автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Разработка и исследование объемных ВТСП изделий из иттриевой керамики и электронных устройств на их основе

, /.?// /г ' .....■

/ ' С; V" V / ^ <:■' 4

Новосибирский Государственный Технический Университет

на правах рукописи

Новиков Илья Леонидович

"РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ОБЪЕМНЫХ ВТСП ИЗДЕЛИЙ ИЗ ИТТРИЕВОЙ КЕРАМИКИ И ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ НА ИХ

ОСНОВЕ".

05.27.01 - Твердотельная электроника, микроэлектроника и наноэлектроника

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Соискатель: Новиков Илья Леонидович Научный руководитель: к.ф.-м.н.

доцент Фирсов Николай Илларионович Научный консультант: д.т.н.

профессор (Шадрин Владимир Степанович

Новосибирск -1998

СОДЕРЖАНИЕ.

ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ...................................................................................5

ВВЕДЕНИЕ................................................................................................................6

1. АНАЛИЗ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ

ПО ВТСП КОМПОНЕНТАМ ЗА РУБЕЖОМ И В РОССИИ...........................13

1.1. Основные параметры и эффекты, характеризующие

явление сверхпроводимости......................................................................13

1.2. Основные характеристики ВЧ и ПТ СКВИДов.........................................21

1.3. Использование СКВИДов в магнитометрах.............................................28

1.4. Формирование рынка активных и пассивных ВТСП электронных элементов......................................................................................................31

1.5. Характеристики современных ВТСП СКВИДов.....................................38

1.6. Основные характеристики ВТСП магнитных экранов............................41

1.7. Материалы для изготовления ВТСП элементов

электронной техники...................................................................................44

1.8. Формулировка проблемы и постановка задач...........................................47

2. ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ ВТСП ИТТРИЕВОЙ КЕРАМИКИ.................50

2.1. Твердофазный синтез исходного ВТСП порошка УВа2Си3Ох................52

2.2. Качественная модель морфологии ¥Ва2Сиз07.х керамики.....................55

2.3. Факторный эксперимент технологических режимов спекания..............62

3. ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ИССЛЕДОВАНИЕ ЭКРАНИРУЮЩИХ

СВОЙСТВ ОБЪЕМНЫХ ВТСП МАГНИТНЫХ ЭКРАНОВ..........................75

3.1. Метод горячего литья под давлением........................................................75

3.2. Технологические режимы изготовления ВТСП

объемных магнитных экранов...................................................................82

3.3. Коэффициент экранирования монолитного и составного

ВТСП магнитных экранов...........................................................................85

3.4. Модель джозефсоновской среды и основные внутренние параметры керамических ВТСП магнитных экранов..................................................93

4. ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ И МЕТОДЫ ЗАЩИТЫ ОБЪЕМНЫХ ВТСП КВАНТОВЫХ ИНТЕРФЕРОМЕТРОВ РАЗЛИЧНЫХ КОНСТРУКЦИЙ.................................................................................................108

4.1. Технология изготовления объемных ВТСП интерферометров.............108

4.2. Методика определения работоспособности ВТСП интерферометров.......................................................................................112

4.3. Технологические приемы улучшения параметров ВТСП интерферометров и технология восстановления их работоспособности...................................................................................125

4.4. Методы защиты слабой связи ВТСП интерферометров.......................130

5. ОСНОВНЫЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ ПАРАМЕТРЫ ВТСП ВЧ СКВИД-МАГНИТОМЕТРА И ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ НА ЕГО ОСНОВЕ...............................................................................................135

5.1. Исследование работы СКВИД-магнитометра на основе

объемных ВТСП интерферометров различных конструкций...............135

5.2. Исследование основных технических характеристик ВТСП градиентометра для магнитокардиографа...............................................149

5.3. Исследование основных технических характеристик установки для измерения магнитной восприимчивости на основе ВТСП

ВЧ СКВИД-магнитометра........................................................................159

5.4. Применение объемных ВТСП СКИ и магнитного экрана в измерителе ослабления электромагнитных колебаний в радиочастотном диапазоне.......................................................................169

ЗАКЛЮЧЕНИЕ........................................................................................................173

ВЫВОДЫ..................................................................................................................175

ЛИТЕРАТУРА..........................................................................................................177

ПРИЛОЖЕНИЕ........................................................................................................188

ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ.

АЧХ - амплитудно-частотная характеристика;

БКШ - теория сверхпроводимости Бардина-Купера-Шриффера;

ВАХ - вольт-амперная характеристика;

ВВХ - вольт-веберная характеристика;

ВПХ - вольт-полевая характеристика;

ВТО - высокотемпературный обжиг;

ВТСП - высокотемпературная сверхпроводимость; высокотемпературный

сверхпроводящий; высокотемпературный сверхпроводник;

ВЧ - высокочастотный;

ИК - измерительный канал;

НТО - низкотемпературный обжиг;

НТСП - низкотемпературная сверхпроводимость;

НЧ - низкочастотный;

ПТ - постоянного тока;

СКВИД - сверхпроводящее квантовое интерференционное устройство;

СКИ - сверхпроводящий квантовый интерферометр;

ARPA - Агенство перспективных исследовательских проектов;

CSE - Консорциум по сверхпроводящей электронике;

HTSC МКМ - высокотемпературный сверхпроводящий

монокристальный модуль; ISC - Иллинойская корпорация сверхпроводников; S-I-S - сверхпроводник-диэлектрик-сверхпроводник; S-N-S - сверхпроводник-нормальный металл-сверхпроводник; STI - Компания технологии сверхпроводников.

ВВЕДЕНИЕ.

С момента открытия высокотемпературной сверхпроводимости прошло уже более 10 лет. За это время был пройден огромный путь от экспериментального изучения этого явления до практической реализации. Был синтезирован целый класс новых материалов, объединенных одним названием - высокотемпературные сверхпроводники. К сожалению, за прошедшее десятилетие не было создано теории данного феномена, подобно теории БКШ, что делает поиск новых материалов и улучшение характеристик уже открытых менее целенаправленным. До сих пор продолжаются споры о механизме, ответственном за высокотемпературную сверхпроводимость.

Отсутствие модели ВТСП создает проблемы и при изготовлении изделий из этого материала. Данный класс материалов представляет собой керамику довольно сложного состава и строения, на характеристики которой очень сильно оказывает влияние технология ее синтеза. Отсутствие пластичности керамики создает трудности при изготовлении изделий сложной формы. Наличие целой иерархии дефектов различного типа от атомарного до макроуровня приводят к значительному ухудшению эксплуатационных характеристик готовых изделий, которые оказываются по этой причине хуже, чем изделия из низкотемпературных сверхпроводников, применяемых до открытия ВТСП.

Чтобы полнее описать круг возникших технологических проблем, необходимо отметить сильную деградацию сверхпроводящих свойств при процессе термоциклирования, которая связана с взаимодействием данных материалов с парами воды. Это приводит к необходимости защиты поверхности изделий, особенно при использовании тонкопленочной технологии, которая усиленно развивается последние пять лет. Анализ работ по практическому использованию ВТСП показывает, что основные коммерческие проекты, которые формируют в настоящее время довольно слабый рынок

ВТСП, связаны с воспроизводимостью имеющихся сверхпроводящих или металлических аналогов с применением толстопленочной технологии. Основное направление исследований направлено на создание ВТСП пленочных СКВИДов и СКВИД-систем на их основе с высокими эксплуатационными характеристиками. К сожалению, данное направление развития СКВИД-техники не охватывает системы с объемными ВТСП интерферометрами. Некоторое пренебрежение в исследованиях объемными СКВИДами приводит к сужению возможных областей применения данных датчиков магнитного поля в технике.

В сложившихся технико-экономических условиях можно выделить два направления, исследование которых к настоящему моменту было выполнено не достаточно. Это изготовление и исследование характеристик объемных ВТСП интерферометров различных конструкций и ВЧ СКВИД-систем на их основе и магнитных экранов с варьируемой величиной объема экранирования.

В настоящей работе проведены исследования в данных направлениях, в результате которых сформулированы требования к технологическим операциям базового технологического маршрута, установлены доступные для варьирования технологические факторы, влияющие на эксплуатационные параметры материала, предложена нетрадиционная технология горячего литья под давлением для изготовления ВТСП магнитных экранов двух конструкций: монолитного и составного, предложена технология изготовления объемных СКИ трех типов: одноконтурного, двухконтурного типа Циммермана и многоконтурного типа Харви. Проведены исследования основных эксплуатационных характеристик ВЧ СКВИД-магнитометра с данными типами интерферометров и магнитным экраном и конечных электронных СКВИД-устройств на его основе для медицины и геологии.

Работа содержит кроме "ВВЕДЕНИЯ" 5 глав и 1 Приложение.

В первой главе выполнен анализ научно-технической информации по ВТСП компонентам за рубежом и в России. Показано, что основным ВТСП

материалом, применяемом в производстве, остается иттриевая керамика, но модифицированная по составу. Поиск оптимальных структур, композиций, технологических режимов их получения продолжается. Из анализа сложившегося рынка ВТСП электронных компонентов показано, что:

- рынок ВТСП электронных изделий, в основном, представлен изделиями, полученными по толстопленочной технологии;

- объем рынка пассивных ВТСП электронных компонентов превышает 5 млрд. долл., рынок активных ВТСП электронных компонентов практически не сложился;

- продвижение активных ВТСП компонентов к рынку можно было бы стимулировать развитием рынка магнитоэкранированных объемов. Сформулирована задача, решение которой позволит обеспечить более быстрое продвижение ВТСП изделий на мировом рынке.

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. Проведен факторный эксперимент, позволивший 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. В ней 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 настоящей работы 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. Также определено влияние термоциклирования на работоспособность СКИ. Выполнен анализ выходных характеристик СКВИД-магнитометра, на основе которого удалось получить 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.

В работе рассмотрены и решены следующие задачи:

а) впервые, в рамках факторного эксперимента, установлено сравнительное влияние времени синтеза, времени высокотемпературного обжига и времени низкотемпературного обжига (ВТО) на критическую температуру и ширину сверхпроводящего перехода, а также на нормальное сопротивление керамики и ее объемную плотность. Показано, что наиболее сильное влияние на критическую температуру оказывает время ВТО;

б) с помощью ВТСП ВЧ СКВИД-магнитометра впервые выполнены сравнительные исследования экранирующих свойств объемных ВТСП магнитных экранов двух типов: монолитного и составного. Показано, что коэффициент экранирования данных экранов ~ 106 не уступает мировым аналогам и вполне достаточен для большинства применений в СКВИД-технике;

в) впервые предложена оригинальная технология изготовления объемных ВТСП квантовых интерферометров трех типов: одноконтурного, Циммермана и Харви, которая включает в себя изготовление тела интерферометра, оптимизацию параметров интерферометра, защиту слабой связи интерферометра и восстановление его работоспособности. Установлено, что данная технология позволяет увеличить процент выхода годных интерферометров до 100% и получить работоспособные в течении года датчики сверхслабого магнитного поля с разрешением по магнитному потоку в

пределах от 1 * 10"4 до 5*10"4 Фо/л/гц;

г) впервые в едином комплексе предпринята попытка систематического изучения всего процесса создания приборов криоэлектроники на основе объемных ВТСП изделий от технологии синтеза керамики УВаСиО до действующих измерительных систем.

На защиту автор выносит:

• результаты факторного эксперимента по исследованию технологического процесса изготовления иттриевой ВТСП керамики;

• методика исследований и результаты сравнительных исследований ВТСП магнитных экранов двух типов, полученных методом горячего литья под давлением;

• технологические операции и режимы процесса изготовления, защиты и восстановления параметров слабой связи объемных интерферометров;

• экспериментальные результаты по оптимизации эксплуатационных характеристик ВТСП ВЧ СКВИД-магнитометра, по исследованию макета градиентометра с дифференциальным включением каналов и установки для измерения магнитной восприимчивости с несверхпроводящим трансформатором магнитного потока.

Результаты работы могут найти применение при изготовлении новых типов ВТСП СКВИД-систем, а также при оптимизации технологии изготовления объемных СКИ для получения более высоких предельных характеристик конечных электронных устройств на основе ВТСП СКВИДов. Кроме того, материалы работы могут способствовать более целенаправленному поиску новых методов защиты контактов СКИ с целью увеличения их срока службы.

Результаты исследований представлены на двух международных научно-технических конференциях АПЭП (Новосибирск, 1994, 1998), 5 международном конгрессе по сверхпроводимости (Будапешт (Венгрия), 1996), международной научно-технической конференции «Информатика и проблемы телекоммуникаций» (Новосибирск, 1998), научных семинарах кафедры Полупроводниковых приборов и микроэлектроники НГТУ, семинаре 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» (г. Москва, 1995 год) и научно-техническои выставке на 4 международной научно-техническои конференции АПЭП (г. Новосибирск, 1998 год).

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

1. АНАЛИЗ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ ПО ВТСП КОМПОНЕНТАМ ЗА РУБЕЖОМ И В РОССИИ.

1.1. Основные параметры и эффекты, характеризующие явление сверхпроводимости

В настоящее время принято считать, что вещество является сверхпроводником, если выполняются одновременно четыре условия: 1) сопротивление образца не слишком большому постоянному электрическому току равн�