Es ist bekannt, dass bei der Herstellung von Josephson Kontakten der schwierigste Teil in der Herstellung der Tunnel- schicht besteht. Die Tunnelschicht ist im allgemeinen eine Isolationsschicht, die zwischen zwei supraleitfähigen Elektroden liegt. Damit Elektronentunnelung auftritt, muss die Tunnelschicht eine gleichmässige Dicke in der Grössenordnung von 30 Ä aufweisen und frei von Defekten sein. Verständlicherweise ist eine solche Schicht schwierig herzustellen und, wie aus der Literatur ersichtlich ist, wurden schon viele Anstrengungen unternommen, um solche Schichten genügender Qualität zuverlässig und reproduzierbar zu erzeugen.
Zur Herstellung eines Josephson-Kontaktes wird üblicherweise eine supraleitfähige Elektrode auf einem Substrat niedergeschlagen. Darauf wird die Tunnelschicht erzeugt, die diese Basiselektrode abdeckt. Eine supraleitfähige Gegenelektrode wird schliesslich auf der Tunnelschicht niedergeschlagen. Über der Gegenelektrode kann dann eine Isolationsschicht und darauf ein oder mehrere Steuerleitungen angebracht werden.
Eine Abdeck- oder Neutralisationsschicht zum Schutz gegen äussere Einflüsse wird schliesslich vorgesehen. All diese Schritte sind bereits bekannt und bedürfen keiner weiteren Beschreibung.
Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere eine Verbesserung bei der Herstellung der Tunnelschicht. Sie beruht auf der Erkenntnis, dass eine brauchbare Isolationsschicht der erforderlichen Dicke zuverlässig und reproduzierbar nur auf einer ungestörten und vollkommen sauberen Oberfläche erzeugt werden kann. Auch ist die Tunnelschicht selbst so empfindlich gegen Verunreinigung durch absorbierte Gase, Staub usw., dass sie sofort nach der Herstellung gegen äussere Einflüsse geschützt werden muss. Ein derartiger vollständiger Schutz der Oberflächen sowohl der Basiselektrode als auch der Tunnelschicht war bei bisherigen Verfahren nicht möglich.
Die Form resp. das Leitungsmuster der Basiselektrode ist nicht dasselbe wie das der Gegenelektrode. Dadurch sind getrennte Maskierungen notwendig und je nach angewandtem Verfahren auch getrennte Ätzungen. Die Masken bestehen üblicherweise aus Fotoätzlack und ihre Anbringung und Erzeugung selbst erfolgt in mehreren Schritten, wie Aufbringen des flüssigen Lacks, Trocknen, Belichten und Entwickeln. Das alles wiederholt sich wenigstens für die Basiselektrode und wiederum für die Gegenelektrode. Es ist leicht verständlich, dass bei diesen Operationen zahlreiche Möglichkeiten zur Verunreinigung der Oberfläche der Basiselektrode oder der Tunnelschicht entstehen.
Es ist daher der Zweck dieser Erfindung, die Oberfläche der Basiselektrode keinen anderen Einflüssen als denen eines Hochvakuums oder einer Atmosphäre zur Erzeugung der Tunnelschicht oder zum Niederschlag einer Gegenelektrode auszusetzen. Es ist hiernach möglich, die Herstellung der Basiselektrode, der Tunnelschicht und eines Teils der Gegenelektrode in unmittelbarer Folge und ohne das Vakuum zu unterbrechen vorzunehmen.
Nachfolgend wird anhand eines Ausführungsbeispiels die Erfindung im einzelnen beschrieben. In den Zeichnungen sind:
Fig. 1 eine perspektivische Darstellung einer Josephson Kontaktvorrichtung,
Fig. 2 ein Querschnitt durch einen Teil der Vorrichtung während der Herstellung,
Fig. 3 ein anderer Querschnitt durch einen Teil der Vorrichtung während eines späteren Herstellungsschrittes.
Fig. 1 zeigt eine fertiggestellte Josephson-Kontaktvorrichtung. Die Vorrichtung ist auf einem Substrat angebracht, welches der Einfachheit halber in der Zeichnung nicht dargestellt ist. Im Vergleich zur dargestellten Vorrichtung ist das Substrat häufig sehr gross und die Vorrichtung ist im allgemeinen nur ein Element einer umfangreichen Anordnung gleicher oder ähnlicher Elemente, die alle auf der Oberfläche des Substrates aufgebracht sind. Als Substrat kann eine supraleitfähige, mit einer Isolierschicht abgedeckte Metallplatte, eine normal leitfähige Metallplatte oder eine isolierende Platte aus Glas oder einem anderen geeigneten Material verwendet werden.
Der Josephson-Kontakt besteht aus der Basiselektrode (12), in welcher eine Leitung endigt. Über der Basiselektrode und von dieser durch die in Fig. 1 nicht dargestellte Tunnelschicht getrennt, ist die Gegenelektrode (14) angeordnet; sie ist ebenfalls mit einer Leitung verbunden.
Den Kontakt bedeckt eine Isolierschicht (18), die ihn von der Steuerleitung (16) elektrisch isoliert.
Die physikalischen Eigenschaften von Josephson-Kontakten sind aus der Literatur bekannt und brauchen hier nicht weiter beschrieben zu werden. Auch die Herstellung von Kontakten der hier beschriebenen Art ist bekannt. Dazu sei verwiesen auf die Publikationen von J.H. Greiner in J. Appl. Phys., Band 42, Nr. 12, Nov. 1971, Seiten 5151 off; J.H. Greiner, S. Basavaiah und I. Ames in J. Vac. Sci. Technol., Band 11, No. 1, Januar/Februar 1974, Seiten 81 ff, und schliesslich J. Matisoo in Superconducting Machines and Devices , Herausgeber Foner und Schwarz, New York, 1974. Die Erfahrung zeigt, dass bei der Herstellung stets eine Anzahl von Kontakten fehlerhaft ist oder ausserhalb gegebener Toleranzen liegt und dass dieser Umstand auf die Qualität der Tunnelschicht zurückzuführen ist. Durch die vorliegende Erfindung wird die Herstellung in dieser Hinsicht verbessert.
Auf der Oberfläche eines Substrates 21, Fig. 2, wird eine Schicht Fotoätzlack 27 aufgebracht, in welcher durch Belichtung und Entwicklung eine Öffnung hergestellt wird, die die Form oder das Muster der Basiselektrode eines Josephson Kontaktes aufweist. Die Herstellung solcher Masken gehört zum Stand der Technik.
Das so vorbereitete Substrat wird in einen Vakuumreaktor eingesetzt, und die Basiselektrode 12 wird auf bekannte Weise hergestellt, z. B. durch Niederschlag aus der Dampfphase.
Das Elektrodenmetall wird sich dabei ausser an der in der Zeichnung angegebenen Stelle auch auf der Oberfläche der Lackschicht 27 niederschlagen. Für die jetzige Betrachtung ist das nebensächlich, da die Lackschicht später zusammen mit dem auf ihr liegenden Metall entfernt wird.
Bei herkömmlichen Verfahren müsste nun nach Niederschlag der Elektrode 12 der Vakuumreaktor geöffnet werden und die Platte zur Entfernung des Fotolacks und zum Aufbringen einer neuen Maske mit dem Muster für die Gegenelektrode 14 resp. zunächst einer Maske mit dem Muster für die Tunnelschicht aufgebracht werden. Im Gegensatz dazu bleibt im vorliegenden Verfahren der Vakuumreaktor mit der in ihm befindlichen Vorrichtung geschlossen. Es wird lediglich innerhalb des Reaktors die Atmosphäre derart verändert, dass eine Sprühätzung durchgeführt werden kann, in welcher eine geringe Materialmenge von der Oberfläche der Elektrode 12 abgetragen wird. Das ist die einzige erforderliche Reinigungsoperation. Danach wird die Atmosphäre im Reaktor wieder geändert, so dass eine Glimmentladungsoxydation durchgeführt werden kann zur Herstellung der Tunnelschicht 23 auf der Basiselektrode.
Unmittelbar danach wird im Reaktor wieder Hochvakuum erstellt und eine dünne Gegenelektrode 25 auf der Tunnelschicht aus der Dampfphase niedergeschlagen.
Die Zeichnung ist nicht massstabsgerecht ausgeführt. Die Basiselektrode 12 ist etwa 1-10,am breit, kann aber andere Abmessungen haben. Die Dicke dieser Elektrode beträgt üblicherweise zwischen 0,1 und 1,um. Die Elektroden bestehen aus Blei, einer Bleilegierung, Mob oder einem anderen supraleitfähigen Metall. Die Tunnelschicht wird gebildet durch HF-Sprühätzung in einem Sauerstoffplasma. Für die Gegenelektrode oder, genauer, die unterste Schicht 25 der Gegen elektrode eignen sich alle Materialien, die bei nachheriger Aufbringung der ganzen Elektrode zusammen mit dieser supraleitfähig werden. Die Schicht 25 wird nur so dick aufgetragen, dass die empfindliche Tunnelschicht 23 genügend abgedeckt und geschützt wird. Eine Dicke von 50-500 A ist hierzu ausreichend.
Die Fotoätzlackschicht 27 wurde derart hergestellt, dass an den Rändern der Öffnung ein Unterschnitt 29 der Maske entsteht. Es sind verschiedene Verfahren bekannt, um diesen Unterschnitt zu erzeugen, so z. B. das des Schweizer Patentes Nr. 584 422. Der Unterschnitt ist erforderlich, damit die Basiselektrode glatte Ränder aufweist und diese von der Tunnelschicht und der Gegenelektrode vollkommen bedeckt werden.
Wenn die zuvor beschriebenen Schritte durchgeführt sind, wird die Vorrichtung zum erstenmal dem Vakuumreaktor entnommen. Der Fotoätzlack 27 wird abgelöst und eine neue Lackschicht aufgebracht, belichtet und entwickelt, wobei Öffnungen für das Muster der Gegenelektrode 14 hergestellt werden. Dann wird die Vorrichtung wieder in den Reaktor eingesetzt und vorteilhafterweise zunächst eine Sprühätzung durchgeführt, bevor die vollständige Gegenelektrode 14 aus der Dampfphase niedergeschlagen wird. Das Resultat dieses Schrittes ist in Fig. 3 dargestellt, nachdem die zweite Fotolackmaske wieder entfernt wurde. Die Basiselektrode 12 ist jetzt durchgehend dargestellt, weil die Zeichnung einen Schnitt senkrecht zu dem der Fig. 2 zeigt. Die Basiselektrode trägt zunächst die Tunnelschicht 23 und die untere Lage 25 der Gegenelektrode.
Die dickere Schicht 14 wurde nur dort niedergeschlagen, wo die Gegenelektrode gemäss der Form der zweiten Maske erwünscht ist. Der überflüssige Teil der Schicht 25, der nicht durch die dicke Schicht 14 der Gegenelektrode bedeckt ist, kann weggeätzt oder durch Oxydation nichtleitend gemacht werden. Dadurch wird allerdings auch eine dünne Schicht 26 auf der Oberfläche der Gegenelektrode 14 beeinflusst, was aber in Anbetracht der Dicke der Schicht 14 vernachlässigbar ist. Auch spielt es keine Rolle, dass die Tunnelschicht 23 auf der Oberfläche der Basiselektrode 12 ausserhalb des eigentlichen Kontaktes verbleibt. Diese Schicht ist so dünn, dass sie normalerweise nicht festgestellt werden kann. Sofern sie als nachteilig empfunden wird, kann sie leicht durch Ätzen usw. entfernt werden.
Die Josephson-Kontaktvorrichtung wird nun auf übliche Weise fertiggestellt. Dazu können die Isolierschicht 18, die Steuerleitung 16 und weitere Leitungen angebracht werden, soweit dies für die beabsichtigte Verwendung erforderlich ist.
It is known that in making Josephson junctions, the most difficult part is making the tunnel layer. The tunnel layer is generally an insulation layer that lies between two superconductive electrodes. In order for electron tunneling to occur, the tunnel layer must have a uniform thickness in the order of magnitude of 30 Å and be free from defects. Understandably, such a layer is difficult to produce and, as can be seen from the literature, many efforts have already been made to produce such layers of sufficient quality reliably and reproducibly.
To produce a Josephson contact, a superconductive electrode is usually deposited on a substrate. The tunnel layer that covers this base electrode is then produced. A superconducting counter electrode is finally deposited on the tunnel layer. An insulation layer and one or more control lines can then be applied over the counter electrode.
Finally, a cover or neutralization layer is provided to protect against external influences. All these steps are already known and do not require any further description.
The present invention particularly relates to an improvement in the manufacture of the tunnel layer. It is based on the knowledge that a usable insulation layer of the required thickness can only be produced reliably and reproducibly on an undisturbed and completely clean surface. The tunnel layer itself is also so sensitive to contamination from absorbed gases, dust, etc. that it has to be protected against external influences immediately after production. Such complete protection of the surfaces of both the base electrode and the tunnel layer was not possible with previous methods.
The shape resp. the wiring pattern of the base electrode is not the same as that of the counter electrode. This means that separate masks are necessary and, depending on the method used, separate etchings are also necessary. The masks usually consist of photo-etched lacquer and their application and production itself takes place in several steps, such as applying the liquid lacquer, drying, exposure and developing. All of this is repeated at least for the base electrode and again for the counter electrode. It is easy to understand that these operations create numerous opportunities for contaminating the surface of the base electrode or the tunnel layer.
It is therefore the purpose of this invention not to expose the surface of the base electrode to influences other than those of a high vacuum or an atmosphere for generating the tunnel layer or for depositing a counter electrode. It is then possible to produce the base electrode, the tunnel layer and a part of the counter electrode in immediate succession and without interrupting the vacuum.
The invention is described in detail below using an exemplary embodiment. In the drawings are:
1 shows a perspective illustration of a Josephson contact device,
2 shows a cross section through part of the device during manufacture,
3 shows another cross-section through part of the device during a later manufacturing step.
Fig. 1 shows a completed Josephson junction device. The device is mounted on a substrate which, for the sake of simplicity, is not shown in the drawing. Compared to the device shown, the substrate is often very large and the device is generally only one element of an extensive arrangement of the same or similar elements, which are all applied to the surface of the substrate. A superconducting metal plate covered with an insulating layer, a normally conductive metal plate or an insulating plate made of glass or another suitable material can be used as the substrate.
The Josephson junction consists of the base electrode (12) in which a lead ends. The counter-electrode (14) is arranged above the base electrode and separated from it by the tunnel layer (not shown in FIG. 1); it is also connected to a line.
The contact is covered by an insulating layer (18) which electrically isolates it from the control line (16).
The physical properties of Josephson junctions are known from the literature and need not be described further here. The production of contacts of the type described here is also known. Reference is made to the publications by J.H. Greiner in J. Appl. Phys., Vol. 42, No. 12, Nov. 1971, pages 5151 off; J.H. Greiner, S. Basavaiah and I. Ames in J. Vac. Sci. Technol., Volume 11, No. 1, January / February 1974, pages 81 ff, and finally J. Matisoo in Superconducting Machines and Devices, editors Foner and Schwarz, New York, 1974. Experience shows that a number of contacts are always faulty or out of range during production Tolerances and that this fact is due to the quality of the tunnel layer. The present invention improves manufacturing in this regard.
A layer of photo-etched lacquer 27 is applied to the surface of a substrate 21, FIG. 2, in which an opening is produced by exposure and development which has the shape or the pattern of the base electrode of a Josephson contact. The production of such masks is state of the art.
The substrate thus prepared is placed in a vacuum reactor and the base electrode 12 is manufactured in a known manner, e.g. B. by precipitation from the vapor phase.
The electrode metal will also be deposited on the surface of the lacquer layer 27 in addition to the point indicated in the drawing. For the present consideration, this is irrelevant, as the paint layer will later be removed together with the metal lying on it.
With conventional methods, after the electrode 12 has been deposited, the vacuum reactor would now have to be opened and the plate for removing the photoresist and for applying a new mask with the pattern for the counter electrode 14, respectively. First a mask with the pattern for the tunnel layer is applied. In contrast to this, in the present process the vacuum reactor with the device located in it remains closed. The atmosphere is only changed within the reactor in such a way that a spray etching can be carried out in which a small amount of material is removed from the surface of the electrode 12. This is the only cleaning operation required. The atmosphere in the reactor is then changed again, so that glow discharge oxidation can be carried out to produce the tunnel layer 23 on the base electrode.
Immediately thereafter, a high vacuum is created again in the reactor and a thin counter electrode 25 is deposited on the tunnel layer from the vapor phase.
The drawing is not true to scale. The base electrode 12 is about 1-10, am wide, but can have other dimensions. The thickness of this electrode is usually between 0.1 and 1 μm. The electrodes are made of lead, a lead alloy, mob or another superconducting metal. The tunnel layer is formed by HF spray etching in an oxygen plasma. For the counter-electrode or, more precisely, the lowermost layer 25 of the counter-electrode, all materials are suitable which become superconductive when the entire electrode is subsequently applied together with it. The layer 25 is only applied so thick that the sensitive tunnel layer 23 is sufficiently covered and protected. A thickness of 50-500 A is sufficient for this.
The photo-etched lacquer layer 27 was produced in such a way that an undercut 29 of the mask is created at the edges of the opening. Various methods are known to produce this undercut, e.g. B. that of Swiss Patent No. 584 422. The undercut is necessary so that the base electrode has smooth edges and these are completely covered by the tunnel layer and the counter electrode.
When the steps described above have been carried out, the device is removed from the vacuum reactor for the first time. The photo-etched lacquer 27 is peeled off and a new lacquer layer is applied, exposed and developed, openings for the pattern of the counter-electrode 14 being produced. The device is then reinserted into the reactor and a spray etching is advantageously first carried out before the complete counter electrode 14 is deposited from the vapor phase. The result of this step is shown in FIG. 3 after the second photoresist mask has been removed again. The base electrode 12 is now shown continuously because the drawing shows a section perpendicular to that of FIG. The base electrode initially carries the tunnel layer 23 and the lower layer 25 of the counter electrode.
The thicker layer 14 was deposited only where the counter electrode is desired according to the shape of the second mask. The superfluous part of the layer 25, which is not covered by the thick layer 14 of the counter electrode, can be etched away or made non-conductive by oxidation. However, this also influences a thin layer 26 on the surface of the counter electrode 14, but this is negligible in view of the thickness of the layer 14. It is also irrelevant that the tunnel layer 23 remains on the surface of the base electrode 12 outside the actual contact. This layer is so thin that it cannot normally be seen. If it is found to be disadvantageous, it can easily be removed by etching, etc.
The Josephson junction is now completed in the usual way. For this purpose, the insulating layer 18, the control line 16 and other lines can be attached if this is necessary for the intended use.