СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ПЕРИОДИЧЕСКИХ МИКРОСТРУКТУР НА ВТСП ПЛЕНКАХ С ДЖОЗЕФСОНОВСКИМИ СВОЙСТВАМИ Российский патент 2006 года по МПК H01L39/22 

Изобретение относится к способам создания слабых связей в виде двумерных периодических микроструктур с джозефсоновскими свойствами, используемых в высокочувствительных системах пленочных ВТСП сквид-магнитометрах, в частности, при создании высокочувствительных датчиков магнитного потока и детекторов электромагнитного поля, применяемых в устройствах для регистрации магнитокардиограмм в медицине, геофизике, экологии, контроля парамагнитных примесей в нефтепродуктах и т.п.

В настоящее время можно выделить две группы слабых связей, формирующих на межзеренных границах однослойные и многослойные структуры. К однослойным структурам относятся джозефсоновские переходы, сформированные на бикристаллической подложке, имеющие биэпитаксиальный характер межзеренной границы, ступенчато-торцевые (step-edge) переходы. К однослойным структурам относятся также микромостики, т.е. монокристаллические слабые связи, размеры которых сравнимы с длиной когерентности в ВТСП. К многослойным структурам относятся переходы торцевого типа (edge-junctions), вертикальные сэндвичи, горизонтальные сэндвичи.

При формировании бикристаллических слабых связей граница с джозефсоновскими свойствами образуется при эпитаксиальном выращивании пленки на подложке, две половинки которой имеют разориентированные кристаллические решетки (заявка JP 6080845 В4, МПК 5 Н 01 L 39/24) (Proc. ASC 96. Pittsburgh. USA, Preprinnt EKC-5, to appear in IEEE Trans. Appl. Supercond. 7(1997). В одном устройстве слабые связи типа мостика Дайема организованы на бикристаллической подложке SrTiO₃ или NdGaO₃ с 24 и 36,8° на границе разориентации кристаллических структур подложки, где изготовлен датчик-магнитометр на базе сквида на YBaCuO пленках. Недостатком является то, что в джозефсоновских связях типа мостика Дайема на бикристаллических подложках, как это имеет место в аналоге, эффект концентрации магнитного потока ослаблен из-за наличия границ между кристаллитами, либо микровкраплениями несверхпроводящей фазы YBaCuO и таким образом снижается чувствительность сквид-магнитометра. Более того, в области сужения сверхпроводящих электродов вблизи шва бикристалла не исключена возможность возникновения паразитных слабых связей с критическими токами, меньшими I_с мостиков, что может приводить к появлению дополнительных контуров квантования, существенно ухудшающих работу интерферометра.

Приготовление высококачественных бикристаллических подложек - сложный и дорогостоящий процесс, поэтому бикристаллические слабые связи малоперспективны. Они могут быть использованы на практике только для реализации несложных цепей, например, единичных сквидов. Это связано с тем, что локальное расположение сверхпроводниковых элементов задается линией границы раздела в подложке.

При формировании слабых связей на биэпитаксиальной межзеренной границе идея состоит в использовании дополнительных затравочных и буферных слоев (СФХТ 1989, N 5. T.2, стр.97-102), выращиваемых на монокристаллической подложке в местах расположения слабых связей. Полученная на подложке граница между поли- и моноструктурой является базой для зарождения межзеренного перехода (Japan Journal of Applied Physics Vol 20 No I.January 1990. Pp.74-78). Приготовление биэпитаксиальных слабых связей опирается на стандартную фотолитографию, эти связи могут быть расположены в любом месте подложки. Поэтому этот подход мог бы быть принят за базовый, но наличие межзеренных границ, как показали наши исследования, приводит к низкой устойчивости к термоциклированию.

При формировании ступенчато-торцевого перехода (step-edge junctions) к джозефсоновским процессам на слабой связи приводит разориентация не только вдоль а-в плоскости, но и вдоль любых других плоскостей. Для этого сначала ионным или химическим травлением на монокристаллической подложке формируется ступенька с заданным углом наклона и высотой. Затем сверху выращивается эпитаксиальная пленка ВТСП. Наличие ступеньки на подложке приводит к образованию двух зеренных границ у вершины и подножья ступеньки. Эти границы определяют свойства микромостика, проходящего перпендикулярно ступеньке.

В step-edge переходах может быть достигнуто большее значение V_c, по сравнению с биэпитаксиальными, за счет того, что j_c можно изменять на три порядка, варьируя тремя технологическими параметрами (заявка JP 6080845 В4, МПК 5 Н 01 L 39/24):

- изменением угла наклона ступеньки;

- высотой ступеньки;

- отношением толщины пленки к высоте ступеньки.

На step-edge переходах было достигнуто значение плотности критического тока j_c=10⁵ А/см и самое высокое значение V_c=(5-8)μkV при Т=77,6 К. Лучшие характеристики на СКВИДах, включающие в себя step-edge переходы, получены при следующих оптимальных параметрах: высота ступеньки h=300-400 нм, угол наклона ступеньки ≥60°, толщина пленки ВТСП равна h/2. Недостатком данного типа слабой связи является сильная зависимость j_c от перечисленных технологических факторов, что приводит к слабой воспроизводимости и контролируемости способа.

Известен способ создания слабых связей путем формирования мостиков из сверхтонкой ВТСП пленки (патент РФ N 2133525, МПК H 01 L 39/22). Результаты исследований зависимости сверхпроводящих свойств YBaCuO пленок от толщины d показывают, что после преодоления порога перколяции существует некоторый интервал значений d, при котором плотность критического тока J_c меняется скачком почти на два порядка. При значениях d˜10÷20 нм величина плотности критического тока составляет порядка 10³ А/см². Справа от скачка при d>25 нм величина J_c>10⁵ А/см² и, при дальнейшем росте, выходит на насыщение (J_c=10⁶ А/см²).

Таким образом, путем варьирования толщины пленки d можно подбирать нужные значения тока. Недостатком способа является то, что в джозефсоновских связях типа мостика Дайема на сверхтонких пленках эффект концентрации магнитного потока ослаблен из-за наличия границ между кристаллитами, либо микровкраплениями несверхпроводящей фазы YBaCuO, таким образом поднимается уровень шума и снижается чувствительность сквид-магнитометра. Более того, в области сужения сверхпроводящих электродов не исключена возможность возникновения паразитных слабых связей с критическими токами, меньшими I_c мостиков. То есть могут появиться дополнительные контуры квантования, существенно ухудшающие работу интерферометра.

Наиболее близким к заявляемому способу является способ создания слабых связей в системах на пленочных ВТСП-сквидах, названный авторами способом "контролируемой закалки", связанный с релаксацией механических напряжений при быстром охлаждении пленки при напылении (патент РФ N 2199796, МПК H 01 L 39/22). Основная идея использования этого способа заключалась в следующем: технологические параметры для выращивания пленок выбирались такими, при которых для обычного режима остывания после процесса напыления получается высококачественная монокристаллическая пленка, т.е. температура напыления 840°С, интенсивность лазерного излучения 10⁹ Вт/см², длительность импульса 20-40 нс, давление воздуха или кислорода 0,1 торр. Далее, увеличивая скорость охлаждения пленки, выбираем такое время охлаждения, за которое получается необходимый критический ток J_c. В способе "контролируемой закалки" использовано обнаруженное существенное влияние на физические свойства YBaCuO пленок таких технологических параметров, как скорость остывания пленки после процесса напыления и время выдержки в печи при заданной температуре, связанное с временем релаксации механических напряжений. Высокие значения сверхпроводящих параметров, в особенности плотности критического тока J_c, а также монокристаллическая структура позволяют утверждать, что механические напряжения, возникающие в сверхпроводящей тонкой пленке YBaCuO в процессе выращивания, успевают практически полностью релаксировать (пленка остывает в течение достаточно длительного времени - около 30 минут). Однако при высоких скоростях охлаждения сверхпроводящие свойства пленки, в частности плотность критического тока, существенно уменьшаются, что связано с замораживанием механических напряжений, образованием доменов напряжений, которые связаны с дефицитом кислорода в выращиваемой тонкопленочной структуре.

Основным недостатком способа является то, что причиной возникновения механических напряжений является рассогласование параметров кристаллических решеток материала подложки и пленки и различие их коэффициентов температурного расширения. В качестве подложек были использованы монокристаллы LaAlO₃(100), SrTiO₃ и др. Микрофотографии поверхностей эпитаксиальной пленки и напряженной пленки и показывают, что структура эпитаксиальной пленки (фиг.1), является однородной и бездефектной, а в случае напряженной пленки наблюдается фрагментация материала (фиг.2), т.е. образуется блочная структура. При этом блоки имеют два характерных размера: ˜10 мкм и ˜1-3 мкм. Большие блоки имеют субструктуру, состоящую из разориентированных кристаллитов. Было замечено, что большие блоки расположены довольно близко друг к другу, поэтому они могут образовывать джозефсоновские структуры типа мостика Дайема на границах между кристаллитами либо на микровкраплениях несверхпроводящей фазы YBaCuO. Таким образом, не исключена возможность возникновения паразитных слабых связей с критическими токами, меньшими I_с мостиков, при этом увеличивается уровень шума и снижается чувствительность пт-сквид магнитометра. Также могут появиться дополнительные контуры квантования, в которых появится неконтролируемый шумовой сигнал, который будет помехой при измерениях на пт-сквид магнитометре.

Для осуществления способа, предложенного в прототипе, напыление пленок проводилось in situ при давлении воздуха ˜0,1 торр в камере вакуумного поста. Для напыления использовался твердотельный импульсный лазер Nd:YAG с длиной волны излучения L=1,06 мкм, длительностью импульса t=20 нс, частотой повторения импульсов f=12 Гц. Лазерный луч падал на мишень, фокусируясь через оптическую систему и кварцевое окно вакуумной камеры. Диаметр фокусного пятна на мишени составлял ˜1 мм. В качестве подложки использовались монокристаллические LaAlO₃(100), SrTiO₃(100). В процессе напыления подложка нагревалась внутри вакуумной камеры в цилиндрической кварцевой печи до температуры t=820-860°С. Скорость охлаждения пленки после окончания напыления варьировалась от 10 до 30°С/мин. Плотность мощности лазерного излучения в импульсе W на поверхности мишени изменялась от 2,5·10⁸ Вт/см до 1,5·10⁹ Вт/см и соответственно энергия в импульсе Е - от 40 до 200 мДж/имп. Расстояние от мишени до подложки оставалось неизменным и составляло 3 см, плазменный факел был направлен нормально к подложке.

Задачей изобретения является разработка способа формирования периодических микроструктур на ВТСП пленках с джозефсоновскими свойствами, обеспечивающих при упрощении технологии изготовления элементов джозефсона повышение стабильности работы указанных элементов, надежность и воспроизводимость характеристик за счет предотвращения в области сужения сверхпроводящих элементов возможности возникновения паразитных слабых связей с критическими токами, меньшими I_с мостиков и отсутствия больших блоков, имеющих субструктуру, состоящую из разориентированных кристаллитов, которые образуют джозефсоновские структуры типа мостика Дайема на границах между кристаллитами либо на микровкраплениях несверхпроводящей фазы YBaCuO.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе формирования периодических микроструктур на ВТСП пленках с джозефсоновскими свойствами, включающем нанесение на подложку высокотемпературного сверхпроводника и формирование в ней областей со слабой связью, области со слабой связью формируют одновременно с напылением ВТСП пленки путем создания в подложке областей разряжения и сжатия, оказывающих влияние на процесс роста пленки. Области периодического разряжения и сжатия в подложке создают лазерным импульсом наносекундной длительности, возбуждающим акустическую стоячую волну с длиной порядка 45-90 мкм, причем ультразвуковым импульсом воздействуют на противоположную сторону подложки. Ультразвуковой импульс создают лазером, используемым для нанесения пленки, направляя часть излучения на противоположную сторону подложки с помощью кварцевой прозрачной пластины и зеркала с наружным серебряным покрытием. В подложке образуются механические напряжения, которые определяют эпитаксиальный рост пленки с периодической структурой и джозефсоновскими свойствами, которые не имеют разориентированных кристаллитов и не подвергаются релаксации в процессе эксплуатации указанных систем при термоциклировании.

Способ поясняется фотографиями, схемой установки и графиками, где на фиг.1 и 2 приведены микрофотографии эпитаксиальной и напряженной пленок по прототипу, на фиг.3 и 4 - микрофотография ВТСП пленки при ультразвуковом импульсном воздействии на подложку при различном увеличении, на фиг.5 приведена схема устройства для осуществления способа, на фиг.6 - схема для снятия вольт-амперных характеристик ВТСП пленки при СВЧ-облучении полученной джозефсоновской структуры, на фиг.7 - ВАХ со ступеньками Шапиро, подтверждающими наличие джозефсоновских переходов в полученных пленках.

Для осуществления способа создана экспериментальная установка для напыления пленок, схема которой представленная на фиг.5, содержащая вакуумную камеру 1 с помещенной внутри нее цилиндрической кварцевой печью 2, в печи установлена ВТСП мишень 3, которая распылялась с помощью лазера 4 при давлении воздуха Р˜0,1-0,2 торр., и стабилизированной температурой 860°С. В установке использовался твердотельный импульсный лазер Nd:YAG с длиной волны излучения L=1,06 мкм, длительностью импульса от 20 до 40 нс, с частотой повторения импульсов f=12 Гц. Плотность мощности лазерного излучения в импульсе W на поверхности мишени состовляла от 2,5·10⁸ Вт/см до 1,5·10⁹ Вт/см и соответственно энергия в импульсе Е от 40 до 200 мДж/имп. Лазерный луч падал на мишень 3, пройдя через оптическую систему 6 и кварцевое окно 5 вакуумной камеры 1. Используемая нами установка позволяла получать пленки in situ. В качестве мишени 3 использовались поликристаллические образцы YBaCuO, изготовленные по разработанной авторами технологии, описанной в патенте N 21044939, опубликованном 20.02.1998 г. Сверхпроводящие параметры мишени 3 были такими: критическая температура Т=90 К, ширина перехода Т=2 К, критическая плотность тока j=10² А/см². Мишени изготовлялись в форме таблеток диаметром 1-3 см, толщиной 0,5 см. В качестве подложки 7 использовались монокристаллические LaAlO₃ (100), SrTiO₃ и др. Расстояние от мишени 3 до подложки 7 изменялось от 1 до 5 см. Неизменной оставалась ориентация мишени относительно лазерного луча (угол между нормалью к поверхности мишени и направлением падающего лазерного луча составлял 30°), а также ориентация подложки 7 относительно мишени 3 (плоскость поверхности подложки и мишени параллельны, так что ось плазменного факела была нормальна к подложке). В процессе напыления подложка 7 нагревалась до 840-860°С внутри цилиндрической печи 2, которая контролировалась термопарой 8. Для возбуждения в подложке акустической стоячей волны часть лазерного излучения , что составляет порядка 4% от энергии падающего излучения, отражалась прозрачной кварцевой пластиной 9 на зеркало 10 с серебряным внешним покрытием, которое отражало лазерное излучение на подложку 7 с обратной ненапыляемой стороны. Под воздействием лазерного импульса с различной длительностью t=(20-40) нс в подложке возбуждается акустическая, стоячая волна длиной L=(45-90) мкм, вычисляемая по формуле

L=v·t/2,

где t=(20-40) нс - длительность лазерного излучения; v=4,5·10³ м/сек скорость звука в подложке (Физический справочник под ред. И.С.Григорьева, Е.З.Михайлова, Москва, Энергоиздат, 1991 г.).

Рост периодической структуры на ВТСП пленке, показанной на фиг. 3 и 4 с разным масштабом увеличения, обеспечивается за счет влияния на эпитаксиальный процесс роста пленки областей периодического разряжения и сжатия в подложке, созданных акустической стоячей волной.

Для подтверждения того, что полученная структура на ВТСП пленке обладает джозефсоновскими свойствами, использовалась стандартная схема для снятия ВАХ в СВЧ-поле (см. фиг.6). В качестве источника постоянного тока использовался источник тока с линейной разверткой. Контроль тока осуществлялся миллиамперметром М2020, который позволял регистрировать токи от 1μА до 60 мА. Потенциал регистрировался компаратором напряжений Р3003 и выводился на самописец. СВЧ-часть экспериментального комплекса представлена генератором ГЧ-115 с рабочим диапазоном 25,84-37,5 ГГц. Максимальная мощность генератора в режиме непрерывной генерации достигает 50 мВт. Подвод и концентрирование поля СВЧ непосредственно в области мостика осуществлялись с помощью прямоугольного волновода. При известной мощности, передаваемой волноводом, использование такого устройства позволяет оценить амплитуду электрической компоненты поля СВЧ непосредственно на пленке.

По вольт-амперным характеристикам, изображенным на фиг.7, можно сделать вывод о том, что параметры ступенек Шапиро хорошо согласуются с теоретическими расчетами, когда при малых уровнях мощности облучения ступеньки Шапиро на ВАХ удовлетворяют соотношению Vn=nv/2e, n - целое число (номер ступеньки), v - частота СВЧ-облучения, е - заряд электрона.

Для примера приведены ВАХ периодической микоструктуры при автономном режиме (без облучения) и при облучении СВЧ.

В результате было установлено, что на полученной микроструктуре с периодом L=45 мкм и плотностью критического тока j_c=10³ A/cm² ступеньки Шапиро имеют наиболее выраженную форму, а следовательно, пленки с такими параметрами лучше всего проявляют джозефсоновские свойства. Этот вывод имеет большое практическое значение, т.к. он позволяет оценивать качество ВТСП пленок при изготовлении устройств, содержащих слабые связи, например ПТ- и ВЧ-сквидов.

Изобретение относится к способам создания слабых связей в виде двумерных периодических микроструктур с джозефсоновскими свойствами, используемых в высокочувствительных системах пленочных ВТСП сквид-магнитометрах, в частности, при создании высокочувствительных датчиков магнитного потока и детекторов электромагнитного поля, применяемых в устройствах для регистрации магнитокардиограмм в медицине, геофизике, экологии, контроля парамагнитных примесей в нефтепродуктах и т.п. Сущность изобретения заключается в том, что в способе формирования периодических микроструктур на ВТСП пленках с джозефсоновскими свойствами, включающем нанесение на подложку высокотемпературного сверхпроводника и формирование в ней областей со слабой связью, области со слабой связью формируют в процессе напыления ВТСП пленки путем одновременного создания в подложке областей разряжения и сжатия, оказывающих влияние на процесс роста пленки. Области периодического разряжения и сжатия в подложке могут быть созданы ультразвуковым импульсом лазерного излучения, в частности наносекундной длительности, возбуждающим акустическую стоячую волну с длиной порядка 45-90 мкм, при этом ультразвуковым импульсом воздействуют на противоположную сторону подложки. Техническим результатом изобретения является разработка способа формирования периодических микроструктур на ВТСП пленках с джозефсоновскими свойствами, обеспечивающих при упрощении технологии изготовления элементов джозефсона повышение стабильности работы указанных элементов, надежность и воспроизводимость характеристик за счет предотвращения в области сужения сверхпроводящих элементов возможности возникновения паразитных слабых связей с критическими токами, меньшими критического тока мостиков и отсутствия больших блоков, имеющих субструктуру, состоящую из разориентированных кристаллитов, которые образуют джозефсоновские структуры типа мостика Дайема на границах между кристаллитами либо на микровкраплениях несверхпроводящей фазы YBaCuO. 5 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Способ формирования периодических микроструктур на ВТСП пленках с джозефсоновскими свойствами, включающий нанесение на подложку высокотемпературного сверхпроводника и формирование в ней областей со слабой связью, отличающийся тем, что формирование областей со слабой связью осуществляют в процессе напыления ВТСП пленки путем одновременного создания в подложке областей разряжения и сжатия, оказывающих влияние на процесс роста пленки.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что области периодического разряжения и сжатия создают ультразвуковым импульсом лазерного излучения, вызывающего акустическую стоячую волну.3. Способ по п.2, отличающийся тем, что ультразвуковым импульсом воздействуют на противоположную нанесению пленки сторону подложки.4. Способ по п.3, отличающийся тем, что ультразвуковой импульс создают лазером, используемым для нанесения пленки.5. Способ по п.4, отличающийся тем, что для создания ультразвукового импульса направляют часть излучения лазера на противоположную сторону подложки с помощью кварцевой прозрачной пластины и зеркала с наружным серебряным покрытием.6. Способ по любому из пп.2-5, отличающийся тем, что ультразвуковым импульсом создают акустическую стоячую волну длиной 45-90 мкм.