DE4038894C1 - - Google Patents

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    • G03F7/00Photomechanical, e.g. photolithographic, production of textured or patterned surfaces, e.g. printing surfaces; Materials therefor, e.g. comprising photoresists; Apparatus specially adapted therefor
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Mikrostrukturierung von oxidischen, su­ praleitenden Keramiken. Mikrostrukturierung bedeutet, daß durch die Erzeu­ gung von Schichtbereichen unterschiedlicher elektrischer Leittähigkeit - im allgemeinen mikroskopisch kleine - elektronische Bauelemente erzeugt wer­ den (Mikrochips). Die supraleitenden Keramiken sind Oxide, die Elemente der Seltenen Erden oder Blei, Barium, Calcium, Strontium, Wismuth, Thallium, Kupfer oder Mischungen davon oder chalkogenidhaltiges Material wie Schwefel, Tellur oder Selen enthalten. Sie umfassen insbesondere auch so­ genannte Hochtemperatursupraleiter, also solche Stoffe, die Supraleitung auch bei Temperaturen höher als ca. 30 K zeigen.
In DE-Z: Angew. Chem. 99 (1987) Nr. 11, 1201-1203 ist ein Verfahren zur Steuerung der supraleitenden Eigenschaften von Oxidkeramiken durch Re­ duktion und Oxidation beschrieben. Dabei werden die Oxidkeramiken einer Temperaturbehandlung in einer Sauerstoffatmosphäre unterzogen.
In US-Z: Appl. Phys. Left. 55 (19), 6.November 1989, 2032-2034 ist ein Ver­ fahren zur Herstellung eines Josephson-Kontakts zwischen supraleitenden Oxidkeramiken beschrieben. Auf eine Oxidkeramik wird eine geschlossene Metallschicht aufgebracht. Durch Auftragen einer Photolackschicht aut die Me­ tallschicht und anschließende Ionen-Bestrahlung werden aus der Metall­ schicht ohmsche Kontakte isoliert.
In der DE 38 14 277 A1 ist ein Verfahren zur Mikrostrukturierung von Hochtem­ peratursupraleitern beschrieben, bei der die elektrischen Eigenschaften des Materials durch laserinduzierte Oxidation oder Reduktion verändert werden. Die Strukturierung erfolgt, indem der Laserstrahl entsprechend der gewünsch­ ten Mikrostruktur über die Oberfläche des Materials geführt wird. Nachteilig an diesem Verfahren ist, daß das Auflösungsvermögen durch den Durchmesser des Laserstrahls begrenzt ist. Eine Kontrolle der elektrischen Eigenschaften der erzeugten Strukturen während der Bestrahlung ist nicht möglich. Außer­ dem erfordert das punktweise Abtasten des zu strukturierenden Materials mit dem Laserstrahl einen hohen Zeitaufwand.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Mikrostrukturie­ rung von supraleitenden Oxidkeramiken zu schaffen, daß gegenüber den be­ kannten Verfahren ein erhöhtes Auflösungsvermögen besitzt.
Dies Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den kennzeich­ nenden Merkmalen des Anspruch 1 gelöst. Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstände von Unteransprüchen.
Erfindungsgemäß wird auf die Oxidkeramikschicht eine Maske aufgebracht und anschließend diese maskierte Oxidkeramikschicht bestrahlt. Die einzel­ nen Verfahrensschritte sind:
  • - Aufbringen einer geschlossenen Metallschicht auf die Oxidkeramik
  • - Aufbringen einer Photolackmaske auf die Metallschicht
  • - Entfernen der nicht von der Photolackmaske abgedeckten Bereiche der Me­ tallschicht
  • - Entfernen der Photolackmaske
  • - Anwendung der besagten Bestrahlung auf die - durch die von der Photo­ lackmaske ursprünglich abgedeckten Bereiche der Metallschicht - maskierte Oxidkeramik
  • - Entfernen der von der Photolackmaske ursprünglich abgedeckten Bereiche der Metallschicht.
Die Wellenlängen der verwendeten Strahlung liegen im Bereich kleiner als 1000 nm, also insbesondere im sichtbaren, ultravioletten oder Röntgenbe­ reich oder Mischungen davon. Es kann sowohl monochromatische Strahlung (z. B. von einem Excimerlaser der Wellenlänge 308 nm) als auch Strahlung mit einem kontinuierlichen Wellenlängenspektrum verwendet werden. Die Be­ strahlung erfolgt bevorzugt bei Raumtemperatur oder unterhalb der Über­ gangstemperatur zum supraleitenden Zustand.
Durch die Bestrahlung wird eine chemische Umwandlung ausgelöst (photo­ chemisch induzierte Reaktion), bei der der Oxidkeramik Sauerstoff entzogen wird. Durch eine Oxidation kann darüberhinaus diese Reaktion umgekehrt werden.
Bei der Reduktion kann als Reduktionspartner der in der Oxidkeramik enthal­ tene Wasserstoff oder eine geeignete wasserstoffhaltige Atmosphäre dienen. Die chemische Reaktion für die Oxidkeramik YBa2Cu3O7-x im weiteren auch YBaCuO genannt) wird in der folgenden Reaktionsgleichung beschrieben:
Y Ba₂Cu₃O7-x + Y H₂ → Y Ba₂Cu₃O7-(x+y) + Y H₂O
Die Bezeichnung "O7-x" deutet die bei aus diesen Verbindungen hergestell­ ten Schichten meist vorhandene Abweichung vom stöchiometrischen Sauer­ stoffgehalt an. Abhängig von der Bestrahlungsdauer und der eingestrahlten Leistung werden z. B. der spezifische elektrische Widerstand, die Übergangs­ temperatur zum supraleitenden Zustand und die kritische Stromdichte gezielt verändert. Darüber hinaus wirken die entstehenden Sauerstoff-Leerstellen in der Oxidschicht als Pinningzentren für den magnetischen Fluß im Supraleiter (Pinningzentren beeinflussen die Feldabhängigkeit der elektrischen Eigen­ schaften eines Supraleiters in einem äußeren magnetischen Feld).
Besonders vorteilhaft ist, daß mit Hilfe von aufgebondeten Kontakten, bevor­ zugt aus Gold, z. B. nach der Vier-Punkt-Methode, die Veränderung der elektri­ schen Eigenschaften während der Bestrahlung verfolgt werden kann. Durch­ geführt werden u. a. die Messung der Temperaturabhängigkeit von elektri­ schen Widerstand und kritischer Stromdichte jeweils mit und ohne äußerem Magnetfeld.
Nach Erreichen der gewünschten Parameter wird die Bestrahlung abgebro­ chen. Dadurch wird auch die photochemisch induzierte Reaktion abgebro­ chen und eine Weiterreaktion unterbunden. Die eingestellten Parameter ver­ ändern sich nicht weiter.
Die durch die Bestrahlung induzierte chemische Reaktion läuft nur an den be­ strahlten Stellen der Oxidkeramik ab. Aus diesem Grund ist das Verfahren un­ abhängig von der Morphologie - amorph, polykristallin, epitaktisch, einkristal­ lin - des supraleitenden Materials einsetzbar.
Anhand von zwei Figuren wird das erfindungsgemäße Verfahren im einzelnen erläutert. Es zeigt
Fig. 1 die einzelnen Verfahrensschritte zur Mikrostrukturierung einer Schicht aus Oxidkeramik,
Fig. 2 den elektrischen Widerstand einer YBaCuO-Oxidkeramikschicht bei Raumtemperatur in Abhängigkeit von der Dauer der Bestrahlung mit elektromagnetischer Strahlung.
In Fig. 1 sind die einzelnen Verfahrensschritte zur Mikrostrukturierung einer Schicht aus Oxidkeramik 1 dargestellt. Die supraleitende Schicht aus Oxid­ keramik 1 wird auf einen Schichtträger 2 aufgebracht (Bild 1).
Danach wird die Schicht aus Oxidkeramik 1 ganzflächig mit einer Metall­ schicht 3, z. B. aus Niob, beschichtet (Bild 2).
Auf die Metallschicht 3 wird mit lithographischen Mitteln eine strukturierte Photolackschicht 4 aufgebracht (Bild 3). Beim Entwickeln des Photolacks schützt die ganzflächig aufgebrachte Metallschicht 3 die darunterliegende Schicht aus Oxidkeramik 1 vor dem wässerigen Entwickler.
Die nicht von der Photolackschicht 4 abgedeckten Bereiche der Metallschicht 3 werden mit einem reaktiven Plasmaätzverfahren, z. B. mit dem RIE - Verfah­ ren (Reactive Ion Etching) unter Verwendung von Argon-Ionen und Tetrafluor­ methan entfernt, bei dem die darunterliegende Schicht aus Oxidkeramik 1 nicht angegriffen wird (Bild 4).
Danach wird die Photolackschicht 4 durch ein geeignetes Lösungsmittel ent­ fernt (Lift-Off-Verfahren) (Bild 5).
Nun erfolgt die Bestrahlung der auf diese Weise maskierten Schicht aus Oxid­ keramik 1 mit dem Verfahren nach Anspruch 1 (Bild 6).
Dadurch wird die elektrische Leitfähigkeit der freiliegenden Bereiche 5, 6 der Schicht aus Oxidkeramik 1 gezielt eingestellt, z. B. halbleitend, hochohmig, isolierend (Bild 7). Die Widerstandszunahme über der Bestrahlungszeit ist in Fig. 2 beispielhaft dargestellt.
Nach der Bestrahlung werden die Reste der Metallschicht 3 durch das schon in der Beschreibung zu Bild 4 erwähnte reaktive Plasmaätzverfahren entfernt (Bild 8) und dadurch der nicht bestrahlte Bereich 7 der Schicht aus Oxidkera­ mik 1, der weiterhin supraleitend ist, freigelegt (Bild 9).
Fig. 2 zeigt beispielhaft den Verlauf des elektrischen Widerstands einer Oxid­ keramik-Schicht aus YBa2Cu3O7 (in logarithmischer Auftragung) bei Raum­ temperatur in Abhängigkeit von der Bestrahlungsdauer mit elektromagneti­ scher Strahlung (neben der Bestrahlungsdauer hängt der Widerstandsverlauf auch von der Größe der eingestrahlten Leistung ab). Man erkennt, daß in et­ wa während der ersten Stunde der Bestrahlung der Widerstandswert annä­ hernd logarithmisch ansteigt, danach jedoch in eine Sättigungsphase über­ geht, in der der Zuwachs immer geringer wird. Da die Bestrahlung bei Raum­ temperatur abläuft, ist der Widerstandswert der unbestrahlten Schicht nicht gleich Null, da die Oxidkeramiken erst weit unter Raumtemperatur in den su­ praleitenden Zustand übergehen.
Im Gegensatz zu den bekannten Strukturierungsverfahren, z. B. naßchemi­ sche Ätzung, Ionenätzen oder Laserablation, erfolgt die Strukturierung hier ohne Materialabtrag. Es entfällt außerdem eine thermische Nachbehand­ lung der mikrostrukturierten Oxidkeramikschicht, die bei Ionenätzen und La­ serablation notwendig ist. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die Oxidkera­ mikschicht lediglich lokal verändert wird. Ein Überätzen von Kanten oder ent­ lang von Korngrenzen, wie sie bei den genannten Verfahren beobachtet wird, findet nicht statt.
Die Oxidkeramikschicht selbst kommt in keinem Prozeßschritt mit wasserhalti­ gen Medien, z. B. beim Entwickeln des Photolacks, in Berührung, so daß die häufig beobachtete Degradation des Materials entfällt.

Claims (7)

1. Verfahren zur Mikrostrukturierung (Erzeugen von Bereichen, Bahnen unterschiedlicher elektrischer Leitfähigkeit) von supraleitenden Oxid­ keramiken (1), insbesondere zur Herstellung von elektronischen Bauele­ menten, wobei die elektrischen Eigenschaften der Oxidkeramiken (1) durch elektromagnetische Bestrahlung aus dem Wellenlängenbereich kürzer als 1000 nm gezielt eingestellt werden, indem diese Bestrahlung eine chemische Umwandlung, nämlich die Reduktion der Oxidkeramik (1) auslöst, gekennzeichnet durch
  • - Aufbringen einer geschlossenen Metallschicht (3) auf die Oxidkera­ mik (1)
  • - Aufbringen einer Photolackmaske (4) auf die Metallschicht (3)
  • - Entfernen der nicht von der Photolackmaske (4) abgedeckten Bereiche der Metallschicht (3)
  • - Entfernen der Photolackmaske (4)
  • - Anwendung der besagten Bestrahlung auf die - durch die von der Photolackmaske ursprünglich abgedeckten Bereiche der Metall­ schicht (3) - maskierte Oxidkeramik (1)
  • - Entfernen der von der Photolackmaske (4) ursprünglich abgedeck­ ten Bereiche der Metallschicht (3).
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als su­ praleitende Oxidkeramik YBa2Cu3O7-x verwendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ver­ änderung der elektrischen Eigenschaften während der Bestrahlung kontrolliert wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Bestrahlung eine reversible chemische Umwandlung der Oxidkera­ mik ausgelöst wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die strahlungsinduzierte Reduktion der Oxidkeramik mit Wasserstoff oder dessen Verbindungen als Reduktionspartner erzielt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die strahlungsinduzierte Reduktion durch in der Oxidkeramik selbst enthal­ tenen Wasserstoff oder dessen Verbindungen ausgelöst wird.
7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine ge­ eignete Atmosphäre, in der sich die Oxidkeramik befindet, für die strah­ lungsinduzierte Reduktion verwendet wird, die den als Reduktionspart­ ner dienenden Wasserstoff oder dessen Verbindungen enthält.
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