СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ПЛЕНОЧНЫХ МИКРОМОСТИКОВ ИЗ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ СВЕРХПРОВОДНИКОВ Российский патент 1997 года по МПК H01L39/22 

Изобретение относится к электронике, в частности к сверхпроводниковой электронике.

В сверхпроводниковой электронике известен ряд способов формирования пленочных микроэлементов, которые представляют собой разновидность сверхпроводниковых слабых связей и применяются в качестве нелинейных элементов. В [1] описан способ изготовления микромостика, при котором требуемая топология пленки перед ее напылением формируется на подложке из кремния с помощью травления поверхности подложки для создания соответствующего рисунка. Затем на уже сформированный таким образом рисунок наносят подслой ZrO₂, а на него пленку из сверхпроводникового материала. В данном методе ширина микромостика варьируется в пределах 1-10 мкм и определяется возможностями фотолитографии.

В [2] пленку ВТСП-материала осаждают на холодную подложку из MgO, ориентированную в плоскостях (100). Осажденная пленка является аморфной и несверхпроводящей. С помощью фотолитографии на пленке создают рисунок дорожки шириной 10-50 мкм с четырьмя контактными площадками. Полученную аморфную структуру подвергают термообработке при температуре 920^oC с целью кристаллизации пленки. При этом формируется гранулированная пленка с размером зерен около 10 мкм. Эффект Джозефсона наблюдается на границе раздела зерен, т. е. ширина микромостика равна ширине, вытравленной в пленке, а длина определяется толщиной границы раздела между зернами.

Наиболее близким техническим решением является способ формирования пленочных микромостиков, описанный в [3] В этой работе пленки толщиной 0,5-1,0 мкм напылили на подложки из MgO и ZrO₂ методом лазерного распыления массивных образов YBaCuO. Рентгеноструктурный анализ показал, что пленки в основном состояли из гранул с осями С, перпендикулярными поверхности подложки. На пленках были сформированы микромостики. Микромостики имели вид дорожки с контактными площадками. Ширина мостиков подбиралась в пределах 1-20 мкм, а длина в пределах 5-200 мкм. Формирование микромостика осуществлялось методом прямой фотографии, т. е. включало в себя следующие этапы: нанесение фоторезиста на поверхность пленки, экспонирование фоторезиста в местах, где его требовалось удалить, травление фоторезиста, травление вскрытой части пленки, удаление оставшегося фоторезиста.

Однако известный способ имеет ряд недостатков. Для получения хороших значений параметров микромостиков нужно подбирать его размеры таким образом, чтобы на его площади помещалось две сверхпроводящие гранулы, образующие одиночный межзеренный джозефсоновский переход. Увеличение размеров мостика повышает вероятность образования сложной системы межзеренных переходов. В рассмотренном методе результаты были плохо воспроизводимы: при размерах мостика 1х2 мкм работоспособен был один из десяти сформированных мостиков, а при размерах, превышающих 20 мкм, мостики были сверхпроводящими, но ступени Шапиро были расположены либо непериодически по напряжению, либо отсутствовали вообще, что свидетельствовало о сложной системе межзеренных переходов. Таким образом, основным недостатком рассмотренного способа является недостаточная воспроизводимость получаемых структур, которая обусловлена во-первых, необходимостью совмещения узкой части с границей раздела двух зерен, и во-вторых, с возможной деградацией сверхпроводимости при химическом травлении сверхпроводниковой пленки. Кроме того, отсутствует возможность получения структур с наперед заданными свойствами, так как формирование слабой связи происходит на границе раздела двух зерен, образование которых представляет собой случайный процесс.

Была поставлена задача упрощения технологического процесса формирования микромостиков, улучшения характеристик микромостиков, возможность получения структур с заданными свойствами.

Задача решается следующим образом. В способе формирования пленочных микромостиков, включающем нанесение пленки ВТСП-материала и формирование путем фотолитографии дорожки со слабой связью и контактами для четырехзондовых измерений, слабую связь формируют облучением сфокусированным электронным лучом узкой линии поперек дорожки из сверхпроводника. Сверхпроводимость в области слабой связи подавляется путем внесения ускоренными электронами радиационных дефектов. При этом доза облучения зависит от ВТСП-материала и лежит в пределах 10¹⁹ 10²⁰ 1/см²[5] Энергия электронов зависит от толщины пленки и типа ВТСП-материала. Для пленок YBaCuO и Bi(Pb)SrCaCuO толщиной 0,5-1,0 мкм энергия электронов составляет 80-120 кэВ [4,стр.145]
Сравнивая предложенный способ с прототипом, можно отметить, что предложенный способ отличается тем, что формирование слабой связи осуществляется путем облучения поперек дорожки ускоренными электронами, в результате чего поперек дорожки формируется узкая (0,8-1 мкм шириной) область с подавленной сверхпроводимостью. Таким образом, предложенный способ соответствует критерию изобретения "новизна". Анализ других решений в данной области техники показал, что признаки, отличающие наш способ от других, известны [5] но использование их данной совокупности в предлагаемом способе приводит к появлению новых свойств, которые позволяют упростить технологический процесс формирования сверхпроводящих слабых связей, повысить воспроизводимость характеристик микромостиков и получить структуры с заданными свойствами.

На фиг. 1 схематически изображена пленочная структура микромостика, где: 1 токовые контактные площадки, 2 потенциальные контактные площадки, 3 - область слабой связи; на фиг.2 схема подавления сверхпроводимости в области слабой связи, где: 1 подложка (MgO, SrTiO₃, YSZ, сапфир), 2 - ВТСП-пленка, 3 поток ускоренных электронов, 4 область слабой связи.

Предлагаемый способ формирования пленочного микромостика из высокотемпературного сверхпроводника реализован следующим образом.

Пленки толщиной 0,3-0,5 мкм Bi(Pb)SrCaCuO наносились ионно-лучевым распылением композитной керамической мишени стехиометрического состава на установке вакуумного напыления УВН на подложки из MgO и SrTiO_З и имели T_с 90-92 К, ΔТ_с 1-2 К. После формирования с помощью фотолитографии дорожки шириной 10-50 мкм с контактами для проведения измерений четырехзондовым методом, полученная структура помещалась в колонну растворного электронного микроскопа. Затем сфокусированным электронным лучом диаметром 0,3 0,5 мкм производилось облучение поперек дорожки ускоренными электронами с энергией 80-100 кэВ. Энергия выбиралась из условия, чтобы средний проецированный пробег превышал толщину пленки. Доза облучения и подбиралась такой, чтобы обеспечить появление ступеней тока на вольт-амперных характеристиках. В данном случае доза имплантированных в пленку электронов составила 5•(10¹⁹ -10²⁰) см^-2.

Измерения вольт-амперных характеристик полученного микромостика под воздействием СВЧ-излучения проводились до облучения дорожки электронным лучом и после облучения. Появление ступеней тока биений с нулевой частотой СВЧ-излучения и собственного джозефсоновского излучения микромостика наблюдались только после облучения электронным лучом.

Таким образом, использование предлагаемого способа формирования пленочного микромостика из высокотемпературного сверхпроводника обеспечивает по сравнению с существующими способами следующие преимущества: упрощается технологический процесс изготовления, повышается воспроизводимость характеристик микромостиков за счет того, что слабая связь формируется не на границе раздела двух зерен, формирование которых представляет собой случайный процесс, а в результате подавления свехпроводимости в области слабой связи путем облучения электронным лучом и появляется возможность получения структур с заданными свойствами с помощью изменения времени облучения и тока пучка.

Использование: сверхпроводниковая электроника. Сущность изобретения: в способе формирования пленочного микромостика, включающем нанесение пленки ВТСП-материала и формирование путем фотолитографии дорожки со слабой связью, сверхпроводимость в области слабой связи подавляют облучением поперек дорожки сфокусированным электронным лучом. 2 ил.

Способ формирования пленочных микромостиков из высокотемпературных сверхпроводников, включающий нанесение пленки высокотемпературного сверхпроводника и формирование в ней путем фотолитографии дорожки со слабой связью, отличающийся тем, что формирование слабой связи осуществляют облучением поперек дорожки сфокусированным электронным лучом с дозой облучения не менее 5•10¹⁹ см^-2.