Сверхпроводниковые материалы.

У многих металлов и сплавов при температурах близких к абсолютному 0 наблюдается резкое уменьшение удельного сопротивления. Это явление получило название сверхпроводимости. А температуру t сверхпроводимости, при которой происходит переход в сверхпроводящее состояние, называют критической температурой перехода, а вещество – сверхпроводником. Впервые сверхпроводимость была обнаружена у ртути. Температура ее сверхпроводимости = 4.2K. Первые эксперименты были приведены с платиной и золотом как наиболее чистыми доступными в то время металлами. Оказалось, что их удельное сопротивление имеет остаточное значение. Было решено, что их чистота не достаточна и оставалось место для гипотезы о том, что удельное сопротивление чистых металлов стремиться к нулю. Для дальнейших экспериментов была выбрана ртуть, как металл, легко подающийся очистки методом многократной перегонки. Удельное сопротивление ртути при 4.2К на столько мало, что не измерялось имевшимися приборами. А падение удельного сопротивления напоминало скачок.

Далее выяснилось, что чистота металла не имеет определяющего значения. Сверхпроводниковыми свойствами обладают лишь не многие металлы, в остальных случаях не помогает и глубокая очистка, металл все равно сохраняет остаточное удельное сопротивление. Средство для измерения чрезвычайно низких сопротивлений до сих пор нет. Установлено что ток, введенный в кольцо сверхпроводника не затухает в течение многих лет. За два с половиной года не удалось зарегистрировать даже каких-либо заметных изменений. Это дало возможность оценить удельное сопротивление сверхпроводников значением меньше 10^-23 Ом/см. Таким образом, скачок составляет как минимум 12 порядков, тогда как у обычных металлов он вообще отсутствует. А с приближением к 0К удельное сопротивление снижается лишь в 100 и до 1000 раз.

Магнитные свойства сверхпроводников.

Сверхпроводники по магнитным свойствам являются идеальными диамагнетиками. С магнитной проницаемостью μ = 0. Сверхпроводники выталкиваются из поля, при этом эффект выталкивания на столько силен, что может удерживаться груз в пространстве с помощью магнитного поля и наоборот можно заставить магнит висеть над кольцом из сверхпроводящего металла, в котором циркулирует индуцированный магнитом не затухающий ток. Сверхпроводящее состояние можно разрушить внешним магнитным полем, если его напряженность превысит критическое значение. Оно различное для различных сверхпроводников. Плотность тока протекающего через сверхпроводник также ограничено критическим значением, выше которого материал переходит в обычное состояние. Отправной точкой теории сверхпроводимости является идея Купера об образовании пар электронов за счет их взаимодействия при криогенных температурах. Каждый электрон слегка поляризует кристалл. На другой электрон действует полное поле первого электрона и решетки. Но второй электрон тоже действует на кристалл и, поляризуя его, действует на первый электрон. Между ними возникает сила Фононного взаимодействия, и образуются так называемые пары Купера. Движение электронов связанных в пары оказывается согласованным. Электроны образуют единый коллектив куперовских пар, при движении которых рассеяние становится энергетически не выгодным и пары образовавшись, могут существовать годами. Сверхпроводниковыми свойствами обладают 42 металла. Высокой критической температурой 20,7К отличается сплав ниобия, алюминия, германия. Nb₃Al_0.75Ge_0.25. Сложная кристаллическая структура которого благоприятна для образования пар. Эта группа сплавов называется А-15. Она основана на соединении ниобия с металлами. Nb₃Me . Наивысшими электрическими полями характеризуется другая группа сложных сверхпроводников - тройных сульфидов молибдена. PbMoS₈. Эта группа называется фазой Шевреле. В конце 1986 года впервые создали керамику на основе оксидов платана, бария и меди. Наиболее удачные результаты получены на основе иттриево-бариево-медной керамики состава IBa₂Cu₃O_7-6 (1 – 2 3). Особенности новой керамики – слоистая структура, благоприятствующая существованию куперовских пар. Этот материал можно получать в виде тонких и толстых пленок.

Применение сверхпроводников

Важная область применения, где невозможно обойтись без сверхпроводников – это создание огромных магнитных полей требуемых в ядерных исследованиях. Для этих целей выпускается проволока из сплава диаметром от 0.1-0.5 мм. Допустимая плотность тока – 1000Амм², а рекордное значение тока 10⁵Амм^2. Из полутора килограмм получают катушку создающую поле напряженностью 20кА*см. Для конструирования такого же магнита понадобились бы тонны металла и железа. Принцип механического выталкивания положен в основу создания скоростного железнодорожного транспорта на магнитной подушке.

Материалы для ГИС (гибкие интегральные схемы).

В процессе развития микроэлектроники были разработаны различные направлении микроминиатюризации: уплотненный монтаж, сварные модули, тонкопленочные микросхемы. Эти направления очень быстро развивались, заимствуя друг у друга лучшие решения и новейшие материалы.

Наибольшее распространение в полупроводниковой электронике получили следующие виды интегральных схем: тонкопленочные, гибридные (монолитные) и совмещенные (подложка из изоляционного металла).

Тонкопленочные схемы получают нанесением тонких металлических диэлектрических и полупроводниковых пленок в определенной последовательности на изоляционную подложку для создания активных (диодов, транзисторов и др.) и пассивных (резисторов, конденсаторов, индуктивностей элементов).

К металлам, применяемым для производства схем, предъявляются дополнительные требования: хорошая адгезия к кремнию и диоксиду кремния, возможность получать омические и выпрямляющие контакты к кремнию, так как в интегральных схемах часто находятся элементы с обоими типами контактов, стабильность характеристик при длительной эксплуатации.

Учитываются и экономические характеристики, но в связи с небольшим расходом материалов при изготовлении особо ответственных интегральных схем допускается применение благородных металлов. Основным способом изготовления тонкопленочных схем является способ испарение металлов в вакууме, а так же гальваническое осаждение тонких пленок металла (золота, серебра, меди, алюминия). Рассмотрим характеристики этих металлов.

Золото это металл с низким удельным сопротивлением. Обладает абсолютной химической стойкостью при обычных и повышенных температурах вплоть до плавления исключительно высокой пластичностью. Золото хорошо паяется, варится любыми способами, оно технологично и надежно. Недостаток золота – это валютный материал, низкое сопротивление абразивному воздействию, пористость в тонких слоях, взаимно диффузия при контакте с другими металлами, особенно с алюминием. Исправить недостатки можно легированием золота различными примесями, кобальта, никеля, серебра, меди, кадмия, однако следует знать, что при этом падает электропроводность. Золото применяется при монтаже кристаллов интегральных схем в корпус или на коммутационные платы.

Медь обладает высокой электропроводностью, менее растворима в припое, чем золото, однако вследствие высокой скорости окисления медь нуждается в защитном покрытии, например: золото никеля. Другие способы защиты пригодные применительно массивным изделиям – это покрытия лаками, эмалями, ингибиторами, но эти способы не годятся для технологии интегральных схем. Медь в виде фольги толщиной 35-50 мкм используется при изготовлении фольгированных слоистых пластиков – оснований печатных плат. Медный порошок используется как исходный материал для изготовления скользящих электроконтактов из спеченной смеси с порошком графита.

Алюминий химически активен по отношению к кислороду. На алюминии легко образуется плотная и химически стойкая пленка Ai₂O₃ обладающая прекрасными пассирующими свойствами, поэтому химическая активность алюминия проявляется до тех пор, пока не образовалась пленка. Для удаления пленки применяется операция декапирования (декапирование отличается от травления тем, что происходит в очень разбавленных растворах кислот) и наоборот, специально наращивая эту пленку анодированием до толщины 100мкм готовят комбинированные контактные платы сочетающие достоинство диэлектриков и металлов в одной структуре. Алюминий дешевый, достаточно массовый металл.

Толстопленочная технология ГИС основана на трафаретной печати специальными пастами, с последующим их выжиганиям. Технологическая схема изготовления толстопленочных проводников ГИС (на доске схема). Исходный материал – паста, состоит из механической смеси тонкодисперсных порошков металлов, стекла, с пластификатором – органической жидкостью, которая обеспечивает возможность нанесения пасты через трафарет, после чего он полностью удаляется, поэтому его называют временным связующим. Порошок стекла – стеклофрит, после вжигания образует каркас, связывающий в монолит частицы металла и служит связующим.

Порошок металла выполняет основную роль проводника тока, он не должен плавится, ни реагировать со стеклом при вжигании. Лучшими наполнителями в составе стеклоэмали являются порошки благородных металлов серебра, золота, платины. При изготовлении паст, помимо электропроводности надо учитывать другие требования: хорошую адгезию с керамической подложкой и плохую с трафаретом в процессе печати, возможность нанесения тонким и равномерным слоем, минимальная растекаемость рисунка в процессе удаления временного связующего при нагреве. Несмотря на некоторые недостатки этой технологии, ей замены пока нет.