KR100480743B1 - 고주파 플라즈마를 이용한 사면구조 고온 초전도 죠셉슨 접합구조체의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 고주파 플라즈마(RF plasma) 처리를 이용한 사면구조(ramp-edge) 죠셉슨 접합(Josephson Junction) 구조체의 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 RF 플라즈마를 이용한 사면 구조 고온 초전도 조셉슨 접합 구조체의 제조 방법은, LaAlO3 단결정(Single Crystal) 기판 상에 입혀진 YBCO 고온 초전도 박막과 절연층막(Insulating layer)을 사진식각법(Photolithography)에 의해서 경사구조(Ramp-edge type)를 형성한 후, 그 경사면의 표면을 Ar 가스의 RF 플라즈마로 처리를 하여 청소한 후 매우 얇은 장벽층(Barrier layer)과 YBCO 상부 전극층을 형성하는 방법이다.
Description
본 발명은 고주파 플라즈마(RF plasma) 처리를 이용한 사면구조(ramp-edge) 죠셉슨 접합(Josephson Junction) 구조체의 제조 방법에 관한 것이다.
단결정(Single Crystal) 기판상에 입혀진 YBCO 고온 초전도 박막과 절연층막(Insulating layer)을 반도체 사진 식각법(Photolithography)에 의해서 경사구조(Ramp-edge type)를 형성한 후, 그 경사면 상에 매우 얇은 장벽층(Barrier layer)으로서 YBCO 막을 입히고 최종 상부전극으로서 YBCO를 입힌 구조를 만들면 매우 안정적인 죠셉슨 접합을 형성하게 된다.
일반적으로 죠셉슨 접합 구조체는 고온 초전도체를 응용한 대부분의 초전도 전자 소자에 기본이 되는 요소(Element)이다. 그 응용 예로는 초전도 양자 간섭 소자(SQUID; superconducting quantum interference device), 초전도 논리소자(Logic circuit), 광검출기(Radiation Detecter), 수퍼 컴퓨터(Supercomputer) 및 통신용 고주파 소자(Microwave Devices) 등이 있다.
이와 같이 초전도 전자 소자에서 기본이 되는 죠셉슨 접합의 구조체를 제작하는 방법은 여러 가지가 있지만, 대부분이 실용성 및 재현성이 적으며, 실제로 응용하기 위한 특성값을 갖추지 못하고 있다는 것이 문제이다.
최근에 개발된 조셉슨 접합 구조체로서 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같은 사면구조의 조셉슨 접합(Ramp-edge junction) 구조체가 있다. 이 사면 구조 조셉슨 접합 구조체는, 도시된 바와 같이, LaAlO3 단결정 기판(11) 상에 가장자리가 경사면을 갖도록 순차로 적층된 YBCO 제1초전도체 전극(12a) 및 절연층(13)이 격벽(14)을 사이에 두고 제2초전도체 전극(12b)와 접합된 구조로 되어 있다. 여기서, 격벽(14)은 YBCO로 형성된다. 제1초전도체(12a)의 경사면 기울기는 30°이하(20°미만)가 바람직하다. 절연층(13)은 SrTiO3 으로 형성되며, 제2초전도체 전극(12b)이 격벽(14)의 경사면을 덮는 마이크로브리지의 폭(W)은 5 ㎛ 이하이다.
이와 같은 구조는 경사면을 통하여 초전도 전자를 흘려주는 방법을 이용한 것으로, 종래의 인위적인 접합 제작법중에 가장 실용화에 근접한 형태라고 볼 수 있다. 그러나 경사면 접합(Ramp-edge junction)의 제작 공정 중에 생기는 계면(Interface)상의 오염(Contamination) 또는 산화(Oxidation) 등으로 인하여 실제 접합의 특성이 아닌 계면 저항이 발생하게 된다. 이 계면 저항은 접합제작의 신뢰성 및 재현성에 큰 저해 요소가 되고 있다. 즉 다층막으로 이루어진 접합은 깨끗한 계면을 형성하는 것이 중요하다. 따라서 신뢰성 및 재현성이 우수한 조셉슨 접합을 형성하는데 어려움이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하고자 창안된 것으로, 단결정 기판 상에 입혀진 YBCO 고온 초전도 박막과 절연막을 사진 식각법으로 식각하여 경사면을 형성한 후 그 경사면을 Ar 가스로 고주파 플라즈마(RF plasma) 처리를 하여 크리닝(cleaning)하여 그 위에 형성되는 장벽층과의 사이에 깨끗한 계면이 형성되도록 함으로써, 신뢰성 및 재현성이 뛰어난 사면구조 고온 초전도 죠셉슨 접합 구조체의 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 고주파 플라즈마를 이용한 사면구조 고온 초전도 죠셉슨 접합 구조체의 제조 방법은, 기판 상에 제1초전도체층 및 절연층을 순차로 증착하는 단계; 상기 제1초전도체층 및 절연층의 가장자리를 식각하여 가장자리가 소정 각도의 경사면을 갖는 제1초전도 전극을 형성하는 단계; 상기 경사면을 고주파 플라즈마로 청소하는 단계; 상기 경사면 및 절연층 상에 YBCO 로 격벽을 형성하는 단계; 및 상기 기판 및 상기 격벽 상에 제2초전도체층을 증착하고, 상기 제2초전도체층을 식각하여 상기 경사면을 덮는 소정폭의 마이크로브리지를 갖는 제2초전도체 전극을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 기판은 LaAlO3 단결정으로 이루어지고, 상기 제1초전도체층, 절연층 및 제2초전도체층을 증착하는 온도는 700 ℃ 이상이며, 상기 절연층은 SrTiO3 로 이루어지며, 상기 제1초전도체 전극을 형성하는 단계는 상기 절연층 및 제1초전도체층의 가장자리에 Ar+ 이온을 30°~ 60°각도로 투사하는 사진 식각법으로 식각하며, 상기 경사면을 청소하는 단계에서 상기 고주파 플라즈마는 Ar 가스로 형성하되, 상기 기판에 수직방향으로 투사하며, 상기 고주파 플라즈마로 청소하는 단계 및 상기 격벽을 형성하는 단계는 제자리(in-situ) 공정으로 이루어지며, 상기 격벽은 10Å~900Å 의 두께로 형성하며, 상기 제2초전도체 전극을 형성하는 단계는 상기 제2초전도체층에 Ar+ 이온을 투사하는 사진 식각법으로 식각하며, 상기 마이크로브리지는 폭이 5 ㎛ 이하가 되도록 형성하는 것이 바람직하다.
이하 본 발명에 따른 하는 RF 플라즈마를 이용한 사면구조 고온 초전도 죠셉슨 접합 구조체의 제조 방법을 상세하게 설명한다.
본 발명은 사면구조(Ramp-edge)의 접합에서 가장 중요한 요인(Factor) 중의 하나인 계면저항을 RF 플라즈마로 제거하는 공정에 특징이 있다. 즉, 다층막 사면구조의 접합은 제작 공정 중 2회 이상의 사진식각공정이 필요하며 이 과정에서 계면간의 오염(Contamination) 및 산화(Oxidation)가 생기게 된다. 따라서 이를 제거해주는 수단이 필요하므로 Ar 가스를 이용하여 플라즈마를 발생시켜 시편의 표면을 때려주어 청소(cleaning)하는 방법으로 문제점을 개선한다. 이러한 특징을 포함하는 본 발명에 따른 고주파 플라즈마를 이용한 사면구조 고온 초전도 죠셉슨 접합 구조체의 제조 방법을 도 3 내지 도 9를 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
먼저, 도 3에 도시된 바와 같이, LaAlO3 단결정 기판(11) 상에 YBCO 제1초전도체층(12') 및 SrTiO3 절연층(13')을 순차로 증착한다. 모든 박막은 펄스 레이저(Pulsed Laser)를 이용한 증착법으로 제작되며, 제작시 온도는 700 ℃ 이상으로 하고 산소 압력은 수백 mTorr 이상에서 진행된다. 이는 다음의 증착 공정들에서도 동일하게 적용된다.
다음에, 도 4에 도시된 바와 같이, 사진 식각법에 의해 패터닝된 제1초전도체층(12') 및 절연층(13)이 30°이하의 경사각을 갖는 경사면(ramp-edge)을 갖도록 제작하기 위해 이온 빔(beam)을 35°~ 60°의 각도로 입사시켜 제1초전도체층(12') 및 절연층(13)의 가장자리를 식각한다(Ar ion milling). 이 때, Ar+ 이온 빔의 입사각을 45°정도로 입사시켜 식각하면 대략 20°정도의 경사면을 가지는 제1초전도체 전극(12a)을 얻는다.
다음에, 도 5에 도시된 바와 같이, 제1초전도체 전극(12a)의 경사면(격벽(barrier)과의 계면)을 고주파 플라즈마로 청소한다. 이는 다음에 증착될 격벽(14) 물질과의 계면을 깨끗하게 하기 위한 것이며, Ar 가스를 고주파 플라즈마 상태로 만들어 수직으로 투사하여 청소(cleaning)한다. 이 때 Ar 가스의 압력은 100 mTorr, 파워(Power)는 50W로 한다. 이와 같이 하면, 앞서의 사진 식각 공정에서 생성된 계면(Interface)상의 오염(Contamination)물 또는 산화(Oxidation)물 등의 부산물이 말끔이 제거되므로, 재현성이 있는 소자를 제작할 수 있게 된다. 특히, 이 RF 플라즈마 처리는 다음의 격벽(barrier)층을 형성하는 공정과 제자리(in-situ) 공정으로 수행한다.
다음에, 도 6에 도시된 바와 같이, 청소된 제1초전도체 전극(12a) 및 절연층(13)의 경사면 및 절연층(13) 상에 YBCO을 증착하여 격벽(14)을 형성한다. 격벽(14)은 수십~수백Å(대략 10Å~900Å)의 매우 얇은 두께로 형성한다.
다음에, 도 7에 도시된 바와 같이, 기판(11)의 노출부 및 격벽(14) 상에 YBCO 제2초전도체층(12")을 증착한 다음, 이 제2초전도체층(12")을, 다시 사진 식각법으로, 도 8에 도시된 바와 같이, 패터닝하여 5 ㎛ 이하의 매우 작은 폭(도 2의 W)의 마이크로브리지(microbridge)가 경사면 상을 가르지르도록 형성함으로써 제2초전도체 전극(12b)을 형성한다. 이 때, 도 2에 도시된 바와 같이, 접합을 병렬로 2개를 갖는 DC SQUID가 되도록 제작한다. 이를 이용해 매우 미세한 자장을 감지할 수 있는 자계센서를 만들 수 있다.
이상과 같은 공정을 통하여 제작된 도 2의 사면 구조 조셉슨 접합 구조체는 접합을 병렬로 2개를 갖는 DC 초전도 양자 간섭 소자(DC SQUID) 이다. 이를 이용해 매우 미세한 자장을 감지할 수 있는 자계센서를 만들 수 있다.
이와 같이 제작된 YBCO 격벽을 이용한 사면구조 조셉슨 접합 구조체에 있어서, 격벽을 통하여 흐르는 초전도 전자쌍은 c축(기판과 수직한 방향)에 비해 a-b축(기판과 평행한 방향)의 코히런스 길이(coherence length)가 큰 특성으로 인해 a-b축으로 더 용이하게 흐르게 된다. 이러한 원리를 이용해 a-b축 방향의 경사면을 이용한 경사면 접합(ramp-edge junction)을 활용하는 것이고, 실용화에 필요한 접합의 특성치를 얻기 위해서는 임계전류(Ic) 및 상저항(Rn)의 곱인 특성전압(Vc)이 높아야 한다. 따라서 높은 Vc의 값을 얻기 위해서 명확한 계면을 갖는 격벽을 형성해야 하며 또한 격벽의 저항값이 금속-절연체 전이(metal-insulator transition) 영역에 있어야 하는 조건이 필수적이다. 여기서, 임계전류는 초전도체에 전류를 가해줄 때 초전도 성질이 깨지는 순간의 전류값을 말하며 상저항은 초전도 성질이 깨진 상태에서의 저항값이다. 그리고 특성전압은 작은 신호에 얼마나 크게 응답할 수 있는가를 나타내는 척도라 볼 수 있다. 즉, 전자 소자에 응용시 이 값이 얼마나 큰가에 따라 실용가치가 좌우된다.
이와 같이 RF 플라즈마를 이용한 청소(cleaning) 방법은, 앞서 설명한 바와 같이, 매우 명확한(clear한) 격벽 계면을 형성하며, 따라서 제작되는 접합의 특성도 매우 재현성있게 얻어지기 때문에 높은 값의 Vc를 얻을 수가 있다. 또한 상기 RF 플라즈마 청소(plasma cleaning) 이후의 상부 적층 공정들은 챔버 내에서 진공을 깨지않고 진행되는 제자리 공정(in-situ process)이므로 청소(cleaning) 이후에 형성하는 상부적층 계면의 오염(Contamination)도 피할 수 있다.
도 9에는 실제로 도 2에 도시된 바와 같은 구조로 제작된 YBCO 장벽을 이용한 사면구조 고온 초전도 죠셉슨 접합 구조체의 전류-전압 특성 곡선이 도시된다. 여기서, 측정된 고온 초전도 조셉슨 접합 구조체는 펄스 레이저(Pulsed Laser)를 이용하여 다층박막이 제작되었으며, 제작시 온도는 700 ℃ 이상이고 산소압력은 400 mTorr 이상으로 하였다. 20°이하의 경사각을 갖는 사면을 제작하기 위해 Ar+ 이온 빔의 입사각을 45°로 하는 Ar+ 이온 식각(ion milling)을 행하였고, 격벽과의 계면을 깨끗하게 하기위해 Ar 플라즈마로 청소(cleaning)해 주었다. 이 때 Ar 가스의 압력은 100 mTorr, 파워(Power)는 100 W로 하였다. 격벽(Barrier)층은 YBCO를 약 200 Å의 매우 얇은 두께로 입혔으며, 그 위에 상부전극으로 YBCO 초전도 박막을 입혔다. 다시 한번 사진 식각법(이온 식각법)으로 형상화작업을 해주어 매우 폭이 가는 5 ㎛의 마이크로브리지(microbridge)를 형성해 죠셉슨 접합을 완성한 것이다. 도 9는 본 발명의 방법에 따라 제작된 다층막 경사면 접합(ramp-edge junction)의 전류-전압 특성을 측정한 것이다. 여기서, 조셉슨 접합의 기본 특성인 RSJ(Resistively Shunted Junction) 특성이 명확하게 관찰된다. 즉, 전압이 일정 지점에서 급격히 상승하다가 완만하게 직선 형태가되는 모양을 띄고 있다. 이는 조셉슨 접합이 형성되었음을 알려준다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 RF 플라즈마를 이용한 사면 구조 고온 초전도 조셉슨 접합 구조체의 제조 방법은, LaAlO3 단결정(Single Crystal) 기판 상에 입혀진 YBCO 고온 초전도 박막과 절연층막(Insulating layer)을 사진식각법(Photolithography)에 의해서 경사구조(Ramp-edge type)를 형성한 후, 그 경사면의 표면을 Ar 가스의 RF 플라즈마로 처리를 하여 청소한 후 매우 얇은 장벽층(Barrier layer)과 YBCO 상부 전극층을 형성하는 방법이다. 이와 같은 방법으로 제작된 사면 구조 고온 초전도 조셉슨 접합 구조체의 제조 방법을 이용하면 다음과 같은 효과를 볼 수 있다.
첫째, 다층막 공정에서 발생하기 쉬운 계면 저항 및 오염(Contamination) 물질을 제거할 수 있다.
둘째, 다층막 제작시 에피택시(epitaxial) 성장을 하는데 매우 용이하다.
세째, 제자리 공정(In-situ process)이므로 공정을 매우 단순화시킬 수 있으며, 산화(Oxidation) 등의 부작용을 방지할 수 있다.
네째, 격벽의 두께 변화 만으로도 접합의 특성을 조절할 수 있다.
다섯째, 높은 값의 특성 전압(Vc)을 갖는 접합을 얻을 수 있다.
여섯째, 재현성이 우수하다.
도 1은 일반적인 사면구조 고온 초전도 조셉슨 접합 구조체의 수직 단면도,
도 2는 도 1의 사면구조 고온 초전도 죠셉슨 접합 구조체의 개략적 사시도,
도 3 내지 도 8은 본 발명에 따른 사면구조 고온 초전도 죠셉슨 접합 구조체의 제조 방법을 제조 단계별로 보여주기 위한 수직 단면도로서,
도 3은 단결정 기판상에 고온 초전도 박막 및 절연층을 증착하는 공정을 나타내는 수직 단면도,
도 4는 사진 식각법을 이용해 사면(Ramp-edge) 구조를 형성하는 공정을 나타내는 수직 단면도,
도 5는 Ar 플라즈마로 경사면을 청소(cleaning)하는 공정을 나타내는 수직 단면도,
도 6은 경사면상에 격벽(barrier)을 형성하는 공정을 나타내는 수직 단면도,
도 7은 경사면상에 YBCO 초전도 상부 전극층을 형성하는 공정을 나타내는 수직 단면도,
도 8은 사진 식각법에 의해 상부 전극층을 형상화(Patterning)하는 공정을 나타내는 수직 단면도,
그리고 도 9는 도 3 내지 도 8의 제조 공정에 따라 제조된 사면구조 고온 초전도 죠셉슨 접합 구조체의 전류-전압 특성 곡선이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
11. LaAlO3 단결정 기판 12a. YBCO 제1전극
12b. YBCO 제2전극 13. 절연층
14. YBCO 격벽 15. 포토레지스트
16. 포토레지스트
Claims (10)
- 기판 상에 제1초전도체층 및 절연층을 순차로 증착하는 단계;상기 제1초전도체층 및 절연층의 가장자리를 식각하여 가장자리가 소정 각도의 경사면을 갖는 제1초전도 전극을 형성하는 단계;상기 경사면을 고주파 플라즈마로 청소하는 단계;상기 경사면 및 절연층 상에 YBCO 로 격벽을 형성하는 단계; 및상기 기판 및 상기 격벽 상에 제2초전도체층을 증착하고, 상기 제2초전도체층을 식각하여 상기 경사면을 덮는 소정폭의 마이크로브리지를 갖는 제2초전도체 전극을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 고주파 플라즈마를 이용한 사면구조 고온 초전도 죠셉슨 접합 구조체의 제조 방법.
- 제1항에 있어서,상기 기판은 LaAlO3 단결정으로 이루어진 것을 특징으로 하는 고주파 플라즈마를 이용한 사면구조 고온 초전도 죠셉슨 접합 구조체의 제조 방법.
- 제1항에 있어서,상기 제1초전도체층, 절연층 및 제2초전도체층을 증착하는 온도는 700 ℃ 이상인 것을 특징으로 하는 고주파 플라즈마를 이용한 사면구조 고온 초전도 죠셉슨 접합 구조체의 제조 방법.
- 제1항에 있어서,상기 절연층은 SrTiO3 로 이루어진 것을 특징으로 하는 고주파 플라즈마를 이용한 사면구조 고온 초전도 죠셉슨 접합 구조체의 제조 방법.
- 제1항에 있어서,상기 제1초전도체 전극을 형성하는 단계는 상기 절연층 및 제1초전도체층의 가장자리에 Ar+ 이온을 30°~ 60°각도로 투사하는 사진 식각법으로 식각하는 것을 특징으로 하는 고주파 플라즈마를 이용한 사면구조 고온 초전도 죠셉슨 접합 구조체의 제조 방법.
- 제1항에 있어서,상기 경사면을 청소하는 단계에서 상기 고주파 플라즈마는 Ar 가스로 형성하는 것을 특징으로 하는 고주파 플라즈마를 이용한 사면구조 고온 초전도 죠셉슨 접합 구조체의 제조 방법.
- 제1항 또는 제6항에 있어서,상기 고주파 플라즈마로 청소하는 단계 및 상기 격벽을 형성하는 단계는 제자리 공정으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 고주파 플라즈마를 이용한 사면구조 고온 초전도 죠셉슨 접합 구조체의 제조 방법.
- 제1항에 있어서,상기 격벽은 10Å~900Å 의 두께로 형성하는 것을 특징으로 하는 고주파 플라즈마를 이용한 사면구조 고온 초전도 죠셉슨 접합 구조체.
- 제1항에 있어서,상기 제2초전도체 전극을 형성하는 단계는 상기 제2초전도체층에 Ar+ 이온을 투사하는 사진 식각법으로 식각하는 것을 특징으로 하는 고주파 플라즈마를 이용한 사면구조 고온 초전도 죠셉슨 접합 구조체의 제조 방법.
- 제1항에 있어서,상기 제2초전도체 전극을 형성하는 단계에서 상기 마이크로브리지는 폭이 5㎛ 이하가 되도록 형성하는 것을 특징으로 하는 고주파 플라즈마를 이용한 사면구조 고온 초전도 죠셉슨 접합 구조체의 제조 방법.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1019980002631A KR100480743B1 (ko) | 1998-01-31 | 1998-01-31 | 고주파 플라즈마를 이용한 사면구조 고온 초전도 죠셉슨 접합구조체의 제조 방법 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1019980002631A KR100480743B1 (ko) | 1998-01-31 | 1998-01-31 | 고주파 플라즈마를 이용한 사면구조 고온 초전도 죠셉슨 접합구조체의 제조 방법 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR19990066580A KR19990066580A (ko) | 1999-08-16 |
| KR100480743B1 true KR100480743B1 (ko) | 2005-09-30 |
Family
ID=37305068
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1019980002631A KR100480743B1 (ko) | 1998-01-31 | 1998-01-31 | 고주파 플라즈마를 이용한 사면구조 고온 초전도 죠셉슨 접합구조체의 제조 방법 |
Country Status (1)
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-
1998
- 1998-01-31 KR KR1019980002631A patent/KR100480743B1/ko not_active IP Right Cessation
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR19990066580A (ko) | 1999-08-16 |
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