DE4109766C2 - Verfahren zur Herstellung eines Korngrenzen-Josephsonkontaktes - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Korngrenzen-Josephsonkontaktes mit einem metalloxidi­ schen Hochtemperatursupraleiter(HTS)-Material auf einem ebenen Substrat, indem zunächst die Substratoberfläche mit einer korngrenzeninduzierenden Erhebung mit gratartigem Profil und gewölbten Flanken hinreichender Steilheit im Scheitelbereich des Profils versehen wird, so daß bei einer anschließenden Ab­ scheidung eines über den Scheitelbereich verlaufenden Schicht­ teiles aus dem HTS-Material dort mindestens eine als Josephson -Kontakt dienende Korngrenze ausgebildet wird.

Ein derartiges Herstellungsverfahren ist aus der EP 0 364 101 A2 zu entnehmen. Supraleitende Metalloxidverbindungen mit hohen Sprungtempera­ turen T_C von insbesondere über 77 K, die deshalb mit flüssigem Stickstoff (LN₂) gekühlt werden können, sind allgemein be­ kannt. Entsprechende Metalloxidverbindungen, bei denen es sich insbesondere um Cuprate handelt, basieren beispielsweise auf einem Stoffsystem des Typs Mel-Me2-Cu-O, wobei die Komponenten Mel ein seltenes Erdmetall einschließlich Y und Me2 ein Erdal­ kalimetall zumindest enthalten. Hauptvertreter dieser Gruppe ist das vierkomponentige Stoffsystem Y-Ba-Cu-O. Daneben weisen auch Phasen von fünfkomponentigen Cupraten wie z. B. des Stoff­ systems Bi-Sr-Ca-Cu-O oder Tl-Ba-Ca-Cu-O Sprungtemperaturen über 77 K auf.

Es ist gelungen, mittels spezieller PVD- oder CVD-Prozesse dünne Schichten aus diesen Hochtemperatursupraleiter (HTS)- Materialien herzustellen, die eine hohe kritische Stromdichte ermöglichen. Man ist deshalb auch bestrebt, mit solchen Schichten Josephson-Tunnelelemente bzw. -Kontakte auszubilden, wie sie generell von den konventionellen metalli­ schen Supraleitermaterialien, die mit flüssigem Helium (LHe) gekühlt werden, bekannt sind. Hierbei tritt jedoch im Gegen­ satz zu den konventionellen metallischen Supraleitermateria­ lien die Problematik auf, daß die bekannten metalloxidischen HTS-Materialien nur eine kurze Kohärenzlänge und eine starke Anisotropie aufweisen.

Unter Berücksichtigung dieser Problematik wird ein Weg zu ei­ ner Ausbildung von Josephson-Kontakten in einer gezielten Aus­ nutzung von Korngrenzen zwischen benachbarten HTS-Kristallbe­ reichen gesehen. Hierbei wird von der Beobachtung ausgegangen, daß im HTS-Material Korngrenzen häufig den Joseph­ son-Effekt zeigen. Man hat deshalb versucht, durch einen ge­ zielten Einbau von Kristallfehlern in ein Substrat, z. B. durch Einbau eines Bikristalles mit Zwillingsgrenzen in die Gitter­ struktur des Substrates, an diesen Fehlerstellen Korngrenzen in einer darauf abgeschiedenen HTS-Schicht zu erzeugen (vgl. z. B. "Phys. Rev. B", Vol. 41, 1990, Seiten 4038 bis 4049).

Das aus der eingangs genannten EP-A zu entnehmende Verfahren basiert auf der Tatsache, daß Dünnfilme aus metalloxidischem HTS-Material mit einer senkrechten Ausrichtung der c-Kristall­ achsen bezüglich der Filmebene über eine hinreichend flache Unebenheit der Substratoberfläche störungsfrei hinwegwachsen können, jedoch an steileren Flanken Korngrenzen ausbilden. Dementsprechend wird gemäß dem bekannten Verfahren auf einem ebenen Substrat in den Bereichen, wo die Josephson-Kontakte entstehen sollen, ein den Kristallaufbau des Substrates stö­ rendes Material abgeschieden. Dieses Störmaterial soll dabei gratartige Erhebungen mit einem mittleren Scheitelbereich zwi­ schen zwei seitlichen Flanken bilden. Diese Flanken stoßen im Scheitelbereich mit hinreichend hoher Steilheit aneinander, während sie an ihren Rändern zumindest weitgehend stoßfrei in die Substratebene übergehen sollen. Wenn dann auf einem der­ artigen Aufbau epitaktisch ein HTS-Dünnfilm aufwächst, so wird in diesem Film in dem Scheitelbereich eine Störung der Kri­ stallstruktur in Form einer Korngrenze eingebaut, die wegen ihrer "Weak-Link"-Eigenschaften einen Josephson-Kontakt dar­ stellt. Entsprechende Kontakte werden deshalb auch als Korn­ grenzen-Josephsonkontakte bezeichnet.

Bei dem bekannten Verfahren sollen jedoch die Erhebungen mit ihrem gratartigen Profil unmittelbar aus dem Störmaterial auf dem Substrat hergestellt werden. Eine derartige Technik ist bei einer Ausbildung von vielen Josephson-Kontakten z. B. in Form eines Arrays auf einem Substrat aufwendig wegen der se­ quentiellen Herstellung der einzelnen gratartigen Erhebungen. Außerdem ist eine exakte Strukturierung des Profils der Erhe­ bungen nur schwer zu erreichen. Die Josephson-Eigenschaften, die von dem Profil abhängen, sind deshalb nur ungenau und schwer reproduzierbar einzustellen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, das Verfahren mit den eingangs genannten Merkmalen dahingehend auszugestalten, daß diese Schwierigkeiten bei dem genannten Stand der Technik zumindest verringert sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zur Ausbildung der gratartigen Erhebung auf der ebenen Substrat­ oberfläche eine Hilfsstruktur mit einem erhabenen, den Bereich der auszubildenden Erhebung abdeckenden Stegteil abgeschieden wird und anschließend diese Hilfsstruktur mittels eines auch die Längskanten des Stegteils abtragenden Ätzprozesses bis auf die gratartige Erhebung wieder abgeätzt wird.

Die mit dieser Weiterbildung des Verfahrens verbundenen Vor­ teile sind insbesondere darin zu sehen, daß die Hilfsstruktur sehr genau und mit bekannten Verfahren verhältnismäßig leicht auf dem Substrat zu erzeugen ist. Die Hilfsstruktur kann sich dabei über das ganze Substrat oder nur über Teile davon er­ strecken oder lediglich auch den Stegteil bilden. Durch Ein­ stellung der Ätzbedingungen bekannter Ätzverfahren läßt sich dann erreichen, daß der stegartig maskierte Teil der abge­ schiedenen Abdeckung so abgeätzt wird, daß die Ränder des Stegteils sanft in das Substrat übergehen, während in der Mit­ telzone der Grat an der Spitze so steil wird, daß in der nach­ folgenden Beschichtung mit dem HTS-Material eine Störung, ins­ besondere in der Kristallorientierung oder allgemein im Kri­ stallgefüge, entsteht, welche Josephson-Eigenschaften auf­ weist. Diese Eigenschaften lassen sich in vorteilhafter Weise über die Gratsteilheit steuern. Es können grundsätzlich belie­ big viele Josephson-Kontakte an willkürlichen Stellen auf dem Substrat hergestellt werden. Auf diese Weise lassen sich su­ praleitende Einrichtungen, wie z. B. SQUIDs mit Josephsonkontak­ ten mit definierten Eigenschaften ausbilden.

Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispie­ len noch erläutert, wobei auf die Zeichnung Bezug genommen wird. Dabei zeigen die Fig. 1 bis 9 schematisch verschiede­ ne Schritte zur erfindungsgemäßen Herstellung eines Josephson­ kontaktes als Schnittbild (Fig. 1 bis 6, 8 und 9) bzw. in Aufsicht (Fig. 7). In den Figuren sich entsprechende Teile sind mit denselben Bezugszeichen versehen.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren läßt sich auf der Oberflä­ che eines ebenen Substrates, d. h. in einem vorgebbaren Ober­ flächenbereich, mindestens ein Korngrenzen-Josephsonkontakt in einem entsprechenden Schichtbereich aus einem HTS-Material mit einer Sprungtemperatur von 77 K ausbilden. Insbesondere ist das erfindungsgemäße Verfahren zur gleichzeitigen Herstellung vieler solcher Kontakte beispielsweise in einer Array-Anord­ nung geeignet. Als Substrat wird insbesondere ein Körper aus einem Material vorgesehen, auf dem das HTS-Material, wie z. B. YBa₂Cu₃O_7-x (mit 0,5 < x < 1), nach bekannten Verfahren epitak­ tisch aufwachsen kann. Entsprechende Substratmaterialien, de­ ren jeweilige kristalline Einheitszelle vorteilhaft an die entsprechenden Abmessungen der Einheitszelle des verwendeten HTS-Materials angepaßte Maße hat, sind z. B. SrTiO₃, BaTiO₃, LaAlO₃, NdAlO₃, NdGaO₃, MgO, MgAl₂O₄ oder Y-stabilisiertes ZrO₂. Auch ist als Substrat Si, das zudem noch dotiert oder als Si-Verbindung vorliegen kann, geeignet, wenn es im allge­ meinen mit einer diffusionshemmenden Zwischenschicht, einer sogenannten "Bufferlayer", abgedeckt ist.

Gemäß den Fig. 1 und 2 wird auf der Oberfläche 2a eines solchen, allgemein mit 2 bezeichneten, epitaxiefähigen Sub­ strates aus SrTiO₃ eine Hilfsstruktur 3 abgeschieden. Diese Hilfsstruktur umfaßt gemäß Fig. 1 eine eine Störung in dem noch aufzubringenden HTS-Material erzeugende Schicht. Die­ se als Störungsschicht 4 bezeichnete Schicht kann ebenfalls aus dem Material des Substrates 2, im Ausführungsbeispiel SrTiO₃, bestehen und epi­ taxiefähig sein. Jedoch sind auch Schichten aus anderen Mate­ rialien geeignet, die nicht unbedingt epitaxiefähig sind und gegebenenfalls eine amorphe oder beliebige kristalline Struk­ tur aufweisen. Die Dicke d1 dieser Störungsschicht 4 liegt im allgemeinen zwischen 50 und 1000 nm, beispielsweise bei etwa 100 nm. Wie aus Fig. 2 hervorgeht, wird auf der Oberfläche 4a der Störungsschicht an den Stellen, an denen ein Josephsonkon­ takt erzeugt werden soll, eine stegartige Ätzmaske mit etwa rechteckiger Querschnittsfläche nach bekannten Techniken auf­ gebracht. Die Abmessungen dieser als "Stegteil" 5 bezeichneten Maske sind von denen des auszubildenden Störungsprofils abhän­ gig. Beispielsweise hat der Stegteil 5 eine Dicke d2 zwischen 50 und 1000 nm, z. B. von 100 nm, und eine Ausdehnung a in Stromführungsrichtung zwischen 0,1 µm und 100 µm. Dabei hängen die Quotienten a/d2 und d1/d2 auch von den Ätzparametern sowie von den verwendeten Materialien der Hilfsstruktur ab. Als Ma­ terialien für den Stegteil 5 kommen z. B. Fotolacke, Nb, Ti, Zr oder andere metallische oder nicht-metallische Materialien in Frage.

Gemäß dem in Fig. 2 angedeuteten Ausführungsbeispiel setzt sich die Hilfsstruktur 3 aus dem Stegteil 5 und der darunter­ liegenden Störungsschicht 4 zusammen. Nach Fig. 3 kann aber auch eine Hilfsstruktur 7 eine Ätzmaske 8 auf der Störungs­ schicht 4 aufweisen, die zumindest große Teile der Oberfläche 4a der Störungsschicht 4 abdeckt und in die ein hervorstehen­ der Stegteil 9 als eine Verdickung integriert ist. Zur weite­ ren Erläuterung wird jedoch von einer Ausführungsform gemäß Fig. 2 ausgegangen. Das sich anschließende Ätzverfahren ist jedoch auch für die Ausführungform gemäß Fig. 3 entsprechend durchzuführen.

Gemäß Fig. 4 wird nun der von dem Stegteil 5 nicht abgedeckte Teil der Störungsschicht 4 vollständig und der durch den Steg­ teil 5 maskierte Teil der Störungsschicht 4 bis auf eine grat­ artige Erhebung 10 wieder abgeätzt. Diese Erhebung 10 ist in der Fi­ gur durch eine gestrichelte Linie angedeutet. Prinzipiell sind zum Ätzen alle bekannten chemischen und insbesondere phy­ sikalischen Verfahren geeignet, mit denen sich gewährleisten läßt, daß die Längskanten 11a und 11b des Stegteils 5 ebenso abgetragen werden wie dazu benachbarte Oberflächenbereiche des Stegteils einschließlich einer durch eine gestrichelte Linie angedeuteten Mittelzone 12. In dieser Mittelzone liegt dann der Scheitelbereich 13 der gratartigen Erhebung 10. Besonders geeignet ist ein Ätzen mittels Beschuß durch Ionen. Die ent­ sprechenden Ionenstrahlen sind in der Figur durch gepfeilte Linien 14 veranschaulicht.

In Fig. 5 ist die nach diesem Ätzprozeß verbleibende gratar­ tige Erhebung 10 vergrößert dargestellt. Wie aus dieser Figur ersichtlich ist, gehen die beiden gewölbten seitlichen Flanken 16 und 17 der gratartigen Erhebung an ihren längsseitigen Rän­ dern 16a bzw. 17a zumindest annähernd stoßfrei bzw. stetig, d. h. "sanft" in die Oberfläche 2a des Substrates 2 über. Dabei muß die Schnittlinie der jeweiligen Flanke hinreichend große Krümmungsradien aufweisen, um dort bei der nachfolgenden Be­ schichtung mit dem HTS-Material die Ausbildung von Korngrenzen zu verhindern. Andererseits müssen die Flanken 16 und 17 im Scheitelbereich 13 der Erhebung so steil sein, daß dort bei der nachfolgenden Beschichtung mit dem HTS-Material eine Korn­ grenze aufgrund einer Störung des Gefüges und damit die ge­ wünschten Josephson-Eigenschaften entstehen. Dies läßt sich auf alle Fälle gewährleisten, wenn die Normalen N1 und N2 auf der Flanke 16 bzw. 17 an der steilsten Stelle im Scheitelbe­ reich 13 einen Winkel α einschließen, der mindestens 10° be­ trägt und vorzugsweise zwischen 20° und 90° liegt.

Gemäß Fig. 6 wird anschließend auf der Oberfläche 2a des Sub­ strates 2 einschließlich der gratartigen Erhebung 10 mit dem in Fig. 5 gezeigten Störungsprofil eine Schicht 19 aus dem HTS-Material nach bekannten Verfahren so abgeschieden, daß bis auf den Scheitelbereich 13 ein epitaktisches Wachstum gewähr­ leistet ist. Im Scheitelbereich bildet sich dabei eine Korn­ grenze 20 aus, die aufgrund ihrer "Weak-Link"-Eigenschaften einen Josephsonkontakt zwischen den zu beiden Seiten verlau­ fenden Teilen der HTS-Schicht darstellt. Selbstverständlich können auch mehrere quer zur Stromführungsrichtung liegende, benachbarte Korngrenzen zu einem derartigen Kontakt gehören.

Die Konturen eines entsprechenden Kontaktelementes 21 nach ei­ ner Strukturierung der HTS-Schicht 19 insbesondere im Bereich der gratartigen Erhebung 10 sind aus der Aufsicht der Fig. 7 ersichtlich. Das Element 21 kann Teil einer supraleitenden Einrichtung wie z. B. eines SQUIDs sein, dessen supraleitende Leiterbahnen zumindest teilweise mit der Abscheidung der Schicht 19 auszubilden sind.

Bei dem anhand der Fig. 1 bis 7 erläuterten Verfahren nach der Erfindung wurde davon ausgegangen, daß die gratartige Er­ hebung 10 auf dem Substrat 2 mittels einer Hilfsstruktur 3 oder 7 auszubilden ist, welche auf einer besonderen Störungs­ schicht 4 einen Stegteil 5 bzw. 9 aufweist. Auf diese Stö­ rungsschicht 4 kann gegebenenfalls verzichtet werden, wenn man für den Stegteil das Material der Störungsschicht vorsieht. Ein entsprechendes Ausführungsbeispiel ist dem Schnitt der Fig. 8 zu entnehmen. Dementsprechend ist auf der Substratober­ fläche 2a ein Stegteil 22, im Beispiel aus SrTiO₃, abgeschieden, der allein die Hilfsstruktur darstellt. Bei dem anschließenden Ätzprozeß mittels Ionenstrahlen 14 wird dann der Stegteil 22 und eine sich daran anschließende oberflächennahe Zone 23 des Substrates abgetragen. Das nachdem Ätzprozeß verbleibende Oberflächenprofil ist durch eine gestrichelte Linie 24 ange­ deutet. Die im Bereich des Stegteils 22 zurückbleibende grat­ artige Erhebung ist mit 25 bezeichnet.

Als Material für die gratartigen Erhebungen 10 und 25 kann auch ein solches vorgesehen werden, das an sich zu einer Stö­ rung des Kristallaufbaus des HTS-Materials aufgrund von Diffu­ sionsvorgängen führen würde. Ein derartiges Material für die Erhebungen wäre z. B. Si oder eine Si-Verbindung. In diesem Fall kann zur Vermeidung einer Interdiffusion zwischen dem HTS-Material und dem Material der Erhebung in bekannter Weise eine sogenannte "Bufferlayer" als diffusionshemmende Zwischen­ schicht vorgesehen werden. Insbesondere läßt sich dann auch ein Si-Substrat mit einer Si-Erhebung verwenden. Hierbei kön­ nen vorteilhaft die ausgereiften Strukturierungsverfahren der Si-Technik angewandt werden. Ein entsprechendes Ausführungs­ beispiel ist aus dem Schnitt der Fig. 9 ersichtlich. Dement­ sprechend ist auf einem gemäß den Fig. 1 bis 5 oder 8 mit einer gratartigen Erhebung 27 aus Si versehenen Si-Substrat 28 die mit dem HTS-Material zu beschichtende Oberfläche 28a in an sich bekannter Weise mit einer diffusionshemmenden Zwischen­ schicht 30 z. B. aus Y-stabilisiertem ZrO₂ versehen (vgl. z. B. "Appl. Phys: Lett.", Vol. 54, 1989, Seiten 754 bis 756).

Claims (9)

1. Verfahren zur Herstellung eines Korngrenzen-Josephsonkon­ taktes mit einem metalloxidischen Hochtemperatur (HTS)-Mate­ rial auf einem ebenen Substrat, indem zunächst die Substrat­ oberfläche mit einer korngrenzeninduzierenden Erhebung mit gratartigem Profil und gewölbten Flanken hinreichender Steil­ heit im Scheitelbereich des Profils versehen wird, so daß bei einer anschließenden Abscheidung eines über den Scheitelbe­ reich verlaufenden Schichtteiles aus dem HTS-Material dort mindestens eine als Josephsonkontakt dienende Korngrenze aus­ gebildet wird, dadurch gekennzeich­ net, daß zur Ausbildung der gratartigen Erhebung (10, 25, 27) auf der ebenen Substratoberfläche (2a, 28a) eine Hilfs­ struktur (3, 7) mit einem erhabenen, den Bereich der auszubil­ denden Erhebung (10, 25, 27) abdeckenden Stegteil (5, 9, 22) abgeschieden wird und anschließend diese Hilfsstruktur (3, 7) mittels eines auch die Längskanten (11a, 11b) des Stegteils (5, 9, 22) abtragenden Ätzprozesses bis auf die gratarti­ ge Erhebung (10, 25, 27) wieder abgeätzt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Hilfsstruktur (3, 7) aus einer Stö­ rungsschicht (4) aus dem Material der gratartigen Erhebung (10) und dem darauf abgeschiedenen Stegteil (5, 9) gebildet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Stegteil (9) als Verdickung einer weitere Teile der Störungsschicht (4) abdeckenden Ätzmaske (8) ausgebildet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Stegteil (22) als Hilfsstruktur auf der Substratoberfläche (2a) ausgebildet wird. (Fig. 8)

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß für den Steg­ teil (5, 9, 22) das Material der Störungsschicht (4) verwendet wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ätzen durch Beschuß mit Ionen (14) durchgeführt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine gratartige Erhebung (10) ausgebildet wird, deren Flanken (16, 17) im Scheitelbe­ reich (13) eine derartige Steilheit aufweisen, daß ihre Norma­ len (N1, N2) einen Winkel (α) von mindestens 30°, vorzugswei­ se zwischen 40° und 90° einschließen.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da­ durch gekennzeichnet, daß vor der Ab­ scheidung des HTS-Materials zumindest auf der gratartigen Er­ hebung (27) eine dünne diffusionshemmende Zwischenschicht (30) aufgebracht wird. (Fig. 9)

9. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8 zur Herstellung einer supraleitenden Einrichtung mit minde­ stens einem Korngrenzen-Josephsonkontaktelement (21).