автореферат диссертации по электронике, 05.27.02, диссертация на тему:Получение тонких пленок YВа2СuзО7-х и многослойных структур для СВЧ криоэлектроники

гС<-

А

Л

На правах рукописи

Петров Петър Кръстев

ПОЛУЧЕНИЕ ТОНКИХ ПЛЕНОК ¥Ва2Сиз07.х И МНОГОСЛОЙНЫХ СТРУКТУР ДЛЯ СВЧ КРИОЭЛЕКТРОНИКИ

Специальность: 05.27.02 - Вакуумная и плазменная электроника

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург -1997

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете имени В.И. Ульянова /Ленина/

Научный руководитель -

Лауреат Государственной премии СССР,

доктор технических наук, профессор Вендик О.Г.

Официальные оппоненты -

доктор физико-математических наук, профессор Кукушкин С.А. кандидат технических наук, доцент Абрамов И.С.

Ведущая организация - ФТИ им "А.Ф. Иоффе", РАН

Защита состоится " < " _ 1997 года в /^ часов на

заседании диссертационного совета К 063.36.09 Санкт-Петербургского государственного университета им В.И.Ульянова /Ленина/ по адресу: 197376, Санкт-Петербург, ул. Проф. Попова, 5.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке университета.

Автореферат разослан "__1997 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Смирнов Е.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Высокотемпературная сверхпроводимость (ВТСП), это не только уникальное физическое явление, она может быть использована как основа широко используемых электронных приборов и устройств. Практическое использование ВТСП является проблемой не менее важной и актуальной, чем объяснение ее природы. Таким образом, первостепенной задачей современной микроэлектроники является получение приборов, использующих элементы в виде ВТСП тонких пленок и микроструктур.

Большая часть разрабатываемых ВТСП элементов и приборов основана на явлениях в многослойных структурах, в которых наряду с ВТСП пленками применяют диэлектрические и сегнетоэлектрические (СЭ) тонкие пленки. Эти приборы объединяют возможностью изменения диэлектрических свойств сегнетоэлектриков под действием постоянного электрического поля наряду с низкого уровня шумами, малые потери и минимальная мощность в управляющей цепи, что приводит к реальным перспективам решения актуальной задачи создания ряда уникальных СВЧ приборов: фазовращатели с электрическим управлением фазы, линии задержки с электрическим управлением скорости волны и др.

С другой стороны появление в криоэлектронике новых ВТСП материалов приводить к необходимости более детального изучения процессов получения и микропрофилирования многослойных структур (на основе тонких ВТСП и СЭ тонких пленок) с целью их усовершенствования и модификации. Особо сильно чувствуется потребность в разработке и программ для математического моделирования этих процессов, что привело бы к возможности их быстрой оптимизации.

Решению комплекса вопросов, связанных с моделированием процессов переноса распыленных атомов при осаждении тонких пленок сложного состава методом ионно-плазменного распыления, получением электрически перестраиваемых конденсаторных структур и микропрофилированием многослойных тонкопленочных структур методом ионного травления для получения элементов и устройств СВЧ криоэлек-троники и посвящена диссертационная работа.

Цель работы. Исследование процессов получения и микропрофилирования многослойных структур на основе тонких пленок УВа2Сиз07_х (YBCO) и БгТЮз (STO) для реализации электрически управляемых приборов СВЧ криоэлектроники.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Предложен алгоритм моделирования процесса переноса распыленных атомов при напылении пленок сложного стехиометрического состава методом ИПР, учитывающий состав рабочего газа, реальные потенциалы взаимодействия, геометрические размеры и конфигурацию распылительной системы;

2. Использование метода магнетронного распыления для получения тонких YBCO пленок в качестве обкладок для объемных конденсаторов на основе монокристалла STO с ориентацией (100) обеспечило:

i. отсутствие перераспределения объемного заряда в толще STO, что привело к безгистерезисному характеру ВФХ конденсатора,

ii. измерение тангенса угла диэлектрических потерь монокристалла STO на СВЧ при наличии смещающего поля.

3. Проведено исследование скорости ионного травления фоторезистов Ф-51К, РН-7, AZ1350-SO.

Практическая ценность работы.

1. Разработанный алгоритм моделирования процесса переноса распыленных частиц в пространстве дрейфа мишень-подложка методом Монте-Карло позволяет производить выбор напряжения разряда, давления и состава рабочего газа при напылении пленок сложного стехиометрического состава, как для "on-axis", так и "off-axis" распылительных систем.

2. Получены объемные конденсаторы YBCO/STO/YBCO с безгис-терезисными ВФХ;

3. Применение YBCO пленок в качестве электродов позволило впервые измерить тангенс угла диэлектрических потерь объемного кристалла STO на СВЧ при наличии смещающего поля.;

4. Определены максимальные толщины пленок, входящих в состав многослойных структур, надежно защищаемых стандартными фоторезистами РН-7, Ф-51К и AZ13SO-SO при ионном травлении.

Научные положения выносимые на защиту.

1. Разработанный алгоритм моделирования процесса переноса распыленных частиц при ионно-плазменном распылении учитывает конфигурацию («on axis» или «off axis») и геометрические размеры распылительной системы, напряжения разряда, сорт и парциальное давление компонентов рабочего газа, и позволяет производить выбор технологических режимов, обеспечивающих заданные стехиометрический

состав, пространственные, энергетические и угловые характеристики распыленных атомов в плоскости осаждения.

2. Использование метода магнетронного распыления для получения тонких YBCO пленок в качестве обкладок плоскопараллельных конденсаторов на основе монокристалла STO с ориентацией (100) обеспечивает отсутствие перераспределения объемного заряда в толще STO, что приводит к безгистерезисному характеру ВФХ конденсатора.

3. Электрофизические свойства пленок, входящих в состав многослойных структур и имеющих толщину:

• YBCO до 0.5 мкм, с покрытием Au/Ag до 0.2 мкм (на подложках ЬаАЮз или AI2O3 с буферным слоем СеОг),

• Cu/Au до 1.5 мкм, с подслоем Cr/Ti/V до 0.2 мкм поверх пленок STO (на подложках ЬаАЮз или AI2O3 с буферным слоем СеОг),

• Ti/Pt до 1.0 мкм, с подслоем Cr/Ti/V до 0.2 мкм поверх пленок STO (на подложках ЬаАЮз или AI2O3 с буферным слоем СеОг).

сохраняются неизменными в процессе микропрофилирования методом ионного травления ионами аргона, с использованием фоторезистов РН-7, Ф-51К и AZ1350-SO.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на: IV-th Intern. Conf. on Electron Beam Technology, (Varna, Bulgaria, 1994); I-st European Meeting on Integrated Ferroelectrics (EMIF1), (Nijmegen, Netherlands, 1995); European Conf. of Applied Superconductivity, (Edinburgh, UK. 1995); XIV Всероссийская конференция по физике сегаетоэлектриков, (Иваново, 1995); Ninth international School on Vacuum, Electron and Ion Technologies, (Sozopol, Bulgaria, 1995) 43rd Spring Meeting of the Japan Society of Applied Physics and Related Societies, (Saitama, Japan, 1996) 10th Intern. Conf. on Thin Films / 5th European Vacuum Conf. (Salamanca, Spain, 1996).

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 17 печатных работ, из них - 3 статьи и 14 докладов на международных конференциях.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы, включающего 125 наименований. Основная часть работы изложена на 102 страницах машинописного текста. Работа содержит 43 рисунков и 7 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследования, а также научные положения, выносимые на защиту.

В первой главе, носящей обзорный характер, рассмотрены физические и технологические особенности процессов получения многослойных структур на основе ВТСП пленок и их микропрофилирование для формирование элементов и устройств СВЧ криоэлектроники.

Многослойные структуры на основе высококачественных тонких пленок УВСО получают почти по всем известным тонкопленочным технологиям, таким как вакуумно-термическое и электронно-лучевое испарение из нескольких источников, лазерное испарение из одной мишени, молекулярно-лучевая эпитаксия и ионно-плазменное распыление (ИПР) (в частности магнетронное распыление). В данной главе рассмотрены преимущества и недостатки всех вышеперечисленных методов. Показано, что метод магнетронного распыления сочетает дешевизну, легкость реализации и надежная повторяемость качества получаемых структурах.

Для получения тонких пленок заданной стехиометрии методом ИПР необходимо обеспечение на поверхности подложки потоков распыленных атомов нужной стехиометрии. В силу сложности и многофакторности процесс переноса распыленных атомов в пространстве дрейфа мишень-подложка не подлежит аналитическому описанию, его моделируют. В данной главе представлен критический анализ существующих моделей переноса частиц в пространстве дрейфа мишень-подложка. Особое внимание уделено проблеме выбора потенциала взаимодействия для описания процесса рассеяния распыленных атомов на частицах рабочего газа. Показано, что рассмотренные модели недостаточно адекватно описывают происходящие процессы, чтобы дать практически полезные рекомендации о технологических режимах осаждения тонких пленок, В частности, эти модели не учитывают реальные энергетические спектры распыленных частиц (обычно пользуют распределение Томпсона), реальные геометрические размеры и конфигурацию рабочей камеры, возможность использования смеси рабочих газов.

Наряду с этим, рассмотрены физические и технологические проблемы получения электрически перестраиваемых конденсаторных структур на основе монокристаллов титаната стронция и возможные причины получения гистерезиса на их вольт-фарадных характеристиках (ВФХ). Отмечено, что причиной появления гистерезиса на ВФХ явля-

ется: неравномерное распределение объемного заряда в объемном БТО из-за различия работ выхода электронов из электродов (в случае металлов) и титаната стронция. Объемный заряд может также возникнуть в результате внедрения заряженных частиц в пленке электродов во время ее осаждения. Возможный путь решения этих проблем является использование в качестве обкладок высококачественных пленок УВСО (у которых работа выхода выше, чем у металлов).

Рассмотрены способы микропрофилирования тонких пленок УВ СО и многослойных структур на их основе дая формирования элементов и устройств СВЧ микроэлектроники. Показано, что для получения топологических рисунков микронных размеров лучше всего подходит процесс ионного травления. Отмечено, что в случае использования в качестве защитной маски стандартных фоторезистов необходимо исследование их скорости ионного травления для определения максимальной толщины пленок, входящих в состав многослойных структур.

Вторая глава посвящена разработке алгоритма моделирования процессов переноса распыленных атомов при ионно-плазменном распылении. Для разработки полезного для практики алгоритма моделирования необходимо учесть как можно более реальные характеристики процесса распыления как, например, конфигурация распылительной системы, форма источника распыленных частиц (зона эрозии для маг-нетронного распыления), энергетические и угловые распределения распыленных атомов, параметры, определяющие взаимодействие с частицами рабочей смеси газов - потенциал взаимодействия, атомные массы, парциальное давление и сорт атомов рабочего газа и т.п. В качестве результатов моделирования должны быть получены энергетические, угловые и пространственные распределения распыленных атомов в плоскости подложки, мишени и на стенках рабочей камеры. Указанные факторы учитываются в разработанном в диссертации алгоритме.

• Расчетная модель:

Предположим, что распыленный атом с энергией Ео, определяемой энергетическим спектром сВД/ёЕ, вылетает с поверхности мишени в направлении, характеризуемом углами во и фо, определяемыми угловым распределением распыленных атомов. До столкновения с атомом рабочего газа распыленный атом движется по прямолинейной траектории и проходит расстояние 8г, пропорциональное средней длине свободного пробега к. Движение атомов рабочего газа носит хаотический характер, поэтому при каждом столкновении прицельный параметр р и угол у между направлениями скоростей сталкивающихся атомов являются случайными величинами. Величины р и у определяют изменение энергии

Е распыленного атома при столкновении и угол рассеяния р относительно направления первоначального движения. Траектория дальнейшего движения случайным образом является одной из образующих конуса, угол при вершине которого равен Р, а высота является продолжением траектории движения распыленного атома до столкновения. Этот процесс рассеяния повторяется многократно до тех пор, пока после очередного столкновения траектория . .распыленного атома не пересечет плоскости мишени, подложки или стенок вакуумной камеры.

Другим критерием конца рассмотрения движения, распыленного атома в пространстве дрейфа мишень-подложка может быть отличие его энергии от тепловой энергии атомов газа на величину, не превышающую среднеквадратичное отклонение энергии атома от тепловой ДЕТ при столкновении атомов, обладающих, до столкновения тепловыми энергиями ДЕр. В этом случае в результате большого числа столкновений в промежутке дрейфа мишень - подложка сформируется профиль концентрации термализованных атомов мишени, движение которых в дальнейшем носит диффузионный характер. Величины диффузионных потоков распыленных атомов как в направлении подложки, так и в направлении мишени можно описать аналитически, решив уравнение диффузии.

• Детали математического моделирования:

Начальная энергия (энергия-старта) распыленного атома определяется из интегрального уравнения:

_ Ет <и Ег° (И ,г

1Т И-ыс

где ¿МЕ - экспериментально полученный [1] энергетический спектр распыленных атомов, а ^е - случайное число генерируемого генератора случайных чисел ЮШ.

Аналогично определяется и начальный угол вылета 0о распыленного атома относительно нормали к поверхности мишени, зная, что угловое распределение потока распыленных атомов (ШсШ описывается, законом косинуса [2].

Азимутальный угол вылета распыленного атома фо с поверхности мишени определяется как: ф = 2тг£Ф

Данный алгоритм рассматривает столкновения распыленного атома в плазме газового разряда только с атомами газа, так как концентрации ионов и электронов много меньше концентрации атомов (степень ионизации менее 10"3) и учитывает только упругие взаимодействия, поскольку величина средней энергии распыленного атома не превышает

10 эВ и ее недостаточно для возбуждения ими атомов газа. При этом будем считать, что релаксация энергии распыленного атома происходит в моноэнергетической газовой среде (расчеты показывают, что введение в модель максвелловского распределения по скоростям атомов газа практически не влияет на результаты расчета).

Если газовая среда состоит из атомов различного сорта, то вероятность столкновения распыленного атома с атомом газа ¡-го сорта будет :

(2)

J

где Ы,- - концентрация атомов 1-го сорта, 01 - микроскопическое сечение взаимодействия распыленного атома с 1-го атома газа.

Если расположить последовательно на отрезке от 0 до 1 вероятности столкновения распыленного атома с атомами, входящими в состав газовой среды, то процедура розыгрыша сорта атома газа состоит в определении интервала из суммы Е Р; = 1, который соответствует случайному числу £р.

Длина свободного пробега распыленного атома до области взаимодействия с атомом газа рассчитывалась как: бг = -Я 1п (£х - случайное число).

Самой важной характеристикой упругого рассеяния является угол рассеяния, который, как правило, вычисляют в системе центра масс [3]. Для этого производим переход (базирован на законах сохранения энергии и импульса) из лабораторной системы координат в систему центра масс. Данный алгоритм разработан для моделирования процесса переноса распыленных атомов, как в модели жестких сфер (МЖС), так и с учетом реальных межатомных потенциалов (РМП).

В рамках модели жестких сфер можно получить выражение для угла рассеяния (3, под которым движется распыленный атом после столкновения относительно первоначального направления:

Р-,агс{£2Р/(КрГ+КаМ^;р2//(КрГ+Кам) . (3)

2р2/(крг + Кам)2-1 + Мрг/Мам

ще и КрГ - массы атомов мишени и рабочего газа, соответственно; р - прицельный параметр, который в области взаимодействия лежит в пределах от 0 до (1?ам + Ир-) и разыгрывается в виде: р = (Кам + Ирг)' 1/2 (£р- случайное число).

В случае моделирования процесса переноса с учетом реальных межатомных потенциалов, угол рассеяния рассчитывают интегралом:

где Щг) - потенциал взаимодействия, Есцм - энергия распыленного атома,

Гтш - радиус наименьшего сближения, рассчитываемого из условия:

Сравнение результатов моделирования с экспериментом проводилось на примере осаждения тонких пленок однокомпонентного материала (медь) и многокомпонентной системе (У-Ва-Си-О),. методом маг-нетронного распыления на постоянном токе. В процессе моделирования учитывались: конфигурация и геометрические размеры распылительной системы, напряжения разряда, сорт и парциальное давление компонентов рабочей газовой смеси. Эрозионная зона распыления рассматривалась как окружность по периметру которой расположены точечные источники. Моделирование проводилось в приближение жестких сфер и с учетом реальных потенциалов взаимодействия распыленных атомов с атомами газовой смеси. Использовался потенциал Фирсова [4] с функцией экранирования Никулина [5].

Полученные результаты моделирования хорошо согласуются с расчетами, приведенными в [б], и экспериментально полученными результатами. Наряду с этим расчеты показали, что распределение потока распыленных атомов, его энергетические и ушовые характеристики для многокомпонентной смеси рабочего газа (Аг+Ог) сильно отличаются от случая однокомпонентного рабочего газа (Аг).

Сравнение результатов моделирования полученных в приближение жестких сфер (МЖС) и с учетом реальных межатомных потенциалов (РМП) показало, что обе модели дают близкие значения в области малых энергий (после термализации в диффузионном режиме) и заметно отличаются при больших энергиях. Однако, модель с учетом РМП позволяет получить более корректные результаты, так как в отличие от МЖС, учитывает зависимость дифференциального сечения упругого рассеяния от энергии распыленных атомов.

Р = л - 2р • Г

00

ф/ г2

(4)

(5)

лиш

— 75^

а) -150—

-225-

45(hr

б) ^ЗООч^О-

- Y

---Ва

........... Си

JYíJBa'JCu = 1:2:3

-125 -100 -75 -50 -25 0 25 50 75 100 125 Радиус камеры, мм

Рис 1. Распределение осевших атомов Y, В а и Си по радиусу мишени (а), подложки (б) и на стенках рабочей камеры (в). Распределение на стенках рабочей камеры может быть интерпретировано как распределение на подложке в "off-axis" распылительной системе.

Моделирование процессов переноса для многокомпонентного материала проводилось на примере высокотемпературного сверхпроводника YBa2Cu3C>7.x. Поскольку цель данной работы заключалась в исследовании соотношения количества атомов разных сортов, пришедших на подложку (а не в получении высококачественных пленок), то подлож-кодержатель во время напыления не нагревался. Таким образом, подавлялась большая часть химических реакций для системы Y-Ba-Cu-O, которые обычно происходят на подложке при высоких температурах.

Моделирование процесса переноса распыленных атомов методом Монте-Карло проводилось для атомов Y, В а, и Си по отдельности. Предполагалось, что стехиометрическое соотношение основных элементов мишени равняется Y:Ba:Cu = 1:2:3.

Количественное распределение осажденных атомов на подложке, мишени и стенках камеры представлены на рис. 1. На основе распределения атомов подложки (рис. 16) были вычислены соотношения Ba/Y и Cu/Y сравнены с экспериментально определенными при рентгено-спектральном микроанализе (РСМА). Сравнение показало значительное отличие, связанное с процессами рераспыления, имеющее место при

таких давлениях (давление рабочего газа в данном случае равняется Р = 1 Па). В случае высоких давлений рабочего газа (Р = 100 Па), когда процессы рераспыления подавлены, видно хорошее совпадение между результатами моделирования и экспериментом.

Таким образом, предложенный алгоритм моделирования процесса переноса распыленных частиц методом Монте-Карло учитывает: конфигурацию и геометрические размеры распылительной системы, форму источника распыленных частиц (зона эрозии для магнетронного распыления), реальные (экспериментально полученные) энергетические распределения распыленных атомов, потенциал взаимодействия распыленных атомов с частицами рабочей смеси газов, атомные массы, парциальное давление и сорт атомов рабочего газа и т.п.

В качестве результатов моделирования получаются энергетические, угловые и пространственные распределения распыленных атомов в плоскости подложки, мишени и на стенках рабочей камеры. Таким образом, данный алгоритм может быть использован в повседневной научно-исследовательской практике, при выборе оптимальных режимов напыления пленок, как для "on-axis", так и "off-axis" распылительных систем.

В третей главе рассматривается процесс получения и свойства электрически перестраиваемых многослойных структур YB СО/монокристаллический STO/YBCO. Этот процесс подробно описан в [Г]. Необходимо отметить только, что данные структуры были получены "ех - situ" (т.е. осаждение YBCO пленки на второй стороне подложки производилось в то время, когда первая, уже покрытая сторона, была повернута к нагревателю подложки). Таким образом, уже изготовленная YBCO пленка на первой стороне подвергалась воздействию повышенной температуры вдвое дольше, чем пленка на другой стороне.

Одной из причин ухудшения качества пленки YBCO является обеднение структуры YBCO кислородом. Обеднение титаната стронция кислородом приводит к появлению вакансий в кристаллической структуре и появлению ловушек для объемного заряда. Такой уход кислорода возможен при высокотемпературном (Тподл > 500 °С) нагреве образцов в вакууме. Проведенные нами оценочные расчеты показали, что диффузия кислорода из пленки YBCO и объемного STO сильно уменьшается при парциальных давлениях кислорода в составе рабочего газа больше 100 Па. Более того, как показали результаты моделирования, при таких давлениях частицы приходят на поверхность подложки в диффузионном режиме, т.е. полностью термализованные. Поэтому давление рабочего газа (чистый кислород) в камере было не ниже 100 Па. Температура

подложки поддерживалась Ts = 665°С с точностью 0.5°С. С целью исключения примесей, серебряная паста, которая используется обычно для улучшения теплового контакта [5*3, в данном случае не применялась. Термический контакт, необходимый для обеспечения однородности роста пленки YBCO был достигнут полировкой верхней пластины подложкодержателя. После осаждения полученную структуру охлаждали в среде чистого кислорода при давлении 1 атм. до комнатной температуры со скоростью 10 20°С/мин. В качестве подложки использовались кристаллы титаната стронция выращенные методом Вернейля с ориентацией (001) в . форме диска толщиной 0,35 - 0.5 мм и диаметром 10 мм.

Полученные таким образом пленки YBCO имели толщину d»1600 Á и резкий переход в сверхпроводящее состояние при Т = (8991) К. Поверхностное сопротивление обеих пленок, измеренное в цилиндрическом медном резонаторе при 77 К на частоте 60 ГГц было ниже 0.05 Ом. Шероховатость напыленных YBCO пленок, исследованная методом атомно-силовой микроскопии не превышала 50 - 60 нм.

Структурное совершенство YBCO было исследовано методом рентгеновского дифракционного анализа с помощью дифрактометра "Geigerflex" серии D/max - RC Rigaku. Исследовались микродеформации кристаллической решетки, внутренние напряжения, а также были определены размеры кристаллитов и параметров кристаллической решетки пленок. На полученных рентгенограммах присутствовали только рефлексы (00/) для YBCO и STO, что свидетельствует о хорошо ориентированной орторомбической структуре с осью "с" , перпендикулярной к поверхности подложки. Параметр "с" кристаллической решетки, рассчитанный по положению пика (0010) доя обеих пленок составил ~11.б8 А. Изучение кривой качания (х - сканировании по пику (005) YBCO) показало, что полная ширина половины максимума (ПШПМ) составляет Io. Данный результат значительно больше ПШПМ, обычно получаемой для пика (005) YBCO, выращенной на БгТЮз - 0,2°, но можно предположить, что в незакрепленном состоянии, на подложке возникает градиент температуры, который влияет на рост и качество пленок YBCO.

Взаимная диффузия атомов пленок и подложки исследовалась двумя методами - вторичной нейтральной масс-спектрометрии (ВНМС) и Резерфордовского обратного рассеяния (RBS). ВНМС - профиль показал резкую границу раздела между пленкой и подложкой, которая характеризуется резким уменьшением содержания Y В а и Си и увеличением Sr и Ti. Толщина переходного слоя ( глубина, на которой сигналы

от этих элементов изменяются от тах до тт) может быть оценена как ~ 20 - 25 нм. Кроме того наблюдались малые осцилляции содержания кислорода в районе границы раздела.

ЮЗв-спектры тоже показали резкий переход на поверхности раздела пленка - подложка, не отличающейся для первой и второй пленок с толщиной < 30 нм. Таким образом, можно сделать вывод, что соответствующая постоянная характеристика времени для внутренней диффузии элементов пленки и подложки является больше по сравнению с временами нахождения образцов при температуре роста пленки.

Измерения вольт-фарадных характеристик полученной конденсаторной структуры проводились при температуре 77 К, на частотах 1 кГц и 1 ГГц. Напряженность электрического поля составляла Е = Зх106В/м. При 77 К и нулевом напряжении смещения был измерен тангенс диэлектрических потерь - 4хЮ"3 на частоте 1 кГц, и 5x10* на частоте 1 ГГц. Коэффициент перестраиваемости (е(0)/£(Етах)) составил 1.5 на частоте 1 кГц, и 1,2 на частоте 1 ГГц. Необходимо отметить отсутствие гистерезиса, характерного для конденсатора на основе титана-та стронция с металлическими электродами (см. [6,7] от [1 ]), которое-позвояяет предположить, что в случае УВСО электродов не наблюдается перераспределение пространственного заряда в титанате стронция.

Итак, в результате проведенной работы был получен перестраиваемый УВСО-БТО-УВСО конденсатор. Структурное совершенство и полученные электрические характеристики позволяют применять данный объемный конденсатор в устройствах СВЧ криоэлектроники.

Четвертая глава посвящена исследованию возможности использования стандартных фоторезистов в процессе микропрофилирования многослойных структур методом ионного травления для получения элементов и устройств СВЧ криоэлектроники.

Объектами исследования в данной работе были фоторезисты (далее резисты) РН-7, Ф51-К и резист из серии КЬ с кремний органической добавки А21350-80. Поскольку состав резистов, как правило, неизвестен (является коммерческой тайной фирмы-производителя), то оценка скоростей травления резистов проводилась только экспериментально. В данной работе скорость травления фоторезистов исследовалась в зависимости от параметров приготовления резистов (температура и время задубливания) и параметров ионного пучка (энергия и плотность ионного тока). Также исследовалась возможность получения ре-зистивных пленок максимальной толщины, которые позволили бы получить качественный топологический рисунок с линейными размерами ~ 1-2 мкм.

Табл. 1 Экспериментальные и теоретические значения скоростей ионного травления пленок разного состава.

V, мкм/мин. УВСО Си Р1 ТС Ая Аи Ф51-К РН-7 Аг1350-80

Е=300 эВ Теор. 0.002 0.008 0.008 0.007 0.015 0.012

Эксп. 0.002 0.010 0.010 0.010 0.015 0.015 0.040 0.030 0.020

Е=400 эВ Теор. 0.0024 0.010 0.013 0.009 0.020 0.016

Эксп. 0.002 0.010 0.015 0.010 0.020 0.020 0.050 0.035 0.025

Е=500 эВ Теор. 0.003 0.011 0.018 0.011 0.022 0.019

Эксп. 0.005 0.010 0.020 0.015 0.025 0.030 0.045 0.040 0.025

15 30 45 60 Время травления, мая.

15 30 45 Время травления, мин.

3.0 - 2.5

а ч.

1 20 £

§ 1-5 й в

| 1.0

¿0.5

— Аи

— Рг

— Б

-2.___4

_51

15 30 45 60 Время травления, мин.

Рис. 2. Скорости ионного травления резистов и пленок разного состава.

На основании полученных результатов по скорости ионного травления резистов и тонких пленок разного состава (см. табл. 1) были построены графики (рис. 2), из которых Moiyr быть определены максимальные толщины пленок, входящих в состав многослойных структур, надежно защищаемых данного типа резиста в процессе ионного травления. Вертикальными линиями обозначено время полного стравливания данного типа резиста. Уменьшение времени полного стравливания резиста в случае пленки YBCO связано с обнаруженной нами зависимостью скорости ионного травления резистов от состава защищаемой пленки (по мимо энергии и плотности ионного тока). И в случае сложного оксида (YBCO) скорость ионного травления сильно увеличивается. Это может быть объяснено фактом, что выделенный во время травления кислород из пленки YBCO взаимодействует с решетом и ослабляет его стойкость к ионному травлению.

Итак, в результате проведенной работы были отработаны технологические режимы формирования элементов и устройств криоэлектро-ники (в частности планарные перестраиваемые конденсаторные структуры [8 ], S-N переключатели [6*], цифровые и аналоговые фазовращателей [6 ,9 ]) на основе тоикопленочных многослойных СЭ/ВТСП структур, которые успешно могут быть применены на СВЧ.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Предложен алгоритм и разработано программное обеспечение для моделирования методом Монте-Карло характеристик потоков распыленных частиц в процессе их переноса к подложке при ионно-плазменном распылении. Результаты моделирования показали хорошее соответствие с экспериментом, что позволило применять программу для выбора оптимальных режимов напыления тонких пленок;

2. Методом «ех-situ» магнетронного распыления изготовлены пленки высокотемпературного сверхпроводника УВагСизО?.* с обеих сторон объемного титаната стронция. Проведено сравнительное исследование кристаллической структуры и состава пленок YBCO и границы раздела YBCO/STO.

3. Экспериментально показано, что использование метода магнетронного распыления для получения тонких ВТСП (YBCO) пленок в качестве обкладок для объемных конденсаторов на основе монокристалла STO с ориентацией (100) обеспечивает отсутствие перераспределение объемного заряда в толще STO, что приводит к безгистерезисно-му характеру ВФХ конденсатора;

4. Экспериментально; показано, что использование ВТСП тонких пленок в многослойной структуре YB СО/объемный STO/YBCO позволяет получить объемные резонаторы с высокой добротностью;

5. Проведено экспериментальное исследование скоростей травления разных типов резистор и тонких пленок различного состава. Разработан метод микропрофилирования многослойных структур для получения элементов и устройств СВЧ криоэлектроники методом ионного травления с использованием стандартных фоторезистов. Элементы и устройства, изготовленные таким образом, показали приемлемые характеристики.

ЛИТЕРАТУРА:

[1] D Czekaj, Е К Hollmann, А В Kozirev, V A Volpyas and A G Zaitsev. Initial Energy Distribution of Sputtered Atoms in DC Diode Systems // Phys.Stat.Sol.A - 1989 - V.114 - P.K21-K24.

[2] L I Maissel and R Glang, Handbook of Thin Film Technology, -1970 - McGraw Hill Hook Company, New York - P.3-25

[3] Мак-Даниэль И. Процессы столкновений в ионизированных газах. - М.:Мир, 1967 - С.78-80.

[4] Фирсов ОБ. // ЖТФ - 1958 - Т. 34 - С.447.

[5] Никулин В.К., Дифференциальные сечения и параметры кинетического рассеивание атомов на атомах в кэВ - диапазоне энергий // ЖТФ - 1971 - Т.41 - Вып. 1 - С.567-576.

[6] Turner G.M., Sikorski A, McKenzie D.R., Smith G.B. Cokkayne

D.J.H., Spatial variations in the stoichiometry of sputtered YBaCuO thin films: theory and experiment // Physica С - 1990- V.170, N5-6 - P.473-480.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1*. Preparation and properties of a non-linear capacitor formed by double-sided YBa2Cu307.x films on SrTi03 substrate // Journal of Physics D: Applied Physics, 28 (1995) P.1457-1460. (соавторы: O.G. Vendik,

E.K.Hollmann, A.G. Zaitsev, D.G. Rauser).

2*. Исследование микроструктуры пленок УБагСизО?.* с разным СВЧ поверхностным сопротивлением, методом рентгеновской дифрак-тометрии в плоскостях неперпендикулярных оси с II Письма в ЖТФ т. 21, Вып. 6 (1995), стр.41 - 45. (соавторы: О.Г. Вендик, Е.К. Гольман, А.Г. Зайцев, С.В. Разумов).

3*. Моделирование процесса переноса распыленных частиц при ионно-плазменном распылении // Известия ГЭТУ, выпуск 474, С.Пб, 1994, С.53-56. (соавторы: В.А. Вольпяс, Л.ЕРомадина).

4*. 3D Monte Carlo simulation of sputtered atom transport in the process ion-plasma sputter deposition of multicomponent thin fillms // Vacuum (в печать), (соавторы: V.A. Volpyas, R.A. Chakalov).

5*. Microstructure of YBCO films prepared by planar magnetron sputtering // Proc. of IV-th Intern. Conf. on Electron Beam Technology, June 6+11,1994, Varna, Bulgaria, pp. 279 - 283. (соавторы: E.K.Hollmann,

D.G. Rauser, S.V.Razumov, O.G. Vendik, A.G. Zaitsev).

6*. Microwave digital phase shifters based on a S-N-switching in HTS thin films. // Proc. European Conf. on Applied Supercond.-Edinburgh: IOP Publ. Ltd.-1995.-Inst.Phys.Conf.Ser. N148.-P.1139-1142. (соавторы: D.Kaparkov, V.Sherman, I.Vendik, M.Gaidukov, V.Osadchiy, S.Razumov).

7*. Monte Carlo simulation of Argon atoms transport during deposition of W thin films by RF-DC coupled magnetron sputtering. // Proc. of ICTF-10/EVC-5, Salamanca, Spain, 1996. (соавторы:

E.K. Hollmann, V.A. Volpyas, Т. Tanaka, К. Kawabata).

8*. Evaluation of the tunability and insertion loss of УВа2Сиз07.х /SrTi03 structures for MW applications // NATO ASI Series, Volume: Microwave Physics and Technique, p. 337-342. (соавторы: E.K. Hollman A.V. Ivanov, A.B. Kozyrev, V.E. Loginov, O.I.Soldatenkov, A.V. Tumarkin, O.G. Vendik).

9*. HTS/Ferroelectric CPW structures for voltage tuneable phase shifters // Proc of the 27-th European Microwave Conf., Jerusalem, Israel 1997. (соавторы: O.G. Vendik, E.F. Carlsson, R.A. Chakalov, S.S. Gevorgian, Z.G. Ivanov).

10*. Experimental Study of Thin Film HTS/Ferroelectric CPW Phase Shifters for Microwave Applications // Proc of the European Conf. of Appl. Supercond., Twente, Netherlnds 1997. (соавторы: E.F. Carlsson, R.A. Chakalov, P. Larsen, Z.G. Ivanov, S.S. Gevorgian).