DE4324700C2 - Verfahren zur Herstellung eines einen Josephson-Kontakt enthaltenden SQUIDs aus Hochtemperatur-Supraleitermaterial - Google Patents

Verfahren zur Herstellung eines einen Josephson-Kontakt enthaltenden SQUIDs aus Hochtemperatur-Supraleitermaterial

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines einen Josephson-Kon­ takt enthaltenden SQUIDs aus Hochtemperatur-Supraleitermaterial, bei dem der SQUID durch Abscheidung von HTSL-Material und geeigneter Strukturierung auf einem Substrat gebildet wird.
Ein solcher SQUID aus hochtemperaturleitendem (HTSL)-Material ist bekannt. Um die Meßempfindlichkeit eines solchen SQUIDs bezüglich der Messung von magnetischen Feldern zu erhöhen, bildet man oftmals eine Kombination von SQUIDs mit einem Flußtransformator. Im Bereich der Tieftemperaturtechnologie auf der Basis des Materials Niob für Nieder-Hochtemperatur-Supraleiter sind sol­ che supraleitenden Bauelemente als Flußtransformator mit integriertem SQUID bekannt. Im Gebiet der Hochtemperatursupraleitung ist es aus Appl. Phys. Letters, Bd. 57, 1990, S. 1930-1932 bekannt, die Kombination Flußtransformator-SQUID in einer sog. flip-chip-Anordnung zu realisieren. Dabei wird ein Flußtransformator, der auf einem Substrat hergestellt worden ist, über einem SQUID positioniert, der seinerseits auf einem weiteren Substrat gebildet worden ist. Die so strukturierten Substratoberseiten werden mit Hilfe einer Fettschicht aufeinandergeklebt.
In nachteiliger Weise weist dieser Flußtransformatorbetrieb Probleme auf, da der Abstand zwischen Flußtransformator und SQUID beispielsweise im Bereich 0,2 mm und damit relativ groß ist. Dies hat zur Folge, daß die induktive Kopplung zwischen dem Transformator und dem SQUID zu schwach ist.
Eine wesentliche Rolle spielt dabei der Aspekt, daß der Josephson-Kontakt mit einer Isolatorschicht und einer weiteren HTSL-Schicht bedeckt werden muß. Dies erfolgt üblicherweise bei Temperaturen im Bereich von 700°C bis 800°C. In nach­ teiliger Weise verlieren bei diesen Temperaturen die beim SQUID vorhandenen Josephson-Kontakte ihre supraleitenden Eigenschaften für den späteren Einsatz bei niedrigen Temperaturen.
Zudem nachteilig ist die Alterung des Josephson-Kontaktes innerhalb des SQUIDs, was zu nichtreproduzierbaren Sensoreigenschaft dieses Bauelementes führt.
Aus der EP 0 467 777 A2 ist ein Verfahren zur Herstellung eines einen Josephson- Kontakt enthaltenden SQUIDs aus Hochtemperatur-Supraleitermaterial entnehm­ bar, bei dem auf einem Substrat eine erste Schicht aus HTSL-Material aufgesput­ tert und sodann eine Wärmebehandlung durchgeführt wird. Daraufhin werden eine Isolierschicht und eine zweite Schicht aus HTSL-Material ganzflächig aufgebracht und sodann gemustert, so daß Seitenflächen der HTSL freiliegen. Danach werden eine weitere Wärmebehandlung in einer O₂-haltigen Atmosphäre durchgeführt, welche zum Aufrechterhalten der Supraleitung in der ersten Schicht notwendig ist, und eine isolierende epitaktische Deckschicht zum Schutz des Josephson-Kontak­ tes aufgebracht.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zu schaffen, bei dem ein SQUID mit Josephson-Kontakt hergestellt wird, bei dem auch bei Abdeckung des SQUIDs mit Hilfe einer oder mehrerer Deckschichten die supraleitenden Eigenschaften des Jo­ sephson-Kontaktes weiterhin gesichert bleiben.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen nach Anspruch 1.
Es wurde erkannt, daß durch Bildung einer Deckschicht auf einem SQUID mit Josephson-Kontakt dieser Kontakt seine supraleitenden Eigenschaften verliert, zumindest jedoch verringert. Durch die Maßnahme der Justierung vor Bildung der Deckschicht als auch nach Bildung der Deckschicht kann die Eigenschaft des Jo­ sephson-Kontaktes innerhalb des SQUIDs beibehalten werden.
Als hochtemperatursupraleitende Materialien kommen neben YBa₂Cu₃O7-x weitere metalloxidische supraleitende Materialien in Frage. Als Substratmaterial können SrTiO₃, LaAlO₃ NdGaO₃ oder MgO gewählt werden. Die Abscheidung der epi­ taktischen Schicht aus dem hochtemperatursupraleitenden Material zur Bildung des HTSL-SQUID kann mit Hilfe der Laserablation, aber auch mit Hilfe anderer Schichtabscheideverfahren, wie z. B. das Sputtern oder Molekularstrahlepitaxie, erfolgen. Die Bildung eines SQUIDs aus einer abgeschiedenen HTSL-Schicht ist auch aus Appl. Phys. Letters, Bd. 60, 1992, S. 645-647 bekannt.
Eine vorteilhafte Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens ergibt sich aus dem Anspruch 2.
Danach wird bei Induktivität Ls des SQUIDs und bei magnetischem Flußquant Φo bezüglich der kritischen Stromdichte Ic des Josephson-Kontaktes der SQUID-Parameter β
β = 2 π LsIc/Φo
auf einen Wert im Bereich von β = 0,75 bis β = 1,40, insbesondere β = 1,0, ju­ stiert. Nach der ersteren Justierung vor Bildung der Deckschicht wird diese Schicht insbesondere aus einem solchen Material, das auch geeignet ist als Substratmate­ rial, gebildet. Diese Deckschicht soll epitaktische isolierende Eigenschaften zeigen.
Das Aufbringen der Deckschicht hat zur Folge, daß ein Altern des Josephson- Kontaktes und damit verbunden eine Veränderung in den Eigenschaften des SQUIDs verhindert werden kann. Dabei wird nach Bedeckung mit epitaktischem Isolationsmaterial der kritische Strom Ic des Josephson-Kontaktes wiederum ju­ stiert. Insbesondere für den Fall, daß der SQUID-Parameter β < 1 ist, kann durch eine Temperung je nach gewähltem Material des HTSL, insbesondere im Bereich von 700°C bis 800°C und insbesondere bei Sauerstoffpartialdrücken im Bereich von 0,01 mbar bis 10 mbar, der Wert β bis auf β = 1,0 reduziert werden. Dieser Wert der Temperatur beim Anlassen des SQUIDs soll etwas oberhalb der Ab­ scheidetemperatur des epitaktischen Isolationsmaterials liegen.
Insbesondere für den Fall, daß der SQUID-Parameter β 1 ist, empfiehlt sich, die Justierung in einem Mikrowellenofen durchzuführen.
Es wurde erkannt, daß für diesen Fall ein konstanter Sauerstofffluß eingestellt werden kann. Im einzelnen wurde das hergestellte SQUID mit einem Verfahren justiert, das bis zu 7 Schritte enthielt, in folgender Art und Weise:
Es ist dabei vorteilhaft, nach Durchführung dieser aus 7 Einzelschritten bestehenden Prozedur den SQUID-Para­ meter β nach jedem einzelnen Schritt der Prozedur zu bestimmen. Insofern bis zum letzten Schritt Nr. 7 ein SQUID-Parameter-Wert von β = 1, zumindest 0,75 < β < 1,40 noch nicht erhalten worden ist, kann durch Wiederholung des 7. Schrittes dieser Prozedur der β-Wert im durch Anspruch 2 angegebenen Bereich erreicht werden.
Neben dieser Justierung des kritischen Stromes Ic des Josephson-Kontaktes des SQUIDs, die sowohl bei der Ju­ stierung vor Bildung der Deckschicht als auch nach Bil­ dung der Deckschicht eingesetzt werden kann, gibt es weitere alternative Temperverfahren , insbesondere sol­ che, bei denen die Probe in der Herstellungskammer bei geeigneten Temperaturen und Sauerstoffpartialdrücke be­ lassen oder auch durch eine leicht abgeänderte Prozeß­ führung der vorher beschriebenen Schrittprozedur behan­ delt wird.

Claims (5)

1. Verfahren zur Herstellung eines einen Josephson-Kontakt enthaltenden SQUIDs aus Hochtemperatur-Supraleitermaterial, bei dem der SQUID durch Abscheidung von Hochtemperatur-Supraleitermaterial und geeigneter Strukturierung auf einem Substrat gebildet wird, bei dem wenigstens eine isolierende epitaktische Deckschicht auf dem gebildeten SQUID gebildet wird und bei dem sowohl vor als auch nach Bildung der Deckschicht der Josephson-Kontakt des SQUIDs justiert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Induktivität Ls des SQUIDs und mit dem magnetischen Flußquant Φo bezüglich der kritischen Stromdichte Ic des Josephsons- Kontaktes der SQUID-Parameter β auf einen Wert im Bereich von β = 0,75 bis zu β = 1,40, insb. β = 1,0, justiert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Justierung des SQUID-Parameters β der SQUID geeignet getempert wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der SQUID zur Justierung von β bei einer Tem­ peratur im Bereich von 700°C bis 800°C getempert wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der SQUID zur Justierung von β bei einem O₂- Druck im Bereich von 0,01 mbar bis zu 10,0 mbar getempert wird.
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