СПОСОБ ЭЛЕКТРОИСКРОВОГО ФОРМИРОВАНИЯ ТОНКОПЛЕНОЧНОЙ ВТСП СХЕМЫ
METHOD OF ELECTROSPARK FORMATION OF THIN-FILM HIGH TEMPERATURE SUPERCONDUCTING FILM OF SCHEME

Изобретение относится к технологии криоэлектроники и может быть использовано при изготовлении тонкопленочных сверхпроводящих схем.
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.
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].
-3
Недостатком этого способа является то, что изменение температуры перехода составляет единицы кельвин, а удельное сопротивление в нормальном состоянии остается малым (~10 Ом·см). Такая схема может работать в очень узком диапазоне температур (2-5 К) и сопротивление нормальных участков невелико.
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.
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.
пл
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. 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]
<mrow><msub><mi>T</mi><mrow><mi>п</mi><mi>л</mi><mo>.</mo></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mi>P</mi><mrow><mn>2</mn><mi>π</mi><mi>λ</mi><mi>R</mi></mrow></mfrac><mi>exp</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mo>−</mo><mfrac><mrow><mi>υ</mi><mi>R</mi></mrow><mrow><mn>2</mn><mi>a</mi></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
а
где λ,  - теплопроводность, температуропроводность материала пленки;
пл.
Т - температура плавления.
В соответствии со сказанным можно записать:
<mrow><mi>P</mi><mo>=</mo><mn>2</mn><mi>π</mi><mi>λ</mi><mi>R</mi><msub><mi>T</mi><mrow><mi>п</mi><mi>л</mi><mo>.</mo></mrow></msub><mi>exp</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><mi>υ</mi><mi>R</mi></mrow><mrow><mn>2</mn><mi>a</mi></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>.</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
0
Скорость движения теплового источника υ должна быть такова, чтобы обеспечивать время диффузии частиц подслоя t в ВТСП пленку с концентрацией не менее 2-5% на ее поверхности.
<mrow />
<mrow><mi>υ</mi><mo>=</mo><mfrac bevelled="true"><mrow><mn>2</mn><mi>R</mi></mrow><mrow><msub><mi>t</mi><mn>0</mn></msub></mrow></mfrac><mo>.</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>3</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
0
пл
п
2
В этом случае область ВТСП пленки площадью S=πR потеряет сверхпроводимость. Очевидно, что минимальная мощность необходима для прогрева толщины ВТСП пленки h и толщины подслоя h. Тогда
<mrow />
<mrow><mi>R</mi><mo>=</mo><msub><mi>h</mi><mrow><mi>п</mi><mi>л</mi><mo>.</mo></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>h</mi><mrow><mi>п</mi><mo>.</mo></mrow></msub><mo>.</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>4</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
д
э
Перенос частиц ферромагнетика протекает по двум параллельным механизмам: диффузии j и электродиффузии j. Очевидно, что можно записать выражение для суммарного потока диффузанта в общем случае
<mrow />
<mrow><mi>j</mi><mo>=</mo><msub><mi>j</mi><mi>д</mi></msub><mo>+</mo><msub><mi>j</mi><mi>э</mi></msub><mo>=</mo><mo>−</mo><mi>D</mi><mstyle displaystyle="true"><mrow><mo>∫</mo><mrow><mi>g</mi><mi>r</mi><mi>a</mi><mi>d</mi><mi>C</mi><mo>−</mo><mi>σ</mi><mi>g</mi><mi>r</mi><mi>a</mi><mi>d</mi><mi>U</mi><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext></mrow></mrow></mstyle><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>5</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
где D - коэффициент диффузии;
σ - коэффициент электропереноса ионов.
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]
<mrow><msub><mi>C</mi><mrow><mi>x</mi><mi>д</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>C</mi><mn>0</mn></msub><mi>e</mi><mi>r</mi><mi>f</mi><mi>c</mi><mfrac><mi>x</mi><mrow><mn>2</mn><msqrt><mrow><mi>D</mi><mi>t</mi></mrow></msqrt></mrow></mfrac><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>6</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
0
где С- исходная концентрация примеси в подслое;
D - коэффициент диффузии в ВТСП пленке;
erfc - дополнительная функция ошибок.
В нашем случае можно записать:
<mrow><mfrac bevelled="true"><mrow><msub><mi>C</mi><mrow><mi>x</mi><mi>д</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>C</mi><mn>0</mn></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><mi>e</mi><mi>r</mi><mi>f</mi><mi>c</mi><mfrac><mrow><msub><mi>h</mi><mrow><mi>п</mi><mi>л</mi><mo>.</mo></mrow></msub></mrow><mrow><mn>2</mn><msqrt><mrow><mi>D</mi><msub><mi>t</mi><mrow><mn>0</mn><mi>д</mi></mrow></msub></mrow></msqrt></mrow></mfrac><mo>=</mo><mn>5</mn><mo>⋅</mo><msup><mrow><mn>10</mn></mrow><mrow><mo>−</mo><mn>2</mn></mrow></msup><mo>.</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>7</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
Найдем из таблиц аргумент функции ошибок
<mrow><mn>1,38</mn><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>h</mi><mrow><mi>п</mi><mi>л</mi><mo>.</mo></mrow></msub></mrow><mrow><mn>2</mn><msqrt><mrow><mi>D</mi><msub><mi>t</mi><mrow><mn>0</mn><mi>д</mi></mrow></msub></mrow></msqrt></mrow></mfrac></mrow>
или
<mrow><msub><mi>t</mi><mrow><mn>0</mn><mi>д</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>0,13</mn><msubsup><mi>h</mi><mrow><mi>п</mi><mi>л</mi></mrow><mn>2</mn></msubsup></mrow><mi>D</mi></mfrac><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>8</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
0д
t - время диффузионного прохождения частиц ферромагнетика через ВТСП пленку и создания необходимой их концентрации в пленке.
Скорость электропереноса может быть оценена из выражения [6]
<mrow><msub><mi>υ</mi><mi>x</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>Z</mi><mi>e</mi><mi>D</mi></mrow><mrow><mi>k</mi><msub><mi>T</mi><mrow><mi>п</mi><mi>л</mi><mo>.</mo></mrow></msub></mrow></mfrac><mi>E</mi><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>9</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
Ze - заряд иона;
Е - напряженность электрического поля.
Время прохождения ионом ферромагнетика толщины ВТСП пленки и создания на ее поверхности необходимой концентрации примеси может быть определено из соотношения
<mrow><msub><mi>t</mi><mrow><mn>0</mn><mi>э</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mrow><mfrac bevelled="true"><mrow><mn>1,2</mn><msub><mi>h</mi><mrow><mi>п</mi><mi>л</mi><mo>.</mo></mrow></msub></mrow><mi>V</mi></mfrac></mrow><mi>x</mi></msub><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>10</mn></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
или
<mrow><msub><mi>t</mi><mrow><mn>0</mn><mi>э</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>1,2</mn><msub><mi>h</mi><mrow><mi>п</mi><mi>л</mi><mo>.</mo></mrow></msub><mi>k</mi><msub><mi>T</mi><mrow><mi>п</mi><mi>л</mi><mo>.</mo></mrow></msub></mrow><mrow><mi>Z</mi><mi>e</mi><mi>D</mi><mi>E</mi></mrow></mfrac><mo>.</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>11</mn></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
0э
0д
Времена t и t будут равными при условии
<mrow><msub><mi>h</mi><mrow><mi>п</mi><mi>л</mi><mo>.</mo></mrow></msub><mo>=</mo><mn>1,3</mn><mo>⋅</mo><msup><mrow><mn>10</mn></mrow><mrow><mo>−</mo><mn>9</mn></mrow></msup></mrow>
м.
пл.
<mrow><msub><mi>t</mi><mrow><mn>0</mn><mi>э</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>1,04</mn><mo>⋅</mo><msup><mrow><mn>10</mn></mrow><mrow><mo>−</mo><mn>15</mn></mrow></msup></mrow><mi>D</mi></mfrac><mo><</mo><mo><</mo><msub><mi>t</mi><mrow><mn>0</mn><mi>д</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>76,2</mn><mo>⋅</mo><msup><mrow><mn>10</mn></mrow><mrow><mo>−</mo><mn>15</mn></mrow></msup></mrow><mi>D</mi></mfrac></mrow>
На практике толщина ВТСП пленки имеет большую величину. Так, при h=0,1 мкм
д
Из последнего соотношения следует, что в рассматриваемых условиях процессом диффузии j можно пренебречь и выражение (5) записать в виде
<mrow><mi>j</mi><mo>≈</mo><msub><mi>j</mi><mi>э</mi></msub><mo>=</mo><mo>−</mo><mi>σ</mi><mi>g</mi><mi>r</mi><mi>a</mi><mi>d</mi><mi>U</mi><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>5</mn><mo>*</mo></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
<mrow><msub><mi>t</mi><mn>0</mn></msub><mo>=</mo><msub><mi>t</mi><mrow><mn>0</mn><mi>э</mi></mrow></msub></mrow>
а
.
Выражение (2) может быть записано с учетом (3), (4) и (11)
<mrow><mi>P</mi><mo>=</mo><mn>2</mn><mi>π</mi><mi>λ</mi><mi>R</mi><msub><mi>T</mi><mrow><mi>п</mi><mi>л</mi><mo>.</mo></mrow></msub><mi>exp</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><mn>0,83</mn><mi>Z</mi><mi>e</mi><mi>D</mi><msup><mi>R</mi><mn>2</mn></msup></mrow><mrow><mi>α</mi><mi>k</mi><msub><mi>T</mi><mrow><mi>п</mi><mi>л</mi><mo>.</mo></mrow></msub><msub><mi>h</mi><mrow><mi>п</mi><mi>л</mi><mo>.</mo></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>12</mn></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
где λ, α - теплопроводность, температуропроводность материала пленки;
пл.
h - толщина пленки;
пл.
Т- температура плавления материала пленки;
Ze - заряд иона ферромагнетика;
D - коэффициент диффузии ферромагнетика в пленке;
Е - напряженность электрического ноля;
k - постоянная Больцмана.
а
пл
Таким образом, найдено выражение, связывающее характеристики пленки , λ, Т, D и параметры обработки Р, Е.
Время электроискровой обработки площади может быть найдено из соотношения (13) с учетом (11)
<mrow><mi>t</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>S</mi><msub><mi>t</mi><mrow><mn>0</mn><mi>э</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>S</mi><mn>0</mn></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>1,2</mn><mi>S</mi><msub><mi>h</mi><mrow><mi>п</mi><mi>л</mi><mo>.</mo></mrow></msub><mi>k</mi><msub><mi>T</mi><mrow><mi>п</mi><mi>л</mi><mo>.</mo></mrow></msub></mrow><mrow><mi>π</mi><msup><mi>R</mi><mn>2</mn></msup><mi>Z</mi><mi>e</mi><mi>D</mi><mi>E</mi></mrow></mfrac><mo>.</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>13</mn></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
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».
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:
- больший диапазон рабочих температур ~20К;
-3
- большее удельное сопротивление пленки в нормальном состоянии, >1 Ом·см (сравн. 10);
- возможность формирования различных параметров ВТСП на отдельных участках;
- минимальная потребляемая мощность согласно соотношению (12).
Таким образом, иные в отличие от известных, свойств, присущие предложенному техническому решению, доказывают наличие существенных отличий, направленных на достижение технического результата.
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.
2
2
2
10
пл.
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 BiSrCaCuO 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 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.
Источники информации
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.
2. Пат. 233572(РФ) Способ формирования высокотемпературной сверхпроводящей схемы, 2008, БИ25.
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.
4. Мачулка Г.Л. Лазерная обработка стекла - М.: Сов. Радио, 1979, 136 с.
5. Новиков В.В. Теоретические основы микроэлектроники - М: В.Ш., 1972 - 352 с.
6. Химия. Справочное руководство. Пер. с нем. - л.: Химия, 1975, 576 с.