схемах накладывают дополнительные требования к полупроводникам: они должны работать при низких температурах (77 К или ниже).

И, наконец, одним из наиболее перспективных и используемых применений ВТСП являются СВЧ-устройства, такие как фильтры и линии задержки [5]. В этих устройствах сверхпроводники привлекательны такими преимуществами как -

динамический диапазон и полоса пропускания. Кроме того, требования, предъявляемые к материалам, кажутся более выполнимыми, чем .требования к активным устройствам. Для многих микроволновых устройств пленки должны быть однородными и иметь большую площадь поверхности. Их поверхностное сопротивление должно быть низким, и в некоторых случаях зависимость поверхностного сопротивления от микроволновой мощности должна быть также невелика. Некоторые применения дополнительно требуют связи пассивных сверхпроводящих элементов с активными полупроводниковыми. Тонкопленочные полосковые СВЧ-резонаторы уже производятся компанией Superconductor Technologies Inc. [6] и заняли свое место на рынке, в то время как появление ■ других пассивных СВЧ-устройств ожидается на рынке в ближайшее будущее.

Области применений толстых пленок несколько отличаются от тонкопленочных, однако некоторые из областей их применений перекрываются.

Поскольку толщина ВТСП-толстых пленок может быть в пределах 5 - 500 мкм, в дальнейшем возможны их применения в оптических и инфракрасных приборах, датчиках магнитного поля, переходах Джозефсона, активных микроволновых компонентах, СКВИДах, а также в качестве проводов, лент и прочего электрического оборудования [1, 7 - 12].

Наиболее многообещающими применениями толстых пленок в электронике являются пассивные ВЧ-компопенты, такие как антенны с низкими потерями и нулевым рассеиванием частоты сигнала, резонаторы с высокой добротностью (106 109) и подстраиваемые составные фильтры с крутыми частотными характеристиками. Высокочастотные применения основаны на чрезвычайно низком поверхностном сопротивлении сверхпроводников [12] по сравнению с обычными металлами, что способствует низким добавочным потерям, высоким добротностям и большей компактности цепей.

Большая часть усилий по разработке технологий получения тонко/толстогшеночных покрытий и микроэлектронных устройств была сосредоточена на системе Y-Ba-Cu-O. Меньше внимания было уделено системе Bi-Sr-Ca-Cu-O. Однако использование пленок системы Bi-Sr-Ca-Cu-O представляется вполне перспективным. Пленки системы Bi-Sr-Ca-Cu-O высокого качества с плотностями тока в несколько тысяч ампер на см2 обеспечат базис для широкого

круга пассивных компонентов, действующих в СВЧ-диапозоне частот, а в тонкопленочной форме - для электронных приборов и цепей.

Перечисленные выше области применений ВТСП-материалов в электронике накладывают определенные требования на технологии их получения. Быстрейшие достижения результатов в области технологий позволят, с одной стороны, разработать методы выращивания пленок и нанесения структур с оптимальными свойствами для устройств сверхбольшого уровня интеграции, а с другой - создать сверхпроводящие линии электропередачи, магнитные и инфракрасные датчики, джозефсоновские контакты, СКВИДы и элементы устройств высокой мощности.

При промышленном внедрении ВТСП-материалов не следует недооценивать значение фундаментальных исследований, ключевая роль в которых наряду с физиками, материаловедами и химиками, должна принадлежать и технологам. Весьма важным является установление тесной взаимосвязи между технологиями получения пленок ВТСП и изменениями их свойств. Следует понять необходимость исследований внутреннего строения и состава выращенных пленок. Для этой цели наиболее подходящими являются методы рентгеновской дифракции, электронной микроскопии, оже-спектроскопии и другие.

Целью данной работы является разработка технологий и новых принципов получения пленок ВТСП-материалов, исследование их состава, строения и свойств для оптимизации параметров процесса выращивания и внедрение полученных результатов в изготовление на базе ВТСП-пленок СВЧ-устройств.

Для достижения поставленной цели сформулируем следующие основные задачи:

1. Отработка и исследование технологического процесса получения пленок ВТСП-материалов на установках ионно-плазменного распыления, разработанных на базе серийных.

2. Отработка процесса получения пленок ВТСП-материалов толстопленочными методами.

3. Исследование состава, строения и свойств полученных пленок методами рентгеновской дифрактометрии, электронной микроскопии, дифференциального термического анализа и электрофизическами методами с целью определения важнейших параметров процесса их получения и последующей термообработки.

4. Нахождение оптимальных условий получения пленок для непосредственного их внедрения в устройствах микроэлектроники.

5. Применение ВТСП-нленок, полученных тонкопленочными и толстопленочными методами, в СВЧ-устройствах на примере полоскового СВЧ-резонатора.

Проведенные исследования представляют научную и практическую ценность для технологов и разработчиков устройств микроэлектроники, так как показывают возможность использования серийного оборудования для получения плепок ВТСП-матсриалов, выявляют существующие технологические проблемы и оптимальные режимы получения ВТСП-иленок, и, наконец, показывают реально действующее СВЧ-устройство па базе ВТСП-пленок. Научная новизна работы состоит в следующем:

- разработаны технологические условия нанесения тонких пленок систем У-Ва-Си-О и ВЬБг-Са-Си-О методом ВЧ-магнетронного распыления и распыления ионным пучком на базе серийных установок;

- исследовано влияние параметров процесса получения пленок на их строение, состав и сверхпроводящие свойства;

- оптимизирован режим отжига толстых и тонких пленок системы ВЬБг-Са-Си-О;

- изучено влияние фазового состава порошков системы ВьЗг-Са-Си-О, используемых для получения пленок, на оптимальные условия термообработки;

- показана возможность использования пленки Ag в качестве буферного подслоя для получения методом частичного плавления пленок В123г2СаСи20у (В1-2212) на подложках поликора (поликристаллического а-А^Оз):

- применен метод частичного плавления для тонких пленок системы ВЬ Бг-Са-Си-О;

- показана возможность интегрирования процесса получения тонких и толстых пленок в едином технологическом процессе;

- изготовлены макеты полосковых СВЧ-резонаторов на основе пленок В1-2212, полученных как тонкопленочными, так и толстопленочными методами.

Достоверность экспериментальных результатов обеспечивается использованием современных методов и техники физического эксперимента, таких как:

- просвечивающая и растровая электронная микроскопия;

- рентгеновская топография и дифрактометрия; • - оже-электронная спектроскопия;

— Дифференциальный термический анализ;

- электрофизические измерения при низких температурах.

Представленные в диссертации исследования выполнены в Центральном

научно-исследовательском технологическом институте "ТЕХНОМАШ" (Москва, Россия) по темам "Ралли", "Рапид", "Рапид-2"; а также в The University of Queensland (Брисбен, Австралия), в лаборатории высокотемпературной сверхпроводимости при Центре микроскопии и микроанализа.

На защиту выносятся:

1. Результаты экспериментальных исследований влияния параметров процесса получения и термообработки па состав, строение и сверхпроводящие свойства пленок систем Y-Ba-Cu-O и Bi-Sr-Ca-Cu-O, сформированных ВЧ-магнетронным распылением, распылением ионным пучком, а также методом трафаретной печати.

2. Конструктивно-технологические решения повышения качества и воспроизводимости состава и свойств при формировании и термообработке пленок ВТСП-материалов.

3. Макеты микрополосковых СВЧ-резонаторов на основе пленок системы Bi-Sr-Ca-Cu-O, полученных тонкопленочными и толстогогеночными методами.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы, ее научные и практические результаты докладывались и обсуждались на IX научно-техническом совещании "Материалы и новые технологические процессы в микроэлектронике" (Дрогобыч, Украина, 1988); научно-технической конференции, посвященной Дню радио "Новые высокие технологии производства РЭА" (Москва, 1996); между народной конференции керамических сообществ стран тихоокеанского региона "The 2nd International Meeting of Pacific Rim Ceramic Societies" (Cairns, Australia, 1996); Международном симпозиуме "Тонкие пленки в электронике" (Харьков, Украина, 1997); 2— Российской конференции с участием зарубежных специалистов "Высокие технологии в промышленности России (Техника средств связи)" (Москва, 1997).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 печатных работ (15 статей, 1 информационный листок) и 3 отчета по НИР.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы из 133 наименований и приложения. Работа содержит 126 страниц основного текста, 62 рисунка, 7 таблиц.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В введении дан краткий обзор наиболее перспективных и ближайших применений высокотемпературных сверхпроводников в промышленности, науке и технике. Показана актуальность разработок новейших технологий получения ВТСП-материалов, в частности, разработка тонкопленочной и толстопленочной технологий.

Сформулирована цель диссертационной работы, состоящая в разработке методов получения покрытий ВТСП-материалов, исследование их строения, состава и свойств, оптимизация на основе проведенных исследований параметров процесса получения и последующей термообработки толстых и тонких ВТСП-пленок с целыо их практического внедрения при реализации устройств микроэлектроники. Определены основные задачи для достижения поставленной цели, перечислены выносимые на защиту положения, отмечена их научная и практическая ценность.

В первой главе . дается краткое объяснение основных понятий толстопленочной и тонкопленочной технологий, описываются принципы получения толсто- и тонкопленочных покрытий, модели роста тонких пленок. Далее представлен обзор существующих методов нанесения тонких пленок ВТСП-материалов с учетом специфики каждой системы. Анализируются основные достоинства и недостатки конкретных тонкопленочных методов на основе публикаций последних лет. Обосновывается выбор ионно-плазменных методов на примере магнетронного распыления и распыления ионным пучком.

Во второй главе дается описание используемых в работе методов распыления оксидов сложного состава: ионным пучком и ВЧ-магнетронным распылением.

Для освоения техники реактивного распыления ионным пучком использовался конструктивно доработанный вакуумный универсальный пост

ВУП-5, который был дополнен распылительной камерой с технологической оснасткой, плазменным источником ионов и стабилизированным источником тока. Представлена конструкция источника ионов, описаны работа основных узлов и характеристики полученного ионного пучка.

С использованием данного ионного источника были реализованы несколько конструкций технологической оснастки. Первый тип конструкции - для распыления одиночным источником одиночной мишени стехиометрического состава, позволяет получать пленки такого же стехиометрического состава, что и мишень (см. рис. 1). Второй описанный .тип конструкции - распыление одиночным источником мишени, состоящей из секторов оксидов (или карбонатов) элементов, составляющих перовскитную структуру. И, наконец, третий тип конструкции основан на применении трех ионных источников для распылении трех мишеней, составляющих сложный оксид (см. рис. 2).

При реализации первой модели распыления особое внимание уделено синтезу распыляемой мишени. Вторая и третья модели распыления представляют больший исследовательский интерес, так как позволяют варьировать состав растущей пленки в процессе роста. Однако, они сложнее в техническом

Рис. 1. Принципиальная схема распыления ионным пучком:

Рис. 2. Схема распыления сложных

1 - источник ионов, 2 -вытягивающий электрод, 3 -мишень, 4 - подложка, 5 -

1 - источник ионов, 2 - пучок ионов, 3 -мишень, А - подложка, 5 -подложкодержатель с нагревателем, 6 - заслонка.

оксидов из трех источников:

подложкодержатель нагревателем, 6 - заслонка.

с

исполнении и требуют дополнительных исследований технологических параметров. В последней части этого раздела даются условия распыления мишени УВа2Сиз07.х стехиометрического состава.

Во второй части второй главы описан метод ВЧ-магнетрошюго распыления керамических и порошковых мишеней. Представлена установка ВЧ-магнетронного " распыления (см. рис. 3) и конструкции специально разработанных планарного магнетрона и подколпачного устройства. В качестве мишеней использовались порошки состава УВа2Си307.х и В12Зг2СаСи2Оу. Описан синтез порошков путем спекания, прессовки, прокаливания и перетирания. Представлены температурные зависимости магнитной восприимчивости и электрического сопротивления распыляемых мишеней.

Представленные условия распыления позволяют при высокой скорости распыления исключить термическое разложение мишени и ¡распыление растущей

Рис. 3. Схема установки ВЧ-магнетронного распыления оксидов сложного состава:

1 - пленарная магнетронная распылительная система, 2 подложкодержатель-нагреватель, 3 -заслонка, 4 - ВЧ-генератор, 5 -вакуумный конденсатор,

6-турбомолекулярный насос ТМН-500, 7 — дросселирующий затвор, 8 электромагнитный клапан, 9 - азотная ловушка.

—г~

10

—Г"

30

УВа2Сил0г.

а

30

60

В|2Зг2СаСи20,

2Е

ш

28, град.

Рис. 4. Штрих-рентгенограммы пленок систем У-Ва-Си-О и ВЬБг-Са-Си-О.

пленки. После отжига пленки систем Y-Ba-Cu-O и Bi-Sr-Ca-Cu-O практически полностью воспроизводят состав распыляемых мишеней (см. рис. А).

Третья глава посвящена изучению структурных особенностей, состава и свойств полученных пленок.

В первом разделе исследовались структурные особенности пленок Y-Ba-Cu-О, полученных распылением ионным пучком на традиционных в тонкопленочной микроэлектронике подложках: плавленый кварц, полнкор, радиотехническая керамика 22ХС, монокристаллы MgO(lOO), а также сапфир а-А12Оз(01Т2) и LiNbC>3(10 1 0) с подслоем Zr02, стабилизированным Y2O3.

Структурные особенности были исследованы на рентгеновском дифрактометре ДРОН-2,0 (СиКа-излучение) в зависимости от изменения таких параметров как температура и время последующего отжига.

Электрофизические свойства полученных пленок тесно связаны с их фазовым составом и материалом подложки. Ограничение в получении однородных пленок ромбического УВа2Сиз07_х связано с распылением электродов разрядной камеры источника ионов и стабилизацией тетрагональной фазы YBa2Cu307.x .

Во втором разделе уделено внимание изучению строения пленок систем Y-Ва-Си-0 и Bi-Sr-Ca-Cu-O, полученных ВЧ-магнетронным распылением порошковых мишеней. Помимо рентгенофазового и рентгеноструктурного анализа отожженных пленок систем Y-Ba-Cu-0 и Bi-Sr-Ca-Cu-O, даны результаты оже-электронной спектроскопии неотожженных пленок.

Исследовано влияние отжига на структуру и фазовый состав пленок системы Bi-Sr-Ca-Cu-O и найдена взаимосвязь условий отжига с электрофизическими свойствами пленок. Отмечено, что при приближении температуры отжига к 870 - 880° С в пленках системы Bi-Sr-Ca-Cu-O на подложках MgO(lOO) наблюдалась рекристаллизация и образование текстуры, параллельной плоскости подложки (рис. 5), что приводит к увеличению температуры перехода в сверхпроводящее состояние (Ткр) (рис. 6).

Отмеченное текстурирование в данном температурном интервале позволяет сделать предположение о наличии частичного плавления тонких пленок Bi-2212 на подложках MgO.

В третьем разделе дан анализ распределения напряжений в пленке и подложке на основе рентгеновских топограмм (съемка по методу Фудживара).

880 »С

В80 •с

877 «С

Рис.

20, град

5. Текстурирование пленки Bi-2212 при температуре отжига 880 °С.

-Ь>.

1во <м

Температура, К

Рис. 6. Зависимости И(Т) пленок ВЬ 2212, полученных при разных температурах отжига.

Рис. 7. Рентгеновские топограммы подложек а-А^Оз с пленками системы У-Ва-Си-О после отжига. Пленки получены распылением ионным источником (а) и магнетронным распылением (6). Стрелками показаны области отслоения пленок.

Исследуемые пленки системы У-Ва-Си-О были получены как распылением ионным пучком, так и ВЧ-магнетронным распылением. Анализ показал развитие

напряжений с характерной для них текстурой в пленках, подвергнутых отжигу (см. рис. 7).

Характер напряжений в пленках, полученных обоими методами идентичен, но напряжения отличаются по знаку. Возникновению напряжений в процессе отжига пленок способствует уменьшение объема материала при переходе пленок системы У-Ва-Си-О из аморфного состояния в кристаллическое. Вдоль направления отслаивания пленок, параллельного <1120> подложки, наблюдаются концентрации напряжений.

В последней части этой главы представлены результаты исследования пленок системы ВьЗг-Са-Си-О, полученных ВЧ-магнетронным распылением мишеней состава В123г2СаСи20у, обогащенных В12О3 и Си. В пленках, обогащенных В12О3 и Си, после отжига наблюдалось большое количество примесных фаз. Электрическое сопротивление неотожженных пленок возрастало в несколько раз. С ростом концентрации В120з и Си в распыляемых мишенях отожженные пленки проявляют диэлектрические свойства.

Отмеченный факт текстурирования пленок В1-2212 на подложках М^О(ЮО) показывает необходимость детального изучения механизма частичного плавления и кристаллизации этих пленок во время отжига. С этой целью в последующих двух главах проводится исследование метода частичного плавления системы ВЬЗг-Са-Си-О на примере толстых (10 - 50 мкм) пленок. Выбор толстопленочных методов обусловлен, с одной стороны задачей расширить изучение ВЬ2212-структур в область более толстых пленок, а с другой стороны, -простотой их получения. Следует отметить, что большая часть полученных результатов справедлива и для тонкопленочпых структур толщиной > 4 мкм.

В главе 4 изучаются фазовые диаграммы системы ВЬЗг-Са-Си-О в процессе частичного плавления и кристаллизации (см. рис. 8 и рис. 9), формулируются основные критерии, определяющие высокоупорядоченную структуру с высокими сверхпроводящими параметрами.

На основе исследований с использованием дифференциального термического анализа показано различие в процессах плавления системы В1-5г-Са-Си-О в зависимости от химического состава пленок, отклонения от стехиометрии, а также газового состава среды, в которой происходит отжиг.

Зг062СаозаО

•0.55

870°С, в воздухе

0.30

0.20 вю„

0.25 0.30

хСиИХЕН+Х£г+ХСа+ХСи)

/V-

0.40

Рис. 8. Фазовая диаграмма системы ВЬБг-Са-Си-О.

1.0 0.90.7 0.6 0.50.40.30.2 0.1 Ч

750 800. 850 900

Температура, °С

950

А/см2

т плавления=873° С

5000

* • ■ 1

4000 А

3000 А

2000 ▲ А А 4 А

1000 А

0 ■ 1 1 А А 1 1 1

С 5 10 15 20

Рис. 9. Фазовые изменения в воздухе при изменении температуры. Индексы

соответствуют пропорции Вк5г:Са:Си:0 в соединениях.

- . , ,' Аз в пасте)

А А/т2 I

Т плавления =878 С

2500 2000 1500 1000 500

о

0 5 10 15 20 К (й в ласте)

А ¡*р- Л/си5 т

Т плавления =В83 О

5000' 4000 3000 2000 1000 0

10 15 20 Н СЛ в пасте)

Рис. 10. Зависимость ,1Кр пленок ВЬ2212+Ае/М80 от

процентного содержания Ag и температуры плавления.

Определяются оптимальные температуры отжига для каждой композиции п

среды.

В главе 5 описан процесс нанесения пленок методом трафаретной печати с использованием разработанных паст. Приводятся требования, предъявляемые к используемым в работе порошкам и органическим растворителям со связующим веществом для изготовления ВТСП-паст. Установлены режимы отжига пленок с учетом особенностей используемых подложек.Далее изучаются структурные особенности, морфология поверхности, фазовый состав и сверхпроводящие свойства пленок В^Бт-Са-Си-О на подложках Ag, поликора, и М^ОООО), полученных методом трафаретной печати с дальнейшей термообработкой методом частичного плавления.

При исследовании пленок ВЬ2212, полученных на подложке Г^О(ЮО), изучены условия частичного плавления и кристаллизации пленок и их влияние на строение, фазовый состав и сверхпроводящие свойства отожженных пленок. Рассмотрено влияние фазового состава пасты и добавки серебра на оптимальные условия термообработки (см. рис. 10), исследована зависимость плотности критического тока от толщины пленок, синтезированных при оптимальных условиях отжига. Максимальные температура перехода в сверхпроводящее состояние Т,<р и плотность критического тока составляли соответственно 92,2 К и 8,000 А/см2. Следует отметить воспроизводимость электрофизических параметров пленок, полученных методом частичного плавления, даже при условии их прямого контакта с водой, содержащейся как в жидком азоте, так и конденсирующейся на поверхности пленки при нагреве после измерений до комнатной температуры.

В следующем разделе представлены результаты по нанесению толстых пленок В1-2212 на подложки поликора. Определены параметры процесса отжига, изучены строение и состав полученных пленок. Объяснена невозможность получения слоев В1-2212 на этих подложках из-за высокой реакционной способности расплава и подложки.

Исследованы продукты реакций, формирующиеся в процессе отжига на границе "пленка - подложка" с использованием методов растровой (РЭМ) и просвечивающей (ПЭМ) электронной микроскопии (рис. 11). В четвертом разделе этой главы изучаются особенности процесса частичного плавления В1-2212

на подложках серебра. С использованием РЭМ и ПЭМ исследована микроструктура на границе "пленка - подложка" и установлено проникновение В1-2212 в структуру подложки, не только обуславливающее высокую адгезию, но и обеспечивающее высокую токонесущую способность близких к границе "пленка - подложка" слоев (рис. 12).

Энергия. КэВ

Змерги*. КэВ

Рис. 11. Граница раздела "пленка - подложка": а) - фото, полученное на растровом электронном микроскопе (РЭМ); б) - данные ЭДС анализа для областей, отмеченных на рис.11, а).

Рис. 12. Граница раздела пленки ВЬ2212 и подложки Ag: а) - фото, полученное в РЭМ; 6) - фото высокого разрешения, полученное в ПЭМ.

Изучено влияние кислородной атмосферы на фазовый состав и сверхпроводящие свойства толстых пленок В1-2212, сформированных на подложках Ag. Проведена оптимизация температур плавления с учетом начальной толщины пленки (рис. 13). Показана зависимость плотности критического тока от толщины пленок, отожженных как на воздухе, так и в чистом кислороде; для сравнения представлена аналогичная зависимость для пленок на подложке МдОООО) (рис.

14). Максимально достигнутые Ткр и _1кр составляли соответственно 92,3 К 15,800 А/см2.

1.400 10<

1.200 104

гч 1.000 ю4

Г

\ 8000

<

о. 6000

—>

4000

2000

0

к

* к

А

Ш А □

в □

: * 1—0-

Л - 20 мкм □ - 40 мкм

875 880 Б85 890 895 900 Температура, "С Рис. 13. Зависимость пленок В1-2212 от температуры.

2.000 10 1.600 10*

1.200 104

8000 4000 0

--------Ш ■ □ ,

□ А с и 11 ■

л и Л, ■ Ь5 5

^ А 1 А ' 5

Б!-2212 Ж - на МйО нз юздухе □ - на Айна еоздухе ■ - Н1 8 02

20 40 60 Толщина, мкм

80

100

Рис. 14. Зависимость ,1кр пленок В1-2212 от толщины.

и

0

В последнем разделе этой главы представлены результаты по использованию толстопленочных покрытий Ag в качестве буферного подслоя при получении пленок В1-2212 на подложках а-А^Оз с целью избежать реакции "пленка - подложка" во время плавления и кристаллизации. Подслой Ag также

наносился методом трафаретной печати с последующим отжигом при высоких (близких к температуре плавления Ag) температурах.

Полученные пленки обладают ВТСП при 86 К и имеют плотности критического тока порядка 120 - 150 А/см2. Структура пленок и морфология поверхности несколько отличаются от аналогичных характеристик пленок, полученных на чистом серебре. Следует отметить обнаруженную локальную диффузию расплавленного ВЬ2212 через Ag-плeнкy в подложку поликристаллического а-А^Оз, и как следствие этого, неоднородность поверхности пленки. Это накладывает особые требования на формирование буферного подслоя.

На основе проведенных исследований сделан выбор подложки N^0 для реализации макета СВЧ-резонатора, как наиболее оптимальной с точки зрения простоты нанесения и сверхпроводящих свойств пленок системы ВЬ5г-Са-Си-0.

В шестой главе дается описание изготовления микрополоскового СВЧ-резонатора с использованием как тонкопленочной, так и толстопленочной технологий. Для реализации 1 тонкопленочного метода было выбрано ВЧ-магнетронное распыление порошковой мишени В1-2212 с использованием свободных масок. Толстопленочный резонатор был получен методом трафаретной печати пасты Bi-2212+10%Ag. В обоих случаях использовались подложки МяО(ЮО).

Проведенные испытания показали уменьшение потерь сигнала обоих резонаторов при погружении систем в жидкий азот по сравнению с измерениями, проведенными при комнатной температуре. В случае тонкопленочного резонатора наблюдалось увеличение потерь при повторных измерениях. Для толстопленочного резонатора уровень потерь падал на 15 дБ при охлаждении системы до 77 К (рис. 15).

su

REF 0.0 dB

log №й 3.0 dB-'

RE^ 0.0 dB

log MAG 5.В dB--

C i;

■ь K\

J if- r

b ч—'

log MAG 5.0 сВУ

►SPH REF 0.0 dB

log MAG ■ 3.0 dB-'

LO

Ct

ГЙ

l 4 V J3 1H

M j—

R

4.63 GHz

-3.4189 cS

S21 _ —4.3286 СЙ

Sl2 .

-4.4197 cS

S22 -0.5B84 cS

START 4.000000000 GHz STOP IS. EG00E0000 GHz

log MAG 10.0 dB.'

Г~14 JUN I 09:45!

JUN sa 47 |

Sl2

REF 0.0 dB

log MAG 10.0 dS-'

1 I

i

1

1

i

!, J- f

— 'A* -i

d. 4

i i

1 1 1

Sai

REF 0.0 cB

log MAG 10.0 dB^

REF 0.0 dB

loq MAG 5.0 dB-'

MARKER 1 4.S3 GHz

-5.5635 dB

Spi

-19.911 dB

SlH

—19.274 dS

Ssh

3.177 dB

я —1— ж ol til

-I" 1 1 1

1

Г • A

1— 1 h-Vi 4-

14 JUN 95

15 :27 09

START 4.000(200000 GHz STOP 13.000000000 GHz

Частота, ГГц

РисЛ5. Частотные спектры полоскового толстопленочного ВТСП-резонатора.

Таким образом, показана работоспособность толстых и тонких пленок системы ВЬБг-Са-Си-О при низких температурах и сверхвысоких частотах. Это

позволяет сделать вывод, о реальной'врзможности практического использования пленок И-Бт-Са-Си-О в формировании элементов СВЧ-устройств. ,

В заключении сформулированы основные результаты работы, выводы, полученные в ходе работы над диссертацией, и возможные направления развития толстоплсночной и тонкопленочной технологий для получения пленок, обладающих ВТСП.

Основные результаты работы

1. Разработаны технологические условия нанесения тонких пленок систем У-Ва-Си-О и В1-8г-Са-Си-0 методами ВЧ-магнетронного распыления и распыления ионным пучком на базе серийных установок. Разработана и внедрена техническая оснастка для различных моделей распыления оксидов сложного состава.

2. Разработаны технологические условия нанесения толстых пленок системы ВЬ Бг-Са-Си-О методом трафаретной печати.

3. Исследовано влияние параметров процесса получения тонких пленок на их строение, состав и сверхпроводящие свойства. Изучено внутреннее строение пленок и проведен анализ напряжений, возникающих в пленках систем У-Ва-Си-О и ВЬЗг-Са-Си-О в процессе последующего отжига. Проведены исследования строения и свойств пленок системы В^-Бг-Са-Си-О, полученных ВЧ-магнетронным распылением мишеней состава В125г2СаСи20у, обогащенных В12О3 и Си.

4. Оптимизирован режим отжига толстых и тонких пленок системы ВЬБг-Са-Си-О:

- изучено влияние фазового состава порошков системы ВЬБг-Са-Си-О, используемых для получения пленок, а также легирования пленок серебром на оптимальные условия термообработки;

- показана возможность применения метода частичного плавления для пленок системы ВЬБг-Са-Си-О, полученных тонкопленочными методами;

- показана возможность интегрирования процесса получения тонких и толстых пленок в едином технологическом процессе.

5. Изучено внутреннее строение пленок системы В^-Бг-Са-Си-О на подложках Ад, поликора, и N1^0(100), полученных методом трафаретной печати с дальнейшей термической обработкой методом частичного плавления. Исследованы границы раздела между пленкой системы ВЬЗг-Са-Сц-О и подложками Ag и поликора.

Проведен анализ продуктов реакции системы Bi-Sr-Ca-Cu-O с корундовой подложкой.

6. Показана возможность использования пленки Ag в качестве буферного подслоя для получения методом частичного плавления пленок Bi-2212 на подложках поликристаллического а-А1203.

7. Изготовлены макеты микрополосковых СВЧ-резонаторов на основе пленок Bi2Sr2CaCu20y, полученных как тонкопленочными, так и толстопленочными методами. Показана работоспособность толстых и тонких пленок системы Bi-Sr-Ca-Cu-O при низких температурах и сверхвысоких частотах.

Список работ, опубликованных по теме диссертации.

1. Белянин А.Ф., Семенов А.П., Илюшечкин А.Ю., Смирнягина H.H. Структурные особенности пленок системы Y—Ba—Cu—O, полученных распылением ионным пучком// Специальная техника средств связи. Сер. ТПО, вып. 1, ЭКОС, 1989, с.5 - 15.

2. Слуцкий Л.М., Шкляр А.Н., Еленгеев Ю.К., Белянин А.Ф., Илюшечкин

A.Ю. Рентгеновская топография образцов системы Y—Ba—Cu—O на корундовых подложках// Специальная техника средств связи. Сер. ТПО, вып. 1, ЭКОС, 1989, с.46 - 51.

3. Белянин А.Ф., Блаут-Блачев А.Н., Илюшечкин А.Ю., Пащенко . П.В. Применение магнетронного распыления для формирования пленок системы Y— Ва—Си—О и Bi—Sr—Ca—Cu—O// Специальная техника средств связи. Сер. ТПО, вып. 1, ЭКОС, 1989, с.52 - 58.

4. Белянин А.Ф., Семенов А.П., Илюшечкин А.Ю., Бесогонов В.В., Симеонова И.С. Устройство для нанесения тонких пленок распылением ионным пучком // Информационный листок № 89-2684, ЭКОС, 1989.

5. Белянин А.Ф., Семенов А.П., Илюшечкин А.Ю., Смирнягина H.H., Евсеев

B.З., Огурцов А.М. Применение плазменного ионного источника и планарного магнетрона для выращивания тонких пленок высокотемпературных сверхпроводников// Техника средств связи. Сер. ТПО, вып. 1, ЭКОС, 1989, с.4 - 15.

6. Пащенко П.В., Белянин А.Ф., Евсеев В.З., Илюшечкин А.Ю. Изучение взаимосвязи состава и свойств пленок системы Bi—Sr—Ca—Cu—O// Техника средств связи. Сер. ТПО, выи. 1, ЭКОС, 1989, с.32 - 36.

7. Alarco J.A., Ilyushechkin A.Y., Yamashita Т., Bhargava A., Barry J., Mackinnon I.D.R. Interfaces between Bi—Sr—Ca—Си—oxide thick films and several substrate materials // Abstract Book "The 2nd International Meeting of Pacific Rim Ceramic Societies", Cairns, Australia, 1996, p.A149.

8. Белянин А.Ф., Илюшечкин А.Ю., Семенов А.П. Разработка процессов и оборудования для получения тонких пленок ВТ СП материалов / / "Высокие электронные технологии в народном хозяйстве", научно-технический сборник, Москва, 1997. с. 84 - 86.

9. Илюшечкин А.Ю. Тонкие и толстые пленки системы Bi—Sr—Ca—Cu—O, полученные методом- частичного плавления на подложках МдО{ЮО} и Ад// Труды Украинского вакуумного общества, т.З, 1997, с. 33 - 37.

10. Кузмичев А.И., Пащенко П.В., Илюшечкин А.Ю. Бестрансформаторный источник постоянного тока для магнетронных распылительных систем// Высокие технологии в промышленности России (Техника средств связи), Москва, Международная академия информатизации, 1997, с. 31 .- 35.,

11. Илюшечкин А.Ю., Белянин А.Ф. Текстурировапие пленок Bi2Sr2CaCu2Oy на подложках Мд0{100}// Высокие технологии в промышленности России (Техника средств связи), Москва, Международная академия информатизации, 1997; с.'69 -77. , '' ........

12. Ilyushechkin A.Y., Yamashita Т., Alarco J.A., Mackinnon I.D.R. Partial melt processing and electrical properties of Bi-Sr-Ca-Cu-O superconducting thick films on (100) MgO substrates //Superconductor Science and Technology 10, 1997, 330 - 336.

13. Илюшечкин А.Ю., Белянин А.Ф. Метод частичного плавления в получении пленок высокотемпературных сверхпроводящих материалов // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. № 3, 1997, с. 22 - 23.

14. Alarco J.A., Ilyushechkin A.Y., Yamashita Т., Bhargava A., Barry J., Mackinnon I.D.R. Microstructural investigations of Bi—Sr—Ca—Си—oxide thick films on alumina substrates// Journal of Materials Science 32, 1997, 3759 - 3764.

15. Alarco J.A., Ilyushcchkin A.Y., Yamashita T., Bhargava A., Barry J., Mackinnon I.D.R. Reaction products between Bi—Sr—Ca—Cu— oxide thick films and alumina substrates// Materials Science and Engineering B45, 1997, 102 -107.

16. Bhargava A., Alarco J.A., Mackinnon I.D.R., Ilyushechkin A.Y., Page D. Synthesis and characterization of nanoscale magnesium oxide powder and their application in Bi—Sr—Ca—Cu—O superconducting thick films // Materials Letters (1997) in press.

Список цитируемой литературы

1. Т. Van Duzer and C.W. Turner, Principles of Superconductive Devices and Circuits, Elsevier, New York (1981).

2. T.P. Orlando and K.A. Delin, Foundations of Applied Superconductivity// Addison-Wesley, Reading, Mass. (1991).

3. G.K.G. Hohenwarter, J.S. Martens, D.P. McGinnis, J.B. Beyer, J.E. Nordman, and D.S. Ginley, Single superconducting thin film devices for application in high Tc material circuits// IEEE Trans, on Magnetics MAG-25, (1989) 954 - 957.

4. J.M. Phillips, Studies of High Temperature Superconductors. Advances in Research and Applications// Ed. A. Narlikar, vol.8, Nova Science Publishers, N.Y., (1991) 305 - 342.

5. T. Van Duzer, Superconductor electronics// Cryogenics 30, (1990) 980 - 983.

6. High-Tc Update, May 15, 1990.

7. M. Nisenoff, Superconducting electronics: current status and future prospects// Cryogenics, 28, (1988) 47 - 52.

8. A. Barone and G. Paterno, Physics and Application of the Josephson Effect //John Wiley, N.Y. (1982).

9. SQUID'85: Superconducting Quantum Interference Devices and Applications// Eds. H.D. Hahlbohhm and H. Lublig, Walter de Gruyter, Berlin, FRG (1985).

10. J. Clarke, Small-scale analog applications of high-transition—temperature -superconductors// Nature 333, (1988) 29 - 31.

11. T.P. Sheahen, Introduction to High-Temperature Superconductivity// Plenum Press, New York and London, (1994).

12. K.K. Likharev, Y.K. Semenov and A.B. Zorin, Superconductor electronics: new prospects!I IEEE Trans, on Magnetics MAG-25 (1989) 1290 - 1292.

Подписано к печати 25.12.97 Формат бумаги 60 х 84 1/16 Тираж 100 экз.

Отпечатано в типографии МГУ