RU2080693C1

RU2080693C1 - Method for generation of film jumpers from high- temperature superconductors

Info

Publication number: RU2080693C1
Authority: RU
Inventors: Анатолий Павлович Достанко; Алексей Владимирович Погребняков; Юрий Германович Укадер
Original assignee: Минский радиотехнический институт
Priority date: 1992-05-19
Filing date: 1992-05-19
Publication date: 1997-05-27

Abstract

FIELD: superconductors. SUBSTANCE: method involves application of high-temperature superconducting material and generation of low-coupling track by means of photo lithography. Superconducting features in low- coupling track are suppressed by emission of focused electron beam across track. EFFECT: increased functional capabilities. 2 dwg

Description

Изобретение относится к электронике, в частности к сверхпроводниковой электронике. The invention relates to electronics, in particular to superconductor electronics.

В сверхпроводниковой электронике известен ряд способов формирования пленочных микроэлементов, которые представляют собой разновидность сверхпроводниковых слабых связей и применяются в качестве нелинейных элементов. В [1] описан способ изготовления микромостика, при котором требуемая топология пленки перед ее напылением формируется на подложке из кремния с помощью травления поверхности подложки для создания соответствующего рисунка. Затем на уже сформированный таким образом рисунок наносят подслой ZrO₂, а на него пленку из сверхпроводникового материала. В данном методе ширина микромостика варьируется в пределах 1-10 мкм и определяется возможностями фотолитографии.In superconducting electronics, a number of methods for forming film microelements are known, which are a kind of superconducting weak bonds and are used as nonlinear elements. [1] describes a method of manufacturing a microbridge, in which the required film topology is formed on a silicon substrate before sputtering by etching the surface of the substrate to create the corresponding pattern. Then, a ZrO ₂ sublayer is applied to the pattern already formed in this way, and a film of superconducting material is applied to it. In this method, the width of the microbridge varies between 1-10 microns and is determined by the capabilities of photolithography.

В [2] пленку ВТСП-материала осаждают на холодную подложку из MgO, ориентированную в плоскостях (100). Осажденная пленка является аморфной и несверхпроводящей. С помощью фотолитографии на пленке создают рисунок дорожки шириной 10-50 мкм с четырьмя контактными площадками. Полученную аморфную структуру подвергают термообработке при температуре 920^oC с целью кристаллизации пленки. При этом формируется гранулированная пленка с размером зерен около 10 мкм. Эффект Джозефсона наблюдается на границе раздела зерен, т. е. ширина микромостика равна ширине, вытравленной в пленке, а длина определяется толщиной границы раздела между зернами.In [2], a film of HTSC material is deposited on a cold MgO substrate oriented in the (100) planes. The deposited film is amorphous and non-superconducting. Using photolithography on a film, a track pattern with a width of 10-50 μm with four contact pads is created. The obtained amorphous structure is subjected to heat treatment at a temperature of 920 ^o C in order to crystallize the film. In this case, a granular film is formed with a grain size of about 10 μm. The Josephson effect is observed at the grain interface, i.e., the width of the microbridge is equal to the width etched in the film, and the length is determined by the thickness of the interface between the grains.

Наиболее близким техническим решением является способ формирования пленочных микромостиков, описанный в [3] В этой работе пленки толщиной 0,5-1,0 мкм напылили на подложки из MgO и ZrO₂ методом лазерного распыления массивных образов YBaCuO. Рентгеноструктурный анализ показал, что пленки в основном состояли из гранул с осями С, перпендикулярными поверхности подложки. На пленках были сформированы микромостики. Микромостики имели вид дорожки с контактными площадками. Ширина мостиков подбиралась в пределах 1-20 мкм, а длина в пределах 5-200 мкм. Формирование микромостика осуществлялось методом прямой фотографии, т. е. включало в себя следующие этапы: нанесение фоторезиста на поверхность пленки, экспонирование фоторезиста в местах, где его требовалось удалить, травление фоторезиста, травление вскрытой части пленки, удаление оставшегося фоторезиста.The closest technical solution is the method of forming film microbridges described in [3]. In this work, films 0.5–1.0 μm thick were sprayed onto MgO and ZrO ₂ substrates by laser spraying of massive YBaCuO images. X-ray diffraction analysis showed that the films mainly consisted of granules with C axes perpendicular to the substrate surface. Microbridges were formed on the films. Microbridges looked like tracks with contact pads. The width of the bridges was selected in the range of 1-20 μm, and the length in the range of 5-200 μm. The formation of the microbridge was carried out by direct photography, i.e., it included the following steps: applying a photoresist to the film surface, exposing the photoresist in places where it was required to be removed, etching the photoresist, etching the exposed part of the film, and removing the remaining photoresist.

Однако известный способ имеет ряд недостатков. Для получения хороших значений параметров микромостиков нужно подбирать его размеры таким образом, чтобы на его площади помещалось две сверхпроводящие гранулы, образующие одиночный межзеренный джозефсоновский переход. Увеличение размеров мостика повышает вероятность образования сложной системы межзеренных переходов. В рассмотренном методе результаты были плохо воспроизводимы: при размерах мостика 1х2 мкм работоспособен был один из десяти сформированных мостиков, а при размерах, превышающих 20 мкм, мостики были сверхпроводящими, но ступени Шапиро были расположены либо непериодически по напряжению, либо отсутствовали вообще, что свидетельствовало о сложной системе межзеренных переходов. Таким образом, основным недостатком рассмотренного способа является недостаточная воспроизводимость получаемых структур, которая обусловлена во-первых, необходимостью совмещения узкой части с границей раздела двух зерен, и во-вторых, с возможной деградацией сверхпроводимости при химическом травлении сверхпроводниковой пленки. Кроме того, отсутствует возможность получения структур с наперед заданными свойствами, так как формирование слабой связи происходит на границе раздела двух зерен, образование которых представляет собой случайный процесс. However, the known method has several disadvantages. To obtain good values of the parameters of the microbridges, it is necessary to select its sizes so that two superconducting granules are placed on its area, forming a single intergranular Josephson junction. An increase in the size of the bridge increases the likelihood of the formation of a complex system of grain transitions. In the considered method, the results were poorly reproducible: at a bridge size of 1x2 μm, one of ten formed bridges was operational, and at sizes exceeding 20 μm, the bridges were superconducting, but the Shapiro steps were either non-periodic in voltage or absent altogether, which indicated complex system of grain transitions. Thus, the main disadvantage of the considered method is the lack of reproducibility of the resulting structures, which is due, firstly, to the need to combine a narrow part with the interface between two grains, and secondly, to the possible degradation of superconductivity during chemical etching of a superconductor film. In addition, it is not possible to obtain structures with predetermined properties, since the formation of a weak bond occurs at the interface between two grains, the formation of which is a random process.

Была поставлена задача упрощения технологического процесса формирования микромостиков, улучшения характеристик микромостиков, возможность получения структур с заданными свойствами. The task was to simplify the process of forming microbridges, improve the characteristics of microbridges, the ability to obtain structures with desired properties.

Задача решается следующим образом. В способе формирования пленочных микромостиков, включающем нанесение пленки ВТСП-материала и формирование путем фотолитографии дорожки со слабой связью и контактами для четырехзондовых измерений, слабую связь формируют облучением сфокусированным электронным лучом узкой линии поперек дорожки из сверхпроводника. Сверхпроводимость в области слабой связи подавляется путем внесения ускоренными электронами радиационных дефектов. При этом доза облучения зависит от ВТСП-материала и лежит в пределах 10¹⁹ 10²⁰ 1/см²[5] Энергия электронов зависит от толщины пленки и типа ВТСП-материала. Для пленок YBaCuO и Bi(Pb)SrCaCuO толщиной 0,5-1,0 мкм энергия электронов составляет 80-120 кэВ [4,стр.145]
Сравнивая предложенный способ с прототипом, можно отметить, что предложенный способ отличается тем, что формирование слабой связи осуществляется путем облучения поперек дорожки ускоренными электронами, в результате чего поперек дорожки формируется узкая (0,8-1 мкм шириной) область с подавленной сверхпроводимостью. Таким образом, предложенный способ соответствует критерию изобретения "новизна". Анализ других решений в данной области техники показал, что признаки, отличающие наш способ от других, известны [5] но использование их данной совокупности в предлагаемом способе приводит к появлению новых свойств, которые позволяют упростить технологический процесс формирования сверхпроводящих слабых связей, повысить воспроизводимость характеристик микромостиков и получить структуры с заданными свойствами.The problem is solved as follows. In the method of forming film microbridges, including applying a film of HTSC material and forming, by photolithography, a track with weak coupling and contacts for four-probe measurements, a weak coupling is formed by irradiating a narrow electron beam with a focused electron beam across the track from a superconductor. Superconductivity in the weak-coupling region is suppressed by introducing radiation defects by accelerated electrons. In this case, the radiation dose depends on the HTSC material and lies in the range 10 ¹⁹ 10 ²⁰ 1 / cm ² [5] The electron energy depends on the film thickness and the type of HTSC material. For YBaCuO and Bi (Pb) SrCaCuO films with a thickness of 0.5-1.0 μm, the electron energy is 80-120 keV [4, p.145]
Comparing the proposed method with the prototype, it can be noted that the proposed method is characterized in that the weak bond is formed by irradiation across the track by accelerated electrons, as a result of which a narrow (0.8-1 μm wide) region with suppressed superconductivity is formed across the track. Thus, the proposed method meets the criteria of the invention of "novelty." An analysis of other solutions in the art showed that the features that distinguish our method from others are known [5] but the use of their given combination in the proposed method leads to the appearance of new properties that simplify the process of forming superconducting weak bonds, increase the reproducibility of the characteristics of microbridges and get structures with desired properties.

На фиг. 1 схематически изображена пленочная структура микромостика, где: 1 токовые контактные площадки, 2 потенциальные контактные площадки, 3 - область слабой связи; на фиг.2 схема подавления сверхпроводимости в области слабой связи, где: 1 подложка (MgO, SrTiO₃, YSZ, сапфир), 2 - ВТСП-пленка, 3 поток ускоренных электронов, 4 область слабой связи.In FIG. 1 schematically shows the film structure of the microbridge, where: 1 current contact pads, 2 potential contact pads, 3 - area of weak communication; figure 2 diagram of the suppression of superconductivity in the field of weak coupling, where: 1 substrate (MgO, SrTiO ₃ , YSZ, sapphire), 2 - HTSC film, 3 stream of accelerated electrons, 4 region of weak coupling.

Предлагаемый способ формирования пленочного микромостика из высокотемпературного сверхпроводника реализован следующим образом. The proposed method of forming a film microbridge from a high-temperature superconductor is implemented as follows.

Пленки толщиной 0,3-0,5 мкм Bi(Pb)SrCaCuO наносились ионно-лучевым распылением композитной керамической мишени стехиометрического состава на установке вакуумного напыления УВН на подложки из MgO и SrTiO_З и имели T_с 90-92 К, ΔТ_с 1-2 К. После формирования с помощью фотолитографии дорожки шириной 10-50 мкм с контактами для проведения измерений четырехзондовым методом, полученная структура помещалась в колонну растворного электронного микроскопа. Затем сфокусированным электронным лучом диаметром 0,3 0,5 мкм производилось облучение поперек дорожки ускоренными электронами с энергией 80-100 кэВ. Энергия выбиралась из условия, чтобы средний проецированный пробег превышал толщину пленки. Доза облучения и подбиралась такой, чтобы обеспечить появление ступеней тока на вольт-амперных характеристиках. В данном случае доза имплантированных в пленку электронов составила 5•(10¹⁹ -10²⁰) см^-2.Films 0.3-0.5 μm thick of Bi (Pb) SrCaCuO were deposited by ion beam sputtering of a stoichiometric composite ceramic target on a UVC vacuum deposition unit on MgO and SrTiO ₃ substrates and had T _with 90-92 K, ΔТ _with 1- 2 K. After forming, using photolithography, a track 10–50 μm wide with contacts for measurements using the four-probe method, the resulting structure was placed in a column of a solution electron microscope. Then, a focused electron beam with a diameter of 0.3 0.5 μm was irradiated across the track with accelerated electrons with an energy of 80-100 keV. The energy was chosen so that the average projected mileage exceeded the film thickness. The radiation dose was selected so as to ensure the appearance of current steps on the current-voltage characteristics. In this case, the dose of electrons implanted in the film was 5 • (10 ¹⁹ -10 ²⁰ ) cm ^-2 .

Измерения вольт-амперных характеристик полученного микромостика под воздействием СВЧ-излучения проводились до облучения дорожки электронным лучом и после облучения. Появление ступеней тока биений с нулевой частотой СВЧ-излучения и собственного джозефсоновского излучения микромостика наблюдались только после облучения электронным лучом. The current – voltage characteristics of the obtained microbridge under the influence of microwave radiation were measured before irradiation of the track with an electron beam and after irradiation. The appearance of beat current steps with a zero frequency of microwave radiation and the Josephson intrinsic radiation of the microbridge were observed only after irradiation with an electron beam.

Таким образом, использование предлагаемого способа формирования пленочного микромостика из высокотемпературного сверхпроводника обеспечивает по сравнению с существующими способами следующие преимущества: упрощается технологический процесс изготовления, повышается воспроизводимость характеристик микромостиков за счет того, что слабая связь формируется не на границе раздела двух зерен, формирование которых представляет собой случайный процесс, а в результате подавления свехпроводимости в области слабой связи путем облучения электронным лучом и появляется возможность получения структур с заданными свойствами с помощью изменения времени облучения и тока пучка. Thus, the use of the proposed method of forming a film microbridge from a high-temperature superconductor provides the following advantages compared to existing methods: the manufacturing process is simplified, the reproducibility of the characteristics of the microbridges is increased due to the fact that a weak bond is formed not at the interface between two grains, the formation of which is random process, and as a result of suppression of superconductivity in the weak coupling region by irradiation of ele -electron beam and it becomes possible to obtain structures with desired properties by changing the irradiation time and beam current.

Claims

A method of forming film microbridges from high-temperature superconductors, comprising applying a film of a high-temperature superconductor and forming a weak-bond track in it by photolithography, characterized in that the weak-bond is formed by irradiating the track with a focused electron beam with an irradiation dose of at least 5 • 10 ¹⁹ cm ^-2 .