Исследование особенностей получения и свойств тонких пленок высокотемпературного сверхпроводника YBa2 Cu3 O7-x

• Автор: Воробьев, Андрей Константинович
• Шифр специальности: 01.04.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 1999
• Место защиты: Нижний Новгород
• Количество страниц: 134 с.

ОГЛАВЛЕНИЕ
Оглавление
Предисловие
ГЛАВА I.
Введение. Тонкие пленки ВТСП в электронике: приоритетные направления исследований, области применения и методы получения
1.1. Вводные замечания
1.2. Приоритетные направления исследований: влияние дефектов на свойства пленок и структур
1.3. Применения тонких пленок ВТСП в электронике: достижения и перспективы
развития
1.3.1. Пассивные устройства ВЧ и СВЧ электроники
1.3.2. СКВИДы
1.3.3. Цифровые схемы
1.4. Микроструктура УВСО тонких пленок
1.5. Подложки для УВСО тонких пленок
1.6. Основные методы осаждения УВСО пленок
1.6.1. Вакуумное соиспарение
1.6.2. Химическое осаждение из паровой фазы
1.6.3. Лазерное испарение
1.6.4. Магнетронное распыление
1.7. Краткие выводы
ГЛАВА И.
Получение тонких пленок УВСО в инвертированной цилиндрической магнетронной распылительной системе
2.1. Вводные замечания
2.2. Физический механизм распыления материалов под действием ионной бомбардировки
2.3. Получение ВТСП пленок методом магнетронного распыления
2.3.1. Механизм магнетронного распыления материалов
2.3.2. Особенности получения ВТСП пленок методом магнетронного
распыления

2.4. Получение УВСО пленок в инвертированной цилиндрической магнетрониой распьшительной системе
2.4.1. Описание экспериментальной установки
2.4.2. Описание технологии
2.4.3. Параметры УВСО пленок, полученных в оптимальных режимах
2.5. Краткие выводы
ГЛАВА III.
Исследование особенностей формирования вторичных фаз в тонких пленках УВСО
3.1 Вводные замечания
3.2. Описание экспериментов
3.3. Исследование свойств и особенностей формирования частиц вторичных фаз в УВСО пленках
3.3.1. Определение химического состава частиц вторичных фаз и УВСО пленок
3.3.2. Исследование состояния частиц вторичной фазы СиО (концентрация, размер,
форма) в зависимости от условий роста УВСО пленок
3.3.3. Исследование влияния вицинальности подложки на состояние частиц вторичной фазы СиО
3.4. Образование областей УВСО пленок с дефицитом меди вокруг частиц вторичной
фазы СиО
3.4.1. Результаты исследований УВСО пленок методами зондовой микроскопии
3.4.2. Обсуждение результатов экспериментов
3.5. Формирование элементов УВСО пленок, свободных от частиц вторичной фазы СиО
3.6. Краткие выводы
ГЛАВА IV.
Исследование влияния структурных и фазовых неоднородностей на электрические свойства тонких пленок УВСО при оптимизации условий осаждения
4.1. Вводные замечания
4.2. Описание экспериментов
4.3. Исследование свойств тонких пленок УВСО при оптимизации условий формирования (методы измерений и результаты эксперимента)
4.3.1. Электрические свойства
4.3.2. Микроструктура
4.3.3. Катионный состав
4.4. Анализ влияния структурных и фазовых неоднородностей на электрические свойства УВСО пленок
4.4.1. Температура сверхпроводящего перехода
4.4.2. Плотность критического тока
4.4.3. Поверхностное СВЧ сопротивление.
4.5. Краткие выводы

ГЛАВА V.
Исследование формирования катионного состава тонких пленок YBCO при магнетронном распылении
5.1. Вводные замечания
5.2. Исследование изменений состава YBCO мишени при ионном
распылении
5.2.1. Описание экспериментов
5.2.2. Результаты экспериментов и их анализ
5.2.3. Обсуждение результатов
5.3. Исследование влияния десорбции с поверхности роста на состав YBCO пленок
5.3.1. Описание экспериментов
5.3.2. Измерение параметров плазмы магнетронного разряда с помощью зондов Ленгмюра
5.3.3. Исследование изменений катионного состава YBCO пленок в зависимости от напряжения смещения на подложке
5.4. Исследование реиспарения бария с поверхности роста
5.4.1. Описание экспериментов
5.4.2. Результаты экспериментов и
5.5. Краткие выводы
Заключение
Список цитированной литературы
Список работ автора по теме диссертации
большой, поскольку в противном случае происходит разогрев значительного объема мишени, существенно превышающего размеры кратера (область взрывного испарения). На границе кратера начинается процесс термической диффузии и испаряемое вещество может существенно отличаться от состава мишени. Аналогичный эффект происходит при последовательном облучении одного и того же участка мишени. Чтобы избежать этого используют непрерывное вращение мишени так, что под лучом лазера все время находится свежий участок ее поверхности. При лазерном испарении на подложку осаждаются ионы, атомы и молекулы, находящиеся в возбужденном состоянии и имеющие значительную кинетическую энергию [35]. Очень важно установить расстояние мишень-подложка и давление рабочего газа (как правило 02) таким образом, чтобы энергия испаренной лазером плазмы не приводила к перегреву растущей пленки и связанному с ним образованию крупных зерен, но в то же время была достаточна для роста пленки при возможно более низких температурах подложки. Чаще всего давление кислорода устанавливается около 200-300 мТорр, а расстояние мишень-подложка - 3-6 см, в зависимости от q и плотности мишени. Высокая энергия напыляемых компонентов и присутствие в лазерном факеле атомарного и ионизованного кислорода позволяют выращивать YBCO пленки в одностадийном процессе при температуре подложки 650-750 °С без применения дополнительных средств активации. При этом получаются монокри-сталлические или высокотекстурированные пленки с с-ориентацией и прекрасными сверхпроводящими свойствами.
Основными недостатками лазерного испарения являются малые размеры области, однородной по составу и толщине (обычно 1-3 см2), а также - неровности поверхности [36]. Первое обусловлено тем, что характеристики разлета YBCO компонентов не совпадают (в основном различаются индикатриссы разлета Ва и Си). Для выравнивания состава и повышения однородности приходится вращать подложки или сканировать лучом лазера по поверхности мишени. В [37] сообщается о получении методом PLD на вращающихся подложках высококачественных YBCO пленок на площади 20 х 20 см2 с вариациями толщины меньше, чем 5 %. В [38] сообщается о специальной PLD установке с вращающейся линзой (сканирование луча по мишени), предназначенной для получения высококачественных YBCO пленок размером 20 х 7 см2 с вариациями свойств вдоль большого направления меньше, чем 10 %. Характерные неровности на поверхности YBCO пленок являются главным недостатком PLD метода. Их возникновение связано с выбиванием брызг с поверхности мишени. Микрокапли, осаждаясь на поверхность пленки, делают ее шероховатой (размеры капель от 0,5 до нескольких мкм, поверхностная плотность ~ 108 см“2), в результате чего в значительной мере затрудняется микроструктурирование YBCO пленок. Причиной брызгового эффекта является перегрев подповерхностного слоя мишени, когда энергия излучения лазера переходит в теплоту быстрее, чем это необходимо для сублимации вещества. Существует оптимальное значение q,„w„ при котором брызговой эффект минимален. Значение q„„m прямо пропорционально S глубине проникновения излучения в мишень [39], которая зависит от длины волны лазерного излучения. Осо-