Актуальность темы
.
В настоящее время' сформировалась область практических применений сверхпроводников, в том числе, высокотемпературных (ВТСП) [1−7]. Особенно интенсивно развиваютсятехнологии осаждения: сложных многослойных структур, содержащих ВТСП слои для задачэлектроэнергетики и получения. сильных магнитных полей — провода,.токовводы [8, 9]: Тонкие ВТСП пленки: находят применениев различных устройствах. Главное преимущество^ ВТСП перед нормальными металлами — низкое поверхностное сопротивление, что и обусловило применение BTCII в ВЧ и СВЧ’электронике: Для таких применений наиболее часто используются соединения YiBa2Cu307-a (YBCO) и Т1-Ва-Са-Си-0 с критическими температурами 92 К и 125 К соответственно. Несмотря на. то, &bdquo-что таллиевые пленки имеют более высокую температуру перехода в сверхпроводящее состояние, в. температурном диапазоне 60−77 К оба эти материала имеют примерно одинаковые высокочастотные свойства: Этот факт, а также ядовитость, таллиевых соединений,' обусловили! наибольшее количество исследований": иприменений YBCO пленок-и объемных образцов: Основное применение. УВСО'пленкишахо- • дят в приборах магнитометрии и высокочастотных устройствах: резонаторах^ перестраивает мых и неперестраиваемых фильтрах, антеннах, суммирующих* устройствах! (мультиплексорах), приемных катушках дляшедицинских томографов, СКВИДах. В сильноточной/элекгро-нике используются-пленочные ВТСП ограничители тока [10]. Использование ВТСП позволяет существенно улучшить параметры элементов и аппаратуры в целом" [3−6]:
Слоистые ВТСПк которым-относится и материал YBCOпредставляют-интерес также и с точки зрения изучения фундаментальных вопросов сверхпроводимости [11]. Однако ВТСП пленки, получаемые с помощью существующих технологийимеют разнообразные дефекты структуры, которые оказывают существенное влияние на их сверхпроводящие свойства. Можно сказать, что свойства ВТСП пленок, и характеристики устройств на их основе определяются именно реальной структурой пленок, а не фундаментальными ограничениями ВТСП материала. В связи с этим при реализации техническихг приложений ВТСП пленок до сих пор >. существуют серьезные трудности, — Вопрос влиянияфеальнойшикроструктуры ВТСП пленок на их электрические параметры-наиболее изучен для. СВЧ’диапазонаноне.настолько, чтобыг. это позволило получать ВТСП пленки с заданными свойствами-и:систематически улучшать конструкцию и! характеристики приборовна-их. основе. Исследованию свойств: ВТСП пленоки устройств на их основе в ВЧ диапазоне посвящены единичные работы.
Одним из методов роста тонких пленок YBCO является магнетронное напыление. Этот метод входит в число наиболее развитых и универсальных способов получения различных пленок, поэтому он продолжает широко применяться и в условиях появления новых конкурентоспособных процессов осаждения пленок [12, 13]. Как правило, при магнетронном напылении YBCO используются многокомпонентные мишени состава близкого к стехиометрии «1−2-3» (YiBa2Cu307.o). Однако наличие большого количества взаимовлияющих факторов, определяющих процессы ионного распыления многокомпонентной мишени, транспорт распыленных атомов к. подложке и собственно рост YBCO пленки в условиях газового разряда, приводит к значительным и трудно контролируемым отклонениям элементного состава пленок от состава мишени. Между тем элементный состав определяет как структурные, так и электрофизические свойства пленок. Измененное соотношение компонентов на поверхности роста пленки порождает процессы атомных замещений Ba-Y и образование Cu-вакансий в элементарной ячейке кристалла YBCO, что ухудшает сверхпроводящие свойства пленок. С другой стороны, в ряде работ показано, что YBCO пленки с высокими электрофизическими характеристиками всегда имеют отклонения в своем интегральном катионном составе от стехиометрии «1−2-3», приводящие к выделению частиц вторичных фаз [14]. В’результате формируется гетерогенная система, состоящая из пленки стехиометрической фазы «1−2-3″ и частицвторичных фаз, как правило, СиО и Y2O3. Наличие крупных CuO-частиц с типичными размерами 0.5 мкм и поверхностной плотностью до 108 см» 2 является одной из проблем при реализации многослойных структур на основе ВТСП [14, 15].
Ввиду сложности контролирования состава при получении YBCO пленок, в каждом конкретном случае (тип напылительной установки, тип подложки, задаваемые требования к пленкам) задача воспроизводимого получения пленок с нужными характеристиками решает-1 ся, как правило, опытным путем. Считалось, в частности, что простые планарные конструкции магнетронных распылительных систем (МРС) с симметричным расположением подложки на оси, перпендикулярной плоскости мишени (cm-axis конфигурация) в сочетании с традиционными для магнетронного метода режимами напыления являются непригодными для получения качественных пленок ВТСП. Решение удавалось найти за счет усложнения конструкции МРС для напыления ВТСП пленок, см., например [13]. В настоящей диссертационной работе предпринята попытка оптимизации процесса получения YBCO пленок, пригодных для приборных применений, на основе исследования процессов, происходящих в напылительной установке, и механизмов влияния технологических параметров на свойства получаемых пленок.
Цель работы.
Целью диссертационной работы являлось исследование особенностей магнетронного напыления пленок высокотемпературного сверхпроводника УВагСизСЬ-а и реализация простой, удобной, надежной системы магнетронного напыления высококачественных пленок для применений в электронных устройствах.
Научная новизна.
1. Посредством усовершенствованного послойного оже-анализа с низкой энергией распыляющих ионов получена1 детальная* информация, об изменениях элементного состава в приповерхностной области YBCO мишени, возникших в результате ее магнетронного распыленияи об изменениях в составе YBCO пленок, вызванных селективной десорбцией компонентов в процессе осаждения. С помощью, оже-анализа поперечных сколов об! разцов количественно определены изменения элементного состава в объеме YBCO" мишени, то есть, степень ее деградации в процессе эксплуатации. С привлечением тест-структур продемонстрированы способы повышения информативности’послойного оже-анализа — варьирование энергии и угла наклона распыляющих ионов при условии"устранения инструментальных погрешностей. 2 Исследованы зависимости свойств YBCO пленок, получаемых в магнетронной системе напыления 90°off-axis конфигурации, от элементного состава используемых мишеней. В данной системе напыления с использованием обогащенных по меди мишеней получены YBCO пленки, не содержащие на поверхности крупных частиц вторичных фаз СиО и имеющие высокие сверхпроводящие транспортные характеристики: критическая температура Тс> 88 К, критический ток Jc (77 К) до 4×106 А/см2. Высокие значения критического тока коррелируют с наличием в данных пленках мелких преципитатов Y2O3, являющихся вероятными центрами пиннинга вихрей. 3. Обнаружено, что магнетронное напыление YBCO пленок при повышенных (50−100 Па) давлениях приводит к возникновению газовых потоков, влияющих на скорость роста. Снижение скорости роста YBCO пленок при заданном токе разряда происходит вследствие снижения напряжения разряда в результате оксидизации распыляемой поверхности мишени в атмосфере кислорода. Оксидизация мишени приводит к увеличению коэффициента эмиссии вторичных электронов и снижению напряжения магнетронного разряда при заданном токе источника.
4. Показано, что скорость осажденияв реализованной on-axis системе напыления может быть повышена без ухудшения свойств получаемых YBCO пленок путем перемещения мишени в область с меньшей величиной индукции магнитного поля и соответствующего повышения рабочего напряжения при фиксированном токе разряда.
5. Обнаружено, что величина разориентации блоков мозаики в направлении оси «с» в YBCO пленках, получаемых в системе напыления конфигурации on-axis, линейно коррелирует с напряжением магнетронного разряда при рабочем давлении до 100 Па. Это дает возможность оптимизировать, технологические режимы напыления пленок с учетом уменьшения напряжения разряда по мере распыления мишени.
6. Обнаружено отсутствие корреляции между статическими характеристиками изготовленного из пленки YBCO высокочастотного ВТСП-контура и его добротностью. Сделан вывод о существовании в YBCO пленках специфических механизмов высокочастотных потерь, играющих доминирующую роль в мегагерцовом диапазоне частот.
Практическая значимость.
Полученные результаты могут быть использованы впрактике ионно-распылительных методов элементного анализа и осаждения ВТСП с целью разработки и оптимизации технологии получения пленок приборного качества. В частности:
1. Показано, что информация о степени деградации эксплуатируемых мишеней и соответствии состава получаемых YBCO пленок исходному составу мишени может быть получена методом элементного оже-анализа.
2. Установлена эмпирическая связь между отношением концентраций Cu/Ва в магне-тронных мишенях, используемых в системе напыления конфигурации 90°off-axis, и электрофизическими и структурными свойствами получаемых YBCO пленок, а также формированием в данных пленках характерных преципитатов вторичных фаз. Получены пленки с высокими транспортными характеристиками, не содержащие на поверхности крупных частиц СиО и, следовательно, пригодные для многослойной технологии.
3. Выявлено, что окисление YBCO мишени в процессе магнетронного распыления приводит к изменению параметров разряда, скорости осаждения и характеристик получаемых пленок. Составлено подробное описание этих изменений в системе напыления конфигурации on-axis.
4. В планарной МРС on-axis конфигурации с простейшей магнитной системой без экранирующих электродов и высоковакуумной откачки получены двусторонние YBCO пленки с высокими структурными и электрофизическими характеристиками: Тс до 90 К, Jc до 4 МА/см2, Rs (10 ГГц, 77 К) < 1 мОм, у = рзоок/рюок Скорость осаждения пленок без ухудшения качества существенно (в 2−2.5 раза) повышена за счет оптимизации, индукции магнитного поля вблизи поверхности мишени. Повышение скорости осаждения в этих условиях связано с потоковыми процессами1 в газовой среде.
5. Полученные результаты подтверждены характеристиками изготовленных высокочастотных фильтров. Дисковые резонаторы на частоты 3.5 Гц и 10 ГГц имеют собственную добротность более 2×104 при температуре 77 К. Эти характеристики соответствуют мировому уровню. Лучшие одиночные резонансные контуры имеют собственную добротность более 2×105 на частотах 38 МГц и 66 МГц при температуре 77 К. Перестраиваемые контуры имеют добротность более 1><105 во всем диапазоне перестройки частоты (10−30 МГц). Это существенно (в несколько раз) выше результатов других групп.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Метод элементного оже-анализа" позволяет количественно оценить изменения в составе YBCO мишеней, сформировавшиеся в процессе магнетронного распыления, и>изменения в составе YBCO пленок, вызванные селективной (десорбцией компонентов с поверхности' роста под воздействием ионов плазмы. Полностью разделены эффекты ионного распыления при послойном анализе и магнетронном распылении в условиях! минимизации аппаратурных погрешностей оже-спектрометра.
2. Экспериментально показано, что критическая температура и критический ток YBCO пленок, получаемых в магнетронной напылительной системе конфигурации 90° off-axis, в большой степени определяются отношением концентраций Cu/Ва в используемых мишенях. В данной конфигурации системы напыления определены условия роста, при которых YBCO пленки, получаемые из стехиометрических и обогащенных медью мишеней, не содержат Cu-обогащенных преципитатов и имеют сверхпроводящие характеристики: Тс > 88 К, Jc (77 К) не ниже 1×10б А/см2.
3. В планарной магнетронной системе напыления on-axis конфигурации с простейшей магнитной системой, без экранирующих электродов и высоковакуумной откачки получены YBCO пленки с высокими структурными и электрофизическими характеристиками, пригодные для высокочастотных применений. На основе данных пленок изготовлены дисковые СВЧ резонаторы с добротностью более 2х Ю4 на частотах 3.5 Гц и 10 ГГц, а также ВЧ контуры с собственной добротностью Qo> Ю5 на частотах 38 МГц и 66 МГц при температуре 77 К. Критическим параметром, определяющим качество пленок, является давление рабочей смеси.
4. Магнетронное напыление YBCO пленок при повышенных (50−100 Па) давлениях приводит к возникновению газовых потоков, влияющих на скорость роста. Снижение скорости роста YBCO пленок при заданном токе-источника в системе on-axis происходит вследствие снижения напряжения разряда в результате окисления распыляемой поверхности мишени в атмосфере кислорода.
5. Скорость осаждения YBCO пленок в МРС on-axis конфигурации’может быть существенно (в 2−2.5 раза) увеличена без ухудшения свойств получаемых пленок за счет уменьшения величины индукции магнитного поля вблизи поверхности мишени и соответствующего повышения рабочего напряжения.
Личный вклад автора в полученных результатах.
Вклад автора в совместных с соавторами исследованиях следующий: меньший в исследовании тест-структур методом послойного элементного оже-анализа с высоким разрешением по глубине [Al, А2, А6]. основной в исследовании YBCO мишеней и пленок методом оже-спектроскопии и равнозначный — в интерпретации результатов [АЗ-А5]. основной в исследовании влияния элементного состава мишеней на сверхпроводящие и микроструктурные свойства пленок YBCO, получаемых методом магнетронного напыления [А7-А9]. равнозначный в разработке планарной магнетронной напылительной системы on-axis конфигурации и основной — в исследовании особенностей получения YBCO пленок в данной системе [А 10, А11]. равнозначный в изготовлении и исследовании элементов пассивных высокочастотных приборов на основе YBCO пленок [А12-А16].
Апробация полученных результатов работы.
Результаты данной работы опубликованы в отечественных и зарубежных журналах, а также докладывались на всероссийских и международных конференциях: «The 1998 Applied Superconductivity Conference» (Palm Desert, California, 1998 год), рабочее совещание «Рентгеновская оптика — 2000» (Нижний Новгород, 2000 год), «Scanning Probe Microscopy — 2002» ,.
Workshop (Нижний Новгород, 2002 год), «Белорусский семинар по зондовой микроскопии (БелСЗМ-5)» (Минск, 2002 год), «Фундаментальные проблемы высокотемпературной сверхпроводимости — ФПС'06», (Москва, 2006 год), «XV Координационный научно-технический семинар по СВЧ технике», (Нижний Новгород, 2007 год), «Пассивные электронные компо-ненты-2008» (Нижний Новгород, 2008 год). Кроме того, результаты данной работы были доложены на семинарах в Институте физики микроструктур РАН.
Публикации.
По теме диссертации опубликовано 16 печатных работ, из которых 13 статей в реферируемых журналах и 3 — в сборниках материалов международных и всероссийских конференций.
Структура и объем диссертации
.
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения. Общий объем диссертации составляет 142 страниц, включая 48 рисунков. Список цитированной литературы включает 151 наименование, список публикаций автора по теме диссертации — 16 наименований.
5.4. Выводы.
В разработанной установке магнетронного напыления могут быть получены YBCO пленки с характеристиками, позволяющими изготавливать на их основе элементы ВЧ и СВЧ приборов. Возможности данной технологии в СВЧ диапазоне продемонстрированы на примере дисковых резонаторов, характеристики которых соответствуют мировому уровню. Характеристики резонансных контуров мегагерцового диапазона, изготовленных по данной технологии, существенно превосходят известные по литературе аналоги и соответствуют наиболее высоким характеристикам данных контуров, изготовленных ранее в ИФМ РАН на основе лазерных пленок. Лучшие одиночные контуры имеют собственную добротность более 2><105 на частотах 38 МГц и 66 МГц при температуре 77 К. Перестраиваемые контуры имеют добротность более 1×105 во всем диапазоне перестройки частоты (10−30 МГц). Топология мегагерцового контура, представляющего собой длинный и узкий полосок, является хорошим тестом на однородность свойств и воспроизводимость качества пленок. Реализованная система напыления показала высокую степень воспроизводимости качества пленок, которая оказалась выше, чем в лазерном методе.
Обнаружено отсутствие корреляции между статическими характеристиками изготовленного из пленки YBCO высокочастотного ВТСП-контура и его добротностью. Сделай вывод о существовании в YBCO пленках специфических механизмов высокочастотных потерь, играющих доминирующую роль в мегагерцовом диапазоне частот.
Заключение
.
В настоящей диссертационной работе получены следующие основные результаты:
1. Выполнен анализ специфических особенностей метода магнетронного напыления слоев YBa2Cu307.5:
— С помощью усовершенствованного послойного оже-анализа (разрешение по глубине порядка ед. нм) выявлены изменения элементного состава в зоне эрозии YBGO мишени. Показана существенная деградация, данной мишени за счет радиационно-стимулированной диффузии атомов меди из объема к поверхности. Определены изменения: в составе YBGO пленок, вызванные селективной" десорбцией компонентов с поверхности роста под воздействием ионов плазмы, ускоренных в поле плавающего потенциала;
— Используя, 90° off-axis конфигурацию системы напыления, в которойобеспечивается соответствие состава конденсата составу мишени, установлено, что дляполучения YBCO пленок с высокими сверхпроводящими транспортными характеристиками: необходимо стехиометрическое (3:2) либо повышенное отношение концентраций Gu/Ba в YBCO мишени. Экспериментально определены: режимы роста, при"которых образование в YBCO пленках крупных Cu-обогащенных преципитатов подавлено/ что важно для технологии многослойных структур, а высокие значения критического тока коррелируют с наличием: в данньш пленках мелких преципитатов Y2O3, являющихся вероятными центрами пиннинга вихрей;
— Обнаружено: сильное влияние окисления распыляемой поверхности мишени на скорость роста YBCO пленок в системе со стабилизированным током источника питания магнетрона. Окисление мишени приводит к увеличению коэффициента эмиссии вторичных электронов и снижению напряжения разряда при заданном токе источника;
— Показано, что магнетронное напыление YBGO пленок при повышенных (40−100 Па) давлениях приводит к возникновению газовых потоков, влияющих на скорость осаждения пленок;
— Обнаружено, что величина разориентации блоков мозаики в направлении оси «с» в YBCO пленках, получаемых в системе напыления конфигурации on-axis, линейно коррелирует с напряжением магнетронного разряда при рабочем давлении до 100 Па.
21 На основе анализа работы магнетронных систем напыления найдено новое решение для конфигурации on-axis-.
— повышено рабочее давление в системе до уровня 50−100 Па, что изменило характер переноса вещества от мишени к подложке и ослабило воздействие ионов и электронов плазмы на растущую пленку;
— изменено положение мишени в катодном узле, при котором уменьшается индукция магнитного поля у ее поверхности и, соответственно, возрастает (на 20−25%) напряжение разряда. При этом скорость осаждения пленок увеличена более чем в два раза за счет потокового механизма переноса материала от мишени к подложке. В условиях высокого рабочего давления это не привело к ухудшению свойств получаемых YBCO пленок;
— в конструкции системы отсутствуют экранирующие электроды и высоковакуумная откачка, применена простейшая магнитная система катодного узла, использованы простые в изготовлении мишени. Упрощение конструкции повысило надежность работы системы;
— за счет изменения положения мишени в катодном узле и соответствующего увеличения зоны эрозии увеличена площадь однородной пленки, получаемой при данных размерах мишени без вращения подложки, и повышена степень утилизации используемых мишеней.
3. Реализация разработанной магнетронной системы напыления позволила воспроизводимо получать двухсторонние пленки YBCO с высокими структурными и электрофизическими характеристиками: температура «нуля сопротивления» 90 К, плотность критического тока до 4 МА/см" при температуре 77 К, у — рзоок/рюок —3 и поверхностное СВЧ сопротивление Rejjменее 1 мОм на частоте 10 ГГц при температуре 77 К. Дисковые резонаторы СВЧ диапазона на основе YBCO пленок по характеристикам соответствуют мировому уровню. В мегагерцовом диапазоне лучшие одиночные контуры имеют собственную добротность более 2×105 при температуре 77 К. Перестраиваемые контуры имеют добротность более 1×105 во всем диапазоне перестройки частоты (10−30 МГц). Это существенно (в несколько раз) лучше результатов других групп.
