Рентгенодифракционные исследования эпитаксиальных пленок и многослойных структур сверхпроводниковой электроники тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени М. В. ЛОМОНОСОВА

НАУЧНО^ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ имени Д. В. СКОБЕЛЬЦЫНА

На правах рукописи

Поляков Сергей Николаевич

РЕНТГЕНОДИФРАКЦИОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭПИТАКСИАЛЬНЫХ ПЛЕНОК И МНОГОСЛОЙНЫХ СТРУКТУР СВЕРХПРОВОДНИКОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

Специальность 01.04.07 - физика твердого тела.

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата физяко- математических наук

Москва-1998

Работа выполнена в отделе микроэлектроники Научно-исследовательского Института ядерной физики Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова.

Научные руководители:

доктор физико-математических наук М.Ю. Куприянов

кандидат физико-математических наук Э.К. Ковьев

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор А. Н. Васильев

доктор физико-математических наук, Р. Н. Кютг

Ведущая организация: Государственный научный центр

Российской Федерации, < - Институт физических проблем

им. Ф.В. Лукина

Защита состоится « {£> » апреля

1998 г. в «/5 ,» час. в аудитории и у^/г на заседании диссертационного совета К 053.05.19 Отделения физики твердого тела физического факультета Московского Государственного Университета им. М.В. Ломоносова.

Адрес: 119899 ГСП, Москва В-234, Воробьевы горы, МГУ, Физический факультет

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Физического факультета МГУ.

Автореферат разослан « {(¿> » марта 1998г.

Ученый секретарь диссертационного совета К 53.05.19

И.А. Никанорова

ВВЕДЕНИЕ.

Одной из важных задач в современной сверхпроводниковой электронике является выращивание качественных по структуре эпитаксиальных сверхпроводящих пленок и многослойных структур с высокими значениями температуры перехода в сверхпроводящее состояние Тс и высокими значениями транспортного тока. Ключ к успешному решению данной проблемы лежит в детальном исследовании электрических и магнитных свойств, анализе катионного состава и кислородной стехиометрии, а также знании структурных характеристик выращенных пленок. Одним из основных и наиболее распространенных методов изучения кристаллической структуры является рентгенодифракционный анализ, позволяющий не только получать количественную информацию о степени искажения кристаллической решетки, характере и уровне дефектов, но и формулировать на ее основе конкретные рекомендации по совершенствованию технологий изготовления изделий современной криоэлектроники.

На практике задача получения совершенных по структуре эпитаксиальных ВТСП - пленок с высокими значениями Тс и .1С связана с оптимизацией технологических режимов по уровню структурных дефектов, поскольку дефекты кристаллической решетки значительно влияют на транспортные свойства сверхпроводников, и, в итоге, на параметры конечных устройств.

Целью настоящей работы являются рентгенодифракционные исследования реальной структуры тонких эпитаксиальных пленок высокотемпературных УВагСизОт-з (УВСО), В125г2СаСи208(8 (В8ССО-2212) и низкотемпературных сверхпроводников НЬ, МЬЫ и выяснение характера влияния структурных дефектов на электрофизические параметры устройств, содержащих джозефсоновские переходы.

Технология выращивания эпитаксиальных ВТСП-пленок, в частности пленок УВСО и В5ССО-2212, достигла уровня, позволяющего получать пленки

близкие по своей структуре к монокристаллическим. Именно это обстоятельс во объясняет возможность достижения в них высоких значений 1с. При этом а! тивную роль играет подложка, поскольку структурные дефекты подложки н; следутся пленкой в процессе ее эпитаксиального роста. В связи с этим высою требования предъявляются и к структурному совершенству самих подложек.

Часто для обеспечения эпитаксиального роста пленок с высокими знач: ниями транспортного тока используются сложные буферные слои, параметр решетки которых близки к соответствующим значениям параметров решете ВТСП пленок и подложек. В связи с вышесказанным в рентгенодифракционно анализе пленок сверхпроводников возникают следующие задачи:

- определение взаимной ориентации решетки пленки относительно решете подложек и буферных слоев, имеющих близкие значения брэгговских углов;

- определение величины и типа деформации решетки тонких пленок.

- прецизионные измерения параметров элементарной ячейки;

- определение типа и количества структурных дефектов, возникающих в пр! цессе роста пленок на различных , подложках;

- определение дефектов границы пленка-подложка, пленка-буферный слой;

Для висмутсодержащих сверхпроводников самостоятельной задачей яв ляются исследования возникновения в некоторых фазах несоразмерных модуляций.

В последние несколько лет особый интерес возник к джозефсоновски структурам, сформированным на подложках ростовых бикристаллов тугопла ких окислов БгТЮз, А^Оз, ИсЮаОз, Ранее стандартным методом изготовлен! бикристаллов служил метод твердофазного сращивания отдельных кристалл: ческих блоков, ориентированных в заданной геометрии. Однако структура п лучаемой границы раздела полностью определяется рельефом поверхностей с прягаемых кристаллов. Для нее характерно наличие большого количества н желательных структурных дефектов, таких как скопления вакансий и сильно р;

зоупорядоченных областей. Структура границы в эпитаксиалыго выращенной на такой подложке ВТСП-пленке в значительной степени определяется атомной структурой бикристашшческой границы подложки, что в конечном итоге приводит к ухудшению электрофизических параметров джозефсоновских переходов.

Альтернативой твердофазному сращиванию кристаллов является рост бикристаллов тугоплавких окислов из расплава. Получающиеся при этом границы характеризуются естественной атомной структурой большеугловых границ. Разработка технологии роста бикристаллов БгТЮ? позволило изготовить джозефсоновские переходы (пленки УВСО на ростовых бикристаллах титаната стронция с симметричными границами наклона 36,8° и 24°) с рекордными электрофизическими параметрами.

В структурном плане при исследовании бикристаллических границ возникает целый ряд проблем, основными из которых являются: определение структурных дефектов, возникающих на реальной границе, величин упругих и неупругих напряжений вблизи границы, а также степени влияния структурных дефектов границы на параметры джозефсоновских переходов.

Решению сформулированных выше задач и посвящена диссертационная работа.

Актуальность диссертационной работы определяют исследования реальной структуры ВТСГТ эпитаксиапышх пленок с целью выработки конкретных технологических рекомендаций по их использованию в производстве приборов и устройств на базе планарных джозефсоновских переходов.

Научная новизна определяется следующими наиболее важными из полученных результатов:

1. Развита методика определения параметров элементарной ячейки эпитакси-альных пленок, которая использована в исследованиях структуры буферных слоев СеОг, MgO и эпигаксиальных пленок В8ССО-2212 в многослойных

системах В128г2СаСи208+х (001)//Се02(001)/^0//8гТЮ3(001) и Се02(001)//А120з(1102).

2. Отработана экспериментальная методика структурных исследований авто-эпитаксиальных пленок алмаза, позволяющая определять величины пространственного сдвига кристаллических решеток пленки и подложки.

3. Проведены структурные исследования буферных слоев Се02, выращенных на К-новерхностях кристаллов лейкосапфира. Показано, что несоответствие параметров кристаллических решеток на границе раздела приводит к деформации решетки пленки Се02, которая описывается не кубической, а более сложной (близкой к ромбической) элементарной ячейкой с параметрами а=Ь^с и средним значением угла у=89.28угл.град.

4. Научно обосновано применение ростовых бикристаллов в качестве подложек для изготовлении приборов ВТСП - электроники на базе тонкопленочных джозефсоновских переходов. Это позволило, впервые, получить более совершенные по структуре границы в эпитаксиальных пленках УВСО-123, и как следствие, значительно улучшить электрофизические параметры ВТСП джозефсоновских переходов и СКВИДов (шумовые характеристики, магнитная экранировка). По результатам этих работ получены положительные решения на два патента Российской Федерации.

5. Проведен цикл рентгенодифракционных исследований структурного совершенства висмутсодержащих пленок В5ССО-2212, выращенных на кристаллах титаната стронция с подслоями Се02 и N^0. Впервые удалось изготовить в этих пленках джозефсоновские переходы по биэпитаксиальной технологии.

6. Разработан эффективный рентгенодифракгометрический метод контроля величины и типа деформации кристаллической решетки пленок №>Ы и №>, позволяющий находить оптимальные режимы выращивания пленок с отсутствием деформации решетки и высокими значениями Тс.

На защиту выносится:

1. Разработка и постановка метода определения параметров элементарной ячейки эпитаксиальных пленок BSCCO-2212 и СеО^. , -

2. Исследование структурного совершенства эпитаксиальных пленок СеС>2, выращенных на кристаллах лейкосапфира.

3. Дифракционные исследования эпитаксиальных пленок YBCO, выращенных на кристаллах титаната стронция и галлата неодима, влияние структурных дефектов подложек на их сверхпров'одящие и транспортные свойства.

4. Исследование структуры пленок BSCCO-2212 в многослойной системе BSCCO-2212//Ce02///MgO//SrTi03.

5. Сравнительный анализ структурного совершенства границ ростовых бикри-сталлов титаната стронция и полученных твердофазным сращиванием.

Апробация работы:

Материалы работы докладывались на следующих отечественных и зарубежных конференциях и совещаниях:

1. IV Bilateral Soviet-Germany seminar on high temperature superconductivity, St. Petersburg, 1991.

2. VI Trilateral German-Russian-Ukrainian seminar on HTSC, Dubna, Russia, 1993.

3. EMRS Spring Meet., Strasbourg, 1992.

4. Reseach Sci. Meet., San Francisko, USA, 1993.

5. M2S-HTSC-IV Conf., Grenoble, France, 1994.

6. Applied Superconductivity Conf. (ASC-94), Boston, USA, 1994.

7. 30 Совещание по физике низких температур, Дубна, 1994.

8. Second Intern. Symp. on Diamond Films, Minsk, Belarusse, 1994.

9. Second European Conf. on Applied Superconductivity., Edinburgh, Scotland, 1995.

10. VIII Trilateral Gennan-Russian-Ukrainian seminar on HTSC, Lviv, Ukrain, 1995.

11. XVII Congress and General Assembly (IUCr-XVII), Aug. 1996, Seattle, Washington, USA.

12. ICSC-F-96, Jaszowiec, Poland, 1996. ■

13. IX Trilateral German-Russian-Ukrainian seminar on HTSC, Gabelbach, Germany, 1996.

14. Applied Superconductivity Conf. (ASC-96), Aug. 1996, Philadelphia, USA.

15. X German-Russian -Ukrainian seminar on HTSC, Sept. 1997. - Nizny Novgorod.-Russia.

16. 6th Int. Superconductive Electronics Conference. June 1997, Berlin, Germany.

По материалам диссертации опубликовано 10 печатных работ и имеются положительные решения на 2 патента Российской Федерации. Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, 4-х глав, заключения, приложения, списка использованнои литературы м наименований, содержит _SSрисунка и С таблиц. Общий объем составляет {М_ страниц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

В введении обоснована актуальность темы исследований, обоснованы цель и задачи диссертационной работы, отмечена новизна и практическая полезность работы, изложены основные положения, выносимые на защиту.

Первая глава, посвящена разработке методов рентгенодифракционного анализа структуры кристаллов и эпитаксиальных пленок.

В §1.1 изложены теоретические основы рентгенодифрактометрического метода прецизионного измерения абсолютных значений межплоскостных рас-

г. -

стояний dhxi- своей постановке данный метод ближе к методу абсолютных измерений периода d^y в многоволновой дифракции, однако в нем использует-

ся двухволновая геометрия, что значительно упрощает интерпретацию результатов измерений и придает ему универсальность.

Идея метода измерения d^y заключается в том, что предварительно ориентированный на ось ф - сканирования кристалл отклоняют на заданные углы (а) в плоскости дифракции. Прецизионные значения углов (а) измеряются на том же двухкристальном спектрометре по шкале (9) при углах ср = 0 и ф = 180°.

В двухволновой геометрии создается аналогичная ситуация в расположении

' —»

векторов обратной решетки Н (0) и Н(а) как и в трехволновой геометрии, когда на сферу Эвальда последовательно вводят вектор G = Н(а) при вращении кристалла около вектора Н=Н{0). При этом происходит переход из компланарной геометрии дифракции в некомпланарную. Вектор Я последовательно отклоняют от точного выполнения условия Брэгга на углы а и каждый раз измеряют углы ф - (я/2 - Ф) между точками входа и выхода на сферу Эвальда. Углы ф и а связаны простым соотношением:

Бшф = СозФ = tanOr, -tan(a/2) Из зависимости Siri(p^f(a) вычисляют угол 9в,_ а, следовательно, и значение

межплоскостного расстояния dh,k,i = 1/1 Я I.

На Рис. 1. представлены расчетные зависимости Бтф = f(a) при различных значениях 6Б (0<вБ ^90°).

В §1.2 приведены результаты исследований структурных нарушений кристаллической решетки автоэпитаксиальных пленок алмаза в геометрии трехволновой дифракции. В качестве подложки использовали естественные грани кристалла алмаза с (П1)-ориентацией поверхностей. Толщина пленок изменялась в пределах 0.4-г0.$мкм. Измерения кривых дифракционного отражения (КДО) проводили на двухкристальном спектрометре с германиевым кристалл -

монохроматором, формирующим пучок рентгеновского излучения с угловс расходимостью Юугл.сек. ((220)-О1ражение, Cuka-излучение).

Рис. 1. Расчетные зависимости Sinq> = f(a) для брэгговских углов 25°, 50°, 75° и 80°.

Из разрешенных отражений структуры алмаза регистрировали КДО (111 и (311) рефлексов. Наблюдалось сильное уширение КДО (сО(Ш)=24 угл. сек. <й(зп)~<>6 угл. сек.). Анализ формы КДО вдали от брэгговского угла показал, чт< в пленках алмаза период решетки остается практически постоянным, а величи на направленной деформации (Да/а) меньше 10'5. Поэтому такие совершенны!

пленки отличить от монокристаллической подложки алмаза обычными методами рентгенодифракционного анализа очень трудно. Показано, что фазочувстви-тельный метод внутрикристальной интерференции позволяет из экспериментальных КДО в случае многоволновой дифракции получать информацию о величине пространственного сдвига кристаллических решеток пленки относительно подложки. Кривые отражения 1(<р) азимутального вращения в трехволно-

вой геометрии (222)/(113)/(1,11) при различных углах отклонения Л0=0-06рэгг (Д0=О, Л6=180 угл.сек., Д9=240 угл. сек.) представлены на Рис. 2.

I (222)/(311)/(111)

5.5 5.0

5 4-°

Я

ь

л ь

о о X И

к

и

Я

Я

3.0

1.5 1.0

0.5 Н 0.0

1 Д=0 угл. сск.

Д=180 угл. сск.. 1 )

М Д=270 З'ГЛ. сск.

-500

-250

0 250

ф (угл. МИН.)

500

Рас. 2. Кривые дифракционного отражения ф - сканирования при различных углах отстройки А9 от точного брэгговского отражения в окрестности трехволновой точки (222)/(311)/(111).

1Г

Из фазового сдвига между волнами прямого (222) и обходного (311)/(111) вс буждения можно определитьД^ = ¿1 "' '" . .Обработка экспериме

111 побюж. ' пленка '' ; • .

тальных данных дала следующие значения суммарного смещения атомнь плоскостей в пленках алмаза:

' а) для пленки толщиной 0.4мкм ~ 3/4с1(Ш) - б) для пленки толщиной 0.8мкм ~1/2ё(Ш)

Наблюдаемое смещение решеток на границе автоэпитаксиальной плени и подложки алмаза объясняется образованием дефектов упаковки в процесс роста пленки. При величине смещения атомных плоскостей вблизи одного д( фекта упаковки в алмазной решетке ~10'2А концентрация дефектов упаковки исследованных пленках алмаза составляет ~ 106см"1.

В § 1.3 дано описание методики определения кристаллографической ори еотации поверхности кристалла и углов ее разориентации в постановке на двух кристальном спектрометре. Для кристаллов низкой сингонии брэгговские упп оказываются настолько близкими по своим значениям, что затрудняет одно значное определение ориентации поверхности образцов. К ним относятся \ кристаллы галлата неодима (ШСаОз), имеющие орторомбическую решетку с параметрами элементарной ячейки "а'-5.428А, "Ь"=5.493А и "с"=7.7729А. Настоящая методика описана специально для распознавания ориентации (110) и (001) кристаллов галлата неодима.

Определение ориентации поверхности кристаллов проводится в два этапа. Также как и в методе прецизионного измерения величин используется техника ф - сканирования. На первом этапе находят рефлекс симметричного брэг-говского отражения от поверхности и с помощью поворотов образца в двух взаимно - перпендикулярных плоскостях вектор обратной решетки Н вводят на ось ф - вращения. Аналогичную процедуру проделывают и для рефлексов высших порядков отражений. Если наблюдаются 1-й, 2-й и 3-й порядки отражений,

то поверхность образца ориентирована либо по плоскости (110), либо по плоскости (001).

На втором этапе определения ориентации галлата неодима используют асимметричные отражения, для которых вектора обратной решетки Я не совпадают с нормалью к поверхности п. При последовательном вращении образца

вокруг вектора Я (угол ф - вращения следует менять с шагом не более 5°) находят (024)- и (116)-отражения с углами падения рентгеновского пучка на поверхность образца (а), равным 20.6516°, либо 25.8639°. В первом случае поверхность образца соответствует (110) плоскостям, во втором - (001).

Окончательный выбор ориентации образца галлата неодима делается из

наблюдения симметрии рефлекса Я. Направление [110] является осью 2-го порядка, т.е. при угле а=сопБ1 могут реализовываться только отражения (420) и (240). Направление [001] является осью 4-го порядка, т.е. имеют место следующие отражения: (116), (-1,-1,6), (1,-1,6), (-1,1,6) при угле падения а^сопз!. При этом линии пересечения указанных отражений с плоскостью (001) перпендикулярны друг другу.

Для определения углов разориентации (ах, ау) поверхности плоскопараллельной пластины кристалла (либо пленки) от заданной кристаллографической плоскости, а также разметки кристаллографических направлений на поверхности образца разработана специальная методика с использованием техники ф -сканирования. Этот метод рентгеновской ориентации кристаллов по своей сущности является бесконтактным.

В основу метода положено использование помимо брэгговского отражения на (Ш) атомных плоскостях еще и зеркального отражения рентгеновского излучения от поверхности кристалла. С помощью зеркального отражения нормаль поверхности образца устанавливается параллельной ф - оси. Это установка образца по 0-шкале считается нулевой. Далее делается переход на брэгговские

симметричные Я-отражения от атомных плоскостей , которые составляют с поверхностью углы разориентации ах, ау. Определение углов дифракции по 0-шкале в двух положениях ф=0 и ср=180 град, позволяет стандартным образом находить искомые значения ахи ау.

; Точность определения углов разориентации в данном методе определяется полуширинами кривых зеркального отражения и кривых дифракционного отражения и для полированных поверхностей кристаллов составляет несколько угловых секунд. Если поверхность механически полированная, то точность увеличивается и достигает значений нескольких десятков угловых секунд.

В главе 2 представлены экспериментальные результаты рентгенодифракционных исследований эпитаксиальных буферных слоев Се02, выращенных на R - поверхностях кристаллов лейкосапфира, приводятся результата исследований структуры пленок YBCO, выращенных на моно- и бикристаллах титаната стронция, а также результаты измерений электрофизических параметров изготовленных на их основе джозефсоновских переходов.

В § 2.1 приведены результаты комплексных исследований структуры эпитаксиальных пленок YBCO, выращенных методом лазерного распыления на кристаллах титаната стронция с (001)-ориентацией поверхности. Эти исследования включали в себя рентгеновский фазовый анализ, дяухкристальную рентгеновскую дифрактометрию, рентгеновскую топографию, электронографию и сканирующую электронную микроскопию. Основная цель проведения исследований - сравнительный анализ качества структуры пленок, выращенных на разных по качеству подложках. Исследования показали, что морфология поверхности кристаллической решетки подложки влияет на структуру пленок: наличие ступенек и фасеток на поверхности приводит к образованию а - ориентированных областей. Дефекты подложки титаната стронция, в частности блоки, наследуются растущей пленкой YBCO. Наличие дефектов в пленках влияет на их сверхпроводящие свойства (магнитная экранировка, транспорт тока).

В параграфе приводятся также результаты исследования структуры эпитак-сиальных пленок УВагСизСЬ-х, выращенных на монокристаллических подложках ШваОз методом катодного распыления на постоянном токе. Основное внимание было уделено исследованию особенностей роста пленок УВагСизО^ в зависимости от технологических параметров распыления и определению в какой степени эти параметры (ток разряда, мощность, температура и т.д.) влияют на структурное совершенство пленок, морфологию поверхности и транспортные свойства.

Проведенные рентгенодифракционные исследования показали, что совершенные по структуре пленки УВСО можно выращивать лишь в узком интервале значений тока разряда. Сделан вывод, что для получения качественных по структуре пленок УВСО/ШваОз необходима жесткая стабилизация параметров напыления с точностью ¿1%. В ходе проведения исследований выявлен ряд особенностей структуры выращенных пленок.

В § 2.2 приведены результаты детальных исследований структуры тонких (5, 9, 15, 30 и ЮОнм.) эпитаксиальных пленок Се02, выращенных методом

МОС\Т) на подложках лейкосапфира с ориентацией поверхности (1102). Установлено, что выращенные пленки являются монокристаллическими, о чем свидетельствовало наличие асимметричных рефлексов (113), (024), (224). Взаимная ориентация решеток пленки и подложки, определенная методом ф - сканирования с использованием асимметричных (113) и (30 30) отражений соответственно для СеОг и АЬОз, отвечает следующим эпитаксиальным соотношениям:

СеОг (001)// А120з (1102) Се02 [010]//А1203 [1210]

Исследования показали, что в плоскости (1102) решетки лейкосапфира, атомы Се располагаются ближе к узлам атомов А1 (Рис. 3). В направлении [101 1] не-

соответствие параметров решеток СеОг и А1г03 составляет Да/а=5.38%, а в направлении [12 Ю] - 12%, что в итоге приводит к значительным деформациям кристаллической решетки пленок СеСЬ.

(12101

етсяород ■ положения! А ¡- В

9 — алюминий - церий

Рис. 3. Положение атомов церия и кислорода в плоскости (1102)

лейкосапфира.

Для уточнения кристаллической структуры решетки пленок СеСЬ были проведены прецизионные измерения брэгговских углов дифракции для асимметричных отражений (113), (024), (224) при углах <р=0 и ф=90угл.град., из которых затем определялись экспериментальные значения 4ы. В таблице 1 при-

ведены соответствующие значения межплоскостных расстояний с1ш для пленок толщиной ЗОнм. Измерения показали, что в направлениях [100] и [010] периоды

решетки СеОг одинаковы, в то время как в направлениях [110] и [11.0] наблюдались заметные изменения. Это означает, что возникающая на границе раздела решетка

Таблица 1

н,к,ь . ¿мз[нм] . <1()24[НМ] ¿204 [НМ]

П101 0.1633 0.1119

[1101 0.1660 - 0.1129

[1001 - ' 0.12296 ■ -

[0101 0.12310 ■ ,, -

пленки СеОг описывается не кубической, а близкой к ромбической элементарной ячейкой с параметрами а=Ь=с и углом уф90°. Простые расчеты дали среднее значение угла у=89.06°.

Дефекты структуры пленок СеОг исследовали методами дифференциальной рентгеновской дифрактометрии. Показано, что характерными дефектами, возникающими на границе пленка/подложка, являются дислокации несоответствия, которые приводят к образованию малоугловых границ в объеме пленки. Этот вывод также подтверждается данными просвечивающей электронной'микроскопии высокого разрешения.

В § 2.3 рассматриваются вопросы применения ростовых бикристаллов тугоплавкого окисла БгТЮз для изготовления джозефсоновских переходов в сверхпроводящих пленках. ;

На практике бикристаллы используют в качестве подложек для эпитакси-ального роста ВТСП - пленок. В процессе роста пленка наследует структуру бикристаллической границы. В настоящее время основным мегодом изготовления бикристаллов является метод твердофазного Оращивания (ТФС). Многочисленные исследования атомной структуры этих' границ показали, что они яв-

ляются неоднородными и содержат такие дефекты, как скопления вакансий и микропоры. Альтернативой ТФС является выращивание бикристаллов тугоплавких окислов го расплава методом двойной затравки.

В параграфе приведены результаты рентгенодифракционных исследования ВТСП - пленок УВСО на ростовых бикристаллах титаната стронция. Бик-ристаллические слитки выращивали методом двойной затравки на установке УРН-2М зонной плавки с радиационным нагревом.

В соответствии с кристаллогеометрическим анализом структуры границ зерен, данным в приложении диссертации, для кубических кристаллов титаната стронция были выбраны направления роста [310] и [510], при которых формируются бикристаллические границы наклона с углами 36.86° и 22.6°. Полуширины кривых дифракционных отражений (002) - рефлексов по обе стороны от

границы для ростового бикристалла составляли величину 2+4 угл. мин., что

)

близко к значениям полуширин выращиваемых монокристаллов. Отклонение значений углов наклона от угла, соответствующего специальной разориенти-ровке 2=5 (36.86°), лежало в пределах 0.4°ч-0.8° Измеренные значения углов поворота и кручения, характеризующие взаимную ориентацию монокристаллических компонент относительно бикристаллической границы, составляли величину 0.5° 1°. Из слитков были изготовлены 4 подложки, на которых методом лазерного распыления выращивались эпигаксиальные пленки УВСО-123 толщиной 2000А. Рентгенодифракционный анализ показал, что выращенные пленки являются эпитаксиальными, С1 - ориентированными и в структурном отношении не отличались от пленок, выращенных в этих же условиях на монокристаллических подложках.

Однородность бикристаллической границы пленки УВСО оценивали по эффективности экранировки магнитного поля при температуре перехода в сверхпроводящее состояние. Типичная кривая зависимости реальной части магнитной восприимчивости от температуры представлена на Рис. 4 (кривая 1).

Видно, что для границы в пленках УВСО на ростовых бикристаллах титаната стронция характерен резкий спад %'при температуре 90К с шириной перехода 0.5К. Эффективность магнитной экранировки в пленках УВСО на бикристаллах ТФС выявила резкое различие в поведении восприимчивости % наличием большого колена шириной 2.5К с длинным затянутым хвостом до температуры 85К (кривая 2).

Наблюдаемое различие в поведении восприимчивости объясняется тем, что ростовая бикристаллическая граница является более однородной и имеет атомное строение, присущее большеугловой дислокационной границе.

V 0.2 0.0 -0.2 -0.« -0.8 -0.8 -1.0

•х

0.0 -0.2 -0.* -О.в -0.8 -1.0

73 ВО 83 90 85

температура (к)

Рис. 4. Зависимость реальной части магнитной восприимчивости от температуры для пленок УВСО на ростовых бикристаллах (кривая 1) и бикристаллах, изготовленных методом ТФС (кривая 2).

Одним их следствий структурного совершенства границ ростовых бикри-сталлов БгТЮз является увеличение почти в два раза характерного напряжения джозефсоновских переходов в пленках УВСО на бикристаллах с симметричной границей наклона 37° (Ус » 9(Ы20мВ) и снижение практически на порядок (по сравнению с шумами переходов на бикристаллах, изготовленных методом

ТФС) шума 1/1" на частоте среза Л да 10Гц в интерферометрах, изготовленных на основе таких переходов. , .

Глава 3 посвящена структурным иссдедованиям и изучению эмиссионных свойств эпитаксиальных пленок В8ССО-2212. В главе приводятся данные измерений параметров джозефсоновских переходов в пленках В8ССО-2212, изготовленных по биэпитаксиальной технологии.

§ 3.1 посвящен исследованию многослойных структур: '; ВЬ8г2СаСи208+х//БгТЮзСЮО),

В125г2СаСи20,+х //Се02//8гТЮ3(100) В128г2СаСи2О8+х//СеО2//МсО//8гТЮз(100), в которых слои Се02 и MgO являлись буферами для устранения несоответствия параметров решеток В^ГгСаО^С^+х (а=5.41А, Ь=5.41А, с=30.84 А) и БгТЮз (а=3.907А). Микроструктуру пленок изучали методами рентгеновской дифрак-тометрии на двухкристальном сцектрометре (графитовые кристалл- монохрома-тор и анализатор, Сика-излучение). Исследовали 0/26- и ф - дифрактограммы, а также кривые дифракционного отражения пленок и подложек по полуширине которых оценивалось структурное совершенство кристаллических решеток. Для определения пространственной ориентации пленки ВБССО-2212 использовали сильные (119) и (2 0 10) рефлексы с векторами обратной решетки, проекции которых на (а,Ь) плоскость направлены по векторам [110], [100] и (113) рефлексы подложки. Установлено, что кристаллическая решетка пленки В8ССО-2212. выращенной непосредственно на подложках титаната стронция, развернута на 45° относительно решетки подложки. Добавление буферного слоя Се02 не влияет на ориентационные соотношения. Использование же двухкомпонентногс буферного слоя, включающего тонкую (~10нм) пленку MgO, приводит к образованию в пленке В8ССО-2212 областей двух ориентаций - с поворотом решетки на 45° относительно решетки подложки и без поворота, что отвечает следующим эпитаксиальным соотношениям:

В128г2СаСи208+х (001 )//Се02(001 )//МеО//5гТЮз((Ю1) Вй8г1СаСи208+х[110]//Се02[110]//М§0//8гТЮз[100]

и

В1'25г2СаСи208+х (001)//Се02(001у/МёС>//5гТЮз(001) ВЬ8г2СаСи208+х[100]//Се02[100]//М^//8гТЮз[100]. Было установлено, что использование буферных слоев значительно улучшает микроструктуру пленок В8ССО-2212, о чем свидетельствует заметное уменьшение полуширин кривых дифракционного отражения рефлексов пленки (таблица 2). Данные рентгенодифракционного анализа коррелируют со сверхпроводящими свойствами пленки В8ССО-2212: чем меньше значение полуширин дифракционных кривых, тем выше величина транспортного тока.

Таблица 2

ВБССО ВБСС0/Се02 В8СС0/Се02/М80

Р\УНМ(02ю) (45°) 0.53° 0.34° 0.17°

Р\УНМго2 10) (0°) — — 0.47°

§ 3.2 посвящен исследованию фотоэмиссионных спектров тонких эпитак-сиальных пленок В8ССО-2212 с различной стехиометрией состава по кислороду. Проведенный сравнительный анализ спектров чистых поверхностей пленок и монокристаллов состава 2212 не выявил какого-либо заметного различия в фотоэмиссионных спектрах.

Структурное совершенство пленок В5ССО-2212 и умение с помощью тонких буферных слоев А^О осуществлять взаимный разворот кристаллических решеток впервые позволило изготовить на их основе джозефсо-новские переходы по биэпитаксиальной технологий. В § 3.3 приводятся данные измеренений параметров биэпитаксиальных джозефсоновских переходов и

СКВИДов постоянного тока. Совокупность данных проведенных измерений однозначно указала на высокое качество полученных джозефсоновских структур.

Ранее такие переходы по биэпитаксиальной технологии изготавливали на основе пленок УВСО и ВБССО-2223 на подложках титаната стронция. Однако существенные трудности, связанные с фазовым расслоением в системе В8ССО-2223, существенно затрудняли практическое использование последних несмотря на их более высокие значения Тс.

Глава 4 посвящена исследованию микроструктуры пленок М) и ЫШ, выращенных методом ЮС - магнетронного распыления на кремниевых подложках.

Туннельные переходы на основе № и ЖМ широко применяются в целом ряде аналоговых и цифровых сверхпроводниковых устройств. Одной из проблем, с которой приходится сталкиваться в процессе их изготовления, является деформация кристаллических решеток сверхпроводящих электродов этих структур, приводящая к заметным механическим напряжениям. Это в значительной степени влияет как на воспроизводимость параметров переходов, так и на их деградацию в процессе их эксплуатации. Величину деформации определяли из измерений с^ рентгенодифрактометрическим методом.

В § 4.1 приведены данные по измерению параметров решетки пленок ниобия в системе №/АЮх/№).

Установлено, что в зависимости от величин тока и напряжения на катоде , давления аргона в рабочей камере, деформация меняет знак и переходит из растяжения в сжатие решетки. При этом ее абсолютная величина в отдельных случаях достигает значений близких к пределу разрушения материала. Источником деформации является различие в коэффициентах теплового расширения № пленки и кремниевой подложки, а также концентрация Аг в решетке.

Проведенные рентгенодифракционные исследования показали, что пленки №> являются текстурированными ( аксиальная (ПО)-текстура). Используя геометрию скользящего рентгеновского пучка был зарегистрирован сигнал от

тонкого поликристаллического слоя № на поверхности подложки кремния, соответствующего начальным стадиям роста пленок. В пределах точности измерений (±0.002А) значение параметра его решетки не отличалось от усредненного по всей толщине структуры ЫЬ(1500А)/АЮХ(90А)/МЬ(400А)^ значения параметра, т.е. деформации решеток пленок нижнего электрода толщиной ~ 400А и верхнего электрода одинаковы. Выращиваемые на подложках кремния пленки № однородны по глубине.

§ 4.2 посвящен исследованию структур №)М/А1/НЬ/АЮх/81, используемых в технологии производства туннельных переходов. Задача состояла в получении пленок 1МЬЫ с максимальными значениями Тс и минимальной величиной деформации решетки. Успешное ее решение связано с двумя проблемами. Первая проблема заключается в получении пленок 5-фазы №)Ы с кубической гранецентрированной решеткой, которая среди других структурных модификаций нитрида ниобия, обеспечивает максимальные значения Тс и является стабильной. Проведенные эксперименты по росту пленок ЫЬЫ при фиксированном потоке аргона в рабочей камере и различных скоростях потока азота позволили найти технологические режимы, при которых воспроизводимо выращивалась 5-фаза. Вторая проблема связана с отработкой режимов, которые бы обеспечили рост пленок МЯЧ с минимальной деформацией решетки. С этой целью рост пленок осуществляли при фиксированном давлении азота, варьируя парциальное давление азота. Сравнительные дифрактограммы (111)- рефлексов пленок ЫЬИ, выращенных при различных парциальных давлениях Аг приведены на Рис.5. Из дифрактограмм видно, что изменение потока аргона приводит к сильному смещению рефлексов.

Чтобы ответить на вопрос, чем обусловлено смещение рефлексов, деформацией изгиба всей структуры в процессе роста в атмосфере аргона или нарушением стехиометрии по азоту в решетке №>14, была сделана качественная оценка величины и типа деформации по изгибу тонких стеклянных пла-

стин, на которых в этих же условиях выращивались пленки. Эти данные сопоставлялись с данными рентгенодифракдионных измерений.

В

н

0

1

о в оа

и В и

33.5 34 35 36 37

29 [град.]

Рис. 5. Сравнительные дифрактограммы (111) - рефлексов пленок ¡ЧЫЧ, полученных при скоростях потока Аг 17см3/мин., 15см3/мин., 12см3/мин., 10см3/мин.

В результате установлено, что парциальное давление аргона оказывает влияние как на деформацию решетки, так и на стехиометрию состава по азоту. Оптимальному значению Тс пленки ЫЬЫ при минимальной величине деформации соответствует дифрактограмма 3 Рис.5.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Разработана методика определения параметров элементарной ячейки тонких эпитаксиальных пленок. В геометрии трехволновой дифракции на основе эффекта внутрикристальной интерференции отработана экспериментальная методика исследования автоэпитаксиальных пленок, позволяющая определять величины пространственного сдвига кристаллических решеток пленки и подложки. Создана методика определения кристаллографической ориентации поверхности кристаллов с низкой сингонией решетки и углов разориентации поверхности относительно кристаллографических плоскостей.

2. Проведены комплексные исследования эпитаксиальных пленок УВСО, выращенных на кристаллах титаната стронция и галлата неодима. Определены технологические режимы роста совершенных по структуре эпитаксиальных пленок УВСО с высокими значениями транспортного тока.

3. Проведены детальные исследования буферных слоев СеОг, выращенных на 11-поверхностях кристаллов лейкосапфира. Установлено, что несоответствие параметров кристаллических решеток на границе раздела приводит к сильной деформации решетки пленки Се02, приводящей к переходу от кубической элементарной ячейки к ромбической с параметрами а=Ыс и средним значением угла у=89.28угл.град.

4. Проведен сравнительный анализ структурного совершенства границ ростовых бикристаллов титаната стронция и полученных твердофазным сращиванием по эффективности экранировки магнитного поля в выращенных на них пленок УВСО. Показано, что ростовая бикристаллическая граница является более однородной и имеет атомное строение болыпеугловой дислокационной границы. Джозефсоновские переходы в пленках УВСО на ростовых бикри-

сталлах имеют более высокие значения характерного напряжения (Vc » 90ч-120мВ) и уменьшенные почти на порядок шумы 1/f на частоте среза fc » 10Гц в интерферометрах, изготовленных на их основе.

5. Для висмутсодержащих структур BSCC0-2212//Ce02//Mg0// SrTiCb показано, что буферные слои Се02 и Ce02//Mg0 обеспечивают рост высококачественных пленок BSCCO-2212. Обнаруженные орторомбические искажения кристаллической решетки указывают на возможность выращивания в системе BSCC0-2212//Ce02//Mg0//SrTi03 бездвойниковых пленок.

6. Разработан и поставлен неразрушающий рентгеноднфрактометрический контроль дефор.мации решеток тонких пленок Nb, NbN и стехиометрию их состава. Отработаны технологические режимы получения структур Nb/A10x/Nb и NbN/AlN/NbN с малым уровнем деформации для изготовления на их основе высококачественных туннельных переходов.

Основные результаты диссертации изложены в следующих публикациях:

1. Gorbenko О. Yu., KaulA. R., Pogosova 1. S., Kolosova E. V., PozigunS. A., Scritny V. I. "Optimmizing metallo-organic chemical vapour deposition of YBCO films; substrates and Po2-T conditions". // Materials Sci. and Engineering.-

1993.-В17,- P.157-162.

2. Можаев П. Б., Кухта H. П., Овсянников Г. А., Колосова Е. В., Поляков С. Н., Уваров О. В. "Морфология и структура вискеров Bi-Sr-Ca-Cu-O". // СФХТ,-

1994.-Т.7.-№ 1.-С.120-127.

3. Полякове. Н., КовьевЭ. К, ЕрохинЮ. Ю., ГрабойИ. Э., КаульА. Р. "Рентгенодифрактометрические исследования эпитаксиальных пленок Ce02s выращенных на кристаллах лейкосапфира". // СФХТ.-1994.-Том 7,-N6,-С,998-1004.

4. Лап Ma, QuitmannC., OnellionM., BeschotenB., Guntherodt G., Auge J., Kurtz H., Polyakov S. N., Kov'ev E. K. "Electron band structure of DC-sputtered Bi2Sr2CaCu208+5 ". // Solid State Communications.-1996.-Vol. 95,-Issue 2,-P.85-89.

5. Polyakov S. N., Kov'ev E. K., Kupriyanov M. Yu., Pfuch A., WeiseA. and Seidel P. " X-ray investigations of epitaxial Bi2Sr2CaCu20g+s thin films grown on SrTiOs substrates with MgO and Ce02 buffer layers for the fabrication of

biepitaxial Josephson junctions". // Supercond. Sci. Technol.-1996.-V. 9-P.99-103.

. Balbashov A. M.s Parsegov I. Yu., Kov'ev E. K., Vengrus 1.1., Kupriya-nov M. Yu., Polyakov S. N., Snigirev О. V. "HTSC Josephson junctions and dc-SQUIDs on SrTi03 substrates grown by floating zone method". // Journal of Low Temp. Phys.-1997.-Vol. 106,-Nos. 3/4.-P.271-276.

. Решение о выдаче патента на изобретение Российской Федерации по заявке №96122195/25(028818) от 28.03.97: "Способ изготовления высокотемпературного сверхпроводящего перехода Джозефсона"; Авторы: Балба-шов А. М., Венгрус И. И., Снигирев О. В., Ковьев Э. К., Куприянов М. Ю., Поляков С.Н., Парсегов И. Ю.

. Решение о выдаче патента на изобретение Российской Федерации по заявке №97100010/25(000198) от 19.06.97: "Способ изготовления высокотемпературного сверхпроводящего перехода Джозефсона"; Авторы: Алауди-нов Б. М., Ковьев Э. К., Куприянов М. Ю., Поляков С. Н.

. Graboy I.E., Markov N. V., Maleev V. V., KauIA. R., Polyakov S. N., Svetchnikov V. L., ZandbergenH. W., DahmenK.-H. "An improvement of surface smoothness and lattice match of CeOa buffer layers on R-sapphire processed by MOCVD". //Jornal of Alloys and Compounds.-1997.-Vol. 251.-P.318-321.

0. Balbashov A. M., Parsegov I. Yu., Kov'ev E. K., Vengrus 1.1., Kupriya-novM. Yu., Polyakov S.N., Snigirev O.V "HTSC Josephson junctions and dc-SQUTOs on SrTi03 substrates grown by floating zone method". // IEEE Transactions on Applied Supeconductivity.-1997.-Vol. 7-No2.-P. 2335-2337.

1. Iosad N.N., Balashov D.V., Kupriyanov M.Yu., Polyakov S.N., Roddatis V.V. "Characterization of Nb/AlN/NbN tunnel junctions fabricated without intentional heating" // ШЕЕ Trans, on Appl. Supercond. - Vol.7. - N2. - June 1997. - P. 28052808.