CN101894906B - 超导台阶结制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超导台阶结的制备方法，其特征在于采用高温超导单晶代替超导薄膜，将超导单晶通过连续剥离的方法实现厚度为几十到几百纳米厚的超薄单晶，再将所述的超薄单晶附着于台阶衬底之上；利用台阶衬底和超导单晶之间的强互相吸引力，使所述的超薄超导单晶紧密附着于衬底之上，使所述的超薄超导单晶在衬底台阶附近呈现台阶结构，最后再利用微加工工艺构造微桥结构，成为一定宽度的超导台阶结。包括以下步骤：1)台阶衬底制备；2)超导单晶薄片的剥离并吸附于台阶衬底；3)保护和选择；4)台阶结制备。本发明无需复杂的薄膜生长工艺，采用非常少量的超导单晶即可实现；单晶材料的超导性能要比薄膜材料好。
Description
技术领域
本发明涉及一种超导台阶结的制备方法。属于超导电子学领域。
背景技术
超导约瑟夫逊结(Josephson junction)是两块超导体之间通过约瑟夫逊效应相互耦合形成的一种结型结构。超导约瑟夫逊结是超导电子学的核心器件和基础。对于高温超导体来说，常见的约瑟夫逊结包括以下几类：台阶结(Step-edge junction)、双外延结(Bi-epitaxial junction)、双晶结(Bi-crystal junction)、边缘结(Ramp junction)、本征结(IntrinsicJosephson junct ion)等【H.Hilgenkamp and J.Mannhart，Review ofModern Physics 74，(2002)，485】。台阶结是一种简单易行的高温超导约瑟夫逊结的实现方式。可以用于高频信号检测、SQUID应用等。
台阶级是高温超导几种弱连接结之一。传统的台阶结制备是将高温超导薄膜生长在台阶衬底上形成的，在台阶边缘，高温薄膜的超导电性能会发生弱化，从而形成超导弱连接结。传统超导台阶结的实现通常包括以下三个步骤：(1)制备台阶衬底；(2)在台阶衬底上通过磁控溅射或脉冲激光沉积方式生长高温超导薄膜；(3)利用光刻和刻蚀在台阶边缘构造实现微桥式结构，从而形成超导台阶结。
传统方法制备的台阶结一方面必须依赖高性能的薄膜生长设备，另外一方面台阶结质量和超导薄膜性能和微区结构密切相关。而外延生长的薄膜通常呈现颗粒膜特性，及平行于衬底的平面内通常包含很多不可控的颗粒边界，这使得微区性能难以控制。因此传统的台阶结的均匀性、一致性及重复性比较差。
发明内容
本发明的目的在于一种超导台阶结的制备方法。具体的说，本发明利用连续剥离的方式，获得高温超导单晶材料。当它的厚度只有几十到几百纳米时，它可以很好的吸附于各种衬底表面。本发明制备具有周期性台阶结构的台阶衬底，将薄的超导单晶吸附于台阶衬底表面，再利用微纳加工工艺就可以在具有台阶结构的超导单晶上构造微桥式结构即可形成台阶结。
本发明所述的超导台阶结的制备方法是：
(1)台阶衬底制备：选用合适的衬底材料，常用的用于超导薄膜生长的绝缘衬底材料均可以，例如：MgO、SrTiO3、LaAlO3、Al2O3等。还有一种比较合适的衬底材料是硅衬底上生长一层氧化硅层(SiO2/Si，也即SOI材料)，这样的衬底可以为超导单晶提供很好的光学对比度。将所选择的衬底材料进行光刻，形成光栅结构，再利用离子束刻蚀方式刻蚀衬底上未被光刻胶保护的部分。去除光刻胶后，衬底表面上即形成了周期性的台阶结构。台阶的周期特性由光栅结构决定，通常周期为几个微米到几十个微米。台阶的高度由离子束刻蚀的能量和刻蚀时间决定。通常高度为几个纳米到几百个纳米。上述为常用的台阶衬底制备方式，其它方式制备的台阶衬底亦可，比如采用耐刻蚀的金属掩膜做保护，也可以构造类似的周期性台阶结构。
(2)超导单晶薄片准备：选取临界温度Tc＞85°K的高性能的超导单晶材料，比如Bi2Sr2CaCu2O8+x(BSCCO)，典型临界温度在约86K。将这样的单晶材料采用普通的剥离方式获得大小约一个毫米见方的单晶薄片，典型厚度为40-60微米左右。剥离可采用常见的Scotch胶带或者PE保护蓝膜。将这样的单晶薄片粘在一片胶带上，再利用另外一片胶带剥离，这样单晶薄片会一分为二，分别有部分位于不同的胶带上。利用这样的方法重复多次。多次剥离后，胶带或PE保护蓝膜上会有很多肉眼无法分辨的大小和厚度均不一的单晶薄片。将这样的胶带或PE保护蓝膜粘贴于台阶衬底表面再撕下，会有很多单晶薄片粘附于衬底表面。单晶薄片和衬底之间的作用力通常被认为是分子间作用力。这些单晶薄片大小从几个微米到几十个微米不等，厚度从几个纳米到几百个纳米不等。由于衬底上有重复性的周期台阶结构，因此，总能确保有超导单晶薄片会落在台阶上面，总能横跨过至少一个台阶。由于单晶薄片和衬底之间的吸附作用力足够强，会出现单晶薄片和台阶衬底相同的形貌特性，因而使超导单晶薄片也出现了台阶结构。
(3)保护和选择：利用热蒸发或者电子束蒸发的方式蒸发一层金属层以保护样品，通常可选择金，典型厚度为几十纳米。然后可以利用原子力显微镜或者形貌测试仪分析单晶碎片的厚度和大小。根据需要选择合适大小和厚度的单晶用于台阶结制备。通常选择边长为几十个微米大小的单晶薄片，厚度为几十个纳米到一两百个纳米。并且确保其跨过至少一个台阶，并且台阶两边有足够的大小面积用于电极制备。
(4)台阶结制备：首先通过光刻和离子刻蚀或酸刻的方式构造超导单晶微桥，微桥跨过台阶。离子束刻蚀的能量和时间由超导单晶的厚度和电极的厚度决定。如果采用酸刻，通常可以采用质量百分浓度为1％左右浓度的稀盐酸。光刻胶保护以外的超导单晶和金属层全部被刻蚀掉。如果需要，还可以再蒸发一层厚度约为单晶和金属层厚度之和的绝缘层，从而避免单晶和衬底高度差。去除光刻胶后再生长一层金属层，通过光刻和离子束刻蚀的方式构造电极。台阶边缘的两侧分别有两个电极。从而可以利用四引线方式实现台阶结的偏置和测试。
综上所述，本发明公开了一种高温超导台阶结制备方法。采用高温超导单晶薄片代替超导薄膜，将超导单晶通过连续剥离的方法实现厚度为几十到几百纳米厚的超薄单晶。再将所述的超薄单晶附着于台阶衬底之上。由于台阶衬底和所述的超薄超导单晶之间的强互相吸引力，所述的超薄超导单晶将会紧密附着于台阶衬底之上，从而超薄超导单晶也会在衬底台阶附近呈现台阶解雇，最后再利用微加工工艺构造微桥结构，成为一定宽度的超导台阶结。
与现有技术相比，本发明的显著优点是：(1)无需复杂的薄膜生长工艺，采用非常少量的超导单晶即可实现；(2)单晶材料的超导性能要比薄膜材料好。
附图说明
图1：利用光刻胶做掩膜的周期性台阶结构衬底制备工艺和台阶结构示意图。
图2：台阶衬底上的超导单晶光学照片和台阶仪测试样品表面形貌。图中(a)(b)(c)(d)分别为4个样品图片，对应的表面扫描线图为(e)(f)(g)(h)。其中(a)衬底台阶高度为17nm，周期为16μm；其余三个衬底台阶高度均为40nm，周期为8μm。四个样品中单晶高度分别为：90，75，90，140nm。单晶表面的台阶高度和衬底台阶高度基本一致。
图3：台阶结结构示意图(俯视)。
具体实施方式
1、利用浮区法生长出高质量的高温超导BSCCO单晶，典型临界温度Tc＞85K；
2、利用光刻和离子束刻蚀方式实现周期性台阶衬底。衬底选用SiO2/Si，其中SiO2层约300nm厚，台阶高度为10-200nm。图1中，从上往下分别代表宽束Ar离子、具有光刻胶台阶图形的衬底以及准备好的台阶衬底。
3、利用胶带和蓝膜剥离获得大量超导单晶薄片并粘附于台阶衬底表面，见图2；
4、蒸发一层50纳米左右Au层于单晶表面上，选择尺寸大于20微米×20微米的超导单晶薄片，并跨过台阶衬底，典型厚度为20-200纳米。这样的超导单晶薄片可用于台阶结制备；
5、采用光刻方式构造微桥结构，微桥宽度通常为从亚微米到几十个微米。然后使用Ar离子束刻蚀，形成微桥结构的单晶，微桥横跨台阶。刻蚀速率通常为1-10nm/min，低速刻蚀可以避免过热从而影响单晶的性能。然后蒸发一层厚度和单晶薄片及金属层厚度之和相当的绝缘层材料CaF2。超声清洗方式去除残余的光刻胶。再蒸发一层Au层(厚度约150纳米)，光刻形成电极结构，离子束刻蚀形成有效电极图形。刻蚀速率同上。刻蚀时间根据单晶上金属层厚度来确定。再采用超声清洗方式即可除去多余的光刻胶，从而形成带有电极结构的超导台阶结(见图3)。
Claims (8)
1.一种超导台阶结的制备方法，其特征在于采用高温超导单晶代替超导薄膜，将超导单晶通过连续剥离的方法实现厚度为几十到几百纳米厚的超薄单晶，再将所述的超薄单晶附着于台阶衬底之上；利用台阶衬底和超导单晶之间的互相吸引力，使所述的超薄超导单晶紧密附着于衬底之上，从而超薄超导单晶在衬底台阶附近呈现台阶结构，最后再利用微加工工艺构造微桥结构，形成超导台阶结；具体包括以下各步骤：
a)台阶衬底制备：使用超导薄膜生长的材料作为衬底或SOI材料作为衬底，然后在所选择的衬底上进行光刻，形成光栅结构，再利用离子束刻蚀方式刻蚀衬底上未被光刻胶保护的部分；去除光刻胶后，衬底表面上即形成了周期性的台阶结构，台阶的周期特性由光栅结构决定；
b)超导单晶薄片的剥离并吸附于台阶衬底
将Tc＞85K的超导单晶材料采用普通的剥离方式获得大小为一个毫米见方的超导单晶薄片，剥离是采用Scotch胶带或者PE保护蓝膜；使超导单晶薄片粘在一片胶带上，再利用另外一片胶带剥离，使超导单晶薄片一分为二，分别有部分位于不同的胶带上，利用这样的方法重复多次；多次剥离后，胶带或PE保护蓝膜上会有很多肉眼无法分辨的大小和厚度均不一的单晶薄片；然后再将胶带或PE保护蓝膜粘贴于步骤a制备的台阶衬底表面再撕下，使很多超导单晶薄片粘附于衬底表面；超导单晶薄片和台阶衬底具有相同的形貌特性，从而使超导单晶薄片也出现了台阶结构；
c)保护和选择：利用热蒸发或者电子束蒸发的方式蒸发一层Au金属层以保护步骤b)制作的台阶结构，然后利用原子力显微镜或者形貌测试仪分析单晶碎片的厚度和大小；根据需要选择合适大小和厚度的单晶用于台阶结制备；
d)台阶结制备：通过光刻和离子刻蚀或酸刻的方式构造超导单晶微桥，微桥跨过台阶。
2.按权利要求1所述的方法，其特征在于步骤a中作为衬底的超导薄膜生长的材料为MgO、SrTiO3、LaAlO3或Al2O3。
3.按权利要求1所述的方法，其特征在于所述的台阶周期为8微米到16微米，台阶的高度为从17纳米到40纳米，它由离子束刻蚀的能量和时间决定。
4.按权利要求1所述的方法，其特征在于利用剥离方法获得的单晶薄片的厚度为40-60微米。
5.按权利要求1所述的方法，其特征在于步骤c热蒸发Au层厚度为50纳米。
6.按权利要求1所述的方法，其特征在于所述超导单晶薄片为20×20微米，厚度为20个纳米到200纳米，确保横跨至少一个台阶，且台阶两边边缘有足够大小的面积用于电极制备。
7.按权利要求1所述的方法，其特征在于超导单晶薄片与衬底之间作用力为分子间作用力。
8.按权利要求1所述的方法，其特征在于步骤d)台阶结的制备时在形成微桥后，再蒸发一层厚度和单晶薄片与金属层厚度之和相等的CaF2绝缘层材料，超声清洗残余的光刻胶，再蒸发一层厚度为150纳米Au层，光刻形成电极结构，离子束刻蚀形成有效电极图形，再采用超声清洗方式去除多余光刻胶，从而形成带有电极结构的超导台阶结。
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