專利名稱：直流驅(qū)動(dòng)型超導(dǎo)量子干涉儀元件及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于例如生物的磁性測(cè)定和磁性探測(cè)等微小磁場(chǎng)的測(cè)定的DC-超導(dǎo)量子干涉件(以下簡(jiǎn)稱DC-SQUID)。
作為約瑟夫遜結(jié)的形狀，人們已知的有準(zhǔn)平面型的。準(zhǔn)平面型約瑟夫結(jié)的構(gòu)造是這樣的，即在下部電極的上面通過(guò)壁壘層而形成上部電極，其下部電極和上部電極的表面通過(guò)電橋相互脆弱地連接。
在這樣的準(zhǔn)平面型約瑟夫結(jié)中，由于它的弱連接(結(jié))長(zhǎng)度是由夾在上部電極和下部電極間的壁壘層的厚度決定的，因此與平面上需要精密加工的平面型約瑟夫結(jié)相比，有利之處是其弱連接長(zhǎng)度是由調(diào)整比較容易控制的膜厚來(lái)確定的。
圖7是表示已有的具有準(zhǔn)平面型約瑟夫結(jié)的DC-SQUID元件的構(gòu)造的一個(gè)例子中的各層間絕緣層及壁壘層的透視圖。圖7(a)是整體平面圖，圖7(b)是它的B部放大圖。
在該例中，DC-SQUID是一種將總共4層超導(dǎo)薄膜層疊起來(lái)的結(jié)構(gòu)，在基板上的最下層形成調(diào)制線圈1和輸入線圈2，在它們的上層形成輸入線圈用的引出電極2a和接地平面3，再上面一層形成SQUID環(huán)4，最上層形成反電極5。
而且，SQUID環(huán)4和反電極5是通過(guò)設(shè)在它們之間的壁壘層(圖中未示出)、并由在電極5的上方且跨越它的兩側(cè)形成的電橋6在兩處相互脆弱連結(jié)，從而在這里得到兩個(gè)約瑟夫遜結(jié)7a和7b。
上面的結(jié)構(gòu)，過(guò)去是利用例如8到

圖11的平面圖所表示的步驟制造的。而且，在這些圖中也省略將各層間的絕緣層及壁壘層透視出來(lái)。
首先，在基板上制成Nb等類型的超導(dǎo)薄膜，再通過(guò)對(duì)該膜的圖案成形(Patterning)得到調(diào)制線圈1和輸入線圈2。圖8表示了它們的情況。
其次，在形成層間絕緣層和觸點(diǎn)后，同樣在它的上方制成超導(dǎo)薄膜，通過(guò)該膜的圖案成形而構(gòu)成接地平面3和輸出線圈用的引出電極2a，圖9表示了它們的情況。
然后，通過(guò)形成層間絕緣層及接觸孔(觸點(diǎn))后，在其上制成超導(dǎo)薄膜，并通過(guò)對(duì)它的圖案形成，就形成了如圖10所示的SQUID環(huán)4。
然后將該SQUID環(huán)4作為下部電極，并在其全部表面形成壁壘層，之后，在該壁壘層的上方制成超導(dǎo)薄膜，通過(guò)該膜的圖案成形得到兼作上部電極的反電極5，如圖11所示。
最后，再?gòu)乃纳戏街圃斐瑢?dǎo)薄膜，形成圖7所示圖案的電橋6。
可是，在隧道(tunnel)型約瑟夫遜結(jié)元件等場(chǎng)合中，由于不可能調(diào)整元件制成后的臨界電流值，因而上述各層的制作順序并特別成問(wèn)題。然而，在準(zhǔn)平面型約瑟夫遜結(jié)元件中，可利用陽(yáng)極酸化等方法一邊監(jiān)測(cè)一邊調(diào)整臨界電流值，因此，為了發(fā)揮該優(yōu)點(diǎn)，希望最后制成電橋6。
上述已有技術(shù)的元件構(gòu)造和制造方法，在這一點(diǎn)上是符合理論的。用來(lái)制作約瑟夫遜結(jié)的下部電極和上部電極的SQUID環(huán)4和電極5是在調(diào)制線圈1和輸入線圈2的上方形成的，且在這些膜上面的最上層形成電橋6。
另一方面，在將這些膜多層積疊的情況下，不可避免的是越上層的膜，其膜面的平坦性和膜質(zhì)越差。
在準(zhǔn)平面型約瑟夫遜結(jié)元件中，下部電極(上述例子中的SQUID環(huán))的平坦性及膜質(zhì)(膜的質(zhì)量)對(duì)其上方的與上部電極(上述例子中的反電極5)保持絕緣，并同時(shí)決定弱結(jié)長(zhǎng)度的壁壘層的好壞給予很大影響的。從這種觀點(diǎn)出發(fā)，則如下的想法也可成立，即如果想拋棄能調(diào)整臨界電流值這一準(zhǔn)平面型約瑟夫遜結(jié)元件的優(yōu)點(diǎn)，那么最好是將下部電極和上部電極盡可能放置在元件內(nèi)的下層側(cè)面，而且最極端的做法是將約瑟夫遜結(jié)設(shè)置在最下層。
圖1是表示本發(fā)明的實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖;其中(a)是層間絕緣層及壁壘層的透視平面圖;(b)及(c)是分別表示(a)圖的Ⅰ-Ⅰ斷面及Ⅱ-Ⅱ斷面的剖面圖;
圖2到圖6是本發(fā)明的實(shí)施例的制造方法的順序說(shuō)明圖。
本發(fā)明的目的是提供一種能滿足準(zhǔn)平面型約瑟夫?qū)O結(jié)元件中兩個(gè)互相矛盾的雙方的要求的DC-SQUID元件及它的制造方法。
為了達(dá)到上述目的，在本發(fā)明的DC-SQUID元件中，SQUID環(huán)或反電極的任一方應(yīng)形成在基板的最下層，而另一方則形成在最上層。并且，在上述兩層之間形成調(diào)制線圈和輸入線圈，但在最下層形成的膜(SQUID環(huán)或反電極)的上面的一部分應(yīng)設(shè)置一個(gè)不會(huì)形成調(diào)制線圈和輸入線圈以及它們的層間絕緣層的區(qū)域，在該區(qū)域通過(guò)壁壘層形成最上層膜(反電極或SQUID環(huán))，且在此通過(guò)電橋在兩處形成準(zhǔn)平面的約瑟夫遜結(jié)(部分)。
根據(jù)本發(fā)明的元件的結(jié)構(gòu)，因?yàn)闆Q定準(zhǔn)平面型約瑟夫遜結(jié)元件的弱結(jié)長(zhǎng)度的壁壘層是在基板的最下層上所形成的薄膜上形成的，所以它的平坦性及膜質(zhì)不會(huì)變差。同時(shí)，由于電橋是在元件的最上層的薄膜上形成的，因而也有可能進(jìn)行作為準(zhǔn)平面型約瑟夫遜結(jié)的結(jié)構(gòu)上的優(yōu)點(diǎn)的利用陽(yáng)極酸化法等的臨界電流值的調(diào)整。
另外，本發(fā)明的制造方法是制造上述構(gòu)造的SQUID元件的方法，該方法是在基板上形成SQUID環(huán)或反電極后，用保護(hù)膜覆蓋在它的膜上的，包含上述約瑟夫遜結(jié)部分的形成區(qū)域的附近的規(guī)定區(qū)域。其次，在它的最下層膜上構(gòu)成調(diào)制線圈及輸入線圈，然后，在即將形成最上層超導(dǎo)薄膜之前插入除去上述保護(hù)膜的工序。接著，在進(jìn)行最上層的薄膜制膜及圖案形成后，從它的上方形成電橋從而得到兩處約瑟夫結(jié)部分。
在該制造方法中，在用保護(hù)膜覆蓋最下層的薄膜的、含有應(yīng)形成約瑟夫結(jié)部分的區(qū)域的規(guī)定范圍的情況下，為了進(jìn)行其上方的調(diào)制線圈等超導(dǎo)薄膜的制膜、圖案形成及層間絕緣層膜的制膜等，那部分的薄膜不會(huì)受損害(damage)。
在該制造方法中，作為除去在保護(hù)膜上形成的例如Nb超導(dǎo)薄膜等制成的調(diào)制線圈、輸入線圈及SiO2(二氧化硅)等制成的層間絕緣層的方法，適合采用RIE(Reacfive Ion Etching)(活性離子蝕刻)或?yàn)R蝕(spuffering)法。
而且，作為保護(hù)膜的材料，應(yīng)選擇能承受上述處理并且可在制造最上層的薄膜之前很容易除去的材料。由于用濕蝕刻法除去保護(hù)膜較理想，因而能滿足上述條件的材料適合采用Al或MgO。
下面一面參照附圖，一面對(duì)本發(fā)明的較佳實(shí)施例作說(shuō)明。
如圖1(a)-(c)所表示，在該實(shí)施例中，在基板9的表面即最下層形成有SQUID環(huán)4。在它的上方，通過(guò)絕緣層10a形成有調(diào)制線圈1，它的引出電極11及輸入線圈2。進(jìn)而再在它們的上方通過(guò)絕緣層10b形成有接地平面3和輸入線圈用引出電極2a。
而在最下層SQUID環(huán)4的一端，在該薄膜的上方直接形成壁壘層11，且通過(guò)該壁壘層11形成有反電極5。再者，該反電極5的表面和SQUID環(huán)4的表面通過(guò)跨越它們的雙方而形成的電橋6，軟弱地連接著，并在該處的兩處地方形成有準(zhǔn)平面型約瑟夫遜結(jié)部7a及7b。
該結(jié)構(gòu)中應(yīng)注意的是，決定約瑟夫遜結(jié)部7a及7b的連接長(zhǎng)度的壁壘層11形成在屬于基板9上直接制膜而成的最下層膜的SQUID環(huán)4的正上方這一點(diǎn)，據(jù)此，不但壁壘層的平坦性變好，而且它的膜的質(zhì)量也更高。而且，由于電橋6與上述已有的元件相同，形成在元件的最上層部分，因此，也有可能進(jìn)行屬于準(zhǔn)平面型約瑟夫遜結(jié)元件的優(yōu)點(diǎn)的通過(guò)臨界電流值的陽(yáng)極酸化法等手段進(jìn)行的調(diào)整。
這種結(jié)構(gòu)的元件的較好的制造方法以下可參照?qǐng)D2到圖6的平面圖加以說(shuō)明。且為了說(shuō)明的方便，圖2到圖6省略了層間絕緣層10a和10b。
首先，在基板9上進(jìn)行超導(dǎo)薄膜的制膜后，對(duì)圖2所示的SQUID環(huán)4進(jìn)行圖案成形。接著，在SQUID環(huán)4上方應(yīng)形成約瑟夫遜結(jié)(部分)的位置處形成圖3所示的由Al膜構(gòu)成的保護(hù)膜8。
然后，從基板9的上方在整個(gè)范圍內(nèi)制造層間絕緣層10a(膜)的同時(shí)，形成必要的接觸孔(或觸點(diǎn))。接著，在它們的上方制成超導(dǎo)薄膜，并且將該薄膜進(jìn)行圖案成形后，再制造調(diào)制線圈1及它的引出電極1a及輸入線圈2。如圖4所示。
其次，根據(jù)圖4的情況，在它們的上方的整個(gè)平面制成層間絕緣層10b，并形成同樣必需的接觸孔(觸點(diǎn))后，通過(guò)RIE或?yàn)R射蝕刻法完全除去在應(yīng)形成約瑟夫結(jié)的位置上的絕緣膜10a及10b即保護(hù)膜8的上方的絕緣膜。在該蝕刻方法中，保護(hù)膜8是作為抑制器(stopper)起作用的。
接著，在通過(guò)濕蝕刻法除去保護(hù)膜8后，利用酸化它的一部分的SQUID環(huán)4的表面等方法形成壁壘層11。
又，通過(guò)在壁壘層11的上面制超導(dǎo)薄膜后再圖案成形，得到反電極5。如圖6所示。
隨后，為了取得SQUID環(huán)4及反電極5與電橋6的超導(dǎo)接觸，對(duì)整個(gè)元件進(jìn)行濕蝕刻之后，制成形成電橋6用的超導(dǎo)薄膜。
最后，涂上保護(hù)膜(resist)，進(jìn)行布里期圖形(Bridge-paffem)的電子光束曝光，并把該保護(hù)膜作為掩啶(mask)進(jìn)行用濕蝕刻法及RIE法的電橋6的圖象成形，從而得到圖1所示的構(gòu)造的DC-SQUID元件。
在以上制造方法中，特別應(yīng)該注意的是以下這方面，即設(shè)置在最下層由下部電極構(gòu)成的SQUID環(huán)4上應(yīng)形成約瑟夫遜結(jié)的位置在由保護(hù)膜8保護(hù)的狀態(tài)下，通過(guò)蝕刻將其上方的調(diào)制線圈和輸入線圈2的圖案成形以及層間絕緣層10a、10b等進(jìn)行除去，據(jù)此可使應(yīng)形成約瑟夫遜結(jié)的位置處的超導(dǎo)薄膜不會(huì)受損傷。
所以，保護(hù)膜8具有某種程度承受RIE(法)和濕蝕刻的能力，并且應(yīng)該是由在形成反電極5之前，用濕蝕刻很容易被除去的材料構(gòu)成。作為這種材料，除了上述金屬(Al)外，氧化鎂(MgO)也較適合。
還有，在以上說(shuō)明的實(shí)施例中，雖然敘述了以SQUID環(huán)4為下部電極，反電極5為上部電極的例子，但是，在本發(fā)明的DC-SQUID元件中，將在最下層形成的反電極5作為下部電極，最上層形成的SQUID環(huán)4作為上部電極也同樣產(chǎn)生完全相同的效果。在該情況下，由于制造方法的順序也是相同的，因此在采用后一種結(jié)構(gòu)時(shí)，只要在先前所述的制造方法的說(shuō)明中，將SQUID環(huán)4和反電極5相互掉換一下即可。
另外，勿用說(shuō)，也可以將其作成使調(diào)制線圈1和輸入線圈2的層與接地平面(gronnd plane)互相交換的結(jié)構(gòu)。
權(quán)利要求
1.一種SQUID元件，它是在基板上分別將超導(dǎo)薄膜進(jìn)行圖案成形而形成的SQUID環(huán)、反電極、調(diào)制線圈及輸入線圈層疊的同時(shí)，使上述SQUID環(huán)和反電極中間介一壁壘層，用電橋在兩處相互較弱地結(jié)合，從而獲得兩個(gè)約瑟夫遜結(jié)合部，其特征在于上述SQUID環(huán)是設(shè)置在最下層，且在最上層設(shè)置反電極。
2.如權(quán)利要求1所述的元件，其特征在于在上述SQUID環(huán)的一部分表面形成一個(gè)沒(méi)形成上述調(diào)制線圈及輸出線圈的區(qū)域，且在該區(qū)域的表面，通過(guò)上述壁壘層，至少疊層上述反電極的一部分。
3.在SQUID元件中，將在基板上對(duì)每一超導(dǎo)薄膜圖案成形得到的SQUID環(huán)、反電極、調(diào)制線圈及輸入線圈積層的同時(shí)，使上述SQUID環(huán)和反電極由通過(guò)壁壘層的電橋在兩處脆弱地連接，從而得到兩個(gè)約瑟夫遜結(jié)。
4.如權(quán)利要求3所述的DC-SQUID元件，其特征在于地上述反電極的表面的一部分形成有不形成調(diào)制線圈和輸入線圈的區(qū)域，在該區(qū)域的表面，通過(guò)上述壁壘層，至少層疊SQUID環(huán)的一部分，其特征在于，上述反電極設(shè)置在最下層，且上述SQUID環(huán)設(shè)置在最上層。
5.一種制造DC-SQUID元件的方法，其特征在于它包括以下步驟將基板表面制成的超導(dǎo)薄膜圖象形成，形成SQUID環(huán);把包含上述SQUID環(huán)上應(yīng)形成約瑟夫遜結(jié)的位置在內(nèi)的附近規(guī)定范圍用保護(hù)膜覆蓋;再在上述覆蓋范圍的上方形成由超導(dǎo)薄膜制成的調(diào)制線圈和輸入線圈;然后除去上述保護(hù)膜，并在除去膜后的區(qū)域內(nèi)形成壁疊層;進(jìn)行上述反電極用的超導(dǎo)薄膜的制膜和圖案成形;以及形成通過(guò)上述壁疊層將及電極和上述SQUID環(huán)一起較弱地連接的電橋。
6.一種制造DC-SQUID元件的方法，其特征在于它包括以下步驟將基板表面制成的超導(dǎo)薄膜圖象成形，形成SQUID環(huán);把包含反電極上應(yīng)形成約瑟夫遜結(jié)的位置在內(nèi)的附近規(guī)定范圍用保護(hù)膜覆蓋;在覆蓋保護(hù)膜的上方形成超導(dǎo)體薄膜制的調(diào)制線圈和輸入線圈;除去上述保護(hù)膜，在除去膜后的區(qū)域內(nèi)形成壁壘層;進(jìn)行上述SQUID環(huán)用的超導(dǎo)薄膜的制膜及圖案成形;以及形成通過(guò)上述壁疊層將SQUID環(huán)和上述反電極進(jìn)行軟弱(脆弱)連接的電橋。
7.如權(quán)利要求6所述的DC-SQUID元件制造方法，其特征在于當(dāng)除去上述保護(hù)膜時(shí)，利用RIE或?yàn)R射蝕刻法除去在保護(hù)膜上形成的膜，且通過(guò)濕蝕刻法除去上述保護(hù)膜。
8.如權(quán)利要求7所述的DC-SQUID元件制造方法，其特征在于上述保護(hù)膜由鋁(Al)或氧化鎂(MgO)薄膜形成。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種DCSQOID元件及其制造方法，它是在基板上將超導(dǎo)薄膜圖案成型，從而產(chǎn)生SQUID環(huán)、反電極、調(diào)制線圈以及輸出線圈，并將它們疊成層，SQUID環(huán)和反電極由通過(guò)壁壘層的電橋在兩處弱連接，得到兩個(gè)約瑟夫遜結(jié)合部，其中，上述SQUID環(huán)是設(shè)置在元件的最下層，而反電極設(shè)置在最上層。用上述方法制成的DC-SQUID元件可調(diào)整臨界電流值。
文檔編號(hào)H01L39/22GK1060926SQ91108930
公開日1992年5月6日 申請(qǐng)日期1991年9月9日 優(yōu)先權(quán)日1990年9月20日
發(fā)明者品田惠 申請(qǐng)人:株式會(huì)社島津制作所