KR20030082289A - 초전도 조셉슨 접합 소자 및 그의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 초전도 조셉슨 접합 소자 및 그의 제조 방법에 관한 것이다. 이와 같은 본 발명에 따른 초전도 조셉슨 접합 제조 방법은 기판 위에 실리콘을 형성하는 단계와, 상기 실리콘 위에 포토레지시트를 입히고, 패터닝하는 단계와, 상기 패터닝된 포토레지스트에 산소분위기에서 플라즈마를 발생시켜, 이 포토레지스트를 모두 식각하여, 상기 실리콘을 쐐기 모양으로 식각하는 단계와, 상기 쐐기 모양의 실리콘위에 보호막 및 전극을 차례로 형성하는 단계로 이루어진다.

Description

초전도 조셉슨 접합 소자 및 그의 제조 방법{superconductor josephson junction divice and method for manufacturing the same}

본 발명은 초전도체에 관한 것으로, 특히 초전도 조셉슨 접합 소자 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 초전도체는 완전도체성질, 완전반자성성질 그리고 조셉슨 현상을 가진 물질로서, 수십 년 전부터 주목을 받아왔으나 초전도현상이 시작되는 임계온도가 4k 정도의 극저온이어서 산업화의 길은 요원한 것으로 인식되었다.

그러나, 1986년 산화물 고온초전도체가 발견된 이후, 값싼 액체질소를 이용하여 충분히 임계온도 이하로 냉각시킬 수 있게 되면서 초전도 현상을 이용한 응용 연구가 산업화에 적용될 수 있을 것이라는 예상이 나오면서, 고온초전도체를 이용한 다양한 소자 제작이 활발히 전개되었다.

또한, 고온초전도체는 간섭길이(coherence length)가 짧고, 이방성이 커서 조셉슨 접합을 제작하는 것이 대단히 어렵다. 따라서, 저온초전도체에서 사용되던 부도체 절연막을 이용한 샌드위치 접합의 제작에는 아무도 성공하지 못하고 있다.

샌드위치 접합이 성공하기만 한다면 제작의 간편성, 재현성 측면에 우수한 결과를 기대할 수 있다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 종래 기술에 따른 조셉슨 접합 제조 방법을 서명하기로 한다.

도 1은 종래의 다양한 조셉슨 접합 제조 방법을 나타낸 도면이다.

도 1에 도시된 바와 같이 도 1은 학계에 발표된 조셉슨 접합 제조 방법들이며, 현재 학계에 발표된 자료에 따르면, 도 1의 (b)와 같이 GB(Grain Boundary) 접합이나, 에지 지오메트리(edge geometry)를 이용한 SNS(초전도-상전도-초전도), S-artificial interface-S, S-resonant 터널링 베리어-S 접합 등 다양한 시도를 하고 있다.

그러나 인공적으로 결정립계(GB)를 형성한 조셉슨 접합(바이크리스탈의 경우)의 경우에는 특수한 형태의 기판을 사용해야 하므로 제작비용이 높고, 기판상에 형성된 경계면에만 접합제작이 가능하므로 임의의 위치에 임의의 수의 접합 제작이 불가능하며, 경계면을 지나는 배선은 무조건 약결합형이 되는 문제가 있다.

그리고, 바이에피택시 방법의 경우에는 공정이 복잡하며, 바이 에픽택시 및 스탭엣지의 경우는 재현성이 낮고 접합의 특성 조절이 불가능하다.

또한 손상된 약결합형 구조의 조셉슨 접합의 경우에는 손상된 부분의 초전도체로의 복귀가 불가능하고, 고가의 장비가 필요하고, 재현성이 낮으며 그 위에 다층박막 제작이 어렵고 접합을 하나씩 제작해야 하므로 수율이 낮은 문제점이 있다.

이와 같은 다양한 방법으로 조셉슨 접합 공정을 시도하고 있지만, 상기 방법들은 공통적으로 두 가지 난제가 있다.

첫째는 초전도 박막과 초전도 박막 사이에 베리어 역할을 할 수 있는 얇은 박막이나 구조가 있어야 하는데, 초전도체는 간섭길이가 짧고 이방성이 커서 이러한 구조를 만드는 것이 어렵다.

즉, 짧은 간섭길이 때문에 베리어가 수 nm 수준으로 얇아야 하지만, 이를 정교하게 제어하면서 재현성있게 제작하기는 쉽지 않다.

또 다른 문제는 초전도체는 습기 및 기타 화학적인 오염으로부터 매우 취약한 물질이고, 열에도 민감하여, 박막을 증착한 수 또다른 박막을 증착하거나 복잡한 리쏘그라피 공정을 거칠 경우, 박막의 오염, 열화 및 제작상의 복잡함으로 인하여 조셉슨 접합 특성이 저하될 뿐만 아니라 재현성 및 생산성이 나빠지는 단점이 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 이상에서 언급한 종래 기술의 문제점을 감안하여 안출한 것으로서, 초전도 박막의 접합 특성을 향상시키고, 재현성을 높이는 초전도 조셉슨 접합 소자 및 제조 방법을 제공하기 위한 것이다.

도 1은 종래의 다양한 조셉슨 접합 소자 제조 방법을 나타낸 도면

도 2는 본 발명에 따른 초전도 조셉슨 접합 소자를 나타낸 도면

도 3은 본 발명에 따른 초전도 조셉슨 접합 소자 제조 공정을 순차적으로 보여주는 단면도

도 4는 본 발명에 따른 초전도 조셉슨 접합 소자의 전류-전압 특성과 샤피로 스텝을 보여주는 그래프

도 5는 본 발명에 따른 초전도 조셉슨 접합 소자의 프라운호퍼(fraunhoffer) 패턴을 보여주는 그래프

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

10 : 기판 11 : 실리콘막

12 : 포토레시스트 13 : 초전도 박막

14 : 보호막 15 : 골드 패드

이상과 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구조 특징에 따르면, 초전도 박막과, 상기 초전도 박막으로 덮여 있고, 이 초전도 박막보다 저항이 큰, 쐐기 모양의 구조물과, 상기 초전도 박막 위에 형성되어 이 초전도 박막에 전류를 인가하는 전극으로 구성된다.

이상과 같은 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 특징에 따르면, 기판 위에 실리콘을 형성하는 단계와, 상기 실리콘 위에 포토레지시트을 입히고, 패터닝하는 단계와, 상기 패터닝된 포토레지스트에 산소분위기에서 플라즈마를 발생시켜, 이 포토레지스트를 모두 식각하여, 상기 실리콘을 쐐기 모양으로 식각하는 단계와, 상기 쐐기 모양의 실리콘위에 보호막 및 전극을 차례로 형성하는 단계로 이루어진다.

바람직하게, 상기 쐐기 모양의 실리콘은 상기 포토레지스트가 상기 실리콘막을 덮고 있는 면적이 점차적으로 감소하므로 실리콘막이 경사지게 식각 된다.

이하 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 구성 및 작용을 첨부된 도면을 참조하여 설명한다.

먼저 본 발명은 조셉슨 접합에 필수적인 베리어(barrier)층을 초전도 박막이 아닌 다른 박막을 이용하지 않고 기판의 구조를 변형하여 제작한다.

즉 조셉슨 접합의 기본구조인, 초전도체- 베리어층-초전도체의 구조 중 베리어층의 역할을 해 줄 수 있는 구조물을 초전도 박막 증착 전에 구현한 후, 초전도박막을 단 1회 증착 하므로써 간단히 구현하고자 한다.

도 2는 본 발명에 따른 초전도 조셉슨 접합 소자를 보여주는 도면이다.

도 2를 참조하면, 골드 패드를 통하여 고온 초전도 박막에 도달한 전류는 초전도체를 따라 흐르며, 미리 기판에 만들어둔 쐐기 모양의 구조물에 도달한다.

이때 구조물은 초전도 박막에 비하여 저항이 매우 큰 물질로 만든다.

전류는 구조물을 통과할 수 없기 때문에 박막상단에 아주 얇은 부분으로 집중되며, 이 얇은 부분에서는 종래 조셉슨 접합소자의 베리어층 역할을 하게 되어 터널링 현상이 발생하고 접합을 통과한 전류는 다시 초전도 박막을 통해 흐르게 된다.

또한, 종래 기술에서는 베리어층의 두께를 조절하는 것이 재현성이 떨어지며 까다로웠으나, 본 발명의 구조물에서는 증착하는 초전도박막이 두께를 조절하므로써 간단히 실현될 수 있다.

도 3a 내지 도 3f는 본 발명에 따른 조셉슨 접합 소자 제조 공정을 순차적으로 보여주는 단면도이다.

먼저 도 3a와 같이, PECVD 법 또는 LPCVD법을 이용하여 STO 기판(10) 위에 poly-Si막 또는 비정질 실리콘막(11)을 100~500nm 의 두께로 증착 시킨다.

여기서, 상기 기판(10) 위에 증착하는 실리콘(11)막 대신 초전도성을 띄지 않으며 고온 초전도 박막과 반응을 일으키지 않는 LAO, NGO, MgO, YSZ, 사파이어, 실리콘, LSAT 어는 물질이어도 무방하다.

상기 실리콘 박막(11)을 증착시키는 방법은 PLD, sputtering, coevaporation, MBE등 어는 방법이어도 무방하다.

그 다음, 도 3b와 같이 실리콘 박막(11)위에 포토레지스트(12)를 입히고 마스크를 씌워 노광하여 베리어 역할을 할 부분만 남긴다.

그리고, 도 3c와 같이, 상기 포토레지스트(12)위에 상기 실리콘막(11)을 식각하기 위한 가스와 동시에 산소를 흘려주어, 산소분위기에서 플라즈마를 발생시키면, 플라즈마가 상기 포토레지스트(12)의 모서리부터 점차 식각하여 이 포토레지스트(12)가 상기 실리콘막(11)을 덮고 있는 면적이 점차적으로 감소하므로 실리콘막(11)이 경사지게 식각된다.

결국, 포토레지스트는 모두 식각되며, 남은 실리콘막(11)은 쐐기 모양으로 남게된다.

이와 같은 식각 공정을 테이프 식각이라 한다.

이어서, 도 3d와 같이 상기 쐐기 모양의 실리콘막(11)위에 YBCO 초전도 박막(13)을 증착 한다.

상기 YBCO 박막(13)은 기판에 수직방향으로 YBCO 결정구조의 C축이 되도록증착조건을 조절하여야 한다.

이때 증착하는 YBCO 박막(13)의 두께는, 조셉슨 접합의 베리어층의 두께를 조절할 수 있는 중요한 실험 변수이다.

즉, YBCO 박막(13)을 도 3에 도시된 바와 같이 제조한 쐐기 모양의 실리콘 박막(11)의 가장 높은 두께까지 증착하도록 컨트롤하여야 한다.

이때, Si 쐐기(11) 상단에서는 에피택셜 성장이 째져서 결정립계가 형성된 YBCO 영역이 형성된다.

한편, 도 3c처럼 실리콘 쐐기(11)보다 조금 높은 높이로 YBCO 박막(13)을 증착하게 되면 두꺼운 YBCO(13) 영역에서는 C축으로 에피택셜 성장한 YBCO 박막이기 때문에 기판에 평행한 방향으로 초전도 전류가 흐르게 되어, 실리콘 쐐기 상단에 형성된 결정립계가 베리어(barrier) 역할을 하게 되어 조셉슨 접합이 형성된다.

이는 종래의 도 1b에 따른 스텝 에지에서 형성되는 결정립계를 이용하여 조셉슨 접합을 만드는 것과 비슷한 원리로 구성되는 조셉슨 접합이다.

이어서, 상기 YBCO 박막(13)을 외부의 습기와 오염으로부터 보호할 보호막(14)을 증착한다.

상기 보호막층(14)은 10-100nm의 두께로 증착하며, 이 보호막층(14)은 통상적으로 STO 박막을 증착하지만 LAO, NGO, MgO, YSZ, 사파이어, 실리콘, LSAT 박막도 무방하다.

마지막으로 전극으로써, 리프트-오프 법으로 Au(15)를 패턴하면 모든 공정이 끝난다.

상기 Au(15)의 접착력을 좋게 하기 위하여 산소분위기 600도 이하에서 열처리를 한다.

소자가 완성되면, 전선을 전극에 부착하고 임계온도이하에서 측정을 한다.

도 4는 본 발명에 따른 조셉슨 접합 소자 제조 공정을 통한 전류-전압 특성과, 샤피로 스텝을 보여주는 그래프이다.

도 4를 참조하면, 전류-전압 결과는 대략 80μA의 임계전류와 완변한 RSJ 형태의 전류-전압 커브를 얻을 수 있다.

도 5는 본 발명에 따른 조셉슨 접합 소자 제조 공정을 통한 프라운 호퍼 패턴을 보여주는 그래프이다.

도 5를 참조하면, 자기장에 따라서 임계전류값이 변하는 것을 볼 수 있다.

이상의 설명에서와 같이 본 발명은 고온초전도체를 이용한 전자소자제조 시 가장 기본이 되는 조셉슨 접합 소자의 제조에 관한 것으로 다층의 고온초전도체 박막을 증착하여야 하는 공정대신 단일 고온초전도체 박막만으로 조셉슨 접합소자를 만들 수 있으므로, 공정단계가 단순해져서 시간과 경비가 절감되고, 다단계 공정을 거치는 동안 박막이 열화 되거나 오염되어 초전도특성이 악화되는 것을 방지할 수 있기 때문에 접합특성과 초전도 특성이 우수한 박막을 제작할 수 있는 공정을 제한하였다.

또한, 본 발명은 조셉슨 접합 특성과 초전도 특성이 우수한 박막을 제작하고자 할 때, 좀더 복잡한 구조의 다층박막 소자를 제작하고자 할 때도 구조의 단순함으로 인하여 높은 수율을 기대할 수 있다.

이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술 사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다.

따라서, 본 발명의 기술적 범위는 실시예에 기재된 내용으로 한정하는 것이 아니라 특허 청구 범위에 의해서 정해져야 한다.

Claims (3)

1. 초전도 박막과;

   상기 초전도 박막으로 덮여 있고, 이 초전도 박막보다 저항이 큰, 쐐기 모양의 구조물과;

   상기 초전도 박막 위에 형성되어 이 초전도 박막에 전류를 인가하는 전극을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 초전도 조셉슨 접합 소자.
2. 기판 위에 실리콘을 형성하는 단계와;

   상기 실리콘 위에 포토레지시트를 입히고, 패터닝하는 단계와;

   상기 패터닝된 포토레지스트에 산소분위기에서 플라즈마를 발생시켜, 이 포토레지스트를 모두 식각하여, 상기 실리콘을 쐐기 모양으로 식각하는 단계와;

   상기 쐐기 모양의 실리콘위에 보호막 및 전극을 차례로 형성하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 초전도 조셉슨 접합 소자 제조 방법.
3. 제 2항에 있어서,

   상기 쐐기 모양의 실리콘은 상기 포토레지스트가 상기 실리콘막을 덮고 있는 면적이 점차적으로 감소하므로 실리콘막이 경사지게 식각되는 것을 특징으로 하는 초전도 조셉슨 접합 소자 제조 방법.