[发明专利]形成超导器件的方法及如此形成的超导器件

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于选择性地蚀刻超导材料的部分，以生产具有所需配置的超导器件的方法。本发明的方法结合化学蚀刻使用离子注入，以生产微型超导器件。

背景技术

近来在高温超导(HTS)电子学中的进步证明了，HTS材料可以为21世纪提供更快、噪声更小和更精密的电子设备。HTS器件可以更快地转换，并且需要的功率比硅晶体管更小，和在人造卫星操作频率(10-60GHz)的金属相比，具有低了几个数量级的微波损失，甚至能以最高的灵敏度检测人脑的信号。目前正在发展的HTS器件包括Josephson结、超导量子干涉器件(SQUID)、射频线圈、辐射热测量计以及微波元件。Josephson结是用于超快计算机和通信系统的超导数字电路结构单元。SQUID具有各种应用，包括对人的心脏和大脑的磁性无创伤诊断、对许多结构材料的无损评估以及地理探测。由HTS制成的RF线圈已经在MRI(磁共振成像)系统中的信噪比或图像分辨度方面显示了极大的进步。在硅薄膜上建立的HTS辐射热测量计检测辐射以及较小的温度变化极为灵敏。HTS微波器件的原型在空间通信和蜂窝通信中都具有上等的性能。

这些HTS器件的完全实现依赖于可靠的处理技术的进步。鉴于HTS材料是氧化物(例如YBaCUO和TIBaCaCuO)的事实，它们对诸如湿度、化学制剂和水等环境非常敏感。表面的反应通常使材料的表面层和器件的性能受到破坏和劣化结果，通过传统的蚀刻方法生产HTS器件的成品率非常差，例如只有15％-20％。

化学蚀刻是在超导薄膜中配置所需设计的一种可能的方法。但是，蚀刻处理中必需的强的热力驱动力(因为形成氢氧化物和碳酸盐)大大劣化了HTS材料。已经有发展的以前的蚀刻技术与蚀刻剂接触的持续时间典型的大约为3-16分钟(对于3000的厚膜)。这样的长蚀刻时间导致薄膜的表面电阻的增加，并因增强了化学反应而失去其超导性。因此，要求用一种快速的蚀刻处理来减少膜表面上超导性劣化的可能性。蚀刻处理必须在短时间内去掉不需要的薄膜部分，并保留选出的部分。

离子注入已经被广泛地应用于为半导体器件掺杂。近年来，离子注入也已经被应用于HTS阻止薄膜中的超导性，以及给HTS平面器件形成图案(见Ma等人的“一种给HTS薄膜和多层形成图案的平面方法”Appl.Phys.Lett.Vol65，p.240，1994)。在这个处理中，一部分HTS薄膜禁止用反应性的离子注入，并且该部分转换为非超导材料。无抑制的部分作为器件区域保持超导，由抑制区域围绕。因此，这种类型的器件的使用限于完全分层的结构。

已使用离子注入结合蚀刻来对HTS薄膜进行构图。在Fujiwara等人的5,356,870号美国专利中，把一氧化物超导体薄膜层淀积在一衬底上。用光致抗蚀剂掩模覆盖超导体层的选中部分，把高能离子注入超导体层未被掩蔽的部分，其中掩模阻止离子注入到被掩模所覆盖的选中部分。然后，在诸如甲醇和溴等卤素溶液中对经注入的超导体层进行化学蚀刻，以除去超导体层已被离子注入的部分。

发明概述

本发明提供了一种使用选择蚀刻技术形成设计的薄膜超导器件的方法。这种技术允许对超导薄膜选择性地形成图案，作为单层或作为多层器件。本发明的方法在衬底材料的顶部形成超导层。然后施加掩膜以覆盖超导层的选出部分，并将离子注入层中。接着，应用诸如酸浴之类的化学蚀刻技术，以去掉未被掩盖和离子注入的超导层部分。得到的器件可以配置得用作例如HTS超微型结构(诸如carry confined devices、Josephson结、SQUID、RF线圈、辐射热测量计、微波波导以及滤波器)。这种处理使得能够生产微观超导器件。

选择化学蚀刻处理可以通过改变化学蚀刻溶剂以及改变离子注入的类型(离子类型和能级)而变化。离子注入的超导薄膜将在化学蚀刻处理中以比未离子注入的区域快得多的速度被去掉。如果需要，更厚的超导薄膜或超导块状晶片也可以使用，以代替衬底。

附图概述

从结合示出本发明的较佳实施例的附图，本发明的其它目的、特点和优点将是显然的，这些附图是：

图1是使用选择蚀刻技术形成超导器件的步骤流程图；

图2示出根据本发明构成的单层超导器件；

图3示出根据本发明构成的多层超导器件；