DE2460222C2 - Process for the production of superconducting micro-bridges by means of electron beam lithography - Google Patents
Process for the production of superconducting micro-bridges by means of electron beam lithographyInfo
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Description
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von supraleitfähigen Mikrobrücken mittels Elektronenstrahl-Lithographie, bei dem auf eine Unterlage eine Resistlackschicht aufgebracht wird, bei dem sodann die Resistlackschicht einem Elektronenstrahl ausgesetzt wird, der in die Resistlackschicht die Form der herzustellenden Mikrobrucken einzeichnet, und be: Λ v> sodann die Resistlackschicht entwickelt wird, so d.iß beim anschließenden Aufbringen des supraleitfähigen Materials dieses nur an den Stellen tier hei ustellein.L;i Mikrobrücke an der Unterlage haftetThe invention relates to a method for producing superconducting micro-bridges by means of electron beam lithography, in which a resist layer is applied to a base, in which then the Resist lacquer layer is exposed to an electron beam, which takes the form of the resist lacquer layer micro-bridges to be produced are drawn in, and be: Λ v> then the resist layer is developed, i.e. when the superconductive one is subsequently applied Material of this only in the places tier hei ustellein.L; i Micro-bridge adheres to the base
Unter einer zwei supraleitende Bereiche verbindenden Mikrobrücke, häufig auch» weak link« genannt, versteht man ein Gebiet, dessen kritischer Strom wesentlich kleiner ist als der kritische Strom der durch die Brücke verbundenen supraleitenden Gebiete selbst und in das ein von außen angelegtes Magnetfeld eindringen kann. Wenn die wirksame Länge der Mikrobrücke hinreichend klein ist, können die irn supraleitenden Zustand vorliegenden Elektronenpaare, die sogenannten Cooper-Paare, von einem supraleitenden Bereich über die Mikrobrücke in den anderen supraleitenden Bereich übertreten und es können an der Mikrobrücke die als Josephson-Effekte bekannten Erscheinungen beobachtet werden (vgL z. B. das Buch von A. C Rose-lnnes und E. H. Rhoderick, »Introduction to Superconductivity«, Oxford (Pergamon), 1969, Seiten 153 bis 169).Under a micro-bridge connecting two superconducting areas, often also called a "weak link", one understands an area whose critical current is much smaller than the critical current through the bridge-connected superconducting regions themselves and in which an externally applied magnetic field can penetrate. If the effective length of the microbridge is sufficiently small, the irn electron pairs present in the superconducting state, the so-called Cooper pairs, from a superconducting state Area over the microbridge into the other superconducting area and it can be at the Microbridge known as the Josephson Effects Phenomena are observed (see e.g. the book by A. C. Rose-Innes and E. H. Rhoderick, "Introduction to Superconductivity ", Oxford (Pergamon), 1969, pages 153 to 169).
Supraleitende Bauelemente mit Mikrobrücken eignen sich insbesondere zu Meßzwecken und können beispielsweise zur Bestimmung der fundamentalen Größe e/h, als Voltmeter oder insbesondere in Form von SQUIDs (Superconductive Quantum Interference Devices) als Magnetometer eingesetzt werden. Als weitere Anwendungsmöglichkeiten wurden bereits der Einsatz als Schalt- oder Speicherelemente in Datenverarbeitungsanlagen sowie zur Erzeugung und zum Empfang elektromagnetischer Mikrowellen diskutiert (vgl. z. B. das Buch von L Solymar, »Superconductive Tunneling and Applications«, London (Chapman & Hall), 1972, Seiten 244 bis 296 und 352 bis 357).Superconducting components with microbridges are particularly suitable for measuring purposes and can be used, for example, to determine the fundamental quantity e / h, as voltmeters or, in particular, in the form of SQUIDs (Superconductive Quantum Interference Devices) as magnetometers. The use as switching or storage elements in data processing systems as well as for generating and receiving electromagnetic microwaves have already been discussed as further possible applications (cf. e.g. the book by L Solymar, "Superconductive Tunneling and Applications", London (Chapman & Hall), 1972, pages 244 to 296 and 352 to 357).
Zur Herstellung derartiger Mikrobrücken, deren Dimensionen, d. h. Länge, Breite und Höhe, in der Regel sehr klein, häufig kleiner als 1 μπι sein sollen, ist unter anderem ein sogenanntes Elektronenstrahl Lithographie-Verfahren bekannt, welches die Herstellung von Mikrobrücken mit so kleinen Abmessungen erlaubt (Applied Physics Letters 23 (1973), Seiten 407 bis 408). Bei diesem Verfahren wird zunächst auf eine geeignete Unterlage, beispielsweise eine oxidierte Siliziumscheibe, eine Schicht aus einem geeigneten Resistlack aufgebracht. Dann wird der Resistlack einem Elektronenstrahl ausgesetzt, der in die Resistlackschicht die Form der herzustellenden Mikrobrücke einzeichnet, und im Anschluß daran entwickelt Anschließend wird eine Schicht aus Supraleitermaterial, vorzugsweise aus Niob, aufgedampft Diese haftet an den Stellen, an denen der Resistlack den Elektronenstrahlen ausgesetzt war, an der Unterlage, an den anderen Stellen dagegen nur an der Resistlackschicht Durch Ablösen der Lackschicht werden schließlich die überflüssigen Teile der Supraleiterschicht entfernt und auf der Unterlage verbleibt nur noch die Mikrobrückenanordnung. Als Resistlack eignet sich insbesondere ein Poly-methyl-methacrylat-Lack, der auch bereits erfolgreich zur Herstellung von Mikroschaltkreisen mittels Elektronenstrahl-Lithographie eingesetzt wurde (Journal of the Electrochemical Society 116 (1969), Seiten 1033 bis 1037; IEEE Transactions on Electron Devices, Vol. ED-19, No. 5 (1972), Seiten 635 bis 641).For the production of such micro-bridges, the dimensions of which, i. H. Length, width and height, usually should be very small, often smaller than 1 μπι, is below among other things a so-called electron beam lithography process known, which the production of Micro-bridges with such small dimensions are allowed (Applied Physics Letters 23 (1973), pages 407 to 408). In this process, a suitable base, for example an oxidized silicon wafer, is a layer of a suitable resist is applied. Then the resist becomes an electron beam exposed, which draws the shape of the microbridge to be produced in the resist layer, and in the Then developed a layer of superconductor material, preferably niobium, vapor-deposited This adheres to the places where the resist was exposed to the electron beams on the base, but only on the resist layer at the other points. By peeling off the layer of lacquer the superfluous parts of the superconductor layer are finally removed and left on the base only the microbridge arrangement. A polymethyl methacrylate varnish is particularly suitable as the resist varnish, which has already been successful in the production of microcircuits using electron beam lithography (Journal of the Electrochemical Society 116 (1969), pages 1033-1037; IEEE Transactions on Electron Devices, Vol. ED-19, No. 5 (1972), pages 635 to 641).
Zur Einzeichnung der Form der herzustellenden Mikrobrücke in die Resistlackschicht wurde bisher, ebenso wie bei der Herstellung von Mikroschaltkreisen, ein verhältnismäßig feiner Elektronenstrahl verwendet, der zum Einschreiben der Brückenform in die Resistlackschicht entsprechend abgelenkt wird. Zur Strahlablenkung sind hierbei jedoch aufwendige Steuereinrichtungen erforderlich. Einfacher ist es, einen nicht abgelenkten Elektronenstrahl mit größerem Quer-To draw the shape of the microbridge to be produced in the resist layer, it was previously just like in the manufacture of microcircuits, a relatively fine electron beam is used, to write the bridge shape into the Resist lacquer layer is deflected accordingly. In this case, however, complex control devices are required for deflecting the beam necessary. It is easier to use a non-deflected electron beam with a larger cross
schnitt zu verwenden und in den Strahlengang eine für Elektronen undurchlässige Maske einzubringen, welche diejenigen Teile der Resistlackschicht abdeckt, die nicht vom Elektronenstrahl getroffen werde ι sollen. Diese Verfahrensweise ist bereits bei der Elektronenstrahl-Lithographie bekannt (IEEE Spectrum, Januar 1971, Seiten 23 bis 37). Bisher sind jedoch noch keine Masken bekannt geworden, die sich zur Herstellung von Mikrobrücken mit einer Breite von weniger als 1 μπι eignen würden.cut to use and in the beam path one for To introduce electron-impermeable mask, which covers those parts of the resist layer that are not should be hit by the electron beam. This procedure is already used in electron beam lithography known (IEEE Spectrum, January 1971, pages 23 to 37). So far, however, there are no masks become known, which μπι for the production of microbridges with a width of less than 1 would suit.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Herstellung von supraleitfhähigen Mikrobrücken mittels Elektronenstrahl-Lithographie derart zu vereinfachen, daß keine Strahlablenkung mehr erforderlich istThe invention is based on the object of producing superconductive micro-bridges by means of To simplify electron beam lithography in such a way that beam deflection is no longer required
Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß zwischen Elektronenstrahlquelle und zu bestrahlender Resistlackschicht eine die Resistlackschicht teilweise gegenüber dem Elektronenstrahl abdeckende Maske angeordnet wird, deren die Konturen dt.1 Mikrobrücke bestimmenden TeiJe aus scheibenförmigen, einkristall)-nen, für die Elektronenstrahlung praktisch undurchlässigen Kriitallstücken mit schräg zur Scheibenoberfiäche verlaufenden Seitenflächen bestehen.This is inventively achieved in that a, the resist layer is partly disposed over the electron beam covering mask between the electron source and to be irradiated resist layer whose dt contours. 1 microbridge determining Teije from disc-shaped single crystal) -nen, for the electron beam practically impermeable Kriitallstücken with obliquely to the disk surface extending side surfaces exist.
Bei einkristallinen Kristallscheiben sind die Kanten, welche durch die Scheibenoberfläche und die schräg dazu verlaufenden Seitenflächen gebildet werden, besonders scharf. Die schrägen Seitenflächen lassen sich insbesondere durch Brechen oder Spalten von Kristallscheiben entlang ihrer schräg zur Scheibenoberfläche gerichteten kristallographischen Ebenen gewinnen.In the case of monocrystalline crystal disks, the edges which are formed by the pane surface and the oblique side surfaces, particularly spicy. The inclined side surfaces can be opened in particular by breaking or splitting crystal disks win along their crystallographic planes directed obliquely to the disk surface.
Besonders günstig ist es, wenn die schräg verlaufenden Seitenflächen mit einer der beiden großen Scheibenoberflächen einen Winkel von etwa 55 bis 80° bilden. Dies ergibt sehr scharfe Kanten, die aber an ihrem spitz auslaufenden Rande noch nicht so dünn sind, daß sie allzusehr von Elektronen durchdrungen werden könnten.It is particularly favorable if the inclined side surfaces with one of the two large ones Disc surfaces form an angle of approximately 55 to 80 °. This results in very sharp edges, but they are too their pointed edge are not yet so thin that they are too penetrated by electrons could.
Vorzugsweise werden daher für die Maske Kristallscheiben aus Halbleitermaterial mit kubischer Kristallstruktur verwendet, deren beide großen Oberflächen und Seitenflächen kristallographischej 111 (-Ebenen sind. Die Seitenflächen bilden dann nämlich mit einer der großen Scheibenoberflächen einen Winkel von etwa 70°. Als Halbleitermaterial eignet sich insbesondere Silizium. Falls allerdings eine Elektronenstrahlung so hoher Energie verwendet werden sollte, daß die Kanten der Siliziumscheiben für die Elektronen zu stark durchlässig wurden, so empfiehlt es sich, Kristalle mit höherem Atomgewicht und damit größerem Absorptionskoeffizienten für Elektronen, vorzugsweise Kristal-Ie aus Indiumantimonid, zu verwenden. Eine geringfügige Durchlässigkeit der Kanten für Elektronenstrahlen stört jedoch in der Regel nicht, sondern kann sogar vorteilhaft beim Justieren der Maske ausgenutzt werden. Man kann nämlich z. B. Maskenteile bis zur mechanischen Berührung zusammenbringen, ohne daß an der Berührungsstelle der Durchtritt des Elektronenstrahls völlig gehemmt wird.Crystal disks are therefore preferably used for the mask made of semiconductor material with a cubic crystal structure, both of which have large surfaces and side faces are crystallographic 111 (planes. The side surfaces then namely form an angle of approximately with one of the large disk surfaces 70 °. Silicon is particularly suitable as the semiconductor material. But if an electron beam is so High energy should be used that the edges of the silicon wafers are too strong for the electrons became permeable, so it is advisable to use crystals with a higher atomic weight and thus a higher absorption coefficient to use for electrons, preferably crystals from indium antimonide. A minor one However, as a rule, the permeability of the edges to electron beams does not interfere, but can can be used to advantage when adjusting the mask. You can z. B. mask parts up to bring mechanical contact together without the electron beam passing through at the point of contact is completely inhibited.
Die Kristallscheiben können ferner vorteilhaft auf einer Metallmaske derart befestigt werden, daß sie die Konturen der herzustellenden Mikrobrücke begrenzen, während die restlichen Konturen der die Mikrobrücke enthaltenden supraleitfähigen Schicht durch die Metall maske begrenzt werden.The crystal disks can also advantageously be attached to a metal mask in such a way that they the Limiting the contours of the microbridge to be produced, while the remaining contours of the microbridge containing superconductive layer are limited by the metal mask.
Besonders günstig für die Herstellung sehr schmaler μ Brücken ist es, wenn die Konturen der Mikrobrücke durch eine Kante einer Kristallscheibe und eine diese Kante berührende oder fast berührende Spitze einer zweiten Kristallscheibe begrenzt werden.Particularly favorable for the production of very narrow μ It is bridges when the contours of the microbridge go through one edge of a crystal disk and one of these Edge touching or almost touching tip of a second crystal disk can be limited.
Um eine Aufladung der Maske durch die Elektronenstrahlen zu vermeiden, kann die Maske vorteilhaft mit einer dünnen Goldschicht bedampft werden.In order to avoid charging of the mask by the electron beams, the mask can advantageously with a thin gold layer can be vapor-deposited.
Anhand zweier Figuren und eines Ausführungsbtispieles soll die Erfindung noch näher erläutert werden.With the help of two figures and an exemplary embodiment the invention is to be explained in more detail.
F i g. 1 zeigt schematisch eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Maske in Draufsicht F i g. 1 schematically shows a preferred embodiment of a mask according to the invention in plan view
F i g. 2 zeigt einen vergrößerten Schnitt durch die in F i g. 1 dargestellte Maske.F i g. FIG. 2 shows an enlarged section through the FIG. 1 mask shown.
Bei der in den F i g. 1 und 2 dargestellten beispielhaften Ausführungsform einer Maske werden die Konturen der Mikrobrücke durch zwei scheibenförmige, etwa dreieckige Siliziumstücke 1 und 2 bestimmt Die Siliziumstücke sind auf einer Nickelscheibe 3 beispielsweise durch Aufkleben befestigt In der Nickelscheibe 3 ist eine langgestreckte öffnung 4 vorgesehen, welche die restlichen Konturen der die Mikrobrücke enthaltenden supraleitfhäigen Schicht begrenzt. Die großen Oberflächen und die Seitenflächen der Siliziumscheiben 1 und 2 sind jeweils kristallographischej Uli-Ebenen, wobei die Seitenflächen mit der in den Figuren jeweils untenliegenden großen polierten Scheibenoberfläche einen Winkel <x von jeweils etwa 70° bilden. Die Spitze der Siliziumscheibe 2, welche die gerade Kante der Siliziumscheibe 1 berührt, bildet einen Winkel β von etwa 60°. Daß die Seitenflächen mit einer der großen Scheibenoberflächen einen spitzen Winkel λ bilden, bringt den Vorteil mit sich, daß die Schärfe des auf dem Resistlack durch diese Kante gebildeten Schattens auch durch leichte Schrägstellung oder Verkantung der Siliziumscheiben 1 und 2 nicht beeinträchtigt wird. Bei einer durch einen rechten Winkel gebildeten Kante wäre dies nicht der Fall. Außerdem müßten bei einer Maske mit senkrecht zur Maskenoberfläche stehenden Seitenflächen die Elektronenstrahlen streng parallel zu diesen Seitenflächen gerichtet sein. Bei der erfindungsgemäßen Maske ist dies dagegen nicht erforderlich.In the case of the FIGS. 1 and 2, the contours of the microbridge are determined by two disk-shaped, roughly triangular silicon pieces 1 and 2, as shown in the exemplary embodiment of a mask. The silicon pieces are attached to a nickel disk 3, for example by gluing of the superconducting layer containing the microbridge. The large surfaces and the side surfaces of the silicon wafers 1 and 2 are each crystallographic Uli planes, the side surfaces forming an angle <x of approximately 70 ° with the large polished wafer surface below in the figures. The tip of the silicon wafer 2, which touches the straight edge of the silicon wafer 1, forms an angle β of approximately 60 °. The fact that the side faces form an acute angle λ with one of the large wafer surfaces has the advantage that the sharpness of the shadow formed on the resist by this edge is not impaired by the slight inclination or tilting of the silicon wafers 1 and 2. This would not be the case with an edge formed by a right angle. In addition, in the case of a mask with side faces perpendicular to the mask surface, the electron beams would have to be directed strictly parallel to these side faces. In the case of the mask according to the invention, on the other hand, this is not necessary.
Für die Siliziumstücke t und 2 eignen sich beispielsweise etwa 0,3 mm dicke Siliziumscheiben, die senkrecht zur( lll)-Richtung geschnitten und wenigstens einseitig poliert sind. Durch mehrmaliges Brechen solcher Scheiben erhält man wegen der Dreiersymmetrie in denj 111}-Ebenen dreieckige Bruchstücke, deren Bruchflächen) lll|-Ebenen entsprechen. Die Kanten zwischen der polierten Scheibenoberfläche undj 111}-Spaltflächen sind so scharf, daß sie mit einem anderen Verfahren kaum schärfer hergestellt werden können. Die den Winkel β einschließenden Spitzen der Bruchstücke werden jedoch manchmal beim Brechen zerstört. Es ist daher nötig, aus den Bruchstücken solche mit besonders scharfen Kanten und Spitzen auszusuchen. Ferner empfiehlt es sich, die ausgesuchten Bruchstücke im Ultraschall-Bad zu reinigen, um Mikrosplitter zu entfernen. Zwei derart ausgesuchte Bruchstücke können dann, wie anhand der Figuren bereits erläutert wurde, auf eine Metallmaske 3 aufgebracht werden. Das für die Maske verwendete Nickelblech kann beispielsweise 0,2 mm dick sein und eine Seitenlänge von jeweils 2 cm haben. Der Spalt 4 kann beispielsweise 0,5 mm breit sein.For the silicon pieces t and 2, for example, about 0.3 mm thick silicon wafers that are cut perpendicular to the (III) direction and polished at least on one side are suitable. By breaking such disks several times, triangular fragments are obtained because of the three-way symmetry in the 111} planes, the fracture surfaces of which correspond to) III | planes. The edges between the polished disk surface and the j 111} cleavage surfaces are so sharp that they can hardly be made sharper by any other method. However, the tips of the fragments enclosing the angle β are sometimes destroyed when breaking. It is therefore necessary to choose those with particularly sharp edges and points from the fragments. It is also advisable to clean the selected fragments in an ultrasonic bath in order to remove microscopic splinters. Two fragments selected in this way can then, as has already been explained with reference to the figures, be applied to a metal mask 3. The nickel sheet used for the mask can be, for example, 0.2 mm thick and each side 2 cm. The gap 4 can be, for example, 0.5 mm wide.
Bei der Befestigung der Siliziumstücke 1 und 2 auf der tvijtallmaske 3 kann vorteilhaft derart vorgehängt· werden, daß zunächst das Siliziumstück 1 fest auf die Metallmaske aufgeklebt wird. Anschließend wirr! dab Siliziumstück 2, versehen mit verhältnismäßig wenig Klebstoff, auf der anderen Seite des Spaltes 4 aufgelegtWhen fastening the silicon pieces 1 and 2 on the tvijtall mask 3, it can advantageously be hung in this way be that initially the silicon piece 1 firmly on the Metal mask is glued on. Then confused! dab Silicon piece 2, provided with relatively little adhesive, is placed on the other side of the gap 4
und zunächst nur leicht an das Blech angedrückt. Es ist darauf zu achten, daß die den Winkel β bildende scharfe Spitze nicht mit dem Klebstoff in Berührung kommt. Zur Justierung des gewünschten Abstandes zwischen der Kante des Siliziumstückes 1 und der Spitze des s Siliziumstückes 2 verwendet man vorteilhaft ein Mikroskop mit kombinierter Auf- und Durchlicht-Beleuchtung und etwa 50 bis 10Ofacher Vergörßerung. Unter dem Mikroskop wird dann das Siliziumstück 2 langsam in Richtung der geraden Kante des Silizium- "> Stückes 1 geschoben, bis man gerade eine Berührung der Spitze mit der geraden Kante beobachten kann. Die fertige Maske wird vorzugsweise mit einer sehr dünnen Goldschicht bedampft. Durch stufenweises Aufdampfen von Gold kann ferner auch noch der Abstand zwischen 1^ der Spitze des Siliziumstückes 2 und der geraden Kante des Siliziumstückes 1 noch weiter verringert werden. Die fertige Maske kann man dann auf die mit Resistlack beschichtete Unterlage auflegen und die Unterlage durch die Maske hindurch mit Elektronen bestrahlen. Bei Verwendung der Maske lassen sich mit dem Elektronenstrahl-Lithographie-Verfahren dann beispielsweise Mikrobrücken herstellen, die an ihrer schmälsten Stelle nur etwa 0,1 μΐη breit sind.and at first only lightly pressed against the sheet metal. Care must be taken that the sharp point forming the angle β does not come into contact with the adhesive. Used for adjustment of the desired distance between the edge of the silicon die 1 and the top of the silicon piece 2 s is advantageously combined with a microscope incident and transmitted light illumination and about 50 to 10Ofacher Vergörßerung. The silicon piece 2 is then slowly pushed under the microscope in the direction of the straight edge of the silicon piece 1 until the tip touches the straight edge. The finished mask is preferably vaporized with a very thin layer of gold gradual evaporation of gold may further also the distance between 1 ^ the top of the silicon piece 2, and the straight edge of the silicon die 1 to be further reduced. the final mask can then hang up on the surface coated with resist surface and the substrate through the mask If the mask is used, the electron beam lithography process can then be used, for example, to produce micro-bridges that are only about 0.1 μm wide at their narrowest point.
Statt der in den Figuren dargestellten Anordnung der Kristallstücke kann man beispielsweise auch die Spitzen der Kristallstücke 1 und 2 aneinanderstoßen lassen und somit die Form für eine Mikrobrücke vorgeben, die beidseitig und nicht nur einseitig eine V-förmige Begrenzung besitzt. Bei der in den Figuren dargestellten Anordnung der Siliziumstücke ist das Justieren jedoch wesentlich einfacher.Instead of the arrangement of the crystal pieces shown in the figures, it is also possible, for example, to use the tips the crystal pieces 1 and 2 butt against each other and thus provide the shape for a microbridge that has a V-shaped border on both sides and not just on one side. In the case of the one shown in the figures Alignment of the silicon pieces is, however, much easier.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
OD | Request for examination | ||
8126 | Change of the secondary classification |
Ipc: ENTFAELLT |
|
D2 | Grant after examination | ||
8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |