DE2440169C2

DE2440169C2 - Verfahren zur Herstellung von Josephson-Kontakten

Info

Publication number: DE2440169C2
Application number: DE2440169A
Authority: DE
Inventors: Paul Echirolles Bernard; Daniel Veurey Zenatti
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1973-08-28
Filing date: 1974-08-21
Publication date: 1987-05-07
Also published as: NL7411206A; FR2246081A1; JPS5830748B2; JPS5051689A; IT1016892B; GB1431130A; FR2246081B1; US4255465A; DE2440169A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Josephson-Kontakten, bei dem eine dünne und gleichmäßige Beschichtung aus einem Supraleiter auf einem Isoliersubstrat aufgetragen wird und bei dem sodann diese Beschichtung einer Formgebung unterworfen wird, um ihr die Form einer Brücke zwischen zwei Plättchen zu geben, die größere Abmessungen aufweisen als die Brücke.

Ein Verfahren zur Herstellung von Josephson-Kontakte mit Brücken der oben erwähnten Art ist aus Physical Review Letters, Band 29, 1972, S. 416-419 bekannt. Diese dort hergestellten Josephson-Kontakte bestehen aus dünnen Schichten aus Zinn oder Zinn/Indium-Legierungen, die im Vakuum auf ein auf die Temperatur des flüssigen Stickstoffs heruntergekühltes Glassubstrat aufgedampft sind. Die Ausbildung der jeweiligen Brücke erfolgt bei dem bekannten Verfahren mit Hilfe eines Diamant- Werkzeuges mit scharfer Spitze, das mit Hilfe eines Mikromanipulators zum Einsatz gebracht wird.

Weiterhin ist es aus J. Applied Physics, Band 44, 1973, S. 1821-1830 bekannt, Josephson-Strukturen mit Hilfe von Niob oder Tantal zu realisieren, die als warmfeste Supraleiter auf eine Unterlage aus Metall wie Tantal, Wolfram oder Zirkon aufgebracht werden. Bei diesen Strukturen kommt es zu leichter Legierungsbildung zwischen den verschiedenen Schichten, und außerdem variieren die Übergangstemperaturen für die sehr dünnen harten supraleitenden Schichten in gewissem Umfang mit deren Dicke.

Bei der Herstellung von Josephson-Kontakten ergeben sich in der Praxis Schwierigkeiten dann, wenn einerseits stabile Verhältnisse und andererseits reproduzierbare Strukturen verlangt werden. Insbesondere ist es bisher zwar möglich, Brücken von ähnlicher Form zu erhalten, jedoch variieren die Abmessungen dieser Brücken von Kontakt zu Kontakt wesentlich, und die beobachteten Ergebnisse sind völlig zufällig.

Daher ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Herstellungsverfahren für Josephson-Kontakte anzugeben, das ausgehend von dem eingangs erwähnten Verfahren die Gewähr dafür bietet, daß wenigstens bei kleinen Serien Strukturen mit gleichen Kenngrößen erhalten werden und insbesondere eine sehr zuverlässige Einstellung des kritischen Josephson- Stromes möglich wird.

Die gestellte Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs erwähnten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein warmfester Supraleiter verwendet wird und daß der Kontakt bei einer sehr tiefen Temperatur mit mindestens einem Stromimpuls beaufschlagt wird, dessen Stärke und Dauer vom gewünschten Josephson-Strom abhängen.

Die Grundidee der Erfindung liegt also darin, zunächst der Brücke Abmessungen zu geben, die sich leicht durch herkömmliche Verfahren der Fotogravur und des chemischen Ätzens erhalten lassen, und erst anschließend in einem zweiten Schritt, nämlich durch Aufheizen des Kontakts durch einen Stromimpuls, dem erhaltenen Übergang ein Verhalten aufzuprägen, wie es für den Josephson-Effekt charakteristisch ist.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich im einzelnen aus den Unteransprüchen.

Für die weitere Erläuterung der Erfindung wird nunmehr auf die Zeichnung Bezug genommen, deren einzige Figur eine Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel für einen nach dem Verfahren gemäß der Erfindung erhaltenen Josephson-Kontakt zeigt.
Das Herstellungsverfahren für Josephson-Kontakte umfaßt drei Hauptschritte:

1. Beschichten mit einer gleichmäßigen Schicht aus einem warmfesten Supraleiter,
2. Begrenzen der Form dieser Beschichtung,
3. Behandlung der Beschichtung derart, daß ihr Josephson- Effekt-Eigenschaften mit vorbestimmten Kennwerten vermittelt werden.

In der folgenden Beschreibung ist als warmfester Supraleiter Niob angegeben, obwohl selbstverständlich auch andere Supraleiter wie Vanadium oder Tantal verwendet werden können. Das Herstellungsverfahren bleibt in diesem Fall dasselbe, es sind nur die entsprechenden Werte für diese Werkstoffe anzupassen.
Vorsorglich sei darauf hingewiesen, daß, obwohl es nicht ganz einfach ist, eine dünne Niob-Schicht zu erhalten, ein derartiger Körper den großen Vorteil hat, besonders widerstandsfähig gegenüber äußeren Agenzien, wie Feuchtigkeit und Temperatur, zu sein. Bei Umgebungstemperatur umfaßt das Auftragen der Niob-Schicht die folgenden Schritte:

- Die Substrate werden nach Reinigen in eine Vakuumkammer auf einen heizbaren Substratträger gesetzt. Anschließend wird das Vakuum in der Kammer mittels Kryosorptionspumpen für das Primärvakuum und mittels einer Ionenpumpe mit Titansublimator für das Sekundärvakuum erzeugt. Das Heizen des Substrats wird ausgelöst, wenn ein Vakuum von ca. 10^{- 5} Pa erreicht ist, und dieses wird für 10-12 h so unterhalten, daß eine höhere Temperatur von ca. 400°C erzielt wird. Gleichzeitig werden, wobei das Substrat geschützt ist, regelmäßig Verdampfungszyklen durchgeführt, die ein Entgasen eines Niob-Blocks oder -Barrens erlauben. Das so verdampfte Niob, das außerdem ein sehr gutes Getter ist, schlägt sich auf den Wänden der Vakuumkammer nieder, so daß das Endvakuum (ca.10^{- 6} Pa) verbessert wird.
- Anschließend findet das eigentlich Verdampfen statt; es wird von einer Einrichtung zum Messen der Dicke der Beschichtung gesteuert, die auf der Frequenzänderung eines Quarzes beruht. In diesem Stadium ist das Vakuum im allgemeinen unterhalb 10^{- 5} Pa. Für dieses Verdampfen benutzt man einen Strahlerzeuger mit vier Schmelztiegeln, dessen Leistung ca. 6 kW beträgt. Dann läßt man das Substrat sich langsam abkühlen.
- Wenn eine Temperatur von ca. 120°C erreicht ist, verdampft man eine Goldschicht, die als Kontaktanschlüsse auf den hergestellten Brücken dient. Das Verdampfen ist beendet, und die Vakuumkammer wird geöffnet, wenn das Substrat auf einer Temperatur von ca. 60°C ist.

Der nächste Schritt besteht in der genauen Formgebung der Niobbeschichtung. Zu diesem Zweck kann man vorteilhafterweise eine Fotomasken- und Chemogravur-Technik benutzen. Die Fotomasken-Technik ist völlig herkömmlich. Die Chemogravur vollzieht sich in folgender Weise:

- Für jeden auf dem Substrat herzustellenden Übergang hat ein Harz nach Belichten und Entwickeln eine Form, die der in der Zeichnung abgebildeten ähnlich ist. Diese Form umfaßt zwei Quadrate, die an einer ihrer Ecken miteinander verbunden sind. Diese Quadrate 2 bzw. 4 haben eine gemeinsame Ecke, die von einer Einschnürung 6 zwischen den beiden Quadraten 2 und 4 gebildet ist, die die Brücke des Josephson-Kontakts darstellt. Die Quadrate 2 und 4 bilden die Plättchen oder Anschlüsse. Im Ausführungsbeispiel haben die Quadrate 2 und 4, die selbstverständlich auch eine andere Form aufweisen können, eine Seitenlänge von 1 mm. Die Stärke der Brücke 6 ist in diesem Beispiel gleich 10 µm. Zum Beispiel kann man auf einem Substrat von 25 mm × 25 mm sechsunddreißig Motive gleich dem in der Zeichnung abgebildeten isolieren und gravieren.

Man geht dann zum Gravieren entsprechend dieser Geometrie über, und zwar der oberen Goldschicht und danach der Niobschicht. Die Form des Kontakts ist jetzt genau definiert. Das Substrat wird abgespült und getrocknet. Zu diesem Zeitpunkt wird erneut Harz abgetragen, daß dieses Mal über eine neue Maske belichtet wird, die die Goldplättchen definiert. Das Gold wird überall außer an den Stellen der Plättchen 8 und 10 entfernt, die als elektrische Anschlüsse dienen. Das Substrat wird anschließend zerteilt (im vorliegenden Beispiel in sechsunddreißig Teile), und der Kontakt kann getestet und eingestellt werden durch den nächsten Schritt.
Dieser dritte Schritt hat zum Ziel, einerseits dem hergestellten Kontakt die Josephson-Effekt-Eigenschaften zu verleihen, die er noch nicht hat, und andererseits den Wert des entsprechenden kritischen Stroms einzustellen. Dieser Schritt kann schnelles isochrones Glühen bei tiefer Temperatur in einem Schutzmedium genannt werden.
Diese Behandlung wird in einem Kryostaten in Heliumatmosphäre unmittelbar oberhalb des Flüssigheliumbads vorgenommen, in der später der Kontakt zur Funktionsprüfung eingetaucht wird. Diese Behandlung erfolgt also bei einer Temperatur, die ungefähr der Rückkehr in den normal leitenden Zustand der Probe entspricht, d. h. bei ca. 10 K.
Dem Kontakt wird jetzt ein Stromimpuls zugeführt, dessen Amplitude und dessen Dauer vom kritischen Josephson-Strom abhängen, den man dem Kontakt verleihen will.
Die durch eine derartige Behandlung erfolgende Transformation kann - ohne den Anspruch auf Vollständigkeit zu erheben - durch ein Phänomen erklärt werden, das im wesentlichen einem Schnellglühen entspricht, das wie folgt stattfindet:
Der dem Kontakt zugeführte Stromimpuls ruft eine örtliche Erwärmung am Ort der Brücke hervor, wo die Stromdichte besonders groß ist. Nach Aufhören des Stromimpulses wird die Probe einer plötzlichen Abkühlung durch Flüssighelium unterzogen. Es können nämlich während der Dauer des Stromimpulses Fehler am Ort der Brücke auftreten, die nach Beendigung des Impulses sofort "erstarrt" sich wiederfinden. Dieses "Speichern" der Fehler zeigt sich im normalleitenden Zustand in einer Erhöhung des ohmschen Widerstands des Kontakts und im supraleitenden Zustand durch eine Verringerung der kritischen Temperatur.
Es versteht sich, daß die vollständige Behandlung eines Kontakts mehrere derartige Schritte erfordern kann, um den Sollwert des kritischen Stroms zu erreichen.
Das erfindungsgemäße Verfahren gestattet die Herstellung von Kontakten mit kritischen Strömen von 5 mA-5 µA, und das in einer relativ feinen, völlig reproduzierbaren und zuverlässigen Weise. Die tatsächlich durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellten Kontakte sind nicht geschützt, sie werden sehr plötzlichen Temperaturzyklen unterworfen, und die Rückkehr zur Umgebungstemperatur wird im allgemeinen sehr schnell vorgenommen. Bezüglich der Lagerhaltung bei Umgebungstemperatur sind keine besonderen Vorkehrungen notwendig, und man hat bei einer Lagerdauer von etwa acht Monaten keinerlei Alterungserscheinungen feststellen können.
Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt auch eine Überwindung der Dimensionierungsprobleme, was wiederholt verifiziert wurde, wobei die Versuche an Kontakten vorgenommen wurden, deren Brücken eine Stärke von 10-20 µm hatten und für die sich kein Fotomaskierungs-Problem zeigte.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von Josephson-Kontakten, bei dem eine dünne und gleichmäßige Beschichtung aus einem Supraleiter auf einem Isoliersubstrat aufgetragen wird und bei dem sodann diese Beschichtung einer Formgebung unterworfen wird, um ihr die Form einer Brücke zwischen zwei Plättchen zu geben, die größere Abmessungen aufweisen als die Brücke, dadurch gekennzeichnet, daß ein warmfester Supraleiter verwendet wird und daß der Kontakt bei einer sehr tiefen Temperatur mit mindestens einem Stromimpuls beaufschlagt wird, dessen Stärke und Dauer vom gewünschten Josephson-Strom abhängen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als warmfester Supraleiter Niob verwendet wird und daß das Auftragen der Beschichtung durch Aufdampfen im Vakuum geschieht, wobei das Isoliersubstrat auf einer Temperatur von ca. 400°C gehalten wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Brücke zwischen den Plättchen mit einer Breite zwischen 5 und 30 µm ausgebildet wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich als äußere Kontakte auf die Beschichtung leitende Schichten aus Metall aufgebracht werden.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Metall für die leitenden Schichten Gold verwendet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtungen unter Anwendung der Fotomasken- und Chemogravur-Technik vorgenommen und dabei von den leitenden Schichten nur zwei elektrische Kontaktanschlüsse belassen werden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der warmfeste Supraleiter in Form zweier gleicher Quadrate (2, 4) aufgebracht wird, die jeweils entlang einer Diagonalen aneinander anschließen, wobei ihre Mittelpunkte einen die Länge der Diagonale eines Quadrats geringfügig unterschreitenden Abstand voneinander aufweisen, und daß die leitenden Schichten jeweils an die beiden äußeren Quadratecken (8, 10) an den äußeren Enden der gemeinsamen Diagonale gelegt werden.