CN1029057C - 直流驱动型超导量子干涉仪元件及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种DC-SQUID元件及其制造方法，它是在基板上将超导薄膜图案成形，制出SQUID环、反电极、调制线圈以及输入线圈，并将它们叠成层，SQUID环和反电极由通过势垒层的微桥在两处弱连接，得到两个约瑟夫逊结，其中，上述SQUID环是设置在元件的最下层，而反电极设置在最上层。用上述方法制成的DC-SQUID元件可调整临界电流值。

Description

本发明涉及用于例如生物磁性测定和磁性探测等微小磁场测定的直流驱动型超导量子干涉元件（以下简称DC-SQUID）。

作为约瑟夫逊结的形状，人们已知的有准平面型的。准平面型约瑟夫逊结的构造是这样的，即在下部电极的上面通过势垒层形成上部电极，该下部电极和上部电极的表面通过微桥相互弱连接。

在这样的准平面型约瑟夫逊结中，由于它的弱连接（结）长度是由夹在上部电极和下部电极间的势垒层的厚度决定的，因此与平面上需要精密加工的平面型约瑟夫逊结相比，有利之处是其弱连接长度是调整比较容易控制的膜厚确定的。

图7是表示已有的具有准平面型约瑟夫逊结的DC-SQUID元件的构造的一个例子中的各层间绝缘层及势垒层的透视图。图7（a）是整体平面图，图7（b）是它的B部放大图。

在该例中，DC-SQUID是一种将总共4层超导薄膜层叠起来的结构，在基板上的最下层形成调制线圈1和输入线圈2，在它们的上层形成输入线圈用的引出电极2a和接地平面3，再上面一层形成SQUID环4，最上层形成反电极5。

而且，SQUID环4和反电极5是通过设在它们之间的势垒层（图中未示出）、并由电极5上方跨越其两侧形成的微桥6在两处相互弱连接的，在这里得到两个约瑟夫逊结7a和7b。

上面的结构，过去是利用例如8到图11的平面图所表示的步骤制造的。而且，在这些图中都省略了各层间绝缘层及势垒层的图示。

首先，在基板上制成Nb等类型的超导薄膜，再通过对该膜的图案成形（Patterning）得到调制线圈1和输入线圈2。图8表示了这种状态。

其次，在形成层间绝缘层和接触孔后，同样在它的上方制成超导薄膜，通过该膜的图案成形形成接地平面3和输出线圈用的引出电极2a，图9表示了这种状态。

然后，通过形成层间绝缘层及接触孔后，在其上制成超导薄膜，并通过对它的图案成形，形成了如图10所示的SQUID环4。

然后将该SQUID环4作为下部电极，并在其全部表面形成势垒层，之后，在该势垒层的上方制成超导薄膜，通过该膜的图案成形得到兼作上部电极的反电极5，如图11所示。

最后，再从它的上方制造超导薄膜，形成图7所示图案的微桥6。

可是，在隧道（tunnel）型约瑟夫逊结元件等场合，由于不可能调整元件制成后的临界电流值，因而上述各层的制作顺序并不特别成问题。然而，准平面型约瑟夫逊结元件可利用阳极氧化等方法一边监测一边调整临界电流值，因此，为了发挥该优点，希望最后制成微桥6。

上述已有技术的元件构造和制造方法，在这一点上是合理的，而用来制作约瑟夫逊结的下部电极和上部电极SQUID环4和反电极5是在调制线圈1和输入线圈2的上面形成的，微桥6则形成在这些膜上面的最上层。

但是，象这样使膜多层积叠的情况下，不可避免的是越上层的膜，其膜面的平坦性和膜质越差。

在准平面型约瑟夫逊结元件中，下部电极（上述例子中为SQUID环4）的平坦性及膜质（膜的质量）对其上方、与上部电极（上述例子中为反电极5）保持绝缘，同时决定弱连接长度的势垒层 的好坏带来很大影响。从这种观点出发，则如下的想法也成立，即若不管准平面型约瑟夫逊结元件能调整临界电流值这一优点，那么最好是将下部电极和上部电极尽可能设置在元件内的下层侧面，而且最极端的做法是将约瑟夫逊结设置在最下层。

本发明的目的是提供一种能满足准平面型约瑟夫逊结元件两个互相矛盾要求的DC-SQUID元件及其制造方法。

为了达到上述目的，在本发明的DC-SQUID元件中，SQUID环或反电极的任一方形成在基板上的最下层，而另一方则形成在最上层。并且，在上述两层之间形成调制线圈和输入线圈，但在最下层形成的膜（SQUID环或反电极）的上面的一部分设置一个不形成调制线圈和输入线圈及其层间绝缘层的区域，在该区域通过势垒层形成最上层膜（反电极或SQUID环），这里形成基于微桥的两处准平面型约瑟夫逊结。

根据本发明元件的结构，因为决定准平面型约瑟夫逊结元件的弱连接长度的势垒层是在基板的最下层上所形成的薄膜上形成的，所以它的平坦性及膜质不会变差。同时，微桥是在元件的最上层的薄膜上形成的，因而还可以发挥准平面型约瑟夫逊结结构上的优点，利用阳极氧化法等对临界电流值作调整。

另外，本发明制造上述构造的SQUID元件的方法是：在基板上形成SQUID环或反电极后，用保护膜覆盖该膜上上述约瑟夫逊结形成区域及其附近规定区域。其次，在此最下层膜上形成调制线圈及输入线圈，然后，在即将形成最上层超导薄膜之前插入除去上述保护膜的工序。接着，在进行了最上层薄膜制膜及图案成形后，从它的上方形成微桥得到两处约瑟夫逊结。

在该制造方法中，是在保护膜覆盖了最下层的薄膜包含应形成约瑟夫逊结区域在内的规定范围的情况下，进行其上方调制线圈等超导薄膜的制膜、图案成形及层间绝缘层膜制膜等的，因而这部分 薄膜未被损坏。

在该制造方法中，除去保护膜上所形成的例如Nb类超导薄膜的调制线圈、输入线圈及SiO₂（二氧化硅）等的层间绝缘层的方法，适合采用RIE（Reactive Ion Etching）（反应离子蚀刻）或溅蚀（spattering）法。

而且，作为保护膜的材料，应选择能承受上述处理并且在制造最上层的薄膜之前很容易除去的材料。由于用湿蚀刻法除去保护膜较理想，因而能满足上述条件的材料适合采用Al或MgO。

下面参照附图，对本发明的较佳实施例作说明。

图1是表示本发明的实施例的结构示意图;其中（a）是透视层间绝缘层及势垒层表示的平面图;（b）及（c）是分别表示（a）图的Ⅰ-Ⅰ断面及Ⅱ-Ⅱ断面的剖面图;

图2到图6是本发明的实施例的制造方法的顺序说明图。

如图1（a）-（c）所示，在该实施例中，在基板9的表面即最下层形成有SQUID环4。在它的上方，通过绝缘层10a形成有调制线圈1，它的引出电极11及输入线圈2。进而再在它们的上方通过绝缘层10b形成有接地平面3和输入线圈用引出电极2a。

而在最下层SQUID环4的一端，在该薄膜的上方直接形成势垒层11，且通过该势垒层11形成有反电极5。该反电极5的表面和SQUID环4的表面通过跨越它们双方而形成的微桥6弱连接，这里形成有两处准平面型约瑟夫逊结7a及7b。

该结构中应注意的是，确定约瑟夫逊结部7a及7b连接长度的势垒层11形成在作为基板9上直接制膜而成的最下层膜的SQUID环4的正上方，据此，不但势垒层的平坦性变好，而且它的膜的质量也更高。而且，微桥6与上述已有的元件相同，形成在元件的最上层部分，因此，也能发挥准平面型约瑟夫逊结元件的优点，通过阳极氧化法等手段对临界电流值进行调整。

以下参照图2到图6的平面图说明这种结构的元件的较佳制造方法。为了说明的方便，图2到图6省略了层间绝缘层10a和10b。

首先，在基板9上进行超导薄膜的制膜后，对图2所示的SQUID环4进行图案成形。接着，如图3所示在SQUID环4上方应形成约瑟夫逊结7a、7b的位置处形成由Al膜构成的保护膜8。

然后，从基板9的上方在整个范围内制成层间绝缘层10a并且形成必要的接触孔。接着，在这上面制成超导薄膜，并且使该薄膜形成图案，作成调制线圈1及其引出电极1a及输入线圈2。图4表示这种状态。

以下从图4这种状态开始，其上面的整个平面制成层间绝缘层10b，同样形成必需的接触孔，之后，通过RIE或溅射蚀刻法完全除去应形成约瑟夫逊结的位置上的绝缘膜10a及10b，即保护膜8上方的绝缘膜。在此蚀刻过程中，保护膜8是作为阻挡层（stopper）起作用的。

接着，在通过湿蚀刻法除去保护膜8后，利用氧化这部分SQUID环4表面等方法形成势垒层11。

此后，通过在势垒层11的上面制超导薄膜后再图案成形，得到反电极5。图6示出这种状态。

随后，为了取得相对于微桥6的SQUID环4及反电极5的超导接触，对整个元件进行溅射蚀刻之后，制成形成微桥6用的超导薄膜。

最后，涂上保护膜（resist），微桥图形（Bridge-pattern）进行电子光束曝光，并把该保护膜作为掩摸（mask），用溅射蚀刻法及RIE进行微桥6的图案成形，从而得到图1所示构造的DC-SQUID元件。

在以上制造方法中，特别应该注意的是以下方面，即设置在最下层由下部电极构成的SQUID环4上应形成约瑟夫逊结的位置是 在保护膜8的保护状态下，通过蚀刻将其上方的调制线圈和输入线圈2的图案以及层间绝缘层10a、10b等除去，据此可使应形成约瑟夫逊结的位置处的超导薄膜免受损伤。

所以，保护膜8具有某种承受RIE和溅射蚀刻的能力，并且应该是反电极5形成前，用湿蚀刻很容易除去的材料所形成的。作为这种材料，除了上述金属（Al）外，氧化镁（MgO）也适合。

还有，在以上说明的实施例中，虽然叙述的是以SQUID环4为下部电极，反电极5为上部电极的例子，但是，在本发明的DC-SQUID元件中，将最下层形成的反电极5作为下部电极，最上层形成的SQUID环4作为上部电极也同样产生完全相同的效果。在这种情况下，制造方法的顺序也是相同的，只是采用后一种结构时，得在先前所述的制造方法的说明中将SQUID环4和反电极5相互掉换一下。

另外，勿用说，也可以作成调制线圈1和输入线圈2这一层与接地平面（ground    plane）互相交换的结构。

Claims (6)

1、一种DC-SQUID元件其特征在于，在基板上分别使超导薄膜形成图案，以最下层作为SQUID环，层叠调制线圈以及输入线圈，在所述SQUID环的部分表面形成了未层叠所述调制线圈以及输入线圈的区域，在此区域表面通过势垒层层叠反电极，该反电极与SQUID环中间夹有所述势垒层，由微桥在两处相互弱连接，设有这样形成的两个约瑟夫逊结。

2、一种DC-SQUID元件其特征在于，在基板上分别使超导薄膜形成图案，以最下层作为反电极，层叠SQUID环、调制线圈以及输入线圈，在所述反电极的部分表面形成了未层叠所述调制线圈以及输入线圈的区域，在此区域表面通过势垒层层叠至少一部分SQUID环，该反电极与SQUID环中间夹有所述势垒层，由微桥在两处相互弱连接，设有这样形成的两个约瑟夫逊结。

3、一种制造DC-SQUID元件的方法，其特征在于它包括以下步骤：

使基板表面制成的超导薄膜图案成形，形成SQUID环;

用保护膜覆盖所述SQUID环上应形成约瑟夫逊结的位置及其附近规定范围;

再在该上面形成有所述保护膜的位置以外的其它位置形成超导薄膜制的调制线圈和输入线圈;

然后除去所述保护膜，在除去膜的区域形成势垒层;

进行所述反电极用超导薄膜的制膜和图案成形;以及

形成通过所述势垒层使反电极与所述SQUID环弱连接的微桥。

4、一种制造DC-SQUID元件的方法，其特征在于它包括以下步骤：

使基板表面制成的超导薄膜图案成形，形成反电极;

用保护膜覆盖所述反电极上应形成约瑟夫逊结的位置及其附近规定范围;

再在该上面形成有所述保护膜的位置以外的其它位置形成超导膜制的调制线圈和输入线圈;

然后除去所述保护膜，在除去膜的区域形成势垒层;

进行所述SQUID环用超导薄膜的制膜及图案成形;以及

形成通过所述势垒层使SQUID环和所述反电极弱连接的微桥。

5、如权利要求3或4所述的DC-SQUID元件制造方法，其特征在于：

除去所述保护膜时，利用RIE或溅射蚀刻法除去该保护膜上形成的膜，再通过湿蚀刻法除去所述保护膜。

6、如权利要求5所述的DC-SQUID元件制造方法，其特征在于所述保护膜由铝（Al）或氧化镁（MgO）薄膜形成。

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