Структура и свойства эпитаксиальных пленок YBa2Cu3O5+x, полученных ВЧ-магнетронным методом осаждения Шаповалов, Андрей Петрович

Введение к работе

Актуальность темы. Последние несколько десятилетий сопровождаются стремительным развитием такой области физики, как физика тонких пленок. Значительный прогресс в области фундаментальных исследований механизма образования и роста топких шюпоїс в 60-х -70-х годах связан с развитием полупроводниковой электроники. Открытие в конце 1966 - начале 1987 годов нового класса сверхпроводящих веществ с аномально высокой температурой перехода стимулировало значительный рост интереса к эта* веществам как со стороны исследователей так и технологов. И по-видимому следующий значительный шаг в развитии физики топких пленок будет связен с изучением роста пленок многокомпонентных анизотропных веществ, какими являются высоко-температурные сверхпроводники (ВТСП).

На основании проведенных исследований как в нашей стране так и за рубежом, наиболее перспективной областью применения сверхпроводников будет электроника. Предполагается создавать такие устройства с использованием тонкопленочной технологии. Однако от синтеза отдельных образцов пленок ВТСП до создания прецизионной технологии получения пленочных ВТСП структур с заданными свойствами предстоит пройти нелегкий путь. ВТСП материалы принадлежат к числу наиболее сложных веществ, изученных в физике твердого тела, химичесгаю реакции в процессе синтеза этих многокомпонентных соединений приводят к тому, что получаемые образцы многофазны и имеют различные примеси.

Наиболее изученным из всех ВТСП материалов в настоящее время является соединение УВа₂Си₃0_в+х. Прежде всего это связано с хорошей технологичностью этого соединения (то есть возможностью на данном этапе развития технологии создавать однофазные и однородные образцы). И хотя критическая температура YBa_aCu₃0_e+x ниже, чем в 5-ти компонентных ВТСП, максимальное значение критического сверхпроводящего тока в широких мостиках при температурах жидкого азота J_c(77Kb Ю⁷ А/сга^г достигнуто в монокристаллических пленках YBa₂Cu₃0_6+x. Чрезвычайно малая длила когерентности, ярко выраженная анизотропия свойств ВТСП материалов определяет то, что удобным объектом как для фундаментальных исследований, так и для практических применений являются эпитаксиальные пленки ВТСП. При-

чем при впитаксии желательно получать пленки с заданной ориентацией осей анизотропной кристаллической ячейки.

Цель ргботы - изучение особенностей впитаксиального роста пленок ЇВа_аСизО_в+х, полученных ВЧ-магнетронным методом осаждения.

Достижение поставлонпой цели потребовало решения ряда задач:

1. Выбор и реализация методики осаждения апитаксиальных
пленок ЇВа_гСизО_в+х.

2. Изучение двух режимов осаждения сложного оксида
ЇВа_гСи₃0_в+х (молекулярного и атомарного).

1. Исследование микроструктуры и свойств YBa_aCu₃O_e+x пленок и установление взаимосвязи свойств и структуры.

2. Изучение фазовой устойчивости при росте апитаксиальных пленок ЇВа₂Си₃0_е+х и исследование особенностей кристаллической структуры пленок полученных в условиях близких к неустойчивости фазы 103^^.

5. Исследование ориентационных соотношений при эпитаксии
анизотропного кристалла ЇВа_гСи₃0_е+х.

Научная новизна работы определяется полученными впервые результатами, основные из которых :

1. При нваксиальном ВЧ-магнетронном осаждении граница между атомарным и молекулярным режимами осаждения смещается в сторону низких парциальных давлений кислорода за счет болев высокой степени возбуждения плазмы по сравнению с ВЧ-диодным методом распыления.

2. В зависимости от режимов осаждения реализуются существенно различные механизмы роста пленок YBa_aCu₃0_e+x: двумерный (при молекулярном освздении) и квази-трехмврный (при атомарном).

3. При неаксиальном ВЧ-магнвтронном распылении рост
эпитаксиальных ЇВа₂Сц₃О_е+х пленок с более совершенной структурой
и лучшими электрофизическими свойствами осуществляется в условиях
молекулярного режима осаждения.

4. Исследованы особенности структуры пленок YBa₂Cu₃0_6+x вблизи линии устойчивости на Р(О_г)-Т диаграмме. Показано, что аффект "аномального" увеличения параметра с в сверхпроводящих пленках YBa₂Cu₃O_e+x связан с наличием кислородных вакансий в плоскости Ва-О.

5. Изучены влияния условий осаждения и неоднородности

подложки на ориентации осей зерен впитаксиальных пленок YBa₂Cu₃0_e+x. Предложена модель зависимости ориентации зерен от размеров критических зародышей.

Научная и практическая ценность работы. Полученные научные результаты в данной диссертационной работе могут служить базисом создания технологии получения впитаксиальных пленок YBa_aCu₃O_e<._>:, необходимой для развития криозлектроники. Изучение закономерностей роста таких сложных соединений как УЛЗа₂Си₃О_е+х показывает необходимость развития теоретических представлений о процессах впитаксивльного роста. Так,.>учат анизотропии строения решетки YBa_aCu₃O_e+x, дает даже в свмой простой модели роста объяснение закономерностей ориентации зерен пленки.

Нвучныэ положения, виносимыв на защиту :

1. Показано, что при давлениях смеси (2Аг+0._а) рабочего газа
Р>0,1 Торр в неаксиальной геометрии расположения мишени и подлож
ки, при отсутствии значительной бомбардировки конденсата, ско
рость роста УВа_аСизО_а+х апитаксиальяой пленки не зависит от тем
пературы подложки.

2. В сверхпроводощих пленках YBa_aCu₃0_6+x полученных при низких парциальных давлениях кислорода (вблизи шиши устойчивости ЇВа_гСи₃0_а+х на Р(О_а)-Т диаграмме) яаблвдаазтся аномально высокие значения параметра с. Данный вффект связывается с наличием вакансий кислорода в плоскостях Ва-0 структуры YBa₂Cu₃O_e+x.

3. Экпвриментально исследованы ё J_ и с 11 моды роста УВа₂Си₃О_в+х при впитаксия на подложку (001) MgO. Установлено, что реализация с _J_ и с | | моды роста определяется наряду с температурой подложки плотностью конденсируемых адатомов и их подвижностью.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на 3-м Всесоюзном совещании по высокотемпературной сверхпроводимости (Харьков, апрель 1991 г.), 6-й Международной конференции по слаботочной сверхпроводимости (Вратіїслава, ЧССР, июль 1991 г.), 3-й Международной конференции "Сверхпроводящая электроника" (Глазго, Англія, декабрь 1991), 5-й Украинской конференции "Физика и технология тонких пленок сложных полупроводников" (Ужгород, июль 1992), 14-й Международной конференции по криогенным материалам ІСМС-І4 (Киев, июнь 1992), 5-м двухстороннем Германия-СНГ сомина-

ре по ВТСП (Ююствр Бантц, Германия, октябрь 1992), 1-й Межгосударственной конференции "Материаловедение высокотемпературных сверхпроводников" (Харьков, апрель 1993), 4-й Межгосударственной конференции "Физика и технология тонких планок" (Ивано-Франковск, май 1993), 16-ом семинаре по прикладной сверхпроводниковой алвк-тронике и биомагнетизму (Жукин, Киевская обл.,июнь 1993), 20-й Международной конференции по низким температурам Ш-20 (Орегона, США, июль 1993), 6-м трехстороннем Германия-Россия-Украина семинаре по ВТСП (Дубна, Россия, сентябрь 1993).

Публикации. Научные результаты, полученные в ходе исследований по теме диссертации, отражены в 18-ти публикациях, список которых приведен в конце автореферата.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав с короткими выводами, заключения и списка цитируемой литературы. Диссертация изложена на 152 страницах машинописного текста, содержит рисунков - 55 , таблиц - II , ссылок на работы отечественных и зарубежных авторов - 108 .