СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ СВЕРХПРОВОДЯЩЕЙ ТОНКОЙ ПЛЕНКИ, ИМЕЮЩЕЙ ОБЛАСТИ С РАЗЛИЧНЫМИ ЗНАЧЕНИЯМИ ПЛОТНОСТИ КРИТИЧЕСКОГО ТОКА
METHOD OF MAKING SUPERCONDUCTING THIN FILM WITH REGIONS WITH DIFFERENT VALUES OF CRITICAL CURRENT DENSITY

Изобретение относится к способам формирования в сверхпроводящих тонких пленках областей с требуемыми значениями плотности критического тока путем создания в материале пленки локальных участков напряжений. Необходимость создания в пленках областей с заданной плотностью критического тока обусловлена возможностью изготовления из этих пленок микромостиков, обладающих джозефсоновскими свойствами и используемых в высокочувствительных пленочных сквидах, которые находят применение в биомагнетизме, геофизике, сквид-микроскопии и т.д.
В настоящее время существуют различные способы структурирования сверхпроводящих тонких и сверхтонких пленок, которые используются для изготовления тонкопленочных сквидов и совмещенных с ними на одной подложке сверхпроводящих трансформаторов потока и сверхпроводящих пленарных градиометров первого и второго порядка.
c
c
c
3
2
5
2
6
2
Известен способ структурирования сверхпроводящих пленок путем варьирования толщины пленки (Патент РФ N 2 133525, МПК H01L 39/22). Результаты исследований механизма роста YBaCuO пленок и зависимости сверхпроводящих свойств пленки от ее толщины d показывают, что после преодоления порога перколяции существует некоторый интервал значений толщин, при котором плотность критического тока пленки меняется скачком почти на два порядка. При значениях d~10÷20 нм величина плотности критического тока J составляет порядка 10 А/см. При d>30 нм величина J>10 А/см и, при дальнейшем росте толщины, плотность тока выходит на насыщение (J>10 А/см). Таким образом, путем варьирования толщины пленки d можно задавать необходимую плотность критического тока. Основным недостатком данного способа является то, что совмещенные со сквидом на одной подложке сверхпроводящий трансформатор потока и петли градиометра также изготавливаются из сверхтонкой пленки, а следовательно, обладают низкими значениями плотности критического тока. Еще одним недостатком способа является то, что сверхтонкие пленки обладают слабой устойчивостью к воздействию окружающей среды и к термоциклированию в интервале температур 77÷300 К, что делает сквиды и магнитометры, изготовленные данным способом, недолговечными.
Известен способ структурирования сверхпроводящих пленок, названый авторами способом «контролируемой закалки», связанный с замораживанием механических напряжений в монокристаллической пленке при быстром охлаждении в постростовом режиме отжига (Патент РФ на изобретение N 2199796, МПК H01L 39/22. Способ создания слабых связей в системах на пленочных ВТСП-сквидах. Авторы Югай К.Н., Скутин А.А., Сычев С.А., Югай К.К., Муравьев А.Б., Канев Е.А., Серопян Г.М.). Основная идея использования этого способа заключалась в следующем: технологические параметры для выращивания пленок выбирались такими, при которых для обычного режима постростового остывания получается высококачественная монокристаллическая пленка. Варьированием скорости и времени охлаждения пленки можно организовать в пленке необходимую степень механических напряжений и, следовательно, необходимое значение плотности критического тока. В данном способе используется существенное влияние на физические свойства YBaCuO пленок таких параметров как рассогласование параметров кристаллических решеток материалов подложки и пленки, различие коэффициентов термического расширения материалов подложки и пленки, скорость встраивания кислорода в структуру сверхпроводящей пленки. При высоких скоростях охлаждения в монокристаллической пленке образуются домены напряжений, границы между которыми представляют сильнонапряженные участки, подавляющие, вследствие кулоновской блокады, ток куперовских пар, что и приводит к подавлению сверхпроводящих транспортных свойств пленки, в частности плотности критического тока. Основным недостатком данного способа структурирования пленки является то, что джозефсоновские микромостики, изготовленные из напряженных пленок, неустойчивы к релаксациям упругих напряжений, что делает нестабильным критический ток мостиков - со временем значение критического тока мостика релаксирует до высоких значений, что сопровождается понижением чувствительности сквида. Еще одним недостатком данного способа структурирования пленки является то, что выращиваемая сверхпроводящая пленка является напряженной по всей площади, а следовательно, совмещенные со сквидом на одной подложке сверхпроводящий трансформатор потока и петли градиометра также изготавливаются из напряженных участков пленки, что приводит к ухудшению их качества.
нап
Наиболее близким к заявляемому способу является способ структурирования сверхпроводящих пленок путем формирования периодических структур на ВТСП пленках с джозефсоновскими свойствами (Патент РФ N 2275714, МПК H01L 39/22), в котором, при выращивании сверхпроводящих пленок, одновременно в подложке со стороны, противоположной нанесению пленки, лазерным импульсом наносекундной длительности возбуждают акустическую волну ультразвукового диапазона длиной порядка 45÷90 мкм. В подложке образуются механические напряжения, которые определяют эпитаксиальный рост пленки с периодической структурой и джозефсоновскими свойствами, которые не имеют разориентированых кристаллитов и не подвергаются релаксации в процессе эксплуатации указанных систем при термоциклировании. Основным недостатком данного способа является то, что совмещенные планарно на одной подложке со сквидом сверхпроводящий трансформатор потока и петли градиометра изготавливаются из той же периодически структурированной пленки, а следовательно, обладают подавленными низкими значениями плотности критического тока. Еще одним недостатком способа является то, что период структуры (100 мкм) в десятки раз превосходит геометрические размеры джозефсоновских переходов (3 мкм), что значительно затрудняет изготовление сквидов. Кроме того, в описанном способе формирования периодических структур необходима сложная оптическая система, и особую технологическую трудность представляет использование зеркал, которые должны сохранять свои свойства при температуре напыления пленки Т=840-860°С. Существенным недостатком является так же и то, что подложка облучается с неполированной сильно шероховатой стороны. При этом, очевидно, будет происходить сильное рассеивание излучения и, как следствие, возникновение сложных дефектных структур. На наш взгляд необходим достаточно точный подбор дозы падающего на подложку лазерного излучения, что в описанном методе плохо контролируется и является сложной технологической проблемой.
Задачей изобретения является разработка способа формирования сверхпроводящих тонких пленок, имеющих области с различными требуемыми для изготовления элементов ВТСП приборов значениями плотности критического тока, обеспечивающего при упрощении технологии изготовления слабых связей повышение стабильности работы указанных элементов, надежность и воспроизводимость характеристик. Способ основан на создании механических напряжений в монокристаллической подложке, на которой выращивают тонкую сверхпроводящую пленку, в которой в процессе роста формируется поле механических напряжений для создания требуемых значений критического тока джозефсоновских переходов.
3
4
2
Указанный технический результат достигается тем, что перед нанесением пленки выбранный участок поверхности монокристаллической подложки облучают сфокусированным до заданных размеров участка импульсным лазерным излучением наносекундной длительности для организации в ней поля упругих напряжений. Исходя из требуемых геометрических размеров элементов сверхпроводниковой микроэлектроники, заявляемый способ позволяет обеспечить области облучения подложки размером 0,1-1 мм в диаметре. Впоследствии на облученной подложке методом лазерной абляции выращивают сверхпроводящую тонкую пленку, в которой формируются дополнительные упругие напряжения только в тех областях, которые расположены над облученными участками подложки. В этих областях плотность критического тока пленки подавляют до требуемых для изготовления джозефсоновских переходов значений (10-10 А/см), так как ее значение находится в прямой зависимости от степени упругих напряжений материала пленки, и в этой области изготавливают сверхпроводящие мостики с джозефсоновскими свойствами. Остальные области пленки остаются высококачественными монокристаллическими с высокими значениями плотности критического тока, что позволяет изготавливать из этих участков такие элементы криоэлектроники, совмещенные со сквидом, как сверхпроводящий трансформатор потока, градиометр первого порядка и др. Облучение подложки производится сфокусированным лазерным излучением без использования сложной оптической системы, облучению подвергается полированная рабочая сторона подложки, а процессы облучения подложки и последующего выращивания сверхпроводящей пленки разнесены.
Таким образом, по сравнению со способом формирования периодических структур, заявляемый способ обеспечивает упрощение технологии изготовления приборов при высокой стабильности работы. Проведенные авторами исследования показали, что механически напряженная объемная подложка устойчива к релаксационным процессам, что позволяет использовать ее многократно, а транспортные сверхпроводящие свойства пленок, выращенных на этих подложках, практически не меняются при длительном хранении и эксплуатации в нормальных условиях.
Напряжения в подложке образуются из-за воздействия на кристалл интенсивного лазерного излучения наносекундной длительности. Воздействие наносекундного лазерного излучения на чистые прозрачные диэлектрики приводит к нетепловому механизму оптического разрушения прозрачного диэлектрика. Механизм разрушения сводится к следующему: в фокальной области интенсивное лазерное излучение вызывает бурную ионизацию вещества, в результате чего возникает пространственно неоднородное облако горячих неравновесных электронов. Облако «раздувает» кристалл, приводя к образованию в нем сильных полей напряжений и даже к его разрушению. Более последовательное описание возникновения напряжений и разрушения кристалла учитывает потоки импульса и энергии, переносимые электронами из центральных областей фокального пятна к периферии. Рассеиваясь на примесях или дислокациях, такие потоки создают объемную плотность сил, деформирующих кристаллическую решетку. Если напряжения превысят предельно допустимые значения для данного материала, то образец разрушается.
3
3
2
3
4
2
Проведенные авторами заявляемого изобретения исследования показали, что при использовании в качестве подложек монокристаллических пластин LаАlO(100) или SrTiO(100) оптимальным является воздействие сфокусированным лазерным излучением с плотностью энергии в импульсе в диапазоне 0,6-0,7 Дж/см на полированную сторону подложки. При этом для формирования в пленке областей с регулируемой плотностью критического тока от 10 до 10 А/см выбирают энергию облучения подложки в диапазоне 500-1000 Дж и используют твердотельный импульсный лазер с длиной волны излучения 1,06 мкм, длительностью импульса 16 нc, с частотой повторения импульсов 10 Гц.
В дальнейшем, на облученную подложку напыляется тонкая сверхпроводящая пленка, в которой в процессе эпитаксиального роста создаются поля упругих напряжений над облученными участками подложки. Напыление и постростовый отжиг пленки проводится при технологических параметрах, которые позволяют выращивать высококачественные монокристаллические тонкие сверхпроводящие пленки [Югай К.Н., Муравьев А.Б., Серопян Г.М., Югай К.К., Скутин А.А. Макроструктура ВТСП YBCO пленок, выращенных методом лазерной абляции // ЖТФ. - 1998. - Т.68. - №2. - С.48-51]. Напыление сверхпроводящей тонкой пленки осуществляют с использованием твердотельного импульсного лазера и мишени из поликристаллической спеченной керамики YBaCuO.
Способ поясняется схемами установок, дифрактограммами и графиками, где на фиг.1 приведена схема установки для облучения диэлектрических подложек, на фиг.2 приведена схема установки для напыления сверхпроводящих тонких пленок, на фиг.3 и 4 - дифрактограммы необлученной и облученной подложек, на фиг.5 приведен график зависимости абсолютной деформации структуры подложки от дозы облучения, на фиг.6 приведен график зависимости плотности критического тока сверхпроводящей пленки от энергии облучения подложки, на фиг.7 приведен график зависимости плотности критического тока сверхпроводящей пленки от времени хранения.
2
2
Для осуществления способа использовалась экспериментальная установка для облучения диэлектрических подложек и последующего напыления на них тонких сверхпроводящих пленок. Схема установки для облучения диэлектрических подложек представлена на фиг.1 и содержит источник мощного импульсного наносекундного лазерного излучения 1, держатель 2 облучаемой подложки 3, оптическую систему 4 для фокусировки лазерного луча. В установке используется твердотельный импульсный лазер Nd:YAG с длиной волны излучения 1,06 мкм, длительностью импульса 16 нc, с частотой повторения импульсов 10 Гц. Плотность энергии излучения в импульсе на поверхности подложки составляла 0,6÷0,7 Дж/см. Авторами установлено, что значение плотности энергии 0,72 Дж/см является граничным, выше которого происходит поверхностный расплав материала используемой подложки, что подтверждается при исследовании облучаемой поверхности на высокоразрешающем атомно-силовом микроскопе. Лазерный луч по нормали падает на подложку 3, пройдя через фокусирующую оптическую систему 4. Фокусирующая оптическая система 4 обеспечивает возможность воздействия излучения на участок подложки размерами 0,1-1 мм в диаметре. Конструкция держателя 2 облучаемой подложки 3 позволяет перемещать регулировочными винтами подложку 3 относительно лазерного луча, в результате чего облучению подвергается заранее выбранный участок поверхности подложки 3, над которым впоследствии будут формироваться джозефсоновские переходы сквида. Затем облученная подложка 3 переносится в установку для напыления пленки методом лазерной абляции.
9
2
3
3
Схема установки для напыления сверхпроводящих пленок представлена на фиг.2 и содержит напылительную вакуумную камеру 5 с помещенной внутри нее цилиндрической кварцевой печью 6, в которой устанавливается распыляемая лазером 1 сверхпроводящая поликристаллическая мишень 7 при давлении воздуха в камере 0,5 торр и температуре 840°С. В установке используется твердотельный импульсный лазер Nd:YAG с длиной волны излучения 1,06 мкм, длительностью импульса 16 нc, с частотой повторения импульсов 10 Гц. Плотность мощности лазерного излучения на поверхности сверхпроводящей мишени составляет 1,2·10 Вт/см. Лазерный луч падает на мишень 7, пройдя через оптическую систему 8 и кварцевое окно 9 вакуумной камеры 5. Распыляемый материал мишени 7 осаждается на подложку 3, в результате чего на подложке 3 при указанных выше технологических параметрах напыления растет сверхпроводящая пленка YBaCuO. Пленка YBaCuO является по структуре монокристаллической по всей поверхности, за исключением тех участков, где она растет над предварительно облученными участками подложки 3. В качестве мишени 7 используют поликристаллическую спеченную керамику YBaCuO. В качестве подложек 3 используются монокристаллические пластины LaAlO(100) и SrTiO(100). Расстояние мишень-подложка составляет 3 см. Температура печи 6 контролируется термопарой 10.
Длительные наблюдения физических свойств пленок на протяжении нескольких месяцев показали, что плотность критического тока пленок не подвергается существенной релаксации в процессе хранения при нормальных условиях. Поверхность сверхпроводящих пленок исследовалась методами оптической и атомно-силовой микроскопии.
Кристаллическая структура облученных подложек исследовалась на дифрактометре ДРОН-3М. Исследования механических напряжений, возникающих в подложках под действием лазерного излучения, проводились в зависимости от дозы облучения, величина которого варьировалась от 100 до 1500 Дж.
Дифрактограмма необлученной подложки изображена на фиг.3, а характерная дифрактограмма облученной подложки изображена на фиг.4. На дифрактограммах представлены зависимости интенсивности I отраженного рентгеновского излучения от угла падения рентгеновского излучения 2Θ. Видно, что центр тяжести пика дифрактограммы облученной подложки смещен вправо по сравнению с пиком необлученной подложки, что свидетельствует об увеличении межплоскостного расстояния у облученной подложки.
На фиг.5 представлена зависимость абсолютной деформации структуры подложки от дозы облучения. Как видим из графика, абсолютная деформация достигает насыщения, и дальнейшее увеличение энергии облучения не приводит к ее росту. С увеличением дозы лазерного облучения подложки происходит монотонное уменьшение критического тока тонкой сверхпроводящей пленки, что позволяет получать напряженные сверхпроводящие пленки с требуемыми значениями критического тока.
На фиг.6 представлена зависимость плотности критического тока сверхпроводящей пленки от энергии облучения подложки. Как видно, плотность критического тока с увеличением дозы облучения монотонно падает. При дозе облучения более 500 Дж наблюдается более интенсивное падение плотности критического тока пленки, что позволяет в диапазоне энергий облучения 500÷1000 Дж получать сверхпроводящие тонкие пленки с требуемыми значениями плотности критического тока.
Исследования структуры облученных подложек на предмет устойчивости сформированных в них механических напряжений к релаксационным процессам показывают, что за длительные времена хранения параметры деформации меняются незначительно (не более чем на 0,2%). Соответствующие исследования релаксации плотности критического тока сверхпроводящей пленки, выращенной на напряженной подложке, представлены на фиг.7. Видно, что плотность критического тока пленки с течением времени меняется незначительно при хранении в нормальных условиях.