Конструкторско-технологические принципы проектирования и изготовления радиоэлектронных компонентов из сверхпроводящих иттрий-бариевых купратов

Открытие высокотемпературных сверхпроводников с Тс более 90 К возродило надежду на широкомасштабное применение сверхпроводимости в электронных измерительных системах, в частности, в СКВИД-магнитометрии. Вместе с тем, переход на новые сверхпроводящие материалы породил и ряд проблем. Первая из этих проблем заключалась в том, что переход на более высокие рабочие температуры неизбежно ведет к увеличению собственных шумов ВТСП элементов и к снижению метрологических характеристик ВТСП электронных устройств. Это пессимистический прогноз. Однако имелся и оптимистический прогноз. Он заключался в том, что разность (Тс-Тр) между рабочей температурой Тр (77,3 К) и критической Тс (90 К) выше, чем для низкотемпературных сверхпроводников (Тс—Трнтсп = 10−4,2 «6 К). У перспективных.

ВТСП эта разность достигает значения примерно 22 К, что должно улучшить метрологические характеристики. Мнения исследователей разделились. Решение этой проблемы является актуальной задачей.

Вторая проблема-это механические свойства новых ВТСП материалов. Если НТСП были металлами (Pb, Nb, Sn, А1) или сплавами (Nb3Ge, Nb3Ga, V3Si), то новые материалы являются керамическими с абразивными свойствами. Изготовление из них радиокомпонент с контролируемой и воспроизводимой геометрией является актуальной задачей.

Третья проблема-это проблема устойчивости новых ВТСП материалов по отношению к окружающей среде и термоциклированию. Другими словами, эта проблема деградации метрологических характеристик.

Вторая и третья проблемы взаимосвязаны. Решить проблему воспроизводимости геометрических параметров возможно с помощью фотолитографических процессов по известной тонкопленочной технологии микроэлектроники. Однако, тонкопленочные ВТСП технологии уязвимы по процессам деградации.

Поперечное сечение ответственных тонкопленочных топологических деталей составляет примерно 0,5 мкм. Малейшие нарушения в поперечном сечении, связанные с высокой химической активностью тонких пленок по отношению к окружающей среде, вызовут существенные изменения в критическом токе и нормальном сопротивлении переходов Джозефсона (слабой связи). Поэтому тонкопленочные варианты изготовления ВТСП радиокомпонент до сих пор не нашли широкомасштабного применения. Известны лишь демонстрационные образцы ее применения. С другой стороны, известны широкомасштабные применения новых ВТСП материалов в толстопленочном варианте (системы сотовой телефонной связи, ЯМР-томография, линии задержки). Становятся актуальными толстопленочные технологии, выполненные с использованием технологических процессов и оборудования микроэлектроники. У толстопленочных вариантов площадь поперечного сечения слабой связи на порядки выше (5ТО3 мкм2) и они должны быть менее чувствительны к воздействию окружающей среды. Возможны также варианты и объемного (не пленочного) исполнения радиокомпонент. Цель работы.

Провести обобщение экспериментальных и теоретических исследований, направленных на решение задач по созданию прецизионных измерительных комплексов с новыми высокотемпературными сверхпроводящими компонентами и разработать базу для обоснованного проектирования и изготовления таких компонентов.

Для достижения этой цели были поставлены и решены следующие задачи:

— Проведен анализ и сформулированы требования к основным технологическим операциям базового технологического маршрута при изготовлении порошка ВТСП иттриевой керамики, обеспечивающим его устойчивую воспроизводимость. Выделены наиболее существенные технологические факторы. Проведены экспериментальные исследования и предложена морфологическая модель иттриевой керамики.

Разработана технология изготовления эффективных ВТСП магнитных экранов двух типов, обеспечивающих изучение предельных характеристик квантовых интерферометров. Определены технологические режимы их изготовления. Проведены исследования экранирующих свойств изготовленных магнитных экранов и на основе модели джозефсоновской среды определены межгранульные критические токи и размер гранул в экранах. Разработана технология изготовления объемных квантовых интерферометров трех типов: одноконтурного, двухконтурного, типа Харви. Проведены оптимизация и сравнительные исследования их предельных параметров в измерительной ячейке с магнитным экраном. По проведенным исследованиям оценена индуктивность ВТСП интерферометра и критический ток слабой связи.

Проведены исследования работы ВЧ СКВИД — магнитометра в составе конечных криоэлектронных устройств для медицины, геологии и метрологии с ВТСП интерферометром и ВТСП магнитным экраном.

Разработан технологический маршрут и исследованы основные технологические операции изготовления не деградирующих толстопленочных ВТСП микроприборов (переходов Джозефсона, двухплечевого резонатора мегагерцевого диапазона) с «утопленным» в подложку топологическим рисунком. Разработана и продемонстрирована методика проектирования толстопленочного ВТСП интерферометра с использованием оценочных и экспериментальных параметров YBCO керамики.

Работа содержит кроме «ВВЕДЕНИЯ» 6 глав и 2 Приложения.

Первая глава носит обзорный характер. В начале даются определения микроскопическим и макроскопическим параметрам сверхпроводников и приводятся их характерные зависимости от внешних и внутренних факторов. Далее кратко рассматриваются применения джозефсоновских переходов для сравнительно низкочастотных измерений магнитного поля, градиента магнитного поля, токов и напряжений. Подчеркивается, что в этих областях приборы, основанные на использовании джозефсоновских переходов, не имеют конкурентов и значительно превосходят по своей чувствительности приборы, основанные на других принципах.

Далее в главе анализируются технические реализации магнитометров на основе ВЧ СКВИДов и их использование при конструировании прецизионных вольтметров, термометров, измерителей магнитной восприимчивости, магнитного кардиографа и других приборов.

Вторая глава посвящена технологии изготовления ВТСП иттриевой керамики. В ней сформулированы требования к исходным порошкам и способам их подготовки к синтезу керамики, основанные на типовом технологическом маршруте изготовления керамических изделий радиоэлектроники. Выявлены на основе предложенной модели процесса ВТО основные морфологические особенности строения иттриевой керамики. В керамике, полученной методом прессования, обнаружена текстура. Межгранульные прослойки не вносят существенного вклада в формирование удельного сопротивления. Приведены результаты факторного эксперимента, позволяющего определить основные технологические параметры, влияющие на эксплуатационные характеристики как материала, так и изделий из него.

В третьей главе изложены основы технологии изготовления ВТСП магнитных экранов двух типов: монолитного и составного, а также экспериментальные исследования их коэффициента экранирования. Определены технологические режимы изготовления данных изделий на базе выбранного метода горячего литья под давлением, приведены основные эксплуатационные параметры для монолитного и составного экранов, из которых рассчитаны с использованием модели джозефсоновской среды основные электрофизические параметры материала.

В четвертой главе рассмотрена технология изготовления объемных ВТСП интерферометров трех типов: одноконтурного, двухконтурного типа Циммермана и многоконтурного типа Харви. Определены технологические режимы изготовления заготовок СКИ и контактов Джозефсона мостикового типа. Для повышения количества выхода годных СКИ впервые разработана технология восстановления параметров контактов в вышедших из строя интерферометрах. Предложен метод защиты слабой связи СКИ от воздействия окружающей среды, совместимый с технологией ее восстановления. Предложена методика определения работоспособных интерферометров и доведения их параметров до оптимальных.

Пятая глава посвящена исследованию основных эксплуатационных характеристик ВТСП ВЧ СКВИД-магнитометра со СКИ различных конструкций и эксплуатационных характеристик конечных электронных устройств на его основе для применения в медицине и геологии. В ней приведены основные шумовые характеристики ВЧ СКВИД-магнитометра в зависимости от диаметра отверстий интерферометров, длины соединительной части фидера, частоты высокочастотного смещения. Определено влияние термоциклирования на работоспособность СКИ. Выполнен анализ выходных характеристик СКВИД-магнитометра, и получены основные характеристики интерферометра: индуктивность контура квантования и критический ток слабой связи.

Установлены предельные характеристики разработанных конечных электронных устройств: макета градиентометра с дифференциальным включением каналов и установки по измерению магнитной восприимчивости с несверхпроводящим трансформатором магнитного потока. Представлены данные по параметрам измерителя ослабления электромагнитных колебаний радиочастотного диапазона.

Шестая глава посвящена нетрадиционной технологии изготовления толстопленочных изопланарных ВТСП керамических ИС, которые отличаются тем, что в подложке из алюмооксидной керамики изготавливают микрорельеф, затем в углубления микрорельефа закладывают порошок ВТСП с избытком и спекают. Излишки порошка сошлифовывают и заполировывают. Такая технология расширяет возможные области применения новых ВТСП материалов, улучшает воспроизводимость параметров ВТСП изделий и повышает их надежностые характеристики.

В приложении, А приведены числовые данные дисперсионно-регрессионного анализа факторного эксперимента технологических режимов спекания керамики.

В приложении В проведена оценка удельного сопротивления прессованной керамики при 300 К, а также проведена оценка наклона р-Т характеристики в предположении наличия примесной зоны в иттрий-бариевых и лантан-стронциевых купратах и проводимости по ней. Для описания проводимости по примесной зоне использована электронная теория неупорядоченных систем Мота-Андерсона. Полученные оценки сравниваются как с нашими экспериментальными данными, так и с экспериментальными данными для монокристаллов и отмечается их хорошее соотвествие.

Научная новизна.

1. Впервые в едином комплексе проведено систематическое изучение всего процесса создания устройств ВТСП криоэлектроники от технологии синтеза ВТСП порошка до измерения и оптимизации действующих СКВИД-систем.

2. Установлено, что прессованная керамика после синтеза в оптимальных режимах представляет собой джозефсоновскую среду с преимущественной ориентацией кристаллитов, ось С которых перпендикулярна оси прессования. Установлено, что межкристаллитные прослойки не вносят существенного вклада в величину удельного сопротивления, а удельное сопротивление керамики вдоль оси прессования соответствует удельному сопротивлению монокристаллов в плоскости [ab].

3. Решена проблема создания эффективных магнитных экранов для ВТСП-СКВИДов. Выполнены систематические исследования ВТСП магнитных экранов двух типов: монолитного и составного. В исследованиях впервые применен ВТСП СКВ ИД магнитометр. Показано, что коэффициенты экранирования обоих типов экранов близки и равны ж 106, что не уступает мировым аналогам и вполне достаточны для большинства применений в СКВИД-технике. Показано, что экранирующие свойства полученных экранов хорошо описываются в рамках модели джозефсоновской среды и модели Бина для сверхпроводников второго рода.

4. Впервые проведены систематические исследования предельных параметров квантовых интерферометров трех типов: одноконтурного, двухконтурного и Харви в измерительной ячейке с магнитным ВТСП экраном и в составе ВТСП магнитометра. Проведена оптимизация этих параметров для двухконтурного СКИ. Оценены критический ток слабой связи и индуктивность двухконтурного СКИ при оптимальных его геометрических размерах и условиях работы.

5. Развита концепция формирования профилированных ВТСП структур с использованием идеологии кремниевой микромеханики, что обеспечивает принципиальную возможность решения проблемы создания не деградирующих ВТСП приборов с высокой степенью воспроизводимости их параметров.

6. Разработаны физико-химические принципы проектирования и изготовления ВТСП приборов на основе комплексных физико-технологических исследований иттрий-бариевых купратов. Приведен пример проектирования и изготовления толстопленочного квантового интерферометра из иттрий-бариевых купратов.

На защиту автор выносит:

1. Результаты экспериментальных исследований резистивных свойств прессованной ВТСП керамики и выводы о близости этих свойств к аналогичным свойствам монокристаллов.

2. Результаты сравнительных исследований ВТСП магнитных экранов двух типов (монолитного и составного), а также выводы о параметрах джозефсонов-ской среды экранов (критическом токе и размерах кристаллитов).

3. Технологические операции и режимы процесса изготовления, метод защиты и восстановления параметров слабой связи объемных интерферометров, обеспечивающие высокий процент выхода годных и долговременную стабильность характеристик.

4. Экспериментальные результаты по оптимизации эксплуатационных характеристик (ВТ) ВЧ СКВИД — магнитометра, а также конструкцию установки для измерения магнитной восприимчивости с несверхпроводящим трансформатором магнитного потока и ее эксплуатационные параметры и выводы о достаточной чувствительности магнитометра для большинства применений в науке и технике.

5. Концепцию формирования профилированных ВТСП структур с использованием идеологии кремниевой микромеханики.

6. Комплексную конструкторско-технологическую программу проектирования и изготовления сверхпроводящих квантовых интерферометров и других ВТСП приборов.

Практическая ценность:

— Проведенный комплекс исследований позволил сформулировать требования и определить базовый технологический маршрут воспроизводимого изготовления исходного порошка для ВТСП изделий, ориентированного на изготовление СКВИДов и магнитных экранов.

Разработан состав и установлено количественное соотношение компонентов шликера для производства ВТСП магнитных экранов. Определены технологические режимы шликерного литья, обеспечивающие сплошность и однородность материала в отлитых заготовках.

Решена проблема термической обработки отлитых заготовок, обеспечивающая полноценное удаление органических связок из них, что определяет долговременную стабильность характеристик готовых монолитных изделий. На основе многофакторных экспериментов разработан и практически реализован первый в России технологический маршрут изготовления ВТСП квантовых интерферометров с высоким процентом выхода годных и обладающих повышенной долговременной стабильностью характеристик. На основе изготовленных ВТСП интерферометров и магнитных экранов впервые создан работоспособный ВЧ СКВИД магнитометр с чувствитель.

— 4 Ф0 ностью ~ 1,0 • 10 , —, пригодный для большинства применений в науке и л/Гц технике. Магнитометр использован в составе конечных электронных устройств: в измерителе ослабления электромагнитных колебаний (акт внедрения) и в измерителе магнитной восприимчивости.

Разработана практическая технология изготовления толстопленочных ВТСП приборов с предварительно микропрофилированной подложкой, обеспечивающая групповой способ изготовления ВТСП СКИ и улучшающая надежность и воспроизводимость их параметров.

Разработаны практические методы проектирования ВТСП приборов (СКИ) с учетом технологических особенностей их изготовления.

Апробация.

Результаты диссертационной работы были представлены на четырех международных конференциях АПЭП (Новосибирск, 1994, 1996, 1998, 2000) — двух международных конференциях KORUS (Новосибирск 1999, Ульсан (Корея) 2000) — международной конференции МЕЕМЕ (Новосибирск, 1999), пятом международном конгрессе по сверхпроводимости (Будапешт, Венгрия, 1996), пятой международной конференции по прикладной сверхпроводимости (США, 2000) — международной конференции по страйпам (Рим (Италия), 2000) — международной научно-технической конференции «Информатика и проблемы коммуникации» (Новосибирск, 1998), научных семинарах кафедры Полупроводниковых приборов и микроэлектроники НГТУсеминарах отдела Термодинамических исследований ИНХ СО РАНсеминаре кафедры Общей физики Омского государственного университета.

ВТСП ВЧ СКВИД магнитометр демонстрировался на научно-технической выставке «Фонд изобретений России» (Москва, 1995), научно-технической выставке четвертой международной конференции АПЭП (Новосибирск, 1998).

Технические характеристики ВТСП изделий включены в базу данных «Рынок ВТСП» информационного центра «Сверхпроводимость» ИФТТ РАН г. Черноголовка.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.

1. Впервые в едином комплексе проведено систематическое изучение всего процесса создания устройств ВТСП криоэлектроники от технологии синтеза ВТСП порошка до измерения и оптимизации действующих СКВИД-систем.

2. Сформулированы требования и определен базовый технологический маршрут воспроизводимого изготовления исходного порошка для ВТСП изделий, ориентированного на изготовление СКВИДов и магнитных экранов.

3. Экспериментальные исследования цилиндрических прессованных образцов керамики показали, что зависимость удельного сопротивления от температуры линейна с наклоном -2,8 мкОм см К" 1. На прессованных образцах обнаружена текстура. Ось «с» кристаллитов перпендикулярна оси прессования. Кислородный индекс YjBa2Cu3Ox близок к 7.

4. Разработан состав и установлено количественное соотношение компонентов шликера для производства ВТСП магнитных экранов. Определены технологические режимы шликерного литья, обеспечивающие сплошность и однородность материала в отлитых заготовках.

5. Изготовлены монолитные и составные ВТСП магнитные экраны. Для исследования их свойств впервые использован ВТСП СКВИД — магнитометр. Коэффициенты экранирования обоих типов экранов близки друг к другу и равны -10 6. Это позволяет использовать их в СКВИД — системах. Экранирующие свойства полученных экранов хорошо описываются в рамках модели джозефсоновской среды и модели Бина для сверхпроводника второго рода. Глубина проникновения магнитного поля 40 мкм, первое критическое поле Джозефсонов-ского перехода -16 А/м, пороговая индукция для наших экранов 6−10″ 4 Тл, средний размер гранул в экранах 2 мкм и критических ток равен 20 А/см2.

6. На основе многофакторных экспериментов разработан и практически реализован первый в России технологический маршрут изготовления ВТСП квантовых интерферометров с высоким процентом выхода годных и обладающих повышенной долговременной стабильностью характеристик (до 12 месяцев).

7. Впервые проведены систематические исследования предельных параметров квантовых интерферометров трех типов: одноконтурного, двухконтур-ного и Харви в измерительной ячейке с магнитным ВТСП экраном и в составе ВТСП магнитометра. Проведена оптимизация этих параметров для двухконтур-ного СКИ. Оценены критический ток слабой связи (1с «1,1 мкА) и индуктивность двухконтурного СКИ при оптимальных его геометрических размерах и условиях работы (L"91 040 Гн).

8. На основе изготовленных ВТСП интерферометров и магнитных экранов впервые создан работоспособный ВЧ СКВИД магнитометр с чувствитель.

— 4 Ф0 ностью -1,0−10 .—, пригодный для большинства применений в науке и л/Г Д технике. Магнитометр использован в составе конечных электронных устройств: в измерителе ослабления электромагнитных колебаний (акт использования), позволяющий проводить калибровку вольтметров переменного тока в диапазоне частот до 200 кГц с погрешностью измерения 10″ 3 Дб и в измерителе магнитной восприимчивости с диапазоном измерения намагниченности от.

А А.

4,2 10″ 5-j= до 9-т= с погрешностью не более 15% для образца объ.

Му]Гц м-у/Гц емом 0,15 см³.

9. Развита концепция формирования профилированных ВТСП структур с использованием идеологии кремниевой микромеханики, что обеспечивает принципиальную возможность решения проблемы создания не деградирующих ВТСП приборов с высокой степенью воспроизводимости параметров. Спираль, изготовленная по такой технологии, имела следующие характеристики: Тс=91,5 К, р (300) =0,8 мОм-см и jc=l00 А/см2 (на уровне 1 мкВ).

10. Разработаны конструкторско-технологические принципы проектирования и изготовления ВТСП приборов на основе комплексных физико-технологических исследований иттрий-бариевых купратов, приведен пример проектирования и изготовления квантового интерферометра из иттрий-бариевых купратов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Работа представляет собой обобщение экспериментальных и теоретических исследований, выполненных под руководством автора при решении крупной научно-технической задачи по созданию прецизионных измерительных комплексов с высокотемпературными сверхпроводящими компонентами. Обобщение сформулировано в виде конструкторско-технологические принципы проектирования и изготовления радиокомпонентов из иттрий-бариевых купра-тов.