DE2718492A1 - Verfahren zum einstellen der kennlinie eines josephson-kontaktes - Google Patents

Description

Böblingen, den 19. April 1977 te- sz

Anmelderin:

International Business Machines Corporation, Armonk, N. Y. 10504

Amtliches Aktaizeichen:

N euanm e ldung

Aktenzeichen der Anmelderin:

SZ 975 004

Vertreter:

Patentassessor Dipl. -Phys. F. Teufel

7030 Böblingen

Bezeichnung:

Verfahren zum Einstellen der Kennlinie eines Josephson-Kontaktes

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Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Herstellung elektronischer Schaltvorrichtungen, insbesondere von Josephson-Kontakten und betrifft ein Verfahren zum Einstellen deren Kennlinien.

Zur Realisierung digitaler Schaltungen und Bauelemente mit Josephson-Kontakten ist eine Vielzahl von Kontakten mit möglichst gleichen Kennlinien erforderlich. Durch Steuern der Herstellungsverfahren alleine ist diese Anforderung nur sehr schwer zu erfüllen; es werden deshalb auch Verfahren angewandt, mit denen die Kennlinien der Kontakte nach der Herstellung gezielt geändert werden können. Ein Beispiel hierfür ist das Tempern während mehrerer Stunden bei erhöhter Temperatur, wie es im IBM Technical Disclosure Bulletin, Bd. 17, Nr. 11, April 1975, S. 3488 beschrieben ist. Bei diesem Verfahren können jedoch nur alle Kontakte gemeinsam beeinflusst werden.

Die vorliegende Erfindung stellt sich deshalb die Aufgabe, ein Verfahren anzugeben, bei dem individuelle Kontakte zuverlässig und rasch und in automatisierbarer Weise nach ihrer Herstellung in ihren Kennlinien verändert werden können.

Diese Aufgabe wird durch die im Hauptanspruch gekennzeichnete Erfindung gelöst; Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Im wesentlichen beruht die Erfindung auf der Feststellung, daß ein Elektronenstrahl, wie er beispielsweise in Kathodenstrahl !geräten oder Elektronenmikroskopen verfügbar ist, dazu verwendet werden kann, die elektrische Kennlinie

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eines Josephson-Kontaktes innerhalb Bruchteilen von Sekunden gesteuert zu verändern. Es ist zwar noch nicht völlig bekannt, worauf diese Veränderung durch einen Elektronenstrahl beruht, die Arbeitsbedingungen für das Einstellen der Kennlinien können jedoch genau angegeben werden. Der Kontakt wird hierzu einem Elektronenstrahl mit hoher Beschleunigungsspannung, z. B. oberhalb 10 kV und einer gewissen Dosis, z. B. in der Größenordnung von 1 A · sec/cm ausgesetzt. Die Einstellung der Kennlinie durch den Elektronenstrahl ist örtlich in ihrer Wirkung sehr begrenzt und eine einfache Funktion der Zeit; die letztgenannte Eigenschaft liefert eine Rückkopplungsmöglichkeit durch Messen der Kennlinie während des Einstellvorgangs. Der Elektronenstrahl, der die Kennlinie verändert, wirkt dabei gleichzeitig als Stromquelle für die Messung der Kennlinie während des Einstellvorgangs.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nun anhand der im folgenden beschriebenen Zeichnungen näher erläutert:

Fig. 1 zeigt ein Elektronenmikroskop zur Bestrahlung von Josephson-

Kontakten, '

Fign. 2-4 zeigen die Wirkung der Einstellung von Josephson-Kontakten \

durch Elektronenstrahl-Behandlung, j

Fign. 5-7 zeigen die Erzeugung örtlicher Änderungen der Kennlinien, um dadurch beispielsweise die Stromverteilung in der Vorrichtung einzustellen.

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Fig. 8 zeigt schematisch eine Anordnung, bei der ein Elektronenstrahl als verstellbare Stromquelle für die Messung der Kennlinien einzelner Vorrichtungen dient,

Fig. 9-10 zeigen, wie die mittels der Anordnung von Fig. gewonnenen Messungen auszuwerten sind,

Fig. 11 zeigt eine vergrösserte Darstellung der Elektronenstrahl-Behandlung eines Josephson-Kontaktcs, wobei der Elektronenstrahl als Stromquelle für gleichzeitige Rückkopplung dient,

Fig. 12-13 zeigen Signale, die in der Anordnung von Fig. auftreten.

In Fig. 1 ist 1 der Arbeitstisch einer Elektronenstrahl-Behandlungsapparatur, wie des Elektronenmikroskops 2, das beschrieben wurde in "Scientific American" Bd. 227, Nr. 5, S. 34-44, Nov. 1972 in "Micrpcircuits by Electron Beam" von A.N. Broers und M. Hatzakis. Ein Chip 3, der behandelt werden soll, wird von einem Elektronenstrahl 4 getroffen,

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der die einzelnen Josephson-Kontakte in der Art eines Rasters 5 abtastet. Die Einzelheiten des Elektronenmikroskops 2 sind dem Fachmann bekannt und gehören nicht zur Erfindung. Andere Arten von Elcktronenstrahl-Einrichtungcn sind ebenso brauchbar. Wesentlich an einer solchen Einrichtung ist die Fähigkeit, unter Einfluss der Steuerorgane 6 einen Elektronenstrahl mit einem Strom in der Grössenordnung von 10

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bis 10 A zu steuern und zu richten, wobei der Strahl von einer Spannung von wenigstens 1 kV beschleunigt wird und genau fokussierbar ist. Das Elektronenmikroskop sollte so steuerbar sein, dass der Strahl genau abgelenkt werden kann und sollte programmierbar sein, um eine rasterartige Ablenkung zu erzeugen. All diese Möglichkeiten sind bei Elektronenstrahlgeräten bekannt und können von den in der angegebenen Literaturstelle beschriebenen Geräten durchgeführt werden.

Fig. 2 zeigt das Einstellverhalten eines Josephson-Kontaktes als Funktion der Strahlbeschleunigungsspannung V bei einem konstanten Strahlstrom. Das Einstellverhalten wird ausgedrückt als zeitliche Aenderung des Raumtemperatur-Widerstandes bei der Zeit t - O, (dR/dt)_taQ, bezogen auf den Anfangswert des Raumtemperatur-Widerstandes, Rq.

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Bei Versuchen, die anlässlich der Erfindung gemacht wurden, wurden Josephson-Kontakte verwendet, bei welchen zwischen Blei-Elektroden eine Tunnelschicht aus Bleioxid angeordnet ist, nachfolgend als Bleikontakte bezeichnet. Ebenfalls wurden Kontakte verwendet, bei welchen zwischen Niob-Elektroden eine Schicht aus Nioboxid angeordnet ist, nachfolgend als Niobkontakte bezeichnet. Die Kurve der Fig. 2 bezieht sich auf einen Bleikontakt. Die entsprechende Kurve für einen Niobkontakt verläuft etwa entgegengesetzt. Wie aus Fig. 2 ersichtlich·, werden mit einer Beschleunigungsspannung von etwa 15 kV die besten Resultate erreicht, obwohl merkliche Resultate berei bei einer Beschleunigungsspannung von 10 kv erreicht werden.

Fig. 3 und 4 zeigen die Einstellcharakteristiken von typischen Niob- und Blei-Kontakten; gezeichnet ist jeweils der relative Raumtemperatur-Widerstand R/R« als Funktion der Zeit t bzw. der Elektronenstrahl-Dosis q. Dosis ist definiert als <l · I«t/A, wobei I der Strahlstrom, t die Zeit und A die exponierte Fläche ist. Es ist ersichtlich, dass bei gewissen Dosierungen der wesentliche Parameter zunimmt, und dass bei anderen Dosierungen dieser Parameter abnimmt. Wenn dieses

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Verhalten und die gewünschte Kontaktkennlinie bekannt sind, ist ohne weiteres ersichtlich, wie die Kennlinien einer Gruppe von ähnlichen aber sich verschieden verhaltenden Vorrichtungen angeglichen respektive wunschgemäss justiert werden können.

Untersuchungen haben gezeigt, dass die Aenderungen durch Elektronenstrahl in ihrer Wirkung örtlich eng begrenzt sind. Dadurch kann eine spezielle lokalisierte Wirkung erreicht werden. Fig. 5, 6 und 7 zeigen Beispiele einer solchen Wirkung. Fig. 5 zeigt einen Kiobkontakt 7, dessen Eigenschaften bekanntlich infolge der Rahdwirkung innerhalb der Kontaktfläche ungleich sind. Durch Elektronenstrahl-Behandlung entsprechend dem Muster 8 entlang den Randgebieten des Kontaktes wird der elektrische Widerstand der Randgebiete im Vergleich zur Mitte

9 vergrössert und die Stromverteilung über dem Kontakt so verändert, dass die Stromdichte in den Randgebieten wesentlich verkleinert wird. Fig. 6 ist die Draufsicht eines Kontakts

10 ähnlich der Fig. 5, aber mit einem anderen Behand-

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lungsmuster 11, um die Randeffekte auszugleichen. Fig. 7 zeigt einen sogenannten "langen" Bleikontakt 12, dessen Endgebiete einer Behandlung gemäss dem Muster 13 ausgesetzt werden mit einer Strahldosierung zur Herabsetzung des Widerstandes. Es wurde festgestellt, dass dadurch die Verstärkungskennlinie der Vorrichtung geändert wird.

Fig. 8 zeigt schematisch einen Schaltkreis, in welchem die Widerstände der einzelnen Josephson-Kontakte 14, 15, 16, 17, 18 mit Hilfe des Elektronenstrahles 4 als Messstrom, der Reihe nach gemessen werden können. Die Einzelheiten der Josephson-Kontakte selbst sind bekannt, und es braucht hier nur festgestellt zu werden, dass jeder Kontakt, Beispiel 14, eine dünne Tunnelschicht zwischen einem Leiterpaar, z.B. 19 und 20, aufweist. Unter seinen Arbeitsbedingungen kann der Kontakt so gesteuert werden, dass er entweder einen Widerstands-Zustand oder einen widerstandsfreien Zustand einnimmt und dadurch eine Schaltfunktion ausübt. Der Widerstand des Kontakts im Widerstands-Zustand ist eine wesentliche Grosse des Kontaktverhaltens. Es kann experimentell gezeigt werden, dass dieser Widerstand direkt abhängig ist vom Maximalstrom, der den Kontakt im widerstandsfreien Zustand durch-

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fHessen kann. Auch ist dieser Widerstand direkt messbar sowohl bei Zimmertemperatur als auch bei Tieftemperatur, bei welcher Josephson-Kontakte arbeiten. Die Schaltung der Fig. 8 zeigt neben den in Reihe geschalteten Kontakten 14, 15, 16, 17 und 18 ein Amperemeter 21 in Reihe mit den Kontakten und mit einer Stromableitung, beispielsweise Erde. Weiterhin ist ein Voltmeter 22 über die ganze Reihe von Kontakten geschaltet. Der Elektronenstrahl 4 wird der Reihe nach so auf die Leiter gerichtet, dass er die Josephson-Kontakte 14, 15, 16, 17 und 18 mit einem Strom versieht, der gegen Erde abfliesst. Der Strom wird bestimmt durch die Steuerung 6 des Elektronenmikroskopes und wird vom Amperemeter 21 gemessen. Dieser Strom muss durch die Josephson- Kontakte 14 und 15 fliessen, die zwischen dem Auftreffpunkt des Strahles und der Erdverbindung liegen. Gcmäss dem Ohmschen Gesetz entsteht dadurch eine Spannung als Produkt des gemessenen Stromes und des Gesamtwiderstandes aller Josephson-Kontakte, durch welche der Strom fliesst.

Fig. 9 ist eine Darstellung der gemessenen Spannung, aufgetragen übtr der Zeit während einer kontinuierlichen Bewegung des Elektronenstrahls 4 von links nach rechts, wobei dessen

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Strom konstant gehalten wird. Wenn der Elektronenstrahl 4 den nächst benachbarten Leiter erreicht, erfolgt eine Zunahme der Spannung, die dem Widerstand des Kontakts zwischen den beiden Leitern entspricht. Die relativ grosse Spannungszunahme 23 zeigt einen hohen Widerstand des Josephson-Kontaktes 15 an, wogegen die geringe Spannungszunähme 24 einen geringen Widerstand des Josephson-Kontaktes 18 anzeigt.

Fig. 10 zeigt dieselben Angaben wie Fig. 9, jedoch in Form der Ableitung der Spannung nach der Zeit, wodurch die individuellen Spannungszunahmen direkt messbar sind.

Dieses Verfahren wird an sich zur Messung der Kennlinien von Josephson-Kontakten benutzt, wobei die Beschleunigungsspannung des Elektronenmikroskops unterhalb etwa 1 kV gehalten wird. Die Anwendung dieses Messverfahrens ist aber besonders vorteilhaft, wenn gleichzeitig der Elektronenstrahl bei genügend hoher Beschleunigungsspannung so gesteuert wird, dass die Widerstandskennlinie des Josephson-Kontaktes selbst beeinflusst wird. Dadurch, wird die Widerstandskennlinie während ihrer Aenderung zur Rückwirkung überwacht, wodurch gleichmässigere Resultate

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erreicht werden können. Es ist klar, dass zu einer derartigen Rückkopplungssteuerung an sich auch andere Messverfahren verwendet werden können.

Fig. 11 ist eine stark vergrösserte Ansicht des Josephson-Kontaktes 25, der einen ersten Leiter 26 aufweist, welcher über das Amperemeter 27 mit Erde verbunden ist, sowie einen zweiten Leiter 28, der vom Amperemeter weiter entfernt ist. Zwischen den Leitern 26 und 28 ist die übliche Tunnelschicht 29 des Josephson Kontaktes. Ein Voltmeter 30 überbrückt den Josephson Kontakt 25. Der Elektronenstrahl 4 folgt einem Abtastweg in Form des durch die gestrichelten Linien 31 gezeigten Rasters, die bereits vom Strahl überstrichen wurden, sowie der Folgelinien 32, die vom Strahl 4 noch zu überstreichen sind. Es ist bekannt, dass die periodische Ablenkung des Strahls 4 durch ein sägezahnförmiges Signal erzeugt werden kann, wie es in Fig. 12 gezeigt ist.

Das Abtastmuster des Strahls 4 ist so angelegt, dass einzelne Linien 31 und 32 oberhalb der Tunnelschicht 29 beginnen und sich jenseits der Tunnelschicht fortsetzen, so dass der Strahl 4 während jeder Ablenkung den Leiter 28 jenseits

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der Tunnelschicht trifft. Während dieser Zeit fliesst der Strom durch die gesamte Tunnelschicht 29, wodurch die Messung des Widerstandes der Schicht am Voltmeter 30 möglich ist. Zur automatischen Ausführung kann ein Abtastsignal, wie in Fig. 13 gezeigt, welches mit dem Sägezahn-Signal der Fig. 12 synchronisiert ist, an das UND-Gate 33 angelegt werden, damit die Spannungsmesseinrichtung 30 nur dann angeschaltet ist, wenn der Strahl 4 den Leiter 28 trifft. Wenn der vorgegegebene Wert erreicht ist, wird das weitere Ueberstreichen durch den Elektronenstrahl 4 unterbrochen.

Die Behandlung von Josephson-Kontakten kann auch durchgeführt werden, wenn der Josephson-Kontakt ganz oder teilweise mit Isolations- und Metallschichten, z.B. Steuerleitungen, Abschirmungen oder Schutzschichten überdeckt ist. Da diese Schichten vom Elektronenstrahl durchdrungen werden müssen, sind grössere Beschleunigungsspannungen notwendig,. z.B. 20-30 kV. Auf diese Weise können die Vorrichtungen nach dem letzten Herstellungsschritt behandelt werden.

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Claims (12)

1. PATENTANSPRÜCHE

   Verfahren zum Einstellen der Kennlinie eines Josephson-Kontaktes, gekennzeichnet durch Beeinflussen des Kontaktes mittels eines Elektronenstrahls (4, Fig. 1), welcher eine so hohe Beschleunigungsspannung aufweist, dass die Kennlinie des Josephson-Kontaktes sich verändert, dessen Strom jedoch so gering ist, dass keine wesentliche Erwärmung des Kontaktes auftritt.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Beschleunigungsspannung des Elektronenstrahls von wenigstens 10 kV.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Beschleunigungsspannung von 15 kV.
4. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine Elektronenstrahl-Dosis in der Grössenordnung von 1 A · sec/cm .
5. 5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch Messen der veränderten Kennlinie während der Behandlung.
6. 6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Widerstandsänderung des Kontaktes (Fign. 3, 4) gemessen wird.
7. 7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Leiter (26, Fig. 11) des Kontaktes mit einer Stromableitung (27) verbunden wird, dass Mittel zur Spannungsmessung (30, Fig. 11) parallel zum Kontakt geschaltet werden, dass ein Elektronenstrahl (4) bekannten Stromes zusätzlich zur Beeinflussung auf den Kontakt gerichtet wird, und dass die Beeinflussung unterbrochen wird, wenn die gemessene Spannung einen vorgegebenen Wert erreicht hat. ι
8. 8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass anstelle eines Kontaktes mehrere Kontakte in Reihe geschaltet sind (Fig. S) und der Elektronenstrahl nacheinander über die Kontakte geführt wird.

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9. 9. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektronenstrahl auf nur einen Teil der Gesamtfläche des Josephson-Kontaktes gelenkt wird.
10. 10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektronenstrahl so gesteuert wird, dass die Beeinflussung in den Randzonen ; des Josephson-Kontaktes grosser ist als in der Mittelzone (Fign. 5, 6, 7).
11. 11. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Beein- | flussung in der Mittel zone des Josephson-Kontaktes grosser ist als in den Randzonen.
12. 12. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, wobei der Kontakt Bestandteil einer Vorrichtung ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung fertiggestellt wird, wobei über dem Kontakt j wenigstens eine Schicht aus isolierendem und/oder leitendem Material angebracht wird und der Elektronenstrahl diese Schicht oder Schichten | durchdringt, und dass eine dementsprechend erhöhte Beschleunigungsspannung angelegt wird.

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