Способ формирования сверхпроводящей тонкой пленки с локальными областями переменной толщины

Способ формирования сверхпроводящей тонкой пленки с локальными областями переменной толщины

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к способам формирования в сверхпроводящих тонких пленках областей с требуемыми значениями плотности критического тока путем создания локальных областей переменной толщины. Необходимость создания в пленках областей с заданной плотностью критического тока обусловлена возможностью изготовления из этих пленок микромостиков, обладающих джозефсоновскими свойствами и используемых в высокочувствительных пленочных сквидах, которые находят применение в биомагнетизме, геофизике, сквид-микроскопии и т.д.

В настоящее время существуют различные способы структурирования сверхпроводящих тонких и сверхтонких пленок, которые используются для изготовления тонкопленочных сквидов и совмещенных с ними на одной подложке сверхпроводящих трансформаторов потока и сверхпроводящих планарных градиометров первого и второго порядка.

Известен способ структурирования сверхпроводящих пленок путем варьирования толщины пленки (патент РФ №2133525). Результаты исследований механизма роста YBCO пленок и зависимости сверхпроводящих свойств пленки от ее толщины показывают, что существует некоторый интервал значений толщин, при котором плотность критического тока пленки меняется скачком почти на два порядка. Таким образом, путем варьирования толщины пленки можно задавать необходимую плотность критического тока. Основным недостатком данного способа является то, что совмещенные со сквидом на одной подложке сверхпроводящий трансформатор потока и петли градиометра также изготавливаются из сверхтонкой пленки, а, следовательно, обладают низкими значениями плотности критического тока и обладают слабой устойчивостью к воздействию окружающей среды и к термоциклированию.

Известен способ (патент РФ №2199796) структурирования сверхпроводящих пленок, названный авторами способом «контролируемой закалки», связанный с замораживанием механических напряжений в монокристаллической пленке при быстром охлаждении в постростровом режиме отжига. Основная идея использования этого способа заключалась в следующем: после напыления пленки подбором скорости остывания можно организовать в пленке необходимую степень механических напряжений и, следовательно, необходимое значение плотности критического тока. При высоких скоростях остывания в пленке образуются домены напряжений, границы между которыми представляют сильнонапряженные участки, что и приводит к подавлению критического тока. Основным недостатком данного способа структурирования пленки является то, что джозефсоновские микромостики, изготовленные из напряженных пленок, неустойчивы к релаксациям упругих напряжений, что делает нестабильным критический ток мостиков - со временем значение критического тока мостика релаксирует до высоких значений, что сопровождается понижением чувствительности сквида. Еще одним недостатком данного способа структурирования пленки является то, что выращиваемая сверхпроводящая пленка является напряженной по всей площади, а следовательно, совмещенные со сквидом на одной подложке сверхпроводящий трансформатор потока и петли градиометра также изготавливаются из напряженных участков пленки, что приводит к ухудшению их качества.

Наиболее близким к заявляемому способу является способ структурирования сверхпроводящих пленок путем формирования импульсным лазерным излучением локальных областей механических напряжений в подложке, на которой затем выращивают сверхпроводящую пленку, в которой формируется поле механических напряжений для создания требуемых значений критического тока джозефсоновских переходов (патент РФ №2375789). Основным недостатком данного способа является сложность контроля степени упругих напряжений в материале монокристаллической подложки при облучении мощным импульсным лазерным излучением. Это приводит к усложнению технологии создания микромостиков сверхпроводящей пленки с требуемыми значениями критического тока.

Задачей изобретения является разработка способа формирования сверхпроводящих тонких пленок, имеющих области с различными требуемыми для изготовления сверхпроводящих устройств значениями плотности критического тока, обеспечивающего при упрощении технологии изготовления слабых связей повышение стабильности работы, надежность и воспроизводимость характеристик данных устройств.

Указанный технический результат достигается тем, что предложен способ формирования областей переменной толщины сверхпроводящей тонкой пленки методом лазерного распыления мишени YBa₂Cu₃O_7-х, в котором между мишенью и подложкой располагают затеняющую пластину, затем воздействуют на мишень лазерным излучением плотностью мощности Ρ=(1÷2)·10⁹ Вт/см², длиной волны λ=1,06 мкм, длительностью импульса τ=10÷20 нс и частотой следования импульсов ν=10 Гц в течение времени t=175÷185 с, при температуре мишени Т_м=600÷700°С, температуре подложки Т_п=800÷840°С расстоянии между подложкой и затеняющей пластиной L=0,1÷0,2 мм, при этом вне затеняющей пластины формируется сверхпроводящая пленка толщиной D₁=160÷200 нм с плотностью критического j>10⁶ А/см², а под затеняющей пластиной формируется сверхпроводящая пленка толщиной D₂=40-50 нм с плотностью критического тока j=(1÷5)·10³ А/см².

Способ реализуется следующим образом.

Перед напылением по нормали к рабочей поверхности подложки закрепляется металлическая игла с помощью прижимной пластины, как показано на фиг. 1. Острие иглы протыкает затеняющую металлическую пластину и касается подложки в том месте, где впоследствии будут сформированы слабые связи, например джозефсоновские переходы сквида. В пределе затеняющей пластины может и не быть достаточно одной иглы. Под затеняющей пластиной или одной иглой образуется область тени, куда попадает меньше частиц распыляемого материала мишени, и в этом месте формируется участок пленки пониженной толщины, как показано на фиг. 2. Форма и размер затеняющей пластины определяет форму и размер области пленки пониженной толщины. Время напыления t, плотность мощности лазерного излучения Ρ и расстояние от затеняющей пластины до подложки L позволяют варьировать толщину тонкой пленки под затеняющей пластиной, при этом пленка пониженной толщины будет обладать пониженным значением критического тока. Остальные области пленки имеют толщину, необходимую для изготовления на этих участках таких элементов криоэлектроники, как сверхпроводящий трансформатор потока, градиометр первого порядка и др.

Как показывают исследования пленок на атомно-силовом микроскопе, в области тени происходит преимущественно 2D рост пленки. На фиг. 3 показано распределение кристаллитов по размеру в материале пленки, сформированной в области тени. Большая часть кристаллитов имеют размер менее 150 нм, что указывает на преимущественный рост пленки в области тени из парогазовой фазы распыляемого материала. На фиг. 4 представлено АСМ изображение поверхности пленки в области тени. На поверхности пленки отсутствуют частицы микронных размеров, что существенно снижает процент брака при формировании джозефсоновских переходов.

Пример 1

При времени напыления t=175 с, плотности мощности лазерного излучения Ρ=(1-2)·10⁹ Вт/см² и расстоянии между подложкой и затеняющей пластиной L=0,1-0,2 мм за пределами тени формируется сверхпроводящая пленка толщиной D₁=156-194 нм с плотностью критического тока j>10⁶ А/см², а под затеняющей пластиной формируется сверхпроводящая пленка толщиной D₂=39-49 нм с плотностью критического тока j=(1-5)·10³ А/см².

Пример 2

При времени напыления t=180 с, плотности мощности лазерного излучения Ρ=(1-2)·10⁹ Вт/см² и расстоянии между подложкой и затеняющей пластиной L=0,1-0,2 мм за пределами тени формируется сверхпроводящая пленка толщиной D₁=160-200 нм с плотностью критического тока j>10⁶ А/см², а под затеняющей пластиной формируется сверхпроводящая пленка толщиной D₂=40-50 нм с плотностью критического тока j=(1-5)·10³ А/см².

Пример 3

При времени напыления t=185 с, плотности мощности лазерного излучения Ρ=(1-2)·10⁹ Вт/см² и расстоянии между подложкой и затеняющей пластиной D₁=0,1-0,2 мм за пределами тени формируется сверхпроводящая пленка толщиной 164-206 нм с плотностью критического тока j>106 А/см², а под затеняющей пластиной формируется сверхпроводящая пленка толщиной D₂=41-51 нм с плотностью критического тока j=(1-5)·10³ А/см².

Таким образом, решается техническая задача формирования сверхпроводящих тонких пленок, имеющих области с различными требуемыми для изготовления сверхпроводящих устройств значениями плотности критического тока, обеспечивающего при упрощении технологии изготовления слабых связей повышение стабильности работы, надежности и воспроизводимости характеристик данных устройств.

Способ формирования областей переменной толщины сверхпроводящей тонкой пленки методом лазерного распыления мишени YBa₂Cu₃O_7-x, в котором между мишенью и подложкой располагают затеняющую пластину, затем воздействуют на мишень лазерным излучением плотностью мощности Р=(1÷2)·10⁹ Вт/см², длиной волны λ=1,06 мкм, длительностью импульса τ=10÷20 нс и частотой следования импульсов ν=10 Гц в течение времени t=175÷485 с, при температуре мишени Т_м=600÷700°C, температуре подложки Т_п=800÷840°С, расстоянии между подложкой и затеняющей пластиной L=0,1÷0,2 мм, при этом вне затеняющей пластины формируется сверхпроводящая пленка толщиной D₂=160÷200 нм с плотностью критического тока j>10⁶ А/см², а под затеняющей пластиной формируется сверхпроводящая пленка толщиной D₂=40-50 нм с плотностью критического тока j=(1÷5)·10³ А/см².