DE3142949C2

DE3142949C2 -

Info

Publication number: DE3142949C2
Application number: DE3142949A
Authority: DE
Inventors: Hiroshi Wako Saitama Jp Ohta
Original assignee: RIKEN Institute of Physical and Chemical Research
Current assignee: RIKEN Institute of Physical and Chemical Research
Priority date: 1980-10-31
Filing date: 1981-10-29
Publication date: 1993-01-07
Also published as: FR2493605A1; US4539741A; US4494131A; DE3142949A1; FR2493605B1

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung bestehend aus mehreren Josephson-Elementen mit einer unteren streifenförmigen dünnen Supraleiterschicht, einer die untere streifenförmige dünne Supra leiterschicht zumindest teilweise überdeckende obere streifenför mige dünne Supraleiterschicht, einer im Überdeckungsbereich der unteren und der oberen streifenförmigen dünnen Supraleiter schicht zwischen diesen angeordneten Isolierschicht und mit Eng stellen, die die untere und die obere dünnen Supraleiterschich ten zur Erzeugung der Josephson-Elemente miteinander verbinden. Die Erfindung betrifft weiter ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Vorrichtung aus mehreren Josephson-Elementen.

Josephson-Elemente können in der Technik für die verschiedenar tigsten Zwecke angewendet werden. Beispielsweise ist bekannt, ein Josephson-Element als Schaltelement in einem ver lustarm arbeitenden Rechner für sehr hohe Arbeitsgeschwindigkei ten zu verwenden oder als hochempfindlichen und trägheitsarmen Detektor für Mikrowellen, Millimeterwellen oder dergleichen, als Detektor für das schwache magnetische Feld, das von dem menschli chen Gehirn, Herzen oder dergleichen ausgeht, oder als Normal spannungsquelle. Das Bedürfnis nach der Massenproduktion von Josephson-Elementen nimmt ständig zu.

Ein quasiplanares Josephson-Element, das mit reproduzierbaren Eigen schaften in Massenproduktion herstellbar ist, ist in IEEE Trans. Electron Devices, Bd. ED-27, Okt. 1980, S. 2027-2029 angegeben und beesitzt gemäß Fig. 1 ein Substrat 1, fer ner zwei Supraleiterschichten 2 und 3, die auf dem Substrat ange ordnet sind und teilweise unter Zwischenlage einer Isolier schicht 4 übereinanderliegen, und einen supraleitenden Verbindungsteil 5, der sich von der oberen Supraleiterschicht über einen Rand der Isolierschicht 4 zu der unteren Supraleiter schicht erstreckt. In dieser Ausführungsform entspricht die Län ge des supraleitenden Verbindungsteile der Dicke der sehr dünnen Isolierschicht 4, so daß durch die Wahl der Dauer des Aufsputterns oder Aufdampfens von Isoliermaterial zur Bil dung der Isolierschicht die Länge des supraleitenden Ver bindungsteils genau auf einen sehr kleinen Wert bemessen werden kann.

In der Praxis wird die Isolierschicht 4 in einer Dicke von der Größenordnung von wenigen zehn nm dadurch gebildet, daß Iso liermaterial oder Halbleitermaterial, beispielsweise SiO₂. auf die dünne Supraleiterschicht 2 aufgesputtert wird, die eine Dicke in einer Größenordnung von wenigen zehn bis wenigen hundert nm hat, oder daß die Oberfläche der Supraleiterschicht 2 in einer oxidierenden Atmosphäre oxidiert wird. Der supra leitende Teil 5 wird gebildet, indem auf die obere und die unte re, dünne Supraleiterschicht 2 und 3 und einen Seitenrand der Isolierschicht 4 ein geeignetes Material in einer Dicke von wenigen zehn bis wenigen hundert nm aufgesputtert wird. Dann ist die Länge des die obere und die untere Supra leiterschicht 2 und 3 miteinander verbindenden supra leitenden Verbindungsteils 5 gleich der Dicke der Isolier schicht 4, und man kann je nach der geforderten Impedanz für die Länge dieses Teils 5 einen geeigneten Wert in dem Bereich von wenigen zehn bis zu wenigen hundert nm wählen.

Diese Anordnung hat folgende Vorteile:

1. Die Länge des supraleitenden Verbindungsteils kann auf ein äußerst kleines Maß vermindert werden, während die Supraleiterschichten 2 und 3 am Elektrodenteil weiterhin eine große Dicke haben können, so daß das Produkt I_mR_j (I_m=kritische Stromstärke; R_j=Übergangswiderstand) beträchtlich vergrößert werden kann.
2. Der supraleitende Verbindungsteil kann aus verschiedenen Materialien hergestellt werden.
3. Die elektrostatische Kapazität kann vermindert werden.
4. Man kann eine lange Lebensdauer erzielen, wenn man die Supraleiterschicht 3 nicht aus einer Bleilegierung, sondern aus einem anderen Material, wie Nb oder dergleichen, herstellt.
5. Das Josephson-Element kann durch Photolithographie oder Elektronenstrahllithographie leicht in Massenproduktion hergestellt werden.

Eine wichtige Eigenschaft des quasiplanaren Josephson-Elements besteht darin, daß die elektrostatische Kapazität von der Fläche ab der unter Zwischenlage der Isolierschicht übereinanderliegenden den Teile der Supraleiterschichten 2 und 3 abhängt und mit dieser Fläche abnimmt. Der Übergangswiderstand R_j und die kritische Stromstärke I_m sind von der Breite C des sich über die Dicke der Isolierschicht 4 erstreckenden supraleitenden Verbindungsteils abhängig, so daß bei abnehmender Breite C der Übergangswiderstand R_j zunimmt und die kritische Stromstärke I_m abnimmt.

In den Fig. 2(A), (B) und (C) ist die Beziehung zwischen der kritischen Stromstärke I_m und dem Übergangswiderstand R_j für den Fall gezeigt, daß bei gleichbleibender Fläche a · b, d. h. bei gleichbleibender elektrostatischer Kapazität, die Breite C verändert wird. Man erkennt aus den Fig. 2(A), (B) und (C), daß bei zunehmender Breite C die kritische Stromstärke I_m zunimmt und der Übergangswiderstand R_j abnimmt.

Bei der Herstellung des quasiplanaren Josephson- Elements gemäß der Fig. 1 führt eine Veränderung der Lage von Masken in der Richtung X oder Y direkt zu einer Veränderung der Fläche a.b, so daß folgende Probleme auftreten:

(a) Es ist schwierig, die elektrostatische Kapazität des Elements beträchtlich zu verringern, d. h., a und b auf Werte unter 1 µm zu vermindern.
(b) Es besteht eine Tendenz zu einer beträchtlichen Streuung der Kennwerte des Elements, insbesondere seiner elektrostatischen Kapazität.
(c) Es ist schwierig, die elektrostatische Kapazität zu verkleinern und den Übergangswiderstand R_j zu vergrößern (um die in der Fig. 2(A) dargestellte Kennlinie zu erhalten).

Bei dem in der Fig. 1 dargestellten Element treten ferner folgen de Probleme auf:

(d) Es ist schwierig, ohne Vergrößerung der Abmessungen des Elementes die kritische Stromstärke I_m zu erhöhen (um die in der Fig. 2(C) dargestellte Kennlinie zu erhal ten).
(e) Es ist schwierig, ohne Vergrößerung der Abmessungen des Elements einen Aufbau zu erhalten, mit dem ein ausge zeichnetes magnetfeldabhängiges Verhalten erzielt wird.

Bereits aus der Veröffentlichung IBM J. Res. Develop., Bd. 24, März 1980, S. 143-154 ist eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs bekannt. Wesentlich ist, daß hier die Engstel len, die untere und die obere dünnen Supraleiterschichten mitein ander verbinden, zwischen den beiden Schichten durch Unterbre chungen der zwischen den Schichten angeordneten Isolierschicht erhalten werden. Diese Engstellen sind also sandwichartig zwi schen den Supraleiterschichten eingeschlossen. Diese vorbekann ten Josephson-Elemente sind vergleichsweise dick aufgebaut.

Gegenüber diesem Stand der Technik stellt sich die Aufgabe, eine Vorrichtung der eingangs angegebenen Art derart weiterzubilden, daß sie, vorzugsweise zur Herstellung eines supraleitenden Quan teninterferometers (SQUID), bezüglich ihrer Baugröße möglichst miniaturisiert ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß sich die unteren und die oberen streifenförmigen dünnen Supraleiterschich ten überkreuzen und daß die Engstellen durch mindestens ein Ver bindungsteil gebildet sind, das im Kreuzungsbereich der streifen förmigen dünnen Supraleiterschichten an den gegenüberliegenden Rändern der oberen streifenförmigen dünnen Supraleiterschicht die Isolierschicht überbrückt und so die Verbindung zu der unte ren streifenförmigen dünnen Supraleiterschicht herstellt.

Vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in den auf den Hauptanspruch zurückbezogenen Unteransprü chen 2 bis 5 angegeben. Ein Verfahren zur Herstellung der erfindungs gemäßen Vorrichtung ist in den Ansprüchen 6 bis 10 beschrieben.

Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen beschrieben. In diesen zeigt

Fig. 1 eine vergrößerte schaubildliche Darstellung eines bekannten quasiplanaren Josephson-Elements. In den

Fig. 2(A), (B) und (C) ist die Spannungs- Stromstärke-Kennlinie des Josephson-Elements dargestellt.

Fig. 3 zeigt in einer Draufsicht mit weggebrochenen Teilen vergrößert eine bevorzugte Ausführungsform des Josephson-Elements gemäß der Erfindung,

Fig. 4 eine schaubildliche Darstellung des Elements, auf die Linie A-A in Fig. 3 gesehen und

Fig. 5 ein Ersatzschaltbild des Josephson- Elements gemäß der Erfindung,

Fig. 6 und 7 zeigen schaubildlich in größerem Maßstab je eine weitere Ausführungsform des Josephson- Elements gemäß der Erfindung,

Fig. 8 zeigt ein Ersatzschaltbild des Elements gemäß der Fig. 7,

Fig. 9(A) und 9(B) zeigen in Kurvenbildern die Abhängigkeit der Stromstärke von dem magnetischen Feld in einem Ausführungsbeispiel eines Josephson- Elements,

Fig. 10 bis 13 zeigen in Draufsicht in größerem Maßstab Ausführungsformen von Josephson-Elementen gemäß der Erfindung,

Fig. 14 zeigt schaubildlich einen Querschnitt längs der Linie A-A in Fig. 10, und

Fig. 15 schaubildlich einen Querschnitt längs der Linie A-A in der Fig. 11,

Fig. 16 ist ein Ersatzschaltbild des Josephson- Elements gemäß der in den Fig. 10 bis 13 gezeigten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 17(A), (B), (C), (D), (E), (F) und (G) zeigen die Schritte des Verfahrens zur Herstellung des Josephson-Elements gemäß der Erfindung,

Fig. 18(A), (B) und (C) zeigen Ausführungsbeispiele von Reihenschaltungen von Josephson-Elementen,

Fig. 19(E), (F) und (G) und Fig. 20(E′), (F′) und (G′) zeigen einige Schritte des Verfahrens zum Herstellen des in der Fig. 6 gezeigten Josephson-Elements,

Fig. 21(E), (F), (G) und Fig. 22(E′), (F′), (G′) zeigen einige Schritte des Verfahrens zum Herstellen des in der Fig. 7 gezeigten Josephson-Elements.

Gemäß den Fig. 3 und 4 ist auf einem Substrat 1 eine streifenförmige dünne Supraleiterschicht 2, auf dieser eine Isolierschicht 4 und auf dieser eine die dünne Supraleiterschicht 2 kreuzende, dünne Supraleiterschicht 3 angeordnet. Im Bereich der Fläche, in der die Supraleiterschichten 2 und 3 einander kreuzen, ist auf der oberen dünnen Supraleiterschicht 3 eine Schicht angeordnet, die sich an den die zwischen der oberen und der unteren Supraleiterschicht freiliegenden Rändern 4′ und 4′′ der Isolierschicht 4 über deren Dicke erstreckt und einen supraleitenden Verbindungsteil 5 bildet.

Die beiden streifenförmigen dünnen Supraleiterschichten kreuzen daher einander unter Zwischenlage der Isolierschicht, so daß die elektrostatische Kapazität des Josephson-Elements von den Breiten a bzw. b der streifenförmigen dünnen Supraleiterschichten 2 und 3 abhängt. Wenn daher die Breite dieser dünnen Schichten kleiner ist als 1 µm, erhält man eine äußerst kleine Kreuzungsfläche a · b von weniger als 1 µm². Diese Fläche wird auch dann nicht verändert, wenn die dünnen Supraleiterschichten eine etwas andere Lage haben, so daß bei der Photolithographie bzw. der Elektronenstrahllithographie die Masken nicht genau in einer bestimmten Lage angeordnet zu sein brauchen. Aus diesem Grunde kann man ohne weiteres Elemente mit kleiner, reproduzierbarer Kapazität herstellen.

Auch bei der Herstellung des aus einer dünnen Schicht bestehenden supraleitenden Verbindungsteils 5 auf der Kreuzungsfläche der dünnen supraleitenden Schichten brauchen die Masken nicht genau in einer bestimmten Lage angeordnet zu werden.

Im Betrieb des Josephson-Elements fließt Suprastrom über beide Seitenränder 4′ und 4′′ der Isolierschicht. Diese Ränder sind die kürzesten Verbindungswege zwischen der oberen und der unteren Supraleiterschicht und sind in dem in Fig. 5 gezeigten Ersatzschaltbild durch zwei parallelgeschaltete quasiplanare Josephson- Elemente dargestellt. Der durch das Josephson-Element fließende kritische Strom I_m ist daher doppelt so groß wie der kritische Strom eines einzelnen quasiplanaren Josephson-Elements. Dagegen ist der Übergangswiderstand R_j nur halb so groß wie der Übergangswiderstand eines einzelnen quasiplanaren Josephson-Elements, so daß das Produkt I_mR_j gleich dem Produkt I_mR_j bei einem einzelnen quasiplanaren Josephson-Element ist. Das Element hat daher eine sehr gute Kennlinie, die der eines einzelnen quasiplanaren Josephson-Elements vergleichbar ist, aber eine viel kleinere Kapazität als das einzelne quasiplanare Josephson-Element.

Fig. 6 zeigt schaubildlich ein gegenüber der Fig. 3 abgeändertes Josephson-Element mit einem supraleitenden Verbindungsteil 5, der aus einer linienförmigen Schicht besteht. In dieser Ausführungsform hat der supraleitende Verbindungsteil 5 eine kleinere Breite C als in der Fig. 3, so daß im Vergleich mit Fig. 2(A) ohne Vergrößerung der Kapazität der Übergangswiderstand R_j vergrößert und die kritische Stromstärke I_m verringert werden kann.

Fig. 7 zeigt schaubildlich ein weiteres gegenüber der Fig. 3 abgeändertes Josephson-Element, in dem der supraleitende Verbindungsteil 5 von zwei linienförmigen Schichten gebildet wird. Im Betrieb dieses Elements fließt Suprastrom an jedem der Seitenränder 4′, 4′′, 4′′′ und 4′′′′ der Isolierschicht, welche die kürzesten Wege zwischen der oberen und der unteren dünnen Supraleiterschicht darstellen und die in dem Ersatzschaltbild der Fig. 8 durch vier parallelgeschaltete quasiplanare Josephson-Elemente dargestellt sind. Der durch das Josephson-Element gemäß der Fig. 7 fließende kritische Strom I_m ist daher viermal so stark wie der kritische Strom eines einzelnen quasiplanaren Josephson-Elements, während der Übergangswiderstand R_j nur ein Viertel des Übergangswiderstandes des einzelnen quasiplanaren Josephson-Elements beträgt, so daß das Produkt I_mR_j gleich dem Produkt I_mR_j des einzelnen quasiplanaren Josephson-Elements ist. Aus diesem Grunde hat das Josephson-Element gemäß Fig. 7 eine sehr gute Kennlinie, die der des einzelnen quasiplanaren Josephson-Elements vergleichbar ist.

Das in der Fig. 7 gezeigte Josephson-Element verhält sich ferner hinsichtlich des sich in der Pfeilrichtung erstreckenden magnetischen Feldes wie drei parallelgeschaltete Josephson-Elemente, deren kritische Stromstärken im Verhältnis 1 : 2 : 1 zueinander stehen. Dieses Josephson-Element arbeitet daher wie ein Interferometer mit drei Josephson-Elementen, wobei die Abhängigkeit der Stromstärke von dem magnetischen Feld der in der Fig. 9(A) dargestellten Kurve entspricht, aus der ein weiter Bereich normaler Leitung zwischen Maxima der Supraleitung hervorgeht. Zum Vergleich ist in der Fig. 9(B) die Abhängigkeit der Stromstärke von dem magnetischen Feld für ein Interferometer mit zwei Josephson-Elementen dargestellt. Man erkennt, daß die Konstruktion und die Herstelung der Schaltelemente erleichtert werden.

In den Fig. 10 bis 13 sind in Draufsicht vergrößert weitere Abänderungen des in der Fig. 3 gezeigten Josephson-Elements dargestellt. Fig. 14 zeigt schaubildlich ein Josephson-Element im Querschnitt längs der Linie A-A in Fig. 10. Fig. 15 zeigt schaubildlich ein Josephson-Element im Querschnitt längs der Linie A-A in Fig. 11.

Gemäß den Fig. 10 bis 15 ist auf dem Substrat 1 die erste dünne Supraleiterschicht 2 angeordnet, auf der ein Schichtkörper vorgesehen ist, der aus der Isolierschicht 4 und der zweiten dünnen Supraleiterschicht 3 besteht. In diesem Schichtkörper sind mehrere Nuten 6 oder Ausnehmungen 7 ausgebildet. Die erste und die zweite dünne Supraleiterschicht 2 bzw. 3 sind miteinander durch den supraleitenden Verbindungsteil 5 verbunden, der sich an den an den Nuten oder Ausnehmungen freiliegenden Rändern der Isolierschicht 4 über deren Dicke erstreckt. Gemäß den Fig. 10, 11, 12 bedeckt der supraleitende Verbindungsteil den Bereich, in dem die erste und die zweite dünne Supraleiterschicht übereinanderliegen. Gemäß der Fig. 13 sind in diesem Bereich mehrere streifenförmige, schwach supraleitende Verbindungsteile 5 vorgesehen, welche die Nuten 6 kreuzen.

Es ist also ein Schichtkörper vorgesehen, der aus der Isolierschicht und der zweiten dünnen Supraleiterschicht besteht und der mit mehreren Nuten oder Ausnehmungen ausgebildet ist. De beiden dünnen Supraleiterschichten sind miteinander durch den supraleitenden Verbindungsteil verbunden, der sich an den an den Nuten oder Ausnehmungen freiliegenden Seitenrändern der Isolierschicht über deren Dicke erstreckt. Infolgedessen hat der supraleitende Verbindungsteil, der die beiden dünnen Supraleiterschichten miteinander verbindet, eine viel größere wirksame Breite, ohne daß die Fläche a · b des Josephson-Elements vergrößert wird.

Das vorliegende Josephson-Element hat daher gemäß der Fig. 2(C) bei kleiner Fläche eine höhere kritische Stromstärke. Dieses Josephson-Element kann somit im Ersatzschaltbild durch mehrere parallelgeschaltete Josephson- Elemente dargestellt werden, wie dies in der Fig. 16 gezeigt ist, und aht eine äußerst hohe kritische Stromstärke I_m.

In den in den Fig. 10 bis 15 dargestellten Ausführungsformen hat das Josephson-Element folgende Vorteile:

(1) Das Element kann mit geringen Kosten pro Element massenproduziert werden.
(2) Es können mehr Elemente auf einem Substrat integriert werden.
(3) Bei Verwendung in einem Generator, der zum Erzeugen von elektromagnetischen Wellen dient und mit veränderbarer Frequenz und konstanter Spannung arbeitet, kann selbst bei sehr hohen Frequenzen bzw. kurzen Wellen das Element viel kleiner sein als die Wellenlänge.

Nachstehend soll nun anhand der Fig. 17A bis G ein Verfahren zur Herstellung des in der Fig. 3 gezeigten Josephson-Elements beschrieben werden.

Zuerst wird mittels einer Maske auf dem Substrat 1 die erste streifenförmige dünne Supraleiterschicht 2 gebildet. Diese dünne Supraleiterschicht kann aus verschiedenen supraleitenden Materialien hergestellt werden, beispielsweise aus Metallen, wie Nb, Ta, W, La, Pb, Sn, In oder Al oder deren Legierungen. Gemäß der Fig. 17 wird auf dem Substrat 1 durch Photolithographie oder Elektronenstrahllithographie (Fig. 17(A)) eine Photolackmaske M1 gebildet. Durch diese Maske hindurch wird dann supraleitendes Material auf das Substrat in einer Dicke von mehreren zehn nm bis mehreren hundert nm aufgesputtert oder aufgedampft. Dann wird die Maske weggenommen, so daß die streifenförmige erste dünne Supraleiterschicht 2 zurückbleibt (Fig. 17(B)). Dabei ist dieser Streifen an beiden Seiten verbreitert, damit ein Außenanschluß leichter vorgenommen werden kann. Auf der ersten dünnen streifenförmigen Supraleiterschicht 2 wird dann eine diese kreuzende streifenförmige Photolackmaske M2 angeordnet, die ein Fenster besitzt (Fig. 17(C)), worauf ein Isoliermaterial oder Halbleitermaterial, wie SiO₂, in einer Dicke von 5 nm bis mehreren hundert nm aufgeputtert oder aufgedampft wird. Dann wird supraleitendes Material in einer Dicke von mehreren zehn nm bis mehreren hundert nm aufgesputtert oder aufgedampft. Wenn dann die Maske weggenommen wird, bleibt die zweite streifenförmige dünne Supraleiterschicht 3 zurück (Fig. 17(D)). Nun wird die ganze Fläche durch Ionenstrahlzerstäubung gereinigt, um einen Oxidfilm von der Supraleiterfläche zu entfernen, worauf auf die ganze Fläche ein Material in einer Dicke von mehreren zehn nm bis mehreren hundert nm aufgesputtert oder aufgedampft wird. Dann wird auf der Kreuzungsfläche der beiden Streifen eine Photolackmaske M3 gebildet (Fig. 17(E)), worauf das von der Maske nicht abgedeckte Material chemisch weggeätzt wird (Fig. 17(F)). Schließlich wird die Photolackmaske M3 entfernt (Fig. 17(G)).

In diesem Verfahren wird die Photolackmaske M2 so angeordnet, daß sie die erste dünne Supraleiterschicht 2 keuzt (Fig. 17(C)), und wird durch dieselbe Maske M2 hindurch sowohl das Isoliermaterial als auch auf dieses das supraleitende Material für die zweite Supraleiterschicht aufgesputtert oder aufgedampft. Dabei ist es wichtig, daß das Isoliermaterial auf die streifenförmige dünne Supraleiterschicht 2 in Form eines diese kreuzenden Streifens aufgesputtert oder aufgedampft wird. Ein Auftragen der dünnen Schicht aus Isoliermaterial auf die ganze Fläche der ersten streifenförmigen dünnen Supraleiterschicht 2 mit Hilfe der für deren Bildung verwendeten Maske M1 würde in dem Verfahren zur Herstellung des Josephson-Elements einen beträchtlichen Nachteil bedingen, weil es sehr schwierig wäre, vor der Bildung des supraleitenden Verbindungsteils nur einen gewählten Teil des Isoliermaterials durch Ionenstrahlzerstäubung in einem Bereich zu entfernen, in dem die obere und die untere dünne Supraleiterschicht nicht übereinanderliegen, ohne die Oberfläche der darunter befindlichen dünnen Supraleiterschicht zu beschädigen. In dem vorstehend angegebenen Verfahren wird die ganze Fläche einer Reinigung durch Ionenstrahlzerstäubung unterworfen, um den Oxidfilm von der Oberfläche des Supraleiters zu entfernen, und werden in diesem Zeitpunkt auch die Seitenränder der Isolierschicht geformt.

Die Isolierschicht wird in der vorstehend beschriebenen Weise durch Aufsputtern oder Aufdampfen des Isolier- oder Halbleitermaterials hergestellt. Wenn die Isolierschicht eine sehr kleine Dicke besitzt (gewöhnlich unter 10 nm), können in der Isolierschicht Nadellöcher auftreten, die zu Supraleitungskurzschlüssen führen könne. Um die Bildung derartiger Nadellöcher zu vermeiden, setzt man die Isolierschicht vorzugsweise einer oxidierend wirkenden Atmosphäre aus, so daß auf der Oberfläche dieser Schicht ein Oxid gebildet wird.

Anstatt durch Aufsputtern oder Aufdampfen des Isolier- oder Halbleitermaterials kann man die Isolierschicht auch bilden, indem die Oberfläche der dünnen Supraleiterschicht 2 durch das Fenster in der Maske M2 hindurch einer oxidierend wirkenden Atmosphäre ausgesetzt und dadurch oxidiert wird.

Anhand der Fig. 18 sollen jetzt drei weitere Ausführungsformen von Reihenschaltungen von Josephson- Elementen beschrieben werden.

In der Fig. 18 sind mehrere untere dünne Supraleiterschichten 2₁, 2₂ und 2₃ in Abständen voneinander angeordnet und mehrere obere dünne Supraleiterschichten 3₁, 3₂ und 3₃ auf den unteren dünnen Supraleiterschichten diese kreuzend und deren Zwischenräume überbrückend angeordnet, wobei zwischen übereinanderliegenden Supraleiterschichten 2 und 3 jeweils eine Isolierschicht vorgesehen ist. Die einander oberen und unteren Supraleiterschichten sind an ihren Kreuzungsstellen miteinander durch supraleitende Verbindungsteile 5₁, 5₂, 5₃, 5₄ und 5₅ verbunden, die sich an den Rändern der Isolierschichten über deren Dicke erstrecken. Bei dieser Reihenschaltung von Josephson-Elementen nimmt die Kapazität der ganzen Reihenschaltung umgekehrt proportional der Anzahl der sie bildenden Josephson-Elemente ab und nimmt der Widerstand der Reihenschaltung proportional der Anzahl der sie bildenden Josephson-Elemente zu, weil die Kapazitäten der Kreuzungsbereiche hintereinandergeschaltet sind. Bei Verwendung der Josephson-Elemente als Generator für elektromagnetische Wellen erleichtert ein höherer Widerstand die Anpassung. Eine derartige Anordnung von mehreren Josephson-Elementen hat bei der Herstellung den Vorteil, daß für das Aufsputtern oder Aufdampfen weniger Zeit benötigt wird. Zur Herstellung einer derartigen Anordnung kann man wie folgt vorgehen: Zuerst werden auf ein Substrat die ersten dünnen Supraleiterschichten 2₁, 2₂, 2₄, 2₅ . . . durch eine Photolackmaske hindurch aufgesputtert oder aufgedampft. Dann werden die Isolierschicht und die zweiten Supraleiterschichten 3₁, 3₂, 3₃, 3₄, 3₅ . . . derart aufgesputtert oder aufgedampft, daß sie jeweils zwei einander benachbarte erste dünne Supraleiterschichten 2₁, 2₂; 2₂, 2₃; 2₃, 2₄ . . . kreuzen. Schließlich werden an den Kreuzungsbereichen supraleitende Verbindungsteile gebildet. Man erkennt, daß hintereinandergeschaltete Elemente unabhängig von deren Anzahl durch nur viermaliges Aufsputtern oder Aufdampfen hergestellt werden können.

Nun soll das Verfahren zum Herstellen des Josephson-Elements gemäß der Fig. 6 beschrieben werden. Dabei entsprechen die ersten Schritte in diesem Verfahren den in den Fig. 17(A) bis 17(D) dargestellten, so daß diese Schritte nicht noch einmal beschrieben werden. Die darauffolgenden Schritte werden anhand der Fig. 19 beschrieben.

In dem Bereich, in dem die gemäß den Fig. 17(A) bis 17(D) gebildeten Streifen einander kreuzen, werden mehrere Photolackmasken M3 in Form von parallelen Linien gebildet, deren Abstand d voneinander kleiner ist als die Breite a der ersten streifenförmigen Supraleiterschicht 2 (Fig. 19(E)). Das von den Masken nicht abgedeckte Material wird chemisch weggeätzt (Fig. 19(F)). Schließlich wird die Photolackmaske M3 entfernt (Fig. 19(G)).

Die in den Fig. 19(E), (F) und (G) dargestellten Schritte können durch die in den Fig. 20(E′), (F′) und (G′) dargestellten Schritte ersetzt werden. Auf der ersten streifenförmigen dünnen Supraleiterschicht 2 wird eine Photolackmaske M4 angeordnet, die mehrere Fenster 16 in Form von parallelen Linien besitzt, deren Abstand d voneinander kleiner ist als die Breite a der ersten streifenförmigen dünnen Supraleiterschicht 2 (Fig. 20(E′)). Danach wird die ganze Fläche durch Ionenstrahlzerstäubung gereinigt, worauf durch die Fenster 16 der Photolackmaske M4 hindurch supraleitendes Material aufgesputtert oder aufgedampft wird (Fig. 20(F)). Danach wird die Photolackmaske M4 entfernt und zur Fertigstellung des Josephson-Elements das supraleitende Material entfernt (abgehoben) (Fig. 20(G′)).

In dem vorstehend beschriebenen Herstellungsverfahren ist es wesentlich, daß mehrere Photolackmasken M3 in Form von parallelen Linien verwendet werden, deren Abstände d kleiner sind als die Breite a der ersten streifenförmigen dünnen Supraleiterschicht, oder daß eine Photolackmaske M4 mit Fenstern (Fig. 19(E) oder Fig. 20(E′)) verwendet wird. Wenn die Bedingung d<a erfüllt ist, kann der supraleitende Verbindungsteil 5 mit einer kleineren Breite C zuverlässig im Bereich der Kreuzung von zwei dünnen Supraleiterschichten 2 und 3 gebildet werden, ohne daß die Photolackmasken M3 und M4 besonders genau angeordnet werden müssen. Auf diese Weise kann man daher ein Josephson-Element mit einem hohen Übergangswiderstand R_j leicht herstellen.

Jenes Material für das Verbindungsteil 5, das außerhalb des Kreuzungsbereichs aufgetragen wird und die beiden Supraleiterschichten 2 und 3 nicht verbindet, hat keinen Einfluß auf die Eigenschaften des Josephson-Elements.

Das in der Fig. 7 dargestellte Josephson-Element wird im wesentlichen ebenso hergestellt wie das in der Fig. 6 gezeigte. Daher werden nur die unterschiedlichen Maßnahmen erläutert. Die Fig. 21(E), (F) und (G) entsprechen den Fig. 19(E), (F) bzw. (G). Die Fig. 22(E′), (F′) und (G′) entsprechen den Fig. 20(E′), (F′) bzw. (G′). Der Unterschied besteht darin, daß gemäß den Fig. 21(E) und 22(E′) eine Photolackmaske M3 mit parallelen Linien in Abständen d, die kleiner sind als die Hälfte der Breite a der ersten streifenförmigen dünnen Supraleiterschicht, und eine Photolackmaske M4 mit Fenstern in Form von parallelen Linien in Abständen d von weniger als der Hälfte der Breite a der ersten streifenförmigen dünnen Supraleiterschicht verwendet werden. Wenn die Bedingung d<1/2 a erfüllt ist, kann an der Kreuzungsfläche der beiden dünnen Supraleiterschichten 2 und 3 der supraleitende Verbindungsteil 5 mit der kleinen Breite C gebildet werden, ohne daß die Photolackmasken M3 und M4 genau in einer vorherbestimmten Lage angeordnet werden. Auf diese Weise kann daher ein Josephson-Element mit hohem Übergangswiderstand R_j ohne weiteres hergestellt werden.

Claims

1. Vorrichtung bestehend aus mehreren Josephson-Elementen mit einer unteren streifenförmigen dünnen Supraleiter schicht (2), einer die untere streifenförmige dünne Su praleiterschicht (2) zumindest teilweise überdeckende obere streifenförmige dünne Supraleiterschicht (3), ei ner im Überdeckungsbereich der unteren und der oberen streifenförmigen dünnen Supraleiterschichten (2, 3) zwi schen diesen angeordneten Isolierschicht (4) und mit Engstellen, die die untere und die obere dün nen Supraleiterschichten (2, 3) zur Erzeugung der Josephson-Elemente miteinander verbinden, dadurch gekennzeichnet, daß sich die unteren und die oberen streifenförmigen dünnen Supraleiterschichten (2, 3) überkreuzen und daß die Engstellen durch mindestens ein Verbindungsteil (5) gebildet sind, das im Kreuzungsbereich der streifenför migen dünnen Supraleiterschichten (2, 3) an den gegen überliegenden Rändern der oberen streifenförmigen dün nen Supraleiterschicht (3) die Isolierschicht (4) über brückt und so die Verbindung zu der unteren streifenför migen dünnen Supraleiterschicht (2) herstellt.

2. Vorrichtung bestehend aue mehreren Josephson-Elementen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Eng stellen durch ein linienförmiges Verbindungsteil (5) gebildet sind.

3. Vorrichtung bestehend aus mehreren Josephson-Elementen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Eng stellen aus zwei linienförmigen Verbindungen (5) gebildet sind.

4. Vorrichtung bestehend aus mehreren Josephson-Elementen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Iso lierschicht (4) und die zweite dünne Supraleiterschicht (3) durch einen Schichtkörper gebildet ist, der auf der ersten dünnen Supraleiterschicht (2) angeordnet ist und mehrere Nuten oder Ausnehmungen (6) aufweist, wobei sich der Verbindungsteil (5) über die Seiten der Nuten oder Ausnehmungen (6) erstreckt, wobei er die Isolier schicht (4) überbrückt und so die Verbindung zu der un teren dünnen Supraleiterschicht (2) herstellt.

5. Vorrichtung bestehend aus mehreren Josephson-Elementen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in Abstän den voneinander mehrere untere streifenförmige dünne Supraleiterschichten (2 ₁, 2 ₂, 2 ₃) durch mehrere obere streifenförmige dünne Supraleiterschichten (3 ₁, 3 ₂, 3 ₃) überkreuzt werden, wobei je ein Zwischenraum zwischen zwei einander benachbarten ersten streifenförmigen dün nen Supraleiterschichten überbrückt wird.

6. Verfahren zum Herstellen einer Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß auf einem Substrat eine erste streifenförmige dünne Supra leiterschicht gebildet wird, daß auf dieser eine Isolierschicht gebildet wird, daß auf der Iso lierschicht eine sie überlappende zweite streifenförmi ge dünne Supraleiterschicht gebildet wird, daß der so gebildete Dünnschichtkörper durch Ionenstrahlzerstäu bung gereinigt wird und daß dann eine dünne Schicht als Verbindungsteil ausgebildet wird, die die zweite dünne Supraleiterschicht im Bereich der Kreuzung zwischen den beiden streifenförmigen dünnen Supraleiterschichten be deckt und sich über die freiliegenden Ränder der zwi schen der ersten und der zweiten dünnen Supraleiter schicht vorhandenen Isolierschicht über deren Dicke er streckt.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die erste streifenförmige dünne Supraleiterschicht in dem mit der Isolierschicht zu versehenden Bereich einer oxidierend wirkenden Atmosphäre ausgesetzt und dadurch in dem genannten Bereich zur Bildung der genannten Iso lierschicht oxidiert wird.

8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß auf die erste streifenförmige dünne Supraleiterschicht in dem mit der Isolierschicht zu versehenden Bereich zur Bildung der genannten Isolierschicht Isoliermateri al aufgesputtert oder aufgedampft wird und daß die so gebildete Isolierschicht zu ihrer Oxidation einer oxi dierend wirkenden Atmosphäre ausgesetzt wird, um in der Isolierschicht etwa vorhandene Nadellöcher zu schlie ßen.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch ge kennzeichnet, daß auf der ganzen Fläche der zweiten streifenförmigen dünnen Supraleiterschicht eine Schicht aus dem Material des Verbindungsteils aufgebracht wird, auf welchem mehrere Photolackmasken in Form von paralle len Linien mit Abständen aufgebracht werden, die klei ner sind als die Breite der ersten streifenförmigen dün nen Supraleiterschicht, und daß der von dem Photolack masken nicht abgedeckte Teil des Verbindungsteilmateri als entfernt wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch ge kennzeichnet, daß über der ersten streifenförmigen dün nen Supraleiterschicht eine Photolackmaske angeordnet wird, die mehrere Fenster in Form von parallelen Linien besitzt, deren Abstände kleiner sind als die Breite der ersten streifenförmigen dünnen Supraleiterschicht, daß die Oberfläche des beschichteten Substrats durch die Maske hindurch durch Ionenstrahlzerstäubung gereinigt wird und daß dann das Material zur Bildung des Verbin dungsteils durch die Fenster hindurch auf die Oberflä che aufgesputtert oder aufgedampft wird.