Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время одним из основных направлений развития приборостроения является микроминиатюризация, позволяющая повысить надежность и технологичность аппаратуры за счет микромодульной компоновки элементов с применением интегральной и функциональной микроэлектроники. Важно развивать данное направление с использованием новых подходов в технологии изготовления информационно-измерительной аппаратуры, основываясь непосредственно на использовании физических явлений в твердом теле. Такой подход может быть реализован в криоэлектронике, основанной на взаимодействии электромагнитного поля в высокотемпературных сверхпроводниках (ВТСП) при криогенных температурах.
Основной технологической задачей при создании элементов криоэлектронных информационно-измерительных приборов на основе высокотемпературных сверхпроводников является получение сред с заданными свойствами. Эту задачу можно решить, применяя в элементах криоэлектронных приборов соответствующие ВТСП слоистые структуры.
Сегодня при изготовлении пленок ВТСП даже в идентичных технологических условиях часто их свойства оказываются существенно различными из-за сильного влияния отдельных технологических параметров. Поэтому разработка технологии формирования ВТСП пленок и ВТСП слоистых структур для криоэлектронных информационно-измерительных приборов на промышленных установках позволит решить проблему их массового изготовления. Кроме того, представляется перспективным исследование технологии формирования ВТСП слоистых структур с дополнительным (буферным, либо диэлектрическим, либо защитным, либо активным, либо промежуточным) слоем материала нитрида алюминия (AlN).
В настоящее время установлено, что ВТСП материал Bi2Sr2CaCu2O8+x обладает в сверхпроводящем состоянии большей пластичностью и проводимостью по сравнению с ВТСП материалом YBa2Cu3O7-d. Однако, ВТСП материал YBa2Cu3O7-d в сверхпроводящем состоянии имеет более высокий пиннинг магнитного потока, а значит обладает и более высокими экранирующими свойствами, чем ВТСП материал Bi2Sr2CaCu2O8+x. Поэтому разработка технологии формирования слоистых структур ВТСП материалов YBa2Cu3O7-d и Bi2Sr2CaCu2O8+x, позволяющей создавать элементы криоэлектронных информационно-измерительных приборов из их совокупности, становится актуальной проблемой.
Объектом исследования является технология изготовления криоэлектронных информационно-измерительных приборов на основе новых типов слоистых структур высокотемпературных сверхпроводников.
Предмет исследования – процессы формирования новых типов слоистых структур высокотемпературных сверхпроводников с учетом свойств исходных материалов, требуемого стехиометрического состава и необходимой промежуточной обработки пленочных элементов.
Цель работы – расширение функциональных возможностей криоэлектронных информационно-измерительных приборов и повышение их универсальности за счет технологии их изготовления на основе слоистых структур высокотемпературных сверхпроводников.
Научная задача исследования – разработка научно обоснованной технологии формирования многокомпонентных пленок и слоистых структур из совокупности ВТСП материалов, решение которой проведено по следующим направлениям:
-
Разработать новую технологию формирования многокомпонентных пленок, используемых в слоистых структурах высокотемпературных сверхпроводников, с учетом свойств исходных материалов, требуемого стехиометрического состава и свойств покрытий.
-
Разработать математическую модель, позволяющую более точно управлять содержанием отдельных компонентов многокомпонентного покрытия в технологическом процессе формирования многокомпонентных пленок.
-
Разработать технологию формирования слоистых структур из совокупности ВТСП материалов YBa2Cu3O7-d и Bi2Sr2CaCu2O8+x.
-
Выработка рекомендаций по использованию в слоистых структурах ВТСП материалов YBa2Cu3O7-d и Bi2Sr2CaCu2O8+x слоя материала нитрида алюминия.
-
Разработать и внедрить элементы криоэлектронных информационно-измерительных приборов на основе разработанных технологий формирования новых типов слоистых структур высокотемпературных сверхпроводников.
Методы исследования. Использованы основные положения физики твердого тела, положения физической химии, кристаллографии, микроэлектроники, технологии изготовления элементов криоэлектронных приборов, математическое моделирование на ЭВМ. Экспериментальные исследования выполнены на вакуумных установках УВН-2М-2 и УВН-71П3, модернизированной под магнетронное распыление, на лабораторных установках для измерения плотности критического тока и определения терморезистивных характеристик. Исследование поверхности образцов проводилось с помощью сканирующего зондового микроскопа Ntegra Prima полуконтактным методом атомно-силовой микроскопии. Содержание компонентов в многокомпонентных пленках определялось методом рентгеноспектрального микроанализа на электронном микроскопе JEM 2000 FXII с использованием энергодисперсионного рентгеновского спектрометра LINK. Фазовые анализы проводились на дифрактометре «ДРОН-3М». Микрофотографирование проводилось с помощью оптического микроскопа. В экспериментальных исследованиях использованы положения теории измерений, планирования эксперимента.
Достоверность полученных результатов подтверждается применением известных фундаментальных положений, проверенных практикой, использованием неоднократно апробированных методик и математических моделей, а также сходимостью результатов аналитических исследований и математического моделирования с данными экспериментов.
Научная новизна работы состоит в следующих положениях, которые выносятся на защиту:
-
Впервые разработаны и научно обоснованы технологические процессы формирования многокомпонентных пленок, используемых в слоистых структурах высокотемпературных сверхпроводников, позволяющие обеспечивать заданную стехиометрию многокомпонентных покрытий.
-
Разработана новая математическая модель, позволяющая повысить эффективность управления содержанием отдельных компонентов многокомпонентного покрытия в технологическом процессе формирования многокомпонентных пленок методом магнетронного распыления на постоянном токе с использованием сложной мишени на 15% и более путем введения экспериментально устанавливаемой функции коэффициента, учитывающего неравномерность эрозии мишени.
-
Разработаны технологические процессы формирования слоистых структур с использованием ВТСП материалов YBa2Cu3O7-d и Bi2Sr2CaCu2O8+x, определены технологические условия, позволяющие обеспечить формирование таких структур.
-
Разработаны технологические процессы формирования слоистых структур ВТСП материалов YBa2Cu3O7-d и Bi2Sr2CaCu2O8+x с использованием слоя материала нитрида алюминия. Выявлено, что в данных слоистых структурах слой нитрида алюминия, при отжиге, взаимодействует с материалом Bi2Sr2CaCu2O8+x, вследствие чего происходит изменение свойств ВТСП пленки, вплоть до подавления сверхпроводимости после охлаждения, и не взаимодействует с материалом YBa2Cu3O7-d, вследствие чего такие структуры обладают сверхпроводимостью после охлаждения.
-
Разработаны конструкции и технологии изготовления элементов криоэлектронных информационно-измерительных приборов на основе новых типов слоистых структур высокотемпературных сверхпроводников. Показано, что данные элементы, защищенные девятью патентами РФ на способ их изготовления, обладают лучшими характеристиками по сравнению с известными.
Практическая значимость работы определяется прикладным характером проведенных исследований, направленных на разработку новой технологии формирования многокомпонентных пленок и слоистых структур высокотемпературных сверхпроводников. Разработанные технологические процессы и изготовленные с их помощью ВТСП слоистые структуры внедрены в ЦНИТИ «Техномаш», ООО «НПП Поиск», Марийском государственном техническом университете. Характеристики разработанных технологических процессов и изготовленных с их помощью элементов криоэлектронных информационно-измерительных приборов превосходят существующие в настоящее время отечественные аналоги, что подтверждено девятью патентами РФ.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на: V, VIII, IX международных научно-практических конференциях «Современные информационные и электронные технологии» (Одесса, Украина, 2005, 2007, 2008); X, XI, XII Международных научно-технических конференциях «Высокие технологии в промышленности России» и XVI, XVII Международных симпозиумах «Тонкие пленки в электронике» (Москва, ОАО ЦНИТИ «Техномаш», 2004, 2005, 2006); Ежегодных научных конференциях по итогам научно-исследовательских работ МарГТУ (Йошкар-Ола, 2003-2008).
По теме диссертации опубликовано 31 печатная работа, из которых: 3 статьи в журналах, рекомендованных ВАК, 9 патентов РФ, 1 статья, депонированная в ВИНИТИ, 1 учебное пособие, 11 статей в сборниках международных конференций и 6 тезисов докладов.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Она изложена на 200 страницах машинописного текста и включает в себя 77 рисунков, 19 таблиц и список литературы из 252 источников.
