KR100267228B1 - Fabricating method of josephson junction device operating at high temperature - Google Patents
Fabricating method of josephson junction device operating at high temperature Download PDFInfo
- Publication number
- KR100267228B1 KR100267228B1 KR1019970052146A KR19970052146A KR100267228B1 KR 100267228 B1 KR100267228 B1 KR 100267228B1 KR 1019970052146 A KR1019970052146 A KR 1019970052146A KR 19970052146 A KR19970052146 A KR 19970052146A KR 100267228 B1 KR100267228 B1 KR 100267228B1
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- layer
- high temperature
- ion
- barrier layer
- josephson junction
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 24
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 claims abstract description 44
- 239000002887 superconductor Substances 0.000 claims abstract description 44
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 34
- 238000010884 ion-beam technique Methods 0.000 claims abstract description 24
- 230000008021 deposition Effects 0.000 claims abstract description 19
- 239000013078 crystal Substances 0.000 claims abstract description 18
- 238000003801 milling Methods 0.000 claims abstract description 9
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 6
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims abstract description 6
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims description 30
- 238000000151 deposition Methods 0.000 claims description 27
- 239000012212 insulator Substances 0.000 claims description 14
- 238000000992 sputter etching Methods 0.000 claims description 11
- 229910021521 yttrium barium copper oxide Inorganic materials 0.000 claims description 11
- 238000005530 etching Methods 0.000 claims description 10
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 9
- 230000005465 channeling Effects 0.000 claims description 9
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 claims description 9
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 claims description 9
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 6
- 238000000059 patterning Methods 0.000 claims description 4
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 claims description 2
- 229910052761 rare earth metal Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 150000002910 rare earth metals Chemical class 0.000 claims description 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims 1
- 239000004020 conductor Substances 0.000 claims 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 claims 1
- 239000010409 thin film Substances 0.000 abstract description 22
- 239000000463 material Substances 0.000 description 21
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 3
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- -1 PrBa2Cu3O7-y Chemical class 0.000 description 2
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 2
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 2
- 238000000407 epitaxy Methods 0.000 description 2
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 2
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 2
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 description 2
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 description 2
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 2
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 2
- 238000000206 photolithography Methods 0.000 description 2
- 239000010970 precious metal Substances 0.000 description 2
- 229910001316 Ag alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910002367 SrTiO Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910002370 SrTiO3 Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000000137 annealing Methods 0.000 description 1
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 1
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 1
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 238000007429 general method Methods 0.000 description 1
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010931 gold Substances 0.000 description 1
- PQTCMBYFWMFIGM-UHFFFAOYSA-N gold silver Chemical compound [Ag].[Au] PQTCMBYFWMFIGM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000011065 in-situ storage Methods 0.000 description 1
- 238000009413 insulation Methods 0.000 description 1
- 230000001788 irregular Effects 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 1
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910000510 noble metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000000149 penetrating effect Effects 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004332 silver Substances 0.000 description 1
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 description 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N60/00—Superconducting devices
- H10N60/01—Manufacture or treatment
- H10N60/0912—Manufacture or treatment of Josephson-effect devices
- H10N60/0941—Manufacture or treatment of Josephson-effect devices comprising high-Tc ceramic materials
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N60/00—Superconducting devices
- H10N60/01—Manufacture or treatment
- H10N60/0268—Manufacture or treatment of devices comprising copper oxide
- H10N60/0296—Processes for depositing or forming copper oxide superconductor layers
- H10N60/0521—Processes for depositing or forming copper oxide superconductor layers by pulsed laser deposition, e.g. laser sputtering
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N60/00—Superconducting devices
- H10N60/01—Manufacture or treatment
- H10N60/0268—Manufacture or treatment of devices comprising copper oxide
- H10N60/0661—Processes performed after copper oxide formation, e.g. patterning
- H10N60/0688—Etching
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N60/00—Superconducting devices
- H10N60/01—Manufacture or treatment
- H10N60/0268—Manufacture or treatment of devices comprising copper oxide
- H10N60/0744—Manufacture or deposition of electrodes
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N60/00—Superconducting devices
- H10N60/80—Constructional details
- H10N60/805—Constructional details for Josephson-effect devices
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N60/00—Superconducting devices
- H10N60/80—Constructional details
- H10N60/85—Superconducting active materials
- H10N60/855—Ceramic superconductors
- H10N60/857—Ceramic superconductors comprising copper oxide
- H10N60/858—Ceramic superconductors comprising copper oxide having multilayered structures, e.g. superlattices
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Ceramic Engineering (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Superconductor Devices And Manufacturing Methods Thereof (AREA)
Abstract
Description
본 발명은 고온초전도 조셉슨 접합소자의 제조방법에 관한 것으로, 특히 이온빔에 의한 밀링률과 증착률을 비슷하게 조절하고 박막을 성장시킴으로써 치밀하고 틈(void)이 없는 균일한 에피텍시얼 박막을 낮은 온도에서 형성하도록한 고온초전도 조셉슨 접합소자의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for manufacturing a high temperature superconducting Josephson junction device, and in particular, by controlling the milling rate and deposition rate by the ion beam similarly and growing the thin film to form a dense, void-free uniform epitaxial thin film It relates to a method for manufacturing a high temperature superconducting Josephson junction element to be formed in.
고온초전도 조셉슨 접합소자는 아직까지 밝혀지지 않는 고온초전도체의 근본적인 물성을 연구하는데 매우 중요할 뿐만 아니라 초전도 양자간섭소자(superconducting Quantum Interference Device : SQUID)와 같은 센서나 오실레이터, 믹서와 같은 마이크로웨이브 능동소자, 초고속 스위칭 소자등, 고온초전도체의 소규모 응용에 필수적인 소자이다.The high temperature superconducting Josephson junction element is very important for studying the fundamental properties of high temperature superconductors that are not yet known, as well as microwave active devices such as oscillators and mixers, such as superconducting quantum interference devices (SQUID), It is an essential element for small scale applications of high temperature superconductors, such as ultrafast switching elements.
고온초전도체는 코히어런스길이(coherence length)가 ∼10Å 정도로 아주 짧고 물질의 이방성 때문에 기존의 저온초전도에서 널리 쓰이는 터널베리어(tunnel barrier) 방식의 접합(SIS)의 제조가 극기 힘들다. 따라서 SIS 방법의 단점을 극복하기 위해 여러 가지 다른방법으로 조셉슨접합 소자를 제작하고 있으며, 이들 방법은 고온초전도체의 입상성질을 이용한 결정입계(gain boundary : GB) 접합의 방법과 SIS(초전도체+절연체+초전도체)의 절연체 대신 노말층(normal layer)를 끼워넣는 SNS(초전도체+노말물질+초전도체) 형태의 접합방법으로 크게 나누어진다.The high temperature superconductor has a very short coherence length of ~ 10Å and the anisotropy of the material makes it difficult to manufacture a tunnel barrier type junction (SIS) widely used in the existing low temperature superconductivity. Therefore, to overcome the shortcomings of the SIS method, Josephson junction devices are fabricated in several different ways.These methods use the method of grain boundary (GB) junction and SIS (superconductor + insulator +) using granular properties of high-temperature superconductors. It is divided into SNS (superconductor + normal material + superconductor) type bonding method in which a normal layer is inserted instead of an insulator of a superconductor.
GB 형태의 고온초전도 조셉슨은 도 1a에 도시한 바와 같이, 결정축이 다른 두 단결정(11, 11')을 접합시켜 만든 기판(10)위에 에피텍시얼 박막(12)을 증착하여 결정입계(13)를 만든후 패터닝하여 만든 바이-크리스텔 접합과, 도 1b에 도시된 바와 같이, 기판(10)위에 MgO 등의 시드층(14)을 증착한후 그위에 전체적으로 SrTiO3 등의 버퍼층(15)을 증착하고 이어 초전도체층(16)을 에피텍시얼 증착하여 45°결정입계(17)를 형성하는 바이-에피텍시(Bi-epitaxy) 접합과, 도 1c와 같이 기판(10)위에 45°상의 급격한 스텝을 만든후 초전도체층(18)을 에피텍시얼 증착하여 만들어 스텝면에 2개의 90°결정입계(19, 20)가 형성되게하는 스텝 엣지(Step Edge) 접합이 있다.As shown in FIG. 1A, the GB-type high-temperature superconducting Josephson deposits an epitaxial
이중 도 1a의 바이 크리스탈 접합에 의해 제조된 조셉슨 접합소자는 비교적 특성이 우수하나 결정입계(13)로 형성되는 조셉슨접합을 만들 수 있는 자리가 두 단결정(11, 11')이 접합되는 부분으로만 제한되고, 임계전류(critical current), 접합저항(normal resistance) 등의 접합특성 변수의 조절이 용이하지 않으며 기판의 가격이 비싸고, 기판의 종류가 제한되는 등의 단점을 가지고 있다.The Josephson junction device manufactured by the bi-crystal junction of FIG. 1A is relatively excellent in characteristics but only a portion where two
한편 SNS 형태의 접합은 초전도체(S)와 노말물질(N)이 근접했을 때 초전도체의 초전도성이 노말물질로 스며들게 된다는 근접효과(proximity effect) 이론을 이용한 것으로 이때 노말물질로 초전도성이 스며드는 정도는 노말 코히어런스 길이(normal coherence length)라고 하며 이값은 경계면 조건이나 노말물질의 특성에 따라 다르지만 고온초전도체의 경우 초전도체의 코히어런스 길이보다 휠씬 크므로 아주 얇은 절연막을 사용하여야 하는 SIS 형태의 접합소자 보다는 제작이 휠씬 용이하다.On the other hand, the SNS-type junction uses the theory of proximity effect that superconductivity of superconductor penetrates into normal material when superconductor (S) and normal material (N) are in close proximity. In this case, the degree of superconductivity penetrating into normal material is normal nose. It is called normal coherence length, and this value depends on interface condition or characteristics of normal material. However, in case of high temperature superconductor, it is much larger than coherence length of superconductor. This is much easier.
SNS 형태의 접합은 코히어런스 길이가 비교적긴 a-b면으로 조셉슨 카프링이 이루어지도록 제작되고 있다.SNS-type joints are manufactured to allow Josephson coupling to be made on a-b planes with relatively long coherence lengths.
SNS 형태의 접합은 대표적으로 도 1d에 도시된 바와 같이, 기판상(10) 초전도체층(21)을 형성한후 패터닝하여 초전도체층(21)을 분리한후 이 분리된 초전도체층에 노말물질층(22)을 형성하도록 구성되어 있다.As shown in FIG. 1D, the SNS-type junction typically forms a
그리고, 초기의 SNS 접합제작에는 노말물질층(22)의 물질은 주로 금,은 또는 금은 합금 등의 귀금속이 사용되었으며, 이러한 물질은 고온증착시 고온초전도체와 내부확산(inter-diffusion)이 생길 뿐만 아니라 고온초전도 상부전극 증착시 에피텍시얼 성장이 안되므로 노말물질을 상온증착한후 패터닝하므로써 접합제작이 가능하였다.In the initial SNS bonding fabrication, the material of the
귀금속은 노말 코히어런스 길이가 길어질 가능성은 있으나 고온초전도체와 전자적인 미스메칭(electronic mismatch)이 크고 경계면이 큰 접합저항(boundary resistance)이 생기므로 IcRn(Ic는 임계전류, Rn은 접합저항)이 아주 적다는 문제점이 있었다.Precious metals may have long normal coherence lengths, but IcRn (Ic is the critical current, Rn is the junction resistance) because high temperature superconductors and electronic mismatch are large and boundary resistance is large. There was a very small problem.
이와 같은 귀금속을 노말층으로 사용했을때의 문제점을 해소하기 위한 방법으로서, 도 1e와 같이 기판(10)의 일표면에 초전도체층(23), 절연체층(24)을 증착하여 형성한후 메사형으로 패터닝하여 엣지(edge)를 형성하고 이위에 PrBa2Cu3O7-y, YxPr1-xBa2Cu3O7-x 등의 페로브스카이트 유사상(perovskite like) 형태의 금속산화물을 증착하여 노말물질층(25)을 형성한후 그위에 초전도체층(26)을 증착하는 방법을 사용하였다.As a method for solving the problem when using such a noble metal as a normal layer, a
그러나 이 방법은 SNS 근접효과에 의한 접합으로서, 노말 코히어런스 길이 이상으로 노말물질층 두께를 두껍게 할수 있고, 노말물질층 두께나 조셉슨 접합의 선폭을 조절하므로써 임계전류(Ic)나 접합저항(Rn) 등의 접합 파라메터를 임의로 조절할수 있다는 장점은 있으나, 제작과정이 복잡하고 까다로워서 비용과 시간이 많이 들고, 이로인해 재현성이 좋치 않으며 노말층 물질에 따라 불규칙적인 접합저항을 보이므로서 순수한 SNS가 아닌 SINS 또는 SINIS 등의 복잡한 구조를 갖게 되어 접합 메커니즘의 해석이 어려워 설계조건을 결정하는데 어려움이 많을 뿐만 아니라 노말층 물질의 특성변화에 민감하고 InRn이 작아 실용상 어려움이 많다는 결점이 있다.However, this method is a junction due to the SNS proximity effect, which allows the thickness of the normal material layer to be thicker than the normal coherence length, and by controlling the thickness of the normal material layer or the line width of the Josephson junction, the critical current (Ic) or the junction resistance (Rn). Although it is advantageous in that it is possible to arbitrarily adjust the bonding parameters, etc., the manufacturing process is complicated and difficult, which leads to a lot of cost and time, and thus it is not reproducible and shows irregular bonding resistance depending on the normal layer material. It has a complex structure such as SINS or SINIS, which makes it difficult to analyze the bonding mechanism, which makes it difficult to determine the design conditions.
또한 산화물 고온초전도체를 초전도 전극으로 사용한 SNS 접합의 경우, 바람직한 노말층 물질의 조건으로, 열팽창 계수가 초전도 물질과 잘 맞아 경계면에서 스트레스를 줄여 불필요한 저항을 억제하고, 화학적으로 안정되어 내부확산(iner difussion)이 없어야 하고, 구조적으로 매칭이 잘되어 에피텍시얼 성장이 이루어져야 하며, 이와 같은 조건을 비교적 잘 충족시킬수 있는 물질로서는 페로브스카이트 유사상 구조의 금속산화물이나 전이온도가 초전도 전극보다 낮은 산화물 고온초전도체 등을 사용하게 되는데, 이 경우 IcRn이 낮거나, 물필요한 경계면 저항이 있는 등의 문제점을 가지고 있다.In addition, in the case of SNS junction using oxide high temperature superconductor as superconducting electrode, the thermal expansion coefficient is well matched with the superconducting material to reduce the stress at the interface, suppressing unnecessary resistance, and chemically stable to inner diffusion. ), The structural matching is good, epitaxial growth must be achieved, and the material that can satisfy such conditions relatively well, the metal oxide of the perovskite pseudo-phase structure or the oxide having a lower transition temperature than the superconducting electrode A high temperature superconductor or the like is used. In this case, IcRn is low, and there is a problem such that there is an interface resistance required for water.
그리고 비교적 코히어런스 길이가 긴 금속저온 초전도체의 경우도 일반적인 방법으로 증착한 장벽(barrier) 박막의 경우 균일성이 크게 떨어지고 있으며, 따라서 Al의 산화방법에 의한 균일한 장벽박막으로 SIS 접합을 제작하는 것이 가장 성공적이고 일반적인 방법이 있으나, 이 방법역시 자체가 산화물인 고온초전도체의 경우 산화에 의한 장벽박막의 형성이 불가능하며 고온에서 장벽 박막물질을 에피텍시얼로 성장시킬 경우 스트레인, 과성장(outgrowth) 등의 영향으로 인터페이스(interface)까지 깨끗한 엷은 장벽의 제어가 어려워 장벽박막 물질의 제약을 많이 받고 접합의 균일성과 특성이 현저히 떨어지고 있는 문제점이 있었다.In the case of the metal low temperature superconductor having a relatively long coherence length, the uniformity of the barrier thin film deposited by the general method is greatly decreased. Therefore, the SIS junction is fabricated by the uniform barrier thin film by the oxidation method of Al. The most successful and common method is the high temperature superconductor, which itself is an oxide, and it is impossible to form a barrier thin film by oxidation, and if the barrier thin film is epitaxially grown at high temperature, strain, outgrowth It is difficult to control the clean thin barrier to the interface due to the influence of), and thus, there is a problem that the uniformity and characteristics of the bonding are significantly reduced due to the limitation of the barrier thin film material.
따라서 본 발명은 이와 같은 종래의 제반 문제점을 감안하여 발명한 것으로, 고온초전도체 조셉슨 접합소자의 특성개선 및 제조수율을 향상시키는 제조방법을 목적으로 하고 있다.Accordingly, the present invention has been invented in view of such conventional problems, and aims at a manufacturing method for improving the characteristics and manufacturing yield of the high temperature superconductor Josephson junction element.
본 발명의 다른 목적은 비교적 낮은 기판온도에서 균일하고 균질의 장벽박막층을 핀홀없이 증착할수 있고 이 장벽층위에 고온초전도체가 에피텍시얼하게 증착되는 고온초전도체 조셉슨 접합소자의 제조방법을 제공하기 위한 것이다.It is another object of the present invention to provide a method for manufacturing a high temperature superconductor Josephson junction element in which a uniform and homogeneous barrier thin film layer can be deposited without pinholes at a relatively low substrate temperature and the high temperature superconductor is epitaxially deposited on the barrier layer. .
도 1a ∼ 도 1e는 종래의 각종 조셉슨 접합소자의 형태를 개략적으로 도시한 도면1A to 1E schematically illustrate the shapes of various conventional Josephson junction elements.
도 2는 본 발명의 제조방법을 구현하기 위한 조셉슨 접합소자의 증착장치를 개략적으로 나타낸 단면도Figure 2 is a schematic cross-sectional view showing a deposition apparatus of a Josephson junction element for implementing the manufacturing method of the present invention
도 3a ∼ 도 3e는 본 발명의 각 제조공정에 있어서, 조셉슨 접합소자의 단면을 개략적으로 나타낸 도면3A to 3E schematically show the cross section of a Josephson junction element in each manufacturing process of the present invention.
도 4a ∼ 도 4d는 본 발명의 제조방법에 의한 조셉슨 접합소자와 종래의 제조방법에 의한 조셉슨접합소자의 X-ray θ-2θ스캔결과와 X-ray ψ스캔결과를 나타낸 그래프4A to 4D are graphs showing X-ray θ-2θ scan results and X-ray ψ scan results of the Josephson junction element according to the manufacturing method of the present invention and the Josephson junction element according to the conventional manufacturing method.
도 5a ∼ 도 5c는 본 발명의 제조방법에 의한 조셉슨 접합소자의 특성을 나타낸 그래프이다.5A to 5C are graphs showing the characteristics of the Josephson junction element according to the manufacturing method of the present invention.
도면의 주요부분에 대한 부호의 설명Explanation of symbols for main parts of the drawings
10 : 기판 11,11': 단결정10:
12 : 에피텍시얼박막 13,17,19,20: 결정입계12: epitaxial
14 : 시드층 15 : 버퍼층14: seed layer 15: buffer layer
16,18,21,23,26: 초전도체층 22,25: 노말물질층16,18,21,23,26:
24 : 절연체층 30 : 증착용챔버24: insulator layer 30: deposition chamber
31 : 기판지지장치 32 : 가열기31: substrate support device 32: heater
33 : 타켓지지장치 34 : KrF 레이저 비임 발생장치33: target support device 34: KrF laser beam generator
35 : 이온-건 36 : 가스공급장치35 ion-
40 : STO기판 41 : 타겟40: STO substrate 41: target
42 : 하부전극용 YBCO 43 : 절연 STO층42: YBCO 43 for lower electrode: Insulation STO layer
44 : PBCO 장벽층 45 : 상부전극용 YBCO44: PBCO barrier layer 45: YBCO for the upper electrode
46 : 캡 STO층 47,48 : 전극패드46:
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 고온초전도 조셉슨 접합소자의 제조방법은 단결정 기판위에 하부전극으로 이용되는 제 1 고온초전도체층과 제 1 절연층을 순차적으로 증착하여 형성하는 단계와, 상기 제 1 절연체층 및 제 1 고온초전도체층의 일부를 메사형으로 식각하여 일단부가 노출되고 소정의 기울기를 가지는 하부전극 패턴을 형성하는 단계와, 상기 노출된 하부전극 및 제 1 절연체층을 포함하여 기판 전면에 이온-비임에 의한 밀링율과 증착율을 비슷하게 조절함과 동시에 증착되는 장벽층의 결정축과 채널링이 이루어지도록 밀링용 이온-비임의 방향을 설정하여 장벽층을 저온에서 성장시켜 형성하는 단계와, 상기 장벽층위에 상부전극으로 이용되는 제 2 고온초전도체층 및 제 2 절연체층을 순차적으로 증착하여 형성하는 단계와, 상기 하부전극을 이루는 제 1 고온초전도체층 및 제 1 절연체층의 상부에 위치하는 제 2 절연체층, 제 2 고온초전도체층 및 장벽층을 순차적으로 식각하여 상부전극 패턴을 형성하는 단계와, 상기 상부전극과 하부전극을 전기적으로 접속하기 위한 콘택홀을 형성한후, 이 콘택층을 포함하여 전면에 증착된 금속층을 패터닝하여 전극패드를 형성하는 단계를 포함함을 특징으로 한다.The method of manufacturing a high temperature superconducting Josephson junction device of the present invention for achieving the above object is formed by sequentially depositing a first high temperature superconductor layer and a first insulating layer used as a lower electrode on a single crystal substrate, and the first Etching a portion of the insulator layer and the first high temperature superconductor layer into a mesa shape to form a lower electrode pattern having one end exposed and having a predetermined slope, and including the exposed lower electrode and the first insulator layer on the entire surface of the substrate. Controlling the milling rate and the deposition rate by ion-beams similarly and simultaneously setting the direction of the milling ion-beams to form the crystal axes and channeling of the barrier layer to be deposited; Sequentially depositing a second high temperature superconductor layer and a second insulator layer to be used as upper electrodes on the layer; Sequentially etching the first high temperature superconductor layer and the second insulator layer, the second high temperature superconductor layer, and the barrier layer positioned on the first insulator layer to form an upper electrode pattern, and forming the upper electrode; And forming a contact hole for electrically connecting the lower electrode to the lower electrode, and patterning a metal layer deposited on the front surface including the contact layer to form an electrode pad.
이와 같은 본 발명의 제조방법에 의하면, 이온-비임에 의한 식각율과 증착율을 비슷하게 함과 동시에 증착되는 박막의 결정축과 채널링이 잘 이루어지도록 밀링용 이온-비임의 방향을 설정하게 하여, 장벽층을 에피텍시얼로 증착하여 형성하므로써 장벽층의 결정축 방향은 채널링이 좋아 붕괴 확율이 낮으므로 식각율이 크게 떨어지는 반면에 그 이외의 방향으로 랜덤하게 성장되는 결정들을 식각율이 높기 때문에 매우 치밀하고 틈(void)이 없는 균일한 에피텍시얼 장벽층 박막이 낮은 온도에서 형성되므로 조셉슨 접합소자의 접합균일성과 특성을 크게 향상시킬수 있다.According to the manufacturing method of the present invention, the etching layer and the deposition rate by the ion-beam, while at the same time to set the direction of the ion-beam for milling so that the crystal axis and the channeling of the deposited thin film, the barrier layer is The crystal axis direction of the barrier layer is formed by epitaxial deposition, so the channeling is good and the probability of collapse is low. Therefore, the etching rate is greatly reduced, whereas the crystals grown randomly in other directions are highly dense and cracked. Since the uniform epitaxial barrier layer thin film without voids is formed at low temperature, the bonding uniformity and characteristics of the Josephson junction element can be greatly improved.
이하 본 발명의 실시예에 대하여 첨부도면에 근거하여 상세히 설명한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 2는 본 발명의 고온초전도 조셉슨 접합소자의 제조방법을 구현하기 위한 제조장치를 개략적으로 나타낸 것으로, 상기 장치는 증착용 쳄버(30)와, 상기 쳄버(30)내에 열처리 기판을 지지하기 위해 설치되고, 소정온도로 기판을 가열하기 위한 가열기(32)을 가진 기판 지지장치(31)와, 상기 기판 지지장치(31)에 지지된 기판에 대향되게 설치되어 타겟을 지지하기 위한 타겟 지지장치(33)와, KrF 레이저 비임 발생장치(34)와, ECR 소오스를 사용하여 이온비임을 발생하는 이온-건(35)과, 상기 쳄버(30)내로 아르곤과 산소를 공급하기 위한 가스공급장치(36)를 구비하고 있다.Figure 2 schematically shows a manufacturing apparatus for implementing the manufacturing method of the high temperature superconducting Josephson junction element of the present invention, the apparatus is installed to support the heat treatment substrate in the
상기 제조장치를 이용하여 본 발명의 고온초전도 조셉슨 접합소자의 제조방법의 실시예에 대하여 도 3a 내지 도 3e를 참조하여 설명한다.An embodiment of the manufacturing method of the high temperature superconducting Josephson junction element of the present invention using the manufacturing apparatus will be described with reference to FIGS. 3A to 3E.
먼저 도 2의 제조장치에 피처리 STO(SrTiO3){100} 기판(40)과 타겟(41)을 각각 장착한다.First, a target STO (SrTiO3) {100}
이어 도 3a에 도시된 바와 같이, PLD(pulse laser deposition)법, 즉 타겟(41)에 상기 KrF 레이저 비임 발생장치(34)의 레이저 비임을 조사하여 상기 STO{100} 기판(40)상에 하부전극용 YBCO층(42)과 절연 STO층(43)을 인-시튜(in-situ)로 에피텍시얼 성장시킨다.3A, a laser beam of the KrF
이때 하부전극용 YBCO층(42)과 절연 STO층(43)의 두께는 각각 2000Å으로 하고, 상기 하부전극용 YBCO층(42)은 C축이 STO 기판(40)에 수직하게, 상기 절연 STO층(43)은 {100}방향이 STO 기판(40)에 수직하게 성장시킨다.At this time, the thickness of the lower
이어, 도 3b와 같이, 사진식각법을 이용하여 메사형으로 패턴을 정의하며, 이때 경사각도가 20°내외가 되도록 하드베이킹(hard baking)과 별도의 이온-밀링 쳄버(ion-milling chamber)를 이용하여 30°Ar 이온밀링으로 엣지(edge)를 정의한다.Then, as shown in Figure 3b, the pattern is defined in a mesa using a photolithography method, wherein a hard baking and a separate ion-milling chamber so that the inclination angle is about 20 ° The edges are defined by 30 ° Ar ion milling.
그다음 도 3c와 같이, 메사형태의 경사부를 포함하여 상기 결과물의 표면에 PBCO 장벽층(44)을 증착한다.Then, as shown in FIG. 3C, a
이때 PBCO 장벽박막층(44)의 증착조건으로서 이온-건(35)의 산소이온 비임의 방향이 증착되는 박막의 결정축과 채널링(channeling)이 잘 이루어지도록 박막에 대하여 설정되며, 이온-건(35)의 산소 이온-비임(ECR 소오스)을 400eV 에너지로 기판에 증착되는 박막의 표면으로 상기 설정된 방향에 따라 입사시키고, 기판온도를 600℃로 함과 동시에, 상기 KrF 레이저 비임 발생장치(34)의 KrF 레이저 비임을 5Hz 반복 속도(repetition rate) 및 1.5J/㎠의 에너지하에서 타겟(41)에 입사시켜서, 기판에서의 박막의 증착률을 약 8Å/min으로 한다.At this time, as the deposition conditions of the PBCO barrier
상기 PBCO 장벽층(44) 증착직전에, 사진식각에 의해 손상을 입거나 더러워진 표면에 대한 크리닝(cleaning)을 하기위해 상기 이온-건(35)의 산소 이온-비임의 에너지를 50eV로 조정하여 약 5분 동안 상기 표면(interface)을 크리닝 하는 것이 바람직하다.Just before deposition of the
이 경우, 이온밀링용의 이온-건(35)은 채널링(channeling) 각도로 미리 비임이 조절되어 있으므로 표면크리닝과 아울러 산소어닐링의 효과가 더해져 크린인터페이스(clean interface) 형성에 큰 도움이 된다.In this case, since the ion-
그 다음 이온-건(35)의 구동을 중단시킨후 산소분압을 300mtorr, 기판온도를 790℃로 상승시킨후, 상부전극용 YBCO층(45)과 캡(Cap) STO층(46)을 각각 2500Å, 500Å 두께로 증착한다.After the ion-
이어 도 3d에 표시된 바와 같이, 하부전극용 YBCO층(42) 및 절연 STO층(43)의 상부에 위치하는 캡 STO층(46) 및 상부전극용 YBCO층(45) 및 PBCO 장벽층(44)를 순차적으로 식각하여 상부 전극패턴을 형성한다.3D, the
그 다음 도 3e에 도시된 바와 같이, 상기 하부전극 패턴과 하부전극 패턴을 전기적으로 연결하기 위한 콘택홀을 각각 형성하 후, 이 콘택홀을 포함한 전면에 증착된 금속층을 패터닝하여 전극패드(47,48)을 형성한다.Next, as shown in FIG. 3E, contact holes for electrically connecting the lower electrode pattern and the lower electrode pattern are respectively formed, and then a metal layer deposited on the front surface including the contact holes is patterned to form the
이와 같은 본 발명의 실시예에 의하면 종래의 증착장치에서 추가로 설치되는 이온-건의 산소 이온-비임의 방향을 증착되는 박막의 결정격자의 채널링이 크게 일어나는 방향으로 설정하고 다결정이 자라나는 조건으로 PBCO 장벽층(44)을 증착하기 때문에 종래의 에피텍시얼층을 증착시키는 고온, 상대적 고압의 분위기 보다 스트레인을 적게 받으므로 과성장(outgrowth), 전위(dislocation) 등이 적게 생겨서 더욱 균일한 장벽층을 얻을수 있고 이때 채널링 각도와 다른 방향으로 성장되는 그레인들은 밀링되어 깍여나가므로 에피텍시얼한 장벽층이 얻어진다.According to the embodiment of the present invention as described above, the PBCO barrier is formed under the condition that the polycrystalline grows and the direction of the channeling of the crystal lattice of the deposited thin film is set to the direction of the ion-gun oxygen ion-beam of the additionally-installed ion-gun. Since the
도 4a, 도 4b는 PBCO 장벽층 형성시 이온-비임을 이용하여 이온-밀링을 행하지 않은 경우와 행한 경우는 각각 나타낸 그래프이다.4A and 4B are graphs showing the case where ion-milling is not performed by using an ion-beam when the PBCO barrier layer is formed and when each is performed.
도 4a 및 도 4b는 PBCO 장벽층 형성시 전술한 바와 같은 본 발명의 제조조건으로 이온밀링을 행한경우와 행하지 않은 경우의 X-ray θ-2θ 스캔결과를, 그리고 도 4c 및 도 4d는 X-ray ψ스캔결과를 각각 나타낸 것으로, 이온-밀링이 행하여진 경우에는 도 4a와 같이, 다결정의 경우 (001) 피크가 모두 나타나 c축이 기판에 수직하게 성장한 것임을 알 수 있고, 이온밀링을 행하지 않은 경우는 도 4b와 같이 메인피크(110),(103)만이 나타나 있어, c축이 기판에 수직하게 성장하지 못한 것임을 알수 있다.4A and 4B show X-ray θ-2θ scan results with and without ion milling according to the manufacturing conditions of the present invention as described above when forming the PBCO barrier layer, and FIGS. 4C and 4D show X- The results of the ray ψ scans are shown, respectively. In the case of ion-milling, as shown in FIG. 4A, all of the (001) peaks appear in the case of polycrystal, indicating that the c-axis is grown perpendicular to the substrate. In this case, as shown in FIG. 4B, only the
그리고 이온밀링을 행하지 않는 경우은 도 4d와 같이 인-프랜(in-plane)에 대해 어떤 정렬(alignment)이 전혀 없는 반면에 이온밀링을 행한 경우에는 4-겹 대칭(4-fold symmetry)가 보여져 에피텍시얼 성장을 하였음을 알수 있다.In the case of not performing ion milling, as shown in FIG. 4D, there is no alignment for the in-plane at all, whereas in the case of ion milling, 4-fold symmetry is shown. It can be seen that there was a tactical growth.
특히, 이런결과를 보인 이온-밀링을 이용해 성장시킨 박막의 경우 SEM, AFM으로 관측한 모폴로지(morphology)도 대단히 우수하여 장벽으로의 사용에 대단히 적합함을 나타내고 있다.In particular, the thin film grown by ion-milling showed the excellent morphology observed by SEM and AFM, which is very suitable for use as a barrier.
도 5a, 도 5b 및 도 5c는 본 발명의 제조방법에 의해 제조된 고온초전도 조셉슨 접합소자의 특성을 액체질소 온도(77k)에서 측정한 RSJ 타입의 1-V 특성과, Ic(H) 특성 및 dc SQUID의 V-4 특성을 각각 나타낸 그래프로, 도 5a 및 도 5b으로 부터 확인되는 바와 같이 조셉슨 접합이 형성되었음을 알수 있고, 또한 이 접합을 이용해 제작한 SQUID의 경우도 도 5c와 같이, 깨끗한 정현파 특성을 나타내고 있다.5A, 5B and 5C show the characteristics of the high-temperature superconducting Josephson junction element manufactured by the manufacturing method of the present invention at the liquid nitrogen temperature (77k), 1-V characteristics, Ic (H) characteristics, and As a graph showing the V-4 characteristics of the dc SQUID, it can be seen that the Josephson junction was formed as confirmed from FIGS. 5A and 5B. Also, in the case of the SQUID fabricated using this junction, as shown in FIG. The characteristics are shown.
특히, 본 발명의 제조방법에 의한 고온초전도 조셉슨 접합소자는, 실측결과에 의하면 같은 기판내에 20개의 소자가 얇은 장벽층의 두께에도 불구하고 모두 조셉슨 접합특성을 보여주었고 임계전류 Ic와 계면의 접합저항 Rn의 분포도 1σ가 약 10%로 매우 우수한 특성을 보여주고 있었다.In particular, the high temperature superconducting Josephson junction element according to the manufacturing method of the present invention showed that the Josephson junction characteristics of all 20 elements in the same substrate showed the Josephson junction characteristics despite the thickness of the thin barrier layer. The distribution of Rn 1σ was about 10%, showing very good characteristics.
이상의 본 발명의 실시예에서는 고온초전도체를 YBCO를 사용한 예를 들고 있으나 본 발명은 이 이외에도 R(rare earth)BCO, BiSrCaCuO(조성은 2-1-2-2-X 또는 2-2-2-3-X), TiBoCaCuO(조성은 2-1-2-2-X 또는 2-2-2-3-X 또는 1-2-1-2-X 또는 1-2-2-3-X)), HgBaCaCuO(조성은 1-2-1-2-X 또는 1-2-2-3-X)등 에피텍시얼 성장을 할 수 있는 것이면 어느 산화물 고온초전도체이어도 무관한다.In the above embodiment of the present invention, but the example using a high-temperature superconductor YBCO, but the present invention is in addition to this (rare earth) BCO, BiSrCaCuO (composition 2-1-2-2-X or 2-2-2-3 -X), TiBoCaCuO (composition is 2-1-2-2-X or 2-2-2-3-X or 1-2-1-2-X or 1-2-2-3-X), Any oxide high-temperature superconductor may be used as long as it can epitaxially grow such as HgBaCaCuO (composition 1-2-1-2-X or 1-2-2-3-X).
또한 장벽층의 물질로 PBCO을 예로 들었으나, 이외에도 NBCO, 도포(doped) YBCO, STO, NGO, LAO, LSCO, CRO, SRO 등 고온초전도체의 상하에서 에피텍시얼 성장이 가능한 페로브스카이트(perovskite)와 같은 절연체, 금속, 반도체, 임계온도가 낮은 초전도체 등의 모든 산화물이 가능하다.In addition, PBCO is an example of a barrier layer material, but in addition, perovskite capable of epitaxial growth above and below high temperature superconductors such as NBCO, doped YBCO, STO, NGO, LAO, LSCO, CRO, SRO, etc. All oxides are possible, such as insulators such as perovskite, metals, semiconductors and superconductors with low critical temperatures.
그리고 증착방법으로 PLD법을 사용하였으나 이것에만 한정되는 것은 아니고 이온-비임은 동시에 사용할수 있는 CVD(chemical vapor deposition), MBE(mocular beam epitaxy), 스퍼터링(sputtering)등 각종 증착방법에 대하여서도 본 발명을 적용할수 있으며, 또한 결정입계(grain boundary) 접합을 제외한 고온초전도-장벽(barrier)-고온 초전도의 구조를 갖는 샌드위치, 램프-엣지(ramp-edge) 등의 형태에 대하여서도 본 발명을 적용시킬수 있다.In addition, although the PLD method is used as the deposition method, the present invention is also not limited to this method. Various methods of deposition such as CVD (chemical vapor deposition), MBE (mocular beam epitaxy), and sputtering can be used simultaneously. In addition, the present invention can be applied to the form of a sandwich, a ramp-edge, etc., having a structure of high temperature superconductivity-barrier-high temperature superconductivity except grain boundary junctions. have.
이와 같은 본 발명의 제조방법은 이온-비임에 의한 식각율과 증착율을 비슷하게 함과 동시에 증착되는 박막의 결정축과 채얼링이 잘 이루어지도록 밀링용 이온-비임의 방향을 설정하게 하여, 장벽층을 에피텍시얼로 증착하여 형성하기 때문에 장벽층의 결정축 방향은 채널링이 좋아 이온밀링시 붕괴(collision)확률이 낮으므로 식각율이 크게 떨어지는 반면에 그 이외의 방향으로 랜덤하게 성장되는 결정들은 식각율이 높게 되어 매우 치밀하고 틈(void)이 없는 균일한 에피텍시얼 박막의 장벽층을 낮은 온도에서 형성할 수 있으므로 장벽층의 형성물질에 크게 제약을 받지 않고 조셉슨접합 소자의 접합균일성과 특성을 크게 향상시킬 수 있으며, 이로 인해 제조수율을 크게 향상시킬 수 있다는 효과가 있다.As described above, the manufacturing method of the present invention makes the etching layer and the deposition rate similar to the ion-beam and at the same time sets the direction of the ion-beam for milling so that the crystal axis and the chamfering of the deposited thin film are made well, thereby preventing the barrier layer. Since it is formed by CVD deposition, the crystal axis direction of the barrier layer has good channeling, so the probability of collapse during ion milling is low, so that the etching rate is greatly decreased, whereas crystals grown randomly in other directions have different etching rates. It is possible to form a very dense and void-free uniform epitaxial thin film barrier layer at a low temperature, thereby greatly increasing the bonding uniformity and characteristics of the Josephson junction element without being strongly limited by the barrier layer forming material. It can be improved, and this has the effect that can greatly improve the production yield.
Claims (6)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
KR1019970052146A KR100267228B1 (en) | 1997-10-10 | 1997-10-10 | Fabricating method of josephson junction device operating at high temperature |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
KR1019970052146A KR100267228B1 (en) | 1997-10-10 | 1997-10-10 | Fabricating method of josephson junction device operating at high temperature |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
KR19990031436A KR19990031436A (en) | 1999-05-06 |
KR100267228B1 true KR100267228B1 (en) | 2000-10-16 |
Family
ID=19522561
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
KR1019970052146A KR100267228B1 (en) | 1997-10-10 | 1997-10-10 | Fabricating method of josephson junction device operating at high temperature |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
KR (1) | KR100267228B1 (en) |
Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH08279630A (en) * | 1995-04-05 | 1996-10-22 | Fuji Electric Co Ltd | Manufacture of josephson-junction device |
-
1997
- 1997-10-10 KR KR1019970052146A patent/KR100267228B1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH08279630A (en) * | 1995-04-05 | 1996-10-22 | Fuji Electric Co Ltd | Manufacture of josephson-junction device |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
KR19990031436A (en) | 1999-05-06 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
KR970007137B1 (en) | Grain boundary junctions in high temperature super conductor films | |
EP0364101B1 (en) | Method of forming weak-link Josephson junction, and superconducting device employing the junction | |
US5367178A (en) | High-TC microbridge superconductor device utilizing stepped edge-to-edge SNS junction | |
JPH0577347B2 (en) | ||
JP2963614B2 (en) | Method for manufacturing oxide superconductor junction element | |
JPH05335638A (en) | Josephson junction structure body and manufacture thereof | |
KR100267228B1 (en) | Fabricating method of josephson junction device operating at high temperature | |
US5552373A (en) | Josephson junction device comprising high critical temperature crystalline copper superconductive layers | |
JP3189403B2 (en) | Element having superconducting junction and method of manufacturing the same | |
JPH05335637A (en) | Josephson junction structure body | |
US5962866A (en) | Microbridge superconductor device utilizing stepped junctions | |
US4253230A (en) | Silicon barrier Josephson junction configuration | |
KR100372889B1 (en) | Ramp edge josephson junction devices and methods for fabricating the same | |
JPH08316535A (en) | Josephson element and manufacture thereof | |
EP0597663B1 (en) | Process of producing a Josephson junction | |
Oda et al. | Atomic layer-by-layer MOCVD of oxide superconductors | |
US4368479A (en) | Silicon barrier Josephson junction configuration | |
KR100251533B1 (en) | Process for forming superconducting junction by using a cubic yba2cu3ox thin film | |
JPH08139374A (en) | Superconducting device | |
KR100434287B1 (en) | Manufacturing method for divice junction Josephson superconductor | |
KR0139734B1 (en) | The fabrication method of josephson junction device | |
KR100459125B1 (en) | Manufacturing method for divice junction Josephson superconductor | |
JP2768066B2 (en) | Method for laminating upper thin film on oxide superconducting thin film | |
JP2774576B2 (en) | Superconductor device and method of manufacturing the same | |
KR20030071300A (en) | Manufacturing method for divice junction Josephson superconductor |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A201 | Request for examination | ||
E902 | Notification of reason for refusal | ||
E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
GRNT | Written decision to grant | ||
FPAY | Annual fee payment |
Payment date: 20030701 Year of fee payment: 4 |
|
LAPS | Lapse due to unpaid annual fee |