Подложки. Буферные слои

В пленочной криоэлектронике роль подложек более значительна, чем в обычной пленочной электронике. Это связано с особенностями ВТСП материалов: перитектическим распадом при высоких температурах, необходимостью строгой выдержки стехиометрического состава и деградацией пленок при введении в них некоторых примесей. Поэтому выбор структуры и химического состава подложки является существенным для создания качественных тонких или толстых пленок. Негативное влияние подложки на ВТСП пленку может протекать по двум направлениям: физическому и химическому. В первом случае оно связано с инконгруэнтным плавлением ВТСП материала. Как уже отмечалось, эти материалы при достижении определенной температуры распадаются с образованием твердой и жидкой фаз. В определенных условиях охлаждение приводит к обратному процессу с образованием ВТСП фазы. Однако удаление части жидкой фазы делает обратную реакцию невозможной. Такое удаление возможно в результате всасывания при нагревании жидкости капиллярами подложки. При охлаждении подложки жидкость затвердевает в капиллярах, и химический состав ВТСП материалов не восстанавливается. Сверхпроводимость не проявляется. Из сказанного следует, что поверхность подложки для ВТСП пленок не должна иметь капилляров, она должна быть либо оплавлена, либо уплотнена каким-либо иным способом [28].

При выборе материала пленки необходимо учитывать температурные коэффициенты расширения материалов пленки и подложки. Существенная разность этих параметров приводит к разрушению покрытия – ведь перепад температур достигает 100 К. Ряд материалов подложки, загрязняя пленку, приводит к снижению ее критических параметров или даже к полному подавлению сверхпроводимости в азотном диапазоне (более 77 К). Так, ряд атомов ферромагнетиков (Fe, Ni и др.) отрицательно влияют на параметры ВТСП и, естественно, не могут присутствовать в материале подложки. Кроме ферромагнетиков, неблагоприятное воздействие на критические параметры оказывает присутствие Al, Si и ряда других элементов. Однако Al₂O₃ и SiO₂ широко применяются в электронике. В связи с этим используют буферные подслои, разделяющие ВТСП пленку и такую подложку. В качестве подслоя используют пленки MgO, Ta₂O₃, LaF₃, очень эффективен ZrO₂. Толщина подслоя ≈ 20 нм. Ниже приведены результаты сравнения удельного сопротивления и Т_С пленок Y-123 для различных подложек.

Таблица 2.4

Удельное сопротивление и Т_С пленок Y-123

Для висмутсодержащих ВТСП пленок хорошие результаты дает использование MgO, особенно с добавлением серебра. Установлено, что наиболее перспективными и для пленочных СВЧ устройств, являются подложки из алюминатов, например LaAlO₃. Они обладают низким значением диэлектрической проницаемости (ε=26, 100 ГГц – 1 ГГц). Очевидно, что выбирать материал подложки необходимо с учетом всего комплекса требований, предъявляемых к устройству криоэлектроники.

Контрольные вопросы

1. Охарактеризуйте физические методы получения тонких ВТСП пленок.

2. В чем заключается суть метода магнетронного получения ВТСП пленок?

3. Охарактеризуйте химические методы получения тонких ВТСП пленок.

4. В чем заключается методы пиролиза и термолиза?

5. Как получают толстые ВТСП пленки?

6. Как влияет материал подложки на качество пленки?

7. Назовите материалы подложки для различных пленок.