Способ контроля качества сверхпроводящей пленки

Способ контроля качества сверхпроводящей пленки

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

.1. СПОСОБ КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА СВЕРХПРОВОДЯЩЕЙ ПЛЕНКИ, включанндий регистрацию тока разрушения сверхпроводимости вблизи критической температуры, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью получения t koличecтвeнньк данных об однородности токонесущих свойств сверхпроводящей пленки, производят регистрацию формы ее вольт-амперной характеристики при температуре ниже температуры перехода в сверхпроводящее состояние и одновременно.измерительный ток модулируют по амплитуде, затем по изменениям величины токов и напряжений на каждом участке зарегистрированной кусочно-непрерывной -вольтамперной характеристики определяет пропорциональные им изменения токонесущих свойств поперечных сечений пленки вдоль ее длины. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что, с целью опре (Л деления местоположения неоднорЬдности сверхпроводимость на одном из концов сверхпроводящей пленки подавляS ют и по величине напряжения на пленс . ке определяют местоположение неоднородностей токонесущих свойств в ней. 00 ел

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСН1 1Х

РЕСПУБЛИК

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 2645574/18-25 (22) 12.07.78 (46) 15.12.86. Бюл. 11 46 (71) Институт радиотехники и .злектроники АН УССР (72) А.В,Поладич, И.И.Еру и С,А.Песковацкий (53) 621,326(088.8) (56) П.Д-е Жен. Сверхпроводимость металлов и сплавов. И.: Мир, 1968, с, 29-30, Сб. Технология толстых и тонких пленок ° /Под ред. А.Рейсмана. M., 1979», с. 59-64.

Латьппев Ю.И,, Надь Ф.Я, ЖЭТФ, 71, 1976, с. 2162-2163, (54)(57) 1. СПОСОБ КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА СВЕРХПРОВОДЯЩЕИ ПЛЕНКИ, включающий регистрацию тока разрушения сверхпроводимости вблизи критической температуры, î r л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью получения

„„SU„„778577 А (sod. H 01 1 39/24 количественных данных об однородности токонесущих свойств сверхпроводящей пленки, производят регистрацию формы ее вольт-амперной характеристики при температуре ниже температу- ры перехода в сверхпроводящее состояние и одновременно. измерительный ток модулируют по амплитуде, затем по изменениям величины токов и напря- жений на каждом участке зарегистрированной кусочно-непрерывной . вольтамперной характеристики определяет пропорциональные им изменения токонесущих свойств поперечных сечений пленки вдоль ее длины.

2. Способ по п. 1, о т л и ч а- @ 2 ю шийся тем, что, с целью определения местоположения неоднороднос- Ц ф ти сверхпроводимость на одном из кон- С цов сверхпроводящей пленки подавля" ют и по величине напряжения на пленке определяют местоположение неоднородностей токонесущих свойств в ней.

1 778

Изобретение относится к области ,криогенной микроэлектроники а имен-, но к способам контроля качества сверхпроводящих пленочных элементов, и может быть использовано при разработках радиотехнических устройств на сверхпроводящих пленках, преимущественно малого поперечного сечения, а также при выборе и совершенствовании технологии изготовления сверх- 1 проводящих пленок;

Известен способ контроля сверхпроводящих пленок, в котором неоднородности критической температуры и критического магнитного поля опреде- 1 ляют по изменению коэффициента взаимоиндукции двух катушек индуктивности, между которыми помещают сверхпроводящую пленку, при изменении внешнего магнитного поля и температуры.

Однако в силу малой чувствительности описанный способ контроля непригоден для пленок, размеры которых малы по сравнению с размерами катушек индуктивности. Пользоваться же данными, измеренными для пленки большого- размера с последующим приданием ей нужной геометрии, становится невозможным вследствие привнесенного изменения свойства пленки на ее краях, удельный вес которого тем больше, чем меньше размеры плен-. ки, Известен способ контроля геомет. рических размеров пленки на плоской подложке с помощью растрового электронного микроскопа, Однако такой метод контроля непригоден для пленок, нанесенных на цилиндрическую поверхность из-за необходимости регулировки фокусировки электронного луча вдоль каждой образующей цилиндрической поверхности при предельно высоких требованиях на вращение подложки, Наиболее близким иэ известных способов оценки однородности свойств сверхйроводящей пленки является способ, включающий описанный в регист рацию тока разрушения сверхпроводимости вблизи критической температуры, . Недостатком этого способа является отсутствие количественных данных о степени однородности пленок по длине, поскольку измерялась зависимость однот о из параметров вольт-амперной характеристики (тока разрушения}, который характеризует только

577 2 одно, а именно самое узкое попереч-! ное сечение пленки.

Цель изобретения - получение количественных данных об однородности токонесущих свойств сверхпроводящей пленки, Поставленная цель достигается тем, что в способе контроля качества сверхпроводящей пленки, включающем

0 регистрацию тока разрушения вблизи критической температуры, производят регистрацию формы ее вольт-амперной характеристики при температуре ниже температуры перехода в сверхпроводя5 щее состояние до абсолютного нуля и одновременно измерительный ток модулируют по амплитуде, затем по изменениям величин токов и напряжений на кажпом участке зарегистрированной

20 кусочно-непрерывной вольт-амперной характеристики определяют пропорциональные им изменения токонесущих свойств поперечных сечений пленки вдоль ее длины.

Если сверхпроводимость на одном из концов сверхпроводящей пленки подавить, то по величине напряжения на пленке определяют местоположеяие не-! однородностей токонесущих свойств

З0 в ней.

На фиг . 1 изображены неоднородности поперечного сечения S по длине пленки L на фиг, 2 — вольт-амперная характеристика сверхпроводя35 щей пленки, в которой изменения поперечного сечения невелики по сравнению с размером поперечного сечения; на фиг. 3. — участок вольт-ам-! перной характеристики, записанный

40 в расширенном масштабе как по току, так и по напряжению, при наложении на измерительный ток амплитудной модуляции.

Сущность предлагаемого способа

45 заключается в измерении тока восстановления сверхпроводимости в пленке в любом пбперечном сечении вдоль ее длины. При пропускании через плейку тока сверхпроводимость подавляется

50 током первоначально в самом узком поперечном сечении S (фиг.1) где о и образуется резистивная область (на фиг, 1 заштрихована), длина ее определяется величиной напряжения, воз55 никающего на пленке, Размер эквива-лентного поперечного сечения S для

1 протекающего тока определяется как геометрическими размерами, так и токонесушими свойствами пленки. Непод778577 4 вижное положение границ, разделяющих резистивную и сверхпроводящие области, возможно только при равенстве тока через обе границы (условие непрерывности тока). Увеличение напряжения приводит к увеличению размеров резистивной области путем перемещения ее границ, Таким образом, обе границы резистивной области при изменений напряжения на пленке проходят все возможные размеры поперечного сечения.

Экспериментально установлено, что величина плотности тока ). на границе раздела резистивной и сверхпроводящей областей определяется формулой

I=) S и в условиях, когда имеет место движение границ резистивной области,является величиной постоянной при неизменных внешних условиях и материале пленки. Здесь I — ток через пленку в резистивном состоянии, Я— поперечное сечение. Из формулы (1) следует, что изменение поперечного размера пленки S на величину а $ при, водит к изменению тока через нее на величину дТ, При изменении напряжения на пленке формула (1) выполняется уже при других размерах резистивной области,т.е. в других поперечных сечениях при том же самом постоянном зна чении. Из этого следует, что форма вольт-амперной характеристики пленки отражает изменение размеров резисти- вной области в результате движения ее границ. На фиг. 2 представлена наблюдаемая экспериментально вольтамперная характеристика сверхпроводящей пленки с небольшими неоднород40 ностями поперечного сечения вдоль длины, где V - напряжение на пленке, I - -ток через пленку, I Ä вЂ” критический ток разрушения сверхпроводимости в самом узком поперечном сечении

Б„ (фиг.1). I — критический ток восстановления сверхпроводимости. Точка "а" соответствует минимально возможному размеру--по длине резистивной области в поперечном сечении S (фиг,1), При увеличении напряжения на пленке, начиная с точки "а", размер резистивной области увеличивается пропорционально величине напряжения, что приводит в конечном итоге к разрушению сверхпроводимости по всей длине пленки (точка "r" на фиг. 2). Точки "б" и "в" изображают промежуточные положения границ резистивной области. Величина плотности тока j в формуле (1) представляет собой критическую плотность тока восстановления сверхпроводимости I в пленке, Участок вольт-амперной характеристики "а"-"г" (фиг, 2) и есть набор всех критических токов восста-, новления сверхпроводимости для соответствующих поперечных сечений пленки вдоль ее длины, На фиг, 3 представлен в увеличенном масштабе по току и напряжению участок вольт-амперной характеристики между точками "б" и "в" фиг, 2, наблюдаемый экспериментально при наложении на измерительный. ток от источника питания амплитудной модуляции. Величина амплитудной модуляции должна превышать изменения тока на резистивном участке вольт-амперной характеристики и устанавливается для каждой пленки в отдельности, Частота

° амплитудной модуляции должна быть меньше верхней частоты полосы пропускания регистрирующей аппаратуры, с тем чтобы фазовые искажения сигнала были малы.

Представленная на фиг. 3 зависи" мость между током и напряжением на пленке называется кусочно-непрерывной функцией. Стрелками вверх и вниз на фиг. 3 указаны места разрывов от дельных ветвей кусочно-непрерывной вольт-амперной характеристики,наблюдающиеся соответственно при повьппении и понижении напряжения. Наклон всех стрелок по отношению к осям координат одинаков и определяется ве-.

1личиной внутреннего сопротивления источника питания (нагрузочная прямая измерительной схемы). Применение амплитудной модуляции обусловлено неоднозначностью вольт-амперной характеристики по току и напряжению и без применения ее могут быть зарегистрированы только отдельные участки непрерывных. ветвей кусочно-не- . прерывйой вольтамперной характеристики, например, 3-3 (при понижении напряжения) и 4-4 (при повышении

I I напряжения) полной ветви 3-3 -4 -4.

Таким образом, изменение токонесущих свойств поперечного сечения по длине пленки приводит к изменению тока на резистивном участке вольт-амперной характеристики и характеризуетI I I ся набором ветвей 1-1 -2 -2, 3-34 —.4, 5-5 - 6 -6 и т.д. Величина на77 Ь

5 7785 пряжения в пределах каждой такой ветви между крайними" ее-точками опре-деляет размен неоднородности по дли не пленки, тогда как изменение тока в пределах каждой ветви определяет изменение токонесущих свойств поперечного сечения в пределах той же длины пленки. Неоднородность токонесущих свойств поперечного сечения сверхпроводящей пленки может быть 1ð определена в абсолютных величинах, ,если йзвестна заранее постоянная величина плотности тока восстановления в формуле (1). .Однако для практических целей не всегда необходима эта калибровка,, и изменение токонесущих свойств поперечного сечения по длине пленки выражается тогда в от. носительных единицах (в процентах), В предложенном способе контроля 2р качества сверхпроводящей пленки не" возможно идентифицировать местоположение неоднородности по длине плен- ки, поскольку наблюдаемые участки вольт-амперной характеристики форми- 25 руются в результате движения обеих границ резистивной "области, а положение самого узкого поперечного сечения Б (фиг,l) заранее неизвестно.

Для того, чтобы определить местоположение неоднородности токонесущих свойств поперечного сечения по длине пленки, сверхпроводимость одного из ее концов подавляют каким-либо искусственным путем (например, напылением пленки с магнитными примесями или засветкой этого конца лазерным источником или просто нагревом и т.п.) °

Тогда, одна иэ границ резистивной области находится всегда в месте,где сверхпроводимость подавлена, а втоЭ 1р рая имеет возможность при повышении напряжения последовательно проходить все поперечные сечения. Положение неоднородности в этом случае одно" значно определяют по величине напряжения на пленке, при котором наблюдается изменение тока и напряжения, . характеризующее данную неоднородность токбнесущих свойств поперечного сечения.

50 . Пример. Для установления взаимозависимости. величины изменения тока на резистивном участке вольтамперной характеристики сверхпроводящей пленки и величины неоднороднос- 5 ти пойеречйого сечения измерения проводились на оловянных пленках, в которых искусственным путем наносились царапины, величина которых контролировалась оптическим микроскопом типа МИИ-4. Пленки напылялись на сапфировые подложки и имели прямоугольную геометрию: длина 100 мкм, ширина 10 мкм, толщина 50 нм. На обеих концах пленки имели расширяющиеся части, к которым присоединялись проводники для подключения к измерительной схеме. Критическая температура пленок составляла 3,85 К, измерения проводились при температуре 2 К. На плавно изменяющийся ток от источника питания накладывалась амплитудная модуляция низкой частоты, глубину которой можно было регулировать. Глубина амплитудной модуляции для каждой пленки подбиралась экспериментально, при этом максимальное ее значение соответствовало отсутствие изменения формы характеристики при дальнейшем увеличении глубины модуляции. Регистрация вольт-амперной характеристики производилась с помощью осциллографа

С1-18, лйбо потенциометра ПДС-021М с дополнительными измерительными усилителями И-37 на входах.

В результате проведенных измере-, ний оказалось, что каждая пленка име" ет присущую только ей структуру резистивного участка, которая не изменяется от одной записи к другой. Нанесенные механические царапины приводили к деформации вольт-амперной характеристики, причем отклонения величины тока на характеристике соответствовали изменению .величины поперечного сечения пленки.

Дополнительно были измерены величины плотности токов восстановления сверхпроводимости для двух типов пленок †оловянных и ниобиевых, толщины которых составляли 30-150 нм. При этом оказалось, что при температуре 2 К для пленок олова )=1,3 10 А/см и для ниобиевых )=1,4 ° 10 А/см, Столь высокие плотности токов обеспечивают и высокую чувствительность предлагаемого метода контроля. В качестве примера сравним для пленок олова разрешающую способность определения размеров поперечного сечения предлагаемого способа и применяемого для этих же целей оптического способа (микроинтерферометр МИИ-4), Размеры оловянной пленки длина—

100 мкм, ширина — 10 мкм, толщина—

100 нм. Точность определения толщины оптическим способом составляет

Ic2

Фие.2

Редактор И.Большакова Техред И.Попович Корректор Е.Сирохман

Ю

Тираж 649 — Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035 N

Заказ б973/2 осква, Ж 35, Раушская наб., д. 4/S

Производственно-полиграфическое предприятие, r. Ужгород, ул. Проектная, 4

7 7

0,265 мкм, а ширины О, 5 мкм,поэтому аS -:10 см . В предлагаемом способе точность определения -изменения тока определяется уровнем шумов и наводок в аппаратуре, а даже без применения каких-либо специальных мер легко различить изменение тока ь? =

=10 МкА, Тогдa, с учетом )=1,3 ° е

<10 ??>

-12 ьБ=д?/J N10 еМ что на два порядка превышает точность измерения AS с помощью оптического микроскопа

МИИ-4, /

Важное преимущество предлагаемого способа контроля качества сверх78577 8 проводящих пленок может быть достигнуто на пленках специальной геометрии, например, напыленных на цилиндрическую поверхность, когда затруднена возможность применения оптичес« кого или растрового электронного микроскопа. С другой стороны, применение данного способа позволяет оп. тимизировать и сам процесс изготовfQ ления пленок, например, осуществить подбор соответствующего травителя при фотолитографическом процессе путем сравнения характерис.тик нескольких пленок одинаковой геометрии,нополученных в разных условиях.