СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ МИКРОМОСТИКОВ Российский патент 2015 года по МПК H01L39/22 

Изобретение относится к приборам с использованием сверхпроводимости, в частности к приборам с переходом между различными материалами с использованием эффекта Джозефсона.

Известен способ получения металлических микромостиков а.с. СССР №1485970, включающий электрохимическое травление металлического кристалла до образования узкого перешейка, соединяющего два массивных электрода, при этом перешеек расплавляют проходящим через него в режиме заданного напряжения током и выдерживают в расплавленном состоянии до уменьшения его размеров до заданной величины. Недостатком данного метода является невозможность его применения для сверхпроводимых микромостиков, поскольку при температуре плавления ВТСП пленок деградируют сверхпроводящие свойства и технологически трудно установить однозначную зависимость между толщиной микромостика и временем его плавления.

Известен способ формирования пленочных микромостиков из высокотемпературных сверхпроводников, патент РФ №2080693, включающий нанесение пленки высокотемпературного сверхпроводника и формирование в ней путем фотолитографии дорожки со слабой связью, при этом формирование слабой связи осуществляют облучением поперек дорожки сфокусированным электронным лучом с дозой облучения не менее 5*10¹⁹ см^-2.

Недостатком данного решения является технологически трудно осуществимое регулирование параметров токов микромостика в зависимости от дозы облучения.

Кроме того, известно три традиционных метода формирования сверхпроводящих тонкопленочных микромостиков: фотолитография, ионно-лучевая литография, лазерное скрайбирование. При первом методе сверхпроводящая пленка подвергается химическому и термическому воздействию, что влияет на сверхпроводящие свойства микромостика, а сам процесс фотолитографии достаточно длительный и требует применения специальных масок, реактивов, обученного персонала. При втором методе требуется наличие сложного дорогостоящего оборудования и специальных масок. При лазерном скрайбировании сфокусированный лазерный луч оставляет следы реза на подложках и они становятся непригодными для повторного использования. Для этого их необходимо заново шлифовать и полировать.

Задачей настоящего изобретения является улучшение: технологичности, воспроизводимости, точности - получения заданных токов сверхпроводящих тонкопленочных микромостиков.

Указанный технический результат достигается тем, что предложен способ формирования тонкопленочных микромостиков, в котором наносят сверхпроводящий материал на подложку через маску, при этом в качестве маски используют пластины из тугоплавких материалов заданной геометрии, между остриями пластин при начальной фиксированной температуре T₁ формируют величину первичного фиксированного зазора d₁ и его геометрию, рассчитывают величину вторичного зазора, получаемой ширины микромостика d₂ в зависимости от конечной фиксированной температуры T₂ по формуле

d₂=d₁-{α₁L₁(T₂-T₁)+α₂L₂(T₂-T₁)}-α₃{(L₁+L₂+d₁)(T₂-T₁)},

где:

L₁ - расстояние от линии фиксации первой пластины до зазора,

L₂ - расстояние от линии фиксации второй пластины до зазора,

T₁ - начальная фиксированная температура,

T₂ - конечная фиксированная температура,

α₁ - температурный коэффициент теплового расширения первой тугоплавкой пластины,

α₂ - температурный коэффициент теплового расширения второй тугоплавкой пластины,

α₃ - температурный коэффициент теплового расширения подложки, затем производят: нагрев, напыление или лазерную абляцию сверхпроводящего материала фиксированной длительности t и фиксированной энергии E, определяющих конечную фиксированную температуру T₂.

Кроме того, при оптимальным варианте реализации способа пластины из тугоплавких материалов шлифуются под углом 15-30 градусов в месте образования микромостика, при этом шлифовка осуществляется только с одной стороны плоскопараллельной пластины.

Заявляемый способ заключается в том, что на подложке непосредственно формируется готовый микромостик или микромостики в той области, где необходимо исследовать свойства сверхпроводящей пленки или изготовить джозефсоновский переход. Над подложкой в требуемом месте, на которую напыляется сверхпроводящая пленка, с помощью специального нихромового держателя закрепляются затеняющие заостренные тонкие пластинки из плавленого кварца или оксида алюминия, как показано на фиг.1. Между остриями пластин выставляется микрозазор, такой что при температуре напыления 800-840°C с учетом термического расширения материала он будет соответствовать требуемому размеру формируемого сверхпроводящего мостика (фиг.2). Чтобы свести к минимуму уход толщины и размера мостика, тонкие пластинки плавленого кварца или оксида алюминия шлифуются тонким абразивом как ножи под углом 15-30 градусов в месте образования микромостика. Шлифовка осуществляется только с одной стороны плоскопараллельной пластинки. При такой подготовке их очень легко выставлять на подложку под измерительным микроскопом.

Способ позволяет формировать микромостики различной ширины от 2 мкм до 1 мм. Для примера на фиг.3-5 показаны фотографии микромостиков шириной 130, 40 и 15 мкм соответственно без ножевых шлифов.

Экспериментально обнаружено, что первичный зазор, выставленный между остриями пластин, оказывается больше, чем ширина сформированного микромостика, что связано с расширением материала экранирующих пластин при нагреве в печи вакуумной напылительной камеры, в результате чего зазор уменьшается. Такое термическое расширение пластин позволяет выращивать более узкие микромостики шириной порядка единиц микрометров.

Дополнительное расширение можно рассчитать по формуле

где α - температурный коэффициент теплового расширения; x₀ - межатомное расстояние в положении равновесия; <x> - среднее межатомное расстояние при температуре T; g - коэффициент ангармоничности; β - коэффициент квазиупругой силы; k_b - постоянная Больцмана.

В таблице 1 представлены коэффициенты линейного теплового расширения пластин монокристаллического и поликристаллического оксида алюминия.

Таблица 1. Кристалл Диапазон температур, °C Коэффициенты линейного расширения α₁, град^-1 α₂, град^-1 α₃, град^-1 Al₂O₃ - анизотропный кристалл 20÷50 6,66·10^-6 5,0·10^-6 5,0·10^-6 52÷677 6,58·10^-6 5,42·10^-6 5,42·10^-6 20÷1000 9,03·10^-6 - - Al₂O₃ - изотропный материал 20÷1000 8,4·10^-6 - -

α₁ - коэффициент расширения вдоль главной оси симметрии кристалла;

α₂ и α₃ - коэффициенты расширения перпендикулярно главной оси.

Для исключения влияния анизотропии коэффициента линейного расширения целесообразно использовать изотропные платины Al₂O₃. Тогда для пластины длиной L₀=1 мм при температуре в напылительной камере T=840°C и соответствующем коэффициенте линейного расширения α=8,4·10^-6 град^-1 дополнительное приращение длины пластины из поликристаллического оксида алюминия дает значение ΔL=αL₀ΔT=6,9 мкм.

На фиг.6 показана микрофотография и разъясняющая схема, экспериментально подтверждающая уширение затеняющей пластиной. В эксперименте использовались изотропные пластинки оксида алюминия длиной 6 мм. Сначала производилось напыление тонкой пленки при температуре 20°C, а затем при температуре 840°C производилось дополнительное напыление толстой пленки. Различная толщина пленок позволяет визуализировать смещение границы затеняющей пластины в результате теплового расширения. На фиг.6 слева, между метками 1 и 2, находится тонкая пленка, напыленная при температуре 20°C, а справа от метки 2 находится толстая пленка, напыленная при температуре 840°C. Ширина полосы тонкой пленки, определяемая уширением затеняющей пластины из оксида алюминия, составляет около 40 мкм, что хорошо согласуется с расчетными данными.

Таким образом решается задача изобретения - улучшение: технологичности, воспроизводимости, точности - получения заданных размеров и параметров сверхпроводящих тонкопленочных микромостиков.

Изобретение относится к приборам с использованием сверхпроводимости, в частности к приборам с переходом между различными материалами с использованием эффекта Джозефсона. Указанный результат достигается тем, что предложен способ формирования тонкопленочных микромостиков, в котором наносят сверхпроводящий материал на подложку через маску, при этом в качестве маски используют пластины из тугоплавких материалов заданной геометрии, между остриями пластин при начальной фиксированной температуре T₁ формируют величину первичного фиксированного зазора d₁ и его геометрию, рассчитывают величину вторичного зазора, получаемой ширины микромостика d₂ в зависимости от конечной фиксированной температуры T₂ по формуле

d₂=d₁-{α₁L₁(T₂-T₁)+α₂L₂(T₂-T₁)}-α₃{(L₁+L₂+d₁)(T₂-T₁)},

где:

L₁ - расстояние от линии фиксации первой пластины до зазора,

L₂ - расстояние от линии фиксации второй пластины до зазора,

T₁ - начальная фиксированная температура,

T₂ - конечная фиксированная температура,

α₁ - температурный коэффициент теплового расширения первой тугоплавкой пластины,

α₂ - температурный коэффициент теплового расширения второй тугоплавкой пластины,

α₃ - температурный коэффициент теплового расширения подложки, затем производят: нагрев, напыление или лазерную абляцию сверхпроводящего материала фиксированной длительности t и фиксированной энергии E, определяющих конечную фиксированную температуру T₂. 1 з.п. ф-лы, 6 ил., 1 табл.

1. Способ формирования тонкопленочных микромостиков, в котором наносят сверхпроводящий материал на подложку через маску, отличающийся тем, что в качестве маски используют пластины из тугоплавких материалов заданной геометрии, между остриями пластин при начальной фиксированной температуре T₁ формируют величину первичного фиксированного зазора d₁ и его геометрию, рассчитывают величину вторичного зазора, получаемой ширины микромостика d₂ в зависимости от конечной фиксированной температуры T₂ по формуле
d₂=d₁-{α₁L₁(T₂-T₁)+α₂L₂(T₂-T₁)}-α₃{(L₁+L₂+d₁)(T₂-T₁)},
где:
L₁ - расстояние от линии фиксации первой пластины до зазора,
L₂ - расстояние от линии фиксации второй пластины до зазора,
T₁ - начальная фиксированная температура,
T₂ - конечная фиксированная температура,
α₁ - температурный коэффициент теплового расширения первой тугоплавкой пластины,
α₂ - температурный коэффициент теплового расширения второй тугоплавкой пластины,
α₃ - температурный коэффициент теплового расширения подложки,
затем производят: нагрев, напыление или лазерную абляцию сверхпроводящего материала фиксированной длительности t и фиксированной энергии E, определяющих конечную фиксированную температуру T₂.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что пластины из тугоплавких материалов шлифуются под углом 15-30 градусов в месте образования микромостика, при этом шлифовка осуществляется только с одной стороны плоскопараллельной пластины.