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 керамикиво-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 радиои 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 °C и последующий отжиг в течении 30 минут при температуре 480 °C.
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 °C, 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
.
