DE1230285B - Verfahren zum Vakuum-Aufdampfen duenner supraleitender Schichten, insbesondere aus Zinn oder Indium - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

C23c

Deutsche Kl.: 48 b-13/02

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

1230 285
J20594VIb/48b
29. September 1961
8. Dezember 1966

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufdampfen von supraleitenden Schichten im Vakuum mit dem Ziel, dünne Schichten mit steuerbaren und reproduzierbaren elektrischen Eigenschaften zu erhalten.

Das Aufbringen von Materialien auf eine Unterlage im Vakuum wird in vielen Gebieten der Technik angewendet. Allgemein bestehen die bekannten Verfahren im wesentlichen darin, daß das Überzugsmaterial im Vakuum erhitzt wird und dessen Dämpfe auf den zu beschichtenden Gegenstand oder die Unterlage geleitet werden. Diese Dämpfe können durch eine Schablone geleitet werden, so daß das Material in einer bestimmten geometrischen Anordnung auf die Unterlage aufgebracht wird. Mit fortschreitender Technik in vielen Anwendungsgebieten, zu denen z. B. die Magnetband- und die Supraleitertechnik gehören, hat sich in letzter Zeit die Notwendigkeit ergeben, extrem dünne Filmüberzüge zu schaffen, die einen höheren Grad an Einheitlichkeit aufweisen, als es bisher möglich war.

Es hat sich aber gezeigt, daß die elektrischen Eigenschaften von aufgedampften Überzügen oder Schichten bei den erzielten Ergebnissen vielfach nicht reproduzierbar sind. Unter scheinbar gleichen Bedingungen aufgedampfte Filmüberzüge weisen eine breite Streuung in ihrer Charakteristik auf. Die Möglichkeit zur Verwendung von Anordnungen mit aufgedampften dünnen Schichten, die aus magnetischen oder supraleitfähigen Materialien bestehen, in schnell arbeitenden Rechenanlagen hat es deshalb erforderlich erscheinen lassen, den Beitrag verschiedener Parameter für die Charakteristik aufgedampfter dünner Schichten näher zu untersuchen. Es hat sich herausgestellt, daß ein wichtiger Parameter zur Bildung der Charakteristik die Größe des Vakuums ist, in dem die Aufdampfung stattfindet. Im allgemeinen wurden bisher die meisten Aufdampfungen, bei denen die Reproduzierbarkeit der Ergebnisse nicht allgemein erreicht wurde, bei Drücken im Bereich von 10~⁶ bis 10~⁵ Torr mit Hilfe von Öldiffusionspumpen durchgeführt.

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Aufdampfung von supraleitenden Schichten bei einem Druck im Bereich von 10~⁶ bis 10~⁵ Torr, durch das dünne Schichten mit Steuer- und reproduzierbaren elektrischen Eigenschaften erhalten werden. Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren, das sowohl den Zeitaufwand als auch die Schwierigkeiten vermeidet, die zur Erzielung eines ultrahohen Vakuums nötig sind, erhält man dünne Schichten mit den verlangten Eigenschaften. Gemäß diesem Verfahren zum Vakuum-Auf dampfen dünner
supraleitender Schichten, insbesondere aus Zinn
oder Indium

Anmelder:

International Business Machines Corporation,

Armonk,N.Y.(V.St.A.)

Vertreter:

Dipl.-Ing. H. E. Böhmer, Patentanwalt,

Böblingen, Sindelfinger Str. 49

Als Erfinder benannt:
Hollis Leland Caswell,
Poughkeepsie, N.Y. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 3. Oktober 1960 (59 934)

Verfahren werden wahlweise bestimmte Restgase in dem Vakuumsystem auf geringere als die vorherbestimmten Teildrücke gepumpt, wie durch die Verdampfungsgeschwindigkeit des aufzubringenden Materials festgelegt. Nach diesem Verfahren werden die gasförmigen Verunreinigungen, die ganz besonders die wirksamen Eigenschaften des aufgebrachten Films beeinflussen, auf Drücke; reduziert, bei denen sie die Ausbildung dieser Eigenschaften nicht mehr beeinflussen können, mit dem Ergebnis, daß die aufgebrachte Schicht dann die erforderlichen steuer- und reproduzierbaren Merkmale aufweist. Außerdem erhält man nach dem erfindungsgemäßen Verfahren Schichten mit im wesentlichen einheitlichem Querschnitt. Im allgemeinen weisen dünne Schichten, die mit Hilfe einer Schablone aufgebracht werden, Kantenteile auf, die dünner als der Hauptteil der aufgebrachten Schicht sind. Dies beruht auf dem bekannten Schatteneffekt, den die Schablonenkanten erzeugen, sowie auf der Oberflächenbeweglichkeit der auf die Unterlage aufgebrachten Moleküle. Durch das wahlweise Pumpen der Partialdrücke bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden jedoch diese dünneren Randteile vom Mittellteil der Schicht durch das Fehlen von Kernbildungsstellen abgetrennt, die normalerweise durch die Restgase, die mit den Atomen des aufgedampften Materials zusam-

609 730/3«

menwirken, erzeugt werden, da diese Gase erfindungsgemäß wahlweise auf niedrige Teildrücke gepumpt worden sind.

Die Erfindung bezieht sich demnach auf ein verbessertes Vakuumaufdampfungsverfahren zum Herstellen von supraleitenden Schichten mit steuerbaren und reproduzierbaren elektrischen Eigenschaften, ohne daß ein ultrahohes Vakuum erzeugt wird.

Die sich ergebenden dünnen Schichten weisen eine größere Einheitlichkeit als die nach bisher bekannten Verfahren auf. Dies wird erreicht durch ein Vakuumaufdampfungsverfahren, bei dem wahlweise bestimmte Restgase abgepumpt werden. Die reproduzierbaren Eigenschaften werden dabei durch die Wechselbeziehung der Teildrücke der Restgase in dem Vakuumsystem und die Aufbringungsgeschwindigkeit des aufgedampften Materials festgelegt.

Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung sowie den nachstehend aufgeführten Zeichnungen. Es zeigt

F i g. 1 schematisch eine für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens benutzte Anordnung,

Fig. 2 Charakteristiken supraleitfähiger dünner Schichten, die nach verschiedenen Verfahren hergestellt sind,

Fig. 3 Charakteristiken einer nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten supraleitfähigen dünnen Schicht,

Fig. 4 das kritische magnetische Feld als Funktion der Arbeitstemperatur für supraleitfähige dünne Schichten, die verschiedene Mengen von Sauerstoff enthalten.

Die erwähnten elektrischen Eigenschaften sind das kritische Feld, d. h. das magnetische Feld, das nötig ist, um einen supraleitenden Leiter aus dem supraleitenden in den normalleitenden Zustand umzuschalten, der kritische Eigenstrom, d. h. der Maximalstrom, den ein supraleitender Leiter führen kann, bevor dieser Strom selbst den supraleitenden Zustand aufhebt, die Neigung der Ubergangskurve zwischen dem supraleitenden und dem normalleitenden Zustand und die thermischen und magnetischen Zeitkonstanten. Bei Verwendung von dünne Schichten verwendenden supraleitenden Schaltungen in größere Anordnungen, wie z. B. Rechenanlagen u. dgl., muß jedes der genannten Merkmale innerhalb enger Toleranzen genau steuerbar sein. Zum Beispiel muß jeder Leiter einer logischen Schaltung etwa den gleichen kritischen Feldwert haben, um sicherzustellen, daß ausgewählte Leiter im normalleitenden Zustand sind, wenn sie dem durch die zugeordneten Steuerleiter angelegten magnetischen Feld ausgesetzt werden.

Fig. 2 zeigt den Übergang zwischen dem supraleitenden und dem normalleitenden Zustand zweier dünner supraleitfähiger Schichten. Die Kurve 10 von F i g. 2 zeigt einen typischen Übergang, wie man ihn in einer bei einem Druck von etwa 10~⁶ bis 10~⁵ Torr aufgebrachten dünnen Zinnschicht erhält. Bei einem kleinen Meßstrom zur Anzeige des Widerstandes nach Kurve 10 muß das angelegte magnetische Feld stark erhöht werden, um einen vollständigen Übergang zwischen dem supraleitenden und dem normalleitenden Zustand zu erreichen. Die Kurve 12 zeigt den Übergang einer ebensolchen Zinnschicht, die im ültrahohen Vakuum von 10~⁹ Torr aufgebracht worden ist. Der Übergang zwischen den einzelnen Zuständen dieser Schicht ist im wesentlichen diskontinuierlich, d. h., für alle Werte des magnetischen Feldes unter etwa 75 Örsted besteht ein vollständig supraleitender Zustand, und für alle diese Feldstärke übersteigenden Werte erhält man einen völlig normalleitenden Zustand. Die Ubergangskurven für diese dünnen Schichten wurden jeweils bei einer Temperatur von 3,42° K erlangt. Die Kurve 12 gilt für alle in einem ultrahohen Vakuum aufgebrachten Filme, während die Kurve 10 nicht auf alle bei höheren Drücken aufgebrachte Filme zutrifft. Bei Drücken

ίο von etwa 10~^e bis 10~⁵ Torr sind einerseits dünne Schichten hergestellt worden, die ebenfalls einen abrupten Übergang zwischen den beiden möglichen Zuständen aufweisen, sowie andererseits Schichten, in denen selbst dann, wenn das angelegte magnetische Feld 600 Örsted übersteigt, kein völlig normalleitender Zustand entsteht. Gemäß F i g. 2 ist die Schaltgeschwindigkeit zwischen den Zuständen der Schicht, deren Kennlinie der Kurve 10 entspricht, infolge der erforderlichen großen Feldänderung not-

ao wendigerweise länger als die Schaltgeschwindigkeit einer Schicht mit der durch Kurve 12 dargestellten Kennlinie. Da also der abrupte Übergang zwischen den Zuständen einer Schicht mit einer der Kurve 12 entsprechenden Kennlinie bei einem niedrigeren Wert des angelegten magnetischen Feldes eintritt, weist dieser Film eine ihm eigene höhere Schallgeschwindigkeit bei gleichen Steuereigenschaften auf als die bei niedrigeren Drücken hergestellten Filme. Jedoch weisen auch Filme, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren mit einem Druck zwischen 10~⁶ und 10~⁵ Torr aufgebracht sind, die durch die Kurve 12 von F i g. 2 gezeigten Übergangsmerkmale auf.

Das Verfahren nach der Erfindung kann mit verschiedenen Arten von Vorrichtungen durchgeführt werden. Fig. 1 zeigt in schematischer Form eine Vorrichtung, bei der mit Erfolg das erfindungsgemäße Verfahren angewendet wurde. Mit dieser Vorrichtung ist ein Druck von 10~¹⁰ Torr zu erreichen, und ein Druck von 10~⁹ Torr läßt sich darin während eines Aufdampfungsvorganges aufrechterhalten. Da für das Verfahren nach der Erfindung nur ein Gesamtdruck von 10~⁶ bis 10~⁵ Torr nötig ist, sind nicht alle in F i g. 1 gezeigten Bauelemente erforderlich, und daher wird ihre Funktion nur ganz kurz umrissen. Die Vorrichtung nach Fig. 1 enthält eine Wasserstrahlpumpe 14, die als Vorpumpe arbeitet und an das System über ein Ventil 16 angeschlossen ist. Über die Rohrleitung 20 und ein Ventil 18 wird Stickstoff hoher Reinheit zugeführt. Eine Falle 22 mit flüssigem Stickstoff verhindert den Eintritt von Wasserdampf aus der Vorpumpe 14 in das System und kann wahlweise mit Hilfe des Ventils 24 von dem System abgetrennt werden. Eine Absorptionspumpe 26 arbeitet als zusätzliche Vorpumpe und ist an das System über ein Ventil 28 angeschlossen. Eine mit flüssigem Helium arbeitende Pumpe 30, an der ein erstes Vakuummeter 32 angeschlossen ist, reduziert den Gesamtdruck weiter unter den Wert, der mit der Kombination der beiden Vorpumpen 14 und 26 zu erzielen ist. Weiterhin wirkt eine erste Inonengetterpumpe 34 mit der Pumpe 30 zusammen, um den Druck weiter zu senken. Gegenüber der Pumpe 34 ist ein erster Massenspektrograph 36 angeordnet. Durch ein Ventil 38 können die Pumpen 14, 26 und 30, 34 von einer Vakuumkammer 40 getrennt werden. An der Kammer 40 sind eine weitere Ionengetterpumpe 42, ein zweiter Massenspektrograph 44, ein zweites Vakuummeter

46 und eine Rohrleitung 48 angebracht. Die Rohrleitung 48 führt über ein kalibriertes Ventil 52 zu einem Wasserstoffbehälter 50. Außerdem sind durch eine Fläche der Kammer 40 hindurch eine Falle 54 mit flüssigem Stickstoff und eine Vorrichtung 56 zur Temperaturreglung der Unterlage angeschlossen, auf die das Material aufgedampft wird. Die Kammer 40 enthält weiterhin die nötigen Bauelemente für die thermische Ablagerung von supraleitenden Materialien auf die Unterlage, nämlich einen Unterlagenhalter, einen Schablonenhalter, Verdampfungsquellen, Verschlüse und elektrische Heizgeräte.

Zunächst sei nun die Aufdampfung einer dünnen supraleitfähigen Schicht aus Zinn beschrieben. Das Aufdampfen des supraleitfähigen Materials auf die Unterlage geschieht bei einem Gesamtdruck im Bereich von 10~⁶ bis 10~⁵ Torr, wobei wahlweises Pumpen angewandt wird, um die Teildrücke von Sauerstoff, Wasserdampf und Kohlendioxyd auf vorherbestimmte Werte zu reduzieren. Die Wasserstrahlpumpe 16 reduziert zunächst den Druck in der Kammer 40 vom Atmosphärendruck auf etwa 10 Torr. Danach wird das Ventil 24 geschlossen, und die Absorptionspumpe 26 wird mit flüssigem Stickstoff abgekühlt, wodurch der Druck auf 10~³ Torr gesenkt wird. Hierauf werden die Ventile 28 und 38 geschlossen und die Ionengetterpumpe 42 in Betrieb gesetzt. Außerdem kann auch die mit dem Anschluß 54 verbundene Pumpe mit flüssigem Stickstoff abgekühlt werden, um eine höhere Pumpgeschwindigkeit zu erreichen. Die Pumpe 42 kann auch durch eine mit entsprechender Falle versehene Öl- oder Quecksilberdiffusionspumpe ersetzt werden. Wie aus nachstehendem hervorgeht, ist es aber besser, eine Ionengetterpumpe oder eine andere Ionenentladung zu verwenden, um eine zwangläufige Reinigung der Oberflächen in der Kammer 40 und insbesondere der darin angebrachten Unterlage zu erreichen. Die Pumpe 42 arbeitet, bis der Druck in der Kammer 40 auf etwa 10~⁵ Torr gesenkt worden ist. Jetzt wird die Unterlage 3 Stunden lang bei etwa 400 bis 450° C ausgeheizt, um den darin absorbierten Wasserdampf zu reduzieren. Dann wird die Unterlage auf Zimmertemperatur abgekühlt, und danach wird in an sich bekannter Weise ein Titangetter verdampft, um den Teildruck von Sauerstoff wahlweise zu reduzieren. Bei Verwendung einer Verdampfungsgruppe, die fortlaufend Titan verdampft, so daß eine frische Getterfläche erzeugt wird, braucht kein besonderes Titangetter verwendet zu werden. Durch diese Getterung kann wahlweise der Teildruck von Sauerstoff reduziert werden. Als nächster Schritt wird der mit dem Anschluß 54 verbundene Behälter mit flüssigem Stickstoff gefüllt, um den Teildruck von Kohlendioxyd wahlweise reduzieren zu können sowie zur Reduzierung des Teildrucks von Wasserdampf beizutragen. Jetzt wird das Ventil 52 geöffnet, um Wasserstoff bei einem geregelten Druck von etwa 10"⁵ Torr einfließen zu lassen. Dieser Verfahrensschritt ist insofern vorteilhaft, als Wasserstoff zusätzlich den Teildruck von Sauerstoff durch Bildung von Wasserdampf auf den erhitzten Glühdrähten und Quellen reduziert. Außerdem wird ein Teil des Wasserstoffs durch die Ionengetterpumpe ionisiert und kann dadurch zusätzlich die Unterlage und die Wände der Kammer 40 reinigen. Nach diesen Verfahrensschritten zeigt der Massenspektrograph 44 an, daß der Teildruck von Sauerstoff unter 1Ö~⁷ Torr, der Teildruck von Wasser unter 10~⁶ Torr, der Teildruck von Kohlendioxyd unter 10~⁷ Torr und der Teildruck aller übrigen Gase in dem System jeweils unter 10~⁵ Torr liegen, und das Vakuummeter 46 zeigt einen Gesamtdruck zwischen 10~~⁶ und 10~⁵ Torr an. Als letzter Verfahrensschritt wird dann das Zinn durch die Schablone hindurch auf die Unterlage mit einer Geschwindigkeit von 50 bis 100 A/sec aufgedampft.

ίο In F i g. 3 sind die Übergänge zwischen dem supraleitenden und dem normalleitenden Zustand als Funktion der Temperatur einer gemäß den beschriebenen Schlitten hergestellten dünnen Zinnschicht dargestellt. Die Ubergangskurve 58 ergibt sich bei einer Temperatur von 3,39° K und die Kurve 60 bei einer Temperatur von 1,69° K. Der Übergang zwischen beiden Zuständen ist im wesentlichen abrupt, d. h., der Film ist völlig supraleitend unterhalb der kritischen Feldstärke und völlig normalleitend bei

so einem diesen Wert überschreitenden Feld. Der durch Kurve 60 in F i g. 3 veranschaulichte Übergang tritt bei einer angelegten Feldstärke von etwa 330 Örsted auf, die gegenüber der der Kurve 12 in F i g. 2 relativ groß ist und ist allein durch die reduzierte Arbeitstemperatur bedingt; denn bekanntlich erhöht sich die kritische magnetische Feldstärke mit abnehmender Arbeitstemperatur. Einen besseren Begriff von den nach dem Verfahren gemäß der Erfindung hergestellten dünnen Schichten erhält man an Hand von Fig. 4, die die kritische magnetische Feldstärke als Funktion der Temperatur darstellt, für Filme, die in einem ultrahohen Vakuum hergestellt sind, für Filme, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt sind, und für Filme, die unter Zuführung bestimmter Sauerstoffmengen hergestellt sind. Eine ähnliche Kurvenschar erhält man für die meisten anderen Gase, insbesondere für Wasser und Kohlendioxyd, bei denen ebenfalls Abweichungen von den Eigenschaften der im ultrahohen Vakuum aufgebrachten Filme auftreten, wenn auch geringere als die in F i g. 3 gezeigten. Die Kurve 62 wurde für eine im ultrahohen Vakuum aufgebrachte dünne Schicht erhalten. Die Kurve 64 bezieht sich auf eine Schicht, die bei einem Druck zwischen 10~⁶ und 10"⁵ Torr nach dem erfindungsgemäßen Verfahren aufgebracht worden ist. Diese Kurven decken einander fast Punkt für Punkt, was beweist, daß die magnetischen Übergänge von dünnen Schichten, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt sind, denen, die im ultrahohen Vakuum hergestellt sind, im wesentlichen gleichen. Weiterhin zeigt in F i g. 4 die Kurve 66 die Kennlinie für einen Film, der unter Zuführung eines gesteuerten Teildrucks von Sauerstoff aufgebracht worden ist, wobei das Verhältnis der Sauer-Stoffmoleküle zu den auf die Unterlage auftreffenden Zinnatomen auf etwa 3% gehalten wurde. Die Kurven 68 und 70 stellen die weitere Abweichung von der Kennlinie der im ultrahohen Vakuum aufgebrachten Schicht dar, wenn das Verhältnis von Sauerstoffmolekülen zu Zinnatomen auf 6 bzw. 9*/o erhöht wird. Aus änlichen Kurvenscharen, die für die anderen in konventionellen Vakuumsystemen vorliegenden Gase erlangt werden, lassen sich auch Grenzwerte für das nachstehend mit K bezeichnete Verhältnis der betreffenden Gasmoleküle zu Zinnatomen festlegen, die in der Tabelle aufgeführt sind und in den nachstehenden Beschreibungsteilen weiter besprochen werden.

Tabelle

Gas	Wert des Koeffizienten K unter
Sauerstoff Wasser Kohlendioxyd Stickstoff Wasserstoff Kohlenoxyd Argon Summe aller Gase	0,1% IVo 1% 200 Vo 200% 2OO«/o 200% 300%

Bei der Herstellung dünner supraleitender Schichten wurde bisher angenommen, daß die Schichtmerkmale durch die darin enthaltenen Verunreinigungen beeinflußt würden. In herkömmlichen Aufdampfungsvorrichtungen hergestellte dünne Supraleiterschichten weisen eine Änderung in der Stärke auf, die an den Schichträndern am größten ist. Bei Entfernung dieser Ränder ergeben sich supraleitfähige Schaltungselemente mit steuerbaren und reproduzierbaren Merkmalen. Nach dem Verfahren gemäß der Erfindung werden die Ränder der aufgebrachten Schicht elektrisch von dem Hauptteil der aufgebrachten Schicht wie folgt getrennt: Zunächst werden die Unterlagen vor dem Einbringen in das Vakuumsystem gründlich gereinigt. Unter anderem erfolgt eine Reinigung mit Äthylalkohol in einem Ultraschallreinigungsgerät, und außerdem wird die Unterlage bei hoher Temperatur in dem Vakuumsystem ausgeheizt, um den an ihr haftenden Wasserdampf zu entziehen. Dann werden die Teildrücke von Wasser, Sauerstoff und Kohlendioxyd wahlweise reduziert, und fernerhin wird das Eindringen der schwereren Kohlenwasserstoffverbindungen in das System vorzugsweise durch Verwendung einer Ionengetterpumpe oder auch einer mit Auffangvorrichtung versehenen Diffusionspumpe verhindert. Zusammengenommen verhindern diese Verfahrensschritte die Bildung von Kernbildungsbereichen unter dem Schatten der Schablone, die die Herstellung kontinuierlicher dünner Schichten außerordentlich erschweren, bis die Stärke der Ränder über 2000 Angströmeinheiten liegt. Die hier berücksichtigten dünnen Schichten haben eine Stärke in der Größenordnung von 3000 bis 5000 Angströmeinheiten, und die Randteile erreichen keine ausreichende Stärke, um die dünneren Ränder mit dem Mittelteil der aufgebrachten Schicht zu verbinden. Jedoch sind in herkömmlichen Systemen, die auf einen Druck von etwa 10~⁶ bis 10~⁵ Torr evakuiert wurden, die Teildrücke von Sauerstoff, Wasser und Kohlendioxyd auf etwa 10~⁶ Torr reduziert worden, und bei diesem Teildruck erreicht K einen Wert zwischen 1 und 10%. Wenn K für jedes dieser Gase diesen Wert hat, entstehen Kernbüdungsbereiche, die die Verbindung der dünneren Randteile, deren Stärke zwischen nahe 0 und 500 Angströmeinheiten liegt, mit dem Mittelteil der Schicht ermöglichen.

Der Koeffizient K, der das Verhältnis der Moleküle eines bestimmten Gases zu der Zahl von auf die Unterlage auftreffenden Atomen des Materials darstellt, ist eine Funktion sowohl des Partialdrucks des betreffenden Gases als auch der Geschwindigkeit, mit der das Material verdampft und durch die Schablone geleitet wird. Dies ergibt sich, da die Zahl der auf die Unterlage auf treffenden Moleküle des Materials notwendigerweise eine Funktion der Geschwindigkeit ist, mit der das Material die Verdampfungsquelle verläßt, d.h. derAufdampfungsgeschwindigkeit. Abgesehen davon zeigt der Partialdruck des Gases die Anzahl der im System vorhandenen Moleküle an, und für den hier berücksichtigten Druckbereich wird die mittlere freie Weglänge in einem konventionellen System durch die Dimensionen des Systems bestimmt, so daß die Anzahl der auf die

ίο Unterlage auftreffenden Gasmoleküle daher eine Funktion der im System vorhandenen Anzahl von Molekülen ist. Bei Verwendung höherer Aufdampfungsgeschwindigkeiten sind also höhere Partialdrücke der kritischen Gase zulässig, und umgekehrt müssen bei Verwendung niedrigerer Aufdampfungsgeschwindigkeiten die Partialdrücke der kritischen Gase entsprechend reduziert werden. Die Aufdampfungsgeschwindigkeit des Materials muß aber hoch genug sein, um eine brauchbare Körnchengröße in einem aufgebrachten Film zu erlangen. Die Aufdampfungsgeschwindigkeit wird jedoch trotzdem begrenzt, einmal, um das Sprühen des geschmolzenen Materials zu verhindern, und zum anderen, um die Höhe der Gasaustreibung aus dem verdampften Maas terial zu begrenzen. Aus diesem Grunde wird im allgemeinen ein zwischen 50 und 100 Ä/sec liegender Bereich von Aufdampfungsgeschwindigkeiten bevorzugt. Außerdem ist es allgemein erwünscht, den Partialdruck jedes einzelnen der Gase in dem System auf etwa 10~⁵ Torr zu begrenzen, so daß sich die erwähnte Bedingung ergibt, nämlich daß die mittlere freie Weglänge der Gasmoleküle in dem System durch die Dimensionen des Systems selbst bestimmt wird, um eine im wesentlichen einheitliche Gasdichte im gesamten Volumen des Systems zu erreichen und um außerdem eine Streuung des verdampften Materials durch die Restgasmoleküle zu verhindern.

Aus den vorstehenden Ausführungen geht hervor, daß es zur Schaffung supraleitfähiger dünner Schichten hohen Reinheitsgrades mit scharfen magnetischen Übergängen, die bei steuerbaren und vorhersagbaren Werten der angelegten magnetischen Feldstärke auftreten, nicht nötig ist, den Gesamtdruck in einem Vakuumsystem auf einen sehr niedrigen Wert zu reduzieren, bevor die thermische Aufdampfung des supraleitfähigen Materials stattfindet. Es ist vielmehr nur nötig, bei konventionellem Vakuumdruck die Partialdrücke mehrerer kritischer Gase zu reduzieren. Von den verschiedenen Gasen ist Sauerstoff des bei der Beeinflussung der magnetischen Übergänge schädlichste und muß daher besonders auf den niedrigsten Teildruck reduziert werden. Die nächstwichtigen Gase sind Wasserdampf und Kohlendioxyd, die zunächst je besonders auf beträchtlich unter dem Gesamtdruck des Systems liegende Teildrücke gepumpt werden müssen. Um jedoch dünne Schichten mit reproduzierbaren und steuerbaren Merkmalen zu erlangen, muß jedoch die Oberfläche der Unterlage, auf die das Material aufgebracht wird, absolut sauber sein und außerdem einem Ausheizvorgang im Vakuum bei hoher Temperatur unterworfen werden, um den daran haftenden Wasserdampfgehalt zu reduzieren. Außerdem müssen wie in der konventionellen Vakuumtechnik bei Verwendung einer Öldiffusionspumpe zur Erreichung des endgültigen Gesamtdrucks die Teildrücke der verschiedenen aus der Diffusionspumpe in das Vakuumsystem eindringenden Kohlenwasserstoffverbin-

düngen auf niedrigen Werten in der Größenordnung von 10~⁵ Torr gehalten werden. Es ist also gezeigt worden, daß bevorzugtes Pumpen vorherbestimmter kritischer Gase sowie durch Verwendung einer entsprechenden Aufdampfungsgeschwindigkeit des supraleitfähigen Materials supraleitfähige dünne Schichten hoher Reinheit mit scharfen und vorherbestimmbaren kritischen Feldübergängen erreicht werden, ohne daß eine Einrichtung zur Erzeugung eines ultrahohen Vakuums verwendet wird und ohne den Aufwand an Zeit, der sonst zur Erreichung eines ultrahohen Vakuums erforderlich ist.

Weiterhin kann das Verfahren nach der Erfindung bei der Herstellung dünner Schichten anderer supraleitfähiger Materialien angewandt werden, um Schichten mit steuerbaren und reproduzierbaren Merkmalen zu erhalten. Zum Beispiel ist Indium ein weiteres für Supraleiterschaltungen geeignetes Material. Da die Verfahrensschritte zur Erreichung dünner Indiumschichten mit steuerbaren und reproduzierbaren Merkmalen den oben genauer beschriebenen Schritten zur Bildung von Zinnschichten gleichen, werden sie nicht noch einmal aufgeführt. Durch wahlweises Pumpen von Sauerstoff, wodurch der Wert von K auf unter 0,1% reduziert wird, erhält man die gewünschten Schichten wie beim Zinn, vorausgesetzt, die Partialdrücke der übrigen Restgase liegen jeder bei etwa 10~⁵ Torr. Außerdem beeinflußt das Vorliegen von Wasserdampf und Kohlendioxyd nicht wie bei Zinn die Filmeigenschaften oder die Abtrennung der Ränder.

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Vakuum-Aufdampfen einer dünnen, supraleitenden Schicht, insbesondere aus Zinn oder Indium, mit reproduzierbaren elektrischen Eigenschaften, auf ausgeheizte Unterlagen, dadurch gekennzeichnet, daßdiesupraleitende Schicht nach Einstellen des Gesamtdruckes auf 10~⁵ bis 10~⁶ Torr, wobei die Partialdrücke bestimmter schädlicher Restgase, insbesondere von Sauerstoff, Wasserdampf und Kohlendioxyd, jeweils auf kleinere Drücke als ΙΟ"⁷ Torr gebracht werden, auf die Unterlage mit einer Aufdampfgeschwindigkeit von 50 bis 100 A/sec aufgebracht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgende aufeinanderfolgende Verfahrensschritte, die bei ständigem Anschluß an eine Ionengetterpumpe durchgeführt werden:

1. 3-Srunden-Ausheizen der Unterlage bei einem Druck von 10~⁵ Torr und einer Temperatur von 400 bis 450° C sowie anschließendes Abkühlen auf Zimmertemperatur.

2. Reduzieren des Partialdruckes von Sauerstoff durch Gettern mit Titan.

3. Reduzieren der Partialdrücke von Wasserdampf und Kohlendioxyd mittels einer Falle mit flüssigem Stickstoff.

4. Einlassen von Wasserstoff unter Einhalten eines Druckes von 10~⁵ Torr.

5. Aufdampfen der supraleitenden Schicht auf die Unterlage mit einer Verdampfungsgeschwindigkeit von 50 bis 100 A/sec.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Partialdrücke mit Hilfe eines Massenspektrographen gemessen werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterlage mit einer Schablone abgedeckt wird, so daß nur bestimmte Bereiche der Unterlage mit einer supraleitenden Schicht überzogen werden.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschrift Nr. 1047 982;
»Vakuum-Technik«, 1959, S. 95.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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