Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ КОНТАКТНЫХ ПЛОЩАДОК К YBACUO ПЛЕНКАМ

Изобретение относится к способам формирования методом лазерного напыления на диэлектрических подложках золотых контактных площадок к пленкам YBa₂Cu₃O_7-х (YBCO) путем оптимизации технологических параметров. Необходимость создания надежных контактных площадок к сверхпроводящим YBCO пленкам обусловлена возможностью изготовления из них элементов сверхпроводниковой электроники.

В настоящее время существуют различные способы формирования контактных площадок к тонким YBCO пленкам для электрической связи тонкопленочных элементов сверхпроводниковой электроники с электронной навеской. Литературный обзор показывает, что традиционно металлические контактные площадки к YBCO пленкам наносятся поверх пленок [1, 2]. Такая технология изготовления контактных площадок имеет существенный недостаток, осложняющий процесс производства надежных и стабильных контактов, который состоит в том, что при нанесении контактных площадок YBCO пленка подвергается температурному воздействию в условиях вакуума. Такое воздействие приводит к кислородному обеднению материала пленки и разрушению сверхпроводимости приповерхностной области, связанное с образованием слоев BaO и BaCO₃, являющихся диэлектриками. В такой технологии становится необходимой дополнительная очистка и отжиг, что увеличивает время производства и усложняет технологический процесс. Для поддержания оптимального значения кислородного индекса применяется, например, плазменное травление поверхности YBCO непосредственно перед нанесением металла с целью удаления деградированного слоя. После нанесения контактных площадок образцы подвергаются дополнительному термоотжигу в атмосфере кислорода. Как правило, изготовление контактных площадок состоит из несколько этапов: травление поверхности сверхпроводника ионами кислорода, обработка плазмой кислорода, нанесение контактной пленки, термоотжиг. Несмотря на хорошие результаты, достигнутые с применением ионно-плазменной очистки поверхности, такая очистка сопровождается разрушением сверхпроводимости в приповерхностном слое толщиной несколько нанометров из-за разрыва Cu-O связей и диффузии кислорода. Более эффективный метод очистки - катодное распыление поверхности - также не приводит к полному удалению деградированного слоя.

Для изготовления контактных площадок к YBCO материалам подходят лишь те металлы, у которых энергия связи меньше, чем у Cu-O. К таким металлам относятся: Ru, Rh, Pd, Ag, Os, Ir, Pt, Au, Hg. Другие металлы активно взаимодействуют с материалом YBCO, образуя плохопроводящие или непроводящие слои. Все применяемые контактные материалы можно подразделить на следующие группы: благородные металлы и их сплавы (серебро, золото, металлы платиновой группы и сплавы на их основе), неблагородные металлы и сплавы на их основе, металлокерамические композиции [3]. Для малонагруженных контактов применяют золото, родий, палладий, платину и их сплавы; для средненагруженных - палладий, платину, серебро, вольфрам, никель и их сплавы; для высоконагруженных - серебро, вольфрам, никель, медь, их сплавы и металлокерамические композиции, а также ртуть и графит. При малых контактных нагрузках и коммутировании малых токов условия работы контактов очень сложны, и им удовлетворяют только сплавы на основе платины, палладия и золота. Золото обладает высокими электро- и теплопроводностью, устойчивостью против коррозии, не окисляется и не образует окисных пленок, имеет низкое и стабильное переходное сопротивление в различных атмосферных условиях при нормальной, повышенной и пониженной температурах.

Наиболее близким к заявляемому является способ создания золотых или платиновых контактных площадок к тонким YBCO пленкам [4], в котором для обеспечения лучшего контакта при включении сверхпроводящего датчика в электрическую схему и сохранения сверхпроводящих свойств сверхпроводящие электроды выполнены на контактном подслое из золота или платины. Основным недостатком данного способа является то, что золотые и платиновые контактные площадки наносятся в виде пленок на диэлектрическую подложку термическим напылением при температуре 1700-1800°C, что не обеспечивает необходимой адгезии золотой и платиновой пленки с диэлектрической подложкой только за счет Ван-дер-Ваальсовских сил.

Задачей настоящего изобретения является разработка способа формирования на диэлектрических подложках качественных золотых контактных площадок к сверхпроводящим тонким YBCO пленкам. Способ основан на подборе оптимальных значений технологических параметров.

Указанный технический результат достигается тем, что для исключения влияния вакуума и высоких температур на сверхпроводящую YBCO пленку золотая контактная площадка выращивается непосредственно на диэлектрической подложке (например, SrTiO₃, LaAlO₃ и др.) методом лазерного напыления. Затем, на подложке с нанесенными контактными площадками методом лазерного напыления выращивается YBCO пленка для формирования системы YBCO/Au/подложка. Геометрия площадки задается маской из ни-хромовой пластины для исключения загрязнения на поверхности подложки из-за переосаждений и образования оксидов.

Для осуществления способа использовалась экспериментальная установка, содержащая напылительную вакуумную камеру и мощный твердотельный импульсный лазер Nd:YAG с длиной волны излучения 1,06 мкм, длительностью импульса 10-20 нс и частотой повторения импульсов 10 Гц. Плотность мощности лазерного излучения на поверхности золотой мишени составляет (5-7)·10⁸ Вт/см². Лазерный луч падает на золотую мишень, пройдя через фокусирующую линзу и кварцевое окно вакуумной камеры. Распыляемый материал мишени осаждается на диэлектрическую подложку через нихромовую маску с требуемой геометрией рисунка. Подложка устанавливается на расстоянии 4-6 мм от золотой мишени рабочей поверхностью к мишени. В вакуумной камере устанавливается давление 0,1-0,5 Па, что обеспечивает необходимый размер и форму плазменного факела. Производится нагрев мишени и подложки до температуры 450-500°C. После процесса напыления производится напуск воздуха в вакуумную камеру до нормального атмосферного давления и остывание образца до комнатной температуры. Для напыления сверхпроводящей пленки нихромовой маской закрываются участки золотой пленки, предназначенные для сварки золотых контактных проволок методом термокомпрессии. При напылении YBCO пленок устанавливаются требуемые значения температуры подложки, давления в вакуумной камере, расстояния мишень-подложка и плотность мощности лазерного излучения на поверхности YBCO мишени. Применение специального нихромового держателя мишени и подложки со сменной нихромовой маской дает возможность поочередного выращивания Au и YBCO пленок.

Как известно, требование хорошей адгезии контактной пленки и подложки исключает возможность применения металлизации золота. Двухслойные системы типа хром-золото, титан-золото (толщина подслоя ~10 нм, золота ~1 мкм) испытывают существенное старение при повышенных температурах. Деградация, например, пленок системы NiCr/Au и Ti/Au происходит в результате взаимодействия золота с материалом адгезивного слоя с образованием интерметаллидов. Без использования предварительной металлизации пленка из золота удерживается на диэлектрической подложке за счет Ван-дер-Ваальсовского взаимодействия, что обеспечивает адгезию на уровне не более 2 МПа (адгезия, измеренная методом прямого отрыва). При этом химическое взаимодействие, связанное со значительной энергией активации и действующее на малых расстояниях, в случае золотой пленки вносит не существенный вклад.

Достичь высокой степени адгезии золотой пленки с диэлектрической подложкой нам удалось за счет использования технологии лазерного напыления, при котором разогретая до температур порядка 10⁴ К плазма лазерного факела активно взаимодействует с поверхностью подложки. При взаимодействии мощного лазерного взаимодействия с металлической (например, золотой, серебряной, медной и др.) мишенью температура плазмы вдоль оси факела монотонно убывает от значений порядка 3·10⁴ К у поверхности мишени до значений порядка 5·10³ К на расстоянии 10 мм [5]. При больших расстояниях температура быстро спадает из-за резкого расширения плазменного факела. Кроме того, на расстояниях до 10 мм факел имеет практически сферическую форму (фиг.1), обеспечивая практически одинаковую скорость спадания температуры во всех направлениях, а на больших расстояниях от мишени плазма постепенно приобретает вытянутую форму из-за особенностей газодинамики при расширении плазмы и при наличии остаточного буферного слоя газа в напылительной камере [6]. На используемом нами расстоянии 4-6 мм от мишени температура плазмы составляет примерно 10⁴ К, что приводит к реакции плазмы с поверхностью подложки и глубокому внедрению частиц золота в подложку на глубину до нескольких десятков микрометров, обеспечивая надежный механический контакт. На фиг.2 показаны микрофотографии поверхности подложки под золотой пленкой (после смыва золотой пленки в царской водке) на различных расстояниях от мишени.

Измеренная методом отрыва адгезия золотой пленки к подложке превышает 20 МПа. Кроме того, используемое расстояние мишень-подложка обеспечивает однородное напыление площадки диаметром не менее 5 мм, что достаточно для изготовления контактов необходимой для сверхпроводящих устройств площадью.

Литература

1. С. Peroz, С. Villard, D. Buzon and P. Tixador. Current limitation properties of YBCO / Au thin films // Supercond. Sci. Technol. 16 (2003), p.54-59.

2. D. Liu, M. Zhou, X. Wang, H. Suo, T. Zuo, M. Schindl and R. Flukiger. Epitaxial growth ofbiaxially oriented YBCO films on silver // Supercond. Sci. Technol. 14 (2001), p.806-809.

3. Пятин Ю.М. Материалы в приборостроении и автоматике. M.: Машиностроение, 1982, 528 с.

4. Патент РФ №2133525 «Сверхпроводящий квантовый интерференционный датчик и способ его изготовления».

5. A. Bogaerts, Z. Chen, R. Gijbels, A. Vertes. Laser ablation for analytical sampling: what can we learn from modeling? // Spectrochimica Acta, Part B, 58 (2003), p.1867-1893.

6. В. Doggett and J.G. Lunney. Expansion dynamics of laser produced plasma // J. Appl. Phys. 109, 093304 (2011), В. Toftmann and J. Schou. Angular Distribution of Electron Temperature and Density in a Laser-Ablation Plume // Phys. Rev. Lett. 84 (2000), p.3998-4001.