KR20000070722A

KR20000070722A - 선택적 에칭 기술을 이용한 초전도 장치의 형성

Info

Publication number: KR20000070722A
Application number: KR1019997006972A
Authority: KR
Inventors: 키유안 마; 밍글링 첸
Original assignee: 더 트러스티스 오브 컬럼비아 유니버시티 인 더 시티 오브 뉴욕
Priority date: 1997-02-03
Filing date: 1998-01-21
Publication date: 2000-11-25
Also published as: WO1998033665A1; AU6033698A; US5952269A; CN1102803C; EP0956209A1; EP0956209A4; CA2279505A1; CN1268924A; JP2002512732A

Abstract

초전도 박막들 상에 선택적 에칭 기술을 이용하여 초전도 장치(232)를 형성하는 방법이 개시되어 있다. 이 방법은 이온 주입법과 화학적 에칭을 결합한 신속한 에칭을 이용한다. 유지될 초전도막의 부분들은 이온 주입 처리(217)로부터 마스킹된다(215). 화학적 에칭 처리는 초전도막의 이온 주입된 부분들(225, 227)을 이온 주입되지 않은 부분들(223)보다 훨씬 빠른 속도로 제거하여 이온 주입되지 않은 부분들(223)만이 남게 된다. 이렇게 생성된 초전도 장치는 나노구조(nanostructures) 및 나노 팁(nano tips), 볼로미터(bolometers), 다층 RF 코일, 마이크로파 도파관 및 필터들로서 이용될 수 있다.

Description

선택적 에칭 기술을 이용한 초전도 장치의 형성{FORMATION OF SUPERCONDUCTING DEVICES USING A SELECTIVE ETCHING TECHNIQUE}

고온 초전도(HTS : high temperature superconducting) 전자 공학 분야에서의 최근의 발전은 HTS 재료가 21세기에 대비해 보다 빠르고 소음이 적으면서 정밀한 전자 부품을 제공할 수 있다는 것을 입증해주었다. HTS 장치는 실리콘 트랜지스터에 비하여 보다 고속으로 스위칭할 수 있고, 훨씬 적은 전력을 필요로 하면서, 위성 동작 주파수(10-60GHz)에서의 금속보다 마이크로파 손실이 수천 또는 수십만배 정도 적으며, 심지어는 최상의 감도로 인간 뇌파 신호를 감지해 낼 수 있을 것이다. 현재 개발 진행중인 HTS 장치로는, 조셉슨 접합(Josephson junctions), 초전도 양자 간섭 장치(SQUIDs : superconducting quantum interference devices), 무선 주파수(RF) 코일, 볼로미터(bolometers), 및 마이크로파 부품들이 있다. 조셉슨 접합은 초고속 컴퓨터 및 통신 시스템용의 초전도 디지털 회로들의 구성 블록들이다. SQUID는 인간 심장과 뇌에 대한 자기, 비침해 진단, 여러 구조 재료들에 대한 비파괴 평가, 및 지구 물리학상의 탐구를 포함하여 다양하게 응용된다. HTS로 제도된 RF 코일은 MRI(자기 공명 촬영 : magnetic resonance imaging) 시스템의 신호잡음비 또는 이미지 해상도에서 상당한 개선을 보여주었다. 실리콘 막 상에 설치된 HTS 볼로미터는 매우 감도가 좋아서 방사열 또는 온도의 작은 변화를 감지해낼 수 있다. 전형적인 HTS 마이크로파 장치들은 공간 통신 및 셀룰러 통신 모두에서 성능이 우수하다.

이들 HTS 장치들의 완전한 실현에는 신뢰성 있는 처리 기술의 개발이 요구된다. HTS 재료들은 산화물(예를 들면, YBaCuO 및 TIBaCaCuO)이라는 사실 때문에, 그들 재료는 습기, 화학 약품, 및 수분과 같은 환경에 매우 민감하다. 표면 반응은 대개 그 재료의 표면층을 분해시키고 장치의 성능을 열화시킨다. 그 결과, 종래의 에칭 방법에 의한 HTS 장치의 수율은 매우 낮다. 예를 들면, 겨우 15-20%정도이다.

화학적 에칭이 초전도 박막에 소망하는 디자인을 형성할 수 있는 하나의 방법이다. 그러나, 수산화물과 탄산염의 형성으로 인해 에칭 처리에 필요한 강한 열역한 구동력은 HTS 재료를 상당히 열화시킨다. 개발되어 있는 기존의 에칭 방법들은 3000Å의 막 두께를 가정할 때 에칭제와 접촉하는 전형적인 기간이 약 3-16분이 된다. 이 긴 에칭 시간으로 인해 막의 표면 저항이 증가하게 되고 증가된 화학적 반응으로 인해 그 초전도 특성이 손실된다. 그러므로 막의 표면에서의 초전도성의 열화 가능성을 저감시키기 위하여 신속한 에칭 처리가 요구된다. 이 에칭 처리는 막의 단기간 내에 불필요한 부분들을 제거함과 동시에 선택된 부분들을 유지하는 것이어야 한다.

이온 주입법은 반도체 장치를 도핑하기 위하여 광범위하게 사용되어 왔다. 최근에는, 이온 주입법은 HTS 막에서의 초전도성을 저지하고 HTS 평면 장치를 패터닝하는 데도 적용되고 있다(Ma et al., "A Planar Method for Patterning HTS Films and Multilayers" Appl. Phys. Lett., Vol 65, p. 240, 1994 참조). 저지되지 않은 부분은 저지된 영역에 의해 둘러싸여 장치 영역으로서 초전도 상태로 남는다. 따라서, 이런 타입의 장치를 위한 응용은 완전 층 구조(fully layered structure)로 한정된다.

<발명의 요약>

본 발명은 선택적 에칭 기술을 이용하여 디자인된 박막 초전도 장치를 형성하는 방법을 제공한다. 이 기술은 단층 또는 다층 장치로서 초전도 박막의 선택적 에칭을 허용한다. 본 발명에 따른 방법은 기판 재료의 상부에 초전도층을 형성한다. 그 후, 마스크를 도포하여 초전도층의 선택된 부분들을 피복하고 그 층 안으로 이온을 주입한다. 다음, 산성 용액과 같은 화학적 에칭 기술을 이용하여 마스크되지 않고 이온 주입이 된 초전도층의 부분들을 제거한다. 이렇게 생성된 장치는 예를 들면, 캐리 컨파인드 장치(carry confined devices), 조셉슨 접합, SQUIDs, RF 코일, 볼로미터, 마이크로파 도파관 및 필터들과 같은 HTS 나노구조로서 이용되도록 형성될 수 있다. 이 처리에 의해 초소형 초전도 장치가 제조될 수 있다.

화학적 에칭 용제를 변경하고 이온 주입의 타입(이온 타입과 에너지 레벨 모두)을 변경함으로써 선택적 화학 에칭을 수정할 수 있다. 이온 주입된 초전도 박막은 화학적 에칭 처리 중에 이온 주입되지 않은 영역보다 훨씬 고속으로 제거될 것이다. 필요하다면 기판 대신에 보다 두꺼운 초전도막 또는 초전도 벌크 웨이퍼가 이용될 수도 있다.

본원 발명은 초전도 재료의 일부를 선택적으로 에칭하여 소망하는 형상을 가진 초전도 장치를 제조하는 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 방법은 화학적 에칭과 관련하여 이온 주입법을 이용하여 초소형의 초전도 장치를 제조한다.

본 발명의 양호한 실시예들을 도시하는 첨부 도면들과 관련한 이하의 상세한 설명으로부터 본 발명의 또 다른 목적, 특징 및 이점이 명백해질 것이다.

도 1은 선택적 에칭 기술을 이용하여 초전도 장치를 형성하기 위한 단계들의 흐름도이다.

도 2는 본 발명에 따라서 제조되고 있는 단층 초전도 장치를 도시한다.

도 3은 본 발명에 따라서 제조되고 있는 다층 초전도 장치를 도시한다.

도 4A는 본 발명에 따라서 제조된 보호층을 구비한 초전도 장치를 도시한다.

도 4B는 보호층을 구비한 또 다른 초전도 장치를 도시한다.

도 4C는 보호층을 구비한 다층 초전도 장치를 도시한다.

도 5는 순수한 HTS 구조와 이온 주입된 HTS 구조간의 에칭 속도를 비교하는 표를 도시한다.

도 6은 도 5의 데이터에 대한 그래프를 도시한다.

도 7A는 화학적 에칭 이전에 본 발명에 따라서 제조된 볼로미터를 도시한다.

도 7B는 화학적 에칭 이후에 본 발명에 따라서 제조된 볼로미터를 도시한다.

도 7C는 본 발명에 따라서 제조된 볼로미터의 상면도를 도시한다.

본 발명은 선택적 에칭 기술을 사용하여 초전도 장치를 형성케 해준다. 초전도 박막이 기판 상에 형성되고 원하는 구성으로 패터닝된다. 기판은 IC 칩 웨이퍼일 수 있으며 또는 SrTiO₃, LaAlO₃, Al₂O₃, 또는 MgO와 같은 종래의 산화물 재료로부터 만들어진다. 초전도층의 선택된 부분을 피복하는 마스크의 사용과 더불어 적절한 에너지 레벨로 설정된 이온 주입 장치의 사용은, 화학적 에칭 공정 동안에 초전도층의 이온 주입부가 이온주입되지 않은 부분보다 훨씬 더 높은 속도로 제거되도록 한다. 만일, 화학적 에칭제(전형적으로 산)의 농도 레벨이 충분히 낮다면, 이온주입되지 않은 영역은 전혀 용해되지 않을 것이다. 그러나, 모든 이온주입된 영역은 용해될 것이다. 따라서, 마스크에 의해 피복된 초전도 박막의 선택된 영역만이 남을 것이다. 이온 주입으로 인해 에칭 공정의 속도는 대단히 빨라지고 나머지 초전도 부분에서의 열화를 감소시킨다.

이온 주입 장치로부터의 이온빔의 정확성 및 현미경적 크기는 초전도 박막 내에 정교한 패턴이 생성될 수 있도록 해준다. 본 발명의 공정은 나노미터정도의크기에서조차 초전도 장치를 생성할 수 있다. 생성될 수 있는 초전도 장치의 몇가지 예가 조셉슨 접합, 볼로미터, RF 코일, 및 도파관이다. 이들 작은 장치 및 다른 설계물들이 초소형 칩, 센서, 및 전자 소자 설계에 사용될 수 있다. 이와 같은 작은 장치에서의 한 사용예가, 원자 정도의 작은 물체를 감지하는 주사 전자 현미경용 첨두(tip)이다.

도 1은 선택적 에칭 기법을 사용한 초전도 장치의 형성 방법을 위한 단계들이다. 이들 단계들의 적용예가 후속 도면에 도시되어 있다. 도 1의 방법은, 나노 크기의 구조를 포함한 대단히 작은 초전도 구조가, 생성될 구조의 초전도 특성을 파괴 또는 왜곡시키지 않고 생성될 수 있도록 허용한다.

단계(101)은 구조가 생성될 기판 상에 초전도 박막을 배치하는 단계이다. TBCCO 또는 YBCO에 사용될 수 있는 고온 초전도 재료의 예. 박막의 두께는 응용에 따라 다르다. 상술한 실시예에서, 그 두께는 300Å 내지 1㎛이다. 기판 재료도 역시 구조의 사용 용도에 따라 다르다. 이 방법의 결과는, 원하는 초전도 구조에 손상을 주지 않고 짧은 시간만에 HTS 막의 일부를 선택적으로 에칭하여 의도된 구조만 남기는 것이다.

단계(103)은 남기고자 하는 HTS 막의 선택된 부분들 위에 마스크를 정렬하는 단계이다. 마스크의 한 예는 일반적인 포토리쏘그라피에 의해 형성된 포토레지스트 마스크로서, 이후의 이온 주입 단계 동안에 하부의 초전도 재료 내에 이온이 주입되는 것을 방지한다.

단계(105)는 이온 주입기 장치 또는 다른 종래의 방법으로 구조에 이온을 주입하는 단계이다. 사용될 수 있는 이온 주입기 장치의 한 예는 Eaton's 3206이다. 이온은, HTS 박막보다 마스크와 먼저 마주치도록 하는 방향으로 주입된다. 다른 이온 주입 에너지가 사용될 수 있다. 이온들은 Si, Al, B, Ni, Fe, Ca, Ti, Mn, Mg, Co, P 및 Sr와 같은 단일 이온 또는 이온 분자(SiO₂및 SiO₂및 Si₃F₄)로부터 선택될 수 있다. 여기서 기술될 재료에 대해, 에너지 레벨은 10 keV 내지 500 KeV 사이의 범위에 있어야 하고 그 불순물 농도는 1×10¹³내지 1×10¹⁷/㎠ 사이의 범위 내에 있어야 한다. 이온 주입은 마스크에 의해 피복되지 않는 HTS 막의 일부의 특성을 변경시킬 것이다.

그 다음, 단계(107)은 전체 구조를 화학적으로 에칭하는 단계이다. 화학적 에칭은 양호하게는 인산(phosphoric acid)과 같은 에칭제를 구조에 인가하여 수행된다. 에칭제의 인가는 구조를 산을 담은 용기에 담그거나 임의의 종래의 방법을 사용하여 원하는 영역에 산을 선택적으로 인가함으로써 수행될 수 있다. 산은 (이하에 보다 상세히 기술되는 바와 같이) HTS 막의 일부를 이온 주입되지 않은 부분보다 훨씬 빠르게 제거할 것이다. 따라서, 용해제와 일정 시간동안 접촉시킨 후, 에칭제로부터 구조를 제거하면 이온 주입에 의해 마스크된 구조의 일부만이 남게된다. 이것은 선택된 응용에 대해 원하는 패턴으로 HTS 장치를 생성할 수 있도록 해준다. 인산은 이온주입된 영역만 에칭하기 위해 1.5×10^-3M의 농도를 가질 수 있다. 산을 담은 용기에 담근 후, 에칭된 초전도 장치는 장치를 강화시키기 위해 짧은 시간(30초 내지 30분) 동안 450℃에서 노(furnace) 또는 급속 열 어닐러(annealer)로 어닐링될 수도 있다.

도 2는 HTS 장치의 형성에 관련된 도 1의 방법의 예를 도시하고 있다. 구조(장치)가 그 제조의 4개 단계로 도시되어 있다.

구조(202)는 HTS 박막(203)이 피착된 기판(201)을 도시하고 있다. 이온 주입 단계에서 마스크 하부가 이온 주입되지 않도록 보장하기 위해 마스크(205)가 HTS 박막 위에 정렬된다. 이 예에서의 마스크(205)는 0.1㎛의 폭을 갖는 전자-빔 리쏘그래픽 마스크이다. 이 마스크는 어떠한 방식으로도 구성될 수 있으며 필요하다면 동일한 HTS 막 상에 복수개의 마스크가 사용될 수도 있다.

구조(212)는 이온주입 단계 동안의 구조를 도시한다. HTS 막(213)은 이온빔(217)로 이온폭격된다. 마스크(215)는 이온 빔이 마스크 아래의 HTS 막으로 직접 들어가는 것을 차단한다. 이온빔(217)은 HTS 막의 두께에 따라 다르게 기판(211)에 들어가며 기판 상에 어떠한 실질적인 영향도 주지 않는다.

기판(222)는 이온주입 동작이 완료된 후의 구조를 도시한다. 기판(211) 및 HTS 막(22)만 남겨두고 마스크는 모두 제거되었다. 마스크에 의해 피복되지 않은 HTS 막(224)의 막(225, 227)이 이온주입되었다. 부분(223)은 마스크된 부분에 관한 이온빔의 횡방향 퍼짐으로 인해 종(bell) 모양을 가진다. 예를 들어, 종 모양의 꼬리부는, 0.1㎛ 마스크에 대해 전형적으로 약 100Å의 폭을 가진다.

구조(232)는 선택적으로 화학적 에칭된 후의 구조를 도시한다. 이 구조가 화학적 에칭액에 노출되고 이온 주입된 HTS의 부분은 제거되었다. 만일 구조가 이온주입된 부분이 제거된 후 몇 초 동안 더 에칭액에 놓여지면, 비-이온주입된 부분은 에칭액 농도가 충분히 높다면 더 느린 속도로 에칭될 것이다. 따라서, 벨 모양의 영역(223)은, 100Å이하 또는 몇개 원자 단위의 거리를 갖는 날카로운 끝을 갖는 대충 삼각형 형상(233)을 가지도록 수정될 것이다. 이 구조의 유일하게 남은 부분은 기판(231)과 HTS 장치(233)이다. 이 구조(232)는 이제 개별적인 응용에 사용될 수 있으며 설계 사양에 따라 다른 구조와 결합되어 사용될 수도 있다.

도 3은, 보다 광범위한 형태에 의해 HTS 장치로서 사용될 수 있는 다층 구조를 형성하는데 사용되는 도 1의 방법의 한 예를 도시한 것이다.

구조(301)는 HTS 박막(305)이 피착되어 있는 기판(303)을 포함한다. 마스크(307)는 바람직하게는 도 2에 도시된 것과 유사한 방법으로 유지되는 HTS 막의 일부분에 피복된다. 비보호 부분을 이온주입하기 위해, 이온 빔(309)이 구조(301)에 제공된다.

구조(311)는 이온주입 결과를 도시한다. 이제, 기판(313)은 이온주입되지 않은 HTS 막 부분(318)과 이온주입된 HTS 막 부분들(316, 317)을 지지한다. 또한, 마스크는 제거되었다.

구조(321)는 기판(323)과 HTS층(325)에 피착된 새로운 HTS 박막(327)을 도시한 것이다. 이 단계는 선택적 에칭 공정 이전에 행해진다. 새로운 마스크(329)는 최종 장치에 남아 있는 제2 층(327)의 상기 부분에 피복된다. 제2 마스크(329)는, 제2 이온 주입 단계에서 제1 HTS 막의 일부분에는 주입이 행해지지 않도록 상기 장치 내에 남아있는 제1 HTS 막 전체 부분을 피복해야 한다. 그 다음, 이온 빔(331)은 구조(321)에 인가된다.

구조(341)는 어떠한 화학적 에칭이 행해지기 이전의 제2 이온 주입의 결과를 도시한 것이다. 제1 HTS 박막층(345)은 구조(343)에 피착되고, 제2 HTS 박막층(347)은 제1 박막층에 피착된다. 제1 박막층 내의 부분(355)과 제2 박막층 내의 부분(349)은 각각 마스크가 놓여 있기 때문에 이온 주입되지 않는다. 제1 HTS 박막층의 부분(357, 359) 및 제2 HTS 박막층의 부분(351, 353)은 상술한 바와같은 공정으로 이온 주입되었다.

구조(361)는 구조(341)가 화학적으로 에칭된 후 남아있는 구조를 도시한 것이다. 이온 주입된 HTS 박막의 부분은, 이들이 이온 주입되지 않은 부분만 남기고 제거될 수 있도록 보다 고속으로 에칭된다. 이온 비주입(순수) 영역은, 최종 장치에서 중대한 열화가 일어나지 않도록 전혀 에칭되지 않거나 산 농도에 따라 비교적 느린 속도로 에칭된다. 바람직한 장치 구성을 형성하기 위해 필요하다면, 이러한 적층 방법은 반복적으로 행해질 수 있다.

이러한 장치 구성중 하나는 복수의 공진 주파수들을 수신하기 위한 다중 RF 코일 장치이다. RF 코일들은 마스크를 이용하여 각각 초전도층 상에 형성된다. 도 3에서, 층(365)은 하나 이상의 RF 코일들을 가지며, 층(367)은 하나 이상의 RF 코일들을 갖는다. 이것은 장치(361)가 하나의 장치 내에서 다수의 주파수들의 검출 및 수신을 허용하게 한다.

도 4A, 도 4B 및 도 4C는 본 발명의 기술 및 캡이나 보호층의 추가를 통해 제조될 수 있는 초전도 장치를 도시한 것이다. 상기 보호층은 이것이 형성될 때 초전도성 층이 클린 룸과 같은 "깨끗한(clean)" 환경에서 꺼낸 후 이와 연계되어 있는 다른 화학적 조건과 반응하지 않도록 초전도성 층의 상부에 피착된다.

많은 HTS 물질들은 이들을 반응성을 대단히 향상시키는 산화 물질이다. 보호층으로서 사용되는 재료들의 예로 SrTiO₃, CeO₂, Au, Ag, MgO 또는 LaAlO₃가 있다. 이들 보호층의 바람직한 두께는 0.1 내지 1㎛ 두께인 박막 상에서 50 내지 1000Å이다.

도 4A는 보호층(405)으로 도포된 기판(401) 상에 피착된 단층 HTS 박막(403)을 갖는 구조(400)이다. 보호층(405)은 이온 주입 공정에서 빔 이온을 거의 감소시키지 않기에 충분히 얇다. 2개의 마스크(407, 409)는 HTS 박막의 에지부에 배치되어 하부 부분(411, 413)을 이온 빔으로부터 보호한다. 마스크에 의해서 보호되지 않는 중앙 부분(415)은 이온 빔에 의해서 이온 주입된다. 에칭 공정 동안은 화학적 에칭 용액이 HTS 박막층(403)의 중앙에서 작용할 수 있도록 보호층(405) 내에는 작은 개구부(408)가 형성된다.

구조(400)가 화학적으로 에칭된 후에는, 초전도성 장치가 남게 된다. 상기 장치의 중앙 부분(423)은 제거된다. 그 결과 얻어진 구조는 예를 들면 도파관으로서 사용될 수 있다.

도 4B는 저부 기판층이 보다 두꺼운 초전도성 물질, 초전도성 막 또는 초전도성 벌크 웨이퍼로 대체된다는 점만 제외하면 도 4A에서 설명한 것과 동일한 방법으로 구성된 구조를 나타낸다. 구조(455)는 HTS 베이스(447) 및 그 위에 피착된 보호층(449)을 포함한다. 2개의 마스크(451 및 453)는 보호층 위로 배치되어 마스크 아래의 HTS 물질의 일부가 이온 주입되지 않게 한다. 그 다음 이온 빔들(455)은 HTS 물질들의 중앙에 직접 이온이 주입될 수 있도록 구조(445)에 직접 조사된다.

이온 빔이 구조(445)로 직접 조사되면, 상기 이온 빔은 소정 거리만큼 HTS 물질로 투입된 후 효력을 상실하게 된다. 예를 들면, 초전도성 물질은 막 표면으로부터 0.1 내지 1 ㎛ 깊이로 주입된 범위 이하에 남아있게 될 것이다. 따라서, 본 예에서는, 이들의 상부 부분 내의 마스크에 의해 도포되지 않은 부분만에서만 투입될 것이다. 그러므로, 상기 구조를 화학적으로 에칭한 후, HTS 부분의 중앙 부분 만이 제거될 것이다. 보호 캡은 도 4A에서와 같이 구조 상부에 씌어질 것이다. 화학적 에칭 후의 이와 같은 새로운 구조는 도 4A에서의 구조(421)와 같이 도파관으로서 동작할 수 있는 구조(457)로 나타나게 되지만, 기판에 놓인 추가의 초전도성 물질 때문에 서로 다른 특성들을 갖게 될 것이다.

도 4C는 초전도성 장치의 추가의 패턴이나 설계를 제작할 수 있도록 하는 보호층을 구비한 다층 HTS 막의 예를 도시한 것이다.

구조(461)은 이온 주입 이 후 그러나 화학적 에칭 공정이 수행되기 전의 도 4A의 구조를 도시한 것이다. HTS 박막(465)은 기판(463)에 피착되고 보호층(467)은 HTS 박막층(465)에 피착된다. 중앙 부분(473)에서는 이온 주입이 행해지지만, 부분(469, 471)은 이온 주입 공정 동안 마스크가 배치되기 때문에 이온 주입이 행해지지 않는다.

구조체(473)은 보호층(467)의 상부에 피착되는 추가의 HTS 박막(475)을 나타낸다. 제2 보호층(476)은 이 추가의 HTS막(475)의 상부에 피착된다. 다음으로, 이 HTS 박막은 제2 층의 선택된 부분들만이 화학적 에칭 프로세스 후에 남겨지게 되도록 마스킹될 수 있다. 제2 이온 주입 단계는 마스크에 의해 도포되지 않은 제2 층의 영역을 이온 주입할 것이다. 마스크 구성은 11제1 HTS 박막층이 제2 이온 주입에 의해 영향을 받지 않게 되도록 배치되어야 한다. 이는 제1 보호층을 더 두껍게 하거나, 제1 보호층과 제2 HTS 층(475) 사이에 비교적 두꺼운 버퍼층을 삽입함으로써 달성될 수 있다. 이 버퍼층은 보호층과 동일한 재료를 사용할 수도 있다. 마스크(476, 477)는 이 예에 나타나 있지 않다.

구조체(480)는 마스킹되고, 이온 주입되고 화학적으로 에칭된 후의 구조체(473)을 나타낸다. 화학 에칭 프로세스는 이온 주입된 HTS 박막 부분을 제거하였다. 최종 구조는 마이크로파 장치의 도파관 또는 RF 코일로서 사용될 수 있다. 이 최종 구조는 상부에 HTS 막의 선택된 부분들(484)이 남아 있는 기판(482)를 포함한다. 보호층(486)은 제1 선택 부분들(484)의 상부에 있고 제2 HTS 박막의 제2 선택 부분들(488)은 보호층의 상부에 있다. 최종적으로, 제2 보호층(490)은 제2 선택 부분(488)의 상부에 있다. 배선의 영향은 필요에 따라 계속될 수 있다.

도 5는 인산의 상이한 농도에서 HTS 재료의 에칭 비율을 포함하는 테이블을 나타낸다. 본 발명의 프로세스는 초전도 장치를 빠르게 산출할 수 있다는 결과를 확인하였다. 컬럼(501)은 구조의 화학적 에칭 위상에 사용된 인산의 농도를 나타낸다. 카테고리(503)은 상이한 조건하에서 YBCO, 초전도 재료의 에칭 비율을 나타낸다. 이들 조건들은 (1)어떠한 이온 주입도 없는 경우(컬럼(505); (2) Al³⁺가 200KeV로 주입된 경우; (3) Al³⁺가 120KeV로 주입된 경우; 및 (4) Fe³⁺가 100KeV로 주입된 경우가 있다. 데이타는 이온 주입된 초전도막들의 에칭 속도가 순수한 비이온 주입된 HTS막의 에칭 속도보다 크다는 것을 나타낸다. 이는 특히 산의 농도가 더 낮을 수록 그 에칭 속도차는 크다. 이온 주입한 적절한 이온을 선택하고 이온에 대한 적절한 에너지 레벨을 선택함으로써, 에칭 속도는 어떠한 제조 프로세스에 대해서도 필요한 만큼 선택될 수 있다. 이온 주입된 재료의 에칭 속도는 적절한 이온 에너지와 적절한 산 농도를 사용할 때 순수막보다 약 2-5배 높다.

카테고리(513)는 HTS 재료, TBCCO의 상이한 형태에 대한 에칭 속도를 나타낸다. 컬럼(515)은 순수한 이온주입되지 않은 HTS 재료를 나타내고 컬럼(517)은 이온 주입된 재료를 나타낸다. 이온 주입된 재료에 대한 에칭 속도는 상당히 더 높다. YBCO에 대한 에칭율은 1×10^-1M 이상의 에칭 용액에 대한 TBCCO의 에칭율보다 약 4-10배 더 높다. 본 발명으로부터의 향상된 에칭율은, HTS 재료 표면의 열화를 방지할 수 있게 하고 패터닝의 향상된 방법을 제공한다.

5×10^-2M 이상의 농도를 가진 인산을 이용하면, 이온 주입된 막의 에칭율은 순수막의 에칭율보다 훨씬 빠르다. 1.5×10^-3M의 임계 농도 이하에서, 산은 순수막 상에 어떠한 에칭 영향도 주지 않지만 이온 주입된 막은 여전히 에칭된다. 이는 비이온 주입된 영역들이 완벽하게 남아있게 되기 때문에 반도체 소형 장치의 보다 정확한 구조를 가능하게 한다. 에너지 200 KeV에서의 Al³⁺가 주입된 막의 에칭율은 에너지 120KeV에서 Al³⁺가 주입된 막의 에칭율보다 빠르다. 게다가, Al³⁺가 주입된 막의 에칭율은 Fe³⁺가 주입된 막의 에칭율보다 빠르다. 이온 주입과 관련하여 적절한 부식액을 사용한 HTS 막에 대해 선택적인 에칭 프로세스가 개발될 수 있다.

고품질 단상 YBCO 및 TBCCO 재료들은 이온 주입 후 초전도 재료의 표면 및 내부에 불안정한 결합(binding) 및 결함을 생성한다는 것이 알려져 있다. 격자는 원형 그대로의 팽창물(intact dilation)이기 때문에, 결합 에너지는 감소하지만, 단지 작은 변화만이 발생하므로 격자 파라미터들이 너무 많이 변화하지 않는다. 에피텍셜 YBCO막들이 Si 이온 주입에 의해 생성된 절연체인 이온 주입이 억제된 HTS막의 상부에 성장될 수 있다는 것이 알려져 있다. 에칭 절차는 우선, 인산과 알카라인 어스(earth) 원소 간의 화학 반응을 포함하며, 다음 반응식과 같다:

6H₃PO₄+ 4YBa₂CU₃O₂=

2YPO₄+ Ba₃(PO₄)₂+ CU₃(PO₄)₂+ Y₂BaCUO₅+ 7CuO + BaCUO₂+ 3Ba(OH)₂+ 2H₂O + O₂. 2번째 단계는 결정 격자의 붕괴이다. 표면 상부 및 격자 내의 불안정한 결합이 커질수록 그리고 결함이 많아질수록, 화학 반응에 대한 보다 많은 기회를 가지기 때문에, 더 큰 화학적 에칭율이 예상된다.

도 6은 도 5로부터의 데이타 포인트들의 그래프를 나타낸다. 라인(607)은 순수한 YBCO(비이온 주입된)에 대한 에칭율 대 산 농도를 나타낸다. 라인(601)은 200KeV에서 Al 이온에 대한 에칭율 대 산 농도를 나타낸다. 라인(603)은 120KeV에서 Al 이온에 대한 에칭율 대 산 농도를 나타낸다. 라인(605)은 100KeV에서 Fe 이온에 대한 에칭율 대 산 농도를 나타낸다. 이 그래프는 이온 주입된 HTS 재료가 비이온 주입된 재료보다 훨씬 더 큰 비율로 에칭되는 방식으로 초전도 재료가 형성될 수 있다는 것을 가상적으로 나타낸 것이다.

도 7A, 도 7B 및 도 7C는 본 발명에 의해 제조된 볼로미터(bolometer) 장치를 나타낸다. 볼로미터는 그 저항을 변화시켜 측정하고 정량화함으로써 매우 작은 온도 변화를 검출할 수 있다. 또한, 이 볼로미터는 다른 형태의 복사 변화도 역시 검출할 수 있다. 볼로미터는 그 장치의 활성 부분이, 예를 들어, 받쳐주는 지지물없이 단독으로 된 구조(free standing structure)와 같이, 열적으로 격리된 경우 보다 효과적일 수 있다.

도 7A는 기판층(703), 제1 초전도 박막층(705) 및 제2 초전도층(707)을 갖는 볼로미터(701)를 나타낸다. 또한, 보호층들은 초전도층들의 상부에 삽입될 수 있다. 초전도층들의 일부는 마스킹되고 이온주입되었다. 영역들(709), (711) 및 (713)은 이온주입되어 있다.

도 7B는 화학적으로 에칭된 후의 도 7A의 볼로미터를 나타낸다. 볼로미터(723)는 받쳐주는 지지물없이 단독으로 공기 갭 상에 배치된 상부 초전도층(723)을 가진다. 공기 갭은, 볼로미터의 활성 부분을 구조체의 나머지 부분으로부터 열적으로 절연시킨다.

도 7C는 볼로미터(721)의 상부도이다. 이 상부도는 볼로미터 센싱 회로를 형성하는 나머지 초전도 부분들(723, 725, 727)을 나타낸다. 이 초전도 끝부분(723, 725)들은 제1 초전도층(705) 상에 배치된다. 초전도 부분(727)은 제1 초전도층(707) 상에 배치되고 제1 초전도층(705)로부터 적층된다. 이 다층 구조는 볼로미터의 센싱 부분을 열적으로 절연시킨다.

상기 설명은 본 발명의 원리를 설명하기 위한 것이다. 따라서, 본 분야의 숙련된 자라면, 본 명세서에서 명백하게 도시되거나 설명되지 않았다고 할지라도, 본 발명의 원리를 구현하는 다양한 시스템, 장치 및 방법을 만들 수 있을 것이다. 따라서, 이러한 변형도 청구범위에 정의된 본 발명의 기술적 사상 및 그 범위 내에 속한다.

Claims

초전도 장치를 형성하는 방법에 있어서,

기판 재료 상에 초전도 박막층을 배치하는 단계;

상기 초전도층의 선택된 부분들을 적어도 하나 이상의 마스크로 피복하는 단계;

상기 초전도층 안으로 이온을 주입하는 단계 -상기 적어도 하나 이상의 마스크는 상기 선택된 부분들에서의 이온 주입을 저지함-; 및

상기 초전도층을 화학적으로 에칭하여 상기 선택된 부분들 이외의 상기 초전도층의 부분들을 제거하는 단계

를 포함하는 것을 특징으로 하는 초전도 장치의 형성 방법.
제1항에 있어서, 상기 초전도층은 산화물 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 초전도 장치의 형성 방법.
제1항에 있어서, 상기 이온 주입 단계는 알루미늄 이온을 주입하는 것을 특징으로 하는 초전도 장치의 형성 방법.
제1항에 있어서, 상기 이온 주입 단계는 100KeV와 200KeV 사이의 이온빔 세기를 가진 이온 주입 장치를 이용하는 것을 특징으로 하는 초전도 장치의 형성 방법.
제1항에 있어서, 상기 이온 주입 단계 이전에 상기 초전도층 상에 보호층을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 초전도 장치의 형성 방법.
제5항에 있어서, 상기 보호층은 개구부를 형성하고 상기 화학적 에칭 단계는 상기 형성된 개구부를 통하여 상기 초전도층에 용제를 공급하는 것을 특징으로 하는 초전도 장치의 형성 방법.
제1항에 있어서, 상기 초전도 장치는 마이크로구조(microstructure) 장치인 것을 특징으로 하는 초전도 장치의 형성 방법.
제1항에 있어서, 상기 초전도 장치는 나노구조(nanostructure) 장치인 것을 특징으로 하는 초전도 장치의 형성 방법.
제1항에 있어서, 상기 기판 상에 배치된 상기 초전도층 상에 적어도 하나 이상의 부가적인 초전도 박막층을 퇴적시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 초전도 장치의 형성 방법.
제9항에 있어서, 상기 적어도 하나 이상의 부가적인 층들 각각은 상기 이온 주입 단계 전에 마스크에 의해 피복되는 것을 특징으로 하는 초전도 장치의 형성 방법.
제9항에 있어서, 상기 적어도 하나 이상의 부가적인 층들의 상기 이온 주입은 상기 화학적 에칭 단계 이전에 수행되는 것을 특징으로 하는 초전도 장치의 형성 방법.
제1항에 있어서, 상기 초전도 장치는 도파관(waveguide)인 것을 특징으로 하는 초전도 장치의 형성 방법.
제1항에 있어서, 상기 초전도 장치는 무선 주파수 코일을 포함하는 것을 특징으로 하는 초전도 장치의 형성 방법.
제1항에 있어서, 상기 초전도 장치는 볼로미터(bolometer)인 것을 특징으로 하는 초전도 장치의 형성 방법.
초전도 장치에 있어서,

기판 재료; 및

상기 기판 재료 상에 배치된 박막 초전도층을 포함하며,

상기 초전도층의 선택된 부분들에 대해 이온 주입하고 후속하여 상기 장치를 화학적으로 에칭하여 상기 선택된 부분들을 제거한

것을 특징으로 하는 초전도 장치.
제15항에 있어서, 상기 초전도 장치는 도파관인 것을 특징으로 하는 초전도 장치.
제15항에 있어서, 상기 초전도 장치는 무선 주파수 코일인 것을 특징으로 하는 초전도 장치.
제15항에 있어서, 상기 초전도 장치는 볼로미터인 것을 특징으로 하는 초전도 장치.
제15항에 있어서, 상기 초전도층은 산화물 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 초전도 장치.
제15항에 있어서, 상기 초전도층 상에 형성된 보호층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 초전도 장치.
제20항에 있어서, 상기 보호층은 상기 이온 주입을 저지하지 않는 것을 특징으로 하는 초전도 장치.
제20항에 있어서, 상기 보호층은 상기 이온 주입을 저지하는 것을 특징으로 하는 초전도 장치.
제15항에 있어서, 적어도 하나 이상의 부가적인 초전도층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 초전도 장치.
제23항에 있어서, 상기 적어도 하나 이상의 부가적인 층들 각각은 제거된 선택된 부분들을 포함하는 것을 특징으로 하는 초전도 장치.
제23항에 있어서, 상기 각각의 부가적인 초전도층들 상에 보호층이 형성되는 것을 특징으로 하는 초전도 장치.
제15항에 있어서, 상기 초전도층은 고온 초전도 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 초전도 장치.