Введение к работе
Актуальность темы работы. Открытие явления высокотемпературной сверхпроводимости (ВТСП) определило совершенно новые возможности в развитии электротехники, электроэнергетики и микроэлектроники, так как сбылась давняя мечта ученых - получение проводников электрического тока с практически нулевым сопротивлением при относительно высоких температурах. Сверхпроводимость при температурах выше 77 К была впервые обнаружена в YBa2Cu307_x (YBC0), называемом также 1-2-3 (по соотношению атомов). На этом соединении были проведены первые исследования высокоанизотропных сверхпроводящих купратов: оптимальные сверхпроводящие свойства могут быть получены только в образцах с высокой степенью кристалличности и фазовой чистоты. Однако ближайшее применение сверхпроводников связывается с тонкими пленками.
Пленки высокотемпературных оксидов находят применение как в миниатюрном виде (микроэлектроника), так и в виде изделий большого размера (ленты, трубы, магниты). В микроэлектронике ВТСП позволяют решить проблему радикального снижения сопротивления межсоединений интегральных схем, что способствует значительному повышению быстродействия. Применение ВТСП пленок в качестве покрытий позволяет решить также ряд задач в областях, смежных с микроэлектроникой: в СВЧ-технике, в проблемах передачи радиосигналов, в космической технике (антенны и резонаторы). Кроме того, на основе ВТСП пленок могут быть созданы такие активные приборы с новыми свойствами, как сквиды или логические схемы, функционирующие на основе эффекта Джозефсона.
Для создания приборов используют качественные ВТСП пленки с высокими электрофизическими и сверхпроводящими характеристиками, зависящими от структуры, фазового состава и строения ВТСП слоев. Знание фундаментальных процессов, протекающих в пленочных структурах и обеспечивающих их высокие качества, а также условий, приводящих к возникновению этих процессов, позволяет получать ВТСП пленки с воспроизводимыми свойствами, пригодные для последующих применений.
Целью данной работы было изучение механизма образования слоев, микроструктуры ВТСП пленок YBa2Cu307_x и их электронного
строения, а также разработка принципов уменьшения негативных процессов, возникающих в пленках в результате межфазных взаимодействий между сверхпроводящими слоями и подложками.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
воспроизводимое получение тонких пленок и толстых слоев ВТСП YBa2Cu307_x методами магнетронного распыления и плазменного нанесения, соответственно, на основе установления взаимосвязи между параметрами технологических процессов и свойствами получаемых пленок с целью определения оптимальных условий проведения конденсации ВТСП слоев;
механизмы образования тонких и толстых слоев ВТСП на основе данных оже-электронной и рентгенозлектронной спектроскопии, а также рентгенодифракционного к микроренттеноспектралького анализов;
природа межфазных взаимодействий на границе раздела между пленкой и подложкой, а также между пленкой и окружающей средой;
анализ электронной структуры ВТСП пленок на основе данных оже-и рентгекоэлектронных спектроскопии;
создание нового способа получения и отжига ВТСП пленок на подложках большой площади и сложной конфигурации.
Научная новизна работы.
Впервые установлен механизм саморегулирования состава текс-турироЕанных, неэпитаксиальных ВТСП слоев, наблюдаемый ранее в сегнетоэлектрических эпитаксиальных пленках.
На основе анализа электронной структуры ВТСП пленок по данным рентгенозлектронной и оже-электронной спектроскопии, а также исследования состава и строения пленок YBC0 оптимизированы параметры технологического процесса получения ВТСП тонких пленок и толстых слоев YBa2Cu307.x методами магнетронного распыления и плазменного нанесения, соответственно.
Впервые показано, что термообработка ВТСП пленок на химически активных по отношению к ним подложках, например из нержавеющей стали, может быть осуществлена высокочастотным (ВЧ) отжигом. При этом установлено, что температура на границе раздела с подложкой является наименьшей по сравнений с температурой пленки. Это способствует минимизации межфазного взаимодействия компонентов пленки и подложки. На основании этих данных разработан и реализован принципиально новый способ термообработки поверх-
ности ВТСП пленки ВЧ излучением, защищенный авторским свидетельством.
Впервые показано, что комбинация методов плазменного нанесения и ВЧ термообработки позволяет получать слои ВТСП YBa2Cu307.x толщиной 250-500 мкм, обладающие высокими сверхпроводящими характеристиками, на больших подложках сложной формы.
Практическая значимость работы. Определенный в работе механизм саморегулирования состава ВТСП слоев объясняет процесс образования и строение пленок YBazCu3Q7_x, полученных различными методами ка различных подложках.
Оптимизированные параметры получения позволяют конденсировать методом магнетронного распыления пленки YBa2Cu307_x, обладающие высокими ВТСП свойствами: Тс=92 К, j'c>106 А/см2 (77 К), и методом плазменного нанесения пленки YBa2Cu307_x со сверхпроводящими характеристиками Тс=92 К, jc=104 А/см2 (77 К).
Новый способ термообработки ВТСП пленок позволяет решить сразу две проблемы, стоящие на пути технологического процесса получения слоев Y3a2Cu307.x: уменьшение межфазного взаимодействия на границе раздела пленка-подложка и получение ВТСП покрытий на протяженных поверхностях сложной конфигурации.
Комбинация методов нанесения и высокочастотного отжига позволяет получать ВТСП пленки на подложках кремния и нержавеющей стали. Такие структуры имеют большое практическое значение в микроэлектронике, космической технике и радиопромышленности.
Основные положения, выносимые на защиту.
-
Оптимизированные условия получения методами магнетронного распыления и плазменного нанесения слоев YBa2Cu307_x, обладающих высокими ВТСП параметрами.
-
Механизм саморегулирования состава ВТСП слоев пленок YBazCu307.х, полученных методами магнетронного распыления и плазменного нанесения на различных подложках.
-
Особенности электронного строения ВТСП пленок YBa2Cu307.x заключаются в изменении тонкой структуры рентгеноэлектронных спектров валентной зоны, а также Cu2p, 01s, Y3d и Ba3d остов-ных линий.
-
Новый способ высокочастотного откига поверхности ВТСП пленок, позволяющий минимизировать межфазные взаимодействия на границе раздела пленка-подложка и получать ВТСП слои на поверхнос-
тях большой площади и сложной формы.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на III Всесоюзной научной конференции "Физика окисных пленок" (Петрозаводск. 1991); Международной конференции "Ферроэлектрики: изготовление, свойства и применение" (Рига, 1991); I Всесоюзном симпозиуме "Методы дифракции электронов в исследовании структуры вещества" (Звенигород, 1991); 4 и"5 Европейских конференциях по применению методов поверхностного и межфазового анализов ECASIA'91 и ECASIA'93 (Будапешт (Венгрия, 1991 и Катания (Италия, 1993); VIII Всесоюзной конференции по росту кристаллов (Харьков. 1992); IV Межрегиональном совещании "Тонкие пленки в электронике" (Улан-Удэ, 1993). научных сессиях Воронежского госуниверситета.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 работ, включая одно изобретение.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, раздела "Выводы" и списка цитированной литературы. Общий объем диссертации составляет 163 страницы, в том числе 128 страниц машинописного текста, 30 рисунков на 32 страницах и 4 таблицы на 3 страницах. Список литературы содержит 132 наименования.
Ряд результатов диссертации получен совместно с сотрудникам Московского педагогического госуниверситета и НИФХИ им. Л.Я.Карпова.
