WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 | 2 || 4 |

K, = 300K/100K 3 и поверхностное СВЧ сопротивление Reff менее 1 мОм на В Главе 1 рассмотрены структура и свойства высокотемпературного частоте 10 ГГц при температуре 77 K. Дисковые резонаторы СВЧ диапазона сверхпроводника YBCO. Проведен обзор основных современных методов пона основе YBCO пленок по характеристикам соответствуют мировому уровлучения ВТСП пленок, методов исследования элементного состава, морфолоню. В мегагерцовом диапазоне лучшие одиночные контуры имеют собственгии поверхности и структурных неоднородностей тонких пленок YBCO. Приную добротность более 2105 при температуре 77 К. Перестраиваемые контуведены необходимые сведения из физики ионного распыления материалов и ры имеют добротность более 1105 во всем диапазоне перестройки частоты 8 магнетронного разряда. Рассмотрены основные вопросы, касающиеся особен ностей магнетронного напыления YBCO пленок. Показано, что задача разви тия технологии магнетронного напыления YBCO пленок требует более глубо кого понимания процессов распыления, осаждения пленок, а также понимания связей между параметрами процесса напыления, структурой и элементным составом пленок и их электрофизическими свойствами. Для установления этих связей применяется широкий спектр аналитических методов исследова ния.

Глава 2 посвящена исследованию возможностей метода электронной оже-спектроскопии в приложении к керамическим YBCO мишеням и пленкам, получаемым при магнетронном распылении этих мишеней. Контроль эле ментного состава получаемых пленок и используемых мишеней аналитиче скими методами необходим для установления закономерностей формирования состава и структуры пленок в ходе ростового процесса, определения его ста бильности и надежности. В данной главе изложены основы метода электрон ной оже-спектроскопии и основное внимание уделено послойному элементРис.6. Схематическое изображение неперестраиваемого и перестраиваемого ному анализу образцов. Информативность этого метода зависит, прежде всего, фильтров на основе планарных ВТСП контуров мегагерцового диапазона. от достигаемого разрешения по глубине. Поэтому с целью выяснения опти мальных условий послойного оже-анализа было исследовано распределение магнетронного напыления on-axis конфигурации получены YBCO пленки, элементов по глубине в «тест-структурах», обладающих атомарно гладкими позволяющие изготавливать на их основе элементы ВЧ и СВЧ приборов с ха- поверхностями раздела: металлических сверхрешетках Mo/B4C, Mo/Si и полурактеристиками на уровне лучших мировых образцов. Кроме этого, в данной проводниковых гетероструктурах InxGa1-xAs/GaAs с квантовыми ямами. В ре- главе на примере резонансного ВТСП-контура обсуждается вопрос о наличии Y специфических механизмов высокочастотных потерь в пленках YBCO, иг- Ba рающих доминирующую роль в мегагерцовом диапазоне частот.

Cu В Заключении представлены основные результаты работы:

1. Выполнен анализ специфических особенностей метода магнетронного напыления слоев YBa2Cu3O7-:

- С помощью усовершенствованного послойного оже-анализа (разрешение по глубине порядка ед. нм) выявлены изменения элементного состава в зоне эрозии YBCO мишени. Показана существенная деградация данной мишени за счет радиационно-стимулированной диффузии атомов меди из объема к поверхности. Определены изменения в составе YBCO пленок, вызванные селективной десорбцией компонентов с поверхности роста под воздействием ионов плазмы, ускоренных в поле плавающего потенциала;

0 2 4 6 8 10 12 - Используя 90° off-axis конфигурацию системы напыления, в которой обеспечивается соответствие состава конденсата составу мишени, установлено, что Глубина, нм для получения YBCO пленок с высокими сверхпроводящими транспортными Рис.1. Элементный профиль YBCO мишени после 130 циклов распыления в характеристиками необходимо стехиометрическое (3:2) либо повышенное области зоны эрозии. Энергия распыляющих ионов Ar+ - 0.5 кэВ. Суммарная отношение концентраций Cu/Ba в YBCO мишени. Экспериментально опредеконцентрация Y, Ba и Cu в соотношении 1:2:3 принята за 100% (Y - 17%, Ba – лены режимы роста, при которых образование в YBCO пленках крупных Cu33%, Cu – 50%).

обогащенных преципитатов подавлено, что важно для технологии многослойных структур, а высокие значения критического тока коррелируют с наличием 16 Концентрация, ат. % зультате оптимизации процесса послойного анализа получено разрешение по глубине 1,2-1,5 нм, которое определяется только фундаментальными физиче- скими ограничениями – глубиной выхода оже-электронов и атомным переме- шиванием. В главе рассмотрены основные физические и технологические факторы, определяющие разрешение по глубине, продемонстрировано влия- ние параметров ионного распыления на анализируемую структуру. Показано, что для достижения предельного разрешения по глубине необходимо прово- дить распыление границ раздела ионами низких (Ei < 1 кэВ) энергий. Так, применение при послойном оже-анализе низкоэнергетичных (Ei =0,5 кэВ) ио- нов Ar+ позволило получить профиль изменений элементного состава в при- поверхностном слое зоны эрозии YBCO мишени на масштабе в единицы на- нометров (Рис.1). Использование усовершенствованного оже-анализа позво- лило получить количественную информацию о процессах, определяющих со- став YBCO пленок: изменение состава многокомпонентной мишени в резуль- тате преимущественного распыления и диффузии компонентов из объема се- Рис.5. Схематическое изображение дискового резонатора и структуры моды лективное распыление и/или десорбция адатомов компонентов с поверхности ТМ010 (E010). h – толщина подложки, r –радиус ВТСП-диска, r – эффективная роста в результате бомбардировки ионами плазмы. Результаты оже-анализа диэлектрическая проницаемость. Электрическое поле в подложке направлено образцов позволили сделать вывод о существенной роли процессов диффузии перпендикулярно плоскости рисунка, магнитное - в плоскости рисунка по меди из объема YBCO мишени к поверхности, приводящие к деградации мистрелкам.

шени в использованных режимах магнетронного распыления. Из полученных оже-профилей концентрации элементов оценены коэффициенты диффузии 10 мкм) [18, 19]. При превышении определенного уровня мощности, подапри магнетронном и ионно-лучевом распылении мишени, вычислены отношеваемой на резонатор, и соответственного возрастания ВЧ тока в полоске, завиния коэффициентов распыления атомов Y, Ba и Cu в мишенях и пленках в симость Reff от тока становится нелинейной. В результате этого добротность различных условиях ионного распыления. По этим данным, применяя физичеполоскового ВТСП резонатора сильно падает. Кроме того, как видно из риские модели распыления, проведены оценки отношений поверхностных энерсунка, в данной моде, так же как и в других аксиально-симметричных модах, гий связи атомов Y, Ba, и Cu в мишенях и пленках YBCO.

ток на краю диска равен нулю, что минимизирует также влияние технологичеВ Главе 3 приводятся результаты исследований влияния катионного соских краевых дефектов на характеристики дискового резонатора.

става YBCO мишеней на сверхпроводящие свойства и микроструктуру плеСобственная добротность дисковых резонаторов на частотах 3,5 Гц и нок, получаемых методом магнетронного напыления в системе 90° off-axis 10 ГГц составила величину более 2104 при температуре 77 К. Эти характериконфигурации. Схематическое изображение такой системы приведено на стики соответствуют мировому уровню. Характеристики резонансных контуРис.2. Необходимость варьирования интегрального элементного состава плеров мегагерцового диапазона, изготовленных на основе полученных YBCO нок возникает в целях оптимизации их сверхпроводящих и/или структурных пленок, существенно (в несколько раз) превосходят результаты других групп.

свойств, так как установлено, что независимо от метода получения YBCO Планарные ВТСП-контуры (планарные индуктивности с емкостными площадпленок (лазерное, магнетронное, электронно-лучевое (co-evaporation) напылеками) с индуктивными элементами связи представляют собой ВЧ и ОВЧ ние, металлоорганический синтез), оптимум их сверхпроводящих свойств досфильтры (Рис.6). Лучшие одиночные контуры имеют собственную доброттигается не в области стехиометрического состава “1-2-3” [7, 14]. Пленки с ность более 2105 на частотах 38 МГц и66 МГц при температуре 77 К. Перевысокими электрофизическими характеристиками получаются, как правило, страиваемые контуры имеют добротность более 1105 во всем диапазоне пепри значительном обогащении конденсата медью. Избыточная медь выделяетрестройки частоты (10-30 МГц). Топология мегагерцового контура, представся в частицы вторичных фаз – преципитаты CuO. В общем случае YBCO ляющего собой длинный и узкий полосок, является хорошим тестом на однопленка состоит из стехиометрической матрицы и включенных в нее различродность свойств и воспроизводимость качества пленок. Реализованная сисных преципитатов. Частицы CuO имеют характерные размеры 0,5 мкм и потема напыления показала высокую степень воспроизводимости качества плеверхностную плотность до 108 см-2. Это затрудняет применение данных пленок, которая оказалась выше, чем в лазерном методе, также развивавшемся в нок в многослойных структурах, для которых необходимы гладкие пленки.

ИФМ РАН [A13]. Таким образом, показано, что в разработанной установке 10 электронной эмиссии и, следовательно, снижению напряжения разряда при С другой стороны, частицы Y2O3 имеют нанометровые размеры и являются заданном токе. Это, в свою очередь, приводит к значительному снижению эффективными центрами пиннинга вихрей [16]. Чтобы минимизировать измескорости роста YBCO пленок в данной системе. Эффект изменения скорости нения состава растущей пленки вследствие радиационной десорбции адатомов роста с напряжением связан с потоковым механизмом. При используемых ра- следует располагать подложку вне зоны тлеющего разряда. Это условие в бочих давлениях до 100 Па термализация эмитированных мишенью энергич- большой степени выполняется в использованной магнетронной напылительных атомов приводит к нагреву и движению газовой среды как целого, то есть ной системе конфигурации 90° off-axis, которая позволяет легко менять мишевозникает газовый поток. В результате с увеличением мощности разряда скони и расстояние мишень-подложка.

рость осаждения растет быстрее, чем линейно. Для повышения скорости осаждения YBCO пленок в системе on-axis предложено понизить индукцию магнитного поля у мишени, и, таким образом повысить напряжение разряда. Показано, что за счет потокового эффекта, возникающего при магнетронном распылении мишени в условиях высокого рабочего давления, скорость роста пленок можно увеличить более чем в два раза при увеличении мощности, подводимой к магнетрону, на 20-25%. Поскольку ток разряда в данном случае фиксирован, увеличение мощности происходит за счет повышения напряжения.

Обнаружено, что величина разориентации блоков мозаики в направлении оси “c” (005) получаемых YBCO пленок линейно коррелирует с напряжени- ем разряда в МРС on-axis конфигурации при рабочих давлениях до 70 Па (Рис.4). Зависимость на Рис.4 непосредственно отражает степень энергетиче- ского воздействия на пленку, определяемого напряжением разряда. При на- пряжении на разрядном промежутке 135 В, рабочем давлении 60 Па и рас- стоянии мишень-подложка 65 мм были получены YBCO пленки имеющие величину 005 менее 0,3 градуса. При более высоких рабочих давлениях ( 100 Па) изменение напряжения разряда в наблюдаемых пределах уже не играет такой роли в процессе эпитаксиального роста, что говорит о полной термаРис.2. Схематическое изображение магнетронной напылительной системы лизации частиц плазмы и отраженных нейтралов. Это факт был зафиксирован off-axis конфигурации: 1 – катодный узел магнетрона; 2 – мишень; 3- зона эров эксперименте по уменьшению индукции магнитного поля вблизи мишени зии мишени; 4 - линии индукции магнитного поля; 5 – подложка; 6 – кварцепри расстоянии мишень-подложка 60 мм.

вый экран; 7 – слой In-Ga; 8 – резистивный нагреватель подложек.

Глава 5 посвящена демонстрации возможностей применения YBCO пленок, полученных в магнетронной напылительной системе on-axis конфигураБыло установлено, что основные сверхпроводящие свойства получаемых ции, с точки зрения их применения в высокочастотных устройствах в диапаYBCO пленок определяются отношением концентраций Cu/Ba в используезоне от 10 МГц до 10 ГГц. Для этой цели были изготовлены элементы пассивмых мишенях. При использовании для напыления как стехиометрических, так ных высокочастотных приборов: СВЧ фильтры на основе дискового резонатои обогащенных медью мишеней, были получены YBCO пленки, не содержара и фильтры ВЧ диапазона. Схематическое изображение дискового ВТСП щие крупных преципитатов CuO, что важно для технологии многослойных резонатора и структуры моды ТМ010 (E010), обладающей аксиальной симметрией, показано на Рис.5. При такой геометрии моды удается избежать «крае- структур, и имеющие сверхпроводящие характеристики: Tc 88 K, Jc (77 K) не вого» эффекта, свойственного обычным полосковым ВТСП резонаторам и ниже 1106 A/см2. Пленки из мишеней с пониженным относительно стехиоограничивающего их динамический диапазон. Дело в том, что в полосковом метрии отношением Cu/Ba обладают плохими сверхпроводящими свойствами резонаторе из-за эффекта Мейсснера плотность тока, протекающего паралво всем диапазоне температур осаждения. Лучшие транспортные характерилельно краям полоска, как минимум на порядок выше на краю полоска, чем в стики (Jc (77 K) до 4106 A/см2) имеют пленки из мишеней с повышенным его центре. Поэтому эффективное поверхностное СВЧ сопротивление полоска соотношением Cu/Ba. С помощью рентгеноструктурного анализа установлено Reff определяется, в основном, сопротивлением краевого участка (шириной также, что повышенные значения критического тока получаемых пленок кор 14 релируют с наличием в них мелких кристаллических включений Y2O3, кото- среды как целого – возникает газовый поток [17]. С практической точки зрерые являются вероятными центрами пиннинга вихрей. ния магнетронное напыление YBCO пленок при повышенных давлениях В Главе 4 подробно рассматриваются особенности получения высокока- представляет собой эпитаксию из газово-паровой фазы, а катодный узел являчественных YBCO пленок в планарной магнетронной напылительной системе ется источником YBCO-компонентов. Магнитная ловушка магнетрона обесon-axis конфигурации. Магнетронное осаждение ВТСП существенно отлича- печивает существование разряда при более низких (относительно диодных ется от напыления традиционных для этого метода материалов – пленок ме- систем) рабочих напряжениях, что необходимо для минимизации влияния выталлов, сплавов и диэлектриков. Дело в том, что в целях термализации частиц сокоэнергетичных частиц плазмы на растущую пленку. Конфигурация магплазмы тлеющего разряда, осаждение ВТСП пленок происходит, как правило, нитного поля определяет и границы зоны эрозии мишени.

Pages:     | 1 | 2 || 4 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»