專(zhuān)利名稱(chēng)：超導(dǎo)臺(tái)階結(jié)制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種超導(dǎo)臺(tái)階結(jié)的制備方法。屬于超導(dǎo)電子學(xué)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
超導(dǎo)約瑟夫遜結(jié)(Jos印hson junction)是兩塊超導(dǎo)體之間通過(guò)約瑟夫遜效應(yīng)相 互耦合形成的一種結(jié)型結(jié)構(gòu)。超導(dǎo)約瑟夫遜結(jié)是超導(dǎo)電子學(xué)的核心器件和基礎(chǔ)。對(duì)于高 溫超導(dǎo)體來(lái)說(shuō)，常見(jiàn)的約瑟夫遜結(jié)包括以下幾類(lèi)臺(tái)階結(jié)(St印-edge junction)、雙外延 結(jié)(Bi-epitaxial junction)、雙晶結(jié)(Bi-crystal junction)、邊緣結(jié)(Ramp junction)、 本征結(jié)(Intrinsic Josephson junct ion)等H. Hilgenkamp and J. Mannhart, Review ofModern Physics 74，(2002),485]0臺(tái)階結(jié)是一種簡(jiǎn)單易行的高溫超導(dǎo)約瑟夫遜結(jié)的實(shí) 現(xiàn)方式?？梢杂糜诟哳l信號(hào)檢測(cè)、SQUID應(yīng)用等。臺(tái)階級(jí)是高溫超導(dǎo)幾種弱連接結(jié)之一。傳統(tǒng)的臺(tái)階結(jié)制備是將高溫超導(dǎo)薄膜生長(zhǎng) 在臺(tái)階襯底上形成的，在臺(tái)階邊緣，高溫薄膜的超導(dǎo)電性能會(huì)發(fā)生弱化，從而形成超導(dǎo)弱連 接結(jié)。傳統(tǒng)超導(dǎo)臺(tái)階結(jié)的實(shí)現(xiàn)通常包括以下三個(gè)步驟(1)制備臺(tái)階襯底；(2)在臺(tái)階襯底 上通過(guò)磁控濺射或脈沖激光沉積方式生長(zhǎng)高溫超導(dǎo)薄膜；(3)利用光刻和刻蝕在臺(tái)階邊緣 構(gòu)造實(shí)現(xiàn)微橋式結(jié)構(gòu)，從而形成超導(dǎo)臺(tái)階結(jié)。傳統(tǒng)方法制備的臺(tái)階結(jié)一方面必須依賴(lài)高性能的薄膜生長(zhǎng)設(shè)備，另外一方面臺(tái)階 結(jié)質(zhì)量和超導(dǎo)薄膜性能和微區(qū)結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。而外延生長(zhǎng)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(tái)階結(jié)的均勻性、一致性及重復(fù)性比較差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于一種超導(dǎo)臺(tái)階結(jié)的制備方法。具體的說(shuō)，本發(fā)明利用連續(xù)剝離 的方式，獲得高溫超導(dǎo)單晶材料。當(dāng)它的厚度只有幾十到幾百納米時(shí)，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(tái)階結(jié)構(gòu)的臺(tái)階襯底，將薄的超導(dǎo)單晶吸附于臺(tái)階 襯底表面，再利用微納加工工藝就可以在具有臺(tái)階結(jié)構(gòu)的超導(dǎo)單晶上構(gòu)造微橋式結(jié)構(gòu)即可 形成臺(tái)階結(jié)。本發(fā)明所述的超導(dǎo)臺(tái)階結(jié)的制備方法是(1)臺(tái)階襯底制備選用合適的襯底材料，常用的用于超導(dǎo)薄膜生長(zhǎng)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(zhǎng)一層氧化硅層(Si02/Si，也即SOI材料)，這樣的襯底可以為超導(dǎo)單晶提供很好的光 學(xué)對(duì)比度。將所選擇的襯底材料進(jìn)行光刻，形成光柵結(jié)構(gòu)，再利用離子束刻蝕方式刻蝕襯底 上未被光刻膠保護(hù)的部分。去除光刻膠后，襯底表面上即形成了周期性的臺(tái)階結(jié)構(gòu)。臺(tái)階 的周期特性由光柵結(jié)構(gòu)決定，通常周期為幾個(gè)微米到幾十個(gè)微米。臺(tái)階的高度由離子束刻 蝕的能量和刻蝕時(shí)間決定。通常高度為幾個(gè)納米到幾百個(gè)納米。上述為常用的臺(tái)階襯底制 備方式，其它方式制備的臺(tái)階襯底亦可，比如采用耐刻蝕的金屬掩膜做保護(hù)，也可以構(gòu)造類(lèi)
4似的周期性臺(tái)階結(jié)構(gòu)。(2)超導(dǎo)單晶薄片準(zhǔn)備選取臨界溫度Tc > 85° K的高性能的超導(dǎo)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(gè)毫米見(jiàn)方的單晶薄片，典型厚度為40-60微米左右。剝離可采用常見(jiàn)的 Scotch膠帶或者PE保護(hù)藍(lán)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(huì)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(fù)多 次。多次剝離后，膠帶或PE保護(hù)藍(lán)膜上會(huì)有很多肉眼無(wú)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(hù)藍(lán)膜粘貼于臺(tái)階襯底表面再撕下，會(huì)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(rèn)為是分子間作用力。這些單晶薄片大小 從幾個(gè)微米到幾十個(gè)微米不等，厚度從幾個(gè)納米到幾百個(gè)納米不等。由于襯底上有重復(fù)性 的周期臺(tái)階結(jié)構(gòu)，因此，總能確保有超導(dǎo)單晶薄片會(huì)落在臺(tái)階上面，總能橫跨過(guò)至少一個(gè)臺(tái) 階。由于單晶薄片和襯底之間的吸附作用力足夠強(qiáng)，會(huì)出現(xiàn)單晶薄片和臺(tái)階襯底相同的形 貌特性，因而使超導(dǎo)單晶薄片也出現(xiàn)了臺(tái)階結(jié)構(gòu)。(3)保護(hù)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(hù)樣 品，通?？蛇x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(cè)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(tái)階結(jié)制備。通常選擇 邊長(zhǎng)為幾十個(gè)微米大小的單晶薄片，厚度為幾十個(gè)納米到一兩百個(gè)納米。并且確保其跨過(guò) 至少一個(gè)臺(tái)階，并且臺(tái)階兩邊有足夠的大小面積用于電極制備。(4)臺(tái)階結(jié)制備首先通過(guò)光刻和離子刻蝕或酸刻的方式構(gòu)造超導(dǎo)單晶微橋，微 橋跨過(guò)臺(tái)階。離子束刻蝕的能量和時(shí)間由超導(dǎo)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(hù)以外的超導(dǎo)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(zhǎng)一層金屬層，通過(guò)光刻和離子束刻蝕 的方式構(gòu)造電極。臺(tái)階邊緣的兩側(cè)分別有兩個(gè)電極。從而可以利用四引線(xiàn)方式實(shí)現(xiàn)臺(tái)階結(jié) 的偏置和測(cè)試。綜上所述，本發(fā)明公開(kāi)了一種高溫超導(dǎo)臺(tái)階結(jié)制備方法。采用高溫超導(dǎo)單晶薄片 代替超導(dǎo)薄膜，將超導(dǎo)單晶通過(guò)連續(xù)剝離的方法實(shí)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(tái)階襯底之上。由于臺(tái)階襯底和所述的超薄超導(dǎo)單晶之間 的強(qiáng)互相吸引力，所述的超薄超導(dǎo)單晶將會(huì)緊密附著于臺(tái)階襯底之上，從而超薄超導(dǎo)單晶 也會(huì)在襯底臺(tái)階附近呈現(xiàn)臺(tái)階解雇，最后再利用微加工工藝構(gòu)造微橋結(jié)構(gòu)，成為一定寬度 的超導(dǎo)臺(tái)階結(jié)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的顯著優(yōu)點(diǎn)是(1)無(wú)需復(fù)雜的薄膜生長(zhǎng)工藝，采用非常 少量的超導(dǎo)單晶即可實(shí)現(xiàn)；(2)單晶材料的超導(dǎo)性能要比薄膜材料好。


圖1 利用光刻膠做掩膜的周期性臺(tái)階結(jié)構(gòu)襯底制備工藝和臺(tái)階結(jié)構(gòu)示意圖。圖2 臺(tái)階襯底上的超導(dǎo)單晶光學(xué)照片和臺(tái)階儀測(cè)試樣品表面形貌。圖中(a) (b) (c) (d)分別為4個(gè)樣品圖片，對(duì)應(yīng)的表面掃描線(xiàn)圖為(e) (f) (g) (h)。其中(a)襯底臺(tái)階高 度為17nm，周期為16 μ m ；其余三個(gè)襯底臺(tái)階高度均為40nm，周期為8 μ m。四個(gè)樣品中單晶高度分別為90，75，90，140nm。單晶表面的臺(tái)階高度和襯底臺(tái)階高度基本一致。圖3:臺(tái)階結(jié)結(jié)構(gòu)示意圖(俯視)。
具體實(shí)施例方式1、利用浮區(qū)法生長(zhǎng)出高質(zhì)量的高溫超導(dǎo)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(shí)現(xiàn)周期性臺(tái)階襯底。襯底選用Si02/Si，其中SiO2 層約300nm厚，臺(tái)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(tái)階圖形的襯底以及準(zhǔn)備好的臺(tái)階襯底。3、利用膠帶和藍(lán)膜剝離獲得大量超導(dǎo)單晶薄片并粘附于臺(tái)階襯底表面，見(jiàn)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(dǎo)單晶薄片，并跨過(guò)臺(tái)階襯底，典型厚度為20-200納米。這樣的超導(dǎo)單晶薄片可用于臺(tái) 階結(jié)制備；5、采用光刻方式構(gòu)造微橋結(jié)構(gòu)，微橋?qū)挾韧ǔ閺膩單⒚椎綆资畟€(gè)微米。然后使 用Ar離子束刻蝕，形成微橋結(jié)構(gòu)的單晶，微橋橫跨臺(tái)階。刻蝕速率通常為1-lOnm/min，低 速刻蝕可以避免過(guò)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(dāng)?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(jié)構(gòu)，離子束刻蝕形成有效電極圖形?？涛g速率同上。刻蝕時(shí)間 根據(jù)單晶上金屬層厚度來(lái)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(jié)構(gòu)的超導(dǎo)臺(tái)階結(jié)(見(jiàn)圖3)。
權(quán)利要求
一種超導(dǎo)結(jié)的制備方法，其特征在于采用高溫超導(dǎo)單晶代替超導(dǎo)薄膜，將超導(dǎo)單晶通過(guò)連續(xù)剝離的方法實(shí)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(tái)階襯底之上；利用臺(tái)階襯底和超導(dǎo)單晶之間的互相吸引力，使所述的超薄超導(dǎo)單晶緊密附著于襯底之上，從而超薄超導(dǎo)單晶在襯底臺(tái)階附近呈現(xiàn)臺(tái)階結(jié)構(gòu)，最后再利用微加工工藝構(gòu)造微橋結(jié)構(gòu)，形成超導(dǎo)臺(tái)階結(jié)。
2.按權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于包括以下各步驟a)臺(tái)階襯底制備使用超導(dǎo)薄膜生長(zhǎng)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(jìn)行光刻，形成光柵結(jié)構(gòu)，再利用離子束刻蝕方式刻蝕襯底上未被光刻膠保 護(hù)的部分；去除光刻膠后，襯底表面上即形成了周期性的臺(tái)階結(jié)構(gòu)，臺(tái)階的周期特性由光柵 結(jié)構(gòu)決定；b)超導(dǎo)單晶薄片的剝離并吸附于臺(tái)階襯底將T。> 85° K的超導(dǎo)單晶材料采用普通的剝離方式獲得大小為一個(gè)毫米見(jiàn)方的單晶 薄片，剝離是采用Scotch膠帶或者PE保護(hù)藍(lán)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(fù) 多次；多次剝離后，膠帶或PE保護(hù)藍(lán)膜上會(huì)有很多肉眼無(wú)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(hù)藍(lán)膜粘貼于步驟a制備的臺(tái)階襯底表面再撕下，使很多超 導(dǎo)單晶薄片粘附于襯底表面；超導(dǎo)單晶薄片和臺(tái)階襯底具有相同的形貌特性，從而使超導(dǎo) 單晶薄片也出現(xiàn)了臺(tái)階結(jié)構(gòu)；c)保護(hù)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(hù)步驟b 制作的臺(tái)階結(jié)構(gòu)，然后利用原子力顯微鏡或者形貌測(cè)試儀分析單晶碎片的厚度和大??；根 據(jù)需要選擇合適大小和厚度的單晶用于臺(tái)階結(jié)制備；d)臺(tái)階結(jié)制備通過(guò)光刻和離子刻蝕或酸刻的方式構(gòu)造超導(dǎo)單晶微橋，微橋跨過(guò)臺(tái)階。
3.按權(quán)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(dǎo)薄膜生長(zhǎng)的材料為 MgO、SrTiO3> LaAlO3 或 A1203。
4.按權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于所述的臺(tái)階周期為幾個(gè)微米到幾十微米，臺(tái) 階的高度為從幾個(gè)納米到幾百納米，它由離子束刻蝕的能量和時(shí)間決定。
5.按權(quán)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(quán)利要求2所述的方法，其特征在于所述超導(dǎo)單晶薄片大小從幾個(gè)微米到幾十微 米，厚度從幾個(gè)納米到幾百納米。
7.按權(quán)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(quán)利要求1或6所述的方法，其特征在于所述超導(dǎo)單晶薄片為幾十微米，厚度為幾 十個(gè)納米到一兩百個(gè)納米，確保橫跨至少一個(gè)臺(tái)階，且臺(tái)階兩邊邊緣有足夠大小的面積用 于電極制備。
9.按權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于超導(dǎo)單晶薄片與襯底之間作用力為分子間作 用力。
10.按權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于步驟d)臺(tái)階結(jié)的制備時(shí)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(dāng)?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(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)的超導(dǎo)臺(tái)階結(jié)。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種超導(dǎo)臺(tái)階結(jié)的制備方法，其特征在于采用高溫超導(dǎo)單晶代替超導(dǎo)薄膜，將超導(dǎo)單晶通過(guò)連續(xù)剝離的方法實(shí)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(tái)階襯底之上；利用臺(tái)階襯底和超導(dǎo)單晶之間的強(qiáng)互相吸引力，使所述的超薄超導(dǎo)單晶緊密附著于襯底之上，使所述的超薄超導(dǎo)單晶在襯底臺(tái)階附近呈現(xiàn)臺(tái)階結(jié)構(gòu)，最后再利用微加工工藝構(gòu)造微橋結(jié)構(gòu)，成為一定寬度的超導(dǎo)臺(tái)階結(jié)。包括以下步驟1)臺(tái)階襯底制備；2)超導(dǎo)單晶薄片的剝離并吸附于臺(tái)階襯底；3)保護(hù)和選擇；4)臺(tái)階結(jié)制備。本發(fā)明無(wú)需復(fù)雜的薄膜生長(zhǎng)工藝，采用非常少量的超導(dǎo)單晶即可實(shí)現(xiàn)；單晶材料的超導(dǎo)性能要比薄膜材料好。
文檔編號(hào)H01L39/24GK101894906SQ201010202118
公開(kāi)日2010年11月24日 申請(qǐng)日期2010年6月13日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月13日
發(fā)明者尤立星, 江綿恒, 王興, 謝曉明 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所