RU2325005C1 - Method of squid formation with submicron josephson junctions mounted in high-temperature superconductor film - Google Patents
Method of squid formation with submicron josephson junctions mounted in high-temperature superconductor film Download PDFInfo
- Publication number
- RU2325005C1 RU2325005C1 RU2006134451/28A RU2006134451A RU2325005C1 RU 2325005 C1 RU2325005 C1 RU 2325005C1 RU 2006134451/28 A RU2006134451/28 A RU 2006134451/28A RU 2006134451 A RU2006134451 A RU 2006134451A RU 2325005 C1 RU2325005 C1 RU 2325005C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- squid
- topology
- formation
- josephson junctions
- mbar
- Prior art date
Links
- 241000238366 Cephalopoda Species 0.000 title claims abstract description 38
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 37
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 title claims abstract description 18
- 239000002887 superconductor Substances 0.000 title claims abstract description 9
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 39
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical group [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 20
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims description 18
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims description 13
- 229910052732 germanium Inorganic materials 0.000 claims description 10
- GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N germanium atom Chemical compound [Ge] GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 10
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- 238000000151 deposition Methods 0.000 claims description 8
- 230000008021 deposition Effects 0.000 claims description 8
- 238000003486 chemical etching Methods 0.000 claims description 6
- 238000005530 etching Methods 0.000 claims description 6
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 claims description 6
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 238000000206 photolithography Methods 0.000 claims description 6
- 238000000608 laser ablation Methods 0.000 claims description 5
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 claims description 4
- 229910052727 yttrium Inorganic materials 0.000 claims description 4
- VWQVUPCCIRVNHF-UHFFFAOYSA-N yttrium atom Chemical compound [Y] VWQVUPCCIRVNHF-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 229910002076 stabilized zirconia Inorganic materials 0.000 claims description 3
- VEALVRVVWBQVSL-UHFFFAOYSA-N strontium titanate Chemical compound [Sr+2].[O-][Ti]([O-])=O VEALVRVVWBQVSL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N argon Substances [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 claims description 2
- -1 argon ions Chemical class 0.000 claims description 2
- 238000001020 plasma etching Methods 0.000 claims description 2
- 239000002296 pyrolytic carbon Substances 0.000 claims description 2
- 238000005507 spraying Methods 0.000 claims description 2
- 238000002207 thermal evaporation Methods 0.000 claims description 2
- 238000004377 microelectronic Methods 0.000 abstract description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 3
- 239000010408 film Substances 0.000 description 39
- 229910021521 yttrium barium copper oxide Inorganic materials 0.000 description 28
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 16
- 229910002367 SrTiO Inorganic materials 0.000 description 8
- 238000000992 sputter etching Methods 0.000 description 8
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 5
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 4
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 4
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 4
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 4
- 238000001459 lithography Methods 0.000 description 4
- KFZMGEQAYNKOFK-UHFFFAOYSA-N Isopropanol Chemical compound CC(C)O KFZMGEQAYNKOFK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- YXFVVABEGXRONW-UHFFFAOYSA-N Toluene Chemical compound CC1=CC=CC=C1 YXFVVABEGXRONW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 3
- 230000008569 process Effects 0.000 description 3
- 238000000137 annealing Methods 0.000 description 2
- 238000004630 atomic force microscopy Methods 0.000 description 2
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 2
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 2
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 description 2
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 2
- 230000003746 surface roughness Effects 0.000 description 2
- 229910018072 Al 2 O 3 Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000005668 Josephson effect Effects 0.000 description 1
- 238000002441 X-ray diffraction Methods 0.000 description 1
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 230000000903 blocking effect Effects 0.000 description 1
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 1
- 238000010894 electron beam technology Methods 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 230000004992 fission Effects 0.000 description 1
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 1
- 238000010884 ion-beam technique Methods 0.000 description 1
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 1
- 239000002122 magnetic nanoparticle Substances 0.000 description 1
- 238000005404 magnetometry Methods 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 238000000059 patterning Methods 0.000 description 1
- 238000005498 polishing Methods 0.000 description 1
- 239000007790 solid phase Substances 0.000 description 1
- 230000008719 thickening Effects 0.000 description 1
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 1
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 1
- 238000000844 transformation Methods 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Superconductor Devices And Manufacturing Methods Thereof (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к технологии микроэлектроники и может быть использовано при изготовлении электронных приборов, работа которых основана на сверхпроводимости и эффекте Джозефсона.The invention relates to microelectronics technology and can be used in the manufacture of electronic devices, the operation of which is based on superconductivity and the Josephson effect.
Тонкопленочные микроэлектронные устройства, работающие при температурах жидкого азота, используют так называемые высокотемпературные сверхпроводники (далее ВТСП). Эти вещества имеют высокую температуру перехода в сверхпроводящее состояние (от 40 К до 120 К), что дает возможность значительно расширить применение сверхпроводниковых приборов, в том числе и СКВИДов. Однако переход на азотные рабочие температуры встречает серьезные проблемы из-за специфических свойств ВТСП материалов, а также по причине увеличения уровня шума СКВИДов с ростом температуры.Thin-film microelectronic devices operating at liquid nitrogen temperatures use the so-called high-temperature superconductors (hereinafter referred to as HTSC). These substances have a high temperature of transition to the superconducting state (from 40 K to 120 K), which makes it possible to significantly expand the use of superconducting devices, including SQUIDs. However, the transition to nitrogen operating temperatures encounters serious problems due to the specific properties of HTSC materials, as well as due to an increase in the noise level of SQUIDs with increasing temperature.
Вследствие малой длины когерентности и высокой анизотропии свойств ВТСП материалов возникли трудности в создании джозефсоновских переходов на их основе. Высокую воспроизводимость результатов дает использование тонких эпитаксиальных ВТСП пленок, к которым относится, в частности, соединение YBa2Cu3O7-x, иногда указываемое как YBaCuO (далее YBCO). Они выращиваются на бикристаллических подложках, выполненных из двух сросшихся монокристаллов с повернутыми кристаллографическими осями. В этом случае слабая связь формируется по их границе. Ниже описаны некоторые технические решения, направленные на получение ВТСП пленок, которые могут быть использованы для создания джозефсоновских переходов и СКВИДов на их основе. Отметим, что для повышения предельной чувствительности ВТСП СКВИДов по магнитному потоку и для расширения диапазона их работы во внешних магнитных полях необходимо использование в них джозефсоновских переходов субмикронной ширины.Due to the short coherence length and high anisotropy of the properties of HTSC materials, difficulties arose in creating Josephson junctions based on them. High reproducibility of the results is provided by the use of thin epitaxial HTSC films, which include, in particular, the YBa 2 Cu 3 O 7-x compound, sometimes referred to as YBaCuO (hereinafter YBCO). They are grown on bicrystalline substrates made of two fused single crystals with rotated crystallographic axes. In this case, a weak bond is formed along their boundary. Some technical solutions aimed at producing HTSC films that can be used to create Josephson junctions and SQUIDs based on them are described below. Note that in order to increase the ultimate sensitivity of HTSC SQUIDs in magnetic flux and to expand the range of their work in external magnetic fields, it is necessary to use Josephson junctions of submicron width in them.
Для формирования YBCO джозефсоновских переходов с шириной от 2 мкм и более применяется стандартная хорошо отработанная технология с использованием фотолитографии и жидкостного травления ВТСП пленки (например, в слабом растворе HNO3). Однако данную методику нельзя использовать для воспроизводимого изготовления переходов субмикронной ширины. Одним из возможных вариантов изготовления субмикронных YBCO переходов является ионное травление ВТСП пленки через углеродную маску. Выбор именно ионного травления YBCO пленки обусловлен тем, что соединение YBCO является практически инертным ко всем известным на данный момент реактивным газам, используемым для плазмохимического травления.For the formation of YBCO Josephson junctions with a width of 2 μm or more, the standard well-developed technology is used using photolithography and liquid etching of an HTSC film (for example, in a weak solution of HNO 3 ). However, this technique cannot be used for reproducible fabrication of submicron width transitions. One of the possible manufacturing options for submicron YBCO junctions is the ion etching of an HTSC film through a carbon mask. The choice of ion etching of the YBCO film is due to the fact that the YBCO compound is practically inert to all currently known reactive gases used for plasma-chemical etching.
Известен способ формирования пленок YBCO, выращиваемых на подложках Al2O3, с использованием эпитаксиальных подслоев ZrO2, стабилизированного иттрием, MgO, SrTiO3 (DE 4213432, SCHMIDT, 1993). Однако сложность выполняемых процедур снижает воспроизводимость электрофизических параметров изготавливаемых структур.A known method of forming YBCO films grown on Al 2 O 3 substrates using yttrium stabilized ZrO 2 epitaxial sublayers, MgO, SrTiO 3 (DE 4213432, SCHMIDT, 1993). However, the complexity of the procedures performed reduces the reproducibility of the electrophysical parameters of the fabricated structures.
Описан способ формирования джозефсоновского перехода на подложке из SrTiO3 в области зерновой границы в пленке высокотемпературного сверхпроводника YBCO посредством создания двух сверхпроводящих областей с а- и с-ориентациями (JP 4318984, Kurosawa, 1992). Однако воспроизводимость электрофизических параметров таких структур не может быть высокой из-за низкой контролируемости роста данных областей.A method is described for the formation of the Josephson junction on a SrTiO 3 substrate in the region of the grain boundary in a film of a high-temperature superconductor YBCO by creating two superconducting regions with a and c orientations (JP 4318984, Kurosawa, 1992). However, the reproducibility of the electrophysical parameters of such structures cannot be high due to the low controllability of the growth of these areas.
Известен также способ изготовления пленок YBCO на подложках из MgO (RU 2055421 C1, Полищук, 1996). Выращивание проводится в вакуумной камере, оснащенной испарителями для YBCO и нагревателями подложек, в присутствии атомарного кислорода, который окисляет растущую пленку. По рекомендованным режимам получения атомарного кислорода в едином вакуумном цикле получены сверхпроводящие пленки YBCO с критической температурой свыше 70 К, однако этот способ не раскрывает особенностей формирования джозефсоновских переходов на их основе.There is also a known method of manufacturing YBCO films on MgO substrates (RU 2055421 C1, Polishchuk, 1996). Cultivation is carried out in a vacuum chamber equipped with evaporators for YBCO and substrate heaters, in the presence of atomic oxygen, which oxidizes the growing film. According to the recommended modes of producing atomic oxygen in a single vacuum cycle, YBCO superconducting films with a critical temperature of more than 70 K were obtained, however, this method does not reveal the features of the formation of Josephson junctions based on them.
Известен способ изготовления джозефсоновского перехода с использованием пленок YBCO на подложке из SrTiO3, в котором слабая связь формируется в зоне контакта двух сверхпроводящих пленок, между которыми методом ионного травления диэлектрической пленки сформирована ступенька (JP 7302935, IENSUUPEETAA et al., 1995). Однако использование дополнительного эпитаксиального диэлектрического слоя в процессе формирования таких структур может принципиально снизить воспроизводимость электрофизических параметров.A known method of manufacturing a Josephson junction using YBCO films on a substrate of SrTiO 3 in which a weak bond is formed in the contact zone of two superconducting films between which a step is formed by ion etching of a dielectric film (JP 7302935, IENSUUPEETAA et al., 1995). However, the use of an additional epitaxial dielectric layer during the formation of such structures can fundamentally reduce the reproducibility of electrophysical parameters.
Известен способ формирования мостиков в структурах YBCO/CeO2 методами стандартной фотолитографии и жидкостного химического травления (US 6242387, CUKAUSKAS, 2001). Однако после выполнения указанных технологических процедур наблюдалась существенная деградация в температуре перехода в сверхпроводящее состояние, в результате чего некоторые образцы становились несверхпроводящими. Во избежание ухудшения сверхпроводящих свойств проводилось механическое скрайбирование пленки с формированием мостиков шириной 1-2 мм, в которых измерялась температурная зависимость плотности критического тока вблизи температуры перехода в сверхпроводящее состояние. Однако указанный способ не затрагивает технологию формирования сверхпроводящих структур субмикронного масштаба.A known method of forming bridges in YBCO / CeO 2 structures by standard photolithography and liquid chemical etching (US 6242387, CUKAUSKAS, 2001). However, after performing the indicated technological procedures, a significant degradation was observed at the temperature of transition to the superconducting state, as a result of which some samples became non-superconducting. To avoid deterioration of the superconducting properties, a mechanical scribing of the film was carried out with the formation of bridges 1-2 mm wide, in which the temperature dependence of the critical current density was measured near the temperature of the transition to the superconducting state. However, this method does not affect the technology of forming superconducting structures of submicron scale.
Известен также способ формирования джозефсоновских переходов на ступеньке (US 6423473, SUNG GUN YONG, 2002). Он включает следующие операции: (а) изготовление ступеньки на подложке SrTiO3; (б) напыление тонкой пленки YBCO на подготовленную подложку; (в) формирование микромостика методами фотолитографии и ионного травления с последующим отжигом. Двухступенчатый процесс отжига проводится после формирования металлических электродов перехода, что позволяет улучшить характеристики джозефсоновских переходов такого типа. Однако воспроизводимость электрофизических параметров формируемых таким образом джозефсоновских переходов, как правило, ниже, чем в случае использования бикристаллических подложек.There is also a known method of forming Josephson junctions on a step (US 6423473, SUNG GUN YONG, 2002). It includes the following operations: (a) manufacturing a step on a SrTiO 3 substrate; (b) spraying a thin YBCO film onto a prepared substrate; (c) the formation of the microbridge by photolithography and ion etching with subsequent annealing. A two-stage annealing process is carried out after the formation of metal transition electrodes, which improves the characteristics of Josephson junctions of this type. However, the reproducibility of the electrophysical parameters of the Josephson junctions formed in this way is usually lower than in the case of using bicrystalline substrates.
Известен способ формирования пленок YBCO на монокристаллических подложках из SrTiO3 методом лазерной абляции (RU 2275714 C1, Югай и др., 27.04.2006). Мишень из поликристаллического образца YBCO распылялась с помощью лазера при давлении воздуха 0,1-0,2 торр и стабилизированной температуре 860°С. Для этой цели использовался импульсный лазер Nd:YAG с длиной волны излучения λ=1,06 мкм, длительностью импульса от 20 до 40 нс, с частотой повторения импульсов f=12 Гц, энергия в импульсе - от 40 до 200 мДж/имп. Однако это техническое решение не затрагивает процесса изготовления собственно СКВИДа, а, кроме того, при использовании длинноволнового излучения для абляции YBCO в осажденной пленке образуется больше капель, что уменьшает плотность критического тока такой пленки и, соответственно, плотность тока формируемых в ней джозефсоновских переходов.A known method of forming YBCO films on single crystal substrates of SrTiO 3 by laser ablation (RU 2275714 C1, Yugay and others, 04/27/2006). A target from a polycrystalline sample of YBCO was sprayed using a laser at an air pressure of 0.1-0.2 Torr and a stabilized temperature of 860 ° C. For this purpose, we used a Nd: YAG pulsed laser with a radiation wavelength λ = 1.06 μm, a pulse duration of 20 to 40 ns, a pulse repetition rate of f = 12 Hz, and the pulse energy from 40 to 200 mJ / pulse. However, this technical solution does not affect the manufacturing process of SQUID itself, and, in addition, when using long-wave radiation to ablate YBCO, more droplets are formed in the deposited film, which reduces the critical current density of such a film and, accordingly, the current density of Josephson junctions formed in it.
Известно использование реперов для позиционирования пленок ВТСП относительно линии бикристаллического шва в процессе формирования СКВИД (JP 6232464, HISAGAI et al., 1994).It is known to use benchmarks for positioning HTSC films relative to the bicrystal line in the process of SQUID formation (JP 6232464, HISAGAI et al., 1994).
Наиболее близким по совокупности признаков и назначению является способ изготовления СКВИДов с субмикронными джозефсоновскими переходами, использующий углеродные маски для получения в пленке YBCO субмикронных мостиков и джозефсоновских переходов с использованием вторичной электронной литографии и ионного травления (И.А.Волков и др. Радиотехника и электроника. 2001, т.46, №7, с.892-896 - ближайший аналог). Технологическая схема инвариантна по отношению к сверхпроводящим параметрам ВТСП пленки. Осаждение углеродных пленок на поверхность ВТСП является одним из наиболее важных этапов в разработанном технологическом процессе. Углерод является химически инертным по отношению к YBCO и обладает очень низкой скоростью ионного распыления, что является немаловажным, так как скорость ионного травления монокристаллической YBCO пленки также невысока, а, кроме того, углерод является безвредным элементом. Вольтамперные и шумовые характеристики джозефсоновских переходов приведены в последующих публикациях (I.Volkov, et al., Physica C, vol.372-376, pp.72-75, 2002; I.Volkov, et al, IEEE Transactions on Applied Superconductivity, vol.13, no.2, pp.861-864, 2003).The closest in combination of features and purpose is a method for manufacturing SQUIDs with submicron Josephson junctions, using carbon masks to obtain submicron bridges and Josephson junctions in YBCO film using secondary electronic lithography and ion etching (I.A. Volkov et al. Radio engineering and electronics. 2001, vol. 46, No. 7, p. 892-896 - the closest analogue). The technological scheme is invariant with respect to the superconducting parameters of the HTSC film. The deposition of carbon films on the surface of HTSC is one of the most important stages in the developed technological process. Carbon is chemically inert with respect to YBCO and has a very low ion sputtering rate, which is important, since the ion etching rate of a single-crystal YBCO film is also low, and, in addition, carbon is a harmless element. The current-voltage and noise characteristics of Josephson junctions are given in subsequent publications (I. Volkov, et al., Physica C, vol. 372-376, pp. 72-75, 2002; I. Volkov, et al, IEEE Transactions on Applied Superconductivity, vol .13, no.2, pp. 861-864, 2003).
Анализ аналогов и прототипа показывает, что основной трудностью в создании ВТСП СКВИДов является воспроизводимое изготовление субмикронных джозефсоновских переходов. Для обеспечения высокой чувствительности СКВИДов по магнитному потоку необходимо, чтобы два субмикронных перехода СКВИДа имели высокие несильно различающиеся значения плотности критического тока (jС~104 А/см2).The analysis of analogues and prototype shows that the main difficulty in creating HTSC SQUIDs is the reproducible fabrication of submicron Josephson junctions. To ensure high sensitivity of SQUIDs in magnetic flux, it is necessary that two submicron SQUID transitions have high slightly different critical current densities (j C ~ 10 4 A / cm 2 ).
Задачей настоящего изобретения является усовершенствование технологии изготовления субмикронных джозефсоновских переходов в пленках YBCO на бикристаллических подложках SrTiO3, который позволит повысить воспроизводимость и достичь более высоких значений электрофизических параметров формируемых переходов при реализации на одной подложке по меньшей мере двух СКВИДов, имеющих разные по площади приемные контуры. Такие элементы могут быть использованы в магнитометрии, в частности, для проведения релаксометрической и шумовой диагностики магнитных наночастиц.The objective of the present invention is to improve the manufacturing technology of submicron Josephson junctions in YBCO films on SrTiO 3 bicrystalline substrates, which will increase reproducibility and achieve higher values of the electrophysical parameters of the formed junctions when at least two SQUIDs with different receiving areas are implemented on one substrate. Such elements can be used in magnetometry, in particular, for carrying out relaxometric and noise diagnostics of magnetic nanoparticles.
Технический результат изобретения состоит в обеспечении долговременной стабильности сверхпроводящих свойств пленки ВТСП за счет оптимизации режимов осаждения слоев, экспозиции и травления масочных слоев при температурах, не превышающих температуру полиморфных превращений в ВТСП пленке.The technical result of the invention is to ensure long-term stability of the superconducting properties of the HTSC film by optimizing the deposition of layers, exposure and etching of the mask layers at temperatures not exceeding the temperature of polymorphic transformations in the HTSC film.
Технический результат обеспечивается тем, что способ изготовления СКВИДов с субмикронными джозефсоновскими переходами в пленке высокотемпературного сверхпроводника включает нанесение пленки высокотемпературного сверхпроводника YBa2Cu3О7-x на бикристаллическую подложку методом лазерной абляции, образование методами фотолитографии токоподводов, промежуточной топологии СКВИД и реперных шкал, размещаемых параллельно бикристаллической границе, последовательное нанесение слоев углерода, германия, позитивного электронного резиста и формирование электронной литографией основной топологии СКВИДов путем перемещения поля электронной экспозиции относительно реперных шкал, плазмохимическое травление в ВЧ-разряде с последовательным вскрытием окон в слоях германия и углерода и травление открытых участков пленки YBa2Cu3O7-x в пучке положительно заряженных ионов аргона с получением СКВИДов.The technical result is ensured by the fact that the method for manufacturing SQUIDs with submicron Josephson junctions in a high-temperature superconductor film involves applying a high-temperature superconductor YBa 2 Cu 3 O 7-x film to a bicrystal substrate by laser ablation, forming current leads, intermediate SQUID and reference scales by photolithography parallel to the bicrystal boundary, sequential deposition of carbon layers, germanium, a positive electron resist and ormirovanie electron lithography basic topology SQUIDs by moving the field of electronic exposure relative reference scales plasma etching in an RF discharge with successive opening of windows in the layers of germanium and carbon and etching the open areas of the film YBa 2 Cu 3 O 7-x in a beam of positively charged argon ions with receiving SQUIDs.
Способ характеризуется тем, что образуют по меньшей мере две промежуточные топологии СКВИД с различающимися внешними размерами контуров, реперные шкалы выполняют гребенчатыми, штыри которых гальванически связаны через перемычку с одним из токоподводов и основной массой, при этом одну из реперных шкал размещают между промежуточными топологиями, а остальные - снаружи их. Формирование основной топологии начинают с промежуточной топологии СКВИД, имеющей большую площадь, причем размер поля электронной экспозиции в направлении, перпендикулярном бикристаллической границе, устанавливают равным 0,4-0,6, а вдоль бикристаллической границы - 1,0-1,5 от ширины джозефсоновских переходов промежуточной топологии.The method is characterized in that at least two intermediate SQUID topologies are formed with different external sizes of the contours, the reference scales are made by comb, the pins of which are galvanically connected through a jumper with one of the current leads and the bulk, while one of the reference scales is placed between the intermediate topologies, and the rest are outside of them. The formation of the main topology begins with the intermediate SQUID topology, which has a large area, and the size of the electron exposure field in the direction perpendicular to the bicrystal border is set to 0.4-0.6, and along the bicrystal border, 1.0-1.5 of the width of the Josephson transitions of intermediate topology.
Способ может характеризоваться тем, что отношение внешних размеров прямоугольных контуров промежуточных топологий составляет 1:(4-6), а также тем, что используют подложки из титаната стронция или подложки из двуокиси циркония, стабилизированной иттрием.The method can be characterized in that the ratio of the external dimensions of the rectangular loops of the intermediate topologies is 1: (4-6), as well as the use of strontium titanate substrates or yttrium stabilized zirconia substrates.
Способ может характеризоваться и тем, что плазмохимическое травление слоя углерода в ВЧ-разряде проводят со скоростью не выше 1.4 нм/с и при давлении Р=(1-3)·10-3 мбар в атмосфере кислорода, а слоя германия - 0.4 нм/с и давлении Р=(2-4)·10-2 мбар в атмосфере CF4.The method can also be characterized by the fact that plasma-chemical etching of the carbon layer in the RF discharge is carried out at a speed of no higher than 1.4 nm / s and at a pressure of P = (1-3) · 10 -3 mbar in an oxygen atmosphere, and the germanium layer is 0.4 nm / s and pressure P = (2-4) · 10 -2 mbar in an atmosphere of CF 4 .
Способ может характеризоваться также тем, что распыление поликристаллической мишени YBa2Cu3O7-x проводят при плотности энергии лазерного излучения F=1,15-1,3 Дж/см2, давлении кислорода Р=0,18-0.22 мбар и температуре подложки Т=730-760°С.The method may also be characterized in that the sputtering of a polycrystalline target YBa 2 Cu 3 O 7-x is carried out at a laser energy density of F = 1.15-1.3 J / cm 2 , oxygen pressure P = 0.18-0.22 mbar and temperature substrate T = 730-760 ° C.
Способ может характеризоваться также и тем, что распыление мишени пиролитического углерода проводят при плотности энергии лазерного излучения F=14,5-15,5 Дж/см2, давлении не выше 1·10-6 мбар и температуре подложки Т=20-25°С.The method can also be characterized by the fact that the sputtering of the pyrolytic carbon target is carried out at a laser energy density of F = 14.5-15.5 J / cm 2 , a pressure of not higher than 1 · 10 -6 mbar and a substrate temperature T = 20-25 ° FROM.
Способ может характеризоваться и тем, что термическое осаждение германия проводят при давлении не выше 2·10-6 мбар со скоростью, не превышающей 1 Å/с.The method can be characterized by the fact that thermal deposition of germanium is carried out at a pressure of not higher than 2 · 10 -6 mbar with a speed not exceeding 1 Å / s.
Существо изобретения поясняется на чертежах, где:The invention is illustrated in the drawings, where:
на фиг.1 представлена промежуточная топология с двумя СКВИДами, имеющими разные по площади приемные контуры;figure 1 presents an intermediate topology with two SQUIDs having different in area receiving contours;
на фиг.2 показан принцип формирования субмикронных джозефсоновских переходов электронной экспозицией;figure 2 shows the principle of the formation of submicron Josephson junctions by electronic exposure;
на фиг.3 - структура масочных слоев и технологические этапы перед проведением электронной литографии.figure 3 - structure of the mask layers and process steps before electronic lithography.
Способ изготовления СКВИДов с субмикронными джозефсоновскими переходами в пленке высокотемпературного сверхпроводника предусматривает следующие технологические этапы.A method of manufacturing SQUIDs with submicron Josephson junctions in a film of a high-temperature superconductor involves the following process steps.
1. Нанесение пленки YBCO толщиной 200-250 нм на подложку 10 методом лазерной абляции с помощью эксимерного KrF лазера при температуре подложки Т=750°С. Использовались бикристаллические подложки SrTiO3, изготовленные методом твердофазного сращивания, имеющие симметричные бикристаллические границы с углом поворота (разориентации) 24°. Перед каждым напылением проводился контроль качества подложек: с помощью рентгеноструктурного анализа определялись углы кручения, вращения и поворота двух половинок бикристаллических подложек друг относительно друга, отклонения которых от требуемых значений не превышали 0.5°. Также анализировалась блочность подложек: максимальные углы разворота блоков составляли 0.5°. Для контроля шероховатости поверхности подложек применялся метод атомно-силовой микроскопии (АСМ). Средняя по подложке шероховатость поверхности после химико-механической полировки, как правило, составляла значения не более 5 нм. Возможно использовать бикристаллические подложки из двуокиси циркония, стабилизированной иттрием.1. Application of a YBCO film 200-250 nm thick on a
Для абляции поликристаллической YBCO мишени применялся эксимерный KrF лазер, генерирующий излучение на длине волны λ=248 нм. Напыление проводилось при плотности энергии лазерного излучения на мишени F=2 Дж/см2, давлении кислорода Р=0.2 мбар и температуре подложки Т=750°С. Толщина полученных пленок составляла около 200 нм, что соответствовало 4000 лазерным импульсам при площади сфокусированного лазерного пучка на мишени, равной 5 мм2. Типичные значения температуры ТС перехода в сверхпроводящее состояние и плотности jC критического тока YBCO пленок составляли значения 87÷89 К и 1.5÷2·106 А/см2, соответственно.To ablate a polycrystalline YBCO target, an excimer KrF laser was used, which generated radiation at a wavelength of λ = 248 nm. The deposition was carried out at a laser energy density of the target F = 2 J / cm 2 , oxygen pressure P = 0.2 mbar, and substrate temperature T = 750 ° C. The thickness of the obtained films was about 200 nm, which corresponded to 4000 laser pulses with an area of the focused laser beam on the target equal to 5 mm 2 . Typical values of the temperature T C of the transition to the superconducting state and the density j C of the critical current of YBCO films were 87–89 K and 1.5–2 · 10 6 A / cm 2 , respectively.
2. Затем на подложке 10 с нанесенной пленкой 11 YBCO, используя фотолитографию и жидкостное травление, формируют подводящие линии 14 с контактными площадками (не показаны) и две промежуточные топологии 16, 18, из которых в дальнейшем будут изготовлены основные топологии - рабочие СКВИД с субмикронными переходами (см. фиг.1). Размеры промежуточной топологии: d - размер внутреннего контура, D - размер внешнего контура.2. Then, on the
Структуры 16, 18 (см. фиг.1, 2) содержат джозефсоновские переходы 20 шириной 8 и длиной 10 мкм, соответственно, и реперные шкалы 22, 24, 26, каждая из которых имеет утолщение 27 на конце, противоположном штырям. Штыри имеют цену деления 2 мкм. Реперные шкалы 22-26 располагаются на линии 28 бикристаллической границы по обе стороны структур 16, 18 приемных контуров каждого из СКВИДов. Для исключения накопления заряда при экспонировании электронным лучом, понижающего контраст, штыри реперных шкал 22-26 гальванически связаны через перемычки с одним из токоподводов и основной массой. Поз.29 показана перемычка, связывающая реперную шкалу 24 с токоподводом 14. Положение границы 28 по указанным реперным шкалам диагностируется с точностью ±1 мкм с помощью просвечивающего оптического микроскопа. Размеры структур составляют: для топологии поз.16 - (40×250) мкм2, для топологии поз.18 - (40×80) мкм2.Structures 16, 18 (see FIGS. 1, 2) contain
3. Далее после формирования промежуточных структур 16, 18 на подложку 10 с образованным слоем 11 YBCO последовательно наносятся слои углерода 32, германия 34 и позитивного электронного резиста 36 (фиг.3).3. Then, after the formation of
Однородные углеродные пленки, используемые в качестве масок для ионного травления YBCO, наносились методом лазерной абляции графита. Внутри вакуумной камеры размещались мишень из пиролитического графита и YBCO пленки, выращенные на подложках SrTiO3, которые находились при комнатной температуре. В камере поддерживалось давление 10-6 мбар. Для абляции углерода использовался KrF лазер. Напыление углеродных пленок проводилось при плотности энергии лазерного излучения на поверхности мишени F=15 Дж/см2 и площади пятна фокусировки лазерного излучения, равной 3 мм2. Толщина углеродных пленок составляла 100 нм, что соответствовало 13000 лазерным импульсам. Подготовленная таким образом подложка со слоем YBCO устанавливалась на столик электронного микроскопа и проводилась электронная литография. При оценке точности совмещения субмикронного перехода со швом учитывается люфт (±1 мкм перпендикулярно шву) шагового двигателя. Минимальная длина субмикронного перехода, гарантирующая его попадание в шов, составляет 4 мкм.Homogeneous carbon films used as masks for YBCO ion etching were deposited by laser ablation of graphite. Pyrolytic graphite target and YBCO films grown on SrTiO 3 substrates that were at room temperature were placed inside the vacuum chamber. A pressure of 10 -6 mbar was maintained in the chamber. To ablate carbon, a KrF laser was used. The carbon films were sprayed at a laser radiation energy density on the target surface of F = 15 J / cm 2 and a laser spot focusing area of 3 mm 2 . The thickness of the carbon films was 100 nm, which corresponded to 13,000 laser pulses. A substrate prepared in this way with a YBCO layer was mounted on a stage of an electron microscope and electron lithography was performed. When assessing the accuracy of combining a submicron transition with a seam, the play (± 1 μm perpendicular to the seam) of the stepper motor is taken into account. The minimum length of the submicron transition, guaranteeing that it enters the seam, is 4 microns.
Совмещение поля электронной экспозиции происходит следующим образом (см. фиг.2). Сначала, используя растр электронного микроскопа размером 1×1 мм2, производится фокусировка на вспомогательную метку 27, переходящую в одну из реперных шкал. Затем, перемещая столик электронного микроскопа вдоль этой метки и подстраивая увеличение, производится фокусировка на требуемое место реперной шкалы. Далее по программе, при забланкированном луче, столик смещается на расстояние, равное длине отрезка между концом требуемого штыря или зазора реперной шкалы и центром одного из переходов 20. Выполняется экспонирование боковых участков одного из переходов СКВИДа: поле электронной экспозиции заштриховано и обозначено поз.30. Затем проводят смещение в центр второго перехода 20 этого же СКВИДа при забланкированном луче и экспонируются боковые участки второго перехода СКВИДа (принцип показан для промежуточной топологии 18). Аналогичная процедура проделывается с двумя переходами другого СКВИДа, используя другие реперные шкалы, также размещаемые по обе стороны топологии. Проявление электронного резиста выполняется в смеси изопропилового спирта с толуолом, в результате чего между областями экспонирования остается субмикронный мостик из резиста, служащий маской для шаблонирования нижележащих слоев.The combination of the field of electronic exposure is as follows (see figure 2). First, using a 1 × 1 mm 2 raster of an electron microscope, focusing is made on the auxiliary mark 27, which passes into one of the reference scales. Then, moving the stage of the electron microscope along this mark and adjusting the magnification, the focus is made on the desired location of the reference scale. Further according to the program, with the beam blocked, the table is shifted by a distance equal to the length of the segment between the end of the required pin or the clearance of the reference scale and the center of one of the
4. Далее методом реактивного химического травления в ВЧ-разряде CF4 через маску резиста формируется маска в слое Ge (фиг.3, в). Затем, используя метод реактивного химического травления в ВЧ-разряде кислорода, проводится формирование углеродной маски через германиевую (фиг.3, г). Процедура ионного травления ВТСП пленки через сформированную углеродную маску выполняется в пучке Ar+ ионов (фиг.3, д).4. Next, by reactive chemical etching in the CF 4 RF discharge, a mask is formed in the Ge layer through the resist mask (Fig. 3, c). Then, using the method of reactive chemical etching in the RF discharge of oxygen, the carbon mask is formed through a germanium mask (Fig. 3, g). The procedure of ion etching of an HTSC film through a formed carbon mask is performed in an Ar + ion beam (Fig. 3, e).
Конкретные режимы нанесения и обработки слоев при создании СКВИДов представлены в таблице 1, в которой используются следующие обозначения: F - плотность энергии лазерного излучения на мишени, Р - давление в камере, Т - температура подложки, ν - частота следования лазерных импульсов, η - скорость осаждения вещества на подложку, ξ - скорость травления слоя, Е - энергия ионов в пучке, J - плотность потока ионов в пучке, W - мощность разряда, ω - частота вращения центрифуги, t - время.The specific modes of deposition and processing of layers when creating SQUIDs are presented in Table 1, which uses the following notation: F is the energy density of laser radiation on the target, P is the pressure in the chamber, T is the substrate temperature, ν is the pulse repetition rate, η is the speed deposition of the substance on the substrate, ξ is the etching rate of the layer, E is the ion energy in the beam, J is the ion flux density in the beam, W is the discharge power, ω is the centrifuge speed, t is time.
В таблице 2 представлены электрофизические параметры СКВИДов, сформированных на одной бикристаллической подложке из титаната стронция с углом 24° разориентации кристаллической границы. Используются следующие обозначения: jС - плотность критического тока, VС - характеристическое напряжение джозефсоновских переходов, SФ 1/2 - величина эквивалентного шумового потока, SВ 1/2 - величина эквивалентного шумового поля; Ф0=2·10-15 Вб - квант магнитного потока.Table 2 presents the electrophysical parameters of SQUIDs formed on a single bicrystalline substrate of strontium titanate with an angle of 24 ° disorientation of the crystal boundary. The following notation is used: j C is the critical current density, V C is the characteristic voltage of the Josephson junctions, S Ф 1/2 is the equivalent noise stream, S B 1/2 is the equivalent noise field; Ф 0 = 2 · 10 -15 VB - magnetic flux quantum.
Эксперименты, проведенные на структурах, изготовленных по патентуемому способу, показали, что удается избежать сильной деградации свойств СКВИДов в процессе их формирования, что позволяет обеспечить стабильность свойств и достичь более высоких значений электрофизических параметров джозефсоновских переходов.The experiments conducted on the structures manufactured by the patented method showed that it is possible to avoid strong degradation of the properties of SQUIDs during their formation, which allows to ensure the stability of properties and to achieve higher values of the electrophysical parameters of Josephson junctions.
Claims (8)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2006134451/28A RU2325005C1 (en) | 2006-09-29 | 2006-09-29 | Method of squid formation with submicron josephson junctions mounted in high-temperature superconductor film |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2006134451/28A RU2325005C1 (en) | 2006-09-29 | 2006-09-29 | Method of squid formation with submicron josephson junctions mounted in high-temperature superconductor film |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2325005C1 true RU2325005C1 (en) | 2008-05-20 |
Family
ID=39798922
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2006134451/28A RU2325005C1 (en) | 2006-09-29 | 2006-09-29 | Method of squid formation with submicron josephson junctions mounted in high-temperature superconductor film |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2325005C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2555512C2 (en) * | 2013-11-13 | 2015-07-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Омский государственный университет им. Ф.М. Достоевского" | Independent self-cooled nanoinstrument and its formation method |
-
2006
- 2006-09-29 RU RU2006134451/28A patent/RU2325005C1/en active IP Right Revival
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| И.А.Волков и др., Радиотехника и электроника, 2001, т.46, № 7, стр.892-896. * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2555512C2 (en) * | 2013-11-13 | 2015-07-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Омский государственный университет им. Ф.М. Достоевского" | Independent self-cooled nanoinstrument and its formation method |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP3064306B2 (en) | Method of forming weakly coupled Josephson junction and superconducting device using the same | |
| KR20040032093A (en) | High Temperature Superconducting Josephson Junction, Superconducting Electronic Device Provided with The Former And Method of Manufacturing High Temperature Superconducting Josephson Junction | |
| JP3278638B2 (en) | High-temperature superconducting Josephson junction and method of manufacturing the same | |
| EP4123734B1 (en) | A high-temperature superconducting qubit and corresponding fabrication method | |
| EP0325765B1 (en) | Josephson device having a josephson junction structure suitable for an oxide superconductor | |
| RU2325005C1 (en) | Method of squid formation with submicron josephson junctions mounted in high-temperature superconductor film | |
| US20080146449A1 (en) | Electrical device and method of manufacturing same | |
| JPH0697522A (en) | Manufacture of thin film of super- conducting material | |
| EP0422641A2 (en) | Superconductor device | |
| Braginski | Fabrication of High-Temperature Squid Magnetometers: Correlations with Design and Performance | |
| JP2682136B2 (en) | Method of manufacturing Josephson device | |
| US5318950A (en) | Josephson device or junction and its production process | |
| Volkov et al. | Carbon masks for patterning of YBa/sub 2/Cu/sub 3/O/sub x/submicron Josephson junctions | |
| RU2107358C1 (en) | Process of manufacture of high-temperature superconducting josephson junction | |
| US5873985A (en) | Process of making squid device having tilt-boundary junction | |
| JP2899287B2 (en) | Josephson element | |
| Kim | The proximity effects in high temperature superconductor nano structures | |
| Leca et al. | MICROSTRUCTURAL AND ELECTRICAL TRANSPORT PROPERTIES OF RBa2Cu3O7–δ (R= Y, Pr) BASED THIN FILMS AND RAMP-TYPE JOSEPHSON JUNCTIONS | |
| JPH01208878A (en) | Superconducting device, superconducting wiring and manufacture thereof | |
| KR0139734B1 (en) | The fabrication method of josephson junction device | |
| Elkaseh et al. | Observation of Shapiro-steps in AFM-plough micron-size YBCO planar constrictions | |
| Eom et al. | Synthesis and characterization of superconducting thin films | |
| Ulrich et al. | Fabrication of Josephson junctions | |
| EP0557207A1 (en) | Josephson junction device of oxide superconductor and process for preparing the same | |
| JP3570418B2 (en) | Superconducting device |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20120930 |
|
| NF4A | Reinstatement of patent |
Effective date: 20131020 |
|
| PC43 | Official registration of the transfer of the exclusive right without contract for inventions |
Effective date: 20141126 |