DD149591A1 - Verfahren zur herstellung supraleitfaehiger mikrobruecken variabler dicke - Google Patents

Abstract

Das Verfahren zur Herstellung supraleitfaehiger Mikrobruecken variabler Dicke verwendet ein Substrat hoher Resistenz gegenueber einem bestimmten Aetzverfahren. Auf dieses Substrat werden nacheinander eine haft- und kratzfeste Hilfsschicht niedriger Resistenz gegenueber dem gleichen Aetzverfahren und eine Schicht aus elektronenstrahlempfindlichem Lack aufgebracht. Nach der Erzeugung einer grabenfoermigen Struktur im Lack erfolgt durch einen anisotropen Aetzprozesz die Uebertragung dieser Struktur in die Hilfsschicht. Danach wird die Lackschicht entfernt, eine supraleitfaehige Schicht auf dem Substrat abgeschieden und mit einem Schnitt quer zur Richtung des Grabens derart durchtrennt, dasz das im Graben befindliche Material die Mikrobruecke bildet. Die Erfindung verbessert die Reproduzierbarkeit des Querschnittes der hergestellten Mikrobruecken dadurch, dasz der den Brueckenquerschnitt bestimmende in die Hilfsschicht strukturierte Graben reproduzierbar erzeugt wird durch Elektronenstrahllithografie und anisotropes selektives Aetzen.Aus der erhoehten Reproduzierbarkeit des Brueckenquerschnittes folgen verbesserte elektrische Parameter des Bauelementes und neue Anwendungsmoeglichkeiten.

Description

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Titel der Erfindung

Verfahren zur Herstellung supraleitfähiger Mikrobrücken variabler Dicke

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur reproduzierbaren Herstellung von supraleitfähigen Mikrobrücken, die jeweils zwei auf einer isolierenden Unterlage befindliche supraleitfähige Flächenstücke verbinden. Derartige supraleitfähige Mikrobrücken sind ein möglicher Typ von sogenannten Josephson-Elenenten, welche durch den Mechanismus einer definiert schwachen Kopplung zweier relativ massiver supraleitender Gebiete in der Lage sind, sehr empfindlich mit magnetischen und elektromagnetischen Feldern Wechsel zu wirken. Diese Erscheinungen, die als de- und ac- Josephson-Effekt bezeichnet werden, sind zum Beispiel im Buch von A.C. Rose-Innes und E.H. Rhoderick, "Introduction to Superconductivity", Oxford (Pergamon) 1969, beschrieben. Aufgrund der genannten Eigenschaften finden solche Josephson-Elemente Anwendung in der Präzisionsmeßtechnik sowie teilweise bereits als Speicher- und Schaltelement in elektronischen Datenverarbeitungsanlagen.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Bekanntgeworden ist eine Vielzahl von Herstellungsverfahren für supraleitfähige Mikrobrücken. Eine mögliche Unterscheidung kann danach vorgenommen werden, ob die Schwach-

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stelle durch eine lokale Änderung der Materialeigenschaften erzeugt wird, etwa durch Ionenimplantation (z.B. Appl. Phys. Lett. ,26, 204 (1975) oder die Verwendung sogenannter Sandwich-Systeme (z.B. US-PS 37 98 511)i oder durch eine lokale Verringerung dea dem Suprastrom zur Verfugung stehenden Querschnittes. Ebenso sind Verfahren bekannt, die auf Korabinationen beider Methoden beruhen. Bei den durch geometrische Einschnürung erzeugten Mikrobrücken dominierten lange Zeit die sogenannten "flachen Dünnschichtbrücken", bei denen zwar die Breite auf einer bestimmten Länge eingeschränkt, die Dicke im Bereich der Brücke aber gleich der Dicke der supraleitenden Schicht außerhalb der Brücke ist. Einige typische Herstellungsverfahren verwenden eine elektronenstrahllithografisch erzeugte Lackmaske, von der die Struktur dann im Abhebeverfahren (z.B. Appl.Phys. Lett. 23 (1973) 407, oder IEEE Transactions Magnetics, Vol. MAG-11, 671 (1975) oder mittels Ionenätzen (z.B. IEEE Transaction Magnetics 'MAG-11 (1975) 782) in die supraleitfähige Schicht übertragen wird. Obwohl diese Verfahren mit einer relativ geringen Zahl von technologischen Schritten bei vertretbarem Aufwand reproduzierbare Strukturen mit Minima!abmessungen kleiner als ein Mikrometer liefern können, ist von entscheidendem Nachteil, daß die damit herstellbaren "flachen" Dünn-Bchichtbrücken, um ein ausgeprägtes Josephsonverhalten in einem hinreichend großen Temperaturbereich zeigen zu können, extrem kleine Lateralabmessungen (etwa 0,2 χ 0,2 pm) besitzen müssen, womit die genannten Verfahren zur Zeit und unter den vorliegenden Bedingungen an der Grenze ihrer Möglichkeit sind.

Für einen anderen Typ von Mikrobrücke, die sogenannte "Brücke variabler Dicke" (B ν D), bei der die lokale Querschnittsverringerung sowohl durch Verkleinerung der Breite als auch der Schichtdicke verursacht wird, konnte theoretisch und experimentell gezeigt werden (z.B. IEEE Transactions on Magnetics, Vol. MAG-13, (1977), 719 u.739),

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daß hier ein wesentlich größerer Arbeitstemperaturbereich und verbesserte Leistungsparameter erreichbar sind, ohne daß solche ExtremaIforderungen an die Lateralstrukturierung gestellt werden müssen·

Bekannt ist ein Verfahren zur Herstellung von Brücken variabler Dicke (IC SQUID Oct.1976, Berlin-West, Conf. Digest, S.26) bei dem zuerst im Abhebeverfahren mit einer elektronenstrahlstrukturierten Lackmaske ein dünner, .„„ ' schmaler später die Brücke bildender supraleitfähiger Streifen auf dem Substrat erzeugt und darauf in einem weiteren Schritt mit einer neuen elektronenstrahlstrukturierten Lackmaske, ebenfalls im Abhebeverfahren, die zur Brücke gehörenden "Ufer" als dicke Schicht aufgedampft werden· Wesentliche Nachteile dieses Verfahrens bestehen darin, daß einmal der Positionierfehler bei der zweiten Elektronenstrahlbelichtung wesentlich kleiner sein muß als die bei 0,5 pm liegende Brückendimension und daß zum zweiten entweder merkliche unerwünschte Tunnelübergangswiderstände zwischen den beiden supraleitenden Schichten in Kauf genommen werden müssen oder man den aufwendigen technologischen V/eg über eine Ionenstrahlreinigung des halbfertigen Bauelementes unmittelbar vor und in Vakuumfolge mit der gekühlten Aufdampfung der zweiten supraleitfähigen Schicht gehen muß.

In einem weiteren, an der gleichen Stelle beschriebenen Verfahren wird deshalb versucht, die B ν D in der Art herzustellen, daß im Abhebeverfahren mit elektronenstrahlempfindliehen Lack eine "flache" Brücke in der Dicke der späteren Ufer erzeugt wird und eine anschließend mittels Elektronenstrahllithografie erzeugte Ätzmaske die Ufer schützt, während die Schicht im Bereich der Brücke mittels Ionenstrahl abgedünnt wird· Wesentliche Nachteile dieses Verfahrens bestehen darin, daß einmal der Elektronenlack aufgrund seiner ungenügenden Stabilität nicht selbst als Ätzmaske dienen kann, sondern mit seiner Hilfe, z.B. im

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Abhebeverfahren, eine dünne, stabile metallische Ätzmaske aufgebracht werden muß, und daß zum zweiten das Ätzverhalten der in diesem Verfahren verwendbaren supraleitenden Materialien so ungünstig ist (Korngrenzenätzung), daß mit identischer Maske und unter identischen Bedingungen geätzte Brücken stark unterschiedliche Eigenschaften zeigen·

Bekannt ist ebenfalls ein Verfahren (Appl.Phys. Lett« 21 5 (1977), 337) mit dem in Abhebetechnik BvD hergestellt wurden, wobei durch Mehrschichtaufbau des Maskenmaterials und geeignete Prozeßführung ein definierter Abstand erzeugt wird zwischen der schattenbildenden Maske und dem Substrat, auf das das supraleitfähige Material abgeschieden wird. Y/ährend durch eine Bedampfung unter geeignetem Winkel schräg zur Substratoberfläche eine dünne Schicht Supraleiter unter die schattenbildende Maske gelangt und die Brücke bildet, entstehen die verstärkten Ufer durch eine nachfolgende Bedarapfung senkrecht zum Substrat, Obwohl das Verfahren durch Einsatz elektronenstrahlstrukturierter Masken auch im Submikrometerbereich verwendbar sein soll, .liegen ernsthafte Nachteile in dem starken Einfluß des Aufdaapfv/inkela einerseits und des genau einzuhaltenden Abstandes zwischen Maske und Substrat andererseits.

Weiterhin bekannt sind mehrere Verfahren, die auf einer mechanischen Strukturierung beruhen. In (Phys*Rev.Lett. 27 ¹³ (1970,847) und (Rev.Physique Appliquee 2 (1974) 183) wird - allerdings noch zur Herstellung flacher Mikrobrücken - beschrieben, wie in ein Substrat mittels Diamant und definierter Auflagekraft oder mittels Anritzen der polierten Substratoberfläche mit einer Rasierklinge und nachfolgendes naßchemisches Ätzen ein Graben im Substrat erzeugt wird, anschließend großflächig supraleitfähiges Material aufgedampft wird, das nachfolgend durch Kratzen mit einem geeigneten Werkzeug entlang einer Linie quer zum Graben in zwei Teile getrennt wird, die

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nur noch durch cfas supraleitfähige Material innerhalb des Grabens miteinander verbunden sind, welches damit die Mikrobrücke bildet.

Abgeleitet daraus wurden in (IEEE Transactions on Magnetics, Vol.MAG-11² (1975), 858) und (IEEE Transactions on Magnetics, Vol.MAG-13¹ (1977), 739) Verfahren zur Herstellung von BvD veröffentlicht, bei denen die Schichtdicke der Ufer durch die aufgedampfte Schichtdicke, die Schichtdicke im Brückenbereich durch die Tiefe des ersten Grabens bestimmt^ wird. .

Y/esentliche Nachteile dieser Verfahren liegen darin,begründet, daß der Querschnitt des strukturierten Grabens aufgrund der mechanischen oder naßchemischen Herstellung relativ Undefiniert ist und dieser, nach dem zweiten Schnitt bis zur Höhe der Substratoberfläche mit supraleitfähigen Material gefüllte Graben den Querschnitt der Mikrobrücke bestimmt.

Ein nicht hinreichend reproduzierbarer Brückenquerschnitt mit den daraus folgenden entsprechenden elektrischen Eigenschaften der Mikrobrücken ist besonders bei Systemen aus mehreren, möglichst identischen Brücken nachteilig,. z.B. bei SQUID¹S und sogenannten kollektiven Anordnungen. Mit dem gleichen Nachteil einer ungenügenden Reproduzierbarkeit des Brückenquerschnittes ist auch das Verfahren (Proc.of.LT 14 Helsinki (1975) j£, 120) behaftet, bei dem der Graben in der Unterlage dadurch erzielt wird, daß auf eine mit einer Quarzfaser abgedeckte Substratoberfläche SiO aufgedampft und anschließend die Paser entfernt wird.

In (DT 245 9 663) wird ein Verfahren beschrieben, bei dem mit einem ersten Kratzer quer zur späteren Brücke die vorzugsweise harte supra leitfähige Schicht entlang einer Linie abgodünnt, jedoch nicht völlig durchgetrennt, und dann mit einem zweiten Kratzer in Brückenrichtung mit einem geeignet geformten Werkzeug Material aus der zweiten Kratzspur herausgedrückt und als wulstförmige Erhebung

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neben dieser Spur abgelagert wird.

Durch ein anschließendes Naßätzen wird die gesamte Schicht um einen bestimmten Wert abgetragen und dabei der abgedünnte Bereich des ersten Kratzers durchgeätzt außer an der Stelle der beim zweiten Kratzer aufgeworfenen wulstfb'rmigen Erhebung. Auch dieses Verfahren liefert bei entsprechendem manuellen Geschick einzelne Mikrobrücken varabler Dicke in hinreichender Qualität, ist aber aufgrund seiner geringen Reproduzierbarkeit nicht für Systeme solcher Mikrobrücken geeignet.

Ziel der Erfindung

Ziel d'er Erfindung ist ein einfaches Verfahren zur Herstellung supraleitender Mikrobrücken eines vorteilhaften Typs, wobei durch einen reproduzierbaren Brückenquerschnitt reproduzierbare verbesserte elektrische Brückeneigenschaften erzielt, die Ausbeute erhöht und bestimmte Anordnungen aus solchen Brücken überhaupt erst ermöglicht werden sollen*

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die technische Aufgabe zugrunde, durch die reproduzierbare Gestalt und der Geometrie des Querschnittes eines in das Substrat eingearbeiteten Grabens supraleitende Mikrobrücken variabler Dicke mit verbesserter Reproduzierbarkeit des Querschnittes herzustellen. Dazu wird ein Substrat mit niedriger Abtragrate bzgl. dem später durchzuführenden Ionenätzverfahren in bekannter Weise mit einer haft- und kratzfesten Hilfsschicht geeigneter Dicke aus einem Material mit höherer Ätzrate bzgl. dem gleichen Verfahren versehen, darauf in bekannter Weise üblicher Elektronen-

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resist aufgebracht und in diesem durch einen üblichen Belichtungs- und Entwicklungsprozeß eine Struktur erzeugt, die an den Stellen des zu bildenden Grabens die Hilfsschicht freilegt, ansonsten aber den Elektronenresist als Ätzmaske auf der Hilfsschicht beläßt. Anschließend erfolgt durch reaktives oder nichtreaktives Ionenätzen in einem geeigneten Medium die Übertragung der Struktur aus der Resistmaske in die Hilfsschicht. Während die Kombination von Elektronenstrahllithografie und dem anisotropen Verfahren des Ionenätzens die getreue .Übertragung der Lateralgeometrie, des Grabens sichert, liefert die geeignete Wahl von Ätzgas, Substrat-, Hilfsschicht- und Ätzmaskenmaterial sowie Hilfsschichtdicke die Garantie, daß der Ätzprozeß bei Erreichen* der Grenze zwischen Hilfsschicht und Substrat stark verlangsamt wird und sich damit das gewünschte Tiefenprofil des Grabens reproduzierbar einstellt« Nach dem Entfernen des als Ätzmaske dienenden Resiste wird das aupraleitfähige Material in bekannter Weise in einer solchen Schichtdicke aufgebracht, wie sie für Ufer der Mikrobrücke notwendig ist, wobei der in die Hilfsschicht einstrukturierte Graben mit Material gefüllt wird. Anschließend folgt in üblicher Weise mit einer geeignet geformten und geführten Schneide das Trennen der supraleitfähigen Schicht senkrecht zu dem geätzten und mit si. Material gefüllten Graben, so daß das im Graben verbliebene Material die Mikrobrücke bildet.

Das erfindungsgemäße Verfahren mit seiner hohen Reproduzierbarkeit des Brückenquerschnittes ist besonders geeignet für die Herstellung von Systemen aus mehreren, möglichst identischen Mikrobrücken, z. B. SQUIDS oder Serienschaltungen, sogenannten kollektiven Anordnungen, Bei einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht die Hilfsschicht aus Silizium, das Substrat aus Quarz oder Glas, ebenso sind andere Materialkombinationen möglich, die die oben ge- " nannten.Forderungen bzgl. Ätzverhalten erfüllen.

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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform v/ird ein in der Halbleitertechnologie üblicher Si-Wafer in bekannter V/eise an seiner Oberfläche oxidiert, wodurch die für das Verfahren notwendige Hilfsschicht als amorphe SiOp-Schicht ausgebildet wird. Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform dient die auf gleiche Weise auf gleichem Substrat erzeugte SiOp-Schicht nur als Trennschicht für den selektiven Atzprozeß» die eigentliche Hilfsschicht im Sinne des Verfahrens wird in bekannter V/eise als Si-Schicht auf die Oxidschicht abgeschieden, woran sich die bereits genannten erfindungsgemäßen Prozesse anschließen,

Ausführungsbeispiel

Das folgende Beispiel soll die Möglichkeit des Verfahrens andeuten, aber keine Begrenzung seiner Einsatzmöglichkeiten sein:

Eine Si-Einkristallscheibe, wie sie bei der Herstellung integrierter Halbleiterschaltkreise Verwendung findet, 200 pm dick, einseitig poliert, v/ird im feuchten Sauerstoffstrom bis zu einer Tiefe von 0,1 um Oxidiert _β

Auf diese oxidierte Oberfläche wird in bekannter V7eise durch current vapour deposition oder durch Sputtern eine Schicht aus amorphem Silizium, zum Beispiel 50 - 100 nm dick, abgeschieden. Nach dem Aufbringen eines elektronenstrahlempfindlichen Lackes, z. B. PMMA, der entsprechenden thermischen Behandlung, Belichtung mit rasterndem Elektronenstrahl und.Entwicklung in einem dafür üblichen Entwickler liegt die für die Erzeugung des Grabens nötige Struktur als Ätzmaske vor, wobei sinnvolle Abmessungen bei 0,3 bis 0,5 ml 100 Mikrometer liegen· Anschließend v/ird durch plasmachemisches Ätzen in einem Gasgemisch geeigneter Zusammensetzung diese Struktur in die Si-Schicht übertragen, so daß nach Entfernen der

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Ätzmaske ein Graben von ca 0,3 bis 0,5 Breite, 50 bis 100 mn Tiefe und 100 pm Länge vorliegt. Nach dem Aufdampfen von vorzugsweise sogenannten weichem supraleitfähigen Material, beispielsweise in einer Dicke von 1 bis 5 pm und in Form eines beispielsv/eise 200 pm breiten, realtiv langen Streifens, und dem Durchtrennen dieses Streifens mit einem geeigneten Werkzeug, senkrecht zum strukturierten Graben bleibt die Mikrobrücke mit dem gewünschten Querschnitt als Verbindung der beiden getrennten Streifenteile bestehen.

Claims (1)

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   Erfindungsanspruch

   Verfahren zur Herstellung supraleitfähiger Mikrobrücken variabler Dicke, bei dem in einem Substrat in Richtung der herzustellenden Brücke ein Graben erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß als erster Verfahrensschritt eine Hilfsschicht aufgebracht wird, die eine gegenüber dem Substrat erhöhte Abtragrate bezüglich einem verwendeten Ätzverfahren auf v/eist, daß danach in bekannter V/eise"ein Elektronenresist aufgebracht und in diesen durch einen bekannten Belichtung3- und Entwicklungsprozeß eine Struktur erzeugt wird, die an der Stelle des zu bildenden Grabens die Hilfsschicht freilegt, anschließend durch reaktives oder nichtreaktives Ionenätzen die Struktur aus der Resistmaske in die Hilfsschicht übertragen die Reste der Resistmaske entfernt v/erden und daß danach in bekannter Weise die Oberfläche des gesamten Substrates mit einer Schicht aus supra.leitfähigem Material, deren Dicke mindestens um den Paktor 2-3 größer als die"Grabentiefe ist, bedeckt wird und danach abschließend diese supraleitfähige Schicht durch einen senkrecht zur Grabenrichtung verlaufenden, mittels eines geeignet geformten und geführten Werkzeuges erzeugten Schnitt derart durchtrennt v/ird, daß das im Grabenquerschnitt verbleibende supraleitfähige Material die eigentliche Brücke darstellt.