DE19516608A1

DE19516608A1 - HTSL-SQUID, and process for its production

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Publication number: DE19516608A1
Application number: DE19516608A
Authority: DE
Inventors: Victor N Glyantsev; Juergen Dr Schubert; Willi Zander; Michael Dr Siegel
Original assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority date: 1995-05-10
Filing date: 1995-05-10
Publication date: 1996-11-14
Also published as: WO1996036081A1

Abstract

The invention concerns a Josephson contact consisting of a superconducting land. The aim of the invention is to design a contact of this kind which exhibits adequate stability in an unscreened environment. To this end, the land has, along one of its two longitudinal sides, a boundary formed directly by at least one neighbouring zone inhibitor film, part of this zone extending into the land. In this way, the cross section of the Josephson contact can be reduced to a defined level, thus providing increased stability.

Description

Die Erfindung betrifft einen Josephson-Kontakt, einen einen solchen Kontakt enthaltenden SQUID, bzw. ein ei nen SQUID enthaltendes Gradiometer gemäß dem Oberbe griff des Anspruchs 1, 2, bzw. 5. Desweiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung solcher Komponenten gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 6, 7 bzw. 8.The invention relates to a Josephson contact, a such a contact containing SQUID, or an egg gradiometer containing SQUID according to the Oberbe Handle of claim 1, 2, or 5. Furthermore relates the invention a method for producing such Components according to the preamble of claim 6, 7 or 8.

Für Anwendungen hochtemperatursupraleitender (HTSL) rf- oder dc-SQUIDs, z. B. im Bereich der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung, im Geomagnetismus oder Biomagnetismus werden SQUID-Sensoren benötigt, die stabil und rauscharm in magnetisch nicht-abgeschirmter Umgebung arbeiten können. In einer solchen Umgebung treten zwei Effekte auf:For applications with high temperature superconducting (HTSL) RF or dc-SQUIDs, e.g. B. in the field of non-destructive Materials testing, in geomagnetism or biomagnetism SQUID sensors are required that are stable and Low noise in a magnetically unshielded environment can work. In such an environment, two occur Effects on:

- The external magnetic field is flux-focussing Areas in the vicinity of the Josephson contact so far reinforces that a suppression of the critical Stro with contact occurs;
- In the contact of a SQUID, an additional noise or instability in the field, since the HTSL-Josephson contacts are usually an inho have homogeneous current distribution, d. H. they form one spatial parallel connection of Josephson contacts.

Beide Effekte führen dazu, daß HTSL-SQUIDs zur Zeit nur in magnetischer Abschirmung stabil als Magnetometer ar beiten und in nur sehr begrenztem Umfang qualitativ so hochwertig ausgebildet sind, daß die die Kontakte ent haltenden SQUIDs in statischen Magnetfeldern oder ande ren Störfeldern, z. B. dem Magnetfeld der Erde, hinrei chend gut funktionieren.Both effects lead to HTSL-SQUIDs only at the moment stable in magnetic shielding as a magnetometer ar and only to a very limited extent are of high quality that the contacts ent holding SQUIDs in static magnetic fields or other ren interference fields, e.g. B. the magnetic field of the earth work well.

Die physikalischen Grundlagen dieser Effekte besagen in diesem Zusammenhang bei einem Magnetfeld H, Breite w des Josephsonkontaktes und d* effektiver Barrierendic ke, daß der kritische Josephson-Strom I_c, entsprechend folgender Formel unterdrückt wird:In this context, the physical basis of these effects means that with a magnetic field H, width w of the Josephson contact and d * effective barrier thickness, the critical Josephson current I _{c is} suppressed according to the following formula:

Wenn z. B. w = 4 µm und d* = 0,5 µm beträgt, dann unter drückt ein Magnetfeld von H = 10 Gauss den Strom I_c. Zusätzlich sind im SQUID flußfokussierende Flächen vor handen, die das Magnetfeld um den Faktor 20 bis 100 verstärken. Damit unterdrücken bereits Magnetfelder von 0.1 G bis 0.5 G den Strom I_c. If e.g. B. w = 4 microns and d * = 0.5 microns, then suppresses a magnetic field of H = 10 Gauss the current I _c . In addition, there are flux-focusing areas in the SQUID, which amplify the magnetic field by a factor of 20 to 100. Magnetic fields of 0.1 G to 0.5 G thus suppress the current I _c .

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung einen Josephson- Kontakt, einen einen solchen enthaltenden SQUID, bzw. ein einen solchen SQUID enthaltendes Gradiometer, so wie ein Verfahren zur Herstellung solcher Komponenten zu schaffen, bei dem der Josephson-Kontakt eine für den Einsatz in nicht abgeschirmter Umgebung geeignete Sta bilität aufweist.It is therefore an object of the invention to provide a Josephson Contact, a SQUID containing such, or a gradiometer containing such a SQUID, so like a process for making such components to create, in which the Josephson contact one for the Use in unshielded environment suitable sta bility.

Die Erfindung wird gelöst durch einen Josephson- Kontakt, einen SQUID, bzw. ein Gradiometer gemäß der Gesamtheit der Merkmale nach Anspruch 1, 2 bzw. 5. Die Aufgabe wird ferner gelöst durch ein Verfahren gemäß der Gesamtheit der Merkmale nach Anspruch 5, 6, bzw. 7. Weitere zweckmäßige oder vorteilhafte Ausführungsformen oder Varianten finden sich in den auf jeweils einen dieser Ansprüche rückbezogenen Unteransprüchen.The invention is solved by a Josephson Contact, a SQUID, or a gradiometer according to the All of the features of claim 1, 2 and 5. The The object is further achieved by a method according to the entirety of the features according to claim 5, 6 or 7. Further expedient or advantageous embodiments or variants can be found on the one of these claims subordinate claims.

Hier wird ein Josephson-Kontakt, ein SQUID, bzw. ein Gradiometer bzw. ein Verfahren zur Herstellung solcher Komponenten vorgestellt, der einen Josephson-Kontakt beinhaltet, der sowohl in hohen, statischen Feldern von beispielsweise bis zu 10 Gauss, als auch in magneti schen Störfeldern von beispielsweise bis zu 10 Gauss stabil arbeitet. Dabei ist insbesondere der SQUID bzw. das Verfahren sowohl für den Typ des rf-SQUID als auch für den Typ des dc-SQUID einsetzbar.Here is a Josephson contact, a SQUID, or a Gradiometer or a method for producing such Components presented by a Josephson contact includes that in high, static fields of for example up to 10 gauss, as well as in magneti interference fields of up to 10 Gauss, for example works stably. The SQUID or the procedure for both the type of rf-SQUID and can be used for the type of dc-SQUID.

Als Kernstück der Erfindung wurde erkannt, die seitli che Begrenzung des Josephson-Kontaktes mit Hilfe einer Inhibitschicht zu bilden. Diese Schicht kann, beispiel weise mit Hilfe eines geeigneten Temperprogramms zu ei ner definiert einstellbaren Diffusion von Inhibitmate rial in den supraleitenden Josephson-Kontakt hinein, eingesetzt werden.As the core of the invention, it was recognized that the side limitation of Josephson contact with the help of a Form inhibit layer. This layer can, for example wise with the help of a suitable tempering program ner defines adjustable diffusion of Inhibitmate rial into the superconducting Josephson contact, be used.

Die Schicht kann dabei entweder nur einseitig oder ggfs. auch beidseitig zur Begrenzung des Kontaktes vor handen sein und sodann in den Josephson-Kontakt hinein diffundieren. Auf diese Weise läßt sich der Querschnitt des Kontaktes definiert einschnüren um - wie bereits oben erläutert - durch Reduzierung des Querschnitts des Kontaktes eine erhöhte Stabilisierung des Kontaktes zu bewirken. Im Ergebnis ist die supraleitende Eigenschaft des Josephson-Kontakts zum Teil im Querschnitt zunichte gemacht um auf diese Weise einen Josephson-Kontakt mit erwünschtem, reduziertem Querschnitt zu erhalten.The layer can either be one-sided or if necessary, also on both sides to limit the contact and then into the Josephson contact diffuse. In this way, the cross section can be of the contact redefines defined - as already explained above - by reducing the cross section of the Increased stabilization of the contact effect. The result is the superconducting property of the Josephson contact partially destroyed in cross-section made to contact Josephson in this way to obtain the desired, reduced cross-section.

Beide oben beschriebenen, auftretenden Effekte werden durch Verringerung des Querschnitts des Josephson- Kontaktes erfolgreich unterdrückt. Eine Verringerung des Querschnittes des Kontaktes kann durch Verringerung ihrer Breite w bis in den sub-µm-Bereich erfolgen.Both of the occurring effects described above will by reducing the cross section of the Josephson Contact successfully suppressed. A decrease the cross section of the contact can be reduced their width w down to the sub-µm range.

Eine übliche Elektronenstrahl-Technologie zur Kontakt- Herstellung mit Breiten im sub-µm-Bereich ermöglicht zwar die Breite des Kontaktes einzustellen. Ein solches Verfahren gestattet aber nachteilig keine nachträgliche Optimierung des kritischen Josephson-Stromes, der zum optimalen Betrieb des SQUIDs erforderlich ist. Der op timale Betrieb eines SQUIDs erfordert die Einhaltung der Bedingung: der SQUID-Parameter β_l=2LI_c/Φ_o muß Wer te von β_l=1 bis 2 annehmen.A conventional electron beam technology for producing contacts with widths in the sub-µm range allows the width of the contact to be set. However, such a method disadvantageously does not allow subsequent optimization of the critical Josephson current which is necessary for the optimal operation of the SQUID. The optimal operation of a SQUID requires compliance with the condition: the SQUID parameter β _l = 2LI _c / Φ _o must assume values from β _l = 1 to 2.

Die Erfindung ist im weiteren an Hand von Figuren und Ausführungsbeispiel näher erläutert. Es zeigen: The invention is further based on figures and Embodiment explained in more detail. Show it:

Fig. 1 Schematische seitliche Darstellung einer mit telbaren Inhibit-Strukturierung eines längli chen Steges aus supraleitendem Material; Fig. 1 Schematic side view of a telemed inhibit structuring of a längli Chen web made of superconducting material;

Fig. 2 Washer-SQUID mit Josephson-Kontakt in Drauf sicht; Fig. 2 Washer SQUID with Josephson contact in top view;

Fig. 3 Ausschnitt der Fig. 2 im Bereich des Kontak tes; Fig. 3 section of Figure 2 in the area of Kontakt tes.

Fig. 4 Ausschnitt der Fig. 2 im Bereich des Kontak tes mit durch Inhibit-Material infizierten Randbereichen. Fig. 4 section of FIG. 2 in the area of contact with edge areas infected by inhibit material.

Embodiments

In der Fig. 1 sind in seitlicher Darstellung die tech nologischen Schritte einer mittelbaren Inhibit- Strukturierung eines länglichen Steges aus supraleiten dem Material gezeigt, wobei der Steg gegenüber den be nachbarten Bereichen in der Höhe versetzt ausgebildet wurde, nach DE-P 42 04 370.0. Dabei erfolgte in einem vierten zusätzlichen Verfahrensschritt eine erfindungs gemäße Temperung zur Diffusion des Inhibit-Materials in die HTSL-Schicht. Auf diese Weise verringerte sich die Breite w und damit der Querschnitt des Josephson- Kontaktes.In Fig. 1, the technological steps of an indirect inhibit structuring of an elongated web made of superconducting the material are shown in a side view, the web being offset in height from the neighboring areas, according to DE-P 42 04 370.0. In a fourth additional process step, an annealing according to the invention was carried out to diffuse the inhibit material into the HTSL layer. In this way, the width w and thus the cross section of the Josephson contact decreased.

Es wurden dc- und rf-SQUID mittels Laserablation oder einem anderen Schichtabscheideverfahren auf SrTiO₃, LaAlO₃ oder anderen für das epitaktische Wachstum von REBa₂Cu₃O₇-Schichten (HTSL-Schicht) erforderlichen Substraten hergestellt. Die Josephson-Kontakte wurden dabei als Kontakte auf steilen Stufen in den Substraten zur Erzeugung der Korngrenzen, Kontakte auf Bikristal len oder Kontakte mit einer Gold-Zwischenschicht gebil det.There were dc- and rf-SQUID using laser ablation or another layer deposition process on SrTiO₃, LaAlO₃ or others for the epitaxial growth of REBa₂Cu₃O₇ layers (HTSL layer) required Substrates. The Josephson contacts were thereby as contacts on steep steps in the substrates to generate grain boundaries, contacts on Bikristal len or contacts with a gold intermediate layer det.

Die Strukturierung kann durch das sogenannte, aus z. B. DE-P 42 04 370.0 als Stand der Technik bekannte "Inhibit-Verfahren" erfolgen in Stufenstruktur und in sofern ist dabei der HTSL-Steg von Inhibitschichtbe reichen beidseitig mittelbar begrenzt. Alternativ kann man sich auch eine unmittelbare Begrenzung der Beran dung des supraleitenden Steges durch benachbarten Inhi bit-Schichtbereichen vorstellen, wobei der Steg und diese Schichtbereiche in einer und derselben Ebene an geordnet sind und sich dabei unmittelbar berühren. Als Inhibit-Schicht kann im übrigen SiO, SiO₂ oder auch amorphes LaAlO₃ mit einer Dicke im Bereich von vorzugs weise 10 nm bis 20 nm eingesetzt werden. In Fig. 1 sind im einzelnen das Substrat s mit einer Resist- Schicht R, einer schraffierten Inhibit-Schicht aus SiO₂ sowie dunkler, supraleitender Schicht dargestellt.The structuring can be done by the so-called z. B. DE-P 42 04 370.0 known as prior art "inhibit method" take place in a step structure and in so far the HTSL web of inhibit layer areas is indirectly limited on both sides. Alternatively, one can also imagine the boundary of the superconducting web being bounded directly by adjacent inhi bit layer regions, the web and these layer regions being arranged in one and the same plane and directly touching each other. SiO, SiO₂ or amorphous LaAlO₃ with a thickness in the range of preferably 10 nm to 20 nm can also be used as the inhibit layer. In Fig. 1, the substrate s are shown in detail with a resist layer R, a hatched inhibit layer made of SiO₂ and a dark, superconducting layer.

Zur Herstellung des erfindungsgemäßen Kontaktes bzw. SQUIDs kann derart verfahren werden, daß z. B. ein 1 µm breiter Kontakt im SQUID entsteht. Durch eine Temperung bei 450°C im Sauerstoff bei p = 1 bar diffundiert das Material der Inhibit-Schicht an den Steg hoch in die Randbereiche des supraleitenden Steges hinein (Fig. 1, Punkt 4, Pfeil). Dabei werden die supraleitenden Eigen schaften der HTSL-Schicht in diesen Teilbereichen zer stört. In Abhängigkeit von der Temperzeit entstehen auf diese Weise sub-µm-breite Kontakte.To produce the contact or SQUIDs according to the invention, the procedure can be such that, for. B. A 1 µm wide contact is created in the SQUID. By tempering at 450 ° C in oxygen at p = 1 bar, the material of the inhibit layer diffuses onto the web high into the edge regions of the superconducting web ( FIG. 1, point 4, arrow). The superconducting properties of the HTSL layer are destroyed in these areas. Depending on the annealing time, sub-µm wide contacts are created in this way.

Dabei betrug in diesem Falle die Diffusionszeit t für eine Eindiffusionsbreite von 0,1 µm etwa 30 s, d. h. aus einem Kontakt mit 1 µm Breite ließe sich z. B. durch ei ne Diffusionszeit von 210 s ein Kontakt mit einer Brei te von 0,3 µm herstellen.In this case, the diffusion time was t for a diffusion width of 0.1 µm about 30 s, i. H. out a contact with a width of 1 µm could, for. B. by egg ne diffusion time of 210 s contact with a slurry produce a thickness of 0.3 µm.

Es wurden dc- und rf-SQUIDs hergestellt in Form der be kannten Washer-SQUID-Struktur, wie z. B. in der Fig. 2 dargestellt, mit flußfokussierenden Flächen von 8 × 8 mm². Die Induktivität der SQUID beträgt entsprechend 300 pH.Dc and rf SQUIDs were produced in the form of the known Washer SQUID structure, such as, for. B. shown in Fig. 2, with flow-focusing areas of 8 × 8 mm². The inductance of the SQUID is 300 pH.

Wie sodann aus Fig. 3 vergrößert im Bereich des Kon taktes dargestellt, kann durch Temperung das Inhibit- Material gezielt in die Randbereiche des Kontaktes hin eindiffundieren um insofern die supraleitende Eigen schaft dort zunichte zu machen. Auf diese Weise ver jüngt sich der Querschnitt des supraleitenden Kontaktes bzw. die Breite w zu w′. Im Ergebnis erhält man einen Kontakt mit verjüngtem Querschnitt und erhöhter Stabi lität.As then shown in FIG. 3 enlarged in the area of the contact, the inhibit material can be diffused in a targeted manner into the edge areas of the contact by annealing in order to destroy the superconducting property there. In this way, the cross section of the superconducting contact or the width w tapers to w '. The result is a contact with a tapered cross-section and increased stability.

Alle SQUIDs wurden in einem externen Magnetfeld von bis zu 3 Gauss untersucht. Ein SQUID mit einem 4 µm breiten Kontakt zeigte bereits in Feldern kleiner 0,1 G eine starke Unterdrückung des kritischen Stromes. Dabei ar beiten SQUIDs im Magnetfeld bis zu 3 G nur stabil, wenn der Kontakt eine Breite von ca. 0,3 µm bis 0,5 µm be sitzt.All SQUIDs were in an external magnetic field from to examined to 3 Gauss. A SQUID with a 4 µm wide Contact already showed one in fields smaller than 0.1 G. strong suppression of the critical current. Here ar SQUIDs in the magnetic field up to 3 G are only stable if the contact has a width of approx. 0.3 µm to 0.5 µm sits.

Der erfindungsgemäßer SQUID wurde in einem elektroni schen Gradiometer erster Ordnung erfolgreich getestet. Es konnte ein stabiler Betrieb und Abgleich des Gradio meters in normaler Laborumgebung demonstriert werden.The SQUID according to the invention was in an electronic first-order gradiometer successfully tested. It was able to operate stably and balance the gradio meters can be demonstrated in a normal laboratory environment.

Claims

1. Josephson contact, consisting of a superconducting the elongated web, characterized in that the web has at least on one of the two elongated sides a boundary which is formed indirectly or directly from at least one adjacent inhibit layer region, this region partly up to protrudes into the web.

2. SQUID with at least one as an elongated web formed Josephson contact, thereby characterized that the elongated boundary of the Josephson contact formed as a bridge indirectly or directly at least on one side of an inhibit layer region is formed which for Part protrudes into the jetty.

3. SQUID according to claim 2, characterized characterized that the elongated boundary of the Josephson contact formed as a bridge on both sides of an inhibit layer area is formed, each in part up to the web protrudes.

4. SQUID according to claim 2 or 3, characterized in that an HTSL is selected as the material of the superconducting layer ( 2 ).

5. Gradiometer with at least one SQUID after one of the preceding claims 2 to 4.

6. Process for producing an elongated web formed Josephson contact, thereby characterized in that on a substrate elongated web is formed, which at least one of its two elongated, lateral sides of is limited to an inhibit layer area and then by diffusion of the material of the Inhibit layer in the web on the elongated side into the cross section of the superconducting web defined is reduced.

7. Method of making a SQUID with at least one manufactured according to claim 6 Josephson contact.

8. Method of making a gradiometer with at least one manufactured according to claim 7 SQUID.