Введение к работе
Актуальность работы. Одним из достоинств материалов, обладающих высокотемпературной сверхпроводимостью (ВТСП), является возможность их использования не только в виде керамик, но и в виде тонких и толстых пленок, что представляет особый интерес для их применения в микроэлектронике.
Области применений ВТСП-пленок в микроэлектронике, как и в других отраслях, определяются особенностями каждой ВТСП-систсмы, их достоинствами и недостатками с точки зрения условий получения и свойств.
Применение ВТСП-материалов в электронике прежде всего возможно в чисто сверхпроводниковьтх устройствах. Почти все такие устройства основаны на джозефсоновских переходах или же областях с ограниченным потоком заряда [ 1, 2]. Такие устройства могут быть получены путем фотолитографии сверхпроводящей пленки или же использования тонких слоев металла или изолятора между двумя сверхпроводящими областями, через которые сверхпроводящие электроны могут пройти. Когда ток становится относительно высоким, эта область перестает быть сверхпроводящей, вызывая измеримое падение напряжения в устройстве. Основным требованием к формированию таких переходов являются контролируемые и стабильные характеристики переходов, воспроизводимые в каждом устройстве. Использование ВТСП в чисто сверхпроводниковых устройствах уже нашло воплощение в виде сверхпроводящих транзисторов [3].
В течение многих лет используются гибридные устройства на основе сверхпроводящих и полупроводниковых материалов. Обычно упоминаются [4] три уровня гибридизации: 1) комбинирование сверхпроводника и полупроводника в одном устройстве; 2) комбинирование отдельных сверхпроводниковых и полупроводниковых устройств в интегральной схеме; 3) комбинирование сверхпроводящих и полупроводниковых схем в полной системе. Все перечисленные комбинации сверхпроводников и полупроводников в интегральных схемах накладывают дополнительные требования к полупроводникам: они должны работать при низких температурах (77 К или ниже).
И, наконец, одним из наиболее перспективных и используемых применений ВТСП являются СВЧ-устройства, такие как фильтры и линии задержки [5]. В этих устройствах сверхпроводники привлекательны такими преимуществами как -
4 динамический диапазон и полоса пропускания. Кроме того, требования, предъявляемые к материалам, кажутся более выполнимыми, чем .требования к активным устройствам. Для многих микроволновых устройств пленки должны быть однородными и иметь большую площадь поверхности. Их поверхностное сопротивление должно быть низким, и в некоторых случаях зависимость поверхностного сопротивления от микроволновой мощности должна быть также невелика. Некоторые применения дополнительно требуют связи пассивных сверхпроводящих элементов с активными полупроводниковыми. Тонкопленочные полосковые СВЧ-резонаторы уже производятся компанией Superconductor Technologies Inc. [6] и заняли свое место на рынке, в то время как появление других пассивных СВЧ-устройств ожидается на рынке в ближайшее будущее.
Области применений толстых пленок несколько отличаются от тонкопленочных, однако некоторые из областей их применений перекрываются.
Поскольку толщина ВТСП-толстых пленок может быть в пределах 5 - 500 мкм, в дальнейшем возможны их применения в оптических и инфракрасных приборах, датчиках магнитного поля, переходах Джозсфсона, активных микроволновых компонентах, СКВИДах, а также в качестве проводов, лент и прочего электрического оборудования [1, 7 - 12].
Наиболее многообещающими применениями толстых пленок в электронике являются пассивные ВЧ-компопенты, такие как антенны с низкими потерями и нулевым рассеиванием частоты сигнала, резонаторы с высокой добротностью (106 109) и подстраиваемые составные фильтры с крутыми частотными характеристиками. Высокочастотные применения основаны на чрезвычайно низком поверхностном сопротивлении сверхпроводников [12] по сравнению с обычными металлами, что способствует низким добавочным потерям, высоким добротностям и большей компактности цепей.
Большая часть усилий по разработке технологий получения тонко/толстопленочных покрытий и микроэлектронных устройств была сосредоточена на системе Y-Ba-Cu-O. Меньше внимания было уделено системе Bi-Sr-Ca-Cu-O. Однако использование пленок системы Bi-Sr-Ca-Cu-O представляется вполне перспективным. Пленки системы Bi-Sr-Ca-Cu-O высокого качества с плотностями тока в несколько тысяч ампер на см2 обеспечат базис для широкого
5 круга пассивных компонентов, действующих в СВЧ-диапозоне частот, а в тонкопленочной форме - для электронных приборов и цепей.
Перечисленные выше области применений ВТСП-материалов в электронике накладывают определенные требования на технологии их получения. Быстрейшие достижения результатов в области технологий позволят, с одной стороны, разработать методы выращивания пленок и нанесения структур с оптимальными свойствами для устройств сверхбольшого уровня интеграции, а с другой - создать сверхпроводящие линии электропередачи, магнитные и инфракрасные датчики, джозефсоновские контакты, СКВИДы и элементы устройств высокой мощности.
При промышленном внедрении ВТСП-материалов не следует недооценивать значение фундаментальных исследований, ключевая роль в которых наряду с физиками, материаловедами и химиками, должна принадлежать и технологам. Весьма важным является установление тесной взаимосвязи между технологиями получения пленок ВТСП и изменениями их свойств. Следует понять необходимость исследований внутреннего строения и состава выращенных пленок. Для этой цели наиболее подходящими являются методы рентгеновской дифракции, электронной микроскопии, оже-спектроскопии и другие.
Целью данной работы является разработка технологий и новых принципов получения пленок ВТСП-материалов, исследование их состава, строения и свойств для оптимизации параметров процесса выращивания и внедрение полученных результатов в изготовление на базе ВТСП-пленок СВЧ-устройств.
Для достижения поставленной цели сформулируем следующие основные задачи:
1. Отработка и исследование технологического процесса получения пленок
ВТСП-материалов на установках ионно-плазменного распыления, разработанных
на базе серийных.
2. Отработка процесса получения пленок ВТСП-материалов
толстопленочными методами.
3. Исследование состава, строения и свойств полученных пленок методами
рентгеновской дифрактометрпи, электронной микроскопии, дифференциального
термического анализа и элсктрофизическами методами с целью определения
важнейших параметров процесса их получения и последующей термообработки.
-
Нахождение оптимальных условий получения пленок для непосредственного их внедрения в устройствах микроэлектроники.
-
Применение ВТСП-пленок, полученных тонкопленочными и толстопленочными методами, в СВЧ-устройствах на примере полоскового СВЧ-резонатора.
Проведенные исследования представляют научную и практическую ценность для технологов и разработчиков устройств микроэлектроники, так как показывают возможность использования серийного оборудования для получения пленок ВТСП-матсриалов, выявляют существующие технологические проблемы и оптимальные режимы получения ВТСП-иленок, и, наконец, показывают реально действующее СВЧ-устройство на базе ВТСП-пленок.
Научная новизна работы состоит в следующем:
разработаны технологические условия нанесения тонких пленок систем Y-Ba-Cu-О и Bi-Sr-Ca-Cu-O методом ВЧ-магнетронного распыления и распыления ионным пучком на базе серийных установок;
исследовано влияние параметров процесса получения пленок на их строение, состав и сверхпроводящие свойства;
оптимизирован режим отжига толстых и тонких пленок системы Bi-Sr-Ca-Cu-O;
- изучено влияние фазового состава порошков системы Bi-Sr-Ca-Cu-O,
используемых для получения пленок, на оптимальные условия термообработки;
- показана возможность использования пленки Ag в качестве буферного подслоя
для получения методом частичного плавления пленок ВігЗггСаСі^Оу (Ві-2212) на
подложках поликора (поликристаллического а-А^Оз);
применен метод частичного плавления для тонких пленок системы Ві-Sr-Ca-Cu-O;
показана возможность интегрирования процесса получения тонких и толстых пленок в едином технологическом процессе;
изготовлены макеты полосковых СВЧ-резонаторов на основе пленок Ві-2212, полученных как тонкопленочными, так и толстопленочными методами.
Достоверность экспериментальных результатов обеспечивается использованием современных методов и техники физического эксперимента, таких как:
- просвечивающая и растровая электронная микроскопия;
- рентгеновская топография и дпфрактометрия;
- оже-электронная спектроскопия;
- - дифференциальный термический анализ;
- электрофизические измерения при низких температурах.
Представленные в диссертации исследования выполнены в Центральном
научно-исследовательском технологическом институте "ТЕХНОМАШ" (Москва, Россия) по темам "Ралли", "Рапид", "Рапид-2"; а также в The University of Queensland (Брисбен, Австралия), в лаборатории высокотемпературной сверхпроводимости при Центре микроскопии и микроанализа. На зашиту выносятся:
-
Результаты экспериментальных исследований влияния параметров процесса получения и термообработки на состав, строение и сверхпроводящие свойства пленок систем Y-Ba-Cu-O и Bi-Sr-Ca-Cu-O, сформированных ВЧ-магнстрониым распылением, распылением ионным пучком, а также методом трафаретной печати.
-
Конструктивно-технологические решения повышения качества и воспроизводимости состава и свойств при формігровании и термообработке пленок ВТСП-материалов.
-
Макеты микрополосковых СВЧ-резонаторов на основе пленок системы Bi-Sr-Ca-Cu-O, полученных тонкопленочными и толстопленочными методами.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы, ее научные и практические результаты докладывались и обсуждались на IX научно-техническом совещании "Материалы и новые технологические процессы в микроэлектронике" (Дрогобыч, Украина, 1988); научно-технической конференции, посвященной Дню радио "Новые высокие технологии производства РЭА" (Москва, 1996); 2^ международной конференции керамических сообществ стран тихоокеанского региона "The 2nd International Meeting of Pacific Rim Ceramic Societies" (Cairns, Australia, 1996); в2*1 Международном симпозиуме "Тонкие пленки в электронике" (Харьков, Украина, 1997); 2^ Российской конференции с участием зарубежных специалистов "Высокие технологии в промышленности России (Техника средств связи)" (Москва, 1997).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 печатных работ (15 статей, 1 информационный листок) и 3 отчета по НИР.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы из 133 наименований и приложения. Работа содержит 126 страниц основного текста, 62 рисунка, 7 таблиц.
