DE3220211A1 - Process for producing a Josephson circuit containing at least one Josephson tunnel element - Google Patents
Process for producing a Josephson circuit containing at least one Josephson tunnel elementInfo
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Abstract
Description
Verfahren zur Herstellung einer Josephson-SchaltungMethod of manufacturing a Josephson circuit
mit mindestens einem Josephson-Tunnelelement Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer Josephson-Schaltung mit mindestens einem Josephson-Tunnelelement, 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 zunächst auf dem Substrat eine Lochmaske vorbestimmter Dicke und mit einer dem mindestens einen zu erzeugenden Tunnelelement angepaßten Lochstruktur angeordnet wird, bei dem anschließend in einem ununterbrochenen Vakuumprozeß die Schichten der Elektroden durch schräges Aufdampfen aufgebracht werden und zwischen diesen Aufdampfschritten die Schicht der Tunnelbarriere ausgebildet wird und bei dem Anschluß leitungen für das mindestens eine Tunnelelement sowie mindestens ein Widerstandselement erstellt werden. Bei diesem Verfahren wird von einem Verfahren zur Herstellung eines Josephson-Tunnelelementes für Josephson-Schaltungen ausgegangen, das Gegenstand der deutschen Patentanmeldung P 31 28 982.7 ist.with at least one Josephson tunnel element The invention relates refer to a method of manufacturing a Josephson circuit with at least a Josephson tunnel element, which is a superconducting element deposited on a substrate Layer of a base electrode, a layer of a counter electrode made of a superconducting Material with a very low stress relaxation and at least so high transition temperature like that of niobium and a layer of a tunnel barrier contains between the electrode layers, in which method initially on the Substrate a shadow mask of predetermined thickness and with one of the at least one to generating tunnel element adapted hole structure is arranged, in which subsequently in a continuous vacuum process the layers of the electrodes through oblique Vapor deposition are applied and the layer between these vapor deposition steps the tunnel barrier is formed and the connection lines for the at least a tunnel element and at least one resistance element are created. at this process is followed by a process for the manufacture of a Josephson tunnel element assumed for Josephson circuits, the subject of the German patent application P 31 28 982.7 is.
Dieses vorgeschlagene Verfahren unterscheidet sich von der sogenannten Schwebemasken-Lithographie, wie sie z.B. aus der Veröffentlichung nSQUTD '80 - Superconducting Quantum Interference Devices and their Applications", Berlin 1980, Seiten 399 bis 415 hervorgeht, im wesentlichen dadurch, daß ejn Loch die Funktion der bei dem bekannten Verfahren vorgesehenen schwebenden Maskenteile übernimmt. Mit der Verwendung einer solchen besonderen Lochmaske und des besonderen Materials für die Gegenelektrode läßt sich dann die Sauberkeit bei der Herstellung der Schichten des Josephson-Tunnelelementes bedeutend erhöhen. Die Löcher der Maske lassen sich nämlich besser reinigen als die unter Brücken einer Schwebemaske liegenden Oberflächenteile.This proposed method differs from the so-called Floating mask lithography, e.g. from the publication nSQUTD '80 - Superconducting Quantum Interference Devices and their Applications ", Berlin 1980, pages 399 to 415, essentially in that a hole has the function of the known method provided floating mask parts takes over. With the use of such a special shadow mask and the special material for the counter electrode can be then the cleanliness in the manufacture of the layers of the Josephson tunnel element significantly increase. The holes in the mask are easier to clean than the parts of the surface lying under bridges of a floating mask.
Außerdem erfährt die Schicht der Tunnelbarriere keine wesentlichen Veränderungen 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 Leckströme der nach dem bekannten Schwebenra skenve rf ahren hergestellten Josephson-Tunnelelemente angesehen. Die Reproduzierbarkeit sowie die Kennlinien der nach dem vorgeschlagenen Verfahren hergestellten Tunnelelemente werden also gegenüber den bisher bekannten Elementen wesentlich verbessert. Da außerdem die Tunnelbarrieren nicht unter Brücken wie bei dem bekannten Schwebemaskenverfahren, sondern direkt in den Löchern ausgebildet werden, ist ihre Herstellung besonders einfach. Dabei können die Abstände zwischen den benachbarten Löchern sehr klein gehalten werden, so daß eine hohe Integrationsdichte, d.h. eine große Anzahl von Tunnelelementen pro Flächeneinheit, zu erreichen ist. Das vorgeschlagene Verfahren eignet sich deshalb besonders gut zur Herstellung hochintegrierter Logik- und Speicherschaltungen.In addition, the layer of the tunnel barrier does not experience any significant Changes in the process steps to be carried out constantly under high vacuum conditions; in particular, there is no interdiffusion with the layer of the counter electrode that covers it on. Such changes in the tunnel barrier layer are believed to be a cause for increasing the leakage currents of the known Schwebenra skenve rf ahren manufactured Josephson tunnel elements viewed. The reproducibility as well as the Characteristic curves of the tunnel elements produced according to the proposed method are thus significantly improved compared to the previously known elements. Since also the tunnel barriers not under bridges as with the known floating mask method, but are formed directly in the holes, their production is special simple. The distances between the adjacent holes can be very small so that a high integration density, i.e., a large number of Tunnel elements per unit area, can be achieved. The proposed procedure is therefore particularly suitable for the production of highly integrated logic and memory circuits.
Mit Lochmasken gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren hergestellte Josephson-Tunnelelemente einer Josephson-Schaltung besitzen Jedoch keine Anschlußleitungen, falls man sich bei dem Aufdampfen ihrer Schichten auf die Drehung um eine einzige Achse beschränkte Als Anschlußleitungen sollen dabei auch alle Verbindungsleitungen zwischen mehreren Josephson-Tunnelelementen verstanden werden. Diese Anschluß-bzw. Verbindungsleitungen sind deshalb in einem nachfolgenden Lithographieschritt durch Beschichten, Entwickeln und Ätzen gesondert herzustellen.Josephson tunnel elements produced with shadow masks according to the proposed method However, a Josephson circuit has no connecting leads, if you are limited to rotation about a single axis during the vapor deposition of their layers As connecting lines, all connecting lines between several Josephson tunnel elements are understood. This connection or. Connecting lines are therefore in a subsequent lithography step by coating, developing and etching separately.
Das bedeutet aber, daß für diesen Lithographieschritt die Vakuumbedingungen unterbrochen werden müssen.However, this means that the vacuum conditions for this lithography step have to be interrupted.
Dasselbe trifft auch für die Herstellung von Widerstandselementen für Josephson-Schaltungen mit nach dem vorgeschlagenen Verfahren hergestellten Josephson-Tunnelelementen zu. Bei der Herstellung dieser Widerstandselemente ist nämlich ein zusätzlicher Lithographieschritt, z.B. in der sogenannten ~Lift-Off-Technik",erforderlich, um an bestimmten Stellen der Josephson-Schaltung Widerstandsfilme mit definierten Abmessungen zu erzeugen. Werden diese Filme vor den Schichten der Josephson-Elemente auf das Substrat aufgebracht, so ergibt sich das kritische Problem der Reinigung des Substrates vor dem Aufdampfen der Schichtinatenahen der Josephson-Elemente von Resten des Lift-Off-Prozesses. Bei der Herstellung der Filmwiderstände nach dem Ausbilden der Josephson-Elemente ist ein Plasmaätzen der Niob-Filme erforderlich, um UbergangswLaerstknde durch Niob-Oxidbildung zu vermeiden. Außerdem ergeben sich bei diesem nachträglichen Lithographieschritt Schwierigkeiten bei der Wahl der einzelnen Aufdampfrichtungen der verschiedenen Materialien.The same applies to the manufacture of resistance elements for Josephson circuits with Josephson tunnel elements manufactured according to the proposed method to. In the production of these resistance elements is namely an additional Lithography step, e.g. in the so-called ~ lift-off technique ", required to Resistance films with defined dimensions at certain points in the Josephson circuit to create. Are these films made before the layers of the Josephson elements on the When the substrate is applied, the critical problem of cleaning the substrate arises before the vapor deposition of the layers near the Josephson elements from residues of the lift-off process. When making the film resistors after the Josephson elements are formed Plasma etching of the niobium films is required to create transition layers through the formation of niobium oxide to avoid. In addition, this subsequent lithography step results trouble when choosing the individual vapor deposition directions different materials.
FUr das vorgeschlagene Verfahren zur Herstellung von Josephson-Tunnelelementen von Josephson-Schaltungen sind also nachträgliche Verfahrensschritte zur Herstellung von Anschluß- bzw. Verbindungsleitungen und von Widerstandselementen erforderlich.For the proposed method for manufacturing Josephson tunnel elements of Josephson circuits are therefore subsequent process steps for production of connecting or connecting lines and of resistance elements required.
Das Verfahren ist deshalb verhältnismäßig aufwendig.The process is therefore relatively complex.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, das vorgeschlagene Verfahren so zu verbessern, daß mit ihm eine Josephson-Schaltung, die mindestens ein Josephson-Tunnelelement mit Arischlußleitungen und mindestens ein Widerstandselement enthält, ohne Unterbrechung der Vakuumbedingungen erstellt werden kann.The object of the present invention is the proposed method so to improve that with it a Josephson circuit, the at least one Josephson tunnel element with Arischlußleitung and contains at least one resistance element, without interruption the vacuum conditions can be created.
Diese Aufgabe wird für das Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß auf dem Substrat eine Lochmaske mit einer Lochstruktur aufgebaut wird, wobei mindestens ein Loch zur Ausbildung des Josephson-Tunnelelementes und kanalartige Öffnungen zur Ausbildung der entsprechenden Anschlußleitungen vorgesehen werden und wobei zur Ausbildung des Widerstandselementes eine der kanalartigen Öffnungen auf einer vorbestimmten Länge unterbrochen ausgebildet wird und an dieser Unterbrechungsstelle parallel versetzt zur Ausdehnungsrichtung dieser kanalartigen Offnung ein den Abmessungen des Widerstandselementes entsprechendes Kanalstück vorgesehen wird, daß die Lochmaske zumindest zwischen allen Bereichen der kanalartigen Öffnungen und des Kanalstücks durch eine Unterkdhlong als Schwebemaske ausgebildet wird, und daß das als Widerstandselement dienende Material vor dem Aufdampfen der Schichten des 30-sephson-Tunnelelementes und der Anschlußleitungen zumindest ann#hernd senkrecht zur Ausdehnungsric'ntung der kanalartigen Öffnung der Jeweils zugeordneten Anschlußleitung unter vorbestimmtem schrägen Winkel bezüglich der Substratoberfläche aufgedampft wird.This object is achieved according to the invention for the method of the type mentioned at the outset solved in that a shadow mask with a hole structure is built up on the substrate is, at least one hole for the formation of the Josephson tunnel element and channel-like openings are provided for forming the corresponding connecting lines be and wherein one of the channel-like openings to form the resistance element is formed interrupted over a predetermined length and at this interruption point offset parallel to the direction of extent of this channel-like opening on the dimensions of the resistor element corresponding channel piece is provided that the shadow mask at least between all areas of the channel-like openings and the channel piece by a Unterdhlong is designed as a floating mask, and that as a resistance element material used before the vapor deposition of the layers of the 30-sephson tunnel element and the connecting lines at least approximately perpendicular to the direction of expansion the channel-like opening of the respective associated connecting line under a predetermined oblique angle with respect to the substrate surface is evaporated.
Die Vorteile dieses Verfahrens nach der Erfindung sind insbesondere darin zu sehen, daß aufgrund der besonderen Ausbildung einer Schwebemaske die Herstellung sowohl von Filmwiderständen als auch einer gesamten Sossphson-Schaltung mit einer einzigen Schwebemaske möglich ist. Dabei werden in einem ersten Auf dampf schritt die Filmwiderstände unter schrägem Winkel aufgedampft. In einem zweiten und dritten sich anschließenden Aufdampf schritt werden dann wieder unter schrägem Winkel, aber senkrecht zur Aufdampfrichtung der Filmwiderstände, die Josephson-Elemente mit ihren Zuleitungen und Verbindungsleitungen aufgedampft. Es können somit gesonderte Lithographieschritte zur Herstellung der Anschlußleitungen und der Widerstandselemente vermieden werden.The advantages of this method according to the invention are particular to see that due to the special design of a floating mask the production of both film resistors and an entire Sossphson circuit with a single floating mask is possible. In a first step the film resistors evaporated at an oblique angle. In a second and a third subsequent evaporation step will then be again at an oblique angle, however perpendicular to the vapor deposition direction of the film resistors, the Josephson elements with their Supply lines and connecting lines vapor-deposited. Separate lithography steps can therefore be used for producing the connecting lines and the resistance elements can be avoided.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens nach der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.Advantageous embodiments of the method according to the invention go from the subclaims.
Zur weiteren Erläuterung des Verfahrens nach der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in deren Fig. 1 ein Ausschnitt aus einer für das Verfahren nach der Erfindung geeigneten Schwebemaske veranschaulicht ist. In Fig. 2 ist ein weiterer Ausschnitt aus dieser Maske dargestellt, während in Fig. 3 die wesentlichen Verfahrensschritte zur Herstellung eines Josephson-Tunnelelementes mit dieser Maske angedeutet sind. Fig. 4 zeigt eine Schwebemaske zur erfindungsgemäßen Erstellung einer ganzen Josephson-Schaltung.For a further explanation of the method according to the invention, refer to Reference is made to the drawing, in which FIG. 1 shows a section of one for the method according to the invention suitable floating mask is illustrated. In Fig. 2 is a further Excerpt from this mask is shown, while in Fig. 3 the essential process steps for the production of a Josephson tunnel element are indicated with this mask. 4 shows a floating mask for the invention Creation of an entire Josephson circuit.
Aus der Aufsicht der Fig. 1 geht ein Ausschnitt aus einer Schwebsmaske hervor, die zur erfindungsgemäßen Herstellung eines Tails einer Josephson-Schaltung dient. Der damit herstellbare Teil dieser Schaltung umfaßt zwei Anschluß- oder Verbindungsleitungsteile für mindestens ein Josephson-Tunnelelement sowie ein Widerstandselement. Aus der Figur ist nicht nur die entsprechende Schwebemaske #2 ersichtlich; sondern es sich auch die mit dieser Maske auf einer unter ihr angeordneten Oberfläche eines Substrates auszubildenden Schichten dieses Schaltungsteils veranschaulicht.From the top view of Fig. 1 is a detail from a floating mask for the production of a tail of a Josephson circuit according to the invention serves. The part of this circuit that can be produced in this way comprises two connecting or connecting line parts for at least one Josephson tunnel element and one resistance element. From the Figure not only shows the corresponding floating mask # 2; but it yourself including those with this mask on a surface of a substrate arranged below it illustrated layers of this circuit part to be formed.
Die Schwebemaske 2 weist zwei kanalartige Öffnungen 3 und 4 auf, die sich in gleicher Ausdehnungsrichtung hintereinander erstrecken, auf einer vorbestimmten Länge e voneinander getrennt sind und gleiche Breite b haben. Die Abmessungen dieser Öffnungen hängt insbesondere von der Geometrie der zu erstellenden Anschluß- oder Verbindungsleitungen und dem Jeweiligen Winkel ab, unter dem die Schichten dieser Leitungen schräg aufgedampft werden. Dabei ist angenommen, daß das Aufdampfen dieser Schichten in der gemeinsamen Ausdehnungsrichtung der kanalartigen Öffnungen 3 und 4 vorgenommen wird. An der mit 5 bezeichneten Unterbrechungs- bzw. Trennstelle zwischen den beiden kanalartigen Öffnungen 3 und 4 ist parallel zu diesen Öffnungen und seitlich um eine vorbestimmte Strecke s versetzt ein kurzes Kanal stück 6 vorgesehen, das zur Herstellung eines Widerstandselementes dienen soll. Wie in der Figur ferner durch gestrichelte Linien 7 und 8 angedeutet ist, soll die Maske 2 in dem zwischen diesen Linien liegenden Bereich, der somit die kanalartigen Öffnungen 3 und 4 sowie das Kanalstück 6 umfaßt, unter höhlt sein. Die Maske 2 stellt somit in diesem Bereich den Teil einer Schwebemaske dar.The floating mask 2 has two channel-like openings 3 and 4, the extend one behind the other in the same direction of expansion, on a predetermined one Length e are separated from each other and have the same width b. The dimensions of this Openings depends in particular on the geometry of the connection or to be created Connecting lines and the respective angle at which the layers of these Lines are vapor-deposited at an angle. It is assumed that the vapor deposition of this Layers in the common direction of extension of the channel-like openings 3 and 4 is made. At the designated 5 interruption or separation point between the two channel-like openings 3 and 4 is parallel to these openings and laterally around a predetermined distance s offset a short channel piece 6 is provided, which is intended to be used for the production of a resistance element. As in The figure is further indicated by dashed lines 7 and 8, the mask should 2 in the area lying between these lines, which thus contains the channel-like openings 3 and 4 and the channel piece 6 includes, be hollowed out. The mask 2 thus represents represents part of a floating mask in this area.
Nach der Erstellung dieser Schwebemaske 2 über der Oberfläche eines geeigneten Substrates wird nun zunächst das Widerstandsmaterial des zu erstellenden Widerstandselementes unter schrägem Winkel und senkrecht zur Ausdehnungsrichtung der kanalartigen Offnungen 3 und 4 und des Kanalstücks 6 aufgedampft.After creating this floating mask 2 over the surface of a suitable substrate is now first the resistance material to be created Resistance element at an oblique angle and perpendicular to the direction of expansion the channel-like openings 3 and 4 and the channel piece 6 vapor-deposited.
Die in die Substratebene proJizierte Aufdampfrichtung ist in der Figur durch gepfeilte Linien 9 veranschaulicht. Dadurch entsteht an der Trenn-bzw. Unterbrechungsstelle 5 ein Widerstandselement 10 in Form eines Streifens. Der Aufdampfwinkel bzgl.The vapor deposition direction projected into the substrate plane is shown in the figure illustrated by arrow lines 9. This creates at the separation or. Interruption point 5 a resistance element 10 in the form of a strip. The evaporation angle with respect to
der Substratoberfläche ist dabei so gewählt, daß dieser Streifen in der Verbindungslinie der beiden kanalartigen Öffnungen 3 und 4 zu liegen kommt.the substrate surface is chosen so that this strip in the connecting line of the two channel-like openings 3 and 4 comes to rest.
Bei diesem Aufdampfvorgang entstehen außerdem parallel zu den kanalartigen Öffnungen 3 und 4 versetzte und unterbrochene Widerstands streifen 11 und 12 ohne Uberlappen mit der Kanalzone. Diese Streifen sind ohne Funktion und stören bei der Erstellung der Schaltung nicht. Anschließend werden die als Anschluß- bzw. Verbindungsleitungen dienenden supraleitenden Filme schräg zu der Substrat oberfläche und senkrecht zur Aufdampfrichtung des Widerstandsmaterials aufgedampft. Die beiden Aufdampfrichtungen sind in der Figur durch in die Substrat ebene pro#izierte gepfeilte Linien 13 bzw. 14 veranschaulicht. Bei den angenommenen zwei Aufdampfwinkeln entstehen dann die durch in der Figur verschiedene Schraffur veranschaulichten Filmstreifen. Diese Filmstreifen sind in der Figur mit 15 bzw. 16 bezeichnet. Dabei kann ein guter Kontakt dieser Filmstreifen 15 oder 16 aus supraleitendem Material und dem Widerstandsfilm 10 durch Aufdampfen im Hochvakuum und durch die Ausbildung ausreichend großer Uberlappzonen 17 bzw. 18 der supraleitenden Filme mit dem Widerstandfilm gewährleistet werden.This vapor deposition process also occurs parallel to the channel-like ones Openings 3 and 4 staggered and interrupted resistance strips 11 and 12 without Overlap with the canal zone. These strips have no function and interfere with the Creation of the circuit does not. They are then used as connecting or connecting lines Serving superconducting films obliquely to the substrate surface and perpendicular to Vapor deposition direction of the resistor material. The two evaporation directions are in the figure through into the substrate level projected arrowhead Lines 13 and 14 respectively illustrated. With the assumed two evaporation angles arise then the film strips illustrated by different hatching in the figure. These film strips are denoted by 15 and 16, respectively, in the figure. It can be a good one Contact this film strip 15 or 16 made of superconducting material and the resistive film 10 by vapor deposition in a high vacuum and by the formation of sufficiently large overlapping zones 17 and 18 of the superconducting films can be ensured with the resistor film.
Die Herstellung der als Anschluß- bzw. Verbindungsleiter von Josephson-Tunnelelementen dienenden Schichten 15 und 16 geht aus den Darstellungen der Fig. 2 und 3 näher hervor.The manufacture of the connecting or connecting conductors of Josephson tunnel elements Serving layers 15 and 16 can be seen in more detail in the representations of FIGS. 2 and 3 emerged.
Aus der Aufsicht der Fig. 2 ist ein weiterer Ausschnitt der Maske 2 gemäß Fig. 1 ersichtlich, Der dargestellte und in der Figur mit 20 bezeichnete Ausschnitt aus der Maske dient zur erfindungsgemäßen Herstellung eines Josephson-Tunnelelementes mit Anschlußleitungen als Teil einer Josephson-Schaltung. Die Maske 20 weist ein rechteckiges Loch 21 auf, dessen Längsseiten 22 eine Länge 1 und dessen Breitseiten 23 eine Breite b haben.From the top view of FIG. 2 is a further detail of the mask 2 shown in FIG. 1, the one shown and designated by 20 in the figure Section from the mask is used to manufacture a Josephson tunnel element according to the invention with connecting leads as part of a Josephson circuit. The mask 20 has a rectangular hole 21, the long sides 22 of which has a length 1 and its broad sides 23 have a width b.
Die Abmessungen des Loches hängen insbesondere von der Geometrie des zu erstellenden Josephson-Tunnelelementes und dem jeweiligen Winkel ab, unter dem die Elektrodenschichten dieses Elementes schräg aufgedampft werden. Hierbei ist angenommen, daß das Aufdampfen in Richtung der größten Abmessung des Loches 21, also in Ausdehnungsrichtung der Längsseiten 22 vorgenommen wird. Außerdem weist die Maske 20 zwei kanalartige, sich in Aufdampfungsrichtung erstreckende Öffnungen 25 und 26 auf, die zur Erstellung der Anschlußleitungen für das Josephson-Tunnelelement dienen. Bei diesen kanalartigen Öffnungen kann es sich beispielsweise um die Öffnungen 3 oder 4 gemäß Fig. 1 handeln. Die kanalartigen Öffnungen 25 und 26 haben beispielsweise etwa die gleiche Breite b wie das Loch 21 des Tunnelelementes. Sie sind von diesem Loch teweils über eine BrÜcke 27 bzw. 28 getrennt. Dabei ist die Breitseite 30 jeder dieser Öffnungen von der zugewandten Breitseite 23 des Loches 21 mit einem vorbestimmten Abstand a entfernt. Wie in der Figur ferner durch gestrichelte Linien 31 und 32 angedeutet ist, soll die Maske 20 in dem zwischen diesen Linien liegenden Bereich unterhöhlt sein.The dimensions of the hole depend in particular on the geometry of the Josephson tunnel element to be created and the respective angle under which the electrode layers of this element are vapor-deposited at an angle. Here is assumed that the vapor deposition in the direction of the largest dimension of the hole 21, that is, it is carried out in the direction of extent of the longitudinal sides 22. Also has the Mask 20 has two channel-like openings 25 extending in the vapor deposition direction and 26, which are used to create the connecting lines for the Josephson tunnel element to serve. These channel-like openings can, for example, be the openings 3 or 4 according to FIG. 1 act. The channel-like openings 25 and 26 have for example about the same width b as the hole 21 of the tunnel element. You are from this Hole partly separated by a bridge 27 and 28, respectively. The broadside is 30 each these openings from the facing broad side 23 of the hole 21 with a predetermined Distance a away. As in the figure, also by dashed lines 31 and 32 is indicated, the mask 20 should be in the area between these lines be undercut.
Die Maske 20 stellt damit auch in diesem Bereich den Teil einer Schwebemaske dar.The mask 20 thus also represents part of a floating mask in this area represent.
Beider Herstellung mindestens eines Josephson-Tunnelelementes mit Anschlußleitungen und Widerstandselementen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird von dem Herstellungsverfahren ausgegangen, wie es in der eingangs genannten deutschen Patentanmeldung P 31 28 982.7 beschrieben ist. Dementsprechend umfaßt das Verfahren im wesentlichen zwei Verfahrensschritte, nämlich zunächst den Aufbau der Lochmaske und daran anschließend die Ausbildung des mindestens einen Tunnelelementes sowie der Anschlußleitungen und Widerstandselemente. Beide Verfahrensschritte sind in dem in Fig. 3 dargestellten Querschnitt längs der in Fig. 2 mit III-III bezeichneten Schnittlinie schematisch angedeutet, soweit sie die Herstellung eines Josephson-Tunnelelementes mit seinen Anschlußleitungen betreffen.When producing at least one Josephson tunnel element with Connection lines and resistance elements according to the method according to the invention is based on the manufacturing process as mentioned in the introduction German patent application P 31 28 982.7 is described. Accordingly included the process essentially has two process steps, namely first the structure the shadow mask and then the formation of the at least one tunnel element as well as the connection lines and resistance elements. Both procedural steps are in the cross-section shown in FIG. 3 along that designated in FIG. 2 with III-III Section line indicated schematically insofar as it involves the production of a Josephson tunnel element concern with its connecting lines.
In dem ersten Verfahrensschritt wird die Lochmaske 20 auf einem Substrat 34 erstellt, das mehrschichtig aufgebaut ist und beispielsweise einen Trägerkörper aus Silizium enthält, auf dem eine dünne Schicht aus einem supraleitenden Material wie z.B. aus Niob aufgedampft ist. Diese Grundebene ist ihrerseits mit einer dünnen Isolierschicht, beispielsweise aus Si, SiO oder SiO2 abgedeckt. Zur Ausbildung der Lochmaske 20 wird auf dieser Isolierschicht des Substrates 34 zunächst.ein in der Figur nicht dargestellter Sockel, beispielsweise aus Polysilizium, aufgebracht. Dieser Sockel wird dann noch mit einer Deckschicht, beispielsweise aus Aluminium, versehen. Anschließend wird in bekannter Weise diese Deckschicht mit einem Fotolack bedeckt, der durch eine Maske kontaktbelichtet wird, die eine den geometrischen Formen des herzustellenden Josephson-Tunnelelementes und dessen Anschlußleitungen angepaßte Lochstruktur hat. Nach dem Entwickeln der belichteten Teile des Fotolacks wird dann eine Lochstruktur in der Lackschicht von gleicher Geometrie wie die Lochstruktur der Maske erhalten. In den Lacklöchern wird dann die Deckschicht aus Aluminium beispielsweise durch Plasmaätzen entfernt, so daß sich die aus den Figuren 2 und 3 ersichtliche Struktur der Lochmaske 20 ergibt. Die verbleibenden Lackschichten kennen danach in einem Trockenätzprozeß oder in einem Lösungsmittel ebenfalls entfernt werden. Anschließend wird das Material des Sockels in dem Loch 21 sowie in den kanalartigen Öffnungen 25 und 26 in einem Trockenätzprozeß weggeätzt. Dabei wird vorteilhaft das in Fig. 2 angedeutete Unterätzprofil erzeugt, wobei die schwebenden Brücken 27 und 28 ausgebildet werden.In the first method step, the shadow mask 20 is placed on a substrate 34 created, which is constructed in several layers and, for example, a carrier body Contains silicon on which a thin layer of a superconducting material such as vapor-deposited from niobium. This ground plane is in turn with a thin one Insulating layer, for example made of Si, SiO or SiO2 covered. To train the Shadow mask 20 is first.ein in the Figure, base, not shown, for example made of polysilicon, applied. This base is then covered with a top layer, for example made of aluminum, Mistake. This cover layer is then coated with a photoresist in a known manner covered, which is contact-exposed through a mask, which is one of the geometric Shapes of the Josephson tunnel element to be produced and its connecting lines has adapted hole structure. After developing the exposed parts of the photoresist Then a hole structure in the lacquer layer is of the same geometry as the hole structure the mask received. The cover layer made of aluminum is then, for example, made in the lacquer holes removed by plasma etching, so that that can be seen from FIGS Structure of the perforated mask 20 results. The remaining layers of paint then know can also be removed in a dry etching process or in a solvent. Then the material of the base in the hole 21 and in the channel-like Openings 25 and 26 are etched away in a dry etching process. Doing so will be beneficial the undercut profile indicated in FIG. 2 is generated, the floating bridges 27 and 28 are formed.
Mit der so erhaltenen Lochmaske 20, deren Brücken 27 und 28 in einer öhe h gegenüber der Substratoberfläche angeordnet sind, werden anschließend unter Hochvakuumbedingungen die Schichten des zu erstellenden Josephson-Tunnelelementes und seiner Anschlußleitungen aufgebracht. Hierzu wird zunächst, wie in der Figur durch gepfeilte Linien 36 angedeutet ist, auf das Substrat 34 bis auf durch die Brücken 27 und 28 abgeschattete Bereiche eine Schicht 37 aus dem Material für eine Basiselektrode, insbesondere aus Niob, aufgedampft. Die Aufdampfrichtung des Materials dieser Schicht bildet dabei mit der Ebene der zu bedampfenden Oberfläche des Substrates einen Winkel, wobei die Aufdampfen richtung in der Ausdehnungsrichtung des Loches 21 bzw. der Öffnungen 25 und 26 liegt. Zur anschließenden Ausbildung einer Tunnelbarrierenschicht können beispielsweise besondere Schichten aus geeigneten Materialien wie Siliziumoxid, Siliziumnitrid oder Siliziumkarbid auf die Schicht 37 der Basiselektrode aufgedampft werden. Gemäß dem Ausführungsbeispiel ist Jedoch angenommen, daß die Tunnelbarrierenschicht durch Oxidation hergestellt wird.With the thus obtained shadow mask 20, the bridges 27 and 28 in one h are arranged opposite the substrate surface, are then under The layers of the Josephson tunnel element to be created under high vacuum conditions and its connecting lines applied. To do this, first, as in the figure is indicated by arrow lines 36, to the substrate 34 except for by the Bridges 27 and 28 shaded areas a layer 37 of the material for a Base electrode, in particular made of niobium, vapor-deposited. The direction of vapor deposition of the material this layer forms with the plane of the surface of the substrate to be vaporized an angle with the evaporation direction in the extension direction of the hole 21 or the openings 25 and 26 is located. For the subsequent formation of a tunnel barrier layer For example, special layers made of suitable materials such as silicon oxide, Silicon nitride or silicon carbide evaporated onto the layer 37 of the base electrode will. According to the embodiment, however, it is assumed that the tunnel barrier layer is produced by oxidation.
Hierzu wird das Substrat 34 mit seiner Schicht 37 einem Beschuß mit Sauerstoffionen~ ausgesetzt, wobei die in der Figur durch gepfeilte Linien 39 dargestellten Teilchenstrahlen vorteilhaft zumindest weitgehend senkrecht bezüglich der zu beschichtenden Oberfläche ausgerichtet sind. Auf der bereits abgeschiedenen Schicht 37 aus dem Basiselektrodenmaterial wird so eine Oxidschicht 40 erhalten, wobei die durch die Brücken 27 und 28 abgeschatteten Flächenteile ausgespart sind. Nach Abschluß der Oxidation wird schließlich, wie in der Figur durch gepfeilte Linien 42 angedeutet ist, eine als Gegenelektrode dienende Schicht 43 aufgedampft. Die Bedampfungsrichtung für das Material der Gegenelektrode bildet dabei zweckmäßig mit der Bedampfungsebene einen Winkel von 180°-cS, wobei die Bedampfungsrichtung vorteilhaft in der gleichen Ebene wie die Bedampfungsrichtung für das Basiselektrodenmaterial liegt. Als Material der Gegenelektrodenschicht 43 wird vorzugs,weise ein supraleitendes Material gewählt, das zum einen eine Sprungtemperatur hat, die mindestens so hoch wie die des Materials der Schicht 37 der Basiselektrode ist. Außerdem soll dieses Material mit dem Material der Schicht 40 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.For this purpose, the substrate 34 with its layer 37 is bombarded Oxygen ions are exposed, those shown in the figure by arrow lines 39 Particle beams advantageously at least largely perpendicular to the one to be coated Surface are aligned. On the already deposited layer 37 from the Base electrode material, an oxide layer 40 is obtained, wherein the through the Bridges 27 and 28 shaded area parts are left out. After completion of the Oxidation is finally indicated by arrow lines 42 in the figure is, a layer 43 serving as a counter electrode is vapor-deposited. the The direction of vapor deposition for the material of the counter electrode is expedient with the vaporization plane an angle of 180 ° -cS, whereby the vaporization direction advantageously in the same plane as the vapor deposition direction for the base electrode material lies. The material of the counter electrode layer 43 is preferably a superconducting one Material selected that on the one hand has a transition temperature that is at least as high like that of the material of the layer 37 of the base electrode. Also this is supposed to The material practically does not react with the material of the layer 40 when it is applied. In addition, materials are advantageous as materials for the two electrodes chosen, which show only a very low stress relaxation.
Wie aus Fig. 3 ferner hervorgeht, läßt sich durch eine geeignete Wahl der Ausdehnung a der Brücken 27 und 28 in Aufdampfungsrichtung, der entsprechenden Länge 1 des Loches 21 sowie des Aufdampfwinkels # bei gegebener Höhe h der Brücken 27 und 28 über der Substratoberfläche erreichen, daß sich unter den Brücken die Schichten 37 und 43 aus den Materialien der beiden Elektroden überlappen. Da in dem mit 45 bezeichneten Uberlappungsbereichen keine Oxidationsschicht 40 ausgebildet ist, liegen dort die beiden Schichten 37 und 43 unmittelbar aneinander, so daß sich ein Kurzschluß ergibt.As can also be seen from FIG. 3, by a suitable choice the extension a of the bridges 27 and 28 in the vapor deposition direction, the corresponding Length 1 of the hole 21 and the evaporation angle # for a given height h of the bridges 27 and 28 above the substrate surface achieve that under the bridges the Layers 37 and 43 made of the materials of the two electrodes overlap. There in No oxidation layer 40 is formed in the overlap areas designated by 45 is, the two layers 37 and 43 are there directly next to one another, so that a short circuit results.
Diese Bereiche 45 stellen die Verbindung zwischen den einzelnen Elektroden 37 und 43 des in einem Bereich 46 in dem Loch 21 ausgebildeten Josephson-Tunnelelementes 47 und zwischen den als Anschlußleitungen 48 bzw. 49 in den kanalartigen Öffnungen 25 und 26 aufgedampften Schichten 37 und 43 dare Zwar sind diese Schichten der Anschlußleitungen durch die Oxidationsschicht 40 in den Bereichen der kanalartigen Öffnungen 25 und 26 getrennt; da Jedoch zwischen ihnen ein großflächiger Josephson-Ubergang ausgebildet ist, tragen sie beide zur Stromführung bei.These areas 45 provide the connection between the individual electrodes 37 and 43 of the Josephson tunnel element formed in a region 46 in the hole 21 47 and between the connecting lines 48 and 49 in the channel-like openings 25th and 26 vapor-deposited layers 37 and 43, although these layers are the connecting lines through the oxidation layer 40 in the areas of the channel-like openings 25 and 26 separated; However, since a large-area Josephson junction is formed between them they both contribute to the current flow.
Vorteilhaft wird der Bedampfungswlnkel &für eine vorgegebene Höhe h so eingestellt, daß eine Ausdehnung c der Kurzachlußbereiche 45 in Aufdampfen richtung erhalten wird, die mindestens halb so groß wie die entsprechende Ausdehnung a der Brücken 27 und 28, Jedoch kleiner als a ist, ih. daß gilt: a> c> a/2. Zweckmäßig sollte außerdem für das Loch 21 der Maske 20 eine solche Länge 1 vorgesehen werden, daß sich eine entsprechende Ausdehnung d des Josephson-Tunnelelementes 47 ergibt, die mindestens ein Drittel der Länge 1 beträgt, d.h. daß gilt: d# 1/3. Bei diesen Verhältnissen ist eine saubere Ausbildung des Josephson-Tunnelelementes und seiner Anschlußleitungen gewährleistet.The steaming angle & is advantageous for a given height h set so that an extension c of the short circuit areas 45 in vapor deposition direction is obtained that is at least half the size of the corresponding expansion a of bridges 27 and 28, but smaller than a, ih. that applies: a> c> a / 2. Appropriately, such a length 1 should also be provided for the hole 21 of the mask 20 be that a corresponding extension d of the Josephson tunnel element 47 results, which is at least a third of the length 1, i.e. that the following applies: d # 1/3. at These conditions are a clean formation of the Josephson tunnel element and its connecting lines guaranteed.
Aus den Fig. 1 bis 3 gehen Ausschnitte von Schwebemasken hervor, mit denen 3eweils Teile einer Josephson-Schaltung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zu, erstellen sind. Mit diesem Verfahren lassen sich vorteilhaft in einem ununterbrochenen Vakuumprozeß die Elektrodenschichten und die Tunnelbarrierenschicht eines oder mehrerer Josephson-Tunnelelemente, die entsprechenden Anschluß- bzw. Verbindungsleitungen sowie Widerstandselemente herstellen. In Fig. 4 ist als Aufsicht ein Ausfuhrungsbeispiel einer Maske 51 dargestellt, mit der sich eine vollständige Josephson-Schaltung, ein sogenanntes "current-inJectflon-Gatter" nach dem Verfahren gemäß der Erfindung herstellen Illßt. Ein solches Gatter ist z.B. der Literaturstelle "Appl. Phys.From FIGS. 1 to 3, sections of floating masks can be seen with which 3 each part of a Josephson circuit according to the method according to the invention to create are. This method can be advantageous in an uninterrupted manner Vacuum process the electrode layers and the tunnel barrier layer of one or more Josephson tunnel elements, the corresponding connecting or connecting lines as well as making resistance elements. In Fig. 4 is an exemplary embodiment as a plan view a mask 51 shown with which a complete Josephson circuit, a so-called "current-inJectflon gate" according to the method according to the invention to produce. Such a gate is, for example, the reference "Appl. Phys.
Lett.", Vol. 39 (1981), Seite 653 zu entnehmen.Lett. ", Vol. 39, p. 653 (1981).
Diese Schaltung enthält 4 Josephson-Tunnelelemente.This circuit contains 4 Josephson tunnel elements.
Dementsprechend weist die Lochmaske t vier im wesentlichen gleiche, durch gestrichelte Linien 52 bis 55 umgrenzte Bereiche auf, die im wesentlichen dem in Fig. 2 gezeigten Ausschnitt aus einer Maske 20 entsprechen. Mit Fig. 2 übereinstimmende Teile sind deshalb mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Jeder dieser Bereiche umfaßt somit auch zwei kanalartige Öffnungen 25 und 26, die in Aufdampfungsrichtung verlaufen. Außerdem enthält die Schaltung drei Widerstandselemente, die in den Anschluß- bzw. Verbindungsleitungen zwischen diesen Josephson-Tunnelelementen angeordnet sind.Accordingly, the shadow mask t has four essentially identical, areas delimited by dashed lines 52 to 55 which essentially correspond to the detail from a mask 20 shown in FIG. 2. Coinciding with FIG. 2 Parts are therefore given the same reference numerals. Any of these areas thus also comprises two channel-like openings 25 and 26, which are in the vapor deposition direction get lost. In addition, the circuit contains three resistance elements, which are in the terminal or connecting lines are arranged between these Josephson tunnel elements.
Dementsprechend weist die Maske 51 noch durch gestrichelte Linien 56 bis 58 umgrenzte Widerstandsbereiche auf. Diese Widerstandsbereiche entsprechen im wesentlichen dem in Fig. 1 gezeigten Ausschnitt aus einer Schwebemaske 2. Für die mit Fig. 1 übereinstimmenden Teile sind deshalb die gleichen Bezugszeichen gewählt.Accordingly, the mask 51 still has dashed lines 56 to 58 delimited resistance ranges. These resistance ranges correspond essentially the section shown in FIG. 1 from a floating mask 2. For the parts that correspond to FIG. 1 are therefore given the same reference numerals.
Wie aus Fig. 4 ferner hervorgeht, sind noch quer zur Aufdampfungsrichtung für das Elektrodenmaterial der Josephson-Tunnelelemente ausgerichtete Querkanäle 60 bis 63 vorgesehen, mit denen die einzelnen Teile der Schaltung zu der Schaltung verknüpft sind.As can also be seen from FIG. 4, they are also transverse to the direction of vapor deposition transverse channels aligned for the electrode material of the Josephson tunnel elements 60 to 63 are provided with which the individual parts of the circuit become the circuit are linked.
Zur Erstellung einer Eingangs- bzw. Ausgangsleitung für die Schaltung sind außerdem in diese Aufdampfungsrichtung weisende Anschlußkanäle 64 bzw. 65 vorgesehen, die in die Querkanäle 60 bzw. 61 einmünden.To create an input or output line for the circuit connection channels 64 and 65 pointing in this direction of vapor deposition are also provided, which open into the transverse channels 60 and 61, respectively.
Mit den Querkanälen 62 und 63 sind außerdem die erforderlichen Gate-Leitungen zu erstellen.With the transverse channels 62 and 63 are also the necessary gate lines to create.
Die mit w bezeicnnete Ausdehnung der Querkanäle 60 bis 63 in Auf dampfungsrichtung des Elektrodenmaterials wird vorteilhaft so groß gewählt, daß sich bei der vorgesehenen schrägen Aufdampfung der beiden Elektrodenschichten diese auch innerhalb dieser Kanäle überlappen, um so die Ausbildung von nicht-leitenden Bereichen zwischen den aufgedampften Schichten zu vermeiden.The extension of the transverse channels 60 to 63, denoted by w, in the direction of vaporization of the electrode material is advantageously chosen to be so large that the intended oblique evaporation of the two electrode layers, these also within them The channels overlap in order to avoid the formation of non-conductive areas between the avoid vapor-deposited layers.
7 Patentansprüche 4 Figuren7 claims 4 figures
Claims (7)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE3220211A DE3220211C2 (en) | 1982-05-28 | 1982-05-28 | Method for producing a Josephson circuit with at least one Josephson tunnel element and at least one resistance element |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE3220211A DE3220211C2 (en) | 1982-05-28 | 1982-05-28 | Method for producing a Josephson circuit with at least one Josephson tunnel element and at least one resistance element |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DE3220211A1 true DE3220211A1 (en) | 1983-12-01 |
| DE3220211C2 DE3220211C2 (en) | 1985-09-05 |
Family
ID=6164804
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| DE3220211A Expired DE3220211C2 (en) | 1982-05-28 | 1982-05-28 | Method for producing a Josephson circuit with at least one Josephson tunnel element and at least one resistance element |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| DE (1) | DE3220211C2 (en) |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE3128982A1 (en) * | 1981-07-22 | 1983-02-10 | Siemens AG, 1000 Berlin und 8000 München | Method for fabricating at least one Josephson tunnel element |
-
1982
- 1982-05-28 DE DE3220211A patent/DE3220211C2/en not_active Expired
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE3128982A1 (en) * | 1981-07-22 | 1983-02-10 | Siemens AG, 1000 Berlin und 8000 München | Method for fabricating at least one Josephson tunnel element |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| DE-Buch: H.D. Hahlbohm, H. Lübbig (Hrgb.), "SQUID 80-Superconducting Quantum Interference Devices and their Applications", Berlin 1980, S. 399 bis 415 * |
| US-Z.: Applied Physics Letters, Bd. 39, 1981, S. 653-655 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| DE3220211C2 (en) | 1985-09-05 |
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