автореферат диссертации по электронике, 05.27.06, диссертация на тему:Разработка процесса получения ВТСП пленок для устройств функциональной электроники

На правах рукописи

РАЗРАБОТКА ПРОЦЕССА ПОЛУЧЕНИЯ ВТСП ПЛЕНОК ДЛЯ УСТРОЙСТВ ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

Специальность - 05.27.06 Технология и оборудование для производства полупроводников, материалов и приборов электронной техники

АВТОРЕФЕРАТ

| диссертации на соискание ученой степени

| кандидата технических наук

I /

Москва - 2003

Работа выполнена на кафедре Материалы и процессы твердотельной электроники в Московском государственном институте электронной техники (техническом университете)

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Раскин A.A.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Блецкан Н.И.

кандидат технических наук, с.н.с. Марков Ф.В.

Ведущая организация - Институт химических проблем микроэлектроники

Защита состоится «__»_2003 г. в_часов на заседании диссертационного совета Д.212.134.03 при Московском государственном институте электронной техники по адресу: 124498, Москва, Зеленоград, МИЭТ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИЭТ(ТУ).

Автореферат разослан « »_2003 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

д.т.н., профессор ^Коледов Л.А.

! ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

Сразу же после открытия высокотемпературной сверхпроводимости (ВТСП) началось активное обсуждение перспектив использования ВТСП-материалов. На сегодняшний день наиболее реальной представляется возможность широкого применения этих материалов в виде пленок. Сверхпроводящие дорожки в микроэлектронных устройствах, сверхпроводящие экраны, сквиды, детекторы излучений. Исследования в этом направлении развиваются очень интенсивно, и можно отметить, что качество пленок, достигнутое к сегодняшнему дню, значительно выше, чем оно было в 80 -90-х гг. Это касается и критических параметров пленок, и их структуры, и их морфологии.

Но не только перспектива практического использования привлекла к ВТСП-пленкам внимание исследователей и технологов. Пленки, особенно тонкие монокристаллические или текстурированные, представляют собой очень удобный объект для исследования многих физических свойств и характеристик ВТСП-материалов. Характер крипа и пиннинга магнитного потока, влияния этих эффектов на значение плотности критического тока, глубина проникновения магнитного поля в ВТСП-материалы, электронное туннелирование, анизотропия и эффект Холла - это, далеко не полный, перечень физических свойств и процессов, исследованных с применением пленочных образцов.

Можно говорить и о синтезе новых ВТСП в виде пленок. В ряде случаев такой метод синтеза может оказаться: во-первых, дешевле и эффективнее, чем синтез керамики; во-вторых, позволит синтезировать новые многослойные структуры, что при синтезе материалов в керамической форме сделать невозможно.

Широкое использование телекоммуникационных технологий предъявляет все более жесткие требования к узлам и аппаратуре связи. Обычные радиокомпоненты, работающие в частотном диапазоне 800 - 2000 МГц, не обеспечивают требуемых характеристик для телекоммуникационных систем связи третьего поколения. Для кардинального решения задачи необходимо использование технологии высокотемпературных сверхпроводников.

Постоянная тенденция повышения точности радиоизмерительных приборов и увеличение их парка делает актуальной разработку средств калибровки и поверки, основанной на новых принципах и технологиях. В нашей стране, в том числе во ВНИИФТРИ, ведутся работы по созданию одно- и многоканальных сквидов азотного уровня охлаждения с уровнем шумов до 10"4 Фо/Гц на основе открытых в 1986 году высокотемпературных сверхпроводящих (ВТСП) материалов.

Целью работы является: разработка технологии получения тонкопленочных ВТСП керамических структур на основе систем У-Ва-Си-О и В^РЬ-вг-Са-Си-О для элементов функциональной электроники. Научная новизна работы состоит в следующем: - Впервые в России проведены систематические исследования с целью разработки технологии получения ВТСП слоев на кремниевых подложках для использования их в изготовлении устройств для радио- и сотовой связи:

установлено, что, для начального формирования требуемой стехиометрии ВТСП керамических пленок, получаемых методом ВЧ-магнетронного напыления, в атмосфере рабочего газа аргона, необходимо наличие кислорода в соотношении -аргон : кислород = 4:1 при суммарном давлении 5-Ю"3 -МО"2 мм.рт.ст.;

показано, что, буферные слои цирконата-титананта-свинца можно использовать в качестве буферного слоя для получения сверхпроводящих структур.

- Впервые разработан процесс микропрофилирования пленок системы У-Ва-Си-О на кремниевых подложках.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

1. Разработана технология ВЧ магнетронного напыления тонких пленок ВТСП на кремниевых подложках с использованием различных буферных слоев.

2. Разработаны конструкции и изготовлены установки для измерения магнитных и Я-Т-характеристик пленочных образцов ВТСП при комнатных и низких температурах.

3. Определены методики исследования сверхпроводящих и магнитных характеристик пленочных керамических образцов ВТСП.

4. Получены положительные результаты микропрофилирования пленок УВаСиО с применением стандартной технологии для кремниевых схем.

5. На основе полученных ВТСП керамических структур предложены конструкции функциональных устройств (СВЧ-фильтров).

Совокупность представленных в диссертации данных позволяет сформулировать следующие научные положения, выносимые на защиту:

Технология ВЧ магнетронного напыления пленок системы У-Ва-Си-О и системы Вь-РЬ-8г-Са-Си-0 с добавкой серебра на кремниевых подложках с буферными слоями 7л02 и ЦТС с последующим отжигом.

Результаты экспериментальных исследований влияния параметров процесса получения и термообработки на состав и сверхпроводящие свойства пленок.

Конструкции и методики измерения магнитных и R-T-характеристик пленочных образцов ВТСП при комнатных и низких температурах.

Процесс микропрофилирования пленок Y-Ba-Cu-O. Использование полученных пленочных структур в фильтрах для функциональных устройств телекоммуникаций.

Апробация работы.

Основные положения диссертационной работы, ее научные и практические результаты докладывались и обсуждались на Всероссийских межвузовских научно-технических конференциях «Микроэлектроника и информатика» (Зеленоград, 1997, 1998, 1999, 2001, 2002, 2003); VII Российской научной конференции по физике твердого тела (Томск, 2000); на Международных научно-технических конференциях «Высокие технологии в промышленности» (Москва, 2001, 2002); Всероссийской научно-технической дистанционной конференции «Электроника» (Москва, 2001).

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 15 работ, в том числе 5 - статей, 10 - тезисов в материалах российских и международных научно-технических конференций.

Структура и объем диссертационной работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 192 наименований и приложения. Работа содержит 110 страниц основного текста, включая 16 таблиц, 26 рисунков, и 3 страницы приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулирована основная цель работы. Представлена общая характеристика диссертации.

В первой главе рассмотрены общие технологические этапы получения ВТСП-пленок, методы нанесения слоев, некоторые свойства сверхпроводящих пленок, а также области применения структур на их основе.

В общем виде технологию приготовления ВТСП-пленок можно разбить на следующие этапы: приготовление исходных материалов, выбор подложки, нанесение покрытий, термообработка, тестирование.

В данной работе особое внимание уделено трем этапам: нанесение, термообработка, тестирование.

В первой половине главы приведены различные методы получения пленок: ионно-плазменные методы, термическое и реактивное напыление с использованием электронных пучков, молекулярно-лучевая эпитаксия, лазерное распыление, химическое осаждение и некоторые другие. Приведены основные преимущества и недостатки каждого из них. Дано описание свойств структур, полученных данными методами. В том числе, рассмотрены основные преимущества ВЧ-магнетронного метода нанесения пленок по сравнению с остальными.

Во второй части главы приведены методы исследования сверхпроводящих пленок и полученные результаты, встречающиеся в литературных работах различных авторов, как за рубежом, так и в нашей стране.

Далее дано описание основных направлений и областей применения структур, основанных на сверхпроводящих пленках.

Вторая глава посвящена технологии получения пленок ВЧ-магнетронным методом.

В первой части главы дается описание установки напыления и модифицированного магнетронного узла. Изложен порядок работы на установке.

Во второй части главы уделено внимание получению буферных слоев оксида циркония (2Ю2) и цирконата-титаната-свинца (ЦТС) на подложках кремния. Приведены технологические параметры получения данных подслоев (см. Табл. 1).

Таблица 1.

Технологические параметры процесса получения буферных слоев 2г03 и _ЦТС

№ обр. Мишень Рабочий газ Подложка Т 1 ПОДЛ'5 °С ^ нал» мин мкм Т 1 отж? °с ^ОТЖ ) мин

1 7Юг Аг 8Ю2/81 — 60 0,40 нет

2 1хОг Аг — 90 0,52 нет —

3 гю2 Аг:02 = 4:1 — 60 0,51 нет —

4 ЪхОг Аг: 02 = 4:1 8Ю2/81 — 90 0,63 нет —

5 ЦТС-19 Аг :02 = 4:1 8Ю2/Б1 630 60 0,61 480 30

6 ЦТС-19 Аг: 02 = 4: 1 8Ю2/81 630 90 0,78 480 30

7 ЦТС-19 Аг: 02 = 4 : 1 8Ю2/81 650 60 0,62 480 30

8 ЦТС-19 Аг: 02 = 4:1 8Ю2/81 650 90 0,77 480 30

Анализ пленок оксида циркония, полученных в атмосфере аргона, показал, что пленки имеют металлический характер. Поэтому в атмосферу рабочего газа был введен кислород, в соотношении аргон : кислород = 4:1. Пленки, полученные в смешанной среде, имели необходимый состав.

Для получения пленок ЦТС были использованы необходимые литературные данные. При анализе состава, полученных буферных слоев ЦТС на подложках кремния, был зафиксирован дефицит свинца.

В третьей части главы расписана технология получения пленок ВТСП системы У-Ва-Си-О (УВСО) методом ВЧ-магнетронного распыления. Технологические параметры и свойства полученных пленок представлены в таблице 2.

Таблица 2

Получение пленок ВТСП системы У-Ва-Си-О (состав мишени УВа2Сиз07.х).

№ обр. Подложка Раб. газ Т 1 ПОДЛ) °с ^нап ? мин ^пл, мкм Т 1 ОТЖ 5 °с Ат-мосф. отжига ^от , час Т„ К

1 8Ю2/81 Аг комн. 60 0,70 — - -

2 ЯОг/аОг/З! Аг:02 = 4:1 комн. 60 0,68 — — --

3 2Г0М02№ Аг: 02 = 4:1 600 60 0,63 — — 78

4 Zт02/S\02/S^ Аг 670 60 0,58 " -- - -

5 гю^сь/Б! Аг комн. 60 0,59 670 02 3 79

6 ЦТС/БК^! АГ:02 = 4:1 670 60 0,60 700 о2 10 83

7 ЦТС/БЮ^ Аг комн. 90 0,81 750 02 5 80

ЦТС/БЮ^ Аг:02 = 4:1 комн. 60 0,78 730 о2 3 81

9 гку&о^ Аг: 02 = 4:1 комн. 60 0,76 750 о2 5 90

10 ЦТС/БЮг/Б! Аг: 02 = 4:1 комн. 60 0,80 700 02 10 89

Пленки, нанесенные непосредственно на кремниевые подложки, не обладают достаточной адгезией, имеют не ровную поверхность и не обладают сверхпроводимостью при 77 К. Это определяется сильным взаимо-

действием Si и YBCO, и большим различием термических коэффициентов расширения пленки и подложки.

Нагрев подложки, во время напыления, желаемых результатов не дал. В то же время, отжиг пленок, напыленных на холодную подложку, при температуре 670 - 750 °С в течение 3-10 часов, имел положительный эффект, все образцы обладали сверхпроводимостью с критической температурой в интервале 80 - 90 К. Приведены полученные зависимости сопротивления таких образцов от температуры.

В четвертой части главы представлен процесс получения пленок системы Bi-Pb-Sr-Ca-Cu-O (BPSCCO). Напыление проводилось на установке УВН 72РЗ из мишени состава Bi17Pb05Sr2Ca2Cu3OK. Технологические параметры и характеристики полученных структур сведены в таблицу 3.

Таблица 3.

Получение пленок ВТСП системы BPSCCO (состав мишени ____Bii,7Pbo.sSr2Ca2Cu3Ox).

№ обр. Подложка Рабочий газ Тподя 5 °C ^над 5 мин hira > MKM TC,K % сверх, пр. фазы

10 Zr02/Si02/Si Ar: 02 = 4: 1 600 60 0,64 98 40

И Zr02/Si02/Si Ar: 02 = 4: 1 600 60 0,65 98 43

12 Zr02/Si02/Si Ar: 02 = 4: 1 700 60 0,67 99 42

13 LJTC/Si02/Si Ar: 02 = 4: 1 700 60 0,70 97 40

14 UTC/Si02/Si Ar: 02 = 4: 1 800 60 0,68 102 51

15 U,TC/Si02/Si Ar: 02 = 4: 1 800 60 0,64 101 50

Пленка BPSCCO, напыленная непосредственно на подложку крем-

ния в атмосфере аргона, сразу после процесса сверхпроводящими свойствами не обладала, но имела определенную проводимость. Дальнейший от-

жиг на воздухе при температуре 850 °С в течение 15 часов привел к тому, что пленка стала обладать диэлектрическими свойствами.

В дальнейшем пленки наносились на подложки кремния с буферными слоями из оксида циркония или ЦТС в атмосфере состава аргон : кислород в соотношение 4:1. Температура подложки во время роста пленки варьировалась от 600 °С до 800 "С. У полученных образцов измерялась зависимость экранирования магнитного поля по методу, изложенному в главе 3. Также определялся процент содержания сверхпроводящей фазы в выращенной пленке. Оказалось, что процент содержания сверхпроводящей фазы в пленках, выращенных при температуре подложки 800 °С на 10 % выше, чем при более низкой температуре. По зависимостям экранирования магнитного поля определялась температура перехода, которая составила для отдельных образцов 101 - 102 К.

Далее представлены фотографии, стехиометрические составы, зависимости величины экранирования магнитного поля от температуры.

Для решения задачи увеличения значения температуры перехода ВТСП пленки в сверхпроводящее состояние была использована технология получения пленок висмутовой системы с добавками серебра. Показано увеличение температуры перехода примерно на 10 градусов.

В конце главы представлены зависимости толщины получаемого слоя в зависимости от величины силы тока нагрузки и зависимости толщины напыляемого слоя от времени проведения процесса для всех, описанных в работе, составов.

Третья глава посвящена методам исследования пленочных структур.

В первой части главы описывается, использованный для измерения толщины полученных пленок, интерференционный метод.

Далее изложены: рентгенофазовый анализ и метод энергодисперсионной рентгеновской флюоресценции, использованные в работе, для количественного и качественного анализа исследуемых образцов.

Вторая часть главы посвящена разработке стенда и методик измерения сверхпроводящих свойств ВТСП пленок резистивным и индуктивным I методами.

Суть резистивного метода заключается в том, что к плоской поверхности образца подводятся четыре последовательных контакта. Через два крайних контакта пропускается / (токовые контакты), а, с двух средних, снимается напряжение и (потенциальные контакты). Чувствительность такой системы пропорциональна величине 1/1, где I - расстояние между контактами. Этот метод, в основном, примечателен тем, что на точность измерения сопротивления образца сопротивление подводящих проводов, сравнимое с сопротивлением самого образца, никак не влияет. Использование данного метода позволяет снимать вольт-амперные характеристики и зависимости сопротивления сверхпроводящих образцов при различных температурах, а затем по ним определить критический ток.

В работе был разработан стенд для бесконтактного метода исследования ВТСП пленок, который основывается на свойстве экранирования магнитного поля сверхпроводниками, схематично представленный на рис.1. В результате проведенных измерений получены температурные зависимости величины экранирования исследуемых образцов. На основе этих зависимостей были определены: температура и ширина сверхпроводящего перехода изготовленных ВТСП структур.

Данный метод позволяет, также, оценить процентное содержание сверхпроводящей фазы в исследуемых образцах, по предварительно составленным градуировочным графикам.

В четвертой главе дана оценка тенденции развития требований к узлам и аппаратуре связи. Сформулированы требования, предъявляемые к ВТСП-компонентам, для использования их в телекоммуникациях.

Рис.1. Схема стенда для измерения магнитной восприимчивости сверхпроводящих пленок: 1 - сосуд Дьюара; 2 - генератор синусоидальных колебаний; 3 - осциллограф; 4 -плоские катушки индуктивности; 5 - столик нагреватель; 6 - подсадка; 7 - колпак; 8 - источник напряжения нагревателя; 9 - термопара; 10 - образец.

Как пример непосредственного использования полученных ВТСП-структур, представлен микрополосковый фильтр для приемного тракта системы мобильной связи. Также, приведено описание опытного образца,

электрически перестраиваемого ВТСП-фильтра для адаптивных следящих приемников базовых станций (для сотовой связи). Представлены: структурная схема, рисунок топологии и АЧХ такого фильтра. »

В третьей части этой главы, представлен разработанный процесс микропрофилирования ВТСП пленок. Представлены характеристики пле- ^

нок итгриевой системы до, и после проведения полного цикла формирования топологического рисунка, показано практически полное отсутствие каких либо значительных изменений в сверхпроводящих свойствах образцов.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

Основные результаты работы сводятся к следующему: I

Выполнен анализ литературных публикаций зарубежных и отечественных авторов по методам получения пленочных структур ВТСП, характеристикам полученных слоев и областям применения ВТСП.

Показано, что вопросы, связанные с разработкой технологии получения пленок ВТСП с высокими параметрами, в настоящий момент являются весьма актуальными. В их числе:

постоянный поиск оптимального состава сверхпроводящей керамики для повышения критических параметров получае- •

мых структур;

необходимость оптимизации параметров процесса нанесения |

пленок (для ВЧ-магнетронного напыления - давление и состав рабочего газа, геометрические параметры расположения подложки и мишени в камере, величина подаваемого напряжения); ,

14

I

подбор подложечного материала с использованием буферных слоев или без них; - необходимость проведения дополнительной стадии отжига полученных структур и его параметры; ^ - методы измерения сверхпроводящих свойств полученных

структур;

процесс формирования необходимой топологии прибора на основе ВТСП структуры.

В ходе экспериментальной части работы были подобраны технологические параметры проведения напыления буферных слоев гЮ2 и ЦТС на подложки кремния. Установлено, что пленки Хт02, получаемые в атмосфере аргона, являются металлическими, а, для получения оксидных пленок, нужно добавление в атмосферу рабочего газа кислорода, в соотношении к аргону 1 : 4. Для получения подслоев ЦТС, также, необходимо смешивание рабочих газов аргона и кислорода, но, помимо этого, требуется нагрев подложки до температуры 630 °С и последующий отжиг в течение 30 минут при температуре 480 °С.

В работе выявлено и изложено, что, при получении пленок системы У-Ва-Си-О с воспроизводимыми характеристиками методом ВЧ-магнетронного напыления на подложках кремния с буферными слоями 7хО-1 и ЦТС, необходимо добавление в рабочий газ кислорода. А также, для формирования необходимой сверхпроводящей фазы, поместить полученную структуру в благоприятные условия: атмосферу кислорода при температуре 750 °С, что, видно из представленных таблиц, с технологическими параметрами и измеренными характеристиками полученных пленок.

Для получения пленок системы В¡—РЬ—Эг-Са-Си-О на подложках кремния с подслоями Хт02 и ЦТС процесс должен состоять из двух стадий:

непосредственного напыления и последующего отжига. Напылять нужно I

на нагретую подложку (800 °С) в атмосфере аргона с кислородом. Отжиг проводить не менее 10-15 часов на воздухе. ?

Для увеличения температуры критического перехода в сверхпроводящее состояние, пленок системы Вь-РЬ-Бг-Са-Си-О, было использовано Г добавление серебра. Температура перехода была равной ~ 110 К.

По результатам проведения процессов напыления, всех выше упомянутых структур, были получены соответствующие зависимости, позволившие оптимизировать условия напыления пленок методом ВЧ-магнетронного распыления.

Для измерения сверхпроводящих параметров получаемых слоев сконструировано и собрано два измерительных стенда. Первый стенд базировался на, так называемом, «четырех контактном» методе измерении сопротивления. С помощью этого метода измеряли температурную зависимость сопротивления образцов, по которым определялись критические параметры структуры. Однако, этот метод не позволяет работать с образцами, которые не имеют стопроцентное содержание сверхпроводящей фазы.

Был разработан стенд, с помощью которого измерялась магнитная проницаемость исследуемых образцов при различных температурах. Полу- '

чены градуировочные графики для определения процента содержания сверхпроводящей фазы в измеряемом образце. Приведены результаты го- (

мерений полученных в работе образцов.

Количественный состав изготовленных структур измерялся методом энерго-дисперсионной рентгеновской флюоресценции на установке "Мнм-

Pal". Выявлены и приведены зависимости состава получаемых пленок от параметров процесса напыления и последующего отжига, f Сформулированы требования, предъявляемые разработчиками ра-

диокомпонентов к структурам ВСТП. Это: низкие диэлектрические потери, низкое сопротивление пленок на высоких и сверхвысоких частотах, малая площадь подложки, малое поверхностное сопротивление.

Описаны требования, предъявляемые к ВТСП-фильтрам, при их использовании в мультиплексорах, в мобильных сотовых и спутниковых системах связи:

• центральная частота fó = 1...4 ГГц.;

• относительная ширина полосы частот:-= (0,03 К 2)%

/о

• передаваемая мощность - от 10 до 100 Вт;

• неравномерность АЧХ в полосе пропускания не менее 0,01 дБ.

Представлены топология и характеристики полоскового фильтра, полностью изготовленного из ВСТП-керамики системы Y-Ba-Cu-O. Описан принцип действия этого устройства.

Дня создания прибора необходимо формирование необходимой топологии прибора на слоях ВТСП с сохранением необходимых характеристик сверхпроводящего слоя, что, в свою очередь, потребовало разработки процесса фотолитографии и травления ВТСП пленок. Показано, практически полное отсутствие влияния на свойства керамики при проведении процесса микропрофилирования.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Батюня Л.П., Волик H.H., Рыжов М.В.. Некоторые условия воспроизводимого получения ВТСП слоев методом магнетронного распыления. // Вторая Всероссийская научно-техническая конференция с международным участием «Электроника и информатика - 97», тезисы доклада, с.29.

2. Батюня Л.П., Волик H.H., Раскин A.A., Рыжов М.В.. Формирование буферных слоев MgO для ВТСП структур. // Вторая Всероссийская научно-техническая конференция с международным участием «Электроника и информатика - 97», тезисы доклада, с.ЗО.

3. Рыжов М.В., Прояева М.Н., Батюня Л.П.. Разработка метода получения ВТСП структур. // Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика - 98», тезисы доклада, с. 147.

4. Рыжов М.В., Шарин А.Г., Батюня Л.П., Раскин A.A.. Новые аспекты технологии получения ВТСП структур // Микроэлектроника и информатика - 99, тезисы докладов. МИЭТ, 1999, с. 72.

5. Рыжов М.В., Шарин А.Г.. Исследование влияния технологических параметров на свойства ВТСП-пленок при магнетронном напылении // VII Российская научная студенческая конференция по физике твердого тела, тезисы докладов. Томск, 2000, с. 113.

6. Рыжов М.В., Шарин А.Г., Чернышов В.П., Батюня Л.П., Раскин A.A.. Получение пленочных структур BiPbSrCaCuO/PbZrTiO методом ВЧ-магнетронного распыления // Микроэлектроника и информатика - 2001, тезисы докладов. МИЭТ, 2001, с.76.

7. Шарин А.Г., Батюня Л.П., Раскин A.A., Рыжов М.В.. Двусферная модель спекания керамических материалов // Высокие технологии в промышленности России, материалы VII международной научно-технической конференции, Москва, МГУ, 29-30 июня 2001 г., с.ЗЗ 1-334. •I 8. Шарин А.Г., Рыжов М.В., Батюня Л.П., Раскин A.A., Чернышов

В.П.. Получение пленок системы Bi-Pb-Sr-Ca-Cu-0 (BPSCCO) методом ВЧ-магнетронного распыления. // Всероссийская научно-техническая дистанционная конференция «Электроника», Москва, 19-30 ноября 2001 г., тезисы докладов, 2 с.28.

9. Шарин А.Г., Батюня Л.П., Раскин A.A., Рыжов М.В.. Моделирование процесса спекания керамики // Известия вузов. Сер. Электроника, 2001, № 6, с.20-24.

10. Шарин А.Г., Батюня Л.П., Раскин A.A., Рыжов М.В.. Моделирование процесса роста зерен при спекании керамических материалов // Известия вузов. Сер. Электроника, 2002, № 2, с.33-35.

11. Рыжов М.В., Шарин А.Г., Раскин A.A.. Особенности напыления буферных слоев для ВТСП пленок // Девятая Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция «Микроэлектроника и информатика -2002», тезисы докладов. МИЭТ, 2002, с.55.

f 12. Шарин А.Г., Рыжов М.В., Батюня Л.П., Раскин A.A.. Магнетрон-

ное напыление и исследование свойств ВТСП пленок на буферных слоях i; ЦТС // Высокие технологии в промышленности России, материалы VIII

международной научно-технической конференции, Москва, ОАО ЦНИТИ «ТЕХНОМАШ», 11-13 сентября 2002 г., с.58-61.

13. Рыжов М.В., Шарин А.Г., Батюня Л.П., Раскин A.A. Технология получения и метод измерения параметров ВТСП пленок. // IV Междуна-

родная научно-техническая конференция «Электроника и информатика -2002», тезисы докладов.

14. Шарин А.Г., Рыжов М.В., Батюня Л.П., Раскин A.A. Разработка технологии напыления ВТСП пленок системы Bi-Pb-Sr-Ca-Cu-0 на буферных слоях ЦТС. // Межвузовский сборник научных трудов «Научные • основы технологий, материалов, приборов и систем электронной техники».

М.: МИЭТ, 2003 г. - с. 5-12.

15. Рыжов М.В. Метод измерения параметров ВТСП-пленок. // Тезисы докладов десятой всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов. М.: МИЭТ, 2003 г. - с. 66.

Подписано в печать 40. ¿{ 200&1 Зак. № /2.6 Тираж 70 экз. Формат Объем 1,17уч.издл.

Отпечатано в типографии МИЭТ(ТУ)

I

I

' ?557 91935Г

Введение.

Глава 1. Литературный обзор.

1.1 Технология получения ВТСП-пленок.

1.1.1 Общий обзор используемых методов.

1.1.2 Ионно-плазменные методы. Распыление ионными пучками.

1.1.3 Термическое и реактивное напыление с использованием электронных пучков. Молекулярно-лучевая эпитак

1.1.4 Лазерное распыление.

1.1.5 Химическое осаждение. Другие методы.

1.1.6 Выбор подложек для ВТСП-пленок.

1.2 Некоторые свойства ВТСП-пленок.

1.3 Области применения структур ВТСП.

1.4 Краткие выводы по главе 1.

Глава 2. Получение ВТСП-пленок ВЧ-магнетронным методом.

2.1 Установка ВЧ-магнетронного напыления УВН-72РЗ.

2.2 Получение буферных слоев Хх02 и ЦТС.

2.3 Получение пленок системы У-Ва-Си-0.

2.4 Получение пленок системы ВьРЬ-Бг-Са-Си-О.

2.5 Краткие выводы по главе 2.

Глава 3. Методы исследования.

3.1 Методы измерения параметров.

3.1.1 Измерение толщины пленочных образцов.

3.1.2 Рентгенофазовый анализ (РФА) образцов.

3.1.3 Метод энерго-дисперсионной рентгеновской флюоресценции.

3.2 Стенд и методика измерения сверхпроводящих свойств пленочных образцов резистивным и индуктивным методами

3.2.1 Контактный метод.

3.2.2 Бесконтактный метод.70 «

3.3 Краткие выводы по главе 3.

Глава 4. Практическое применение результатов.

4.1 Применение ВТСП-элементов в телекоммуникациях.

4.2 Фильтры.

4.3 Микропрофилирование пленок системы У-Ва-Си-0.

4.4 Краткие выводы по главе 4.

Сразу же после открытия высокотемпературной сверхпроводимости (ВТСП) началось активное обсуждение перспектив использования ВТСП-материалов. На сегодняшний день наиболее реальной представляется возможность широкого применения этих материалов в виде пленок. Сверхпроводящие дорожки в микроэлектронных устройствах, сверхпроводящие экраны, сквиды, детекторы излучений. Исследования в этом направлении развиваются очень интенсивно, и можно отметить, что качество пленок, достигнутое к сегодняшнему дню значительно выше, чем оно было в 80 - 90-х гг. Это касается и критических параметров пленок, и их структуры, и их морфологии.

Но не только перспектива практического использования привлекла к ВТСП-пленкам внимание исследователей и технологов. Пленки, особенно тонкие монокристаллические или текстурированные, представляют собой очень удобный объект для исследования многих физических свойств и характеристик ВТСП-материалов. Характер крипа и пиннинга магнитного потока, влияния этих эффектов на значение плотности критического тока, глубина проникновения магнитного поля в ВТСП-материалы, электронное туннелиро-вание, анизотропия и эффект Холла - это, далеко не полный, перечень физических свойств и процессов, исследованных с применением пленочных образцов [1-11].

Можно говорить и о синтезе новых ВТСП в виде пленок [12-15]. В ряде случаев такой метод синтеза может оказаться: во-первых, дешевле и эффективнее, чем синтез керамики; во-вторых, позволит синтезировать новые многослойные структуры, что при синтезе материалов в керамической форме сделать невозможно.

Целью работы является: разработка технологии получения тонкопленочных ВТСП керамических структур на основе систем У-Ва-Си-О и В1-РЬ-8г-Са-Си-0 для элементов функциональной электроники. Научная новизна работы состоит в следующем: - Впервые в России проведены систематические исследования с целью разработки технологии получения ВТСП слоев на кремниевых подложках для использования их в изготовлении устройств для радио- и сотовой связи:

- установлено, что для начального формирования требуемой стехиометрии ВТСП керамических пленок, получаемых методом ВЧ-магнетронного напыления, в атмосфере рабочего газа аргона, необходимо наличие кислорода в соотношении аргон : кислород = 4:1 при суммарном давлении 5-10'3 - 1-10"2 мм.рт.ст.;

- показано, что буферные слои цирконата-титананта-свинца можно использовать в качестве буферного слоя для получения сверхпроводящих структур.

- Впервые разработан процесс микропрофилирования пленок системы У-Ва-Си-О на кремниевых подложках. Практическая ценность работы:

1. Разработана технология ВЧ магнетронного напыления тонких пленок ВТСП на кремниевых подложках с использованием различных буферных слоев.

2. Разработаны конструкции и изготовлены установки для измерения магнитных и Я-Т-характеристик пленочных образцов ВТСП при комнатных и низких температурах.

3. Определены методики исследования сверхпроводящих и магнитных характеристик пленочных керамических образцов ВТСП.

4. Получены положительные результаты микропрофилирования пленок УВаСиО с применением стандартной технологии для кремниевых схем.

5. На основе полученных ВТСП керамических структур предложены конструкции функциональных устройств (СВЧ-фильтров). Совокупность представленных в диссертации данных позволяет сформулировать следующие научные положения, выносимые на защиту:

- Технология ВЧ магнетронного напыления пленок системы У-Ва-Си-0 и системы Вь-РЬ-8г-Са-Си-0 с добавкой серебра на кремниевых подложках с буферными слоями ХгС>2 и ЦТС с последующим отжигом.

- Результаты экспериментальных исследований влияния параметров процесса получения и термообработки на состав и сверхпроводящие свойства пленок.

Конструкции и методики измерения магнитных и Я-Т-характеристик пленочных образцов ВТСП при комнатных и низких температурах.

Процесс микропрофилирования пленок У-Ва-Си-О. Использование полученных пленочных структур в фильтрах для функциональных устройств телекоммуникаций.

Основные результаты работы сводятся к следующему:

Выполнен анализ литературных публикаций зарубежных и отечественных авторов по методам получения пленочных структур ВТСП, характеристикам полученных слоев и областям применения ВТСП.

Показано, что интерес к разработке технологии получения пленок ВТСП с высокими параметрами т.е. качеством структуры, высокой температурой сверхпроводящего перехода, большой плотностью критического тока, существует по настоящий момент.

Основные сложности при получении ВТСП структур связаны с тем, что во-первых постоянно идет поиск оптимального состава сверхпроводящей керамики, следовательно необходимо постоянно менять параметры процесса, такие как (на примере ВЧ-магнетронного распыления) давление газа в рабочей камере, состав рабочего газа, используемые подложки, геометрические параметры расположения в камере подложки и мишени, необходимый состав мишени для получения задуманной стехиометрии пленки, необходимость стадии дополнительного отжига и его параметров (времени и температуре, а также среде в которой его проводить). Во-вторых, многокомпонентность ВТСП керамики тоже вносит свои сложности в процесс получения из-за разных физических свойств каждого элемента. В третьих, разные требования предъявляемые к конечному качеству получаемых слоев.

Рассмотрены различные методы получения ВТСП пленок, указанны на их технологические особенности и параметры влияющие на критические параметры получаемых слоев. Обзор показал, что наиболее подходящим методом получения пленок для приборов микроэлектроники является метод ВЧ-магнетронного распыления. В обзоре уделено особое внимание этому методу.

Показано, что на свойства пленок УВСО, ВР8ССО и ЦТС, получаемых методом магнетронного напыления, влияют различные технологические параметры: материал подложки, температура подложки при напылении, состав и давление атмосферы в камере, положение подложки относительно мишени, температура и время отжига пленки. Также большое влияние оказывают состав и толщина буферных слоев.

Показано, что важнейшее направление внедрения ВТСП керамики систем У-Ва-Си-0 и В¡-РЬ-8г-Са-Си-0 - это применение ряда устройств, работа которых основана на реализации макроскопических квантовых эффектов, в первую очередь эффекта Джозефсона. Работающие при температуре жидкого азота ВТСП приборы позволят существенно (на 1 - 2 порядка) поднять уровень чувствительности в области электрических и магнитных измерений, который в настоящее время обеспечивается полупроводниковыми элементами. В первую очередь следует отметить создание образцовой аппаратуры для автономного воспроизведения размера единицы ЭДС, изготовление сквидов и сверхчувствительных магнитометров на их основе, сверхмалошумящих операционных усилителей, высокочувствительных компараторов, преобразователей ряда физических величин в электрические и т.п.

В ходе экспериментальной части работы были подобраны технологические параметры проведения напыления буферных слоев ХгОх и ЦТС на подложки кремния. Установлено, что пленки гг02 получаемые в атмосфере аргона являются металлическими, а для получения оксидных пленок нужно добавление в атмосферу рабочего газа кислорода в соотношении к аргону 1 : 4. Для получения подслоев ЦТС также необходимо смешивание рабочих газов аргона и кислорода, но помимо этого требуется нагрев подложки до температуры 630 °С и последующий отжиг в течении 30 минут при температуре 480 °С.

В работе выявлено и описано, что при получении пленок системы У— Ва-Си-О с воспроизводимыми характеристиками методом ВЧ-магнетронного напыления на подложках кремния с буферными слоями ЪтОг и ЦТС необходимо добавление в рабочий газ кислорода. А также для формирования необходимой сверхпроводящей фазы поместить полученную структуру в благоприятные условия: атмосферу кислорода при температуре 750 °С, что видно из представленных таблиц с технологическими параметрами и измеренными характеристиками полученных пленок.

Для получения пленок системы ЕИ-РЬ-Бг-Са-Си-О подложки кремния с подслоями 2Ю2 и ЦТС процесс также должен состоять из двух стадий: непосредственного напыления и последующего отжига. Напылять нужно на горячую подложку (800 °С) в атмосфере аргона с кислородом. Отжиг проводить не менее 10-15 часов на воздухе.

Для увеличения температуры критического перехода в сверхпроводящее состояние пленок системы В1-РЬ-8г-Са-Си-0 было использовано добавление небольшого количества серебра. Температура перехода колебалась в районе 110 К.

По результатам проведения процессов напыления всех выше упомянутых структур были построены зависимости параметров напыления пленок методом ВЧ-магнетронного распыления на свойства и характеристики получаемых структур.

Для измерения сверхпроводящих параметров получаемых слоев было сконструировано и собрано два измерительных стенда. Первый стенд базировался на так называемом «четырех контактном» методе измерении сопротивления. Измерения по этому методу давали температурную зависимость сопротивления образца из которой и определялись критические параметры структуры. Однако этот метод не мог работать с образцами процент содержания сверхпроводящей фазы которых не был около ста процентов.

Был разработан стенд в основу которого вошло измерение магнитной проницаемости исследуемых образцов при различных температурах. Сделаны градуировочные графики для определения процента содержания сверхпроводящей фазы в измеряемом образце. Приведены результаты измерений полученных в работе образцов.

Количественный состав изготовленных структур измерялся методом энерго-дисперсионной рентгеновской флюоресценции на установке "МЫРаГ. Выявлены и приведены зависимости состава получаемых пленок от параметров процесса напыления и последующего отжига.

Сформулированы требования, предъявляемые разработчиками радиокомпонентов к структурам ВСТП. Это низкие диэлектрические потери, низкое, низкое сопротивление пленок на высоких и сверхвысоких частотах, малая площадь подложки, малое поверхностное сопротивление.

Описаны требования, предъявляемые к ВТСП-фильтрам при их использовании в мультиплексорах, в мобильных сотовых и спутниковых системах связи:

• центральная частота ^ = 1 .4 ГГц.;

А /

• относительная ширина полосы частот: — = (0,03.2)% о

• передаваемая мощность - от 10 до 100 Вт;

• неравномерность АЧХ в полосе пропускания не менее 0,01 дБ.

Представлены топология и характеристики полосового фильтра полностью изготовленного из ВСТП-керамики системы У-Ва-Си-О. Описан принцип действия этого устройства.

Для создания прибора необходимо формирование необходимой топологии прибора на слоях ВТСП при этом не изменяя характеристики сверхпроводящего слоя. Нами был разработан процесс фотолитографии и травления ВТСП пленок основываясь на технологии широко используемой при работе с кремнием. Показано практически полное отсутствие влияния на свойства керамики проведение процесса микропрофилирования.

Заключение

1. Naito M., Smith D.P.E., Kirk M.D. e.a.//Phys. Rev. 1987. V.B35, N 13. p.7228-7231.

2. Laibowitz R.B., Coch R.H., Chaudhari P., Gambino R.J.//Ibid. N16. p.8821.

3. Oh B., Naito M., Arnason S. e.a.//Appl. Phys. Lett. 1987. V.51, N11. p.852-854.

4. Laibowitz R.B.// MRS Bull. 1989. V.XIV, N1. p.58-62.

5. Simon R.//Supercond. Industry. 1989 V.2, N1.

6. Geerk J., Xi X.X., Linker G.//Z.Phys. B-C.M. 1988. V.73. p. 329-336.

7. Enpuku K., Kisu T., Sako R. e.a.//Jap. J. Appl. Phys. 1989. V. 28, N6. p.L991-L993.

8. Anlage S.M., Sze H., Snortiand H.J. e.a.//Appl. Phys. Lett. 1989. V.54, N26. p.2710-2712.

9. Enomoto Y.T., Murukami T., Suzuki M., Moriwaki K.//Jap. J. Appl. Phys. 1987. V.26. p.L1247.

10. Baksht F.G., Ivanov V.G., Bacal M.//Plasma Sources Sei. Technol. V.7 1998. p.431-439.

11. Temprano D.R., Mesot J., Janssen S., e.a.//Eur. Phys. J. B V.19, 2001 p. 58.

12. Bozovic I., Eckstein J.N., Dessonneck K.E.//Alstracts of Euorop. Conf. High-Tc Thin Films, Poland, sept. 1989. Rep. B-35.

13. Chu C.W.//Journal of Superconductivity. V.12, N.l, 1999. p. 85-88.

14. Sagoi M., Terashima Y., Kubo K. e.a.//Jap. J. Appl. Phys. 1989. V. 28, N 3. p. L444-L447.

15. Terashima Y., Sagol M., Kubo K. e.a.// Ibid. V. 28, N 4. p. L653-L655.

16. Shirage P.M., Shivagan D.D., Pawar S.H.//Pramana J. of Fhys., V.58,96

17. N.5&6, 2002, p.l 191-1198.

18. Faley M.L., Gershenson M.E., Nevalskaya Y.E.//Alstracts of Euorop. Conf. High-Tc Thin Films, Poland, sept. 1989, Rep. C-13.

19. Kojima K., Kuroda K., Tanioku M., Hamanaka K.//Jap. J. Appl. Phys. 1989. V. 28., N 4. p. L643-L645.

20. Selinder T.I., Larsson G., Helmersson U. e.a.//Appl. Phys Lett. 1988. V. 52, No 22. p. 1907-1909.

21. Adachi H., Ichikawa Yo, Setsune K. e.a.//Jap. J .Appl. Phys. 1988. V. 27, N 4. p. L643-L645.

22. Morita H., Watanabe K., Murakami Y. e.a.//Ibid. 1989. V. 28, N 4. p. L628-L630.

23. Muroi M., Matsui Т., Koinuma Y. e.a.//J. Mater. Res. 1989. V. 4, N 4. p. 781-786.

24. Shi W., Sun J., Liu L, Qi Zh//Supercond. Sc. Techn. 1989. V. 1. p. 312-315.

25. Terada N., Ihara H., Jo M. e.a.//Jap. J. Appl. Phys. 1988. V. 27, N 4. p. L639-L642.

26. Shirage P.M., Shivagan D.D., Pawar S.H.//Pramana J. of Fhys., V.58, N.5&6, 2002, p.l 183-1190.

27. Stockinger C., Markowitsch W., Lang W., e.a.//Phys. Rev. B, V.57, N.14, 1998, p.8702-8708.

28. Poppe U., Schubert J., Arons R. e.a.//Solid State Commun. 1988. V. 66, N 6. p. 661-665.

29. Deneffe К., Beyne E., Roggen J., Borghs G.//Int. Conf. Materials and Mechanisms of Superconductivity High-Temperature Superconductors (MS). Stanford: CA, 1989. Rep. 3A-27.

30. Алфеев B.H., Колесник B.B., Митин Б.С. и др.//1 Всесоюзн. семинар «Сверхматрица», М. 1989. с. 175.

31. Mochiku Т., Kanke Y., Wen Z. e.a.//Jap. J. Appl. Phys. 1988. V. 27, N 9. p.9733,34,35,36,1.38,39,40,4144