"Толстые" пленки YBa2 Cu3 O7- δ для криоэлектроники тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.27.02, кандидат технических наук Тумаркин, Андрей Вилевич

• Тумаркин, Андрей Вилевич
• кандидат технических наук
• 1998

Оглавление диссертации кандидат технических наук Тумаркин, Андрей Вилевич

Оглавление

Введение 4 Глава 1. Методы получения и исследования

высокотемпературного сверхпроводника \ Ba2Cu3O7_5

1.1 Структура и физические свойства материала УВСО

1.2 Методы получения высококачественных пленок УВСО

1.3 Особенности получения толстых пленок УВСО

1.4 Методы исследования структуры и состава пленок

1.4.1 Метод рентгеновской дифрактометрии

1.4.2 Электронный микроанализ

1.4.3 Резерфордовское обратное рассеяние 43 •

1.5 Методы исследования электрофизических

характеристик пленок 46 Глава 2. Получение и исследование толстых пленок УВСО

2.1 Буферные слои для пленок УВСО на сапфире

2.2 Технологический процесс получения пленок УВСО

2.3 Исследование состава, структуры и морфологии

пленок УВСО различной толщины

2.3.1 Исследования структуры пленок различной толщины методом рентгеновской дифрактометрии

2.3.2 Исследование пленок методом электронной

микроскопии

2.3.3 Исследование пленок УВСО различной толщины методом Резерфордовского обратного рассеяния

Глава 3. Исследование электрофизических характеристик

пленок УВСО различной толщины

3.1 Исследование СВЧ поверхностного сопротивления

в пленках УВСО различной толщины

3.2 Исследование критической плотности тока

в пленках УВСО различной толщины

Заключение

Список литературы

Приложение 1. СВЧ криоэлектронные элементы на основе толстых пленок УВа2Сиз07-8

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «"Толстые" пленки YBa2 Cu3 O7- δ для криоэлектроники»

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время явление сверхпроводимости широко применяется для создания различных электронных приборов и устройств. Практическое использование сверхпроводимости является важной и актуальной задачей. Поэтому открытие Беднорцем и Мюллером сверхпроводимости в сложных металлических оксидах в 1986 г. привело к резкому росту исследовательской деятельности многих лабораторий мира. Одним из преимуществ этого открытия явилось то, что для новых сверхпроводниковых материалов в качестве охлаждающей среды применяется широко распространенный и относительно дешевый жидкий азот, вместо дорогостоящего жидкого гелия. Это позволило значительно продвинуться в практическом применении сверхпроводимости и в области ее изучения как физического явления.

Усилия исследователей, направленные на синтез и исследование новых материалов, показали преимущества и недостатки этих материалов, а также перспективы их будущего применения. Традиционные сверхпроводники- это металлы, сплавы и интерметаллические соединения с температурами перехода в сверхпроводящее состояние (критическая температура) Т с ^ 20-24 К, в то время, как у сверхпроводящих материалов класса сложных металлических оксидов температура перехода Тс > 77 К -температуры кипения жидкого азота. Были синтезированы соединения из систем Y-Ba-Cu-O, Bi-Sr-Ca-Cu-O, Tl-Ca-Ba-Cu-O и Hg-Ba-Ca-Cu-O, имеющие температуры перехода Тс соответственно 90 К, 110 К, 125 К и 135 К. Эти материалы получили название: «Высокотемпературные сверхпроводники (ВТСП)».

Возможность работы ВТСП материалов при температуре жидкого азота привлекла внимание конструкторов электронных приборов. Это привело к тому, что уже сегодня спектр приборов на основе ВТСП пленок

достаточно широк. В настоящее время на базе ВТСП материалов реализованы: пассивные элементы сверхвысокочастотного (СВЧ) диапазона (передающие линии и линии задержки, резонаторы, фильтры, ограничители и др.), управляемые СВЧ приборы (переключатели, фазовращатели), СВЧ активные (нелинейные) элементы (детекторы и смесители на основе Джозефсоновских контактов), болометры для детектирования инфракрасного излучения, СКВИД-ы для магнитометров.

Наиболее широкое применение нашли СВЧ пассивные элементы. Основной предпосылкой для этого является низкий уровень электрических потерь в ВТСП пленках в широком диапазоне частот. В настоящее время одним из самых перспективных ВТСП материалов является оксид УВа2Сиз07_5, технология которого достаточно хорошо изучена. Однако, для создания приборов СВЧ диапазона на основе высокотемпературного сверхпроводника УВагСизОу-а требуются пленки, обладающие высокими критическими параметрами, структурным совершенством и, прежде всего, низким значением поверхностного сопротивления в рабочем диапазоне частот. При этом для локализации поля в пленке и уменьшения СВЧ потерь толщина пленки должна превосходить несколько Лондоновских глубин проникновения Для "идеального" кристалла УВагСизОу-з, ориентированного осью с элементарной ячейки перпендикулярно поверхности (оориентация), величина A,l составляет по разным данным от 1400 А до 2000 А [1] при 77 К, и увеличивается при наличии любых дефектов структуры в реальной пленке - таких, например, как включения зерен другой ориентации. Это означает, что для СВЧ применений необходимо получать пленки толщиной не менее 0,4 мкм или так называемые «толстые» пленки.

Дальнейшее применение этих пленок непосредственно связано с возможностями снижения их СВЧ поверхностного сопротивления, в том

числе т.н. остаточных потерь, определяемых свойствами самого материала, а также наличием примесей и дефектов. Обнаружение причины их появления является важной задачей, требующей сочетания разных методов анализа состава и структуры пленок. Решение данной задачи позволит получить возможность управления свойствами ВТСП пленок и структур посредством вариации технологических параметров их получения.

Основными методами получения пленок ВТСП являются:

• электронное испарение из трех источников;

• молекулярно-лучевая эпитаксия;

• металлоорганическое осаждение из газовой фазы;

• лазерное испарение;

• магнетронное распыление с его разновидностями:

- из трех независимых источников,

- из одной нестехиометричной мишени,

- «off» и «оп-axis» из одной стехиометрической мишени,

- «off-axis» из двух стехиометрических мишеней,

- из одной стехиометрической цилиндрической мишени.

Получение пленок методом магнетронного распыления мишени

стехиометрического состава, является одним из самых распространенных методов, благодаря следующим преимуществам:

• простота реализации,

• низкая стоимость оборудования,

• возпроизводимость результатов,

• управляемость процессов роста, через регулирование параметров осаждения (напряжение и ток разряда, температура подложки, рабочее давление, расстояние мишень-подложка и др.)

Т.о. разработка процесса получения пленок УВСО толщиной более 0,4 мкм методом магнетронного распыления, а также изучение структурных и электрофизических характеристик пленок и их взаимосвязи с технологическими параметрами являются несомненно актуальными и представляют собой интерес как с научной, так и с практической точек зрения. Практическое значение такие исследования имеют для технологии получения пленок ВТСП различной толщины и для создания приборов на их основе. С научной точки зрения, оптимизация технологии пленок ВТСП, позволяющая получать совершенные по структуре и электрическим параметрам пленки, предоставит возможность более детального изучения высокотемпературной сверхпроводимости.

Наряду с этим нужно отметить, что большое количество рабочих параметров и широкие диапазоны их варьирования при ионно-плазменном осаждении требуют комплексных экспериментальных исследований при выборе необходимых технологических режимов. Т.О. целью настоящей работы явилась разработка и исследование технологического процесса получения высококачественных «толстых» пленок УВСО на сапфире методом магнетронного распыления на постоянном токе, а также комплексное исследование структурных и электрофизических характеристик пленок и их взаимосвязи с технологическими параметрами процесса.

В связи с этим в данной диссертационной работе решаются следующие задачи:

1. Исследование взаимосвязи технологических режимов со структурными и электрофизическими характеристиками «толстых» пленок УВСО,

2. Экспериментальные исследования, направленные на определение технологических режимов получения «толстых» пленок YBCO на сапфире методом магнетронного распыления,

3. Исследование возможности создания приборов криоэлектроники на основе «толстых» пленок YBCO.

Способы решения поставленных задач и полученные результаты рассмотрены в двух оригинальных главах диссертационной работы (соответственно гл. 2,3). Кроме этого, включена глава преимущественно обзорного характера (глава 1), в которой представлены современные достижения в области получения «толстых» пленок ВТСП. Особое внимание уделено зависимости структурных и электрофизических свойств пленок от толщины и исследованию возможности роста «толстых» пленок для их последующего применения в криоэлектронике. В приложении описаны приборы СВЧ диапазона, выполненные с использованием «толстых» пленок YBCO, полученных по данной технологии.

Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения, списка цитируемой литературы, включающего 112 наименований, и приложения. Работа изложена на 136 страницах машинописного текста, содержит 37 рисунков и 4 таблицы.

Научная новизна полученных результатов заключается в следующем:

• Разработан и исследован технологический процесс получения высококачественных «толстых» пленок YBCO методом магнетронного распыления на постоянном токе на подложках сапфира для криоэлектронных применений при температуре 77 К;

• Данным технологическим методом получены «толстые» пленки YBCO толщиной до 2,6 мкм высокого структурного и электрофизического совершенства, полностью с-ориентированные, что подтверждается

анализом состава, структуры, поверхности и электрофизических свойств пленок;

• На основе «толстых» пленок УВСО, полученных данным способом, разработаны и испытаны на практике криоэлектронные приборы.

Разработанный технологический процесс получения высококачественных «толстых» пленок сверхпроводника УВагСизСЬ-з методом магнетронного распыления на постоянном токе имеет большое практическое значение. Предложенный метод позволяет получать эпитаксиальные полностью с-ориентированные пленки высокого структурного и электрофизического совершенства толщиной более 0,4 мкм на сапфире. На основании полученных в работе результатов разработаны рекомендации по технологии получения эпитаксиальных «толстых» пленок УВСО высокого качества. На базе данных «толстых» пленок УВСО в Санкт-Петербургском Электротехническом Университете разработаны и изготовлены криоэлектронные приборы СВЧ диапазона.

По результатам данной работы на защиту выносятся следующие научные положения:

1. Формирование на начальных этапах осаждения пленок УВСО вторичной диэлектрической фазы (СиО), играющей роль стока дефектов в растущей пленке, обеспечивает получение на подложках г-ориентированного сапфира методом магнетронного распыления «толстых» пленок УВСО высокого структурного совершенства. Устойчивое формирование вторичной фазы носит пороговый характер и определяется плотностью потока компонентов на начальных этапах роста пленок.

2. Скорость роста «толстых» пленок УВСО. высокого структурного совершенства на подложках г-ориентированного сапфира методом магнетронного распыления ограничена и не превышает 15 А/мин.

3. Метод магнетронного распыления позволяет получать «толстые» пленки УВСО, (толщиной до 2,6 мкм), характеризующиеся низкими значениями поверхностного сопротивления (менее 50 мОм на частоте 60 ГГц, при температуре 77 К) и высокими значениями средней плотности критического тока (до 3,4 МА/см2 при температуре 77 К), что делает возможным их использование в устройствах криоэлектроники.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на:

X Международном трехстороннем Германско-Российско-Украинском семинаре по высокотемпературной сверхпроводимости (Россия, Нижний Новгород, 1997);

X Международной конференции по вакуумной, электронной и ионной технологии (Болгария, Варна, 1997);

V Международном семинаре по СВЧ применениям высокотемпературных сверхпроводников (Россия, С Петербург, 1998);

Международном симпозиуме по прогрессу в электромагнитных исследованиях (Франция, Нант, 1998);

Международной конференции «Вакуум 98» (Украина, Гурзуф, 1998);

XI Международном трехстороннем Германско-Российско-Украинском семинаре по высокотемпературной сверхпроводимости (Германия, Гетгенген, 1998)

Научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета им. В.И. Ульянова (Ленина) (С. Петербург, 1996-1998гг.)

Публикации: По материалам диссертации опубликовано 11 научных работ, из них 5 статей и 6 тезисов докладов.

Заключение диссертации по теме «Вакуумная и плазменная электроника», Тумаркин, Андрей Вилевич

• результаты работы однозначно показывают перспективность получения качественных пленок YBCO, методом ионно-плазменного распыления и использования «толстых» пленок данного сверхпроводника в СВЧ технике,

• многие результаты, полученные в данной работе, являются уникальными и могут оказаться полезными широкому кругу специалистов в области получения пленок YBCO для криоэлектронных применений,

• задачи, поставленные перед автором, выполнены в полном объеме,

• результаты, полученные в рамках данной работы и опубликованные в отечественных и зарубежных научных изданиях, вызвали большой интерес специалистов и предложения о сотрудничестве, что позволяет надеяться на продолжение исследований в данной области.

В заключение автор хотел бы выразить глубокую благодарность Е.К. Гольману и C.B. Разумову, без которых данная работа была бы невозможна, В.А. Вольпясу, Д.А. Плоткину, А.Б. Козыреву, О.Г. Вендику, С.Ф. Карманенко, Т.Е. Самойловой, за ценные обсуждения, М.А. Яговкиной, И.Т. Серенкову, О.Ю. Буслову, Д.П. Довганю, М.М. Гайдукову за проведенные исследования, а также всем, принимавшим участие в проведении данной работы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертационная работа посвящена исследованию технологического процесса получения пленок сверхпроводника УВагСизСЬ-б толщиной более 0,4 мкм с высокими структурными и электрофизическими характеристиками методом ионно-плазменного напыления на сацфире для использования в криоэлектронике.

Для выполнения поставленной задачи проведены комплексные исследования взаимосвязи параметров технологического процесса со структурными и электрофизическими свойствами пленок и на основании исследований разработан метод получения «толстых» пленок УВСО магнетронным распылением на постоянном токе. Результаты проведенных исследований позволяют сделать следующие выводы:

1. Разработанный подход к процессу получения «толстых» пленок УВСО (необходимость формирования начальной структуры пленок при малой плотности потока компонентов) позволяет получать пленки УВСО, дефектность и напряженность которых уменьшаются с увеличением толщины до 2,6 мкм.

2. Все полученные пленки обладают высоким структурным совершенством и являются преимущественно с - ориентированными.

3. Данные электронной микроскопии позволяют сделать вывод о существовании макродефектов - островках вторичных фаз (на начальных этапах), перерастающих в поры по мере роста пленки.

4. структурное качество пленок улучшается с увеличением толщины, по-видимому, за счет включений вторичных фаз, являющихся стоками дефектов и напряжений, что подтверждается уменьшением относительного количества а- ориентированных зерен, уменьшением ширины дифракционного пика, уменьшением отношения каналированного и неканалированного сигналов в спектре РИСЭ.

5. Наличие минимума в зависимостях ширины дифракционного пика и отношения каналированного и неканалированного сигналов в спектре РИСЭ от толщины пленки для скорости роста 15 А/мин говорит о наличии оптимальной площади поверхности, занимаемой макродефектами при толщине ~ 1,3 мкм и об дальнейшем ухудшении качества пленок.

6. Все исследуемые пленки УВСО толщиной от 0,18 до 2,6 мкм продемонстрировали поверхностное сопротивление меньше 50 мОм на 60 ГГц и 77 К, что является удовлетворительным для СВЧ применений.

7. Высокие значения плотности критического тока для пленок толщиной >0,4 мкм (до 3,4 МА/см ) делают их перспективным материалом для приборов повышенной мощности.

8. Исследования электрофизических характеристик пленок подтверждают выводы главы 2 относительно улучшения свойств пленок с увеличением толщины (при скоростях роста 3,1 и 10 А/мин- для всех пленок, при скорости роста 15 А/мин - только до толщины ~ 1,3 мкм)

9. Для получения пленок высокого структурного совершенства методом магнетронного распыления на сапфире скорость роста пленок в технологическом процессе не должна превышать 15 А/мин, что подтверждается данными структурного анализа и электрофизических исследований.

10.Исследования поверхностного сопротивления, критических плотностей тока и мощностных характеристик однозначно показывают перспективность применения УВСО пленок, полученных вышеописанным технологическим методом, в приборах криоэлектроники. Пленки толщиной от 1 до 2,6 мкм, с одной стороны, демонстрируют высокие структурные и электрофизические характеристики и, с другой стороны, их толщина превышает Лондоновскую глубину проникновения, что является немаловажным для криоэлектронных применений. На базе пленок, полученных в рамках настоящей работы, разработаны и испытаны приборы криоэлектроники.

Подводя общий итог экспериментам и исследованиям, проведенным в данной работе, необходимо отметить:

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Тумаркин, Андрей Вилевич, 1998 год

Список литературы:

1. Vassenden F., Linker G. and Geerk J. Growth direction control in YBCO thin films // Physica C. - 1991. - V. 175. - P. 566-572.

2. Nakayama Y., Tsukada I., Maeda A. et al. Epitaxial growth of Bi-Sr-Ca-Cu-0 thin films by molecular beam epitaxy technique with shutter control // Japanese Journal of Applied Physics. - Part 1 [Regular Papers & Short Notes] - 1989. - Y. 28, № 10. - P. LI.

3. Ginley D.S., Kwak J.F., Hellmer R.P. et al. Superconducting thin films of Т12Са2Ва2СизОу and Tl2CaBa2Cu20y // Physica C. - 1988. - V. 156, - № 4. -P. 592-598.

4. Putilin S.N., Antipov E.V., Chmaissem O., and Marezio M. Superconductivity at 94 К in HgBa2Cu04+5 // Nature. - 1993. - V. 362. - P. 226-228.

5. Schilling A., Cantoni M., Guo J.D.and Ott H.R. Superconductivity above 130 К in the Hg-Ba-Ca-Cu-O system // Nature. - 1993. - V. 363. - P. 56-58.

6. Physics of High-Temperature Superconductors: Proceedings of the Toshiba

___ A

International School of Superconductivity (ITS ), Koyoto, Japan July 15-20, 1991, Maekawa S., Sato D. (eds.), Springer Verlag Berlin Heildelberg 1992.

7. Oyanagi Hiroyuki, Ihara Hideo, Matsubara Toshiya, Matsushita Tadashi, Hirabayashi Masayuki Local structure in orthorhombik and tetragonal Ba2YCu307_x // The role of oxygen vacancies for high Tc superconductivity // Jpn.J.Appl.Phys. - 1987. -Pt. 2, V.26, -N 7. -P.1223-1236.

8. SarmaD.D., Rao C.N.R. Nature of the copper species in superconducting YBa2Cu307. // Solid State Comm. - 1988. - V.65, N 1. - P. 47-49.

9. Balzarotti A., De Crescenzi M., Motta N, et al. Valence charge fluctuations in YBa2YCu3(>7_x film core-level spectroscopy // Phys.Rev.B. - 1988. -V.38.-P. 6461-6469.

10. Chakraverty В .К., Sarma D.D., Rao C.N.R., et al. Crucial role of Cu1+ ions and oxygen holes (peroxitons) in the high-temperature superconductivity of cuprates //Physica C. - 1988. - V.156. -P.413^19.

П.Вендик О.Г., Козырев А.Б., Самойлова Т.Б. и Попов А.Ю. Физические основы применения пленочных структур ВТСП // Высокотемпературная сверхпроводимость. Фундаментальные и прикладные исследования. Под ред. проф. А.А.Киселева. - JL: Машиностроение, 1990. - Т.1. - С. 7-60.

12.Константинов П.П., Ведерников М.В., Бурков А.Т. и др. Постоянная Холла, термо э.д.с. и электросопротивление УВагСизОт-х при температурах 100-450 К // ФТГ. -1988. - Т. 30, № 7. - С. 2233-2236.

13.Tarascon J.M., McKinnon W.R., Greene L.H. et al. Oxygen and rare-earth doping of the 90K superconducting perovskite УВа2Сиз07_х // Phys. Rev. B. - 1987. - V. 36, N 1. - P.226-234.

14.Beyers R., Shaw T.M. The structure of YBCO and its derivates // Solid State Physics. - 1989. - V. 42. - P. 16-19.

15.Tinkham M., Lobb C.J. Physical properties of the new Superconductors // Solid State Phys. - 1989. - V. 42. - P. 36-42.

16Jorgensen J.D. Defects and superconductivity in the cooper oxides // Physics Today. - 1991. - V. 34. - P. 76-80.

17.Hass K.C. Electronic structure of cooper-oxide superconductors // Solid State Phys. - 1991. - V. 42. - P. 46-52.

18.Batlog B. Physical properties of high-Tc superconductors // Physics Today. -1991.-V. 34.-P. 68-73.

19.Phillips J.C. Coherent resonant pinning, oxiden ordering and high-temperature superconductivity in the multilayer cuprates. // Phys. Rev. Lett. 1994. V. 72.-P. 3863-3870.

20.Claus H„ Braun M., Erb A. et al. The "90 K" platean of oxiden YBaCuO single crystals. // Physica C. - 1992. - V. 198. - P.42-50.

21.Jorgensen J.D., Veal B.W., Paulikas A.P. et al. Structural properties of oxiden-deficient YBaCuO. // Phys. Rev. B. - 1990. - V. B 41. - P. 18631870.

22.Kraus H., Gutsche M., Jochum J. and Kemmather B. Physics, fabrication, and characterization of thin films // Journal of Low Temperature Physics. ¡993. - V. 93, № 3-4. - P. 533-542.

23.Mage J.C., Marcilhac B., Mercandalli M. et al. Advances in the application of high Tc superconductors to microwave devices for analog signal processing // Journal de Physique III. - 1989. V. 3. - P 34-45.

24.Vendik O.G., Gaydukov, M.M., Kozyrev, A.B., Kolesov,S.G. Superconducting linear microwave circuits // Conference Proceedings. 18th European Microwave Conference 88. - 1988. - P. 27-37.

25.Likharev K.K. Progress and prospects of the superconductor electronics // Extended Abstracts of International Superconductivity Electronics Conference (ISEC '89). - 1989. - P. 5.

26.Karmanenko S.F., Davydov V.J. at al. The formation of two-layered YBCO films and their MW surface resistance // Supercond. Sci. Technol. 1993. V. 6, Nl.-P. 23-29.

27.Vendik O.G., Kozyrev A.B., Samoilova T.B., Hollmann E.K. et al. Modelling, simulation and measurement of nonlinearities in superconducting transmission lines and resonators // Journ. of Superconductivity. - 1997. -V. 10, №2.-P. 63-71.

28.0hkubo M., Kachi T., Hioki T. Epitaxial YBa2Cu3Ox thin films with x=6-7 by oxygen in-diffusion following laser deposition // Journal of Applied Physics. - 1990. - V. 68. - P. 1782-1786.

29.Korneev V.V., Monakhov E.V., Seleznev B.V. et al. Modification of structure, composition, and electrical properties of YBa2Cu30x//SrTi03 epitaxial films by laser pulses // Superconductivity: Physics - Chemistry. 1989.-V. 4.-P. 23-36.

30.Matijasevic V.C., Appelboom H.M., Mathu, F. et al MBE synthesis of YBa2Cu30y superconducting thin films // IEEE Transactions on Applied Superconductivity. - 1993. - V. 3. - P. 1524-1527.

31.Wang H.S., Eissler D., Dietsche W. at al. Investigation of MBE-grown high T/sub c/ films by RHEED, atomic force microscopy and X-ray diffraction // Journal of Crystal Growth. - 1993. - V. 127. - P. 655-658.

32.Shimizu T., Nonaka H., Arai, K. Thin film growth behaviour of YBa2Cu307_ □ in sequential deposition with high-purity ozone gas // Journal of Crystal Growth. - 1993. - V. 128. - P. 793-797.

33.Geerk J., Linker G., Meyer O. Epitaxial growth and properties of YBa2Cu307-x thin films // Material Science Reports. - 1989. - V. 4, № 5-6. -P. 193-260.

34.Jia C.L., Kabius B., Soltner A study of the microstructure of epitaxial heterostructures of YBa2Cu307 and PrBa2Cu307 // Physica C. - 1990. - V. 167.-P. 463-471.

35.Baudenbacher F., Karl H., Berberich P. and Kinder H. RHEED studies of epitaxial growth of YBCO-films prepared by thermal co-evaporation // Journal of the Less-Common Metals. - 1990. - V. 164-165. - P. 269-278.

36.Prusseit, W., Boatner, L.A., Rytz, D. Epitaxial YBa2Cu307 growth on KTa03 (001) single crystals // Applied Physics Letters. - 1993. - V. 63. - P. 33763378.

37.DiIorio M.S. Preparation of high-Tc YBa2Cu307_x thin films // Proceedings of the SPIE - The International Society for Optical Engineering. - 1990. - V. 1287.-P. 2-15.

38.Maul M., Schulte B., Haussler P. and Adrian H. YBa2Cu307_5 thin films on sapphire with buffer layers of Ce02 // Physica B. - 1994. - V. 194-196. - P. 2285-2286.

39.Virshup M.E., Kausmeier-Brown I., Bozovich and J.N. Eckstein Hysteretic, high-Tc Josephson junction using heterostructure trilayer films grown by molecular beam epitaxy. // Appl. Phys. Lett. - 1992. - V. 60. - P. 2288.

40.M.E. Kausmeier-Brown, G.F. Virshup, I. Bozovich, and J.N. Eckstein Enerirneering of ultrathin barriers in high-Tc trilayer Josephson junction. // Appl. Phys. Lett. - 1992. - V. 60. -P.2806-2810.

41.Технология тонких пленок, справочник под ред. Майссела Л., Глэнга Р. - М.: Сов. радио, 1977. - 664 с.

42.Ashkin М., Gavaler J.R., Greggi J. and Decroux M. The upper critical field of NbN films // J.Appl.Phys. - 1984. - V. 55, № 4. - P. 1044-1048.

43 .Чистяков Ю.Д., Райкова Ю.Н. Физико-химические основы технологии микроэлектроники. // М.: Металлургия, 1979. - 408 с.

44.Davis W.D., Vanderslise Т.A. Ion Energies at the Cathode of a Glow Discharges // Phys. Rev. - 1963. - V. 131, № 1. - P. 219-228.

45. Wang R.L., Wang C.A., Li H.C. and Li L. Epitaxially grown Ce02 films by RF sputtering // Proc. of the Beijing International Con-ference: High Temperature Superconductivity (BHTSC '92). - 1993. - P. 680-682.

46.G.K.Wehner and G.S.Anderson. Handbook of thin film technology // McGraw-Hill. - New York. - 1970.

47.Chromik S., Wuyts В., Vavra I. et al. Epitaxial YBa2Cu307 superconducting films, without twin planes on Y203/YSZ // Physica C. - 1994. - V. 226. - P. 153-158.

48.Sakharov L.G. Deposition of epitaxial films of multicomponent compounds by magnetron sputtering, with УВа2СизОу_б as an example. // Technical Physics. - 1993. - V. 38. - P. 617-622.

49.Asano H. High-temperature superconducting thin films preparation and properties of high-temperature superconducting films with a controlled epitaxial orientation. // NTT R&D.- 1994. - V. 43. - P. 21-30.

50.Schlom D.G., Anselmetti D., Bednorz J.G. et al. Defect-mediated growth of YBa2Cu307_5 films. // Evolution of Surface and Thin Film Microstructure Symposium - 1993. - P. 341-344.

51.Muralidhar G.K., Mohan Rao G., Mohan J. et al Characterization of YBa2Cu307_x thin films deposited by high-pressure oxygen sputtering. // Solid State Communications. - 1994. - V. 89. - P. 713-717.

52.Scherer T. Anisotropy of the oxygen out diffusion in partially untwinned YBCO thin films on NdGa03 Substrates. // Physica C. - 1994. - V. 219. - P. 363-365.

53.MacManus-Driscoll J., Geballe T.H., Bravman J.C. Understanding and electrochemical control of YBa2Cu30y_x thin film epitaxy on yttrium stabilized zirconia // J. App. Phys. - 1994. - V.75. - P. 412-422.

54.Hammond R.H., Borman R. Correlation Between the in situ Growth Conditions of YBCO Thin Films and the Thermodynamic Stability Criteria // Physica C - 1989. - V. 162-164. - P. 703-710.

55.Wehner G.K.and Anderson G.S. Handbook of thin film technology // McGraw-Hill. - New York. - 1970.

56.Westwood W.D. Glow discharge sputtering // Progress in surface science. -1977. - V.7. - P. 71-111.

57.Sakuta K., Iyori M., Awaji T. et al. Highly reliable epitaxial YBaCuO thin-films using pressure-controlled magnetron sputtering method // • IEEE Transactions on Magnetics. - 1991. - V. 27. - P. 1414-1417.

58.Westerheim A.C., Anderson C., Oates D.E. et al. Relation between electrical properties and microstructure of YBa2Cu307-x thin films deposited by singletarget off-axis sputtering. // J. Appl. Phys. - 1994. - V. 75, № 1. - P. 393403.

59.Sievers S., Mattheis F., Krebs H., Freyhardt H. Grain orientation in thick laser-deposited YBCO films: Adjustment of c-axis orientation // J. Appl. Phys. - 1995. - V. 78. - P. 5545-5548.

60.Carim A.H., Basu S.N. and Muenchausen R.E.. Dependence of crystalline orientation on film thickness in laser-ablated YBCO on LaA103 // Appl. Phys. Lett. - 1991. - V. 58. - P. 871-873

61.Garcia-Gonzalez E., Wagner G., Reedyk M., Habermeier H.-U. Microstructural analysis of YBCO thin films deposited on SrTi03 and LaA103 substrates by off-axis magnetron sputtering // Appl. Phys. - 1995. -V. 78.-P. 353-359.

62.Nieh C.W., Anthony L., Josefowicz J.Y. and Krajenbrink F.G. Microstructure of epitaxial YBCO films. // Appl. Phys. Lett. - 1990. - V. 56. -P. 2138-2140.

63. Yusuke Niiori, Yasuji Yamada, Izumi Hirabayashi. Low temperature LPE growth of YBCO thick film on silver substrate using saturated Ba-Cu-O-F flux // Physica C. - 1998. - V. 296. - P. 65-68.

64.Pennycook S.J., Chisholm M.F. et al. Growth and relaxation mechanisms of YBCO films // Physica C. - 1992. - V. 202. - P. 1-11.

65.Zaitsev A.G., Ockenfuss G. at al. Critical thickness of YBCO films on Ce02 buffered sapphire // EUCAS 1997, Eindhoven, Netherlands.

66.Уманский Я. С., Скаков Ю.А., Иванов А.Н.,Расторгуев JI.H., Кристаллография, рентгенография и электронная микроскопия. // М.: Металлургия, 1982. - 356 с.

67.КюттР.Н. и Аргунова Т.С. Определение структурных параметров тонких пленок YBaCuO методами высокоразрешающей рентгеновской дифрактометрии // ФТТ. - 1996. - Т. 38, N. 1. - С. 89-100.

68.Kroman R., Vase P., Freltoft Т., Bilde-Sorensen J.B., Reus R., Andersen N.H. // J.Appl.Phys.- 1992. - V. 71. -P. 3419-3426.

69.Budai J.B., Young R.T., Chao B.S. // Appl.Phys.Lett. - 1993.- V.62. -P. 1836-1840.

70.Cui M., Maiz Z.H. // Supercond. Sci. Tehnol. - 1991. - V. 4. - P.279-287.

71.Blue C.T. // J.Appl.Phys. - 1992. - V.72. - P. 1021 1030.

72. Ye J., and Nakamura K., Quantative structure analyses of УВа2Сиз07_х thin films: Determination of oxygen content from x-ray-diffraction patterns // Phys.Rev.B. - 1993. - V. 48. - P..7554-7564.

73.de Obaldia E.I., Ludwig K.F., Jr., Berkowitz S.J., et al. Coexistence of grains with differing orthorhombicity in high quality YBa2Cu307_x thin films // Appl.Phys.Lett. - 1994. - V.65, N. 26. - P. 3395-3397.

74Тольман E.K., Гольдрин В.И., Плоткин Д.А., Разумов С.В. Экспериментальное исследование начальных стадий роста пленок УВа2Сиз07_х на сапфире с подслоем оксида церия // Письма в ЖТФ. -1996.-Т. 22.-С. 82-84.

75.Dresselhaus M.S., Kalish R. Ion Implantation in Diamond, Graphite and Related Materials. Springer-Verlag Berlin. - 1992. - P. 12.

76.Фелдман JI., Майер Д. Основы анализа поверхности и тонких пленок. // М.: Мир, 1989.-279 с.

77.Вендик О.Г., Гайдуков М.М., Головашкин А.И. и др. Поверхностное сопротивление пленки НоВагСиз07_х на частоте 60 ГГц // Письма в ЖТФ.-1988.-Т.14, № 24.-С. 2209-2210

78.Nurgaliev Т., Chakalov R, Spasov A, et al. Microwave Properties of YBCO Films and Film Based Resonator Structures // Proc. of the ХП-th Int. Conf. on Microwave Ferrites (ICMF'94) - Gyulechitsa, 1994.

79.Mogro-Campero A., Turner L.G. at al. Film thickness dependence of microwave surface resistance for YBCO thin films // J. Appl. Phys. - 1993. -V. 73. -P.5295-5297.

80.Foltyn S.R., Tiwari P. at al. Pulsed laser deposition of thick YBCO films with Jc > 1 MA/cm2. // Appl. Phys. Lett. - 1993. - V. 63, N 13. - P. 18481850.

81.Wu X. D., Foltyn S.R., at al. Properties of YBCO thick films on flexible buffered metallic substrates // Appl. Phys. Lett. - 1995. - V. 67, N 16. - P. 2397-2399.

82.Hollmann E.K., Vendik O.G., Zaitsev A.G., and Melekh B.T. Substrates for high-Tc superconductor microwave integrated circuits // Suprcond. Sei. Technol. - 1994. - V. 7, N 9. - P. 609-622.

83.Vendik O.G., Kozyrev A.B., Karmanenko S.F. at al. The influence of magnetic field on MW surface resistance of two-layered YBCO films // Solid State Communications. - 1992. - V. 84, N 3. - P. 327-332.

84.Gaidukov M.M., Karmanenko S.F. at al Identification of RF and MW residual-loss mechanisms in YBCO films in a magnetic field // Supercond. Sei. Technol. - 1994. - V. 7. - P. 721-726.

85.Zaitsev A.G. at al. High power MW properties of unpatterned and patterned

iL

YBCO films on sapphire // Proc. of 6 International Superconductive Electronics Conf. 1997 Berlin, Germany.

86.Vendik O.G, Hollmann E.K., Zaitsev A.G., Kozyrev A.B. Magnetron Deposition of Y-Ba-Cu-0 Thin Films for Microwave Applications // Proc. of the Third German-Soviet Bilateral Seminar on High-Temperature Superconductivity. FRG, Karlsruhe October 8-12. 1990. - P. 469-475.

87.Hollmann E.K., Zaitsev A.G., Rauser D.G.and Pavlyuk E.G. Effect of increased gas pressure on УВа2Сиз07_х film magnetron sputter deposition // Proc. of European Conf. on Applied Superconductivity, Oct. 1993, Gottingen (Germany).

88.Hollmann E.K., Petrov P.K., Rauser D.G. et al. Microstructure of YBCO films prepared by planar magnetron sputtering // Proc. of IV-th Intern. Conf. on Electron Beam Technology. - 1994. - Varna. - Bulgaria. - P.279-283.

89.Maul M., Schulte В., Haussler P. and Adrian H. УВа2Сиз07_ 5 thin films on sapphire with buffer layers of Ce02 // Physica B. - 1994. - V. 194-196. - P. 2285-2286.

90.Гольман E.K., Гольдрин В.И., Плоткин ДА., Разумов C.B. Экспериментальное исследование начальных стадий роста пленок

УВа2Сиз07-х на сапфире с подслоем оксида церия // Письма в ЖТФ. -1996. -Т. 22. - С. 82-84.

91.Гольман Е.К., Гольдрин В.И., Плоткин Д.А.и др. Самоорганизация при зарождении пленок Y-Ba-Cu-0 system // ФТТ. - 1997. - V. 39, № 2. - С. 216-218.

92.Zaitsev A.G., Kutzner R.and Woerdenweber R. Growth of high-quality YBCO films on Ce02 buffer of mixed (001)/(111) orientation on sapphire // Appl. Phys. Lett. - 1995. - V. 67. - P. 1727-1729.

93.Tian Y.J., Guo L.P., Li L. et al Microstructure and properties of УЬа2Сиз07_х thin film with BaO precipitates // Appl. Phys. Lett. - 1994. - V. 65, № 2. - P. 234-236.

94.Ramesh R, Inam A., Hwang D.M. et al Surface outgrowth problems in c-axis oriented Y-Ba-Cu-0 superconducting thin films // Appl. Phys. Lett. - 1991. -V. 58.-P. 1557.

95.Raven M.S., Inameti E.E., Wan Y.M. and Murray B.G. Oriented a-Axis and c-Axis Growth of YBa2Cu3Ox RF Sputtered on SrTi03 (100) and MgO(lOO). // Phys. Stat. Sol.(a). - 1994. - V. 146. - P. 685-689.

96.Афросимов B.B., Дзюба Г.О., Ильин P.H. и др. Исследование поведения тонких пленок системы Ba-Sr-Ca-Cu-О на подложках из Si, SiC и MgO // СФХТ. - 1991. - Т. 4, № 9. - С. 1767-1771.

97.Афросимов В.В., Дзюба Г.О., Ильин Р.Н. и др. Каналирование протонов средних энергий в монокристалле YBa2Cu307_x // ЖТФ. - 1996. - Т. 66, № 12. - С. 76-84.

98.1shiwara Н., Furukawa S. Separate Estimate of cystallite orienttion and scattering centers in polycrystals by backscattering technique // J. Appl. Phys. - 1976. - V. 47, № 4. - P. 1686-1690.

99.Peir-Yung Chu, Buchanan R.C., Feng Gao et al Microwave surface resistance of spin-cast YBa2Cu307_x thin films on LaA103 substrates // App.Phys. Lett. - 1993. - V. 63. - P. 3512-3514.

100. Meerovich V. Sokolovsky V. Shter G.E. Grader G.S. Kozyrev A.B. Osadchy V.N. Self-oscilations in circuits with hig-Tc superconucting current limiters // Physica C. - 1997. - V. 275. - P. 119-126.

101. Keys V.N., Kozyrev A.B., Hollmann E.K. et al. New type of planar resonators with high quality factor and their applications for MW pass-band filters // Proc. of 27th European Microwave Conference + Exhibition, September 8-12,1997.

102. * Гольман E.K., Гольдрин В.И., Логинов В.Е., Плоткин Д.А., Разумов С.В., Тумаркин А.В. Получение толстых пленок УВа2Сиз07_х на сапфире с подслоем оксида церия // Письма в ЖТФ. - 1997. - Т. 23, Вып. 5. - С. 38-42

103. * Hollmann Е.К., Plotkin D.A., Razumov S.V., Tumarkin A.V. The growth of thick YBCO films // Physica C. - 1998. - V. 296. ^ P.37-42.

104. * Афросимов B.B., Гольман E.K., Ильин P.H., Панов М.Н., Плоткин Д.А., Разумов С.В., Сахаров В.И., Серенков И.Т.. Тумаркин А.В. Исследование роста пленок YBCO на монокристалле AI2O3 с Се02 буферным подслоем // Письма в ЖТФ. - 1998. - Т. 24, Вып. 1 - С. 2330.

105. * Гольман Е.К., Плоткин Д.А., Разумов СВ., Тумаркин А.В. Получение толстых пленок YBa2Cu307_5 методом DC магнетронного напыления // Письма в ЖТФ. - 1998. - Т. 24, Вып. 19. - С. 89-94.

106. * Гольман Е.К., Плоткин Д.А., Разумов С.В., Тумаркин А.В. Получение толстых пленок УВа2Сиз07-а на сапфире с подслоем оксида церия // ЖТФ. - 1999. - Т. 69, Вып. 1. - С. 94-98.

107. * Tumarkin A.V., Hollmann Е.К., Plotkin D.A., Razumov S.V. «Оп-axis» magnetron preparation of thick YBCO films. // Abstr. of the tenth international school on vacuum, electron and ion technologies, 22 - 27 September 1997, Varna, Bulgaria, p. 16-17.

108. * Tumarkin A.V., Hollmann E.K., Plotkin D.A., Razumov S.V. Preparation of high quality thick YBCO films by DC magnetron sputtering. // Abstr.of X Trilateral German-Russian-Ukrainian Seminar on High Temperature Superconductivity, Nizhny Novgorod, Russia, 11-15 September 1997.

109. * Tumarkin A.V., Hollmann E.K., Plotkin D.A., Razumov S.V. "On-axis" magnetron preparation of thick YBCO films // Abstr. of 5th International seminar on high temperature superconductors at microwaves, St.-Petersburg, Russia, 25-27 May 1998.

110. * Gaidukov M.M., Hollmann E.K., Dovgan D.P., Buslov O.U., Rszumov S.V., Tumarkin A.V. Investigation of characteristics of different thickness HTS films at microwaves // Abstr. of Progress in Electromagnetics Research Sumposium, Nantes, France, 13-17 July 1998 (G 12-07, P 79).

111. * Тумаркин A.B., Гольман E.K., Плоткин Д.А, Разумов С.В. Получение высококачественных толстых пленок УВа2Сиз07_х на сапфире // Тезисы к докладу на НТК "Вакуумная наука и техника", "Вакуум - 98" Гурзуф, сентябрь, 1998.

112. * Tumarkin A.V., Hollmann Е.К., Razumov S.V., Gaidukov M.M., Dovgan D.P. Properties of YBCO films of thickness up to 3.6 ¡um deposited by DC magnetron sputtering. Abstr. of XI Trilateral German-Russian-Ukrainian Seminar on High Temperature Superconductivity, Goettingen, Germany, 27-30 September, 1998.

Приложение 1. СВЧ криоэлектронные элементы на основе пленок высокотемпературного сверхпроводника УВа^иЮт-л.

Успехи технологии получения пленок ВТСП на подложках, удовлетворяющих требованиям СВЧ электроники [99,100] позволили уже в настоящее время реализовать большой ряд различных элементов и приборов, функционирующих при температуре жидкого азота.

В настоящем приложении представлены элементы и устройства, изготовленные на основе пленок УВСО, полученных с использованием результатов проведенных исследований технологии и ее оптимизации с точки зрения требований СВЧ криоэлектроники. Все использованные в приборах пленки были получены по вышеописанной технологии напыления «толстых» пленок, т.е. с постепенным увеличением тока разряда в начале процесса. Полученные таким образом пленки имеют включения вторичной фазы, однако, технические характеристики изготовленных элементов и приборов показывают высокое качество использованных пленок и, тем самым корректность используемых представлений процессов ионно-плазменного напыления. Отметим, что элементы с аналогичными характеристиками, на базе пленок, толщиной до 0,3 мкм, полученных по стандартной технологии тонких пленок, до сих пор не реализованы.

Двухполюсный фильтр

На основе сверхпроводниковых пленок УВСО на сапфировых подложках размером 15x15 мм с подслоем оксида церия был изготовлен двухполюсный четвертьволновый фильтр. Пленки были изготовлены по технологии «толстых» пленок при скорости напыления 10 А/мин. Толщина пленок > 0,4 мкм. Поверхностное сопротивление (Я5), измеренное с помощью объемного медного резонатора на частоте 60 ГГц при температуре 77 К показало величину < 50 мОм. Для обеспечения высокой добротности фильтр имеет в качестве

а) подложка А1203 15x15x0,5 мм

б)

И-10

'в

сл -15

-20

-25

3,9 3,95

4 4,05 4,1

Частота, ГГц

-

1=11 к

\ s 21

Sil

_ / — _ ----1

4,15

4,2

Рис 1 Топология (а) и характеристики (б) двухполюсного фильтра

нижнего электрода - земли неструктурированную пленку высокотемпературного сверхпроводника. Топология фильтра представлена на рис. 1.а.

На рис. 1.6 представлены характеристики полученного фильтра. Численные данные представлены в таблице 1.

Параметр Экспериментальные характеристики

центральная частота, ^ 4,063 ГГц

полоса пропускания Д£Т (Зс1В) < 1 %

потери в полосе, Ь <0,2ёВ

добротность резонаторов > 9000

Таблица 1. Характеристики фильтра

Измеренная добротность фильтра (С2и) > 9000 стала еще одним подтверждением достаточно высокого качества пленок.

Полосовой фильтр

Резонаторы на основе нерегулярных линий (ККЬ) отличаются от "обычных" кольцевых резонаторов более высокой добротностью, меньшими размерами и могут использоваться для создания полосовых фильтров в системах сотовой связи (0,8...2 ГГц) [101].

Пленки толщиной > 0,4 мкм были получены методом магнетронного распыления, (скорость роста 10 А/мин) на сапфировых подложках размером 15x15 мм. Пленки были изготовлены по технологии получения «толстых» пленок, т.е. имели включения посторонней фазы (см. главу 2). Исследованные критические параметры пленок на постоянном токе (Тс~90 К, 1С~2Т06 А/см ) соответствовали параметрам пленок высокого качества. Отдельные резонаторы были изготовлены методом фотолитографии в соответствии с рассчитанными размерами (для £=1,6 ГГц внешний диаметр равен 12 мм). Пример трехполюсного фильтра представлен на рис. 2. При уровне мощности

а) 3 подложки АЬОз 15x15x0,5 мм

1_I

0

-10

§

«ч СО

-20

" ■■ ■■ / _

т= II <1 -О Л

* * А / * ¥ ♦ ♦ %

* ♦ * -V Ф 4 * г* * \ * ♦ * \ г

»

*

111111

1510 1520 1530 1540 1550 1560

Г, МГц

1570

Рис.2 Топология (а) и характеристики трехполюсного фильтра (б) на основе нерегулярных линий (УВСО/СеОг/АЬОз-структура).

<30 сШт фильтр показал в 0,8% полосе частот потери < 0,2 сШ и добротность <3 > 12000, что показывает перспективность его использования в системах сотовой связи.

СВЧ ключ

Значительное различие поверхностного сопротивления ВТСП пленок в сверхпроводящем и нормальном состоянии, а также возможность токового переключения пленок из одного состояния в другое за время < Ю"10 сек. позволяет реализовать электрически управляемый ключ, переключаемый с помощью коротких токовых импульсов. Под действием управляющих импульсов производится перевод ключа только из сверхпроводящего в нормально проводящее состояние. Один из вариантов такого ключа представлен на рис. 3. Схема реализована на пленках УВСО толщиной ~ 0,4 мкм, нанесенных на сапфировые подложки с подслоем СеОг, технологией получения «толстых» пленок (скорость роста 10 А/мин). Сверхпроводниковые характеристики пленок: (60 ГГц, 77 К) < 0,05 Ом, Тс ~ 90 К, ДТС < 0,6 К. Включение такого ключа в линию позволяет обеспечить передачу СВЧ сигнала практически без потерь в 8 состоянии ключа (потери в полосе < 1 с!В) и ослабить сигнал на -20 сШ в режиме "закрыто". Расчетные и экспериментальные характеристики передачи представлены на рис. З.б.

Таким образом, показана принципиальная возможность использования пленок УВСО микронных толщин в СВЧ криоэлектронике и тем самым подтверждена справедливость подхода к получению «толстых» пленок сверхпроводника УВСО. Высокие электрофизические характеристики полученных пленок (критическая плотность тока ~ 2,5 МА/см2, поверхностное сопротивление <50 мОм на частоте 60 ГГц) является существенным преимуществом для использования пленок в приборах повышенного уровня мощности.

а)

б)

г

и = 12 В Г ъ 0—

и=юв

0-

к5Й=зо

П

Я

1_

и.

J

8 9 10 11 .12

I ГГц

Рис.3 Топология и схема управления (а) и характеристики СВЧ ключа (б).