Рост и структура барьерных слоев MgO и YSZ для ориентированных пленок ВТСП тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ



/ //

£

ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

ИСАЕВ АЛЕКСАНДР ЮРЬЕВИЧ

РОСТ И СТРУКТУРА БАРЬЕРНЫХ СЛОЕВ MgO И ДЛЯ ОРИЕНТИРОВАННЫХ ПЛЕНОК ВТСП

Специальность 01.04.07 - Физика твердого тела

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель: член-корреспондент РАН, доктор физико-математических наук, профессор Иевлев В. М.

Воронеж - 1999

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..............................................................................................................5

ГЛАВА 1. ОРИЕНТИРОВАННЫЙ РОСТ ПЛЕНОК (ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР)....................................................................................................................10

1.1. Ориентированный рост на поверхности монокристаллов.....10

1.1.1. Общие закономерности сопряжения кристаллических решеток и ориентация пленок........................................................................................10

1.1.2. Природа множественности ориентаций............................................18

1.1.3. Пути подавления сопутствующих ориентаций................................22

1.2. Ориентированный рост на неориентирующих аморфных подложках...........................................................................................26

1.2.1. Природа аксиальных текстур.............................................................26

1.2.2. Искусственная эпитаксия...................................................................28

1.2.3. Облучение растущей пленки пучком ионов с низкой энергией (1В АО-метод).................................................................................................32

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.....................................................................................................40

ГЛАВА 2. СПОСОБЫ (МЕТОДЫ) ПОЛУЧЕНИЯ ПЛЕНОЧНЫХ

ОБРАЗЦОВ, МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И МАТЕРИАЛЫ........................41

2.1. Методы нанесения пленок.........................................................41

2.1.1. Термическое испарение......................................................................41

2.1.2 Электронно-лучевое испарение..........................................................42

2.1.3. Лазерное испарение............................................................................44

2.1.4. Осаждение тонких пленок при одновременном облучении подложки ионным пучком (1ВАЕ))..............................................................45

Мишень.......................................................................................................47

Держатель подложек.................................................................................48

Параметры осаждения..............................................................................48

2.2 Методы исследования..................................................................50

2.2.1 Просвечивающая электронная микроскопия....................................50

2.2.2. Подготовка образцов для просвечивающей электронной микроскопии..................................................................................................51

Подготовка "plan view" образцов............................................................53

Подготовка "cross-section" образца.........................................................53

2.2.3. Рентгеновская дифракция...................................................................55

9-29-сканирование..................................................................................... 57

а-сканирование.........................................................................................57

ф-сканирование..........................................................................................59

Измерение биаксиальной текстуры с помощью 4-х кругового дифрактометра...........................................................................................60

2.2.4. Исследование сверхпроводящих свойств.........................................61

2.3. Используемые материалы..........................................................65

2.3.1. Подложки.............................................................................................65

3.2.2. Электрохимическая полировка никелевых лент..............................69

2.3.3. Оксид циркония, стабилизированный оксидом иттрия (YSZ).......73

2.3.4. YBa2Cu307-x.........................................................................................74

ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ...........75

ЗЛ. Ориентация, морфология и субструктура пленок MgO на поверхностях (001) и (11 l)Si............................................................75

3.2. Ориентация, морфология и субструктура пленок MgO на монокристаллических фольгах (001) Ni..........................................78

3.3. Рост пленок YSZ с двухосной текстурой.................................84

3.3.1. Пленки YSZ на неориентирующих подложках................................84

3.3.2. Влияние типа подложки на азимутальную текстуру пленок YSZ. 89

3.3.3. Рост пленок YSZ на монокристаллических поверхностях YSZ.....91

3.4. Обсуждение результатов исследования роста пленок YSZ при IBAD..................................................................................................101

3.4.1. Гомоэпитаксиальный рост пленок..................................................102

3.4.2. Образование зародышевого слоя на начальной стадии роста пленки...........................................................................................................103

3.4.3. Селективный рост зерен...................................................................107

3.5. Механизм образования биаксиальной текстуры в пленках

У8г....................................................................................................110

3.6. Пленки УВаСиО на текстурированных барьерных слоях МДО иУ8г.................................................................................................112

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ......................................................123

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ...............................................125

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Интерес к исследованию высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) связан с перспективами их практического применения в таких областях как микроэлектроника /1, 2/ и энергетика /3, 4/. Исследования направлены как на поиск новых материалов с более высокой критической температурой (Тс), так и на изучение свойств уже полученных соединений с целью достижения наивысших значений плотности критического тока (7С). Всего на сегодняшний день известно более 100 соединений ВТСП, среди которых наиболее распространенными являются УВа2Си307_х (УВСО, Тс = 92 К) и соединения висмута В128г2Са1Си208+х (2212 В8ССО, Тс = 86 К) и (В1, РЬ)28г2Са2Си301(*х (2223 ВР8ССО, Тс= 110 К), на которых, в основном, и основаны разработки устройств микроэлектроники и сильноточной техники.

Анизотропия структуры ВТСП приводит к анизотропии как микроскопических, так и макроскопических свойств: плотность критического тока (1с), верхнее критическое поле (Нс2), пиннинговые характеристики. К совершенству структуры пленок ВТСП и, соответственно, к материалу подложек предъявляются специфические требования, соблюдение которых необходимо для достижения требуемых значений Наличие в пленках ВТСП болыпеугловых границ зерен с разориентацией > 10° снижает плотность критического тока, например, в УВСО, на 90 % /5/. Другое ограничение связано со свойством ВТСП как сверхпроводника 2-го рода. Поэтому, высоких значений плотности транспортного критического тока удается достигнуть только в эпитаксиальных пленках ВТСП. Например, в пленках УВСО с биаксиальной текстурой, в которых ось с направлена

7 2

перпендикулярно поверхности, достигнуты значения ~ 10 А/ см /6/.

Проблема получения эпитаксиальных пленок УВСО на целесообразных с точки зрения практического применения подложках, таких как кремний или металл, связана с активным взаимодействием на межфазной

границе. Один из эффективных путей его устранения — нанесение буферного слоя, исключающего реакцию, но обеспечивающего, в свою очередь, ориентированную кристаллизацию пленок YBCO.

Для изготовления проводников электрического тока на основе ВТСП необходимо разработать технологический процесс осаждения эпитаксиаль-ных пленок YBCO на гибких металлических подложках длиной от нескольких метров до одного километра. Один путь решения этой проблемы связан с разработкой способов создания текстурированных металлических фольг и последующим эпитаксиальным наращиванием барьерного слоя, второй — с разработкой способов выращивания биаксиально текстурированных барьерных слоев на поликристаллических подложках.

Структура и, соответственно, сверхпроводящие свойства пленок YBCO зависят от типа барьерного слоя и совершенства его текстуры. Например, плотность критического тока имеет почти экспоненциальную зависимость от угла азимутальной разориентации с-ориентированных зерен /5/. Таким образом, более высокие плотности критического тока в пленках YBCO могут быть достигнуты за счет улучшения текстуры барьерных слоев.

Цель работы — установление закономерностей формирования

барьерных слоев MgO и YSZ для выращивания эпитаксиальных пленок

6 2

YBCO с плотностью критического тока, превышающей 10 А/см .

Для ее достижения решали следующие задачи:

1. Исследование ориентированной кристаллизации пленок при электронно-лучевом испарении и конденсации MgO в вакууме.

2. Разработка способа получения длинномерных (до 50 мм) монокристаллических фольг Ni ориентации (001).

3. Исследование ориентированного роста пленок MgO на (001)Ni и разработка способа получения одноориентационных эпитаксиальных слоев MgO.

4. Исследования ориентационных и субструктурных превращений при росте пленок YSZ методом ионно-лучевого активированного осаждения (Ion

Beam Assisted Deposition — IBAD) на подложках различных типов и ориентации:.

5. Исследование критических параметров пленок YBaCuO на сформированных текстурированных барьерных слоях.

Объекты исследования. В качестве объектов исследования были выбраны MgO и YSZ, как оптимальные материалы барьерных слоев, и YBCO, как материал ВТСП. Выбор этих материалов обусловлен следующими причинами. MgO относится к немногочисленной группе материалов на которых возможен ориентированный рост пленок YBCO с высокими критическими параметрами и формированием четкой межфазной границы. Однако, данные по ориентированной кристаллизации пленок MgO на кремнии или других подложках, используемых для выращивания пленок YBCO, практически отсутствуют. Наибольший экспериментальный материал по осаждению пленок с биаксиальной текстурой методом IBAD получен для YSZ. В то же время не исследованы закономерности формирования двухосных текстур YSZ.

Научная новизна. Основные результаты экспериментальных исследований ориентированной кристаллизации пленок MgO, YSZ и YBaCuO получены автором впервые и заключаются в следующем:

1. Показан эффект ювенильной поверхности Si в снижении температуры эпитаксиального роста пленок MgO при электронно-лучевом испарении и конденсации в вакууме.

2. Установлена природа многоориентационного зарождения пленок MgO на поверхности (OOl)Ni. Предложен способ получения одноориентационных эпитаксиальных пленок MgO на (OOl)Ni, основанный на уменьшении величины размерного несоответствия на межфазной границе путем конденсации тонкого (менее 50 нм) слоя Pd.

3. При ионно-лучевом осаждении пленок YSZ методом IBAD на неподогреваемых подложках YSZ обнаружен эффект гомоэпитаксии.

4. Установлены закономерности формирования биаксиальной текстуры [100]У82 на поверхностях УЪХ различных ориентаций.

5. Обнаружено образование зародышевого слоя в пленках УВСО. С учетом неоднородности субструктуры по толщине показано, что реально достижимая плотность критического тока в основном проводящем слое пленки УВСО превышает значения, рассчитываемые исходя из предположения однородной структуры.

Практическая значимость. Полученные в работе новые результаты углубляют знания о закономерностях процессов ориентированной кристаллизации пленок при осаждении, как на монокристаллических, так и на неориентирующих подложках. Установленные в работе закономерности роста эпитаксиальных пленок могут быть использованы при разработке технологического процесса создания приборов микроэлектроники и проводников электрического тока на основе пленок ВТСП.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. При электронно-лучевом испарении и конденсации в вакууме пленок М^О на ювенильную поверхность 81 реализуется совершенная параллельная ориентация пленок.

2. Размерный критерий ориентированной кристаллизации применим к парам материалов с различным типом связи: многоориентационная эпитаксия М^О на (001)№ (/0 = 0,17) и одноориентационная для М^О на Рё/(001)№ (/о = 0,08).

3. Формирование биаксиальной текстуры [100]У82 при осаждении пленок ионно-лучевым распылением с применением метода 1ВАБ на поверхностях YSZ других ориентаций происходит в результате непрерывного ориентационного превращения при превышении некоторой критической толщины гомоэпитаксиального слоя. Для заданной ориентации ионного пучка к текстуре [100], 1ВАБ подавляет гомоэпитаксиальный рост на поверхностях (110) и (111)У82.

4. Образование конечной биаксиальной текстуры [100]У82 не зависит от типа подложки.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на Международных и Всероссийских научных конференциях, таких как Электронные материалы (Новосибирск, 1992 г.), 1СЕС-1СМС (Киев, 1992 г.), XIV конференция по тепловой микроскопии (Воронеж, 1992 г.), Европейская конференция по прикладной сверхпроводимости (Геттинген, 1993 г., Эдинбург, 1995 г. и Айновен, 1997 г.), III Вакуумная конференция (Харьков, 1993г.), 7-ой и 8-ой международные семинары по критическим токам в сверхпроводниках (Альпбах, 1994 г. и Китакуши, 1996 г.), Ежегодный физический семинар (Мюнстер, 1997 г. и Регенсбург, 1998 г.), Второй всероссийский семинар "Нелинейные процессы и проблемы самоорганизации в современном материаловедении" (Воронеж, 1999 г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликованы 22 работы.

Личный вклад автора. Лично автором проведены эксперименты по подготовке образцов М§0/Б1 и MgO/Ni, а также все электронно-микроскопические исследования. Автор принимал непосредственное участие в экспериментах по осаждению пленок УБ2 и УВаСиО и анализе результатов рентгеноструктурных исследований.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, основных результатов и выводов, списка цитируемой литературы. Весь объем составляет 138 страниц, включая 56 рисунков и 10 таблиц. В списке используемых источников 132 наименования.

Диссертация выполнена на кафедре физики ВГТУ в соответствии с планом работ по теме г/б 4.96 "Перспективные тонкопленочные материалы". Образцы \BAD-YSZ, УВаСиОЛЖ и УВаСиО/№ подготовлены в Центре функциональных материалов, электронно-микроскопические исследования проведены в институте металлофизики, рентгеноструктурные исследования проведены в институте кристаллографии г. Геттинген (Германия).

ГЛАВА 1. ОРИЕНТИРОВАННЫЙ РОСТ ПЛЕНОК (ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР)

1.1. Ориентированный рост на поверхности монокристаллов

Рост пленок на поверхности монокристаллов в различных сочетаниях материалов пленки и подложки характеризуется многообразием возможных ориентационных соотношений. Проблеме эпитаксиального роста пленок посвящено большое количество исследований, результаты которых позволили сформулировать многие общие положения.

1.1.1. Общие закономерности сопряжения кристаллических решеток и ориентация пленок

Многочисленные аспекты эпитаксии, как фундаментальные, так и прикладные, были изучены и представлены во многих книгах, обзорах и статьях /7 - 11/. Коротко, основные принципы и постулаты эпитаксии можно сформулировать следующим образом:

1. Эпитаксия, в принципе, возможна между любыми материалами, имеющими одинаковый или различные типы связи (например, между металлами, полупроводниками, ионными кристаллами).

2. Процесс эпитаксии обычно описывают с помощью так называемых ориентационных соотношений, которые включают в себя индексы двух параллельных плоскостей и индексы кристаллографических направлений, которые лежат в этих плоскостях и которые также параллельны друг другу.

3. Для материалов, имеющих подобные кристаллические решетки (например, кубическая гранецентрированная), ориентационные соотношения могут содержать различные плоскости. Однако, для эпитаксиального наращивания используются, как правило, плоскости

подложки с низкими индексами Миллера. Соответственно, растущая пленка имеет также, как правило, низкие индексы.

4. Кристаллиты различных эпитаксиальных ^ ориентации: могут сосуществовать на одной подложке с неориентированными кристаллитами. Такой рост является характерным для систем со слабым взаимодействием на межфазной границе, т. е. при реализации механизма роста Фольмера-Вебера (см. ниже).

5. Совпадение типов кристаллических решеток и / или геометрических параметров способствует ориентированному росту, но не является необходимым для эпитаксии. Часто, наличие на межфазной границе так называемых решеток совпадающих узлов (РСУ) играет решающую роль в процессе эпитаксии.

6. В случае гетероэпитаксии важным условием является трехмерное (объемное) соответствие двух решеток. Имеется в виду, что взаимная ориентация решеток определяется пространственным соответствием, по меньшей мере, двух пар плотно упакованных атомных цепочек (в случае соединений, цепочек атомов одного сорта) в подложке и в растущей пленке. Эффективность этого критерия была продемонстрирована при гетероэпитаксиальном наращивании ваЫ на сапфире /12/.

Эти эмпирические принципы основаны на геометрическом соответствии кристаллических решеток пленки и подложки. Многие экспериментальные факты не могут быть объяснены на их основе. В тоже время, эксперименты по искусственной эпитаксии (см. гл. 1.2.2) подчеркивают важную роль макроскопических частиц, или кристаллитов, в ориентированной кристаллизации на монокристаллических подложках.

Все многообразие эпитаксиальных систем можно классифицировать на основе трех различных механизмов эпитаксиального роста, зависящих от характера взаимодействия на ме�