DE3886115T2 - Verfahren zum Anbringen dünner Schichten aus oxidischem supraleitendem Material. - Google Patents
Verfahren zum Anbringen dünner Schichten aus oxidischem supraleitendem Material.Info
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Description
- Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Anbringen dünner Schichten aus oxidischem supraleitendem Material auf einem Substrat.
- Ein Verfahren zum Anbringen dünner Schichten aus supraleitendem (La1-xSrx)&sub2;CuO&sub4; (worin x 0,03) auf einem Substrat aus Strontiumtitanat Magnetron- Zerstäubungsverfahren ist beschrieben in einem Artikel von M. Suzuki und T. Murakami in dem "Japanese Journal of Applied Physics", Heft 26 (4), Seiten L524- L525 (1987).
- Zum Gebrauch supraleitender Materialien in dünnen Schichten ist es oft erwünscht, das supraleitende Material in einem genau definierten Muster mit möglichst feinen Einzelheiten anbringen zu können, beispielsweise bei Verwendung in Halbleiteranordnungen und Sensoren. Oxidische supraleitende Materialien der obengenannten Art oder der Gruppe, zu der u. a. YBa&sub2;Cu&sub3;O7-δ(worin δ 0,3) gehört, weisen die zu diesem Zweck nachteilige Eigenschaft auf, daß sie eine schiechte Feuchtbeständigkeit aufweisen. Die übliche Art und Weise, mustermäßig dünne Schichten herzustellen, wobei zunächst eine dünne Schicht über die ganze Oberfläche angebracht wird, wonach diese mittels einer Maske und in einem Ätzverfahren in das erwünschte Muster gebracht wird, eignet sich deswegen weniger dazu.
- Die Erfindung hat nun zur Aufgabe, ein Verfahren zu schaffen zum mustermäßigen Anbringen dünner Schichten aus oxidischem supraleitendem Material auf einem Substrat, wobei das supraleitende Material nach dem Anbringen nicht mechanischen oder chemischen Behandlungen ausgesetzt zu werden braucht.
- Nach der Erfindung wird diese Aufgabe erfüllt durch ein Verfahren, bei dem das oxidische Material auf einem Substrat angebracht wird, das nach einem erwünschten Muster mindestens zwei verschiedene Materialzusammensetzungen an der Oberfläche aufweist, wobei eine erste Zusammensetzung derart gewählt worden ist, daß das darauf angebrachte oxidische Material bei einer erwünschten Gebrauchstemperatur supraleitend ist und wobei eine zweite Zusammensetzung derart gewählt worden ist, daß dasselbe darauf angebrachte oxidische Material bei der genannten Gebrauchstemperatur nicht supraleitend ist.
- Das Anbringen des oxidischen Materials kann nach mehreren bekannten Verfahren durchgeführt werden, beispielsweise im Zerstäubungsverfahren, im Magnetron-Zerstäubungsverfahren, im chemischen Niederschlagverfahren aus der Dampfphase oder durch Aufdampfen.
- In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die jeweiligen Materialzusammensetzungen an der Oberfläche dadurch erhalten, daß auf einem Substrat der ersten Zusammensetzung mustermäßig eine dünne Schicht der zweiten Zusammensetzung angebracht wird. In dem Fall bildet das supraleitende Muster das Komplement (das negative Bild) der mustermäßig angebrachten dünnen Schicht.
- In einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die jeweiligen Materialzusammensetzungen an der Oberfläche dadurch erhalten, daß auf einem Substrat der zweiten Zusammensetzung mustermäßig eine dünne Schicht der ersten Zusammensetzung angebracht wird. In dem Fall bildet das supraleitende Muster ein positives Bild der mustermäßig angebrachten dünnen Schicht.
- Geeignete Materialien, auf denen oxidische Stoffe in supraleitender Form angebracht werden können, sind Strontiumtitanat und Edelmetalle, vorzugsweise Silber und Gold.
- Geeignete Materialien, auf denen dieselben oxidischen Stoffe in nichtsupraleitender Form angebracht werden können, sind Silizium und Aluminiumoxid. Ein besonderer Vorteil dieser Materialwahl ist, daß damit bekannte Verfahren aus dem Bereich der Herstellung von Halbleiteranordnungen angewandt werden können.
- In der US Patentschrift US 4255474 ist ein Verfahren beschrieben, bei dem eine dünne Schicht transparenten Materials mittels Diffusion eines vorher angebrachten Materials mustermäßig modifiziert wird. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt nicht unbedingterweise eine Diffusion, die wird aber die Struktur und/oder die Zusammensetzung bei dem Niederschlag derart von dem Substrat beeinflußt, daß je nach der örtlichen Zusammensetzung dieses Substrats supraleitendes oder hicht-supraleitendes Material gebildet wird.
- In der US Patentschrift US 4290843 ist ein Verfahren beschrieben, in dem ein kristallines Substrat durch Implantierung örtlich gestört wird, wonach auf den nicht gestörten Teilen der Kristalloberfläche eine monokristalline Epitaxialschicht angewachsen wird, die später entfernt wird. Die erfindungsgemäß hergestellten Schichten sind nicht monokristallin, so daß beim Anbringen der dünnen Schicht eine derartige große Abhängigkeit des Substrats von der Zusammensetzung und der Struktur nicht auf der Hand liegt.
- Die Artikel 54(3) EPC Veröffentlichungen EP-A 282.012 und EP-A 285.445 beziehen sich beide auf das Niederschlagen oxidischen Materials auf einem gemusterten Substrat, das aus zwei Komponenten besteht, damit eine oxidische supraleitende Schicht erhalten wird. Diese Dokumente beschreiben nicht direkt und nicht unzweideutig ein Verfahren zum Formen einer gemusterten oxidischen supraleitenden Schicht zum Arbeiten bei einer bestimmten Arbeitstemperatur, wobei das auf der zweiten Zusammensetzung niedergeschlagene oxidische Material bei der genannten betreffenden Arbeitstemperatur nicht-supraleitend bleibt, und das auf der ersten Zusammensetzung niedergeschlagene Material eine supraleitende Schicht bildet.
- Das Dokument US 4.316.785 beschreibt den Gebrauch supraleitender Elektrodenschichten mit einer Perowskite-Struktur beim Durchtunneln von Josephson- Elementen. Fig. 20 zeigt eine Anordnung, bei der die genannte supraleitende Schicht auf einem Substrat mit zwei verschiedenen Materialzusammensetzungen niedergeschlagen wird. In diesem Dokument wird weder beschrieben noch angedeutet, daß durch eine geeignete Wahl dieser Materialzusammensetzungen eine gemusterte oxidische supraleitende Schicht erhalten werden kann, sogar ohne Anwendung von Ätztechniken.
- In "Jap. J. Appl. Phys." 2(26) Nr. 5, L763-L765(1987) ist erwähnt, daß die Übergangstemperatur von supraleitendem Y-Ba-Cu-O-Filmen abhängig ist von der Zusammenarbeit mit dem Substrat, auf dem der genannte Film niedergeschlagen ist. In "Jap. J. Appl. Phys." 2(27) Nr. 5, L709-L710(1987) wird beschrieben, daß die Temperaturabhängigkeit des Widerstandes von Kupferoxidhalbleitern durch das Substrat, auf dem sie niedergeschlagen sind, stark beeinflußt wird. In diesen Dokumenten wird der Gebrauch von Substraten mit zwei verschiedenen Zusammensetzungen zum Erhalten supraleitender und nicht-supraleitender Gebiete nach dem Niederschlag einer supraleitenden Schicht auf einem derartigen Substrat weder beschrieben, noch angedeutet.
- Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
- Fig. 1a-c eine schematische Darstellung einer Anzahl Schritte einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei ein negatives Bild geformt wird, und
- Fig. 2a-c eine schematische Darstellung einer Anzahl Schritte einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei ein positives Bild geformt wird.
- Fig. 1a zeigt ein Substrat 10 aus SrTiO&sub3;, das mit einer Siliziumschicht 12 bedeckt ist. Statt Silizium kann beispielsweise auch eine Aluminiumoxidschicht verwendet werden. In der Siliziumschicht werden Öffnungen 14 angebracht, so daß örtlich das Substratmaterial freigelegt wird, siehe Fig. 1b. Dies kann auf jede geeignete Art und Weise erfolgen, beispielsweise dadurch, daß die Siliziumschicht mit einem Photolack bedeckt wird, daß dieser Lack über eine Maske belichtet und entwickelt wird, und daß die Siliziumschicht danach in einem Ätzverfahren örtlich entfernt wird.
- Danach wird eine Schicht aus oxidischem Material 16 der Zusammensetzung YBa&sub2;Cu&sub3;O6.7 angebracht, beispielsweise durch Aufdampfen, wobei das Substrat auf einer Temperatur von 850ºC gehalten wird. An der Stelle der Öffnungen 14 ist die angebrachte Schicht bei einer Temperatur von etwa 90 K supraleitend, an der Stelle der Siliziumschicht 12 ist die angebrachte Schicht bei dieser Temperatur nichtsupraleitend.
- Die Schicht 16 kann gewünschtenfalls noch mit einer Schutzschicht bedeckt werden, damit Umgebungseinflüsse auf ein Minimum beschränkt werden.
- In dem genannten supraleitenden Material können an sich bekannte Substitutionen durchgeführt werden, ohne daß dabei die Zweckmäßigkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens beeinträchtigt wird. Auf diese Weise kann Y beispielsweise völlig oder teilweise durch Seltenerdmetallionen ersetzt werden, Ba kann durch Sr oder Ca, und O kann teilweise durch F ersetzt werden.
- Statt durch Aufdampfen kann die Schicht 16 beispielsweise auch im Zerstäubungsverfahren unter Verwendung einer gepreßten Auftreffplatte der erwünschten Zusammensetzung angebracht werden. Das Substrat kann auf einer hohen Temperatur, beispielsweise von 800 bis 900ºC, gehalten werden; es ist aber auch möglich, daß der Niederschlag bei einer niedrigeren Temperatur erfolgt. In dem Fall ist es notwendig, daß eine Nachbehandlung stattfindet, indem das Substrat mit den angebrachten Schichten in einer oxidierenden Atmosphäre auf eine Temperatur von 800 bis 900ºC gebracht wird, damit die supraleitenden Eigenschaften erhalten werden.
- Fig. 2a zeigt ein Substrat 20 aus Silizium, das mit einer Schicht 22 aus Silber bedeckt ist. Statt Silber ist beispielsweise auch eine Goldschicht oder eine Schicht aus Strontiumtitanat verwendbar. In der Silberschicht werden Öffnungen vorgesehen, so daß ein Muster aus Silberspuren zurückbleibt, siehe Fig. 2b, beispielsweise auf die im obenstehenden Ausführungsbeispiel angegebene Art und Weise.
- Danach wird eine Schicht oxidischen Materials 26 angebracht, beispielsweise auf die im obenstehenden Ausführungsbeispiel gegebene Art und Weise und mit der dort angegebenen Zusammensetzung. An der Stelle der Silberspuren 22 ist das oxidische Material supraleitend, an den Stellen, an denen das oxidische Material unmittelbar auf dem Siliziumsubstrat angebracht ist, ist dies nicht der Fall.
- Die Erfindung schafft ein einfaches Verfahren zum mustermäßigen Anbringen supraleitender oxidischer Materialien, wobei die Lagenbestimmung des Musters stattfindet bevor das supraleitende Material angebracht wird. Dabei wird das Phänomen angewandt, daß eine geringfügige Störung der Zusammensetzung und/oder der Struktur des oxidischen Materials ausreicht um dafür zu sorgen, daß das Material bei der erwünschten Temperatur nicht-supraleitend ist.
Claims (7)
1. Verfahren zum Bilden einer gemusterten oxidischen supraleitenden Schicht
vom Typ (La1-xSrx)&sub2;CuO&sub4; oder von der Gruppe, zu der YBa&sub2;Cu&sub3;O7-δ gehört zum
Arbeiten bei einer bestimmten Arbeitstemperatur, wobei dieses Verfahren die
nachfolgenden Verfahrensschritte aufweist: das Anbringen einer dünnen Schicht aus
entsprechendem oxidischem Material auf der Oberfläche eines Substrats, wobei diese
Oberfläche ein belichtetes Muster einer ersten Zusammensetzung auf der belichteten
Oberfläche einer zweiten Zusammensetzung aufweist, oder wobei die genannte
Oberfläche ein belichtetes Muster einer zweiten Zusammensetzung auf der belichteten
Oberfläche einer ersten Zusammensetzung aufweist, wobei die genannte erste und
zweite Zusammensetzung derart gewählt worden sind, daß bei Niederschlag des
genannten oxidischen Materials unter thermischen Behandlungsumständen, die zum
Schaffen supraleitender Eigenschaften des oxidischen Materials notwendig sind, das
über die genannte erste Zusammensetzung liegende Gebiet des oxidischen Materials eine
supraleitende Schicht bildet, während das über die zweite Zusammensetzung liegende
Gebiet des oxidischen Materials während der genannten thermischen Behandlung mit der
genannten zweiten Zusammensetzung derart zusammenarbeitet, daß das
niedergeschlagene oxidische Material bei der genannten spezifischen Temperatur nicht-supraleitend
bleibt; und das Anbringen des genannten oxidischen Materials auf der genannten
Oberfläche unter den genannten thermischen Behandlungsumständen und das Erhalten
eines gemusterten Substrats, das bei der genannten spezifischen Temperatur arbeitet, mit
einem über die genannte erste Zusammensetzung liegenden supraleitenden Gebiet und
mit einem über die genannte zweite Zusammensetzung liegenden bei der genannten
spezifischen Temperatur arbeitenden nicht-supraleitenden Gebiet.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweiligen
Materialzusammensetzungen an der Oberfläche dadurch erhalten werden, daß auf einem
Substrat der ersten Zusammensetzung mustermäßig eine dünne Schicht der zweiten
Zusammensetzung angebracht wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweiligen
Materialzusammensetzungen an der Oberfläche dadurch erhalten werden, daß auf einem
Substrat der zweiten Zusammensetzung mustermäßig eine dünne Schicht der ersten
Zusammensetzung angebracht wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste
Zusammensetzung Strontiumtitanat ist.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste
Zusammensetzung ein Edelmetall ist, beispielsweise Silber oder Gold.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite
Zusammensetzung Silizium ist.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite
Zusammensetzung Aluminiumoxid ist.
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