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Die Erfindung betrifft ein Supraleitungsbauteil mit Josephsonübergang, das
bei einer ersten Ausführungsform ein Substrat mit stufenförmigem
Oberflächenbereich und eine auf dem Substrat mit dem Stufenbereich ausgebildete
supraleitende Schicht aufweist, die über ein Dünnfilmgebiet verfügt, das
einen Josephsonübergang bildet.
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Die Erfindung betrifft auch ein Supraleitungsbauteil vom Typ mit
Josephsonübergang, mit, bei einer zweiten Ausführungsform, einem Substrat mit einem
vertieften Kanal mit Seitenwänden, wobei der Boden des Kanals parallel zur
Oberfläche des Substrats verläuft, und einer Schicht, die aus
supraleitendem Material entlang einer Seite mindestens einer der Seitenwände am Boden
des vertieften Kanals ausgebildet ist.
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Supraleitungsbauteile mit Josephsonübergang gemäß der ersten und zweiten
Ausführungsform sind im Dokument EP-A-0 291 050 offenbart. Im allgemeinen
kann gesagt werden, dass ein Supraleitungsbauteil mit Quanteninterferenz
mit einem supraleitenden Ring, der mit einem oder zwei Josephsonübergängen
koppelt, zum Messen des vom Herz, dem Auge, dem Gehirn oder einem ähnlichen
Organismus eines menschlichen Körpers erzeugten Magnetfelds verwendet wird.
Ein derartiges Bauteil wird als Supraleitungsbauteil mit Quanteninterferenz
oder als SQUID bezeichnet.
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Ein SQUID dient als Sensor zum Messen eines so extrem schwachen
Magnetfelds, wie es von Organismen erzeugt wird. Jedoch wird die Herstellung
eines Bauteils mit Josephsonübergang unter Verwendung einer
Feinverarbeitungstechnik ausgeführt, und das Funktionsvermögen als Sensor hängt
unmittelbar von Fehlern der Form des Bauteils nach der Verarbeitung ab. Ferner
ist das zu verwendende Supraleitungsmaterial ein Material, das im Gebrauch
im Verlauf der Zeit oxidiert wird. Wenn das verwendete
Supraleitungsmaterial oxidiert wird, beeinfluss dies das Funktionsvermögen als Sensor so
stark wie eine Verformung des Josephsonübergangs. Daher ist es schwierig,
das Anfangsfunktionsvermögens des Bauteils, wenn es hergestellt wird, über
die Zeit aufrechtzuerhalten.
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Herkömmlicherweise wird ein Oberflächenbereich des Josephsonübergangs vorab
oxidiert, um den Josephsonübergang gegen die Atmosphäre zu schützen,
wodurch ein Oxidfilm auf dem Oberflächenbereich ausgebildet wird. Wenn jedoch
ein Oxid auf dem Oberflächenbereich erzeugt wird, diffundiert Sauerstoff
fortschreitend im Verlauf der Zeit in eine Dünnfilmschicht aus
Supraleitungsmaterial, z. B. aus Nb. Im Ergebnis existiert das Problem, dass sich
die Eigenschaften des Bauteils auf Grund der verringerten Dicke des Nb-
Dünnfilms ändern.
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Es ist bereits bekannt, den Oberflächenbereich mit Kunstharzmaterial zu
bedecken. Bei diesen bekannten Techniken unterscheidet sich der
Wärmeexpansionskoeffizient des Kunstharzmaterials stark von dem des
Supraleitungsmaterials. Demgemäß werden im Kunstharzmaterial, wenn es thermischer
Hysterese von der Temperatur flüssigen Heliums von 4,2 K bis zur gewöhnlichen
Temperatur unterworfen wird, winzige Risse erzeugt, wodurch das SQUID
beeinträchtigt wird.
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Um das vorstehende Problem zu überwinden und um das SQUID gegen die
oxidierende Atmosphäre zu isolieren, kann daran gedacht werden, das SQUID in
einer Atmosphäre aus Inertgas, wie N&sub2;, aufzubewahren. Jedoch ist dies nicht
praxisgerecht, da es schwierig ist, Lecks zu verhindern.
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Ferner ist es bei existierenden SQUIDs schwierig, einen gleichmäßigen und
übermäflig dünnen Film von ungefähr 100 bis 200 Å herzustellen, und zwar
angesichts der aktuellen Feinverarbeitungstechnik. Darüber hinaus ist es
bei existierenden SQUIDs extrem schwierig, sie mit winziger Länge und
Breite genau und zufriedenstellender Reproduzierbarkeit bei einem
Verarbeitungsvorgang herzustellen, der die Größe und Form des Übergangs bestimmt.
Daher ist die Fehlerrate bei der Herstellung von SQUIDs extrem
beeinträchtigend.
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein hochempfindliches Josephsonbauteil
zu schaffen, das leicht mit hoher Genauigkeit hergestellt werden kann. Es
ist eine andere Aufgabe der Erfindung, ein Josephsonbauteil zu schaffen,
bei dem die Eigenschaften eines Josephsonübergangs dadurch verbessert sind,
dass Oxidation und Alterungsbeeinträchtigung supraleitender Schichten
zuverlässig verhindert sind.
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Die Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, dass bei der oben genannten
ersten Ausführungsform das Supraleitungsbauteil mit Josephsonübergang durch
eine Supraleitungsschicht gekennzeichnet ist, die folgendes aufweist: eine
auf dem Substrat ausgebildete erste supraleitende Dünnfilmschicht, eine
zweite supraleitende Dünnfilmschicht, die auf der ersten supraleitenden
Dünnfilmschicht unter Verwendung einer Schrägabscheidungstechnik so
hergestellt wurde, dass sie eine überhängende Filmkante aufweist, die die erste
supraleitende Dünnfilmschicht in einem Gebiet neben dem gestuften Bereich
nicht bedeckt, und eine dritte supraleitende Dünnfilmschicht, die auf der
ersten supraleitenden Dünnfilmschicht unter Verwendung einer
Schrägabscheidungstechnik von der entgegengesetzten Seite her so ausgebildet wurde, dass
sie die erste supraleitende Dünnfilmschicht im Gebiet neben dem
stufenförmigen Bereich nicht bedeckt, wobei die dritte supraleitende Dünnfilmschicht
ferner auf der zweiten supraleitenden Dünnfilmschicht und der Seitenwand
des stufenförmigen Bereichs ausgebildet ist und sie dünner als die zweite
supraleitende Dünnfilmschicht und dicker als die erste supraleitende
Dünnfilmschicht ist, wobei die Seitenwand der dritten supraleitenden
Filmschicht näher am stufenförmigen Bereich liegt, wo die Seitenwand der
dritten supraleitenden Dünnfilmschicht näher am Substrat liegt, und wobei das
Substrat auf dem Dünnfilmgebiet und dem dazu benachbarten Gebiet eine
Deckschicht aufweist, die aus einem normalleitendem Metall oder einem
Halbleitermaterial besteht.
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Bei einer weiteren Ausführungsform ist eine aus einem normalleitenden
Metau bestehende Schicht zwischen dem aus einem Halbleitermaterial
bestehenden Substrat und der ersten supraleitenden Dünnfilmschicht ausgebildet. Das
Supraleitungsmaterial ist bevorzugt Niob.
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Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird ferner dadurch gelöst, dass
bei der oben angegebenen zweiten Ausführungsform das Supraleitungsbauteil
vom Typ mit Josephsonübergang dadurch gekennzeichnet ist, dass mindestens
einer der Seitenwände rechtwinklig zu einer Oberfläche des Substrats
verläuft und die supraleitende Schicht folgendes aufweist: eine erste
supraleitende Dünnfilmschicht, die auf der Bodenfläche des vertieften Kanals
ausgebildet ist, eine zweite supraleitende Dünnfilmschicht, die auf der
ersten supraleitenden Dünnfilmschicht unter Verwendung einer
Schrägabscheidungstechnik so hergestellt wurde, dass sie eine überhängende Filmkante
aufweist, die die erste supraleitende Dünnfilmschicht in einem Gebiet neben
den Seitenwänden nicht bedeckt, und eine dritte supraleitende Dünnfilm
schicht, die auf der ersten supraleitenden Dünnfilmschicht unter Verwendung
einer Schrägabscheidungstechnik von der entgegengesetzten Seite her so
ausgebildet wurde, dass sie die erste supraleitende Dünnfilmschicht im
genannten Gebiet neben den Seitenwänden nicht bedeckt, wobei diese dritte
supraleitende Dünnfilmschicht ferner auf der zweiten supraleitenden
Dünnfilmschicht und einer Seitenwand des vertieften Kanals ausgebildet ist und
sie dünner als die zweite supraleitende Dünnfilmschicht und dicker als die
erste supraleitende Dünnfilmschicht ist, wobei die Seitenwände der dritten
supraleitenden Dünnfilmschicht an der Seite der Seitenwand des vertieften
Kanals, die näher an der entgegengesetzten Seitenwand des vertieften Kanals
liegt, wo die Seitenwand der dritten supraleitenden Dünnfilmschicht näher
am Boden des vertieften Kanals liegt.
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Auch bei dieser Ausführungsfor ist das Supraleitungsmaterial bevorzugt
Niob.
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Es wird darauf hingewiesen, dass eine Schrägabscheidungstechnik bei der
Herstellung eines Supraleitungsbauteils mit Josephsonübergang für sich aus
dem Dokument US-A-4 454 522 bekannt ist.
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Gemäß der Erfindung, ist das Dünnfilmgebiet, das aus auf dem Substrat
ausgebildetem Supraleitungsmaterial besteht, z. B. ein Teil des
Josephsonübergangs, und die aus normalleitendem Metall oder einem Halbleiter bestehende
Deckschicht ist auf dem Dünnfilmgebiet und dem diesem benachbarten Gebiet
ausgebildet. Dies ermöglicht es, das Dünnfilmgebiet gegen die oxidierende
Atmosphäre zu isolieren und dadurch eine Oxidation des Dünnfilmgebiets zu
verhindern. Außerdem weist die Deckschicht keine Beeinträchtigung, wie
Risse auf, selbst wenn sie thermischer Hysterese von der sehr niedrigen
Temperatur flüssigen Heliums bis zur gewöhnlichen Temperatur unterworden
wird. Demgemäß kann das Dünnfilmgebiet für lange Zeit geschützt werden. Das
die Deckschicht normalleitende Metall ist z. B. Cr oder Ta. Der die
Deckschicht bildende Halbleiter ist z. B. Si.
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Ferner ist, gemäß der Erfindung, die aus normalleitendem Material
bestehende Schicht auf dem Substrat ausgebildet, und das aus Supraleitungsmaterial
bestehende Dünnfilmgebiet ist auf der Schicht aus normalleitendem Material
ausgebildet, wodurch ein Josephsonübergang erhalten ist. Demgemäß ist das
Dünnfilmgebiet auf der reinen Schicht ausgebildet, wodurch die
Eigenschaften des Josephsoneffekts zuverlässig erhalten werden. Ferner ist es
möglich, da die tatsächliche Dicke des Dünnfilmgebiets auf Grund des
Annäherungseffekts
kleiner gemacht werden kann, eine Schicht zu erzeugen, die aus
relativ dickem Supraleitungsmaterial besteht. Daher kann ein derartiger aus
Supraleitungsmaterial bestehender Dünnfilm leicht hergestellt werden.
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Ferner ist, gemäß der Erfindung, die aus normalleitendem Material
bestehende Schicht weiterhin auf dem Josephsonübergang ausgebildet, wodurch der
Josephsonübergang gegen die Außenatmosphäre geschützt werden kann. Außerdem
kann die tatsächliche Dicke des Josephsonübergangs auf Grund des
Annäherungseffekts so eingestellt werden, dass sie kleiner ist.
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Das für die auf dem Substrat ausgebildete Schicht verwendete normalleitende
Material und das für die auf dem Josephsonübergang ausgebildete Schicht
verwendete Supraleitungsmaterial kann z. B. Cr oder Ta sein, oder es kann
ein Supraleitungsmaterial mit niedrigerer kritischer Temperatur als der des
den Josephsonübergang bildenden Supraleitungsmaterials sein. Das
Supraleitungsmaterial mit niedrigerer kritischer Temperatur als der des
Supraleitungsmaterials für den Josephsonübergang ist ebenfalls in einem Konzept
hinsichtlich des normalleitenden Materials enthalten.
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Darüber hinaus ist, gemäß der Erfindung, der vertiefte Kanal im Substrat z.
B. unter Verwendung einer Trockenätztechnik ausgebildet, der Boden des
vertieften Kanals ist rein und auf dem Boden ist ein aus
Supraleitungsmaterial bestehendes Dünnfilmgebiet ausgebildet, wodurch der Josephsonübergang
erhalten ist.
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Ferner wird, gemäß der Erfindung, das den Josephsonübergang bildende
Dünnfilmgebiet dadurch hergestellt, dass das Supraleitungsmaterial aus schrägen
Richtungen unter Verwendung entgegengesetzter Seitenwände des vertieften
Kanals abgeschieden wird, wobei der bereits ganz am Boden des vertieften
Kanals ausgebildete Dünnfilm teilweise freigelegt wird, wodurch das
Dünnfilmgebiet erhalten wird. Auf diese Weise kann das den Josephsonübergang
bildende Dünnfilmgebiet am reinen Boden des vertieften Kanals hergestellt
werden.
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Auch wird, gemäß der Erfindung, eine aus normalleitendem Metall oder einem
Halbleiter bestehende Deckschicht auf dem Dünnfilmgebiet ausgebildet, das
aus dem auf dem Substrat und einem zugehörigen, benachbarten Gebiet
ausgebildeten Supraleitungsmaterial besteht. Dies ermöglicht es, das
Dünnfilmgebiet gegen Oxidation zu schützen. Außerdem wird die Deckschicht im Verlauf
der Zeit selbst dann nicht beeinträchtigt, wenn sie wiederholt thermischer
Hysterese von sehr niedriger Temperatur bis zur gewöhnlichen Temperatur
unterworfen wird. Auf diese Weise kann ein Josephsonbauteil erhalten
werden, dessen Eigenschaften sich über lange Zeit nicht ändern.
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Ferner kann, gemäß der Erfindung, auf Grund des Annäherungseffekts der aus
normalleitendem Material bestehenden Schicht, die auf dem Substrat
ausgebildet ist, und der aus normalleitendem Material bestehenden Schicht, die
auf dem Josephsonübergang ausgebildet ist, die tatsächliche Dicke des
Josephsonübergangs kleiner gemacht werden. Dies macht die Eigenschaften des
Josephsoneffekts zufriedenstellend, wodurch es möglich ist, dass der
Josephsonübergang höhere Empfindlichkeit aufweist. Ferner kann die
Herstellung relativ leicht ausgeführt werden, da das den Josephsonübergang
bildende Dünnfilmgebiet relativ dick sein kann.
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Darüber hinaus wird, gemäß der Erfindung, der vertiefte Kanal im Substrat
hergestellt und das aus dem Supraleitungsmaterial bestehende Dünnfilmgebiet
wird am Boden des vertieften Kanals hergestellt, wodurch der
Josephsonübergang erhalten wird. Demgemäß wird das Dünnfilmgebiet am reinen Boden des
vertieften Kanals hergestellt. Daher kann ein Josephsonbauteil mit
hervorragenden Eigenschaften des Josephsoneffekts hergestellt werden.
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Da der vertiefte Kanal im Substrat hergestellt wird und der Dünnfilm
teilweise freigelegt wird, um das den Josephsonübergang bildende Dünnfilmgebiet
durch Ausführen einer Schrägabscheidung unter Verwendung der
entgegengesetzten Seitenwände des vertieften Kanals auszuführen, kann der
Herstellprozess gemäß der Erfindung vereinfacht sein und der gesamte Prozess kann
im selben Vakuum ausgeführt werden. Dies bewirkt, dass die Herstellung des
Josephsonbauteils noch einfacher ausgeführt werden kann und eine
Verunreinigung der Oberfläche des Substrats einschließlich des Bodens des
vertieften Kanals verhindert werden kann.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Andere und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus
der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen
deutlicher, in denen:
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Fig. 1 eine Schnittansicht eines ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung
ist;
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Fig. 2(1) bis 2(6) Schnittansichten sind, die einen Herstellprozess für das
in Fig. 1 dargestellte erste Ausführungsbeispiel veranschaulichen;
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Fig. 3 ein Kurvenbild ist, das die Temperaturabhängigkeit des Widerstands
von Si zeigt, das eine Deckschicht 9 bildet;
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Fig. 4 eine Schnittansicht einer Modifizierung des ersten
Ausführungsbeispiels der Erfindung ist;
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Fig. 5(1) bis 5(8) Schnittansichten sind, die einen Herstellprozess für das
in Fig. 4 dargestellteAusführungsbeispiel veranschaulichen;
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Fig. 6 ein Kurvenbild ist, das die I-V-Charakteristik eines supraleitenden
Quanteninterferenzbauteils zeigt;
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Fig. 7 ein Kurvenbild ist, das die Beziehung zwischen der Dicke dli eines
Josephsonbereichs 14a und einem Strom I1 zeigt, wobei es sich um ein vom
Erfinder des Anmeldegegenstands erhaltenes Versuchsergebnis handelt;
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Fig. 8 ein Kurvenbild ist, das die I-V-Charakteristik für den Fall zeigt,
dass die Dicken einer ersten, zweiten und fünften Schicht 11, 14, 18, die
dlo, dli bzw. dis sind, jeweils auf 200 Å eingestellt sind, wobei es sich
um ein vom Erfinder des vorliegenden Anmeldegegenstands erhaltenes
Versuchsergebnis handelt;
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Fig. 9 eine Schnittansicht eines supraleitenden Quanteninterferenzbauteils
gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist;
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Fig. 10(1) bis 10(5) Schnittansichten sind, die einen Herstellprozess für
das in Fig. 9 dargestellte zweite Ausführungsbeispiel veranschaulichen; und
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Fig. 11 eine Schnittansicht ist, die ein bekanntes supraleitendes
Quanteninterferenzbauteil zeigt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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Nun werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen bevorzugte
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Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben.
[Ausführungsbeispiel 1]
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Fig. 1 ist eine Schnittansicht, die teilweise ein supraleitendes
Quanteninterferenzbauteil mit Josephsonübergang gemäß einem ersten
Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt, und die Fig. 2(1) bis 2(6) sind
Schnittansichten, die einen Hersteliprozess für das SQUID veranschaulichen. Gemäß diesen
Zeichnungen besteht ein Substrat 1 aus Quarz, Saphir, Si, das ein
Halbleiter ist, oder einem ähnlichen Material. Eine erste Schicht 2 in Form eines
Dünnfilms wird durch Abscheiden oder eine Sputtertechnik auf der gesamten
Oberfläche des Substrats 1 hergestellt, wie es in Fig. 2(1) dargestellt
ist. Material für die erste Dünnfilmschicht 2 kann z. B. Nb sein, das ein
Supraleitungsmaterial ist, oder Cr oder Ta, die normalleitende Materialien
sind, oder es kann ein unmetallisches Material sein. Die Dicke d11 der
ersten Dünnfilmschicht 2 beträgt z. B. 100 bis 200 Å (1 Å = 0,1 nm).
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Von der ersten Dünnfilmschicht 2 wird ein Bereich selektiv unter Verwendung
eines Ätzvorgangs oder dergleichen so entfernt, dass eine lange und schmale
Basis 2a in Form einer Stufe hergestellt werden kann, wie es in Fig. 2(2)
dargestellt ist. Fig. 2(3) ist eine Draufsicht, die das Substrat 1 zeigt,
auf dem die Basis 2a ausgebildet ist. Die Länge L1 der Basis 2a beträgt z.
B. 1 bis 5 µm.
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Danach wird, wie es in Fig. 2(4) dargestellt ist, Supraleitungsmaterial wie
Nb aus der Richtung 3 rechtwinklig zur Oberfläche des Substrats 1
abgeschieden, wodurch auf den Oberflächen des Substrats 1 und der Basis 2a eine
zweite Schicht 4 hergestellt wird. Die Dicke d2 der zweiten Schicht 4
beträgt z. B. 80 bis 200 Å, vorzugsweise 80 bis 150 Å und bevorzugter 100 Å.
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Danach wird, wie es in Fig. 2(5) dargestellt ist, Supraleitungsmaterial Nb
aus der Richtung eines Pfeils 6 abgeschieden, wodurch eine dritte Schicht 5
hergestellt wird. Die Dicke d3 der dritten Schicht 5 beträgt z. B. 1000 Å.
Die Abscheidungsrichtung 6 bildet einen Winkel ei in Bezug auf die
Oberfläche des Substrats 1. Der Winkel Θ1 liegt z. B. zwischen 25 und 70 und
vorzugsweise zwischen 25 und 50º, und Teilchen von Supraleitungsmaterial
werden von der Basis 2a geliefert.
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Anschließend wird, wie es in Fig. 2(6) dargestellt ist,
Supraleitungsmaterial
Nb aus der Richtung eines Pfeils 7 auf der dritten Schicht 5
abgeschieden, wodurch eine vierte Schicht 8 hergestellt wird. Die Dicke d4 der
vierten Schicht 8 beträgt z. B. 500 Å, und die Summe der Dicken d3 und d4
beträgt z. B. 200 bis 2000 Å. Auf diese Weise wird ein Dünnfilmgebiet 4a
hergestellt, das weder durch die dritte Schicht 5 noch die vierte Schicht 8
bedeckt ist. Der Josephsonübergang ist auf dem Dünnfilmgebiet 4a
hergestellt.
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Im letzten Stadium wird auf der vierten Schicht 8 und dem Dünnfilmgebiet 4a
eine aus leitendem oder haibleitendem Material bestehende Deckschicht 9
unter Verwendung einer Sputtertechnik hergestellt, wie in Fig. 1
dargestellt. Das die Deckschicht 9 bildende leitende Material ist z. B. ein
metallisches Material wie Cr oder Ta. Andererseits ist das die Deckschicht
9 bildende halbleitende Material z. B. Si. Insbesondere ist es bevorzugt,
dass die Deckschicht 9 aus Si besteht, da die Temperaturabhängigkeit des
Widerstands von Si eine solche Charakteristik aufweist, dass der
elektrische Widerstand bei sehr niedrigen Temperaturen praktisch unendlich wird,
wie es in Fig. 3 dargestellt ist.
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Wie es in den Fig. 2(5), 2(6) dargestellt ist, werden die dritte und die
vierte Schicht 5, 8 unter Verwendung sozusagen einer
Schrägabscheidungstechnik hergestellt, und auch das Dünnfilmgebiet 4a, auf dem der
Josephsonübergang ausgebildet ist. Danach wird die Deckschicht 9 hergestellt,
wodurch das Dünnfilmgebiet 4a und die dritte und vierte Schicht 5, 8 durch
diese Deckschicht 9 gegen die Außenatmosphäre isoliert werden. Das die
Deckschicht bildende leitende oder halbleitende Material hat einen
Wärmeausdehnungskoeffizient, der dem der zweiten, dritten und vierten Schicht 4,
5, 8 ähnlich ist. Demgemäß besteht selbst dann, wenn das SQUID wiederholt
thermischer Hysterese von der sehr niedrigen Temperatur z. B. flüssigen
Heliums bis zur normalen Temperatur unterworfen wird, keine
Wahrscheinlichkeit, dass winzige Risse in der Deckschicht 9 hervorgerufen werden.
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Beim vorstehenden Ausführungsbeispiel wird das Dünnfilmgebiet 4a unter
Verwendung der Schrägabscheidungstechnik hergestellt.
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Gemäß einem vom Erfinder dieses Anmeldegegenstands ausgeführten Versuch
wurde klargestellt, dass die Eigenschaften des Josephsoneffekts über eine
lange Periode aufrechterhalten werden können, wenn die Dicke d2 der zweiten
Schicht 4 auf 80 A eingestellt wird, die Summe aus den Dicken d3 und d4 der
dritten und vierten Schicht 5, 8 in der Nähe des Dünnfilmgebiets 4a mit dem
darauf ausgebildeten Josephsonübergang auf 200 bis 2000 Å eingestellt wird
und die Dicke d5 der aus Cr, das ein normalleitendes Material bildet,
bestehenden Deckschicht 9 auf 100 Å eingestellt wird. Demgegenüber zeigt ein
Vergleichsbeispiel, bei dem die Deckschicht 9 aus Nioboxid besteht, dessen
Dicke auf 100 Å eingestellt ist, eine Beibehaltungsperiode für die
Eigenschaften des Josephsoneffekts, die kürzer als die bei der Erfindung ist.
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Fig. 4 ist eine teilgeschnittene Ansicht eines supraleitenden Quanteninter
ferenzbauteils gemäß einer Modifizierung des ersten Ausführungsbeispiels
der Erfindung, und die Fig. 5(1) bis 5(8) sind Schnittansichten, die einen
Hersteliprozess für das SQUID veranschaulichen. Ein in Fig. 5(1)
dargestelltes Substrat 1 besteht aus Quarz, Saphir, einem Halbleiter wie Si,
ähnlich wie das beim ersten Ausführungsbeispiel dargestellte Substrat 1.
Eine aus einem normalleitendem Material bestehende Schicht 11 wird auf dem
Substrat 1 hergestellt. Das die erste Schicht 1 bildende normalleitende
Material kann Cr oder Ta sein. Alternativ kann die erste Schicht 11 aus
einem Supraleitungsmaterial, wie Tb, mit niedriger kritischer Temperatur,
unter der kritischen Temperatur einer zweiten Schicht 14, die einen
Josephsonübergang 14a bildet, bestehen; mit einem nachfolgend zu beschreibenden
Dünnfilmgebiet. Die Dicke d10 der ersten Schicht 11 beträgt z. B. 100 bis
200 Å.
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Anschließend wird eine Dünnschicht 12 vollständig auf der ersten Schicht 11
hergestellt, wie in Fig. 5(2) dargestellt. Die Dünnschicht 12 kann aus
normalleitendem Material bestehen, z. B. einem metallischen Material wie Cr
oder Ta. Alternativ kann die Dünnschicht 12 aus einem nichtmetallischen
Material oder einem Supraleitungsmaterial wie Nb bestehen. Die Dicke d11
der Dünnschicht 12 beträgt z. B. 100 bis 200 Å. Nach der Herstellung der
Dünnschicht 12 wird die erste Schicht 11 unter Verwendung eines Ätzvorgangs
oder dergleichen zu einer langen und schmalen Stufe bearbeitet, wodurch
eine Basis 12a hergestellt wird, wie es in Fig. 5(3) dargestellt ist. Fig.
5(4) ist eine Draufsicht, die das Substrat 1 zeigt, auf dem die Basis 12a
ausgebildet ist. Die Länge L1 der Basis 12a beträgt z. B. 1 bis 5 µm.
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Danach wird, wie es in Fig. 5(5) dargestellt ist, eine zweite Schicht 14
durch Abscheidung in Richtung eines Pfeils 13 hergestellt. Die
Pfeilrichtung 13 verläuft rechtwinklig zur Oberfläche des Substrats 1, d.h. der
ersten Schicht 11. Die zweite Schicht 14 besteht aus Supraleitungsmaterial,
z.
B. Nb. Die Dicke d12 der zweiten Schicht 14 beträgt z. B. 300 bis 500 Å
und kann relativ groß sein.
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Anschließend wird, wie es in Fig. 5(6) dargestellt ist, eine dritte Schicht
15 durch Abscheidung aus der Richtung eines Pfeils 16 hergestellt. Die
dritte Schicht 15 besteht aus Supraleitungsmaterial Nb. Ein Winkel Θ11
zwischen der Pfeilrichtung 16 und der Oberfläche der zweiten Schicht 14
beträgt z. B. zwischen 25 und 70º, vorzugsweise zwischen 25 und 50º. Die
Dicke d13 der dritten Schicht 15 beträgt z. B. 1000 Å.
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Wie es in Fig. 5(7) dargestellt ist, wird eine vierte Schicht 18 durch
Abscheidung aus der Richtung eines Pfeils 17 hergestellt. Die vierte
Schicht 18 besteht aus dem Supraleitungsmaterial Nb und ihre Dicke d14
beträgt z. B. 500 Å. Die Summe der Dicken d13 und d14 ist zu 200 bis 2000 Å
ausgewählt. Ein Winkel Θ12 zwischen der Pfeilrichtung 17 und der Oberfläche
der zweiten Schicht 14 beträgt zwischen 25 und 70º, bevorzugt zwischen 25
und 50º. Auf diese Weise werden, wie es in den Fig. 5(6) und 5(7)
dargestellt ist, die dritte und vierte Schicht 15, 18 durch sozusagen eines
Schrägabscheidungstechnik aus den Richtungen 16, 17 aus entgegengesetzten
Seiten hergestellt, wodurch die zweite Schicht 14 teilweise frei liegt und
dabei ein Dünnfilmgebiet 14a bildet. Infolgedessen kann ein
Josephsonübergang erhalten werden.
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Im letzten Stadium wird, wie es in Fig. 5(8) dargestellt ist, eine fünfte
Schicht 19 ganz auf den Oberflächen des Josephsonübergangs 14a, der dritten
und der vierten Schicht 15, 18 unter Verwendung einer Sputtertechnik
hergestellt. Die Dicke dis der fünften Schicht 19 beträgt z. B. 100 bis 200 Å,
und sie besteht aus einem ähnlichen Material wie die erste Schicht 11.
Genauer gesagt, besteht die fünfte Schicht 19 aus Cr, Ta oder einem anderen
normalleitenden Material, oder aus einem Supraleitungsmaterial wie Pd mit
einer niedrigen kritischen Temperatur unter der kritischen Temperatur des
die zweite Schicht 14 bildenden Supraleitungsmaterials. Auf diese Weise
kann die in Fig. 5(8) dargestellte Konfiguration, d.h. die in Fig. 4
dargestellte Konfiguration, erhalten werden.
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Durch Ausführen der Schrägabscheidung aus den zwei Richtungen 16, 17, wie
in Fig. 5(6) bzw. 5(7) dargestellt, ist es ermöglicht, den
Josephsonübergang 14a mit hoher Genauigkeit herzustellen, so dass eine Breite W1 (siehe
Fig. 5(7)) auf z. B. 1 pm eingestellt werden kann. Ferner kann, wie es in
den Fig. 5(3) und 5(4) dargestellt ist, ein Josephsonübergang 14a mit einer
Länge, die der Länge L2 der Basis 12a entspricht, mit hoher Genauigkeit
hergestellt werden. Auf dieses Weise kann der Josephsonübergang 14a dadurch
hergestellt werden, dass seine Breite W1 und seine Länge L2 bei einem
einfachen Herstellprozess mit hoher Genauigkeit kontrolliert werden. Ferner
kann die Breite W1 des Josephsonübergangs 14a durch Ändern der Winkel Θ11,
Θ12 der Pfeilrichtungen 16, 17 in bezug auf die Oberfläche der zweiten
Schicht 14 bei einer Schrägabscheidungstechnik auf einen gewünschten Wert
eingestellt werden. Genauer gesagt, können bei der
Schrägabscheidungstechnik die durch die Pfeilrichtungen 16, 17 gebildeten Winkel Θ11, Θ12 leicht
auf gewünschte Weise geändert werden, weswegen eine Einstellung der
optimalen Form eines SQUID leicht ausgeführt werden kann. Anders gesagt, lässt
sich die Herstellbarkeit eines SQUID verbessern, da die
Schrägabscheidungstechnik bei der Herstellung eines Josephsonübergangs 14a des SQUID mit
genauer Länge L2 und Breite W1 hervorragend kontrollierbar ist.
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Der Josephsonübergang 14a hat einen Sandwichaufbau mit drei Schichten aus
der ersten, zweiten und fünften Schicht 11, 14, 19. Bei der Erfindung
besteht der hervorragende Vorteil, dass die Schrägabscheidungstechnik bei
einem Josephsonbauteil mit einem derartigen Aufbau angewandt werden kann.
Genauer gesagt, bildet dieses Josephsonbauteil einen Aufbau, der dazu
geeignet ist, vorteilhafte Eigenschaften aus der Schrägabscheidungstechnik zu
ziehen.
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Fig. 6 ist ein Kurvenbild, das die I-V-Charakteristik des in den Fig. 4 und
dargestellten supraleitenden Quanteninterferenzbauteils zeigt. Um den im
Supraleitungszustand erzielbaren maximalen Strom, d.h. den kritischen Strom
I1 kleiner zu machen, ist es erforderlich, den Josephsonübergang 14a dünn
herzustellen. Jedoch unterliegt ein SQUID stärker schlechteren Einflüssen
abhängig von einem Korrosionszustand desselben, wenn seine Dicke dünner
ist. Darüber hinaus ist es sehr schwierig, eine dünne zweite Schicht 14
herzustellen. Beim vorstehenden Ausführungsbeispiel ist die zweite Schicht
14 relativ dünn ausgebildet und zwischen der ersten und fünften Schicht 11,
19 eingebettet. Demgemäß erscheint der Josephsonübergang 14a auf Grund des
Annäherungseffekts ziemlich dick, was es ermöglicht, den kritischen Strom
I1 zu erniedrigen.
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Fig. 7 ist ein Kurvenbild, das ein vom Erfinder des Anmeldegegenstands
erzieltes Versuchsergebnis zeigt. Eine Linie 25 in Fig. 7 repräsentiert die
Charakteristik des in den Fig. 4 und 5 dargestellten SQUID. Eine Linie 26
repräsentiert die Charakteristik eines anderen Ausführungsbeispiels der
Erfindung, bei dem die fünfte Schicht 19 weggelassen ist und ein
Josephsonübergang 14a auf einer ersten Schicht 11 ausgebildet ist. Eine Linie 27
repräsentiert die Charakteristik eines vorhandenen SQUIDs zum Vergleich,
bei dem ein Josephsonübergang 54 unmittelbar auf einem in Fig. 11
dargestellten Substrat 1 ausgebildet ist und eine erste und eine fünfte Schicht
11, 19 weggelassen sind. Es ist allgemein bevorzugt, dass der kritische
Strom I1 im Bereich von 10 bis 120 µA liegt. Um einen derartig relativ
kleinen kritischen Strom I1 zu erzielen, wie durch die Linien 25, 26
repräsentiert, ist es ersichtlich, dass die Änderungsrate des kritischen Stroms
I1 selbst klein sein muss, wenn die Dicke d12 des Josephsonübergangs 14a
beim erfindungsgemäßen Aufbau stark schwankt. Daher ist es gemäß der
Erfindung möglich, den kritischen Strom I1 des SQUID leicht zu steuern, um ihn
kleiner zu machen.
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Alternativ kann die fünfte Schicht 19 aus dem Aufbau weggelassen werden.
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Gemäß einem anderen vom Erfinder des Anmeldegegenstands ausgeführten
Versuch konnte klargestellt werden, wenn die erste und fünfte Schicht 11, 19
aus Ta und Cr bestanden, die zweite, dritte und vierte Schicht 14, 15, 18
aus Nb mit einer Reinheit von 99,9 % bestanden, die Dicken d10, d15 der
ersten und fünften Schicht 11, 19 auf 100 Å eingestellt waren, die Dicke
der zweiten Schicht 14, auf der der Josephsonübergang 14a ausgebildet ist,
auf 100 Å eingestellt war und die Winkel Θ11, Θ12 zwischen 25 und 50º
ausgewählt waren, dass die Defektrate bei der Herstellung eines SQUID, das
einen bevorzugten kritischen Strom I1 von 10 bis 100 µA erzielen kann,
stärker als bei bekannten Techniken verbessert ist, bei denen die erste und
fünfte Schicht 11, 19, wie oben beschrieben, nicht vorhanden sind. Wenn der
kritische Strom I1 100 µA beträgt, beträgt die zugehörige Ausgangsspannung
ungefähr 10 µV.
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Wenn die Dicken d10, d11, d15 der ersten, zweiten und fünften Schicht 11,
14, 19 auf 200 Å eingestellt werden, wobei die anderen Bedingungen mit den
vorstehend angegebenen übereinstimmen, kann auch gezeigt werden, dass die
Fehlerrate auf einem bevorzugten Niveau aufrechterhalten bleibt. Dabei
beträgt der kritische Strom I1 120 µA und die zugehörige Ausgangsspannung
beträgt 9 µV.
[Ausführungsbeispiel 2]
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Fig. 9 ist eine Schnittansicht, die einen Teil eines supraleitenden
Quanteninterferenzbauteils gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der
Erfindung zeigt, und die Fig. 10(1) bis 10(5) sind Schnittansichten, die einen
Herstellprozess für das supraleitende Quanteninterferenzbauteil
veranschaulichen. Ein Substrat 1 besteht aus Quarz, Saphir oder einem
Halbleitermaterial wie Si, ähnlich wie das beim ersten Ausführungsbeispiel gezeigte
Substrat 1. Ein solches Substrat 1 wird so hergestellt, wie es in Fig. 10(1)
dargestellt ist.
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Anschließend wird im Substrat 1 ein vertiefter Kanal 21 hergestellt, wie in
Fig. 10(2) dargestellt. Der vertiefte Kanal 21 verfügt über einen Boden 22
und einander gegenüberstehende Seitenwände 23, 24. Die Seitenwände 23, 24
des vertieften Kanals 21 verlaufen rechtwinklig zum Moden 22. Der vertiefte
Kanal 21 kann z. B. unter Verwendung einer Trockenätztechnik hergestellt
werden. Die Tiefe d21 des Kanals 21 beträgt z. B. 4000 bis 5000 Å, seine
Breite W2 beträgt z. B. 1 µm und seine Länge L3 in der Richtung
rechtwinklig zur Zeichnungsebene in Fig. 10(2) kann z. B. 1 bis 5 µm betragen,
ähnlich wie die Längen L1, L2 beim ersten Ausführungsbeispiel und dessen
Modifizierung.
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Die Trockenätztechnik kann z. B. eine Sputtertechnik sein, bei der eine
Resistschicht mit einem dem Kanal 21 entsprechenden Loch an der Oberfläche
des Substrats 1 hergestellt wird und dafür gesorgt wird, dass Argonionen
Ar&spplus; in eine Plasmaatmosphäre hineinschießen.
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Danach wird, wie es in Fig. 10(3) dargestellt ist, Supraleitungsmaterial
wie Nb auf dem vertieften Kanal 21 von oben her abgeschieden, wie es durch
einen Pfeil 33 gekennzeichnet ist, d.h. in der Richtung rechtwinklig zum
Moden 22 des Kanals 21, wodurch eine erste Schicht 34 hergestellt wird. Die
erste Schicht 34 wird außer an der Oberfläche des vertieften Kanals 21 auch
auf der Oberfläche des Substrats 1 hergestellt. Die Dicke d22 der ersten
Schicht 34 beträgt 80 bis 200 Å, vorzugsweise 80 bis 150 Å und bevorzugter
100 Å. Das Supraleitungsmaterial Nb wird aus der Richtung des Pfeils 36 auf
der ersten Schicht 34 abgeschieden, wodurch eine zweite Schicht 35
hergestellt wird, wie in Fig. 10(4) dargestellt. Die Abscheidung des
Supraleitungsmaterials Nb aus der Richtung des Pfeils 36 wird durch eine Seitenwand
23 unterbrochen, weswegen die zweite Schicht 35 auf einem Teil der ersten
Schicht 34 am Boden 22 des vertieften Kanals 21 hergestellt wird. Ein
Winkel Θ21 zwischen der Pfeilrichtung 36 und der Oberfläche des Bodens 22
beträgt z. B. zwischen 25 und 70º, bevorzugt zwischen 25 und 50º. Die Dicke
d23 der zweiten Schicht 35 beträgt z. B. 1000 Å.
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Danach wird, wie es in Fig. 10(5) dargestellt ist, Supraleitungsmaterial Nb
auf der Oberfläche der ersten Schicht 34 aus der Richtung eines Pfeils 37
abgeschieden, um eine dritte Schicht 38 herzustellen. In diesem Fall wird
die Abscheidung durch die andere Seitenwand 24 unterbrochen, wodurch die
dritte Schicht 38 auf einem anderen Teil der ersten Schicht 34 am Boden 22
hergestellt wird, wo die zweite Schicht 35 nicht ausgebildet ist. Die Dicke
d24 der dritten Schicht 38 beträgt z. B. 500 Å, und die Summe der Dicken
d23 und d24 wird so ausgewählt, dass sie z. B. 200 bis 2000 Å beträgt. Ein
Winkel Θ22 zwischen der Pfeilrichtung 37 und der Oberfläche des Bodens 22
beträgt zwischen 25 und 70º, bevorzugt zwischen 25 und 50º. Auf diese Weise
wird auf der ersten Schicht 34 ein Dünnfilmgebiet 34a hergestellt, nämlich
ein teilweise freiliegendes Gebiet, das durch die erste und dritte Schicht
35, 38 gebildet ist, wodurch ein Josephsonübergang erhalten werden kann.
Auf diese Weise wird Schrägabscheidung von entgegengesetzten Seiten des
vertieften Kanals 21, wie durch die Pfeilrichtungen 36, 37 gekennzeichnet,
unter Verwendung der entgegengesetzten Seitenwände 23, 24 des vertieften
Kanals 21 ausgeführt, wodurch das als Josephsonübergang dienende
Dünnfilmgebiet 34a ausgebildet wird. Durch Ändern der Abscheidungswinkel Θ21, eΘ22
können die Tiefe d21 des vertieften Kanals 21 sowie die Dicken d23, d24 der
zweiten und dritten Schicht 35, 38 und die Form und Charakteristik des
Josephsonübergangs frei kontrolliert werden.
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Dieser Herstellprozess kann vollständig im selben Vakuum ausgeführt werden,
was seinerseits verhindert, dass irgendeine Oberfläche des Substrats 1
einschließlich des vertieften Kanals 21 verunreinigt wird. Daher ist die
Herstellung einfacher und geschickter.
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Gemäß einem noch anderen vom Erfinder des Anmeldegegenstands ausgeführten
Versuch betrug, wenn auf einem Si-Substrat 1 ein vertiefter Bereich 21 mit
einer Tiefe d21 von 4000 Å hergestellt wurde, Nb als Supraleitungsmaterial
verwendet wurde und ein supraleitendes Quanteninterferenzbauteil dadurch
hergestellt wurde, dass die Dicken d22, d23, d24 einer ersten, zweiten und
dritten Schicht 34, 35, 38 auf 100 Å, 1000 Å bzw. 500 Å und die
Abscheidungswinkel Θ21, Θ22 zwischen 30 und 70º eingestellt wurden, der kritische
Strom 100 µA bei einer zugehörigen Ausgangsspannung von 10 µV, wodurch
zweckdienliche Eigenschaften erhalten werden konnten.
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Ferner betrug, wenn die Dicke d22 der ersten Schicht 34 auf 200 Å
eingestellt wurde, wobei die anderen Bedingungen mit den vorstehend angegebenen
übereinstimmten, der kritische Strom 18 µA und die zugehörige
Ausgangsspannung betrug 7 µV, wodurch erneut zweckdienliche Eigenschaften erzielt
werden konnten.
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Es ist zu beachten, dass die Erfindung nicht nur bei einem supraleitenden
Quanteninterferenzbauteil realisiert werden kann, sondern auch bei anderen
Josephsonbauteilen.
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Die vorliegenden Ausführungsbeispiele sind in jeder Hinsicht als
veranschaulichend und nicht als beschränkend anzusehen, da der Schutzumfang der
Erfindung durch die beigefügten Ansprüche statt die vorstehende
Beschreibung angegeben ist, weswegen alle Änderungen, die in die Bedeutung und den
Äguivalenzbereich der Ansprüche fallen, als von diesen umfasst angesehen
werden sollen.