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Verfahren zur Herstellung mindestens eines Josephson-
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Tunnelelementes Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung
mindestens eines Josephson-Tunnelelementes, insbesondere für Logik- und Speicherschaltungen,
das eine auf einem Substrat abgeschiedene supraleitende Schicht einer Basiselektrode,
eine Schicht einer Gegenelektrode aus einem supraleitenden Material mit einer sehr
geringen Spannungsrelaxation und mit einer mindestens so hohen Sprungtemperatur
wie die von Niob sowie eine Schicht einer Tunnelbarriere zwischen den Elektrodenschichten
enthält, bei welchem Verfahren in einem ununterbrochenen Vakuumprozeß die Schichten
der Elektroden mit Hilfe einer Maskentechnik durch schräges Aufdampfen aufgebracht
werden und zwischendurch die Schicht der Tunnelbarriere ausgebildet wird. Ein derartiges
Verfahren ist aus der Veröffentlichung SQUID '80 - Superconducting Quantum Interference
Devices and their Agplfcations, Berlin 1980, Seiten 399 bis 415 bekannt.
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Von Josephson-Tunnelelementen, die man insbesondere für hochintegrierte
Logik- und Speicherschaltungen in beispielsweise 1- bis 2-Mikrometer-Technik vorsehen
möchte, wird gefordert, daß ihre Kennlinien gegenüber Abkühl- und Aufwärmzyklen
zwischen Raumtemperatur und Supraleitungstemperatur weitgehend stabil sind und daß
ihre Leckströme bei Spannungen kleiner als die Summe der Energielücken der das Element
bildenden supraleitenden Schichten mpglichst klein sind.
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Mit dem aus der genannten Literaturstelle SQUID '80" bekannten Verfahren
lassen sich Josephson-Tunnelelemente herstellen, welche die geforderte Stabilität
gegenüber den erwähnten thermischen Zyklen aufweisen.
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Dieses auch als Schwebemaskenverfahren bezeichnete Verfahren umfaßt
im wesentlichen zwei Verfahrensschritte. Danach erfolgt zunächst die sogenannte
Lithographie, d.h. die Herstellung einer Schattenmaske, und dann das eigentliche
Aufdampfen der supraleitenden Schichten. Die Schwebemaske ist über einen einige
zehntel /um hohen Sockel fest mit einem Substrat verbunden, das hauptsächlich aus
Silizium besteht. Sie ist so unterhöhlt, daß freitragende, den geometrischen Formen
der Schichten des herzustellenden Josephson-Tunnelelementes angepaßte Brücken ausgebildet
sind. Mit Hilfe dieser Maskenstruktur werden dann in einer Hochvakuumanlage die
Schichten des Tunnelelementes aufgebracht bzw. ausgebildet. Dazu werden zwei als
Basis- und Gegenelektrode dienende Schichten aus supraleitendem Material unter verschiedenen
Winkeln auf die Schwebemaske aufgedampft, und zwar so, daß sich die beiden Schichten
unter der Brücke in vorbestimmter Weise überlappen. Als Material der Elektrodenschichten
ist Niob vorgesehen, das zum einen eine verhältnismäßig hohe Sprungtemperatur hat
und zum anderen eine sehr geringe Spannungsrelaxation (vgl. z.B. DE-AS 21 63 250)
aufweist. Zwischen den Aufdampfprozessen wird die erforderliche Tunnelbarriere durch
Oxidation der freien Oberfläche der als Basiselektrode dienenden ersten Niob-Schicht
erzeugt. Auf diese Weise entsteht in der Uberlappungszone der beiden Niob-Metallschichten
das Tunneleleinent, ohne daß man die Vakuumbedingungen bei dessen Herstellung unterbrechen
muß.
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Es zeigt sich Jedoch, daß die Leckströme von nach diesem bekannten
Schwebemaskenverfahren hergestellten Josephson-Tunnelelementen noch verhältnismäßig
hoch sind. Ferner ist die Herstellung hochintegrierter Logikschaltungen mittels
dieses Verfahrens erschwert, da die Stabilität der hierfür vorzusehenden Schwebemasken
wegen ihrer Unterhöhlungen begrenzt ist. Dies bedingt eine entsprechende Begrenzung
der Integrationsdichte an Josephson-Tunnelelementen. Außerdem ist bei dem bekannten
Verfahren die Oxidation der Basiselektrodenschichten zur Ausbildung der Tunnelbarrieren
unter den Brücken der Maske verhältnismäßig schwierig auszuführen.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, das bekannte Verfahren
der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, daß mit ihm die erwähnten
Forderungen weitgehend zu erfüllen und die genannten Schwierigkeiten zu umgehen
sind. Demnach sollen insbesondere mit dem Verfahren auch hochintegrierte Logikschaltungen
mit# Josephson-Tunnelelementen auf verhältnismäßig einfache Weise zu erstellen sein,
wobei die Tunnelelemente Jeweils verhältnismäßig kleine Leckströme aufweisen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß auf dem Substrat
eine Lochmaske vorbestimmter Dicke mit einer dem zu erzeugenden Tunnelelement angepåBten
Lochstruktur angeordnet wird.
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Die Lochmasken-Lithographie bei dem Verfahren nach der Erfindung unterscheidet
sich von der bekannten Schwebemasken-Lithographie im wesentlichen dadurch, daß ein
Loch die Funktion der schwebenden Maskenteile übernimmt.
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Die mit dem Verfahren nach der Erfindung verbundenen Vorteile sind
dann insbesondere darin zu sehen, daß sich mit der Verwendung der besonderen Lochmaske
und des besonderen Materials für die Gegenelektrode die Sauberkeit bei der Herstellung
der Schichten des Josephson-Tunnelelementes bedeutend erhöhen läßt. D.h., die Löcher
der Maske lassen sich besser reinigen als die unter Brücken einer Schwebemaske liegenden
Oberflächenteile0 Außerdem erfährt die Schicht der Tunnelbarriere keine wesentliche
Veränderung bei den ständig unter Hochvakuumbedingungen durchzufUhrenden Verfahrensschritten;
insbesondere tritt keine Interdiffusion mit der sie abdeckenden Schicht der Gegenelektrode
auf. Derartige Veränderungen der Tunnelbarrierenschicht werden als eine Ursache
für die Erhöhung der Leckstrfse angesehen. Die Reproduzierbarkeit sowie die Kennlinien
der Tunnelelemente werden also gegenüber den bisher benannten Elementen wesentlich
verbessert.
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Da außerdem die Tunnelbarrieren nicht unter Brücken wie bei dem bekannten
chwbemaskenverfahren, sondern direkt in den Löchern ausgebildet werden, ist ihre
Herstellung besonders einfach. Dabei können die Abstände zwischen benachbarten Löchern
sehr klein gehalten werden, so daß eine hohe Integrationsdichte, d.h. eine große
Anzahl von Tunnelelementen pro Flächeneinheit, zu erreichen ist. Das Verfahren eignet
sich deshalb besonders zur Herstellung hochintegrierter Logikschaltungen.
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Vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens nach der Erfindung gehen
aus den Unteransprüchen hervor.
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Zur weiteren Erläuterung der Erfindung und deren Ausbildungen gemäß
den Unteransprüchen wird auf die schematische Zeichnung Bezug genommen, in deren
Fig. 1, 2 und 3, 4 die bekannte Schwebemasken-Technik bzw. die Lochmasken-Technik
nach der Erfindung gegenübergestellt sind.
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In Fig. 5 sind die wesentlichsten Schritte des Verfahrens
nach
der Erfindung in einem Querschnitt durch ein Josephson-Tunnelelement mit Lochmaske
angedeutet, die in Fig. 6 als Schrägansicht veranschaulicht ist. In den Fig. 7 und
8 ist ein weiteres AusSührungsbeispiel einer derartigen Lochmaske in Schrhgansicht
bzw. als teilweise Querschnitt dargestellt. Fig. 9 zeigt als Schrägansicht die Herstellung
der supraleitenden Elektrodenschichten eines Josephson-Tunnelelementes, während
aus den Fig. 10 und 11 eine besondere Ausführungsform einer Lochmaske bzw. deren
räumliche Anordnung bei dem Verfahren nach der Erfindung hervorgeht. Die Fig. 12
bis 14 zeigen als Aufsicht Einzelheiten eines erfindungsgemäß herzustellenden Interferometers.
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Zur Herstellung eines Josephson-Tunnelelementes werden gemäß der bekannten,
in Fig. 1 als Querschnitt angedeuteten Schwebemasken-Technik durch schräges Aufdampfen
zwei sich einander überlappende, supraleitende Metallschichten 2 und 3 als Basis-
bzw. Gegenelektrode auf einem im allgemeinen aus mehreren Schichten aufgebauten
Substrat 4 aufgebracht, wobei außerdem zumindest in der Uberlappungszone dieser
beiden Elektroden eine in der Figur nicht ausgeführte, als Tunnelbarriere dienende
Schicht ausgebildet wird. Die geometrischen Formen der Elektroden werden durch oeffnungen
5 und 6 und eine dazwischen ausgebildete Brücke 7 einer sich in einem Abstand a'
über dem Substrat 4 befindenden Schwebemaske 8 unter Berücksichtigung eines Aufdampfwinkels
~' festgelegt. Diese in Fig. 2 auch als Aufsicht angedeutete Schwebemaske 8 wird
von einem auf dem Substrat 4 angeordneten Sockel 9 getragen, der im Bereich des
zu erstellenden Josephson-Tunnelelementes, beispielsweise durch Unterätzen, eine
entsprechende Aussparung aufweist.
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Die seitliche Begrenzung dieser Aussparung ist mit 10 bezeichnet.
Bei einer Länge L' und Breite Bt der Brücke 7 kann dann bei dem Aufdampfwinkelot'
bezüglich der Ebene der zu bedampfenden Substratoberfläche unter der Brücke
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ein Josephson-Tunnelelement mit einer Fläche F' = B'§X' = B' (2a'cotg ~' - L') seiner
Uberlappungszone ausgebildet werden. Die Länge L' ist dabei kleiner als 2a' ~ cotg#'.
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In den Fig. 3 und 4 ist entsprechend den Fig. 1 und 2 die Lochmasken-Technik
des Verfahrens nach der Erfindung angedeutet, wobei entsprechende Teile mit den
gleichen Bezugszeichen versehen sind. Gemäß dem Querschnitt der Fig. 3 soll ein
Loch 11 einer auf dem Substrat 4 aufgebrachten Maske 12 eine Länge L und eine Breite
B haben.
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Die Dicke der Lochmaske ist mit a bezeichnet. Bei einem Aufdampfwinkelol
ergibt sich dann eine Fläche der Uberlappungszone des Josephson-Tunnelelementes
mit seinen beiden Elektroden 2 und 3 zu F-B.X 1 Be (L - 2acotg;).
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Dabei ist die Länge L größer 2acotg Als Beispiel soll der zur Herstellung
von einer 1,5 #um . 1,5 /um großen Überlappungszone eines Josephson-Tunnelelementes
mit etwa 1 /um langen Elektroden erforderliche Raumbedarf bei dem bekannten, in
den Fig.1 und 2 angedeuteten Verfahren mit dem Raumbedarf bei dem in den Fig. 3
und 4 angedeuteten Verfahren nach der Erfindung verglichen werden. Unter Zuhilfenahme
der genannten Formeln lä3t sich dann nachweisen, daß bei Anwendung einer bekannten
1,5 ~um-Lithographie zur Erzeugung einer Schwebemaske etwa 3 mal so viel Platz benötigt
wird wie bei Verwendung einer Lochmaske gemäß dem Verfahren nach der Erfindung.
Hieraus ist ersichtlich, daß die Packungsdichte der Löcher und deshalb auch die
der Tunnelelemente sehr hoch gewählt sein kann, d.h., das Lochmasken-Verfahren ist
insbesondere zur Herstellung von hochintegrierten Logikschaltungen geeignet.
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Die Herstellung eines Josephson-Tunnelelementes nach dem erfindungsgemäßen
Verfahren umfaßt im wesentlichen zwei
Verfahrensschritte, nämlich
zunächst den Aufbau einer Lochmaske und daran anschließend die Ausbildung des Tunnelelementes.
Beide Verfahrensschritte sind in dem in Fig. 5 dargestellten Querschnitt schematisch
angedeutet. Gemäß dem ersten Verfahrensschritt wird eine Lochmaske 12 auf einem
Substrat 4 erstellt. Das Substrat enthält einen scheiben- oder plattenförmigen Trägerkörper
13, beispielsweise aus Silizium, auf dem eine als Grundebene für eine Logikschaltung
dienende Schicht 14 aus supraleitendem Material wie z.B. aus Niob mit einer Dicke
von wenigen 100 nm aufgedampft ist. Diese Grundebene wird ihrerseits mit einer Isolierschicht
15 von wenigen 100 nm Dicke bedeckt. Diese beispielsweise aus Si, SiO oder SiO2
bestehende Schicht kann zweckmäßig in einem Niedrigtemperaturverfahren abgeschieden
werden, bei dem die darunterliegende Niobschicht 14 nicht angegriffen wird. Die
Isolierschicht isoliert das aufzubringende Schaltelement von der supraleitenden
Grundebene 14 und dient zum Transport schneller Schaltsignale in Gestalt des Dielektrikums
von Streifenleitern, die aus der Grundebene und supraleitenden Verbindungsleitungen
des Josephson-Elementes gebildet werden. Durch die Auswahl eines geeigneten Materials
der Isolierschicht kann diese auch als Tiefenbegrenzung flir eine nachfolgende Plasmaätzlithographie
bei der Herstellung der Lochmaske 12 verwendet werden. Diese Maske läßt sich dadurch
ausbilden, daß man zunächst einen Sockel 16, beispielsweise aus Polysilizium, auf
der Isolierschicht 15 des Substrats 4 mit einer Dicke von etwa 1 bis D ~um aufbringt.
Das Polysilizium kann beispielsweise mittels der sogenannten C.V.D.-Technik bei
etwa 700 K abgeschieden werden. Daran anschließend kann gegebenenfalls eine Implantation
von P oder B und ein Tempern bei etwa 1100 K vorgenommen werden, um eine feinkörnige
Polysiliziumschicht von geringer Oberflächenrauhigkeit zu erzeugen. Auf den so erstellten
Sockel
16 wird dann noch eine Deckschicht 17, beispielsweise aus Aluminium, mit einer Dicke
zwischen 0,1 und 0,2 /um aufgebracht. Anschließend wird in bekannter Weise diese
Deckschicht 17 mit einem Fotolack bedeckt, der durch eine Maske kontaktbelichtet
wird, die auf dem Lack unmittelbar aufgebracht wird und eine den geometrischen Formen
des herzustellenden Josephson-Tunnelelementes angepaßte Lochstruktur hat, Nach dem
Entwickeln der belichteten Teile: des Fotolacks wird eine Lochstruktur in der Lackschicht
von gleicher Geometrie wie die Lochstruktur der Maske erhalten. In den Lacklöchern
wird dann die Deckschicht 17 aus Aluminium beispielsweise durch Plasmaätzen entfernt,
so daß sich eine Lochstruktur mit der Länge L ergibt. Die verbleibenden Lackschichten
können danach in einem Trockenätzproz,eß oder in einem Lösungsmittel ebenfalls entfernt
werden.
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Anschließend wird das Material des Sockels im Loch der Deckschicht
17 mittels eines Trockenätzprozesses weggeätzt. Dabei wird vorteilhaft das in der
Figur dargestellte Unterätzprofil erzeugt, d.h. die#Länge der Lochstruktur in dem
Sockel 16 ist größer als die Länge L des Loches in der Deckschicht 17. Durch dieses
Unterätzen des unmittelbar an das Substrat angrenzenden Sockels läßt sich eine definierte
Begrenzung der aufzubringenden Schichten des Tunnelelementes erreichen.
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Außerdem wird ein späteres Entfernen der Lochmaske von dem Substrat
erleichtert. Das Unterätzen kann man z.B.
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dadurch ermöglichen, daß man einen Sockel mit erhöhter Ätzrate unmittelbar
am Substrat benutzt. Eine Erhöhung der Ätzrate läßt sich-beispielsweise dadurch
erreichen, daß für den Sockel ein anderes Material als für die auf ihm aufgebrachte
Deckschicht verwendet wird oder daß er gegenüber dem Material dieser Deckschicht
unterschiedlich dotiert ist.
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Die so auf dem Substrat 4 erhaltene Lochmaske 12 mit einer Lochstruktur
18 und einer Dicke a wird dann in einer Ultrahochvakuumanlage auf einen drehbaren,
kühl-und aufheizbaren Halter montiert. Dieser Halter läßt sich so drehen, daß die
Aufdampfrichtung des Materials für eine als Basiselektrode dienende Schicht, für
die insbesondere Niob gewählt wird, mit der Ebene der zu bedampfenden Oberfläche
des Substrates einen Winkel bildet. Als weiterer Verfahrensschritt des Verfahrens
nach der Erfindung wird dann bei einem Druck unter 10-9 Torr, wie in der Figur durch
gepfeilte Linien 19 angedeutet ist, auf das Substrat 4 eine Schicht 20 aus dem Material
der Basiselektrode mit einer Dicke von etwa etwa 100 nm aufgedampft, wobei das Substrat
auf einer Temperatur zwischen etwa 70 K und 1000 K gehalten wird.
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Zur anschließenden Ausbildung einer Tunnelbarrierenschicht durch Oxidation
der Oberfläche der Schicht 20 der Basiselektrode durch Beschuß mit Sauerstoffionen
wird der Halter bis zu einer Temperatur zwischen Raumtemperatur und etwa 70 K abgekühlt.
Er wird dabei so ausgerichtet, daß die Substratoberfläche mit einer Ionenkanone
einen Winkel ß mit α#ß#~ 180 -~ i bildet. Als in der Figur nicht dargestellte
Ionenkanone wird zweckmäßig eine Ionenquelle gewählt, die eine hohe Strahlstromdichte
und Homogenität des Strahls gewährleistet.
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Die Energie der erzeugten Ionen oder Atome soll dabei zwischen etwa
100 eV und 1500 eV einstellbar sein. Hierzu können in Abänderung der bekannten Ausführungsformen
von Ionenquellen Beschleunigungsblenden für einen reduzierten Durchsatz verwendet
werden, um einen größeren Druckgradienten zwischen Plasma und Aufdampfraum zu ermöglichen.
Die Art der in der Figur durch gepfeilte Linien 21 dargestellten Teilchenstrahlen
ist definiert durch das gewählte Gas oder Gasgemisch im Entladungsraum der Ionenquelle.
Die Ionenkanone wird differenziell gepumpt. Durch einen
Sauerstoffionenstrahl,
dem wahlweise Argonionen beigemischt sein können, wird dann-die aufgedampfte Niobschicht
20 der Basiselektrode bei einem 10 6 Torr nicht überschreitenden Druck an ihrer
Oberfläche oxidiert, so daß sich auf ihr eine dünne, als Tunnelbarriere wirkende
Oxidschicht 22 ausbildet. Der Druck bei der Oxidation wird z.B. durch geeignetes
differenzielles Pumpen der Ionenquelle eingestellt. Nach Abschluß der Oxidation
wird der Systemdruck in weniger als 20 sec wieder auf einen Druck von höchstens
10 Torr abgesenkt und dann der Halter mit dem Substrat so gedreht; daß die Bedampfungsrichtung
für das Material einer Gegenelektrode mit der Bedampfungsebene einen Winkel 180
«1 bildet. Bei dem genannten Druck von höchstens 10 9 Torr wird dann, wie in der
Figur durch gepfeilte Linien 23 angedeutet ist, eine als Gegenelektrode dienende
Schicht 24 mit einer Schichtdicke aufgedampft, die größer ist als die der als Basiselektrode
dienenden Schicht 20.
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Als Material der Gegenelektrodenschicht 24 wird vorteilhaft ein supraleitendes
Material gewählt, das zum einen eine Sprungtemperatur hat, die mindestens so hoch
wie die des Materials der Schicht 20 der Basiselektrode ist. Außerdem soll dieses
Material mit dem Material der Schicht 22 der Tunnelbarriere bei seinem Aufbringen
praktisch nicht reagieren. Darüber hinaus werden vorteilhaft als Materialien für
die beiden Elektroden Materialien gewählt, die nur eine sehr geringe Spannungsrelaxation
zeigen (vgl. DE-AS 21 63 250). Unter diesen Bedingungen lassen sich dann Veränderungen
der Tunnelbarrierenschicht 22, die mit einer Erhöhung der Leckströme und einer Veränderung
des kritischen Stromes des herzustellenden Tunnelelementes verbunden sind, weitgehend
vermeiden.
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Schließlich wird das so erstellte Josephson-Tunnelelement mit einer
Länge X seiner Uberlappungszone, die L - 2a ~ cotg beträgt, noch mit einer Isolierschicht
25, z.B. aus Siliziumoxid, versehen. Hierzu kann entweder das bedampfte Substrat
aus dem Vakuumraum der Bedampfungsanlage ausgebaut werden, oder aber der Halter
wird in der Anlage so gedreht, daß der Bedampfungsstrahl bezÜglich der zu bedampfenden
Substratebene unter einem Winkel von etwa 900 verläuft.
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Gegebenenfalls kann zuletzt noch die nicht mehr erforderliche Lochmaske
12 wieder entfernt werden. Wenn der Sockel der Maske aus Silizium besteht, läßt
sich hierfür z.B. ein naßchemisches Verfahren mit einer Pyrokatechol-Lösung einsetzen.
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Falls erforderlich, können auf das so erstellte Josephson-Tunnelelement
noch weitere Schichten, z.B.
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zur Ausbildung von Steuerleitungen, aufgebracht werden. Auf eine Darstellung
dieser Schichten wurde in Fig. 5 aus Gründen der Ubersichtlichkeit verzichtet.
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In Fig. 6 ist in Schrägansicht von oben die Lochmaske 12 nach Fig.
5 mit einer Deckschicht 17, z.B. aus Aluminium, und einem unterätzten Sockel 16,
z.B.
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aus Polysilizium, veranschaulicht. Als Boden ist die noch nicht mit
den supraleitenden Schichten des Josephson-Tunnelelementes bedampfte Isolierschicht
15 aus Ski02 des Substrates ersichtlich.
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Eine weitere, für das Verfahren nach der Erfindung verwendbare Lochmaske
geht aus der in Fig. 7 dargestellten Schrägansicht bzw. dem in Fig. 8 nur teilweise
ausgeführten Querschnitt hervor. Diese Lochmaske 27 mit
einer Lunge
L und einer Breite B umfaßt einen im Gegensatz zu der Ausführungsform nach den Fig.
5 und 6 verhältnismäßig dünnen Sockel 28, beispielsweise aus Aluminium, der eine
dickere Deckschicht 29, insbesondere aus Polysilizium, trägt. Wie auch bei der Lochmaske
gemäß den Fig. 5 und 6 vorgesehen ist, hat bei der Lochmaske 27 das Loch 30 des
Sockels 28 eine größere Ausdehnung als das Loch 31 der auf ihm aufgebrachten Deckschicht
29. Das Loch 30 kann beispielsweise durch Unterätzen der Deckschicht vergrößert
sein. Durch dieses Unterätzen des unmittelbar an das Substrat angrenzenden Sockels
28 kann die Unterätztiefe beschränkt und die Stabilität der Lochmaske weitergehend
verbessert werden.
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Bei dem Verfahren nach der Erfindung ist es besonders vorteilhaft,
wenn für das Material der Schicht der Gegenelektrode außer Niob eine Molybdän-Rhenium-Legierung
verwendet wird. Insbesondere Legierungen mit einer Rhenium-Konzentration zwischen
10 und 30 Atom-% sind besonders geeignet. Die Supraleitungs-Ubergangstemperatur
dieser Legierung ist vorteilhaft mindestens so hoch wie die des Niobs. Ferner sind
auch Spannungsrelaxationsprozesse mindestens so stark behindert wie in Niob-Schichten,
da es sich um eine Legierung handelt, die zudem noch eine höhere Schmelztemperatur
aufweist als Niob (vgl. DE-AS 21 63 250), In Fig. 9 ist die Herstellung einer entsprechenden,
als Gegenelektrode dienenden Schicht aus dem 2-Stoff-System Molybdän-Rhenium näher
veranschaulicht, wobei mit Fig. 5 übereinstimmende Teile mit den gleichen Bezugszeichen
versehen sind. Die Legierung der Gegenelektrodenschicht 24 wird dabei durch ratengeregeltes
Aufdampfen aus getrennten, durch das Jeweilige Mate-
rial gekennzeichneten
Quellen 33 und 34 unmittelbar auf der Schicht 20, 22 der Basiselektrode bzw. der
Tunnelbarriere ausgebildet. Hierbei müssen die seitlichen Randzonen 35 und 36 aus
Jeweils nur einer Komponente der Legierung am Rand der Deckschicht 24 durch besondere
Formgebung der zu verwendenden Lochmaske 37 außerhalb des Bereichs 38 der Uberlappungszone
38 von Grundschicht 20 der Basiselektrode und Deckschicht 24 der Gegenelektrode
liegen. Zu diesem Zweck können die Verdampfungsquellen 33 und 34 des 2-Stoff-Systems
auf einer durch eine gestrichelte Linie 40 angedeuteten Geraden parallel zur Drehachse
41 der auf einem Substrat aufgebrachten Lochmaske angeordnet werden. Außerdem müssen
die Abmessungen der Lochmaske 37 quer zur Lochrichtung der Länge L ungleichmäßig
sein, wobei die Lochabmessungen senkrecht zur Lochrichtung der Länge L entweder
stetig oder, wie in der Figur als Alternative dargestellt, abgestuft zunehmen. In
der Figur ist ferner noch die Aufdampfungsquelle 42 für das beispielsweise Niob-Material
der Basiselektrodenschicht angedeutet.
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Zu dem gleichen Zweck, nämlich der Vermeidung, daß Randzonen aus Jeweils
nur einer Komponente der Legierung der Deckschicht der Gegenelektrode in den Uberlappungsbereich
mit der Schicht der Basiselektrode zu liegen kommen, kann gemäß der Darstellung
nach Fig. 10 die Lochmaske auch mit einem kreuzförmigen Loch 43 ausgeführt sein.
Die Maske soll sich dabei in der y-z-Ebene eines rechtwinkligen x-y-z-Koordinatensystems#erstrecken.Gemäß
Fig. 11 sind dann die Verdampfungsquellen 33 und 34 des 2-Stoff-Systems gemäß Fig,
Fig. 9 in der von den Einheitsvektoren x und y aufgespannten Ebene anzuordnen. Der
Winkel r zwischen der durch eine gepfeilte Linie b angedeuteten Auf-
dampfrichtung
und der y-z-Ebene der Lochmaske muß dabei so auf die Lochtiefe der Maske abgestimmt
sein, daß nur der in y-Richtung liegende Arm des kreuzförmigen Loches 43 bedampft
wird. Durch Drehen um 900 um die x-Achse können dann zwei orthogonale-Schichten
erzeugt werden, die sich einander als Basis- und Gegenelektrode auf dem Kreuzungspunkt
überlappen.
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Bei den Darstellungen gemäß den Fig. 3 bis 11 zur Erläuterung des
Verfahrens nach der Erfindung wurde davon ausgegangen, daß mit diesem Verfahren
in einem ununterbrochenen Vakuumprozeß die Elektrodenschichten und die Tunnelbarrierenschicht
nur eines einzigen Josephson-Tunnelelementes hergestellt werden sollen.
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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es jedoch, in vorteilhafter
Weise ebenso möglich, auch eine Vielzahl von solchen Elementen gleichzeitig zu erstellen.
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So läßt sich beispielsweise mit der in Fig. 10 dargestellten Lochmaske
mit kreuzförmigem Loch 43 ein Interferometer mit zwei Josephson-Tunnelelementen
herstellen. Hierzu dampft man zunächst eine Basiselektrodenschicht in der beschriebenen
Weise unter einem vorbestimmten,ersten Aufdampfwinkel auf und oxidiert gegebenenfalls
diese Schicht, um eine Tunnelbarriere zu erhalten.Anschließend wird jedoch statt
des Aufdampfens der Gegenelektrodenschicht unter einem vorbestimmten, zweiten Aufdampfwinkel
eine Schicht aus einem isolierenden Material unter diesem Winkel aufgebracht. Dann
erst wird die Gegenelektrodenschicht aufgedampft,wobei dieselbe Aufdampfrichtung
gewählt wird wie für die Basiselektrodenschicht. Es entstehen so zwei Josephson-Tunnelelemente
an den gegenüberliegenden Enden eines der beiden sich rechtwinklig durchsetzenden
Schlitze
des kreuzförmigen Loches 43 der Maske. Hierbei lassen sich zugleich auch die Anschlußleitungen
an den beiden Josephson-Tunnelelementen mit ausbilden. Bei dem beschriebenen Verfahren
ist es prinzipiell möglich, die Oxidation der Basiselektrode zu der Tunnelbarriere
sowohl vor dem Aufbringen der zusätzlichen Isolierschicht als auch danach vorzunehmen.
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In den Fig. 12 bis 14 ist als Aufsicht eine weitere Ausbildungsmöglichkeit
eines Interferometers angedeutet.
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Dieses Interferometer soll beispielsweise drei Josephson-Tunnelelemente
aufweisen, die gemäß dem Verfahren nach der Erfindung gleichzeitig erstellt werden.
Dementsprechend wird zunächst auf einem Substrat die in Fig. 12 teilweise ausgeführte
Lochmaske 45 mit einer Lochstruktur aus drei parallelen, streifenförmigen Löchern,46,
47 und 48 sowie mit zwei diese Löcher senkrecht kreuzenden, streifenförmigen Löchern
49 und 50 ausgebildet. Anschließend wird das Material der Basiselektroden, beispielsweise
Niob, unter einem solchen Winkel aufgedampft, daß sich, wie aus Fig. 13 hervorgeht,
lediglich in den Löchern 49 und 50 das Material abscheidet. Es entstehen so streifenförmige
Schichten 52 und 53 auf dem Substrat.
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Nach Ausbildung der Tunnelbarrierenschichten durch Oxidation der Schichten
52 und 53 und nach Drehung der Lochmaske um 90° wird gemäß Fig. 14 im wesentlichen
nur in den Löchern 46 bis 48 das Material der Gegenelektroden, beispielsweise Molybdän-Rhenium
,aufgedampft, so daß dort streifenförmige Schichten 55 bis 57 entstehen.
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Dabei ergeben sich in den mit 59 bis 61 gekennzeichneten Uberlappungszonen
der Schichten 52 und 53 mit den Schichten 55 bis 57 drei einzelne Josephson-Tunnelelemente
und gleichzeitig die Struktur eines Interferometers.
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Anstelle der vorstehend beschriebenen Herstellung vollständiger Interferometerkreise
kann man mit diesem Verfahren in einem Arbeitsgang auch Schaltelemente der sogenannten
direktgekoppelten Logik fertigen. Bei diesen Elementen treten Widerstandsbahnen
an die Stelle von supraleitenden Verb indungsleitungsn zwischen Josephson-Tunnelelementen.
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Bei den Ausführungsbeispielen des Verfahrens nach der Erfindung wurde
davon ausgegangen, daß die Schichten der Tunnelbarrieren durch eine bestimmte Oxidation
der freien Oberflächen der Basiselektrodenschichten erzeugt wurden. Bei diesem Verfahren
ist es jedoch ebensogut möglich, als Tunnelbarrieren Schichten aus anderen. Materialien
wie z.B. aus Siliziumoxid, Siliziumnitrid oder Siliziumcarbid zu verwenden. Diese
Schichten werden in einem besonderen Aufdampfschritt auf den Basiselektrodenschichten
abgeschieden.
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Ein besonderer Vorteil des Verfahrens nach der Erfindung ist es, daß
mit ihm außer der Herstellung einzelner Josephson-Tunnelelemente oder Interferometer
bei einer geeigneten Strukturierung einer Lochmaske auch die Josephson-Elemente
oder Interferometer ganzer Logikschaltungen oder Teile solcher Schaltungen ohne
Unterbrechung der Vakuumbedingungen gleichzeitig entsprechend den beschriebenen
Verfahrensschritten erstellt werden können.
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16 Patentansprüche 14 Figuren
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