DE2459663C2 - Verfahren zum herstellen von supraleitfaehigen mikrobruecken - Google Patents

Description

verbunden.

* Diese Schwierigkeiten entfallen weitgehend, wenn tue Mikrobrucke als schichtformige, *apraldiiähige Verbindung zwischen zwei supraleitfähigen Flächenitücken größerer Ausdehnung ausgebildet wird. Bei den sogenannten Noiarys-Brückcn wird beispielsweise aus einer supraleitfähigen und einer elektrisch normalleitcndcn Schicht eine sandwichartige Anordnung gebildet die eine etira 04 bis 1000 μιη breite Engslclle aufweist. Der kritische Strom der Engstelle wird dann durch ip entsprechende Anpassung der Schichtdickcn der supraleitfähigen und der normalleitcndeo Schicht aneinander im Bereich der Engstelle eingestellt (Journal of Applied Physics 44[19731S. 1821 bis 1830;US-PS 37 98 511).

Noch einfacher ist es, die supraleitfähige Mikrobrükke als Engstelle in einer einfachen supraleitfähigen Schicht auszubilden. Derartige MikrobrücKen sind unter der Bezeichnung Dayem-Brücken bekannt Man kann sie beispielsweise dadurch herstellen, daß man eine Zinnschiebt durch eine entsprechend geformte Maske hindurch auf eine Unterlage aufdampft (Physical Review Letters 13 [19641 S. 195 bis 197) bzw. eine zusammenhängend aufgedampfte Zinnschicht mit Hilfe einer scharfen Spitze auf eine spezielle Form zurcchtsrhneidet (Physics Letters 11 [1964], S. 16 bis 17). Bei einem anderen Verfahren wird zur Herstellung von Mikrobrücken die Schichtdicke einer auf einen Saphirstab aufgedampften Niobschicht verringert, indem man die Niobschicht in 0,2 normaler Schwefelsäure bei einer Spannung von 5 bis 10 V anodisch oxidiert (Review of Scientific Instruments 42 [ 1971 J, S. 1264 bis 1265).

Neben diesen verhältnismäßig einfachen und aus verschiedenen Gründen, beispielsweise hinsichtlich der Gleichmäßigkeit der hergestellten Mikrobrücken, nicht voll befriedigenden Verfahren werden auch wesentlich aufwendigere Techniken zur Herstellung von Mikro brücken verwendet beispielsweise ein Elektronenstrahl Lithographie-Verfahren (Applied Physics Letters 23 [1973], S. 407 bis 408). Hierbei wird zunächst auf eine Unterlage aus einer oxidierten Siliziumscheibe eine Schicht aus einem geeigneten Resistlack aufgebracht. Dann wird der Resistlack einem Elektronenstrahl ausgesetzt, der in den Resistlack die Form der herzustellenden Mikrobrücke einzeichnet, und anschließend entwickeil. Auf die gesamte Lackschicht wird dann eine supraleitfähige Niobschicht aufgedampft Diese haftet an den Stellen, an denen der Resistlack den Elektronenstrahlen ausgesetzt war, an der Unterlage, an den anderen Stellen dagegen nur an der Lackschicht Durch Ablösen der Lackschicht werden schließlich die überflüssigen Teile der Niobschicht entfernt und auf der Unterlage verbleibt nur noch die Mikrobrückenanordnung.

Bei einem weiteren bekannten Verfahren wird zunächst eine Niobschicht im Ultrahochvakuum auf eine Unterlage aus Glas. Quarz oder Saphir aufgedampft, wobei durch Abschattung mit Hilfe eines Quar/fadcns ein linienförmiger, senkrecht zur Richtung der späteren Brücke verlaufender Bereich mit verminderter Schichtdicke gebildet wird. Anschließend wurde zunächst entlang dieses Bereiches die Niobschicht mittels eines Diamantschneiders durchtrennt, der lediglich an derjenigen Stelle von der Schicht abgehoben wurde, an der die Mikrobrücke verbleiben soll. Es können dabei mehrere, jeweils wenige μιη breite Mikrobrücken hergestellt werden, die im Abstand von einigen Millimetern nebencinandcrlicgen. Nach Aussuchen der Künstigsten Brücke werden dann die übrigen beispielsweise mit einem Wolframcarbidgriffol entfernt. Pa sich die Durchtrennung der Njobschidrit mit Hilfe des Diamaatschneiders jedoch als \7Änig vorteilhaft erwies, iasbesondere eine sehr unregelmäßige Trennlinie ergab und darüber hinaus Beschädigungen der Unterlage zur Folge hatte, wurde dazu übergegangen»dip Niobschichi mittels einer Funkcntladung zwischen der Schicht und einer spitzen Elektrode aus Niob- oder Wolframdnihl zu durchtrennen. An den für die Mikrobrfickcn vorgesehenen Stellen wird dabei djc Entladung jeweils kurzzeitig abgeschaltet. In Abwandlung dieses Verfahrens kann die Lage der Mikrobrücke zunächst dadurch festgelegt werden» daß die Schicht durch Funkeniladunge.0 mit zwei Löchern versehen wird, die einen Durchmesser von etwa 1 bis 2 μιη und einen Abstand yon ebenfalls etwa 1 bis 2 μιτι besitzen. Von diesen Löchern aus kann dann die Trennung der restlichen Niobschichi durch kontinuierliche Funkenbildung oder mittels eines Wolframcarbidgriflcls erfolgen (NBS Report 10736,31.3.1972).

Für die Herstellung von Mikrobrücken uus Zinn ist es ferner bekannt, eine Glasunterlage mit einem in Richtung der herzustellenden Brücke verlaufenden Graben zu versehen, der durch Ätzen einen etwa halbkreisförmigen Querschnitt mit einer Breite von etwa 03 μιη und einer Tiefe von etwa 02 μιη erhält. Danach wird auf die Unterlage eine etwa 0.1 μιη dicke Zinnschicht aufgedampft. In diese Schicht wird mit einer scharfen Rasierklinge eine senkrecht zum Graben verlaufende Schnittlinie gelegt Durch die Rasierklinge wird dabei ein oft nur 0,2 μιη breiter Zinnstrcifcn entfernt, innerhalb des Grabens jedoch die Zinnschichi belassen. Das innerhalb des Grabens befindliche Zinn bildet dann eine Mikrobrücke zwischen den durch die Schnittlinie getrennten Flächenstücken der Zinnschicht (journal of Low Temperature Physics 7 [1972|. S. 99 bis 117).

Bei einem weiteren Verfahren, das insbesondere /ur Herstellung von rastcrförmig angeordneten Mikrobriikken geeignet ist, wird zunächst auf eine Unterlage eine Photoresistlackschicht aufgebracht, auf der dann mit optischen Mitteln eine wellige Oberfläche mit parallel zueinander verlaufenden Wellenbergen und Wellentälern erzeugt wird. Anschließend wird auf die wellige Oberfläche beispielsweise eine Zinnschicht aufgebracht. Senkrecht zu den Wellenbergen und Wellentälern wird dann in der Zinnschicht mit Hilfe einer Diamantspit/e ein Graben gezogen, der nicht ganz so lief ist. wie die Wellentäler. Das in den Wellentälern verbleibende Zinn bildet dann eine Vielzahl von parallel /u den Wellentälern verlaufenden Mikrobrücken zwischen den durch den Graben weitgehend voneinander getrennten Flächenteilen der Zinnschicht. Durch tiefere, parallel zu den Wellentälern verlaufende Schnitte, welche die Zinnschicht durchtrennen, können dann noch ncbcncinanderliegende Mikrobrürkcn voneinander getrennt werden (Applied Physics Letters 24 [1974], S. 519 bis 522).

Diese bekannten Verfahren zum Herstellen von supraleitenden Mikrobrücken können jedoch nicht voll befriedigen. Zum Teil sind sie, wie beispielsweise das Sandwich-Verfahren zur Herstellung der Nolarys-Brükke oder das ebenfalls bereits erwähnte Elcktroncnstrahl-Lithographic-Verfahren verhältnismäßig aufwendig. Mit anderen Verfahren, wie beispielsweise dem Maskcn-Aufdampfverfahren oder den Verfahren, bei denen Teile einer supraleitfähigen Schicht durch mechanisches Abtragen, Funkentladung oder anodischc

Oxidation 'entfernt werden, können praktisch keine Brücken hergestellt werden, deren Breite kleiner als 1 μην ist. Außerdem sind die Brückcncigcnsehaften oft schlecht reproduzierbar iind es treten während des Hcrslcllungsprozcsses Störungen in dem die Mikrobrücke bildenden Material auf, so daß clic kritische Temperatur der Mikröbrückc. also die Temperatur, bei der die stromlose Brücke vom supraleitenden in den nornialleilenden Zustand übergeht, gegenüber der kritischen Temperatur des ungestörten Supralcitermalcrials stark abgesenkt wird. Dies bringt aber erhebliche Nachteile mit sieh, da bei sinkender kritischer Temperatur der Mikröbrückc immer niedrigere Betriebstemperaturen und damit ein wachsender kiiltc technischer Aufwand erforderlich sind und außerdem der kritische Strom der Mikröbrückc dann besonders stark temperaturabhängig ist. wenn die Betriebstemperatur in der Nähe der kritischen Temperatur liegt. Wie bereits einleitend bemerkt, sind für eine Reihe von Anwcndiingsfällcn ein möglichst niedriger kritischer Strom und. im normallcitcndcn Zustand, ein verhältnis mäßig hoher elektrischer Widerstand der Mikrobrticke erwünscht. Da beide Größen von der Briickenbreiie abhängig sind, sind oft möglichst schmale Brücken, vorzugsweise mit einer Breite von weniger als 1 μιτι. anzustreben. Diese Forderungen lassen sich zwar möglicherweise mil den beiden obenerwähnten Verfahren erfüllen, bei denen eine Supraleilschicht auf eine wellenförmige oder mit einem Graben versehene Unterlage aufgebracht und als Mikrobrücke lediglich das in den Wellentälern b/w. im Graben befindliche Material stehengelassen wird. Diese Verfahren haben jedoch unter anderem den Nachteil, daß bereits die Unterlage je nach den angestrebten Eigenschaften bzw. dem vorgegebenen Verwendungszweck der Mikrobrükkc hergestellt bzw. bearbeitet werden muß und die mit der supraleitfähigen Schicht versehene Unterlage nicht mehr frei für Unterschiedliche Anwendungen verwendet werden kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Herstellung von supraleitfähigen Mikrobriickcn zwischen zwei auf einer Unterlage befindlichen, schichtförmigen. supraleitfähigen Flächenstücken weiter zu verbessern und zu vereinfachen. Insbesondere sollen Form und 1-ige der Mikrobrücken nicht bereits durch eine Vorbearbeitung der Unterlage festgelegt werden müssen. Ferner soll auch eine zu starke Absenkung der kritischen Temperatur der Mikrobrücke gegenüber dem Supralcitcnnatcrial der Flächenstücke vermieden und die Herstellung von Mikrobrücken mit Breiten von weniger als 1 μΐη ermöglicht werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in einer auf einer nicht supraleitfähigen Unterlage befindlichen Schicht ans Supraleitcrmaterial durch mechanische Einwirkung wenigstem eine in Richtung der herzustellenden Brücke verlaufende wulstförmige F-rhcbung gebildet and zwischen den zu verbindenden Flachem!ticken cm im wesentlichen senkrecht zur Brückenrichtung verlaufender Zwischenraum erzeugt und schließlich durch Verringerung des supraleitfähigen Querschnitts der wuhtförmigen Erhebung der kritische Strom der Brücke eingestellt wird.

Das crfmdungsgcmäBe Verfahren vereinigt in sich eine Reihe von erheblichen Vorteilen. Zunächst können die verschiedenen Arbeitsgänge, nämlich die Herstellung der nicht supraleitfähigen Unterlage, das Aufforingen der Schicht auf diese Unterlage und die eigentliche Herstellung der Mikmbrückc völlig unabhängig voneinander erfolgen. Bei der Herstellung bzw. Vorbereitung der Unterlage und dem Aufbringen der supraleitfähigen Schicht läraucht daher auf die spätere Lage, spezielle Ausbildung und Verwendung der Mikrobrücken noch

keinerlei Rücksicht genommen werden. Da ferner zur Bildung der Mikrobrücke nicht einfach Material aus der supraleitfähigen Schicht entfernt sondern vielmehr zunächst Material in Form einer wulstförmigcn. in Brückenrichtung verlaufenden Erhebung angehäuft wird, können, wie noch erläutert werden wird, zu starke Störungen des verbleibenden ßrückcnmatcrials und damit eine zu starke Absenkung der kritischen Temperatur der Brücke vermieden werden. Schließlich läßt sich durch Verringerung des supraleitenden Querschnitts der wulstförmigcn Erhebung der jeweils angestrebte kritische Strom der Brücke verhältnismäßig leicht einstellen. Außerdem sind bei dieser Querschniltsverringerung auch Brückenbreiten von weniger als 1 μιη verhältnismäßig leicht erreichbar. Dazu kommt.

daß die mechanische Bearbeitung der Schicht zur Bildung der wulstförmigcn Erhebung im Vergleich zu anderen Verfahren verhältnismäßig einfach ist.

Man kann die wulstförmigcn Erhebungen beispielsweise dadurch erzeugen, daß man einen geeignet geformten Stempel mit verhältnismäßig scharfen Schneiden derart in die supralcilfähigc Schicht eindrückt, daß das Supraleitcrmaterial der Schicht aus dem beim Eindringen der Schneide gebildeten Graben seitlich herausgedrückt und an den Grabenrändern angehäuft wird. Als besonders einfach und wirkungsvoll hat es sich jedoch erwiesen, zur Bildung der wulstförmigcn Erhebung eine in der Schicht in Richtung der herzustellenden Brücke verlaufende Kratzspur zu ziehen. Wichtig ist dabei, daß beim Ziehen der Kratzspur das zunächst in der Spur befindliche Supraleitermaterial nicht etwa, wie beispielsweise bei einem scharfen Schnitt, aus der Spur entfernt, sondern an den Rändern der Spur angehäuft wird und dort eine wulstförmige Erhebung bildet. Durch entsprechende Ausgestaltung oder Haltung des Kratzwerkzeuges läßt sich dabei leicht erreichen, daß an den beiden Seiten der Krat/spur wulstförmige Erhebungen von unterschiedlicher Höhe entstehen, von denen dann die höhere als Mikrobrücke ausgenutzt wird, oder daß überhaupt nur an einer Seite der Kratzspur eine wulstförmige Erhebung gebildet wird. Als Kratzwerkzeuge können je nach gewünschter Grabenform und Wulstbreite beispielsweise gewöhnliche Hartmetall-Anreißnadcln, durch elektrolytisches Ätzen angespitzte Wolfram-

oder Niob-Nadem. Bruchstücke von Siliziumeinkristallscheiben oder auch Schleifpulverkörner verwendet werden. Besonders enge und spitze Gräben können beispielsweise mit Körnern aus Borcabid. SiHzhimcarbc oder Korund hergestellt werden, die beispielsweise an!

ein nachgewalztes Kupferdrahtstück, das als Halt« dient, auf gekittet werden können.

Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsforn des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zunächst die π Richtung der herzustellenden Brücke verlaufend! Kratzspur gezogen, anschließend die Schicht au Supraleitermaterial bis auf einen senkrecht zur Krat7 spur verlaufenden, diese kreuzenden Streifen mit eine ätzfesten Schutzschicht versehen und dann wenigsten so lange geätzt, bis zwischen den beiden von de Schutzschicht bedeckten Flächenstücken mit Ausnahm eines Restes der wulstförmigen Erhebung alles Supn leitermaterial entfernt ist. Als ätzfeste Scfnitzschid wird dabei vorzugsweise eine Schicht aus Photorcsis

lack verwendet, da dieser besonders leicht aufzubringen und /u handhaben ist. Man kann aber beispielsweise eine Schutzschicht auch dadurch herstellen.daß man die Oberfläche der Supraleitschicht oxidiert. Voraussetzung hierfür ist jedoch, daß das jeweilige Oxid vom verwendeten Ätzmittel nicht angegriffen wird.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausfiihrungsform des crfindungsgemäßcn Verfahrens, die insbesondere zur Herstellung sehr kurzer Mikrobrücken hervorragend geeignet ist, wird zunächst in der Schicht aus Supraleiiermaterial ein senkrecht zur Richtung der herzustellenden Brücke verlaufender Graben gebildet, anschließend in Richtung der Brücke eine den Graben kreuzende, wenigstens eine wulstförmige Erhebung bildende Kratzspur mit größerer Tiefe als der Graben gezogen und dann wenigstens so lange geätzt, bis zwischen den beiden durch den Graben getrennten Flächcnsiücken mit Ausnahme eines Restes der wulsiförmigen Erhebung alles Supraleiiermaierial entfernt ist. Bei dieser Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, die einen besonders kleinen Abstand zwischen den durch die Brücke zu verbindenden supraleitfähigen Flächenstücken ermöglicht, ist eine Abdeckung dieser Flächenstückc mit einer Schutzschicht nicht erforderlich, da der zwischen den Flächenstücken gezogene Graben rascher durchgeätzt wird als die Flächenstückc selbst. Da die in Richtung der Brücke vcrhufendc Kralzspur tiefer ist als der Graben, wird auch innerhalb des Grabens wenigstens eine diesen kreuzende wulstförmige Erhebung aus supraleitfähigen! Material gebildet, die nicht so rasch durchgeätzl wird wie der restliche Graben.

Falls sich nicht beim Abätzen des Zwischenraumes zwischen den beiden von der Mikrobrücke verbundenen Flächenstücken ohnehin bereits der gewünschte kritische Strom der Mikrobrücke ergibt, kann dieser durch eine weitere Verringerung des supraleitfähigen Querschnitts der wulstförmigen Erhebung fein eingestellt ■werden. Die Verringerung des Querschnitts kann dabei vorzugsweise durch Ätzen oder durch anodisches Oxidieren des Supraleitermatcrials erfolgen.

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich zur Herstellung von Mikrobrücken aus verschiedenen Supraleitermaierialien. Besonders gut hat es sich jedoch bei Niob bewährt. Niob besitzt als Supraleitcrmaterial für Mikrobrücken eine Reihe von Vorteilen. Es ist sehr beständig und wenig anfällig gegen unerwünschte Oxidation. Außerdem hat es eine wesentlich höhere Sprungtemperatur als die beispielsweise ebenfalls für Mikrobrücken in Frage kommenden Supraleitermaterialien Zinn oder Blei und ist andererseits leichter bearbeitbar als beispielsweise supraleitende Legierungen und Verbindungen.

Die Niobschicht kann man beispielsweise auf eine Unterlage aus Glas, Quarz oder anderen geeigneten Stoffen beispielsweise durch Aufdampfen aufbringen. Als besonders vorteilhaft hat es sich jedoch erwiesen, eine auf eine Spinellunterlage aufgebrachte Niobschicht zur Herstellung der Mikrobrücken zu verwenden. Bei anderen Unterlagematerialien, beispielsweise GJas, besteht nämlich die Gefahr, daß sie durch die Ätzlösung angegriffen werden und die Niobschicht dann unterätzt wird. Weiterhin hat es sich als besonders günstig erwiesen, die Niobschicht auf die Spinellunterlage aufzusputtern. Auf diese Weise können festhaftende Niobschichten mit Schichtdicken vorzugsweise zwischen 02 und 0.6 μπι und hoher Sprungtemperatur hergestellt werden.

An Hand einiger Figuren und Ausführungsbeispiele soll die Erfindung noch näher erläutert werden.

F i g. 1 bis 6 zeigen schcmatiseh verschiedene Hcrstcllungsstufcn bei einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Fig.7 bis 12 zeigen schcmaiisch verschiedene I lerstellungsstufcn bei einer anderen vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Beispiel 1

Im folgenden Ausführungsbei.spiel wird die Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens näher erläutert, bei welcher zunächst zur Bildung der wulsiförmigen Erhebung eine in Richtung der herzustel lcnden Brücke verlaufende Kratzspur gezogen und anschließend die von der Brücke zu verbindenden supraleitfähigen Flächenstückc durch eine ätzfeste Schutzschicht abgedeckt werden.

Zunächst wird mit einer handelsüblichen Spiuieranla gc auf eine Spinellunterlage in an sich bekannter Weise (vgl. zum Beispiel journal of Applied Physics 42 [ 1971]. S. 5151 bis 5155) eine etwa 0,5 μηι dicke Niobschicht aufgespulten. In diese Niobschicht I wird dann, wie Fig. 1 im Schnitt und Fig. 2 in Draufsicht zeigen.

mittels einer Hartmetallnadcl 2 eine in Richtung der herzustellenden Brücke verlaufende Kralzspur 3 gezogen. Die Kratzspur 3 kann beispielsweise etwa 0.2 bis 0,4 μηι tief sein und soll, um eine Beschädigung der Unterlage zu vermeiden, nach Möglichkeit die Spincllunterlage 4 nicht erreichen. Beim Ziehen der Kralzspur 3 mit der Nadel 2 entstehen dann infolge der Verformung des Niobs an den Rändern, der Kratzspur wulstförmige Erhebungen 5 und 6. Bei dem in den F i g. 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist dabei der Wulst 5 höher als der Wulst 6. Anschließend werden, wie die F i g. 3 und 4 zeigen, diejenigen Flächenstückc der Niobschiehl 1, die durch die Mikrobrücke verbunden werden sollen, durch Schichten 7 und 8 aus einem geeigneten Photorcsistlack derart abgedeckt, daß nur noch ein schmaler senkrecht zur Kratzspur 3 verlaufender und diese kreuzender Streifen 9 der Oberfläche der Niobschicht 1 freibleibt. Wenn man die beiden Photoresistlackschichten 7 und 8 beispielsweise unter einem Mikroskop mittels eines Filzstiftes aufträgt, läßt sich ein ziemlich gleichmäßiger resistlackfrcier Streifen 9 mit einer Breite bis herunter zu etwa 20 μηι erzielen. Schmälere Streifen bis zu einer Breite von etwa 2 μιη kann man mit üblicher Photoresisttechnik erreichen, indem man die gesamte Oberfläche der Niobsehicht mit dem Lack bestreicht und anschließend je nachdem, ob ein Positiv- oder Negativlack verwendet wird, den Streifen 9 oder die in F i g. 4 von den Schichten 7 und 8 bedeckten Flächenbereiche bei der Belichtung abdeckt Wesentlich ist lediglich, daß nach dem Entwickeln die Teile 7 und 8 der Lackschicht ätzfest sind. Im übrigen ist die Breite des Streifens 9 nicht mit der wirksamen Lange der Mikrobrücke gleichzusetzen. Diese wird vielmeht nur durch den Teil der Mikrobrücke bestimmt, der der geringsten Querschnitt aufweist und ist daher in dei

Regel wesentlich kleiner als die Breite des Streifens 9.

Nach dem Aufbringen der Resistlackschichten 7 und ί werden durch Abätzen der innerhalb des Streifens * liegenden Niobschicht die beiden durch die Mikrobrük ke miteinander zu verbindenden Niobflächen voneinan der getrennt. Zum Ätzen wird vorzugsweise ein« schwach ätzende Lösung aus einem Teil Wasser, einen Teil 65%iger Salpetersäure, einem Teil %%igen Methylalkohol und 0.1 Teilen einer Mischung aus 40 j

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Ammoniumfliiorid und 100 nil 50%iger tfuBsiiurc verwendet. Mil dieser Ätz.lösung dniieri es bei Zimmertemperatur etwa 30 Minuten, bis die etwa 0,5 μιη dicke Niobschicht vollständig durehgcälzi ist. Die Ätzdaucr kann jedoch durch Variation der Zusammensetzung der Ätzlösung in weiten Grenzen variiert werden, beispielsweise wird der Ätzvorgang durch Erhöhung des Ammoniumfluoridanlcils verlangsamt und durch Erhöhung des Flußsäurcaiitcils beschleunigt.

Wie die K i g. 5 und fe zeigen, wird so lange geätzt, bis innerhalb des Spaltes 9 die Niobschicht 1 mit Ausnahme eines Restes IO der wulslförmigen Erhebung 5 entfernt ist. Dabei kann es zweckmäßig sein, die Niobschicht innerhalb des Streifens 9 bis zu ihrer vollständigen Entfernung mit einem Binokular /u beobachten und bei der weiteren Ätzung zur weiteren Verringerung des supraleitfähigen Querschnitts der wulstförmigen Erhebung 10 optische Kontrollmessungen mit einem Mikroskop — bei jeweiliger kurzer Unterbrechung der Ät/dauor — durchzuführen. Der Ätzvorgang wurde abgebrochen, nachdem eine mittlere Breite der nunmehr die Mikrobrücke bildenden wulstförmigen Erhebung 10 von etwa 0.25 μιιι erreicht war. Es können aber auch noch wesentlich geringere Brückenbreiten eingestellt werden. Anschließend werden die Photoresistlacksehichlcn 7 und 8 mittels eines geeigneten Lösungsmittels entfernt und durch elektrische Kontroll messungcn die elektrischen Eigenschaften der Mikrobrücke überprüft. Falls sich hierbei eine weitere Feineinstellung des kritischen Stromes der Mikrobrücke 10 als erforderlich erweist, kann die Mikrobrücke 10 mit der vorstehend erwähnten Ätzlösung nochmals geätzt werden. Man kann die Mikrobrücke 10 aber auch in einer 0.2 normalen Schwcfclsäurelösung mit Anodenspannungen bis zu etwa 10 V anodisch oxidieren. Auch hierbei wird dann durch Umwandlung der Oberfläche der Mikrobrücke in eine Oxidschicht der supralciifahige Querschnitt der Mikrobrücke verringert. Durch eine solche Feineinstellung lassen sich bei den nach dem angegebenen Ausführungsbeispiel hergestellte Mikrobrücken kritische Ströme von 10 μΑ bis 100 uA bei der Temperatur des flüssigen Heliums von 4.2 K erzielen. Die elektrischen Widerstände der im nomialleitenden Zustand befindlichen Mikrobriicken liegen bei einer Temperatur von etwa 9.5 K nach Brückcnquersehniu zwischen etwa 30 und 250 £2. Ferner können, wenn beim Herstellen do Niobschicht auf eine hohe Reinheit der Spmclloberflächc und eine homogene Ausbildung der Niobsehkta geachtet wird. kritische Temperaturen der Mikrobröcken srwischcn 8 K und ^c.,\ K erreich» worden. Ocgcittibcr der kritischen Temperatur von massivem Niob, die bei etwa 9,3 K liegt, sind die kritischen Tempcnttaren dieser Mikrobräcken daher kaum abgesenkt Dies is* wohl darauf wjrScfc zuführen, daß wmerhaft) der wiristförroige« Erhebung S beim Abätxen nur noch ein ttrsprüngfccfo sehr tief in der Niobschtdn liegender Te» ah Material Tor die N«»bbröckc H) verbleibt der beim Ziehen der Kraiz^ur Ϊ kaum geston

Beispiel 2

Im folgenden Ausführungsbcispict wird die Ausführungsform des crfindungsgcmäßcn Verfahrens näher erläutert, bei der zunächst in der Schicht aus Stipraicitennatcrial ein senkrecht /ur Richtung der herzustellenden Brücke verlaufender <jraben gebildet und anschließend m Richtung der Brücke eine den drüben kreuzende Kral/spur gezogen wird.

Zunächst wird wiederum auf eine Spinellunterlagc 2i eine 0,5 μπι dicke Niobschicht 22 in an sich bekunnfoi Weise aufgesplittert. In die Niobschicht 22 wird dann wie in Fig. 7 im Schnitt und in Fig. 8 in Draufsich dargestellt ist, mit einem geeigneten Werkzeug 23 beispielsweise einem spitzen Wolframdrahi, ein senkrecht zur Richtung der herzustellenden Brücke verlaufender Graben 24 gezogen. Dabei ist es nicht

ίο erforderlich, daß an einer Seite oder an beiden Seiler des Grabens 24 wulslförmige Erhebungen gebildei werden. Falls solche Erhebungen beim Ziehen de* CJrabens entstehen, wirken sie sich jedoch nicht nachteilig aus. Der Graben 24 kann vorteilhaft etwa OJ bis 0.3 μιιι tief sein. Anschließend wird, wie in i\cn F i g. 4 und 10 dargestellt ist, mit einer Wolfranispitze 25 eine in Richtung der Brücke verlaufende, den Graben 24 kreuzende Kratzspur 26 in der Niobschichi 22 gezogen, die tiefer ist als der Graben und vorzugsweise etwa 0,4 μm tief sein kann. Beiderseits dieser Kral/spur entstehen sowohl im Graben 24 als auch außerhalb des Grabens 24 wulstförmige Erhebungen 27 und 28. von denen wiederum die wulstförmigc Erhebung 27 etwas höher ist als die wulstförmige Erhebung 28. Nachdem die Kratzspur 26 gezogen ist. wird dann die gesamte Nioboberfläche so lange geätzt, bis zwischen den beiden durch den Graben 24 getrennten Flächcnslücken der Niobschicht mit Ausnahme eines Restes 29 der wulstförmigen Erhebung alles Supraleiiermaterial ent-

femt ist. Der Endzustand ist in den Fig. 11 und 12 dargestellt, die deutlich erkennen lassen, daßder Rest 29 der wulstförmigen Erhebung eine Mikrobrücke zwischen den durch den Graben 24 voneinander getrennten Flächenteilen der Niobschicht 22 bildet. Zum Ätzen wird die gleiche Ätzlösung verwendet, wie bei Beispiel I. Allerdings beträgt die zum Durchätzen des Grabens 24 erforderliche Ätzzeit nur etwa 5 bis 7 Minuten, da die Dicke der Niobschicht im Graben 24 wesentlich geringer ist als die Dicke der bei Beispiel I durchzuätzenden Niobschicht. Die restliche Niobschichi 22 wird zwar durch das Ätzen ebenfalls dünner, dies wirkt sieh jedoch nicht störend aus. Wie das Ausführungsbeispiel zeigt, hat diese Aiisführiingsform des Verfahrens den Vorteil, daß ein Abdecken der Niobschicht mit einer Schutzschicht nkht erforderlich ist. Außerdem ist es insbesondere zur Herstellung von sehr kurzen Mikrobrücken geeignet, da sich der Graben 24 bei hinreichend spitzem Werkzeug 23 sehr sehnwl halten laß*. Es konnten Stücken mit Längen bis herunter

zu 0.25 um hergestellt werden. Form und Tiefe bzw. Höhe der Gräben und WSlste kann während der einzelnen Vcrfahrensschriue wiederum mikroskopisch beobachtet b/w. durch tnterferenzmessungen kon*roliiert werden. Zar Feineinstellung des kritischen Stromes

kann der Querschnitt der vtrbtea>eeden MWcKstorfickc 29 ebenso wie bei Beispiel I dwch Ätzen ©der anodjsvhes Oxidieren weiter vcrrmgert werden. Aof diese Weise lassen sjeti wiederum kreische Ströme zwischen TOaA und Η»μΑ bei einer Temperatur von

6a 12 K cinsteJfcst Ke etektrisenen Widerstände der m nonwaSeitenden Zustand beiradbehen Müc«*riickcB fegen bei HcrstdRong nach Beispiel 2 bei einer Temperatur von etwa 93 K zwischen etwa 25 und 150 Ω. fhe kritischen Temperateren der Mikrobröcken

«5 lagen /wischen etwa 6 and 6.7 K und sind gegenüber der kritischen Temperatur von massivem Niob etwas stärker abgesenkt afc beim Verfahren nach Beispiel 1. Die* ist möglicherweise darauf zurückzaftiihren. daß

beim Verfahren nach Beispiel 2 insbesondere an der Kreu/.ungsslcllc zwischen Graben und Kral/spur die Struktur der Niobschiehl etwas stärker gestört wird, als dies beim Verfahren nach Beispiel I der Fall ist. Dennoch sind die erreichten kritischen Temperaturen hoch genug, um einen Betrieb der Mikrobrücken bei 4.2 K zu gestatten.

Gegenüber den beiden Ausrührungsbeispielen kann das erfindungsgemäße Verfahren noch vielfällig variiert werden. Beispielsweise brauchen die wulslförmigen Erhebungen beiderseits der Krat/.spur nicht unterschiedlich hoch zu sein, obwohl dies natürlich vorteilhaft ist. Falls bei gleich hohen wulstförmigen Erhebungen auch nach dem Ätzen noch zwei derartige Erhebungen verbleiben, kann man die eine beispielsweise mit einem geeigneten Kratz- oder Schneidewerkzeug durchirennen. Ferner kann man beim crfindungsgcmäßen Verfahren zunächst auch mehrere in Brückenrichtung

verlaufende Kral/spuren im Abstand von etwa I nun nebeneinanderlegen, dann bis zur Bildung mehrerer Mikrobrücken ätzen, schließlich die beste Mikrobriicke aussuchen und die anderen tlurchircnncn. Ferner kann man auch auf einer Unterlage Mikrobrücken für mehrere Bauelemente gleichzeitig herstellen und die Bauelemente anschließend voneinander trennen. Man kann sogar in Abwandlung des Beispieles 2 den Graben 24 durch mechanische Einwirkung oder durch Abätzen so tief machen, daß er die Unterlage 21 erreicht, und erst dann eine den Graben kreuzende, in Briickenriehtung verlaufende Kratzspur in die Niobschiehl ziehen. Wegen der geringen Breite des Grabens wird dabei aus der Niobschieht hinreichend viel Niob über den Graben verschleiß, um eine Mikrobriicke zu bilden. Allerdings sind diese Brücken verhältnismäßig empfindlich und bezüglich ihrer Eigenschaften nicht besonders gut reproduzierbar.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (9)

1. I ': ι■:

   24 5S

   Patentansprüche:

   ^ I. Verfahren zum Herstellen von supraleitfähigen Mikrobrüeken zwischen zwei auf einer Unterlage befindlichen, scbichtförmigcn, supraleitfähigen Hächenstücken. dadurch gekennzeichnet, daß in einer auf einer nicht supraleitfähigen Unterlage befindlichen Schicht aus Supralcitermaierial durch mechanische Enwirkisng wenigstens eine in Richutiig der herzustellenden Brücke verlaufende wulstförnyge Erhebung, gebildet und zwischen den zu verbmctoädjen piejienstueken ein SnJ wesenili-~ l chen serifecht zur Brückenrichlung yerlaufender Zwischenraum erzeugt undsehließlich durch Verringerung des supraleitfähigen Querschnitts der wuistförmigen Erhebung der kritische Strom der Brücke eingestellt wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch I. dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung der wulstförmigen Erhebung eine in der Schicht in Richtung der herzustellenden Brücke verlaufende Kral/spur gc zogen wird.
3. i. Verfahren nach Anspruch 2. dadurch gekennzeichnet, daß zunächst die in Richtung der herzustellenden Brücke verlaufende Kratzspur gezogen, anschließend die Schicht aus Supraleitermatcrial bis auf einen senkrecht zur Kratzspur verlaufenden, diese kreuzenden Streifen mit einer ätzfesten Schutzschicht versehen und dann wenigstens so lange geät/.t wird, bis zwischen den beiden von der Schutzschicht bedeckten Flächenslücken mit Ausnahme eines Restes der wulstförrnigcn Erhebung alles Supraieitermaterml entfernt ist.
4. 4. Verfahren nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß als Schutzschicht eine Schicht aus Photorcsistlack aufgebracht wird.
5. 5. Verfahren nach Anspruch 2. dadurch gekennzeichnet, daß zunächst in der Schicht aus Supralcitcrmatcrial ein senkrecht zur Richtung der herzustellenden Brücke verlaufender Graben gebildet, anschließend in Richtung der Brücke eine den Graben kreuzende, wenigstens eine wulstförmigc Erhebung bildende Kratzspur mit größerer Tiefe als der Gruben gezogen und dann wenigstens so lange gcät/t wird, bis /wischen den beiden durch den Graben getrennten Mächcnstücken mit Ausnahme eines Restes der wulslförmigen Erhebung alles Supralcilcrmalcrial entfernt ist.
6. b. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der supraleitfähig Querschnitt der wulstförmigen Erhebung zur Einstellung des kritischen Stromes der Brücke durch Äi/cn verringert wird.
7. 7. Verfahren nach einem der Ansprüche I bis 5. dadurch gekennzeichnet, daß der supraleitfähigc Querschnitt der wulstförmigen Erhebung z.ur Einstellung des kritischen Stromes durch anodisches Oxidieren verringert wird.
8. 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, öo dadurch gekennzeichnet, daß als Ausgangsmatcrial eine auf eine Spinclluntcrlage aufgebrachte Niobschichl verwendet wird.
9. 9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Niobschicht auf die Spinellunterlage aufgesputtert wird.

   Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen «on supraleitfäWgcEr iajkrobrikken zwischen zwei auf Hmep JUntcdage !»esfinqßchert, schiehtförmigcn, supraleitfähigen HäAensläefeen.

   Unter einer zavel Supraleiter verbindenden Mikrobrücke, häufig auch »weak link« genannt, versteht man «in Gebiet, dessen kritischer Strom wesentlich kleiner ist als der kritische Strom der durch die Brücke verbundenen Supraleiter selbst und in das ein von außen angelegtes Magnetfeld eindringen kann. Wenn die wirksame Länge der Mikrobrücke hinreichend klein ist, können die im supraleitenden Zustand vorliegenden Elektroneopaare, die sogenannte Coopcr-Paare, von einem Supraleiter über die Mikrobrücke in den anderen Supraleiter übertreten und es können an dcrMikrobrükke die als Josephson-Effekte bekannten Erscheinungen Ijeobachiet werden. (VgL zum Beispiel zur Einführung das Buch von A.C. Rose-lnnes und E. H. Rhoderick. »Introduction to Superconductivity«, Oxford [Pergamon], 1969. S. 153 bis 169 und für Einzelheiten das Buch von L. S ο 1 y m a r, »Superconductive Tunneling and Applications«, London [Chapman & Hall], 1972. in welchem insbesondere auf den S. 133 bis 233 und 344 bis 351 die physikalischen Grundlagen, auf den S. 234 bis 243 und 351 bis 352 verschiedene Herstellungsverfahren und auf den S. 244 bis 29b und 352 bis 357 eine Reihe von Anwendungs möglichkeiten erläutert sind.)

   Supraleitende Bauelemente mit Mikrobrücken eignen sich insbesondere zu Meßzwecken und können beispielsweise zur Bestimmung der fundamentalen Größe c/h, als Voltmeter oder insbesondere in Form von SQUIDstSuperconductive Quantum Interference Devices) als Magnetometer eingesetzt werden. Als weitere Anwendungsmöglichkeit wurden bereits der Einsatz als Schall- oder Speicherelemente in Datenverarbeitungsanlagen sowie zur Erzeugung und zum Empfang elektromagnetischer Mikrowellen diskutiert. Der kritische Strom, den eine Mikrobrücke aufweisen soll, hängt vom jeweiligen Anwendungszweck ab. Bei Magnetometern (SQl)IDs) soll er beispielsweise bei der Arbeitstemperatur von wenigen Kelvin etwa IO bis 100 μ Α betragen. Zur Anwendung von Mikrobrücken bei Hochfrequenz ist außerdem ein olimscher Widerstand der Mikrobrücke von einigen 100 Ω. gemessen im normalleitenden Zustand der Brücke aber bei tiefer Temperatur, erwünscht, also ein Widerstand in der Niihc des Wellenwiderslandcs des Vakuums.

   Für Mikrobrücken sind bereits eine Reihe von Herstellungsverfahren bekanntgeworden. Beispielsweise kann man eine feine Niobspitze auf eine ebene Niobflache aufsetzen und so einen Punkikontakt mit den Eigenschaften einer Mikrobrücke erzeugen (lournal of Applied Physics 41 [1970], S. 1572 bis 1580; US-PS 37 58 854). Derartige Punktkontakte können bei geeigneter Ausgestaltung des jeweiligen Bauelementes zwar verhältnismäßig unempfindlich gegen die thermischen Kontraktionen bzw. Ausdehnungen beim Abkühlen auf die tiefe Betriebstemperatur und beim Wiedererwärmen gemacht werden. Jedoch sind die elektrischen Eigenschaften solcher Kontakte nicht völlig unempfind- ' lieh gegen Erschütterungen. Insbesondere haben solche Punktkontaktc jedoch den Nachteil, daß ihre mechanische Einstellung bereits vor der Abkühlung, also noch bei Raumtemperatur, erfolgen muß und im abgekühlten Zustand nicht mehr geändert werden kann. Die Einjustierung des kritischen Stromes eines solchen Punktkontaktcs ist daher mit einigen Schwierigkeiten