DE4120766C2

DE4120766C2 -

Info

Publication number: DE4120766C2
Application number: DE19914120766
Authority: DE
Inventors: Carlo Copetti; Juergen Dr. 5000 Koeln De Schubert; Willi 5173 Aldenhoven De Zander; Christoph Dr. 5170 Juelich De Buchal
Original assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority date: 1991-06-24
Filing date: 1991-06-24
Publication date: 1993-06-17
Also published as: DE4120766A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von strukturierten Leiterbahnen aus Hochtemperatursupraleiter-(HTSL-)Schichten gemäß den im Oberbegriff von Anspruch 1 genannten Ver fahrensschritten.

Ein Schwerpunkt der Entwicklungsaktivitäten auf dem Gebiet der HTSL-Technologie bildet die Herstel lung von HTSL-Strukturen aus dünnen supraleitenden Schichten ("Filme"). Zur Herstellung derartiger Strukturen sind in den letzten Jahren hauptsächlich zwei Verfahren entwickelt worden.

Bei dem ersten, aus der EP 03 24 996 A1 bekannten Verfahren wird auf einem Substrat, das für ein einkristallines Wachstum des HTSL ge eignet ist, ein HTSL-Film durch Laserablation, Sputtern o. ä. abgeschieden. Anschließend wird auf den HTSL-Film in den Bereichen, die für die HTSL- Strukturen vorgesehen sind, zusätzlich eine Lack schicht aufgetragen, belichtet und entwickelt. Die Lackflächen schützen nun die abgedeckten Supralei terflächen vor einem nachfolgenden Ätzschritt, durch den die nicht durch die Lackmaske geschützten Be reiche des HTSL-Films wieder von der Substratober fläche abgetragen werden. Dieser Ätzprozeß kann naß chemisch oder durch Ionenstrahlätzen erfolgen. Nach Entfernen der Lackschicht ist das Endprodukt dieses Verfahrens somit ein auf der Substratoberfläche verlaufender, strukturierter HTSL-Film.

Die erwünschten supraleitenden Eigenschaften sind nun an die exakte chemische Zusammensetzung und Kristallinität des nach dem Ätzschritt verbliebe nen, strukturierten HTSL-Films gebunden. Dabei sind insbesondere in den Oberflächenbereichen der HTSL- Strukturen aufgrund der elektrodynamischen Gesetze hohe elektrische Felder und starke Oberflächenströ me zu erwarten. Ein Nachteil des beschriebenen Ver fahrens ist nun, daß auch der strukturierte HTSL- Film an den durch den Ätzschritt geschaffenen und damit ungeschützten seitlichen Oberflächen während des Ätzvorganges degradiert wird. Dies hat eine Störung der Stöchiometrie und Kristallinität des HTSL-Films vor allem in diesen seitlichen Oberflä chenbereichen zur Folge, so daß die Oberflächen ströme von einem schlechten, teilweise resistiven Material aufgenommen werden. Daraus resultiert eine Verminderung der erwünschten, supraleitenden Eigen schaften der HTSL-Bahnen. Außerdem kann nicht aus geschlossen werden, daß die Belackung auch die hori zontalen Flächen des Supraleiters ungünstig beein flußt.

Um eine derartige Degradation des strukturierten HTSL-Films durch Ätzen zu vermeiden, wurde ein zweites Verfahren, das gattungsgemäße "Inhibit-Verfahren" ent wickelt. H. Downar et. al., in: Supraleitung und Tieftemperaturtechnik, Berichte zu F+E-Projekten aus dem Förderbereich physikalische Technologien des BMFT zum Statusseminar 25.-27. 2. 1991, VDI-Verlag, Seiten 274 bis 277. Hierbei wird zunächst auf das Substrat in den Oberflächenbereichen, die den strukturierten HTSL-Film tragen sollen, eine Lackschicht aufge bracht. Anschließend wird auf die gesamte Oberfläche ein Inhibit-Dotierstoff aufgedampft, wobei in den für die HTSL-Bahnen vorgesehenen Substratoberflä chenbereichen die Lackmaske den Dotierstoff vom Sub strat trennt. Bei einem nachfolgenden Lift-off-Pro zeß wird die Lackmaske und damit gleichzeitig auch der auf der Lackmaske befindliche Dotierstoff aus den Bereichen des zukünftigen strukturierten HTSL- Films vom Substrat abgehoben. Auf die nunmehr do tierten und undotierten Bereiche der Sustratober fläche wird im nächsten Schritt die HTSL-Schicht deponiert. Die Deposition erfolgt in der Regel bei relativ hohen Substrattemperaturen von etwa 500- 800°C. Das HTSL-Material kann aber auch bei nie drigen Temperaturen aufgebracht werden; es muß dann allerdings ein Temperschritt bei den angegebenen hohen Temperaturen angeschlossen werden.

Auf den undotierten Substratbereichen bildet sich nun durch einkristallines Wachstum der strukturier te HTSL-Film aus, während auf der dotierten Sub stratoberfläche das HTSL-Material durch vertikale Diffusion des Dotierstoffes zum Isolator wird. Aller dings tritt neben dieser erwünschten vertikalen Diffusion auch eine laterale Diffusion des Dotier stoffes in die supraleitenden Strukturen auf; denn die sich bildenden einkristallinen HTSL-Bahnen haben seitlich direkten Kontakt zum Dotierstoff. Die la terale Diffusion des Dotierstoffes in den struktu rierten HTSL-Film hat zur Folge, daß sich innerhalb der Leiterbahnen ein Konzentrationsgradient des Do tierstoffes und damit ein allmählicher Übergang von "nicht-leitend" über "schlecht leitend" zu "schlecht supraleitend" bis schließlich "gut supraleitend" herausbildet. Dieser resistive Übergangsbereich muß aber für die Anwendung von supraleitenden Struktu ren insbesondere in der Mikroelektronik vermieden werden.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, das es er möglicht, HTSL-Strukturen herzustellen, deren supra leitenden Eigenschaften durch den Herstellungsprozeß nicht beeinträchtigt werden.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird da durch gelöst, daß nach dem Auftragen der Lackschicht auf die für die supraleitenden Bahnen vorgesehenen Substratoberflächenbereiche die lackfreien Sustrat bereiche durch Ätzen soweit abgetragen werden, daß die die Lackschicht tragenden Substratoberflächen bereiche relativ gegenüber den lackfreien Substrat oberflächenbereichen erhöht sind. Da während des Ätzvorganges die für das Wachstum der HTSL-Struk turen benötigten Substratoberflächenbereiche durch die Lackmaske geschützt sind, bleiben diese Oberflä chenbereiche während des Tiefätzens unversehrt. Dies hat zur Folge, daß für die nach dem Aufdampfen der Inhibit-Dotierschicht und dem anschließenden Lift-off der Lackmaske deponierte HTSL-Schicht im Bereich der sich durch epitaktisches Wachtum heraus bildenden HTSL-Strukturen Substratoberflächenberei che höchster Qualität zur Verfügung stehen. Da die Substratoberflächenbereiche mit den darauf ausgebil deten HTSL-Bahnen durch das Tiefätzen soweit erhöht werden, daß die strukturierten Leiterbahnen von den dotierten, die Isolatorschicht tragenden Substrat oberflächenbereichen isoliert, d. h. von diesen räum lich getrennt verlaufen, werden die hochwertigen HTSL-Bereiche auch nicht mehr durch laterale Diffu sion des Dotierstoffes beeinträchtigt. Auch wird bei dieser Verfahrensweise nach dem Wachstum des HTSL der HTSL selbst nicht mehr geätzt und ist auch keiner Beeinflussung durch die Lackschicht ausge setzt. Dies hat zur Folge, daß die Qualität der Su praleiterbahnen voll erhalten bleibt.

Als HTSL wird zweckmäßigerweise YBa₂Cu₃O_7-x verwen det. Desweiteren hat sich gezeigt, daß eine beson ders gleichmäßige und saubere Abtragung der lack freien Substratbereiche durch Ionenstrahlätzen er zielt wird. Selbstverständlich können aber auch an dere Ätzmethoden, wie beispielsweise chemisches Ät zen, verwendet werden.

Das Endprodukt des erfindungsgemäßen Verfahrens sind strukturierte Leiterbahnen aus auf einem Substrat erhöht aufgebrachter HTSL-Schicht und tieferliegen der Isolatorschicht aus dotiertem HTSL. Derartige Leiterbahnen sind zwar bekannt (vgl. D.K. Fork et al: Reaction patterning of YBa₂Cu₃O_7-x thin films on Si. Appl. Phys. Lett., Bd. 57, 1990, Seiten 2504-2506), unter scheiden sich aber vom Endprodukt des erfindungsge mäßen Verfahrens dadurch, daß bei den erfindungsge mäßen strukturierten Leiterbahnen das Substrat aus einem für ein einkristallines Wachstum der supralei tenden Bahnen geeigneten Material besteht und die Erhöhungen von den die supraleitenden Bahnen tragen den Bereichen des Substrats gebildet werden. Dem gegenüber besteht das Substrat bei den bekannten, erhöht aufgebrachten strukturierten Leiterbahnen aus einem als Dotierstoff geeigneten Substrat, und die Erhöhungen werden von einer für das einkristalline Wachstum des HTSL geeigneten Unterlage gebildet.

Das Substrat besteht vorzugsweise aus Strontiumtitanat (SrTiO₃), da sich auf diesem Substrat aufgrund eines besonders guten einkristallinen Wachstums hochwertige HTSL-Struk turen ausbilden; daneben ist als Substrat aber auch Lanthanaluminat (LaAlO₃) oder Yttrium-stabilisiertes Zirkonoxid (YSZ) geeignet.

Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Ver fahrens und dessen Endprodukt ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher erläutert.

In der Zeichnung sind die einzelnen Stufen des Her stellungsprozesses für die strukturierten Leiterbahnen schematisch dargestellt:
Gemäß Abbildung a wird auf Strontiumtitanat (SrTiO₃) als für das einkristalline Wachstum des HTSL geeig netes Substrat 1 in den für die supraleitenden Bah nen vorgesehenen Substratoberflächenbereiche 2 eine Lackschicht 3 aufgetragen. Die tieferliegenden lack freien Substratbereiche 4 werden durch Ionenätzen ↓ abgetragen, so daß die die Lackschicht 3 tragende Substratoberfläche 2 gegenüber den lackfreien Sub stratoberflächen 4 relativ erhöht ist. Als Substrat 1 können neben SrTiO₃ auch andere, für das epitak tische Wachstum des HTSL geeignete Substanzen, wie Zirkonoxid (ZrO₂) oder Lanthanaluminat (LaAlO₃) verwendet werden. Als nächstes wird laut Ab bildung b auf die gesamte Oberfläche als Dotier stoff 5 Silizium aufgedampft. Anschließend wird die Lackschicht 3 mit dem darauf befindlichen Dotier stoff 5 wieder von der Substratoberfläche 2 abgeho ben, so daß laut Abbildung c die erhöht liegende Substratoberfläche 2 für das epitaktische Wachstum des HTSL frei wird, während auf den Oberflächenbe reichen der tieferliegenden Substratbereiche 4 das Silizium 5 verbleibt. In Abbildung d ist schließ lich das Endprodukt des erfindungsgemäßen Verfah rens nach Auftragen von YBa₂Cu₃O_7-x als HTSL ge zeigt: Während sich auf den tieferliegenden Sub stratoberflächen 4 durch Diffusion des Siliziums 5 das YBa₂Cu₃O_7-x zum Isolator 6 entwickelt hat, ist auf der erhöhten Substratoberfläche 2 durch epitak tisches Wachstum des YBa₂Cu₃O_7-x die Leiterbahn 7 entstanden.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von strukturierten Leiterbahnen aus Hochtemperatursupraleiter- (HTSL)-Schichten, bei dem auf die Oberfläche eines für ein einkristallines Wachstum der su praleitenden Bahnen geeigneten Substrates in den für die HTSL-Bahnen vorgesehenen Bereichen eine Lackschicht aufgebracht wird und anschließend auf die gesamte Substratoberfläche ein Inhibit- Dotierstoff aufgedampft wird, der durch einen Lift-off der Lackmaske von den für die supralei tenden Bahnen vorgesehenen Substratoberflächen bereichen wieder abgehoben wird, so daß nach an schließender Deposition der HTSL-Schicht auf das Substrat bei gleichzeitiger oder nachfolgender Temperierung der HTSL auf der dotierten Substrat oberfläche durch Diffusion des Dotierstoffes zum Isolator wird und sich auf der undotierten Sub stratoberfläche durch epitaktisches Wachstun zu den supraleitenden Bahnen ausbildet, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Auftragen der Lackschicht (3) auf die für die supraleitenden Bahnen vorgesehenen Substratoberflächenbereiche (2) die lackfreien Substratbereiche (4) durch Ätzen (↓) soweit ab getragen werden, daß die die Lackschicht (3) tra genden Substratoberflächenbereiche (2) relativ gegenüber den lackfreien Substratoberflächenbe reichen (4) soweit erhöht sind, daß die nach dem Aufdampfen der Inhibit-Dotierschicht (5) und dem anschließenden Lift-off der Lackmaske deponier ten und durch epitaktisches Wachstum ausgebilde ten HTSL-Bahnen (7) auf der erhöhten Substrat oberfläche (2) isoliert von den dotierten, die Isolatorschicht (6) tragenden Substratoberflä chenbereichen (4) verlaufen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als HTSL YBa₂Cu₃O_7-x verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die lackfreien Substratbereiche (4) durch Ionenstrahlätzen (↓) abgetragen werden.