CN1234176C - 耐熔微掩模法制备高温超导Josephson结的方法 - Google Patents
耐熔微掩模法制备高温超导Josephson结的方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN1234176C CN1234176C CN03131541.0A CN03131541A CN1234176C CN 1234176 C CN1234176 C CN 1234176C CN 03131541 A CN03131541 A CN 03131541A CN 1234176 C CN1234176 C CN 1234176C
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- mask
- film
- ybco
- microbridge
- josephson junction
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 36
- 230000008569 process Effects 0.000 title abstract description 9
- 239000010408 film Substances 0.000 claims abstract description 36
- NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-N Phosphoric acid Chemical compound OP(O)(O)=O NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 30
- 229910021521 yttrium barium copper oxide Inorganic materials 0.000 claims abstract description 29
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 24
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 claims abstract description 23
- 229910000147 aluminium phosphate Inorganic materials 0.000 claims abstract description 15
- 238000005530 etching Methods 0.000 claims abstract description 13
- 239000010409 thin film Substances 0.000 claims abstract description 11
- 229920002120 photoresistant polymer Polymers 0.000 claims abstract description 7
- 238000001020 plasma etching Methods 0.000 claims abstract description 6
- 239000013078 crystal Substances 0.000 claims description 38
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 claims description 14
- 239000002887 superconductor Substances 0.000 claims description 11
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 claims description 9
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 claims description 9
- 229910002367 SrTiO Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims description 3
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims description 3
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 claims description 3
- 238000011065 in-situ storage Methods 0.000 claims description 3
- 238000004549 pulsed laser deposition Methods 0.000 claims 1
- 230000000007 visual effect Effects 0.000 claims 1
- 239000012528 membrane Substances 0.000 abstract description 5
- CETPSERCERDGAM-UHFFFAOYSA-N ceric oxide Chemical compound O=[Ce]=O CETPSERCERDGAM-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract 3
- 229910000422 cerium(IV) oxide Inorganic materials 0.000 abstract 3
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 abstract 1
- MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N Zirconium dioxide Chemical compound O=[Zr]=O MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 description 3
- 238000003486 chemical etching Methods 0.000 description 3
- 239000003989 dielectric material Substances 0.000 description 3
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 3
- 238000001259 photo etching Methods 0.000 description 3
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000005668 Josephson effect Effects 0.000 description 2
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 2
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 230000003628 erosive effect Effects 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 2
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 2
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000000725 suspension Substances 0.000 description 2
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000002253 acid Substances 0.000 description 1
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 1
- 238000007796 conventional method Methods 0.000 description 1
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 1
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 1
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 1
- 230000007812 deficiency Effects 0.000 description 1
- 238000000407 epitaxy Methods 0.000 description 1
- 239000003292 glue Substances 0.000 description 1
- 229910052738 indium Inorganic materials 0.000 description 1
- APFVFJFRJDLVQX-UHFFFAOYSA-N indium atom Chemical compound [In] APFVFJFRJDLVQX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000012212 insulator Substances 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 239000000155 melt Substances 0.000 description 1
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 1
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 1
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005498 polishing Methods 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 1
- 238000009736 wetting Methods 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Superconductor Devices And Manufacturing Methods Thereof (AREA)
Abstract
耐熔微掩模法制备高温超导Josephson(约瑟夫森)结的方法，利用耐融微掩模法制备，选用常规或双晶或台阶基片，用原位制备法在基片上制备CeO2/YBCO双层膜，YBCO作为底层介质膜同时起到悬挂微掩模层的支撑作用，在上述双层膜上制备光刻胶掩模，曝光显影后得到微桥图形；用等离子刻蚀法将微桥区的CeO2膜刻去制备出CeO2掩模；用稀磷酸腐蚀微桥区部分的YBCO膜，使得底层的YBCO彻底去除干净；放入成膜系统中生长出所需要图形的高温超导薄膜，直接形成Josephson结。利用此方法可以避免刻蚀工艺对超导器件性能的影响，制备高质量的高温超导Josephson结。
Description
一、技术领域
本发明涉及一种制备高温超导Josephson(约瑟夫森)结的方法，尤其是利用耐熔微掩模制备高温超导Josephson结的方法。
二、背景技术
超导Josephson结又称为弱连接结。所谓弱连接是指两块超导体通过某种方式形成弱耦合的结构。Josephson曾预言在超导体一绝缘体(势垒层)一超导体(SIS)隧道结结构中，两侧超导体通过势垒层相互耦合，当势垒层足够薄时将会出现奇特的物理现象，即Josephson效应。事实上，Josephson效应不仅发生在SIS型超导隧道结上，而且可以在其他多种类型的弱连接结构上观察到。高温超导发现至今，已经发展出许多人工可控的高温超导Josephson结技术，比较成功的有双晶晶界结、台阶衬底结、台阶边缘结、双外延结和邻近效应结(Gross et al.，Appl.Phys.Lett.，57(1990)727、D.Dmios et al.，Phys.Rev.B，41(1990)4031、D.Koelle et al.，Appl.Phys.Lett.63(1993)2271、杨乾声，高温超导约瑟夫森结技术及其应用，物理1995年03期)。
根据不同的应用目的，对Josephson结的特性有不同要求。如对高频应用，希望结电容小；对数字电路应用，要求RIc大；对混频器应用，要求非线性好[5]。
双晶结是利用双晶衬底上外延生长高温超导薄膜，形成人工晶界而构成的弱连接结。D.Dimos等人首先成功制备了双晶结(D.Dmios et al..Phys.Rev.Lett..61(1988)219)。实验表明超导薄膜跨越双晶晶界的电流密度Jc比无晶界区域的电流密度低2-3个数量级，因此可以利用这一特点构成弱连接结。与其他薄膜结相比，双晶结制备工艺比较简单，结特性一致性比较好，成品率高，重复性好。由于双晶结用于谐波混频表现出良好的高频特性[8][9]，并且双晶衬底已经商品化，结参数稳定，能够满足毫米波段的混频实验的要求，所以我们选择在双晶衬底上制备高温超导Josephson结。
一般方法制备Josephson结主要的工艺流程是：在衬底基片上生长一层超导薄膜，光刻图形，后期刻蚀超导薄膜等三个步骤。在后期刻蚀这一步，一般采用两种方法：一是化学刻蚀的方法，即用稀磷酸将薄膜的多余部分腐蚀掉；另一种是反应离子刻蚀的方法。经过后期刻蚀形成我们所需要的Josephson结。但是这一步对结参数的影响是比较大的，无论哪一种方法都会降低结的性能。在化学刻蚀中，经常不可避免地会存在一些磷酸溶液残留的现象，特别是在结区等微小区域，磷酸不易去除干净，造成磷酸对薄膜的缓慢腐蚀，同时YB2C3O7-δ薄膜与水的接触也会对膜特性造成负面影响，这些都将影响薄膜的性质，如临界温度、临界电流等。在反应离子刻蚀中，虽然避免了水和酸与YB2C3O7-δ薄膜的接触，但由于不可避免有温度升高，当温度高于400摄氏度时，YB2C3O7-δ薄膜在非氧环境下极易失氧，影响超导电性。例如，在实验中发现，化学刻蚀前后同一样品的Tc至少有3K的降低，甚至有的由于操作不谨慎导致超导薄膜变成半导体特性，低温下失去了超导特性。这就促使我们寻找新的工艺来避免后期刻蚀对结参数下降的影响。
三、发明内容
本发明目的是提供一种克服上述方法的不足，保证Josephson结参数不改变的耐熔微掩模制备法。
本发明目的是这样实现的：选用常规或双晶或台阶基片，用原位制备法在基片上制备CeO2/YBCO双层膜，YBCO作为底层介质膜同时起到悬挂微掩模层的支撑作用，CeO2薄膜是作为刻蚀YBCO膜时的掩摸层；在上述双层膜上制备光刻胶掩模，用原微桥的负版做掩模板，曝光显影后得到微桥图形；用等离子刻蚀法将微桥区的CeO2膜刻去制备出CeO2掩模；用稀磷酸腐蚀微桥区部分的YBCO膜，使得底层的YBCO彻底去除干净；放入成膜系统中生长出所需要图形的高温超导薄膜，直接形成Josephson结。
所述超导薄膜可以为YB2C3O7-δ薄膜，Josephson结可以为双晶结或台阶等，其基片可选YSZ(氧化锆)、MgO、SrTiO3双晶基片。
耐熔微掩模制备法就是一种不使用后期刻蚀而制备Josephson结的新的工艺。这种工艺利用其它耐熔介质材料取代光刻胶作为微掩模，利用原来图形的负片进行光刻，然后直接制备出所需要图形的超导YB2C3O7-δ薄膜，一次成结，避免了后期刻蚀超导YB2C3O7-δ薄膜引起的结参数下降，可以提高Josephson结的转变温度等特性参数。并且在耐熔微掩模形成之后只需要一次生长成膜，增加了结的一致性和可重复性。在此方法中关键是选择合适的耐熔介质材料，它具体的要求是：不是导电体、能够耐高温、成膜工艺简单的材料，一般采用YBCO膜作为耐熔介质材料，在制备过程中调节成膜温度，可以得到常温电阻率大于10-1Ω·cm的薄膜。在实施例中采用YBCO/CeO2的多层掩模技术，制备了用于高温超导混频器的Josephson双晶结。
四、附图说明
图1为本发明以前的方法在湿刻前后Josephson双晶结转变温度的变化图
图2为本发明工艺流程图，图中1是倒角、2为衬底
图3为本发明耐熔微掩膜示意图
图4所示为用稀磷酸腐蚀后形成的倒角照片
图5为本发明Josephson双晶结8mm微波辐照的夏皮洛(Shapiro)台阶
五、具体实施方式
本发明耐融微掩模法制备的主要工艺：
在制备高温超导混频器的Josephson双晶结的工艺中，采用了耐融微掩模法。利用耐融微掩模法制备Josephson双晶结工艺流程如图2所示，其主要的工艺简单介绍如下：
选用单面抛光的YSZ(氧化锆)双晶基片(5mm×10mm)，双晶夹角24°。
1、采用原位制备法在YSZ衬底上制备CeO2/YBCO双层膜，如图2(a)所示。CeO2大约1500厚，YBCO层大于5000厚。该层YBCO是作为介质膜同时起到悬挂微掩模层的支撑作用，不希望其超导，因此是在350摄氏度条件下淀积而成，CeO2薄膜是作为稀磷酸腐蚀介质YBCO膜时的掩模层。一般而言，介质膜YBCO膜的典型制备工艺参数为：在300-650℃条件下淀积而成，厚度为4000-8000，稀磷酸腐蚀中，要过腐刻蚀以形成倒角。
2、在上述样品上制备光刻胶掩模，图2(b)所示，即采用双晶结的微桥掩模的负版进行光刻，在CeO2/YBCO上甩约2μm的AZ胶(美国AZ化学用品有限公司生产)，用微桥的负版做掩模板(5μm×30μm)，曝光显影后得到微桥图形。
3、制备CeO掩模，如图2(c)所示。利用等离子刻蚀法将微桥区的CeO2层刻去，在时间控制上应注意，要保证将微桥区的CeO2完全刻掉，因此稍微有一点过刻蚀比较好。
4、用稀磷酸腐蚀微桥区部分的YBCO，如图2(d)所示，使得过腐蚀后形成倒角并且保证底层的YBCO彻底去除。倒角的目的是形成悬挂微掩模，这样能够防止在制备超导的YB2C3O7-δ薄膜中因侧向沉积，而造成的桥区内外沾连。至此，微掩模的制备工作已经完成。
5、放入PLD系统(脉冲激光沉淀系统)中制备超导的YB2C3O7-δ薄膜，如图2(e)所示，这样跨晶界的微桥结就形成了。
6、然后淀积Ag电极，压铟引导线，用四端子法测量结的电流、电压特性。在实验条件的摸索过程中，我们发现作为微掩模的YBCO层厚度的控制十分重要。如果YBCO层太厚，在进行湿刻时磷酸很快就渗入到微掩模层内部，使整个悬挂微掩模层倒塌；如果YBCO层太薄，则由于在成膜过程中存在着侧向沉积，将可能造成桥区内外沾连，而无法制备出Josephson双晶结，同时在湿刻中不太容易形成很好的倒角，也易造成沾连。Josephson结的基片还可选YSZ、MgO、SrTiO3双晶基片，这些均为常用的Josephson结的基片材料，工艺亦然。
Josephson结可以为双晶结或台阶。
图4所示为用稀磷酸腐蚀后形成的倒角照片，从照片可以看出，磷酸腐蚀向里面深入了大约5μm，形成了我们所需要的悬挂微掩模。
利用耐熔微掩模工艺，我们在5mm×10mmYSZ双晶基片上制备了高温超导Josephson双晶结，并采用四端子法在液氮条件下测量了双晶结的电流电压关系曲线。此结在77K时，临界电流Ic约为500μA。对该结加上8mm的微波辐照后，有明显的夏皮洛(Shapiro)台阶出现。
从图5我们可以看出，该结的正常态电阻偏小。我们推测可能有以下原因：一是有可能悬挂微掩膜的某些局部有倒塌现象，导致超导的下层的YB2C3O7-δ层和微掩模上层的YB2C3O7-δ相连；二是由于过腐蚀使桥区宽度增大；第三个原因由于双晶基片蒸上大于5000厚的YBCO膜以后晶界不可见，而微桥负版掩模板的桥区长度只有30μm，并不能保证光刻时桥区恰好垂直跨越晶界，如桥区边缘恰好跨在晶界上，这些都将使桥区宽度增大。因此今后的的工作将致力于解决这些问题，调整工艺参数，从而进一步完善耐熔微掩模制备工艺。这一制备工艺可以广泛用于高温超导结以及高温超导平面电路的制备中。
Claims (3)
1、耐熔微掩模制备高温超导约瑟夫森结的方法，其特征是利用耐熔微掩模法制备，选用常规或双晶或台阶基片，用原位制备法在基片上制备CeO2/YBCO双层膜，YBCO作为底层介质膜同时作为悬挂微掩模层支撑高温超导薄膜，CeO2薄膜是作为刻蚀YBCO膜时的光刻掩模层；在上述双层膜上制备光刻胶层，用微桥掩模的负版做掩模板，曝光显影光刻胶层后得到微桥区图形的光刻胶掩模；用等离子刻蚀法将微桥区的CeO2膜刻去制备出CeO2掩模；用稀磷酸腐蚀微桥区图形部分的YBCO膜，使得底层的YBCO彻底去除干净；放入脉冲激光淀积成膜系统中生长出所需要图形的高温超导薄膜，直接形成约瑟夫森结。
2、根据权利要求1所述的耐熔微掩模制备高温超导.约瑟夫森结的方法，其特征是超导薄膜为YB2C3O7-δ薄膜，约瑟夫森结为双晶结或台阶，其基片选YSZ、MgO或SrTiO3双晶基片。
3、根据权利要求1所述的耐熔微掩模制备高温超导.约瑟夫森结的方法，其特征是介质膜YBCO膜的典型制备工艺参数为：在300-650℃条件下淀积而成，厚度为4000-8000，稀磷酸腐蚀中，过腐刻蚀以形成倒角。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN03131541.0A CN1234176C (zh) | 2003-05-23 | 2003-05-23 | 耐熔微掩模法制备高温超导Josephson结的方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN03131541.0A CN1234176C (zh) | 2003-05-23 | 2003-05-23 | 耐熔微掩模法制备高温超导Josephson结的方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN1461063A CN1461063A (zh) | 2003-12-10 |
| CN1234176C true CN1234176C (zh) | 2005-12-28 |
Family
ID=29591212
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN03131541.0A Expired - Fee Related CN1234176C (zh) | 2003-05-23 | 2003-05-23 | 耐熔微掩模法制备高温超导Josephson结的方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN1234176C (zh) |
Families Citing this family (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102586740B (zh) * | 2012-02-27 | 2013-09-04 | 浙江理工大学 | 一种双层膜超导整流器件的制备方法 |
| CN103117360B (zh) * | 2013-01-21 | 2015-06-24 | 西安理工大学 | 有机氧化镍电阻存储器薄膜的制备及其电学性能测试方法 |
| US9559284B2 (en) * | 2015-03-17 | 2017-01-31 | Globalfoundries Inc. | Silicided nanowires for nanobridge weak links |
| CN105576115B (zh) * | 2015-12-24 | 2018-04-17 | 南京大学 | 一种双面结高温超导bscco太赫兹源的制备方法 |
| CN105702567A (zh) * | 2016-02-03 | 2016-06-22 | 南京工程学院 | 高温超导结的制备方法及其超导临界电流的计算方法 |
| CN105742478B (zh) * | 2016-03-17 | 2018-06-26 | 南京大学 | 一种铁基单晶超导微桥的制备方法 |
| CN107275472A (zh) * | 2017-07-03 | 2017-10-20 | 中国科学院物理研究所 | 高温超导薄膜纳米桥结制备方法 |
| CN111613661B (zh) * | 2019-02-22 | 2024-03-26 | 中国科学院物理研究所 | 隧道结、其制备方法和应用 |
| CN114122247B (zh) * | 2020-08-31 | 2024-08-16 | 本源量子计算科技（合肥）股份有限公司 | 一种超导约瑟夫森结以及量子芯片的制备方法 |
-
2003
- 2003-05-23 CN CN03131541.0A patent/CN1234176C/zh not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN1461063A (zh) | 2003-12-10 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN1234176C (zh) | 耐熔微掩模法制备高温超导Josephson结的方法 | |
| US5134117A (en) | High tc microbridge superconductor device utilizing stepped edge-to-edge sns junction | |
| EP0329603A2 (en) | Grain boundary junction devices using high-TC superconductors | |
| Cai et al. | Completely etch-free fabrication of multifilamentary coated conductor using inkjet printing and electrodeposition | |
| Smilde et al. | Y-Ba-Cu-O/au/nb ramp-type josephson junctions | |
| Xie et al. | Etching Sr3Al2O6 sacrificial layer to prepare freestanding GBCO films with high critical current density | |
| Liu et al. | The effect of heat treatment temperature on superconductivity of Bi-2212/YBCO heteroepitaxial structure fabricated by chemical solution deposition approach | |
| CN1111314C (zh) | 高温超导薄膜衬底台阶本征约瑟夫森结阵及其制备方法 | |
| Smilde et al. | Realization and properties of ramp-type YBa2Cu3O7− δ/Au/Nb junctions | |
| CN1234133C (zh) | 高温超导层的制备方法 | |
| CN1154004A (zh) | 高温超导平面薄膜本征约瑟夫森结阵及其制备方法 | |
| JP2002009353A (ja) | バイクリスタル酸化物超電導膜体及び該膜体を用いた高温超電導ジョセフソン接合素子並びに超電導量子干渉素子 | |
| Liu et al. | Preparation of Bi 2 Sr 2 CaCu 2 O 8+ δ-YBa 2 Cu 3 O 7− δ Bilayer Films by Acetate Based Photosensitive Sol-Gel Method | |
| Cho et al. | J c enhancement of electrophoretically deposited YBa2Cu3O7− δ superconducting wire by BaF2 addition | |
| JPH06302872A (ja) | 酸化物超電導薄膜上に上層の薄膜を積層する方法 | |
| Chrisey | Progress in the first ten years of HTS film growth | |
| JP2955641B2 (ja) | イン サイチュー型ジョセフソン接合構造 | |
| Talvacchio et al. | Lattice-matched, large-grain HTS films for reproducible Josephson junctions | |
| CA2169912A1 (en) | Metal electrode for superconducting current path formed of oxide superconductor material and superconducting device utilizing thereof | |
| WO2019224830A1 (en) | Fault current limiter | |
| KR100267974B1 (ko) | 고온초전도에스엔에스(sns)조셉슨접합소자의제조방법 | |
| Villard et al. | Critical current under magnetic field of Bi/sub 2/Sr/sub 2/Ca/sub 1/Cu/sub 2/O/sub 8+/spl delta///Ag tapes synthesized by electroplating | |
| DE4227163C2 (de) | Josephson-Kontakt zwischen zwei Leiterstücken aus Hoch-T¶c¶-Supraleitermaterial und Verfahren zur Herstellung dieses Kontaktes | |
| Jia et al. | High-temperature superconductor edge-geometry SNS junctions with engineered normal-metal layers | |
| Hu et al. | Influence of tilting of SrTiO3 substrates on the morphology and superconductivity of YBa2Cu3O7− δ thin films |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| C19 | Lapse of patent right due to non-payment of the annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |