Введение к работе
Актуальность темы. Основная тенденция современной криоэлектроники направлена на создание гибридных интегральных схем на основе многослойных гетероэпитаксиальных структур, включающих пленки оксидных высокотемпературных сверхпроводников - ВТСП. Развитие технологии интегральных схем на основе слоевых металлооксидных структур затруднено по причине малой исследованности процессов, протекающих при формировании оксидных пленок; пх дефектной структуры; а также вопросов межслойного взаимодействия и переходных слоев. Среди технологических методов формирования сверхпроводниковых пленок метод магнетронного распыления (MP) керамических мишеней имеет ряд достоинств, связанных, в первую очередь, с высокой управляемостью процессом роста, высокой однородностью формируемых слоев п воспроизводимостью.
Возможности практического применения наиболее перспективного, в настоящее время, ВТСП материала - YBa2Cu30M (YBCO) в СВЧ криоэлектронике определяются поведением пленок YBCO в широком диапазоне ВЧ-СВЧ. Поверхностный импеданс в ВЧ-СВЧ диапазоне - Zs сильно зависит от структурных характеристик пленок, поэтому детальное изучение структуры пленок и режимов их формирования следует проводить во взаимосвязи с измерениями Zs и, в первую очередь, ВЧ-СВЧ поверхностного сопротивления Rs.
Целью работы явились разработка технологического процесса формирования слоевых структур на основе пленок ВТСП и исследование их структурных и электрофизических характеристик для создания элементов СВЧ криоэлектронных устройств.
Указанная цель представляет комплексную научно-техническую проблем^', включающую следующие задачи:
анализ физических процессов, протекающих при MP оксидных мишеней и переносе атомов в газоразрядной плазме;
разработка технологического процесса формирования пленок YBCO и гетероэпитаксиальных сверхпроводншсовых структур при MP керамических мишеней;
определение факторов ТП, оказывающих наиболее сильное влияние на физические характеристики и структуру пленок YBCO;
исследование ВЧ-СВЧ физических характеристик пленок YBCO, особенностей поведения сверхпроводниковых пленок в ВЧ-СВЧ диапазоне при воздействии статического магнитного поля, и изучение механизмов ВЧ-СВЧ остаточных потерь;
исследование процесса формирования слоевых сверхпроводящих систем типа сверхпроводник/сегяетоэлектрик/сверхпроводнпк;
- создание линейных сверхпроводниковых элементов СВЧ -криоэлекгронных устройств с рабочей температурой порядка 77 К.
Научная новизна работы определяется следующими полученными результатами:
- проведено аналитическое описание процессов, протекающих при
магнетронном распылении керамических мишеней, и показана возможность
аналитического моделирования стадий: создания распыляющего потока,
распыления мишени, переноса распыленных частиц;
компьютерное моделирование процесса переноса атомов в пространстве мишень-подложка позволило установить, что в технологических условиях, наиболее часто применяемых на практике, поток частиц транспортируется до подложки, с точностью до 10%, без изменения стехиометрии катионных компонентов - YjB^CUjO,.
исследовано воздействие плазмы тлеющего разряда на формирование пленок сверхпроводниковых оксидов, заключающееся, в основном, в неоднородном рераспылении и локальном перегреве пленки; установлено, что сильнее эффект проявляется для соединений, содержащих барий, вследствие высокой химической активности бария и способности образовывать летучие бинарные и тройные соединения.
определена аналитическая функция зависимости плотности потока конденсирующихся частиц от давления, температуры рабочего газа и расположения подложки;
установлены факторы технологического процесса MP, оказывающие наиболее сильное влияние на электрофизические параметры и структуру пленок YBCO: температура подложки, давление в процессе осаждения и удельная мощность, приложенная к мишени;
показано, что эффективным способом идентификации различных механизмов ВЧ-СВЧ потерь в пленках сверхпроводников является приложение магнитного поля перпендикулярно поверхности пленок;
разработан технологический процесс формирования планарного криозлектрснного элемента на основе сверхпроводниковой пленки и созданы линейные и управляемые криоэлектронные элементы для ВЧ-СВЧ диапазона;
продемонстрированы высокая нелинейность и отсутствие емкостного гистерезиса объемной конденсаторной структуры YBCO/STO/YBCO при Г=4,2К.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
1. Плотность потока распыленных в тлеющем разряде атомов изменяется
в процессе переноса к подложке в соответствии с аналитической функцией
давления Р, температуры рабочего газа Г, удельной мощности разряда W и
расстояния мишень - подложка d\ определение функции дает возможность
проводить оценочные расчеты скорости роста пленок.
2. Сегяетоэлектрический слой Ba06Sr04TiO3 (BSTO), толщиной -200
нм, выращенный на подложке MgO методом ВЧ распыления, позволяет повышать структурное совершенство подложки. Сверхпроводниковые плепки YBCO, выращенные на гетероэпитаксиальной структуре BSTO/MgO методом магнетронного распыления, обладают высокими электрофизическими характеристиками на постоянном токе (Тс до 91,5 К) и на СВЧ (на 60 ГГц - Rs ~ 5 мОм, при 4.2 К и Я ~ 50 мОм, при 77 К), что обуславливает широкие возможности применений структур YBCO/BSTO/MgO в СВЧ -криоэлектронных устройствах - в качестве линейных элементов, и в приборах, управляемых электрическим полем.
-
При формировании пленок YBCO методом магнетронного распыления на структурно-согласующихся подложках с ориентацией (001), скорость роста V определяет ориентацию кристаллографических осей пленки. В диапазоне температуры подложки 650...720 С и Vg не более 1,5 нм/мин формируются пленки с осью с перпендикулярно поверхности подложки, и при V не менее 2,5 нм/мин формируются пленки с осью с параллельно поверхности подложки. В диапазоне V между указанными значениями просходит формирование пленок YBCO со смешанной ориентацией.
-
Эпитаксиальный рост пленок YBCO при магнетронном распылении, имеет место до некоторой критической толщины й. = (250 - 350) нм, зависящей от ряда технологических и структурных факторов, что подтверждается немонотонной зависимостью ВЧ-СВЧ поверхностного сопротивления от толщины пленок, свидетельствующей также о том, что пленки YBCO с толщиной, близкой к hc, наиболее пригодны для применений в ВЧ-СВЧ криоэлектронных устройствах.
-
Конденсаторные структуры на основе монокристалла SrTi03 созданные в процессе двух последовательных циклов выращивания пленок YBCO при магнетронном распылении керамических мишеней, не проявляют гистерезисного эффекта на вольт-фарадных характеристиках при изменении емкости более, чем в 3 раза. Пленки YBCO на обеих сторонах кристалла характеризуются эпитаксиальпой структурой и обладают практически идентичными, высокими критическими параметрами сверхпроводящего состояния.
Практическую ценность работы составляет:
расчетная методика оценки скорости роста и определения наиболее вероятной ориентации пленок YBCO для выбранных технологических условий:
технологический процесс формирования высокоорнентированных пленок YBCO методом магнетронного распыления керамических мишеней, разработанный в ходе выполнения работы;
установление критической толщины пленок YBCO , hc, до которой происходит формирование высокоориентированных пленок и последующее нарушение механизма роста;
определение толщины пленок YBCO, соответствующей й, - оптимальной для создания элементов криоэлектронных устройств;
методика идентификации механизмов остаточных потерь в диапазоне ВЧ-СВЧ, в сверхпроводниковых пленках, основанная на приложении к образцу, находящемуся в резонаторе, перпендикулярного магнитного поля;
пооперационный технологический цикл создания элемента криоэлектронного устройства на основе пленок YBCO и слоевых сверхпроводящих структур;
сверхпроводниковые криоэлектронные пленочные элементы: переключатели и ограничители СВЧ сигнала, болометрические датчики;
управляемая безгистерезисная конденсаторная структура на основе монокристаллической пластины титаната стронция с электродами из пленок YBCO.
Внедрение результатов. Проведенные исследования являются составной частью НИР, выполняемых на кафедре ЭИВТ в СПбГЭТУ. Полученные результаты использованы и внедряются в организациях - НПО "Домен", Государственный оптический институт, Физико-технический институт РАН и в учебном процессе кафедры ЭНВТ.
Апробация результатов. Основные результаты докладывались на научно-технических конференциях и совещаниях различного уровня: VI-om совместном советско-германском семинаре по высокотемпературной сверхпроводимости (Санкт-Петербург, 1991 г.), конференции "Физика низких температур - НТ-29" (Казань, 1992 г.), Всесоюзном совещании по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами (Москва, 1991), 8-ой Международной конференции по вакуумным электронным и ионным технологиям, ВЕИТ-93 (Варна, Болгария, 1993 г.), научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава СПбГЭТУ (Санкт-Петербург, 1987-1994).
Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 7 печатных работ, из них 5 статей и 2 тезисов докладов.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа остоит из введения, пяти глав с выводами в каждой, заключения и списка цитируемой литературы, включающего 170 наименований. Основная часть работы изложена на 130 страницах машинного текста. Работа содержит 58 рисунков и 6 таблиц.
