автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Разработка методов получения и исследование свойств высокотемпературных сверхпроводниковых пленочных структур

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНСТИТУТ ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКИ

Для слуяебного полъзовдтя Экз№ На правах рукописи

СОТНИКОВ ИГОРЬ ЛЕОНИДОВИЧ

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ПОЛУЧЕНИЯ И ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ СВЕРХПРОВОДНИКОВЫХ ПЛЕНОЧНЫХ СТРУКТУР

Специальность» 05.27,01 — твердотельная электроника, микроэлектроника

Автореферат диссертации на соискание учечон степени кандидата технических наук

Москва — 1993

Работа выполнена в Московском государственном институте электронной техники

Научный руководители кандидат технически* наук Грнгорашвили Ю.Е

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Неустроев С.А.

на заседании специализированного ученого совета Д 053.02.02 в Московском государственной институте электронной техники (103498, г. Москва, МГИЭТ)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГИЭТ.

кандидат физико-математических наук Бахтин П.А. '

Ведущая организация: Физический институт РАН, г. Москва

■/Р ¿ы 199 Ж» /£

Защита состоится

Ученый секретарь

кандидат физико-математических наук

специализированного совета

ОБШЛЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАВОТЫ

Актуальность темы. Открытие материалов с температурой перехода в сверхпроводящее состояние выше температуры кипения жидкого азота (7? К) создало возможность широкого применения приборов и устройств на основе эффекта сверхпроводимости, позволив значительно снизить затраты на криообеспечение. Появилась возможность создания нового класса электронных приборов с уникальными свойствами.

Формирование таких сверхпроводникоаих приборов как СКВИДы, болометры, СВЧ резонаторы, зттеньюатсры, переключатели и т.д. с высокими эксплуатационными параметрами необходимо проводить из подложках различных типов на основе тонкопленочных слоев, имеющих мзлое число дефектов. Перспективным методом получения таких пленок является магнетронное распыление. Достоинством этого метода является возможность формирования однородных по свойствам пленок многокомпонентных материалов на подложках большого диаметра, гладкость рельефа поверхности, возможность осаждение нескольких слоев в едином технологическом цикле. Таким образом проблема применения мэгнетронных методоз для получения 8ТСП слоев является одной из актуальных.

Це/ч? и задачи рдбеты, Целью данной работы явилась разработка маг-нетронных методов получения и исследование свойстз тонких ВТСП пленок УВазСизОу-х на сзпфирових подложках с промежуточными буферными слочми 7.г{-/)02 п БгТЮз.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

— изучение г'роцессоа влияющих на свойства УПзгСизОу-х. 2г(У)Оз и йгТЮз тонких пленок при формировании их з традиционной пгзнариой магнетронной системе;

— разработка конструкции риспылительных систем для формпроззния ориентированных УЗазСизС^-х, 2г(\')02 и ЭгПСЬ пленок;

— исследование влияния режимов осаждения на процессы кристаллизации 2г(У)Оз и БгТЮз буферных слсев и определение условий, позволяющих выращивать

ориемтированные пленки в пяанарной высокочастотной мэгнетронной системе;

— изучение влияния условий осаждения на электрофизические свойства и кристаллическую структуру УВз2Сиз07-х пленок, формируемых в расп"лительной системе с встречным размещением мишеней (ВРМ):

— изучение возможности создания на базе ВТСП пленочных структур С8Ч резонаторов с параметрами, превышающими характеристики аналогов в обычном исполнении.

Научная новизна работы. В результате проведенных исследований « работе получены следующие новые данные:

— изучено влияние на кристаллическую структуру и морфологию поверхности 21(У)Оз и ЭгТЮз буферных слоев режимов магнетронного осаждения в пяанарной системе. Определены условия формирования 2г(У)02 буферных слоев, обладающих структурой блочного монокристалла и БгТЮз слоев со структурой мозаичного кристалла;

— установлено, что бомбардировка растущих буферных слое? Аг+ ионами с энергиями 20-35 эВ способствует улучшению их кристаллической структуры;

— реализован способ, позволяющий повысить качество кристаллической структуры в приповерхностной области буферных слоев за счет плавного понижения мощности разряда при окончании процесса осаждения:

— показана эффективность использования системы с встречным размещением мишеней (ВРМ) для формирования УВэгСизО/.х пленок. Установлено, что наличие в ВРМ системе продольного магнитного поля позволяв.- повысить скорость осаждения по сравнению с системой из двух встречно размещенных пленарных магнетронов;

— разработаны модели для расчета условий термализации распыленных компонент УВагСизОу-х мишени и распределения по подложке осажденного в ВРМ системе вещества;

— изучено влияние условий осаждения в ВРМ системе УВагСизОу-х пленок на их электрофизические свойства и кристаллическую структуру. Определены режимы формирования ВТСП пленок со труктурой мозаичного кристалла.

ОБШ\Я ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

. Открытие материалов с температурой перехода о сверхпроводящее состояние выше температуры кипения жидкого азота (7? К) создало возможности широкого применения приборов и устройств на основе эффекта сверхпроводимости, позволив значительно снизить затраты на криообеспечение. Появилась возможность создания нового класса электронных приборов с уникальными свойствами.

Формирование таких сверхпроводниковых приборов как СК8ИДы, болометры, СВЧ резонатора, зттеньюэтори, переключатели и т.д. с высокими эксплуатационными параметрами необходимо проводить на подложках различных типов на основе тонкопленочных слоев, имеющих малое число дефектов. Перспективным методом получения таких пленок является магнетронное распыление. Достоинством этою метода является возможность формирования однородных по свойствам пленок многокомпонентных материалов на подложках большого диаметра, гладкость рельефа поверхности, возможность осаждение нескольких слоев в едином технологическом цикле. Таким образом проблема применения магнетронных методов дпя получения ВТСП слоев является одной из актуальных.

Цель и задачи работы, Целью данной работы явилась разработка магнетронных методов получения и исследование свойств тонких ВТСП пленок УВагСизОу.х на сапфировых подложках с промежуточными буферными слоями 2гСР2 И ЭгТЮз.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

— изучение процессов влияющих на свойства '/В^ОичО--.;. Нг(У)02 и 5гТЮз топких пленок при формировании их з традиционной пг.анарной'мзгнетронной системе;

— разработка конструкции ркпылительн^х систем для формирования ориентированных УВа2Сиз07-х. и 5гТ(Оз пленок;

— исследование влияния режимов осаждения нз процессы кристаллизации 2г(У)02 и БгТЮз буферных слсев и определение условий, позволяющих выращивать

ориентированные пленки в планарной высокочастотной мэгнетронной системе;

— изучение влияния условий осаждения на электрофизические свойства и кристаллическую структуру УВазСизС^-х пленок, формируемых в расп' 'лительной системе с встречным размещением мишеней (ВРМ);

— изучение возможности создания на Сазе ВТСП пленочных структур СВЧ резонаторов с параметрами, превышающими характеристики аналогов в обычном исполнении.

Научная новизна работы В результате проведенных исследований в работе получены следующие новые данные:

— изучено влияние на кристаллическую структуру и морфологию поверхности гг(У)02 и БгЛОо буферных слоев режимов магнетронного осаждения в Планерной системе. Определены условия формирования 2г(у)Ог буферных слоев, обладающих структурой блочного монокристалла и БгТЮз слоев со структурой мозаичного кристалла;

— установлено, что бомбардировка растущих буферных слове Аг+ ионами с энергиями 20-35 эВ способствует улучшению их кристаллической структуры;

— реализован способ, позволяющий повысить качество кристаллической структуры в приповерхностной области буферных слоев за счет плавного понижения мощности разряда при окончании процесса осаждения;

— показана эффективность использования системы с встречным размещением мишеней (ВРМ) для формирования УВазСизС^-х пленок. Установлено, что наличие в ВРМ системе продольного магнитного поля пйзволяе,- повысить скорость осаждения по сравнению с системой из двух встречно размещенных пленарных магнетронов;

— разработаны модели для расчета условий термализации распыленных компонент УВэгСизОу-х мишени и распределения по подложке осажденного в ВРМ системе вещества;

— изучено влияние условий осаждения в ВРМ системе УВагСизОу-х пленок на их электрофизические свойства и кристаллическую структуру. Определены режимы формирования ВТСП пленок со труктурой мозаичного кристалла.

Шашиаскешишж дь, рз6оты.со.с.тоит асчедукшш.

— на сапфировых подложках с буферным слоем получены сверхпроводниковые пленки УВа^СизОтх толщиной 0,05...0,35 мкм, имеющие структуру мозаичного кристалла и температуры начала критического переход? Тсо и окончания Teg 89...90 К и 87.,.89 К соответственно, плотность критического тока Jc-(1... 2)-106 А/см2;

— на основе YBajCujC^-x/ZrMQ^/AlsOj структур изготовлены кольцевые резонаторы с добротностью 1000...2000 при температуре 77 К;

— нз сапфировых подложках получены буферные Zr(Y)02 слои со структурой блочного монокристалла и SrTiOj слои со структурой мозаичного кристалла.

1. Метод Формирования на сапфировых подложках в планарной мэгнетромной системе буферных слоев Zr{Y)02 со структурой блочного монокристалла и БгТЮз слоев со структурой мозаичного кристалла.

2. Метод формирования в ВРМ системе на сапфировых подложках с буферным слоем сверхпроводящих УВа2Сиз07-х пленок со структурой мозаичного кристалла.

3. Закономерности формирования на сапфировых подложках кристаллической структуры буферных Zr(Y)02 и БгТЮз слоев в планарной маг-нетронной системе « YQsjCty^Oj-x &ТСП пленок в В°М распылительной системе.

йайСбаша-ДаЙАХы^Основные результаты диссертационной работы докладывались на II Всесоюзной конференции по высокотемпературной сверхпроводимости (Киев, 1989 г,), на межотраслевом научно-техническом семинаре "Современная технология получения материалов и элементов высокотемпературных сверхпроаод-нуковых микросхем" (Минск, 1930 г.), на III Международной конференции "Матери-али и механизмы сверхпроводимости высокотемпературных сверхпроводников" (Клмззава, Япония, 1991г.), на IX Международной конференции по тонким пленкам (Вена, Австрия, 1993г.}.

Публикации. По материалам диссертации опубликооано 12 печатных работ, в числе которых 2 авторских свидетельства.

Структура и овьем дисгзртяиин. Диссертация состой из введения, четырех глав, основных выводов, списка питературы и приложения.

Работа представлена на 161 стр. печатного текста, содержит 57 писунков, 3 таблицы, список литературы включает 123 наименования.

ОСНОВНОЕСОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обоснована актуальность разработки методов получения ВТСП пленочных структур и данные исследования и* электрофизических свойств. Сформулированы цели и задачи проведенных исследований. Перечислены новые научные результаты, полученные в работе. Показана практическая ценность полученных результатов.

В первой главе диссертации представлен аналитический обзор электрофизических свойств и методов получения пленочных ВТСП структур. Рассмотрены результаты исследований влияния материала подложек «а сверхпроводящие свойства УВагСиз07-х пленок, а также перспективность использования сапфировых подложек для создания СВЧ приборов. Приводятся данные по материалам и способам формирования буферных слоев для получения ВТСП структур на сапфире.

Проведен анализ основных вакуумных методов формирования УВа2Сиз07-х пленочных структур и достигнутых результатов. Отмечается, что в настоящее время наилучшими электрофизическими свойствами обладают ВТСП гленки. полученные лазерным испарением и магнетронным распылением. Показано, что магнетронное осаждение позволяет формировать однородные по свойствам пленки на большой площади и без капельной фазы.

Во второй гпзвд приведены результаты изучения процесса распыления УВагСизОу-х. 2г{У)С>2 и ЭгТЮэ керамических соединений ионами тлеющего разряда. Показана непригодность традиционной пленарной магнетронной системы для выращивания эпитаксизльных ВТСП пленок на подложках большой площади. Рассмотрены разработанные с учетом полученных данных конструкции распылительных систем для формирования эпитаксиальных ВТСП структур.

В работе для проведения 'сследований и получения ВТСП пленочных

структур на основе иггриевой сверхпроводящей системы были использованы две вакуумные установки. На первой установке типа УВН-2М-2 с модифицированным подколпачным устройством осаждали метолом высокочастотного магнетронного распыления буферные слои диоксида циркония и титанатэ стронция. Для распыления использовали два пленарных водоохлаждаемых магнетрона. Над магнетронами на вращающейся круглой плите крепился резистивмый нагреватель подложек. Нагреватель был электрически Изолирован от корпуса установки, а вся конструкция позволяла изменять расстояние мишень-подложкодержатель. Вторая установка, собранная на базе УВН-73П-2, предназначалась для формирования УВзгСизС^-х пленок магнетронным распылением нз постоянном токе. В работе опробованы две системы осаждения: плзнарная магнетронная и с встречным размещением мишеней.

Для обеспечения в процессе осаждения тепловых режимов подложки а широком диапазоне температур был разработан и изготовлен нагреватель. Пьедестал нагревателя, к которому крепилась подложка, мог прогреваться до 1000' С. Разброс температуры на диаметре 60 мм составлял около 20' С, напряжение питания до 40 В. Конструкция обладает химической стойкостью в средах содержащих кислород.

Проведено исследование возможности получения УВагСозОу-х пленок с использованием типовой планзрной мзгнетронной системы, а которой подложка крепилась напротив магнетрона. Дня распыления применяли У-Ва-Си-0 мишень, содержащую 98,8% фазы УВазСизС^.х- Осаждение пленок проводилось на холодные подложки, что позволило свести к минимуму их взаимодействие с подложкой, а затем они отжигались в кислорода.

Результаты исследований позволили сделать вывод, что условиями получения пленок стехиометричного состава является обеспечение таких режимов распыления, при которых достигается динамическое равновесие параметров (глубина, фазовый и элементный состав и т. д.)приповерхностного слоя измененного состава нз мишени, возникающего в зоне эрозии под действием ионной бомбардировки, а также предварительное распыление мишени.

Аиализ данных показал, что предостаточно низких температурах поверхности, когда в возникновении такого слоя основную роль играют собственна процессы распыления, а диффузия, сегрегация, химические и фазовые превращения незначительны, возможно достижение динамического равновесия. Добиться снижения разогрева мишени можно ограничив плотность ионного тока на мишень и обеспечив надежный теллоотвод. Проведенные в работе эксперименты показали, что наиболее оптимальным является следующий способ. На круглую миш.ень горячим прессованием одевается обжимное кольцо и она крепится прижимным кольцом к катоду. Доплнительно, между мишенью и катодом вводится теплопроводящая паста.

Изучено изменение с течением времени состава пленок, полученых после установки новой мишени. Это позволило оценить время, необходимое для стабилизации состава приповерхностного слоя мишени. В первые часы пленки обогащены медью и обеднены барием по сравнению с содержанием иттрия и только через 20...30 часов распыления наблюдается стабилизация состава пленок вблизи стехио-метричных соотношений. Это подтверждается и увеличением тем 1ературы Т^е полного перехода в сверхпроводящее состояние. По аналогичным причинам предварительному распылению подвергались 2г(У)Ог и БгТЮэ мишени. Время их предраспыления составило около 5...10 часов.

8 работе проведено исследование процесса бомбардировки пленок высоко-энергетичными ускоренными частицами, возникающими пии магнетронном распылении вблизи поверхности мишени. Такая бомбардировка значительно ухудшает свойства ВТСП структур. Показано, что наибольшему воздействию подвергается область подложки, находящаяся напротив зоны эрозии, и сверхпроводящие свойства в ней отсутствуют. Согласно сделанным оценкам угол разлета ускоренных частиц изменяется в пределах 10' от нормали к мишени. Проведенный в работе анализ типа высокоэнергетичных частиц позволил заключить, что при распылении 2г(У)С>2 и БгТЮз соединений основном источником является кислород, входящий в состав мишеней и плазмообразующего газа. В случае УВагСизОу-х такими частицами могут бьнъ кислород и медь, обладающие близкими значениями энергии сродства к алейрону.

Как показали эксперименты, свойства Z^iУ)02 и БгТЮз пленок менее чувствительны к бомбардировке иысокоэнергетичными частицами чем' свойства пленок 7Вэ2Сиз07-х. что позволило использовать для их получения пленарную маг-нетронную систему. В ней была предусмотрена возможность регулировки потенциала смещения на подложке. Особенность конструкции распылительного источника состоит в увеличенномразмере внутреннего диаметра зоны эрозии. Это достигается за счет увеличения площади внешнего кольца магнитопровода по отношению к площади центрального магнита и установки на центральный магнит расходящегося наконечника конической формы. Перечисленные меры позволили расширить область подложки не подверженную бомбардировке высокоэнергетичными частицами.

В случае УВа2Сиз07-х соединения добиться высокого качества структуры формируемых пленок на большой площади гораздо сложнее. В работе опробованы следующие способы подавления отмеченной бомбардировки пленок:

— вледенив между подложкой и пленкой дополнительной сетки, находящейся под отрицательным потенциалом; •

— повышение давления рабочего газа в камере;

— изменение геометрии распылительной системы.

Установлено, что наиболее эффективным способом для формирования УВэгСизОу-х пленок является ислользоззние распылительной системы с измененной геометрией в сочетании с работой при повышенных давлениях. Это позволяет термализовать поток высокоэнергетичных частиц, обеспечить диффузионное перемешивание распыленных компонент до подлета к подложке и снизить радиационный поток на мишень от нагревателя. Сделанные в работе на основе модели непрерывного постепенного торможения оценки условий термзлиэации распыленных компонент дэли следующие результаты:

РХу-16, РХва-12, РХСи-8. РХСи—-32, Па-см, где

Р — давление смеси газов, Пз; Ху, Хси, Хси--расстояния

тярмализацин при давлении Р частиц У, Ва, Си , Сисоответственно, см. Как ыидно, при типовых расстояниях мишень-подложка, составляющих несколько сэнтиметроз, необходимо поддерживать давление в камере свыше 30...35 Па.

Распылительные системы с измененной геометрией, представляющие собой системы с встречным размещением мишеней (ВРМ), которые использовались в работе для осаждения УВазСизС^-х пленок, показаны на рис. 1.

В них нагреватель с подложкой выведен из области разлета высоко-энергегичных частиц. Сравнение функционирования системы А из двух не взаимодействующих плзнэрных магнетронов и Б из двух взаимодействующих распылительных источников (наличие продольного магнитного поля)(рис.1)локазало, что в системе Б. состаящей из двух взаимодействующих распылительных источников, при давлениях газа свыше 20...30 Па скорость осаждения пленки в среднем в 4 раза больше, чем в системе А.

В результате измерений потенциалов плазмы и подложки в ВРМ системе в зависимости от давления смеси газов и мощности разряда установлено, что при давлениях свыше 30 Па бомбардировка подложки заряженными частицами плазмы отсутствует.

Разработана математическая модель для расчета распределен* я по подложке вещества, осажденного в ВРМ системе. Отмечено, что использование равновероятного закона разлета распыленного вещества дает удовлетворительное согласование с экспериментом в области давлений свыше 50 Па.

В третьей главе приведены результаты изучения влияние технологических режимов на элементный состав и кристаллическую структуру буферных 2г(У)Ог и БгТЮз слоев при осаждении на А12О3 подложки. Рассмотрено влияние на электрофизические свойства ВТСП структур толщины буферного слоя.

Количественные измерения элементного состава буферных слоев по катионам проводились с использованием рентгеноспектрального микроанализа, изменение содержания кислорода в пленках контролировалось посредством рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (РФЭС). Для исследования кристаллической структуры буферных слоев применяли рентнгеноструктурный анализ и диффракцию отраженных быстрых электронов.

Для формироавния вгТЮз пленок была изготовлена мишень из мелкодисперсного порошка стехиометрия'— го состава, а для 2г(У)02 пленок из смеси

Конструкции распылительных систем Рис. 1

(а)

(б)

—^шнн

ш

а — система А; б — система Б, 1 — постоянный магнит; 2 — мишень; 3 — нагреватель; 1 — подложка') 5 — линии магнитного поля; 8 — траектория движения у-электронов.

порошков ZrOj и Y2O3. содержащей 16.7 атомных процентов иттрия как и в УВагСизОу.х соединении. Измерения показали, что состав получаемых пленок по катионам не зависел от условий распыления в широком диапазоне изменения параметров осаждения и был близок к составу мишени. Для пленок Zr(Y)02 содержание Y составило 16,2% эт., а для ЭгТЮз содержание Sr — 49,2%.

В ходе экспериментов направленных на улучшение кристаллической структуры и морфологии поверхности буферных слоев диоксида циркония и титанатэ стронция проведено комплексное изучение влияния на них таких параметров осаждения как температура ОГпд) и потенциал смещения (Упд) по дпожко держателя, общее давление Робщ и содержание кислорода Р02 в смеси газов, расстояние мишень-подложка и мощность разряда. Установлено, что основное влияние на процесс кристаллизации Zif/)02 и SrTiO3 пленок оказывает температура и потенциал смещения подложкодержателя. Рис.2(а,б) демонстрирует влияние Трд и \/пд на изменение структуры буферных слоев по данным электронографических исследований. В обоих случаях потенциал плазмы был около 20 В. Как видно из рис.2(э,б), в оптимальном температурном диапазоне (для Zr(Y)02 — 800...900' С, БгТЮз — 580...700' С) только при отрицательном потенциале Урд, когда растущая пленка подвергается бомбардировке Аг+ ионами с энергией 20...35 эВ, во (можно осаждение пленок, обладающих совершенной кристаллической структурой. Для Zr(Y)Û2 пленок оптимальное значение \/пд" -1...-15 В, а для ЗгТЮз — Vf-д—2... -8 В. Когда величина Упд выходит за пределы оптимального диапазона, изменяются условия и характер бомбардировки, и структура пленок ухудшается. По данным рентгеноструктурного анализа Zr{Y)02 слоев, выращенных при оптимальных значениях Тпд и Урд. ширина пика (200) на полувысоте составляет 0,15'.

Проведенные исследования морфологии поверхности Zr(Y)02 пленок показали. что температура Трд очень сильно влияет на качество поверхности, в то время как изменение Урд не отражается на рельефе поверхности. При ТПд-800..,900' С пленки имеют гладкую поверхность.

Относительно других параметров процесса осаждения необходимо отметить, что давление Робщ в диапазоне 0,5.. ' 5 Па не оказывает влияния на кристаллическую

"ап^сииость кр:?ста1.т:!Ч!;скоЯ структуры 2г(У)0г(а) и 5гТЮз(б) слоев от температуры подлоккодоряатсля ТПд к потенциала смет;ег;::я на подложке \/Пд

тпл. 'с

(а)

Улд.В

а - I-блочный монокристалл; 2-мозаичны,! кристалл; З-текстурирозанныЯ поликристалл; 4-поликристалл.

б - 1-моза:?щ-гыд кр::статл; 2-текстуркроваиныЛ поликристалл; 3-поликристалл.

структуру пленок, тогда как от величины парциального давления кислорода Ро2, расстояния мишень-подложка и мощности разряда свойства пленок зависят сильно.

В диапазоне давлений кислорода Ро2" (0,2...0,3)РобЩ пленки обладают структурой блочного монокристалла. Дальнейшее увеличение содержания Ог в смеси газов до 0,7Рощ ведет к резкому ухудшению структуры. При эгом, содержаний кислорода о пленках по данным РОЭС на изменяется, и во всем диапазоне давлений Ро2"{0.2...0,7)Р зщ они полностью окислены.

При рассмотрении влияния расстояния мишень-подложка h отмечено, что осаждаемые буферные спои обладают качественной кристаллической структурой, когда K0,8...019)R, где R — средний радиус зоны эрозии. Оптимальное значение удельной мощности разряда при формировании Zr(/)02 слоев составило 2... j Вт/см2, ЭгТЮз слоев—3...7 Вт/см2.

По данным электронографии и рентгеноструктурного анализа кристаллические свойства буферных слоев толщиной 0,1.„О,5 мкм практически одинаковые. Однако, сверхпроводящие свойства УВагСизОу-х пленок очень чувствительны к дефектам в том числе и подложки. Поэтому величины температур начала Тсо и окончания Т^ критического перехода YBajCi^O/.x пленок, осажденных на Zr (У)02 слои разной толщины, являются дополнительным критерием качества структуры буферных слоев. Контроль их показал, что в диапазоне толщин 120...220нмэги температуры составляют в среднем SO К и 88 К соответственно. При меньших толщинах происходит постепенное уменьшениеТсЕ' а увеличение толщины буферных слоев свыше 250 нм приводит к снижению TCQ и Тсе до 85 К и 78 К соответственно.

В четвертой глава приведены результаты исследования структурных и электрофизических свойств УВазСиз07.х пленок, полученных in situ в ВРМ системе. В качестве подложек использовались: монокристаллический ЗгТЮз и сформированные по описанной в третьей главе методике структуры Zr(Y)02/(Al203, Si), SrTi03/AI203.

Измерение температуры критического перехода пленок в сверхпроводящее состояние проводилось четырехэондоаым методом, а для исследования структуры использовалась электронография и ренггеноструктурный анализ.

Было рассмотрено влияние на сверхпроводящие и структурные свойства ВТСП пленок общего давления и содержания кислорода в смеси газов, удельной мощности разряда, а также температуры и положения подложки в ВРМ системе.

Исследовался широкий диапазон давлений смеси газов Робщ- охватывающий область от 1 до 220 Па. Результаты измерения зависимости от температуры сопротивления пленок У-Ва-Си-О, выращенных при разных давлениях, показали, что при увеличении Робщ до 30...35 Па тип проводимости изменяется от полупроводникового на металлический и пленки начинают проявлять сверхпроводящие свойства. По мере увеличения давления температура Тс£ растет й при Роб1"~50 Па составляет 85...87 К, а ширина перехода 2...4 К. Повышение Робщ А° Па способствует постепенному сдвигу температур Тсо и ТСЕ в область больших значений в среднем на 2 К.

При рассмотрении влияния содержания кислорода в плазмообразующем газе учитывалось, что добавление 02 в состав газовой смеси ведет к снижению скорости распыления мишени и соответственно скорости роста пленок. Поэтому, при заданных условиях распыления определялась минимальная пороговая величина потока кислорода ^2т|П' добавление <оторого способствует формированию У-Ва-Сг О пленок.с высокими критическими параметрами. Очень сильно пороговая величина зависит от удельной мощности разряда, поскольку оба этих параметра определяют состояние поверхности мишени при реактивном распылении и в конечном итоге состав потока поступающего на подложку вещества. Согласно измеренным в работе зависимостям Тсо@о2) и Т^Ро^), где — величина потока кислорода, получено, что при плотности мощности 5 Вт/см2 величина потока '02т1п составляет 20 Па-л/сек, а увеличение плотности до 8 Вт/см2 (значение близкое к предельному для использовавшейся конструкции ВРМ системы) ведет к четырехкратному возрастанию пото- • ка. Отмечено, что при заданных значениях удельной мощности и потока кислорода общее давление Робщ в диапазоне 50...200 Па слабо влияет на сверхпроводящие свойства.'

При изучении изменения структурных и электрофизических свойств У-Ва-Си-0 пленок в зависимости от температуры Тпд, было выделено четыре характерных диапа-

зона. В первом из них, когда Тпд< бЮО'С формируются многофазные диэлектрические пленки, имеющие тталмкрмсталлическую структуру. Во втором диапазоне , при Тпд-700...800' С пленки также поликристаллические, но тип проводимости уже полупроводниковый. На температурной зависимости сопротивления «близи 90 К наблюдается перегиб, соответствующий переходу в сверхпроводящее состояние. Температура, ТС£ для таких пленок около 40 К. Качественно изменяется структура в интервале Тпд 300...850" С. Пленки имеют структуру текстурированного поликристалла и металлический тип проводимости. Ширина сверхпроводящего перехода состазляет 15.. .20 К. Последний четвертый диапазон — 850...890' С являете« оптимальным при указанных выиз режимах распыления. П«енки имеют структуру мозаичного монокристалла и высокие значения Тсо и ТСЕ — 89...90 К и 87...88 соответственно. Согласно рентгеноструктурному анализу наблюдаются т"чько пики (00Ь), соответствующие фазе УВагСизО?.*, что говорит об ориентации пленок вдоль оси с. Ширина никое на полувысоте не превышает 0,8'.

Наряду с рассмотренными выше параметрами, на свойства УВ.^СизОу-х пленок влияет положение подложки в ВРМ системе, определяемое расстоянием от оси системы до подложкодержателя. Измерения температур иТсе показали, что оптимальное положение достигается когда это расстояние составляет (1,5...2 , где И — внешний радиус зоны распыления.

Используя разработанную методику формирования ВТСП пленок в ВРМ системе, было проведено сравнение сверхпроводящих свойств пленок на различных подложках, полученных по описанной выше методике. Результаты электронофзфических исследований и рентгеноструктурного анализа использовавшихся подложек, а также измерения критических температур ТС£), ТСЕ и критической плотности тока 0спри 77 КУ'ВагСизОу-х пленок приведены втаблице 1. Из нее видно, что наилучшие сверхпроводящие свойства показали пленки, выращенные на мо-нокристгллическом БгТЮз- Эги же подложки, по-сравнению с остальными, обладали наилучшим кристаллическим совершенством. На подложках 2г(У)02/А1203 температура Т^ в среднем на 1...2 К ниже чемдля 8г"ПОз. Заметно хуже сверхпроводящие свойства у ВГСП пленок на подложках ¿г^Ог/в! и Зг"П0з/А1203.

Таблица 1

Подложка Кристаляическа» структура Ширина пика (200) по данным РСА, град тс0.к тСЕ.к лс при 77 < А/см2

ЭгТЮз монокристалл 0,03...0,05 89...90 87.89 (1...2)'106

1КУ)02/А120З монокриста/- 0,15 89...90 86...88 (1...2)-106

мозаичный кристалл 85... 88 78...80 103...104

ЭгТЮз/А^Оз мозаичный кристалл 85...88 77...82 103...104

Температура ТСЕ с среднем на 5...7 К ниже чем у ВТСП пленок на подложках Zr(Y)02/Al203 и SrTi03, что обусловлено качеством кристаллической структуры буферных слоев.

В работе была исследована возможность применения ВТСП структур в СВН технике. Изготовлен микрополосковый кольцевой резонатор на базе YBa2Cuj07-x/Zr(Y)02/Alj03 структуры и проведено сравнение его параметров с топологическ! аналогом, выполненным по стандартной технологии на основе меди. Измерения добротности резонаторов показали, что миХреполосковые линии, созданные на основе ВТСП материала, дают, по крайней мере, выигрыш в 3...4 раза по величине удельных потерь в диапазоне частот 3...10 ГГц по сравнению с лучшими образцами из традиционных материалов

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ и выводы

В работе проведены исследования, направленные на разработку методов получения in situ ВТСП пленочных структур и исследование их свойств. С этой целью:

1. Исследованы процессы кристаллизации и морфология поверхности Zr(Y)02 и вгТЮз слоев, получаемых методом магнетрэнного высокочастотного распыления

. в пленарной системе, в диапазонах изменения параметров: температура подложкодержателя — 100...900'С , потенциал смещения на подложке — 20... -100 В, давление Аг/02 газовой смеси — 0,5...1,5 Па, содержание кислорода — 10...70%. Определены технологические области получения на сапфире Zr(Y)02 пленок со структурой блочного монокристалла и 5гТЮз пленок со структурой мозаичного кристалла. Установлено, что определяющее влияние на кристаллическую структуру буферных слоев оказывают температура подложкодержателя. потенциал смещения на подложке, содержание кислородз и положение подложки по отношению к мишени.

2. Установлено, что бомбардировка в процессе роста буферных Zr(Y)02 слоев Аг* ионами плазмы с энергией 20...35 эВ, возникающая вследствие различия потенциалов плазмы и подложки, способствует улучшению их кристаллической структуры.

3. Методом электронографии обнаружено возникновение на поверхности

буферных слоев тонкого аморфного слоя толщиной менее 10 нм, ухудшающего свойства ВТСП пленок при их дальнейшем наращивании. Реализован способ плавного выключения разряда со скоростью не более 3 Вт/сек. позволяющий предотвратить появление аморфного слоя.

4. Экспериментально определен оптимальный диапазон толщин буферных слое» (120. ..220 нм), в пределах которого осаждаемые YBajCujOi-x пленки имеют наибольшие значения температур критического перехода.

5. Установлено, что в Планерной магнетронной системе получение многокомпонентных металлооксидных пленок стехиометричного состава эатр"цнено процессами их бомбардировки во время роста высокоэнергетичными частицами,возникающими у поверхности мишени. Проведенные эксперименты и оценка условий термализации распыленных компонент показывают, что для предотвращения бомбардировки пленок наиболее эффективна по сравнению с другими распылительная система с встречным размещением мишеней (ВРМ).

6. Исследовано влияние режимов распыления на кристаллическую структуру и электрофизические свойства УВагСизОу-х пленок, формируемых в ВРМ системе, в широких пределах изменен! параметров: температура подложкодержателя -100...900' С, давление Аг/02 газовой смеси— 1...200 Па, величина потока кислорода до 100 Пз'Л/сек, удельная мощность разряда — 4...8 Вт/cm1. Определены технологически е области получения ВТСП пленок со структурой мозаичного кристалла.Уста-новлено, что основное влияние на процесс роста УВагСиз07-х пленок оказывают температура подложкодержателя, давление Аг/02 газовой смеси, а также соотношения удельной мощности разряда и потока кислорода.

7. На основе проведенных исследований разработаны конструкция распылительной системы и процесса формирования in situ ВТСП структур УВа2Сиз07-х/2г(У)02/А1203, имеющих высокие критические параметры: Тс0= 89...90К,ТСЕ-87.,.89 К, Jc-(1...2)-l06A/cnr>2.

8. На основе сверхпроводниковых УВа2Сиз07-х/2г(У}02М1203 структур изготовлены кольцевые резонаторы с добротностью 1000...2000 при температуре 77 К, что а 3...4 раза превышает параметры традиционных аналогов на основе меди.

1. Сотников И.Л., Фэртушная В.М., Фомин A.A., Шермергор Т.Д. Получение ориентированных ВТСП пленок Y-Ba-Cu-O. — II Вс. конф. по высокотемпературной сверхпроводимости, Тез. докладов. — Киев, 1989, т.2, с. 269.

2. Сотников И.Л., Фомин A.A. Формирование буферных слоев диоксида циркония для пленочных ВТСП структур. — Межотраслевой научно- технический семинар "Совр пенная технология получения материалов и элементов высокотемпературных сверхпроводниковых микросхем", Минск, 17—21 сент. 1990. — М,: 1990, с. 174—175.

3. Фомин A.A., Сотников И.Л. Технология получения пленок диоксида циркония. — Информационный листок о научно-техническом дос.ижении, N91— 0912. ВИМИ, 1991.

4. Григорашвили (O.E., Сотников И.Л., Фомин A.A. Структура буферных слоев Z(tY)02. SrTi03 для сверхпроводящих структур. — Сверхпроводимость, 1991, N 2, с. 23—26.

5. Grlgoraslwlly Yu.E., Sotnikov I.L., Fartushnaya V.M.Fomin A.A. Preparation in situ of УВСО films by opposed-targets sputtering. — Physica C, 1991, N 185—169. p. 1951—1952,

6. Ахматов В.В., Сотников И.Л ^омин A.A. Расчет толщины пленок, осаждаемых в системе со встречным размещением магнетронов. — Сб. научных трудов. — М.: МИЭТ, 1992, с. 86-94.

7. Бирюлин H.A., Дикопольцев А.П., Сотников И.Л., Фэртушная В.М. Электромиграция в ВТСП-пленках при комнатной температуре. — Сб. научн. трудов.

— М.: МИЭТ. 1992, с. 81—35.

8. Григорэшвили Ю.Е., Сотников И.Л., Фартушнзя В.М., Фомин A.A. Изготовление in situ VBCO пленок распылением встречных мишеней. — Сб. научн. трудов.

— М.: МИЭТ, 1992, с. 5—16.

9. Григорашвили Ю.Е.. Сотников И.Л., Фартушнзя В.М., Фомн A.A. Получение высокоориеитирозанных пленок УВа2Сиз07-х на монокристаллических подложках.

— Электронная промышленность, 1992, N2, с. 14—16.

10. Sotnlkov I.L., Fomln A.A., Fartushnaya V.M., Grlgorashvily Y,E. Investigation of the crystal structures of the Zr(Y)Oa and 5гТЮз buffer layers on the Al203 for HTSC film structures. — 9 th International Conference on thin films. Sept. 6—10,1993, Vlenne, Austria.

11. Положительное решение no заявке на изобретение N 4773961 /25 Способ формирования структуры подложки для ВТСП пленочных структур/ Сотников И.Л., Фомин А.А., Григорашвили Ю.Е., Нзгдзев Е.Н.

12. А. с. М1693907 (СССР). Способ получения эпитаксиапьных пленок титаната стронция/ Сотников И.Л.. Фомин А.А., Шермергор Т.Д.

Заказ 15 Тираж ВО

Объем 0,9 уг. кзд- л. з-н М6/ДО1

Eecruvnio О

Отгр^атan в тиг^л .'.5ГИЭТ

10. Sotnikov I.L., Fomln A.A., Fanushnaya V.M., Grigorashvily Y.E. Investigation of the crystal structures of the Zr(Y)02 and SrTI03 buffer layers on the Al203 for HTSC film structures. —9 th International Conference on thin films, Sept. 6—10,1993, Vlenne, Austria.

11. Положительное решение no заявке и» изобретение N 4773961 /25 Способ формирования структуры подложки для ВТСП пленочных структур/ Сотников И.Л., Фомин А.А., Григорашвили Ю.Е., Нагдзеа Е.Н.

12. А. с. N 1693907 (СССР). Способ получения эпитаксиальных пленок титаната стронция/ Сотников И.Л., Фомин А.А., Шермергор Т.Д.

Заказ 15 Тираж 80

ОСъем 0,9 yv. код- л. з-н .'Ш/ДСП

Eeernvnio О

Отп^-о.таю в Tiirvj-f-a^itu МГИЭТ