RU2107358C1 - Process of manufacture of high-temperature superconducting josephson junction - Google Patents

Process of manufacture of high-temperature superconducting josephson junction Download PDF

Info

Publication number
RU2107358C1
RU2107358C1 RU97100010A RU97100010A RU2107358C1 RU 2107358 C1 RU2107358 C1 RU 2107358C1 RU 97100010 A RU97100010 A RU 97100010A RU 97100010 A RU97100010 A RU 97100010A RU 2107358 C1 RU2107358 C1 RU 2107358C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
bicrystal
leucosapphire
substrate
plates
plane
Prior art date
Application number
RU97100010A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU97100010A (en
Inventor
Багомед Магомедович Алаудинов
Эрнст Константинович Ковьев
Михаил Юрьевич Куприянов
Сергей Николаевич Поляков
Original Assignee
Багомед Магомедович Алаудинов
Эрнст Константинович Ковьев
Михаил Юрьевич Куприянов
Сергей Николаевич Поляков
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Багомед Магомедович Алаудинов, Эрнст Константинович Ковьев, Михаил Юрьевич Куприянов, Сергей Николаевич Поляков filed Critical Багомед Магомедович Алаудинов
Priority to RU97100010A priority Critical patent/RU2107358C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2107358C1 publication Critical patent/RU2107358C1/en
Publication of RU97100010A publication Critical patent/RU97100010A/en

Links

Images

Landscapes

  • Superconductor Devices And Manufacturing Methods Thereof (AREA)

Abstract

FIELD: cryogenic microelectronics. SUBSTANCE: invention refers to manufacture of devices operating in superhigh frequency range with level of inherent noises approaching to quantum threshold which operation is based on phenomenon of high-temperature superconductance and Josephson effect with working temperature near boiling temperature of liquid nitrogen and characteristics compared favorably with characteristics of analogs operating under temperature of 4.2 K. Bicrystal is grown from melt of leucosapphire on to double seed that is manufactured from two monocrystal plates of triangular form cut from monocrystalline ingot of leucosapphire. After this section which plane is ground and chemically and mechanically polished is made on side surfaces of each plate and then plates are interjoined with planes of section in holder. Later double seed is placed into vacuum or inert gas atmosphere at melting temperature of leucosapphire, double seed is brought in touch with melt of leucosapphire and bicrystal is grown on to double seed. Bicrystal substrate is cut from it after cooling. Buffer layer on to which epitaxial high- temperature superconducting film is sprayed is deposited on to surface of substrate after chemical and mechanical polishing. EFFECT: improved efficiency of process. 2 dwg

Description

Изобретение относится к криогенной микроэлектронике и может быть использовано для изготовления электронных приборов и устройств, работающих в сверхвысокочастотном диапазоне частот, с уровнем собственных шумов, приближающимся к квантовому порогу, работа которых основана на явлении высокотемпературной сверхпроводимотси и эффекта Джозефсона, с рабочей температурой вблизи температуры кипения жидкого азота и характеристиками, не уступающими характеристикам аналогов, работающих при температуре 4,2 K. The invention relates to cryogenic microelectronics and can be used for the manufacture of electronic devices and devices operating in the microwave frequency range, with a noise floor close to the quantum threshold, the operation of which is based on the phenomenon of high-temperature superconductivity and the Josephson effect, with an operating temperature near the boiling point of liquid nitrogen and characteristics not inferior to those of analogues operating at a temperature of 4.2 K.

Известен способ изготовления высокотемпературного сверхпроводящего (ВТСП) перехода Джозефсона [1], который заключается в получении слабосвязанных переходов Джозефсона на границах зерен в ВТСП-пленках. Эти переходы надежно и воспроизводимо формируются на однородных пленарных подложках с помощью подслоя, расположенного между подложкой и сверхпроводящей пленкой. Пленка сверхпроводника выращивается поверх подслоя и разориентирована относительно остальной пленки на угол между 5 и 90o. Образованная таким образом граница действует как высококачественный сверхпроводящий переход. Характеристики этих переходов улучшают за счет добавления буферных слоев между подложкой и сверхпроводящей пленкой. Плоскую кристаллическую подложку изготавливают из таких материалов, как титанат стронция SrTiO3, лейкосапфир Al2O3, двуокись циркония, стабилизированного иттрием, ZrO2(Y2O3) и др., и на нее наносят буферный слой - тонкую эпитаксиальную пленку MgO толщиной 200... 1000

Figure 00000002
Затем на всю поверхность наносят эпитаксиальную ВТСП-пленку YBCO-123 толщиной 1000. . . 2000
Figure 00000003
, поверхность которой ориентирована по плоскости (001). Буферный слой MgO разворачивает кристаллическую решетку эпитаксиальной пленки YBCO-123 на 45o и формирует бикристаллическую границу между двумя половинами эпитаксиальной пленки. Это, так называемая, биэпитаксиальная технология изготовления джозефсоновских переходов.A known method of manufacturing a high temperature superconducting (HTSC) Josephson junction [1], which consists in obtaining loosely coupled Josephson junctions at the grain boundaries in HTSC films. These transitions are reliably and reproducibly formed on homogeneous plenary substrates using a sublayer located between the substrate and the superconducting film. The superconductor film is grown on top of the sublayer and is misoriented relative to the rest of the film by an angle between 5 and 90 o . The boundary thus formed acts as a high-quality superconducting transition. The characteristics of these transitions are improved by adding buffer layers between the substrate and the superconducting film. A flat crystalline substrate is made from materials such as strontium titanate SrTiO 3 , leucosapphire Al 2 O 3 , yttrium stabilized zirconia, ZrO 2 (Y 2 O 3 ), etc., and a buffer layer is applied to it - a thin MgO thick epitaxial film 200 ... 1000
Figure 00000002
Then, an YBCO-123 epitaxial HTSC film of 1000 thickness is applied over the entire surface. . 2000
Figure 00000003
whose surface is oriented along the (001) plane. The MgO buffer layer expands the crystal lattice of the YBCO-123 epitaxial film by 45 ° and forms a bicrystal border between the two halves of the epitaxial film. This is the so-called biepitaxial technology for making Josephson junctions.

Недостатком этого способа является значительная дефектность структуры бикристаллической границы пленки в области сформированного ВТСП-перехода Джозефсона, и, как следствие, такой переход обладает малым значением характеристического напряжения - U, низкой степенью воспроизводимости, а также большим уровнем избыточных шумов типа i/f, обусловленных флуктуациями критического тока в области перехода, что не позволяет использовать этот способ для изготовления приборов, работающих в сверхвысокочастотном диапазоне. The disadvantage of this method is the significant imperfection of the structure of the bicrystal boundary of the film in the region of the formed HTSC Josephson junction, and, as a result, this transition has a small characteristic voltage U, a low degree of reproducibility, and a large level of excess noise of the i / f type due to fluctuations critical current in the transition region, which does not allow the use of this method for the manufacture of devices operating in the microwave range.

Известен способ изготовления тонкопленочного ВТСП СКВИД-магнитометра на бикристаллической подложке SrTiO3 [2], который является наиболее близким к заявляемому способу изготовления ВТСП-перехода Джозефсона по своему техническому решению. Известный способ заключается в том, что в начале из монокристаллических блоков титаната стронция SrTiO3 изготавливают бикристалл. С этой целью монокристаллический слиток титаната стронция разрезают попала по кристаллографическим плоскостям (100). Затем задают угол среза, равный 18,43o, выходя на атомные плоскости (130) и

Figure 00000004
. Поверхности блоков механически шлифуют и полируют. После этого блоки приводят в контакт и по методу твердофазного сращивания в режиме самодиффузии атомов сваривают, обеспечивая таким образом механическую прочность бикристалла, и изготавливают единый бикристалл. Из полученного таким образом бикристалла, кристаллографические оси [100] и [010] разных половин которого развернуты вокруг оси [001] на угол наклона 36,86o относительно друг друга, вырезают бикристаллические подложки толщиной 0,5...0,8 мм с ориентацией поверхности (001). Поверхность подложек шлифуется, полируется. Для эпитаксиального роста ВТСП-пленки YBCO-123 осуществляют финишную химико-механическую полировку. Затем выращивают ВТСП-пленку толщиной 100...200 нм, наносят контактные площадки, применяют фотолитографию с последующим химическим травлением пленки для создания геометрии СКВИДа. Лазерной резкой на подложке с пленкой формируют отдельные дискретные приборы.A known method of manufacturing a thin-film HTSC SQUID magnetometer on a SrTiO 3 bicrystalline substrate [2], which is the closest to the claimed method of manufacturing a Josephson HTSC transition by its technical solution. The known method consists in the fact that at the beginning of the single-crystal blocks of strontium titanate SrTiO 3 make bicrystal. For this purpose, a single-crystalline ingot of strontium titanate is cut hit along the crystallographic planes (100). Then set the angle of cut equal to 18.43 o , going to the atomic plane (130) and
Figure 00000004
. The surfaces of the blocks are mechanically sanded and polished. After that, the blocks are brought into contact and, using the method of solid-phase splicing in the self-diffusion mode, atoms are welded, thus providing the mechanical strength of the bicrystal, and a single bicrystal is made. From the bicrystal obtained in this way, the crystallographic axes [100] and [010] of the different halves of which are rotated around the axis [001] by an inclination angle of 36.86 ° relative to each other, bicrystal substrates 0.5 ... 0.8 mm thick are cut out surface orientation (001). The surface of the substrates is ground, polished. For epitaxial growth of the HTS film, YBCO-123 carries out the final chemical-mechanical polishing. Then, a HTSC film 100 ... 200 nm thick is grown, contact pads are applied, photolithography is applied followed by chemical etching of the film to create SQUID geometry. Laser cutting on a substrate with a film form separate discrete devices.

Этим способом формируют бикристаллическую границу с различными углами наклона. Наращиваемая на поверхность подложки эпитаксиальная пленка YBCO-123 наследует структуру бикристаллической границы подложки и формирует в пленке свою бикристаллическую границу, которая и является областью слабой связи между двумя сверхпроводниками. В таких ВТСП-пленках фотолитографией можно изготовить различные электронные схемы как с пассивными, так и с активными элементами. Активными элементами являются джозефсоновские переходы, обеспечивающие требуемые вольт-амперные характеристики, бикристаллическая технология изготовления джозефсоновских переходов более эффективна, чем биэпитаксиальная технология, но для этого требуется качественная бикристаллическая подложка с совершенной структурой границы. In this way, a bicrystalline border is formed with different angles of inclination. The YBCO-123 epitaxial film growing on the surface of the substrate inherits the structure of the bicrystalline boundary of the substrate and forms its bicrystal boundary in the film, which is the weak-coupling region between two superconductors. In such HTSC films, photolithography can produce various electronic circuits with both passive and active elements. The active elements are Josephson junctions, which provide the required current – voltage characteristics, the bicrystal technology for making Josephson junctions is more efficient than the biepitaxial technology, but this requires a high-quality bicrystal substrate with a perfect boundary structure.

Недостатками этого способа изготовления ВТСП-перехода Джозефсона является то, что граница бикристалла, полученная методом твердофазного сращивания, по своей структуре сильно нарушена. Ее дефектность определяется в основном рельефом сращиваемых поверхностей. При соприкосновении поверхностей на всей площади границы образуется большое количество микропустот, которые в свою очередь являются стоком точечных дефектов. Микропустоты нарушают связь двух кристаллических решеток и поэтому в этих местах пропадает туннельный эффект Джозефсона. Другим типом дефектов бикристаллической границы, полученной твердофазным сращиванием, являются нарушения стехиометрии состава, образующегося вследствие диффузии атомов в области границы. Нарушения стехиометрии ослаблено в кристаллах с плотной упаковкой атомов в решетке, например в кубических кристаллах SrTiO3, MgO, ZrO2(Y2O3) и т.д. Поэтому такие бикристаллы изготавливаются в настоящее время и используются в изготовлении ВТСП джозефсоновских переходов. Однако их общим недостатком являются большие диэлектрические потери генерируемого переходом излучения, что резко ограничивает их использование в СВЧ-диапазоне частот (100...1000 ГГц).The disadvantages of this method of manufacturing a Josephson HTS transition is that the bicrystal boundary obtained by the solid-phase splicing method is strongly violated in its structure. Its imperfection is determined mainly by the relief of the spliced surfaces. When surfaces come into contact over the entire area of the boundary, a large number of microvoids are formed, which in turn are a drain of point defects. Microvoids break the connection between two crystal lattices and therefore the Josephson tunnel effect disappears in these places. Another type of defects of the bicrystal boundary obtained by solid-phase splicing is the violation of the stoichiometry of the composition resulting from the diffusion of atoms in the boundary region. Violations of stoichiometry are attenuated in crystals with a dense packing of atoms in the lattice, for example, in cubic crystals of SrTiO 3 , MgO, ZrO 2 (Y 2 O 3 ), etc. Therefore, such bicrystals are currently being fabricated and are used in the fabrication of HTSC Josephson junctions. However, their common drawback is the large dielectric loss of the radiation generated by the transition, which sharply limits their use in the microwave frequency range (100 ... 1000 GHz).

В таблице приведены частотные характеристики (диэлектрические потери и тангенциальные потери tg) некоторых материалов. The table shows the frequency characteristics (dielectric loss and tangential loss tg) of some materials.

Из таблицы видно, что наиболее перспективным материалом для СВЧ-электроники являются бикристаллы лейкосапфира. Изготовление же известным способом ВТСП-перехода Джозефсона из материала, перспективного в СВЧ-электронике, - лейкосапфира невозможно. То есть невозможно изготовить подложку из бикристаллов, состоящих из легких атомов, пространственная решетка которых содержит свободные узлы, обеспечивая их перемещение по решетке кристалла, так как при твердофазном сращивании происходит насыщение бикристальной границы легкими атомами, например для случая Al2О3 - атомами алюминия.The table shows that the most promising material for microwave electronics are leucosapphire bicrystals. The manufacture by the known method of the HTSC transition of Josephson from a material promising in microwave electronics - leucosapphire is impossible. That is, it is impossible to make a substrate from bicrystals consisting of light atoms, the spatial lattice of which contains free nodes, ensuring their movement along the crystal lattice, since in solid-phase splicing, the bicrystal boundary is saturated with light atoms, for example, in the case of Al 2 O 3 - aluminum atoms.

В процессе эпитаксиального наращивания ВТСП-пленки они диффундируют в пленку и шунтируют границу перехода. На такой бикристаллической границе невозможно изготовить рабочий джозефсоновский переход. During the epitaxial growth of an HTSC film, they diffuse into the film and bypass the transition boundary. At such a bicrystal boundary, it is impossible to fabricate a working Josephson junction.

Кроме того, ВТСП-переход Джозефсона, изготовленный на подложке, выполненной методом твердофазного сращивания, обладает невысокой воспроизводимостью параметров, высоким значение частоты среза fс шумов типа i/f, невысоким характеристическим напряжением Uc = Ic • Rн, где Iс - критический ток, Rн - нормальное сопротивление, что приводит к тому, что СКВИДы постоянного тока и СКВИД-магнитометры, изготовленные на этом ВТСП-переходе Джозефсона, обладают сравнительно высоким уровнем эквивалентных шумов по магнитному потоку и низким разрешением по магнитному полю.In addition, the Josephson HTSC transition fabricated on a solid-phase splicing substrate has a low reproducibility of parameters, a high cutoff frequency f from i / f type noise, and a low characteristic voltage U c = I c • R n , where I s - critical current, R n - normal resistance, which leads to that the DC SQUID and the SQUID magnetometers fabricated on this high-Tc Josephson junctions, have a relatively high level of noise equivalent to the magnetic flux and low resolution of agnitnomu field.

Отмеченные недостатки:
уровень шумов i/t и величина характеристического напряжения в сильной степени определяются качеством технологии сшивки бикристаллической границы.
Reported flaws:
the noise level i / t and the characteristic voltage value are largely determined by the quality of the technology of cross-linking the bicrystal border.

В известном решении методом твердофазного сращивания формируется бикристаллическая граница, разделяющая два монокристалических блока с различной ориентацией кристаллографических осей, которая при эпитаксиальном наращивании ВТСП-пленки формирует в ней такую же бикристаллическую границу. При этом качество бикристаллической границы пленки (структурное совершенство, плоскость и т.д.) полностью определяется качеством границы бикристаллической подложки. In the known solution, a bicrystalline boundary is formed by solid-phase splicing, separating two single-crystal blocks with different orientations of the crystallographic axes, which, when epitaxially growing an HTSC film, forms the same bicrystalline boundary in it. Moreover, the quality of the bicrystal boundary of the film (structural perfection, plane, etc.) is completely determined by the quality of the boundary of the bicrystal substrate.

Общими существенными признаками заявляемого технического решения и известного являются следующие: формируют бикристалл, из которого вырезают бикристаллическую подложку, шлифование, химико-механическое полирование поверхности подложки, напыление на подложку эпитаксиальной высокотемпературной сверхпроводящей пленки, контактных площадок, затем осуществляют фотолитографию высокотемпературной сверхпроводящей пленки и ее травление. The common essential features of the claimed technical solution and the well-known are the following: a bicrystal is formed from which a bicrystal substrate is cut, grinding, chemical-mechanical polishing of the substrate surface, deposition of an epitaxial high-temperature superconducting film, contact pads on the substrate, and then photolithography of its high-temperature superconducting film and its are carried out.

Отличительными существенными признаками заявляемого технического решения являются следующие: бикристалл выращивают из расплава лейкосапфира на двойную затравку, которую изготавливают из двух монокристаллических пластин треугольной формы, вырезанных из монокристаллического слитка лейкосапфира таким образом, что одна из поверхностей каждой из пластин совпадает с

Figure 00000005
-плоскостью, а другая - с
Figure 00000006
-плоскостью, после чего на боковых поверхностях каждой из пластин выполняют срез, плоскость которого перпендикулярна
Figure 00000007
-плоскости, а угол α между плоскостью среза и боковой поверхностью пластин составляет 18,4 или 14, или 11,3o, после чего плоскость среза каждой из пластин шлифуют, химико-механически полируют и соединяют пластины между собой плоскостями среза в держателе так, что
Figure 00000008
-плоскости пластин параллельны, а угол между
Figure 00000009
-плоскостями составляет 2α , затем двойную затравку помещают в вакуум или атмосферу инертного газа при температуре плавления лейкосапфира, вводят двойную затравку в соприкосновение с расплавом лейкосапфира так, что направления фронтов кристаллизации совпадают с
Figure 00000010
-направлениями кристаллических решеток пластин, производят последовательное наращивание бикристалла на двойную затравку, из которого после его охлаждения вырезают бикристаллическую подложку, ориентированную по
Figure 00000011
-плоскости, причем после химико-механического полирования на поверхность подложки наносят буферный слой, на который затем напыляют эпитаксиальную высокотемпературную сверхпроводящую пленку.Distinctive essential features of the claimed technical solution are the following: a bicrystal is grown from a leucosapphire melt for double seed, which is made from two triangular single crystal plates cut from a single crystal leucosapphire ingot so that one of the surfaces of each of the plates coincides with
Figure 00000005
-plane, and the other with
Figure 00000006
- a plane, after which a cut is made on the lateral surfaces of each of the plates, the plane of which is perpendicular
Figure 00000007
-planes, and the angle α between the cut plane and the lateral surface of the plates is 18.4 or 14, or 11.3 o , after which the cut plane of each of the plates is ground, chemically mechanically polished and the plates are interconnected with the cut planes in the holder so that what
Figure 00000008
- the plane of the plates are parallel, and the angle between
Figure 00000009
α-planes is 2α, then the double seed is placed in a vacuum or inert gas atmosphere at the melting point of the leucosapphire, the double seed is introduced into contact with the leucosapphire melt so that the directions of the crystallization fronts coincide with
Figure 00000010
-directions of the crystal lattices of the plates, the bicrystal is sequentially double-grown, from which, after cooling, a bicrystal substrate oriented along
Figure 00000011
-planes, and after chemical-mechanical polishing, a buffer layer is applied to the surface of the substrate, onto which an epitaxial high-temperature superconducting film is then sprayed.

Технический результат, который достигается при реализации этого способа, заключается в том, что ВТСП-переход Джозефсона, бикристаллическая подложка которого изготовлена из лейкосапфира, имеет малые диэлектрические потери в СВЧ-диапазоне, что дает возможность эффективно использовать его для изготовления приборов, работающих в СВЧ-диапазоне частот. При этом формируемый ВТСП-переход обладает высокими параметрами, хорошей степенью их воспроизводимости, низким значением частоты среза шумов типа i/t, достаточно высоким значением характеристического напряжения Uc = Ic • Rн, где Ic - критический ток, Rн - нормальное сопротивление: при T = 77 K и угле разориентации бикристалла 24o оно достигает значений 0,2 мВ, а значение tc близко к 10 Гц. Электронные свойства перехода Джозефсона полностью определяются процессом рассеяния электронов на границе раздела. Поэтому наличие структурных дефектов границы, таких как пустоты, скопление примесных атомов, дислокации и т. д. , вызывают сильное рассеяние электронов, уменьшая количество электронов, переходящих через энергетический барьер на границе. Неплоскостность (шероховатость) границы также вызывает дополнительное диффузионное рассеяние электронов. Качество границы ВТСП-пленки, ее структурное совершенство однозначно определяются границей подложки, структурные дефекты которой наследуются пленкой в процессе ее эпитаксиального наращивания.The technical result that is achieved by implementing this method is that the Josephson HTSC transition, the bicrystal substrate of which is made of leucosapphire, has low dielectric losses in the microwave range, which makes it possible to effectively use it for the manufacture of devices operating in the microwave frequency range. Moreover, the formed HTSC junction has high parameters, a good degree of reproducibility, a low value of the cutoff frequency of noise type i / t, a sufficiently high value of the characteristic voltage U c = I c • R n , where I c is the critical current, R n is normal resistance: at T = 77 K and a bicrystal misorientation angle of 24 o, it reaches 0.2 mV, and the value of t c is close to 10 Hz. The electronic properties of the Josephson transition are completely determined by the process of electron scattering at the interface. Therefore, the presence of structural defects of the boundary, such as voids, accumulation of impurity atoms, dislocations, etc., cause strong scattering of electrons, reducing the number of electrons crossing the energy barrier at the boundary. The non-flatness (roughness) of the boundary also causes additional diffusion scattering of electrons. The quality of the boundary of an HTSC film and its structural perfection are uniquely determined by the boundary of the substrate, the structural defects of which are inherited by the film during its epitaxial growth.

Бикристаллическая граница, получаемая при росте кристалла из расплава, является естественной и потому наиболее совершенной. Поэтому и граница пленки, выращенной на такой бикристаллической подложке, также является наиболее совершенной и содержит минимальное количество структурных дефектов. Дислокации же, если они и образуются, в такой искусственной границе не играют заметной роли в формировании энергетического барьера для туннелирования электронов. Выращивание бикристаллов из лейкосапфира является в настоящее время единственно возможным путем изготовления бикристаллических подложек для ВТСП-переходов Джозефсона, работающих в СВЧ-диапазоне частот. ВТСП-переходы Джозефсона, сформированные на бикристаллических подложках лейкосапфира, также позволяют создавать различные электронные устройства, как, например, сквиды постоянного тока, сквид-магитометры, имеющие сравнительно низкий уровень эквивалентных шумов по магнитному потоку и рекордно высокое разрешение по магнитному полю при T = 77 K. The bicrystalline boundary obtained by the growth of a crystal from a melt is natural and therefore the most perfect. Therefore, the boundary of the film grown on such a bicrystal substrate is also the most perfect and contains a minimum number of structural defects. However, dislocations, even if they are formed, do not play a noticeable role in such an artificial boundary in the formation of the energy barrier for electron tunneling. The growth of bicrystals from leucosapphire is currently the only possible way of manufacturing bicrystal substrates for Josephson's HTSC junctions operating in the microwave frequency range. Josephson's HTSC junctions formed on bicrystalline leucosapphire substrates also allow the creation of various electronic devices, such as direct current squids, squid magnetometers with a relatively low level of equivalent noise in magnetic flux and a record high resolution in magnetic field at T = 77 K.

На фиг. 1 схематически изображены монокристаллические пластины треугольной формы двойной затравки, где 1 - атомные

Figure 00000012
-плоскости, 2 - плоскости среза; на фиг. 2 изображен чертеж, поясняющий сущность способа выращивания бикристалла лейкосапфира из расплава, где 1 - двойная затравка, 2 - бикристаллическая граница, 3 - расплав, 4 - молибденовый контейнер (а, б).In FIG. 1 schematically depicts single-crystal triangular double-seed plates, where 1 are atomic
Figure 00000012
-planes, 2 - cut plane; in FIG. 2 is a drawing explaining the essence of a method for growing a leucosapphire bicrystal from a melt, where 1 is a double seed, 2 is a bicrystal border, 3 is a melt, 4 is a molybdenum container (a, b).

Заявляемый способ изготовления ВТСП-перехода заключается в следующем. The inventive method of manufacturing a HTSC transition is as follows.

Изготавливают двойную затравку 1 (фиг. 2) из кристалла лейкосапфира (Al2O3) для ростовой установки "Сапфир-2" (разработанную и изготовленную в Институте кристаллографии РАН). Установка "Сапфир-2" работает по горизонтальному методу Бриджмена с вольфрамовым нагревателем. Контейнер 4 (фиг. 2) для выращивания бикристалла лейкосапфира изготавливают из листового молибдена в виде "лодочки". В контейнер 4 засыпают сырье (бой кристаллов лейкосапфира, выращенного из порошка на ростовой установке Вернейля), вставляют контейнер в установку на специальную платформу, снабженную механизмом горизонтального перемещения. Двойная затравка 1 (фиг. 2) изготавливается определенной геометрии с заданной кристаллографией. Для эпитаксиального выращивания ВТСП-пленок со структурой перовскита используют подложки лейкосапфира с ориентацией поверхностей

Figure 00000013
. Двойную затравку (1, фиг. 2) изготавливают из монокристаллического слитка лейкосапфира, из которого вырезают две монокристаллические пластины треугольной формы (фиг. 1), вырезанные из слитка лейкосапфира таким образом, что одна из поверхностей каждой из пластин совпадает с
Figure 00000014
-плоскостью, а другая поверхность совпадает с
Figure 00000015
-плоскостью (1, фиг. 1), после чего на боковых поверхностях каждой из пластин выполняют срезы (2, фиг. 1), плоскости которых перпендикулярны
Figure 00000016
-плоскости, а угол α между плоскостью среза и боковой поверхностью пластины составляет 18,4o, после чего плоскость среза каждой из пластин шлифуют, полируют и соединяют пластины между собой плоскостями среза в держателе, в котором с помощью поступательного перемещения и осуществляют взаимную ориентацию пластин так, что
Figure 00000017
-плоскости пластин параллельны, а угол 2α между
Figure 00000018
-плоскостями составляет величину 36,8o. Точность установки углов поворота и вращения не превышает 0,01o. После этого двойную затравку вставляют в молибденовый контейнер (4, фиг. 2) с исходным сырьем лейкосапфира, контейнер с двойной затравкой (1, фиг. 2) помещают в камеру с атмосферой инертного газа или в вакуумную камеру ростовой установки, затем температуру в нагревателе поднимают до температуры плавления лейкосапфира t = 2054oC, вводят двойную затравку в соприкосновение с расплавом лейкосапфира (3, фиг. 2) так, что направления фронтов кристаллизаций совпадают с
Figure 00000019
-направлениями кристаллических решеток пластин двойной затравки (1, фиг. 2), и производят последовательное наращивание кристалла на двойную затравку со скоростью кристаллизации 10. . . 12 мм/ч, из которого после его охлаждения вырезают бикристаллические подложки толщиной 0,8 мм, ориентированные по
Figure 00000020
-плоскостям, причем после химико-механического полирования на подложки наносят буферный слой CeO2, после чего напыляют эпитаксиальную высокотемпературную сверхпроводящую пленку YBCO-123 толщиной 100...200 нм.A double seed 1 is made (Fig. 2) from a leucosapphire crystal (Al 2 O 3 ) for the Sapphire-2 growth unit (designed and manufactured at the Institute of Crystallography of the Russian Academy of Sciences). The Sapphire-2 installation works according to the horizontal Bridgman method with a tungsten heater. The container 4 (Fig. 2) for growing a leucosapphire bicrystal is made of sheet molybdenum in the form of a “boat”. Raw materials are poured into container 4 (the battle of crystals of leucosapphire grown from powder on a Verneuil growth unit), the container is inserted into the unit on a special platform equipped with a horizontal movement mechanism. Double seed 1 (Fig. 2) is made of a certain geometry with a given crystallography. For epitaxial growth of HTSC films with a perovskite structure, surface-oriented leucosapphire substrates are used
Figure 00000013
. The double seed (1, Fig. 2) is made of a single crystal leucosapphire ingot, from which two triangular single crystal plates (Fig. 1) are cut from a leucosapphire ingot so that one of the surfaces of each of the plates coincides with
Figure 00000014
-plane, and the other surface coincides with
Figure 00000015
- a plane (1, Fig. 1), after which sections on the lateral surfaces of each plate are performed (2, Fig. 1), the planes of which are perpendicular
Figure 00000016
-planes, and the angle α between the cutting plane and the side surface of the plate is 18.4 o , after which the cutting plane of each of the plates is ground, polished and the plates are connected to each other by the cutting planes in the holder, in which the plates are moved relative to each other by translational movement so that
Figure 00000017
-planes of the plates are parallel, and the angle 2α between
Figure 00000018
-planes is 36.8 o . The accuracy of setting the rotation and rotation angles does not exceed 0.01 o . After that, a double seed is inserted into a molybdenum container (4, Fig. 2) with leucosapphire feedstock, a double seed container (1, Fig. 2) is placed in an inert gas atmosphere or in a vacuum chamber of a growth unit, then the temperature in the heater is raised up to the melting point of leucosapphire t = 2054 o C, a double seed is introduced into contact with the leucosapphire melt (3, Fig. 2) so that the directions of the crystallization fronts coincide with
Figure 00000019
-directions of the crystal lattices of the double seed plates (1, Fig. 2), and sequentially build up the crystal on a double seed with a crystallization rate of 10.. . 12 mm / h, from which, after cooling, 0.8 mm thick bicrystalline substrates oriented along
Figure 00000020
-planes, and after chemical-mechanical polishing, a CeO 2 buffer layer is applied to the substrates, after which an epitaxial high-temperature superconducting YBCO-123 film with a thickness of 100 ... 200 nm is sprayed.

Тонкая YBCO ВТСП-пленка изготавливается методом двухлучевого лазерного распыления. В методе двухлучевого лазерного распыления применяют синхронизованные излучения двух АИГ: Nd-лазеров, лучи которых, пройдя через линзы, фокусируются (плотность энергии в фокусе порядка 10 Дж/см) на поверхности вращающихся сверхпроводящих мишеней одинакового состава (YBCO-123), приготовленных по стандартной технологии из смеси порошков оксидов элементов, образующих ВТСП-керамику. Под действием излучения материал каждой из мишеней распыляется, и благодаря определенной геометрии установки, мощности излучения и взаимной ориентации лазерных лучей производится напыление тонкой YBCO ВТСП-пленки на поверхность бикристаллической подложки с последующим эпитаксиальным ростом. Thin YBCO HTSC film is produced by double-beam laser spraying. The two-beam laser sputtering method employs synchronized emissions of two AIG: Nd lasers, whose rays passing through the lenses are focused (energy density at the focus of the order of 10 J / cm) on the surface of rotating superconducting targets of the same composition (YBCO-123), prepared according to standard technologies from a mixture of powders of oxides of elements forming HTSC ceramics. Under the action of radiation, the material of each target is sprayed, and due to the specific geometry of the setup, the radiation power, and the mutual orientation of the laser beams, a thin YBCO HTSC film is deposited on the surface of the bicrystal substrate with subsequent epitaxial growth.

Затем на YBCO-пленку через специальную накладную маску, которая плотно прижимается к поверхности, напыляют золотые контактные площадки, которые затем отжигаются в той же камере, где происходит напыление ВТСП-пленки. Предварительно поверхность ВТСП-пленки очищается в ВЧ-разряде ионами аргона (установка Leybold L-560, мощность 150 Вт, давление 3 • 10 мБар, время чистки 1-2 мин). Сопротивление полученных контактов в среднем составляло 0,2 Ом при T = 77 K. Then, gold contact pads are sprayed onto the YBCO film through a special patch mask that is firmly pressed to the surface, which are then annealed in the same chamber where the HTSC film is sprayed. Preliminarily, the surface of an HTSC film is cleaned in an RF discharge by argon ions (Leybold L-560 installation, power 150 W, pressure 3 • 10 mbar, cleaning time 1-2 min). The resistance of the obtained contacts averaged 0.2 Ohms at T = 77 K.

Технический результат, который достигается при реализации этого способа, заключается в том, что ВТСП-переход Джозефсона, бикристаллическая подложка которого изготовлена из лейкосапфира, имеет малые диэлектрические потери в СВЧ-диапазоне, что дает возможность эффективно использовать его для изготовления приборов, работающих в СВЧ-диапазоне частот. The technical result that is achieved by implementing this method is that the Josephson HTSC transition, the bicrystal substrate of which is made of leucosapphire, has low dielectric losses in the microwave range, which makes it possible to effectively use it for the manufacture of devices operating in the microwave frequency range.

Актуальность решаемой задачи и высокие технические характеристики ВТСП-перехода Джозефсона обеспечивают промышленную применимость данного изобретения. The relevance of the problem and the high technical characteristics of the HTSC Josephson junction ensure the industrial applicability of this invention.

Claims (1)

Способ изготовления высокотемпературного сверхпроводящего перехода Джозефсона, заключающийся в том, что формируют бикристалл, из которого вырезают бикристаллическую подложку, после чего осуществляют шлифование, химико-механическое полирование поверхности подложки, напыление на подложку эпитаксиальной высокотемпературной сверхпроводящей пленки, контактных площадок, затем осуществляют фотолитографию высокотемпературной сверхпроводящей пленки и ее травление, отличающийся тем, что бикристалл выращивают из расплава лейкосапфира на двойную затравку, которую изготавливают из двух монокристаллических пластин треугольной формы, вырезанных из монокристаллического слитка лейкосапфира таким образом, что одна из поверхностей каждой из пластин совпадает с
Figure 00000021
- плоскостью, а другая - с
Figure 00000022
- плоскостью, после чего на боковых поверхностях каждой из пластин выполняют срез, плоскость которого перпендикулярна
Figure 00000023
- плоскости, а угол α между плоскостью среза и боковой поверхностью пластины составляет 18,4 или 14, или 11,3o, после чего плоскости среза химико-механически полируют, соединяют в держателе так, что
Figure 00000024
- плоскости параллельны, а угол между
Figure 00000025
- плоскостями составляет 2α, затем двойную затравку помещают в вакуум или атмосферу инертного газа при температуре плавления лейкосапфира, вводят двойную затравку в соприкосновение с расплавом лейкосапфира так, что направления фронтов кристаллизаций совпадают с
Figure 00000026
- направлениями кристаллических решеток пластин, производят последовательное наращивание бикристалла на двойную затравку, из которого после его охлаждения вырезают бикристаллическую подложку, ориентированную на
Figure 00000027
- плоскости, причем после химико-механического полирования на поверхность подложки наносят буферный слой, на который затем напыляют эпитаксиальную высокотемпературную сверхпроводящую пленку.
A method of manufacturing a Josephson's high-temperature superconducting transition, which consists in forming a bicrystal from which a bicrystal substrate is cut out, followed by grinding, chemical-mechanical polishing of the surface of the substrate, deposition of an epitaxial high-temperature superconducting film, contact pads on the substrate, and then high-temperature photolithography is performed by photolithography and its etching, characterized in that the bicrystal is grown from a leucosapphire melt on double seed, which is made of two triangular single crystal plates cut from a single crystal leucosapphire ingot so that one of the surfaces of each of the plates coincides with
Figure 00000021
- the plane, and the other with
Figure 00000022
- a plane, after which a cut is made on the side surfaces of each of the plates, the plane of which is perpendicular
Figure 00000023
- the plane, and the angle α between the cut plane and the side surface of the plate is 18.4 or 14, or 11.3 o , after which the cut planes are chemically-mechanically polished, connected in the holder so that
Figure 00000024
- planes are parallel, and the angle between
Figure 00000025
- the planes is 2α, then the double seed is placed in a vacuum or inert gas atmosphere at the melting point of leucosapphire, the double seed is brought into contact with the leucosapphire melt so that the directions of the crystallization fronts coincide with
Figure 00000026
- by the directions of the crystal lattices of the plates, a bicrystal is sequentially double-grown, from which, after cooling, a bicrystal substrate oriented to
Figure 00000027
- planes, moreover, after chemical-mechanical polishing, a buffer layer is applied to the surface of the substrate, on which an epitaxial high-temperature superconducting film is then sprayed.
RU97100010A 1997-01-13 1997-01-13 Process of manufacture of high-temperature superconducting josephson junction RU2107358C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU97100010A RU2107358C1 (en) 1997-01-13 1997-01-13 Process of manufacture of high-temperature superconducting josephson junction

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU97100010A RU2107358C1 (en) 1997-01-13 1997-01-13 Process of manufacture of high-temperature superconducting josephson junction

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2107358C1 true RU2107358C1 (en) 1998-03-20
RU97100010A RU97100010A (en) 1998-09-20

Family

ID=20188795

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU97100010A RU2107358C1 (en) 1997-01-13 1997-01-13 Process of manufacture of high-temperature superconducting josephson junction

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2107358C1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2550749C1 (en) * 2013-12-26 2015-05-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Омский государственный университет им. Ф.М. Достоевского" Method of formation of thin-film microbridges
CN113634900A (en) * 2021-07-21 2021-11-12 上海理工大学 Method for preparing nickel-based alloy directional twins by using additive manufacturing technology

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
2. Сверхпроводимость: физика, химия, техника. 1993 г. т.6, N 8, стр.1730 - 1746. *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2550749C1 (en) * 2013-12-26 2015-05-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Омский государственный университет им. Ф.М. Достоевского" Method of formation of thin-film microbridges
CN113634900A (en) * 2021-07-21 2021-11-12 上海理工大学 Method for preparing nickel-based alloy directional twins by using additive manufacturing technology

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US5077266A (en) Method of forming weak-link josephson junction, and superconducting device employing the junction
Phillips Substrate selection for high‐temperature superconducting thin films
JP5630941B2 (en) Biaxially oriented film deposition for superconductor coated tapes
EP0581254B1 (en) Method of forming single-crystalline thin film
CN1007480B (en) Superconductive device
JPH06500669A (en) Grain boundary bonding in high-temperature superconductor films
US5595959A (en) Method of forming a high-TC microbridge superconductor device
US20050019615A1 (en) Biaxially textured composite substrates
Wu et al. Preparation of high quality YBa/sub 2/Cu/sub 3/O/sub 7-/spl delta//thick films on flexible Ni-based alloy substrates with textured buffer layers
JPH0577347B2 (en)
RU2107358C1 (en) Process of manufacture of high-temperature superconducting josephson junction
Gross et al. Heteroepitaxial growth of transition metal oxides using uhv laser molecular beam epitaxy
US5962866A (en) Microbridge superconductor device utilizing stepped junctions
Naito et al. Production of double-sided large-area high-T/sub c/wafers by molecular beam epitaxy
RU2105390C1 (en) Method for manufacturing of high-temperature superconducting josephson junction
US5212151A (en) Superconducting thin film having a matrix and foreign phases
KR100721901B1 (en) Superconducting article and its manufacturing method
JP2005056741A (en) Thin film superconductive wire rod and its manufacturing method
Li et al. Microstructures and enhancement of critical current density in YBa/sub 2/Cu/sub 3/O/sub 7/thin films grown by pulsed laser deposition on various single crystal substrates modified by Ag nano-dots
Wang et al. YBa2Cu3O7/NdGaO3/YBa2Cu3O7 trilayers by modified off‐axis sputtering
Li et al. Heteroepitaxial growth of MgO films by dual ion beam sputtering
EP0364068A2 (en) Method of depositing an oxide superconductor on a substrate
Ichinose et al. Microstructures of high-T/sub c/superconducting films having artificial pinning centers
Yoshida et al. Growth mechanism and surface morphologies of Sm/sub 1+ x/Ba/sub 2-x/Cu/sub 3/O/sub 6+ y/thin films
Flokstra et al. Basic elements for photodeposited high Tc thin film devices