РАЗДЕЛ 2
ФОРМИРОВАНИЕ ВТСП ПЛЕНОК И МИКРОСТРУТУР ДЛЯ БОЛОМЕТРИЧЕСКИХ ИК ДЕТЕКТОРОВ
Несомненный интерес с точки зрения болометрических применений представляет
получение и исследование пленок ВТСП, обладающих минимальным количеством
крупномасштабных дефектов, высокой плотностью критического тока и резкой
температурной зависимостью сопротивления в области сверхпроводящего перехода.
Электронномикроскопические исследования пленок YBa2Cu3O7-X с преимущественной
ориентацией оси «С» кристалла перпендикулярно поверхности подложки (так
называемые С ? ориентированные или С+ ? пленки) показали, что, несмотря на
высокие сверхпроводящие характеристики (ТС ? 90 К, JС(77К) > 105А/см2), эти
пленки имеют сильно дефектную внутреннюю структуру [80]. В первую очередь это
множественные политипоидные дефекты и связанные с их существованием области
релаксации кристаллической решетки YBa2Cu3O7-X. Авторы работы [80] вырастили
методом импульсного лазерного испарения, используя in situ процесс, пленки с
преимущественной ориентацией оси «С» кристалла параллельно поверхности подложки
(так называемые С=? пленки) и провели исследования совершенства их структуры
методом просвечивающей электронной микроскопии. При этом оказалось, что
С=? пленки имеют идеальное эпитаксиальное сопряжение с монокристаллической
подложкой и практически свободны от крупномасштабных дефектов. В работе [81]
описаны С=? пленки, имеющие совершенство кристаллической структуры на уровне
монокристаллов подложки. С другой стороны, авторы работ [80, 82] не смогли
получить С=? пленки с высокими сверхпроводящими свойствами. Необходимо
отметить, что получение С=? пленок с ТС > 85 К и высокой плотностью
критического тока на сегодняшний день остается проблемой. В работе [83]
обсуждается получение С=? пленок с ТС > 85 К. Тем не менее, отсутствие
дальнейших сообщений об использовании или исследовании подобных пленок
заставляет сомневаться в воспроизводимости этих результатов. Проблема
заключается в том, что при выращивании пленок in situ, а все упомянутые выше
результата получены именно этим методом, необходимым условием получения
С=? пленок является низкая температура процесса. При этом выигрыш в упругой
энергии интерфейса пленка-подложка превышает проигрыш в поверхностной энергии
пленка-вакуум для С=? зародышей. С другой стороны, низкая температура подложки
в условиях высоких скоростей роста, являющихся спецификой in situ синтеза, не
обеспечивает достаточной скорости протекания процессов катионного упорядочения
и, как следствие, пленки, выращенные в этих условиях, имеют низкие температуры
сверхпроводящего перехода.
Одной из важнейших задач при создании болометрических детекторов (как
одноэлементных, так и матричных), пригодных к интегральному исполнению,
является обеспечение высоких значений обнаружительной способности и
коэффициента преобразования мощности падающего излучения в напряжение сигнала
фотоотклика, а также воспроизводимости этих параметров. Поэтому в главе
рассмотрены методы получения пленок YBa2Cu3O7-X различной кристаллографической
ориентации, выбраны критерии оценки качества пленок для болометрических
применений с точки зрения достижения наибольшей обнаружительной способности, а
также описана технология получения ВТСП планарных микроструктур с
использованием электронно-лучевой литографии.
2.1. Формирование ВТСП пленок
Пленки YBa2Cu3O7-X на подложках SrTiO3 выращивались двумя методами: при
условиях близких к равновесным (получение аморфных пленок стехиометрического
состава методом ВЧ катодного распыления с последующим высокотемпературным
отжигом при различном парциальном давлении кислорода – ex situ процесс); при
существенно неравновесных условиях (прямой синтез ВТСП соединения из потока
материала мишени, создаваемого при импульсном лазерном испарении – in situ
процесс). Использование ex situ и in situ методик, существенно отличающихся
кинетикой формирования ВТСП тонкопленочных соединений, позволило получать
пленки с различным набором дефектов и заданной кристаллографической ориентацией
относительно подложки.
Для синтеза ВТСП тонких пленок использовалось следующее оборудование:
1. Установка импульсного лазерного испарения (собственного изготовления):
источник лазерного излучения YAG-Nd лазер (л = 1,064 и 0,533 мкм), длительность
импульса 10 нс, частота следования импульсов 0,1 ч 30 Гц, плотность энергии
лазерного пучка на мишени 1 ч 60 Дж/см2 ;
давление остаточных газов не более 66 мкПа;
давление кислорода при напылении 1,33 ч 933,25 Па;
температура держателя образца до 1150 К;
точность поддержания температуры 0,1 К.
2. Установка магнетронного DC и RF распыления L-560 (фирма «Leybold AG»):
диаметр мишени 75 мм;
давление остаточных газов не более 7 мкПа;
давление рабочей смеси Ar + O2 при распылении 0,133 ч 13,3 Па;
температура держателя подложки 297 ч 1150 К;
напряжение на мишени при распылении 40 ч 600 В.
3. Установка ВЧ диодного распыления типа УРМ:
диаметр мишени 120 мм;
давление остаточных газов не более 133,3 мкПа;
давление Ar при распылении 0,93 ч 6,7 Па;
температура держателя подложки 297 ч 600 К;
напряжение на мишени при распылении 1000 В.
4. Установка высокотемпературного отжига пленок в атмосфере заданного состава
(собственного изготовления):
диапазон рабочих температур 300 ч 1500 К;
точность стабилизации температуры 0,05 К;
скорость нагрева 0,1 ч 1500 К/мин, скорость охлаждения 0,1 ч 400 К/мин;
минимальное воспроизводимое парциальное давление O2 4 Па.
Для отработки технологии воспроизводимого выращивания монокристаллических
С=? пленок с высокими сверхпроводящими характеристиками была выбрана
двухстадийная
- Київ+380960830922