Способ изготовления высокотемпературного сверхпроводящего перехода джозефсона

 

Изобретение относится к криогенной микроэлектронике и может быть использовано при изготовлении электронных приборов и устройств, работа которых основана на сверхпроводимости и эффекте Джозефсона, с рабочей температурой вблизи температуры кипения жидкого азота и характеристиками, неуступающими характеристикам аналогов, работающих при температуре 4,2 K. Сущность: способ изготовления высокотемпературного сверхпроводящего перехода Джозефсона заключается в том, что биокристалл выращивают из расплава двойной затравки, состоящей из двух монокристаллических блоков, при этом их оси [001] направляют параллельно, а оси [100] и [010] ориентируют симметрично относительно друг друга на угол наклона 36,86^o или 28,07^o или 22,62^o, после чего монокристаллические блоки прижимают друг к другу отполированными поверхностями, затем двойную затравку, установленную в держателе с возможностью его вращения, помещают в камеру с атмосферой инертного газа или вакуумную камеру при температуре плавления кристаллизуемого материала, вводят двойную затравку в соприкосновение с расплавом, осуществляя одновременно вращение и поступательное перемещение двойной затравки и расплава со скоростью 5-6 мм/ч, производя последовательное наращивание кристалла на двойную затравку, из которого после его охлаждения вырезают бикристаллическую подложку, ориентированную по плоскости [001]. Бикристалл выращивают из титаната стронция, а бикристаллическую подложку вырезают из выращенного бикристалла, так, что плоскости ее поверхности параллельны оси роста бикристалла или перпендикулярны оси роста бикристалла, после чего последовательно осуществляют шлифование, химико-механическим полированием подложки, напыление на подложку высокотемпературной сверхпроводящей пленки, контактных площадок, затем осуществляют фотолитографию высокотемпературной сверхпроводящей пленки и ее травление. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к криогеннной микроэлектронике и может быть использовано при изготовлении электронных приборов и устройств, работа которых основана на сверхпроводимости и эффекте Джозефсона, с рабочей температурой вблизи температуры кипения жидкого азота и характеристиками, неуступающими характеристикам аналогов, работающих при температуре 4,2 K.

Известен способ изготовления высокотемпературного сверхпроводящего (ВТСП) перехода Джозефсона [1], который заключается в получении слабосвязанных зерновых граничных переходах Джозефсона в ВТСП пленках. Эти переходы надежно и репродуктивно формируются на однородных планарных подложках с помощью зернового слоя, расположенного между подложкой и сверхпроводящей пленкой. Пленка сверхпроводника выращивается поверх зерна и дезориентирована относительно остальной пленки на угол между 5^o и 90^o, образованная таким образом зернистая граница действует как высококачественный слабосвязанный переход для приборов на сверхпроводниках. Характеристики этих переходов улучшают за счет доведения буферных слоев между подложкой и сверхпроводящей пленкой.

Недостатком этого способа является значительная дефектность структуры бикристаллической границы пленки в области сформированного ВТСП перехода Джозефсона и, как следствие, обладает малым значением характеристического джозефсоновского напряжения V, низкой степенью их воспроизводимости, а также большим уровнем избыточных шумов типа 1/f, обусловленный флуктуациями критического тока в области перехода.

Известен способ изготовления тонкопленочного ВТСП СКВИД-магнитометра на бикристаллической подложке SrNiO₃ [2], который является наиболее близким к заявляемому способу изготовления ВТСП перехода Джозефсона по своему техническому решению. Известный способ заключается в том, что вначале из монокристаллических блоков титаната стронция SrTiO₃ изготавливается бикристалл. С этой целью монокристаллический слиток титаната стронция разрезают попалам по кристаллографическим плоскостям [100] . Затем задают угол среза, равный 18,43^o, выходя на атомной плоскости (130) и (). Поверхности блоков механически шлифуют и полируют. После этого блоки приводятся в контакт и по методу твердофазного сращивания изготавливают единый бикристалл. Из полученного таким образом бикристалла, у которого кристаллографические оси [100] и [010] разных его половин развернутой вокруг оси [001] на угол наклона 36,86^o друг относительно друга, нарезают бикристаллические подложки толщиной порядка 0,8 мм с ориентацией поверхности по атомным плоскостям (001). Поверхность подложек также механически шлифуется и полируется. При этом для эпитаксиального роста ВТСП пленки YBCO 1:2:3 осуществляют финишную химико-механическую полировку. Затем выращивают ВТСП пленку толщиной порядка 100-200 нм, наносят контактные площадки, применяют фотолитографию с последующим химическим травлением пленки для создания геометрии СКВИДа. Лазерной разрезкой подложка с пленкой разрезается на отдельно дискретные приборы.

Недостатками этого способа изготовления ВТСП перехода Джозефсона является то, что ВТСП переход Джозефсона обладает невысокой воспроизводимостью параметров; высоким значением частоты среза f_с шумов типа 1/f; невысоким характеристическим напряжением V_c = I_c·R, где I_c - критический ток, R - 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 разрезанием по магнитному полю.

Отмеченные недостатки. Уровень шумов 1/f и величина характеристического напряжения в сильной степени определяются качеством технологии сшивки бикристаллической границы. В известном решении методом твердофазного сращивания формируется бикристаллическая граница, разделяющая два монокристаллических блока с различной ориентацией кристаллических осей, которая при эпитаксиальном наращивании ВТСП пленки формирует в ней также бикристаллическую границу. При этом качество бикристаллической границы пленки (структурное совершенство, плоскостность и т.д.) полностью определяется границей подложки.

Общими существенными признаками заявляемого технического решения являются следующие: из двух монокристаллических блоков, поверхности которых ориентируют по атомным плоскостям (130) и (), механически полируют, осуществляют контакт, формируя кристалл, из которого вырезают бикристаллическую подложку, ориентированную по плоскости (001), после чего последовательно осуществляют шлифование, химико-механическое полирование подложки, напыление на подложку высокотемпературной сверхпроводящей пленки, контактных площадок, затем осуществляют фотолитографию высокотемпературной сверхпроводящей пленки и ее травление.

Отличительными существенными признаками являются следующие.

Бикристалл выращивают из расплава двойной затравки, состоящей из двух монокристаллических блоков, при этом их оси [001] направляют параллельно, а оси [100] и [010] ориентируют симметрично относительно друг друга на угол наклона 36,86^o или 28,07^o или 22,62^o, после чего монокристаллические блоки прижимают друг к другу отполированными поверхностями, затем двойную затравку, установленную в держателе с возможностью его вращения, помещают в камеру с атмосферой инертного газа или вакуумную камеру при температуре плавления кристаллического материала, вводят двойную затравку в соприкосновение с расплавом, осуществляя одновременно вращение и поступательное перемещение двойной затравки и расплава со скоростью 5-6 мм/ч, производя последовательное наращивание кристалла на двойную затравку, из которого после его охлаждения вырезают бикристаллическую подложку, ориентированную по плоскости (001).

Бикристалл выращивают из титаната стронция, а бикристаллическую подложку вырезают из выращенного бикристалла так, что плоскости ее поверхности параллельны оси роста бикристалла или перпендикулярны оси роста бикристалла.

Технический результат, который достигается при реализации этого способа, заключается в том, что формируемый ВТСП переход обладает высокими параметрами, хорошей степенью их воспроизводимости, низким значением частоты среза шумов типа 1/f, достаточно высоким значением характеристического напряжения V_c = I_c·R, где (I_c - критический ток, R - нормальное сопротивление): при T = 77 K и углах разориентации бикристалла вблизи 24 оно достигает значений 0,2 мВ, а значение f_c, близки к 10 Гц.

Электронные свойства перехода Джозефсона полностью определяются процессом рассеяния электронов на границе раздела. Поэтому наличие структурных дефектов границы, таких как: спектропустоты, 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 диффузное рассеяние электронов. Качество границы ВТСП пленки, ее структурное совершенство однозначно определяется границей подложки, структурные дефекты которой наследуются пленкой в процессе ее эпитаксиального наращивания. 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. ВТСП переходы, обладающие такими параметрами, позволяют создавать такие различные электронные устройства как, например, СКВИДы постоянного тока, СКВИД- магнитометры, имеющие сравнительно низкий уровень эквивалентных шумов по магнитному потоку и рекордно высокое разрешение по магнитному полю при T = 77 K.

На фиг. 1 схематически изображены монокристаллические блоки двойной затравки, закрепленные в держателе, выращенный бикристалл и подлодка, вырезаемая из бикристалла, где 1 - держатель, 2 - бикристалл, 3 - подложка; на фиг. 2 - вольтамперная характеристика ВТСП джозефсоновского перехода (T = 77 K) на выращенных бикристаллах SrTiO₃ с углом разориентации 36,86^o; на фиг. 3 - спектральная плотность мощности шума по магнитному потоку для СКВИДа постоянного тока (T = 77 K), изготовленного на основе тонкопленочных ВТСП джозефсоновских переходов на бикристаллической подложке SrTiO₃, выращенных методом зонной плавки.

Заявляемый способ изготовления ВТСП перехода Джозефсона заключается в следующем.

Изготавливают двойную затравку из кристалла титаната стронция (SrTiO₃) для ростовой установки URN-2-ZM (производство Московского Энергетического Университета) методом зонной плавки с радиационным нагревом. Вырезают кристаллическую пластину толщиной 1,5 мм с ориентацией поверхности по атомным плоскостям (130). Одна поверхность пластины механически шлифуется и полируется. Из пластины вырезают затравки шириной 1,5 мм и длиной 10 мм. Из вырезанных затравок собирают двойную затравку так, что углы между направлениями [100] и [010] составляли бы 36,86. Аналогично изготавливаются двойные затравки для ориентации поверхности (140) и (150) с углами наклона, равными 28,07^o и 22,62^o. Далее двойную затравку размерами 3х3х10 мм вставляют в платиновый держатель ростовой установки, которая имеет механизм вращения с регулируемой скоростью 150-250 об/мин. Держатель с двойной затравкой устанавливают в ростовую камеру с атмосферой инертного газа или вакуума. Предварительно из кристаллического порошка титаната стронция прессуют цилиндрической формы "штабик" и затачивают один из его концов на конус. "Штабик" устанавливается в держатель, имеющий механизмы вращения и линейного перемещения вдоль ее оси. Далее цилиндрический "штабик" перемещают в область зонной плавки, в зону также перемещается двойная затравка и приводят их в соприкосновение, повышают температуру в зоне до температуры плавления титаната стронция, в результате чего получают расплав титаната стронция на поверхности двойной затравки. Далее включают механизм поступательного перемещения затравки из спрессованного "штабика" через зону плавления, после чего начинается медленный процесс кристаллизации и рост бикристалла. Скорость кристаллизации определяется скоростью линейного перемещения и составляет 5-6 мм/ч. Обычно в установке URN-2-ZM кристаллизуют бикристаллические слитки длиной 2-3 см и диаметром до 16 мм.

Из выращенного слитка бикристалла титаната стронция вырезают подложки толщиной 0,8 мм с ориентацией поверхности (001). Одна из поверхностей механически шлифуется и полируется для удаления приповерхностного слоя. Окончательная обработка поверхности подложки производится химико-механической полировкой. В этом случае нарушенный слой практически отсутствует и на такую поверхность можно эпитаксиально наращивать тонкие кристаллические пленки.

Для изготовления структуры ВТСП джозефсоновского перехода на бикристаллическую подложку напылялась тонкая пленка YBa₂Cu₃O_7-x (YBCO 1:2:3). Толщина напыленной пленки составляет 100-200 нм.

Тонкая YBCO ВТСП пленка изготавливается методом двухлучевого лазерного испарения. В методе двухлучевого лазерного испарения применяют синхронизационные 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 1:2:3), приготовленных по стандартной технологии из смеси порошков оксидов элементов, образующих ВТСП керамику. Под действием излучения материал каждой из мишеней испаряется 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.

Затем на YBCO пленку через специальную накладную маску, которая плотно прижимается к поверхности, напылялись золотые контактные площадки, которые отжигались в той же камере, где происходило напыление ВТСП пленки. Предварительно поверхность ВТСП пленки очищалась в ВЧ разряде ионами аргона (установка Leybold L-560, мощность 150 Вт, давление 3·10 м Бар, время чистки 1-2 мин). Сопротивление полученных контактов в среднем составляло 0,2 Ом при T = 77 K.

Актуальность решаемой задачи и высокие технические характеристики ВТСП перехода Джозефсона обеспечивают промышленную применимость данного изобретения.

Формула изобретения

1. Способ изготовления высокотемпературного сверхпроводящего перехода Джозефсона, заключающийся в том, что из двух монокристаллических блоков формируют бикристалл, отличающийся тем, что бикристалл выращивают из расплава двойной затравки, состоящей из двух монокристаллических блоков, при этом их оси [001] направляют параллельно, а оси [100] и [010] ориентируют симметрично одна относительно другой на угол наклона 36,86, или 28,07, или 22,62^o, после чего монокристаллические блоки прижимают друг к другу отполированными поверхностями, затем двойную затравку, установленную в держателе с возможностью его вращения, помещают в камеру с атмосферой инертного газа или вакуумную камеру при температуре плавления кристаллизуемого материала, вводят двойную затравку в соприкосновение с расплавом, осуществляя одновременно вращение и поступательное перемещение двойной затравки и расплава со скоростью 5 6 мм/ч, производя последовательное наращивание кристалла на двойную затравку, из которого после его охлаждения вырезают бикристаллическую подложку, ориентированную по плоскости [001] после чего последовательно осуществляют шлифование, химико-механическое полирование подложки, напыление на подложку высокотемпературной сверхпроводящей пленки, контактных площадок, затем осуществляют фотолитографию высокотемпературной сверхпроводящей пленки и ее травление.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что бикристалл выращивают из титаната стронция.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что бикристаллическую подложку вырезают из выращенного бикристалла титаната стронция так, чтобы плоскости ее поверхности были параллельны оси роста бикристалла.

4. Способ по п.2, отличающийся тем, что бикристаллическую подложку вырезают из выращенного бикристалла титаната стронция так, чтобы плоскости ее поверхности были перпендикулярны оси роста бикристалла.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3