KR19990078109A

KR19990078109A - 사파이어 기판을 사용한 ｓｑｕｉｄ 및 이의 제조방법

Info

Publication number: KR19990078109A
Application number: KR1019990009603A
Authority: KR
Inventors: 나가이시다쓰오키
Original assignee: 구라우치 노리타카; 스미토모덴키고교가부시키가이샤
Priority date: 1998-03-23
Filing date: 1999-03-22
Publication date: 1999-10-25
Also published as: EP0949691A1; US20010003118A1; JPH11274586A; CA2266302A1; US6263219B1

Abstract

사파이어 기판을 사용하여 산화물 초전도 박막으로 형성된 SQUID를 제조한다. 사파이어 기판 위에 CeO₂박막, 화학식 1의 박막 및 SrTi0₃박막을 순차적으로 적층시키고, SrTiO₃박막 위에 피착시킨 산화물 초전도 박막으로 SQUID를 형성한다.

화학식 1

RBa₂Cu₃O_7-X

위의 화학식 1에서,

R은 희토류 원소이다

Description

사파이어 기판을 사용한 ＳＱＵＩＤ 및 이의 제조방법{SQUID using a sapphire substrate and a process for the preparation thereof}

본 발명은 SQUID에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명은 산화물 초전도체 박막으로 형성된 SQUID를 제조하는 신규한 방법에 관한 것이다.

SQUID는 1개 또는 2개의 죠셉슨 접합을 포함하는 환상의 초전도 전류로(超電導電流路)로 이루어지는 소자이다. 여기서 본 발명이 대상으로 하는 SQUID는 이의 환상 초전도 전류로를 구성하는 초전도체가 화학식 1의 박막인 조성을 갖는 산화물 초전도체로 이루어지는 것이다.

위의 화학식 1에서,

R은 Yb, Er, Ho, Y, Dy, Gd, Eu, Sm 및 Nd로 이루어진 그룹으로부터 선택된 희토류 원소이다.

이러한 종류의 산화물 초전도 박막은 액체 질소에 의한 냉각에서도 동작하는, 임계 온도가 높은 한편, 특정한 결정 구조를 이루는 경우에만 이의 뛰어난 특성을 발휘하는 것으로 공지되어 있다. 따라서, 산화물 초전도 박막을 각종 초전도 디바이스에 응용하는 경우에 이의 결정성이 중요한 의미를 갖는다.

이러한 종류의 산화물 초전도 박막을 형성하는 경우에 일반적으로 Mg0 단결정 기판이나 SrTi0₃단결정 기판이 하지(下地) 기판으로서 사용되고 있다. 이는 초전도 박막과 기판의 격자 상수의 매칭이 양호하며, 또한 초전도 박막의 양호한 결정 배향성이 얻어지기 때문이다. 바꾸어 말하면, Si 단결정 기판이나 사파이어 기판 등 입수가 용이한 기판 재료로는 특성이 우수한 산화물 초전도 박막은 제조하기 어렵다고 되어 있다.

그러나, MgO 단결정 기판이나 SrTi0₃단결정 기판은 기판 재료로서는 가격이 비싼 부류이고, 또한 면적이 큰 것을 얻기 어려운 등의 문제가 있으며 결과적으로 산화물 초전도 박막에 의한 SQUID의 제조 비용을 상승시키는 원인의 하나로 되어 있다.

그래서, 본 발명은 상기 종래 기술의 문제점을 해결하고 염가로 면적이 큰 것이 얻어지는 기판 재료를 사용하여 품질이 높은 SQUID를 제조하기 위한 신규한 방법을 제공하는 것을 이의 목적으로 하고 있다.

도 1은 본 발명에 따르는 SQUID의 제조방법을 공정마다 도시한 도면이고,

도 2는 본 발명에 따르는 SQUID의 제조방법의 응용예를 설명하기 위한 도면이다.

부호의 설명

1···사파이어 기판,

2···CeO₂박막,

3···화학식 1의 박막,

4···SrTiO₃박막,

5···내식막층,

6···산화물 초전도 박막,

7a 및 7b···전극

즉, 본 발명에 따르면 산화물 초전도 박막으로 형성된 SQUID를 제조하는 방법에 있어서, 다음의 각 공정을 포함함을 특징으로 하는, 사파이어 기판을 사용하여 SQUID를 제조하는 방법이 제공된다:

(1) 사파이어 기판 위에 CeO₂박막, 화학식 1의 박막 및 SrTiO₃박막을 순차적으로 적층시키는 공정,

(2) 이러한 SrTiO₃박막의 표면에 물리적인 단차(段差)를 형성시키는 공정 및

(3) 이러한 단차를 형성시킨 SrTiO₃박막의 표면에 화학식 1의 조성을 갖는 산화물 초전도 박막을 피착시키고, 이를 가공하여 SQUID를 형성시키는 공정.

본 발명에 따르는 제조방법은 기판 위에 독특한 층 구성을 형성시킴으로써 입수가 용이한 사파이어 기판 위에 고품질인 산화물 초전도 박막에 의한 SQUID를 형성시킬 수 있게 한 것이다.

즉, 본 발명에 따르는 제조방법에 의하면 기판 재료로서는 사파이어 기판을 사용하는 한편, 산화물 초전도 박막의 막 형성 하지가 되는 층은 (100) SrTiO₃박막이다. 따라서, SrTi0₃기판 위에 막을 형성하는 경우와 같이 품질이 높은 산화물 초전도 박막을 형성할 수 있다.

단, 사파이어 기판 위에 단순히 SrTiO₃박막을 형성하여도 (100) SrTiO₃박막은 수득되지 않는다. 그래서, 본 발명에 따르는 방법에서는 우선, 사파이어 기판의 바로 위에(100) CeO₂박막을 피착시키고, 이어서 (100) CeO₂박막 위에 (001) 배향의 화학식 1의 박막을 피착시킨 다음, 그 위에 SrTiO₃박막을 피착시킨다는 독특한 방법을 개발하였다. 이러한 구성에서는 각 층간의 부착성이 양호하며, 또한 양호하게 (100) 배향된 SrTiO₃박막이 수득된다. 따라서, 이러한 SrTiO₃박막을 하지로서 산화물 초전도 박막을 형성함으로써 MgO 기판이나 SrTi0₃기판을 사용하는 경우와 같이 품질이 높은 산화물 초전도 박막이 수득되는 것을 알았다.

또한, 사파이어 기판은 MgO 기판이나 SrTiO₃기판과 상이하며, 면적이 큰 것을 비교적 용이하게 입수할 수 있으므로 1장의 기판 위에 복수의 SQUID를 형성한 후에 절단 분리하는 등의 반도체 장치의 제조 수법을 도입할 수 있게 된다. 따라서, 단순한 재료의 감소에 의한 비용 삭감뿐만이 아니라 제조 공정의 합리화에 따른 생산성 향상도 실현할 수 있다.

하기에, 도면을 참조하여 본 발명에 따르는 방법을 보다 구체적으로 설명하며 하기의 기개 내용은 본 발명의 한가지 실시예에 불과하며 본 발명의 기술적 범위를 조금도 한정하지 않는다.

도 1은 본 발명에 따르는 제조방법을 공정마다 도시한 단면도이다.

우선, 도 1(a)에 도시한 바와 같이 평탄한 막 형성면을 갖는 R면 사파이어 기판(1)의 표면 전체에 CeO₂박막(2)을 피착시킨다. 다음에, 도 1(b)에 도시한 바와 같이 화학식 1의 박막(3)과 SrTiO₃박막(4)을 순차적으로 적층시킨다. 이러한 일련의 막 형성 공정은 각각 모두, 예를 들면, 레이저 증착법으로 실시할 수 있다.

다음에, 상기와 같이 하여 박막을 적층시킨 기판의 표면을 가공하여 SrTiO₃박막(4)의 표면에 단차를 형성시킨다.

이를 위해, 우선, 도 1(c)에 도시한 바와 같이 SrTi0₃박막(4)의 표면 전체에 내식막(5)을 부착시킨 다음, 부착된 내식막의 일부를 감광시킨 후에 도 1(d)에 도시한 바와 같이 불필요한 부분을 제거한다. 다음에, 잔존하는 내식막(5)을 마스크로서 Ar 이온 밀링함으로써 도 1(e)에 도시한 바와 같이 SrTi0₃박막(4) 표면의 일부를 제거한 다음, 도 1(f)에 도시한 바와 같이 내식막 층을 제거한다. 내식막 층은 내식막의 종류에 따른 적절한 용제, 예를 들면, 아세톤 등을 사용하여 제거할 수 있다. 이와 같이 막 형성 하지로서 SrTiO₃박막(4)의 표면에 단차를 갖는 기판이 수득된다.

계속해서, 상기와 같이 단차를 형성시킨 기판 위에 도 1(g)에 도시한 바와 같이 산화물 초전도 박막(6)을 피착시킨다. 이러한 산화물 초전도 박막(6)은 화학식 1의 조성을 갖는다.

다음에 상기 산화물 초전도 박막(6)에 한쌍의 전극(7a 및 7b)을 증착한다. 전극(7a 및 7b)의 증착은, 예를 들면, 금속 마스크를 사용하여 산화물 초전도 박막(6) 위에 직접 막을 형성시킨 Au/Ag 적층 전극을 예시할 수 있다.

최종적으로, 기판의 단차 부분 위의 산화물 초전도 박막(6)을 미세 가공함으로써 죠셉슨 접합을 형성시킬 수 있다. 이러한 미세 가공에는 일반적인 사진석판술 기술을 적용할 수 있다.

상기와 같이 하여 제조한 SQUID에서는 각 박막이 기판(1) 바로 위에서 부터 (100) CeO₂의 박막 및 (001) 화학식 1의 박막과 각각 배향하고 있으며 산화물 초전도 박막의 막 형성 하지가 되는 SrTiO₃박막은 초전도 특성에 유리한 (100) 배향을 하고 있다.

상기와 같은 방법으로 실제로 SQUID를 제작한다. 각 박막의 막 형성은 기판과 타겟간의 거리 100mm, 레이저 에너지 밀도 2.5J/cm²및 조사 면적 2mm×4mm의 조건으로 레이저 증착으로 실시하며 각 박막마다의 막 형성 조건은 하기의 표 1에 기재한다.

박막의 조성	기판 온도(℃)	산소 압력(mTorr)	막 두께(㎚)
CeO₂화학식 1 SrTiO₃	680 700 700	10 400 100	20 100 300

또한, 상기의 막 형성 조건은 화학식 1의 박막의 원소(R)로서 Yb, Er, Ho, Y, Dy, Gd, Eu, Sm 및 Nd로 이루어지는 그룹으로부터 어떠한 희토류 원소를 선택하는 경우에도 효과적임을 실험에 의해 확인할 수 있다.

또한, 이온 밀링에 의해 SrTiO₃박막 위에 형성된 단차의 높이는 160nm로 하고 초전도 박막의 두께는 220nm로 한다. 또한, 죠셉슨 접합부에서의 초전도 박막의 폭은 5μm로, SQUID로서 초전도 박막 전체의 형상은 각 변이 5mm인 정방형이고 인덕턴스가 40pH가 되도록 기타 치수를 설계한다.

이와 같이 제작한 SQUID에 관해서 4단자법으로 전류/전압 특성 및 자장/전압 특성을 측정한다. 그 결과, 2Ic가 100μA로서 양호한 접합 특성을 나타내는 RSJ 타입의 전류 전압 특성이 계측되며, 또한 인가 자계에 의한 전압 변조 폭이 10μV 이상이라는 양호한 소자 특성이 수득된다. 그 결과, 사파이어 기판 위에 형성된 산화물 초전도 박막에 의한 SQUID가 자기 센서로서 효과적으로 동작하는 것이 확인된다.

도 2는 본 발명에 따르는 SQUID의 제조방법의 응용예를 도시한 도면이다. 또한, 도면 중의 기판 및 각 박막의 패턴의 형상, 치수 등은 각각의 부재 특징을 알기 쉽도록 과장하여 묘사하였다. 또한, 도 1과 공통되는 구성 요소는 같은 참조 번호를 붙여 상세한 설명을 생략하고 있다.

상기 도면에 도시한 바와 같이, 사파이어 기판(1)은 Mg0 기판이나 SrTi0₃기판과 비교하면 면적의 큰 것이 공급되므로 복수개의 SQUID를 1개의 기판마다 그 위에 일괄해서 제조할 수 있다. 이러한 제조방법에 따라 SQUID 1개당의 제조 시간을 현저하게 단축할 수 있다.

상기에서 상세하게 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르는 SQUID의 제조방법에 따르면 염가로 면적이 큰 것을 입수할 수 있는 사파이어 기판을 사용하여 산화물 초전도 박막에 의해 형성된 고성능 SQUID를 제조할 수 있게 된다. 산화물 초전도체는 가격이 저렴한 액체 질소를 사용하는 냉각에서도 동작할 수 있는, 임계 온도가 높은 초전도 재료이며 본 발명에 따라 제조되는 SQUID는 염가이면서 고성능인 SQUID로서 광범하게 이용할 수 있다.

Claims

산화물 초전도 박막으로 형성된 SQUID를 제조하는 방법에 있어서, 다음의 각 공정을 포함함을 특징으로 하는, 사파이어 기판을 사용하여 SQUID를 제조하는 방법:

(1) 사파이어 기판 위에 CeO₂박막, 화학식 1의 박막 및 SrTiO₃박막을 순차적으로 적층시키는 공정,

(2) 이러한 SrTiO₃박막의 표면에 물리적인 단차(段差)를 형성시키는 공정 및

(3) 이러한 단차를 형성시킨 SrTiO₃박막의 표면에 화학식 1의 조성을 갖는 산화물 초전도 박막을 피착시키고, 이를 가공하여 SQUID를 형성시키는 공정.

화학식 1

RBa₂Cu₃0_7-X

위의 화학식 1에서,

R은 Yb, Er, Ho, Y, Dy, Gd, Eu, Sm 및 Nd로 이루어진 그룹으로부터 선택된 희토류 원소이다.
제1항에 있어서, 사파이어 기판의 바로 위에 피착되는 CeO₂박막이 (100) CeO₂박막이고, 그 위에 피착되는 화학식 1의 박막이 (001) 화학식 1의 박막이며, 또한 그 위에 피착되는 SrTiO₃박막이 (l00) SrTiO₃박막임을 특징으로 하는 방법.

화학식 1

RBa₂Cu₃0_7-X

위의 화학식 1에서,

R은 Yb, Er, Ho, Y, Dy, Gd, Eu, Sm 및 Nd로 이루어진 그룹으로부터 선택된 희토류 원소이다.
제1항 또는 제2항에 있어서, CeO₂박막의 막 형성을 50mTorr 이하의 분위기 속에서 레이저 증착법으로 실시함을 특징으로 하는 방법.
제1항 내지 제3항 중의 어느 한 항에 있어서, SrTiO₃박막의 막 형성을 50mTorr 이하의 분위기 속에서 레이저 증착법으로 실시함을 특징으로 하는 방법.
제1항 내지 제4항 중의 어느 한 항에 있어서, 1장의 사파이어 기판 위에 복수 개의 SQUID를 동시에 제조함을 특징으로 하는 방법.
산화물 초전도 박막으로 형성된 SQUID에 있어서, 사파이어 기판 위에 순차적으로 적층되는 CeO₂박막, 화학식 1의 박막 및 SrTiO₃박막과 이러한 SrTiO₃박막 위에 피착된 산화물 초전도 박막을 구비하고, 당해 산화물 초전도 박막이 SQUID로서의 초전도 전류로(超電導電流路)를 이루도록 구성되어 있음을 특징으로 하는 SQUID.

화학식 1

RBa₂Cu₃0_7-X

위의 화학식 1에서,

R은 Yb, Er, Ho, Y, Dy, Gd, Eu, Sm 및 Nd로 이루어진 그룹으로부터 선택된 희토류 원소이다.
제6항에 있어서, 사파이어 기판의 바로 위에 피착되는 CeO₂박막이 (100) CeO₂박막이고, 그 위에 피착되는 화학식 1의 박막이 (001) 화학식 1의 박막이며, 또한 그 위에 피착되는 SrTiO₃박막이 (100) SrTiO₃박막임을 특징으로 하는 SQUID.

화학식 1

RBa₂Cu₃0_7-X

위의 화학식 1에서,

R은 Yb, Er, Ho, Y, Dy, Gd, Eu, Sm 및 Nd로 이루어진 그룹으로부터 선택된 희토류 원소이다.