Исследование тонких ВТСП пленок и структур на их основе методами низкотемпературной растровой электронной микроскопии Гаевский, Михаил Эрикович

Введение к работе

Диссертационная работа посвящена исследованию пространст-енного распределения сверхпроводящих параметров (критической емпературы Т₀, ширины перехода в сверхпроводящее состояние ЛТ₀, лотностикритического тока і₀) в тонких УВа₂Си₃0₇__х-пленках на азличных подложках с использованием как ряда традиционных етодик растровой электронной микроскопии (РЭМ), так и азработанной новой методики картографирования критических емператур; а также проведению сравнительного анализа езультатов этих исследований с данными, полученными другими етодами диагностики.

Актуальность темы. Важное место в развитии современной риоэлектроники занимает разработка и создашіе приборных труктур на основе высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП). Несмотря на то, что с момента открытия ВТСП был синтезіфован елый ряд сверхпроводящих купратов с Т₀ выше предсказываемого еорией Бардина-Купера-Шрифера предела, на которых проводились ак теоретические, так и экспериментальные исследования, до сих ор нет общепризнанной теории, описывающей все аспекты этого вления. Наиболее полно, к настоящему времени, изучены свойства оединения YBa₂Cu-,0„__x (YBCO). Хотя этот купрат не обладает екордно высокой температурой перехода (Т₀«93К), тем не менее, ехнология его получения наиболее проста по сравнению с другими ТСП-соединениями, имеющими Т₀ выше температуры кипения азота, а го исследование не требует привлечения сложной криогенной

Следует также отметить, что большая часть фундаментальных сследований ВТСП-матРшалов проводилась на монокристаллических Оразцах, в то время как практический интерес вызывает рименение тонких ВТСП-пленок, особенно в области изготовления риборов СВЧ электроники, сверхбыстродействующих БИС, приемников К- излучения, СКВИД-магнетометров. Прогресс в этой области вязан , в первую очередь, с возможностью ' достижения высоких ритических токов в тонкопленочннх ВТСП-структурях и иптогропии гих структур с другими приборами твордото.чыюи ;>."ктр"Ш!і<:и.

Одной из характерных особенностей ВТСП-пленок является сильная пространственная неоднородность их транспортных свойств, что обусловлено не только сложным строением кристаллической решетки ВТСП-материалов и малой длиной когерентности, но также влиянием подложки. Кроме того, ВТСП-материалы легко деградируют под воздействием внешних факторов, что приводит к появленж дополнительных дефектов и неоднородностей. Для количественного анализа процессов токопротекания, избыточного НЧ-шума, захвата магнитного потока, воздействия внешних электрического и магнитного полей, электромагнитного излучения, деградации и др. в таких сложных системах необходимо иметь информацию о пространственном распределении параметров перехода в сверхпроводящее (СП) состояние по площади исследуемой структуры, а именно критической температуры Т₀ и ширины перехода ДТ₀, т.е. Т - карту.

Перспективным методом для изучения локальных СП-свойств ВТСП-пленок и приборов на их основе является метод низкотемпературной растровой электронной микроскопии (НТРЭМ). Этот метод был эффективно использован для визуализации областей с различными значениями как критической температуры T_Qf так и плотности тока j₀ в классических низкотемпературных СП. Следует подчеркнуть, что в большинстве работ применение метода НТРЭМ носило лишь качественный характер. Это было обусловлено тем, что, во-первых, основное внимание уделялось анализу изображений (микрофотографий) исследуемых объектов, во-вторых, при интерпретации получаемых этим методом данных не принимался во внимание ряд важных аспектов, таких как неоднородное распределение плотности тока по образцу, особенности профиля распределения неравновесной температуры вблизи точки падения электронного зонда для конкретной структуры, влияние на результаты поглощенного тока и т.д. Таким образом для получения количественной информации методом НТРЭМ необходим новый подход к аппаратурному исполнена, методике ' получения и обработке экспериментальных данных, а также привлечению дополнительных методов исследования (рентгеновской дифрактометрии, KFC, ПЭМ, шумовой диагностики).

. Целью настоящей работы является исследование пространственной неоднородности сверхпроводящих параметров T_Q, AT_Q, J₀ и механизмов влияния.этой неоднородности на транспортные свойства ВТСП-пленок и структур на их основе.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решаются следующие основные задачи.

1. Разработка метода, основанного на регистрации и
последующей матеметичоской обработке сигнала напряжения,
индуцированного электронным зондом (НМЭЗ) в РЭМ, для получения
количественных данных с разрешением «імкм о локальных значениях
сверхпроводящих параметров T_Q, AT_Q, J₀ в структурах и приборах
на основе ВТСП-материалов.

2. Экспериментальное исследование пространственного
распределения сверхпроводящих параметров в тонких YBCO-пленках
на различных подложках и проведение сравнительного анализа
результатов этих исследований с данными, полученными другими
методами диагностики.

1. Получение изображений токопротекания и их интерпретация для высокотемпературной и низкотемпературной части СП-перехода.

2. Разработка на основе результатов локальных исследований ВТСП характеристик тонких пленок адекватных моделей токопереноса и избыточного фликкер-шума в области СП перехода.

3. Исследование процессов деградации ВТСП пленок, а также влияния на эти процессы структурного совершенства пленок.

6. Определение основных факторов, влияющих на
элетрофизические параметры приборов' на основе планарных
ВТСП-структур, в том числе многослойных структур сверхпроводник
-изолятор-металл, сверхпроводник-изолятор-сверхпроводник.

Научная новизна работы определяется следующими результатами:

разработан метод, позволяющий получать количественные данные о пространственном распределении СП-параметров в тонких ВТСП-пленках и структурах на их основе;

определены характерные особенности токопротокпття в тонких пленках на различных подложках г. прострпиствпннчм разрешением Імкм;

изучено влияние Функции распределения фрагментов пленки по температурам перехода на транспортные характеристики пленки;

для широкого ряда пленок и структур на их основе получены карты критических температур;

на основе экспериментальных результатов для пленок, состоящих из двух фаз.рассчитаны температурные зависимости сопротивления, плотности тока и НЧ-шума для каждой из фаз;

на основе микроскопических измерений проведен анализ локального разрушения сверхпроводимости магнитным полем и тепловым воздействием, а также исследована модификация локальных сеюйств пленок под действием воды.

Практическая ценность работы. В диссертации разработан комплексный подход к исследованию электрофизических и структурных свойств тонких пленок с использованием ряда новых, модифицированных традиционных методик низкотемпературной растровой электронной микроскопии, а также обобщенных дашшх структурной диагностики, получешшх на каждом этапе формирования приборов на основе ВТСП. Результаты исследований били использованы при разработке и оптимизации технологических процессов получения приборных структур криогенной электроники, таких как приемники ИК излучения, конденсаторные планарные структуры, СКВИД-магнитометры. Новый метод быстрой диагностики приборных матриц позволил не только производить отбраковку дефектшх элементов, но и группировать элементы с заданными параметрами для изготовления сложных криогенных устройств.

Основные положения, выносимые на защиту .

I. Разработанный метод определения пространственного распределения сверхпроводящих параметров Т_с, ДТ₀, J_c в ВТСП-пленках позволяет проводить комплексные исследования, включающие :

а)картографирование критических температур по площади структуры с пространственным разрешением «1 мкм;

б)с:гределнш объемной доли и псостранственного распределения сверхпроводящей фазы при заданной температуре;

в Обнаружение слабых связей и межгранульных границ путем регистрации локальных температурных зависимостей напряжения, индуцированного электронным зондом;

г визуализацию распределения плотности тока при температурах ниже критической с пространственным разрешением выше 1 мкм.

2. Температурная зависимость сопротивления R(T)
эпитаксиальных. пленок YBCO на подложках MgO, SrTlCU, MgO с
гетероэпитаксиальным подслоем Ba_Q fSr_{Q 4}^Т10з (ВЗТО) в области
СП-перехода определяется функцией распределения фрагментов
пленки по температурам перехода г(Т„). СП-переход в таких
пленках носит перкаляционный характер;

3. Критическая температура включений с осью с параллельной
плоскости подложки (в-ориентация) в пленках YBCO/BSTO/MgO с осью
с, направленной перпендикулярно поверхности подложки
(с-ориентация), сформированных при температуре подложки 650К и
скорости роста 1.5 їш/о, на 1.5-2 К выше, чем в- окружающей
пленке. Сравнительный анализ данных Т -картографирования и
шумовых измерений позволяет сделать вывод, что наличие
в-ориентированных включений в пленках YBCO/BSTO/MgO приводит к
появлению дополнительного максимума спектральной плотности S_y(T)
в области температур, соответствующей СП-переходу включении.

4. В гранулированных пленках YBC0 на подложках А1₂0₃, Zr0₂/Si с с-ориентацией и пленках с а-ориентацией, полученных на поверхности (ПО) подложки LaAlO,, температурная зависимость R(T) в низкотемпературной части СП-перехода определяется распределением слабых связей на гранииах между отдельными гранулами, составляющими пленку, по значениям критических токов.

5. Степень неоднородности токопротекания в YBCO-пленках зависит как от конкретного вида функций Г(Т_сУ и наличия слабих связей, так и от пространственного распределения фрагментов пленки с различными критическими параметрами. Максимальная плотность тока в области СП-перехода превышает сроднее но пленке значение плотности тока для исследованной системи УБСО/РГЛ'О/МсО в 3 раза, а для YBCO/LaAlO-, более чом в 10 раз.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на XXX Совещаіши по физике низких температур Дубна, 1-994), VII Вильнюсской конференции ' "Флуктуационные явления"в физических системах"(Паланга, 1994), VII и VIII Трехсторонних Германо- Российско-Украинских семинарах по ВТСП (Munlh, 1994 и Львов, 1995), VII Международном симпозиуме по сегнетоэлектрикам"(Colorado, 1995), Международном совещании по сканирующей микроскопии (Houston, 1995), XIII Международной конференции "Шум в физических системах и 1/1 флуктуации"(Паланга, 1995), IX Российском симпозиуме по растровой электронной микроскопии и аналитическим методам исследования (Черноголовка,1995), на научных семинарах ФТИ им А.Ф.Иоф&э РАН.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано I научных работ, список которых приведен в конце автореферата.

Структура и объбм диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, а также списка литературы, включающего НО наименований. Работа содержит 120 страниц машинописного текста, 49 рисунков и 6 таблиц.