Введение к работе
Актуальность темы. В последние десятилетия проблема миниатюризации техники СВЧ решается за счет замены объемных волноводных линий на полосковые, микрополосковые, а также компланарные линии Однако широкое использование планарных структур ограничено тем, что даже лучшие из нормальных проводников, такие, как серебро, медь, золото имеют достаточно высокое поверхностное сопротивление, что приводит к недопустимо высоким собственным потерям в структурах, изготовленных на их основе. Другая проблема, присущая нормальным проводникам, связана с тем, что глубина, на которую СВЧ поле проникает в нормальный проводник (глубина скин-слоя), зависит от частоты как l/Vf. Вследствие этого скорость распространения сигнала также зависит от частоты. Это приводит к искажению сигнала, т.е. наблюдается дисперсия.
Устранение отмеченных проблем возможно за счет использования тонких пленок сверхпроводников. Во-первых, поверхностное сопротивление сверхпроводников в СВЧ диапазоне как минимум на порядок ниже поверхностного сопротивления лучших из нормальных проводников, что приводит к соизмеримому снижению потерь. Во-вторых, глубина проникновения электромагнитного поля в сверхпроводник не зависит от частоты до нескольких сотен ГГц и, таким образом, дисперсия в СВЧ спектре почти отсутствует.
При создании СВЧ цепей с нормальными проводниками для избежания чрезмерных потерь необходимо использовать относительно толстые диэлектрики. При этом для избежания перекрестных наводок необходимо смежные линии размещать как можно дальше друг от друга. Поверхностное сопротивление сверхпроводников так мало, что даже использование тонких диэлектриков не приводит к существенным потерям. Это позволяет значительно снижать расстояния между элементами СВЧ схем при постоянстве электрических характеристик.
Наиболее распространенными методами, использующимися для получения пленок высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП), являются традиционные методы вакуумного напыления, т.к. они совместимы с технологией изготовления полупроводниковых микросхем и микроэлектронной аппаратуры и позволяют в полной мере использовать достижения в этой области. Однако существуют значительные трудности при получении
2 воспроизводимых и достаточно стабильных пленок ВТСП, необходимых при разработке микроэлектронных устройств, в том числе для СВЧ применений. Кроме этого, немаловажным, с точки зрения практического использования тонких пленок УВагСизОб+б, является обеспечение их защиты от атмосферной деградации и оценка эффективности этой защиты.
Настоящая работа посвящена исследованию особенностей процесса роста
пленок YBa2CiijOfr+5 при магнетронном распылении; исследованию
электрофизических свойств пленок УВагСизОб+б и их зависимости от условий
получения; исследованию атмосферной деградации пленок УВагСизОг.+б,
созданию защитных покрытий от нее и оценке эффективности этой защиты;
исследованию особенностей реализации элементов твердотельной электроники
на основе тонких пленок УВа^СизОб+г- Работа выполнена в соответствии с
научным направлением радиотехнического факультета Воронежского
государственного технического университета "Перспективные
радиоэлектронные и лазерные устройства и системы передачи, приема и обработки информации".
Цель работы заключалась в установлении взаимосвязи между основными технологическими параметрами процесса получения и свойствами пленок УВагСизОб+б, используемых для элементов твердотельной электроники. Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
I.Установить основные технологические режимы процесса нанесения тонких пленок УВагСизОб+б-
2.Установить режимы технологического процесса последующего кислородного насыщения пленок УВагСизОб+з-
3.Провести выбор покрытий для защиты пленок УВагСизОб»5 от атмосферного воздействия. Отработать технологию нанесения защитных покрытий.
4.Разработать на основе ВТСП полосовой СВЧ фильтр и S-N ключевой элемент и исследовать их характеристики в СВЧ диапазоне.
Объектами исследования являлись режимы технологического процесса получения тонких пленок УВагСизОб+б для элементов твердотельной электроники, а также электрофизические свойства тонких пленок УВа2СизО(>+й, полученных магнетронным распылением на подложках MgO, SrTiOi, YSZ (оксид циркония, стабилизированный оксидом иттрия), А120з с буферным слоем Се02 и Si с буферным слоем YSZ.
Научная новизна заключается во введении нового технологического параметра (потенциал растущей пленки); установлении пределов изменения основных параметров (температура подложки, давление рабочего газа, парциальные давления газов, скорость осаждения); установлении оптимального содержания кислорода в пленке УВагСизОб+а; в выборе состава и технологии получения буферных и защитных слоев; оптимизации параметров элементов твердотельной электроники на основе полученных пленок.
Практическая значимость. Отработанные технологические процессы получения пленок ВТСП на основе УВа2СизОб^ позволили решить задачу проектирования полосковых СВЧ фильтров и S-N ключей, а также создают технологическую базу для проектирования новых элементов твердотельной электроники.
Основные положения, выносимые на защиту.
1 .Технологические режимы процесса магнетронного нанесения тонких пленок YT^CunCw на подложках AhOj с буферным слоем СеОг и Si с буферным слоем оксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия (YSZ).
2.Параметры технологического процесса кислородного насыщения пленок УВагСизОб+б, полученных магнетронным распылением.
3.Выбор и технология нанесения защитных покрытий для пленок YBa2Cu306+5.
4.Результаты проектирования элементов твердотельной электроники (полоскового СВЧ фильтра и S-N ключа) на основе тонких пленок ВТСП.
Апробация работы. Результаты работы докладывались на научных семинарах Воронежского государственного технического университета и Института проблем технологии микроэлектроники и особо чистых материалов РАН, а также на Второй (1995 г.) и Третьей (1996 г.) Всероссийских научно-технических конференциях с международным участием «Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники», Дивноморское, Россия; на Всероссийской научно-техническая конференции с участием зарубежных ученых «Микро- и наноэлектроника-98» (МНЭ-98), Звенигород, 1998 г.
Публикации. Основные результаты исследований опубликованы в 6 работах в виде статей и тезисов докладов, список которых приводится в конце автореферата.
Личный вклад автора. Автор принимал непосредственное участие в подготовке и проведении экспериментов, в обсуждении полученных результатов и подготовке работ к печати. Отработка технологии получения
4 пленок УВагСіїзОб+б с воспроизводимыми параметрами осуіцествлялась под руководством кандидата физико-математических наук В.Л. Марченко.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы (137 наименований) и приложения. Объем диссертации составляет 142 страницы машинописного текста, включая 46 рисунков и 10 таблиц.
