CN101868127B

CN101868127B - 一种超导平面电路的制备工艺

Info

Publication number: CN101868127B
Application number: CN2009102387696A
Authority: CN
Inventors: 张晓平; 郭旭波; 曹必松; 金世超
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2009-11-24
Filing date: 2009-11-24
Publication date: 2012-11-07
Anticipated expiration: 2029-11-24
Also published as: CN101868127A

Abstract

本发明公开了一种超导平面电路的制备工艺，其包括步骤：1、根据需要，取一块表面有导电层和超导薄膜层的衬底，在导电层表面形成由光刻胶构成的电路图形；2、通过干法刻蚀或湿法刻蚀将导电层和超导层刻蚀成电路图形之后，去除电路表面的光刻胶；3、在电路上需要保留导电层电极的位置手工涂覆光刻胶，之后进行烘焙；4、通过干法刻蚀或湿法刻蚀对导电层进行刻蚀，之后去除光刻胶；5、得成品。本发明工艺减少了对超导薄膜性能的影响，并减少了光刻步骤，周期短，工艺复杂度低和制作成本少。

Description

一种超导平面电路的制备工艺

技术领域

本发明涉及超导平面电路的制备，是一种超导平面电路的制备工艺。

背景技术

在10GHz以下的微波频段，超导薄膜材料的微波表面电阻比普通金属低两个数量级以上，在高频段也明显低于普通金属材料。超导薄膜材料的这种优异特性使得超导技术在电子学领域具有广泛的应用前景。用超导材料可以制备出高性能的平面电路器件，包括超导谐振器、滤波器、延迟线、延迟线滤波器和天线等。利用超导薄膜制备的谐振器的Q值高达几万，远大于普通金属谐振器的Q值。由高Q值超导谐振器实现的滤波器具有插损小、带边陡峭、带外抑制高等优异特性，应用于微波通信接收机前端可以显著提高通信系统的灵敏度和选择性。得益于超导薄膜材料的低损耗和非色散穿透深度特性，用其制备的延迟线和延迟线滤波器具有体积小、损耗低和工作带宽宽的特性，在信号处理、雷达和电子对抗等领域有着重要的应用价值。

超导平面电路通常为多层结构。在衬底的上层为由超导材料形成的电路图形，在超导电路上的局部位置有一层由导电层形成的电极图形，这些电极的作用是用于实现超导电路与外电路之间的电连接。在衬底的下层根据电路的具体形式可以是由导电层、超导层或超导层/导电层形成的接地层，或者无任何导电层。所述的衬底可以是硅(Si)、硅(Si)/二氧化硅(SiO₂)、锗(Ge)、砷化镓(GaAs)等，或者铝酸镧(LaAlO₃)、氧化镁(MgO)、钛酸锶(SrTiO₃)、蓝宝石等单晶衬底，厚度为0.05～1mm。所述的超导材料可以是单质、合金和简单化合物，如铌(Nb)、铅(Pb)、铌锆合金(Nb-Zr)、铌钛合金(Nb-Ti)、铌钛钽合金(Nb-Ti-Ta)、铌锡合金(Nb₃Sn)、铌锗合金(Nb₃Ge)、二硼化镁(MgB₂)等；也可以是氧化物，如钇钡铜氧(YBCO)、铊钡铜氧(TBCO)、镧锶铜氧(LSCO)、铋锶钙铜氧(BSSCO)等。所述的导电层为电阻率较小的普通金属材料，如金(Au)、银(Ag)、铂(Pt)、铜(Cu)等。

在超导平面电路的制备中，通常采用微加工工艺将衬底上层的超导薄膜层和导电层分别加工成电路图形和电极图形的形式，具体制备步骤见图1，包括步骤：

1)在导电层上进行光刻，在导电层表面形成由光刻胶构成的电极图案；

2)对导电层进行刻蚀，将导电层刻蚀成电极图形，去除电极上的光刻胶；

3)在超导层和电极表面进行光刻，形成由光刻胶构成的电路图形；

4)将超导层刻蚀成电路图形，去除超导电路和电极上的光刻胶。

通过以上步骤，在衬底上形成由超导材料形成的电路图形和由导电层形成的电极图形。

上述制备步骤需要进行两次光刻和两次刻蚀，因此需要两套光刻模版(一套电极图形模版和一套电路图形模版)，不仅工艺周期长，而且成本高，工艺复杂度大。此外，上述制备工艺中的第二次光刻是在超导层表面进行的，由于氧化物超导薄膜与水以及水中的二氧化碳(CO₂)接触容易发生化学反应，从而导致超导薄膜的性能退化，上述制作步骤增加了超导电路出现缺陷的可能性。

发明内容

本发明的目的是提供一种超导平面电路的制备工艺，可以减少制备过程中超导薄膜材料与水以及各种水溶液的接触机会，减少制备工艺对超导薄膜性能的影响。

本发明的另一目的是减少制备过程中的光刻步骤，缩短制备周期，降低工艺复杂度和制作成本。

为达到上述目的，本发明的技术解决方案是：

一种超导平面电路的制备工艺，其包括步骤：

(a)根据需要，取一块表面有导电层和超导薄膜层的衬底，在导电层表面形成由光刻胶构成的电路图形；

(b)通过干法刻蚀或湿法刻蚀将导电层和超导层刻蚀成电路图形之后，去除电路表面的光刻胶；

(c)在电路上需要保留导电层电极的位置手工涂覆光刻胶，之后进行烘焙；

(d)通过干法刻蚀或湿法刻蚀对导电层进行刻蚀，之后去除光刻胶；

(e)得成品。

所述的超导平面电路的制备工艺，其所述步骤a)，首先对衬底进行表面清洁、涂胶、前烘，再在紫外、深紫外或电子束曝光机上利用刻有电路图形的掩模版进行曝光，之后进行显影、定影、后烘，将掩模版上的电路图形转移到导电层表面的光刻胶上。

所述的超导平面电路的制备工艺，其所述步骤c)中手工涂覆光刻胶，涂覆的面积应符合与外电路的连接要求，通过目测来确定，之后进行烘焙。

所述的超导平面电路的制备工艺，其所述衬底，是硅(Si)、硅(Si)/二氧化硅(SiO₂)、锗(Ge)、砷化镓(GaAs)，或是铝酸镧(LaAlO₃)、氧化镁(MgO)、钛酸锶(SrTiO₃)、蓝宝石等单晶衬底，厚度为0.05～1mm。

所述的超导平面电路的制备工艺，其所述超导薄膜层，所用材料为单质、合金、简单化合物或氧化物。

所述的超导平面电路的制备工艺，其所述超导薄膜层材料，为铌(Nb)、铅(Pb)、铌锆合金(Nb-Zr)、铌钛合金(Nb-Ti)、铌钛钽合金(Nb-Ti-Ta)、铌锡合金(Nb₃Sn)、铌锗合金(Nb₃Ge)、二硼化镁(MgB₂)；或钇钡铜氧(YBCO)、铊钡铜氧(TBCO)、镧锶铜氧(LSCO)、铋锶钙铜氧(BSSCO)等。

所述的超导平面电路的制备工艺，其所述导电层，为金(Au)、银(Ag)、铂(Pt)或铜(Cu)等金属材料制作。

本发明提出了超导平面电路的制备工艺，以降低制备工艺的复杂度和对超导薄膜性能的影响。在现有技术使用的超导平面电路制备工艺步骤中，需要两套光刻模版(一套电极图形模版和一套电路图形模版)，并需进行两次光刻和两次刻蚀，工艺周期长，成本高。并且由于需要在超导层表面进行光刻，由于氧化物超导薄膜与水以及水中的二氧化碳(CO₂)的接触容易导致超导薄膜的性能退化从而会影响电路性能。本发明提出的超导电路制备工艺仅需一套电路图形模版，并且仅需进行一次光刻和两次刻蚀，简化了工艺流程，降低了制备成本。此外由于制备过程中的光刻工艺是在导电层表面进行的，降低了超导薄膜与水和各种水溶液的接触机会，减少了超导薄膜性能恶化以及对电路性能的影响。本发明提出的超导平面电路制备工艺适合于谐振器、滤波器、延迟线、延迟线滤波器和天线等各种超导器件的制备，并且能够满足大规模产业化的要求。

附图说明

图1为现有技术超导平面电路制备工艺的流程图；

图2为本发明超导平面电路的制备工艺实施例流程图；

图3为应用本发明提出的超导平面电路的制备工艺制作超导滤波器时，手工涂覆的光刻胶的图案。

具体实施方式

图2为本发明超导平面电路的制备工艺实施例的流程图。

制备工艺在百级以内的超净间进行，温度为室温，相对湿度小于40％。具体制备步骤如图2所示：

步骤一(21)，提供一块表面有导电层和超导薄膜层的衬底，所述的衬底可以是硅Si、硅Si/二氧化硅SiO₂、锗Ge、砷化镓GaAs等，或者铝酸镧LaAlO₃、氧化镁MgO、钛酸锶SrTiO₃、蓝宝石等单晶衬底，厚度为0.05～1mm。所述的超导材料可以是单质、合金和简单化合物，如铌Nb、铅Pb、铌锆合金Nb-Zr、铌钛合金Nb-Ti、铌钛钽合金Nb-Ti-Ta、铌锡合金Nb₃Sn、铌锗合金Nb₃Ge、二硼化镁MgB₂等；也可以是氧化物，如钇钡铜氧YBCO、铊钡铜氧TBCO、镧锶铜氧LSCO、铋锶钙铜氧BSSCO等。所述的导电层为电阻率较小的普通金属材料，如金Au、银Ag、铂Pt、铜Cu等。首先对衬底进行表面清洁，之后经过涂胶、前烘，再在紫外、深紫外或电子束曝光机上利用刻有电路图形的掩模版进行曝光，再进行显影、定影、后烘，从而将掩模版上的电路图形转移到导电层上的光刻胶上。

步骤二(22)，通过干法刻蚀或湿法刻蚀将导电层和超导层刻蚀成电路图形，之后去除电路表面的光刻胶。

步骤三(23)，在电路上需要保留电极的位置手工涂覆光刻胶，涂覆的面积应符合与外电路的连接要求，可通过目测来确定，之后进行烘焙。图3为应用本发明提出的超导平面电路的制备工艺制作超导滤波器时在电路表面手工涂覆的光刻胶的图案。该滤波器电路图形通过设计和仿真确定，在厚度为0.5mm的蓝宝石衬底上实现(图中未示出)。其中31和32为滤波器电路的输入和输出馈线，尺寸为3.0mm×0.52mm。在馈线上需保留导电层电极，以在后续封装工艺中通过点焊金属丝或金属带将其与封装盒上的SMA接头相连接。33为接地块，尺寸为41.68mm×3.0mm，在接地块33上需保留导电层电极，以在后续封装工艺中通过点焊金属丝或金属带与封装盒连接实现接地。所述的金属丝和金属带的材料包括金Au、硅铝SiAl等，金属丝的直径为40-100μm，金属带的宽度为0.2-1mm。34和35为涂覆在输入输出馈线31和32上的光刻胶，其尺寸约为1.5mm×1.0mm。36为涂覆在接地块33上的光刻胶，其尺寸约为41.6mm×1.0mm。所涂覆的光刻胶的尺寸符合与外电路的连接要求。

步骤四(24)，通过干法刻蚀或湿法刻蚀对导电层进行刻蚀，之后去除光刻胶。

步骤五(25)，从而在衬底上形成由超导层构成的电路图形和由导电层构成的电极图形。

Claims

1.一种超导平面电路的制备工艺，其特征在于，包括步骤：

1)根据需要，取一块表面为金、银、铂或铜金属的导电层和超导薄膜层的衬底，在导电层表面形成由光刻胶构成的电路图形；

2)通过干法刻蚀或湿法刻蚀将导电层和超导薄膜层刻蚀成电路图形之后，去除电路表面的光刻胶；

3)在电路上需要保留导电层电极的位置手工涂覆光刻胶，之后进行烘焙；

4)通过干法刻蚀或湿法刻蚀对导电层进行刻蚀，之后去除光刻胶；

5)得成品。

2.如权利要求1所述的超导平面电路的制备工艺，其特征在于，所述步骤1)，首先对衬底进行表面清洁、涂胶、前烘，再在紫外、深紫外或电子束曝光机上利用刻有电路图形的掩模版进行曝光，之后进行显影、定影、后烘，将掩模版上的电路图形转移到导电层表面的光刻胶上。

3.如权利要求1所述的超导平面电路的制备工艺，其特征在于，所述步骤3)中手工涂覆光刻胶，涂覆的面积应符合与外电路的连接要求，通过目测来确定，之后进行烘焙。

4.如权利要求1所述的超导平面电路的制备工艺，其特征在于，所述衬底，是硅、硅/二氧化硅、锗、砷化镓、铝酸镧、氧化镁、钛酸锶、或蓝宝石单晶衬底，厚度为0.05～1mm。

5.如权利要求1所述的超导平面电路的制备工艺，其特征在于，所述超导薄膜层，所用材料为单质或简单化合物。

6.如权利要求5所述的超导平面电路的制备工艺，其特征在于，所述简单化合物为合金或氧化物。

7.如权利要求5所述的超导平面电路的制备工艺，其特征在于，所述超导薄膜层材料，为铌、铅、铌锆合金、铌钛合金、铌钛钽合金、铌锡合金、铌锗合金、二硼化镁、钇钡铜氧、铊钡铜氧、镧锶铜氧、或铋锶钙铜氧。