Разработка процесса получения ВТСП пленок для устройств функциональной электроники тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.27.06, кандидат технических наук Рыжов, Максим Вадимович

• Рыжов, Максим Вадимович
• кандидат технических наук
• 2003

Оглавление диссертации кандидат технических наук Рыжов, Максим Вадимович

Введение.

Глава 1. Литературный обзор.

1.1 Технология получения ВТСП-пленок.

1.1.1 Общий обзор используемых методов.

1.1.2 Ионно-плазменные методы. Распыление ионными пучками.

1.1.3 Термическое и реактивное напыление с использованием электронных пучков. Молекулярно-лучевая эпитак

1.1.4 Лазерное распыление.

1.1.5 Химическое осаждение. Другие методы.

1.1.6 Выбор подложек для ВТСП-пленок.

1.2 Некоторые свойства ВТСП-пленок.

1.3 Области применения структур ВТСП.

1.4 Краткие выводы по главе 1.

Глава 2. Получение ВТСП-пленок ВЧ-магнетронным методом.

2.1 Установка ВЧ-магнетронного напыления УВН-72РЗ.

2.2 Получение буферных слоев Хх02 и ЦТС.

2.3 Получение пленок системы У-Ва-Си-0.

2.4 Получение пленок системы ВьРЬ-Бг-Са-Си-О.

2.5 Краткие выводы по главе 2.

Глава 3. Методы исследования.

3.1 Методы измерения параметров.

3.1.1 Измерение толщины пленочных образцов.

3.1.2 Рентгенофазовый анализ (РФА) образцов.

3.1.3 Метод энерго-дисперсионной рентгеновской флюоресценции.

3.2 Стенд и методика измерения сверхпроводящих свойств пленочных образцов резистивным и индуктивным методами

3.2.1 Контактный метод.

3.2.2 Бесконтактный метод.70 «

3.3 Краткие выводы по главе 3.

Глава 4. Практическое применение результатов.

4.1 Применение ВТСП-элементов в телекоммуникациях.

4.2 Фильтры.

4.3 Микропрофилирование пленок системы У-Ва-Си-0.

4.4 Краткие выводы по главе 4.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка процесса получения ВТСП пленок для устройств функциональной электроники»

Сразу же после открытия высокотемпературной сверхпроводимости (ВТСП) началось активное обсуждение перспектив использования ВТСП-материалов. На сегодняшний день наиболее реальной представляется возможность широкого применения этих материалов в виде пленок. Сверхпроводящие дорожки в микроэлектронных устройствах, сверхпроводящие экраны, сквиды, детекторы излучений. Исследования в этом направлении развиваются очень интенсивно, и можно отметить, что качество пленок, достигнутое к сегодняшнему дню значительно выше, чем оно было в 80 - 90-х гг. Это касается и критических параметров пленок, и их структуры, и их морфологии.

Но не только перспектива практического использования привлекла к ВТСП-пленкам внимание исследователей и технологов. Пленки, особенно тонкие монокристаллические или текстурированные, представляют собой очень удобный объект для исследования многих физических свойств и характеристик ВТСП-материалов. Характер крипа и пиннинга магнитного потока, влияния этих эффектов на значение плотности критического тока, глубина проникновения магнитного поля в ВТСП-материалы, электронное туннелиро-вание, анизотропия и эффект Холла - это, далеко не полный, перечень физических свойств и процессов, исследованных с применением пленочных образцов [1-11].

Можно говорить и о синтезе новых ВТСП в виде пленок [12-15]. В ряде случаев такой метод синтеза может оказаться: во-первых, дешевле и эффективнее, чем синтез керамики; во-вторых, позволит синтезировать новые многослойные структуры, что при синтезе материалов в керамической форме сделать невозможно.

Целью работы является: разработка технологии получения тонкопленочных ВТСП керамических структур на основе систем У-Ва-Си-О и В1-РЬ-8г-Са-Си-0 для элементов функциональной электроники. Научная новизна работы состоит в следующем: - Впервые в России проведены систематические исследования с целью разработки технологии получения ВТСП слоев на кремниевых подложках для использования их в изготовлении устройств для радио- и сотовой связи:

- установлено, что для начального формирования требуемой стехиометрии ВТСП керамических пленок, получаемых методом ВЧ-магнетронного напыления, в атмосфере рабочего газа аргона, необходимо наличие кислорода в соотношении аргон : кислород = 4:1 при суммарном давлении 5-10'3 - 1-10"2 мм.рт.ст.;

- показано, что буферные слои цирконата-титананта-свинца можно использовать в качестве буферного слоя для получения сверхпроводящих структур.

- Впервые разработан процесс микропрофилирования пленок системы У-Ва-Си-О на кремниевых подложках. Практическая ценность работы:

1. Разработана технология ВЧ магнетронного напыления тонких пленок ВТСП на кремниевых подложках с использованием различных буферных слоев.

2. Разработаны конструкции и изготовлены установки для измерения магнитных и Я-Т-характеристик пленочных образцов ВТСП при комнатных и низких температурах.

3. Определены методики исследования сверхпроводящих и магнитных характеристик пленочных керамических образцов ВТСП.

4. Получены положительные результаты микропрофилирования пленок УВаСиО с применением стандартной технологии для кремниевых схем.

5. На основе полученных ВТСП керамических структур предложены конструкции функциональных устройств (СВЧ-фильтров). Совокупность представленных в диссертации данных позволяет сформулировать следующие научные положения, выносимые на защиту:

- Технология ВЧ магнетронного напыления пленок системы У-Ва-Си-0 и системы Вь-РЬ-8г-Са-Си-0 с добавкой серебра на кремниевых подложках с буферными слоями ХгС>2 и ЦТС с последующим отжигом.

- Результаты экспериментальных исследований влияния параметров процесса получения и термообработки на состав и сверхпроводящие свойства пленок.

Конструкции и методики измерения магнитных и Я-Т-характеристик пленочных образцов ВТСП при комнатных и низких температурах.

Процесс микропрофилирования пленок У-Ва-Си-О. Использование полученных пленочных структур в фильтрах для функциональных устройств телекоммуникаций.

Заключение диссертации по теме «Технология и оборудование для производства полупроводников, материалов и приборов электронной техники», Рыжов, Максим Вадимович

Основные результаты работы сводятся к следующему:

Выполнен анализ литературных публикаций зарубежных и отечественных авторов по методам получения пленочных структур ВТСП, характеристикам полученных слоев и областям применения ВТСП.

Показано, что интерес к разработке технологии получения пленок ВТСП с высокими параметрами т.е. качеством структуры, высокой температурой сверхпроводящего перехода, большой плотностью критического тока, существует по настоящий момент.

Основные сложности при получении ВТСП структур связаны с тем, что во-первых постоянно идет поиск оптимального состава сверхпроводящей керамики, следовательно необходимо постоянно менять параметры процесса, такие как (на примере ВЧ-магнетронного распыления) давление газа в рабочей камере, состав рабочего газа, используемые подложки, геометрические параметры расположения в камере подложки и мишени, необходимый состав мишени для получения задуманной стехиометрии пленки, необходимость стадии дополнительного отжига и его параметров (времени и температуре, а также среде в которой его проводить). Во-вторых, многокомпонентность ВТСП керамики тоже вносит свои сложности в процесс получения из-за разных физических свойств каждого элемента. В третьих, разные требования предъявляемые к конечному качеству получаемых слоев.

Рассмотрены различные методы получения ВТСП пленок, указанны на их технологические особенности и параметры влияющие на критические параметры получаемых слоев. Обзор показал, что наиболее подходящим методом получения пленок для приборов микроэлектроники является метод ВЧ-магнетронного распыления. В обзоре уделено особое внимание этому методу.

Показано, что на свойства пленок УВСО, ВР8ССО и ЦТС, получаемых методом магнетронного напыления, влияют различные технологические параметры: материал подложки, температура подложки при напылении, состав и давление атмосферы в камере, положение подложки относительно мишени, температура и время отжига пленки. Также большое влияние оказывают состав и толщина буферных слоев.

Показано, что важнейшее направление внедрения ВТСП керамики систем У-Ва-Си-0 и В¡-РЬ-8г-Са-Си-0 - это применение ряда устройств, работа которых основана на реализации макроскопических квантовых эффектов, в первую очередь эффекта Джозефсона. Работающие при температуре жидкого азота ВТСП приборы позволят существенно (на 1 - 2 порядка) поднять уровень чувствительности в области электрических и магнитных измерений, который в настоящее время обеспечивается полупроводниковыми элементами. В первую очередь следует отметить создание образцовой аппаратуры для автономного воспроизведения размера единицы ЭДС, изготовление сквидов и сверхчувствительных магнитометров на их основе, сверхмалошумящих операционных усилителей, высокочувствительных компараторов, преобразователей ряда физических величин в электрические и т.п.

В ходе экспериментальной части работы были подобраны технологические параметры проведения напыления буферных слоев ХгОх и ЦТС на подложки кремния. Установлено, что пленки гг02 получаемые в атмосфере аргона являются металлическими, а для получения оксидных пленок нужно добавление в атмосферу рабочего газа кислорода в соотношении к аргону 1 : 4. Для получения подслоев ЦТС также необходимо смешивание рабочих газов аргона и кислорода, но помимо этого требуется нагрев подложки до температуры 630 °С и последующий отжиг в течении 30 минут при температуре 480 °С.

В работе выявлено и описано, что при получении пленок системы У— Ва-Си-О с воспроизводимыми характеристиками методом ВЧ-магнетронного напыления на подложках кремния с буферными слоями ЪтОг и ЦТС необходимо добавление в рабочий газ кислорода. А также для формирования необходимой сверхпроводящей фазы поместить полученную структуру в благоприятные условия: атмосферу кислорода при температуре 750 °С, что видно из представленных таблиц с технологическими параметрами и измеренными характеристиками полученных пленок.

Для получения пленок системы ЕИ-РЬ-Бг-Са-Си-О подложки кремния с подслоями 2Ю2 и ЦТС процесс также должен состоять из двух стадий: непосредственного напыления и последующего отжига. Напылять нужно на горячую подложку (800 °С) в атмосфере аргона с кислородом. Отжиг проводить не менее 10-15 часов на воздухе.

Для увеличения температуры критического перехода в сверхпроводящее состояние пленок системы В1-РЬ-8г-Са-Си-0 было использовано добавление небольшого количества серебра. Температура перехода колебалась в районе 110 К.

По результатам проведения процессов напыления всех выше упомянутых структур были построены зависимости параметров напыления пленок методом ВЧ-магнетронного распыления на свойства и характеристики получаемых структур.

Для измерения сверхпроводящих параметров получаемых слоев было сконструировано и собрано два измерительных стенда. Первый стенд базировался на так называемом «четырех контактном» методе измерении сопротивления. Измерения по этому методу давали температурную зависимость сопротивления образца из которой и определялись критические параметры структуры. Однако этот метод не мог работать с образцами процент содержания сверхпроводящей фазы которых не был около ста процентов.

Был разработан стенд в основу которого вошло измерение магнитной проницаемости исследуемых образцов при различных температурах. Сделаны градуировочные графики для определения процента содержания сверхпроводящей фазы в измеряемом образце. Приведены результаты измерений полученных в работе образцов.

Количественный состав изготовленных структур измерялся методом энерго-дисперсионной рентгеновской флюоресценции на установке "МЫРаГ. Выявлены и приведены зависимости состава получаемых пленок от параметров процесса напыления и последующего отжига.

Сформулированы требования, предъявляемые разработчиками радиокомпонентов к структурам ВСТП. Это низкие диэлектрические потери, низкое, низкое сопротивление пленок на высоких и сверхвысоких частотах, малая площадь подложки, малое поверхностное сопротивление.

Описаны требования, предъявляемые к ВТСП-фильтрам при их использовании в мультиплексорах, в мобильных сотовых и спутниковых системах связи:

• центральная частота ^ = 1 .4 ГГц.;

А /

• относительная ширина полосы частот: — = (0,03.2)% о

• передаваемая мощность - от 10 до 100 Вт;

• неравномерность АЧХ в полосе пропускания не менее 0,01 дБ.

Представлены топология и характеристики полосового фильтра полностью изготовленного из ВСТП-керамики системы У-Ва-Си-О. Описан принцип действия этого устройства.

Для создания прибора необходимо формирование необходимой топологии прибора на слоях ВТСП при этом не изменяя характеристики сверхпроводящего слоя. Нами был разработан процесс фотолитографии и травления ВТСП пленок основываясь на технологии широко используемой при работе с кремнием. Показано практически полное отсутствие влияния на свойства керамики проведение процесса микропрофилирования.

Заключение

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Рыжов, Максим Вадимович, 2003 год

1. Naito M., Smith D.P.E., Kirk M.D. e.a.//Phys. Rev. 1987. V.B35, N 13. p.7228-7231.

2. Laibowitz R.B., Coch R.H., Chaudhari P., Gambino R.J.//Ibid. N16. p.8821.

3. Oh B., Naito M., Arnason S. e.a.//Appl. Phys. Lett. 1987. V.51, N11. p.852-854.

4. Laibowitz R.B.// MRS Bull. 1989. V.XIV, N1. p.58-62.

5. Simon R.//Supercond. Industry. 1989 V.2, N1.

6. Geerk J., Xi X.X., Linker G.//Z.Phys. B-C.M. 1988. V.73. p. 329-336.

7. Enpuku K., Kisu T., Sako R. e.a.//Jap. J. Appl. Phys. 1989. V. 28, N6. p.L991-L993.

8. Anlage S.M., Sze H., Snortiand H.J. e.a.//Appl. Phys. Lett. 1989. V.54, N26. p.2710-2712.

9. Enomoto Y.T., Murukami T., Suzuki M., Moriwaki K.//Jap. J. Appl. Phys. 1987. V.26. p.L1247.

10. Baksht F.G., Ivanov V.G., Bacal M.//Plasma Sources Sei. Technol. V.7 1998. p.431-439.

11. Temprano D.R., Mesot J., Janssen S., e.a.//Eur. Phys. J. B V.19, 2001 p. 58.

12. Bozovic I., Eckstein J.N., Dessonneck K.E.//Alstracts of Euorop. Conf. High-Tc Thin Films, Poland, sept. 1989. Rep. B-35.

13. Chu C.W.//Journal of Superconductivity. V.12, N.l, 1999. p. 85-88.

14. Sagoi M., Terashima Y., Kubo K. e.a.//Jap. J. Appl. Phys. 1989. V. 28, N 3. p. L444-L447.

15. Terashima Y., Sagol M., Kubo K. e.a.// Ibid. V. 28, N 4. p. L653-L655.

16. Shirage P.M., Shivagan D.D., Pawar S.H.//Pramana J. of Fhys., V.58,96

17. N.5&6, 2002, p.l 191-1198.

18. Faley M.L., Gershenson M.E., Nevalskaya Y.E.//Alstracts of Euorop. Conf. High-Tc Thin Films, Poland, sept. 1989, Rep. C-13.

19. Kojima K., Kuroda K., Tanioku M., Hamanaka K.//Jap. J. Appl. Phys. 1989. V. 28., N 4. p. L643-L645.

20. Selinder T.I., Larsson G., Helmersson U. e.a.//Appl. Phys Lett. 1988. V. 52, No 22. p. 1907-1909.

21. Adachi H., Ichikawa Yo, Setsune K. e.a.//Jap. J .Appl. Phys. 1988. V. 27, N 4. p. L643-L645.

22. Morita H., Watanabe K., Murakami Y. e.a.//Ibid. 1989. V. 28, N 4. p. L628-L630.

23. Muroi M., Matsui Т., Koinuma Y. e.a.//J. Mater. Res. 1989. V. 4, N 4. p. 781-786.

24. Shi W., Sun J., Liu L, Qi Zh//Supercond. Sc. Techn. 1989. V. 1. p. 312-315.

25. Terada N., Ihara H., Jo M. e.a.//Jap. J. Appl. Phys. 1988. V. 27, N 4. p. L639-L642.

26. Shirage P.M., Shivagan D.D., Pawar S.H.//Pramana J. of Fhys., V.58, N.5&6, 2002, p.l 183-1190.

27. Stockinger C., Markowitsch W., Lang W., e.a.//Phys. Rev. B, V.57, N.14, 1998, p.8702-8708.

28. Poppe U., Schubert J., Arons R. e.a.//Solid State Commun. 1988. V. 66, N 6. p. 661-665.

29. Deneffe К., Beyne E., Roggen J., Borghs G.//Int. Conf. Materials and Mechanisms of Superconductivity High-Temperature Superconductors (MS). Stanford: CA, 1989. Rep. 3A-27.

30. Алфеев B.H., Колесник B.B., Митин Б.С. и др.//1 Всесоюзн. семинар «Сверхматрица», М. 1989. с. 175.

31. Mochiku Т., Kanke Y., Wen Z. e.a.//Jap. J. Appl. Phys. 1988. V. 27, N 9. p.9733,34,35,36,1.38,39,40,4144