KR100251533B1 - 입방정 와이비씨오 박막을 이용한 초전도 접합의 제조 방법 - Google Patents
입방정 와이비씨오 박막을 이용한 초전도 접합의 제조 방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 입방정 와이비씨오 박막을 이용한 초전도 접합의 제조 방법에 관한 것으로, 특히 산화물 밑틀층, 제 1 산화물 초전도층, 산화물 절연층, 비초전도 산화물 장벽층, 제 2 산화물 초전도층, 산화물 보호층 및 금속 전극층으로 구성된 터널형 접합을 산화물 단결정 기판 위에 제조하는 방법에 관한 것이다.
종래의 기술에 의한 터널형 조셉슨 접합은 초전도 박막과 비초전도 장벽 박막 사이의 격자 상수와 열팽창 계수의 차이에 의해서 응력이 발생하여 결정성이 저하되고, 제 1 및 제 2 와이비씨오 초전도 박막의 특성이 저하되어 양질의 터널형 조셉슨 접합을 제조하기가 힘들다.
본 발명에서는 터널형 조셉슨 접합의 성능을 향상시키기 위해서 제 1 와이비씨오 초전도 박막과 제 2 와이비씨오 초전도 박막 모두와 동일한 조성을 갖는 비초전도 장벽 박막을 사용하는 공정으로 양질의 터널형 조셉슨 접합을 제조하는 방법을 제시한다.
Description
본 발명은 입방정 와이비씨오(YBa2Cu3Ox; 이하 YBCO라 칭함) 박막을 이용한 초전도 접합의 제조 방법에 관한 것으로, 특히 산화물 밑틀층(template layer), 제 1 산화물 초전도층, 산화물 절연층, 비초전도 산화물 장벽층, 제 2 산화물 초전도층, 산화물 보호층 및 금속 전극층으로 구성된 터널형 접합을 산화물 단결정 기판 위에 제조하는 방법에 관한 것이다.
산화물 초전도 박막을 전자 소자에 응용하기 위해서는 초전도 접합을 제조하여야 한는데, 여러가지 형태의 초전도 접합구조가 제시되어 있지만, 가장 간단한 것은 샌드위치 형태의 터널형 조셉슨 접합(tunnel type Josephson junction)구조이다. 터널형 조셉슨 접합은 비초전도 장벽층(barrier layer)이 초전도 전극의 역할을 하는 한쌍의 초전도 박막사이에 샌드위치 형태처럼 삽입되어 3층의 박막 구조을 이룬다. 이러한 터널형 조셉슨 접합은 일반적으로 기판 위에 제 1 초전도 박막, 비초전도 장벽박막 및 제 2 초전도 박막이 순차적으로 형성되어 제조된다.
종래의 기술에 의한 터널형 조셉슨 접합은 제 1 YBCO 초전도 박막과 제 2 YBCO 초전도 박막을 증착하는 공정과, YBCO 초전도 박막과 조성이 다른 금속 또는 산화물을 이용하여 비초전도 장벽 박막을 형성하는 공정으로 제조된다. 또한, 산화물 초전도체는 결정구조의 이방성으로 인하여 초전도 가간섭 길이(superconducting coherence length)가 결정축의 방향에 의존하는데, 예를들어 YBCO 산화물 초전도체는 a-축 또는 b-축 방향의 초전도 가간섭 길이가 c-축 방향의 가간섭 길이에 비하여 10배 정도 길다. 따라서 초전도 가간섭 길이의 관점에서 보면 a-축 배향 YBCO 박막을 이용하는 것이 터널형 조셉슨 접합 제조에 유리하다. 종래의 a-축 배향 박막을 이용한 터널형 조셉슨 접합구조는 PrBa2Cu3Ox(이하 PBCO라 칭함)를 장벽층으로 사용한 3층 박막 구조이거나 또는 PrGaO3, LaSrGaO4(이하 LSGO 라고 칭함) 및 LaSrAlO4를 장벽층으로 사용한 5층 박막 구조가 제시되어 있다.
그러나, 위와 같은 공정으로 제조된 터널형 조셉슨 접합은 초전도 박막과 비초전도 장벽 박막 사이의 격자 상수와 열팽창 계수의 차이에 의해서 응력이 발생하여 결정성이 저하되고, 제 1 및 제 2 YBCO 초전도 박막의 특성이 저하되어 양질의 터널형 조셉슨 접합을 제조하기가 힘들다. 따라서 터널형 조셉슨 접합의 성능을 향상시키기 위해서는 제 1 YBCO 초전도 박막과 제 2 YBCO 초전도 박막 모두와 동일한 조성을 갖는 비초전도 장벽 박막을 사용하는 공정이 필요하게 된다.
그러므로 PBCO 밑틀층, 제 1 YBCO 초전도층, SrTiO3(이하 STO라 칭함) 절연층, 비초전도 입방정YBCO 장벽층, 제 2 YBCO 초전도층, STO 보호층, Au 전극층을 기판 위에 순차적으로 형성하여 터널형 조셉슨 접합를 형성하는 방법을 제시한다. 특히, 600 ℃ ∼ 650 ℃의 온도에서 6.5 ㎚/s ∼ 12.2 ㎚/s의 증착 속도로 입방정 구조의 YBCO 산화물 박막을 증착한 후, 750 ℃ ∼ 800 ℃의 기판 온도에서 열처리하여 YBCO 산화물 박막에서 제 1 YBCO 초전도층과 비초전도 입방정 YBCO 장벽층이 형성되도록 하는 터널형 조셉슨 초전도 접합 제조 공정을 제시하고자 한다.
본 발명은 제 1 YBCO 초전도 박막과 제 2 YBCO 초전도 박막 모두와 동일한 조성을 갖는 비초전도 장벽 박막을 사용하여 성능이 향상된 초전도 접합을 제조하는데 그 목적이 있다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 입방정 와이비씨오 박막을 이용한 초전도 접합의 제조 방법은, 산화물 단결정 기판 상에 밑틀층, 입방정 YBa2Cu3Ox층 및 절연층을 증착한 후, 절연층, 입방정 YBa2Cu3Ox층 및 밑틀층의 선택된 영역을 제거하는 단계와, 상기 입방정 YBa2Cu3Ox층 내부의 일부분이 사방정 구조의 제 1 YBCO 초전도층으로 형성되도록 열처리를 실시하여, 제 1 YBa2Cu3Ox초전도층 표면에 장벽층용 입방정 YBa2Cu3Ox층이 적층된 것 같은 구조를 형성하는 단계와, 전체 구조 상부에 제 2 YBa2Cu3Ox초전도층을 증착하여, 비초전도 장벽층의 양쪽에 두 초전도층이 샌드위치 형태로 형성된 초전도 접합을 형성하는 단계와, 상기 제 2 YBa2Cu3Ox초전도층 상부에 보호층을 증착하고, 보호층 및 제 2 YBa2Cu3Ox초전도층의 선택된 영역을 순차로 제거하여 상기 절연층이 노출되도록 하는 단계와, 상기 노출된 절연층 및 보호층의 선택된 영역에 콘택 홀을 형성하고 상기 제 1 YBa2Cu3Ox초전도층 및 제 2 YBa2Cu3Ox초전도층에 전기적으로 접속되는 금속 전극을 형성하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
도 1(a) 내지 도1(l)는 본 발명에 따른 입방정 YBCO 박막을 이용한 초전도 접합의 제조 방법을 설명하기위해 도시한 단면도.
도 2는 입방정 YBCO 층의 X-선 회절 패턴 그래프도.
도 3은 제 1 YBCO 초전도층의 X-선 회절 패턴 그래프도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호 설명>
11 : 산화물 단결정 기판 12 : 입방정 PBCO 밑틀층
13A : 입방정 YBCO 층 13B 및 16 : YBCO 초전도층
14 : STO 절연층 15, 18 및 19 : 감광막 패턴
17 : STO 보호층 20A 및 20B : 금속
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.
도 1(a) 내지 도1(l)는 본 발명에 따른 입방정 YBCO 박막을 이용한 초전도 접합의 제조 방법을 설명하기 위해 도시한 단면도이고, 도 2는 입방정 YBCO 층의 X-선 회절 패턴 그래프도이며, 도 3은 제 1 YBCO 초전도층의 X-선 회절 패턴 그래프도이다.
도 1(a)에 도시된 것과 같이, 먼저 산화물 단결정 기판(11)을 800 ℃ ∼ 850 ℃사이의 온도에서 열처리하는데, 이 열처리 공정에 의해서 산화물 단결정 기판(11)의 표면은 평탄화(smoothing)되고 깨끗하여(cleaning)진다. 산화물 단결정 기판(11)은 (100) 배향을 갖는 STO 또는 LSGO를 사용한다. 열처리 진공 조건은 10-5Torr 이하이고, 열처리 시간은 30분 내지 60분 사이에서 진행한다. 열처리가 진행된 산화물 단결정 기판(11) 상부에 입방정 PBCO층(12) 및 입방정 YBCO 층(13A)을 순차적으로 증착한다. 이 때 600 ℃ ∼ 650 ℃의 온도 영역에서 6.5 ㎚/s ∼ 12.2 ㎚/s의 증착 속도로 증착 공정을 실시하되, 입방정 PBCO층(12)은 약 50 ㎚, 입방정 YBCO층(13A)은 약 250 ㎚의 두께로 증착한다. 또한 증착 방법은 펄스레이저 증착법을 이용하되, 펄스레이저는 파장이 308 ㎚인 XeCl을 이용하고, 에너지 밀도가 1 J/㎠ ∼ 2 J/㎠, 산소 압력이 100 mTorr, 타깃과 기판 사이의 거리가 4 ㎝ ∼ 5 ㎝, 펄스레이저 반복율이 50 ㎐ ∼ 100 ㎐이 되도록 제어한다. 위와 같이 증착된 입방정 YBCO 층(13A)의 X-선 회절 패턴 그래프도를 도 2에 나타내었다.
이후 공정으로 도 1(b)에 도시된 것과 같이, 입방정 YBCO 층(13A) 상부에 STO 절연층(14)을 증착하고, STO 절연층(14)의 선택된 영역에 제 1 감광막 패턴(15)을 형성한다. STO 절연층(14)의 증착시, 증착 기판의 온도는 670 ℃ ∼ 700 ℃, 펄스레이저 반복율은 5 ㎐, 증착 속도는 0.6 ㎚/s로 제어하여 20 ㎚의 두께로 증착한다.
도 1(c)는 상온에서 일반적인 Ar 이온빔을 이용하여 노출된 부분의 입방정 YBCO 층(13A) 및 입방정 PBCO 밑틀층(12)을 순차로 제거하고, 제 1 감광막 패턴(15)을 제거한 후, 남아있는 입방정 YBCO 층(13A)이 제 1 YBCO 초전도층(13B)으로 형성되도록 열처리를 실시하는 단계의 단면도이다. 열처리는 100 mTorr의 산소 압력 분위기에서 분당 20 ℃ ∼ 40 ℃로 온도를 상승시켜 750 ℃ ∼ 800 ℃의 온도 영역에서 30분 내지 120 분 정도 실시한다. 그리고 다시 산소 압력을 400 mTorr ∼ 500 mTorr로 제어한 후, 450 ℃ ∼ 500 ℃의 온도 영역에서 1 시간 동안 열처리를 실시한다.
위와 같은 열처리 공정을 통하여 입방정 YBCO 층(13A)은 제 1 YBCO 초전도층(13B)으로 형성되는데 표면 부위에는 입방정 YBCO 층(13A)이 남아 있게 된다. 열처리 공정이 끝난 후 내부가 제 1 YBCO 초전도층(13B)으로 형성된 단면도가 도 1(d)에 도시되어 있다.
이 때, 형성된 제 1 YBCO 초전도층(13B)의 X-선 회절 패턴 그래프도를 도 3에 나타내었다. 특히, 도 3을 참조하면 회절선은 도 2와 달리 [00L] (L=2,3,4,5,6,7)에서 나타나고 있는데, 이것은 제 1 YBCO 초전도층(13B)이 사방정(orthorhombic) 결정 구조로 성장하였음을 나타낸다. 또한 사방정 결정의 c-축이 기판표면에 수직하게 배향된 박막으로 성장하였음을 나타낸다.
이후 공정으로 도 1(e)에 도시된 것과 같이, 전체 구조 상부에 제 2 YBCO 초전도층(16)을 층착한다. 제 2 YBCO 초전도층(16)의 증착은 700 ℃ ∼ 750 ℃의 온도 영역에서 0.6 ㎚/s의 증착 속도로 실시하되, 펄스레이저의 반복율을 5 ㎐로 제어하여 250 ㎚의 두께로 증착한다.
도 1(f)는 제 2 YBCO 초전도층(16) 상부에 STO 보호층(17)을 증착한 단면도이다. STO 보호층(17)의 증착은 670 ℃ ∼ 700 ℃의 온도 영역에서 0.6 ㎚/s의 증착 속도로 실시하되, 펄스레이저의 반복율을 5 ㎐로 제어하여 20 ㎚의 두께로 증착한다.
도 1(g)는 STO 보호층(17)의 상부 선택된 영역에 제 2 감광막 패턴(18)을 형성한 단면도이고, 이후 공정으로 도 1(h)에 도시된 것과 같이, 상온에서 일반적인 건식 식각 공정을 실시하여 STO 보호층(17) 및 제 2 YBCO 초전도층(16)을 순차로 식각한 후, 제 2 감광막 패턴(18)을 제거한다.
도 1(i)는 금속 전극층을 형성하기 위해, STO 절연층(14) 및 STO 보호층(17)의 일부가 노출되도록 전체 구조 상부에 제 3 감광막 패턴(19)을 형성한 단면도이다.
이후 공정으로 도 1(j)에 도시된 것과 같이, 희석된 산용액을 사용하여 노출된 STO 절연층(14) 및 STO 보호층(16)을 식각하되, 1 % ∼ 3 %의 불산(HF)이 희서된 산용액을 이용하여 10 초 내지 120 초 동안 식각공정을 실시하여 노출된 STO 절연층(14) 하부의 입방정 YBCO 층(13A)까지 식각되도록 한다.
도 1(k)는 전체 구조 상부에 금속 박막용 금(Au ; 20A)을 증착한 단면도로써, 25 ℃의 온도 영역에서 펄스레이저의 에너지밀도가 2 J/㎠, 펄스레이저의 반복율이 5 ㎐ ∼ 10 ㎐가 되도록 제어하여 0.6 ㎚/s ∼ 1.3 ㎚/s의 증착 속도로 두께가 300 ㎚가 되도록 금속 박막용 금(20A)을 증착한다.
도 1(l)에 도시된 것과 같이, 금속 전극(20B)이 형성되도록 아세톤 용액을 사용하여 금속 박막용 금(20A) 및 제 3 감광막 패턴(19)을 순차로 제거하여 양질의 터널형 초전도 접합을 완성한다.
상술한 바와 같이 본 발명에 의하면, 제 1 YBCO 초전도층과 제 2 YBCO 초전도층 모두와 동일한 조성의 비초전도 입방정 YBCO층을 장벽물질로 이용하기 때문에 격자 상수와 열팽창 계수의 차이로 발생하는 문제점을 극복할 수 있어 양질의 터널형 조셉슨접합을 제조할 수 있는 탁월한 효과가 있다.
Claims (4)
- 산화물 단결정 기판 상에 밑틀층, 입방정 YBa2Cu3Ox층 및 절연층을 증착한 후, 절연층, 입방정 YBa2Cu3Ox층 및 밑틀층의 선택된 영역을 제거하는 단계와,상기 입방정 YBa2Cu3Ox층 내부의 일부분이 사방정 구조의 제 1 YBa2Cu3Ox초전도층으로 형성되도록 열처리를 실시하여, 제 1 YBa2Cu3Ox초전도층 표면에 장벽층용 입방정 YBa2Cu3Ox층이 적층된 것 같은 구조를 형성하는 단계와,전체 구조 상부에 제 2 YBa2Cu3Ox초전도층을 증착하여, 비초전도 장벽층의 양쪽에 두 초전도층이 샌드위치 형태로 형성된 초전도 접합을 형성하는 단계와,상기 제 2 YBa2Cu3Ox초전도층 상부에 보호층을 증착하고, 보호층 및 제 2 YBa2Cu3Ox초전도층의 선택된 영역을 순차로 제거하여 상기 절연층이 노출되도록 하는 단계와,상기 노출된 절연층 및 보호층의 선택된 영역에 콘택 홀을 형성하고 상기 제 1 YBa2Cu3Ox초전도층 및 제 2 YBa2Cu3Ox초전도층에 전기적으로 접속되는 금속 전극을 형성하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 입방정 와이비씨오 박막을 이용한 초전도 접합의 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 산화물 단결정 기판은 SrTiO3및 LaSrGaO4중 어느 하나이고, 상기 밑틀층은 PrBa2Cu3Ox이며, 상기 절연층 및 보호층은 SrTiO3, 상기 금속 전극은 금(Au)인 것을 특징으로 하는 입방정 와이비씨오 박막을 이용한 초전도 접합의 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 제 1 및 제 2 YBa2Cu3Ox초전도층은 사방정 결정의 c-축이 기판 표면에 수직하게 배향된 것을 특징으로 하는 입방정 와이비씨오 박막을 이용한 초전도 접합의 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 열처리는 산소 분위기에서 750 ℃ 내지 800 ℃의 온도로 실시한 후, 450 ℃ 내지 500 ℃의 온도에서 재 실시하는 것을 특징으로 하는 입방정 와이비씨오 박막을 이용한 초전도 접합의 제조 방법.
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