WO1990000816A1 - Josephson-element mit oxidkeramischem supraleitermaterial und verfahren zur herstellung des elementes - Google Patents

Josephson-element mit oxidkeramischem supraleitermaterial und verfahren zur herstellung des elementes Download PDF

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Gabriel Daalmans
Bernhard Roas
Hans Eckhardt Hoenig
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • H10N60/124—Josephson-effect devices comprising high-Tc ceramic materials

Definitions

  • the invention relates to a Josephson element with a layered structure on a flat side of a substrate, which element
  • the invention further relates to a method for producing such a Josephson element.
  • a corresponding element with the features mentioned can be found in "Japanese Journal of Applied Physics", vol. 26, no. September 9, 1987, Part 2 - Letters, pages L1443 to L1444.
  • Superconducting metal oxide compounds with high transition temperatures T, in particular above 80 K, which can therefore be cooled with liquid nitrogen are generally known.
  • Corresponding metal oxide compounds are based, for example, on a material system of the Mel-Me2-Cu-0 type, the components Mel at least containing a rare earth metal such as Y and Me2 an alkaline earth metal such as Ba. Films or thin layers of these metal oxide compounds are often produced using special vapor deposition or sputtering processes.
  • a polycrystalline or amorphous precursor with the components of the selected material system is generally deposited on a suitable substrate, the oxygen content and thus the desired phase not yet being set exactly. This preliminary product is then converted into the material with the desired superconducting phase by means of heat and oxygen treatment.
  • a Josephson element using such an oxide-ceramic superconductor material is derived from the publication "ap.J.Appl.Phys.” forth.
  • This element contains a base electrode layer made of the same material on a sintered substrate of the Y-Ba-Cu-0 material system.
  • An Nb layer applied to the tunnel barrier layer serves as the counter electrode.
  • a so-called “weak link” configuration is thus formed in a known manner with the tunnel barrier layer, ie a region of weak coupling between the electrode layers (cf., for example, “Proc. IEEE”, Vol. 61, No. 1, Jan. 1973, pages 36 to 45). It turns out, however, that such a Josephson tunnel element at 77 K has to be ascertained for use in active electronic circuits Requirements for sufficient critical current density and low magnetic flux noise can not meet.
  • Films made of oxide-ceramic high-T superconductor material with high critical current densities are known per se. For this purpose, these films must have textured structures. This is because they show a strongly anisotropic behavior of the critical current density (current carrying capacity) as a function of the position of the crystal axes.
  • the production of corresponding YBa 2 Cu, 0 7 films on a single-crystalline SrTiO, substrate is described, for example, in "Physical Review Letters", Vol. 58, No. 25, June 22, 1987, pages 2684 to 2686. Accordingly, the three metallic components of the system (Y, Ba, Cu) are first evaporated from separate evaporation sources in an oxygen atmosphere onto the substrate heated to approximately 400'C.
  • Texture-coated layers with oriented crystals of the desired superconducting high-T phase are then obtained by means of a subsequent treatment with a supply of oxygen at a high temperature of about 900 ° C.
  • the films produced in this way show the aforementioned strong anisotropy of the critical current density.
  • Critical current densities of 10 to 10 A / cm 2 have to be measured perpendicular to the c-axes of the crystals at 77 K, while the critical current density is at least a power of 10 smaller parallel to the c-axis.
  • a target material of the corresponding material system is first evaporated by means of a laser and deposited on a single-crystal SrTiO ⁇ substrate.
  • the laser to be used can be a KrF excimer laser, the wavelength of which is in the UV spectral range and an energy density on the target material of approximately 2 J / cm 2 at Pulse frequency from 3 to 6 Hz possible.
  • the substrate should be heated to 450 ° C (see also "Appl.Phys.Lett.”, Vol. 51, No.
  • the layer obtained in this way is also incorrectly structured with regard to the desired superconducting high-T phase.
  • a subsequent heat treatment at about 900 C in a ⁇ Sauer ⁇ hydrogen atmosphere and followed by slow cooling to obtain single-crystalline then the desired or at least strongly textured film layers of the HS ⁇ estrebten high-Tc phase.
  • the object of the present invention is to design the Josephson element of the type mentioned at the outset such that it can be produced in a relatively simple manner.
  • a method is to be specified with which layers with critical current densities of at least 10 A / cm 2 can be formed reproducibly, without the high-temperature process mentioned being necessary.
  • a substrate which has a texture adapted to the crystal structure dimensions of the superconducting phase of the oxide-ceramic superconductor material, that the electrode layers are by means of a correspondingly textured distance some are made of insulating material, a step of predetermined step height having step edges and a connecting surface running therebetween being formed such that the electrode layers and the area of weak coupling are formed from the oxide ceramic superconductor material extending over the step with the same ordered crystal structure, whereby the area of weak coupling extends along the connecting surface between the step edges and has an extent perpendicular to the planes of less than 100 nm, and that the electrode layers have a critical current density in the direction of the planes which is at least 10 times greater than in the perpendicular direction to that through the Weak coupling area.
  • the anisotropy of the critical current density of the oxide-ceramic high-T superconductor material is thus used to form a Josephson element. Accordingly, a transition region is formed at the step between two layers of high critical current density in the layer planes, in which the critical current density perpendicular to the direction of expansion of these layers is substantially smaller.
  • the result of this is only a weak coupling between the two layers of high critical current density serving as the base electrode or counterelectrode, so that this transition region represents a "weak link" between these electrode layers.
  • the cross-sectional area of this area of weak coupling to be measured parallel to the planes of the electrode layers can of course only be so large that the desired “weak link” function is guaranteed.
  • Such a Josephson element can advantageously be the desired one
  • the Josephson according to the invention can be particularly advantageously Manufacture element by first applying a shadow mask with a hole structure adapted to the step to be formed and the element to be produced in a lithography process on the substrate and by depositing the layers of the element by oblique vapor deposition with uninterrupted vacuum conditions .
  • a target material made of an oxide ceramic of the superconductor material is advantageously vaporized by means of a pulsed laser, the wavelength of which lies in the ultraviolet spectral range, simultaneously with a heat treatment and oxygen treatment.
  • the advantages associated with these process steps are to be seen in particular in the fact that the desired superconducting phase can be crystallized virtually “in situ” and that subsequent formation of this phase by a special annealing step at high temperatures is therefore no longer necessary.
  • Higher substrate temperatures and activated oxygen on the substrate are necessary for the in-situ crystallization according to the invention.
  • a laser with a sufficiently high pulse energy can advantageously be used to activate the oxygen.
  • the molecular oxygen of the intended atmosphere is then activated by interaction with the UV laser radiation directly on the heated substrate with each pulse.
  • the amount of oxygen radicals generated in this way and the high substrate temperature are sufficient to epitaxially grow an approximately 1 nm thick layer with each pulse.
  • the high growth rates that can be achieved at conventional pulse frequencies ensure a short treatment time and low contamination of the layers.
  • FIG. 1 illustrates a method for producing a Josephson element.
  • FIG. 3 shows an apparatus for carrying out a manufacturing process. Parts that correspond in the figures are provided with the same reference symbols.
  • the Josephson element according to the invention is to be formed from a known superconducting high-T material on a predetermined substrate.
  • a material from the material system Mel-Me2-Cu-0 is selected as an exemplary embodiment.
  • Mel and Me2 can in particular be an element from the group of rare earth metals such as Y or an element from the group of alkaline earth metals such as Ba. In addition to Y and Ba, materials suitable for Mel and Me2 are generally known. If appropriate, Mel and Me2 are also alloys or compounds or other compositions of these metals with substitution materials; that is, at least one of the elements mentioned can be partially substituted by another element in a known manner.
  • the Cu or the 0 can also be exchanged, at least partially, for other elements.
  • the Josephson element according to the invention and the method for its production are not only limited to the material system mentioned; that is, other oxide ceramic, metallic components and oxygen-containing high-T superconductor materials are also suitable, which are not attributable to the system mentioned.
  • Corresponding materials are, for example, from "Superconductivity News", Vol. 1, No. 9, March 18, 1988, pages 1 to 5 and 13 to 16 are known.
  • the electrode layers of the Josephson tunnel element to be produced should have a high current carrying capacity in the order of magnitude of at least 10 A / cm z in the vicinity of the transition temperature T of the material enable. Also particularly advantageous are those materials whose transition temperature is significantly above the vaporization temperature of the liquid nitrogen of about 77 K.
  • the substrate to be selected materials are advantageously those having a structure with dimensions of their unit cells of the axes of the grown on them structures constitute at least about the one or more times the ent speaking dimensions of the sup r ra réelleden high-Tc material .
  • a single-crystalline or at least appropriately textured SrTiO- z - or (Ba, Sr) TiO ⁇ substrate is particularly advantageous.
  • other materials such as MgO, Al2O, Y-stabilized Zr0 2 or Ta 2 0 5 are also suitable.
  • the Josephson element according to the invention is not necessarily limited to such single-crystalline or textured substrates.
  • polycrystalline substrates such as, for example, polycrystalline SrTiO applied on a suitable support can also be provided.
  • the formation according to the invention of at least one Josephson element with a superconducting material of the known composition YBa 2 Cu 3 0 7 _ ⁇ with an orthorhombic structure on a single-crystal SrTiO, substrate is used as a basis.
  • a structure is provided which is shown schematically as a cross section in FIG. 1:
  • a special shadow mask technique which is referred to as a floating mask technique, is advantageously used to produce the at least one Josephson element.
  • a floating mask technique is generally known (cf. for example DE-PS 31 28 982 or the publication “SQUID '80 - Supercon- ducting quantum interference devices and their applications ", Berlin 1980, pages 399 to 415).
  • a suspension corresponding to the desired substrate structure and the intended Josephson element structure is applied to the substrate 2 with a texture indicated by lines 2a ⁇ mask 3.
  • This floating mask which consists, for example, of SiO, has a self-supporting film bridge 3a which hovers above the substrate at a height h of a few micrometers and has a span w of about 1 ⁇ m.
  • the height H of the steps or the base is to be selected as a function of the thickness of the high-T superconductor material to be applied and can thus be, for example, below 100 nm. It determines the distance between two parallel planes E1 and E2 in which the electrode layers of the Josephine element to be produced are to be arranged.
  • the base 7 can therefore be regarded as a spacing part between these planes, which also defines the spacing of the two electrode layers.
  • the correspondingly etched state of the substrate 3 is illustrated in the figure. From the step 9 in the figure, the step edges are designated by K1 and K2 and the lateral connecting surface extending between these edges by 12.
  • a layer 10 is then applied to the heated substrate 2 evaporated obliquely from the oxide ceramic high-T superconductor material.
  • a laser is advantageously used to generate a corresponding steam jet 11, which enables a sufficient energy density and pulse energy. It can be achieved that the high T material grows epitaxially or at least textured on the substrate surface 5.
  • the steam jet 11 strikes the substrate surface 5 at an evaporation angle ⁇ s of approximately 45 "relative to the normal on this surface, so that the layer 10 extends beyond the step 9.
  • the layer thickness d of the layer 10 must be smaller than the step height H.
  • the layer 10 has two layer parts 10a and 10b lying in the different parallel planes E1 and E2, these layer parts should represent the base electrode or the counter electrode of a Josephson element, between these layer parts 10a and 10b extends along the connecting surface 12 between the edges K1 and K2 of the stage 9, a layer region 13 which has the function of the weak coupling typical of a Josephson element.
  • the layer parts 10a and 10b serving as electrodes must ensure a high current density in the direction of the layer planes E1 or E2.
  • the layer parts are textured such that the c-axes of the crystal structure of their superconductor material, in the direction of which the critical current density is at least 10 times smaller than in the direction of the planes E1 or E2, are perpendicular to the substrate surface 5. These axes are indicated in the figure by individual arrowed lines 14.
  • the layer area 13 is also textured in accordance with the two layer parts 10a and 10b.
  • the thickness d of each layer part 10a, 10b is correlated with the distance (step height H) between the levels E1 and E2.
  • the layer part 10a serving as the base electrode must have a thickness d which is below the step height H.
  • the difference H - d which is the perpendicular to the levels to be measured height h 1 of the layer area 13 and thus corresponds to the effective step height, are below 100 nm.
  • This value is one of the prerequisites for ensuring that the weak coupling required between the layer parts 10a and 10b serving as electrodes is to be ensured.
  • the maximum cross-sectional area q of the area 13 to be measured perpendicular to its height h 1 must also be dimensioned such that the "weak link" function typical of a Josephson element is achieved. In general, q is therefore below 10 ⁇ m 2 .
  • Corresponding dimensions of the layer area 13 can easily be achieved in a deposition process of the layer 10 on the stepped substrate 2. Because of the layer-like anisotropy in the superconductor material, a region of weak coupling can be formed between the layer parts 10a and 10b which serve as superconducting electrodes and which represents a "weak link". In this area with the specified dimensions, a current must then deflect in the unfavorable c-direction in order to pass from one electrode to the other.
  • the Josephson element thus produced still has to be contacted with connecting conductors 16 and 17, the required high critical current densities also having to be ensured in the contact area.
  • the substrate 2 with its floating mask 3 and the deposited Josephson element 15 is rotated in such a way that an angle of incidence or vapor deposition (-o () of a steam jet 11 'of the superconducting material of approximately 45 ° is obtained
  • Deposition conditions as for layer 10 can thus epitaxially grow a second layer 18 made of the superconductor material without interrupting the vacuum conditions, although the thickness D of this layer must be chosen greater than the step height H. In this way it is achieved that Level 8 area corresponds to the formation of an area with only weak coupling chend area 13 is avoided.
  • step 9 of the Josephson element 15 is achieved by structuring the substrate 2 accordingly to form a base 7 as a spacer.
  • An exemplary embodiment of this is indicated as a detail in FIG. 2, for which a representation corresponding to FIG. 1 has been selected. Process steps for the production of a Josephson element 19 according to the description of FIG. 1 are not to be explained in detail.
  • a layer 21 serving as a base electrode is first applied to a flat substrate 20 by oblique vapor deposition.
  • a further layer 22 is then deposited on this layer 21 by vertical vapor deposition outside the area shaded by the suspension bridge 3a with a thickness which corresponds to the height h 1 according to FIG.
  • insulating material which, with the vapor deposition technique chosen for the superconducting layer, also obtains a texture which is adapted to the crystal structure of the oxide-ceramic superconductor material
  • a suitable material being, for example, SrTiO or a PrBaCu oxide
  • Suspension bridge 3a thus forms a step 9 corresponding to Figure 1 of the insulating layer 22 serving as a spacer, and then a layer 23 serving as counterelectrode and made of the oxide-ceramic superconductor material is vapor-deposited onto the structure obtained in this way the material also extends beyond step 9.
  • ei is oC ⁇ oC.
  • a layer area 13 with a predetermined maximum cross-sectional area q can then be formed at step 9 in accordance with FIG.
  • This layer region 13 between the part of the layer 23 lying in a plane E1 and the layer 21 lying in a plane E1 thus provides the "weak link" function typical of the Josephson element according to the invention due to its predetermined dimensions and its anisotropic crystal structure for sure.
  • the thicknesses d of the layers 21 and 23 are hardly critical. Only the thickness d of the layer 23 must be significantly larger than the effective step height h 1 .
  • FIG. 3 schematically illustrates a cross section through a corresponding separating device, generally designated 25.
  • This separating device contains a vacuum chamber 26 which is to be evacuated to a final pressure on a pump nozzle 27 by means of a corresponding pump, which e.g. is below 10 mbar.
  • a quartz window 29 the quartz window 29
  • Vacuum chamber 26 a laser beam 30 enters the chamber and strikes a target 31 made of the desired high-T superconductor material at an angle ⁇ of, for example, approximately 45 ".
  • the target is fastened to a holder 32 in the center of the chamber, which can be rotated with the aid of a motor via a linkage 33.
  • the vaporized material is emitted perpendicularly to the target surface as a steam jet 11 from the target 31. It strikes a substrate 2 which is located opposite the target Floating 1 mask, but is not shown in Figure 3. It is attached to a substrate carrier 35 which is arranged at an incline such that an evaporation angle of approximately 45 ° with respect to the axis of the steam jet 11 results.
  • This substrate carrier 35 can be heated to a temperature of at least 800 ° C. It is held by a linkage 36, which enables a variation in the distance a between the target 31 and the substrate 2. For example, a distance a can be set between 20 mm and 45 mm.
  • the linkage is also designed to be rotatable in such a way that an evaporation angle ( ⁇ ml) with respect to the steam jet 11 can be set within the vacuum chamber 26.
  • any oxygen partial pressure p (0 2 ) can be regulated in the chamber via a gas inlet 37.
  • a pulsed laser with a wavelength of its radiation which is in the UV spectral range is advantageously provided.
  • the wavelength range of interest here extends from approximately 110 nm to 400 nm.
  • the laser must be able to produce an energy density on the material of the target 31 which is above 3 J / cm 2 .
  • the pulse energy of the laser should be at least 1.5 J / pulse.
  • Its repetition frequency can be, for example, 5 Hz.
  • focusing optics of which only a quartz lens 38 is illustrated in FIG. 2
  • an energy density of a maximum of approximately 7.5 J / cm 2 can be generated by such a laser on the target 26.
  • energy densities of 4 to 5 J / cm 2 are sufficient.
  • this evaporation process must be carried out the substrate 2 are kept at a temperature between 600 ⁇ C and 800 ° C, an oxygen atmosphere between 0.02 mbar and 1 mbar being set in the chamber.
  • An oxygen partial pressure p (0 2 ) between 0.05 mbar and 0.5 mbar has proven to be particularly favorable.
  • the structure obtained in this way is subjected to an additional oxygen treatment in order to carry out a fine adjustment (loading) of oxygen in the crystal structure of the superconducting layers.
  • the oxygen can be supplied as a gas or ion current.
  • This treatment can advantageously be carried out at relatively low temperatures, in particular below 600 ° C. If necessary, even temperatures close to room temperature can be provided.
  • the layers of the Josepshon element according to the invention are produced by means of an evaporation step using a laser, with the heat treatment and the oxygen treatment being carried out simultaneously to form the desired superconducting metal oxide phase.
  • Such a method can be regarded as particularly advantageous. If necessary, however, other methods can also be used which enable the layers to be produced in situ without the need for excessive heat treatments which lead to an undesired interaction of the materials provided for the mask with the selected superconductor material .

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Abstract

Das Josephson-Element mit schichtartigem Aufbau enthält eine Basiselektrodenschicht, eine Gegenelektrodenschicht sowie einen sich dazwischen erstreckenden Bereich schwacher Kopplung. Erfindungsgemäß ist ein texturiertes Substrat (2) vorgesehen und sind die Elektrodenschichten (10a, 10b) mittels eines entsprechenden texturierten Abstandsteiles (Sockel 7) beabstandet, das eine Stufe (9) ausbildet. Die Elektrodenschichten (10a, 10b) und der Bereich (13) schwacher Kopplung sind aus einem sich über die Stufe (9) erstreckenden oxidkeramischen Hoch-Tc-Supraleitermaterial mit gleicher geordneter Kristallstruktur gebildet. Dabei befindet sich der Bereich (13) schwacher Kopplung an der Stufe (9) und hat eine Ausdehnung (h') senkrecht zu den Ebenen (E1, E2) der Elektrodenschichten (10a, 10b) von unter 100 nm. Ein Josephson-Element mit diesen Merkmalen läßt sich besonders vorteilhaft mit Hilfe eines gepulsten Lasers mit einer Wellenlänge im UV-Bereich auf dem Substrat abscheiden, wobei gleichzeitig eine Wärme- und Sauerstoffbehandlung erfolgt.

Description

Josephson-Element mit oxidkeramischem Supraleitermaterial und Verfahren zur Herstellung des Elementes
Die Erfindung bezieht sich auf ein Josephson-Element mit schichtartigem Aufbau auf einer Flachseite eines Substrates, welches Element
- eine als Basiselektrode dienende Schicht aus einem oxidkera¬ mischen Supraleitermaterial mit hoher Sprungtemperatur in einer ersten Ebene, - eine als Gegenelektrode dienende Schicht aus supraleitendem Material in einer weiteren, zu der ersten Ebene parallelen Ebene sowie
- einen zwischen der Basiselektrodenschicht und der Gegenelek- trodenschicht verlaufenden Bereich schwacher Kopplung enthält.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Josephson-Elementes. Ein entsprechendes Element mit den genannten Merkmalen ist aus "Japanese Journal of Applied Physics", Vol. 26, No. 9, September 1987, Part 2 - Letters, Seiten L1443 bis L1444 bekannt.
Supraleitende Metalloxidverbindungen mit hohen Sprungtempera¬ turen T von insbesondere über 80 K, die deshalb mit flüssigem Stickstoff gekühlt werden können, sind allgemein bekannt. Ent¬ sprechende Metalloxidverbindungen basieren beispielsweise auf einem Stoffsystem des Typs Mel-Me2-Cu-0, wobei die Komponenten Mel ein Seltenes Erdmetall wie z.B. Y und Me2 ein Erdalkali¬ metall wie z.B. Ba zumindest enthalten. Filme bzw. dünne Schichten aus diesen Metalloxidverbindungen werden vielfach mit speziellen Bedampfungs- oder Sputterprozessen hergestellt. Hierbei wird im allgemeinen auf einem geeigneten Substrat zu¬ nächst ein polykristallines oder amorphes Vorprodukt mit den Komponenten des gewählten Stoffsystems abgeschieden, wobei der Sauerstoffgehalt und damit die gewünschte Phase noch nicht exakt eingestellt sind. Dieses Vorprodukt wird anschließend mittels einer Wärme- und Sauerstoffbehandlung in das Material mit der gewünschten supraleitenden Phase überführt.
Die so zu erhaltenden supraleitenden Metalloxidphasen, deren Kristallstrukturen ähnlich der eines Perowskites sein können, haben im Falle von YBa2Cu-50-7 mit 0< x "0,5 ein orthorhombi- sche Struktur (vgl. z.B. "Europhysics Letters11, Vol. 3, No. 12, 15.6.1987, Seiten 1301 bis 1307). Ihre Sprungtemperatur Tc liegt bei etwa 90 K. Da die diese supraleitenden Phasen auf- weisenden Materialien den Oxidkeramiken zuzurechnen sind, wer¬ den die entsprechenden Hoch-T -Supraleiter vielfach auch als oxidkeramische Supraleiter bezeichnet.
Ein Josephson-Element unter Verwendung eines solchen oxidkera- mischen Supraleitermaterials geht aus der eingangs genannten Veröffentlichung " ap.J.Appl.Phys." hervor. Dieses Element enthält auf einem gesinterten Substrat des Stoffsystems Y-Ba-Cu-0 eine Basiselektrodenschicht aus demselben Material. Auf dieser Schicht ist eine als Tunnelbarriere wirkende Schicht aus A120, ausgebildet, die von der Basiselektrodenschicht durch eine wenige Nanometer dicke Au-Schutzschicht getrennt ist. Als Gegenelektrode dient eine auf die Tunnelbarrierenschicht aufge¬ brachte Nb-Schicht. Mit der Tunnelbarrierenschicht wird somit in bekannter Weise eine sogenannte "Weak-Link"-Konfiguration ausgebildet, d.h. ein Bereich schwacher Kopplung zwischen den Elektrodenschichten (vgl. z.B. "Proc. IEEE", Vol. 61, No. 1, Jan. 1973, Seiten 36 bis 45). Es zeigt sich jedoch, daß ein derartiges Josephson-Tunnelelement bei 77 K die für einen Einsatz in aktiven elektronischen Schaltungen zu erhebenden Forderungen nach ausreichender kritischer Stromdichte und geringem magnetischen Flußrauschen nicht erfüllen kann.
Filme aus oxidkeramischem Hoch-T -Supraleitermaterial mit hohen kritischen Stromdichten sind an sich bekannt. Diese Filme müssen hierzu texturierte Gefüge aufweisen. Sie zeigen nämlich ein stark anisotropes Verhalten der kritischen Stromdichte (Stromtragfähigkeit) in Abhängigkeit von der Lage der Kri¬ stallachsen. Die Herstellung entsprechender YBa2Cu,07 -Filme auf einem einkristallinen SrTiO,-Substrat ist z.B. in "Physical Review Letters", Vol. 58, No. 25, 22.6.1987, Seiten 2684 bis 2686 beschrieben. Dementsprechend werden zunächst die drei metallischen Komponenten des Systems (Y,Ba,Cu) aus getrennten Verdampfungsquellen in einer Sauerstoffatmosphäre auf das etwa 400'C erhitzte Substrat aufgedampft. Das so erhaltene Vorpro¬ dukt ist noch fehlstrukturiert. Mittels einer sich bei hoher Temperatur von etwa 900βC daran anschließenden Behandlung unter Sauerstoffzufuhr erhält man dann texturierte Schichten mit orientierten Kristallen der gewünschten supraleitenden Hoch-T - Phase. Die so hergestellten Filme zeigen die erwähnte starke Anisotropie der kritischen Stromdichte. So sind senkrecht zu den c-Achsen der Kristalle bei 77 K kritische Stromdichten von 10 bis 10 A/cm2 zu messen, während parallel zur c-Achse die kritische Stromdichte mindestens eine 10er Potenz kleiner ist.
Ein weiteres Verfahren zur Herstellung von einkristallinen YBa^Cu^Oy -Filmen mittels Epitaxie ist aus der Veröffent¬ lichung "Applied Physics Letters", Vol. 51, No. 11, 14.9.1987, Seiten 861 bis 863 bekannt. Hierzu wird zunächst ein Target- material des entsprechenden Stoffsystems mittels eines Lasers verdampft und auf einem einkristallinen SrTiO^-Substrat abge¬ schieden. Der zu verwendende Laser kann ein KrF-Excimer-Laser sein, dessen Wellenlänge im UV-Spektralbereich liegt und eine Energiedichte am Targetmaterial von etwa 2 J/cm2 bei einer Pulsfrequenz von 3 bis 6 Hz ermöglicht. Das Substrat soll hier¬ bei auf 450°C erhitzt sein (vgl. auch "Appl.Phys.Lett.", Vol. 51, No. 8, 24.8.1987, Seiten 619 bis 621). Die so erhaltene Schicht ist hinsichtlich der gewünschten supraleitenden Hoch- T -Phase ebenfalls fehlstrukturiert. Mittels einer sich daran anschließenden Wärmebehandlung bei etwa 900βC in einer Sauer¬ stoffatmosphäre und anschließender langsamer Abkühlung erhält man dann die gewünschten einkristallinen oder zumindest stark texturierten Filmschichten der ang ~estrebten Hoch-Tc-Phase.
Bei diesen bekannten Verfahren werden die die gewünschte Kri¬ stallisation erst gewährleistenden Nachbehandlungsschritte als notwendige Voraussetzung zur Erreichung der angestrebten hohen kritischen Stromdichten angesehen. Der Aufwand zur Herstellung entsprechender Schichten ist jedoch erheblich.
Außerdem ist die bei dem Hochtemperaturprozeß ablaufende Rekri¬ stallisation schwierig zu kontrollieren. Darüber hinaus ist eine Interdiffusion zwischen dem Filmmaterial und dem Substrat in vielen Fällen nicht zu vermeiden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, das Josephson- Element der eingangs genannten Art dahingehend auszugestalten, daß es sich auf verhältnismäßig einfache Weise herstellen läßt. Insbesondere soll ein Verfahren angegeben werden, mit dem Schichten mit kritischen Stromdichten von mindestens 10 A/cm2 reproduzierbar auszubilden sind, ohne daß der erwähnte Hoch¬ temperaturprozeß erforderlich wäre.
Diese Aufgabe wird für das Josephson-Element mit den ein- gangs genannten Merkmalen erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein Substrat vorgesehen ist, das eine an die Kristallstruktur¬ abmessungen der supraleitenden Phase des oxidkeramischen Supra¬ leitermaterials angepaßte Textur aufweist, daß die Elektroden¬ schichten mittels eines entsprechend texturierten Abstands- teiles aus isolierendem Material beabstandet sind, wobei eine Stufe vorbestimter Stufenhöhe mit Stufenkanten und einer da¬ zwischen verlaufenden Verbindungsfläche ausgebildet ist, daß die Elektrodenschichten und der Bereich schwacher Kopplung aus dem sich über die Stufe erstreckenden oxidkeramischeπ Supraleitermaterial mit gleicher geordneter Kristallstruktur gebildet sind, wobei sich der Bereich schwacher Kopplung längs der Verbindungsfläche zwischen den Stufenkanten erstreckt und eine Ausdehnung senkrecht zu den Ebenen von unter 100 nm hat, sowie daß die Elektrodenschichten eine kritische Stromdichte in Richtung der Ebenen aufweisen, die mindestens 10 mal größer ist als in senkrechter Richtung dazu durch den Bereich schwacher Kopplung.
Bei der Erfindung wird also die Anisotropie der kritischen Stromdichte des oxidkeramischen Hoch-T -Supraleitermaterials zur Ausbildung eines Josephson-Elementes ausgenutzt. Dem¬ gemäß ist an der Stufe zwischen zwei Schichten hoher kritischer Stromdichte in den Schichtebenen ein Übergangsbereich ausge- bildet, in dem die kritische Stromdichte senkrecht zu der Aus¬ dehnungsrichtung dieser Schichten wesentlich kleiner ist. Die Folge davon ist eine nur schwache Kopplung zwischen den beiden als Basiselektrode bzw. Gegenelektrode dienenden Schichten hoher kritischer Stromdichte, so daß dieser Übergangsbereich quasi ein "Weak Link" zwischen diesen Elektrodenschichten darstellt. Die parallel zu den Ebenen der Elektrodenschichten zu messende Querschnittsfläche dieses Bereiches schwacher Kopp¬ lung kann dabei selbstverständlich nur so groß sein, daß die angestrebte "Weak-Link"-Funktion gewährleistet ist. Ein der- artiges Josephson-Element kann vorteilhaft die angestrebten
Forderungen hinsichtlich kritischer Stromdichte und Rauscharmut erfüllen.
Besonders vorteilhaft läßt sich das erfindungsgemäße Josephson- Element dadurch herstellen, daß zunächst in einem Lithographie¬ prozeß auf dem Substrat eine Lochmaske mit einer der auszubil¬ denden Stufe und dem zu erzeugenden Element angepaßten Loch¬ struktur aufgebracht wird und daß die Schichten des Elementes durch schräges Aufdampfen bei ununterbrochenen Unterdruckver¬ hältnissen abgeschieden werden. Hierbei wird vorteilhaft ein Targetmaterial aus einer Oxidkeramik des Supraleitermaterials mittels eines gepulsten Lasers, dessen Wellenlänge im Ultra- violett-Spektralbereich liegt, gleichzeitig mit einer Wärme- behandlung und Sauerstoffbehandlung verdampft.
Die mit diesen Verfahrensschritten verbundenen Vorteile sind insbesondere darin zu sehen, daß quasi "in situ" eine Kri¬ stallisation der gewünschten supraleitenden Phase zu erreichen ist und deshalb eine nachträgliche Ausbildung dieser Phase durch einen besonderen Glühschritt bei hohen Temperaturen nicht mehr erforderlich wird. Dabei sind für die erfindungsgemäße In-situ-Kristallisation höhere Substrattemperaturen und aktivierter Sauerstoff am Substrat notwendig. Zur Aktivierung des Sauerstoffs kann vorteilhaft ein Laser mit einer hinrei¬ chend hohen Pulsenergie eingesetzt werden. Der molekulare Sauerstoff der vorgesehenen Atmosphäre wird dann durch Wech¬ selwirkung mit der UV-Laserstrahlung direkt an dem geheizten Substrat mit jedem Puls aktiviert. Die so erzeugte Menge an Sauerstoffradikalen und die hohe Substrattemperatur reichen aus, um bei jedem Puls eine etwa 1 nm dicke Schicht epitaktisch aufwachsen zu lassen. Die bei üblichen Pulsfrequenzen so er¬ reichbaren hohen Aufwachsraten gewährleisten eine geringe Be- da pfungsdauer und eine geringe Verunreinigung der Schichten.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Josepshon- Elementes sowie des Verfahrens zu seiner Herstellung gehen aus den jeweils abhängigen Ansprüchen hervor. Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird nachfolgend auf die schematische Zeichnung Bezug genommen, in deren Figur 1 ein Verfahren zur Herstellung eines Josephson-Elemeπtes veran¬ schaulicht ist. Aus Figur 2 geht eine weitere Ausbildungsmög- lichkeit eines erfindungsgemäßen Josephson-Elementes hervor. Figur 3 zeigt eine Vorrichtung zur Durchführung eines Her¬ stellungsverfahrens. In den Figuren übereinstimmende Teile sind mit denselben Bezugszeichen versehen.
Das erfindungsgemäße Josephson-Element soll aus einem bekannten supraleitenden Hoch-T -Material auf einem vorbestimmten Sub¬ strat ausgebildet sein. Als Ausführungsbeispiel sei ein Ma¬ terial aus dem Stoffsystem Mel-Me2-Cu-0 ausgewählt. Dabei können Mel und Me2 insbesondere ein Element aus der Gruppe der Seltenen Erdmetalle wie z.B. Y bzw. ein Element aus der Gruppe der Erdalkalimetalle wie z.B. Ba sein. Neben Y und Ba für Mel bzw. Me2 geeignete Materialien sind allgemein bekannt. Ge¬ gebenenfalls sind Mel und Me2 auch Legierungen oder Verbin¬ dungen oder sonstige Zusammensetzungen dieser Metalle mit Sub- stitutionsmaterialien; d.h., mindestens eines der genannten Elemente kann in bekannter Weise partiell durch ein anderes Element substituiert sein. Auch das Cu oder das 0 können zumin¬ dest partiell gegen andere Elemente ausgetauscht werden. Das erfindungsgemäße Josephson-Element und das Verfahren zu seiner Herstellung sind jedoch nicht nur auf das genannte Stoffsystem beschränkt; d.h., es sind ebensogut auch andere oxidkeramische, metallische Komponenten und Sauerstoff enthaltende Hoch-T - Supraleitermaterialien geeignet, die dem genannten System nicht zuzurechnen sind. Entsprechende Materialien sind z.B. aus "Superconductivity News", Vol. 1, No. 9, 18.3.1988, Seiten 1 bis 5 und 13 bis 16 bekannt. Die herzustellenden Elektroden¬ schichten des Josephson-Tunnelelementes sollen dabei eine hohe Stromtragfähigkeit in der Größenordnung von mindestens 10 A/cmz in der Nähe der Sprungtemperatur T des Materials ermöglichen. Vorteilhaft sind außerdem insbesondere solche Materialien, deren Sprungtemperatur deutlich über der Ver¬ dampfungstemperatur des flüssigen Stickstoffs von etwa 77 K liegen.
Für das Substrat zu wählende Materialien sind vorteilhaft solche, die eine Struktur mit Abmessungen ihrer Einheitszellen haben, die zumindest in etwa das Ein- oder Mehrfache der ent¬ sprechenden Abmessungen der Achsen der auf ihnen aufgewachsenen Strukturen des sup rraleitenden Hoch-Tc-Materials ausmachen. Aus diesem Grunde ist im Falle von YBa^u-zO-, ein einkristallines oder zumindest entsprechend texturiertes SrTiO-z- oder (Ba,Sr)TiO^-Substrat besonders vorteilhaft. Daneben sind ebenso auch andere Werkstoffe wie z.B. MgO, AI2O , Y-stabilisiertes Zr02 oder Ta205 geeignet. Das erfindungsgemäße Josephson-Ele¬ ment ist jedoch nicht unbedingt auf derartige einkristalline ioder texturierte Substrate beschränkt. So können gegebenen¬ falls auch polykristalline Substrate wie z.B. polykristallines, auf einem geeigneten Träger aufgebrachtes SrTiO, vorgesehen werden.
Als ein konkretes Ausführungsbeispiel sei nachfolgend die εr- findungsgemäße Ausbildung mindestens eines Josephson-Elementes mit einem supraleitenden Material der bekannten Zusammensetzung YBa2Cu307_χ mit orthorhombischer Struktur auf einem einkri¬ stallinen SrTiO,-Substrat zugrundegelegt. Hierzu ist ein Aufbau vorgesehen, der in Figur 1 schematisch als Querschnitt veran¬ schaulicht ist:
Zur Herstellung des mindestens einen Josephson-Elementes wird vorteilhaft eine spezielle Lochmasken-Technik angewandt, die als Schwebemasken-Technik bezeichnet wird. Eine derartige Schwebemasken-Technik ist allgemein bekannt (vgl. z.B. DE-PS 31 28 982 oder die Veröffentlichung "SQUID '80 - Supercon- ducting Quantum Interference Devices and their Applications", Berlin 1980, Seiten 399 bis 415). Gemäß dieser bekannten Tech¬ nik wird auf dem Substrat 2 mit einer durch Linien 2a ange¬ deuteten Textur eine der angestrebten Substratstruktur und der vorgesehenen Josephson-Elementstruktur entsprechende Schwebe¬ maske 3 aufgebracht. Diese Schwebemaske, die z.B. aus SiO besteht, weist eine freitragende Filmbrücke 3a auf, die in einer Höhe h von wenigen Mikrometern über dem Substrat schwebt und eine Spannweite w von etwa 1 μm hat. Zur Schaffung einer epitaxiefähigen Substratfläche 5, insbesondere im Bereich unter der Schwebebrücke 3a, werden nun die unbedeckten Teile der Substratfläche 5 z.B. durch Ionenbeschuß unter geeigneten Winkeln von allen Rückständen befreit. Anschließend wird das so vorbereitete Substrat durch etwa senkrechten Ionenbeschuß ange- ätzt, wobei als Projektion der Schwebebrücke 3a in der Sub¬ stratfläche 5 ein Sockel 7 mit zwei Stufen 8 und 9 entsteht. Die Höhe H der Stufen bzw. des Sockels ist dabei in Abhängig¬ keit der Dicke des aufzubringenden Hoch-T -Supraleitermate¬ rials zu wählen und kann so beispielsweise unter 100 nm liegen. Sie bestimmt den Abstand zwischen zwei parallelen Ebenen El und E2, in denen die Elektrodenschichten des herzustellenden Jo¬ sephson-Elementes angeordnet werden sollen. Der Sockel 7 kann deshalb als Abstandsteil zwischen diesen Ebenen angesehen wer¬ den, welches die Beabstandung der beiden Elektrodenschichten mit festlegt. In der Figur ist der entsprechend geätzte Zustand des Substrates 3 veranschaulicht. Von der Stufe 9 sind in der Figur die Stufenkanten mit Kl und K2 und die sich zwischen diesen Kanten erstreckende seitliche Verbindungsfläche mit 12 bezeichnet. Das so strukturierte Substrat einschließlich der auf ihm aufgebrachten Schwebemaske 3 wird dann noch
"in situ", d.h., ohne Unterbrechung der für den Ionenbeschuß vorzusehenden Vakuumbedingungen, unter Sauerstoff geglüht.
Auf das erhitzte Substrat 2 wird anschließend eine Schicht 10 aus dem oxidkeramischen Hoch-T -Supraleitermaterial schräg aufgedampft. Zur Erzeugung eines entsprechenden Dampfstrahles 11 wird vorteilhaft ein Laser eingesetzt, der eine hinreichende Energiedichte und Pulsenergie ermöglicht. Es läßt sich so er- reichen, daß das Hoch-T -Material epitaktisch oder zumindest texturiert auf der Substratfläche 5 aufwächst. Der Dampfstrahl 11 trifft auf die Substratfläche 5 unter einem Aufdampfwinkel <s von etwa 45" gegenüber der Normalen auf dieser Fläche auf, so daß sich die Schicht 10 über die Stufe 9 hinweg erstreckt. Die Schichtdicke d der Schicht 10 muß dabei kleiner als die Stufenhöhe H sein. Somit weist die Schicht 10 zwei in den ver¬ schiedenen parallelen Ebenen El und E2 liegende Schichtteile 10a und 10b auf. Diese Schichtteile sollen dabei die Basis¬ elektrode bzw. die Gegenelektrode eines Josephson-Elementes darstellen. Zwischen diesen Schichtteilen 10a und 10b erstreckt sich längs der Verbindungsfläche 12 zwischen den Kanten Kl und K2 der Stufe 9 ein Schichtbereich 13, dem die Funktion der für ein Josephson-Element typischen schwachen Kopplung zukommt.
Um diese Funktion zu ermöglichen, müssen die als Elektroden dienenden Schichtteile 10a und 10b eine hohe Stromdichte in Richtung der Schichtebenen El bzw. E2 gewährleisten. Hierzu sind die Schichtteile so texturiert, daß die c-Achsen der Kri¬ stallstruktur ihres Supraleitermaterials, in deren Richtung die kritische Stromdichte mindestens 10 mal kleiner als in Richtung der Ebenen El oder E2 ist, senkrecht auf der Substratfläche 5 stehen. Diese Achsen sind in der Figur durch einzelne gepfeilte Linien 14 angedeutet. Auch der Schichtbereich 13 ist entspre¬ chend den beiden Schichtteilen 10a und 10b texturiert. Die Dicke d jedes Schichtteiles 10a, 10b ist dabei mit der Entfer¬ nung (Stufenhöhe H) zwischen den Ebenen El und E2 korrelliert. Auf alle Fälle muß der als Basiselektrode dienende Schichtteil 10a eine Dicke d haben, die unterhalb der Stufenhöhe H liegt. Insbesondere sollte die Differenz H - d, welche der senkrecht zu den Ebenen zu messenden Höhe h1 des Schichtbereiches 13 und somit der effektiven Stufenhöhe entspricht, unter 100 nm liegen. Dieser Wert ist nämlich eine der Voraussetzungen da¬ für, daß die geforderte schwache Kopplung zwischen den als Elektroden dienenden Schichtteilen 10a und 10b zu gewähr¬ leisten ist. Ferner muß auch die senkrecht zu seiner Höhe h1 zu messende maximale Querschnittsfläche q des Bereiches 13 so bemessen sein, daß die für ein Josephson-Element typische "Weak-Link"-Funktion erreicht wird. Im allgemeinen liegt des- halb q unter 10 μm2. Entsprechende Abmessungen des Schichtbe¬ reiches 13 können bei einem Abscheideprozeß der Schicht 10 auf dem gestuften Substrat 2 ohne weiteres realisiert werden. Es läßt sich also wegen der schichtartigen Anisotropie in dem Supraleitermaterial zwischen den als supraleitenden Elektroden dienenden Schichtteilen 10a und 10b ein Bereich schwacher Kopplung ausbilden, der ein "Weak Link" darstellt. In diesem Bereich mit den angegebenen Abmessungen muß dann nämlich ein Strom in die ungünstige c-Richtung ausweichen, um von einer Elektrode zur anderen überzutreten.
Das so hergestellte, allgemein mit 15 bezeichnete Josephson- Element muß noch mit Anschlußleitern 16 und 17 kontaktiert werden, wobei die geforderten hohen kritischen Stromdichten auch im Kontaktbereich zu gewährleisten sind. Hierzu wird das Substrat 2 mit seiner Schwebemaske 3 und dem abgeschiedenen Josephson-Element 15 so gedreht, daß ein Einfalls- bzw. Auf¬ dampfwinkel (-o() eines DampfStrahles 11' des Supraleiterma¬ terials von etwa 45° erhalten wird. Unter den Abscheidebe¬ dingungen wie für die Schicht 10 kann so ohne Unterbrechung der Vakuumbedingungen eine zweite Schicht 18 aus dem Supraleiter¬ material epitaktisch aufwachsen, wobei jedoch die Dicke D dieser Schicht größer gewählt werden muß als die Stufenhöhe H. Auf diese Weise wird erreicht, daß im Bereich der Stufe 8 die Ausbildung eines Bereiches mit nur schwacher Kopplung entspre- chend dem Bereich 13 vermieden wird.
Gemäß Figur 1 wurde davon ausgegangen, daß die Beabstandung der beiden Ebenen El und E2 und die Ausbildung der Stufe 9 des er- findungsgemäßen Josephson-Elementes 15 durch eine entsprechen¬ de Strukturierung des Substrates 2 zu einem Sockel 7 als Ab¬ standsteil erreicht wird. Ebenso ist es jedoch auch möglich, während des Herstellungsprozesses des Josephson-Elementes ein solches Abstandsteil gesondert auszubilden. Ein Ausführungsbei- spiel hierfür ist in Figur 2 als Ausschnitt angedeutet, für den eine Figur 1 entsprechende Darstellung gewählt ist. Dabei sind nicht näher erläuterte Verfahrensschritte zur Herstellung eines Josephson-Elementes 19 entsprechend der Beschreibung zu Figur 1 durchzuführen.
Abweichend von der Ausführungsform nach Figur 1 wird auf einem ebenen Substrat 20 zunächst eine als Basiselektrode dienende Schicht 21 durch schräges Aufdampfen aufgebracht. Danach wird auf dieser Schicht"21 durch senkrechtes Aufdampfen eine weitere Schicht 22 außerhalb des von der Schwebebrücke 3a abgeschatte¬ ten Bereiches mit einer Dicke abgeschieden, die der Höhe h1 gemäß Figur 1 entspricht und deshalb unter 100 nm liegt. Diese Schicht 22 soll dabei aus einem isolierenden Material bestehen, das mit der für die supraleitende Schicht gewählten Aufdampf- technik ebenfalls eine Textur erhält, die der Kristallstruktur des oxidkeramischen Supraleitermaterials angepaßt ist. Ein geeignetes Material ist z.B. SrTiO, oder ein PrBaCu-Oxid. Unter¬ halb des Randes der Schwebebrücke 3a bildet sich somit eine Stufe 9 entsprechend Figur 1 der als Abstandsteil dienenden isolierenden Schicht 22 aus. Anschließend wird auf den so gewonnenen Aufbau eine als Gegenelektrode dienende Schicht 23 aus dem oxidkeramischen Supraleitermaterial aufgedampft. Der Aufdampfwinkel o* ' ist dabei so gewählt, daß sich das Material auch über die Stufe 9 hinweg erstreckt. Hierbei ist oC < oC. Es läßt sich dann an der Stufe 9 entsprechend Figur 1 ein Schichtbεreich 13 mit einer vorbestimmten maximalen Quer¬ schnittsfläche q ausbilden. Dieser Schichtbereich 13 zwischen dem in einer Ebene El liegenden Teil der Schicht 23 und der in einer Ebene El liegenden Schicht 21 stellt somit aufgrund seiner vorbestimmten Abmessungen und seiner anisotropen Kri¬ stallstruktur die für das erfindungsgemäße Josephson-Element typische "Weak-Link"-Funktion sicher. Bei dieser Ausführungs¬ form des Josephson-Elementes 19 sind die Dicken d der Schich- ten 21 und 23 kaum kritisch. Lediglich die Dicke d der Schicht 23 muß deutlich größer als die effektive Stufenhöhe h1 sein.
Um die gewünschte Epitaxie des Hoch-T -Supraleitermaterials z.B. auf der gestuften Substratfläche 5 gemäß Figur 1 oder bei Verwendung eines gestuften Abstandsteiles 22 gemäß Figur 2 zu gewährleisten, wird vorteilhaft ein Laser-Verdampfen einge¬ setzt. Ein entsprechendes Verfahren ist nachfolgend anhand von Figur 3 näher erläutert, wobei eine Ausführungsform eines er¬ findungsgemäßen Josephson-Elementes nach Figur 1 zugrundege- legt ist. In Figur 3 ist schematisch ein Querschnitt durch eine entsprechende, allgemein mit 25 bezeichnete Abscheidevorrich¬ tung veranschaulicht. Diese Abscheidevorrichtung enthält eine Vakuumkammer 26, die an einem Pumpstutzen 27 mittels einer entsprechenden Pumpe auf einen Enddruck zu evakuieren ist, der z.B. unter 10 mbar liegt. Durch ein Quarzfenster 29 der
Vakuumkammer 26 tritt ein Laserstrahl 30 in die Kammer ein und trifft dort unter einem Winkel ß von beispielsweise etwa 45" auf ein Target 31 aus dem gewünschten Hoch-T -Supraleiterma¬ terial. Das Target ist im Zentrum der Kammer an einem Halter 32 befestigt, der mit Hilfe eines Motors über ein Gestänge 33 gedreht werden kann. Aus dem Target 31 wird das verdampfte Material als Dampfstrahl 11 senkrecht zur Targetoberfläche emittiert. Es trifft auf ein Substrat 2, das sich dem Target gegenüber befindet. Das Substrat 2 soll dabei mit einer Schwebe- maske gemäß Figur 1 versehen sein, ist jedoch in Figur 3 nicht näher ausgeführt. Es ist an einem Substratträger 35 befestigt, der so geneigt angeordnet ist, daß sich ein Aufdampfwinkel von etwa 45° gegenüber der Achse des Dampfstrahles 11 ergibt. Dieser Substratträger 35 ist auf eine Temperatur von mindestens 800°C aufheizbar. Er wird von einem Gestänge 36 gehalten, das eine Variation des Abstandes a zwischen dem Target 31 und dem Substrat 2 ermöglicht. So läßt sich z.B. ein Abstand a zwischen 20 mm und 45 mm einstellen. Das Gestänge ist ferner so drehbar ausgestaltet, daß innerhalb der Vakuumkammer 26 ein Aufdampf¬ winkel ( - -ml ) bezüglich des Dampfstrahles 11 eingestellt werden kann. Während des Bedampfens läßt sich in der Kammer ein be¬ liebiger Sauerstoff-Partialdruck p(02) über einen Gaseinlaß 37 regulieren.
Um während des Aufdampfschrittes in-situ die gewünschte supra¬ leitende Hoch-T -Phase des Materials zu erzeugen, wird vor¬ teilhaft ein gepulster Laser mit einer Wellenlänge seiner Strahlung vorgesehen, die im UV-Spektralbereich liegt. Der hier interessierende Wellenlängenbereich erstreckt sich dabei von etwa 110 nm bis 400 nm. Außerdem muß der Laser eine Energie¬ dichte am Material des Targets 31 hervorrufen können, die über 3 J/cm2 liegt. Darüber hinaus sollte die Pulsenergie des Lasers mindestens 1,5 J/Puls betragen. Die genannten Forderungen können insbesondere mit einem an sich bekannten XeCl-Excimer- Laser erfüllt werden, dessen Strahlung eine Wellenlänge X= 308 nm hat (vgl. z.B. "Proc. of SPIE", Vol. 735, 1987, Seiten 50 bis 54). Seine Wiederholungsfrεquenz kann beispiels¬ weise bei 5 Hz liegen. Durch eine Fokussierungsoptik, von der in Figur 2 lediglich eine Quarzlinse 38 veranschaulicht ist, kann von einem derartigen Laser am Target 26 eine Energiedichte erzeugt werden, die maximal etwa 7,5 J/cm2 beträgt. Im allge¬ meinen sind Energiedichten von 4 bis 5 J/cm2 ausreichend. Während des Aufdampfprozesses muß bei diesem Aufdampfverfahren das Substrat 2 auf einer Temperatur zwischen 600βC und 800°C gehalten werden, wobei in der Kammer eine Sauerstoffatmosphäre zwischen 0,02 mbar und 1 mbar eingestellt ist. Ein Sauerstoff- Partialdruck p(02) zwischen 0,05 mbar und 0,5 mbar hat sich als besonders günstig erwiesen.
Vielfach ist es noch vorteilhaft, wenn man den so gewonnenen Aufbau einer zusätzlichen Sauerstoff-Behandlung unterzieht, um hiermit eine Sauerstoff-Feineinstellung (-beladung) in dem Kri- stallgefüge der supraleitenden Schichten vorzunehmen. Dabei kann der Sauerstoff als Gas oder Ionenstrom zugeführt werden. Diese Behandlung kann man vorteilhaft bei verhältnismäßig nied¬ rigen Temperaturen, insbesondere unterhalb von 600°C durch¬ führen. Gegebenenfalls können sogar Temperaturen nahe Raum- temperatur vorgesehen werden.
Gemäß den Ausführungsbeispielen wurde davon ausgegangen, daß die Herstellung der Schichten des erfindungsgemäßen Josepshon- Elementes mittels eines Verdampfungsschrittes unter Einsatz eines Lasers durchgeführt wird, wobei die Wärmebehandlung und die Sauerstoffbehandlung zur Ausbildung der gewünschten supra¬ leitenden Metalloxidphase gleichzeitig erfolgen. Ein der¬ artiges Verfahren ist als besonders vorteilhaft anzusehen. Ge¬ gebenenfalls können jedoch auch andere Verfahren zum Einsatz kommen, die eine In-situ-Herstellung der Schichten ermöglichen, ohne daß dabei zu hohe Temperaturbehandlungen erforderlich wären, die zu einer unerwünschten Wechselwirkung der für die Maske vorgesehenen Materialien mit dem gewählten Supraleiter¬ material führen.

Claims

Patentansprüche
1. Josephson-Element mit schichtartigem Aufbau auf einer
Flachseite eines Substrates, welches Element - eine als Basiselektrode dienende Schicht aus einem oxidkera¬ mischen Supraleitermaterial mit hoher Sprungtemperatur in einer erste Ebene,
- eine als Gegenelektrode dienende Schicht aus supraleitendem Material in einer weiteren, zu der ersten Ebene parallelen Ebene sowie
- einen zwischen der Basiselektrodenschicht und der Gegenelek¬ trodenschicht verlaufenden Bereich schwacher Kopplung enthält, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , a) daß ein Substrat (2, 20) vorgesehen ist, das eine an die Kristallstrukturabmessungen der supraleitenden Phase des oxidkeramischen Supraleitermaterials angepaßte Textur aufweist, b) daß die Elektrodenschichten (10a, 10b; 21, 23) mittels eines entsprechend texturierten Abstandsteiles (Sockel 7;
Schicht 22) aus isolierendem Material beabstandet sind, wo¬ bei eine Stufe (9) vorbestimmter Stufenhδhe (H) mit Stu¬ fenkanten (Kl, K2) und einer dazwischen verlaufenden Ver¬ bindungsfläche (12) ausgebildet ist, c) daß die Elektrodenschichten (10a, 10b; 21, 23) und der
Bereich (13) schwacher Kopplung aus dem sich über die Stufe (9) erstreckenden oxidkeramischen Supraleitermaterial mit gleicher geordneter Kristallstruktur gebildet sind, wobei sich der Bereich (13) schwacher Kopplung längs der Verbin- dungsflache (12) zwischen den Stufenkanten (Kl, K2) er¬ streckt und eine Ausdehnung (h' ) senkrecht zu den Ebenen (El, E2) von unter 100 nm hat, sowie d) daß die Elektrodenschichten (10a, 10b; 21, 23) eine kri- tische Strom.dichte in Richtung der Ebenen (El, E2) auf¬ weisen, die mindestens 10 mal größer ist als in senkrechter Richtung dazu durch den Bereich (13) schwacher Kopplung.
2. Josephson-Element nach Anspruch 1, d a d u r c h g e¬ k e n n z e i c h n e t ,
- daß in das Substrat (2) das Abstandsteil (Sockel 7) mit der Stufe (9) integriert ist,
- daß die Elektrodenschichten (10a, 10b) und der Bereich (13) schwacher Kopplung von einer gemeinsamen, sich über die Stufe
(9) hinweg erstreckenden Schicht (10) aus dem Supraleiter¬ material gebildet sind und
- daß die Basiselektrodenschicht (10b) eine Dicke (d) hat, die kleiner als die Stufenhöhe (H) ist (Figur 1).
3. Josephson-Element nach Anspruch 1, d a d u r c h g e¬ k e n n z e i c h n e t , daß auf der Basiselektrodenschicht (21) das Abstandsteil (Schicht 22) angeordnet ist, und daß die Dicke (d) der Gegenelektrodenschicht (23) größer als die Aus¬ dehnung (h1) des Bereichs (13) schwacher Kopplung ist (Figur 2).
4. Josephson-Element nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Bereich (13) schwacher Kopplung eine parallel zu den Ebenen (El, E2) zu messende maximale Querschnittsfläche (q) aufweist, die höch¬ stens 10 μm2 groß ist.
5. Josephson-Element nach einem der Ansprüche 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Elek¬ trodenschichten (10a, 10b; 21, 23) mit Anschlußleitern (16, 17) aus dem oxidkeramischen Supraleitermaterial verbunden sind. '
6. Josephson-Element nach Anspruch 5, d a d u r c h g e¬ k e n n z e i c h n e t , daß die Anschlußleiter (16, 17) eine den Elektrodenschichten (10a, 10b; 21, 23) entsprechende geordnete Kristallstruktur haben.
7. Josephson-Element nach Anspruch 6, d a d u r c h g e¬ k e n n z e i c h n e t , daß die Anschlußleiter (16, 17) die Elektrodenschichten (10a, 10b; 21, 23) überlappen und zumindest im Überlappungsbereich jeweils eine Dicke (D) haben, die größer als die Ausdehnung (h1) des Bereichs (13) schwacher Kopplung ist.
8. Josephson-Element nach einem der Ansprüche 1 bis 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß für das Substrat (2, 20) ein Material aus der Gruppe SrTi03, A1203, Zr02, MgO vorgesehen ist.
9. Josephson-Element nach einem der Ansprüche 1 bis 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß ein oxid- keramisches Supraleitermaterial auf Basis des Stoffsystems Mel-Me2-Cu-0 vorgesehen ist, wobei die metallischen Komponen¬ ten Mel und Me2 ein Seltenes Erdmetall oder Yttrium bzw. ein Erdalkalimetall zumindest enthalten.
10. Verfahren zur Herstellung mindestens eines Josephson- Elementes nach einem der Ansprüche 1 bis 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß zunächst in einem Litho¬ graphieprozeß auf dem Substrat (2, 20) eine Lochmaske (3) mit der auszubildenden Stufe (8, 9) und dem zu erzeugenden Element (15, 19) angepaßter Lochstruktur aufgebracht wird und daß die Schichten (10; 10a, 10b, 21, 23) des Elementes (15, 19) durch schräges Aufdampfen bei ununterbrochenen Unterdruckver¬ hältnissen abgeschieden werden.
11. Verfahren nach Anspruch 10, d a d u r c h g e k e n n¬ z e i c h n e t , daß das Material eines Targets (31) aus einer Oxidkeramik des Supraleitermaterials mittels eines ge¬ pulsten Lasers, dessen Wellenlänge im Ultraviolett-Bereich liegt, gleichzeitig mit einer Wärmebehandlung und Sauerstoff¬ behandlung verdampft wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11, d a d u r c h g e k e n n¬ z e i c h n e t , daß - eine Energiedichte der Laserstrahlung (30) am Target (31) von über 3 J/cm2,
- eine Pulsenergie des Lasers von mindestens 1,5 J/Puls,
- eine Aufheizung des Substrates (2, 20) auf eine Temperatur zwischen 600βC und 800βC sowie
- eine Atmosphäre mit einem Sauerstoff-Partialdruck (p(02)) zwischen 0,02 mbar und 1 mbar vorgesehen werden.
13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, d a d u r c h g e¬ k e n n z e i c h n e t , daß ein XeCl-Excimer-Laser vorgesehen wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, d a- d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß eine Energie- dichte der Laserstrahlung (30) am Target (31) zwischen 4 und 5 J/cm2 vorgesehen wird.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14, d a- d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß eine
Sauerstoffatmosphäre mit einem Sauerstoff-Partialdruck (p(02)) zwischen 0,05 mbar und 0,5 mbar vorgesehen wird.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 15, d a- d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß nach dem Ver¬ dampfungsschritt eine zusätzliche Sauerstoffbehandlung bei einer Temperatur unterhalb von 600βC vorgenommen wird.
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