Исследование и разработка технологии получения пленок высокотемпературного сверхпроводника состава (Bi,Pb)2Sr2Ca2Cu3O10 методом магнетронного нанесения Верюжский, Иван Васильевич

Диссертация, - 480 руб., доставка 1-3 часа, с 10-19 (Московское время), кроме воскресенья

Автореферат - бесплатно, доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Верюжский, Иван Васильевич. Исследование и разработка технологии получения пленок высокотемпературного сверхпроводника состава (Bi,Pb)2Sr2Ca2Cu3O10 методом магнетронного нанесения : диссертация ... кандидата технических наук : 05.27.06 / Верюжский Иван Васильевич; [Место защиты: Нац. исслед. ун-т МИЭТ].- Москва, 2012.- 167 с.: ил. РГБ ОД, 61 13-5/256

Введение к работе

Актуальность работы. Практическое использование

высокотемпературных сверхпроводников в электронике в значительной степени ограничивается возможностями технологии их формирования. Известные в настоящее время типы сверхпроводников с критической температурой выше температуры кипения азота (77 К) имеют сложную кристаллическую решетку и многокомпонентный состав. Все эти сверхпроводники хрупкие.

В настоящее время наиболее развита технология изготовления высокотемпературных сверхпроводников и изделий на их основе систем YjBazCusO, (Y-123) и BizSrzCajCuzOs (Bi-2212). Однако температура перехода в сверхпроводящее состояние у этих систем около 90 К. Если для охлаждения использовать дешевый и доступный жидкий азот, то рабочая температура будет отличаться от критической всего на 14 % и эксплуатационный запас устойчивости недостаточный.

Высокотемпературный сверхпроводник состава

(Ві^РЬ^БггСагСизОю (Ві-2223) имеет температуру перехода в

сверхпроводящее состояние выше 100 К, что при охлаждении жидким азотом позволяет получить устойчивое проявление квантовых эффектов. Этот сверхпроводник не деградирует под действием окружающей среды. В сверхпроводнике на основе висмута экспериментально подтверждены эффекты, связанные с чередованием сверхпроводящих и диэлектрических слоев в кристаллической решетке. Это явление рассматривается как внутренний переход Джозефсона и имеет большие перспективы использования для создания активных электронных элементов. Однако удельный вес исследований в области технологии формирования высокотемпературного сверхпроводника состава Ві-2223 невелик. Отсутствует устойчивая технология изготовления сверхпроводниковых слоев толщиной менее 100 нм с преимущественным содержанием фазы Ві-2223. Отсутствуют исследования проблем, связанных с получением электронных структур на большой площади. Все сказанное и определяет актуальность представленной работы.

Цель работы и основные задачи.

Целью работы является разработка технологии изготовления тонких ВТСП-пленок фазы (Bi,Pb)₂Sr₂Ca2Cu30io методом магнетронного нанесения для создания электронных приборов на их основе.

Достижение указанной цели потребовало решения следующих задач:

Разработка математической модели для расчета распределения многокомпонентного состава на подложке при магнетронном нанесении.

Расчет и оптимизация конструкции магнетронной распылительной системы для получения равномерного слоя стехиометрического состава Ві-2223 на подложке диаметром 50 мм.

Разработка способа изготовления многокомпонентной мишени состава (Bi,Pb)₂Sr₂Ca2Cu30io с хорошим теплоотводом.

Исследование и обоснование технологических режимов осаждения пленок с требуемым стехиометрическим составом Ві-2223 в широком диапазоне давлений газовой смеси.

Исследование процессов, протекающих в многокомпонентном слое, и разработка технологии высокотемпературного отжига пленок для формирования кристаллической структуры сверхпроводниковой фазы Ві-2223.

Исследование электрофизических характеристик, полученных по предложенной технологии пленочных структур фазы Ві-2223.

Научная новизна полученных результатов заключается в следующем:

Разработана математическая модель, предназначенная для расчета однородности толщины и состава многокомпонентных пленок сверхпроводника на подложке при магнетронном нанесении.
Разработан способ изготовления многокомпонентной мишени из сверхпроводника состава (Bi,Pb)₂Sr₂Ca2Cu30io, имеющей хороший теплоотвод и устойчивой к разрушению при проведении процесса распыления. Новизна научно-технических решений защищена патентом РФ.
Экспериментально установлены аналитические зависимости, связывающие технологические режимы магнетронного нанесения пленок с составом многокомпонентной смеси на подложке.

4. Получены данные о процессах в многокомпонентной пленке
состава (Bi,Pb)2Sr₂Ca₂Cu30io при высокотемпературном отжиге.

Предложена методика формирования кристаллической структуры сверхпроводника фазы Bi-2223 с помощью высокотемпературного рекристаллизационного отжига.

5. Получены данные об электрофизических и структурных свойствах пленок сверхпроводника фазы Bi-2223, изготовленных по разработанной методике.

Практическая значимость работы:

Предложен метод получения на монокристаллической подложке сверхпроводниковых пленок фазы Bi-2223 с критической температурой выше 100 К, свойства которых позволяют их использовать для изготовления элементов электронной техники.
Оптимизирована конструкция магнетронной распылительной системы, которая позволяет получать однородные по толщине и составу многокомпонентные пленки (Bi,Pb)2Sr₂Ca₂Cu30io на подложках диаметром 50 мм.
Предложен способ изготовления устойчивой к растрескиванию мишени для магнетронного метода нанесения многокомпонентных пленок сверхпроводника системы Bi(Pb)SrCaCuO.
Получены данные о критических температурах, плотностях тока и магнитных свойствах пленок 2223, которые могут быть использованы при разработке элементов электронной техники.
Продемонстрирована возможность изготовления сверхпроводниковых электронных элементов на основе изготовленных пленок сверхпроводника Bi-2223. Изготовлены образцы структур предельная магниточувствительность которых составляла 6x10"¹¹ Тл .

Личный вклад автора. Автору принадлежит решение задач, перечисленных в разделе цель исследования и основные задачи. Это разработка модели нанесения пленок при магнетронном распылении многокомпонентной мишени, оптимизация конструкции магнетронной распылительной системы (МРС), модернизация установки магнетронного нанесения ВТСП-пленок (Bi,Pb)2Sr₂Ca₂Cu30io, разработка способа изготовления мишени для магнетронного распыления, определение технологических параметров, при которых формируется пленка заданного состава, разработка технологии высокотемпературного отжига нанесенных пленок с целью формирования структуры сверхпроводника, формулировка критериев

выбора параметров отжига, при которых происходит преимущественный рост высокотемпературной фазы 2223, выполнение большей части экспериментов, анализ результатов, формулировка научных положений и выводов, выносимых на защиту.

Достоверность научных положений, результатов и выводов.

Достоверность и обоснованность результатов работы подтверждена: комплексным характером проведенных исследований, сравнительными результатами исследований методами электронной и атомно-силовой микроскопии, рентгенофазового анализа.

Полученные экспериментальные результаты и предложенные методики не противоречат известным теоретическим моделям и представлениям, которые были экспериментально подтверждены. Их корректность подтверждается результатами других исследователей. Все исследования проведены на сертифицированном оборудовании.

Внедрение результатов работы. Результаты диссертационной работы используются в ООО «Вортис», ЗАО «Импеданс» для изготовления датчиков магнитного поля, а также в учебном процессе МИЭТ.

Положения, выносимые на защиту:

Технология получения на подложке MgO эпитаксиальных сверхпроводящих пленок состава (Bi,Pb)₂Sr₂Ca₂Cu₃O₁₀ толщиной менее 100 нм с критической температурой выше 100 К на основе метода магнетронного нанесения.
Метод расчета конструктивных параметров системы магнетронного распыления для получения однородных по составу и толщине многокомпонентных пленок.
Технология формирования кристаллической структуры сверхпроводника (Bi,Pb)₂Sr₂Ca2Cu30io с преимущественным содержанием этой фазы при термической обработке.
Результаты экспериментальных исследований электрофизических и магнитных свойств полученных структур сверхпроводника (Bi,Pb)₂Sr₂Ca₂Cu30i ₀.

Апробация работы. Основные научные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на различных

международных и всероссийских научных конференциях в частности:

НТК «Микроэлектроника и информатика» (Москва 2005г., 2006г., 2007г., 2009г., 2011г.);

НТК «Микроэлектроника и наноинженерия» (Москва 2008г.);

НТК «Физика и технология микро- и наносистем» (Санкт-Петербург 2010г.);

- НТК "Proceedings of "Nauka і inowacja-2011" (Przemysl, 2011г.)
Результаты работы отмечены дипломами ряда конференций и

конкурсов научных работ.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 печатных работ: 5 статей в журналах, в том числе одна в зарубежном журнале, 9-в трудах конференций, 2 патента РФ. 2 статьи опубликовано в журналах, входящих в Перечень ВАК. Результаты диссертационной работы вошли составной частью НИР по бюджетным договорам: №886-ГБ-53-Б, №917-ГБ-061-РНП-СПМЭ, №891-ГБ-53-Б-СПМЭ, ЖЖ-739П.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка цитируемой литературы и приложений. Содержание диссертации изложено на 163 страницах и включает: 67 рисунков, 17 таблиц и список использованных источников, включающий 148 наименований. В приложениях содержатся акты о внедрении результатов диссертационной работы.