автореферат диссертации по электронике, 05.27.02, диссертация на тему:Разработка и исследование процесса формирования сверхпроводниковых пленочных структур для применений в СВЧ электронике

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ В.И. УЛЬЯНОВА (ЛЕНИНА)

На правах рукописи

Някшев Константин Федорович

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ФОРМИРОВАНИЯ СВЕРХПРОВОДНИКОВЫХ ПЛЕНОЧНЫХ СТРУКТУР ДЛЯ ПРИМЕНЕНИЙ В СВЧ ЭЛЕКТРОНИКЕ

Специальность: 05.27.02 - Вакуумная и плазменная электроника.

АВТОРЕФЕРАТ

Санкт-Петербург - 1994

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

Научные руководители -доктор технических наук профессор КОЗЫРЕВ А.Б., кандидат технических наук с.н.с. КАРМАНЕНКО С.Ф.

Официальные оппоненты: доктор технических наук МИРОНЕНКО И.Г. кандидат физико-математических наук с.н.с. БОБЫЛЬ А.В.

Ведущая организация - Физико-технический институт РАН им. А.Ф. Иоффе

Защитадиссертации состоится 1994 г.

в /С) часов на заседании диссертационного совета "К 063.36.09 Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета имени В.И.Ульянова (Ленина) по адресу: 197376, Санкт-Петербург, ул. Проф. Попова, 5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан ".

1994 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

СМИРНОВ Е.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Основная тенденция современной криоэлектроники направлена на создание гибридных интегральных схем на основе многослойных гетероэпитаксиальных структур, включающих пленки оксидных высокотемпературных сверхпроводников - ВТСП. Развитие технологии интегральных схем на основе слоевых металлооксндных структур затруднено по причине малой исследованяости процессов, протекающих при формировании оксидных пленок; пх дефектной структуры; а также вопросов межслойного взаимодействия и переходных слоев. Среди технологических методов формирования сверхпроводниковых пленок метод магнетронного распыления (МР) керамических мишеней имеет ряд достоинств, связанных, в первую очередь, с высокой управляемостью процессом роста, высокой однородностью формируемых слоев п воспроизводимостью.

Возможности практического применения наиболее перспективного, в настоящее время, ВТСП материала - YBa2Cu307il (YBCO) в СВЧ криоэлектронике определяются поведением пленок YBCO в широком диапазоне ВЧ-СВЧ. Поверхностный импеданс в ВЧ-СВЧ диапазоне - Zs сильно зависит от структурных характеристик пленок, поэтому детальное изучение структуры пленок и режимов их формирования следует проводить во взаимосвязи с измерениями Хг и, в первую очередь, ВЧ-СВЧ поверхностного сопротивления Rs.

Целью работы явились разработка технологического процесса формирования слоевых структур на основе пленок ВТСП и исследование их структурных и электрофизических характеристик для создания элементов СВЧ криоэлектронных устройств.

Указанная цель представляет комплексную научно-техническую проблему, включающую следующие задачи:

- анализ физических процессов, протекающих при МР оксидных мишеней и переносе атомов в газоразрядной плазме;

- разработка технологического процесса формирования пленок YBCO и гетероэпитаксиальных сверхпроводниковых структур при МР керамических мишеней;

- определение факторов ТП, оказывающих наиболее сильное влияние на физические характеристики и структуру пленок YBCO;

- исследование ВЧ-СВЧ физических характеристик пленок YBCO, особенностей поведения сверхпроводниковых пленок в ВЧ-СВЧ диапазоне при воздействии статического магнитного поля, и изучение механизмов ВЧ-СВЧ остаточных потерь;

- исследование процесса формирования слоевых сверхпроводящих систем типа сверхпроводник/сегаетоэлектрик/сверхпроводник;

- создание линейных сверхпроводниковых элементов СВЧ -криоэлекгронных устройств с рабочей температурой порядка 77 К.

Научная новизна работы определяется следующими полученными результатами:

- проведено аналитическое описание процессов, протекающих при магнетронном распылении керамических мишеней, и показана возможность аналитического моделирования стадий: создания распыляющего потока, распыления мишени, переноса распыленных частиц;

- компьютерное моделирование процесса переноса атомов в пространстве мишень-нодложка позволило установить, что в технолошческих условиях, наиболее часто применяемых на практике, поток частиц транспортируется до подложки, с точностью до 10%, без изменения стехиометрии катионных компонентов - У^азО^О.,.

- исследовано воздействие плазмы тлеющего разряда на формирование пленок сверхпроводниковых оксидов, заключающееся, в основном, в неоднородном рераспылении и локальном перегреве пленки; установлено, что сильнее эффект проявляется для соединений, содержащих барий, вследствие высокой химической активности бария и способности образовывать летучие бинарные и тройные соединения.

- определена аналитическая функция зависимости плотности потока конденсирующихся частиц от давления, температуры рабочего газа и расположения подножки;

- установлены факторы технологического процесса МР, оказывающие наиболее сильное влияние на электрофизические параметры и структуру пленок УВСО: температура подложки, давление в процессе осаждения и удельная мощность, приложенная к мишени;

- показано, что эффективным способом идентификации различных механизмов ВЧ-СВЧ потерь в пленках сверхпроводников является приложение магнитного поля перпендикулярно поверхности пленок;

- разработан технологический процесс формирования планарного криоалектронного элемента на основе сверхпроводниковой пленки и созданы линейные и управляемые криоалектронные элементы для ВЧ-СВЧ диапазона;

- продемонстрированы высокая нелинейность и отсутствие емкостного гистерезиса объемной конденсаторной структуры УВСО/БТО/УВСО при Т = 4,2 К.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1. Плотность потока распыленных в тлеющем разряде атомов изменяется в процессе переноса к подложке в соответствии с аналитической функцией давления Р, температуры рабочего газа Т, удельной мощности разряда и расстояния мишень - подложка <1\ определение функции дает возможность проводить оценочные расчеты скорости роста пленок.

2. Сегнетоалектрический слой Ва068г04ТЮ3 (ВБТО), толщиной -200

нм, выращенный на подложке MgO методом ВЧ распыления, позволяет повышать структурное совершенство подложки. Сверхпроводниковые плепки YBCO, выращенные на гетероэпитаксиальной структуре BSTO/MgO методом магнетронного распыления, обладают высокими электрофизическими характеристиками на постоянном токе (Г до 91,5 К) и на СВЧ (на 60 ГГц - Rs ~ 5 мОм, при 4.2 К и й ~ 50 мОм, при 77 К), что обуславливает широкие возможности применений структур YBCO/BSTO/MgO в СВЧ -криоэлектронных устройствах - в качестве линейных элементов, и в приборах, управляемых электрическим полем.

3. При формировании пленок YBCO методом магаетронного распыления на структурно-согласующихся подложках с ориентацией (001), скорость роста V определяет ориентацию кристаллографических осей пленки. В диапазоне температуры подложки 650...720 °С н Vg не более 1,5 нм/мин формируются пленки с осью с перпендикулярно поверхности подложки, и при Vg не менее 2,5 нм/мин формируются пленки с осью с параллельно поверхности подложки. В диапазоне V между указанными значениями просходит формирование пленок YBCO со смешанной ориентацией.

4. Эпитаксиальный рост пленок YBCO при магнетронном распылении, имеет место до некоторой критической толщины hc = (250 - 350) нм, зависящей от ряда технологических и структурных факторов, что подтверждается немонотонной зависимостью ВЧ-СВЧ поверхностного сопротивления от толщины пленок, свидетельствующей также о том, что пленки YBCO с толщиной, близкой к kc, наиболее пригодны для применений в ВЧ-СВЧ криоэлектронных устройствах.

5. Конденсаторные структуры на основе монокристалла SrTi03 созданные в процессе двух последовательных циклов выращивания пленок YBCO при магнетронном распылении керамических мишеней, не проявляют птстерезисного эффекта на вольт-фарадных характеристиках при изменении емкости более, чем в 3 раза. Пленки YBCO на обеих сторонах кристалла характеризуются эпитаксиальпой структурой н обладают практически идентичными, высокими критическими параметрами сверхпроводящего состояния.

Практическую ценность работы составляет:

- расчетная методика оценки скорости роста и определения наиболее вероятной ориентации пленок YBCO для выбранных технологических условий:

- технологический процесс формирования высокоориентированных пленок YBCO методом магнетронного распыления керамических мишеней, разработанный в ходе выполнения работы;

- установление критической толщины пленок YBCO , hc, до которой происходит формирование высокоориентированных пленок и последующее нарушение механизма роста;

- определение толщины пленок УВСО, соответствующей й, - оптимальной для создания элементов криоэлектронных устройств;

- методика идентификации механизмов остаточных потерь в диапазоне ВЧ-СВЧ, в сверхпроводниковых пленках, основанная на приложении к образцу, находящемуся в резонаторе, перпендикулярного магнитного поля;

- пооперационный технологический цикл создания элемента криоэлектронного устройства на основе пленок УВСО и слоевых сверхпроводящих структур;

- сверхпроводниковые криоэлектронные пленочные элементы: переключатели и ограничители СВЧ сигаала, болометрические датчики;

- управляемая безгастерезисная конденсаторная структура на основе монокристаллической пластины титаната стронция с электродами из пленок УВСО.

Внедрение результатов. Проведенные исследования являются составной частью НИР, выполняемых на кафедре ЭИВТ в СПбГЭТУ. Полученные результаты использованы и внедряются в организациях - НПО "Домен", Государственный оптический институт, Физико-технический институт РАН и в учебном процессе кафедры ЭЙВТ.

Апробация результатов. Основные результаты докладывались на научно-технических конференциях и совещаниях различного уровня: VI-ом совместном советско-германском семинаре по высокотемпературной сверхпроводимости (Санкт-Петербург, 1991 г.), конференции "Физика низких температур - НТ-29" (Казань, 1992 г.), Всесоюзном совещании по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами (Москва, 1991), 8-ой Международной конференции по вакуумным электронным и ионным технологиям, ВЕИТ-93 (Варна, Болгария, 1993 г.), научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава СПбГЭТУ (Санкт-Петербург, 1987-1994).

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 7 печатных работ, из них 5 статей и 2 тезисов докладов.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа остоит из введения, пяти глав с выводами в каждой, заключения и списка цитируемой литературы, включающего 170 наименований. Основная часть работы изложена на 130 страницах машинного текста. Работа содержит 58 рисунков и 6 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы основные цели работы, показана ее научная новизна и практическая значимость полученных результатов, указаны объекты исследований, даны сведения о структуре и содержании работы и приведены положения, выносимые на защиту.

Глава 1. Обзор современного состояния в области технологии создания сверхпроводниковых элементов СВЧ криозлектропных устройств. В данной обзорной главе рассмотрены вопросы структуры и электрофизических свойств ВТСП, результаты последних достижений в области синтеза новых ВТСП и проанализирована перспективность различных ВТСП для практических применений в криоэлектронике. Анализ современных достижений в материаловедении ВТСП приводит к выводу, что для создания криоэлектронных устройств, наиболее перспективны пленки соединения УВа2Си507 Далее рассматриваются технологические методы выращивания пленок УВСО, других оксидов со структурой перовскита и слоевых систем, и наиболее подробно - технология МР. Отдельно проводится рассмотрение характеристик пленок ВТСП в ВЧ-СВЧ диапазоне, зависимость поверхностного сопротивления в широком частотном диапазоне - 107 -10" Гц и сравнение их с расчетными значениями по модели БКШ и ^ традиционных сверхпроводников. В выводах по главе определяются направления иследований в основной части работы.

Глава 2. Анализ процессов, протекающих при формировании пленок методом магпетроиного распыления. Здесь рассматриваются стадии процесса формирования пленок ВТСП методом МР: создание потока заряженных и ускоренных частиц, бомбардирующих мишень; распыление мишени под воздействием потока ускоренных энергетических частиц; перепое распыленных атомов и атомных групп, выбитых из мишени, к подложке; конденсация потока и рост пленки на подложке.

Анализ процесса формирования пленки должен включать рассмотрение влияния плазмы тлеющего разряда: разогрев вследствие излучения и электронного удара, бомбардировка и селективное рераспыление пленки атомами высоких энергий, выбитых из мишени и отрицатительными иолами.

На начальных двух стадиях определяется плотность потока частиц, выбитых из мишени и его энергетическое распределение. Затем рассматривается стадия переноса распыленных атомов, для чего используется расчетный метод Монте-Карло и проводятся экспериментальные исследования. Стадия переноса атомов от мишени к подложке включает следующие процессы: образование направленного к подложке потока частиц; упругое рассеяние на атомах рабочего газа; термализация; переход частиц в диффузионный режим движения. Было показано, что при распылении мишени стехиометрического состава УВа2Си307 в реальных технологических условиях, ноток частиц транспортируется до подложки с точностью до 10%, без изменения стехиометрического соотношения компонентов.

Основной вопрос в данном рассмотрении заключается в следующем: каково изменение плотности потока распыленных атомов Г/х=0) в направлении л>мишень-подложка в процессе переноса. Таким образом, задача состоит в определении некоторой функции рассеяния распыленного потока

Лр, Т, с!). Применение экспериментальной зависимости скорости осаждения пленок УВСО от технологических факторов - давления - р, расстояния мишень-подложка - й, температуры - Т, позволила выразить искомую функцию следующим выражением:

= Х-Т/Р + р- - Щ • т!р? •

в котором j - сорт атома (У, Ва или Си), N. - среднее число соударений атомов определенного сорта (Ы. = 5 - 8) с атомами газа, необходимое для достижения состояния термализации распыленных атомов. Коэффициенты р и X являются подгоночными параметрами и слабо зависят от технологических режимов. Для выбранных экспериментальных условий было принято, что = 1 и X - 1.21x10 5мПа/К. Определение плотности всего потока проводилось следующим образом:

Гг(* = й) = 5>Лу^/е<1 + 7)]1Лр-^,Т)

1

где V. - стехиометрическнй коэффициент, - плотность тока магаетроннош разряда, У. - коэффициент распыления, е - элементарный заряд и у - коэффициент электронно-ионной эмиссии. Построенная таким образом аналитическая модель позволяет определять плотность распыленною потока при различных координатах пространства мишень-подложка и оценивать скорость осаждения пленок при заданных р, Т и удельной мощности разряда №=зр (С/ - напряжение, приложенное к мишени, которое оказывает влияние на У-коэффициент распыления). На основе результатов исследований, представленных в данной главе, были выработаны рекомендации по разработке технологического процесса.

Глава 3. Технологический процесс формирования пленок УВа2Си307и сверхпроводниковых структур. Были выбраны две базовые технологические установки: ВУП-5 и установка магаетронного распыления ЬеуЬоИ, 2-400. Диаметр мишени в обеих установках составлял 76 мм. Процесс формирования слоевых систем проводился на модернизированной установке Z-400 методом "оп-ах1з" магаетронного распыления на постоянном токе (аналогично процессу на ВУПе) и на ВЧ, в едином технологическом объеме.

Для отработки технологических режимов применялся диагностический метод комбинационного рассеяния света (КРС), разработанный в ФТИ РАН (ст.н.с. В.Ю.Давыдов). С помощью метода КРС определялось направление кристаллографических осей в пленках УВСО и оценивалось содержание кислорода и Г пленок. Для контроля степени ориентированности пленок применялась диагностика рассеяния ионов средних энергий (РИСЭ), подобная Резерфордовскому обратному рассеянию и позволяющая определять параметр каналирования к

В качестве основной подложки служила гетероэпитаксиалъная структура BaxSr, jTiOj/MgO. Для наилучшего согласования кристаллических решеток MgO (а = 0.421 нм) и YBCO (а = 0.382 нм), бьш выбран состав, в котором х = 0.6 (а = 0.400 нм). Процесс выращивания BSTO проводился при ВЧ ионно-гшазменном распылении по 3-х электродной схеме, при температуре Г « 800°С, со скоростью роста ~ 1.5...2.0 нм/мин, толщина слоя BSTO составляла 200...300 нм.

Профильный анализ структуры образцов YBCO/BSTO/MgO с толщиной 300/200 нм соответственно, проведенный методом РИСЭ, показал что по всей толщине структура является высокоориентированной, причем х (BSTO) составляет 3-4%, что характерно для монокристаллических объектов, и % (YBCO) ~15%, тоща как значение х для типичных подложек MgO составляло (15-20)%. Структурные исследования показали, что выращивание гетероэпитаксиальиого слоя Ba06Sr04TiO3 на поверхности полированных пластин MgO (100) существенно улучшает кристаллическое состояние поверхности и согласование кристаллических решеток пленхи и подложки, способствуя таким образом, снижению структурных напряжений и плотности дефектов в пленке YBCO. Толщина слоя BSTO - 200 нм наиболее предпочтительна. С одной стороны это достаточно для улучшения кристаллического состояния подложки, и с другой - вклад сешетоэлектрика указанной толщины в электродинамику структуры пренебрежимо мал.

Основными факторами технолошческого процесса по степени влияния на параметры пленок YBCO являются следующие : Т, р, W, d и режим послеростовой термообработки. Были определены диапазоны изменения основных факторов, при которых происходит рост различно ориентированных (с± и с|() пленок YBCO на структурах BSTO/MgO (100). В Таблице 1 приведены только значения для Г, рг и Wl ; значение d фиксировалось на 20 мм, послеростовая термообработка проводилась в кислороде при давлении близком к атмосферному в течении 45-60 мин, с выдержкой б течении ~15 мин при температуре 450-500 °С. В приведенных пиже диапазонах достигались максимальные значения электрофизических параметров пленок.

Диапазоны основных факторов технологического процесса выращивания пленок УВСО на подложках В8ТО/МйО.

Таблица 1

Фактор Т, я Рг W, V.

Ориентация "С Па Вт/см2 нм/мин

пленки YBCO

сх- (001) 670-720 20-200 3-7 0.7-1.5

с, - (100) 620-680 1-25 3-7 2.5-5.0

Скорость роста пленок УВСО варьировалась в диапазоне 0.5...5 им/ мин посредством управления давлением рабочего газа и мощностью №. с„ -ориентированные пленки имеют, как правило, завышенное значение постоянной решетки с, превышающее 1.17 нм и несколько заниженное значение Тс - (86-87) К, по сравнению с сх - ориентированными пленками, в которых Г достигало 91.5 К.

Механизм формирования ориентированных пленок УВСО имеет место до некоторой критической толщины й., после которой происходит нарушение, "сбой" эпитаксиальнопо механизма роста и наблюдается разориентация кристаллитов. Величина й. не имеет строго определенного значения, а изменяется в диапазоне 250...400 нм, причем для сх - ориентированных пленок "сбой" наблюдается при меньшей толщине по сравнению с с, -ориентированными пленками. При толщине шгенок 1 мкм поверхность различных пленок ориентирована идентично, т.е. доли сх и с„ ориентированных кристаллитов практически равны.

Экспериментально было установлено, что скорость роста, при которой проявляется изменение в ориентационных механизмах зародышеобразования пленок УВСО на подложках типа ЗТО-ВЭТО составляет У, = 2 нм/мин. Для того, чтобы обеспечить указанную скорость роста, необходимо, чтобы захвытываемый подложкой поток атомов составлял Гх ~ 2х1014см"2с"'. Это соответствует следующему режиму: Г - 900 К , р = 90 Па , (I = 20 мм, ] ~ 6 мА/см2 , при этом /(р,<1,Т) ~ 102.

Условия роста (001) и (100) ориентированных пленок имеют существенные различия, которые определяются следующими причинами: во-первых, скорость формирования соединения УВа2СиэО, а является

анизотропной величиной (У^ > ЮУ^ ), т.е. скорость роста в направлении

осей (а-Ь) не менее, чем в 10 раз выше, чем в направлении оси с. Во-вторых, в работе сделан вывод о том, что с„ - ориентированная фаза - (100) является термодинамически стабильнее по сравнению с фазой (001).

Важной характеристикой начальной стадии формирования пленки является плотность центров зародышеобразования % которая на поверхности подложки БгТЮ, (100) составляют: Ч'ш ~ 109 см"2 и Ч/т ~ 2х108 см-2, т.е. для сх - ориентированных пленок плотность центров зародышеобразования примерно в 5 раз выше, чем для сп - ориентированных УВСО пленок. В условиях дефицита плотности поступающих на поверхность подложки частиц вероятнее образуется сх - ориентированная фаза, поскольку Ч/(Ю11 Ч'т ~ 5. При стремлении системы понизить свою поверхностную энергию, пленка должна максимально быстро выстраивать монослой на поверхности подложки. Вследствие анизотропии скорости роста, "выстраивание" пленки по плоскости аЬ является энергетически предпочтительным направлением. Таким образом, происходит формирование с± - ориентированного начального слоя и дальнейшее выстраивание пленки в заданном направлении

кристаллографических осей. По мере роста пленка "накапливает" внутренние напряжения, увеличивает содержание планарных дефектов и создаются условия для формирования кристаллитов в энергетически выгодном направлении, которым является ориентация (100).

Рассмотрение физических процессов, протекающих при формировании пленок YBCO, показывает, что основными физическими факторами, определяющими ориентацию кристаллографических осей в пленках YBCO являются плотность потока атомов, поступающих на подложку Г^ плотность центров зародышеобразования W различно ориентированных фаз, температура поверхности подложки.

Результаты проведенных при многих допущениях оценочных расчетов хорошо согласуются с экспериментальными результатами, что свидетельствует о правильном представлении о процессах, протекающих на различных стадиях ТП выращивания пленок YBCO.

Глава 4. Исследование структуры и физические характеристики пленок YBCO в ВЧ-СВЧ диапазоне. В работе проводились измерения поверхностного сопротивления Rs пленок YBCO, при Т - 4.2 и 77 К на частоте 40 МГц и 60 ГТц и исследование их поведения в постоянном магнитном поле. На частоте 40 МГц величина Rt определялась с помощью резонатора в виде разомкнутого на концах отрезка экранированной спиральной линии. Измерения Rs сверхпроводниковых материалов а миллиметровой части СВЧ диапазона (60 ГГц) осуществлялись с помощью объемного цилиндрического резонатора с типом колебаний Ноц, одна из торцевых стенок которого заменялась исследуемым образцом. Измерения собственной добротности резонаторов показало следующие предельные значения поверхностного сопротивления: на частоте 37 МГц для ниобиевого резонатора Rs > 10 б Ом, для медного резонатора Rt > 5х10 3 Ом; на частоте 60 ГГц для Nb резонатора R, > 4x103 Ом, для Си резонатора Rs > 5х10"2 Ом.

В работе были исследованы пленки с с|( и сх ориентациями относительно поверхности подложки BSTO. Степень совершенства кристаллической структуры пленок YBCO характеризовалась по эяектронограммам, спектрам КРС и РИСЭ. По спектрам КРС, измеренных с обеих поверхностей гетероструктуры - с поверхности пленки YBCO, и с обратной поверхности, через подложку - анализировалась структура пленки в начальной стадии ее роста и после окончания процесса формирования. На основе поляризационного анализа спектров КРС определялось содержание кристаллитов, имеющих (100) и (001) ориентацию. В Таблице 2 приведено содержание фазы сх (%) в исследованных пленках.

Было установлено, что пленки толщиной до 250 нм сохраняют свою начальную ориентацию и высокую степень кристаллического совершенства во всем объеме. Дальнейшее увеличение толщины пленок приводит к

Структурные и электрофизические характеристики пленок YBCO с различной ориентацией начального слоя

Таблица 2

Толщина К нм 250 350 450 600 200 300 450 600

Начальная ориентация с, с, ci си c,i с„

оси с

с, нм 1.169 1,168 1,169 1,170 1,172 1,172 1,172 1,173

«А 2,2 2,7 2,7 2,5 2,7 3,0 2,8 2,5

к 87 3 90,5 90,2 88,0 83,7 88,2 87,9 86.5

АГ, К С 3,0 0,5 1,0 1,5 4,0 1,5 2,0 4,0

У, х10'° А/м2 3,0 5,0 2,0 0,4 1,0 2,0 0,5 0,2

фала cL, % 100 90 85 65 0 5 20 35

появлению на поверхности разориентированных, относительно начальной ориентации пленки, кристаллитов и гранулированной фазы.

При толщине 600 нм пленка состоит из двух слоев - нижнего высокоориентированного и внешнего - с низкой степенью ориентированности (или гранулированного) слоя. Межгранульная фаза представляется как оболочка гранул УВСО, состоящая из смеси оксидов, которые проявляются на спектре КРС в форме "своей линии".

Исследования влияния постоянного магнитного поля Я на поверхностное сопротивление сверхпроводников показали, что высокоориентированные пленки не изменяют своего поверхностного сопротивления вплоть до максимальных в экспериментах значений Н = 100 Э; для двухслойных пленок наблюдается ощутимый рост уже в полях Н - 10 Э.

Измерения показали, что поверхностное сопротивление исследованных пленок существенно превосходит значения, предсказываемые теорией БКШ. Анализ зависимости Л^Н) дает возможность идентифицировать основные механизмы ВЧ-СВЧ остаточных потерь в пленках. Были выделены два основных диссипационных механизма на границах раздела: (1) - потери на слабых связях, обладающих Джозефсоновскими свойствами и (2) - потери на несверхпроводящих включениях и контактах. Очевидно, что постоянное магнитное поле может воздействовать только на контакты, обладающие Джозефсоновскими свойствами. Более того, различные контакты Джозефсоновского типа обладают различной степенью слабой связи и должны иметь отличие в зависимости Я^Н) вследствие разного диффракционного периода зависимости ]с(Н) контакта. Анализ зависимостей Л/Я) для пленок различной толщины и ориентации позволил выделить четыре основных механизма ВЧ-СВЧ потерь в пленках УВСО: потери на слабых связях Джозефсоновского типа, возникающих (1) - на границах между микроблоками, (2) - на границах между гранулами, а также потери, обусловленные (3) - вихрями Абрикосова и (4) -нормально-проводящими

включениями. В ВЧ диапазоне преобладает механизм потерь на нормально-проводящих включениях. На механизм СВЧ потерь в сравнительно толстых пленках YBCO основное влияние оказывают как нормально-проводящие включения, так и потери, возникающие на слабых межгранульных связях.

Глава 5. Технологаческий процесс создания криоэлектронных элементов и возможности реализации криоэлектронных устройств на основе сверхпроводящих структур. Здесь приводится пооперационная схема технологического процесса создания планарного криоэлектроннош элемента на основе гетероэпитаксиальной планарной и слоевой сверхпроводящей структуры. Технология формирования слоевых структур имеет особенности, связанные со взаимодействием отдельных слоев. Важным фактором, в значительной мере определяющим качество трехслойной структуры, являются операции предварительного распыления мишеней перед началом осаждения на подложку. Распыление мишеней различных материалов в одном технологическом объеме приводит к неконтролируемому перемешиванию компонентов, вследствие эффекта перекрестного распыления и рераспыления. В работе проводилась оптимизация конструкции технологической оснастки с целью снижения влияния перекрестных эффектов на структуру п свойства трехслойных объектов. Было продемонстрировано эффективное применение метода КРС для данной цели.

В СВЧ-криоэлектронике активно развивается направление, использующее свойства контакта сверхпроводвик/сегаетоалектрнк (SF-контакт). Существуют физические предпосылки для снижения потерь и гистерезисных эффектов в сегнетоэлектрических структурах со сверхпроводящими электродами, по сравнению с SN - структурами, гае N -нормальный металл. В работе проводилось сравнение свойств объемных структур, изготовленных на основе пластин SrTi03 различной толщины, вырезанных из одного кристалла, но различающихся материалом электрода. Вольт-фарадные характеристики (ВФХ) слоевых систем измерялись при температуре жидкого гелия (Г= 4,2К) с применением переменного напряжения с амплитудой 0.1 В при частоте 1 МГц. Измерения показали, что в отличие от NFN конденсаторов, в структурах, состоящих из пластины SrTi03 толщиной 450 мкм и сверхпроводниковых электродов не проявлялся эффект гистерезиса при изменении емкости более, чем в 3 раза. Отсутствие гистерезиса является принципиальным преимуществом SFS структур перед сегаето-конденсаторами с нормально-проводящими электродами. Следует отметить, что для обеих YBCO пленок ДЗООК) составляло ориентировочно 200 мкОм/см, Тс = 90 К и ширина сверхпроводящего перехода ЛТс (1-2) К.

В заключении приводятся основные результаты работы, которые кратко состоят в следующем:

- показано, что гетероэпитаксиальный слой Ba06Sr04TiO3 (BSTO), толщиной 200 нм позволяет существенно улучшить степень

ориентированности поверхностного слоя подложки.

- установлено, что скорость роста V контролирует ориентацию кристаллографических осей пленки. В диапазоне температуры подложки 650...720 С и Vg не более 1,5 нм/мин происходит формирование пленок с осью с перпендикулярно поверхности подложки, и при V, не менее 2,5 нм/мин формируются пленки с осью с параллельно поверхности подложки. В диапазоне V между указанными значениями просходит формирование пленок YBCO со смешанной ориентацией.

- определено, что эпитаксиальный рост пленок YBCO при магнетрошюм распылении, имеет место до некоторой критической толщины hc, для пленок YBCO (001),(250...300) нм, а для пленок YBCO (100), параметр hc имеет несколько большее значение - (300...400) нм.

- созданы конденсаторные структуры на основе монокристалла SrTi03. и электродов из пленок YBCO; конденсаторы не проявляли гнстерезисного эффекта ВФХ при изменении емкости более, чем в три раза. Отсутствие гистерезиса является их принципиальным преимуществом перед сегнетоконденсаторами с нормально-проводящими электродами.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Карманенко С.Ф., Митрофанов А.П., Някшев К.Ф. - О формировании сверхпроводящих металлооксвдных пленок методом магнетронного распыления. Н ИзвЛЭТИ, Сб.научных трудов, выпуск 437, Л., 1991, с.33-37.

2. Kannaaenko S.F.,Davydov VJu., Belousov M.V.,Chakalov R.A., Dzjuba G.O., II'in R.N., Kozyrev A.B., Likholetov Yu.V., Njakshev K.F. ,Serenkov I.T. and Vendik O.G. - The formation of two-layered YBa,Cu,0M superconducting films and their microwave surface resistance. - Supercond.:Sci.and Technol.,1993,vol.6, N.l, p.23-29.

3. Karmanenko S.F„ KJimenko V.A.,Kozyrev A.B..Likholetov Ju.V.,Njakshev K.F.- Structure of YBCO superconducting films and their microwave surface resistance - Proceed.of IV-th Bilaterial Soviet-German Seminar on High-Temperature Superconductivity.- St.-Petersbuig,October 6-13, 1991, p.315-319.

4. Дзюба Г.Ю., Ильин P.H., Карманенко С.Ф., Някшев К.Ф., Сахаров В.И., Серенков И.Т. - Анализ процесса роста пленок YbaCuO методом рассеяния ионов средних энергий. // Тездокл. ХХ1-го Всесоюз. совещания по физике взаимодействия заряжен, частиц с кристаллами. - М.: МГУ, 1991 , с.109.

5.VendIk O.G.,Kozyrev A.B.,Karmanenko S.F.,Klimenko V.L., Njakshev K.F., Soldatenkov O.I. - The influence of magnetic field on microwave surface resistance of two-layer YBa,Cu,07 . films-Solid State Communications - 1992. - v.84, N.3, p.327-332.

6. Karmanenko S.F., Belousov M.V., Chakalov R.A., Davydov V.Ju. Dedyk A.I., Lkholetov Ju.V.,Pavlovskaya M.V.,Ter-Martirosyan L.T. - Formation and Raman spectroscopic study of YBCO/STO/YBCO heteroepitaxial structures. -Supercond.:Sc.and Technol., 1994, vol.7 N.8, p.625-631.

7. Карманенко С.Ф., Някшев К.Ф., Самойлова Т.Б., Чакалов Р.А. -Сверхпроводящие многослойные структуры YBaCuO/LaCaMnO/YBaCuO -Тезисы конф. "Физика низких температур - НТ-29", Казань, 1992, т.1, с.179.

Подписано в печать 17.11.94 Формат 60x84 1/16

Ризографическая печать Уч. - изд. Л. 0,75 Тираж 100 экз. Зак. № 45

фирма "КопиСервис" 197376, С.-Петербург, ул. Проф. Попова, 5