KR19980702230A - 축외 스퍼터 장치용 기체 매니폴드 - Google Patents

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Abstract

본 발명에는 기재(1)와 타게트(25) 사이에 위치하고 하나 이상의 기체 유입 개구부 및 하나 이상의 유출 개구부(28)를 매니폴드 상에 갖는 중공 기체 유동 매니폴드(27)를 포함하고, 유출 개구부(28)가 기체 유동물이 타게트로부터 기재를 직접 향하도록 위치한다는 점에서 개선된, 스퍼터 건, 타게트(25), 기재(1), 기체 유동 수단(21) 및 밀폐 챔버를 갖는 무기 산화물 화합물의 축외 마그네트론 스퍼터 침착을 위한 개선된 장치, 및 이러한 침착을 위한 공정에 관해 기재되어 있다.

Description

축외 스퍼터 장치용 기체 매니폴드
고온 초전도체는 이들의 전이 온도가 액체 질소의 비점보다 클 수 있다는 사실 때문에 기술적으로 매우 중요하다. 일반적으로 산화구리인 고온 초전도체 물질은 몇몇 형태(예: 분말, 단결정 등)로 제조되어 왔다. 초전도성 물질의 박막은 자기 측정 및 전자공학을 포함하는 몇몇 응용분야에서 유용하다.
물질의 박막을 침착시키기 위한 수단은 많이 있다. 1μm 보다 얇은 필름을 제조할 때, 증기 침착법이 일반적으로 사용된다. 이러한 방법중 하나는 평면상 마그네트론 스퍼터링이다. 이러한 방법으로, 플라즈마는 타게트, 즉 침착될 물질의 큰 디스크(예: 7.5cm 직경 × 0.75cm 두께)의 표면 부근에 발생된다. 일반적으로, 아르곤 또는 다른 희귀 기체가 스퍼터링 시약으로서 사용된다; 반응성 스퍼터링에 있어서, 반응 기체(기체는 타게트 물질과 반응하여 침착될 목적하는 화합물을 형성한다)의 분압을 사용한다. 타게트는 플라즈마로부터의 이온이 가속화되어 타게트를 향하도록 기울여진다. 타게트를 때리는 이온은 물질을 표면으로부터 떨어져서 원자규모로 두드린다. 타게트 뒤에 위치하는 영구 자석에 의해 발생되는 자기장은 타게트 표면 가까이에 플라즈마를 위치시키고 증진시키기 위해 사용된다. 분출된 물질은 통상적으로 타게트로부터 일정한 거리로 대향하여 일반적으로 플라즈마의 범위를 바로 벗어나 위치하는 기재상에 수집된다. 기재는 종종 가열되어 흡착된 원자에 충분한 표면 이동도를 부여함으로써 결정 격자로 자체 배열되도록 한다.
산화물 박막의 침착을 위해 스퍼터링 기술을 적용하는 것은 간단한 일이 아니다. 문제는 산소 이온(세라믹 타게트로부터 또는 산화물 초전도체를 제조하기 위해 필요한 반응 기체로서)이 또한 플라즈마에 의해 발생된다는 것이다. 음으로 하전된 산소 이온은 음성적으로 기울여진 타게트로부터 멀리 가속화되어 성장 필름으로 보내진다. 이어서 산소 이온은 성장하고 있는 필름을 스퍼터한다(음이온 충돌). 이러한 현상은 두 개의 관련된 문제점을 안고 있다: 1) 박막의 성장률이 크게 감소하고, 2) 이 경우 산소 이온은 다른 원소에 대해 하나의 원소를 차별적으로 스퍼터하여 비화학량론적인 필름을 유도한다.
도 1A 및 1B에 도시된 바와 같은 축외 스퍼터링 방법은 음이온 충돌 문제를 피한다는 점에서 발전되었다. 도 1B에 도시된 바와 같이, 이러한 방법은 기재(1)를 타게트(2)와 대향하지 않고 타게트와 대략 수직(약 70 내지 90。)인 평면상에 위치시켜 플라즈마를 대향하도록 구성된다. 상기 기술한 바와 같이, Ar 이온은 플라즈마를 발생시키는 타게트에 충돌한다(진한 화살표 3). 플라즈마는 자석 조립체(4)의 자기장에 의해 봉쇄된다. 이 경우, 음이온은 성장 필름을 직접 향하도록 가속화되지는 않는다. 불행히도, 분출된 물질의 운동량이 타게트로부터 직접 나올 때 최대이기 때문에 필름의 성장률은 실질적으로 감소된다(흐린 화살표 5). 화살표는 각각의 원자 경로가 아니라 전반적인 흐름을 지시하는 것임을 주목해야 한다. 수직 방향으로 분출된 물질의 확산은 신뢰할 수 없다. 일반적으로 고압이 축외 스퍼터링중에 사용된다. 고압은 또한 많은 산화구리 초전도체를 형성하는데 중요하다. 일반적으로 실행되는 축외 스퍼터링은 만일 기재가 침착 또는 다중 스퍼터 공급원이 사용되는 동안 회전하지 않으면 큰 두께 구배를 갖는 필름을 생성한다.
거의 모든 활성 초전도체성 박막 도관의 통상적인 부재는 조셉슨 연결부(Josephson junction, JJ)이다. 조셉슨 연결부는 비-초전도성 물질의 좁은 영역에 의해 분리된 초전도성 물질의 두 개의 영역으로 구성되는 장치이다. 초전도체-보통 금속-초전도체(SNS) 조셉슨 연결부에 있어서, 저항없는 금속을 통해 유동하기 위해 작은 초전류를 허용하는 보통 금속에서 초전도성이 유도된다. JJ를 통한 전류가 장치의 임계 전류를 초과하면, 전압이 장치를 가로질러 발생한다. 이러한 비선형성은 전기 도관에서 스위치로서 사용될 수 있다.
JJ는 초전도성 필름을 기재 안의 날카로운 단 위에, 이 단이 그 다음 영역을 차단하여 초전도성 필름이 단을 연속적으로 가로지르지 않도록 하는 각도로 침착시킴으로써 제조할 수 있다. 필름을 한 방향으로 침착(방향성 침착)시켜야 하므로 침착중 또는 기재 주위에 배열된 다중 공급원의 사용중 기재를 회전시킬 수 없다.
이러한 장치를 제조할 때 축외 스퍼터링의 사용은 장치의 층 두께가 장치 특성에 강하게 영향을 주기 때문에 문제가 있다. 본 발명의 기체 유동 매니폴드는 침착의 균일성을 매우 개선시키고 전반적인 성장률을 증가시킨다.
기체 유동 매니폴드의 사용이 박막 필름 공정에 공지되어 있으며, 예를 들면 반응성 스퍼터 침착에 공지되어 있다. 반응된 물질의 스퍼터링 비율이 미반응된 물질의 비율보다 낮으면, 반응 기체의 분압이 스퍼터 비율이 높게 유지되도록 하기 위해 타게트 표면에서 낮게 유지되는 동시에 침착된 물질이 완전히 반응되도록 기재 가까이에서는 높게 유지된다. 이러한 경우, 반응 기체를 가능한한 기재상의 성장 필름에 가까이 기체 유동 매니폴드를 통해 넣을 수 있다[참조: T. Jung 및 A. Westphal, Surface and Coatings Technology59, 1993, 171-176쪽 또는 S. Maniv, C. Miner, 및 D. Westwood, J.Vac.Sci. Technol.18, March 1981, 195-198쪽]. 선택적으로, 타게트에 가능한 한 가깝게 비반응성 스퍼터 기체를 도입하는 것은 시판중인 제품[예: 매사츄세츠주 02060 노쓰 시튜에이트 컨트리 웨이 809 피 오 박스 246 소재의 AJA 인터네셔날(AJA International)로부터 제조된 내부 기체 주입을 사용하는 A300 스퍼터 건(gun)]으로 수행된다.
따라서, 큰 영역에 걸쳐서 균일하고 박막 및 단-가장자리 연결부 모두를 성장시키기에 적절한 높은 침착률을 생성할 수 있는 스퍼터 침착 기술이 필요하다. 출원인들의 발명은 이러한 침착 장치 및 침착 방법을 제공한다.
발명의 요약
본 발명은 기재와 타게트 사이에 위치하고 하나 이상의 기체 유입 개구부 및 하나 이상의 유출 개구부를 매니폴드상에 갖는 중공 기체 유동 매니폴드를 포함하고, 상기 유출 개구부가 기체 유동물이 타게트로부터 기재를 직접 향하도록 위치한다는 점에서 개선된, 스퍼터 건, 타게트, 기재, 기체 유동 수단 및 밀폐 챔버를 갖는 무기 산화물 화합물의 축외 마그네트론 스퍼터 침착을 위한 개선된 장치를 포함한다. 바람직하게는, 매니폴드는 기재보다 타게트에 가깝게 위치한다. 이러한 장치는 매우 높은 기체 유동률을 사용할 수 있어서 넓은 영역 기재상에 균일한 필름 범위를 제공한다.
본 발명은 상기 기술된 장치를 사용한다는 점에서 개선된, 축외 평면상 마그네트론 스퍼터 침착을 위한 개선된 공정을 추가로 포함한다. 이러한 공정 및 장치는 특히 초전도성 화합물의 박막을 스퍼터 침착시키는데 유용하다.
본 발명은 기체 유동 매니폴드를 사용하여 플라즈마가 타게트(target)로부터 기재를 직접 향하도록 하는, 더 높은 침착률 및 더욱 균일한 침착률을 넓은 영역에 걸쳐서 생성하는 스퍼터 침착(sputter deposition)에 의해 산화물 박막을 제조하기 위한 개선된 장치 및 방법에 관한 것이다.
도 1A는 일반적으로 실행되는 축외 평면상 마그네트론 스퍼터링 장치를 도식적으로 나타낸 것이다.
도 1B는 도 1A의 장치를 사용하는 스퍼터링 공정을 도식적으로 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 기체 유동 매니폴드 장치를 사용하는 축외 평면상 마그네트론 스퍼터링 공정을 도식적으로 나타낸 것이다.
도 3은 환 형태의 본 발명의 기체 유동 매니폴드 장치의 평면도이다.
도 4는 환 형태의 본 발명의 선택적인 구성의 기체 유동 매니폴드 장치의 평면도이다.
도 5는 단-가장자리 SNS 조셉슨 연결부의 단면도이다.
도 6은 초전도체와 보통 금속 사이에 절연층을 혼입시키는 개선된 단-가장자리 SNS 조셉슨 연결부의 단면도이다.
도 7은 본 발명의 기체 유동 매니폴드 장치를 사용하는 축외 평면상 마그네트론 스퍼터링에 의해 제조된 YBa2Cu3O7-x(여기서, x는 0 내지 0.5이다) 시료의 평면도이다. 숫자는 시료를 가로질러 상이한 지점에서의 필름 침착률(nm/min)을 나타낸다.
도 8은 일반적으로 실행되는 축외 평면상 마그네트론 스퍼터링에 의해 제조된 YBa2Cu3O7-x(여기서, x는 0 내지 0.5이다) 시료의 평면도이다. 숫자는 시료를 가로질러 상이한 지점에서의 필름 침착률(nm/min)을 나타낸다.
도 9는 본 발명의 기체 유동 매니폴드 장치를 사용하는 축외 평면상 마그네트론 스퍼터링에 의해 제조된 CeO2시료의 평면도이다. 숫자는 시료를 가로질러 상이한 지점에서의 필름 침착률(nm/min)을 나타낸다.
도 10은 일반적으로 실행되는 축외 평면상 마그네트론 스퍼터링에 의해 제조된 CeO2시료의 평면도이다. 숫자는 시료를 가로질러 상이한 지점에서의 필름 침착률(nm/min)을 나타낸다.
도 11은 도 5의 구조를 갖고 본 발명의 기체 유동 매니폴드 장치를 사용하는 축외 평면상 마그네트론 스퍼터링에 의해 제조된 8μm 나비의 단 가장자리 SNS JJ의 전류-전압 특성치이다. 장치를 통한 전류(μA)는 장치를 가로질른 전압(μV)의 함수로서 도시된다.
본 발명은 박막으로서 무기 산화물 화합물을 축외 마그네트론 스퍼터 침착시키기 위한 개선된 장치 및 공정을 포함한다. 본 발명의 장치는 두께가 약 10μm 미만인 박막을 기재상에 침착시키기 위한, 어두운 차폐 공간을 갖는 스퍼터 건, 타게트, 및 기체 유동 수단을 포함하는 유형이고, 모두는 진공하에 있을 수 있는 챔버 안에 밀폐되어 있다. 일반적으로, 펌프는 진공을 발휘하기 위해 사용된다. 도 1A에 도시된 바와 같이, 하나 이상의 마그네트론 스퍼터 건(B)은 기계적 수단에 의해 적절한 전기 접속부 및 물 접속부(냉각을 위한)를 갖는 챔버 안에 위치한다. 타게트(A)는 건(B)의 전방 표면에 부착되어 있다. 건의 어두운 차폐 공간(G)은 타게트의 가장자리를 감싸면서 그 표면의 대부분은 노출된 상태로 두도록 타게트에 맞추어 있다. 기재(C)는 도시된 바와 같이 건의 타게트에 적절하게 위치한다. 기재(C)는 메카니즘(D)을 사용하여 경우에 따라 회전할 수 있다. 기체는 유입 개구부(E)를 통해 챔버 안으로 공급된다. 진공은 진공 펌프(F)를 사용하여 챔버 안에서 발생한다.
특히, 본 발명의 개선점은 기재 및 타게트 사이에 위치한 중공 기체 유동 매니폴드를 포함하는 것이다. 기체 유동 매니폴드는 하나 이상의 기체 유입 개구부 및 하나 이상, 바람직하게는 몇 개 이상의 기체 유출 개구부를 가지며, 유입 개구부는 챔버로부터 외부에 분리되어 있는 제어가능한 기체 공급원 외부에 연결된다. 유출 개구부는 기체 유동물이 타게트로부터 매니폴드를 통해 기재를 직접 향하도록 위치한다.
본 발명의 장치의 한가지 배열은 도 2에 도시되어 있다. 기체 유동 매니폴드(21)(단면으로 표현됨)는 축외 평면상 마그네트론 스퍼터링에 사용된 스퍼터 건(부분적으로 표시됨)의 어두운 차폐 공간(22)의 전방에 위치한다. 아르곤 이온은 타게트(25)를 진한 화살표(29)에 의해 지시된 방향으로 충돌하여 물질이 타게트(25)로부터 분출하여 스퍼터된 물질의 플라즈마를 발생시킨다. 플라즈마의 운동량은 기체 유동물에 의해 진행된다. 점선(23)의 기체 유동물은 스퍼터된 물질을 운반하고, 타게트(25)로부터 화살표(24)의 기체 유동물은 기재(26)로 보내진다.
기체 유동 매니폴드는 하나의 유입 개구부(27), 또는 복수의 유입 개구부를 매니폴드의 기저에 갖고 많은 작은 유출 개구부(28)들을 매니폴드상에 갖는 중공 매니폴드를 포함한다. 본원에서 사용된 개구부란 용어는 예를 들면 원형, 직사각형 또는 장방형을 포함하는 임의의 기하학적 모양의 유입 공극 또는 슬롯을 의미하는 것으로 사용된다. 개구부의 공간 및 각도는 가장 균일한 필름 침착을 제공하도록 실험적으로 결정된다. 바람직하게는, 매니폴드는 화합물이 침착되는 기재보다는 타게트에 더욱 가깝게 위치한다. 매니폴드를 위한 가장 바람직한 위치는 타게트가 도 2에 도시된 바와 같이 노출되어 있는 개구부 주위의 스퍼터 건의 어두운 차폐 공간에 인접하여 접촉하는 위치이다.
매니폴드는 그의 원주에 평행한 매니폴드의 평면이 타게트 표면과 평행하도록 위치한다. 매니폴드상의 유입 개구부는 타게트로부터 떨어져서 대향하고 있다. 기재는 그의 표면이 타게트 표면과 약 45 내지 90。의 각을 이루고 기재로부터 노출된 타게트의 가장 가까운 부분까지의 거리가 기재 표면에 수직인 방향으로 약 1 내지 약 50cm가 되고, 타게트로부터 기재의 가장 가까운 가장자리까지의 거리가 타게트 표면에 수직인 방향으로 약 1 내지 50cm가 되도록 위치한다. 바람직하게는, 기재 표면은 타게트 표면과 약 70 내지 약 90。의 각을 이루고, 기재로부터 노출된 타게트의 가장 가까운 부분까지의 거리가 기재 표면에 수직인 방향으로 약 1 내지 약 25cm이고, 타게트로부터 기재의 가장 가까운 가장자리까지의 거리가 타게트 표면에 수직인 방향으로 약 1 내지 25cm이다. 가장 바람직하게는, 이러한 거리는 약 1.5 내지 약 3.5cm이다.
매니폴드는 침착에 필요한 온도에서 산소의 존재하에 실질적으로 분해되지 않는 임의의 물질로 제조될 수 있다. 바람직한 물질은 구리 및 스테인레스 강이다. 기재 온도는 침착되는 물질에 따라 1300K만큼 높을 수 있다.
기체 유동 매니폴드의 최적 매개변수, 예를 들면 개구부의 숫자와 크기 및 튜브 내경은 침착중 챔버 안의 압력 및 기체 유동률에 의존한다. 하기 주어진 매개변수는 축외 스퍼터링의 일반적인 범위에서 챔버 압력하에, 즉 100 내지 200 mtorr(13.3 내지 26.6 Pa)하에 물질을 침착시키는데 사용되는 기체 유동 매니폴드에 적합하다. 저압에서 가장 효율적으로 이러한 매니폴드를 사용하기 위해, 유입 개구부로부터 기체의 속도는 높아야 하며 그 역도 마찬가지이다. 개구부를 통해 들어오는 기체의 속도는 개구부의 크기를 감소시키고/감소시키거나 주어진 기체 유동을 위한 개구부의 수를 감소시킴으로써 증가시킬 수 있다. 선택적으로, 주어진 개구부 구조에 대해, 기체 유동이 기체 유동 매니폴드, 또는 매니폴드로 기체를 공급하는 것과 관련된 튜브의 내경에 의해 한정되지 않는다면, 기체 속도는 기체 유동률을 증가시킴으로써 증가될 수 있다. 본 발명이 이론에 의해 제한되는 것은 아니지만, 최소한 작동가능한 기체 유속은 타게트와 기재 사이에 가장 큰 거리에 의해 나누어진 확산도보다 크다고 생각된다. 확산도는 하기 수학식 1과 같다:
확산도 = (1/3)cl
상기 식에서,
c는 기체 분자의 평균 속도이고,
l은 작동 압력에서 평균 자유 경로이다.
일반적으로, 기체 유동 매니폴드의 내부의 단면적은 약 0.11 내지 약 1.3㎠, 바람직하게는 약 0.14 내지 약 0.22㎠이다. 매니폴드의 단면은 원일 필요는 없으며 다양할 수 있다. 일반적으로, 기체 유동 매니폴드는 약 1.0 내지 약 1.6 mm 직경의 10 내지 20개의 원형 유출 개구부를 가지며 결과적으로 총 개구 단면적은 중공 매니폴드의 내부의 단면적과 대략 동일하다.
매니폴드의 전반적인 모양은 스퍼터링 건 또는 타게트의 모양에 따라 다양할 수 있다. 예를 들면, 매니폴드는 원형, 직사각형, 두 개의 평행한 원통형 또는 그 밖의 모양일 수 있다. 바람직하게는 매니폴드의 모양은 사용된 타게트의 모양에 상응한다. 원형 타게트를 갖는 건의 경우, 원형(환형) 기체 유동 환이 바람직하다. 바람직하게는, 매니폴드 내경은 스퍼터 건의 어두운 차폐 공간의 개구부 직경과 대략 동일하다.
도 3은 본 발명의 환 구조의 하나의 매니폴드를 묘사한다. 환(31)은 하나의 기체 유입 개구부(32) 및 두 그룹의 유출 개구부(33) 및 유출 개구부(34)를 함유한다. 그룹(33)의 개구부는 매니폴드의 평면, 즉 매니폴드 원주에 평행한 매니폴드의 평면에 대략 수직으로, 즉 매니폴드의 평면과 약 80 내지 약 110。를 이루도록, 바람직하게는 약 90。을 이루도록 위치한다. 그룹(34)의 개구부는 그룹(33)의 개구부로부터 불연속 거리로 위치하고, 매니폴드의 평면과 약 30 내지 약 60。, 바람직하게는 매니폴드의 평면에 약 45。을 이루도록 위치하고, 이는 환의 중심을 향한다. 제 1 그룹, 즉 그룹(33)의 개구부는 환에서 기재에 가장 가까운 지점을 중심으로 위치하고, 제 2 그룹, 즉 그룹(34)의 개구부는 환에서 기재로부터 가장 멀리 떨어진 지점을 중심으로 위치한다. 도 3의 장치에서, 각 그룹의 각각의 유출 개구부는 서로 약 0.9 내지 약 1.1cm 간격으로 이격되어 있다. 환의 하위 부분(35)의 모양은 중요하지 않고 제작이 용이하도록 선택될 수 있다.
선택적인 환의 기하학적 모양은, 스테인레스 강으로부터 기계화될 수 있으며 도 4A에 도시되어 있다. 이러한 환은 환 주위로 하나의 면상에 균일하게 분포된 40개의 천공된 개구부(41)를 갖는다. 개구부는 나사로 막거나, 도 4B에 도시된 바와 같이 노즐(42)로 끼울 수 있다. 노즐은 적절한 방향으로 구부러지고/구부러지거나 짧은 길이로 절단될 수 있는 얇은 벽의 스테인레스 강 튜브(43)(다양한 직경)를 갖는다.
기체가 환의 양쪽에 대칭적으로 유동하는 것이 바람직하다. 개구부의 구조는 침착의 균일성에 적절하다. 단지 기저부를 횡단하는(45。로) 개구부를 갖는 환은 건 주위에서 더 많은 침착을 생성한다. 상부를 횡단하는 더 작은 개구부(#60 및 #61 드릴 비트(drill bit))를 갖는 환은 각각의 개구부 바로 앞에 더 얇은 영역을 갖는 필름을 생성한다(기체 유동량이 너무 커서 물질을 이러한 영역으로부터 운반하는 것으로 보인다). 이러한 관찰은 실시예에 설명된 침착 조건에 알맞다. 또한, 기체 유동 매니폴드는 개구부의 크기, 수 및 위치면에서 상이한 기체 유동률, 압력 및 기재 침착에 대해 최적화될 수 있다. 도 4A에 도시된 환의 하나의 장점은 이러한 최적화를 허용하는 가요성을 가진다는 것이다.
매니폴드를 통한 기체 유동량이 대칭인 것이 바람직하다. 바람직하게는 이는 평면 둘레로 대칭이고, 상기 평면은 타게트의 중심에서 타게트 표면에 수직인 제 1 라인 및 침착이 발생하는 영역의 중심에서 기재의 표면에 수직인 제 2 라인에 의해 한정되며, 이 때 이 두 라인은 교차한다.
본원에 사용하기 적절한 기체는 산소 및 스퍼터링 시약으로서 사용된 희귀 기체(예: Ar, Ne, Kr 또는 Xe)를 포함한다. 본 발명에 사용하기에 바람직한 것은 아르곤 및 산소의 혼합물이다. 상기 지시한 바와 같이, 가장 효율적인 기체 유동률은 챔버내의 압력 및 유출 개구부의 수 및 크기에 의존한다. 약 200 표준 ㎤/min의 최소 기체 유동률이 적합하다. 높은 기체 유동률, 예를 들면 약 450 내지 약 650 표준 ㎤/min이 바람직하다.
본 발명의 장치 및 공정은 높은 스퍼터 침착률 및 균일한 화합물 침착의 결합을 수득하는 수단을 제공한다. 스퍼터 비율에서의 증가는 동일한 장치를 사용하여 수득할 수 있는 값에서 본 발명의 매니폴드 개선치를 뺀 것의 2 내지 4배 더 높다. 방향성 침착을 위한 선행 기술(예: 다중 건 또는 기재 회전을 사용하지 않는 기술)은 고압 및 낮은 침착률을 사용하여 직경 7.5cm 미만의 기재상에 균일한 침착을 달성하였다. 더 높은 침착률이 달성되면 균일성이 제공된다. 본 발명은 높은 스퍼터 침착률 및 균일한 두께의 침착된 화합물(박막) 모두를 사용하여 방향성 침착을 달성하고 조셉슨 연결부의 제조에도 역시 유용한 기술을 제공한다.
도 5는 조셉슨 연결부(JJ)를 묘사한다. JJ는 초전도성 필름(51)을 기재(53) 안의 날카로운 단(52)상에서 침착시키고, 이를 완충층(54)으로 선택적으로 피복한 후, 보통 금속 필름(55)을 초전도성 필름의 상부상에 침착시킴으로써 제조할 수 있다. 초전도체는 단이 그 다음 영역을 차단하여 초전도성 필름이 이 단을 연속적으로 횡단하지 않도록 하는 각으로 침착될 수 있다. 보통 금속은 금속이 두 개의 초전도성 뱅크 사이의 틈을 채우는 방식으로 침착되어야 한다. 필름을 한 방향으로 침착(방향성 침착)시켜야 하므로 침착중 또는 기재 주위에 배열된 다중 공급원의 사용중 기재를 회전시킬 수 없다.
도 6에 개선된 JJ 구조물이 도시되어 있으며, 여기서 개선점은 초전도성 필름(62)과 보통 금속(63)이 전기적 접촉 상태에 있어야 하는 연결부(64) 자체, 및 장치 접촉 패드에서를 제외하고는 장치의 모든 영역에서 초전도성 필름과 보통 금속 사이의 절연 필름(61)이 첨가된다는 것이다. 이러한 추가의 절연층 때문에, 장치를 통해 흐르는 전기 전류가 도 5의 경우 큰 영역에 걸쳐 보통 금속 안으로 유동할 수 있는 것과는 반대로, 연결부에서를 제외하고는 전류가 초전도층에 한정된다. 그 밖의 것은 모두 동일하며, 도 6의 장치는 도 5의 장치보다 더 높은 저항을 가질 것이고 따라서 더 큰 스위치 전압을 발생시킬 것이다. 본 발명의 장치 및 공정은 JJ 의 유형중 하나를 제조하는데 사용하기에 적절하다.
본 발명을 사용하는 침착에 적절한 화합물은 무기 산화물 화합물이다. 바람직한 산화물은 하기 군으로부터 선택된 원소의 산화물이다: Tl(예: Tl2O, Tl2O3, Tl3O4등), Pb(예: PbO, PbO2, Pb3O4, Pb2O, Pb2O3등), Hg(예: Hg2O, HgO2, HgO 등), As(예: As2O3, As2O5, As2O4등), Cs(예: Cs2O, Cs2O3, Cs2O2, CsO2, CsO3등), P(예: P2O5, P2O3등), Li(예: Li2O 등), K(예: K2O, KO, KO2등), Rb(예: Rb2O3, RbO, Rb2O, RbO2등), Se(예: SeO2, SeO3등), Na(예: Na2O, NaO2, Na2O2등), S(예: SO2, SO, SO4, SO3등), Ga(예: Ga2O, Ga2O3등); Be(예: BeO, Be2O3등), Mg(예: MgO 등), Al(예: Al2O3등), Si(예: SiO2, SiO 등), Ca(예: CaO 등), Sc(예: Sc2O3등), Ti(예: TiO2, Ti2O3등), V(예: V2O5, VO, VO2등), Cr(예: CrO2, CrO2, Cr2O3등), Mn(예: MnO, Mn2O3, Mn3O4, MnO2등), Fe(예: FeO, Fe2O3, Fe3O4등), Co(예: CoO, Co2O3, Co3O4등), Ni(예: NiO, Ni2O3등), Cu(예: CuO, CuO2, Cu2O, Cu4O3등), Sr(예: SrO, SrO2등), Y(예: Y2O3등), Zr(예: ZrO2등), Nb(예: Nb2O5, NbO, Nb2O3, NbO2등), Mo(예: MoO3, MoO2, Mo2O3, Mo2O5등), Ru(예: RuO2, Ru2, Ru2O3등), Pd(예: PdO, PdO2등), Ag(예: Ag2O, Ag2O3, Ag3O4등), Cd(예: CdO, CdO2등), In(예: InO, In2O3, In2O 등), Sn(예: SnO, SnO2, Sn3O4, Sn2O3등), Sb(예: Sb2O4, Sb2O5, Sb2O3등), Ba(예: BaO, BaO2등), La(예: La2O3등), Ce(예: CeO2등), Pr(예: Pr2O3, PrO2등), Nd(예: Nd2O3등), Sm(예: Sm2O3등), Eu(예: Eu2O3등), Gd(예: Gd2O3등), Tb(예: Tb2O3, Tb4O7등), Dy(예: Dy2O3등), Ho(예: Ho2O3등), Er(예: Er2O3등), Tm(예: Tm2O3등), Tb(예: Yb2O3등), Lu(예: Lu2O3등), Hf(HfO2등), Ta(예: Ta2O5등), W(예: WO3, WO2, W2O5등), Re(예: ReO2, Re2O7, ReO3등), Os(예: OsO2등), Ir(예: IrO2, Ir2O3등) 및 U(예: UO2등). 상기 열거한 산화물은 혼합물 산화물의 일정한 부분, 단 본 발명의 실행에 유용한 물질의 범주안에 여전히 있는 부분을 함유할 수 있는 것으로 이해된다.
본 발명을 사용하는 침착에 적절한 바람직한 화합물은 초전도성 화합물이다. 다양한 유형의 초전도체는 하기 카테고리를 포함한다: REBaCuO(RE=Y, Nd, Sm, Eu, Gd, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu), TlBaCaCuO, TlPbSrCaCuO, BiSrCaCuO, HgBaCaCuO, LaSrCuO, LaBaCuO, BaBiPbO 및 BaKBiO. 여기서 상기 카테고리는 화합물의 성질을 실질적으로 변화시키지는 않는 제한량의 원소 치환이 있는 화합물을 포함한다. 본원에서 사용하기에 적절한 특정 화합물은 REBa2Cu3O7-x(여기서, x는 0 내지 0.5이고; RE는 Y, Nd, Sm, Eu, Gd, Dy, Ho, Er, Tm, Yb 또는 Lu이다); TlBa2Can-1CunO2n+3(여기서, n은 1, 2, 3 또는 4이다); Tl2Ba2Can-1CunO2n+4(여기서, n은 1, 2, 3 또는 4이다); Tl0.5Pb0.5Sr2Can-1CunO2n+3(여기서, n은 1, 2 또는 3이다); 및 HgBa2Can-1CunO2n+2(여기서, n은 1, 2 또는 3이다)을 포함한다.
본 발명에 사용하기에 적절한 기재는 실리콘, 이트륨 안정화된 지르코늄, GaAs, LiNbO3, Al2O3, NdGaO3, MgO, SrTiO3, LaAlO3, 유리 등을 포함한다. 1㎠보다 큰 기재가 본원에서 사용하기에 적절하며, 바람직하게는 2㎠보다 크다. 본원에서 사용되는 기재라는 용어는 기재와 침착된 산화물 사이에 삽입층을 갖는 기재를 포함한다. 이러한 층의 예는 완충층이다.
본 발명의 공정은 별개의 화합물을 연속적으로 침착시키는데 사용할 수 있다. 예를 들면, 특히 바람직한 것은 제 1 층으로서 산화세륨 및 산화세륨의 상부상에 제 2 층으로서 초전도성 화합물의 침착이다. 선택적으로, 산화세륨과 같은 제 1 층은 통상적인 기술에 의해 침착할 수 있고, 초전도성 화합물은 본 발명의 장치 및 공정을 사용하여 침착할 수 있다.
본 발명의 장치 및 공정은 무기 산화물 화합물의 박막을 침착시키기에 유용하다. 이러한 필름은 초전도성, 반도체성, 전도성, 절연성, 강유전성이거나 또는 광학 피복물 또는 내마모성 피복물용 필름일 수 있다. 초전도성 필름은 전기 및 통신용 초단파 및 mm파 장치중의 구성요소로서 사용된다. 이러한 장치의 예는 지연선, 여과기, 이상기(phase shifter) 및 조셉슨 연결부를 포함한다.
실시예 1
3인치(7.62cm) 직경 실리콘 기재[버지니아주 22401 프레드릭스버그 포와튼 세이트 1501 소재의 버지니아 세미컨덕터(Virginia Semiconductor)]를 잘 닦아서 기저에 4개의 작은 구멍을 갖는 스테인레스 강 환 안에 놓고 와퍼를 지지하였다. 금속 환 및 실리콘 기재를 진공 챔버[커넥티컷주 인필드 포스트 로드 120 소재의 레이볼드 테크놀로지즈 인코포레이티드(Leybold Technologies, Inc.)로부터 시판중인 L560 침착 시스템(L560 Deposition System)]의 상부로부터 매달리게하여 기재가 챔버의 기저를 대향하게 하였다.
3인치 직경(7.62cm) 직경 평면상 마그네트론 스퍼터 건(커넥티컷주 인필드 포스트 로드 120 소재의 레이볼드 테크놀로지즈 인코포레이티드로부터 제조)을 그의 어두운 차폐 공간의 상부가 실리콘 와퍼의 가장 가까운 가장자리로부터 수평 0.5cm 및 수직 1cm이고 타게트 평면이 기재 표면과 75。을 이루도록 위치시켰다. 타게트는 Cu컵에 결합된 7.34cm 직경 × 0.48cm 두께의 YBa2Cu3O7세라믹 타게트이었다(워싱톤주 98011 보텔 수이트 110 파크웨이 노쓰 크리크 18916 소재의 SSC 인코포레이티드(SSC Inc.)로부터 제조).
6.35mm OD 조각, 0.76 mm 벽 두께 연성 Cu 냉장 튜브(미시시피주 풀톤 소재의 뮤엘라 브라스 코포레이션(Mueller Brass Co.)으로부터 제조)를 도 3에 도시된 형태의 기체 유동 환으로 구부렸다. 환의 상위 부분(31)은 타게트가 노출되는 어두운 차폐 공간의 개구부보다 약간 큰 약 7.06cm의 내경을 가졌다. 기체 유동 환의 모양이 손으로 잡히기 때문에, 이는 완벽한 원은 아니다. 환의 하위 부분의 작용은 단지 기체 유동을 환의 양면에 대칭적으로 제공하는 것이다. 구조물은 스와즈록(Swagelok) 1/4인치(0.64cm), 티(Tee)(32)(오하이오주 44139 솔론 소재의 스와즈록 코포레이션)를 사용하여 완성되었다.
많은 구멍을 #54 드릴 비트(1.30mm 직경)를 사용하여 환의 면 안으로 뚫었다. 환의 상부에서 왼쪽과 오른쪽의 중앙에서, 5개의 구멍을 약 1.1cm 간격으로 환(33)의 평면에 대해 약 90。에서 직접 대향하도록 위치시켰다. 하위 부분의 각 면상에, 또 다른 5개의 구멍을 환의 기저부에 가까이로부터 측면(34) 상향 중도까지 연장되도록 대략 0.9cm 간격으로 위치시켰다. 이러한 구멍들을 이들이 환의 중심을 향하여 약 45。(환의 평면에 대해)에서 대향하도록 뚫었다. 구리 환을 도 2에 도시된 바와 같이 어두운 차폐 공간에 부착하여 타게트로부터 떨어져서 대향하는 구멍을 갖고 어두운 차폐 공간에 대해 평평하게 놓여 있도록 하였다.
우선 챔버를 약 1 × 10-5torr(1.33 × 10-3Pa)까지 크라이오펌프(cryopump)[매사츄세츠주 02048 맨스필드 함프쉬어 세인트 9 소재의 CTI 크라이오제닉스(CTI Cryogenics)로부터 제조된 보드 시스템(Board system)]를 사용하여 배기하였다. 280sccm(표준 ㎤/min) Ar 및 280 sccm O2를 챔버에 MKS 질량 유동 제어기(매사츄세츠주 01810 앤도버 샤턱 로드 6 소재의 MKS) 및 기체 유동 환을 통해 넣었다. 가변 스로틀 밸브를 사용하여 150mtorr(19.95Pa)로 압력을 설정하였다.
우선 타게트를 예비스퍼터링하여 그의 표면으로부터 오염물질을 제거하였다. 스퍼터 건을 전원장치[콜로라도주 80525 포트 콜린스 프로스펙트 파크웨이 1600 소재의 어드밴스드 에너지 인더스트리즈 인코포레이티드(Advanced Energy Industries Inc.)로부터 제조된 모델 RFX-600]로부터 50W DC를 사용하여 공급하여 -72V의 자기 바이어스(self-bias)를 발생시키고(어드밴스드 에너지 인더스트리즈 인코포레이티드로부터의 RF 매칭 네트워크 및 ATX-600 튜너 사용) 몇분동안 수행하였다. 이어서 DC 전원의 75W를 스퍼터 건에 제 2 전원장치(어드밴스드 에너지 인더스트리즈 인코포레이티드로부터 제조된 모델 MDX-500)를 사용하여 공급하였다. 실리콘 와퍼 바로 밑의 셔터를 측면까지 회전시켜 120분 동안 침착을 진행하였다.
침착 후, 실리콘 와퍼를 챔버로부터 제거하여 러더포드 백스캐터링(RBS)의 성분 분석을 위해 아리조나 대학(아리조나주 85721 터스콘 소재의 물리학과 존 리비트(John Leavitt) 교수의 호의)으로 보냈다. 기재를 횡단하여 상이한 위치에서 측정한 필름의 침착률이 도 7에 nm/min 단위로 나타나 있다(플랫(flat)을 스퍼터 건에 가장 가깝게 위치시켰다). 도 8은 유사한 조건이지만 더욱 일반적인 기체 유동률(Ar 및 O2각각에 대해 85 sccm)로 기체가 챔버의 기저에서 유입되는 조건하에 성장한 시료에 대한 필름 침착률을 나타낸다(기체 유동 환이 없음). 이러한 침착 수행을 240분 동안 계속하여 필름 두께, 즉 비율에서의 에러를 비교하였다(약 2%). 기체 유동 환이 없는 침착에 대해 건에 가까운 침착률과 이로부터 먼 침착률 사이에 4 보다 큰 차이의 인자가 있다는 것을 주의해야 한다(도 8). 환이 있으면, 이러한 차이는 2의 인자 미만이고 전반적인 침착률(평균 5 데이타 포인트)은 2배 이상 높다(도 7).
실시예 2
3인치(7.62cm) 직경 실리콘 기재를 실시예 1에서와 같이 침착 챔버에 위치시켰다. 3인치 직경(7.62cm) 직경 평면상 마그네트론 스퍼터 건(레이볼드 테크놀로지즈 인코포레이티드로부터 제조)을 위치시켜 그의 어두운 차폐 공간의 상부가 실리콘 와퍼의 가장 가까운 가장자리로부터 수평 2cm 및 수직 1.5cm이고 타게트 평면이 기재 표면과 75。을 이루도록 하였다. 타게트는 Cu 컵에 결합된 7.37cm 직경 × 3.18cm의 CeO2세라믹 타게트이었다(오하이오주 43212 콜롬부스 체스어피크 애비뉴 1145 소재의 수퍼컨덕티브 컴포넌츠 인코포레이티드(Superconductive Components, Inc.)로부터 제조).
실시예 1의 구리 기체 유동 환을 어두운 차폐 공간에 부착하여 타게트로부터 떨어져서 대향하는 구멍을 갖고 어두운 차폐 공간에 대해 평평하게 놓여 있도록 하였다.
우선 챔버를 약 1 × 10-5torr(1.33 × 10-3Pa)까지 크라이오펌프(CTI 크라이오제닉스로부터 제조된 보드 시스템)를 사용하여 배기하였다. 280sccm(표준 ㎤/min) Ar 및 280 sccm O2의 기체 유동물을 챔버에 MKS 질량 유동 제어기 및 기체 유동 환을 통해 넣었다. 가변 스로틀 밸브를 사용하여 150mtorr(19.95Pa)로 압력을 설정하였다.
우선 타게트를 예비스퍼터링하여 그의 표면으로부터 오염물질을 제거하였다. 스퍼터 건을 전원장치(어드밴스드 에너지 인더스트리즈 인코포레이티드로부터 제조된 모델 RFX-600)로부터 100W DC를 사용하여 공급하여 -228V의 자기 바이어스(어드밴스드 에너지 인더스트리즈 인코포레이티드로부터 제조된 RF 매칭 네트워크 및 ATX-600 튜너 사용)를 발생하고 30분 동안 수행하였으며, 이시간 동안 자기 바이어스는 -203V까지 감소하였다. 실리콘 와퍼 바로 밑의 셔터를 측면까지 회전시켜 180분 동안 침착을 진행하였다.
침착 후, 실리콘 와퍼를 챔버로부터 제거하여 러더포드 백스캐터링(RBS)의 성분 분석을 위해 아리조나 대학(아리조나주 85721 터스콘 소재의 물리학과 래리 맥인타이어(Larry McIntyre) 교수의 호의)으로 보냈다. 기재를 횡단하여 상이한 위치에서 측정된 필름의 침착률을 도 9에 nm/min 단위로 나타낸다(플랫을 스퍼터 건에 가장 가깝게 위치시켰다). 도 10은 동일한 조건이지만 기체가 챔버의 기저에서 유입되는 조건하에 성장한 시료에 대한 필름 침착률을 나타낸다(기체 유동 환이 없음). 이러한 침착 수행을 300분 동안 계속하여 필름 두께, 즉 비율에서의 에러를 비교하였다(약 6%). 기체 유동 환이 없는 침착에 대해 건에 가까운 침착률과 이로부터 먼 침착률 사이에 2.5 보다 큰 차이의 인자가 있다는 것을 주의해야 한다(도 10). 환이 있으면, 이러한 차이는 1.4의 인자 미만이고 전반적인 침착률(평균 5 데이타 포인트)은 거의 2배 높다(도 9).
실시예 3
단-가장자리 SNS 조셉슨 연결부(도 5)를 하기 공정에 의해 5cm 직경 기재를 가로질러 여러 위치에서 제조하였다.
우선 5.08cm 직경 이트륨 안정화된 지르코늄(YSZ) 기재[매사츄세츠주 01862 엔. 빌러리카 소재의 지르맷(Zirmat)]을 티탄의 120 nm 두께 필름으로 피복하였다. 0.5μm AZ 5206 포지티브 감광성 내식 필름(뉴욕주 08876 서머빌 메이스터 애비뉴 70 소재의 훽스트 셀라니즈 코포레이션(Hoechst Celanese Corp.))을 시료상에 4,000rpm로 30초 동안 스핀피복하였다. 내식막을 공기중에 90℃에서 25분 동안 경화하였다. 제거될 내식 영역을 약 100mJ/㎠의 강도로 UV 광에 노출시켰다. 시료를 AZ 422MIF 현상제(훽스트 셀라니즈 코포레이션)중에 60초 동안 침지하여 UV 광에 노출된 감광성 내식막을 제거하였다. 이어서 Ti 필름의 노출된 영역을 리엑티브 이온 에칭(RIE)을 통해 에칭하였다. RIE 시스템(커넥티컷주 06854 노르워크 메리트 스트리트 13 쿠크 배큠 프로덕츠(Vacuum Products)로부터 제조된 C71/3MT)은 통상적인 13.56MHz이고 기저부 전극에 적용된 전원을 갖는 평행한 플레이트 반응기였다(RIE 양식). 시료를 -50V의 DC 자기-바이어스, 기재 온도 30℃, SF6기체 유동 5sccm 및 60mtorr의 압력(7.98Pa)으로 에칭하였다. 챔버 압력을 자동 스로틀 밸브를 갖는 펌프 속도를 변화시켜 에칭 사이클을 통해 일정하여 유지하였다. 이러한 에칭조건은 극도로 부드러운 측벽을 갖는 이방성 에칭 특성을 제공하였다. Ti 필름을 마스킹(masking)하는 잔류하는 내식막을 아세톤으로 제거하였다.
패턴은 7개의 다이와 2개의 시험 사각형을 포함하였다. 각각의 다이 영역을 중심 단으로 나누었다: 하나의 면은 낮고, 다른 면은 높았다. 패턴을 표준 Ar+이온 빔 밀링(milling)으로 Ti 마스크를 통해 YSZ 기재 안으로 이동하였다. 이온 밀링 시스템(버지니아주 22314 알렉산드리아 펜들레톤 세인트 500 소재의 커먼웰쓰 사이언티픽 코포레이션(Commonwealth Scientific Cop.)으로부터 제조된 밀라트론(Millatron))을 약 2 × 10-4torr(2.66 × 10-2Pa)의 압력을 생성하는 6sccm O2및 6sccm Ar의 기체 유동량으로 작동하였다. 400eV 이온 빔은 45。에서 18분 20초 동안 수-냉각된 시료상에서 일어나기 쉽다. 이어서 잔류하는 Ti 마스크를 SF6RIE에 의해 제거하였다. YSZ로 밀링된 단의 깊이는 120 nm이었다.
아세톤 및 이소프로필 알콜중에 세정하고 10분까지 노출시킨 후, O2RIE 세정 과정을 거치고, YSZ 기재를 면 아래로 패턴화한 상태로 4개의 작은 구멍을 기저부에 갖는 스테인레스 강 환 안으로 위치시켜 와퍼를 지지하였다. 금속 환 및 YSZ 기재를 진공 챔버의 상부로부터 매달리게 하였다(레이볼드 테크놀로지즈 인코포레이티드로부터 제조된 L560 침착 시스템).
챔버는 두 개의 3인치(7.62cm) 직경 평면상 마그네트론 스퍼터 건 및 하나의 e-빔 증착 공급원(모두 커넥티컷주 인필드 포스트 로드 120 소재의 레이볼드 테크놀로지즈 인코포레이티드로부터 제조)이 장착되어 있다. CeO2건을 실시예 2에서와 같이 위치시켰고 실시예 2와 동일한 CeO2타게트를 장착하였다. YBa2Cu3O7-x(여기서, x는 0 내지 0.5이다) 건은 실시예 1과 같이 위치하고 실시예 1과 동일한 YBa2Cu3O7-x(여기서, x는 0 내지 0.5이다) 타게트를 장착하였다. 두개의 스퍼터 건을 기재의 평면에 서로 대략 90。로 위치시켰다. e-빔 증착 공급원을 챔버 기저 24cm 아래 및 기재의 중심으로부터 10cm 수평 오프셋(offset)에 위치시켰다. e-빔 공급원 물질은 99.99% 순수 금 펠렛(뉴욕주 오랜지버그 소재의 머티어리얼스 리써치 코포레이션(Materials Research Corporation))이었다.
실시예 1의 구리 기체 유동 환을 YBa2Cu3O7-x(여기서, x는 0 내지 0.5이다)의 어두운 차폐 공간에 부착하여 타게트로부터 떨어져 대향하는 구멍을 갖는 어두운 차폐 공간에 대향하여 플랫을 놓았다. 어떤 기체 유동 환도 CeO2건의 어두운 차폐 공간에 부착되지 않았다.
우선 챔버를 약 4 × 10-5torr(5.32 × 10-3Pa)까지 크라이오펌프(CTI 크라이오제닉스로부터 제조된 보드 시스템)를 사용하여 배기하였다. 280sccm(표준 ㎠/min) Ar 및 280 sccm O2를 챔버에 MKS 질량 유동 제어기 및 YBa2Cu3O7-x(여기서, x는 0 내지 0.5이다)의 기체 유동 환을 통해 넣었다. 가변 스로틀 밸브를 사용하여 150mtorr(19.95Pa)에서 압력을 설정하였다.
YBa2Cu3O7-x(여기서, x는 0 내지 0.5이다) 건의 전방에 있는 셔터(기체 유동 환의 전방에도 있음)를 열고 타게트를 예비스퍼터하여 그의 표면상의 오염물질을 제거하였다. 스퍼터 건을 전원장치(어드밴스드 에너지 인더스트리즈 인코포레이티드로부터 제조된 모델 RFX-600)으로부터 50W DC를 사용하여 공급하여 -78V의 자기 바이어스(어드밴스드 에너지 인더스트리즈 인코포레이티드로부터 제조된 RF 매칭 네트워크 및 ATX-600 튜너 사용)를 발생하고 10분 동안 수행하였다. 이어서 YBa2Cu3O7-x(여기서, x는 0 내지 0.5이다) 건의 전방에 있는 셔터를 닫았다. 이어서 CeO2건 전방에 있는 셔터를 열고 타게트를 예비스퍼터하여 그의 표면으로부터 오염물질을 제거하였다. 스퍼터 건을 전원장치(어드밴스드 에너지 인더스트리즈 인코포레이티드로부터 제조된 모델 RFX-600)으로부터 100W DC를 사용하여 공급하여 -143V의 자기 바이어스(어드밴스드 에너지 인더스트리즈 인코포레이티드로부터 제조된 RF 매칭 네트워크 및 ATX-600 튜너 사용)를 발생하고 10분 동안 수행하였다. 이어서 CeO2건의 전방에 있는 셔터를 닫았다.
기재의 전방에 있는 다음 셔터를 열었다. 두 개의 석영 할로겐 램프(뉴욕주 07066 클라크 월넛 애비뉴 60 소재의 우시오 아메리카 인코포레이티드(Ushio Americas Inc.)로부터 제조된 1500W)를 사용하여 YSZ 기재를 복사가열하였다(듀퐁 특허원 CR-8928-B의 방법에 의해). 이러한 실시예중에 지시된 온도는 석영 가열 램프 근처에 위치하는, 단 접촉하지는 않는 K-형 열전대에 의해 기록된 온도이다.
온도는 15℃/min의 비율로 800℃에서 경사를 이루었다. 온도가 800℃에 다다르면, CeO2건의 전방에 있는 셔터를 열었다. 스로틀 밸브를 열고 챔버 안의 압력을 108mtorr(14.36Pa)까지 낮추었다. CeO2건을 100W RF(-154V 자기 바이어스)에서 60분 동안 작동하였다. 기재를 산화세륨 침착중에 회전하였다.
CeO2침착 후, 온도는 15℃/min로 890℃까지 상승하였다. 온도를 조절한 후, CeO2셔터를 닫고 YBa2Cu3O7-x(여기서, x는 0 내지 0.5이다) 셔터를 열었다. 스로틀 밸브를 다시 조절하여 150mtorr(19.95 Pa)의 압력을 챔버 안에서 제공하였다. 기재 회전을 중지하고 기재를 각각의 다이에서 단의 높은 면이 YBa2Cu3O7-x(여기서, x는 0 내지 0.5이다) 건에 더 가깝도록 정렬하였다; 예를 들면, 단은 YBa2Cu3O7-x(여기서, x는 0 내지 0.5이다) 공급원으로부터 떨어져 대향하였다. 기재에서 패턴을 보기가 어렵기 때문에, 와퍼는 약 10。으로 잘못 정렬되었다.
일단 온도가 890℃이면, YBa2Cu3O7-x(여기서, x는 0 내지 0.5이다) 침착을 시작하였다. DC 전원의 75 와트를 제 2 전원장치(어드밴스드 에너지 인더스트리즈 인코포레이티드로부터 제조된 모델 MDX-500)를 갖는 스퍼터 건에 공급하고 -140V의 자기 바이어스 및 0.547A의 전류를 발생하였다. 침착이 102분 동안 진행되었다.
YBa2Cu3O7-x(여기서, x는 0 내지 0.5이다) 침착의 말기에, 기체 유동은 정지하였고, 크라이오펌프까지의 밸브는 닫혔으며 챔버는 산소로 200torr(2.66 × 104Pa)의 압력까지 재충전되었다(2분의 기간동안). 이어서 온도를 5。/min의 비율로 150℃까지 하향하였다. 이 지점에서, 가열기를 셔터를 닫고 챔버를 펌핑하였다. e-빔 공급원을 사용하여 200nm 두께 금 필름을 증착하였다. 금 침착의 말기에, 온도는 대략 90℃이었다. 챔버를 산소로 다시 재충전하였고 냉각시켰다.
이어서 와퍼를 침착 챔버로부터 제거하고 표준 이단계 사진 평판 공정 및 Ar+이온 빔 밀링을 사용하여 패턴화하였다. 이단계 공정은 와퍼를 KTI 496k 분자량 표준 폴리메틸 메타크릴레이트(PMMA)를 사용하여 9% 고체(뉴욕주 07424 더블유 패터슨 개럿 마운틴 플라자 3 OCG 마이크로일렉크로닉 머티어리얼스 인코포레이티드)로 피복함으로써 시작하였다. 스펀-온(spun-on) 필름의 두께는 대략 1.2μm이었다. PMMA를 배기된 오븐 안에서 170℃에서 30분 동안 경화하였다. 이어서 PMMA를 AZ5214 포지티브 내식막으로 1.4μm 두께까지 피복하였다. 내식막을 공기중에 90℃에서 25분 동안 경화하였다. 제거될 내식막의 영역을 UV광에 약 100mJ/㎠의 강도로 노출시켰다. 시료를 AZ 422MIF 현상제(훽스트 셀라니즈 코포레이션)에 150초 동안 침지하여 UV 광에 노출된 감광성 내식막을 제거하였다. 이어서 시료를 낮은 전원 산소 플라즈마에 노출하였다(데스큐밍(descumming)). 개방된 영역중의 폴리메틸 메타크릴레이트(여기서, 5214 내식막을 제거하였다)를 평행한 깊은 UV(220-260 nm) 공급원을 사용하여 10 J/㎠의 강도에 노출하였다. 노출된 폴리메틸 메타크릴레이트를 톨루엔중에 4분 동안 전개하였다. 비스듬한 각도(75。)로 Ar+이온 빔 밀링을 사용하여 패턴을 금 및 YBa2Cu3O7-x(여기서, x는 0 내지 0.5이다) 층 안으로 이동하였다. 두 지점의 각각의 측정을 사용하여 YBa2Cu3O7-x(여기서, x는 0 내지 0.5이다) 층이 완전히 제거되어 장치가 분리된 때를 측정하였다.
감광성 내식막 및 폴리메틸 메타크릴레이트를 YES CV-100 플라즈마 시스템(캘리포니아주 95131 산 호세 오클랜드 로드 2119 소재의 일드 엔지니어링 시스템(Yield Engineering Systems))중에 3분 산소 플라즈마 처리에 의해 제거하였다. 플라즈마 시스템은 500W 전원 및 1.2 torr(160Pa) 압력 및 150℃의 기재 온도하에 수행된 통상적인 2.45 GHz 배럴 에칭장치였다.
이어서 와퍼를 폴리메틸 메타크릴레이트, 및 내식막이 쉬플리(Shipley) 1400-37(매사츄세츠주 01752 말보로 니커슨 로드 500 소재의 쉬플리 캄파니 인코포레이티드)인 것을 제외하고는 상기한 바와 같은 포지티브 감광성 내식막으로 피복하고 두 물질을 2,000rpm으로 돌렸다. 이어서 와퍼를 주사위 꼴로 자르고 피복물을 아세톤 및 이소프로필 알콜을 사용하여 제거하였다.
각각의 다이를 시험 탐침 안에 고정시키고 전기적 성질을 5K로 측정하였다. YBa2Cu3O7-x(여기서, x는 0 내지 0.5이다) 필름은 초전도성이었다; 다이 #3.3의 상위 및 하위 절반상의 시험 라인은 각각 15mA 및 11mA의 임계 전류를 가졌다. 도 11은 동일한 다이로부터 8μm 나비의 SNS 연결부의 비선형 전류-전압 특성치를 나타낸다. 전류(μA)는 전압(μV)의 함수로서 도시된다. 이러한 장치에 대한 IcRn생성물은 약 11μV이다.
실시예 4
개선된 단-가장자리 조셉슨 연결부를 실시예 3과 유사한 공정에 의해 CeO2건에 부착된 추가의 기체 유동 환 및 도 6에 도시된 바와 같은 YBa2Cu3O7-x(여기서, x는 0 내지 0.5이다)과 금 층 사이의 추가의 CeO2층의 침착을 사용하여 5cm 직경 기재를 가로질러 여러 위치에서 제조하였다. 기체 유동 환은 필요한 CeO2의 균일한 방향성 침착을 허용하여 도 6의 구조를 넓은 영역에 걸쳐 형성한다.

Claims (19)

  1. 기재와 타게트(target) 사이에 위치하고 하나 이상의 기체 유입 개구부 및 하나 이상의 유출 개구부를 매니폴드상에 갖는 중공 기체 유동 매니폴드를 포함하고, 상기 유출 개구부가 기체 유동물이 타게트로부터 기재를 직접 향하도록 위치하는, 스퍼터 건, 타게트, 기재, 기체 유동 수단 및 밀폐 챔버를 갖는 무기 산화물 화합물의 축외 마그네트론 스퍼터 침착(sputter deposition)을 위한 개선된 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    매니폴드가, 화합물이 침착되는 기재보다 타게트에 더욱 가깝게 위치하는 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    매니폴드가, 스퍼터 건의 어두운 차폐 공간에 인접하여 접촉하고, 매니폴드 평면이 타게트 표면에 평행하도록 타게트가 노출되는 개구부 주위에 위치하는 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    유출 개구부가 타게트로부터 떨어져 대향하는 매니폴드의 표면상에 위치하는 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    하나 이상의 유출 개구부 안으로 끼워져서 기체 유동을 막거나 기체 유동을 진행시키는 나사 또는 가요성 노즐을 추가로 포함하는 장치.
  6. 제 4 항에 있어서,
    매니폴드 유출 개구부가 두 그룹으로 위치하여, 제 1 그룹의 개구부는 매니폴드 평면과 약 80 내지 약 110。를 이루도록 매니폴드 표면상에 위치하고, 제 2 그룹의 개구부는 매니폴드 평면과 약 30 내지 약 60。를 이루도록 매니폴드 평면상에 위치하도록 하고, 상기 제 1 그룹의 개구부는 제 2 그룹의 개구부로부터 불연속적인 간격으로 분리되어 있는 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    제 1 그룹의 개구부가 매니폴드 평면과 약 90。를 이루도록 위치하고, 제 2 그룹의 개구부가 매니폴드 평면과 약 45。를 이루도록 위치하는 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    매니폴드가 중공 환형 환의 모양인 장치.
  9. 제 6 항에 있어서,
    매니폴드가 중공 환형 환의 모양이고, 제 1 그룹의 개구부는 침착이 발생될 영역의 중심에 가장 가까운 환의 지점을 중심으로 위치하고, 제 2 그룹의 개구부는 침착이 발생될 영역의 중심으로부터 가장 멀리 떨어진 환의 지점을 중심으로 위치하는 장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    기체 유동물이 매니폴드를 통해 평면 둘레로 대칭적으로 제공되고, 이 평면은 타게트의 중심에서 타게트 표면에 수직인 제 1 라인 및 침착이 발생될 영역의 중심에서 기재 표면에 수직인 제 2 라인에 의해 한정되며, 이 때 두 라인은 교차하는 장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    개구부가 평면 주위로 대칭적으로 위치하는 장치.
  12. 제 1 항의 장치를 사용하는, 축외 평면상 마그네트론 스퍼터 침착을 위한 개선된 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    화합물이 REBa2Cu3O7-x(여기서, x는 0 내지 0.5이고; RE는 Y, Nd, Sm, Eu, Gd, Dy, Ho, Er, Tm, Yb 또는 Lu이다); TlBa2Can-1CunO2n+3(여기서, n은 1, 2, 3 또는 4이다); Tl2Ba2Can-1CunO2n+4(여기서, n은 1, 2, 3 또는 4이다); Tl0.5Pb0.5Sr2Can-1CunO2n+3(여기서, n은 1, 2 또는 3이다); 및 HgBa2Can-1CunO2n+2(여기서, n은 1, 2 또는 3이다)로 이루어진 군으로부터 선택된 초전도성 화합물인 방법.
  14. 제 12 항에 있어서,
    초전도성 화합물이 산화세륨상에 침착되는 방법.
  15. 제 12 항에 있어서,
    별개의 화합물이 연속적으로 침착되는 방법.
  16. 제 12 항에 있어서,
    산화세륨이 제 1 층으로서 침착되고 초전도성 화합물이 제 2 층으로서 침착되는 방법.
  17. 제 1 항의 장치를 사용하여 스퍼터 침착에 의해 단-가장자리 연결부를 형성하는 개선된 방법.
  18. 제 12 항 또는 제 17 항에 있어서,
    기재가 1㎠ 보다 큰 방법.
  19. 제 12 항 또는 제 17 항의 방법에 의해 제조된 제품.
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