KR100567345B1 - 고온초전도 단결정을 이용한 선천성 조셉슨 접합 단상(壇床)의 인-시튜적 제조 방법 - Google Patents

고온초전도 단결정을 이용한 선천성 조셉슨 접합 단상(壇床)의 인-시튜적 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고온 초전도체의 단결정 단상(壇床)구조에, 원하는 임의의 수의 선천성 조셉슨 접합을 형성시키기 위하여, 단결정 단상구조의 식각 공정과 이 단상 구조내에 생성되고 있는 선천성 조셉슨 접합에 대한 측정 작업을 저온에서 동시에 수행하는 방법 및 이에 사용될 수 있는 이온빔 식각 장치를 개시한다. 선천성 조셉슨 접합의 단상구조를 제조함에 있어서 단상구조내에 형성되는 선천성 조셉슨 접합의 수를 임의로 조절할 수 있게 됨으로써, SQUID 소자, THz 발진소자, 전압표준소자, 믹서 소자 등의 고온 초전도체 단결정을 이용한 능동소자 개발이 용이하게 될 수 있다.

Description

고온초전도 단결정을 이용한 선천성 조셉슨 접합 단상(壇床)의 인-시튜적 제조 방법{Method for in-situ fabrication of intrinsic-Josephson-junction mesa of high temperature superconducting single crystals}
도 1은 기판상에 음성 감광액(negative photoresist)을 사용하여 고온 초전도체 단결정을 접합하는 공정을 설명하기 위한 단면도이다.
도 2는 열처리 과정을 거치지 않고도 낮은 접촉 저항을 얻을 수 있는 금속 박막(16)을 증착하는 공정을 설명하기 위한 단면도이다.
도 3은 전도성 금속 박막(16) 및 단결정(14)을 차례로 식각하여 고온 초전도체 단결정(14)내에 복수개의 단상 구조를 형성하는 공정을 설명하기 위한 단면도이다.
도 4는 미세 단상 구조의 측면 및 노출된 고온 초전도체의 표면을 절연시키는 공정을 설명하기 위한 단면도이다.
도 5는 전극 패턴을 형성하여 구조를 외부 측정 장치와 연결하는 공정을 설명하기 위한 단면도이다.
도 6은 단상에 대한 4단자 측정과 단상의 선천성 조셉슨 접합의 수를 인-시튜적으로 변화시키는 데 사용되는 전극 패턴 형성공정을 설명하기 위한 단면도이 다.
도 7은 상기 전극 패턴(20) 및 그 하부의 금속 박막(16)을 마스크로 이용하여 이 마스크로 덮여 있지 않는 영역의 단상(14)을 식각하여 단상 구조의 높이를 증가시킴으로써 상기 단상 구조 내에 형성되는 선천성 조셉슨 접합의 수를 증가시키는 단계를 설명하기 위한 단면도이다.
도 8은 본 발명의 이온빔 식각 장치에 장착되는 냉각 장치(50)의 단면도이다.
도 9은 도 7에 도시된 본 발명에 따른 냉각장치가 장착된 이온빔 식각 장치의 단면도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10 : 기판 12 : 음성 감광막
14 : 고온 초전도체 단결정 16 : 전도성 금속 박막
18 : 감광막 패턴 20 : 전극 패턴
본 발명은 선천성 조셉슨 접합 단상의 제조 방법 및 이에 사용될 수 있는 이온빔 식각 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 고온 초전도체 단결정 단상(壇床) 구조 내에, 원하는 임의의 수의 선천성 조셉슨 접합을 정확하게 형성시킬 수 있는 제조방법 및 이를 제조하는 데 편리하게 사용될 수 있는 이온빔 식각 장치에 관한 것이다.
초전류를 투과시킴으로써 전기 저항을 나타내지 않는 투과접합을 조셉슨접합이라 하며, 그 비선형적인 전기적 특성으로 인해 발진소자를 포함하여 초전도체를 이용한 능동 소자의 응용에 필수적으로 요구된다. 성장된 결정체 내에 매우 균일하게 주기적으로 적층된 조셉슨 접합을 선천성 조셉슨 접합이라 부른다. 현재의 기술수준에서 고온초전도 전극 사이에 얇은 부도체층이 삽입된 형태의 조셉슨 접합을 인공적으로 제조하는 것이 실질적으로 불가능한 반면, 다행히도 적층(積層)구조를 가지는 고온 초전도 단결정 내에는 선천성 조셉슨 접합(intrinsic Josephson junction)이 형성됨이 발견되었다.
고온초전도체가 선천성 조셉슨 접합 특성을 나타내는 것은 고온 초전도체의 결정이 c-결정축을 따라서 층상 구조를 이루기 때문이다. 특히, 비스무스 계열과 탈륨 계열의 고온초전도체는 안정적인 단결정을 얻을 수 있는 방법이 잘 확립되어 있으면서, 전도 특성의 이방성(異方性)이 매우 커서 조셉슨 접합의 특성이 잘 나타난다.
선천성 조셉슨 투과접합은 단결정의 형성과 함께 자연적으로 조성되기에 그 접합특성이 매우 균일하다는 장점을 가지고 있다. 또한, 매우 조밀하게 주기적으로 적층되어 있어 극소형 소자로 응용하기에 적합하며, 반복적인 냉각에도 안정성을 나타내기에 우수한 특성을 갖는 능동 소자로 응용이 가능하리라 기대되고 있다.
고온 초전도체 단결정으로부터 원하는 조셉슨 효과를 얻기 위해서 초미세 가 공 기술을 이용하여 수 백 ㎛2 이하의 단면적을 갖는 단상 구조들을 고온 초전도체 표면에 형성한 다음, 여기에 전극을 형성하는 기술이 사용된다. 이러한 미세 구조 형성 및 전극 접합 기술은 고온의 열처리를 필요로 하지 않기 때문에 고온 초전도체의 성질을 바꾸지 않으면서 접촉 면적을 정확하게 조절할 수 있다. 따라서, 상기 미세 구조 형성 및 전극 접합 기술은 고온 초전도체의 조셉슨 효과를 이용한 능동 소자 제작에 필수적인 기술이다.
이 때, 고온 초전도체 단결정상의 단상 구조내에 형성되는 선천성 조셉슨 접합의 수는 단상 구조의 높이에 의해서 결정되며, 식각 조건의 조절을 통해 선천성 조셉슨 접합의 수를 제어할 수 있지만, 식각의 정도를 정확히 파악할 수 없기 때문에 원하는 정확한 수의 선천성 조셉슨 접합을 단상에 형성하는 것이 실질적으로 불가능한 문제점이 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 고진공의 저온 조건에서 고온 초전도체 단결정을 식각하여 단상 구조를 형성하는 식각 작업과 이 단상 구조내의 선천성 조셉슨 접합의 전기적 특성 측정을 인-시튜적으로 행함으로써 고온 초전도체 단상 구조내에 형성되는 선천성 조셉슨 접합의 수를 정확히 제어할 수 있는 선천성 조셉슨 접합 단상의 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 고온초전도 단결정 단상 구조내에서의 선천성 조셉슨 접합 단상의 제조 방법에 편리하게 사용될 수 있는 이온빔 식각 장치를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 구현예는,
(a) 기판(10) 상에, 단위포(unit cell)의 c축방향이 상기 기판(10)에 수직하도록 하여 고온 초전도체 단결정(14)을 상기 기판(10)상에 고정시키는 단계;
(b) 상기 단결정(14)의 ab 표면을 노출시키는 단계;
(c) 상기 단결정(14)의 ab 표면 상에 전도성 금속 박막(16)을 증착시키는 단계;
(d) 상기 단결정(14)상에 상기 금속 박막(16)이 적층된 구조로 이루어진 복수개의 단상 구조를 형성하는 단계;
(e) 상기 복수개의 단상 구조 사이의 골짜기를 매립하여, 상기 단상 구조의 측면 및 상기 단결정(14)의 노출된 표면을 절연시키고, 상기 복수개의 단상 구조상의 금속 박막(16)을 서로 분리시키는 절연막 패턴(18)을 형성하는 단계; 및
(f) 상기 분리된 금속 박막(16) 상에 서로 분리된 복수개의 전극 패턴(20)을 형성하는 단계; 및
(g) 4 단자법으로 투과 전류 대비 전압특성 곡선을 얻을 수 있도록 상기 복수개의 단상 구조 중 하나 이상의 단상 구조상에 적층되어 있는 전극 패턴(20) 및 그 하부의 금속 박막(16)을 식각하여 분리하는 단계를 포함하는 선천성 조셉슨 접합 단상의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일 구현예에 따른 선천성 조셉슨 접합 단상의 제조방법은, (h) 상기 기판의 온도를 약 20 K 이하로 유지한 상태에서, 4 단자법으로 상기 단상 구조의 사이의 투과전류 대비 전압 특성 곡선을 얻고, 상기 곡선으로부터 준입자 투과가지(quasiparticle branch)의 수를 셈으로써 상기 단상 구조내에 형성된 선천성 조셉슨 접합의 수를 측정하는 단계; 및
(i) 상기 전극 패턴(20) 및 그 하부의 금속 박막(16)을 마스크로 이용하여 이 마스크로 덮여 있지 않는 영역의 단상(14)을 식각하여 단상 구조의 높이를 증가시킴으로써 상기 단상 구조 내에 형성되는 선천성 조셉슨 접합의 수를 증가시키는 단계를 더 포함한다.
본 발명의 일 구현예에 따른 선천성 조셉슨 접합 단상의 제조방법은, 원하는 수의 선천성 조셉슨 접합이 형성될 때까지 상기 (h) 단계의 선천성 조셉슨 접합의 수를 측정하는 단계와 상기 (i) 단계의 선천성 조셉슨 접합의 수를 증가시키는 단계를 반복하는 것이 바람직하다.
상기 다른 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명의 다른 구현예는,
진공이 유지되는 공간을 한정하는 챔버(61);
상기 챔버의 일면에 위치하며, 상기 챔버내에 시료(58)를 고정시키고 필요한 경우에는 상기 시료(58)를 냉각시킬 수 있는 냉각장치;
상기 챔버내의 기체를 외부로 배기하여 상기 챔버내를 진공으로 하기 위한 배관 라인(63, 73);
상기 시료에 대향하도록 위치하며, 상기 시료(58)를 식각하기 위한 이온 빔 을 방출하는 이온 총(65);
상기 시료(58)에 접속되어 상기 시료의 전기적 특성을 측정하기 위한 전기적 특성 측정용 도선(67);
전기적 특성 측정용 도선(67)으로부터의 측정 단상의 전류 대비 전압 신호를 검출하기 위한 검출기(79); 및
상기 검출된 전류 대비 전압 신호를 처리하여 상기 단상 구조 사이의 투과전류 대 전압의 곡선을 플러팅하여 주는 마이크로 프로세서(81)를 포함하는 이온빔 식각장치를 제공한다.
본 발명의 다른 구현예에 있어서, 상기 이온총(65)에는 식각가스의 유량을 조절하기 위한 유량조절기(77)가 부착되어 있는 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 구현예에 따른 이온빔 식각장치에 있어서, 상기 이온 빔은 아르곤 빔인 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 구현예에 따른 이온빔 식각장치에 있어서, 상기 이온 총(65)과 시료 장착 금속판(56) 사이에는 상기 이온빔(75)을 차단할 수 있는 셔터(71)가 더 구비되어 있는 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 구현예에 따른 이온빔 식각장치에 있어서, 상기 전기특성 측정용 도선(67)은 구리-망간-니켈 합금으로 이루어진 것이 바람직하다.
본 발명의 또 다른 구현예는 또한,
시료(58)을 냉각하기 위한 냉매가 수용되는 본체(51);
상기 본체내로 냉매를 주입하기 위한 냉매 유입구(52);
상기 본체내의 냉매를 외부로 배출시키기 위한 냉매 유출구(54); 및
상기 냉매 유입구(52) 및 냉매 유출구(54)가 부착되어 있는 면의 대향면의 외벽에 시료를 부착시키기 위한 체결기구가 구비되어 있는 시료 장착 금속판(56)을 포함하는 것을 특징으로 하는 이온빔 식각 장치용 냉각 장치를 제공한다.
본 발명의 또 다른 구현예에 따른 이온빔 식각 장치용 냉각장치에 있어서, 상기 본체(51)는 스텐레스 스틸 재질로 되어 있는 것이 바람직하다.
본 발명의 또 다른 구현예에 따른 이온빔 식각 장치용 냉각장치에 있어서, 상기 시료 장착 금속판은 열전도도가 높은 구리판 또는 도금된 구리판으로 이루어진 것이 바람직하다.
상기 본 발명의 일 구현예에 따른 선천성 조셉슨 접합의 제조 방법에 따르면, 고진공의 저온 조건에서 고온 초전도체를 식각하여 단상 구조를 형성하는 식각 작업과 이 단상 구조의 투과 특성을 인-시튜적으로 측정함으로써 고온 초전도체 단상 구조내에 형성되는 선천성 조셉슨 접합의 수를 정확히 제어할 수 있다. 따라서, 단결정을 식각하여 단상 구조를 형성하는 식각공정과 식각후의 단상 구조의 투과 특성 측정공정을 반복적으로 수행하면 고온 초전도체 단상 구조내에 형성되는 선천성 조셉슨 접합의 수를 정확하게 제어할 수 있다.
이하, 도 1 내지 도 6을 참조하면서 본 발명의 일 구현예에 따른 선천성 조셉슨 접합의 인-시튜 제조 방법에 대하여 상세하게 설명한다.
(1) 단상 구조의 고온 초전도체 단결정 시료의 제작
도 1은 기판상에 음성 감광액(negative photoresist)을 사용하여 고온 초전 도체 단결정을 접합하는 공정을 설명하기 위한 단면도이다.
도 1을 참조하면, 사파이어, 산화마그네슘, 또는 유리 등의 기판(10) 상에 음성 감광액을 스핀코팅하여 균일한 두께의 음성 감광막(12)을 형성한다. 감광막(12)이 충분히 굳어지기 전에, 단위포(unit cell)의 c축방향이 감광막(12)에 수직하도록 하여 고온초전도 단결정(14: 이하 경우에 따라서 "단결정"이라고도 칭함)을 감광막(12) 위에 올려놓는다. 이 결과물의 감광막(12)을 약 100 ~ 약 120℃의 온도에서 감광막(12)을 하드 베이킹하여 단결정(14)을 기판(10)상에 고정시킨다. 고온초전도 단결정(14)으로서는 Bi2Sr2CaCu2O8+X(이하, "Bi-2212"로 칭함), Tl2Ba2Ca2Cu3O10+X(Tl-2223) 등이 사용될 수 있다.
음성 감광막(12)이 충분히 굳어진 것을 확인한 후, 스카치 테이프 등의 접착성 테이프를 단결정(14)상에 붙인 다음 그 접착력을 이용하여 단결정 표면을 떼어낸다. 그러면, 이방성이 큰 단결정(14)은 쉽게 쪼개지면서 광학적으로 편평한 ab 면을 드러낸다. 편광 현미경을 이용하여 단결정 표면의 편평도를 확인한다.
도 2는 열처리 과정을 거치지 않고도 낮은 접촉 저항을 얻을 수 있는 금속 박막(16)을 증착하는 공정을 설명하기 위한 단면도이다. 한편, 도 2 내지 도 5에서는 도시 편의상 단결정(14)의 하부에 위치하는 기판(10), 음성 감광막(12)은 생략한다.
도 2를 참조하면, 가열 증착기 챔버내에 상기 단결정(10)을 포함하는 기판을 장착한 후, ab면을 따라 절개된 단결정(14) 표면 위에 약 10-5 torr ~ 약 6 ×10- 6torr의 진공도에서 순금 박막, 백금 박막 등 산화물을 잘 형성하지 않는 전도성 금속박막(16)을 약 500 ~ 약 1000Å의 두께로 증착시킨다. 산화물을 형성하는 금속박막의 경우에는 단결정에 증착시 초전도층인 CuO2 층의 산소와 결합하여 단결정의 초전도성을 파괴함으로써 높은 접촉 저항을 나타내므로 사용이 불가능하다. 이 금속 박막(16)은 후속 공정에서 단결정 표면이 오염되는 것을 방지하기 위한 것이다. 단결정(14)의 표면을 스카치 테입 등으로 떼어낸 후 금속박막(16)을 증착하는 사이에 단결정의 표면에 이물질 분자가 흡착되어 접촉저항을 증가시키는 것을 방지하기 위하여, 단결정을 가열 증착기 챔버에 장착한 후 가열증착기 챔버내의 진공도가 약 10-5 torr 대로 떨어지기까지의 시간이 약 40분을 넘지 않도록 조정한다.
도 3은 전도성 금속 박막(16) 및 단결정(14)을 차례로 식각하여 고온 초전도체 단결정(14)내에 미세 단상 구조를 형성하는 공정을 설명하기 위한 단면도이다.
먼저, 이 공정의 제1 단계는 금속 박막(16) 및 단결정(14)을 식각하기 위한 마스크의 역할을 하는 감광막 패턴(미도시)을 금속 박막(16)상에 형성하는 것이다.
즉, 금속 박막(16)상에 양성 감광액을 스핀 코팅함으로써 균일한 감광막(미도시)을 형성한다. 약 100℃에서 감광막(미도시)을 소프트 베이킹 한다. 이어서, 소정 패턴의 마스크를 전도성 금속 박막(16)상의 양성 감광막(미도시)상에 정렬시키고 약 50W 세기, 파장 약 300 ~ 400nm의 자외선에 노광한 후, 현상하여 감광막 패턴(미도시)을 형성한다. 마지막으로, 산소 이온빔 식각 장치를 이용하여 표면에 잔류하는 감광막 찌꺼기를 애싱(ashing)하여 제거한다.
이 공정의 제2 단계는 제1 단계에서 형성된 상기 감광막 패턴(미도시)을 마스크로서 이용하여 금속 박막(16) 및 단결정(14)을 식각하여 단상 구조를 형성하는 것이다.
이를 위하여, 제1 단계를 마친 결과물을 도 9에 도시된 본 발명에 따른 이온빔 식각 장치(60)내의 챔버에 넣고, 챔버내의 공기를 펌핑해내어 고진공으로 한 후, 이온빔 전압을 약 300 ~ 약 500 V, 이온빔 전류 밀도를 약 0.8 ~ 약 1.5 mA/cm2으로 조절한 조건하에서, 상기 감광막 패턴(미도시)을 마스크로서 이용하여 금속 박막(16) 및 단결정(14)을 이온빔 식각하여 단결정내에 미세 단상 구조를 형성한다. 이온빔으로서는 아르곤 이온빔이 바람직하다. 이 때, 식각 시간을 연장하면 단상 구조의 높이를 증가시킬 수 있다. 식각 작업 후 상기 감광막 패턴은 아세톤 등의 솔벤트에 담가 제거하거나 산소 이온빔 식각 장치를 이용하여 애싱하여 제거한다.
도 4는 미세 단상 구조의 측면 및 노출된 고온 초전도체의 표면을 절연시키는 공정을 설명하기 위한 단면도이다.
상기 결과물상의 표면상에 양성 감광액을 스핀코팅하여 균일한 두께의 양성 감광막을 얻고, 이를 약 100 ℃ ~ 약 110 ℃의 온도에서 소프트 베이킹한다. 상기 양성 감광막(미도시)의 상부에 소정 패턴의 마스크를 정렬하고 약 50 W 세기, 약 300 ~ 400 nm 파장의 자외선에 노광하고, 현상하여 감광막 패턴(18)을 형성한다. 다시 이 감광막 패턴(18)을 약 110 ℃ ~ 약 130℃에서 하드 베이킹함으로써, 상기 미세 단상 구조의 측면 및 상기 고온 초전도체 단결정(14)의 노출된 표면을 절연시키는 감광막 패턴(18)을 형성한다.
도 5는 전극 패턴을 형성하여 단상 구조의 단결정 시료를 완성하는 공정을 설명하기 위한 단면도이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 복수개의 단상 구조 및 절연막으로서의 감광막 패턴(18)이 형성된 단결정(14)을 포함하는 결과물을 가열 증착기에 넣고 전극으로 사용할 금, 은, 백금 등 금속 박막(미도시)을 약 1000 Å ~ 약 8000Å의 두께로 적층한다.이때, 가열 증착기 챔버의 진공도는 약 10-5 torr ~ 6 ×10-6torr의 진공도로 조절한다.
계속해서, 상기 금속 박막이 증착된 결과물상에 균일한 두께의 양성 감광막(미도시)을 형성하고, 이를 약 100℃에서 소프트 베이킹한다.
이어서, 상기 양성 감광막(미도시)의 상부에 소정 패턴의 마스크를 정렬하고, 약 50 W 세기, 약 300 ~ 400nm 파장의 자외선에 노광하고, 현상하여 양성 감광막 패턴(미도시)을 형성한다. 약 110 ~ 약 130℃에서 감광막 패턴(미도시)을 하드 베이킹한다.
계속해서 상기 감광막 패턴(미도시)을 마스크로 이용하여 이온빔 식각 장치에서 상기 금속 박막을 식각하여 전극 패턴(20)을 형성하는 공정에 대하여 설명한다.
상기 감광막 패턴(미도시)이 형성된 결과물을 도 9에 도시된 본 발명에 따 른 이온빔 식각 장치(60)내의 챔버에 넣고, 챔버내를 고진공으로 한다. 이어서, 이온빔 전압을 약 300 ~ 약 500 V, 빔 전류 밀도를 약 0.8 ~ 약 1.5 mA/cm2으로 조절한 조건하에서, 상기 감광막 패턴(미도시)을 마스크로서 이용하여 이온빔 식각을 통해 상기 금속 박막(미도시)을 식각하여 전극 패턴(20)을 형성한다. 이온빔으로서는 아르곤 이온빔이 적합하게 사용될 수 있다.
도 6은 4 단자법으로 투과 전류 대비 전압특성 곡선을 얻을 수 있도록 상기 복수개의 단상 구조 중 하나 이상의 단상 구조상에 적층되어 있는 전극 패턴(20) 및 그 하부의 금속 박막(16)을 식각하여 분리하는 단계를 설명하기 위한 단면도이다.
계속해서, 상기 결과물상에 균일한 두께의 양성 감광막(미도시)을 형성하고, 이를 약 100℃에서 소프트 베이킹한다. 이어서, 상기 양성 감광막(미도시)의 상부에 소정 패턴의 마스크를 정렬하고, 약 50 W 세기, 약 300-400 nm 파장의 자외선에 노광하고, 현상하여 양성 감광막 패턴(미도시)을 형성한다. 약 110 ~ 약 130℃에서 감광막 패턴(미도시)을 하드 베이킹한다.
계속해서, 상기 감광막 패턴(미도시)이 형성된 결과물을 도 9에 도시된 본 발명에 따른 이온빔 식각 장치(60)내의 챔버에 넣고, 챔버내를 고진공으로 한다. 이어서, 이온빔 전압을 약 300 ~ 약 500 V, 빔 전류 밀도를 약 0.8 ~ 약 1.5 mA/cm2으로 조절한 조건 하에서, 상기 감광막 패턴(미도시)을 마스크로서 이용하여 이온빔 식각을 통해 상기 복수개의 단상 구조 중 하나 이상의 단상 구조상에 적층되어 있는 상기 전극 패턴(20) 및 그 하부의 금속 박막(16)을 식각하여 분리하여 4단자 측정용 전극 패턴(20')을 형성한다. 이온빔으로서는 아르곤 이온빔이 적합하다.
이 전극 패턴(20')을 형성하기 위한 이온빔 식각 작업으로 인하여 하부의 단상 구조가 미리 식각되지 않도록 단상(14)과 접하는 금속 박막(16)의 하부층은 본 식각과정에서 남겨져 있는 것을 광학 현미경으로 확인한다. 식각 작업으로 인해 변성된 양성 감광막은 산소 이온빔 식각 장치를 이용하여 애싱하여 제거한다.
이하에서는 이렇게 하여 준비된 고온 초전도 단결정 시료의 선천성 조셉슨 접합의 수를 측정방법 및 인-시튜적으로 단상에 포함된 선천성 조셉슨 접합의 수를 제어하는 방법에 대하여 설명한다.
(2) (1)에서 제조한 고온 초전도 단결정 시료의 선천성 조셉슨 접합의 수 측정 방법
위에서 준비된 단결정 시료를 도 9의 이온빔 식각 장치의 시료 장착 금속판에 나사로 체결하여 고정시킨 후, 전기적 특성 측정용 도선(도 9의 67)을 연결하였다. 챔버내의 진공도가 약 2 ×10-8 torr에 도달하면 액체 헬륨을 냉각통에 주입하여 단결정 시료의 냉각을 시작하면서 온도에 따른 단결정 시료의 저항의 변화를 측정한다. 시료의 온도가 약 20 K 이하로 떨어지면 액체 헬륨 주입튜브의 니들밸브를 조절하여 온도를 고정시킨다.
이어서, 상기 전기적 특성 측정용 도선을 통하여 약 10 ㎃ 이하의 전류를 전극이 분리된 단상에 흘려주고 분리되지 않은 단상 하부 영역(도 6 및 7에서 단상(14)내에 평행선으로 표시된 영역)사이에 걸리는 전압 신호를 디텍터로 검출하고 이 신호를 마이크로 프로세서로 처리함으로써, 단상 구조의 투과전류 대비 전압 특성 곡선을 얻는다. 이때, 단상 구조 안에 형성된 선천성 조셉슨 접합의 수는 전류 대비 전압 특성 그래프에서 이력으로 나타나는 준입자 투과가지(quasiparticle branch)의 총 수에 해당한다.
(3) (1)에서 제조한 고온 초전도 단결정 시료의 선천성 조셉슨 접합의 인-시튜적 제조방법
도 7은 상기 전극 패턴(20) 및 그 하부의 금속 박막(16)을 마스크로 이용하여 이 마스크로 덮여 있지 않는 영역의 단상(14)을 식각하여 단상 구조의 높이를 증가시킴으로써 상기 단상 구조 내에 형성되는 선천성 조셉슨 접합의 수를 증가시키는 단계를 설명하기 위한 단면도이다.
도 7을 참조하면, 시료장착 금속판에 대향되도록 설치되어 있는 이온 총을 이용하여 도 6에 도시된 단면구조의 단결정 시료의 금속 전극(20')을 마스크로 하여 이 마스크로 덮여 있지 않는 영역의 단상(14)을 소정시간 동안 식각하여 단상 구조 (도 6 및 7에서 식각되고 있는, 도면부호 18과 18의 사이의 고온 초전도체 단결정(14) 부분)의 높이를 증가시킨다. 단상 구조의 높이가 증가될 수록 단상 구조 내에 형성되는 선천성 조셉슨 접합의 수는 증가한다. 상기 마스크로 덮여 있지 않는 영역의 단상(14)을 식각할 때에는 그 상부에 남겨져 있던 금속박막(16)도 함께 식각되어 제거된다.
이어서, 소정 시간 식각 후, 다시 액체 헬륨 니들 밸브를 다시 열어서 단결정 시료의 온도를 약 20 K 이하로 저하시킨 후, 상기 (2)에서 설명한 방법에 따라 새로이 투과전류 대비 전압 특성곡선을 얻고, 이로부터 준입자 투과가지(quasiparticle branch)의 총 수를 다시 측정한다. 이로부터 단결정 단상구조내에 형성된 선천성 조셉슨 접합의 수를 점검하고, 원하는 수의 선천성 조셉슨 접합이 형성되지 않았으면, 원하는 수의 조셉슨 접합이 형성될 때까지 이온빔 식각 공정과 저온에서의 측정작업을 반복한다. 상기 약 20 K 이하의 온도는 0K까지를 의미하는데, 현실적으로는 현재의 기술수준으로서 도달할 수 있는 수준에 의해서 제한받는다.
따라서, 본 발명의 제조방법에 따르면, 정확하게 고온 초전도체 단상구조 내에 형성되는 선천성 조셉슨 접합의 수를 제어할 수 있다. 또한, 단위 시간당 식각율과 식각 시간을 조절하면, 한 개 이하의 선천성 접합에 해당하는 깊이를 식각하는 것도 가능하다.
이하, 본 발명의 제조방법중 이온빔 식각 공정에서 편리하게 사용될 수 있도록 특별하게 제작된 냉각 장치가 장착된 이온빔 식각 장치에 대하여 상세히 설명한다.
도 8은 본 발명의 이온빔 식각 장치에 장착되는 냉각 장치(50)의 단면도이다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 냉각장치는 냉매가 수용되는 본체(51), 냉매 유입구(52) 및 냉매 유출구(54)가 구비되어 있다. 본체(51)는 내부식성이 우수한 스텐레스 스틸 재질의 원통형으로 되어 있으며, 본체(51)내에는 냉매가 머무르면서 초전도체 단결정 시료(58)을 냉각한다. 냉매 유입구(52) 및 냉매 유출구(54)는 적당한 구경, 예를 들면 직경 약 1/4 인칭의 스텐레스 스틸 튜브로 되어 있다. 액체 헬륨, 액체 질소 등과 같은 적당한 액체 냉매는 냉매 유입구(52)를 통하여 본체(51)내로 유입되어 들어가며 및 본체(51) 내에서 증발된 질소 가스, 헬륨 가스 등의 증발된 냉매 가스는 냉매 유출구(54)를 통하여 외부로 배출되어 회수된다.
냉매 유입구(52) 및 냉매 유출구(54)가 부착되어 있는 면의 대향면의 외벽에는 시료 장착 금속판(56)이 설치되어 있다. 시료 장착 금속판(56)은 약 5 ~ 약 10 mm의 두께로 되어 있으며, 이 시료 장착 금속판(56)에는 나사 구멍(미도시)이 마련되어 있어서 초전도체 단결정 시료(58)을 나사를 이용해 체결하여 부착할 수 있다. 시료장착 금속판(56)의 재질은 열전도도를 높게할 수 있는 것이라면 특별히 한정되지 않지며, 구체적인 예를 들면 구리편 또는 순금이 도금된 구리편이 바람직하다.
도 9는 도 8에 도시된 본 발명에 따른 냉각장치가 장착된 이온빔 식각 장치의 단면도이다.
도 9를 참조하면, 이온빔 식각 장치(60)는 챔버(61)에 게이트 밸브(63), 이온총(65), 전기적 특성 측정용 도선(67)을 인입시키기 위한 도입구(69), 냉각 장치, 셔터(71)를 구비하고 있다.
게이트 밸브(63)에는 챔버(61)내의 공기를 외부로 펌핑하여 챔버(61)내를 고진공화 할 수 있는 펌프(73)가 연결되어 있다. 상기 펌프(73)로서는 바람직하게는 터보 펌프, 로터리 펌프 또는 이들이 직렬연결된 것이 사용될 수 있다. 아르곤 이온 총을 작동시키기 위해서는 챔버내의 아르곤 기체압을 약 2×10-4torr 정도로 유 지하는 것이 필요하며, 챔버내의 압력 조절을 위해 챔버(61)와 펌프(73)의 사이에 설치된 게이트 밸브(63)를 이용한다. 챔버의 상부에 액체 헬륨 냉각통을 부착한다.
챔버(61)의 상부면에는 도 8에 도시된 냉각장치가 설치되어 있다. 이 냉각장치는 나사에 의하여 시료 장착 금속판(56)에 부착된 상태로 챔버(61)내에 위치하는 초전도체 단결정 시료(56)을 냉각한다. 이 냉각장치가 시료를 냉각시키는 메커니즘은 위에서 설명한 바와 같다.
챔버(61)의 하부면에는 이온 총(65)이 시료 장착 금속판(56)을 대향하도록 설치되어 있다. 이 이온총(65)은 시료 장착 금속판(56)에 부착된 초전도체 단결정 시료(58)의 표면을 이온 빔(75)을 이용하여 식각할 수 있다. 이온총(65)에는 식각가스의 유량을 조절하기 위한 유량조절기(77)가 부착되어 있다. 사용되는 이온 빔은 식각시 고온 초전도체의 변질을 최소화할 수 있는 아르곤 이온빔이 바람직하다. 본원 발명에 식각되고 있는 시료는 Bi-2212, Tl-2223과 같은 고온 초전도체이지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
이온 총(65)과 시료 장착 금속판(56) 사이에는 이온빔(75)을 차단할 수 있는 셔터(71)가 설치되어 있다. 셔터(71)는 챔버(61)의 외부에서 수동 또는 압축공기의 조작에 의하여 임의로 개폐가 가능한 구조로 되어 있다.
챔버(61)의 상부면에는 또한 식각되고 있는 초전도체 단결정 시료(58)의 전기적 특성 측정용 도선(67)을 인입하기 위한 도입구(69)가 설치되어 있다. 이 도입구(67)를 통하여 인입된 전기적 특성 측정용 도선(67)은 초전도체 단결정 시료(58)에 연결되어 식각가스에 의하여 식각되고 있는 초전도체 단결정 시료의 전기적 특 성을 실시간으로 측정하기 위한 것이다. 전기특성 측정용 도선(67)은 이 도선을 통한 외부로부터의 열유입을 최소화하기 위해 게이지 40 이하의 구리-망간-니켈 합금으로 이루어지는 것이 바람직하다. 구체적인 예를 든다면, 구리에 12%의 망간과 4%의 니켈이 첨가된 망가닌(manganine) 선을 들 수 있다. 여기서, 구리-망간-니켈 합금이라 함은 망가닌에 소량, 예를 들면 5% 이하의 철 및/또는 규소를 더 함유하는 것도 포함하는 것으로 정의된다.
전기적 특성 측정용 도선(67)에는 측정 단상의 전압 대비 전류 신호를 검출하기 위한 검출기(79) 및 검출된 전압 대비 전류 신호를 처리하기 위한 마이크로 프로세서(81)가 연결되어 있다. 검출기(79)는 전기적 특성 측정용 도선(69)으로부터의 전압 대비 전류 신호를 검출하여 마이크로 프로세서(81)에 전달한다. 마이크로 프로세서(81)는 이 전압 대비 전류 신호를 처리하여 전류-전압 특성을 나타내는 그래프를 모니터에 표시한다.
그런데, 식각 작업이 진행됨에 따라서 형성되고 있는 선천성 조셉슨 접합의 수가 증가하며, 이에 따라 투과저항의 변화에 의한 이력현상에 의하여 소위 준입자 가지(quasiparticle branch)를 나타낸다. 이 준입자 가지의 수가 식각되고 있는 단결정 시료에 형성되고 있는 선천성 조셉슨 접합의 수를 나타낸다. 따라서, 작업자는 실시간으로 단결정 시료에 형성되고 있는 선천성 조셉슨 접합의 수를 용이하게 조절할 수 있게 된다.
이하, 실시예와 비교예를 통하여 본 발명에 따른 고온초전도 단결정 시료의 선천성 조셉슨 접합을 인-시튜적으로 제조하는 방법에 대하여 더욱 상세히 설명한 다.
실시예
(1) 단상 구조의 고온 초전도체 단결정 시료의 제작
사파이어 기판(10) 위에 음성 감광액을 한 두 방울 적가한 후, 스핀-코터를 이용하여 약 2000 ~ 약 4,000 rpm의 회전속도로 약 10초 ~ 약 30초 동안 기판(10)을 회전시킴으로써 기판(10)상에 균일한 두께의 감광막(12)을 형성하였다. 감광막(12)이 충분히 굳어지기 전에, c축방향이 감광막(12)에 수직하도록 하여 Bi-2212 단결정(14)을 감광막(12) 위에 올려놓았다. 이 결과물을 전기 오븐에 넣고 약 110℃에서 약 30분 동안 감광막(12)을 하드 베이킹하여 Bi-2212 단결정(14)을 기판(10)상에 고정시켰다.
음성 감광막(12)이 충분히 굳어진 것을 확인한 후, 스카치 테이프를 Bi-2212 단결정(14)상에 붙인 다음 그 접착력을 이용하여 Bi-2212 단결정 표면을 떼어내었다.
이어서, 가열 증착기 챔버내에 Bi-2212 단결정(14)을 포함하는 기판을 장착한 후, 약 40분 이내에 챔버내의 진공도를 약 10-5 torr 대로 저하시켰다. 증착공정 도중에 챔버내의 진공도가 약 6 ×10-6torr를 초과하지 않도록 주의하면서, 화학 기상증착법을 이용하여 Bi-2212 단결정(14)상에 순금 박막(16)을 약 750Å의 두께로 증착시켰다.
상기 순금 박막(16)상에 양성 감광액을 한 두 방울 적가하고, 약 2,000 ~ 약 4,000 rpm의 회전속도로 약 10 초 ~ 약 30초 동안 회전시킴으로써 균일한 두께의 감광막(미도시)을 스핀 코팅하였다. 이 결과물을 전기오븐에 넣고 약 100℃에서 약 10분간 감광막(미도시)을 소프트 베이킹하였다. 이어서, 소정 패턴의 마스크를 순금 박막(16)상의 양성 감광막(미도시)상에 정렬시키고 약 50W 세기, 파장 약 ( )nm의 자외선에 약 5분 동안 노광하였다. 상기 결과물을 현상액에 약 1분간 침지하여 자외선에 노광된 부분의 감광막(미도시)을 용해제거시켜 현상한 후, 증류수로 약 30 초간 수세하고, 질소 가스를 불어서 건조시킴으로써 감광막 패턴(미도시)을 형성하였다. 마지막으로, 산소 이온빔 식각 장치를 이용하여 표면에 잔류하는 감광막 찌꺼기를 애싱하여 제거하였다.
상기 결과물을 도 9에 도시된 본 발명에 따른 이온빔 식각 장치(60)내의 챔버에 넣고, 챔버내를 공기를 펌핑해내어 약 1 ×10-6 torr의 고진공으로 한 후, 이온빔 전압을 약 300 V, 이온빔 전류 밀도를 약 0.8 mA/cm2으로 조절한 조건하에서, 상기 감광막 패턴(미도시)을 마스크로서 이용하여 순금 박막(16) 및 Bi-2212 단결정(14)을 아르곤 이온빔 식각하여 단결정내에 미세 단상 구조를 형성한다. 식각 작업 후, 이온빔에 의하여 변성된 감광막 패턴을 산소 이온빔 식각 장치를 이용하여 애싱하여 제거하였다.
상기 결과물상의 표면상에 양성 감광액을 적가한 후 약 3,000 ~ 약 4,000 rpm의 회전속도로 약 30초 ~ 약 40초 동안 회전시켜 균일한 두께의 양성 감광막을 스핀 코팅하였다. 이 결과물을 전기오븐에서 약 100 ~ 약 110 ℃의 온도에서 약 5 분간 상기 양성 감광막을 소프트 베이킹하였다. 상기 양성 감광막(미도시)의 상부에 소정 패턴의 마스크를 정렬하고 약 50 W 세기, 약 300 ~ 400 nm 파장의 자외선에 약 5분간 노광하였다.
상기 결과물을 현상액에 약 1분 동안 침지하여 자외선에 노광된 부분의 감광막(미도시)을 용해제거시켜 현상한 후, 증류수로 약 30 초간 수세하고, 질소 가스를 불어서 건조시킴으로써 감광막 패턴(18)을 형성하였다. 이 결과물을 전기 오븐에 넣고 약 120℃에서 약 30분 동안 감광막 패턴(18)을 하드 베이킹함으로써, 상기 미세 단상 구조의 측면 및 노출된 고온 초전도체 단결정(14)의 표면을 절연시키는 감광막 패턴(18)을 형성하였다.
상기 미세 단상 구조 및 절연막으로서의 감광막 패턴(18)이 형성된 단결정(14)을 포함하는 결과물을 가열 증착기에 넣고 전극으로 사용할 금박막, 은박막 또는 백금박막(미도시)을 통상적인 화학증착법으로 약 5,000Å의 두께로 증착시켰다. 이때, 가열 증착기 챔버의 진공도는 6 ×10-6torr를 초과하지 않도록 조절하였다.
계속해서, 상기 금속 박막이 증착된 결과물상에 양성 감광액을 적가한 후 약 3000rpm의 회전속도로 약 40초 동안 회전시켜 약 500 ~ 1000 nm 두께의 양성감광막(미도시)을 형성하였다. 이 결과물을 전기오븐에 넣고 약 100℃에서 약 10분 동안 양성 감광막(미도시)을 소프트 베이킹하였다.
이어서, 상기 양성 감광막(미도시)의 상부에 소정 패턴의 마스크를 정렬하 고, 약 50 W 세기, 약 300 ~ 400 nm 파장의 자외선에 약 5분 동안 노광하였다. 상기 결과물을 현상액에 약 1분 동안 침지하여 자외선에 노광된 부분의 감광막(미도시)을 용해제거시켜 현상한 후, 증류수로 약 30초 동안 수세하고 질소 가스를 불어서 건조시킴으로써 감광막 패턴(미도시)을 형성하였다. 이 결과물을 전기 오븐에 넣고 약 120℃에서 약 40분 동안 감광막 패턴(미도시)을 하드 베이킹하였다.
상기 감광막 패턴(미도시)이 형성된 결과물을 도 9에 도시된 본 발명에 따른 이온빔 식각 장치(60)내의 챔버에 넣고, 챔버내를 고진공으로 하였다. 이어서, 아르곤 이온빔 전압을 약 300 V, 빔 전류 밀도를 약 0.8 mA/cm2으로 조절한 조건하에서, 상기 감광막 패턴(미도시)을 마스크로서 이용하여 아르곤 이온빔 식각을 통해 상기 금속 박막(미도시)을 식각하여 전극 패턴(20)을 형성하였다.
계속해서, 상기 결과물상에 균일한 두께의 양성 감광막(미도시)을 형성하고, 이를 약 100℃에서 소프트 베이킹한다. 이어서, 상기 양성 감광막(미도시)의 상부에 소정 패턴의 마스크를 정렬하고, 약 50 W 세기, 약 300-400 nm 파장의 자외선에 노광하고, 현상하여 양성 감광막 패턴(미도시)을 형성하였다. 약 110 ~ 약 130℃에서 감광막 패턴(미도시)을 하드 베이킹하였다.
상기 감광막 패턴(미도시)이 형성된 결과물을 도 9에 도시된 본 발명에 따른 이온빔 식각 장치(60)내의 챔버에 넣고, 챔버내를 고진공으로 하였다. 이어서, 이온빔 전압을 약 300 ~ 약 500 V, 빔 전류 밀도를 약 0.8 ~ 약 1.5 mA/cm2으로 조절한 조건 하에서, 상기 감광막 패턴(미도시)을 마스크로서 이용하여 아르곤 이온 빔 식각을 통해 상기 복수개의 단상 구조 중 하나 이상의 단상 구조상에 적층되어 있는 상기 전극 패턴(20) 및 그 하부의 금속 박막(16)을 식각하여 분리하여 4단자 측정용 전극 패턴(20')을 형성하였다.
이 전극 패턴(20')을 형성하기 위한 이온빔 식각 작업으로 인하여 하부의 단상 구조가 미리 식각되지 않도록 단상(14)과 접하는 금속 박막(16)의 하부층은 본 식각과정에서 남겨져 있는 것을 광학 현미경으로 확인하였다. 식각 작업으로 인해 변성된 양성 감광막은 산소 이온빔 식각 장치를 이용하여 애싱하여 제거하였다.
(2) 고온 초전도 단결정 시료의 선천성 조셉슨 접합의 수 측정
(1)에서 제조한 단결정 시료를 도 9의 이온빔 식각 장치의 시료 장착 금속판에 나사로 체결하여 고정시킨 후, 전기적 특성 측정용 도선(도 9의 67)을 연결하였다. 챔버의 뚜껑을 닫고 로터리 펌프와 터보 펌프를 써서 챔버내를 진공 상태로 하였다. 진공도가 약 2 ×10-8 torr에 도달하면 액체 헬륨을 냉각통에 주입하여 냉각을 시작하면서 온도에 따른 단결정의 저항의 변화를 측정하였다. 시료의 온도가 약 20 K 이하로 떨어지면 액체 헬륨 주입튜브의 니들밸브를 조절하여 온도를 고정시켰다.
시료의 온도를 약 20 K 이하로 약 13 K 까지 유지하면서, 상기 전기적 특성 측정용 도선을 통하여 시료에 약 10㎃ 이하의 전류를 흘려주고 조셉슨 접합 단상에 걸리는 전압을 디텍터로 검출하여 마이크로 프로세서로 처리함으로써, 단상 구조의 투과전류 대비 전압 특성 곡선을 얻었다. 이때, 단상 구조안에 형성된 선천성 조셉슨 접합의 수는 전류 대비 전압 특성 곡선에서 이력으로 나타나는 준입자 투과가지(quasiparticle branch)의 총 수에 해당한다.
(3) 고온 초전도 단결정 시료의 선천성 조셉슨 접합의 인-사이튜적 제조
단상 구조내에 형성되는 선천성 조셉슨 접합의 수를 점차 변화시키기 위하여, 시료장착 금속판에 대향되도록 설치되어 있는 이온 총을 이용하여 도 6에 도시된 상기 전극 패턴(20') 및 그 하부의 금속 박막(16)을 마스크로 이용하여 이 마스크로 덮여 있지 않는 영역의 단상(14)을 식각하여 단상 구조의 높이를 증가시켰다.
식각시, 냉각통의 온도가 약 60 K 이하인 경우, 식각용 아르곤 가스가 냉각통 외벽에 얼어 붙어 버려서 챔버내에 식각 작업에 필요한 아르곤 가스의 분압을 얻을 수 없었다. 따라서, 액체 헬륨 주입튜브의 바늘 밸브를 조작하여 시료 온도를 약 60 K 이상으로 유지하였다. 또한, 이온화된 아르곤 가스와의 충돌로 인해 시료가 충전됐다가 방전되면서 손상을 입을 수 있으므로 시료에 연결된 전극 터미널을 접지시켰다. 식각시, 아르곤 가스의 밸브를 개방한 후 챔버내에 아르곤 가스 분압이 약 1.0 × 10-6 torr가 될 때까지 기다렸다. 이때, 유량 조절기(Edwards사, Datametrics controller 1605)의 조정밸브는 자동위치에 놓았고, 유속(flow rate)은 약 0.13 scc/m(standard cubic centimeter per minute)을 유지하였다. 챔버내의 아르곤 가스 압력이 약 4 ~ 5 mTorr가 될 때까지 챔버와 터보펌프 사이의 게이트 밸브를 닫았다.
이어서, 이온총(Anatech사, Ion source supply IS-300)의 다이나믹 에미터를 조정하여 방전을 시작하였다. 보라색 방전 빔이 방출되면, 게이트 밸브를 열어서 아르곤 가스 분압을 약 5 ×10-4 torr 정도로 유지하였다. 그 후, 천천히 가속 전압을 조정하여 가속 전압을 100V에 맞춘 후, 빔 전압을 100V에 고정시켰다. 이때, 빔 전류는 약 4.4 mA(빔 전류 밀도는 약 0.16 mA/cm2)이 되도록 게이트 밸브를 조절하였다. 이온 총과 단결정 시료 사이의 셔터를 열고 식각 시간을 타이머로 측정하면서 실제 식각을 시작하였다. 약 5 ~ 10 분 동안의 식각이 종료되면, 셔터를 닫고 이온건의 빔, 이온 가속기(Accelerator), 다이나믹 에미터의 양을 순서대로 영점으로 되돌렸다. 이어서, 이온 가속기의 전원을 오프한 후, 유량 조절기를 닫고, 전원을 오프하였다. 마직막으로 아르곤 가스의 주입구 밸브를 잠갔다.
약 30초 동안 다시 식각한 후, 다시 액체 헬륨 니들 밸브를 다시 열어서 단결정 시료의 온도를 약 20 K 이하로 저하시킨 후, 다시 위에서 설명한 방법에 따라 새로이 투과전류 대비 전압 특성곡선을 얻고, 이로부터 준입자 투과가지(quasiparticle branch)의 총 수을 다시 측정하였다. 이로부터 단결정 단상구조내에 형성된 선천성 조셉슨 접합의 수를 점검하고, 원하는 수의 선천성 조셉슨 접합이 형성되지 않았으면, 원하는 수의 조셉슨 접합이 형성될 때까지 (2), (3)의 이온빔 식각 공정과 저온에서의 측정작업을 반복하였다.
비교예 1
순금 박막 대신 납 또는 알루미늄 박막을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1 과 동일한 방법으로 원하는 수의 선천성 조셉슨 접합을 형성하였다.
그 결과, 납 및 알루미늄은 금(실시예) 보다 산화가 잘 일어나기에 단결정과과 반응하여 단결정의 성질이 언더도핑(underdopping)으로 변성되었다.
비교예 2
이온빔 식각 방법 대신 약 50% 농도의 KI산 수용액을 이용하여 습식 식각을 한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 원하는 수의 선천성 조셉슨 접합을 형성하였다.
그 결과, 식각은 가능했으나 식각 정도를 조절하는 것이 어려워 원하는 수의 선천성 조셉슨 접합의 수를 조절하기 곤란하고 또한 단결정의 변형이 심하였다.
비교예 3
식각 작업으로 인해 변성된 양성 감광막을 제거하기 위하여 산소 플라즈마 애싱 방법을 이용하는 대신, 아세톤을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 원하는 수의 선천성 조셉슨 접합을 형성하였다.
그 결과, 절연층으로 작용하는 양성 감광막이 용해되어 버리는 것을 제어하기 곤란한 문제점이 있었다.
상기한 바와 같이, 본 발명의 선천성 조셉슨 접합 단상의 제조방법에 따르면 단상구조내에 선천성 조셉슨 접합의 수를 정확하게 조절하면서 인-시튜적으로 형성시킬 수 있다. 이에 따라서 본원발명의 선천성 조셉슨 접합 단상의 제조방법을 이용하면 선천성 조셉슨 접합을 이용하는 소자인 SQUID 소자, THz 발진소자, 전압표준소자, 믹서 소자 등의 고온 초전도체 능동소자 개발이 용이해 질 수 있다.

Claims (20)

  1. (a) 기판(10) 상에, 단위포(unit cell)의 c축방향이 상기 기판(10)에 수직하도록 하여 고온 초전도체 단결정(14)을 상기 기판(10)상에 고정시키는 단계;
    (b) 상기 단결정(14)의 ab 표면을 노출시키는 단계;
    (c) 상기 단결정(14)의 ab 표면 상에 전도성 금속 박막(16)을 증착시키는 단계;
    (d) 상기 단결정(14)상에 상기 금속 박막(16)이 적층된 구조로 이루어진 복수개의 단상 구조를 형성하는 단계;
    (e) 상기 복수개의 단상 구조 사이의 골짜기를 매립하여, 상기 단상 구조의 측면 및 상기 단결정(14)의 노출된 표면을 절연시키고, 상기 복수개의 단상 구조상의 금속 박막(16)을 서로 분리시키는 절연막 패턴(18)을 형성하는 단계; 및
    (f) 상기 분리된 금속 박막(16) 상에 서로 분리된 복수개의 전극 패턴(20)을 형성하는 단계; 및
    (g) 4 단자법으로 측정 단상의 투과 전류 대비 전압특성 곡선을 얻을 수 있도록 상기 복수개의 단상 구조 중 하나 이상의 단상 구조상에 적층되어 있는 전극 패턴(20) 및 그 하부의 금속 박막(16)을 식각하여 분리하는 단계를 포함하는 선천성 조셉슨 접합 단상의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서, (h) 상기 기판의 온도를 20 K 이하로 유지한 상태에서, 4 단자법으로 상기 단상 구조의 사이의 투과전류 대비 전압 특성 곡선을 얻고, 상기 곡선으로부터 준입자 투과가지(quasiparticle branch)의 수를 셈으로써 상기 단상 구조내에 형성된 선천성 조셉슨 접합의 수를 측정하는 단계; 및
    (i) 상기 전극 패턴(20') 및 그 하부의 금속 박막(16)을 마스크로 이용하여 이 마스크로 덮여 있지 않는 영역의 단상(14)을 식각하여 단상 구조의 높이를 증가시킴으로써 상기 단상 구조 내에 형성되는 선천성 조셉슨 접합의 수를 증가시키는 단계를 더 포함하는 선천성 조셉슨 접합 단상의 제조방법.
  3. 제2항에 있어서, 원하는 수의 선천성 조셉슨 접합이 형성될 때까지 상기 (h) 단계의 선천성 조셉슨 접합의 수를 측정하는 단계와 상기 (i) 단계의 선천성 조셉슨 접합의 수를 증가시키는 단계를 반복하는 것을 특징으로 하는 선천성 조셉슨 접합 단상의 제조방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 (a) 단계의 단결정을 상기 기판(10)상에 고정시키는 단계는,
    상기 기판(10) 상에 적층된 감광막(12)이 굳어지기 전에, 단위포의 c축방향이 상기 기판(10)에 수직하도록 하여 상기 고온 초전도체 단결정(14)을 상기 감광막(12) 위에 올려놓고, 상기 감광막(12)을 100℃ ~ 130℃의 온도에서 베이킹하는 것에 의하여 실시되는 것을 특징으로 하는 선천성 조셉슨 접합 단상의 제조방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 (b) 단계의 단결정(14)의 ab 표면을 노출시키는 단계는,
    접착성 테이프를 상기 단결정(14) 상에 붙인 다음 그 접착력을 이용하여 상기 단결정(14)의 표면을 떼어내는 것에 의하여 실시되는 것을 특징으로 하는 선천성 조셉슨 접합 단상의 제조방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 (c) 단계의 전도성 금속 박막(16)을 증착시키는 단계는,
    10-5 torr ~ 6 ×10-6torr의 진공도에서 500 Å ~ 1000 Å 두께의 순금 박막 또는 백금 박막을 증착시키는 것에 의하여 실시되는 것을 특징으로 하는 선천성 조셉슨 접합 단상의 제조방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 (d) 단계의 복수개의 단상 구조를 형성하기 위한 식각 단계는,
    상기 금속 박막(16) 상에 형성시킨 소정 패턴의 감광막 패턴을 마스크로서 이용하여, 300 ~ 500 V의 이온빔 전압, 0.8 ~ 1.5 mA/cm2의 이온빔 전류 밀도의 조건에서 상기 금속 박막(16) 및 상기 단결정(14)을 식각하는 것에 의하여 실시되는 것을 특징으로 하는 선천성 조셉슨 접합 단상의 제조방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 (e) 단계의 절연막 패턴(18)을 형성하는 단계는,
    상기 (d) 단계의 복수개의 단상 구조가 형성된 기판상에 양성 감광액을 스핀코팅하여 균일한 두께의 양성 감광막을 얻고, 이를 100 ℃ ~ 110 ℃의 온도에서 소프트 베이킹한 후, 상기 양성 감광막의 상부에 소정 패턴의 마스크를 정렬하고 자외선에 노광하고, 현상하여 상기 복수개의 단상 구조의 측면 및 상기 고온 초전도체 단결정(14)의 노출된 표면을 절연시키는 감광막 패턴(18)을 형성하는 단계; 및
    상기 감광막 패턴(18)을 110 ℃ ~ 130℃에서 하드 베이킹하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 선천성 조셉슨 접합 단상의 제조방법.
  9. 제1항에 있어서, 상기 (f) 단계의 전극 패턴(20)을 형성하는 단계는,
    상기 복수개의 단상 구조 및 상기 절연막 패턴(18)이 형성된 기판상에 10-5 torr ~ 6 ×10-6 torr의 진공도에서 1000 Å ~ 8000 Å 두께의 순금 박막, 은 박막, 및 백금 박막에서 선택된 금속 박막을 적층하는 단계;
    상기 결과물상에 형성시킨 균일한 두께의 소정 패턴의 양성 감광막 패턴을 마스크로 이용하여, 2 ×10-4 torr의 진공도, 300 ~ 500 V의 이온빔 전압, 및 0.8 ~ 1.5 mA/cm2의 이온빔 전류 밀도로 조절된 조건하에서, 상기 금속 박막을 식각하여 상기 전극 패턴(20) 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 선천성 조셉슨 접합 단상의 제조방법.
  10. 제2항에 있어서, 상기 단상 구조내에 형성된 선천성 조셉슨 접합의 수를 측정하는 단계는,
    2 ×10-8 torr ~ 1 ×10-7 torr의 진공도, 20K 이하의 기판 온도에서 상기 준입자 투과가지의 수를 셈(counting)하는 것에 의하여 실시되는 것을 특징으로 하는 선천성 조셉슨 접합 단상의 제조방법.
  11. 제1항에 있어서, 상기 기판은 사파이어, 산화마그네슘, 또는 유리인 것을 특징으로 하는 선천성 조셉슨 접합 단상의 제조방법.
  12. 제1항에 있어서, 상기 고온 초전도체는 Bi2Sr2CaCu2O8+X 또는 Tl2Ba2Ca2Cu3O10+X인 것을 특징으로 하는 선천성 조셉슨 접합 단상의 제조방법.
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