KR20040073073A

KR20040073073A - 고온초전도 선천성 조셉슨접합을 이용한 초전도양자간섭소자 제조 방법

Info

Publication number: KR20040073073A
Application number: KR1020030009015A
Authority: KR
Inventors: 이후종; 손영욱; 배종훈; 배명호
Original assignee: 학교법인 포항공과대학교
Priority date: 2003-02-13
Filing date: 2003-02-13
Publication date: 2004-08-19
Also published as: US20050106313A1; US6908771B2; EP1447859A2; KR100513963B1; EP1447859A3; JP4540306B2; JP2004247702A

Abstract

본 발명은 고온 초전도 선천성 조셉슨 접합을 이용한 양자간섭 소자(SQUID)의 제조방법에 관한 것으로서, 고온초전도체의 단결정에서 자연적으로 발생하는 조셉슨 접합 특성을 이용하기 위해 양면벽개(兩面劈開; double-side cleaving) 기법을 이용하여 고온초전도 환상구조(circular shape)를 형성하며 동시에 환상 구조내에 선천성 조셉슨 접합이 포함되도록 하는 것을 특징으로 한다.

Description

고온초전도 선천성 조셉슨접합을 이용한 초전도 양자간섭소자 제조 방법{METHOD FOR FABRICATION OF SUPERCONDUCTING QUANTUM INTERFERENCE DEVICES USING HIGH-TC INTRINSIC JOSEPHSON JUNCTIONS}

본 발명은 고온초전도 선천성 조셉슨 접합을 이용한 초전도 양자간섭소자(Superconducting Quantum Interference Device; SQUID) 제조 방법에 관한 것이다.

일반적으로 알려진 직류(直流; dc) 양자간섭소자(SQUID)는 초전도 환 (superconducting ring)에 조셉슨접합(Josephson junction)이 두 개 삽입된 형태를 지닌다. 이와 같은 SQUID 소자는 극미세한 자장의 변화에 대해 고감도의 전압 출력을 낼 수 있는 장점을 지니고 있다.

직류(dc) SQUID는 일반적으로 사용되는 자기검출용 소자인 자기저항소자(磁氣抵抗素子)와 홀(Hall) 소자 등에 비하여 적어도 1000 내지 10만배 이상 높은 감도로 자장변화를 검출할 수 있으므로 매우 감도가 높은 자력계(magnetometer) 및 자장 구배측정기(magnetic field gradiometer) 등으로 사용될 수 있으며, 소자의 탐지부를 적절히 변화시킴으로써 감도가 탁월한 전압계(voltmeter), 전류계(ammeter), 저항계(resistance meter) 등으로도 사용될 수 있어, 의학, 군사분야, 자원탐사, 기초과학 연구 등에 활용도가 매우 높은 소자이다.

이러한 고감도의 소자 응용을 실현하기 위하여 1986년 고온초전도체의 발견 이후 현재까지 고온초전도 물질을 이용하여 직류(dc) SQUID 소자를 제작하려는 노력이 계속되어 왔다. 그러나 SQUID 소자의 제작에 필수적인 구성요소인 조셉슨 접합을 고온초전도체를 이용하여 인위적으로 제조하는 것은 불가능하다고 알려져 있다. 이는 고온초전도체 물질 표면이 공간에 노출됨과 동시에 표면에서 수 nm에 걸쳐 초전도성이 상실되는 문제점을 지니고 있으며, 또한 초전도 결맞음길이(superconducting coherence length)가 매우 짧아 조셉슨 접합의 특성이 나타나는 데 필수적인 초전도 전자쌍(superconducting electron pairs)의 투과가 불가능하다는 결정적인 문제를 안고 있기 때문이다.

따라서, 고온초전도체를 이용하여 조셉슨접합을 얻기 위한 대안으로 이용되는 것이 입계접합(粒界接合; grain-boundary junction) 등을 이용한 조셉슨 약연접 (弱連接; Josephson weak link)이다. 스텝 에지 (step edge) 기판, 바이-크리스탈 (bi-crystal) 기판, 또는 바이-에피텍셜 (bi-epitaxial) 기판 위에 고온초전도 박막을 성장시킬 때 그 박막에 형성되는 입계접합은 초전도쌍의 전도에 대해 약연접(weak link)으로 작용함으로써 조셉슨 투과접합(Josephson tunnel junction)과 유사한 전도특성을 나타낸다. 그러나 이렇게 하여 제작된 입계접합은 진정한 투과접합이 아니므로 전류 대비 전압 특성에서 이상적인 조셉슨 효과를 보이지 않으며, 또한 열적인 반복 냉각(thermal recycling)에 의해 약연접의 접합 특성이 악화되는 단점을 가지고 있어 이를 이용하여 상용화할 수 있는 정도의 고품질 SQUID를 제조하는 것은 불가능하다.

따라서, 본 발명은 고온 초전도체 선천성 조셉슨접합을 이용하여 이상적인 조셉슨 투과 접합의 효과를 나타낼 뿐 아니라 열적 반복 냉각시에도 특성이 악화되지 않는 고품질의 dc SQUID 소자를 제조할 수 있는 방법을 제공하고자 한다.

도 1은 고온 초전도체 선천성 조셉슨접합을 이용한 직류 초전도 양자간섭소자(dc SQUID)의 동작원리를 설명하는 도면이고,

도 2a 내지 2g는 본 발명에 따른 고온 초전도체 선천성 조셉슨접합을 이용한 dc SQUID 소자의 제작 공정도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호 설명>

10, 20, 20′: 부도체 기판

12, 22 : 단상층

14, 24 : 접착층

15, 25 : 금속층

16′, 16″, 26, 26′, 26″: 조셉슨 접합층

17, 27 : 전류전극

18, 28 : 전압전극

상기 기술적 과제를 달성하기 위해 본 발명은,

a) 제 1 부도체 기판 상에 고온 초전도체 단결정층을 접착하는 단계;

b) 상기 단결정층을 가공하여 제 1 두께를 갖는 단상을 형성한 후 단상의 한쪽 부분을 제 1 두께의 1/2 보다 깊게 제거함으로써, 단상의 한쪽 부분이 제 1 두께의 1/2 이하인 제 2 두께를 갖는 구조의 단상층을 형성하는 단계;

c) 제 2 부도체 기판 상에 접착층을 형성한 후 여기에 b)에서 얻은 단상층을 접착시켜, 제 1 부도체 기판/접착층/단상층/접착층/제 2 부도체 기판의 적층물 구조를 얻는 단계;

d) 상기 적층물로부터 제 1 부도체 기판과 접착층을 분리하여, 단상층의 표면을 노출시킨 후 그 표면에 금속층을 형성하는 단계;

e) 단상층의 제 1 두께를 갖는 부분의 일부와 그 상부 금속층을 제거하여, b) 단계에서 형성된 제 2 두께를 갖는 단상층 부분과 엇갈리는 단차 부위에 선천성 조셉슨 접합이 포함되도록 하는 단계;

f) 금속층이 입혀진 단상층과 금속층이 입혀져 있지 않은 단상층의 전 두께를 따라 가공함으로써 두 개의 조셉슨 접합부위를 포함하는 환형의 단상구조를 얻는 단계; 및

g) 상기 환형의 단상구조에 전류를 인가하기 위한 전류전극 및 환형 단상구조 양단의 전압을 측정하기 위한 전압전극 단자를 형성하는 단계;

를 포함하는 고온 초전도 양자간섭 소자(SQUID)의 제조방법을 제공한다.

이하 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다.

본 발명은 고온초전도체 단결정 내에 선천적으로 형성되는 조셉슨 접합의 층상구조(層狀構造)에 양면벽개(兩面劈開; double-side-cleaving) 기법을 이용하여 원하는 형상의 단상(壇床) 구조를 구성하고, 광묘화(光描畵; photolithography) 또는 전자선묘화(電子線描畵; electron lithography)에 의한 마이크로패터닝과 이온식각을 이용해 고온초전도 환상구조(環狀構造)를 만들며 동시에 환상구조 내에 조셉슨 접합을 포함하게 하는 직류 SQUID 소자의 제작공정에 관한 것이다.

본 발명에서 사용되는 고온초전도체 단결정 내부에는 단결정의 형성과 함께 초전도층 사이에 조셉슨접합이 자연적으로 만들어진다. 이러한 선천성 조셉슨접합은 앞에서 언급한 입계접합과는 달리 단결정의 형성과 함께 자연적으로 만들어지며 원자적으로 완벽한 단결정 구조를 가지는 까닭에, 전류 대비 전압 특성에서 매우 이상적인 비선형적(nonlinear) 조셉슨 투과접합의 특성을 나타냄과 동시에 열적 반복 냉각에 대해 매우 안정된 특성을 보이는 뚜렷한 장점을 가지고 있다. 따라서 이러한 선천성 접합을 적절한 형태로 가공함으로써 SQUID의 제작이 가능하게 된다.

구체적으로 설명하면, 먼저 사용될 단결정을 양면벽개 공정을 이용하여 단상 구조로 준비한 후, 마이크로패터닝과 이온 식각을 이용하여 고온 초전도 환상구조를 형성하고 동시에 환상 구조 내부에 조셉슨 접합을 포함하게 함으로써 고온초전도 dc SQUID 소자를 구성한다.

도 1은 본 발명에 의한 고온초전도체를 이용한 SQUID 소자의 구성 및 작동 원리를 나타내며, 그 작동원리를 설명하면 다음과 같다. 먼저 측정하고자 하는 외부 자기장(H)을 도 1과 같이 SQUID 소자의 기판면과 수직으로 인가하게 된다. 다음으로 자장이 인가된 상태에서 I⁺전극에서 I^-전극으로 전류를 흘려준다. 이 전류는 a점에서 둘로 갈라져 각각Γ ₁ , Γ ₂ 의 길을 따라 상하의 조셉슨 접합층을 통과하여 b점에서 다시 합쳐진다. 이 때Γ ₁ , Γ ₂ 를 흐르는 초전도 전자쌍은 a점에서 갈라져 b점에서 합쳐지는 동안 자기장 하에서의 양자역학적(量子力學的; quantum mechanical) 원리에 의해 서로 다른 위상(位相) 변화를 가지며, 따라서 b 점에서 위상변화에 의한 전자간섭(電子干涉) 현상을 일으킨다. 이는 곧 b 점에서 전자가 발견될 확률의 변화로 나타난다. 이 때 초전도 환에 흘려주는 전류는 두 조셉슨 접합의 임계전류(臨界電流; critical current)의 합보다 약간 크게 함으로써 SQUID가 유한한 전압상태에서 작동되도록 한다. 결과적으로 이러한 전자의 간섭 현상으로 인해 전압전극에서 측정되는 전위차(V)는Γ ₁ , Γ ₂ 로 이루어지는 초전도 환을 통과하는 자속(磁束; magnetic flux)의 크기에 따라 양자자속(量子磁束; flux quantum)의 주기로 변화하는 특성을 나타내게 되어 미세한 자장의 검출이 가능하게 된다. 초전도 환에 인가되는 자속은 외부 자기장에 초전도 환의 넓이를 곱한 양이며 양자자속은 2 x 10^-7gauss·cm²로 매우 작은 값이므로 측정하려는 자장에 대해 초전도 환 양단에서 출력되는 전압의 주기적인 변화를 검출함으로써 외부 자기장의 미세한 변화를 고감도로 감지하는 것이 가능해진다.

본 발명에 의한 SQUID 소자를 제작 공정을 도 2a 내지 2g에 단계별로 나타내었다. 먼저 스피너(spinner)의 회전력을 이용하여 유리, 사파이어 또는 산화마그네슘 등으로 이루어진 부도체 기판(20)에 액상(液狀)의 음성 포토레지스트(negative photoresist)나 폴리이미드(polyimide) 물질을 얇게 입힌다. 이때 스피너의 회전속도는 약 1000-2000 rpm 정도로 한다. 그 위에 Bi₂Sr₂CaCu₂O_8+x(Bi-2212) 고온초전도체 단결정을 접착시킨 후 오븐에 넣고 80-120℃ 정도에서 30-60 분 정도 가열하여 포토레지스트 물질을 굳힘으로써 고온초전도 단결정을 기판에 단단히 고정시킨다. 따라서 도 2a 및 도 2b에 별도로 표시되지는 않았지만 제 1 기판(20)과 고온초전도체 단상 기저부(23) 사이에는 상기 접착물질이 삽입되어 있다. 다음으로 스카치 테입 등의 접착력을 이용해 단결정을 벽개하기 위해 스카치 테입 등을 단결정의 표면에 붙였다 떼어내는 과정을 통해 깨끗한 단결정의 표면이 드러나도록 한다. Bi-2212 단결정은 이방성(異方性)이 매우 크므로 스카치 테입 등에 의해 쉽게 벽개될 수 있다.

다음으로 도 2a와 같이, 광묘화 또는 전자선묘화에 의한 마이크로패터닝과 이온 식각을 이용하여 Bi-2212 단결정의 표면에 약 수십 내지 수백 ㎛²의 면적과 약 30-200 nm 정도의 두께를 지니는 단상(22)을 형상한다. 이온 식각이 끝난 후 묘화에 사용된 고분자 물질인 광묘화용 양성 포토레지스트나 전자선묘화용 PMMA 물질 등은 아세톤과 같은 용제에 담그거나 또는 산소 플라즈마 애싱(ashing)으로 제거한다. 이하에서 이온식각이라 함은 묘화에 사용된 고분자 물질을 제거하는 과정까지 모두 포함한다.

다음으로 도 2b와 같이, 마이크로패터닝과 이온식각을 이용하여 Bi-2212 단상의 한 쪽 부분을 제거하여 단상의 제 1 두께를 제 2 두께로 감소시킨다. 제거하는 깊이는 두께의 반 보다 약간 (수 nm) 깊게 한다. 이와 같은 형상을 얻은 후 반대쪽 면을 형상(形象)하기 위하여, 도 2c와 같이 양면벽개 기법을 이용한다. 즉, 제 1 기판(20)과 같은 재질의 별도의 제 2 기판 (20')에 음성 포토레지스트나 폴리이미드를 도 2a의 공정에서 사용된 것 같은 방법으로 입혀 접착층(24)을 형성한 후 도 2b에서 작업된 단상구조를 붙인다.

이를 도 2a 공정에서 사용된 것과 같은 방법으로 오븐에 넣고 가열하여 음성 포토레지스트나 폴리이미드(24)를 경화시킴으로써 접착면을 단단히 한다. 이후에 두 기판 사이에 물리적인 힘을 가해 그 사이를 벌림으로써 두 기판을 분리하여 처음 사용한 제 1 기판(20) 및 제 1 기판에 부착된 단상의 기저부(23)를 제거한다. 따라서 도 2b까지의 과정에서 얻어진 단상부분이 제 2 기판(20')에 상하가 전도(顚倒)된 상태로 부착된다. 따라서 도 2c 내지 도 2g에 별도로 표시되지는 않았지만 제 2 기판(20')과 고온초전도체 단상(22) 사이에는 상기 접착물질이 삽입되어 있다. 도 2c 내지 도 2g에 표시한 접착층(24)도 상기 과정에서 형성된 것이다. 이 과정에서 단상의 기저부(23)가 완전히 제거되지 않은 상태로 남아있으면 스카치 테입을 이용한 벽개 기법을 이용하여 기저부(23)를 완전히 제거하도록 한다.

다음으로 도 2d와 같이 제 2 기판(20')에 부착되어 드러난 단결정 단상(22) 표면에 금속층(25)을 100-300 nm 정도의 두께로 증착시킨다. 다음 단상(22)의 크기에 맞추어 증착된 금속층(25)을 마이크로패터닝한 후 이온 식각한다. 금속층은반도체 제조기법에서 통상적으로 사용되는 방법으로 증착되며, 그 재료로는 금, 백금 등 산화되지 않는 희토류 금속으로서 단상 표면에 증착되었을 때 단상의 고온초전도 층인 CuO₂층의 산소 도핑(doping) 상태를 변화시키지 않아야 한다.

이상과 같이 얻어지는 형상에 대하여 도 2e와 같이 금속층(25)이 입혀진 단상(22)의 상부에 다시 양성 포토레지스틀 이용하여 마이크로패터닝을 한 후 이온 식각을 이용하여 금속층(25)과 단상(22)의 일부를 제거한다. 이때 Bi-2212 단결정이 제거되는 부분의 깊이를 단상(22)의 제 1 두께의 1/2 보다 수 nm 정도 깊게 함으로써 도 2b의 과정에서 제거한 부분과 엇갈리는 단차(段差) 부위에 수 개 정도의 선천성 조셉슨접합(26)이 포함되도록 한다. 단차 부위의 폭은 약 2-10 ㎛ 정도가 되도록 한다. 이 때 단차 부위에 되도록 적은 수의 선천성 조셉슨접합이 포함되도록 하는 것이 이상적이다.

이후에 마이크로패터닝과 이온 식각을 이용하여 도 2e에서 얻어진 형태를 가진 단상의 전 두께를 따라 도 2f와 같이 가공함으로써 Bi-2212 단상(22)을 환형(ring shape)으로 제조하여, 환형에 조셉슨 접합 부위가 두 부분(26′, 26″)에 위치하는 구조가 형성되도록 한다.

이상과 같은 공정을 통해 환형의 SQUID 소자의 구조를 얻을 수 있으며, 이때 선천적으로 얻어지는 조셉슨 접합(26′, 26″)이 환형구조 안에 남도록 하여 원하는 SQUID 기능을 할 수 있도록 한다. 이와 같이 제작된 SQUID 소자의 작동에 필요한 전극을 인출하기 위해 양성 포토레지스트에 의한 마이크로패터닝을 이용하여 도2g와 같은 모양의 전류전극(27) 및 전압전극(28) 단자를 형상한다. 이어서 금속층을 100-300 nm 정도 증착한 후, 리프트-오프(lift-off) 기법을 이용하여 최종적으로 전극단자들을 형성함으로써 소자를 완성한다.

이 때 초전도 환 내부에 위치하는 조셉슨 접합은 단결정의 형성시 만들어지는 선천성 접합이므로 원자적으로 결함이 없는 이상적인 접합이며 소자의 제조 과정에서는 선천성 접합의 특성은 손상시키지 않으면서 단지 접합이 초전도 환형 내부에 위치되도록 가공만 하였을 뿐이다. 따라서 열적인 반복 냉각에 매우 안정적이며 접합이 표면에서 충분히 깊게 위치하기 때문에 초전도 층이 표면에 드러날 때 나타나는 산소 유실 등과 같은 외적인 요인에 의해 접합의 특성이 악화되지 않는 장점을 지니게 된다. 따라서 본 발명에 의한 기법을 이용하면 고온초전도체를 이용한 조셉슨 접합 제조의 기술적 장애에 의해 발생하는 문제점들을 해결할 수 있으며 향후 SQUID 이외의 여러 능동소자(能動素子; active devices)의 개발에도 널리 응용이 가능하게 될 전망이다.

이상의 과정에서 Bi-2212 고온초전도 단결정을 거의 같은 정도로 이방성이 큰 Tl₂Ba₂Ca₂Cu₃O_10+x(Tl-2223) 등과 같은 고온초전도체 단결정으로 대체하여도 같은 효과를 얻을 수 있다.

이상의 본 발명은 기재된 실시예에 대해서만 자세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 이와 유사한 공정 및 제시된 공정의 조합을 일부 변경하여 다양한 변형 및 수정이 가능함은 발명자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 수정및 변형이 첨부된 특허 청구 범위에 속함은 당연한 것이다

이상과 같이 본 발명에서 고안한 고온초전도체 선천성 조셉슨접합을 이용한 직류(dc) SQUID 소자의 제조 기법에서는 그 제조가 불가능한 인공적인 고온초전도체 조셉슨접합을 이용하는 대신 고온초전도체 단결정에 자연적으로 형성되는 조셉슨접합을 이용하고 있다. 즉 고온초전도체는 단결정에서 자연적으로 발생하는 조셉슨접합의 특성을 이용하여 단결정에 양면벽개 공정을 이용하여 고온초전도 환상구조(circular shape)를 형성하며 동시에 환상 내에 선천성 조셉슨 접합을 포함되게 함으로써 고온초전도 SQUID를 제조하는 것을 가능하게 한다. 따라서 본 제조 기법에서는 양면벽개 공정과 조셉슨접합 삽입공정을 정확히 수행하는 것이 가장 중요하다. 이와 같이 본 발명에서 고안된 조셉슨접합이 두 개 삽입된 형태의 SQUID는 매우 감도가 높은 자력계, 전압계, 전류계, 저항계 및 자장구배측정기 등으로 사용되며, 따라서 뇌파탐지 등을 위한 의학분야 응용, 해저 잠수함 탐지 등을 위한 군사분야 응용, 자원탐사, 미세 자기 및 전기 신호 측정을 위한 기초과학 연구 등에 점차 활용도가 증대되고 있는 첨단소자이다. 이미 70 년대부터 저온초전도 dc SQUID가 상용화되어 활용되어 왔으나 4 K 근처의 극저온 환경 하에서만 작동이 가능한 저온초전도 SQUID 소자에 비해 고온초전도 SQUID 소자는 저온초전도 소자보다 10-20 배 높은 온도영역에서 작동이 가능하게 되어 측정 온도 범위를 확대할 수 있고 그에 따라 액체 질소를 냉매로 사용할 수 있어 소자의 작동 경비를 현저히 감소시킬 수 있는 경제적인 이점을 가지고 있어 매우 활용도가 높은 소자로 인정되고있으며 따라서 고온초전도체 SQUID 소자의 개발은 매우 중요한 의의를 지니게 된다.

Claims

a) 제 1 부도체 기판 상에 고온 초전도체 단결정층을 접착하는 단계;

b) 상기 단결정층을 가공하여 제 1 두께를 갖는 단상을 형성한 후 단상의 한쪽 부분을 제 1 두께의 1/2 보다 깊게 제거함으로써, 단상의 한쪽 부분이 제 1 두께의 1/2 이하인 제 2 두께를 갖는 구조의 단상층을 형성하는 단계;

c) 제 2 부도체 기판 상에 접착층을 형성한 후 여기에 b)에서 얻은 단상층을 접착시켜, 제 1 부도체 기판/접착층/단상층/접착층/제 2 부도체 기판의 적층물 구조를 얻는 단계;

d) 상기 적층물로부터 제 1 부도체 기판을 분리하여, 단상층의 표면을 노출시킨 후 그 표면에 금속층을 형성하는 단계;

e) 단상층의 제 1 두께를 갖는 부분의 일부와 그 상부 금속층을 제거하여, b) 단계에서 형성된 제 2 두께를 갖는 단상층 부분과 엇갈리는 단차 부위에 선천성 조셉슨 접합이 포함되도록 하는 단계;

f) 금속층이 입혀진 단상층과 금속층이 입혀져 있지 않은 단상층의 전 두께를 따라 가공함으로써 두 개의 조셉슨 접합부위를 포함하는 환형의 단상구조를 얻는 단계; 및

g) 상기 환형의 단상구조에 전류를 인가하기 위한 전류전극 및 환형 단상구조 양단의 전압을 측정하기 위한 전압전극 단자를 형성하는 단계

를 포함하는 고온 초전도 양자간섭 소자(SQUID)의 제조방법.
제1항에 있어서, 상기 고온 초전도체 단결정은 비스무스계 또는 탈륨계의 고온초전도체 단결정인 것을 특징으로 하는 방법.
제1항에 있어서, 부도체 기판은 유리, 사파이어 및 산화마그네슘으로부터 선택되는 부도체로 이루어진 것을 특징으로 하는 방법.
제1항에 있어서, 단상층의 제 1 두께는 30-200 nm 인 것을 특징으로 하는 방법.
제1항에 있어서, 상기 b) 단계, e) 단계 및 f) 단계에서 단상층의 제거 및 가공은 마이크로패터닝과 이온식각에 의해 실시되는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항에 있어서, 상기 c) 단계에서 사용된 접착층은 음성 포토레지스트 또는 폴리이미드로 형성되는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항에 있어서, 상기 d) 단계에서 형성되는 금속층의 두께는 100-300nm 인 것을 특징으로 하는 방법.
제1항에 있어서, 상기 e) 단계에서 단차 부위의 폭이 2- 10㎛인 것을 특징으로 하는 방법.
제1항에 있어서, 상기 b) 단계에서 단결정층의 가공 및 상기 d) 단계에서 단상층 표면 노출이 벽개기법에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 방법.