DE60311166T2

DE60311166T2 - Josephson-Bauelement und dessen Herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE60311166T2
Application number: DE60311166T
Authority: DE
Inventors: c/o SuperConductivity Res. Lab. Seiji Koto-ku Adachi; c/o SuperConductivity Res. Lab. Hironori Koto-ku Wakana; c/o SuperConductivity Res. Yoshihiro Shinonome Koto-ku Ishimaru; c/o SuperConductivity Res. Lab. Masahiro Koto-ku Horibe; c/o SuperConductivity Res. Lab. Osami Koto-ku Horibe; c/o SuperConductivity Res. Yoshinobu Shinonome Koto-ku Tarutani; c/o SuperConductivity Res. Lab. Keiichi Koto-ku Tanabe
Original assignee: International Superconductivity Technology Center
Current assignee: International Superconductivity Technology Center
Priority date: 2002-03-26
Filing date: 2003-03-26
Publication date: 2007-10-18
Anticipated expiration: 2023-03-27
Also published as: JP2003282981A; EP1349219B1; EP1349219A3; EP1349219A2; US6790675B2; US20030186467A1; DE60311166D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Josephson-Vorrichtung, die einen Oxid-Supraleiter verwendet, wobei die Variation der Betriebseigenschaften des darin ausgebildeteten Josephson-Übergangs minimiert wird.
Ein Supraleiter hat eine einzigartige Eigenschaft, die gekennzeichnet ist durch: 1) Null elektrischen Widerstand; 2) vollständigen Dia-Magnetismus; 3) den Josephson-Effekt, und man erwartet seine Anwendung in verschiedenen Gebieten, einschließlich der elektrischen Leistungsübertragung, der elektrischen Leistungserzeugung, der Führung eines nuklearen Fusionsplasmas, magnetische Schwebe-Züge, magnetische Schilde, Hochgeschwindigkeitsrechner und dgl.
Im Jahr 1986 entdeckten Bednorz und Mueller einen Kupferoxidsupraleiter (La_1-xBa_x)₂ CuO₄, der eine sehr hohe supraleitende Übergangstemperatur Tc von ungefähr 30 K aufweist. Danach folgten zahlreiche Berichte, die über eine Beobachtung des Supraleitungsübergangs, der bei hohen Temperaturen auftritt, insbesondere in den Systemen von YBa₂Cu₃O_7-y (Tc = 90 K), Bi₂Sr₂Ca₂Cu₃O_y (Tc = 110K), TL₂Ba₂Ca₂Cu₃O_y (Tc = 125 K), HgBa₂Ca₂Cu₃O_y (Tc = 135 K), und dgl. berichteten. Momentan werden das Verfahren zum Herstellen dieser Materialien sowie die Eigenschaften und Anwendungsbereiche dieser Materialien untersucht.
Insbesondere wird der Supraleiter YBa₂Cu₃O_y als das viel versprechendste Material in Bezug auf die Anwendung in elektronischen Vorrichtungen oder für Leitungsdrähte im Hinblick auf die bevorzugte Natur des Materials, wie z.B. das Nicht-Vorhandensein von toxischen Elementen wie Tl oder Hg und eine geringe Anisotropie der Supraleitfähigkeit angesehen.
Um den Josephson-Effekt in elektronischen Vorrichtungen zu verwenden, ist es andererseits notwendig, den Prozess des Ausbildens eines Josephson-Übergang mit Hilfe einer Dünnfilmtechnologie vorzusehen.
Im Allgemeinen wird ein Josephson-Übergang, der den wesentlichen Teil einer Josephson-Vorrichtung darstellt, durch einen physikalischen Abscheidungsprozess aus der Gasphase ausgebildet, bei dem ein Quellenmaterial in eine Gasphase dispergiert wird, indem das Quellenmaterial in einer Vakuumkammer angeregt wird, wie z.B. bei einem Sputterprozess, einem Laserabtragungsprozess, einem Verdampfungsabscheidungsprozess im Vakuum, einem Molekularstrahl-Epitaxie-Prozess und dgl. Weiterhin werden vielfältige Strukturen für die Josephson-Vorrichtungen vorgeschlagen, die einen Kupferoxid-Supraleiter verwenden, wie z.B. eine bi-kristalline Struktur, eine bi-epitaktische Struktur, eine Stufen-Kanten-Struktur, eine Rampen-Kanten-Struktur, eine laminierte Struktur und dgl. (S. Takada, Oyo-Buturi, 62, S. 443, 1993). Insbesondere nimmt man an, dass die Josephson-Vorrichtung mit der Rampen-Kanten-Struktur hinsichtlich der Tatsache, dass eine hohe Treiberleistung zum Zeitpunkt des Schaltens erreicht wird, und dass der kritische Strom durch Steuern der Dicke der Tunnelbarrieren-Schicht geändert werden kann, am viel versprechendsten ist (M. Hidaka, et al., Oyo-Buturi, 67, S. 1167, 1998).
Ein Ic·Rn Produkt ist ein Index, der die Leistungsfähigkeit eines Josephson-Übergangs darstellt. Je größer das Produkt Ic·Rn ist, desto besser ist die Arbeitsgeschwindigkeit des Josephson-Übergangs. Ein Produkt Ic·Rn ist als ein Produkt eines kritischen Stroms Ic und eines Widerstandswerts Rn, wobei der kritische Strom Ic der maximale Strom ist, der in dem supraleitenden Zustand eines Supraleiters bei einer bestimmten Temperatur möglich ist, wobei der Widerstandswert Rn der Widerstand ist, bei dem der supraleitende Zustand verloren geht und der Supraleiter in einen normal leitenden Zustand zurückkehrt.
Es sollte angemerkt werden, dass das Produkt Ic·Rn durch die Größe des Josephson-Übergangs normalisiert wird. Qualitativ stellt das Produkt Ic·Rn die Größe des Signals dar, das zum Zeitpunkt des Schaltens des Josephson-Übergangs erreicht wird. Mit Hilfe der Josephson-Vorrichtung mit der Rampen-Kanten-Struktur erhält man ein Produkt Ic·Rn, das größer ist als bei Strukturen von anderen Vorrichtungen. Üblicherweise wird YBa₂Cu₂O_y für die obere und untere supraleitende Elektrode verwendet. Andererseits werden auch Josephson-Vorrichtungen der laminierten Struktur untersucht, von denen angenommen wird, dass sie zum Bilden von künftigen hochintegrierten integrierten Schaltungen vorteilhaft sind. In beiden Fällen verwendet der Josephson-Übergang eine der Schichten aus einer PrBa₂Cu₃O_y Schicht, einer Nb dotierte SrTiO₃ Schicht oder einer zum Zeitpunkt der Herstellung gebildeten beschädigten Schicht für die Übergangsbarriere.
Kürzlich wurde ein bestimmter Typ von Josephson-Vorrichtungen untersucht, die eine zum Zeitpunkt der Herstellung ausgebildete beschädigte Schicht für die Bildung des Josephson-Übergangs verwendet. Dieser Typ von Josephson-Übergang wird IEJ (Interface-Engineered Junction: Schnittstellen gestalteter Übergang) genannt. Diesbezüglich wird auf B. H. Moeckly, et al., Appl. Phys. Lett. 71, S. 2526, 1997) verwiesen. In der Josephson-Vorrichtung mit der Rampen-Kanten-Struktur wird die Bildung einer sehr dünnen Schicht mit einer Dicke von 1–2 nm durch eine Durchgangselektronenstrahlmikroskopie bestätigt. Man glaubt, dass diese sehr dünne Schicht als der Josephson-Übergang arbeitet, wobei der genaue Mechanismus noch nicht verstanden ist (J. G. Wen et al., „Advances in Superconductivity XII"-Proc. ISS '99, 10/17–19, S. 984, 1999 in Morioka, Y. Soutome, et al., „Advances in Superconductivity XII"-Proc. ISS '99, 10/17–19. S. 990, 1999, in Morioka).
Bei den vorangehend beschriebenen IEJ Josephson-Vorrichtungen können Kurzschlüsse in dem Josephson-Übergang an verschiedenen Stellen bei dem Fall auftreten, bei dem der Prozessparameter zum Zeitpunkt der Bildung des Josephson-Übergangs nicht geeignet ist. Zum Beispiel ist die Dicke der beschädigten Schicht so dünn, dass die Steuerung der Dicke der beschädigten Schicht schwierig wird.
Es sollte angemerkt werden, dass die I–V Kennlinie (Eigenschaften) einer Josephson-Vorrichtung sich abhängig von der Dicke der über der darin befindlichen Übergangsschicht ändert. Wenn die Dicke des Josephson-Übergangs zu groß ist, kann kein supraleitender Strom durch den Übergang fließen. Wenn die geeignete Dicke vorliegt, kann der supraleitende Strom durch den Übergang durch Tunnel fließen, ohne einen Spannungsunterschied über den Übergang zu bewirken, vorausgesetzt, dass der supraleitende Strom innerhalb des vorbestimmten kritischen Stroms Ic liegt. Wenn der Betrag des Stroms diesen kritischen Strom Ic überschritten hat, tritt plötzlich eine Spannung über dem Übergang auf. Bei diesem Zustand ist die I–V Kennlinie der Josephson-Vorrichtung eine gerade Linie, die durch den Ursprung geht. Die einer solchen Josephson-Vorrichtung anhaftenden I–V Kennlinien werden RSJ-(Resistivity Shunted Junction: Übergang mit Parallelwiderstand) Kennlinien genannt.
Im Fall, dass ein Kurzschluss in dem Josephson-Übergang aufgrund einer deutlich zu kleinen Dicke der Barrierenschicht vorliegt, tritt andererseits eine Spannung über dem Übergang auf, wenn der Strom den kritischen Strom Ic überschritten hat. In diesem Fall wird die Spannung als Ergebnis einer Bewegung des magnetischen Flusses induziert und somit wären die vorangehenden Kennlinien I–V Kennlinien vom FF-Typ (FF: Fluss des magnetischen Flusses) genannt.
Um eine supraleitende elektronische Vorrichtung zu realisieren, die eine Josephson-Vorrichtung verwendet, ist es notwendig, eine große Anzahl von Josephson-Übergängen und -Vorrichtungen mit den vorangehend beschriebenen RSJ Kennlinien und mit einem geeigneten kritischen Strom herzustellen. Weiterhin ist es notwendig, dass die Josephson-Vorrichtung ein geeignetes Produkt Ic·Rn aufweist. Insbesondere ist die Größe Ic abhängig von der Übergangsstruktur oder dem Herstellungsprozess, und somit ist es sehr wichtig, die Technologie zum Unterdrückens der Schwankung des kritischen Stromes Ic vorzusehen. Um eine Funktion einer integrierten Josephson-Schaltung mit 100 oder mehr Josephson-Übergängen zu erreichen, wird geschätzt, dass die Varianz 1 σ der Übergangs-Kennlinien auf 10 % oder weniger (J. Talvacchio, et al., IEEE Trans. Appl. Supercond.7, S. 2051, 1997) für die Josephson-Übergänge, die in der Schaltung enthalten sind, gedrückt werden muss.
Kürzlich wurde in einem Bericht ein Erfolg beim Erreichen des 1-σ-Wertes, der den vorangehenden Anforderungen genügt, für eine IEJ Rampen-Kanten-Josephson-Vorrichtung angekündigt.
Insbesondere erreichten Satoh et. al. die Varianz 1 σ von 8 % (1 σ = 8 %) über 100 Josephson-Übergänge bei Verwendung von YBa₂Cu₃O_7-y für die supraleitenden Elektroden (La_0.3Sr_0.7) (Al_0.65Ta_0.35)O_y für die Isolationsschicht (T. Satoh, et al., IEEE Trans. Appl. Supercond. 9, 99.3141, 1999). Die Erfindung Satoh et al. ist in der japanischen offengelegten Patentanmeldung 2000-150974 offenbart.
Gemäß dieser Druckschrift stellt der vorgeschlagene Prozess ausgezeichnete Übergangs-Kennlinien aufgrund der homogenen Ausbildung der Barrierenschicht zwischen zwei supraleitenden Elektroden mit einer Dicke von zwei Nanometer oder weniger und wegen des Vorsehens von La in die Barrierenschnittstelle der Isolationsschicht zum Zeitpunkt des Ätzprozesses zur Verfügung.
Andererseits ist die Menge von La, die so eingebracht wurde, sehr klein, und es ist nicht möglich, das Vorliegen von derartigen La-Atomen zu bestätigen, sogar wenn ein hochauflösendes Analysier-Durchgangsmikroskop verwendet wird, das eine Elementenanalyse anhand der charakteristischen emittierten Röntgenstrahlung abhängig von der Bestrahlung mit einem Elektronenstrahl mit einem Strahldurchmesser von ungefähr 1 nm durchführt, verwendet wird (J. G. Wen, et al., Appl. Phys. Lett., 75, S. 5470, 1999).
Andererseits hat Soutome et al. in erfolgreicher Weise den 1 σ Wert von 7,9 Prozent (1 σ = 7,9 %) über 100 Josephson-Übergänge bei 4,2 K erreicht, indem er YBa₂Cu₃O_7-y für die supraleitenden Elektroden und CeO₂ für die Isolationsschicht verwendet hat (Soutome, et al., 62nd Annual Meeting of Japan Society of Applied Physics 14a-G-7, Sept. 11–14, 2001, Abstract No. 1, S. 195). Soutome et al. verwendet kein Material, das La enthält, und somit erreicht die Struktur von Soutome et al. die zuvor beschriebenen Ergebnisse mit einer Struktur und einem Prozess, bei dem kein La zwischen zwei supraleitende Elektroden eingebracht wird.
Bei der industriellen Anwendung von Josephson-Vorrichtungen ist es unerlässlich, eine Technologie zum Herstellen einer Anzahl von Josephson-Übergängen mit ausgezeichneter Wiederholbarkeit zu entwickeln, die alle die geeigneten Kennlinien aufweisen. Insbesondere gibt es einen Bedarf für eine solche Technologie bei der Herstellung von künftigen hochintegrierten Josephson-Schaltungen.
Bisher wurden intensive Anstrengungen unternommen, um Josephson-Übergänge mit Hilfe Hochtemperatur-Oxid-Supraleiter herzustellen, die durch einen hohen Tc-Wert im Hinblick auf die Realisierung von elektronischen supraleitenden Vorrichtungen, die bei relativ hohen Temperaturen betreibbar sind, gekennzeichnet sind. Jedoch hatten die bislang erhaltenen Josephson-Übergänge den Nachteil einer großen Schwankung des Streuens der Arbeits-Kennlinien, und deswegen sind bislang nur integrierte Schaltungen einer sehr begrenzten Größe getestet worden. Um eine integrierte Schaltung von größerem Ausmaß aufzubauen, ist die Varianz 1 σ von ungefähr 8 % nicht ausreichend, und es gibt einen dringenden Bedarf für einen Prozess, der in der Lage ist, Josephson-Übergänge mit einer stark reduzierten Schwankung von Arbeits-Kennlinien herzustellen.
Desweiteren wurde gemäß dem Stand der Technik der zweiten supraleitenden Schicht, die auf der Barrierenschicht des Josephson-Übergangs ausgebildet ist, nicht viel Beachtung geschenkt.
DE 199 40 773 betrifft ein hochtemperatur-supraleitende Josephson-Übergangs-Element und ein Herstellungsverfahren hierfür. Das Element weist eine zweite supraleitende Schicht auf, die auf einer Barrierenschicht ausgebildet ist. Ishimaru et al „Reflection high energy electron diffraction observation in re-crystallization process of surface modified barrier, Physica C, 357–360 (2000) 1432–1435 beschreibt RHEED Beobachtungen einer ausgeheilten Barrierenschicht.
Demgemäß ist es allgemeine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Herstellen einer Josephson-Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, bei dem die vorangehenden Probleme eliminiert werden.
Eine weitere und spezifischere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Herstellungsprozess für eine Josephson-Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, der in der Lage ist, einen stabilen und zuverlässigen Josephson-Übergang mit einer reduzierten Schwankung der Übergangs-Kennlinien auszubilden, sowie eine Josephson-Vorrichtung, die gemäß einem solchen Verfahren hergestellt wird.
In einem ersten Aspekt stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer Josephson-Vorrichtung mit einer Rampen-Kanten-Struktur zur Verfügung, mit den folgenden Schritten:
Ausbilden einer ersten supraleitenden Schicht eines YBCO Systems auf einem Substrat;
Ausbilden einer isolierenden Schicht auf der ersten supraleitenden Schicht; und Ausbilden einer zweiten supraleitenden Schicht eines YBCO Systems auf der Isolationsschicht,
wobei der Schritt des Ausbildens der zweiten supraleitenden Schicht die Schritte umfasst:
Entfernen der Isolationsschicht zumindest von einem vorbestimmten Bereich der Isolationsschicht, um so die erste supraleitende Schicht freizulegen;
Durchführen eines ersten Schritts des Ausbildens der zweiten supraleitenden Schicht nach dem Schritt des Entfernens der Isolationsschicht; und
Ausführen eines zweiten Schritts des Ausbildens der zweiten supraleitenden Schicht auf der zweiten supraleitenden Schicht, die in dem ersten Schritt ausgebildet wird.
Gemäß der vorliegenden Erfindung werden zuverlässige und stabile Josephson-Vorrichtungen mit einer reduzierten Streuung der Vorrichtungs-Kennlinien hergestellt, indem der erste Schritt oder die Anfangsphase des Ausbildens der zweiten supraleitenden Schicht bei einer optimierten Bedingung für die Ausbildung eines Josephson-Übergangs durchgeführt wird.
Im Fall einer Josephson-Vorrichtung, die einen Kupferoxid-Supraleiter verwendet, bestand das Problem, das mit der charakteristischen kleinen Kohärenzlänge in einem solchen Oxid-Supraleitersystem zusammenhängt, darin, dass es schwierig ist, eine zuverlässige Barrierenschicht in wiederholbarer Weise auszubilden.
Der Erfinder der vorliegenden Erfindung hat in der Untersuchung, die die Grundlage der vorliegenden Erfindung darstellt, entdeckt, dass die Kennlinien bzw. Eigenschaften der Barrierenschicht in einem Josephson-Übergang nicht nur durch den Herstellungsprozess einer nicht supraleitenden Schicht, die die Barrierenschicht darstellt, bestimmt sind, sondern auch durch den Abscheidungsprozess der zweiten supraleitenden Schicht, der anschließend durchgeführt wird. Insbesondere stellt die Bedingung der Ausbildung der Schicht für den Teil der zweiten supraleitenden Schicht nahe der Barrierenschicht einen erheblichen Einfluss für die Kennlinien bzw. Eigenschaften des Josephson-Übergangs dar.
Um somit eine große Zahl von Josephson-Übergängen auszubilden, und damit eine große Zahl von Josephson-Vorrichtungen auf einem Substrat mit gleichförmigen Übergangs-Kennlinien oder Vorrichtungs-Kennlinien ist es nicht ausreichend, eine Gleichförmigkeit für das nicht-supraleitende Material, das die einzelnen Barriereschichten bildet, zu erreichen. Es ist auch notwendig, eine Gleichförmigkeit bei dem Prozess des Ausbildens der supraleitenden Schichten, die auf den Barrierenschichten vorgesehen werden, zu erreichen. Es sollte angemerkt werden, dass daher die beste Abscheidungsbedingung für das Herstellen eines Josephson-Übergangs nicht immer der optimalen Abscheidungsbedingung eines hochqualitativen Supraleiters entspricht.
Bei der vorliegenden Erfindung wird das Herstellen der supraleitenden Schicht auf der Barrierenschicht in mindestens zwei Schritten durchgeführt. In dem ersten Schritt wird die supraleitende Schicht bei einer Bedingung durchgeführt, die für eine maximale Gleichförmigkeit über die Übergänge auf dem Substrat optimiert ist. Nach dem ersten Schritt wird die Abscheidung der supraleitenden Schicht bei einer Bedingung fortgesetzt, die für die maximale Schichtqualität optimiert ist.
Dadurch ist es möglich, den Schritt des Entfernens der Isolationsschicht durch Entfernen eines Teils der ersten supraleitenden Schicht gleichzeitig durchzuführen. Indem dies vorgenommen wird, ist es möglich, eine modifizierte Schicht zu verwenden, die als ein Ergebnis des Schritts des Entfernens der Isolationsschicht von der Barrierenschicht des Josephson-Übergangs auf dem direkten Oberflächenteil der ersten supraleitenden Schicht ausgebildet wird. Mit diesem Vorgehen ist es möglich, sehr gleichförmige Barrierenschichten in den Josephson-Übergängen auszubilden, die über einen weiten Bereich des Substrats gebildet werden, und die Schwankung der Kennlinien bzw. Eigenschaften der Josephson-Übergänge und damit die Schwankung der Kennlinien bzw. Eigenschaften der Josephson-Vorrichtungen werden erfolgreich minimiert.
Es ist weiterhin auch möglich, den ersten Schritt des Ausbildens der zweiten supraleitenden Schicht so durchzuführen, dass der Unterschied zwischen der Bedingung der Schichtbildung an verschiedenen Stellen auf dem Substrat verglichen zu dem Fall des Durchführens des zweiten Schritts des Ausbildens der zweiten supraleitenden Schicht minimiert wird.
Es sollte angemerkt werden, dass dadurch der erste Schritt des Ausbildens der zweiten supraleitenden Schicht mit Hilfe einer physikalischen Abscheidung aus der Gasphase vorgenommen werden kann, die eine Mehrzahl von Verdampfungsquellen verwendet.
Weiterhin ist es möglich, den ersten Schritt des Ausbildens der zweiten supraleitenden Schicht mit Hilfe einer physikalischen Abscheidung aus der Gasphase durchzuführen, die so durchgeführt wird, dass ein Hindernis zwischen der Verdampfungsquelle und dem Substrat vorgesehen wird.
Es ist weiterhin möglich, den ersten und den zweiten Schritt des Ausbildens der zweiten supraleitenden Schicht mit Hilfe eines physikalischen Abscheidungsprozesses aus der Gasphase so durchzuführen, dass der Abstand zwischen dem Substrat und der Verdampfungsquelle in dem ersten Schritt verglichen zu demjenigen in dem zweiten Schritt vergrößert ist.
Es ist alternativ möglich, den ersten und den zweiten Schritt des Ausbildens der zweiten supraleitenden Schicht mit Hilfe eines physikalischen Abscheidungsprozesses aus der Gasphase so durchzuführen, dass die Anregungsenergie der Verdampfungsquelle in dem ersten Schritt verglichen zu demjenigen in dem zweiten Schritt reduziert ist.
Es ist alternativ möglich, den ersten und den zweiten Schritt des Ausbildens der zweiten supraleitenden Schicht so durchzuführen, dass ein Umgebungsdruck in dem ersten Schritt verglichen zu demjenigen in dem zweiten Schritt erhöht ist.
Es ist weiterhin möglich, den ersten Schritt des Ausbildens der zweiten supraleitenden Schicht durch einen der Prozesse, einen Sputterprozess, einen Verdampfungsabscheidungsprozess im Vakuum, einen Molekularstrahl-Epitaxie-Prozess durchzuführen und den zweiten Schritt des Ausbildens der zweiten supraleitenden Schicht durch einen Laserabtragungsprozess durchzuführen.
Bei dem physikalischen Abscheidungsprozess aus der Gasphase, bei der ein Quellenmaterial in eine Gasphase dispergiert wird, indem das Quellenmaterial in einer Vakuumkammer angeregt wird, ist es ideal, dass herbeigeführt wird, dass die Partikel des Quellenmaterials, die gleichförmig von einer auf einer Oberfläche vorgesehenen Verdampfungsquelle emittiert werden, auf ein parallel zu der zuvor genannten Oberfläche angeordneten Substrat fallen, wenn gewünscht wird, dass die Partikel des Quellenmaterials über jeden Bereich des Substrats bei genau der gleichen Bedingung abgeschieden werden. In der Praxis ist es jedoch schwierig, eine solche Vorrichtung aufzubauen. In vielen Fällen sind Abweichungen bei den Abscheidungsbedingungen mehr oder weniger unvermeidbar. Dies bedeutet jedoch nicht, dass eine Verbesserung zum Reduzieren der Abweichung der Abscheidungsbedingung nicht möglich ist.
Um die Energie der Partikel, die auf ein Substrat bei einem physikalischen Abscheidungsprozess aus der Gasphase fallen, zu homogenisieren, gibt es im Allgemeinen zwei Alternativen: 1) Vorsehen von mehreren Anregungsbereichen oder mehreren hochdichten Bereichen von Hochenergiepartikeln und 2) Vorsehen eines ausreichenden Abstands zwischen der Anregungsbereich des Quellenmaterials oder dem hochdichten Bereich der Hochenergiepartikel und dem Substrat.
Im Falle eines Laserabtragungsprozesses entspricht der zuvor beschriebene Anregungsbereich des Quellenmaterials dem Bereich des Targets, auf das der Laserstrahl gerichtet ist, während der hochdichte Bereich der Hochenergiepartikel der Partikelfahne (Plume) entspricht, die zum Zeitpunkt der Laserstrahlbestrahlung auftritt.
Im Fall des Sputterprozesses entspricht der Anregungsbereich dem Teil des Targets, auf das ein Plasma (Erosion genannt) auftrifft, während der hochdichte Bereich der Hochenergiepartikel dem Plasma entspricht. Im Fall eines Verdampfungsabscheidungsprozesses im Vakuum oder der Molekularstrahl-Epitaxie entsprechen der Anregungsbereich der Verdampfungsquelle und der hochdichte Bereich dem Bereich nahe der Verdampfungsquelle.
Weiterhin ist es effektiv, auch den Schichtherstellungsprozess zwischen dem ersten Schritt und dem zweiten Schritt zu ändern. Im Allgemeinen steigt die Gleichförmigkeit der Energie der Partikel, die auf ein Substrat abgeschieden werden, in der Reihenfolge an: Laserabtragungsprozess; Sputterprozess; Verdampfungs-Abscheidungsprozess im Vakuum oder Molekularstrahl-Epitaxieprozess. Somit ist es möglich, den anfänglichen Abscheidungsprozess durchzuführen, indem ein Prozess mit hoher Gleichförmigkeit durchgeführt wird, gefolgt durch den wesentlichen Abscheidungsprozess durch Verwendung eines Prozesses mit einer geringeren Gleichförmigkeit.
Somit ist es gemäß der vorliegenden Erfindung möglich, die Schwankung der Vorrichtungs-Kennlinien der Josephson-Vorrichtungen, insbesondere die Schwankung des kritischen Stroms Ic über einen großen Bereich des Substrats zu unterdrücken, indem der erste Schritt des Herstellungsprozesses der zweiten supraleitenden Schicht bei der Bedingung durchgeführt wird, die so gewählt ist, dass eine gleichförmige Energieverteilung für die abgeschiedenen Moleküle oder Partikel über einen weiten Bereich des Substrats erreicht wird. Dadurch kann man zuverlässige Josephson-Vorrichtungen mit gleichförmigen Vorrichtungs-Kennlinien erhalten.
Bei einem zweiten Aspekt sieht die vorliegende Erfindung eine Josephson-Schaltung vor, die umfasst:
mehrere Josephson-Vorrichtungen, die jeweils eine Rampen-Kanten-Struktur aufweisen, wobei jede der Josephson-Vorrichtungen umfasst: eine erste supraleitende Schicht eines YBCO Systems; eine zweite supraleitende Schicht eines YBCO Systems und eine Barrierenschicht, die zwischen der ersten und der zweiten supraleitenden Schicht angeordnet ist,
wobei die mehreren Josephson-Vorrichtungen jeweils kritische Ströme aufweisen, wobei eine Varianz 1 σ der kritischen Ströme der mehreren Josephson-Vorrichtungen kleiner als 8 Prozent bei 100 Josephson-Übergängen ist.
Die so hergestellten Josephson-Vorrichtungen sind durch die Varianz 1 σ des kritischen Stroms Ic von 8 Prozent oder weniger gekennzeichnet. Somit wird es gemäß der vorliegenden Erfindung möglich, den Wert der Varianz 1 σ des kritischen Stroms Ic der Josephson-Übergänge über 100 Josephson-Übergänge auf 8 Prozent oder weniger zu drücken, indem der erste Schritt des Prozesses des Ausbildens der zweiten supraleitenden Schicht bei der Bedingung durchgeführt wird, die so eingestellt ist, dass eine gleichförmige Energieverteilung für die abgeschiedenen Moleküle oder Partikel über ein weiten Bereich des Substrats realisiert wird. Somit hat die vorliegende Erfindung in erfolgreicher Weise stabile und zuverlässige Josephson-Vorrichtungen mit darin vorgesehenem Josephson-Übergang realisiert.
Andere Aufgaben und weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen offensichtlich.
1A–1E zeigen Diagramme, die den Herstellungsprozess einer Josephson-Vorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellen;
2A–2C zeigen Diagramme, die eine Anordnung eines Substrats und eines Targets, die bei einem Laserabtragungsprozess verwendet werden, darstellen;
3 zeigt ein Diagramm, dass eine integrierte Josephson-Schaltung zeigt, die durch Josephson-Vorrichtungen der ersten Ausführungsform ausgebildet ist;
4A und 4B zeigen Diagramme, die eine Anordnung eines Substrats und eines Targets in einem außeraxialen RF Sputterprozess darstellt;
5A und 5B zeigen Diagramme, die eine Anordnung eines Substrats und eines Targets in einem Laserabtragungsprozess gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellen;
6 zeigt ein Diagramm, das eine Anordnung eines Substrats und eines Targets in einem Laserabtragungsprozess gemäß einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt; und
7A–7E zeigen Diagramme, die den Herstellungsprozess einer Josephson-Vorrichtung gemäß einer siebten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt.
Prinzip
Gemäß der vorliegenden Erfindung werden zuverlässige und stabile Kupferoxid-Josephson-Vorrichtungen mit einer reduzierten Schwankung des kritischen Stroms Ic gebildet, wenn eine große Anzahl von Josephson-Übergängen gebildet werden.
In den Josephson-Vorrichtungen, die einen Kupferoxid-Supraleiter für den darin befindlichen Josephson-Übergang verwenden, besteht ein in dem Kupferoxid-Supraleiterssystem begründetes Problem darin, dass das wiederholbare Ausbilden einer zuverlässigen Barrierenschicht aufgrund der kurzen Kohärenzlänge extrem schwierig ist.
Es wurden somit intensive Anstrengungen bezüglich der geeigneten Auswahl des Nicht-Supraleiters, der für die Barrierenschicht verwendet wird, vorgenommen, und auch bezüglich des Problems, einen geeigneten Abscheidungsprozess für einen solchen Nicht-Supraleiter herauszufinden, um die Barrierenschicht zu bilden. Der Erfinder der vorliegenden Erfindung hat auch verschiedene Versuche hinsichtlich des zuvor beschriebenen Problems durchgeführt.
Während des Verlaufs der Untersuchungen, die von dem Erfinder der vorliegenden Erfindung durchgeführt wurden und die die Grundlage der vorliegenden Erfindung darstellen, wurde entdeckt, dass die Eigenschaft der Barrierenschicht nicht nur durch den Ausbildungsprozess der nicht-supraleitenden Schicht, die die Barrierenschicht bildet, bestimmt ist, sondern auch durch den Abscheidungsprozess der supraleitenden Schicht, der nach der Ausbildung der nicht-supraleitenden Schicht durchgeführt wird. Insbesondere wurde entdeckt, dass die Abscheidungsbedingung für die supraleitende Schicht, die mit der Barrierenschicht in Kontakt kommt oder nahe der Barrierenschicht angeordnet ist, einen tiefgreifenden Effekt auf die Eigenschaften des Josephson-Übergangs hat.
Wenn eine integrierte supraleitende Schaltung durch Bilden einer Anzahl von Josephson-Übergängen auf einem Substrat hergestellt werden soll, ist es daher notwendig, eine Gleichförmigkeit nicht nur in dem Prozess des Ausbildens der nicht supraleitenden Schichten, die die Barrierenschicht in den entsprechenden Josephson-Übergängen bilden, zu erreichen, sondern auch in dem Prozess des Ausbildens der supraleitenden Schichten, die auf den Barrierenschichten in den entsprechenden Josephson-Übergängen ausgebildet werden.
Es sollte angemerkt werden, dass dadurch das Optimum der Abscheidungsbedingung für das Ausbilden einer Barrierenschicht nicht immer dem Optimum für das Abscheiden der supraleitenden Schicht, die auf der Barrierenschicht ausgebildet wird, entspricht.
Somit führt die vorliegende Erfindung das Ausbilden der supraleitenden Schicht, die auf der Barrierenschicht in den entsprechenden Josephson-Übergängen ausgebildet ist, in zwei Schritten durch. In dem ersten Schritt wird die Abscheidung bei einer Bedingung durchgeführt, die so optimiert ist, dass eine Gleichförmigkeit für die Josephson-Übergänge auf dem Substrat erreicht wird. Bei dem zweiten Schritt wird andererseits der Abscheidungsprozess so optimiert, dass man eine hochqualitative Schicht für die abgeschiedene supraleitende Schicht erhält.
In einem physikalischen Abscheidungsprozess aus der Gasphase, bei der ein Quellenmaterial in eine Gasphase dispergiert, indem eine Anregung auf das Quellenmaterial in einer Vakuumkammer ausgeübt wird, ist es ideal, ein Fallen der Partikel des Quellenmaterials, die gleichförmig von einer auf einer Oberfläche vorgesehenen Verdampfungsquelle emittiert werden, auf ein Substrat, das parallel zu der zuvor erwähnten Oberfläche angeordnet ist, zu bewirken, wenn eine Abscheidung der Partikel des Quellenmaterials bei genau der gleichen Bedingung über die Fläche Bereich des Substrats gewünscht wird. Jedoch ist es in der Praxis schwierig, eine solche Vorrichtung aufzubauen. In vielen Fällen ist eine Abweichung der Abscheidungsbedingung mehr oder weniger unvermeidlich. Dies bedeutet jedoch nicht, dass eine Verbesserung für eine Reduzierung der Abweichung der Abscheidungsbedingung nicht möglich ist.
Um die Energie der Partikel, die bei einem physikalischen Abscheidungsprozess aus der Gasphase auf ein Substrat fallen, zu homogenisieren, gibt es im Allgemeinen zwei Alternativen: 1) das Vorsehen von mehreren Anregungsregionen oder mehreren hochdichten Regionen von Hochenergiepartikeln; und 2) das Vorsehen eines ausreichenden Abstands zwischen der Anregungsregion des Quellenmaterials oder der hochdichten Region der Hochenergiepartikel und des Substrats.
Im Fall eines Laserabtragungsprozesses entspricht die zuvor erwähnte Anregungsregion des Quellenmaterials der Region des Targets, auf das der Laserstrahl gerichtet ist, während die hochdichte Region der Hochenergiepartikel der Partikelwolke (Partikelfahne) entspricht, die zum Zeitpunkt der Laserstrahlbestrahlung auftritt.
Im Fall des Sputterprozesses entspricht die Anregungsregion dem Teil des Targets, der von einem Plasma getroffen wird (so genannte Erosion), während die hochdichte Region der Hochenergiepartikel dem Plasma entspricht. Im Falle eines Verdampfungsabscheidungsprozesses im Vakuum oder einer Molekularstrahl-Epitaxie entspricht die Anregungsregion der Verdampfungsquelle und die hochdichte Region entspricht der Region nahe der Verdampfungsquelle.
Weiterhin ist es effektiv, auch den Schichtausbildungsprozess zwischen dem ersten Schritt und dem zweiten Schritt zu ändern. Im Allgemeinen erhöht sich die Gleichförmigkeit der Energie der Partikel, die auf einem Substrat abgeschieden werden, in der folgenden Reihenfolge: Laserabtragungsprozess; Sputterprozess; Verdampfungsabscheidungsprozess im Vakuum oder Molekularstrahl-Epitaxieprozess.
Somit löst die vorliegende Erfindung die Aufgabe durch Durchführen eines anfänglichen Abscheidungsprozesses durch Durchführen des Prozesses mit einer hohen Gleichförmigkeit und anschließend durch Durchführen des wesentlichen Abscheidungsprozesses mit Hilfe eines Prozesses mit geringerer Gleichförmigkeit.
Erste Ausführungsform
Hierin wird nachfolgend der Herstellungsprozess einer Josephson-Vorrichtung mit einer Rampen-Kanten-Struktur und mit einem darin befindlichen Josephson-Übergang von einem IEJ Typ für den Fall beschrieben, dass Y_0,9Ba_1,9La_0,2Cu₃O_y für die erste supraleitende Schicht und Y_0,9Ba_1,9La_0,2Cu₃O_y für die zweite supraleitende Schicht verwendet werden. Bei der vorliegenden Erfindung wird der erste Schritt durch einen Laserabtragungsprozess durchgeführt, bei dem zwei Laserstrahlen verwendet werden, um ein Target an zwei verschiedenen Positionen zu verdampfen. Bei einem solchen Prozess bestehen daher zwei verschiedene Verdampfungsquellen hinsichtlich der Tatsache, dass die Verdampfung an zwei verschiedenen Positionen stattfindet.
1A–1E zeigen den Herstellungsprozess eines Josephson-Übergangs 10 gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Mit Bezug auf 1A wird eine erste supraleitende Schicht 12 aus Y_0,9Ba_1,9La_0,2Cu₃O_y auf einem Substrat 11 mit einer Zusammensetzung aus (La_0,3Sr_0,7) (Al_0,65Ta_0,35)O₃, das LSAT genannt wird, mit einer Dicke von 200 nm durch einen außeraxialen RF Sputterprozess ausgebildet, wobei das Substrat 12 eine quadratische Form von 10 mm Kantenlänge aufweisen kann. Weiterhin wird eine Zwischenschicht-Isolationsschicht 13 von LSAT auf der supraleitenden Schicht 12 auch durch einen außeraxialen RF Sputterprozess mit einer Dicke von ungefähr 200 nm ausgebildet.
Als nächstes wird in dem Schritt der 1B ein Resist-Muster 14 so gebildet, dass das Resist-Muster 14 eine leicht geneigte abgeschrägte Kante auf der Zwischenschicht-Isolationsschicht 13 aufweist, wobei ein solches Resist-Muster 14 durch Anwenden eines Reflow-Prozesses auf ein Resist-Muster nach dem Durchführen eines fotolithographischen Strukturierungsprozesses auf die Resist-Schicht, die auf der Zwischenschicht-Isolationsschicht 13 ausgebildet ist, gebildet werden kann.
Als nächstes wird in dem Schritt der 1C ein Ätzprozess in der Struktur der 1B durchgeführt, während das Resist-Muster 14 als Maske verwendet wird, wobei die Zwischenschicht-Isolationsschicht 13 und die erste supraleitende Schicht 12 einem Ätzprozess unterzogen werden, der durch Ar-Ionen-Bestrahlung bei einer Beschleunigungsspannung von 400 V mit dem Ionenstrom von 50 mA durchgeführt wird. Es sollte angemerkt werden, dass bei dem Ätzprozess die Ar Ionen mit einem Neigungswinkel von 30 Grad bezüglich des Substrats auftreffen. Das Substrat 11 wird während des Ätzprozesses gedreht.
Als Ergebnis eines solchen Ätzprozesses wird ein leicht schräger Schnitt durch die Zwischenschicht-Isolationsschicht 13 und auch in der ersten supraleitenden Schicht 12, wie in 1C angegeben ist, ausgebildet, wobei angemerkt werden sollte, dass die Oberfläche der Neigung mit einer beschädigten Schicht bedeckt ist, die durch den Ionenbeschuss während des Ätzprozesses gebildet wird.
Als nächstes wird mit dem Schritt der 1D das Resist-Muster 14 entfernt, indem ein Veraschungsprozess durchgeführt wird. Die Struktur der 1D, die man so erhält, ist nun zur Ausbildung einer zweiten supraleitenden Schicht 15 vorbereitet, was in dem Schritt der 1E durch einen Laserabtragungsprozess durchgeführt wird.
2 zeigt die Anordnung eines Substrats 100 und eines Targets 101, die bei dem Laserabtragungsprozess zum Ausbilden der zweiten supraleitenden Schicht 15 verwendet wird.
Mit Bezug auf 2 wird der Laserstrahl von einer Laserquelle in zwei Laserstrahlen aufgeteilt, und die zwei Laserstrahlen werden an zwei verschiedenen Stellen auf die Oberfläche des Targets 101 gerichtet. Dadurch wird das Target 101 durch die zwei Laserstrahlen zur gleichen Zeit getroffen. Üblicherweise weist das Target 101 eine Größe von 30 mm Durchmesser auf und ist aus einem gesinterten Körper aus Yb_0,9Ba_1,9La_0,2Cu₃O_y gebildet. Weiterhin wird jeder der zwei Laserstrahlen mit einer Rate von 5 mal pro Sekunde mit einer Leistung von 300 mJ eingeschaltet. Dadurch bewirkt jeder der Laserstrahlen eine Energiedichte von 1,0 mJ/cm² auf der Oberfläche des Targets 101.
Die Abscheidung wird bei der Substrattemperatur von 660°C in einer Sauerstoffumgebung bei einem Druck von 26,6 Pa durchgeführt, während der Abstand zwischen dem Substrat 100 und dem Target 101 auf 60 mm festgelegt wird. Um die Gleichförmigkeit der Schichtausbildung zu erreichen, werden das Substrat 100 und das Target 101 mit 3 upm bzw 8 upm gedreht, und ein Spiegel wird verwendet, um die zwei Laserstrahlen abzulenken. Dadurch werden die Laserstrahlen zum Abtasten über die Fläche des Targets 101 bewegt. Die so auf dem Target 101 angeregten Partikel werden in die Umgebung mit einer kinetischen Energie emittiert und erreichen die Oberfläche des Substrats 100, während sie mit Sauerstoffmolekülen in der Umgebung kollidieren. Die so das Substrat 100 erreichenden Partikel haben ihre Anfangsenergie verloren und werden auf der Substratoberfläche abgeschieden.
Es wird angemerkt, dass im Fall eines Abtragungsprozesses mit einem gemeinsam benutzten einzelnen Laserstrahl eine Flamme 103, die Partikelwolke genannt wird, durch die Partikel, die von dem Target 101 emittiert werden, ausgebildet wird. Es sollte angemerkt werden, dass bei der vorliegenden Erfindung, die zwei Laserstrahlen verwendet, andererseits die positionsabhängige Variation der Energie der Partikel, die das Substrat 100 erreichen, wie in 2A dargestellt ist, minimiert ist.
Nach der Fortsetzung des ersten Schrittes für 10 Minuten wird das Aufteilen des Laserstrahls beendet und die Schichtausbildung wird mit Hilfe eines einzelnen Laserstrahls, wie es in 2C dargestellt ist, durchgeführt. Dadurch wird die Energie des Laserstrahls auf 600 mJ festgelegt und die Abscheidung wird für 30 Minuten durchgeführt.
Als ein Ergebnis eines solchen Prozesses wird ein Josephson-Übergang, wie in 1I dargestellt ist, ausgebildet, bei dem eine Barrierenschicht 16 zwischen der ersten supraleitenden Schicht 12 und der zweiten supraleitenden Schicht 15 angeordnet ist. Weiterhin wird durch Ausbilden einer Au Elektrode durch Abscheiden einer Au Schicht, gefolgt durch einen geeigneten Strukturierungsprozess, eine Anzahl von Josephson-Vorrichtungen auf dem Substrat 11 ausgebildet. Dadurch wird eine integrierte Josephson-Schaltung 1, wie in 3 dargestellt ist, gebildet.
In einem Beispiel werden 10 isolierte Josephson-Übergänge und 100 Josephson-Übergänge, die in Reihe geschaltet sind, gleichförmig in dem quadratischen Bereich von 6 × 6 mm auf dem Substrat 11 in der integrierten Josephson-Schaltung der 3 gebildet.
Es stellte sich heraus, dass alle 10 Josephson-Übergänge auf dem Substrat 11 die I–V-Kennlinien bezüglich eines Übergangs vom RSJ Typ aufweisen. In diesen so gebildeten Josephson-Übergängen betrug das Produkt Ic·Rn bei 4,2 K 2,1–2,6 mV und der kritische Strom Ic lag bei ungefähr 0,9 mA. Weiterhin wurde bestätigt, dass die Varianz 1 σ des kritischen Stroms Ic für die zuvor erwähnten 100 Übergänge 6,2 % betrug.
Erstes vergleichendes Beispiel
In einem ersten vergleichenden Beispiel wurden Josephson-Vorrichtungen mit der Rampen-Kanten-Struktur auf ähnliche Weise wie bei der oben beschriebenen ersten Ausführungsform gebildet, mit dem Unterschied, dass der erste Schritt des Ausbildens der zweiten supraleitenden Schicht durch gleichzeitiges Verwenden von zwei Laserstrahlen weggelassen wurde.
Bei diesem ersten vergleichenden Beispiel wurde bestätigt, dass die 10 isolierten Josephson-Übergänge auf dem Substrat die I–V Kennlinien von dem RSJ Typ aufweisen, und dass diese Josephson-Übergänge das Produkt von Ic·Rn von 1,9–2,7 mV bei 4,2 K aufweisen. Der kritische Strom Ic lag bei ungefähr 0,9 mA. Die Varianz 1a, die für ein 100 Übergänge gemessen wurde, betrug 12,5 % in diesem vergleichenden Beispiel, wobei angemerkt werden sollte, dass der Wert dieser Varianz viel größer ist, als der der in der ersten Ausführungsform erreichten Varianz.
Zweites vergleichendes Beispiel
In einem zweiten vergleichenden Beispiel wurden Josephson-Vorrichtungen mit der Rampen-Kanten-Struktur auf ähnliche Weise wie bei der ersten Ausführungsform ausgebildet, mit dem Unterschied, dass die zwei Laserstrahlen, die bei dem ersten Schritt des Ausbildens der zweiten supraleitenden Schicht 15 verwendet wurden, auch in dem Rest des Prozesses zum Ausbilden des verbleibenden Teils der zweiten supraleitenden Schicht 15 verwendet wurden. Somit wurde der Prozess von 2C des Verwendens des einzelnen Laserstrahls in diesem zweiten vergleichenden Beispiel nicht verwendet.
Bei diesem zweiten vergleichenden Beispiel wurde gezeigt, dass nur 8 von 10 Josephson-Übergängen die I–V-Kennlinien vom RSJ Typ aufweisen, während die übrigen zwei die I–V-Kennlinien vom FF Typ aufweisen. Eine mikroskopische Untersuchung, die auf der Oberfläche der zweiten supraleitenden Schicht nach dem Ausbilden der zweiten supraleitenden Schicht vorgenommen wurde, offenbarte, dass es eine größere Anzahl von granularen Ablagerungen gibt, verglichen mit der ersten Ausführungsform, was nahe legt, dass durch diese Ablagerungen ein Kurzschluss an dem Josephson-Übergang hervorgerufen wurde.
Es wird somit geschlossen, dass man Josephson-Übergänge mit ausgezeichneten Kennlinien (Eigenschaften) durch Ausbilden der zweiten supraleitenden Schichten zunächst durch Bestrahlen des Targets bei gleichzeitigem Verwenden von zwei Laserstrahlen, um die von den zwei Verdampfungsquellen emittierten Partikel abzuscheiden, erhalten kann. Die so gebildeten Josephson-Übergänge sind durch die Varianz 1 σ von 6,2 % für den kritischen Strom Ic und einem hohen Wert von 2,1–2,6 mV für das Produkt von Ic·Rn gekennzeichnet.
Es ist weiterhin bevorzugt, den zweiten Schritt des Ausbildens der zweiten supraleitenden Schicht durch Verwenden eines einzelnen Hochleistungslaserstrahls durchzuführen.
Zweite Ausführungsform
Bei einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein Prozess zum Herstellen einer Josephson-Vorrichtung einer Rampen-Kanten-Struktur vorgesehen, bei der der Josephson-Übergang durch einen IEJ Prozess ausgebildet wird, der ähnlich zur ersten Ausführungsform die erste und die zweite supraleitende Schicht verwendet, wobei die vorliegende Ausführungsform sich von der ersten Ausführungsform darin unterscheidet, dass bei der vorliegenden Ausführungsform der erste Schritt des Ausbildens der ersten supraleitenden Schicht durchgeführt wird, indem ein Hindernis zwischen dem Substrat und dem Target vorgesehen wird.
Nachfolgend wird der Herstellungsprozess der Josephson-Vorrichtung der vorliegenden Ausführungsform beschrieben.
Bei der vorliegenden Ausführungsform wird der Prozess bis zu dem Schritt unmittelbar vor dem Schritt des Ausbildens der zweiten supraleitenden Schicht auf ähnliche Weise durchgeführt wie bei der ersten Ausführungsform.
Bei der vorliegenden Ausführungsform wird die zweite supraleitende Schicht durch einen Laserabtragungsprozess ausgebildet.
Insbesondere wird ein Hindernis 104 aus einer Ni Legierung, wie z.B. INCONEL (Marke) mit einer Form eines rechtwinkligen Balkens zwischen dem Substrat 100 und dem Target 101 in der vorliegenden Ausführungsform, wie in 2B dargestellt ist, vorgesehen.
Die Abscheidung wird durch Bestrahlen des Laserstrahls von 600 mJ auf das Target 101 mit der Rate von 5 mal pro Sekunde durchgeführt, und die vom dem Target 101 emittierten Partikel werden auf dem Substrat 101 abgeschieden. Dadurch werden die Partikel, die auf dem Target 101 durch den Laserstrahl angeregt werden, in die Umgebung mit einer kinetischen Energie emittiert und erreichen das Substrat 100, während sie mit dem Sauerstoff in der Umgebung kollidieren. Die Partikel, die so das Substrat 100 erreichen, haben ihre Anfangsenergie verloren und scheiden sich auf der Substratoberfläche ab.
Es sollte angemerkt werden, dass in dem Fall eines Abtragungsprozesses mit einem gemeinsam benutzten einzelnen Laserstrahl eine Flamme 103, die Partikelwolke genannt wird, durch die von dem Target 101 emittierten Partikel ausgebildet wird. Es sollte andererseits angemerkt werden, dass in der vorliegenden Ausführungsform die positionsabhängige Schwankung der Energie der Partikel, die das Substrat 100 erreichen, aufgrund des Ausbildens einer modifizierten Partikelwolke 105, die durch das Hindernis 104, wie in 2B dargestellt ist, bewirkt wird, minimiert ist. In der modifizierten Partikelwolke 105 dient das Hindernis 104 dazu, die Anzahl der Partikel, die sich auf dem Substrat 100 abscheiden, und somit die Abscheidungsrate der zweiten supraleitenden Schicht 15 zu reduzieren, während eine solche Reduzierung der Abscheidungsrate gleichzeitig einen vorteilhaften Effekt des Erleichterns der gewünschten Gleichförmigkeit des Abscheidungsprozesses bereitstellt, indem die Energiedifferenz der Partikel, die auf das Substrat 100 gelangen, reduziert wird.
Es wurde bei der vorliegenden Erfindung bestätigt, dass alle 10 isolierten Josephson-Übergänge, die auf dem Substrat 101 ausgebildet werden, die RSJ I–V-Kennlinien aufweisen und ihr Produkt Ic·Rn 2,0–2,6 mV betrug. Weiterhin betrug der kritische Strom Ic dieser Josephson-Übergänge ungefähr 0,5 mA. Weiterhin wurde bestätigt, dass die Varianz 1 σ des kritischen Stroms Ic für die zuvor beschriebenen 100 Übergänge 6,6 % betrug.
Dritte Ausführungsform
Bei einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Herstellungsprozess einer Josephson-Vorrichtung mit dem Rampen-Kanten-Aufbau einschließlich eines darin durch den IEJ Prozess gebildeten Josephson-Übergang vorgesehen, wobei die vorliegende Erfindung die Josephson-Vorrichtung ähnlich wie bei der ersten Ausführungsform mit Hilfe der ersten und der zweiten supraleitenden Schicht ausbildet.
Andererseits unterscheidet sich die vorliegende Erfindung von der ersten Ausführungsform darin, dass der erste Schritt des Ausbildens der zweiten supraleitenden Schicht anstelle des Laserabtragungsprozesses durch einen außeraxialen RF Sputterprozess durchgeführt wird, der zwei Sputterkatoden verwendet, die so angeordnet sind, dass sie sich einander gegenüber liegen.
Anschließend wird der Herstellungsprozess der Josephson-Vorrichtung bei der vorliegenden Ausführungsform beschrieben.
Bei der vorliegenden Ausführungsform wird der Prozess bis zum Schritt unmittelbar vor dem Schritt des Ausbildens des zweiten Supraleiters auf ähnliche Weise wie bei der ersten Ausführungsform durchgeführt. Andererseits wird der zweite Supraleiter durch einen außeraxialen RF-Sputterprozess gebildet.
4A und 4B zeigen die Anordnung des Substrats 100 und eines Targets 107, die bei einem außeraxialen RF-Sputterprozess verwendet wird, wobei die 4A und 4B die kinetische Energieverteilung der Sputter-Moleküle zeigen. Es sollte angemerkt werden, dass in den Zeichnungen der dunkle Bereich den Teil darstellt, in dem die kinetische Energie der Partikel groß ist, während der helle Bereich den Teil darstellt, in dem die kinetische Energie der Partikel gering ist. In den 3A und 3B wird die Darstellung der Sputterkatode, die auf dem Target 107 vorgesehen ist, weggelassen.
Wie in 4A dargestellt ist, werden zwei Targets 107A und 107B, die einander gegenüberliegend angeordnet sind, in dem ersten Schritt des Ausbildens der zweiten supraleitenden Schicht verwendet. Mit Hilfe der zwei Targets 107A und 107B, die in 4A dargestellt sind, wird es möglich, die positionsabhängige Schwankung der kinetischen Energie der Partikel, die auf das Substrat 100 gelangen, verglichen zu dem Fall des Verwendens eines einzigen Targets 107A, wie es in 4B dargestellt ist, zu reduzieren.
Nach dem Durchführen des Ausbildens der Schicht in dem ersten Schritt mit Hilfe der zwei Targets 107A und 107B für 15 Minuten wird der zweite Schritt mit Hilfe einer einzigen Sputterkathode 107A durchgeführt.
Bei der vorliegenden Erfindung zeigen die 10 isolierten Josephson-Übergänge, die so auf dem Substrat ausgebildet wurden, die I–V Kennlinien vom RSJ Typ. Weiterhin betrug das Produkt Ic·Rn bei 4,2 K 1,9–2,6 mV. Der kritische Strom Ic betrug ungefähr 1,0 mA. Es stellte sich heraus, dass die Varianz 1 σ des kritischen Stroms Ic für die 100 Übergänge 6,9 % betrug.
Somit ist es gemäß der vorliegenden Erfindung möglich, die Schwankung 1 σ des kritischen Stroms Ic auf 6,9 % zu drücken, indem der erste Schritt des Schicht-Ausbildungsprozesses der zweiten supraleitenden Schicht 15 mit Hilfe des außeraxialen RF-Sputterprozesses durch das Verwenden von zwei einander gegenüberliegenden Targets 107A und 107B durchgeführt wird. Dadurch erhält man in erfolgreicher Weise Josephson-Vorrichtungen einer hohen Leistungsfähigkeit, die durch ein hohes Produkt Ic·Rn von 1,9–2,6 mV gekennzeichnet sind.
Es ist auch möglich, den Prozess, der zwei Sputterkathoden verwendet, auch in dem zweiten Schritt des Ausbildens der zweiten supraleitenden Schicht 15 fortzusetzen. Es ist jedoch im Allgemeinen schwierig, die Schichtausbildung fortzusetzen, während man eine vorbestimmte Schichtqualität beibehält und gleichzeitig die Erosion des Targets zu unterdrücken, wenn mehrere Katoden verwendet werden. Es sollte angemerkt werden, dass der Schichtausbildungsprozess durch einen Sputterprozess erheblich von der Natur der Katode, die für das Sputtern verwendet wird, oder von der Qualität des Sputtertargets abhängt. Ein Erhöhen der Anzahl der Katodeneinrichtungen erhöht die Anzahl der Elemente, die zum Erhalten der Schichtqualität gesteuert werden. Somit ist es wünschenswert, im zweiten Schritt des Ausbildens der zweiten supraleitenden Schicht eine so geringe Anzahl von Katoden wie möglich zu verwenden.
In dem ersten Schritt ist andererseits die Gleichförmigkeit der Abscheidungsbedingung über das Substrat am Wichtigsten. Insbesondere ist es sehr wichtig, eine gleichförmige Energieverteilung für die auf dem Substrat abgeschiedenen Partikel zu realisieren. Um dies zu erreichen, ist der vorliegende zweischrittige Schichtausbildungsprozess sehr effektiv.
Vierte Ausführungsform
Bei einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Herstellungsprozess für eine Josephson-Vorrichtung mit der Rampen-Kanten-Struktur zur Verfügung gestellt, wobei die Josephson-Vorrichtung der vorliegenden Erfindung einen Josephson-Übergang aufweist, der durch den IEJ Prozess mit Hilfe der ersten und der zweiten supraleitenden Schicht auf ähnliche Weise wie bei der ersten Ausführungsform ausgebildet wird.
Andererseits unterscheidet sich die vorliegende Erfindung von der ersten Ausführungsform dadurch, dass der erste Schritt des Ausbildens der zweiten supraleitenden Schicht durch einen Laserabtragungsprozess bei einer Bedingung durchgeführt wird, bei der der Abstand zwischen dem Substrat und dem Target verglichen zu derjenigen des zweiten Schrittes erhöht wird.
Nachfolgend wird der Herstellungsprozess der Josephson-Vorrichtung ausführlicher beschrieben.
Bei der vorliegenden Ausführungsform wird der Prozess ebenfalls bis zu dem Schritt unmittelbar vor dem Schritt des Ausbildens der zweiten supraleitenden Schicht ähnlich wie bei der ersten Ausführungsform durchgeführt. Weiterhin wird die zweite supraleitende Schicht durch einen Laserabtragungsprozess der vorliegenden Erfindung durchgeführt.
Insbesondere wird der Laserabtragungsprozess durch Bestrahlen des Targets 101 mit dem Laserstrahl von 600 mJ Energie bei einer Frequenz von 5 mal pro Sekunde durchgeführt. Dadurch betrug die Energiedichte auf der Oberfläche des Targets 101 1,0 mJ/cm². Die Abscheidung wurde bei einer Substrattemperatur von 660 °C durchgeführt, während der Sauerstoffumgebungsdruck auf 26,6 Pa festgelegt wurde. Um die Gleichförmigkeit der Schichtqualität zu erreichen, wurden das Substrat 100 und das Target 101 mit der Geschwindigkeit von 3 UPM bzw. 8 UPM rotiert. Weiterhin wurde der Laserstrahl über das Target 101 durch Bewegen eines Spiegels verfahren.
Wie in 5A dargestellt ist, wird der Schichtausbildungsprozess für den ersten Schritt durch Erhöhen des Abstands zwischen dem Substrat 100 und des Targets 101 durchgeführt, während der Abstand in dem zweiten Schritt, wie in 5B dargestellt ist, reduziert wird. Insbesondere verwendet der erste Schritt den Abstand von 80 mm, während der zweite Schritt den Abstand von 60 mm verwendet.
Wie man in 5A erkennen kann, ist das Substrat deutlich außerhalb der Partikelwolke 103 angeordnet, und somit ist die kinetische Energie der Partikel, die auf das Substrat gelangen, reduziert. Eine solche Bedingung ist nicht optimal für die Ausbildung einer hochqualitativen supraleitenden Schicht. Andererseits ist bei der Anordnung der 5A die Schwankung der kinetischen Energie der Partikel, die auf das Substrat 100 gelangen, durch Erhöhen des Abstands zwischen dem Substrat 100 und dem Target 101 reduziert.
Bei der vorliegenden Ausführungsform zeigten die 10 Übergänge, die auf dem Substrat 11 ausgebildet wurden, I–V Kennlinien mit dem RSJ Typ, und das Produkt Ic ·Rn bei 4,2 K betrug 2,0–2,4 mV. Der kritische Strom Ic betrug ungefähr 0,8 mA. Die Varianz 1 σ des kritischen Stroms Ic für die 100 Übergänge betrug 6,0 %.
Aus der vorangehenden Beschreibung wurde geschlossen, dass die Varianz 1 σ des kritischen Stroms Ic auf 6,0 % reduziert werden kann, indem der Abstand zwischen dem Substrat in dem Target in dem ersten Schritt des Ausbildens der zweiten supraleitenden Schicht 15 verglichen zu dem in dem zweiten Schritt erhöht wird. Dadurch erhält man eine Josephson-Vorrichtung mit ausgezeichneten Eigenschaften und mit einem großen Produkt Ic·Rn von 2,0–2,4 mV.
Fünfte Ausführungsform
Bei einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Herstellen einer Josephson-Vorrichtung mit der Rampen-Kanten-Struktur vorgesehen, wobei die Josephson-Vorrichtung einen Josephson-Übergang umfasst, der durch den IEJ-Prozess, der die erste und die zweite supraleitende Schicht verwendet, auf ähnliche Weise wie die erste Ausführungsform ausgebildet wird. Die vorliegende Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform dadurch, dass die Energie des Laserstrahls, der in dem Laserabtragungsprozess verwendet wird, auf 300 mJ in dem ersten Schritt des Prozesses zum Ausbilden der zweiten supraleitenden Schicht reduziert wird.
Nachfolgend wird der Herstellungsprozess der Josephson-Vorrichtung ausführlicher beschrieben.
Bei der vorliegenden Ausführungsform ist der Prozess bis zu dem Schritt unmittelbar vor dem Schritt des Ausbildens der zweiten supraleitenden Schicht identisch zu dem Prozess der ersten Ausführungsform.
Bei der vorliegenden Ausführungsform wird der erste Schritt des Ausbildens der supraleitenden Schicht 15 durch einen Laserabtragungsprozess ähnlich zu der ersten Ausführungsform durchgeführt, wobei der Laserabtragungsprozess durch Bestrahlen des Targets 101 mit einem Laserstrahl mit einer Laserleistung von 300 mJ bei einer Frequenz von 5 mal pro Minute bei der Bedingung, dass der Abstand zwischen dem Substrat und dem Target auf 60 mm festgelegt ist, durchgeführt. Der Laserabtragungsprozess selbst wird bei der Bedingung durchgeführt, die zur Bedingung, die in der vierten Ausführungsform verwendet wird, abgesehen von der Laserstrahlleistung identisch ist.
6 zeigt die Anordnung des Substrats 100 und des Targets 101, die in dem Laserabtragungsprozess gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden.
Mit Bezug auf 6 wird angemerkt, dass die Größe der Partikelwolke 103 verglichen zum Fall der 5B als Folge der Reduzierung der Laserstrahlleistung auf 300 mJ reduziert ist, und das Substrat deutlich außerhalb der Partikelwolke 103 angeordnet ist. Als Ergebnis ist die Energie der Partikel, die auf das Substrat gelangen, reduziert. Somit ist dies nicht die optimale Bedingung zum Ausbilden einer hochqualitativen supraleitenden Schicht. Andererseits ist aufgrund der reduzierten Energie der Partikel, die auf das Substrat gelangen, die Schwankung der Energie der Partikel bei der vorliegenden Ausführungsform reduziert.
Bei der vorliegenden Ausführungsform zeigten alle 10 Übergänge, die auf dem Substrat ausgebildet wurden, die I–V Kennlinien vom RSJ Typ, und das Produkt Ic Rn bei 4,2 K betrug 1,9–2,4 mV. Der kritische Strom Ic betrug ungefähr 0,8 mA. Die Varianz 1 σ des kritischen Stroms Ic für 100 Übergänge betrug 7,0 %.
Aus der vorangehenden Beschreibung wurde geschlossen, dass die Varianz 1 σ des kritischen Stroms Ic auf 7,0 Prozent reduziert werden kann, indem die Laserstrahlenergie und somit die kinetische Energie der Partikel, die auf das Substrat gelangen, in dem ersten Schritt des Ausbildens der zweiten supraleitenden Schicht 15 reduziert wird. Dadurch kann man eine Josephson-Vorrichtung mit ausgezeichneten Kennlinien bzw. Eigenschaften und mit einem großen Produkt Ic·Rn von 1,9–2,4 mV erhalten.
Sechste Ausführungsform
Bei einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen einer Josephson-Vorrichtung mit einer Rampen-Kanten-Struktur vorgesehen, wobei die Josephson-Vorrichtung einen Josephson-Übergang aufweist, der durch den IEJ Prozess, der die erste und die zweite supraleitende Schicht verwendet, auf ähnliche Weise wie bei der ersten Ausführungsform ausbildet, wobei die vorliegende Ausführungsform den vorangehenden ersten Schritt des Ausbildens der zweiten supraleitenden Schicht durch Erhöhen des Drucks der Sauerstoffumgebung auf 53,2 Pa durchführt.
Nachfolgend wird der Herstellungsprozess der Josephson-Vorrichtung ausführlicher beschrieben.
Bei der vorliegenden Ausführungsform ist der Prozess bis zum Schritt unmittelbar vor dem Schritt des Ausbildens der zweiten supraleitenden Schicht identisch zu dem Prozess der ersten Ausführungsform.
Bei der vorliegenden Ausführungsform wird der erste Schritt des Ausbildens der supraleitenden Schicht 15 durch einen Laserabtragungsprozess auf ähnliche Weise wie bei der ersten Ausführungsform durchgeführt, wobei der Laserabtragungsprozess durch Festlegen des Abstands zwischen dem Substrat und dem Target auf 60 mm und durch Festlegen des Drucks des umgebenden Sauerstoff-Gas auf 53,2 Pa durchgeführt wird.
Durch Erhöhen des Drucks des Sauerstoffgases wird die Anzahl der Kollisionen der Partikel, die von dem Target emittiert werden, mit Sauerstoffmolekülen erhöht, und somit verlieren die Partikel die Energie schnell. Als Ergebnis wird die Größe der Partikelwolke ähnlich zur fünften Ausführungsform verkleinert.
Bei der vorliegenden Ausführungsform ist das Substrat an der Position deutlich außerhalb der Partikelwolke angeordnet, die in dem ersten Schritt eine reduzierte Größe aufweist, und somit weisen die Partikel, die auf das Substrat gelangen, eine reduzierte kinetische Energie auf. Somit wird der erste Schritt bei der Bedingung durchgeführt, die zum Ausbilden einer hochqualitativen supraleitenden Schicht nicht optimal ist. Andererseits ist die Schwankung der Energie der Partikel, die auf das Substrat 101 gelangen, reduziert.
Bei der vorliegenden Ausführungsform zeigten alle 10 Übergänge, die auf dem Substrat 11 ausgebildet werden, I–V-Kennlinien vom RSJ Typ, und das Produkt Ic Rn bei 4,2 K betrug 2,1–2,7 mV. Der kritische Strom Ic betrug ungefähr 1,0 mA. Die Varianz 1 σ des kritischen Stroms Ic für 100 Übergänge betrug 7,1 %.
Aus der vorangehenden Beschreibung wurde geschlossen, dass die Varianz 1 σ des kritischen Stroms Ic auf 7,1 % reduziert werden kann, indem der Druck der Sauerstoffumgebung erhöht wird, und daher die kinetische Energie der Partikel, die auf das Substrat gelangen, in dem ersten Schritt des Ausbildens der zweiten supraleitenden Schicht 15 reduziert werden kann. Dadurch kann man eine Josephson-Vorrichtung mit ausgezeichneten Kennlinien bzw. Eigenschaften und mit einem großen Produkt Ic Rn von 2,1–2,7 mV erhalten.
Siebte Ausführungsform
Nachfolgend wird der Herstellungsprozess einer Josephson-Vorrichtung gemäß einer siebten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben, wobei die Josephson-Vorrichtung der vorliegenden Ausführungsform eine Rampen-Kanten-Struktur aufweist und darin einen Josephson-Übergang aufweist, der durch eine künstliche nicht supraleitende Barrierenschicht von PrBa2Cu₃O_y gebildet ist. Bei der vorliegenden Ausführungsform wird Y_0,9Ba_1,9La_0,2Cu₃O_y für die erste supraleitende Schicht und Y_0,9Ba_1,9La_0,2Cu₃O_y für die zweite supraleitende Schicht verwendet.
Nachfolgend wird der Herstellungsprozess für eine Josephson-Vorrichtung 20 der vorliegenden Erfindung beschrieben.
7A–7E zeigen den Herstellungsprozess der Josephson-Vorrichtung 20.
Mit Bezug auf 7A wird die erste supraleitende Schicht 22 aus Y_0,9Ba_1,9La_0,2Cu₃O_y auf einem Substrat 21 durch einen außeraxialen RF-Sputterprozess mit einer Dicke von 200 nm ausgebildet, wobei das Substrat 22 ein MgO Substrat mit einer quadratischen Form mit 10 mm Kantenlänge sein kann. Weiterhin wird eine Zwischenschicht-Isolationsschicht 23 aus CeO₂ in der supraleitenden Schicht 22 auch durch einen außeraxialen RF-Sputterprozess mit einer Dicke von 200 nm ausgebildet.
Als nächstes wird in dem Schritt der 7B ein Resist-Muster 24 ausgebildet, so dass das Resist-Muster 24 eine leicht geneigte abgeschrägte Kante auf der Zwischenschicht-Isolationsschicht 23 aufweist, wobei ein solches Resist-Muster 24 durch Durchführen eines Reflowprozesses auf ein Resist-Muster nach dem Durchführen eines fotolithographischen Strukturierungsprozesses einer Resist-Schicht, die auf der Zwischenschicht-Isolationsschicht 23 ausgebildet ist, gebildet werden kann.
Als nächstes wird in dem Schritt der 7C ein Ätzprozess auf die Struktur der 7B durchgeführt, während das Resist-Muster 24 als Maske verwendet wird, wobei die Zwischenschicht-Isolationsschicht 23 und die erste supraleitende Schicht 22 einem Ätzprozess unterzogen werden, der durch eine Ar Ionen-Bestrahlung bei der Beschleunigungsspannung von 400 V mit dem Ionenstrom von 50 mA durchgeführt wird. Es sollte angemerkt werden, dass bei dem Ätzprozess die Ar Ionen mit einem Einfallswinkel von 30 ° bezüglich des Substrats auftreffen. Das Substrat 11 wird während des Ätzprozesses rotiert.
Als Ergebnis eines solchen Ätzprozesses wird ein leicht schräger Schnitt in die Zwischenschicht-Isolationsschicht 23 und auch in der ersten supraleitenden Schicht 22, wie in 7C angegeben ist, vorgenommen, wobei angemerkt werden sollte, dass die Oberfläche der Schräge mit einer beschädigten Schicht bedeckt ist, die durch den Ionenbeschuss während des Ätzprozesses gebildet wird.
Bei der vorliegenden Ausführungsform wird diese beschädigte Schicht mit Hilfe einer wässrigen Phosphorsäure entfernt.
Als nächstes wird in dem Schritt der 7D das Resist-Muster 24 durch Durchführen eines Veraschungs-Prozesses entfernt.
Als nächstes wird in dem Schritt der 7E eine Barrierenschicht 26 aus PrBa₂Cu₃Oy auf der so erhaltenen Struktur der 7D mit Hilfe eines außeraxialen RF-Sputterprozesses mit einer Dicke von 5 nm abgeschieden.
Weiterhin wird in dem Schritt der 7E eine zweite supraleitende Schicht 25 auf der Barrierenschicht 26 ausgebildet, wobei der Schritt des Ausbildens der zweiten supraleitenden Schicht 25 einen ersten Schritt des Abscheidens einer Y_0,9Ba_1,9La_0,2Cu₃O_y. Schicht mit einer Dicke von 10 nm und einen zweiten Schritt des Abscheidens einer weiteren Y_0,9Ba_1,9La_0,2Cu₃O_y Schicht auf der Yb_0,9Ba_1,9La_0,2Cu₃O_y Schicht, die in dem ersten Schritt ausgebildet wurde, durch Durchführen eines Laserabtragungsprozesses umfasst.
Als Ergebnis umfasst die Josephson-Vorrichtung 20 einen Josephson-Übergang, bei dem die Barrierenschicht 26 zwischen der ersten supraleitenden Schicht 22 und der zweiten supraleitenden Schicht 25 angeordnet ist.
Nach dem Ausbilden der Struktur der 7E wird eine Au Elektrode durch Abscheiden einer Au Schicht gebildet, worauf ein geeigneter Strukturierungsprozess folgt, und somit wird eine Anzahl von Josephson-Vorrichtungen auf dem Substrat 21 ausgebildet. In einem Beispiel werden 10 isolierte Josephson-Übergänge und 100 Josephson-Übergänge, die in Reihe geschaltet sind, gleichförmig in der quadratischen Fläche von 6 mm × 6 mm auf dem Substrat 21 gebildet.
Es hat sich herausgestellt, dass alle 10 Josephson-Übergänge auf dem Substrat 21 die I–V Kennlinien eines Übergangs vom RSJ Typ aufweisen. Bei diesen Josephson-Übergängen betrug das Produkt Ic·Rn bei 4,2 K 1,8–2,4 mV, und der kritische Strom Ic betrug ungefähr 0,8 mA. Weiterhin wurde bestätigt, dass die Varianz 1 σ des kritischen Stroms Ic für die zuvor beschriebenen 100 Übergänge 7,2 % betrug.
Drittes vergleichendes Beispiel
In einem dritten vergleichenden Beispiel wurden Josephson-Vorrichtungen mit der Rampen-Kanten-Struktur auf ähnliche Weise wie bei der zuvor beschriebenen sechsten Ausführungsform gebildet, abgesehen davon, dass der erste Schritt des Ausbildens der zweiten supraleitenden Schicht mit Hilfe des außeraxialen RF Sputterprozesses weggelassen wird. Bei dem dritten vergleichenden Beispiel war die Schichtausbildungsbedingung identisch zu dem Fall der sechsten Ausführungsform, abgesehen von dem vorangehend beschriebenen ersten Schritt.
In diesem dritten vergleichenden Beispiel wurde bestätigt, dass die 10 isolierten Josephson-Übergänge auf dem Substrat die I–V Kennlinien mit dem RSJ Typ aufweisen, und dass das Produkt Ic·Rn dieser Josephson-Übergänge 1,8–2,7 mV bei 4,2 K beträgt. Der kritische Strom Ic betrug ungefähr 0,8 mA. Die Varianz 1 σ, die für 100 Übergänge gemessen wurde, betrug in diesem vergleichenden Beispiel 10,2 %, wobei angemerkt sein sollte, dass der Wert dieser Varianz viel größer ist als die Varianz, die in der sechsten Ausführungsform erreicht wurde.
Somit wird geschlossen, dass man Josephson-Übergänge mit ausgezeichneten Kennlinien bzw. Eigenschaften erhalten kann, indem die zweite supraleitende Schicht zuerst durch Verwenden eines außeraxialen RF Sputterprozesses, der durch eine geringe kinetische Energie der Partikel, die auf die Substratoberfläche gelangen, gekennzeichnet ist, und daher eine geringe Schwankung ihrer kinetischen Energie aufweisen, ausgebildet wird. Die so gebildeten Josephson-Übergänge sind durch die Varianz 1 σ von 7,2 % für den kritischen Strom Ic und einem hohen Wert von 1,8–2,4 mV für das Produkt Ic·Rn gekennzeichnet.
Es sollte angemerkt werden, dass der erste Schritt der vorliegenden Ausführungsform nicht auf den außeraxialen RF Sputterprozess beschränkt ist, sondern dass auch andere Prozesse, wie z.B. ein Sputterprozess, ein Verdampfungsabscheidungsprozess im Vakuum oder ein Molekularstrahl-Epitaxie-Prozess ebenfalls verwendet werden können.

Claims

Verfahren zum Herstellen einer Josephson-Vorrichtung einer Rampen-Kanten-Struktur, mit den folgenden Schritten: Bilden einer ersten supraleitfähigen Schicht (12, 22) eines YBCO-Systems auf einem Substrat (11, 21); Bilden eines Isolationsfilms (13, 23) auf der ersten supraleitfähigen Schicht (12, 22); und Bilden einer zweiten supraleitfähigen Schicht (15, 25) eines YBCO-Systems auf dem Isolationsfilm (13, 23), dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Bildens der zweiten supraleitfähigen Schichten (15, 25) die folgenden Schritte umfasst: Entfernen des Isolationsfilms (13, 23) zumindest von einem vorbestimmten Bereich des Isolationsfilms (13, 23), um so die erste supraleitfähige Schicht (12, 22) freizulegen; Ausführen eines ersten Schritt des Ausbildens der zweiten supraleitfähigen Schicht (15, 25) nach dem Schritt des Entfernen des Isolationsfilms (13, 23); und Ausführen eines zweiten Schritts des Ausbildens der zweiten supraleitfähigen Schicht (15, 25) auf der zweiten supraleitfähigen Schicht, die in dem ersten Schritt gebildet wurde.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Entfernens des Isolationsfilms (13, 23) den Schritt des Entfernens eines Teils der ersten supraleitfähigen Schicht (12, 22) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der erste Schritt mit einer verbesserten Gleichförmigkeit gegenüber dem zweiten Schritt mit Bezug auf die Position-zu-Positions-Abweichung der Energie von Partikeln, die das Substrat (11, 100) erreichen, ausgeführt wird, wobei die Partikel eine Säule ausbilden, die zum Abscheiden der zweiten supraleitfähigen Schicht (15, 25) in dem ersten Schritt verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der erste Schritt durch einen physikalischen Abscheidungsprozess aus der Gasphase ausgeführt wird, wobei eine Mehrzahl von Verdampfungsquellen gleichzeitig verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei der erste Schritt durch einen physikalischen Abscheidungsprozess aus der Gasphase durchgeführt wird, wobei ein Hindernis (104) zwischen dem Substrat (106) und der Verdampfungsquelle vorgesehen wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der erste und der zweite Schritt durch einen physikalischen Abscheidungsprozess aus der Gasphase ausgeführt werden, und wobei der erste Schritt mit einem erhöhten Abstand zwischen dem Substrat (106) und einer Verdampfungsquelle verglichen zu dem zweiten Schritt durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der erste Schritt und der zweite Schritt durch einen physikalischen Abscheidungsprozess aus der Gasphase durchgeführt werden, wobei der erste Schritt mit einer reduzierten Energie einer Verdampfungsquelle verglichen mit dem zweiten Schritt durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der erste und der zweite Schritt durch einen physikalischen Abscheidungsprozess aus der Gasphase durchgeführt werden, wobei der erste Schritt mit einem erhöhten Umgebungsdruck verglichen zu dem zweiten Schritt durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der erste Schritt entweder durch einen Sputterprozess, einen Abscheidungsprozess aus der Gasphase im Vakuum oder durch einen Molekularstrahl-Epitaxie-Prozess durchgeführt wird, wobei der zweite Schritt durch einen Laserabtragungsprozess durchgeführt wird.
Josephson-Schaltkreis umfassend: eine Mehrzahl von Josephson-Vorrichtungen, die jeweils eine Rampen-Kanten-Struktur aufweisen, wobei jede der Josephson-Vorrichtungen umfasst: eine erste supraleitfähige Schicht (12, 22) eines YBCO-Systems; eine zweite supraleitfähige Schicht eines YBCO-Systems (15, 25) und eine Barrierenschicht (16, 26), die zwischen der ersten (12, 22) und der zweiten (15, 25) supraleitfähigen Schicht angeordnet ist, wobei die mehreren Josephson-Vorrichtungen jeweils kritische Ströme aufweisen, wobei eine Varianz 1 σ der kritischen Ströme der mehreren Josephson-Vorrichtungen weniger als 8 % bei 100 Josephson-Übergängen beträgt.