NL9001301A - Werkwijze voor het vervaardigen van een supergeleiderinrichting. - Google Patents

Description

T.n.v. N.V. Philips' Gloeilampenfabrieken te Eindhoven "Werkwijze voor het vervaardigen van een supergeleiderinrichting."

De uitvinding heeft betrekking op een werkwijze voor het vervaardigen van een elektronische inrichting bestaande uit oxidisch supergeleidend materiaal en uit halfgeleidend materiaal, met ten minste een grensvlak tussen een eerste element uit oxidisch supergeleidend materiaal en een tweede element uit halfgeleidend materiaal.

De uitvinding verschaft supergeleiderinrichtingen met een of meer supergeleidende transistoren, bijvoorbeeld stroominjektietransistoren en/of veldeffekttransistoren. De uitvinding kan ook worden toegepast voor het vervaardigen van weerstandsloze geleiderpatronen in halfgeleiderinrichtingen. Oxidische supergeleidende materialen, met een overgangstemperatuur Tc (waarbeneden het materiaal supergeleidend gedrag vertoont) van 90 K en hoger, zijn geschikt voor inrichtingen met een gebruikstemperatuur van bijvoorbeeld 77 K, de temperatuur van vloeibare stikstof.

In de Europese octrooiaanvrage EP-A-327493 is een werkwijze beschreven waarbij op een substraat met een laag halfgeleidend materiaal, silicium, door middel van epitaxiaal groeien een laag uit oxidisch supergeleidend materiaal wordt aangebracht. Hoewel wordt aangeduid dat het wenselijk is om een direct contact tussen de halfgeleidende en de supergeleidende laag te vervaardigen, wordt een tussenlaag aangebracht, welke als buffer tussen de lagen moet optreden. Dit is nodig gebleken omdat voor het vervaardigen van oxidische supergeleidende materialen met een voldoende hoge overgangstemperatuur Tc zulke hoge temperaturen nodig zijn (tot 900°C) dat diffusie van silicium in het supergeleidende materiaal optreedt, waardoor zowel het halfgeleidende als het supergeleidende materiaal voor het doel onbruikbare eigenschappen verkrijgen. In het bijzonder is het moeilijk om in het halfgeleidende materiaal door middel van het proximity effect een superstroom op te wekken, als de grenslaag van het supergeleidende materiaal zelf al niet meer supergeleidend is.

De uitvinding beoogt onder meer een werkwijze te verschaffen waarmee een elektronische inrichting kan worden vervaardigd waarin een oxidisch supergeleidend materiaal en een halfgeleidend materiaal in direct contact met elkaar zijn, waarbij een atomair scherp grensvlak wordt verkregen zonder de noodzaak kristalroosteraanpassing van beide materialen te hebben, zoals dat het geval is bij een heteroepitaxiale overgang. Het is daarbij gewenst dat het oxidische supergeleidende materiaal de goede samenstelling behoudt tot zo dicht mogelijk aan het grensvlak, om welke reden er geen reactie met het halfgeleidende materiaal mag optreden in de vorm van diffusie van bijvoorbeeld silicium naar het supergeleidende materiaal of het ontwijken van zuurstof uit het supergeleidende materiaal. De uitvinding beoogt daartoe een werkwijze te verschaffen die bij lage temperatuur, bij voorkeur bij kamertemperatuur, kan worden uitgevoerd.

Aan deze opgave wordt volgens de uitvinding voldaan door een werkwijze zoals in de aanhef is beschreven, waarbij het grensvlak wordt verkregen door het eerste en tweede element te voorzien van gladde, vlakke en bindingsactieve oppervlakken, welke met elkaar in contact worden gebracht en zich daarbij laten verbinden door middel van wederzijdse aantrekkende krachten. Voor deze spontane verbindingstechniek worden in de literatuur verschillende benamingen gebruikt: Van der Waals verbinden, direktverbinden, verbinden door optisch contact, en aansprengen.

De uitvinding beoogt eveneens een werkwijze te verschaffen voor het vervaardigen van een lichaam uit een oxidisch supergeleidend materiaal met een glad, vlak en bindingsactief oppervlak, dat geschikt is om door middel van wederzijdse aantrekkende krachten te worden verbonden met een tweede lichaam.

Volgens een geschikte uitvoeringsvorm van de werkwijze volgens de uitvinding wordt een laag uit oxidisch supergeleidend materiaal met een glad, vlak en bindingsactief oppervlak vervaardigd door heteroepitaxiaal groeien van het oxidische supergeleidende materiaal.

In het bijzondere geval dat het oxidische supergeleidende materiaal bestaat uit YBa2Cu307_g, waarin δ een waarde heeft van 0.1 tot 0.5, worden goede resultaten verkregen doordat het oxidische supergeleidende materiaal heteroepitaxiaal wordt gegroeid op het (023) vlak van een substraat uit strontiumtitanaat SrTi03.

Volgens een alternatieve werkwijze volgens de uitvinding wordt een laag uit oxidisch supergeleidend materiaal met een glad, vlak en bindingsactief oppervlak vervaardigd uit polykristallijn materiaal door middel van polijsten.

Dunne lagen uit oxidisch supergeleidend materiaal kunnen met verschillende, op zich bekende methoden worden verkregen. Daarbij is in het algemeen een behandeling bij hoge temperatuur noodzakelijk ter verkrijging van de gewenste samenstelling, vooral ten aanzien van de zuurstofhuishouding en de valentie van de metaalatomen, met name koperatomen. Dunne lagen uit het oxidische supergeleidende materiaal YJ^CUjO-^g worden volgens M.Gurvitch et.al., zie Applied Physics Letters 51 (13), bladzijden 1027-1029 (1987), vervaardigd door middel van dc magnetron sputterdepositie onder toepassing van metallische trefplaten in een oxiderende atmosfeer, gevolgd door uitstoken bij hoge temperatuur, bijvoorbeeld 800° tot 900°C. Andere veel toegepaste werkwijzes zijn opdampen, sputteren, moleculaire bundel epitaxie, laserablatie en chemische depositie vanuit de dampfase. C.E.Rice et.al. beschrijven in Applied Physics Letters 52 (21), bladzijden 1828-1830 (1988), een werkwijze voor het vervaardigen van dunne lagen uit Ca-Sr-Bi-Cu oxides door middel van het opdampen van CaF2» SrF2» Bi en Cu, gevolgd door oxidatiestappen bij 725° en 850°C. Veel van de bekende werkwijzen zoals de hiervoor genoemde en ook keramische methoden, leiden tot de vorming van een polykristallijn materiaal zonder grote mechanische sterkte. Dergelijke materialen zijn moeilijk vlak en glad te polijsten. In een geschikte uitvoeringsvorm van de werkwijze volgens de uitvinding wordt het oxidische supergeleidende materiaal gepolijst door middel van op pek polijsten onder uitsluiting van water. Dat laatste is nodig omdat veel van de oxidische supergeleidende materialen hygroscopisch zijn en/of door water worden aangetast.

Een werkwijze voor het epitaxiaal groeien van oxidische supergeleidende materialen is op zich bekend, zie bijvoorbeeld een artikel van P.Chaudhari et.al. in Physical Review Letters 58 (25), bladzijden 2684 tot 2686 (1987).

Een werkwijze voor het vervaardigen van halfgeleidende lagen met een glad, vlak en bindingsactief oppervlak en voor het vervaardigen van verbindingen door middel van wederzijdse aantrekkende krachten is beschreven in de Europese octrooiaanvrage EP-A-209173.

De vervaardiging van supergeleidende transistorelementen (uit niet-oxidisch supergeleidend materiaal) is beschreven in de Europese octrooiaanvragen EP-A-147482 en EP-A-257474.

De uitvinding wordt toegelicht aan de hand van uitvoeringsvoorbeelden en een tekening, waarin

Figuur 1 a-d schematisch een aantal stappen weergeeft van een werkwijze volgens de uitvinding, en waarin

Figuur 2 a-e schematisch een aantal stappen weergeeft van een alternatieve werkwijze volgens de uitvinding.

üitvoerinosvoorbeeld 1.

Figuur 1a toont een substraat 10 dat bestaat uit SrTi03 met daarop een laag 11 die bestaat uit orthorombisch YBa2Cu30y_g, waarin δ een waarde heeft van 0.1 tot 0.3. Het supergeleidende materiaal werd vervaardigd door heteroepitaxiaal groeien, waarbij de roosterconstantes van het (001) vlak van het supergeleidende materiaal blijken te passen op het (023) vlak van het substraat. De werkwijze voor heteroepitaxiaal groeien is beschreven in het eerder genoemde artikel van P.Chaudhari et.al. in Physical Review Letters 58 (25), bladzijden 2684 tot 2686 (1987). Een alternatieve werkwijze bestaat uit sputteren op een strontiumtitanaat substraat bij een argondruk van 0.4 Pa, gevolgd door uitstoken gedurende 30 minuten in zuurstof bij 850°C.

Desgewenst kan het oppervlak van het supergeleidende materiaal worden gepolijst, bijvoorbeeld gedurende 3 minuten volgens de in het volgende uitvoeringsvoorbeeld aangegeven werkwijze met op pek polijsten. Het gladde en vlakke oppervlak van het heteroepitaxiaal gegroeide materiaal kan ook bindingsactief worden gemaakt door zacht polijsten in ethyleenglycol. Zulke werkwijzen zijn beschreven door J.Haisma et.al. in het Japanese Journal of Applied Physics 28 (8), bladzijden 1426 tot 1443 (1989), in het bijzonder op bladzijde 1430.

In het supergeleidende materiaal kunnen op bekende wijze substituties worden toegepast, zonder dat de effectiviteit van de werkwijze volgens de uitvinding daardoor wordt aangetast. Zo kan Y bijvoorbeeld geheel of gedeeltelijk door zeldzame aardmetaalionen worden vervangen, Ba kan worden vervangen door Sr of Ca, en 0 kan gedeeltelijk worden vervangen door F. De uitvinding kan ook worden toegepast met andere oxidische supergeleidende materialen, zoals Ca-Sr-Bi-Cu oxides, waarin Bi gedeeltelijk door Pb kan worden vervangen, (LajSr^CuO^ en cupraten welke naast Tl ook nog Ca en/of Ba bevatten. De roosterkonstanten en snede van het kristal van het substraatmateriaal dient daarbij te worden aangepast aan de roosterkonstanten van het betreffende supergeleidende materiaal.

In de supergeleidende laag 11 wordt een spleet 12 aangebracht met een breedte van ongeveer 0.2 pm en een diepte welke gelijk is aan de dikte van de laag, bijvoorbeeld 2 pra. De spleet werd vervaardigd met een gefocusseerde ionenbundel. Het is ook mogelijk om voor dat doel een elektronenlithografische werkwijze te volgen.

Door middel van wederzijdse aantrekkende krachten wordt de supergeleidende laag 11 verbonden met een lichaam 13 uit silicium met een oppervlak dat bij voorkeur vrij is van een natuurlijke oxidelaag, zie Figuur 1b. Een geschikte werkwijze voor het prepareren van een lichaam uit halfgeleidend materiaal is beschreven in de Europese octrooiaanvrage EP-A-209173. Het oppervlak van het halfgeleiderlichaam kan op bekende wijze zijn voorzien van al dan niet gedoteerde structuren.

In het halfgeleidermateriaal 13 worden openingen 14 geëtst, waarbij ter plaatse van de spleet 12 een dunne laag silicium met een dikte van 0.1 pm achterblijft, welke de elektrische transportlaag in de te vervaardigen veldeffekttransistor zal vormen. Het etsen wordt volgens een op zich bekende werkwijze uitgevoerd met KOH, waarbij preferentieel langs de (111) vlakken wordt geëtst, zie Figuur 1c. Het etsen onder de spleet wordt eerder gestopt dan op de andere plaatsen.

In de openingen 14 worden elektroden aangebracht, zie Figuur 1d, waarbij de elektroden 15 en 16 respectievelijk contact maken met een aanvoerzone (source) en een afvoerzone (drain) van de gevormde veldeffekttransistor. De elektrode 17 is de stuurelektrode (gate), waarmee de stroom door de onderliggende dunne siliciumlaag kan worden gestuurd. De contacten kunnen bijvoorbeeld worden vervaardigd door opdampen of sputteren van een laag zilver met een dikte van 0.1 pm en een laag goud met een dikte van 0.3 pm, gevolgd door uitstoken in zuurstof gedurende 1 uur bij 450°C.

Uitvoeringsvoorbeeld 2.

Y203, Ba02 en CuO poeders werden in stoechiometrische verhouding intensief gemengd in isopropanol en vervolgens uitgestookt bij 850°C gedurende 50 uur. Daarna werd het poeder gemalen in een agaat kogelmolen gedurende 2 uur. De gemiddelde deeltjesgrootte bedroeg 2.6 pm. Het poeder werd gezeefd om agglomeraten groter dan 100 pm te verwijderen. Na vormpersen bij lage druk werd het materiaal gesinterd in zuurstof in de volgende stappen: verhitten met 250 K/h tot 950°C, 2 uur op 950°C, koelen met 100 K/h tot 400°C, 6 uur op 400°C, koelen met 100 K/h tot kamertemperatuur.

Het zo verkregen materiaal heeft een dichtheid van 90 tot 92 % van de theoretische waarde, wat voldoende en tenminste noodzakelijk is om goede verbindingen door middel van wederzijdse aantrekkende krachten te kunnen verkrijgen. Het materiaal is éénfasig met een orthorombische structuur met roosterconstantes a = 0.382 nm, b = 0.388 nm en c = 1.169 nm. De korrelstructuur van het materiaal bestaat uit plaatjes met gemiddelde afmetingen van 2 x 10 x 10 pm. De hoeveelheid zuurstof bedraagt 6.9 atomen per formule-eenheid (δ = 0.1). De overgangstemperatuur Tc bedraagt 90 K.

Het vervaardigde lichaam werd met kit op een vlakke aluminium plaat bevestigd, waarna het oppervlak van het supergeleidermateriaal werd geslepen met siliciumcarbidekorrels in ethyleenglycol, waardoor een vlak en mat oppervlak werd verkregen. Vervolgens werd het oppervlak gepolijst met aluminiumoxidepoeder met een gemiddelde deeltjesgrootte van 0.3 pm in ethyleenglycol. Het mengsel van ethyleenglycol en alumiumoxide had een viscositeit van 19.9 mPa.s bij 20°C. De polijstondergrond bestond uit pek, de rotatiesnelheid van de polijstschijf bedroeg 100 omwentelingen per minuut en de polijstdruk bedroeg tussen 100 en 500 g/cm2. Het na 20 minuten polijsten verkregen oppervlak heeft een vlakheid met afwijkingen van minder dan 1 pm en vertoont een ruwheid van minder dan 0.01 pm.

Opgemerkt wordt dat met de toepassing van een polijstdoek in de plaats van pek geen voldoende glad, vlak en bindingsactief oppervlak kon worden verkregen, om verbinden door middel van wederzijdse aantrekkende krachten te bewerkstelligen.

Figuur 2a toont een lichaam 21 uit het vervaardigde supergeleidende materiaal, met daarin een spleet 22 met een breedte van ongeveer 0.2 pm en een diepte van ongeveer 2 pm.

Een optisch gladde schijf uit monokristallijn silicium werd gepolijst en voorzien van een uiterst dunne, niet te vermijden laag uit siliciumoxide door middel van de volgende behandeling: spoelen gedurende 20 minuten bij 110°C in een 1:1:1 mengsel van zwavelzuur, waterstofperoxide en water, dompelen in een 1 % oplossing van fluorwaterstof in water gedurende 20 seconden, spoelen gedurende 20 minuten in 100 % salpeterzuur, dompelen in een 1 % oplossing van fluorwaterstof in water gedurende 20 seconden, spoelen gedurende 20 minuten bij 90°C in een 1:1:3 mengsel van ammoniak, waterstofperoxide en water, polijsten gedurende 20 seconden met een suspensie van siliciumoxidepoeder met een gemiddelde deeltjesgrootte van 75 tot 100 nm in een oplossing van natriumhydroxide in water, spoelen gedurende 20 minuten in een 65 % oplossing van salpeterzuur in water.

Tussen elk van de genoemde stappen werden gedurende 20 minuten gespoeld in zuiver water. Een alternatieve methode voor het prepareren van het siliciumoppervlak is beschreven door A.Ishizaka et.al. in het Journal of the Electrochemical Society 133 (4), bladzijden 666 tot 671 (1986). De chemische oxidelaag heeft een dikte van 0.5 tot 0.8 nm. Een natuurlijke oxidelaag op silicium heeft een dikte van 1.5 tot 4.0 nm, wat het opwekken van een superstroom door middel van het proximity effect bemoeilijkt.

Vervolgens werden het lichaam 21 uit supergeleidend materiaal en de siliciumschijf 23 tegen elkaar geplaatst en verbinden ze zich door middel van wederzijdse aantrekkende krachten, zie Figuur 2b. Het polykristallijne supergeleidende materiaal wordt dungemaakt door middel van slijpen, tot een dikte van minder dan de diepte van de spleet 22, zie Figuur 2c.

De volgende stappen zijn overeenkomstig het vorige uitvoeringsvoorbeeld. In het halfgeleidermateriaal 23 worden openingen 24 geëtst, waarbij ter plaatse van de spleet 22 een dunne laag silicium met een dikte van 0.1 pm achterblijft, welke een elektrische transportzone vormt, zie Figuur 2d. In de openingen worden elektroden 25 en 26 aangebracht, welke respectievelijk contact maken met een aanvoerzone en een afvoerzone. De elektrode 27 is de stuurelektrode waarmee de stroom door de transportlaag kan worden gestuurd.

Claims (5)

1. Werkwijze voor het vervaardigen van een elektronische inrichting bestaande uit oxidisch supergeleidend materiaal en uit halfgeleidend materiaal, met ten minste een grensvlak tussen een eerste element uit oxidisch supergeleidend materiaal en een tweede element uit halfgeleidend materiaal, met het kenmerk, dat het grensvlak wordt verkregen door het eerste en tweede element te voorzien van gladde, vlakke en bindingsactieve oppervlakken, welke met elkaar in contact worden gebracht en zich daarbij laten verbinden door middel van wederzijdse aantrekkende krachten.

2. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat een laag uit oxidisch supergeleidend materiaal met een glad, vlak en bindingsactief oppervlak wordt vervaardigd door heteroepitaxiaal groeien van het oxidische supergeleidende materiaal.

3. Werkwijze volgens conclusie 2, waarbij het oxidische supergeleidende materiaal bestaat uit Yl^Cu^Oy.g, waarin δ een waarde heeft van 0.1 tot 0.5, met het kenmerk, dat het oxidische supergeleidende materiaal heteroepitaxiaal wordt gegroeid op het (023) vlak van een substraat uit strontiumtitanaat SrTiOj.

4. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat een laag uit oxidisch supergeleidend materiaal met een glad, vlak en bindingsactief oppervlak wordt vervaardigd uit polykristallijn materiaal door middel van polijsten.

5. Werkwijze volgens conclusie 4, met het kenmerk, dat het oxidische supergeleidende materiaal wordt gepolijst door middel van op pek polijsten onder uitsluiting van water.