Исследование и разработка технологии получения пленок высокотемпературного сверхпроводника состава (Bi,Pb)2Sr2Ca2Cu3O10 методом магнетронного нанесения тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.27.06, кандидат технических наук Верюжский, Иван Васильевич

• Верюжский, Иван Васильевич
• кандидат технических наук
• 2012

Оглавление диссертации кандидат технических наук Верюжский, Иван Васильевич

Список обозначений и сокращений.

Введение.

1 Электрофизические свойства высокотемпературного сверхпроводника состава В128г2Са2СизОю. Основные методы получения в пленочном виде.

1.1 Сверхпроводниковые пленки системы В1(РЬ)8гСаСиО. Их основные свойства.

1.2 Влияние материала подложки на сверхпроводящие свойства пленок В1(РЬ)8гСаСиО.

1.3 Основные методы получения пленок состава В1(РЬ)8гСаСиО.

1.3.1 Термическое испарение.

1.3.2 Метод молекулярно-лучевой эпитаксии.

1.3.3 Лазерное испарение.

1.3.4 Химические методы осаждения.

1.3.5 Магнетронное нанесение.

1.4 Формирование ВТСП пленок В1(РЬ)8гСаСиО при термической обработке.

Выводы по главе 1.

2 Моделирование процессов магнетронного нанесения многокомпонентных пленок.

2.1 Моделирование процессов распыления мишени.

2.2 Перенос атомов от мишени к подложке.

2.3 Осаждение на подложку.

2.4 Программа расчета и проверка адекватности модели.

2.4.1. Проверка адекватности модели.

Выводы по главе 2.

Список обозначений и сокращений

ВТСП - высокотемпературный сверхпроводник

SQUID - Superconducting Quantum Interference Device — «сверхпроводящий квантовый интерферометр

Bi-2223 - Сверхпроводник состава Bi(Pb)2Sr2Ca2Cu30x, где х~

Bi-2212 - Сверхпроводник состава Bi(Pb)2Sr2Ca2Cu20x, где х~

Y-123 - Сверхпроводник состава У^агСизОх, где х~

KJITP - коэффициент линейного температурного расширения

ГТХО - плазмохимическая обработка

ГТГС - парогазовая смесь

CVD - осаждение из парогазовой смеси

МВЕ - молекулярно-лучевая эпитаксия

PLD - метод лазерного осаждения

Liquid epitaxy - жидкофазная эпитаксия

Spray Pyrolysis - напыление из спрея

MOCVD - метод химического осаждения

MPC - магнетронная распылительная система

ВРМ - встречно размещенные распылительные системы

In Situ - метод изготовления пленок в одну стадию

Ex Situ - метод изготовления пленок в две стадии

А - нормировочная постоянная

Ат - атомная масса распыляемого материала а - параметр ячейки газовой смеси ар - параметр решетки

В - вектор индукции магнитного поля b - прицельный параметр

С; -атомная концентрация i-ro компонента

Оеф - диаметр сферы в которой происходит столкновение dAr - элемент подложки dAc - элемент мишени

1 - толщина образца (пленки)

Есв - энергия связи

Е0 - энергия распыленного атома - энергия бомбардирующего мишень иона

Етах - максимально возможная энергия вылетевших атомов

Еа - энергия десорбции — вектор напряженности электрического поля

АЕ - изменение энергии распыленного атома после столкновения е - заряд электрона f - магниточувствительность g - отношение масс распыленного атома и атома газа

Нс - критическое магнитное поле

Ь - расстояние мишень-подложка

ТС - плотность критического тока

1ра - плотность потока распыленных атомов

ВД - плотность ионного тока на поверхности мишени на расстоянии х от оси магнетрона

1ат - плотность потока атомов падающих на поверхность подложки ]е - плотность ионизирующих электронов КЭф - эффективный коэффициент распыления к - постоянная Больцмана

1 - расстояние от центра подложки до элемента ёАг Ь - расстояние на подложке М - масса распыляемого атома ш - масса атома газа с1М(г) - средняя масса вещества распыляемая из элемента <1А в единицу времени в пределах телесного угла 2ж Ме - масса испаренного вещества Ма - число Авогадро

1Ча1 - концентрация атомов или молекул рабочего газа N - общее количество частиц в плазме газового разряда пе - плотность ионизирующих электронов nx, ny nz - номер узла атома газа по координатам X, Y,Z Р - давление

RaT - радиус распыленного атома Rar - радиус атома газа RM - радиус мишени R - сопротивление образца

Ro - сопротивление образца при комнатной температуре Rr - универсальная газовая постоянная г - расстояние от мишени до элемента подложки dAr rk -расстояние на поверхности мишени от оси магнетрона S - площадь чувствительного элемента Т - температура

Тс - критическая температура (перехода материала в сверхпроводящее состояние) Тсо - температура начала перехода в сверхпроводящее состояние Тсе - температура конца перехода в сверхпроводящее состояние t - время ир - напряжение разряда V - объем

Va - скорость, характеризующая вылетевший атом Vp - скорость распыления материала мишени по глубине Ve - скорость электронов

Vn - продольной составляющая скорости электрона Vi. - поперечная составляющая скорости электрона Vcp — средняя арифметическая скорость атомов газа z - условная граница плазмы zK - уровень катода-мишени а — угол между направлением магнитного поля и перпендикуляром к подложке ат - коэффициент аккомодации ß - угол рассеяния у - случайная величина, имеющая равномерный закон распределения на интервале [0-1]. - диэлектрическая постоянная

0о -Угол между направлением вылета атома и нормалью к мишени X - длина свободного пробега V; - частота ионизации уа - частота колебания адсорбированного атома £ - длина когерентности я - число Пи р - плотность материала;

О; - сечение ионизации при столкновении электронов с атомами

Фо - квант магнитного потока фо - азимутальный угол вылета атома

X - константа, зависящая от массы ударяющего и распыленного атомов у (Е0) - вероятность выхода атома с энергией Е

Аг) - вероятность столкновения распыленного атома с атомом аргона \[/(02) - вероятность столкновения распыленного атома с атомом кислорода £1 - угол падения с1о) - пространственный (телесный) угол

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование и разработка технологии получения пленок высокотемпературного сверхпроводника состава (Bi,Pb)2Sr2Ca2Cu3O10 методом магнетронного нанесения»

Практическое использование высокотемпературных сверхпроводников в электронике в основном ограничивается возможностями технологии формирования сверхпроводниковых структур с требуемыми для коммерческого использования характеристиками. Известные в настоящее время типы сверхпроводников с критической температурой выше температуры кипения азота (77К) имеют сложный многокомпонентный состав и кристаллическую решетку. Все эти сверхпроводники хрупкие.

В настоящее время наиболее развита технология изготовления высокотемпературного сверхпроводника и изделий на его основе для систем У,Ва2Сиз07 (У-123) и В128г2Са1Си208. Однако температура перехода в сверхпроводящее состояние у этих систем около 90 К. Если для охлаждения использовать дешевый и доступный жидкий азот, то рабочая температура будет отличаться от критической всего на 14 % и эксплуатационный запас устойчивости недостаточный.

Высокотемпературный сверхпроводник состава (В^РЬ^ГгСагСизОю (Вь 2223) имеет температуру перехода в сверхпроводящее состояние выше 100 К, что при охлаждении жидким азотом позволяет получить устойчивое проявление квантовых эффектов. Этот сверхпроводник не деградирует под действием окружающей среды. В сверхпроводнике на основе висмута экспериментально подтверждены эффекты, связанные с чередованием сверхпроводящих и диэлектрических слоев в кристаллической решетке. Это явление рассматривается как внутренний переход Джозефсона и имеет большие перспективы использования для создания активных элементов. Однако удельный вес исследований в области технологии формирования высокотемпературного сверхпроводника состава Вь 2223 невелик. Отсутствует устойчивая технология изготоления сверхпроводниковых слоев с толщиной менее 100 нм с преимущественным содержанием фазы В ¡-2223. Отсутствуют исследования проблем, связанных с получением электронных структур на большой площади. Все выше сказанное определяет актуальность представленной работы.

Цель работы - разработка технологии изготовления тонких ВТСП пленок фазы (В^РЬ^ГгСагСизОш методом магнетронного нанесения для создания электронных приборов на их основе.

Достижение указанной цели потребовало решения следующих задач:

1. Разработка математической модели для расчета распределения многокомпонентного состава на подложке при магнетронном распылении.

2. Расчет и оптимизация конструкции распылительной магнетронной системы для получения равномерного слоя сверхпроводника стехиометрического состава Вь2223 на подложке диаметром 50 мм.

3. Разработка способа изготовления многокомпонентной мишени состава (В1,РЬ)28г2Са2Сиз01 о с хорошим теплоотводом.

4. Исследование и обоснование технологических режимов осаждения пленок с требуемым стехиометрическим составом Вь2223 в широком диапазоне давлений газовой смеси.

5. Исследование процессов, протекающих в многокомпонентном слое, и разработка технологии высокотемпературного отжига пленок для формирования кристаллической структуры сверхпроводниковой фазы Вь 2223.

6. Исследование электрофизических характеристик, полученных по предложенной технологии пленочных структур фазы В1-2223.

Научная новизна полученных результатов заключается в следующем:

1. Разработана математическая модель, предназначенная для расчета однородности толщины и состава многокомпонентных пленок сверхпроводника на подложке при магнетронном нанесении.

2. Разработан способ изготовления многокомпонентной мишени из сверхпроводника состава (В^РЬ^^СагСизОю, имеющей хороший теплоотвод и устойчивой к разрушению при проведении процесса распыления. Новизна научно-технических решений защищена патентом РФ.

3. Экспериментально установлены аналитические зависимости, связывающие технологические режимы магнетронного нанесения пленок с составом многокомпонентной смеси на подложке.

4. Получены данные о процессах в многокомпонентной пленке состава (В^РЬ^БггСагСизОю при высокотемпературном отжиге. Предложена методика формирования кристаллической структуры сверхпроводника фазы В1-2223 с помощью высокотемпературного рекристаллизационного отжига.

5. Получены данные об электрофизических и структурных свойствах пленок сверхпроводника фазы В1-2223, изготовленных по разработанной методике.

Практическая значимость работы:

1. Предложен метод получения на монокристаллической подложке сверхпроводниковых пленок В1-2223 с критической температурой выше 100 К, свойства которых позволяют их использовать для изготовления элементов электронной техники.

2. Оптимизирована конструкция магнетронной распылительной системы, которая позволяет получать однородные по толщине и составу многокомпонентные пленки (В^РЬ^ГгСагСизОю на подложках диаметром 50 мм.

3. Предложен способ изготовления устойчивой к растрескиванию мишени для магнетронного метода нанесения многокомпонентных пленок сверхпроводника системы В1(РЬ)8гСаСиО.

4. Получены данные о критических температурах, плотностях тока и магнитных свойствах пленок 2223, которые могут быть использованы при разработке элементов электронной техники.

5. Продемонстрирована возможность изготовления сверхпроводниковых электронных элементов на основе пленок сверхпроводника Вь2223.

Изготовлены экспериментальные образцы структур магниточувствительность которых составляла 6x10"11 Тл.

Личный вклад автора.

Автору принадлежит решение задач, перечисленных в разделе цель исследования и основные задачи. Это разработка модели нанесения пленок при магнетронном распылении многокомпонентной мишени, оптимизация конструкции магнетронной распылительной системы (MPC), модернизация установки магнетронного нанесения ВТСП пленок (Bi,Pb)2Sr2Ca2Cu3Oi0, разработка способа изготовления мишени для магнетронного распыления, определение технологических параметров, при которых формируется пленка заданного состава, разработка технологии высокотемпературного отжига нанесенных пленок с целью формирования структуры сверхпроводника, формулировка критериев выбора параметров отжига, при которых происходит преимущественный рост высокотемпературной фазы 2223, выполнение большей части экспериментов, анализ результатов, формулировка научных положений и выводов, выносимых на защиту.

Достоверность научных положений, результатов и выводов.

Достоверность и обоснованность результатов работы подтверждена: комплексным характером проведенных исследований, сравнительными результатами исследований методами электронной и атомно-силовой микроскопии, рентгенофазового анализа.

Полученные экспериментальные результаты и предложенные методики не противоречат известным теоретическим моделям и представлениям, которые были экспериментально подтверждены. Их корректность подтверждается результатами других исследователей. Все исследования проведены на сертифицированном оборудовании.

Внедрение результатов работы.

Результаты диссертационной работы используются в ООО «Вортис», ЗАО «Импеданс» для изготовления датчиков магнитного поля, а также в учебном процессе МИЭТ.

Положения выносимые на защиту:

1. Технология получения на подложке MgO эпитаксиальных сверхпроводящих пленок состава (Bi,Pb)2Sr2Ca2Cii30 ю толщиной менее 100 нм с критической температурой выше 100 К на основе метода магнетронного распыления.

2. Метод расчета конструктивных параметров системы магнетронного распыления для получения однородных по составу и толщине многокомпонентных пленок.

3. Технология формирования кристаллической структуры сверхпроводника (Bi,Pb)2Sr2Ca2Cu3Oi0 с преимущественным содержанием этой фазы при термической обработке.

4. Результаты экспериментальных исследований электрофизических и магнитных свойств полученных структур сверхпроводника (Bi,Pb)2Sr2Ca2Cu3O10.

Апробация работы.

Основные научные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на различных международных и всероссийских научных конференциях в частности:

- НТК «Микроэлектроника и информатика» (Москва 2005г., 2006г., 2007г., 2009г., 2011г.);

- НТК «Микроэлектроника и наноинженерия» (Москва 2008г.);

- НТК «Физика и технология микро- и наносистем» (Санкт-Петербург 2010г.);

- НТК "Proceedings of "Nauka i inowacja-2011" (Przemysl, 201 lr.)

Результаты работы отмечены дипломами ряда конференций и конкурсов научных работ.

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 16 печатных работ: 5 статей в журналах, в том числе одна в зарубежном журнале, 9-в трудах конференций, 2 патента РФ. 2 статьи опубликовано в журналах, входящих в Перечень ВАК. Результаты диссертационной работы вошли составной частью НИР по бюджетным договорам:

886-ГБ-53-Б, №917-ГБ-061-РНП-СПМЭ, №891-ГБ-53-Б-СПМЭ, №НК-739П.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка цитируемой литературы и приложений. Содержание диссертации изложено на 163 страницах и включает: 67 рисунков, 17 таблиц и список использованных источников, включающий 148 наименований. В приложениях содержатся акты о внедрении результатов диссертационной работы.