[發(fā)明專利]一種高溫超導(dǎo)Josephson雙晶結(jié)的制備方法

無效

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• 申請日: 2012-07-11
• 公開（公告）號: CN102738381A
• 公開（公告）日: 2012-10-17
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 許偉偉;花濤;安德越;陳健;吳培亨
• 申請（專利權(quán)）人: 南京大學(xué)
• 主分類號: H01L39/24
• 分類號: H01L39/24
• 代理公司: 南京蘇高專利商標(biāo)事務(wù)所(普通合伙) 32204
• 代理人: 邱興天

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及超導(dǎo)Josephson結(jié)的制備方法，具體涉及一種高溫超導(dǎo)Josephson雙晶結(jié)的制備方法。

背景技術(shù)

超導(dǎo)Josephson雙晶結(jié)又稱為弱連接結(jié)。所謂弱連接是指兩塊超導(dǎo)體通過某種方式形成弱耦合的結(jié)構(gòu)。Josephson曾預(yù)言在超導(dǎo)體—絕緣體（勢壘層）—超導(dǎo)體（SIS）隧道結(jié)結(jié)構(gòu)中，兩側(cè)超導(dǎo)體通過勢壘層相互耦合，當(dāng)勢壘層足夠薄時將會出現(xiàn)奇特的物理現(xiàn)象，即Josephson效應(yīng)。事實上，Josephson效應(yīng)不僅發(fā)生在SIS型超導(dǎo)隧道結(jié)上，而且可以在其他多種類型的弱連接結(jié)構(gòu)上觀察到。高溫超導(dǎo)發(fā)現(xiàn)至今，已經(jīng)發(fā)展出許多人工可控的高溫超導(dǎo)Josephson雙晶結(jié)技術(shù)，比較成功的有雙晶晶界結(jié)、臺階襯底結(jié)、臺階邊緣結(jié)、雙外延結(jié)和鄰近效應(yīng)結(jié)。

超導(dǎo)Josephson雙晶結(jié)是利用雙晶襯底上外延生長高溫超導(dǎo)薄膜，形成人工晶界而構(gòu)成的弱連接結(jié)。D.Dimos等人首先成功制備了雙晶結(jié)。實驗表明超導(dǎo)薄膜跨越雙晶晶界的電流密度Jc比無晶界區(qū)域的電流密度低2-3個數(shù)量級，因此可以利用這一特點構(gòu)成弱連接結(jié)。與其他高溫超導(dǎo)薄膜結(jié)相比，由于雙晶襯底已經(jīng)商品化，雙晶結(jié)制備工藝比較簡單，結(jié)特性一致性比較好，成品率高，重復(fù)性好，結(jié)太赫茲頻率響應(yīng)高，被廣泛應(yīng)用。

高溫超導(dǎo)Josephson雙晶結(jié)，是利用在雙晶襯底基片上生長的一層高溫超導(dǎo)薄膜，在晶界處刻蝕出微橋結(jié)構(gòu)形成弱連接。整個制備工藝流程大致可分為制備雙晶基片、生長高溫超導(dǎo)薄膜、熱蒸發(fā)銀電極、光刻微橋圖形、刻蝕薄膜這五個主要工藝步驟，其中光刻微橋圖形后的刻蝕工藝非常重要，通常有兩種方法，一種是濕刻的方法，即采用弱酸如磷酸進行刻蝕，此種方法刻蝕速率快，基本不需要專門設(shè)備，刻蝕過程中需要用酸性腐蝕液體，刻蝕方向性不好，不僅存在縱向刻蝕還存在橫向刻蝕，這樣影響刻蝕的精度，同時對于接觸酸性腐蝕液的界面上，薄膜的超導(dǎo)特性發(fā)生退化，因此在刻蝕細小圖形時一般不采取此種方法。另一種是干刻的方法，也就是采用高能量離子（如氬）轟擊的方法，此方法刻不需要腐蝕液體不接觸水，刻蝕方向性好，刻蝕精度高，但是刻蝕速率慢，同時需要專用的離子刻蝕設(shè)備。

目前，常用于制備高溫超導(dǎo)Josephson雙晶結(jié)的超導(dǎo)薄膜有Y（YBaCuO）系、Tl（TlBaCaCuO）系兩種。YBaCuO薄膜的轉(zhuǎn)變溫度Tc為90K，Y系薄膜易與水會發(fā)生反應(yīng)，制備雙晶結(jié)過程中應(yīng)盡量避免使用水的工藝，同時制備出的超導(dǎo)器件也會因不斷吸收空氣中的水汽使結(jié)參數(shù)逐步下降。并且YBaCuO在高溫非氧環(huán)境下也極易失氧，對膜特性造成負面影響，使其轉(zhuǎn)變溫度、臨界電流等特性參數(shù)值降低。Tl系薄膜的轉(zhuǎn)變溫度Tc高達125K，且抗水汽能力強，穩(wěn)定性好。如果使用Tl系薄膜，則能使結(jié)的性能更加穩(wěn)定，大大提高Josephson雙晶結(jié)的抗水汽能力，延長超導(dǎo)器件的使用壽命。同時更高的Tc也會讓結(jié)在液氮下的非線性更好。

TlBaCaCuO薄膜在制備中由于工藝的要求，一般的都采用先做先驅(qū)膜再后處理的制備工藝。因此，制備的薄膜比較厚約為300nm。如用TlBaCaCuO薄膜雙晶結(jié)，在刻蝕微橋工藝中用前面所述的離子刻蝕的方法，由于刻蝕時間長引起樣品溫度過高，不僅影響結(jié)的超導(dǎo)特性，同時溫度過高也會使光刻膠變性，很難去除。如果在刻蝕微橋工藝中用前面所述酸刻工藝，當(dāng)薄膜厚度為300nm時，其側(cè)向腐蝕將大于600nm，同時考慮腐蝕面上超導(dǎo)材料在界面性能退化問題，要刻蝕出1-2μm橋?qū)挼奈颍眠@個工藝是很難做到的，不能滿足使用需求。

發(fā)明內(nèi)容

發(fā)明目的：針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明的目的是提供一種高溫超導(dǎo)Josephson雙晶結(jié)的制備方法，以實現(xiàn)有效解決單純用酸刻工藝時側(cè)向腐蝕嚴(yán)重問題的同時，避免單純用離子刻蝕工藝時長時間溫度過高的問題，使得高溫超導(dǎo)Josephson雙晶結(jié)性能不衰退，具有良好超導(dǎo)Josephson效應(yīng)，滿足使用要求。

技術(shù)方案：為了實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

一種高溫超導(dǎo)Josephson雙晶結(jié)的制備方法，包括以下步驟：

（1）采取先做先驅(qū)膜再進行后處理的方式或其他方式，在雙晶基底片上制備超導(dǎo)薄膜；

（2）采用真空熱蒸發(fā)鍍銀的方法，在超導(dǎo)薄膜上蒸鍍銀膜電極；

（3）在蒸好銀的薄膜上制備出掩膜圖形：在超導(dǎo)薄膜上甩上一層AZ正性光刻膠，曝光、顯影后得到微橋圖形；

（4）將光刻顯影好的掩膜圖形樣品，放入稀磷酸中刻蝕薄膜；

（5）采用脈沖式刻蝕對磷酸刻蝕后的樣品進行離子刻蝕；

（6）用丙酮去除光刻膠；