RU2508576C1

RU2508576C1 - Method of electrospark formation of thin-film high temperature superconducting film of scheme

Info

Publication number: RU2508576C1
Application number: RU2012132158/28A
Authority: RU
Inventors: Владимир Николаевич Игумнов; Андрей Романович Буев; Александр Викторович Леухин; Игорь Леонидович Сабанцев
Priority date: 2012-07-26
Filing date: 2012-07-26
Publication date: 2014-02-27
Also published as: RU2012132158A

Abstract

FIELD: electricity.

SUBSTANCE: method is performed by introduction of tramp iron to high temperature superconducting film under electrospark machining by negative impulses which power is determined by the specified relation.

EFFECT: improving quality of high temperature superconductive schemes, increasing their temperature operating range, increasing electrical resistivity of high-temperature superconductive material in normal state.

4 dwg

Description

Изобретение относится к технологии криоэлектроники и может быть использовано при изготовлении тонкопленочных сверхпроводящих схем.The invention relates to cryoelectronics technology and can be used in the manufacture of thin-film superconducting circuits.

Известны способы формирования тонкопленочных высокотемпературных сверхпроводящих (ВТСП) схем, где изолирующие области выполняются путем механического, лазерного и т.д. удаления материала пленки [1]. Эти способы требуют сложного позиционирующего и управляющего оборудования.Known methods for forming thin-film high-temperature superconducting (HTSC) circuits, where the insulating region is performed by mechanical, laser, etc. removal of film material [1]. These methods require sophisticated positioning and control equipment.

Наиболее близким техническим решением является способ формирования тонкопленочной высокотемпературной сверхпроводящей схемы, при котором изменение свойств участков ВТСП пленки осуществляют путем их обработки отрицательными искровыми импульсами. В результате обработки происходит диффузия материала подслоя в ВТСП и критическая температура ВТСП повышается [2].The closest technical solution is the method of forming a thin-film high-temperature superconducting circuit, in which the properties of the HTSC sections of the film are changed by processing them with negative spark pulses. As a result of processing, the sublayer material diffuses into the HTSC and the critical temperature of the HTSC increases [2].

Недостатком этого способа является то, что изменение температуры перехода составляет единицы кельвин, а удельное сопротивление в нормальном состоянии остается малым (~10^-3 Ом·см). Такая схема может работать в очень узком диапазоне температур (2-5 К) и сопротивление нормальных участков невелико.The disadvantage of this method is that the change in the transition temperature is units of kelvin, and the resistivity in the normal state remains small (~ 10 ^-3 Ohm · cm). Such a circuit can operate in a very narrow temperature range (2-5 K) and the resistance of normal sections is small.

Техническим результатом изобретения является повышение качества схем: увеличения их рабочего температурного диапазона, увеличение удельного сопротивления ВТСП материала в нормальном состоянии путем внедрения ферромагнитной примеси из материала пленки - подслоя в ВТСП пленку под действием ее обработки отрицательными искровыми импульсами. Указанный технический результат достигается тем, что на изолирующую подложку наносят пленочный рисунок, содержащий ферромагнитный материал (Fe, Ni и др.) и соответствующий несверхпроводящим областям схемы. Затем наносят ВТСП пленку, которую потом обрабатывают искровыми разрядами.The technical result of the invention is to improve the quality of circuits: increasing their operating temperature range, increasing the resistivity of HTSC material in a normal state by introducing ferromagnetic impurities from the film material — a sublayer into the HTSC film under the influence of its processing by negative spark pulses. The specified technical result is achieved by the fact that a film pattern is applied to the insulating substrate, containing ferromagnetic material (Fe, Ni, etc.) and corresponding to non-superconducting regions of the circuit. Then a HTSC film is applied, which is then treated with spark discharges.

При сканировании искровым разрядом участков ВТСП пленки над ферромагнитным рисунком положительные ионы ферромагнетика внедряются в ВТСП материал вследствие диффузии и электродиффузии. Известно, что даже небольшая концентрация ферромагнетика (2-5%) подавляет сверхпроводимость, поэтому в ВТСП пленке будут сформированы несверхпроводящие участки, т.е. пленочная схема.When a portion of the HTSC film is scanned by a spark discharge over a ferromagnetic pattern, positive ferromagnet ions are introduced into the HTSC material due to diffusion and electrodiffusion. It is known that even a small concentration of a ferromagnet (2-5%) suppresses superconductivity, therefore, nonsuperconducting regions will be formed in the HTSC film, i.e. film scheme.

Параметры искровой обработки выбирают исходя из следующих соображений. Мощность разряда искры должна обеспечивать условия для диффузии частиц подслоя с максимальной скоростью в ВТСП материал, что обеспечивается при температуре плавления подслоя Т_пл. Поскольку источник тепла в данном случае можно считать точечным поверхностным, зона расплава имеет радиус R. При определении мощности источника Р можно использовать выражение для источника энергии, движущегося со скоростью υ [4, с.39]The spark processing parameters are selected based on the following considerations. The spark discharge power should provide conditions for the diffusion of sublayer particles with a maximum speed in the HTSC material, which is ensured at the melting temperature of the sublayer T _pl . Since the heat source in this case can be considered a point surface, the melt zone has a radius R. When determining the power of the source P, you can use the expression for the energy source moving at a speed υ [4, p. 39]

$T_{п л .} = \frac{P}{2 π λ R} \exp (- \frac{υ R}{2 a}), (1)$

T_{P l .} = \frac{P}{2 π λ R} \exp (- \frac{υ R}{2 a}), (one)

где λ, а - теплопроводность, температуропроводность материала пленки;where λ, a is the thermal conductivity, thermal diffusivity of the film material;

Т_пл. - температура плавления.T _pl. - melting temperature.

В соответствии со сказанным можно записать:In accordance with the above, you can write:

$P = 2 π λ R T_{п л .} \exp (\frac{υ R}{2 a}) . (2)$

P = 2 π λ R T_{P l .} \exp (\frac{υ R}{2 a}) . (2)

Скорость движения теплового источника υ должна быть такова, чтобы обеспечивать время диффузии частиц подслоя t₀ в ВТСП пленку с концентрацией не менее 2-5% на ее поверхности.The velocity of the heat source υ should be such as to ensure the diffusion time of the particles of the sublayer t ₀ in the HTSC film with a concentration of at least 2-5% on its surface.

υ = \frac{2 R}{t_{0}} . (3)

В этом случае область ВТСП пленки площадью S₀=πR² потеряет сверхпроводимость. Очевидно, что минимальная мощность необходима для прогрева толщины ВТСП пленки h_пл и толщины подслоя h_п. ТогдаIn this case, the HTSC region of the film with an area of S ₀ = πR ² will lose superconductivity. Obviously, the minimum power is necessary for heating the thickness of the HTSC film h _PL and the thickness of the sublayer h _p . Then

R = h_{P l .} + h_{P .} . (four)

Перенос частиц ферромагнетика протекает по двум параллельным механизмам: диффузии j_д и электродиффузии j_э. Очевидно, что можно записать выражение для суммарного потока диффузанта в общем случаеThe transfer of particles of a ferromagnet proceeds according to two parallel mechanisms: diffusion j _d and electrodiffusion j _e . Obviously, we can write the expression for the total diffusant flow in the general case

j = j_{d} + j_{uh} = - D \int g r a d C - σ g r a d U, (5)

где D - коэффициент диффузии;where D is the diffusion coefficient;

σ - коэффициент электропереноса ионов.σ is the ion transport coefficient.

В зависимости от условий протекания процессов, соотношения между слагаемыми (5) может быть различно. Оценим это соотношение. Для случая и конечного источника можно записать выражение для концентрации примеси на поверхности ВТСП пленки [5]Depending on the conditions of the processes, the relationship between the terms (5) can be different. We estimate this ratio. For the case and the final source, we can write the expression for the impurity concentration on the surface of the HTSC film [5]

$C_{x д} = C_{0} e r f c \frac{x}{2 \sqrt{D t}}, (6)$

C_{x d} = C_{0} e r f c \frac{x}{2 \sqrt{D t}}, (6)

где С₀- исходная концентрация примеси в подслое;where C ₀ is the initial concentration of the impurity in the sublayer;

D - коэффициент диффузии в ВТСП пленке;D is the diffusion coefficient in the HTSC film;

erfc - дополнительная функция ошибок.erfc is an optional error function.

В нашем случае можно записать:In our case, you can write:

$\frac{C_{x д}}{C_{0}} = e r f c \frac{h_{п л .}}{2 \sqrt{D t_{0 д}}} = 5 \cdot 10^{- 2} . (7)$

\frac{C_{x d}}{C_{0}} = e r f c \frac{h_{P l .}}{2 \sqrt{D t_{0 d}}} = 5 \cdot 10^{- 2} . (7)

Найдем из таблиц аргумент функции ошибокWe find from the tables the argument of the error function

$1,38 = \frac{h_{п л .}}{2 \sqrt{D t_{0 д}}}$

1.38 = \frac{h_{P l .}}{2 \sqrt{D t_{0 d}}}

илиor

$t_{0 д} = \frac{0,13 h_{п л}^{2}}{D}, (8)$

t_{0 d} = \frac{0.13 h_{P l}^{2}}{D}, (8)

t_0д - время диффузионного прохождения частиц ферромагнетика через ВТСП пленку и создания необходимой их концентрации в пленке.t _0d is the time of diffusion passage of the particles of the ferromagnet through the HTSC film and the creation of their necessary concentration in the film.

Скорость электропереноса может быть оценена из выражения [6]The speed of electric transport can be estimated from the expression [6]

$υ_{x} = \frac{Z e D}{k T_{п л .}} E, (9)$

υ_{x} = \frac{Z e D}{k T_{P l .}} E, (9)

Ze - заряд иона;Ze is the ion charge;

Е - напряженность электрического поля.E is the electric field strength.

Время прохождения ионом ферромагнетика толщины ВТСП пленки и создания на ее поверхности необходимой концентрации примеси может быть определено из соотношенияThe transit time of the thickness of the HTSC film by the ferromagnet ion and the creation of the necessary impurity concentration on its surface can be determined from the relation

$t_{0 э} = {\frac{1,2 h_{п л .}}{V}}_{x} (10)$

t_{0 uh} = {\frac{1,2 h_{P l .}}{V}}_{x} (10)

илиor

$t_{0 э} = \frac{1,2 h_{п л .} k T_{п л .}}{Z e D E} . (11)$

t_{0 uh} = \frac{1,2 h_{P l .} k T_{P l .}}{Z e D E} . (eleven)

Времена t_0э и t_0д будут равными при условииTimes t _0e and t _0d will be equal provided

$h_{п л .} = 1,3 \cdot 10^{- 9}$

м.

h_{P l .} = 1.3 \cdot 10^{- 9}

m

На практике толщина ВТСП пленки имеет большую величину. Так, при h_пл.=0,1 мкм $t_{0 э} = \frac{1,04 \cdot 10^{- 15}}{D} < < t_{0 д} = \frac{76,2 \cdot 10^{- 15}}{D}$

In practice, the thickness of an HTSC film is large. So, at h _pl. = 0.1 μm

t_{0 uh} = \frac{1,04 \cdot 10^{- fifteen}}{D} < < t_{0 d} = \frac{76,2 \cdot 10^{- fifteen}}{D}

Из последнего соотношения следует, что в рассматриваемых условиях процессом диффузии j_д можно пренебречь и выражение (5) записать в видеFrom the last relation it follows that under the considered conditions the diffusion process j _d can be neglected and expression (5) can be written as

$j \approx j_{э} = - σ g r a d U, (5 *)$

j \approx j_{uh} = - σ g r a d U, (5 *)

а $t_{0} = t_{0 э}$

.but

t_{0} = t_{0 uh}

.

Выражение (2) может быть записано с учетом (3), (4) и (11)Expression (2) can be written taking into account (3), (4) and (11)

$P = 2 π λ R T_{п л .} \exp (\frac{0,83 Z e D R^{2}}{α k T_{п л .} h_{п л .}}), (12)$

P = 2 π λ R T_{P l .} \exp (\frac{0.83 Z e D R^{2}}{α k T_{P l .} h_{P l .}}), (12)

где λ, α - теплопроводность, температуропроводность материала пленки;where λ, α - thermal conductivity, thermal diffusivity of the film material;

h_пл. - толщина пленки;h _square - film thickness;

Т_пл.- температура плавления материала пленки;T _pl. - the melting temperature of the film material;

Ze - заряд иона ферромагнетика;Ze is the charge of a ferromagnet ion;

D - коэффициент диффузии ферромагнетика в пленке;D is the diffusion coefficient of the ferromagnet in the film;

Е - напряженность электрического ноля;E - electric zero voltage;

k - постоянная Больцмана.k is the Boltzmann constant.

Таким образом, найдено выражение, связывающее характеристики пленки а, λ, Т_пл, D и параметры обработки Р, Е.Thus, an expression was found that relates the characteristics of the film a , λ, T _pl , D and processing parameters P, E.

Время электроискровой обработки площади может быть найдено из соотношения (13) с учетом (11)The time of electric-spark processing of the area can be found from relation (13) taking into account (11)

$t = \frac{S t_{0 э}}{S_{0}} = \frac{1,2 S h_{п л .} k T_{п л .}}{π R^{2} Z e D E} . (13)$

t = \frac{S t_{0 uh}}{S_{0}} = \frac{1,2 S h_{P l .} k T_{P l .}}{π R^{2} Z e D E} . (13)

Сопоставительный анализ признаков, изложенных в предложенном техническом решении с признаками прототипа показывает, что заявленный способ электроискрового формирования тонкопленочной ВТСП схемы отличается от прототипа, тем, что на подложку наносят подслой в виде пленочного рисунка несверхпроводящих областей содержащего ферромагнетик, а электроискровую обработку проводят импульсами, мощность которых находится из соотношения (12), а время из соотношения (13). Все это говорит о соответствии технического решения критерию «новизна».A comparative analysis of the features set forth in the proposed technical solution with the features of the prototype shows that the claimed method for the electrospark formation of a thin-film HTSC circuit differs from the prototype in that a sublayer is applied to the substrate in the form of a film pattern of non-superconducting regions containing a ferromagnet, and the spark treatment is carried out by pulses whose power is is found from relation (12), and time from relation (13). All this indicates that the technical solution meets the criterion of "novelty."

Сравнение заявляемого технического решения в данной области показало, что способ электроискрового формирования тонкопленочной ВТСП I схемы, когда наносят рисунок, соответствующий несверхпроводящим областям схемы, содержащий ферромагнетик, а затем подвергают электроискровой обработке импульсами, мощность и время которых зависит от характеристик пленки. Кроме того, совокупность существенных признаков вместе с ограничительными позволяет обнаружить у заявляемого решения иные, в отличие от известных свойств, к числу которых можно отнести следующие:Comparison of the claimed technical solution in this area showed that the method of electrospark formation of a thin-film HTSC I circuit, when applying a pattern corresponding to non-superconducting regions of the circuit containing a ferromagnet, and then subjected to electrospark processing by pulses, the power and time of which depends on the characteristics of the film. In addition, the combination of essential features, along with restrictive ones, allows one to detect other, in contrast to known properties, among the claimed solutions, which may include the following:

- больший диапазон рабочих температур ~20К;- a larger range of operating temperatures ~ 20K;

- большее удельное сопротивление пленки в нормальном состоянии, >1 Ом·см (сравн. 10^-3);- greater resistivity of the film in the normal state,> 1 Ohm · cm (cf. 10 ^-3 );

- возможность формирования различных параметров ВТСП на отдельных участках;- the possibility of forming various parameters of HTSC in certain areas;

- минимальная потребляемая мощность согласно соотношению (12).- minimum power consumption according to relation (12).

Таким образом, иные в отличие от известных, свойств, присущие предложенному техническому решению, доказывают наличие существенных отличий, направленных на достижение технического результата.Thus, other, in contrast to the known, properties inherent in the proposed technical solution, prove the presence of significant differences aimed at achieving a technical result.

На фиг.1 представлена ВТСП схема переключатель; на фиг.2 показан участок схемы в разрезе; на фиг.3 представлен участок ВТСП схемы иод действием разряда; на фиг.4 показан Зона схемы электроискровой обработки.Figure 1 shows the HTSC switch circuit; figure 2 shows a section of the circuit in the context; figure 3 presents a portion of the HTSC circuit iodine discharge action; figure 4 shows the area of the circuit of spark processing.

Способ электроискрового формирования тонкопленочной ВТСП схемы реализуется следующим образом, на подложку 1 из поликора (фиг.1) размерами 1×20×20 мм наносим подслой 2-тонкую пленку из никеля. Пленка подслоя из меди габаритные размеры 18×18 мм; толщиной 0,2 мкм. Затем наносится ВТСП пленка из Bi₂Sr₂CaCu₂O₁₀ толщиной 0,2 мкм (16×16 мм). Подложку 1 помещают на электрод 4, соединенный с положительным выводом высоковольтного источника 5 (фиг.4). Игольчатый электрод 6 соединенный с отрицательным выходом источника 5 установленном на расстоянии 1 мм от пленки при включении источника между ВТСП и электродом возникает искровой разряд 8, который повышает температуру в зоне радиуса R до Т_пл. и приводит к электродиффузии никеля в ВТСП пленку. В соответствии параметрами системы и согласно (12) мощность выбиралась в пределах 90-100 мВт. Время обработки согласно (13) составило 125 с. Критическая температура ВТСП после обработки не более 60К. Диапазон рабочих температур не ниже 25К. Удельное сопротивление ВТСП материала составило не менее 1 Ом·см. Таким образом, использование предлагаемого способа позволяет достигнуть технического результата.The method of electrospark formation of a thin-film HTSC circuit is implemented as follows, on a substrate 1 of polycor (Fig. 1) with dimensions 1 × 20 × 20 mm, we apply a sublayer 2-thin film of nickel. Copper sublayer film overall dimensions 18 × 18 mm; 0.2 microns thick. Then a HTSC film of Bi ₂ Sr ₂ CaCu ₂ O ₁₀ is applied, 0.2 μm thick (16 × 16 mm). The substrate 1 is placed on the electrode 4 connected to the positive terminal of the high voltage source 5 (figure 4). The needle electrode 6 connected to the negative output of the source 5 installed at a distance of 1 mm from the film when the source is switched on between the HTSC and the electrode spark discharge 8 occurs, which raises the temperature in the zone of radius R to T _pl. and leads to electrodiffusion of nickel in the HTSC film. In accordance with the system parameters and according to (12), the power was selected in the range of 90-100 mW. The treatment time according to (13) was 125 s. The critical temperature of HTSC after processing is not more than 60K. Operating temperature range not lower than 25K. The specific resistance of the HTSC material was at least 1 Ohm · cm. Thus, the use of the proposed method allows to achieve a technical result.

Источники информацииInformation sources

1. Гершензон М.Е. Тарасов М.А. Высокотемпературные сверхпроводники и приборы на их основе Итоги науки и техники. Электроника М.: ВИНИТИ, 1990, т. 28, с.38-75.1. Gershenzon M.E. Tarasov M.A. High-temperature superconductors and devices based on them. Results of science and technology. Electronics M .: VINITI, 1990, v. 28, p. 38-75.

2. Пат. 233572(РФ) Способ формирования высокотемпературной сверхпроводящей схемы, 2008, БИ25.2. Pat. 233572 (RF) A method for forming a high-temperature superconducting circuit, 2008, BI25.

3. Еремина К.А. Олейников Н.Н. Нефедов В.И. и др. Физико-химические особенности процессов, способствующих деградации высокотемпературных сверхпроводников ВХО, 1989, №4, с.528-536.3. Eremina K.A. Oleinikov N.N. Nefedov V.I. and other Physico-chemical features of processes that contribute to the degradation of high-temperature superconductors ВХО, 1989, No. 4, p. 528-536.

4. Мачулка Г.Л. Лазерная обработка стекла - М.: Сов. Радио, 1979, 136 с.4. Machulka G.L. Laser processing of glass - M .: Sov. Radio, 1979, 136 pp.

5. Новиков В.В. Теоретические основы микроэлектроники - М: В.Ш., 1972 - 352 с.5. Novikov VV Theoretical Foundations of Microelectronics - M: V.Sh., 1972 - 352 p.

6. Химия. Справочное руководство. Пер. с нем. - л.: Химия, 1975, 576 с.6. Chemistry. Reference guide. Per. with him. - L .: Chemistry, 1975, 576 p.

Claims

The method of electrospark formation of a thin-film HTSC circuit, in which a sublayer and a superconductor film are applied to the substrate, which is subsequently subjected to electrospark treatment with negative pulses, characterized in that the sublayer is made in the form of a pattern of ferromagnetic material corresponding to the pattern of non-superconducting regions of the circuit, and the spark treatment is carried out by pulses, whose power is found from the ratio

P = 2 π λ R T_{P l} \exp (\frac{0.83 Z e D R^{2}}{α k T_{P l} h_{P l}}),

and the processing time t is found from the relation

t = \frac{1,2 S h_{P l} k T_{P l}}{π R^{2} Z e D E},

where λ, α - thermal conductivity, thermal diffusivity of HTSC material;
R = h _PL + h _p - the thickness of the HTSC film and the sublayer;
T _PL - the melting point of the HTSC material;
Ze is the charge of a ferromagnet ion;
D is the diffusion coefficient in HTSC;
E is the electric field strength;
S is the area of the sublayer.