автореферат диссертации по электронике, 05.27.06, диссертация на тему:Получение тонких пленок Y Ba2Cu3O6+6 для устройств твердотельной электроники

¿г/

7А' X™** ¿С а а -"\у

ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

КРАВЧЕНКО КОНСТАНТИН ЮРЬЕВИЧ

ПОЛУЧЕНИЕ ТОНКИХ ПЛЕНОК УВа2Си306+5 ДЛЯ УСТРОЙСТВ ТВЕРДОТЕЛЬНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

Специальность 05.27.06 - технология полупроводников и материалов

электронной техники

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук,

профессор БАЛАШОВ Ю.С.

Воронеж 1998

}

Содержание.

Введение...............................................................................................................................4

Глава I. Тонкие пленки УВа2СизОб+б для создания элементов

СВЧ аппаратуры (обзор литературы)................................................................................12

1.1 .Проблема получения пленок УВагСизОб+б для элементов

СВЧ аппаратуры.....................................................................................................................12

1.1.1. Выбор подложки и буферного слоя..............................................................................14

1.1.2.Особенности роста тонких пленок УВагСизОб+б.................................................17

1.2.Поверхностные частицы в тонких пленках УВагСизОб+б и

примесные фазы.....................................................................................................................21

1.2.1 .Классификация и причины возникновения примесных фаз и поверхностных частиц...........................................................................................................21

1.2.2.Концентрация, состав поверхностных частиц и их влияние на критические параметры пленок............................................................................................23

1.2.3.Получение пленок с гладкой поверхностью.........................................................24

1.3.Кислородная нестехиометрия в УВа2СизОб+б.............................................................28

1.4.Атмосферная деградация пленок УВагСизОб+б...........................................................32

1.5.Использование высокотемпературных сверхпроводников для создания элементов СВЧ аппаратуры. Полосовой СВЧ фильтр и Б-Ы ключ на основе ВТСП......36

1.6.Постановка задачи..........................................................................................................41

Глава II. Методики получения и исследования пленок УВагСизОб+б и

СВЧ элементов на их основе..............................................................................................43

II. 1 .Получение пленок УВагСизОб+б..................................................................................43

II. 1.1 .Методика напыления пленок УВагСизОб+б.........................................................43

П.1.2.Методка измерения зондовых характеристик разряда,

исследования параметров плазмы........................................................................................48

II. 1.3.Методика получения пленок СеС>2.......................................................................52

II. 1.4.Методика термообработки-пленок УВагСизОб+б................................................53

II.2.Методики исследования электрофизических параметров пленок УВагСизОб+б...............................................................................................................56

II.2.1.Методики, использованные для исследования состава,

структуры и морфологии пленок..........................................................................................56

П.2.2.Методика измерения сопротивления, плотности критического тока, критической температуры сверхпроводящего перехода тонких пленок УВагСизОб+з...............................................................................................................57

II.3.Методика изготовления СВЧ элементов с ВТСП структурами...............................59

II.3.1.Изготовление микросборки полосового фильтра СВЧ......................................59

П.3.2.Изготовление S-N ключевого элемента...............................................................61

П.4.Методика исследования СВЧ элементов, содержащих ВТСП структуры..............63

Глава III. Экспериментальные результаты исследования электрофизических свойств тонких пленок УВагСизОб+з, их связи с параметрами процесса формирования. Обсуждение результатов..........................65

III. 1 .Результаты исследования состава и структуры поверхности пленок УВагСизОб+б- Сравнение с параметрами мишени, связь с режимами роста....................65

Ш.2.Исследование процессов роста пленок УВа2СизОб+б • Определение характеристик разряда в зависимости от условий напыления..........................................83

111.3.Исследование влияния содержания кислорода на параметры

пленок УВагСизОб+б...............................................................................................................98

111.4. Атмосферная деградация пленок УВагСизОб+б и защита от нее..........................105

Глава IV. Исследование СВЧ элементов, выполненных на

основе УВагСизОб+а............................................................................................................111

IV.l.Измерение параметров СВЧ фильтра, содержащего ВТСП элементы.................111

IV.2.Исследование S-N ключевого элемента, выполненного на основе

тонкой пленки УВагСизОб+з................................................................................................113

Заключение.......................................................................................................................119

Список литературы.........................................................................................................120

Приложение......................................................................................................................131

П. 1 .Методика расчета полосового СВЧ фильтра на встречных стержнях.....................131

П.2.Расчет S-N ключевого элемента...................................................................................140

Введение.

Актуальность темы.

Исследование высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) является одним из наиболее интенсивно развивающихся разделов физики твердого тела. Подобные материалы и элементы на их основе представляют как научный, так и практический интерес. В последние десятилетия проблема миниатюризации техники СВЧ решается за счет замены объемных волноводных линий на полосковые, микрополосковые, а также компланарные линии. Однако, широкое использование планарных структур ограничено тем, что даже лучшие из нормальных проводников, таких как серебро, медь, золото имеют достаточно высокое поверхностное сопротивление, что приводит к недопустимо высоким собственным потерям в структурах, изготовленных на их основе. Другая проблема, присущая нормальным проводникам, связана с тем, что глубина, на которую СВЧ поле проникает в нормальный проводник (глубина скин-слоя), зависит от частоты как ]Д// ■

Вследствие этого скорость распространения сигнала также зависит от частоты. Это приводит к искажению сигнала, т.е. наблюдается дисперсия.

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

При создании СВЧ цепей с нормальными проводниками для избежания чрезмерных потерь необходимо использовать относительно толстые диэлектрики. При этом для избежания перекрестных наводок необходимо смежные линии размещать как можно дальше друг от друга. Поверхностное

сопротивление сверхпроводников так мало, что даже использование тонких диэлектриков не приводит к существенным потерям. Это позволяет значительно снижать расстояния между элементами СВЧ схем при постоянстве электрических характеристик.

Наиболее распространенными методами, использующимися для получения пленок ВТСП, являются традиционные методы вакуумного напыления, т.к. они совместимы с технологией изготовления полупроводниковых микросхем и микроэлектронной аппаратуры и позволяют в полной мере использовать достижения в этой области. Однако, существуют значительные трудности при получении воспроизводимых и достаточно стабильных пленок ВТСП, необходимых при разработке микроэлектронных устройств, в том числе для СВЧ применений. Кроме этого, немаловажным, с точки зрения практического использования тонких пленок УВа2Си306+5, является защита их от атмосферной деградации и оценка эффективности этой защиты.

Настоящая работа посвящена исследованию особенностей процесса роста пленок УВа2Си30б+5 при магнетронном распылении; исследованию электрофизических свойств пленок УВа2Си306+8 и их зависимости от условий получения; исследованию атмосферной деградации пленок УВа2СизОб+5, созданию защитных покрытий от нее и оценке эффективности этой защиты; исследованию особенностей реализации микроэлементов СВЧ аппаратуры на основе тонких пленок УВа2Си3Об+5.

Работа выполнялась в Воронежском государственном техническом университете на кафедре «Материалы и элементы радиоэлектронной аппаратуры» в соответствии с научным направлением радиотехнического факультета "Перспективные радиоэлектронные и лазерные устройства и системы передачи, приема и обработки информации". Раздел диссертации, посвященный отработке технологии получения тонких пленок УВа2Си306+5 с воспроизводимыми параметрами, выполнялся в Институте проблем технологии микроэлектроники и особо чистых материалов РАН в лаборатории «Материаловедение и технология тонких пленок» под руководством кандидата физико-математических наук В. А. Марченко.

Цель работы.

Цель настоящей работы заключалась в установлении взаимосвязи между основными технологическими параметрами процесса получения и свойствами пленок УВа2Си3Об+8, используемых для элементов твердотельной электроники.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1.Установить основные технологические режимы процесса нанесения тонких пленок УВа2СизОб+5.

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

3.Провести выбор покрытий для защиты пленок УВа2Си306+5 от атмосферного воздействия. Отработать технологию нанесения защитных покрытий.

4.Разработать на основе ВТСП полосовой СВЧ фильтр и Б-К ключевой элемент и исследовать их характеристики в СВЧ диапазоне.

Объекты исследования.

Объектами исследования являлись режимы технологического процесса получения тонких пленок УВа2Си306+5 ДЛЯ элементов твердотельной электроники, а также электрофизические свойства тонких пленок УВа2Си3Об+§, полученных магнетронным распылением на подложках М^О, вгТЮз, YSZ (оксид циркония, стабилизированный оксидом иттрия), А1203 с буферным слоем Се02 и 81 с буферным слоем

Научная новизна заключается во введении нового технологического параметра (потенциал растущей пленки); установлении пределов изменения основных параметров (температура подложки, давление рабочего газа, парциальные давления газов, скорость осаждения); установлении оптимального содержания кислорода в пленке УВа2Си306+5; в выборе состава

и технологии получения буферных и защитных слоев; оптимизации параметров элементов твердотельной электроники на основе полученных пленок.

Практическая значимость.

Отработанные технологические процессы получения пленок ВТСП на основе УВа2Си306+8 позволили решить задачу проектирования полосковых СВЧ фильтров и 8-К ключей, а также создают технологическую базу для проектирования новых элементов твердотельной электроники.

Основные положения, выносимые на защиту:

¡.Технологические режимы процесса магнетронного нанесения тонких пленок УВа2Си30б+а на подложках А1203 с буферным слоем Се02 и Бг с буферным слоем оксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия

2.Параметры технологического процесса кислородного насыщения пленок УВа2Си3Об+5, полученных магнетронным распылением.

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

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

Апробация работы.

Результаты работы докладывались на научных семинарах Воронежского Государственного Технического Университета и Института Проблем Технологии Микроэлектроники и Особо Чистых Материалов Российской Академии Наук, а также на следующих конференциях:

1.Вторая всероссийская научно-техническая конференция с международным участием «Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники». Дивноморское, Россия, 10-15 сентября 1995 г.

2.Третья всероссийская научно-техническая конференция с международным участием «Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники». Дивноморское, Россия, 8-13 сентября 1996 г.

3.Всероссийская научно-техническая конференция с участием зарубежных ученых «Микро- и наноэлектроника-98» (МНЭ-98), г. Звенигород, 12-16 октября 1998 г.

Публикации по теме диссертации.

По основным материалам диссертации опубликовано 6 статей и тезисов докладов. Во всех работах автор принимал непосредственное участие в проведении экспериментов и обсуждении полученных результатов.

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

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

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

4.Кравченко К.Ю., Марченко В.А. Особенности получения тонких пленок высокотемпературных сверхпроводников УВа2СизОб+х// Элементы и устройства микроэлектронной аппаратуры. Межвуз. сб. науч. тр. -Воронеж, 1997. -С.14-21.

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

6.Исследование фазового состава границы раздела в тонкопленочной системе УВа2Си307.х/Се02 на сапфире по оже-спектрам при ионном профилировании./ В.Г. Бешенков, А.Г. Знаменский, К.Ю. Кравченко, В.А. Марченко// Микро- и наноэлектроника-98. Труды всероссийской научно-технической конференции с участием зарубежных ученых. -Звенигород, 1998.

7.Кравченко К.Ю., Марченко В.А. Защита пленок УВа2Си307.5 от атмосферной деградации.// Письма в ЖТФ. Будет опубликована в 1999 г.

Личный вклад автора.

Автор принимал непосредственное участие в подготовке и проведении экспериментов, в обсуждении полученных результатов и подготовке работ к печати. Отработка технологии получения пленок УВа2Си306+5 с воспроизводимыми параметрами осуществлялась под руководством кандидата физико-математических наук В. А. Марченко.

Структура и объем диссертации.

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

Краткое содержание работы.

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

В первой главе дан обзор литературы, посвященной проблеме получения тонких пленок УВа2Си306+5 с высокими критическими параметрами дая устройств твердотельной электроники. Обсуждаются проблемы выбора подложек пригодных для применения в СВЧ диапазоне и буферных слоев для

них. Обсуждаются причины возникновения поверхностных частиц посторонних фаз на пленках УВа2Си3Об+5, рассматривается их влияние на параметры пленок УВа2Си30б+б. Обсуждается проблема получения пленок УВа2Си306+5 свободных от поверхностных частиц посторонних фаз. Рассматривается влияние кислорода на свойства УВа2СизОб+5. Обсуждается проблема деградации УВа2СизОб+5 и пути защиты от нее. Рассматриваются преимущества и особенности создания элементов СВЧ аппаратуры (полосно-пропускающего фильтра и Б-И ключевого элемента) на основе ВТСП.

Во второй главе дается описание методик получения и исследования электрофизических параметров пленок УВа2Си306+8 и СВЧ элементов на их основе. Описаны методики напыления пленок УВа2Си3Об+5 и их термообработки. Приведены основные технологические режимы напыления пленок УВа2СизОб+5 и Се02, схема напылительной установки. Описана методика зондовых измерений магнетронного разряда вблизи подложки. Перечислены основные методики, использованные в данной работе, для исследования состава, структуры и морфологии тонких пленок УВа2Си306+5. Описаны методики резистивных измерений. Представлены структурные схемы измерений. Описана конструкция и технология изготовления микросборки полосового фильтра с ВТСП элементами и технология изготовления тонкопленочного Б-И ключевого элемента. Описана методика исследования СВЧ элементов, содержащих ВТСП структуры.

В третьей главе приведены основные экспериментальные результаты исследования зависимости состава, структуры поверхности, критической температуры св