專利名稱：超導臺階結制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種超導臺階結的制備方法。屬于超導電子學領域。
背景技術：
超導約瑟夫遜結(Jos印hson junction)是兩塊超導體之間通過約瑟夫遜效應相 互耦合形成的一種結型結構。超導約瑟夫遜結是超導電子學的核心器件和基礎。對于高 溫超導體來說，常見的約瑟夫遜結包括以下幾類臺階結(St印-edge junction)、雙外延 結(Bi-epitaxial junction)、雙晶結(Bi-crystal junction)、邊緣結(Ramp junction)、 本征結(Intrinsic Josephson junct ion)等H. Hilgenkamp and J. Mannhart, Review ofModern Physics 74，(2002),485]0臺階結是一種簡單易行的高溫超導約瑟夫遜結的實 現(xiàn)方式?？梢杂糜诟哳l信號檢測、SQUID應用等。臺階級是高溫超導幾種弱連接結之一。傳統(tǒng)的臺階結制備是將高溫超導薄膜生長 在臺階襯底上形成的，在臺階邊緣，高溫薄膜的超導電性能會發(fā)生弱化，從而形成超導弱連 接結。傳統(tǒng)超導臺階結的實現(xiàn)通常包括以下三個步驟(1)制備臺階襯底；(2)在臺階襯底 上通過磁控濺射或脈沖激光沉積方式生長高溫超導薄膜；(3)利用光刻和刻蝕在臺階邊緣 構造實現(xiàn)微橋式結構，從而形成超導臺階結。傳統(tǒng)方法制備的臺階結一方面必須依賴高性能的薄膜生長設備，另外一方面臺階 結質(zhì)量和超導薄膜性能和微區(qū)結構密切相關。而外延生長的薄膜通常呈現(xiàn)顆粒膜特性，及 平行于襯底的平面內(nèi)通常包含很多不可控的顆粒邊界，這使得微區(qū)性能難以控制。因此傳 統(tǒng)的臺階結的均勻性、一致性及重復性比較差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于一種超導臺階結的制備方法。具體的說，本發(fā)明利用連續(xù)剝離 的方式，獲得高溫超導單晶材料。當它的厚度只有幾十到幾百納米時，它可以很好的吸附于 各種襯底表面。本發(fā)明制備具有周期性臺階結構的臺階襯底，將薄的超導單晶吸附于臺階 襯底表面，再利用微納加工工藝就可以在具有臺階結構的超導單晶上構造微橋式結構即可 形成臺階結。本發(fā)明所述的超導臺階結的制備方法是(1)臺階襯底制備選用合適的襯底材料，常用的用于超導薄膜生長的絕緣襯底 材料均可以，例如Mg0、SrTi03、LaA103> Al2O3等。還有一種比較合適的襯底材料是硅襯底 上生長一層氧化硅層(Si02/Si，也即SOI材料)，這樣的襯底可以為超導單晶提供很好的光 學對比度。將所選擇的襯底材料進行光刻，形成光柵結構，再利用離子束刻蝕方式刻蝕襯底 上未被光刻膠保護的部分。去除光刻膠后，襯底表面上即形成了周期性的臺階結構。臺階 的周期特性由光柵結構決定，通常周期為幾個微米到幾十個微米。臺階的高度由離子束刻 蝕的能量和刻蝕時間決定。通常高度為幾個納米到幾百個納米。上述為常用的臺階襯底制 備方式，其它方式制備的臺階襯底亦可，比如采用耐刻蝕的金屬掩膜做保護，也可以構造類
4似的周期性臺階結構。(2)超導單晶薄片準備選取臨界溫度Tc > 85° K的高性能的超導單晶材料，比 如Bi2Sr2CaCu2CVx (BSCCO)，典型臨界溫度在約86K。將這樣的單晶材料采用普通的剝離方 式獲得大小約一個毫米見方的單晶薄片，典型厚度為40-60微米左右。剝離可采用常見的 Scotch膠帶或者PE保護藍膜。將這樣的單晶薄片粘在一片膠帶上，再利用另外一片膠帶 剝離，這樣單晶薄片會一分為二，分別有部分位于不同的膠帶上。利用這樣的方法重復多 次。多次剝離后，膠帶或PE保護藍膜上會有很多肉眼無法分辨的大小和厚度均不一的單晶 薄片。將這樣的膠帶或PE保護藍膜粘貼于臺階襯底表面再撕下，會有很多單晶薄片粘附于 襯底表面。單晶薄片和襯底之間的作用力通常被認為是分子間作用力。這些單晶薄片大小 從幾個微米到幾十個微米不等，厚度從幾個納米到幾百個納米不等。由于襯底上有重復性 的周期臺階結構，因此，總能確保有超導單晶薄片會落在臺階上面，總能橫跨過至少一個臺 階。由于單晶薄片和襯底之間的吸附作用力足夠強，會出現(xiàn)單晶薄片和臺階襯底相同的形 貌特性，因而使超導單晶薄片也出現(xiàn)了臺階結構。(3)保護和選擇利用熱蒸發(fā)或者電子束蒸發(fā)的方式蒸發(fā)一層金屬層以保護樣 品，通常可選擇金，典型厚度為幾十納米。然后可以利用原子力顯微鏡或者形貌測試儀分析 單晶碎片的厚度和大小。根據(jù)需要選擇合適大小和厚度的單晶用于臺階結制備。通常選擇 邊長為幾十個微米大小的單晶薄片，厚度為幾十個納米到一兩百個納米。并且確保其跨過 至少一個臺階，并且臺階兩邊有足夠的大小面積用于電極制備。(4)臺階結制備首先通過光刻和離子刻蝕或酸刻的方式構造超導單晶微橋，微 橋跨過臺階。離子束刻蝕的能量和時間由超導單晶的厚度和電極的厚度決定。如果采用酸 刻，通?？梢圆捎觅|(zhì)量百分濃度為1 %左右濃度的稀鹽酸。光刻膠保護以外的超導單晶和金 屬層全部被刻蝕掉。如果需要，還可以再蒸發(fā)一層厚度約為單晶和金屬層厚度之和的絕緣 層，從而避免單晶和襯底高度差。去除光刻膠后再生長一層金屬層，通過光刻和離子束刻蝕 的方式構造電極。臺階邊緣的兩側分別有兩個電極。從而可以利用四引線方式實現(xiàn)臺階結 的偏置和測試。綜上所述，本發(fā)明公開了一種高溫超導臺階結制備方法。采用高溫超導單晶薄片 代替超導薄膜，將超導單晶通過連續(xù)剝離的方法實現(xiàn)厚度為幾十到幾百納米厚的超薄單 晶。再將所述的超薄單晶附著于臺階襯底之上。由于臺階襯底和所述的超薄超導單晶之間 的強互相吸引力，所述的超薄超導單晶將會緊密附著于臺階襯底之上，從而超薄超導單晶 也會在襯底臺階附近呈現(xiàn)臺階解雇，最后再利用微加工工藝構造微橋結構，成為一定寬度 的超導臺階結。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的顯著優(yōu)點是(1)無需復雜的薄膜生長工藝，采用非常 少量的超導單晶即可實現(xiàn)；(2)單晶材料的超導性能要比薄膜材料好。


圖1 利用光刻膠做掩膜的周期性臺階結構襯底制備工藝和臺階結構示意圖。圖2 臺階襯底上的超導單晶光學照片和臺階儀測試樣品表面形貌。圖中(a) (b) (c) (d)分別為4個樣品圖片，對應的表面掃描線圖為(e) (f) (g) (h)。其中(a)襯底臺階高 度為17nm，周期為16 μ m ；其余三個襯底臺階高度均為40nm，周期為8 μ m。四個樣品中單晶高度分別為90，75，90，140nm。單晶表面的臺階高度和襯底臺階高度基本一致。圖3:臺階結結構示意圖(俯視)。
具體實施例方式1、利用浮區(qū)法生長出高質(zhì)量的高溫超導BSCCO單晶，典型臨界溫度Tc > 85K ；2、利用光刻和離子束刻蝕方式實現(xiàn)周期性臺階襯底。襯底選用Si02/Si，其中SiO2 層約300nm厚，臺階高度為10_200歷。圖1中，從上往下分別代表寬束Ar離子、具有光刻膠 臺階圖形的襯底以及準備好的臺階襯底。3、利用膠帶和藍膜剝離獲得大量超導單晶薄片并粘附于臺階襯底表面，見圖2 ；4、蒸發(fā)一層50納米左右Au層于單晶表面上，選擇尺寸大于20微米X 20微米的 超導單晶薄片，并跨過臺階襯底，典型厚度為20-200納米。這樣的超導單晶薄片可用于臺 階結制備；5、采用光刻方式構造微橋結構，微橋寬度通常為從亞微米到幾十個微米。然后使 用Ar離子束刻蝕，形成微橋結構的單晶，微橋橫跨臺階。刻蝕速率通常為1-lOnm/min，低 速刻蝕可以避免過熱從而影響單晶的性能。然后蒸發(fā)一層厚度和單晶薄片及金屬層厚度之 和相當?shù)慕^緣層材料CaF2。超聲清洗方式去除殘余的光刻膠。再蒸發(fā)一層Au層(厚度約 150納米)，光刻形成電極結構，離子束刻蝕形成有效電極圖形?？涛g速率同上。刻蝕時間 根據(jù)單晶上金屬層厚度來確定。再采用超聲清洗方式即可除去多余的光刻膠，從而形成帶 有電極結構的超導臺階結(見圖3)。
權利要求
一種超導結的制備方法，其特征在于采用高溫超導單晶代替超導薄膜，將超導單晶通過連續(xù)剝離的方法實現(xiàn)厚度為幾十到幾百納米厚的超薄單晶，再將所述的超薄單晶附著于臺階襯底之上；利用臺階襯底和超導單晶之間的互相吸引力，使所述的超薄超導單晶緊密附著于襯底之上，從而超薄超導單晶在襯底臺階附近呈現(xiàn)臺階結構，最后再利用微加工工藝構造微橋結構，形成超導臺階結。
2.按權利要求1所述的方法，其特征在于包括以下各步驟a)臺階襯底制備使用超導薄膜生長的材料作為襯底或SOI材料作為襯底，然后在所 選擇的襯底上進行光刻，形成光柵結構，再利用離子束刻蝕方式刻蝕襯底上未被光刻膠保 護的部分；去除光刻膠后，襯底表面上即形成了周期性的臺階結構，臺階的周期特性由光柵 結構決定；b)超導單晶薄片的剝離并吸附于臺階襯底將T。> 85° K的超導單晶材料采用普通的剝離方式獲得大小為一個毫米見方的單晶 薄片，剝離是采用Scotch膠帶或者PE保護藍膜；使單晶薄片粘在一片膠帶上，再利用另外 一片膠帶剝離，使單晶薄片一分為二，分別有部分位于不同的膠帶上，利用這樣的方法重復 多次；多次剝離后，膠帶或PE保護藍膜上會有很多肉眼無法分辨的大小和厚度均不一的單 晶薄片；然后再將膠帶或PE保護藍膜粘貼于步驟a制備的臺階襯底表面再撕下，使很多超 導單晶薄片粘附于襯底表面；超導單晶薄片和臺階襯底具有相同的形貌特性，從而使超導 單晶薄片也出現(xiàn)了臺階結構；c)保護和選擇利用熱蒸發(fā)或者電子束蒸發(fā)的方式蒸發(fā)一層Au金屬層以保護步驟b 制作的臺階結構，然后利用原子力顯微鏡或者形貌測試儀分析單晶碎片的厚度和大?。桓?據(jù)需要選擇合適大小和厚度的單晶用于臺階結制備；d)臺階結制備通過光刻和離子刻蝕或酸刻的方式構造超導單晶微橋，微橋跨過臺階。
3.按權利要求2所述的方法，其特征在于步驟a中作為襯底的超導薄膜生長的材料為 MgO、SrTiO3> LaAlO3 或 A1203。
4.按權利要求2所述的方法，其特征在于所述的臺階周期為幾個微米到幾十微米，臺 階的高度為從幾個納米到幾百納米，它由離子束刻蝕的能量和時間決定。
5.按權利要求2所述的方法，其特征在于利用剝離方法獲得的單晶薄片的厚度為 40-60微米。
6.按權利要求2所述的方法，其特征在于所述超導單晶薄片大小從幾個微米到幾十微 米，厚度從幾個納米到幾百納米。
7.按權利要求2所述的方法，其特征在于步驟c熱蒸發(fā)Au層厚度為幾十納米。
8.按權利要求1或6所述的方法，其特征在于所述超導單晶薄片為幾十微米，厚度為幾 十個納米到一兩百個納米，確保橫跨至少一個臺階，且臺階兩邊邊緣有足夠大小的面積用 于電極制備。
9.按權利要求2所述的方法，其特征在于超導單晶薄片與襯底之間作用力為分子間作 用力。
10.按權利要求2所述的方法，其特征在于步驟d)臺階結的制備時在形成微橋后，再 蒸發(fā)一層厚度和單晶薄片與金屬層厚度之和相當?shù)腃aF2絕緣層材料，超聲清洗殘余的光刻膠，再蒸發(fā)一層厚度為150納米Au層，光刻形成電極結構，離子束刻蝕形成有效電極圖形， 再采用超聲清洗方式去除多余光刻膠，從而形成帶有電極結構的超導臺階結。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種超導臺階結的制備方法，其特征在于采用高溫超導單晶代替超導薄膜，將超導單晶通過連續(xù)剝離的方法實現(xiàn)厚度為幾十到幾百納米厚的超薄單晶，再將所述的超薄單晶附著于臺階襯底之上；利用臺階襯底和超導單晶之間的強互相吸引力，使所述的超薄超導單晶緊密附著于襯底之上，使所述的超薄超導單晶在襯底臺階附近呈現(xiàn)臺階結構，最后再利用微加工工藝構造微橋結構，成為一定寬度的超導臺階結。包括以下步驟1)臺階襯底制備；2)超導單晶薄片的剝離并吸附于臺階襯底；3)保護和選擇；4)臺階結制備。本發(fā)明無需復雜的薄膜生長工藝，采用非常少量的超導單晶即可實現(xiàn)；單晶材料的超導性能要比薄膜材料好。
文檔編號H01L39/24GK101894906SQ201010202118
公開日2010年11月24日 申請日期2010年6月13日 優(yōu)先權日2010年6月13日
發(fā)明者尤立星, 江綿恒, 王興, 謝曉明 申請人:中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所