Способ формирования пленочных микромостиков из высокотемпературных сверхпроводников

01 39/22 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПАТЕНТНЫЙ КОМИТЕТ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ПЛЕНОЧНЫХ МИКРОМОСТИКОВ ИЗ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ СВЕРХПРОВОДНИКОВ(71) Заявитель Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники(73) Патентообладатель Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники(57) Способ формирования пленочных микромостиков из высокотемпературных сверхпроводников, включающий нанесение пленки из высокотемпературного сверхпроводящего материала, формирование в ней путем фотолитографии дорожки с четырьмя контактными площадками, отличающийся тем, что параллельно дорожке подключают шунтирующее сопротивление, пропускают через нее токвеличину которого увеличивают до тех пор, пока он не превысит критический ток микромостика с и не произойдет скачок по напряжению на регистрируемой вольт-амперной характеристике микромостика из состояния, в котором сопротивление микромостика Д 0 и падение напряжения на микромостике к 0, то есть, в состояние, в котором Д 0 и к 0, то естьс, приводящий к уменьшению величины критического тока микромостика, повторяют эту операцию понижая температуру дорожки и увеличивая величину шунтирующего сопротивления, добиваются уменьшения критического тока локального участка дорожки до требуемой величины. 2309 1 Изобретение относится к области электроники, в частности к сверхпроводниковой электронике. В сверхпроводниковой электронике известен ряд способов формирования пленочных микромостиков, которые представляют собой разновидность сверхпроводниковых слабых связей и применяются в качестве нелинейных элементов. В 1 описан способ изготовления элементов Джозефсона, в котором методом оксидирования при высокой температуре получали тонкую сверхпроводящую пленку Ва 2 С 3 О 7-, а участок слабой связи создавали ионной имплантацией оксидного сверхпроводника. Другой способ формирования пленочных микромостиков описан в 2. В этом способе пленки из высокотемпературного сверхпроводящего материала наносились на подложки из , О 3, . Затем с помощью фотолитографии в пленках формировались дорожки шириной 5-10 мкм. Полученные структуры покрывались слоем электронного резиста, в котором вскрывались окна под контактные площадки. После этого сфокусированным электронным лучом диаметром 0.5 мкм производилось экспонирование электронного резиста поперек дорожек из сверхпроводника в местах формирования слабой связи. После проявления структура облучалась ионами Н с энергией 40-80 кэВ до дозы 10151016 см-2. При этом оставшийся фоторезист использовался в качестве маски. Слабая связь формировалась в результате подавления сверхпроводимости при имплантации ионов Н. Одним из недостатков данного способа является то, что при облучении структуры ионами можно использовать только ионы Н с энергией 40-80 кэВ. Использование ионов больших масс или энергий затруднено, потому что в этом случае слой электронного фоторезиста не может использоваться в качестве маски, так как в результате вторичной имплантации или возрастания среднего проецированного пробега возможно нарушение сверхпроводимости и на других участках пленки. Рассмотренные способы 1 и 2 обладают рядом общих недостатков. К ним относятся недостаточная технологичность, которая обусловлена необходимостью использования дорогостоящего технологического оборудования для ионной имплантации, введением дополнительных операций по формированию маски из электронного резиста на поверхности уже сформированной структуры недостаточно высокая воспроизводимость характеристик формируемых микромостиков, так как на этапе фотолитографии пленка высокотемпературного сверхпроводящего материала подвергается химическому воздействию, что приводит, в некоторых случаях, к изменению состава пленки и к ухудшению, в результате этого, сверхпроводящих характеристик на достаточно больших участках пленки. В 3 на подложках из О 3,формировали участок с нарушенной кристаллической структурой. На этом участке создавали методом оксидирования при температуре Тп 750 С зернистую сверхпроводящую пленку из высокотемпературных сверхпроводников 237-, 2223 и др., в которой границы зерен образовывали слабую связь. Контактные площадки микромостиков формировали из эпитаксиальной пленки высокотемпературного сверхпроводника. Аналогично в 4 для создания слабой связи подложку предварительно облучали сфокусированным электронным лучом и таким образом в поверхности подложки формировали дефектную область в виде линии. Затем на подложке выращивали тонкий эпитаксиальный слой оксидного сверхпроводника. Слабая связь формировалась в результате подавления сверхпроводимости при неэпитаксиальном росте тонкой пленки высокотемпературного сверхпроводника в месте нарушения кристаллической структуры подложки. На линии, полученной облучением, формировалась меж-зереннаяграница, представляющая собой слабую связь. В описанных в 3, 4 способах образование слабых связей на границах зерен представляет собой случайный процесс, что может привести к формированию сложной системы межзеренных переходов, возникновению сети слабых связей и следовательно к ухудшению воспроизводимости характеристик пленочных микромостиков. Наиболее близким техническим решением к заявляемому способу является способ формирования пленочных микромостиков, описанный в 5. В этом способе пленки из высокотемпературного сверхпроводящего материала толщиной 0,5-1,0 мкм осаждались на подложки из 2 иметодом лазерного распыления массивных образцов 237-. Рентгеноструктурный анализ показал, что пленки, в основном, состояли из зерен с осями с, перпендикулярными поверхности подложки. Из пленок были сформированы мостики микронных размеров. Формирование микромостиков осуществлялось как методом прямой фотолитографии, так и методом формирования топологии структуры сфокусированным лазерным лучом. Микромостики имели вид дорожки с четырьмя контактными площадками. Ширина микромостиков подбиралась в пределах 120 мкм, а длина в пределах 5-200 мкм. Эффекты, подобные эффектам Джозефсона, наблюдались на границе раздела двух зерен в области микромостика. Однако известный способ имеет ряд недостатков. Для получения хороших характеристик необходимо подбирать размеры микромостика таким образом, чтобы на его площади помещались два сверхпроводящих зерна между которыми имелся бы участок с пониженным значением критического токаслабая связь. Уменьшение размера микромостика до размера зерна увеличивает вероятность получения несверхпроводящего микромостика, а увеличение размеров микромостика повышает вероятность образования сложной системы межзеренных переходов. В данном случав микромостики размерами 12 мкм были в основном несверхпроводящими и только один из десяти имел не равный нулю критический ток при Т 4,2 К. При размерах, больших 20 мкм, мостики всегда были сверхпроводящими, но ступени Шапиро были либо расположены непериодически по напряжению, либо отсутствовали, что свидетельствует о наличии большого числа межзеренных переходов в микромостике. 2 2309 1 Одним из основных недостатков описанного способа является низкая воспроизводимость характеристик пленочных микромостиков, так как слабая связь создается на границе раздела двух зерен, образование которых представляет собой случайный процесс, поэтому и значения параметров пленочных микромостиков тоже являются случайными величинами. Задачей предлагаемого способа является получение технического результата, который выражается в повышении технологичности процесса формирования слабых связей типа микромостиков и воспроизводимости их характеристик, а также в возможности управляемого регулирования критического тока микромостиков. Поставленная задача достигается следующим образом. В предлагаемом способе формирования пленочных микромостиков, включающем нанесение пленки из высокотемпературного сверхпроводящего материала, формирование в ней путем фотолитографии дорожки с четырьмя контактными площадками, параллельно дорожке подключают шунтирующее сопротивление, пропускают через нее ток , величину которого увеличивают до тех пор пока он не превысит критический ток микромостика с и не произойдет скачок по напряжению на регистрируемой вольт-амперной характеристике микромостика из состояния, в котором сопротивление микромостика д 0 и падение напряжения на микромостике к 0, то есть с, в состояние,в котором д 0 и к 0, то есть с, приводящий к уменьшению величины критического тока микромостика,повторяют эту операцию понижая температуру дорожки и увеличивая величину шунтирующего сопротивления ш, добиваются уменьшения критического тока некоторого локального участка дорожки до требуемой величины. В данном способе слабая связь создается увеличением пропускаемого через микромостик тока до тех пор, пока какой-то участок микромостика, имеющий минимальную величину критического тока, не перейдет в нормальное состояние. Дальше эта область дорожки будет нагреваться и из нее будет уходить кислород. Интенсивная потеря кислорода пленкой начинает происходить при разогреве ее до температуры,превышающей примерно 400 С. Нарушение стехиометрии по кислороду приводит к подавлению сверхпроводимости в этой области и, в частности, к уменьшению критического тока микромостика, и таким образом к возникновению слабой связи. Однако обычно процесс разогрева резистивного участка микромостика под действием протекающего тока, в результате которого происходит дальнейшая потеря кислорода и возрастание сопротивления этого участка, быстро приводит к тому, что этот участок становится диэлектрикоммикромостик перегорает. Задача заключается в том, чтобы прервать рассмотренный процесс и не дать ему завершиться перегоранием микромостика. Для этого необходимо уменьшить ток, протекающий через микромостик после того, как какой-то участок из-за разогрева перешел в нормальное состояние и из него начал уходить кислород. И таким образом, можно было бы получить слабую связь в дорожке, то есть область с пониженными значениями сверхпроводящих параметров. Сущность изобретения заключается в том, что, регулируя величину пропускаемого через микромостик тока, можно регулировать величину критического тока и не допускать перегорания пленочных микромостиков. Величина пропускаемого через микромостик тока ограничивается шунтирующим сопротивлением, подключаемым параллельно слабой связи. Значение шунтирующего сопротивления подбирается в зависимости от температуры микромостика, высокотемпературного сверхпроводящего материала, из которого изготовлен пленочный микромостик, его размеров и требуемой величины критического тока слабой связи. Предлагаемый способ формирования пленочных микромостиков из высокотемпературных сверхпроводников был реализован следующим образом. Схема для регистрации вольт-амперных характеристик микромостиков изображена на фиг. 1. В качестве генератора развертки использовался источник тока. На подложках из (100) методом ионно-лучевого распыления керамической мишени стехиометрического состава в установке вакуумного напыления УВН-1 были получены тонкие высокотемпературные сверхпроводящие пленки Ва 2 С 3 О 7-. Пленки, толщиной 0,2-0,5 мкм, наносились на нагретые до 960 С подложки. Сразу после осаждения в камеру подавался кислород и пленки медленно охлаждались в атмосфере кислорода. Полученные пленки имели следующие характеристики критическую температуру сверхпроводящего перехода Т 90-92 К, ширину сверхпроводящего перехода Т 1-2 К, критическую плотность тока 10 А/см при Т 77 К. Методом фотолитографии в пленке формировалась дорожка, шириной 25 мкм и длиной 210 мкм с контактными площадками для проведения измерений четырехзондовым методом. На контактные площадки методом ионно-лучевого распыления наносились пленки из серебра, к которым с помощью прижимных контактов присоединялись внешние провода. Параллельно микромостику подключался магазин сопротивлений. Слабая связь в микромостиках формировалась в результате подавления сверхпроводимости на каком-то участке дорожки при увеличении пропускаемого через микромостик и магазин сопротивлений тока. Регистрация вольт-амперных характеристик микромостика проводилась в парах гелия при температурах, меньших критической температуры микромостика, следующим образом. При некоторой начальной температуре микромостика сопротивление магазина первоначально устанавливалось таким, чтобы ответвляемого в микромостик максимального тока, обеспечиваемого генератором линейно изменяющегося тока, не хватало для того, чтобы произошел скачок по напряжению на регистрируемой вольт-амперной 3 2309 1 характеристике микромостика из точки А (фиг. 2) на участок характеристики, соответствующий резистивному состоянию микромостика в точку С (при отсутствии шунтирующего сопротивления скачок на вольтамперной характеристике микромостика происходит из точки А в точку В). Затем сопротивление магазина постепенно увеличивалось, а температура микромостика уменьшалась таким образом, чтобы при развертке тока происходил скачок на вольт-амперной характеристике из состояния, в котором сопротивление микромостика равно нулю (то есть значение ответвляемого в микромостик тока меньше величины критического тока микромостика, а падение напряжения на микромостике равно нулю), в состояние, в котором сопротивление микромостика больше нуля (то есть падение напряжения на микромостике больше нуля), при этом после скачка величина критического тока уменьшалась. Таким образом, понижая температуру образца и увеличивая сопротивление магазина, добивались требуемого значения критического тока. В данных микромостиках наблюдались эффекты, подобные эффектам Джозефсона, путем измерения их ВАХ при облучении СВЧ-полем частотой 10 ГГц. Измерения показали появление ступеней тока-биений с нулевой частотой СВЧ-излучения и собственного излучения микромостика. Таким образом, использование предлагаемого способа формирования пленочных микромостиков из высокотемпературных сверхпроводников обеспечивает по сравнению с существующими способами следующие преимущества повышается технологичность процесса формирования слабых связей типа микромостиков, появляется возможность управляемого регулирования критического тока слабой связи, улучшается воспроизводимость характеристик формируемых микромостиков. Государственный патентный комитет Республики Беларусь. 220072, г. Минск, проспект Ф. Скорины, 66.