DE4038894C1 - - Google Patents
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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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DE3814277A1 (de) * | 1988-04-27 | 1989-11-09 | Baeuerle Dieter | Verfahren zur aenderung der elektrischen leitungseigenschaften eines hochtemperatur-supraleiter-materials |
Non-Patent Citations (2)
Title |
---|
DE-Z.: Angew. Chem. 99 (1987), Nr. 11, S. 1201-1203 * |
US-Z.: Appl. Phys. Lett. 55 (19), 6. November 1989, S. 2032-2034 * |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
GB2250517B (en) | 1994-09-21 |
FR2670201B1 (fr) | 1995-07-13 |
FR2670201A1 (fr) | 1992-06-12 |
GB9125264D0 (en) | 1992-01-29 |
GB2250517A (en) | 1992-06-10 |
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