Способ электроискрового формирования тонкопленочной втсп схемы



Способ электроискрового формирования тонкопленочной втсп схемы
Способ электроискрового формирования тонкопленочной втсп схемы
Способ электроискрового формирования тонкопленочной втсп схемы
Способ электроискрового формирования тонкопленочной втсп схемы

 


Владельцы патента RU 2508576:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Поволжский государственный технологический университет (RU)

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 Тпл. 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 п л . = P 2 π λ R exp ( υ R 2 a ) , ( 1 )

где λ, а - теплопроводность, температуропроводность материала пленки;

Тпл. - температура плавления.

В соответствии со сказанным можно записать:

P = 2 π λ R T п л . exp ( 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.

υ = 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 hпл и толщины подслоя hп. Тогда

R = h п л . + h п . . ( 4 )

Перенос частиц ферромагнетика протекает по двум параллельным механизмам: диффузии jд и электродиффузии jэ. Очевидно, что можно записать выражение для суммарного потока диффузанта в общем случае

j = j д + j э = D g r a d C σ g r a d U , ( 5 )

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 x д = C 0 e r f c x 2 D t , ( 6 )

где С0 - исходная концентрация примеси в подслое;

D - коэффициент диффузии в ВТСП пленке;

erfc - дополнительная функция ошибок.

В нашем случае можно записать:

C x д C 0 = e r f c h п л . 2 D t 0 д = 5 10 2 . ( 7 )

Найдем из таблиц аргумент функции ошибок

1,38 = h п л . 2 D t 0 д

или

t 0 д = 0,13 h п л 2 D , ( 8 )

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

Скорость электропереноса может быть оценена из выражения [6]

υ x = Z e D k T п л . E , ( 9 )

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 0 э = 1,2 h п л . V x ( 10 )

или

t 0 э = 1,2 h п л . k T п л . Z e D E . ( 11 )

Времена t и t будут равными при условии

h п л . = 1,3 10 9 м.

На практике толщина ВТСП пленки имеет большую величину. Так, при hпл.=0,1 мкм t 0 э = 1,04 10 15 D < < t 0 д = 76,2 10 15 D

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

j j э = σ g r a d U , ( 5 * )

а t 0 = t 0 э .

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

P = 2 π λ R T п л . exp ( 0,83 Z e D R 2 α k T п л . h п л . ) , ( 12 )

где λ, α - теплопроводность, температуропроводность материала пленки;

hпл. - толщина пленки;

Тпл. - 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, Тпл, D и параметры обработки Р, Е.

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

t = S t 0 э S 0 = 1,2 S h п л . k T п л . 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».

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 Тпл. 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 π λ R T п л exp ( 0,83 Z e D R 2 α k T п л h п л ) ,
а время обработки t находится из соотношения
t = 1,2 S h п л k T п л π R 2 Z e D E ,
где λ, α - теплопроводность, температуропроводность ВТСП материала;
R=hпл+hп - толщина ВТСП пленки и подслоя;
Тпл - температура плавления ВТСП материала;
Ze - заряд иона ферромагнита;
D - коэффициент диффузии в ВТСП;
Е - напряженность электрического поля;
S - площадь подслоя.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к сборке из металлических элементов, составляющей заготовки для сверхпроводника. Сборка содержит, по меньшей мере, один проводниковый элемент, адаптированный для обеспечения сверхпроводящей нити в конечном сверхпроводнике, и по меньшей мере один легирующий элемент, обеспечивающий источник легирования для легирования проводникового элемента, и источник олова.

Изобретение относится к области высокотемпературной сверхпроводимости и может использоваться для изготовления ленточных высокотемпературных сверхпроводников второго поколения.

Изобретение относится к электричеству, к электрофизике и теплопроводности материалов, к явлению нулевого электрического сопротивления, т.е. к гиперпроводимости, и нулевого теплового сопротивления, т.е.

Изобретение относится к технологии изготовления тонкопленочных высокотемпературных сверхпроводящих материалов, в частности к изготовлению подложек для этих материалов.
Изобретение относится к технологии изготовления тонкопленочных высокотемпературных сверхпроводящих материалов и может быть использовано при промышленном производстве длинномерных сверхпроводящих лент для создания токопроводящих кабелей, токоограничителей, обмоток мощных электромагнитов, электродвигателей и т.д.

Изобретение относится к области сверхпроводимости и нанотехнологий, а именно к способу получения и обработки композитных материалов на основе высокотемпературных сверхпроводников (BTCП), которые могут быть использованы в устройствах передачи электроэнергии, для создания токоограничителей, трансформаторов, мощных магнитных систем.

Изобретение относится к области получения сверхпроводящих соединений и изготовления нанопроводников и приборов на их основе, что может быть использовано в электротехнической, радиотехнической, медицинской и других отраслях промышленности, в частности для оптического тестирования интегральных микросхем, исследования излучения квантовых точек и в системах квантовой криптографии.

Изобретение относится к способам формирования методом лазерного напыления нанопленок сложного металлооксидного соединения состава YВа2Сu3O7-х (YBCO) повышенной проводимости и может быть использовано при создании элементов наноэлектроники.

Изобретение относится к устройствам для высокотемпературного осаждения сверхпроводящих слоев на подложках в форме ленты с использованием импульсного лазера и может быть использовано в электротехнической промышленности.

Изобретение относится к области сверхпроводниковой микроэлектроники, в частности к изготовлению сверхпроводниковых туннельных переходов, джозефсоновских переходов, структур типа сверхпроводник-изолятор-сверхпроводник (СИС), структур сверхпроводник-изолятор-нормальный металл (СИН), болометров на холодных электронах.

Изобретение относится к способам формирования методом лазерного напыления сверхпроводящих пленок. Изобретение обеспечивает получение на золотом буферном подслое сверхпроводящих пленок с высокими токонесущими свойствами, обеспечивающими значения плотности сверхпроводящего критического тока не ниже 105 А/см2. В способе формирования YBa2Cu3O7-x пленок с высокой токонесущей способностью на золотом буферном подслое золотая контактная площадка формируется на диэлектрической подложке перед нанесением пленок YBa2Cu3O7-x на диэлектрической подложке. Для распылении мишеней из золота и керамики YBa2Cu3O7 используется лазер с длиной волны излучения 1,06 мкм, длительностью импульса 10÷20 нс и частотой повторения импульсов 10 Гц, плотностью мощности лазерного излучения (5÷7)·108 Вт/см2, при этом предварительно нагревается мишень из золота и подложка до температуры T=450-500°C, устанавливается давление 0,1÷0,5 Па, после этого распыляется мишень из золота на подложку через маску, расположенную на расстоянии 0,3÷0,5 мм от подложки, затем нагревается мишень YBa2Cu3O7 до T=600÷700°C, нагревается подложка до температуры 800÷840°C, устанавливается давление 50-100 Па, и распыляется мишень YBa2Cu3O7 на сформированные контактные площадки до толщины 50 -200 нм с образованием пленок с критической температурой сверхпроводящего перехода Tc=88-89 K, шириной сверхпроводящего перехода ΔTc= 2÷3 K, плотностью критического тока Jc>105 А/см2. 6 ил.

Изобретение относится к формированию на диэлектрических подложках золотых контактных площадок к пленкам YBa2Cu3O7-х. Изобретение обеспечивает получение качественных золотых контактных площадок к сверхпроводящим пленкам. В способе формирования на диэлектрической подложке контактных площадок к пленкам YBa2Cu3O7-х контактные площадки формируют перед напылением пленок YBa2Cu3O7-х на диэлектрической подложке, для чего производится нагрев мишени и подложки до температуры 450-500°C, напыление контактной площадки из золота производится методом лазерного распыления мишени из золота твердотельным импульсным лазером с длиной волны излучения 1,06 мкм, длительностью импульса 10-20 нс и частотой повторения импульсов 10 Гц, плотностью мощности лазерного излучения (5-7)·108 Вт/см2. Диэлектрическая подложка устанавливается на расстоянии 4-6 мм от золотой мишени рабочей поверхностью к мишени при давлении в вакуумной камере 0,1-0,5 Па. 2 ил.

Изобретение относится к способам формирования сверхпроводящих пленок с двух сторон диэлектрических подложек. Изобретение обеспечивает создание однородных по толщине сверхпроводящих пленок с двух сторон подложки в одном технологическом цикле. В способе формирования сверхпроводящих пленочных структур из материала YBaCuO с двух сторон подложки методом лазерной абляции вращение подложки осуществляют так, что каждая сторона подложки поочередно обращена к мишени YBa2Cu3О7 в течение времени 5÷7 секунд, при расстоянии до мишени 25÷30 мм. Данный способ позволяет формировать сверхпроводящие пленки YBaCuO как полностью однородные по толщине, так и с необходимым распределением толщины по поверхности подложки. 1 ил.

Использование: для получения высокотемпературных сверхпроводников и изготовления высокочувствительных приемников электромагнитного излучения. Сущность изобретения заключается в том, что способ включает в себя формирование пленки из высокотемпературного сверхпроводящего материала, который представляет собой монофазный текстурированный сверхпроводник состава (Bi,Pb)2Sr2Ca2Cu3O10, на диэлектрической подложке методом магнетронного распыления из мишени, изготовление чувствительного элемента, антенны и подводящих линий выполняется в едином процессе на одном слое образованной пленки ВТСП (Bi,Pb)2Sr2Ca2Cu3O10. Технический результат: обеспечение возможности повышения рабочей температуры детектора терагерцевого излучения и расширения частотного диапазона приемной антенны, увеличение надежности прибора.

Изобретение относится к способам формирования методом лазерного напыления сверхпроводящих ультратонких пленок сложного металлооксидного соединения состава YBa2Cu3O7-x путем оптимизации параметров лазерного излучения и условий постростового отжига в напылительной камере. Изобретение обеспечивает получение ультратонких сверхпроводящих пленок толщиной 12-25 нм с неровностью поверхности в пределах 1-2 нм. В способе формирования сверхпроводящей ультратонкой пленки YBa2Cu3O7-x на диэлектрических подложках на керамическую мишень YBa2Cu3O7-x воздействуют лазерным излучением плотностью мощности 3·108÷5·108 Вт/см2, длиной волны 1,06 мкм, длительностью импульса 10-20 нс и частотой следования импульсов 10 Гц в течение времени 15÷30 с при давлении 50÷100 Па, при температуре мишени 600÷700°С, температуре подложки 800-840°С, в результате формируют сверхпроводящую пленку толщиной 12-25 нм, после чего в диапазоне температур 840-780°С производят отжиг пленки со скоростью остывания 4°С/мин, в диапазоне температур 780-700°С - со скоростью остывания 10°С/мин, в диапазоне температур 700-400°С - со скоростью остывания 15°С/мин, в диапазоне температур 400-20°С - со скоростью остывания 19°С/мин. 2 ил.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к получению сверхпроводящего материала в виде покрытия, и может быть использовано при изготовлении экранов электронных схем от воздействия электромагнитного и ионизирующего излучений в энергетике, транспорте, связи, приборостроении, в ракетной и аэрокосмической отраслях промышленности. Способ получения сверхпроводящего покрытия включает подачу в плазмотрон порошка материала покрытия фракцией 80-150 мкм, его нагрев до температуры плавления в прикатодной высокотемпературной области плазменной струи и напыление на подложку с предварительно нанесенным на ее поверхность изоляционным слоем. При напылении плазменную струю с напыляемым порошком SmBa2Cu3O7 на всей дистанции напыления охватывают коаксиальным цилиндрическим потоком кислорода, а подложку охлаждают теплоносителем, при этом путем регулирования расхода кислорода и скорости взаимного перемещения плазменной струи и подложки обеспечивают температуру в пятне напыления 940-980°С. Сокращается время процесса получения сверхпроводящего материала с сохранением структуры и стехиометрии исходного спеченного материала. 4 ил.

Использование: для изготовления сверхпроводниковых туннельных или джозефсоновских переходов. Сущность изобретения заключается в том, что способ изготовления сверхпроводящих наноэлементов с туннельными или джозефсоновскими переходами включает формирование нанопроводов из веществ, обладающих сверхпроводящими свойствами, и преобразование их в несверхпроводящие в выбранных разделительных участках заданной ширины за счет селективного изменения атомного состава путем воздействия пучком ускоренных частиц через защитную маску с заданным рельефом. Технический результат: обеспечение возможности повышения производительности. 8 з.п. ф-лы, 2 ил.

Использование: для изготовления провода, кабеля, намотки и катушки. Сущность изобретения заключается в том, что высокотемпературный сверхпроводящий ленточный провод с гибкой металлической подложкой содержит по меньшей мере один промежуточный слой, который расположен на гибкой металлической подложке, и который на стороне, противоположной гибкой металлической подложке, содержит террасы, причем средняя ширина террас меньше 1 мкм, а средняя высота террас больше 20 нм, и который содержит по меньшей мере один расположенный на промежуточном слое высокотемпературный сверхпроводящий слой, который расположен на по меньшей мере одном промежуточном слое и имеет толщину слоя более 3 мкм, причем допустимая токовая нагрузка высокотемпературного сверхпроводящего ленточного провода, отнесенная к ширине провода, при 77 K превышает 600 А/см. Технический результат: обеспечение возможности создания ВТС-провода с большой предельно допустимой токовой нагрузкой. 9 з.п. ф-лы, 9 ил., 2 табл.

Изобретение относиться к способам формирования самоохлаждаемых автономных приборов и элементов электроники, которые могут эффективно работать без использования технологии жидкого азота, и другой криогенной техники. Способ формирования самоохлаждаемого автономного наноприбора заключается в том, что на подложке из монокристаллического материала с сформированным с одной стороны СКВИД-приемником на обратной стороне размещают устройство для поглощения тепла, которое содержит катод и анод, имеющие различную энергию Ферми электронов. Затем подложку через отверстие для монтажа заключают в вакуумную оболочку из ситалла, содержащую контактные электроды для двух сторон подложки. После этого отверстие для монтажа подложки закрывают крышкой из ситалла. Размещают данное устройство в вакуумной камере, в которой располагают также мишень из ситалла. Откачивают до давления 10-1 Па, нагревают мишень и крышку из ситалла до температуры 450÷500°С. Затем лазером с длиной волны излучения 1,06 мкм, длительностью импульса 10-20 нс и частотой повторения импульсов 10 Гц, плотностью мощности 5·108÷8·108 Вт/см2 распыляют мишень из ситалла, находящуюся на расстоянии 8÷10 мм от крышки из ситалла в течение 10 минут. Изобретение обеспечивает создание такой конструкции СКВИДа (сверхпроводящего квантового интерференционного датчика), в которой исключены: деградация сверхпроводящих свойств в воздушной среде, зависимость достижения рабочей температуры от использования жидкого азота или других внешних криогенных установок с большими габаритами. 1 ил.

Изобретение относится к пленкам с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС-пленки). Способ улучшения рабочих характеристик пленки с чрезвычайно низким сопротивлением, содержащей материал с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС-материал), имеющий кристаллическую структуру, включает: наслаивание модифицирующего материала на грань ЧНС-материала, которая не является по существу параллельной с-плоскости кристаллической структуры ЧНС-материала ЧНС-пленки, чтобы создать модифицированную ЧНС-пленку, при этом модифицированная ЧНС-пленка обладает улучшенными рабочими характеристиками по сравнению с ЧНС-пленкой без модифицирующего материала. Изобретение обеспечивает получение ЧНС пленок с улучшенными рабочими характеристиками. 3 н. и 35 з.п. ф-лы, 46 ил.
Наверх