RU188983U1 - Подложка для формирования планарной структуры на основе эпитаксиальной пленки проводника - Google Patents
Подложка для формирования планарной структуры на основе эпитаксиальной пленки проводника Download PDFInfo
- Publication number
- RU188983U1 RU188983U1 RU2018127952U RU2018127952U RU188983U1 RU 188983 U1 RU188983 U1 RU 188983U1 RU 2018127952 U RU2018127952 U RU 2018127952U RU 2018127952 U RU2018127952 U RU 2018127952U RU 188983 U1 RU188983 U1 RU 188983U1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- substrate
- epitaxial film
- conductor
- epitaxial
- deposited conductor
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N69/00—Integrated devices, or assemblies of multiple devices, comprising at least one superconducting element covered by group H10N60/00
Abstract
Использование: для создания планарных структур на основе эпитаксиальных пленок. Сущность полезной модели заключается в том, что подложка для формирования планарной структуры на основе эпитаксиальной пленки проводника, представляющая собой монокристаллическую пластину с параметрами решетки, близкими к параметрам решетки осаждаемого проводника настолько, чтобы был возможен рост эпитаксиальной пленки осаждаемого проводника на данной монокристаллической пластине, и с поверхностью, подготовленной (epi-ready) к росту эпитаксиальной пленки осаждаемого проводника, при этом на ней сформирована задающая маска, представляющая собой слой нетекстурированного поликристалла, препятствующий последующему росту на нем эпитаксиальной пленки осаждаемого проводника, в котором вскрыты окна для роста эпитаксиальной пленки осаждаемого проводника. Технический результат: обеспечение возможности упрощения процесса создания при сохранении электрофизических характеристик. 5 ил.
Description
Настоящая полезная модель относится к области микроэлектроники, а именно к планарным структурам на основе эпитаксиальных пленок проводников, в том числе и сверхпроводников, т.е. к конструктивным элементам схемы, сформированным на общей подложке, и представляющих собой проводящие компоненты, разделенные изолирующими областями.
Аналогами предлагаемой полезной модели являются называемые подложками пластины из различных материалов с параметрами кристаллической решетки, допускающими рост эпитаксиальной пленки осаждаемого проводника, и с поверхностью, подготовленной к росту эпитаксиальной пленки осаждаемого проводника.
Для того чтобы подложка допускала рост качественной эпитаксиальной пленки осаждаемого проводника, она должна обладать параметрами решетки, близкими к параметрам решетки осаждаемого проводника в том смысле, чтобы различие постоянных решетки материала подложки и осаждаемого проводника не превышало, как правило, 10%. Например, при выращивании эпитаксиальных пленок высокотемпературного сверхпроводника (далее ВТСП пленок) YBCO на подложке NgGaO3 различие постоянных решетки пленки и подложки составляет 1%, а на подложке MgO - 10%.
Под подготовленностью поверхности подразумевается предварительная очистка поверхности подложки любым известным из уровня техники способом, т.е. устранение нарушенного поверхностного слоя, обеспечивающего получение поверхности подложки качества epi-ready. Не исключено также формирование на поверхности подложки буферного слоя для смягчения несовпадения между постоянной решетки подложки и постоянной решетки проводящего материала, а также для препятствия диффузии элементов подложки в растущую проводящую пленку.
При последующем использовании таких стандартных подложек для создания планарных структур на основе эпитаксиальных пленок проводник осаждается на всю поверхность подложек. Планарные структуры, формируемые на основе эпитаксиальных пленок, представляют собой проводящие элементы, разделенные изолирующими областями. После осаждения проводника изолирующие области в структуре создаются либо удалением части эпитаксиальной пленки (травлением), либо ионной имплантацией (например, в ВТСП пленку ионов кислорода: J.D. Pedarnig, М.А. Bodea, В. Steiger et al. / Systematic modification of electrical and superconducting properties of YBCO and nano-patterning of high-Tc superconducting thin films by light-ion irradiation // Physics Procedia, v. 36, p. 508, 2012). Для получения структур с микронными размерами используется ионное или плазмохимическое травление.
При таком подходе характеристики создаваемых планарных структур в ряде случаев оказываются ниже оптимальных. Например, известно, что при росте на открытой поверхности подложки (в отличие от особых случаев роста эпитаксиальных ВТСП пленок в локальных областях) в технологических режимах, позволяющих получать максимальные значения электрофизических параметров, получаемые ВТСП пленки имеют несовершенную морфологию поверхности, которая характеризуется высокой плотностью дефектов, достигающих микронных размеров (трещины, частицы вторичных фаз). Такие дефекты особенно существенны при создании многослойных структур и в тех случаях, когда размеры дефектов сравнимы с рабочими областями приборов. Поэтому при изготовлении структур с микронными и субмикронными размерами, а также джозефсоновких контактов, используются такие режимы роста эпитаксиальных ВТСП пленок, которые позволяют получать приемлемую морфологию пленок, но при этом заниженные значения электрофизических параметров.
Кроме того, в связи с высокой чувствительностью эпитаксиальных пленок к внешним воздействиям, для сохранения их исходных электрофизических характеристик технологические процессы травления и ионной имплантации, требующие применения сложного и дорогостоящего технологического оборудования, приходится еще больше усложнять.
Задачей, на решение которой направлена настоящая полезная модель, является создание подложки, использование которой позволит сделать процесс изготовления планарных структур на основе эпитаксиальных пленок проводников, при сохранении их исходного качества, менее затратным в сравнении со случаями использования традиционных подложек.
Технический эффект обеспечивается тем, что подложка для формирования планарной структуры на основе эпитаксиальной пленки проводника представляет собой монокристаллическую пластину с параметрами решетки, близкими к параметрам решетки осаждаемого проводника настолько, чтобы был возможен рост эпитаксиальной пленки осаждаемого проводника на данной монокристаллической пластине, и с поверхностью, подготовленной (epi-ready) к росту эпитаксиальной пленки осаждаемого проводника.
Новым является то, что на подложке сформирована задающая маска, представляющая собой слой нетекстурированного поликристалла, препятствующий последующему росту на нем эпитаксиальной пленки осаждаемого проводника, в котором вскрыты окна для роста эпитаксиальной пленки осаждаемого проводника.
Задающая маска представляет собой слой нетекстурированного поликристалла, препятствующий росту на нем эпитаксиальному пленки в процессе осаждения проводника, из которого образуется пленка, и формирующего таким образом изолирующие области будущей планарной структуры, в котором (в слое) вскрыты окна для формирования проводящих элементов структуры.
Возможность создания предлагаемой подложки с задающей маской (далее по тексту - подложка ЗМ) можно рассмотреть на одном из частных примеров, который был осуществлен на практике авторами предложенной полезной модели.
Полезная модель поясняется следующими чертежами.
На Фиг. 1. представлен вариант изготовления предлагаемой подложки ЗМ и планарной структуры на основе ВТСП пленок.
На Фиг. 2. приведен фрагмент планарной структуры на основе ВТСП пленок, изготовленной на подложке ЗМ, включающий джозефсоновские переходы и дипольные антенны. Светлая область - пленка YBCO, темная - изолятор.
На Фиг. 3 приведены вольтамперные характеристики джозефсоновских контактов разной длины, изготовленных на подложке ЗМ, при температуре Т=6 К.
На Фиг. 4 приведена часть цепочки джозефсоновских контактов, изготовленных на подложке ЗМ. Фото получено в электронном микроскопе. Метка - 0,1 мм.
На Фиг. 5 проиллюстрирована поверхностная морфология сверхпроводящего YBCO - полоска и изолирующей области в планарной структуре на основе ВТСП, изготовленной на подложке ЗМ. Фото получено в электронном микроскопе при увеличении 50000. Метка - 1 мкм.
Предлагаемая модель иллюстрируется приведенным примером, но не ограничивается им.
Вариант изготовления предлагаемой подложки ЗМ и затем планарной структуры на основе ВТСП пленок, представленный на Фиг. 1, состоит из следующих этапов.
1. На монокристаллической пластине (а) формируется фоторезистивная маска (б) нужного рисунка структуры. Участки поверхности пластины, где на этапе изготовления планарной структуры будет происходить рост эпитаксиальной пленки сверхпроводника, закрыты фоторезистом, остальная часть подложки открыта.
2. На монокристаллическую пластину с фоторезистивной маской осаждается оксид церия СеО2 (в). В данном варианте технологического маршрута CeO2 выбран как стандартный материал, используемый при получении эпитаксиальных структур на основе YBCO. Напыление проводится без нагрева монокристаллической пластины, поэтому слой оксида церия вырастает в виде нетекстурированного поликристалла. Толщина этого слоя находится в диапазоне 100-1400 нм.
3. Фоторезист вместе с осажденным на него оксидом церия удаляется в растворителе (взрывная литография). В результате на поверхности монокристаллической пластины вскрываются окна для формирования в них сверхпроводящих элементов планарной структуры. В тех областях поверхности пластины, где фоторезиста не было, остается поликристаллический оксид церия. На этом этапе (см. Фиг. 1 (г)) заканчивается процесс изготовления предлагаемой подложки ЗМ.
4. Этап непосредственного создания планарной структуры с заданной топологией - напыление YBCO на подложку ЗМ. На этом этапе в окнах задающей маски путем выращивания эпитаксиальной пленки формируются сверхпроводящие элементы структуры из пленки YBCO, а в областях вне окон, покрытых поликристаллическим оксидом церия, - изолирующие разделительные области (см. Фиг. 1 (д)).
В качестве демонстрации возможностей использования предлагаемой полезной модели на подложках ЗМ были изготовлены микрополоски, джозефсоновские контакты и цепочки джозефсоновских контактов.
Плотность критического тока YBCO-полосков шириной 4 мкм, полученных на подложках ЗМ, составила величину 4-6 МА×cm-2 при температуре Т=77 К, что соответствует лучшим результатам, хорошо известным из литературы.
Для создания планарных структур с джозефсоновскими контактами задающая маска формировалась на бикристаллических подложках из фианита с подслоем эпитаксиального оксида церия. Бикристаллическая подложка представляет собой пластину, вырезанную из двух срощенных под заданным углом монокристаллов. Место соединения этих монокристаллов называется бикристалличсеской границей. Других отличий от обычных монокристаллических пластин (подложек) нет. Симметричная относительно бикристаллической границы разориентация кристаллических осей в плоскости подложек составляла 24 градуса. Материалом задающей маски, как и в случае микрополосков, являлся осаждаемый при комнатной температуре оксид церия (нетекстурированный поликристалл) толщиной 1400 нм. Толщина пленки YBCO составляла 300 нм.
На Фиг. 2. показано изображение фрагмента планарной структуры с джозефсоновскими контактами и дипольными антеннами, изготовленной на подложке ЗМ. Данная структура включала в себя джозефсоновские контакты различной длины. Вольтамперные характеристики контактов длиной 10, 50 и 350 мкм, изготовленных на подложке ЗМ, при температуре Т=6 К, представлены на Фиг. 3. Для контактов длиной 10 мкм плотность критического тока jc=0,66 МА×см-2 и характерная величина ICRN=1,8 мВ при Т=6 К соответствуют известным из литературы параметрам лучших образцов, полученных с использованием традиционных подложек (см., например, обзор Hilgenkamp Н. and Mannhart J. / Grain boundaries in high-Tc superconductors // 2002 Rev. Mod. Phys. V.74, p. 485, работу An D. Y. et al. / Terahertz emission and detection both based on high-Tc superconductors: Towards an integrated receiver // 2013 Appl. Phys. Lett. V.102, p. 092601).
На Фиг. 4. представлено изображение части цепочки джозефсоновских контактов, полученной на подложке ЗМ. Темная область - пленка YBCO, светлая - изолятор. Фрагмент этой же структуры при большом увеличении показан на Фиг. 5. Из Фиг. 5. можно оценить морфологию изолирующей области полученной планарной структуры, а также характерный размер неровности края сверхпроводящего полоска ≈ 0,2 мкм. Плотность критического тока через бикристаллическую границу при температуре Т=77 К в этой структуре достигает величины jc=0,1 МА×см-2, что также соответствует лучшим результатам для таких структур, известным из литературы.
Как видно из примера, использование предлагаемой подложки ЗМ позволило получить планарные ВТСП структуры, в том числе джозефсоновские контакты, с высокими электрофизическими параметрами, а примененная в процессе вскрытия окон на подложке ЗМ взрывная литография значительно дешевле процессов травления и ионной имплантации, используемых для формирования планарных структур в аналогах.
Предложенная полезная модель является универсальной, поскольку материал и толщина слоя задающей маски, а также материал осаждаемого впоследствии на подложку проводника могут варьироваться исходя из условий поставленной задачи. Преимущество предложенной полезной модели заключается также в том, что пленка проводника (или многослойная структура) становится менее напряженной в случае малых размеров проводящих элементов схемы, т.е. имеет улучшенную микроструктуру по сравнению с пленкой, выращенной на всей поверхности традиционной подложки.
Кроме того, использование предлагаемой подложки ЗМ позволяет контролировать выходные характеристики создаваемой впоследствии планарной структуры, поскольку в процессе создания имеется возможность последовательно увеличивать толщину эпитаксиальной пленки и на каждом этапе измерять нужные характеристики структуры, что важно с точки зрения надежности и воспроизводимости результатов. Это позволяет минимизировать материальные и временные затраты как на этапе исследования, так и на этапе производства, особенно в случае использования дорогостоящих подложек, например, бикристаллических.
При этом технологический процесс, происходящий без использования травления или ионной имплантации, в отличие от процесса получения планарных структур на основе эпитаксиальных пленок проводника, выращенных на традиционных подложках, оказывается существенно упрощенным за счет исключения из него сложного и дорогостоящего технологического оборудования, что снижает трудозатраты, а также затраты энергетические и финансовые.
Claims (1)
- Подложка для формирования планарной структуры на основе эпитаксиальной пленки проводника, представляющая собой монокристаллическую пластину с параметрами решетки, близкими к параметрам решетки осаждаемого проводника настолько, чтобы был возможен рост эпитаксиальной пленки осаждаемого проводника на данной монокристаллической пластине, и с поверхностью, подготовленной (epi-ready) к росту эпитаксиальной пленки осаждаемого проводника, отличающаяся тем, что на ней сформирована задающая маска, представляющая собой слой нетекстурированного поликристалла, препятствующий последующему росту на нем эпитаксиальной пленки осаждаемого проводника, в котором вскрыты окна для роста эпитаксиальной пленки осаждаемого проводника.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018127952U RU188983U1 (ru) | 2018-07-30 | 2018-07-30 | Подложка для формирования планарной структуры на основе эпитаксиальной пленки проводника |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018127952U RU188983U1 (ru) | 2018-07-30 | 2018-07-30 | Подложка для формирования планарной структуры на основе эпитаксиальной пленки проводника |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU188983U1 true RU188983U1 (ru) | 2019-05-06 |
Family
ID=66430936
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2018127952U RU188983U1 (ru) | 2018-07-30 | 2018-07-30 | Подложка для формирования планарной структуры на основе эпитаксиальной пленки проводника |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU188983U1 (ru) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115764260A (zh) * | 2022-11-17 | 2023-03-07 | 南通大学 | 一种适用超导串联约瑟夫森双晶结的嵌入蜿蜒线的蝶形天线 |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5693595A (en) * | 1995-06-06 | 1997-12-02 | Northrop Grumman Corporation | Integrated thin-film terminations for high temperature superconducting microwave components |
-
2018
- 2018-07-30 RU RU2018127952U patent/RU188983U1/ru active
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5693595A (en) * | 1995-06-06 | 1997-12-02 | Northrop Grumman Corporation | Integrated thin-film terminations for high temperature superconducting microwave components |
Non-Patent Citations (4)
| Title |
|---|
| Д.В. Мастеров, С.А. Павлов, А.Е. Парафин, Новый подход к формированию топологии планарных структур на основе высокотемпературного сверхпроводника YBCO, Физика твердого тела, том 59, вып. 11, 2017. * |
| Д.В. Мастеров, С.А. Павлов, А.Е. Парафин, Новый подход к формированию топологии планарных структур на основе высокотемпературного сверхпроводника YBCO, Физика твердого тела, том 59, вып. 11, 2017. Д.В. Мастеров, С.А. Павлов, А.Е. Парафин, П.А. Юнин, Исследование планарных структур, полученных на модифицированных подложках Al 2 O 3 , определяющих топологию сверхпроводящих элементов в процессе осаждения YBa 2 Cu 3 O 7-d , Письма в ЖТФ, том 42, вып. 11, 2016. Е.Е. Пестов, Д.В. Мастеров, А.Е. Парафин, С.А. Павлов, А.М. Клушин, Исследование СВЧ-свойств высокотемпературных джозефсоновских контактов на сапфировой бикристаллической подложке, Физика твердого тела, том 59, вып. 11, 2017. * |
| Д.В. Мастеров, С.А. Павлов, А.Е. Парафин, П.А. Юнин, Исследование планарных структур, полученных на модифицированных подложках Al 2 O 3 , определяющих топологию сверхпроводящих элементов в процессе осаждения YBa 2 Cu 3 O 7-d , Письма в ЖТФ, том 42, вып. 11, 2016. * |
| Е.Е. Пестов, Д.В. Мастеров, А.Е. Парафин, С.А. Павлов, А.М. Клушин, Исследование СВЧ-свойств высокотемпературных джозефсоновских контактов на сапфировой бикристаллической подложке, Физика твердого тела, том 59, вып. 11, 2017. * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115764260A (zh) * | 2022-11-17 | 2023-03-07 | 南通大学 | 一种适用超导串联约瑟夫森双晶结的嵌入蜿蜒线的蝶形天线 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US5077266A (en) | Method of forming weak-link josephson junction, and superconducting device employing the junction | |
| Kim et al. | Submicron stacked-junction fabrication from Bi 2 Sr 2 CaCu 2 O 8+ δ whiskers by focused-ion-beam etching | |
| EP0576633A1 (en) | Grain boundary junctions in high temperature superconductor films | |
| Revin et al. | Features of long YBCO Josephson junctions fabricated by preliminary topology mask | |
| RU188983U1 (ru) | Подложка для формирования планарной структуры на основе эпитаксиальной пленки проводника | |
| JPH01161881A (ja) | ジョセフソン素子およびその製造方法 | |
| US6287969B1 (en) | Method of forming a superconductor | |
| US20020074544A1 (en) | Ramp-edge josephson junction devices and methods for fabricating the same | |
| JP5207271B2 (ja) | 高温超伝導単結晶上での面内型ジョセフソン接合形成法 | |
| KR100372889B1 (ko) | 경사형 모서리 조셉슨 접합소자 및 그 제조방법 | |
| Boikov et al. | Biepitaxial Josephson junctions with high critical current density based on YBa2Cu3O7− δ films on silicon on sapphire | |
| JPH104223A (ja) | 酸化物超電導体ジョセフソン素子 | |
| Takeuchi et al. | Observation of Josephson effect in YBa2Cu3O7− x/Nd1. 85Ce0. 15CuO4− y bilayer junctions | |
| Satoh et al. | High-temperature superconducting edge junctions with modified interface barriers | |
| Yutani et al. | High-Tc Josephson junctions on micro V-shape groove prepared by focused ion beam | |
| RU2107358C1 (ru) | Способ изготовления высокотемпературного сверхпроводящего перехода джозефсона | |
| Endo et al. | New growth approach of high-quality oxide thin films for future device applications: Independent control of supersaturation and migration | |
| Liu et al. | Preparation of Bi 2 Sr 2 CaCu 2 O 8+ δ-YBa 2 Cu 3 O 7− δ Bilayer Films by Acetate Based Photosensitive Sol-Gel Method | |
| Verbist et al. | Microstructure of Josephson junctions in relation to their properties | |
| JP2907831B2 (ja) | ジョセフソン素子 | |
| JPH1084141A (ja) | 酸化物超電導体装置 | |
| Talvacchio et al. | Lattice-matched, large-grain HTS films for reproducible Josephson junctions | |
| Leca et al. | MICROSTRUCTURAL AND ELECTRICAL TRANSPORT PROPERTIES OF RBa2Cu3O7–δ (R= Y, Pr) BASED THIN FILMS AND RAMP-TYPE JOSEPHSON JUNCTIONS | |
| Revin et al. | Synchronous Regimes in YBCO Long Josephson Junctions Fabricated by Preliminary Topology Masks | |
| Koinuma | Crystal engineering of high-T c and related oxide films for future electronics |