Способ электроискрового формирования тонкопленочной втсп схемы

Изобретение относится к технологии криоэлектроники и может быть использовано при изготовлении высокотемпературных сверхпроводящих (ВТСП) схем. Техническим результатом изобретения является повышение качества ВТСП схем, увеличение их температурного рабочего диапазона, повышение удельного сопротивления ВТСП материала в нормальном состоянии путем введения ферромагнитной примеси в ВТСП пленку при электроискровой обработке отрицательными импульсами, мощность которых находится из заявленного соотношения. 4 ил.

 

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].

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.

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.

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]

$$T_{пл.}=\frac{P}{2\pi \lambda R}\exp \left(-\frac{\upsilon R}{2a}\right),\left(1\right)$$

где λ, а - теплопроводность, температуропроводность материала пленки;

Т_пл. - температура плавления.

В соответствии со сказанным можно записать:

$$P=2\pi \lambda R{T}_{пл.}\exp \left(\frac{\upsilon R}{2a}\right).\left(2\right)$$

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.

$$$$ $$\upsilon =\raisebox{1ex}{$2R$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$t_0$}\right..\left(3\right)$$

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. Тогда

$$$$ $$R=h_{пл.}+h_{п.}.\left(4\right)$$

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 случае

$$$$ $$j=j_{д}+j_{э}=-D{\displaystyle \int gradC-\sigma gradU,}\left(5\right)$$

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]

$$C_{xд}=C_{0}erfc\frac{x}{2\sqrt{Dt}},\left(6\right)$$

где С₀ - исходная концентрация примеси в подслое;

D - коэффициент диффузии в ВТСП пленке;

erfc - дополнительная функция ошибок.

В нашем случае можно записать:

$$\raisebox{1ex}{$C_{xд}$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$C_0$}\right.=erfc\frac{h_{пл.}}{2\sqrt{D{t}_{0д}}}=5\cdot {10}^{-2}.\left(7\right)$$

Найдем из таблиц аргумент функции ошибок

$$\mathrm{1,38}=\frac{h_{пл.}}{2\sqrt{D{t}_{0д}}}$$

или

$$t_{0д}=\frac{\mathrm{0,13}{h}_{пл}^2}{D},\left(8\right)$$

t_0д - время диффузионного прохождения частиц ферромагнетика через ВТСП пленку и создания необходимой их концентрации в пленке.

Скорость электропереноса может быть оценена из выражения [6]

$${\upsilon }_x=\frac{ZeD}{k{T}_{пл.}}E,\left(9\right)$$

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

$$t_{0э}={\raisebox{1ex}{$\mathrm{1,2}{h}_{пл.}$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$V$}\right.}_x\left(10\right)$$

или

$$t_{0э}=\frac{\mathrm{1,2}{h}_{пл.}k{T}_{пл.}}{ZeDE}.\left(11\right)$$

Времена t_0э и t_0д будут равными при условии

$$h_{пл.}=\mathrm{1,3}\cdot {10}^{-9}$$ м.

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

Из последнего соотношения следует, что в рассматриваемых условиях процессом диффузии j_д можно пренебречь и выражение (5) записать в виде

$$j\approx j_{э}=-\sigma gradU,\left(5*\right)$$

а $$t_0=t_{0э}$$ .

Выражение (2) может быть записано с учетом (3), (4) и (11)

$$P=2\pi \lambda R{T}_{пл.}\exp \left(\frac{\mathrm{0,83}ZeD{R}^2}{\alpha k{T}_{пл.}{h}_{пл.}}\right),\left(12\right)$$

где λ, α - теплопроводность, температуропроводность материала пленки;

h_пл. - толщина пленки;

Т_пл. - температура плавления материала пленки;

Ze - заряд иона ферромагнетика;

D - коэффициент диффузии ферромагнетика в пленке;

Е - напряженность электрического ноля;

k - постоянная Больцмана.

Таким образом, найдено выражение, связывающее характеристики пленки а, λ, Т_пл, D и параметры обработки Р, Е.

Время электроискровой обработки площади может быть найдено из соотношения (13) с учетом (11)

$$t=\frac{S{t}_{0э}}{S_0}=\frac{\mathrm{1,2}S{h}_{пл.}k{T}_{пл.}}{\pi R^{2}ZeDE}.\left(13\right)$$

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;

- большее удельное сопротивление пленки в нормальном состоянии, >1 Ом·см (сравн. 10^-3);

- 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.

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.

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.

Способ электроискрового формирования тонкопленочной ВТСП схемы, при котором на подложку наносят подслой и сверхпроводниковую пленку, которую впоследствии подвергают электроискровой обработке отрицательными импульсами, отличающийся тем, что подслой выполняют в виде рисунка из ферромагнитного материала, соответствующего рисунку несверхпроводящих областей схемы, а электроискровую обработку проводят импульсами, мощность которых находится из соотношения
$$P=2\pi \lambda R{T}_{пл}\exp \left(\frac{\mathrm{0,83}ZeD{R}^2}{\alpha k{T}_{пл}{h}_{пл}}\right),$$
а время обработки t находится из соотношения
$$t=\frac{\mathrm{1,2}S{h}_{пл}k{T}_{пл}}{\pi R^{2}ZeDE},$$
где λ, α - теплопроводность, температуропроводность ВТСП материала;
R=h_пл+h_п - толщина ВТСП пленки и подслоя;
Т_пл - температура плавления ВТСП материала;
Ze - заряд иона ферромагнита;
D - коэффициент диффузии в ВТСП;
Е - напряженность электрического поля;
S - площадь подслоя.