JPH08500702A - Free-standing structure of perovskite oxide materials - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 自立した構造のＹＢａ₂Ｃｕ₃Ｏ_7-δすなわち強誘電体エアブリッジを開示する。この構造は、薄膜の検知器に有用であり、基質の存在が超伝導体または強誘電体構造の電子的、熱的、そして光学的性質を劣化させるような応用に展開できる。このエアブリッジは、一般的な写真平板技術（ｐｈｏｔｏｌｉｔｈｏｇｒａｈｙ）、イオンビーム乾式エッチング、そして選択式の湿式エッチングを用いて形成される。前記の具体例において、誘電性の廃棄（ｓａｃｒｉｆｉｃｉａｌ）層は、支える基質と超伝導物質の層の間に置かれる。この誘電性の層は、選択された部位において、エアブリッジを形成するために後でエッチングされ取り去られる。エピタキシャルブリッジ層の形成は、ＹＢａ₂Ｃｕ₃Ｏ_7-δ層における超伝導特性の重大な性能の低下を伴うこと無く達成することができる。また、ＹＢａ₂Ｃｕ₃Ｏ_7-δは、Ｐｂ(Ｚｒ,Ｔｉ)Ｏ₃のような強誘電体が、必要としているエアブリッジを構成する物質の中に存在するとき、前記廃棄層として使用される。 (57) [Summary] A YBa ₂ Cu ₃ O _7-δ, that is, a ferroelectric air bridge having a freestanding structure is disclosed. This structure is useful for thin film detectors and can be extended to applications where the presence of a substrate degrades the electronic, thermal, and optical properties of superconductor or ferroelectric structures. The air bridge is formed using common photolithography, ion beam dry etching, and selective wet etching. In the above embodiment, a dielectric sacrificial layer is placed between the supporting substrate and the layer of superconducting material. This dielectric layer is later etched away at selected sites to form air bridges. The formation of the epitaxial bridge layer can be achieved without significant performance degradation of superconducting properties in the YBa ₂ Cu ₃ O _7-δ layer. In addition, YBa ₂ Cu ₃ O _7-δ is used as the waste layer when a ferroelectric substance such as Pb (Zr, Ti) O ₃ is present in the substance forming the required air bridge. It

Description

【発明の詳細な説明】 ペロブスカイト系酸化材料の自立型構造 発明の分野 本発明は、ペロブスカイト系のような酸化材料の高品質の薄膜を含んでいる自 立型構造に関する。特に、高温の超伝導体と強誘電材料の薄膜の支持されない領 域を活用する電子デバイス構造に関する。 発明の背景 超伝導酸化物の新しいクラスの1986年のBednorzとMullerの発見から、すなわ ち、約30Ｋよりも高い超伝導転移温度“カップレート”から、それらの製作に関 連する技術が急速に進歩した。この発見以前にも、超伝導性は数多くの金属要素 だけでなくいくつかの非金属合成物にも確認されていた。金属は材料として好都 合と考えられたので、これらの超伝導体からの有用なデバイスの製作は当然のこ とであった。 しかし、新しい超伝導体は、セラミックである。金属は可鍛性で且つ容易にワ イヤーや磁石に形成されるが、セラミックは壊れやすくて砕けやすく、応力が加 えられると破損する傾向を示す。金属は通常は数百度（摂氏）の妥当な温度で溶 融するので、それらは成形できる。セラミックは、溶融する代わりに、しばしば 分解するので、酸化雰囲気中に高温で加熱しなければならない。金属は堅固で、 酸または高エネルギーの物質に曝される時に局部的な変形だけ問題になるが、セ ラミックは化学的な腐食のもとで広範囲にわたる損傷を被る可能性がある。 高温超伝導体の３つの主な族として、YBa₂Cu₃O_7-δのような１-２-３合成物と 、TlBaCuOのようなタリウム合成物（数相の超伝導性）とBaSrCaCuのようなビス マス（数相の超伝導性）がある。これらの族の全てに於いて、酸化超伝導体は、 ペロブスカイトCaTiO_３、単純な構造に基づく複雑な結晶構造を備えていて、超 伝導体は、しばしば“層状ペロブスカイト”構造を備えていると言われる。これ は、全てのケースに於いて、層がｃ-方向で重ねられている場合に、ペロブスカ イトの底の層と中間層とペロブスカイトの最上部の層と考えることができるから である。層の数の多さにかかわらず、ｃ-軸の膜は、その基質と其の最上部で成 長された任意の層に対するペロブスカイトのユニット・セルになるようにして常 に現れる。数多くの高温超伝導体(ＨＴＳ)薄膜の成長の特徴は、この結晶の化学 性に関係している。 （真の）ペロブスカイト結晶構造に於いて、O2-とCa2+イオンは、４つの八面 空間と８つの四面空間を有する最密立方（面心立方）構造（以下、ＦＣＣ構造） を形成する。Ｏ^2-陰イオンは立方面の中心を、Ca²⁺陽イオンは立方体の角を、Ti⁴⁺ イオンは八面空間の1/4を占める。ユニット・セルごとに６つの面心があり、各 々がユニット・セルごとに合計で３つの“Ｏ-サイト”に対して２つのセルに依 って共有される。同様に、ユニット・セルごとに８つの立方体の角があり、各々 がユニット・セルごとに合計で１つの“Ａ-サイト”に対して８つのセルに依っ て共有される。最終的に、ユニット・セルごとに４つの八面空間があるが、１つ だけこの構造で占められるので、ユニット・セルごとに１つの“Ｂ-サイト”が 存在することになる。単純なペロブスカイト構造を備えた他の材料として、BaTi O₃，SrTIO₃，SrSnO₃，CaZrO3，SrZrO₃，KNbO₃，NaNbO₃，LaAlO₃，YAlO₃，KMgF₃ がある。これらの材料の多くは強誘電性である。 “強誘電体”は、それらの相互の作用に依る電気双極子の自然な配置構造であ り、強磁性体に似ている。印加された磁界は、任意の非導電性材料のように、結 晶の（分極した）狭い領域（“ドメイン”と呼ばれる）に局部的な電界を形成す る。強誘電体の場合、しかし、高い適正な外部電界が加えられている場合に、外 部電界が除去されると、ドメインの一部の分極（残留分極）が残る。分極曲線の ヒステリシス特性は不揮発性記憶装置と圧電変換器に応用事例を導く。好ましい ペロブスカイト強誘電体として、BaTiO₃，PbTiO₃，NaNbO₃，KNbO₃，NaTaO₃、お よびＡサイトがPb²⁺，Sr²⁺，Ba²⁺，La²⁺，Ca²⁺，Cd²⁺の混合物に依って占められ 且つＢサイトがTi⁴⁺,Nb⁴⁺,Sn⁴⁺,Hf⁴⁺,Zr⁴⁺,Ce⁴⁺,Th⁴⁺,Ta⁴⁺の混合物に依って占 められているPb(Zr,Ti)O₃(PZT),Pb_0.9La_0.1(ZR,Ti)O₃(PLZT),(Ba,Sr)TiO₃のよう な代替構造がある。 強誘電材料の別の共通する結晶構造はコランダム（サファイアAl2O3）に基づ いていて“イルメナイト”と呼ばれる。コランダムのユニット・セルは六面の最 密(ＨＣＰ)構造を形成するように配置されたＯ^2-を備えていて、Al³⁺イオンが八 面空間の2/3を満たしている。イルメナイトFeTiO₃の場合、Fe²⁺イオンは８面サ イトの1/3を満たし、Ti⁴⁺がこれらのサイトの他の1/3を満たしている。陽イオン の代替層は全てのFe²⁺または全てのTi⁴⁺になる。イルメナイト構造を備えた強誘 電体としてLiNbO₃とLiTaO₃があり、これらの材料で各々の層は体系付けられた配 置のLi²⁺とNb⁴⁺またはTa⁴⁺イオンを備えている。 イルメナイト構造は、ＨＣＰ構造がＦＣＣ構造と関連するのと全く同様にペロ ブスカイト構造にも関連している。これらの構造の両方の最密面に於ける原子の 構成は同じである、すなわち、各々原子が６つの最も近い位置にある６面格子で ある。この構成は、３つの原子に依って結ばれる空間を有していて、８つの原子 に対して２つの空間サイトを有している。両方の構造に於いて、これらの層は各 々面が下方のものに確実に入るように積み重ねられるので、各々次の面は、原子 が下方の構造の空間サイトの１つと調和するように変換される。ＦＣＣ構造の場 合、層はＡ-Ｂ-Ｃで積み重ねられる、すなわち、第３の層の原子は第１の層の空 間と調和する第２の層の空間の上方に位置する。ＨＣＰの積み重ねはＡ-Ｂ-Ａで ある、 すなわち、第３の層の原子は第１の層の原子と調和する第２の層の空間の上方に 位置する。そこで、ペロブスカイトとイルメナイト構造も似たものになり、２つ は、ペロブスカイトと呼ばれる、同じクラスで共にしばしば扱われる。 ペロブスカイト結晶構造は立方体であるが、ペロブスカイト系材料の殆どに、 形成温度と使用温度の間の相転移、すなわち、超伝導体の場合にＴｃと強誘電体 の場合にキュリー温度がある。これらの相転移は、結晶の対称性を損ねて、異方 性の特性を導く。これらの材料の最も効果的な形態は斜方晶系の構造に一般的に なる。この結晶構造の場合、全ての主な軸の間の角度は90゜（直角）になるが、 全ての３つの軸は少し異なる長さになる。類似の相転移はイルメナイト構造にも 現れる。 大型の試験片、すなわち、高いＴｃの超伝導体の自己支持型片は数多くの分離 した粒子を含んでいて、各々小さな結晶が其の近くを基準にして殆どランダムな 指向性を備えている。この不揃いな指向性は、粒子境界自体の特性と共に、大型 サンプルの電流搬送能力を低下させることになる。大型サンプルの超伝導特性は 、薄膜と全く異なることがしばしばあり、材料のこのクラスの固有の特性に関す る科学的な研究に対して大型試験片の不具合な選択にする。更に、大型サンプル の作成は其れ自体むしろ難しいことなので、この材料の妥協した超伝導特性は、 電子的な応用事例にとって理想的な状態を下回ることになる。 類似の状態が強誘電体にもある。これらの材料は電流の搬送に一般的に用いら れないが、それらの特性も結晶指向性に依存し、構造安定の問題は超伝導ペロブ スカイトと同じである。応用事例に関して、考えられる最大の分極を有すること が望ましい。結晶特性の異方性を考慮すると、この最大分極は、双極子の全てが 揃えられていて且つ非連続部分がない単結晶で達成される。酸化超伝導と同様に 、この状態は達成することが非常に難しい。しかし、一定で巧みに形成された結 晶指向性を備えた薄膜であれば殆どかまわない。このような膜は、膜面に対して 垂直の一定でａ-またはｃ-軸指向性を備えていて、高角度の粒子境界が無いか僅 かである。原子構成のために、約０゜(±５゜)または90゜(±５゜)の粒子境界は 膜の特性に対して有害にならない。高温超伝導性の技術分野では、これらの膜は “単結晶”膜と呼ばれるが、それらは厳密に言うと単一の粒子でない。妥協して 、それらは、一定の表面常態（膜面に対して垂直のべクトル）を有して且つ高角 度でない(５゜≦〇≦８５゜)粒子境界を有して形成された“ほぼ単結晶”として 、この説明に引用されている。 これらと他の理由から、高い酸化またはカップレート超伝導体は薄膜の形態で 製作される時に最も効果的になる。５〜500nmの膜は、材料が120Ｋの高温で超伝 導体になるように、支持基質上に付着されて処理されることができる。これらの 膜は、半導体処理に用いられる技術から変更された技術を用いて、デバイスと回 路に相応してパターン化される。その結果、超伝導デバイスと回路は、通常 （非超伝導）の材料から製作された類似の構造よりはるかに優れた特性を備えて いて、且つ液体ヘリウムに依る冷却を要求する旧式の超伝導体から製作された超 伝導構造より使用性に於いてはるかに好都合になる。支持基質の必要性は、しか し、数多くの応用事例に対して重大な欠点になる。 同様に、電子的な応用事例の場合に、ペロブスカイトとイルメナイトの強誘電 体の薄膜は、これらの材料の大型の形状より適している。シリコン・デバイスと 回路に統合するために、ごく僅かの材料を有することが望ましいので、膜は最高 度に考えられる品質にならなければならない。 完全に支持されていない薄膜は、一方で特に砕けやすい。基質が全体的に除去 されると、膜は、それに空隙または粒子境界の凝集力がないので通常は離れる。 もろさは或るケースでは固有のものであるが、他のケースでは薄くするプロセス に依って拡大される。例えば、透過型電子顕微鏡(ＴＥＭ)のサンプルを作成する 際に、大型の試験片は非常に薄く切断されてイオン・ミリングと湿式エッチング の組み合わせに曝されるが、薄膜サンプルは基質をエッチングすることに依って 其の基質から時々持ち上げられて離される。これらの作成技術の何れも粒子境界 と空隙のような欠陥のあるサイトで超伝導体材料を最初に侵すと考えられる。自 立型の薄膜は、非超伝導基質が無い場合に、これらの材料の固有の特性を調べる 際に効果的であるが、このような膜は実際にはまだ製造に適していない。 超伝導体はフィールドと放射の検出器として使用できることが分かった。これ らの応用事例の一部では、支持基質の存在は望ましくない。例えば、ボロメータ は赤外線放射検出器になる。実際の信号に対する其れらの感度を高め且つ背景熱 に対する其れらの感度を下げるために、ボロメータを基質から熱的に分離するこ とが望まれる。このように、ボロメータは其の支持基質よりはるかに瞬時に加熱 し且つ冷却し、基質と検出器の間の熱伝導も減少し、暗騒音も減少する。 強誘電体に関して、或る重要な応用事例は圧電変換器である。（圧電は機械的 応力に対応する電界の生成である。分極された強誘電体は非常に強い結合係数を 有する、すなわち、それらは大きな端数の機械的な力を電圧に変換する）。強誘 電体の支持されていない薄膜を用いると、非常に小さな機械的な力が、加えられ た応力が基質に広げられる時よりも電圧に変換される。これは、特に高感度の圧 力センサーと作動要素を導く結果になる。 本発明は、その支持基質から分離された高いＴｃの超伝導体の高品質の薄膜を 備えた超伝導構造である。高いＴｃの超伝導体薄膜の希望された特性を得るため に、超伝導層が超伝導体層と効果的に調和された支持基質上に付着される。超伝 導膜が基質から分離される領域に、しかし、中間の廃棄層(Sacrificial)が付着 される。超伝導層は、基質と廃棄層の両方に付着されてパターン化される。次に 、廃棄層が除去されて、基質に依って部分的にだけ支えられていた超伝導膜が離 れる。 従来技術の説明 ここで、我々は、ナノ構造とマイクロ回路の統合に使用できる自立型のＹＢＣ Ｏエア・ブリッジの製作について述べる。これらの構造は、通常の写真平板処理 (photlithogahy)と、イオン・ビーム乾式エッチングと、ＨＦ溶液に依る選別湿 式エッチングを用いて製作される。この湿式エッチングは、W.EidellothとW.J.G allagherとR.P.RobertazziとR.H.KochとB.Ohに依ってAppl.Phys.Lett．59,1257 (1991)に最初に発表された。次に示す膜はLaAlO₃またはイットリア安定化ジルコ ニア(ＹＳＺ)基質の何れかの上にレーザー付着に依って成長される。殆ど単結晶 の膜のＹＢＣＯと他のペロブスカイトのような材料を生成するために、膜は、原 子構成が膜の結晶構造に適したテンプレートを形成する基質上に付着される。膜 が同じ組成を備えた基質上に成長される時に、例えばシリコンの上にシリコンの ように、プロセスはホモエピタクシーと呼ばれる。高温超伝導体（またはペロブ スカイト強誘電体）の単結晶は非常に希なことなので、ＹＢＣＯはヘテロエピタ クシーに依って付着される。エピタクシャル膜成長の更に詳細なプロセス条件は 本文献の全体にわたって説明される。 幾つかの化学的組成がカップレート超伝導体材料を侵すことは周知のことであ る。実際に、これらの壊れやすい材料を日常の処理中に於ける変質から保護する 方法を発見することは、強く要望された研究の分野であった。フォトレジストの 現像液でさえYBa₂Cu₃O_7-δ薄膜を損ねることが確認されている。フッ化水素酸( ＨＦ)は、非常に高い選択性を示すが、しかし、YBa₂Cu₃Ｏ_7-δを侵すよりはるか にはやく一部のバッファ材料を侵す。 酸化超伝導体にとって好ましい基質またはバッファ層として知られる材料も、 一般的に酸化物である。サファイア（単結晶Al2O₃）とアルミ酸ランタン（単結 晶LaAlO₃）はいまマイクロ波応用事例に選択されている基質である。サファイア には非常に大きな格子の一定の不一致だけでなくYBa₂Cu₃O_7-δに依る熱膨張係数 の不一致があるが、それは周知の最小の誘電損失正接を有している。アルミ酸ラ ンタンは、高い誘電損失を有しているが、その上に成長された酸化超伝導体と膜 に調和された好ましい格子であり、サファイア上に成長された膜より低いマイク ロ波表面抵抗を示す。YBa₂Cu₃O_7-δの次のエピタクシャル成長に適した他の材料 として、SrTiO₃,CaTiO₃，CeO2，MgO，YSZ（イットリア安定化ジルコニアまたは キュービック・ジルコニア、ZrO:Y2O₃）がある。これらの材料は、ＹＢＣＯのエ ピタクシャル性を改善するバッファ層として、または２つ以上の超伝導層を絶縁 する誘電体として、しばしば使用される。L.P.LeeとK.CharとM.S.ColcloughとG. ZaharchunkはAppl.Phys.Lett．59,3051(1991)で、基質とバッファ材料の選択に ついて更に詳細に述べている。この応用事例で特に興味のあることは、しかし、 水、ＨＦ、または両方に於ける、これらのバッファと基質材 料の幾つかの溶解性である。 シリコン・マイクロ機械加工技術は急速に発展し、数多くの革新的な製造技術 がマイクロモーターと他の連結式マイクロ構造のために最近開発されている。シ リコン・マイクロ機械加工技術は付着とエッチング構造と廃棄膜に基づいている 。膜の付着後に、廃棄材料はエッチングされて離れ、完全に組み込まれていたマ イクロメカニカル構造が離れる。ポリシリコン膜のケースでは、かなりの研究が 、この数年間、このようなマイクロ構造の特殊な応用事例を示すために行われて きた。同様に、皮膜を製造する幾つかの技術も他の技術分野で知られている。圧 力センサーは長年にわたってシリコン皮膜から製造されてきた。これらの実績は 、Science,vol.254,Nov.29,1991,pp.1300-1342の特別の項目と、特にK.D.Wiseと K.Najafiのpp.1335-1342に依る論文で検討されている。 高温超伝導体(ＨＴＳ)ナノ構造技術または酸化ナノ構造技術の導入は、しかし 、通常のSiマイクロ機械加工技術と本質的に異なるエピタクシャル多層構造と技 術を要求する。これはＨＴＳマイクロ構造が全体的にエピタクシャル技術から製 作される必要があり、その場合、連続層が成長方向（面外指向性）と基質の面（ 面内指向性）の両方に於いて特に揃っていなければならないためである。酸化超 伝導体は、立方体の結晶である、シリコンと違って、斜方晶系の結晶構造を有す る、特に異方性になる。この異方性は、それらの広範囲の酸素成分と共に、これ らの材料を、膜の個々の粒子の配置の変形と、結晶の欠陥に対して特に敏感にさ せる。我々は、これらの問題を、L.P.LeeとK.CharとM.S.ColcloughとG.Zaharchu kのAppl.Phys.Lett.59,3051 (1991)で述べている。 前述のYBa₂Cu₃O_7-δ(YBCO)エア・ブリッジ技術は検出器とマイクロマシンに適 したＹＢＣＯ皮膜構造の製作に応用できる。D.B.RutledgeとD.P.NeikirkとD.P.K asilinghamの“集積回路アンテナ”赤外線とミリメータ波，Vol.10第１章(Acade mic Press,New York 1983)を参照すること。それは、マイクロモーターとマニプ レータのようなナノ構造を製作するためのマイクロ機械加工にも応用できる。 目的と長所 そこで、本発明の目的は、膜が高い転移温度(≧30Ｋ)と高い臨界電流密度(≧1 05A/cm2)を示す時に、高温超伝導体材料の自立型薄膜を提供することにある。そ のために、我々は、酸化超伝導体の薄膜が高度のエピタクシャル性と超伝導層の 面内配置を導く条件のもとで支持基質上のパターン化された誘電材料に付着され ている構造について述べる。超伝導体がパターン化されている時に、誘電材料は 選択された部分から除去できて、エア・ブリッジが離れる。すなわち、超伝導体 膜が支持基質にもはや接触しない領域になる。 本発明の別の目的は、強誘電材料の自立型薄膜を提供することにある。そのた めに、我々は、酸化強誘電体の薄膜が高度のエピタクシーと強誘電層の面内配置 を導く条件のもとで支持基質上のパターン化された誘電材料に付着されている構 造について述べる。強誘電体がパターン化されている時に、誘電材料は選択され た部分から除去できて、エア・ブリッジが離れる。すなわち、強誘電膜が支持基 質にもはや接触しない領域になる。 エア・ブリッジは、性能と動作の経済性に関して複数の長所を超伝導性と強誘 電性のデバイスに提供する。エア・ブリッジ・ボロメータ、赤外線放射の検出器 は、それらがデバイスに依って検出された背景放射に関与する支持基質のような 大きな熱質量と接触しない時に特に敏感になる。そのうえ、センサーの反応時間 は、作動領域だけが放射を検出する必要があり且つ基質を検出器と熱平衡にする 必要がないので、大幅に短縮される。同様に、エア・ブリッジ・スイッチは、支 持される構造と比べるとスイッチング時間を短縮した。強誘電音響センサーと変 換器も、支持基質から隔離される時に更に敏感に瞬時に応答する。 従って、本発明の更なる目的は、対象となる領域で支持基質を除去することに 依って其れらの全体的に支持される対応部品より高い性能を示す高温超伝導体の 電気デバイスと回路を提供することにある。この目標を達成するために、超伝導 体の特性は処理手順に依って変質してはいけない。そうしないと、支持基質の除 去から得た任意の長所が失われると思われる。 本発明の別の目的は、そこで、自立型の構造を高温超伝導体と強誘電材料の薄 膜から、それらの電気特性を変質せずに製作する方法を提供することにある。こ れらのクラスの合成物、ペロブスカイトとイルメナイトの特殊な化学的性質は、 プロセスの設計時に考慮しなければならない。そのうえ、プロセスは製造に適し ている、すなわち、大量生産に適したものとするために堅固で再生可能にすべき である。 本発明の更なる目的は、カップレート超伝導体材料を機械加工する方法を提供 することにある。ナノ技術の分野はまだ未熟であるが、ミニチュア・モーターと ポンプと他の機械的電気機械的デバイスの有用性について論議されていない。こ こで説明された技術は、これらのマイクロマシンを高温超伝導材料から製作する ために完成されなければならない技術である。シリコン・マイクロモーターの長 所の１つは其れらの小さな電力消費にある。超伝導材料から全体的に製作された マイクロモーターは、それが本質的に無損失なので、僅かな電力を必要とするだ けである。僅かな損失は高速で広帯域の動作と超微細な精度に変換できる。 これらと他の目的と長所は、図面を参照しながら次に示す詳細な説明を検討す ると更に明らかになると思われる。 要約 要するに、本発明は、高温超伝導体材料の自立型薄膜を意図されている。この 構造は、高い転移温度と、高い臨界電流密度と、好ましい面内配置と、高角粒子 境界のないことを含めて、高いＴｃの超伝導体の薄膜の希望された特性の全てを 示す。そのうえ、この構造は、超伝導膜が支持基質ともはや接触しない領域を含 んでいる。この特徴は、超伝導体が基質材料からの干渉なしに研究されることを 可能にする。それは、また、超伝導デバイスまたは回路の作動領域が基質から熱 的に電気的に分離されることも可能にする。 ペロブスカイトとイルメナイト材料の化学的で結晶学的な類似性のために、強 誘電性の材料と構造は、ごく僅かに調整するだけで同じ方法を用いて形成できる 。 これらの構造を製造する方法についても説明される。このプロセスは、単一の 構造だけでなく、次に示すデバイスと回路の構成の製作にも使用できる。 図面の簡単な説明 図１はＹＢＣＯエア・ブリッジの走査型電子顕微鏡(ＳＥＭ)マイクロ写真の技 術的な応用事例である。 図２は、図１に図示されているカンチレバー・ビーム構造の略斜視図である。 図３はＹＢＣＯエア・ブリッジの形成に関連するステップの手順の略図である 。 図４は図３のステップに依って形成されたブリッジ構造の略斜視図である。 図５はバッファ層を備えたカンチレバー切替構造の略斜視図である。 図６はブリッジするクロスオーバー構造の略斜視図である。 図７aと７bは発明の技術に依って製作されたボロメータ配置構造を概略的に示 す。図７aは構造の一部の側面図である。図７bは構造の一部の略斜視図である。 図８は、３つの個々の層に対する接触を可能にするために、特許申請されるエ ア・ブリッジ・クロスオーバー構造の略斜視図である。 図９は廃棄される基質上に形成される膜の略斜視図である。 図10aと10bは、ＹＢＣＯマイクロブリッジの抵抗と温度の曲線を示す。図10a は、SrTiO₃廃棄層のＨＦ湿式エッチング前のＲとＴの関係を示す。図10bは、SrT iO₃廃棄層のＨＦ湿式エッチング後のＲとＴの関係を示す。 図11aと11bは77Ｋに於けるＹＢＣＯマイクロブリッジの電流と電圧の曲線を示 す。図11aは、SrTiO₃廃棄層のＨＦ湿式エッチング前の構造のＩ-Ｖの状態を示す 。図11bは、SrTiO₃廃棄層のＨＦ湿式エッチング後の構造のＩ-Ｖの状態を示す。 実施例の説明 LaAlO₃基質22の上に製作されたＹＢＣＯエア・ブリッジ20が図１に図示されて いる。このカンチレバー構造が図２に概略的に図示されている。この10-μｍ幅 のエア・ブリッジ20は、後にエッチングされて離れた廃棄誘電層28上で大きくさ れた。ブリッジ20は、ＳＥＭ写真に見受けられる自立型のＹＢＣＯ線が離 れるウェーハ分離まで十分に耐える堅固な構造である。 図３に図示されるように、次に示す最小限の手順のステップがＹＢＣＯエア・ ブリッジ20の形成に関連している。付着された各々の層は、他に特に明記されて いない限り残っている下層にエピタクシャルする。エピタクシャル付着は前述の “ほぼ単結晶”の膜になる。第１に、基質22は、アセトンの超音波撹拌に依って 洗われ、清潔な乾燥窒素ガスに依って吹き付けられ乾燥される。次に、エピタク シャルSrTiO₃28は、廃棄誘電層としてLaAlO₃基質22の上に付着される。付着後に 、SrTiO₃28は、自立または吊るされるＹＢＣＯの領域を形成する通常の写真平板 技術を用いてパターン化される。ＹＢＣＯまたは別の酸化超伝導体24はパターン 化された誘電体28に付着される。この超伝導層24は、最終デバイス構造の超伝導 領域の大きさを定める乾式エッチングに依る写真平板技術を用いてパターン化さ れる。最後に、廃棄誘電層28はギャップ26を離す湿式エッチングに依って除去さ れる。図４はこの構造の略図を示している。形成時に、ギャップ26はエッチング 溶液で瞬時に充填される。動作中に、ギャップ26は、空気や冷凍剤または真空で 充填されるが、基質22に依って支持されない状態を保つ。 或るケースでは、廃棄層28が付着される“基質”は、図５〜８に図示されるよ うに、エピタクシャル構造32に既に成長する場合もある。これは、例えば、選択 する基質22がサファイアの時に好ましいと考えられる。サファイアはＹＢＣＯと 他の高い-Ｔc超伝導体と化学的に反応するので、バッファ層32はサファイアと任 意のＹＢＣＯ層の間に付着しなければならない。そこで、SrTiO₃28がＹＢＣＯ付 着中に保持されない領域に、バッファ層32が現れなければならない。バッファ材 料は、SrTiO₃が付着される前に、またはSrTiO₃がパターン化された後に加えられ ると思われる。他の場合に、エア・ブリッジ20をはるかに複雑な構造に加えるこ とが望まれるが、そのケースで基質22は廃棄材料28の下方の数層から構成される 。これらの構造の全ては、この開示に用いられる“基質”の基準に入らない。 廃棄誘電層28は、好ましい結晶学的方向と表面の平滑性を備えたエピタクシャ ル層を生成する任意の方法に依って付着できる。我々は、いま、レーザー分離（ パルス・レーザー付着またはＰＬＤとも呼ばれる）と反応スパッタリング（軸上 または軸を離れて）と金属-有機化学蒸着(Ｍ０ＣＶＤ)を用いて、誘電層を付着 している。廃棄層28として使用するために、我々は300〜400nmの適切な酸化物、 例えば、SrTiO₃,CaTiO₃またはＭgＯを付着している。選択された特殊な誘電材料 は、高温超伝導材料のエピタクシャル結晶成長に適したテンプレートを提供し、 且つ、誘電層を侵すよりはるかに遅い速度で超伝導材料を侵す少なくとも１つの 溶媒または溶液で溶解しなければならない。これらの２つの主な考えに注意して 、この層に特に適した材料の選択が、通常の価格または入手性を考慮して行われ る。 現在の標準的なプロセスにおいて、我々は、負のフォトレジストも使用できる が、Ｈoescht Ｃelaneseから入手できるＡＺＲ4620のような正のフォトレジスト を使用している。好ましいパターンは、適切なマスクを介する露出と、レジスト をセットするオプションの焼き付けと、レジスト製作者が指示する取扱方式に従 うレジストの開発に依って、レジストで形成される。パターンは廃棄層にアルゴ ン・イオン(Ａr⁺)ミリングに依って送られる。このステップ後に残っているSrTi O₃28領域の表面は、周囲の剥出基質22領域の上方300〜400nmになり、300〜400nm ステップを行うために後に付着されるＹＢＣＯ24を要求することになる。ＹＢＣ Ｏ24の高品質のエピタクシャル層をこのステップで与えるために、我々は、Ａr+ イオン・ビームの入射角度を調整して、SrTiO₃28の末端の傾斜を調整している。 乾式エッチング技術は湿式化学エッチング・プロセスより再生性に優れていて、 特に、イオン・ビーム・エッチングはSrTiO₃28領域の末端に於けるステップに対 して滑らかに制御できる角度を可能にする。このケースで、入射イオン・ビーム は、サンプル表面に対して垂直になる約45°の角度になる。残っているレジスト はアセトンを用いて剥離される。 エア・ブリッジ20そのものに対して、我々は300〜500nmのＹＢＣＯを付着する 。再び、フォトレジストが、超伝導層の最上部にパターンを形成するために用い られる。我々は、このＹＢＣＯ層24を乾式エッチングして、最終デバイスの超伝 導領域の大きさを定めている。パターンの完成後に、残っているフォトレジスト は除去されたわけである。 SrTiO₃支持型エア・ブリッジを自立型の吊下げ構造に変えるために、我々は、 薄いＨＦ溶液を用いてSrTiO₃を選別して湿式エッチングする。従来の湿式エッチ ング試験は、SrTiO₃のエッチング速度が25％ＨＦ水溶液の室温溶液に於ける静か な超音波撹拌のもとで約１μｍ／分であることを示していた。レーザー分離に依 って付着されたＹＢＣＯの薄膜層に対する類似の湿式エッチング試験は約４nm／ 分のエッチング速度を示していた。従って、適正に設計された構造に対して、こ のSrTiO₃湿式エッチング・プロセスに於いてＹＢＣＯを不動態化する必要はない 。この特殊な例はSrTiO₃を廃棄誘電物体28として用いているが、任意の適切な誘 電材料が、前述の高精度処理ステップを関連して変更することに依って使用でき る。 ＹＳＺの層を超伝導膜の上下に加えることに依って、エア・ブリッジ層24の強 度を高めることができる。非常に薄い層はＹＢＣＯの特に薄い層を十分に支持で きる。そのために、SrTiO₃が前述のようにパターン化されるが、ＹＳＺはパター ン化された層と基質の最上部にバッファ層として付着される。ＹＢＣＯはこの層 の最上部に希望された厚みで付着されて、ＹＳＺがＹＢＣＯの最上部に付着され る。我々はＹＳＺの使用を特に述べているが、これは機械的な支持構造なので、 任意の高品質のバッファ層材料をＹＳＺの代わりに使用できることが理解される 。 自立型または部分的に支持される強誘電性の膜とするために、次に示す別の方 式とする。基質22が再び洗浄されて廃棄層28が付着される。同じ基質の選択が可 能であるが、図解のために、ＹＳＺがこのケースで用いられる。図解のためにＹ ＢＣＯが廃棄層28となる。ＹＢＣＯがパターン化され、強誘電物、すなわち、Ｐ ＺＴはブリッジ層24として付着される。この層24は、記憶装置や変換器または電 子光学要素のような有用なパターンに、前述のようにパターン化される。再び、 廃棄ＹＢＣＯ層28が除去されて、ギャップ26が分離するが、強誘電物24よりはる かにはやく溶解するＹＢＣＯ28とする、エッチングが選択される。殆どの酸は、 他の酸化物よりはるかにはやくＹＢＣＯを侵す。例えば、このケースでは、薄い ＨＮＯ₃がＹＢＣＯを除去するが、他の材料の全てが構造に残る。好ましい希薄 比率は0.5％ＨＮＯ₃水溶液（シェルフがない、すなわち、予め薄められている） である。ＨＣｌのような他の酸は、それらが他の材料よりはるかにはやくＹＢＣ Ｏを侵さない限り代わりに使用できる。 非超伝導性で非強誘電性の材料をこれらの構造に使用することが望ましいケー スでは、PrBa₂Cu₃O_7-δはYBa₂Cu₃O_7-δになる。 このプロセスの変形型は、図９に図示されるように、廃棄材料の基質22を使用 している。このケースでは、基質22が洗浄され、バッファ層32（必要におうじて ）は超伝導体24の前に付着される。基質36の裏側が、パターン化され、選択され た領域でエッチングされて離されて、超伝導体24の皮膜を形成する。 ＹＢＣＯの超伝導特性は、任意の考えられる変質について前述の処理ステップ から識別するために調べられた。電子搬送測定のために、サンプルは、液体ヘリ ウム・レベルを越えて液体ヘリウム・ジュワーに注入された温度制御用銅サンプ ル・プラットフォームに置かれた。銅サンプル・プラットフォームの温度は市販 の温度制御装置を用いて10ｍＫ以内に制御されたが、サンプルは低温ヘリウム・ ガスに露出された。従って、吊下げられたエア・ブリッジの熱コンダクタンスが 十分に小さい時に、エア・ブリッジの中心部は銅サンプル・ホルダーとサンプル 基質の温度より低くなる。図10aに、我々は、廃棄するSrTiO₃が除去される前の エア・ブリッジの抵抗と温度曲線の関係を示す。このサンプルの場合、ＹＢＣＯ エア・ブリッジは、300nmの厚みで10μｍの幅であり、且つ、SrTiO₃廃棄層の除 去後に、吊下げ部は50μｍの長さだった。図は、約１Ｋの幅を有する87Ｋの転移 を示している。図10bに、我々は、SrTiO₃廃棄層の除去後の図10aと同じサンプル の抵抗と温度の関係を示す。図10aと10bの比較から分かるように、SrTiO₃除去プ ロセスに依る超伝導転移の幅の著しい劣化はなかった。更に、図10aと10bの比較 から分かるように、吊下げられたエア・ブリッジは、基質の温度より約３度低い 温度にヘリウム・ガスに依って冷却された。従って、その超伝導転移は、銅サン プル・プラットフォームと基質が90Ｋだった時に発生していた。これらの写真平 板的に形成されたＹＢＣＯエア・ブリッジは下の基質から熱的に分離できるので 、標準的な写真平板技術を用いて、単一基質上に単一の ＹＢＣＯボロメータ構成を生成できる。 図11aと11bに、我々は、ＲとＴの関係が図10aと10bに図示されているエア・ブ リッジのI-Vの曲線を示す。データは77Ｋに保持された銅サンプル・プラットフ ォームから得た。吊下げ前のエア・ブリッジの臨界電流は77Ｋで５ｍＡだった（ 図11a）。これは-1.3x10⁵Ａ/cm²の臨界電流密度に対応している。この減少され た電流密度は“ステップ末端”接合がSrTiO₃廃棄層の末端で形成したことを示す と思われる。詳細は、K.P.Daly,W.D.Dozier,J.F.Burch,S.B.Coons,R.Hu,C.E.Pla tt,R.W.Simon,Appl.Phys.Lett.58,543(1991)を参照すること。エア・ブリッジを 吊下げるSrTiO₃エッチング・プロセス後に、臨界電流は３ｍＡだったが、サンプ ル・プラットフォームは77Ｋに保持されていた（図11b）。このサンプルを生成 したSrTiO₃エッチングは一部の大きいほうの構造のエッチングを同じチップ・セ ットに収容できる２分の長さだった。ＹＢＣＯのエッチング速度はSrTiO₃のエッ チング速度より非常に遅かった（0.004μｍ／分に対して１μｍ／分）が、ＹＢ ＣＯは-0.008μｍの幅だった。エア・ブリッジの最上部と下側の両方がＨＦ溶液 に曝されたので、ＹＢＣＯは８〜16ｎｍの厚みに減少された。従って、その断面 積は４μｍ２から3.8μｍ２に減少された。この断面積の減少が、５ｍＡから4.7 5ｍＡへの0.25ｍＡの臨界電流の減少を導いた。ＳＥＭを使用するエア・ブリッ ジの例（図１）は任意の明確な亀裂または凹みを示していなかった。臨界電流の 確認された減少が８倍以上（２ｍＡ）だった事実は、エッチング前に減少された 臨界電流を生成した領域はＹＢＣＯの残りよりエッチング・プロセスに対して非 常に敏感だったことを示すと思われる。例えば、ＹＢＣＯエッチング速度が大き な局部的な応力のためにSrTiO３層の末端に於いて少しはやめられることは妥当 でないと考えられる。それにもかかわらず、図10a,10b,lla,llbのデータは、自 立型のＹＢＣＯ構造が本来の超伝導体の特性を大幅に劣化させずに製作できるこ とを示している。 代表的な応用事例 ここに開示された製作手順は幾つかの超伝導構造を製造するうえで役に立つ。 次に、我々はこの技術の特に代表的な応用事例について述べる。 スイッチと絶縁クロスオーバー 図５と６はクロスオーバーとして用いられるエア・ブリッジを示す。図５の場 合、ブリッジする超伝導または強誘電層24は、支持物体22と32に一端だけ接触し ているが、他端は吊下げられている。これは、スイッチまたはセンサーとして有 用なカンチレバー構造を与える。図６の場合、ブリッジする超伝導または強誘電 層24は、支持物体22と32に真のブリッジを生成する両端で接触している。 これらの構造は共にセンサーとスイッチとして有用である。通常の条件のもと で、ブリッジする超伝導体層24は支持されている超伝導体層34から電気的に絶縁 される。電流は２つの層の間を流れず、スイッチは“開放”される。外部力がブ リッジする超伝導体層24に加えられる時に、それは、支持されている超伝導体層 34に向けて偏向し、事実上スイッチを十分に“閉じる”ことができるほど近づく ので、電流が或る層から他の層に流れる。物理的な接触は、電子が非常に薄い空 気（または他の超伝導性）のギャップを通ることができるので必要でない。強誘 電性のセンサーは、カンチレバーを押し下げても電流が流れず、むしろ電圧が生 成されることを除けば、全く同様に作動する。 力は数多くの状態で誘導できる。レバーまたはブリッジ24が物理的に押し下げ られると、スイッチは圧力センサーとして作用する。磁界は超伝導性のレバーま たはブリッジ24を跳ね返すので、スイッチは磁界に反応する。一部の応用事例の 場合、磁界はスイッチの近くで電流を搬送する制御線に依って誘導できる。 空気は非常に優れた絶縁物である。これらのエア・ブリッジ構成に於いて、空 気ギャップ26は従来の誘電または絶縁材料の代わりになることができる。 ボロメータ 図7aと7bはボロメータ構成に適した配置の構造30を示している。このタイプの 構造はボロメータ構造に対して数多くの長所を備えている。通常のボロメータ製 作技術と異なって、ボロメータ構造は単一的である。補助構造を薄くして後で其 れを取り付ける必要はない。従って本発明の技術は製作するうえで更に好都合に なる。更に、自立型の構造は非常に低い熱容量と非常に低い熱質量を備えている 。低い熱容量は、入射する赤外線信号と反応する非常に小さな容積のために、ボ ロメータを更に敏感にする。低い熱質量は、それが大きな基質と熱的に結合され ないので、背景信号を大幅に減少する。最後に、幾つかのボロメータを配置構造 に容易に組み込むことができるので、イメージを好ましくする。この配置構造の 検出器は、空間的だけでなく化学的な情報も生成する。 マイクロ波スイッチ エア・ブリッジ構造の低い熱抵抗から導かれる別の応用事例として、マイクロ 波スイッチがある。マイクロ波に使用するために、構成部品のスイッチング時間 は非常に高速でなければならない。非常に高速のスイッチは、エア・ブリッジ20 が横方向に薄くされて其の断面積を幅の広い超伝導体の２つの領域間で減少する 時に生じる。スイッチの通常の閉止状態から開放状態に切り替えるために、エア ・ブリッジ材料は強制的に通常の状態にされる、すなわち、超伝導状態から非超 伝導状態に変えられる。これは、エア・ブリッジ材料の臨界電流、臨界磁界、ま たは臨界温度の何れかを越えることに依って達成される。周囲面積の遅い応答時 間 と其れらの広い断面積のために、エア・ブリッジだけが、この状態の変化を行う ことができる。 マイクロモーター マイクロモーターは、超伝導体層のほかに誘電層をパターン化する前述の技術 を用いて製作できる。誘電片がコンデンサーの２つの充電プレート間で自由に移 動できる時に、それは、変動する電圧をプレートに印加することに依って回転で きる。モーターは、誘電的に局部的な環境に於ける任意の変動が回転速度または 方向を変更し、且つモーター自体の運動が回路の他の部品を移動するために使用 できるので、センサーまたは作動要素として使用できる。例えば、この運動は、 回路の静電容量と共振周波数を変更するために、システムの別のコンデンサーの ２つの部品間のギャップ幅の変更に使用できる。この運動は、超音波または音波 をモーターの近くで生成（または検出）するためにも使用できる。 経済性 エア・ブリッジの１つの現実的な長所は、誘電層の削除に起因する物理的で熱 的な質量の減少にある。超伝導体は超伝導状態に冷却されなければならないので 、熱質量の減少は好ましいことである。小形で軽量な構造は、大型で重い構造よ り少ない冷却材を要求するにすぎない。これは、廉価な冷却技術ですみ、且つ冷 却材を補充する期間を延長することになる。更に、エア・ブリッジ素子の多くは 、サイズと重量の減少が歓迎される衛星や宇宙船に於いて特に利用価値がある。 結論と結果と範囲 そこで、我々は、素子の応用事例を拡大できる吊下げ式のＨＴＳマイクロ構造 を示す、超伝導エア・ブリッジの製作に成功したことが明らかである。ＨＴＳ酸 化膜の機械的特性の多くが知られていないが、我々は、シリコン・マイクロ回路 技術に見受けられる構造と類似する吊下げ式ＨＴＳ構造を製作できる一般的な方 式を示した。これは、センサーとマイクロマシンに於いて種々のＨＴＳ応用事例 の可能性を導くものである。 我々は、エア・ブリッジを用いて製作された幾つかのデバイスも開示した。こ れらのデバイスは、高温超伝導体を包合し、且つセンサーと作動素子と画像作成 配置構造とマイクロ波構成部品も対象にしている。 前述の説明は数多くの特殊な詳細な内容を含んでいるが、それらは、発明の範 囲に対する限定と見なされず、むしろ其の推奨実施例の例示と解釈される。数多 くの他の変形事例が可能であるが、前述の説明を読んで理解すれば、他の事例も 当然のごとく可能と思われる。そこで、発明の範囲は、図示された実施例でなく 、添付の請求項と其れらの法的に同等なものに依って決定されるべきである。Detailed Description of the Invention Free-standing structure of perovskite oxide materials Field of the invention   The present invention includes a high quality thin film of an oxide material such as a perovskite system. Vertical structure. In particular, unsupported regions of high temperature superconductors and thin films of ferroelectric materials. The present invention relates to an electronic device structure that utilizes the area. BACKGROUND OF THE INVENTION   From the discovery of Bednorz and Muller in 1986, a new class of superconducting oxides, From the superconducting transition temperature "cuprate" higher than about 30K, The related technologies have made rapid progress. Even before this discovery, superconductivity was a major factor in many metallic elements. Not only was it found in some non-metallic compounds. Metal is a good material Since it was considered to be a good case, it is natural to make useful devices from these superconductors. It was.   However, new superconductors are ceramics. Metal is malleable and easily Although formed on ears and magnets, ceramic is fragile and fragile and stressed. When obtained, it shows a tendency to break. Metals are usually melted at reasonable temperatures in the hundreds of degrees Celsius. As they melt, they can be molded. Instead of melting, ceramics often It decomposes and must be heated at high temperature in an oxidizing atmosphere. The metal is solid, Only localized deformation matters when exposed to acids or high energy materials, Lamic can undergo extensive damage under chemical corrosion.   As the three main families of high temperature superconductors, YBa₂Cu₃O_7-δWith a 1-2-3 compound such as , Thallium compounds such as TlBaCuO (several phase superconductivity) and bis compounds such as BaSrCaCu There is a mass (several phase superconductivity). In all of these families, oxide superconductors are Perovskite CaTiO_Three, With complex crystal structure based on simple structure, Conductors are often said to have a "layered perovskite" structure. this In all cases, if the layers are stacked in the c-direction, It can be thought of as the bottom and middle layers of Ito and the top layer of perovskites. Is. Regardless of the number of layers, the c-axis membrane consists of its substrate and its topmost layer. Always have a perovskite unit cell for any lengthened layer. Appear in. This crystal chemistry is characterized by the growth of many high temperature superconductor (HTS) thin films. Related to sex.   In the (true) perovskite crystal structure, the O2- and Ca2 + ions have four octahedral faces. Closest cubic (face-centered cubic) structure with space and eight four-sided spaces (hereinafter, FCC structure) To form O^2-Anion is the center of the cube, Ca²⁺The cations are the corners of the cube, Ti⁴⁺ Ions occupy 1/4 of the octahedral space. There are 6 facets per unit cell, each Each depends on two cells for a total of three "O-sites" per unit cell Is shared. Similarly, there are eight cube corners per unit cell, each Depends on eight cells for a total of one "A-site" per unit cell Be shared. Finally, there are four octahedral spaces per unit cell, but one Since only this structure occupies one "B-site" per unit cell Will exist. BaTi is another material with a simple perovskite structure. O₃， SrTIO₃， SrSnO₃， CaZrO3 ， SrZrO₃， KNbO₃， NaNbO₃， LaAlO₃， YAlO₃， KMgF₃ There is. Many of these materials are ferroelectric.   "Ferroelectric" is a natural arrangement of electric dipoles due to their interaction. It resembles a ferromagnet. The applied magnetic field, like any non-conductive material, will Creates a local electric field in a small (polarized) region of the crystal (called the "domain") It In the case of ferroelectrics, but in the presence of a high and appropriate external electric field, When the partial electric field is removed, a partial polarization (residual polarization) of the domain remains. Of the polarization curve Hysteresis characteristics lead to applications in non-volatile storage and piezoelectric transducers. preferable BaTiO 3 as a perovskite ferroelectric₃， PbTiO₃， NaNbO₃， KNbO₃， NaTaO₃, And A site is Pb²⁺， Sr²⁺， Ba²⁺， La²⁺， Ca²⁺， Cd²⁺Occupied by a mixture of And B site is Ti⁴⁺, Nb⁴⁺, Sn⁴⁺, Hf⁴⁺, Zr⁴⁺, Ce⁴⁺, Th⁴⁺, Ta⁴⁺Fortune telling by a mixture of Pb (Zr, Ti) O₃(PZT), Pb_0.9La_0.1(ZR, Ti) O₃(PLZT), (Ba, Sr) TiO₃As There are various alternative structures.   Another common crystal structure of ferroelectric materials is based on corundum (sapphire Al2O3) It is called "Ilmenite". The corundum unit cell is the largest of the six O arranged to form a dense (HCP) structure^2-Is equipped with Al³⁺AEON is eight It fills 2/3 of the surface space. Ilmenite FeTiO₃If, Fe²⁺Ion has 8 sides 1/3 of the⁴⁺Meets the other third of these sites. Positive ion The alternative layer is all Fe²⁺Or all Ti⁴⁺become. Forcing with ilmenite structure LiNbO as electric body₃And LiTaO₃Each of these layers has a systematic layout. Oki Li²⁺And Nb⁴⁺Or Ta⁴⁺Equipped with ions.   The ilmenite structure is a perovsk, just as the HCP structure is related to the FCC structure. It is also related to the skating structure. Of the atoms in the densest faces of both of these structures The composition is the same, that is, in a hexahedral lattice with each atom at the six closest positions is there. This structure has a space that is connected by three atoms and has eight atoms. Has two spatial sites. In both structures, these layers are Each facet is stacked so that each face is sure to fit into the one below, Are transformed to match one of the spatial sites of the underlying structure. FCC structure , The layers are stacked A-B-C, that is, the atoms of the third layer are vacant in the first layer. It is located above the space of the second layer in harmony with the space. HCP stacking is ABA is there, That is, the atoms of the third layer are above the space of the second layer in harmony with the atoms of the first layer. To position. So, the perovskite and ilmenite structures became similar and two Are often treated together in the same class, called a perovskite.   The perovskite crystal structure is cubic, but for most perovskite-based materials, Phase transition between formation temperature and use temperature, ie Tc and ferroelectric in the case of superconductors If there is a Curie temperature. These phase transitions impair the crystal symmetry and Guide the character of sex. The most effective morphology of these materials is generally in the orthorhombic structure Become. In the case of this crystal structure, the angle between all major axes is 90 ° (right angle), All three axes have slightly different lengths. Similar phase transitions in ilmenite structure appear.   Large test pieces, ie self-supporting pieces of high Tc superconductor, have a large number of separations. Containing small particles, each small crystal is almost random relative to its vicinity. It has directivity. This uneven directivity, along with the characteristics of the particle boundaries themselves, This will reduce the current carrying capacity of the sample. The superconducting properties of large samples , Often different from thin films and related to the unique properties of this class of materials Make a bad choice for large specimens for scientific research. In addition, large samples Since it is rather difficult to create, the compromised superconducting properties of this material are It will be less than ideal for electronic applications.   There are similar states in ferroelectrics. These materials are commonly used to carry electrical current. However, their properties also depend on crystal orientation, and the problem of structural stability is the problem of superconducting perovts. It is the same as Skite. Have the maximum possible polarization for the application Is desirable. Considering the anisotropy of the crystal properties, this maximum polarization shows that all dipoles Achieved with single crystals that are aligned and free of discontinuities. Similar to oxidative superconductivity , This situation is very difficult to achieve. However, a constant and well-formed result Almost any thin film having crystal orientation is acceptable. Such a film is Has a constant vertical and a- or c-axis directivity, with or without high-angle grain boundaries It is. Due to the atomic composition, particle boundaries of about 0 ° (± 5 °) or 90 ° (± 5 °) Does not harm the properties of the membrane. In the field of high temperature superconductivity, these films are Although called "single crystal" films, they are not strictly a single particle. Compromise , They have a constant surface state (vector perpendicular to the membrane surface) and high angle As a "nearly single crystal" formed with grain boundaries that are not uniform (5 ° ≤ ○ ≤ 85 °) , Cited in this description.   For these and other reasons, highly oxidized or coupled superconductors are in the form of thin films. Most effective when made. A film with a thickness of 5 to 500 nm is superconductive at a high temperature of 120K. It can be deposited and treated on a support substrate to become a conductor. these The film is processed with the device using techniques that are modified from those used in semiconductor processing. It is patterned according to the road. As a result, superconducting devices and circuits typically With properties far superior to similar structures made from (non-superconducting) materials And made from older superconductors that require cooling with liquid helium. Much more convenient in terms of usability than conductive structures. The need for a supporting substrate is However, it is a serious drawback for many applications.   Similarly, for electronic applications, the perovskite and ilmenite ferroelectrics Body thin films are more suitable than the large geometry of these materials. With silicon devices The membrane is best because it is desirable to have very little material to integrate it into the circuit. The quality must be considered every time.   Membranes that are not completely supported, on the other hand, are particularly fragile. Substrate is totally removed When done, the membrane normally separates as it lacks the cohesive forces of voids or particle boundaries. Fragility is inherent in some cases, but thin in others Will be expanded by. For example, create a transmission electron microscope (TEM) sample In doing so, large test pieces were cut into very thin pieces by ion milling and wet etching. , But the thin film sample relies on etching the substrate It is sometimes lifted and released from its substrate. Both of these creation techniques are particle boundaries It is believed that the superconductor material is first attacked at sites with defects such as voids. Self Vertical thin films investigate the unique properties of these materials in the absence of non-superconducting substrates. While effective, such membranes are not yet suitable for manufacture in practice.   It has been found that superconductors can be used as field and radiation detectors. this In some of these applications, the presence of a support matrix is undesirable. For example, bolometer Will be an infrared radiation detector. Increase their sensitivity to real signals and background heat The bolometer can be thermally separated from the substrate to reduce their sensitivity to And is desired. Thus, a bolometer heats much more quickly than its supporting substrate. Cooling and cooling, heat transfer between the substrate and detector is also reduced, and background noise is also reduced.   One important application for ferroelectrics is piezoelectric transducers. (Piezoelectric is mechanical The generation of an electric field corresponding to stress. Polarized ferroelectrics have a very strong coupling coefficient. Have, ie, they convert a large fraction of the mechanical force into a voltage). Coercion With an unsupported thin film of electrical body, very little mechanical force is applied. Stresses are converted to voltage rather than when they are spread on the substrate. This is a particularly sensitive pressure This results in guiding force sensors and actuating elements.   The present invention provides a high quality thin film of high Tc superconductor separated from its supporting substrate. It has a superconducting structure. To obtain the desired properties of high Tc superconductor thin films First, a superconducting layer is deposited on a support substrate that is effectively matched with the superconductor layer. Super biography In the area where the conducting membrane is separated from the substrate, however, an intermediate waste layer (Sacrificial) is attached Is done. The superconducting layer is deposited and patterned on both the substrate and the waste layer. next , The waste layer was removed, and the superconducting film, which was only partially supported by the substrate, was released. Be done. Description of the prior art   Here we are a free-standing YBC that can be used to integrate nanostructures and microcircuits. The production of O-air bridge will be described. These structures are normal photolithographic processing. (photlithogahy), ion-beam dry etching, and selective wetting with HF solution It is manufactured by using the etching method. This wet etching is based on W. Eidelloth and W. J. G. Appl. Phys. Lett. by allagher, R. P. Robertazzi, R. H. Koch and B. Oh 59,1257 First published in (1991). The following film is LaAlO₃Or yttria-stabilized zirco It is grown by laser deposition on any of the near (YSZ) substrates. Almost single crystal In order to produce YBCO and other perovskite-like materials for The child structure is deposited on a substrate that forms a template suitable for the crystal structure of the film. film Is grown on a substrate with the same composition, e.g. As such, the process is called homoepitaxial. High temperature superconductor (or perov YBCO is a hetero-epitaxy because single crystals of (skew ferroelectrics) are very rare. Attached by the kushi. More detailed process conditions for epitaxial film growth are It is described throughout this document.   It is well known that some chemical compositions attack coupled superconductor materials. It In fact, protects these fragile materials from alteration during routine processing Discovering methods has been a highly sought after area of research. Photoresist Even the developer is YBa₂Cu₃O_7-δIt has been confirmed to damage the thin film. Hydrofluoric acid ( HF) shows very high selectivity, but YBa₂Cu₃O_7-δMuch more than invading Quickly attack some buffer material.   Materials known as preferred substrates or buffer layers for oxide superconductors also include Generally, it is an oxide. Sapphire (single crystal Al2O₃) And lanthanum aluminate (single bond Crystal LaAlO₃) Is the substrate of choice for microwave applications. sapphire YBa as well as a certain mismatch of very large lattices₂Cu₃O_7-δCoefficient of thermal expansion , But it has the well-known minimum dielectric loss tangent. Aluminum aluminate Has high dielectric loss, but oxide superconductors and films grown on it Microphone that is a preferred lattice matched to and lower than a film grown on sapphire Shows the wave surface resistance. YBa₂Cu₃O_7-δOther materials suitable for the next epitaxial growth of As SrTiO₃, CaTiO₃, CeO2, MgO, YSZ (yttria-stabilized zirconia or Cubic Zirconia, ZrO: Y2O₃). These materials are YBCO's Insulates two or more superconducting layers as a buffer layer to improve pivotal properties Often used as a dielectric. L.P.Lee, K.Char, M.S.Colclough and G. Zaharchunk is Appl.Phys.Lett. 59,3051 (1991) in the selection of substrate and buffer material Further details are given below. Of particular interest in this application case, however, These buffers and matrix materials in water, HF, or both The solubility of some of the ingredients.   Silicon micromachining technology is developing rapidly and many innovative manufacturing technologies Have been recently developed for micromotors and other articulated microstructures. Shi Recon micromachining technology is based on deposition and etching structure and waste film . After the film was deposited, the waste material was etched away, leaving the The micromechanical structure separates. Considerable research has been done in the case of polysilicon films. , Has been done over the last few years to show special application cases of such microstructures Came. Similarly, some techniques for producing coatings are known in other arts. Pressure Force sensors have been manufactured from silicon coatings for many years. These achievements , Science, vol. 254, Nov. 29, 1991, pp. 1300-1342, and especially with K.D. Wise. It is discussed in a paper by K. Najafi, pp.1335-1342.   The introduction of high temperature superconductor (HTS) nanostructured technology or oxidized nanostructured technology , An epitaxial multi-layer structure and technology that are essentially different from ordinary Si micromachining technology I need surgery. This is because the HTS microstructure is made entirely from epitaxial technology. Needs to be created, in which case the continuous layers are grown in the direction of growth (out-of-plane directivity) and the surface of the substrate ( This is because the in-plane directivity) must be particularly aligned in both directions. Super oxidation Unlike silicon, which is a cubic crystal, the conductor has an orthorhombic crystal structure. It becomes particularly anisotropic. This anisotropy, together with their extensive oxygen content, These materials are especially sensitive to deformations in the arrangement of individual particles in the film and to crystal defects. Let We address these issues by L.P.Lee, K.Char, M.S.Colclough and G.Zaharchu. K Appl. Phys. Lett. 59, 3051 (1991).   The aforementioned YBa₂Cu₃O_7-δ(YBCO) Air Bridge Technology Suitable for Detectors and Micromachines It can be applied to the production of the YBCO coating structure. D.B.Rutledge and D.P.Neikirk and D.P.K Asilingham's "Integrated Circuit Antenna" Infrared and Millimeter Waves, Vol.10 Chapter 1 (Acade mic Press, New York 1983). It ’s a micromotor and a manipulator. It can also be applied to micromachining to fabricate nanostructures such as laters. Purpose and strengths   Therefore, an object of the present invention is to provide a film with a high transition temperature (≧ 30 K) and a high critical current density (≧ 1 K). 05A / cm2) is to provide free-standing thin film of high temperature superconductor material. So For that, we have found that oxide superconductor thin films are highly epitaxial and superconducting. Deposited on a patterned dielectric material on a supporting substrate under conditions that induce in-plane placement. The structure is described below. When the superconductor is patterned, the dielectric material Can be removed from selected areas, leaving the air bridge. That is, superconductor The area is where the membrane is no longer in contact with the support substrate.   Another object of the present invention is to provide a free-standing thin film of a ferroelectric material. That In order to ensure that the oxide ferroelectric thin film has a high degree of epitaxy and in-plane placement of the ferroelectric layer Structure deposited on the patterned dielectric material on the support substrate under conditions that induce Describe the structure. The dielectric material is selected when the ferroelectric is patterned. Can be removed from the open part, leaving the air bridge. That is, the ferroelectric film is a supporting substrate. It is an area that is no longer in contact with quality.   Air bridges offer several advantages in terms of performance and economics of operation: superconductivity and motivation. Provide for electronic devices. Air bridge bolometer, infrared radiation detector Like the supporting substrates responsible for the background radiation they are detected by the device. It is especially sensitive when not in contact with large thermal masses. Besides, the reaction time of the sensor Needs only the active region to detect radiation and brings the substrate into thermal equilibrium with the detector Since it is not necessary, it is greatly shortened. Similarly, the air bridge switch is The switching time has been shortened compared to the structure that is retained. Changed to ferroelectric acoustic sensor The converter also responds more sensitively and instantaneously when isolated from the supporting substrate.   Therefore, a further object of the present invention is to remove the support matrix in the area of interest. Of high-temperature superconductors that thus outperform their globally supported counterparts. To provide electrical devices and circuits. Superconductivity to achieve this goal Body properties should not be altered depending on the processing procedure. Otherwise, the supporting substrate will be removed. It seems that any of the advantages that have been gained since then will be lost.   Another object of the present invention is therefore to provide a self-supporting structure for high-temperature superconductors and ferroelectric materials. It is an object of the present invention to provide a method for producing a film from a film without deteriorating their electrical properties. This The special chemistry of these classes of compounds, perovskites and ilmenite, Must be considered when designing the process. Besides, the process is suitable for manufacturing Have to be robust and renewable to be suitable for mass production Is.   A further object of the invention is to provide a method of machining a cuprate superconductor material. To do. The field of nanotechnology is still immature, but with miniature motors The utility of pumps and other mechanical and electromechanical devices has not been discussed. This The technique described here builds these micromachines from high temperature superconducting materials. It is a technology that must be completed in order to do so. Silicon Micro Motor Head One of them is their small power consumption. Made entirely from superconducting material Micromotors need little power because it's essentially lossless It is injured. A slight loss can be converted to high speed, wide band operation and ultrafine accuracy.   For these and other objects and advantages, consider the following detailed description with reference to the drawings. Then it will become more apparent. wrap up   In summary, the present invention contemplates a free-standing thin film of high temperature superconductor material. this The structure is high transition temperature, high critical current density, favorable in-plane arrangement, and high-angle particles. All of the desired properties of high Tc superconductor thin films, including the absence of boundaries Show. Moreover, this structure contains regions where the superconducting membrane is no longer in contact with the supporting substrate. I'm out. This feature means that superconductors can be studied without interference from matrix materials. to enable. It also allows the working area of a superconducting device or circuit to heat away from the substrate. It can also be electrically isolated.   Due to the chemical and crystallographic similarities between perovskite and ilmenite materials, strong Dielectric materials and structures can be formed using the same method with only minor adjustments .   Methods of manufacturing these structures are also described. This process is a single It can be used not only for construction but also for fabrication of the following device and circuit configurations. Brief description of the drawings   Figure 1 shows the technique of the scanning electron microscope (SEM) microphotograph of the YBCO Air Bridge. This is a technical application example.   FIG. 2 is a schematic perspective view of the cantilever beam structure shown in FIG.   FIG. 3 is a schematic diagram of the steps involved in forming the YBCO air bridge. .   FIG. 4 is a schematic perspective view of a bridge structure formed by the steps of FIG.   FIG. 5 is a schematic perspective view of a cantilever switching structure including a buffer layer.   FIG. 6 is a schematic perspective view of a bridging crossover structure.   7a and 7b schematically show a bolometer configuration made according to the technique of the invention. You Figure 7a is a side view of a portion of the structure. FIG. 7b is a schematic perspective view of a portion of the structure.   FIG. 8 shows a patent pending process to allow access to three individual layers. It is a schematic perspective view of an a-bridge crossover structure.   FIG. 9 is a schematic perspective view of a film formed on a substrate to be discarded.   Figures 10a and 10b show the YBCO microbridge resistance-temperature curves. Figure 10a Is SrTiO₃The relationship between R and T before HF wet etching of the waste layer is shown. Figure 10b shows SrT iO₃The relationship between R and T after HF wet etching of the waste layer is shown.   Figures 11a and 11b show the YBCO microbridge current and voltage curves at 77K. You Figure 11a shows SrTiO₃The IV state of the structure before HF wet etching of the waste layer is shown. . Figure 11b shows SrTiO₃3 shows the IV state of the structure after HF wet etching of the waste layer. Example description   LaAlO₃A YBCO air bridge 20 fabricated on a substrate 22 is shown in FIG. There is. This cantilever structure is shown schematically in FIG. This 10-μm width The air bridge 20 of FIG. It was The bridge 20 is separated from the free-standing YBCO line seen in the SEM photograph. It has a solid structure that can withstand the separation of wafers.   As shown in FIG. 3, the following minimum procedure steps are Related to the formation of bridge 20. Each layer deposited is otherwise specified Unless there is an epitaxy to the lower layer that remains. Epitaxial adhesion is described above. It becomes an "almost single crystal" film. First, the substrate 22 relies on ultrasonic agitation of acetone Washed and blown dry with clean dry nitrogen gas. Next, Epita Shall SrTiO₃28, LaAlO as waste dielectric layer₃It is deposited on the substrate 22. After attachment , SrTiO₃28 is an ordinary photographic flat plate that forms an area of YBCO that is free-standing or suspended. Patterned using technology. YBCO or another oxide superconductor 24 is patterned Adhered to the patterned dielectric 28. This superconducting layer 24 is the superconducting material of the final device structure. Patterned using photolithographic techniques relying on dry etching to define area size Be done. Finally, the waste dielectric layer 28 is removed by a wet etch that releases the gap 26. Be done. FIG. 4 shows a schematic diagram of this structure. The gap 26 is etched during formation Instantly filled with solution. During operation, the gap 26 may be filled with air, cryogen or vacuum. It is filled but remains unsupported by the substrate 22.   In some cases, the "substrate" to which the waste layer 28 is attached is illustrated in Figures 5-8. In some cases, the epitaxial structure 32 may already grow. This is the choice, for example It is considered preferable when the substrate 22 is sapphire. Sapphire is YBCO The buffer layer 32 acts as sapphire because it chemically reacts with other high-Tc superconductors. It must be deposited between the desired YBCO layers. Therefore, SrTiO₃28 with YBCO The buffer layer 32 should appear in areas that are not retained during wear. Buffer material Charge is SrTiO₃Before being deposited, or SrTiO₃Is added after being patterned It seems to be that. In other cases, adding the air bridge 20 to a much more complex structure In that case, the substrate 22 is composed of several layers below the waste material 28. . All of these structures do not fall within the "substrate" criteria used in this disclosure.   Waste dielectric layer 28 is an epitaxy layer with favorable crystallographic orientation and surface smoothness. Can be deposited by any method that produces a layer. We are now using laser separation ( Also known as pulsed laser deposition or PLD) and reactive sputtering (on-axis) Or off-axis) and metal-organic chemical vapor deposition (MOCVD) to deposit a dielectric layer are doing. For use as a waste layer 28, we have a suitable oxide of 300-400 nm, For example, SrTiO₃, CaTiO₃Or MgO is attached. Selected special dielectric material Provides templates suitable for epitaxial crystal growth of high temperature superconducting materials, And at least one of the superconducting materials is attacked at a rate much slower than that of the dielectric layer. It must dissolve in a solvent or solution. Note these two main ideas , The selection of materials particularly suitable for this layer is made at regular price or availability. It   In the current standard process, we can also use negative photoresist A positive photoresist such as AZR4620 available from Hoescht Celanese You are using The preferred pattern is exposure through a suitable mask and resist. Set the optional baking and follow the handling method instructed by the resist manufacturer. According to the development of the resist, the resist is formed. The pattern is Argo on the waste layer Ion (Ar⁺) Sent by milling. SrTi remaining after this step O₃The surface of the 28 area is 300-400 nm above the surrounding exfoliated substrate 22 area, 300-400 nm It will require YBCO 24 to be deposited later to perform the steps. YBC To provide a high quality epitaxial layer of O24 at this step, we have used Ar + By adjusting the incident angle of the ion beam, SrTiO₃Adjusting the inclination of 28 ends. The dry etching technology is more reproducible than the wet chemical etching process, In particular, ion beam etching uses SrTiO₃Steps at the ends of 28 regions And allows angles that can be smoothly controlled. In this case, the incident ion beam Is about 45 ° perpendicular to the sample surface. Remaining resist Is stripped with acetone.   For the air bridge 20 itself, we attach YBCO of 300-500nm . Again, photoresist was used to pattern the top of the superconducting layer. Can be We dry-etch this YBCO layer 24 to make it a superconductor of the final device. It defines the size of the guiding area. Photoresist remaining after the pattern is completed Has been removed.   SrTiO₃To transform a supported air bridge into a free-standing suspension structure, we SrTiO using a thin HF solution₃And wet etching. Conventional wet etch SrTiO₃The etching rate of 25% is quiet in room temperature solution of 25% HF aqueous solution. It was about 1 μm / min under various ultrasonic agitations. Depends on laser separation A similar wet etch test for a thin layer of YBCO deposited by about 4 nm / The etching rate was minutes. Therefore, this is necessary for a properly designed structure. SrTiO₃No need to passivate YBCO in wet etching process . A special example of this is SrTiO₃Is used as the waste dielectric object 28, but any suitable Electrical materials can be used by modifying the above-mentioned high precision processing steps It   By adding a layer of YSZ above and below the superconducting film, the strength of the air bridge layer 24 is increased. You can increase the degree. A very thin layer is sufficient to support a particularly thin layer of YBCO Wear. Therefore, SrTiO₃Is patterned as described above, but YSZ is a pattern A buffer layer on top of the fluorinated layer and the substrate. YBCO is this layer YSZ is deposited on top of YBCO, with the desired thickness on top of It We specifically mention the use of YSZ, but because this is a mechanical support structure, It is understood that any high quality buffer layer material can be used in place of YSZ .   To make it a free-standing or partially supported ferroelectric film, Let it be an expression. The substrate 22 is washed again and the waste layer 28 is deposited. Choice of same substrate However, for illustration purposes, YSZ is used in this case. Y for illustration The BCO becomes the waste layer 28. YBCO is patterned and ferroelectric, ie P ZT is deposited as a bridge layer 24. This layer 24 is used for storage devices, transducers or A useful pattern, such as a child optical element, is patterned as described above. again, The waste YBCO layer 28 is removed and the gap 26 is separated, but more than the ferroelectric 24. The etching is chosen to be YBCO 28 which dissolves quickly. Most acids are Attacks YBCO much faster than other oxides. For example, in this case, thin HNO₃Removes YBCO, but all other materials remain in the structure. Preferred thin Ratio is 0.5% HNO₃Aqueous solution (no shelf, ie pre-diluted) Is. Other acids, like HCl, make them much faster than other materials. It can be used instead as long as it does not attack O.   It is desirable to use non-superconducting, non-ferroelectric materials in these structures. In Su, PrBa₂Cu₃O_7-δIs YBa₂Cu₃O_7-δbecome.   A variation on this process uses a substrate 22 of waste material, as illustrated in FIG. are doing. In this case, the substrate 22 is washed and the buffer layer 32 (barely needed) ) Is deposited before the superconductor 24. The back side of substrate 36 is patterned and selected The regions are etched away to form a film of superconductor 24.   The superconducting properties of YBCO are determined by the processing steps described above for any possible alteration. Looked up to identify from. For electronic transport measurements, the sample is a liquid helicopter. Temperature control copper sump injected above liquid level into liquid helium dewar Placed on the Le Platform. Copper sample platform temperature is commercially available The temperature was controlled within 10 mK using the temperature controller of Exposed to gas. Therefore, the thermal conductance of the suspended air bridge The center of the air bridge is copper sample holder and sample when small enough Lower than substrate temperature. In Figure 10a, we discard SrTiO₃Before is removed The relationship between the resistance of the air bridge and the temperature curve is shown. For this sample, YBCO The air bridge is 300 nm thick and 10 μm wide, and SrTiO 3₃Removal of waste layer After leaving, the hanging part was 50 μm long. The figure shows a 87K transition with a width of approximately 1K. Is shown. In Figure 10b, we show that SrTiO₃Same sample as Figure 10a after removal of waste layer The relation between resistance and temperature of is shown. As can be seen from the comparison of Figures 10a and 10b, SrTiO₃Removal There was no significant deterioration in the width of the superconducting transition due to the process. Further comparison of Figures 10a and 10b As you can see, the suspended air bridge is about 3 degrees below the substrate temperature The temperature was cooled by helium gas. Therefore, its superconducting transition is It occurred when the pull platform and substrate were 90K. These photo flat The plate-shaped YBCO air bridge can be thermally separated from the underlying substrate. , Using a single photolithographic technique, on a single substrate A YBCO bolometer configuration can be generated.   In Figures 11a and 11b we show that the relationship between R and T is shown in Figures 10a and 10b. The I-V curve of the ridge is shown. Data is a copper sample platform held at 77K I got it from home. The critical current of the air bridge before suspension was 5 mA at 77K ( Figure 11a). This is -1.3x10^FiveA / cm²Corresponding to the critical current density of. This is reduced Current density is "step end" junction SrTiO₃Indicates that it was formed at the end of the waste layer I think that the. For details, see K.P.Daly, W.D.Dozier, J.F.Burch, S.B.Coons, R.Hu, C.E.Pla See tt, R.W. Simon, Appl. Phys. Lett. 58, 543 (1991). The air bridge Suspended SrTiO₃After the etching process, the critical current was 3 mA, Le Platform was held at 77K (Fig. 11b). Generate this sample SrTiO₃Etching is similar to etching some larger structures It was 2 minutes long enough to fit in a cot. The etching rate of YBCO is SrTiO₃Ed It was much slower than the ching speed (0.004μm / min to 1μm / min), but YB CO had a width of -0.008 μm. HF solution on both top and bottom of air bridge Exposure, the YBCO was reduced to a thickness of 8-16 nm. Therefore, its cross section The product was reduced from 4 μm 2 to 3.8 μm 2. This reduction in cross-sectional area is 5 mA to 4.7 It led to a reduction of the critical current of 0.25 mA to 5 mA. Air Bullet using SEM The J. example (FIG. 1) did not show any clear cracks or pits. Of critical current The fact that the observed reduction was more than 8 times (2 mA) was reduced before etching The region that generated the critical current is less sensitive to the etching process than the rest of YBCO. It seems to have always been sensitive. For example, a high YBCO etching rate It is reasonable to stop a little at the end of the SrTiO3 layer due to various local stresses. Not considered. Nevertheless, the data in Figures 10a, 10b, lla, and llb are The vertical YBCO structure can be manufactured without significantly deteriorating the characteristics of the original superconductor. Is shown. Typical application examples   The fabrication procedure disclosed herein is useful in fabricating some superconducting structures. Next we describe a particularly representative application of this technology. Switch and insulation crossover   5 and 6 show an air bridge used as a crossover. Field of Figure 5 When the bridging superconducting or ferroelectric layer 24 contacts the support objects 22 and 32 at one end only However, the other end is suspended. It has a switch or sensor Gives a cantilever structure for use. In case of FIG. 6, superconducting or ferroelectric bridging The layer 24 is in contact with the supports 22 and 32 at both ends, which creates a true bridge.   Both of these structures are useful as sensors and switches. Under normal conditions , The bridging superconductor layer 24 is electrically isolated from the supported superconductor layer 34. Is done. No current flows between the two layers and the switch is "opened". External force When added to the ridged superconductor layer 24, it is a superconductor layer that is supported. Bias towards 34, effectively close enough to "close" the switch Thus, current flows from one layer to another. Physical contact is due to the fact that the electrons are very thin Not required as it can pass through the air (or other superconducting) gap. Coercion With an electric sensor, no current flows even if the cantilever is pushed down, but rather a voltage is generated. Works exactly the same, except that it is made.   Power can be induced in many states. Lever or bridge 24 is physically depressed When activated, the switch acts as a pressure sensor. The magnetic field is a superconducting lever or Or bounces the bridge 24 so that the switch responds to the magnetic field. Of some application cases In that case, the magnetic field can be induced by control lines carrying current near the switch.   Air is a very good insulator. In these air bridge configurations, the The air gap 26 can replace conventional dielectric or insulating materials. Bolometer   7a and 7b show an arrangement 30 suitable for a bolometer configuration. Of this type The structure has many advantages over the bolometer structure. Made of normal bolometer Unlike the fabrication technique, the bolometer structure is unitary. After thinning the auxiliary structure, There is no need to attach it. Therefore, the technique of the present invention is more convenient to manufacture. Become. Furthermore, the self-supporting structure has a very low heat capacity and a very low thermal mass. . The low heat capacity is due to the very small volume that reacts with the incoming infrared signal. Make the meter more sensitive. The low thermal mass means that it will be thermally combined with the large substrate. Since it does not exist, the background signal is greatly reduced. Finally, some bolometers are arranged. The image is preferred because it can be easily incorporated into. This arrangement structure The detector produces chemical information as well as spatial information. Microwave switch   Another application derived from the low thermal resistance of the air bridge structure is micro There is a wave switch. Switching time of components for use in microwave Must be very fast. A very fast switch is the Air Bridge 20 Is laterally thinned to reduce its cross-sectional area between two regions of wide superconductor Occasionally occurs. In order to switch the switch from its normally closed state to its open state, the air The bridge material is forced into the normal state, ie from the superconducting state to the non-super Can be converted to conduction state. This is the critical current, critical magnetic field, or Or by exceeding either of the critical temperatures. When the surrounding area is slow to respond while And because of their large cross-section, only air bridges make this change of state. be able to. Micro motor   Micromotors are based on the aforementioned technique of patterning the dielectric layer in addition to the superconductor layer. Can be made using. The dielectric strip is free to move between the two charging plates of the capacitor. When it can move, it can rotate by applying a varying voltage to the plate. Wear. The motor is designed so that any fluctuations in the dielectrically localized environment Used to change direction and movement of the motor itself to move other parts of the circuit It can be used as a sensor or actuating element. For example, this exercise In order to change the capacitance and resonant frequency of the circuit, another capacitor in the system Can be used to change the gap width between two parts. This movement can be ultrasonic or sonic Can also be used to generate (or detect) near the motor. Economy   One practical advantage of air bridges is the physical and thermal effects resulting from the removal of the dielectric layer. It is in the decrease of mass. Because superconductors must be cooled to the superconducting state The reduction of thermal mass is preferable. A small and lightweight structure is better than a large and heavy structure. It requires less coolant. This is an inexpensive cooling technology, and This will extend the period for replenishing the scrap materials. In addition, many air bridge elements , Especially useful in satellites and spacecraft where size and weight reductions are welcome. Conclusions, results and scope   Therefore, we have developed a suspended HTS microstructure that can expand the application cases of devices. It is clear that the superconducting air bridge was successfully manufactured. HTS acid Although many of the mechanical properties of oxide films are unknown, we have found that silicon microcircuits A general person who can make a suspended HTS structure similar to that found in the technology The formula is shown. This is an example of various HTS applications in sensors and micromachines. It leads to the possibility of.   We have also disclosed some devices made with air bridges. This These devices include high temperature superconductors, and include sensors, actuators and imaging. It also covers the layout structure and microwave components.   Although the above description contains many specific details, they are not It is not regarded as a limitation on the enclosure, but rather as an exemplification of its preferred embodiment. Many Many other variants are possible, but other examples are possible if you read and understand the above description. Naturally it seems possible. Therefore, the scope of the invention is not limited to the illustrated embodiment. , Which should be determined by relying on the appended claims and their legal equivalents.

【手続補正書】特許法第１８４条の８ 【提出日】１９９４年８月８日 【補正内容】 請求の範囲 １．デバイスにおいて、 支持する結晶基質と、 少なくとも２つの領域を備えたペロブスカイト系あるいはイルメナイト系の結 晶構造を持つほぼ単結晶のセラミック材料のブリッジ層を備えていて、 そこでは、前記のブリッジ層の第１領域は前記の支持する結晶基質と接触し且 つ其れに対してエピタクシャルであり、 前記のブリッジ層の第２領域は前記の支持する結晶基質からギャップに依って 分離されていることを特徴とするデバイス。 ２．前記のほぼ単結晶のセラミック材料は約30Ｋ未満の全ての温度に於いて超伝 導体である特許請求の範囲第１項に記載の構造。 ３．前記のほぼ単結晶のセラミック材料が強誘電体である特許請求の範囲第１項 に記載の構造。 ４．前記のブリッジ層の前記の第２領域は平行領域と回転領域を更に備えていて 、前記の平行領域は其の主な軸が前記の支持する結晶基質の主な軸と平行である 面指向性を有していて、前記の回転領域は其の主な軸が前記の支持する結晶基質 の主な軸に関して回転される面指向性を有している、特許請求の範囲第１項に記 載の構造。 ５．前記の支持する結晶基質は平らな基質と前記の平らな基質に対してエピタク シャルなバッファ層を備えている特許請求の範囲第１項に記載の構造。 ６．前記の支持する結晶基質は、ほぼ単結晶のセラミック材料の支持される層を 備えていて、そこでは前記の支持される層は前記のバッファ層に対してエピタク シャルであり、且つ前記のバッファ層に依って全体的に支えられている、特許請 求の範囲第１項から第５項の何れか一項に記載の構造。 ７．構造物体を支持する結晶基質上に形成する方法であって、 廃棄層を前記の支持する結晶基質上にエピタクシャルで付着し、 前記の廃棄層を希望されたパターンに形成し、前記のパターンは第１領域と第 ２領域を備えていて、前記の廃棄層は前記の第２領域に残っている前記の廃棄層 と前記の第１領域から選別して除去され、 セラミック層であって、前記の第１領域に於いて前記の支持する結晶基質にエ ピタクシャルであり、且つ前記の第２領域に於いて前記の廃棄層にエピタクシャ ルする前記のセラミック層を付着し、 前記の廃棄層の残りを選別して除去するステップを備えている前記の方法。 ８．前記のセラミック層を希望されたパターンに形成するステップを更に備えて いる特許請求の範囲第７項に記載の方法。 ９．電子デバイスが前記のブリッジ層に形成されている特許請求項の範囲第１項 に記載のデバイス。 10．前記のブリッジ層が赤外線放射に反応する特許請求の範囲第９項に記載のデ バイス。 11．削除 12．前記のブリッジ層が外部磁界に反応する特許請求の範囲第10項に記載のデバ イス。 13．前記のブリッジ層が圧力差に反応する特許請求の範囲第10項に記載のデバイ ス。 14．前記のほぼ単結晶のセラミック材料が酸化超伝導体である特許請求の範囲第 10項から第13項の何れか一項に記載のデバイス。 15．前記のほぼ単結晶のセラミック材料が強誘電体である特許請求の範囲第10項 から第13項の何れか一項に記載のデバイス。 16．前記のほぼ単結晶のセラミック材料がペロブスカイトまたはイルメナイト系 の結晶構造を備えている特許請求の範囲第10項から第15項の何れか一項に記載の デバイス。 17．超伝導材料の中間層を更に備えていて、 そこでは超伝導材料の前記の中間層が前記の支持する結晶基質に対してエピタ クシャルであり、 且つそこでは前記のブリッジ層の前記の第１領域は超伝導材料の前記の中間 層と接触し且つ前記のブリッジ層の第２領域は超伝導材料の前記の中間層からギ ャップに依って分離されている、特許請求の範囲第10項から第14項の何れか一項 に記載のデバイス。[Procedure Amendment] Patent Act Article 184-8 [Submission date] August 8, 1994 [Correction content] The scope of the claims 1. In the device,   A supporting crystal substrate,   Perovskite-based or ilmenite-based connection with at least two regions It has a bridge layer of almost single crystal ceramic material with a crystal structure,   There, the first region of the bridge layer is in contact with the supporting crystalline substrate and It is an epitaxy for that,   The second region of the bridge layer depends on the gap from the supporting crystalline substrate. A device characterized by being separated. 2. The nearly monocrystalline ceramic material described above is superconducting at all temperatures below about 30K. The structure according to claim 1, which is a conductor. 3. A method according to claim 1, wherein said substantially single crystal ceramic material is a ferroelectric material. Structure described in. 4. The second region of the bridge layer further comprises a parallel region and a rotating region. , Said parallel region has its major axis parallel to the major axis of said supporting crystalline substrate It has a surface directivity, and the rotation region is a crystal substrate whose main axis supports the above. It has a surface directivity rotated about the main axis of Mounting structure. 5. The supporting crystalline substrate is a flat substrate and an epitaxy for the flat substrate. A structure as claimed in claim 1 comprising a char buffer layer. 6. The supporting crystalline substrate comprises a supported layer of substantially monocrystalline ceramic material. And the supported layer is epitaxial with respect to the buffer layer. Patent contract which is Shall and wholly supported by said buffer layer The structure according to any one of claims 1 to 5. 7. A method of forming on a crystalline substrate supporting a structural body, the method comprising:   Depositing the waste layer epitaxially on the supporting crystalline substrate,   The waste layer is formed into a desired pattern, and the pattern includes the first region and the first region. Said waste layer having two areas, said waste layer remaining in said second area. And selected and removed from the first area,   A ceramic layer on the supporting crystalline substrate in the first region. Is epitaxial and epitaxy to the waste layer in the second area. Deposit the ceramic layer,   A method as described above, comprising the step of selecting and removing the remainder of the waste layer. 8. Further comprising forming the ceramic layer in a desired pattern A method according to claim 7 in which: 9. The scope of claim 1 in which an electronic device is formed on the bridge layer. The device described in. Ten. A device according to claim 9 wherein said bridge layer is sensitive to infrared radiation. Vice. 11. Delete 12. The device according to claim 10, wherein the bridge layer is responsive to an external magnetic field. chair. 13. The device according to claim 10, wherein the bridge layer is responsive to a pressure difference. Su. 14. The substantially monocrystalline ceramic material is an oxide superconductor. The device according to any one of items 10 to 13. 15． 11. The method of claim 10, wherein the substantially single crystal ceramic material is a ferroelectric material. 14. The device according to any one of 13 to 13. 16. The substantially monocrystalline ceramic material is a perovskite or ilmenite type The crystal structure according to any one of claims 10 to 15 device. 17． Further comprising an intermediate layer of superconducting material,   There, the intermediate layer of superconducting material is epitaxially grown on the supporting crystalline substrate. Kushall,   And there the first region of the bridge layer is the intermediate of the superconducting material. A second region of the bridge layer in contact with the layer and from the intermediate layer of superconducting material. Claims 10-14, which are separated by caps. The device described in.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，Ｍ Ｃ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ， ＴＤ，ＴＧ)，ＡＴ，ＡＵ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ， ＣＡ，ＣＨ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，Ｈ Ｕ，ＪＰ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＫ，ＬＵ，ＭＧ，ＭＮ ，ＭＷ，ＮＬ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ， ＳＤ，ＳＥ，ＳＫ，ＵＡ，ＵＳ，ＶＮ (72)発明者 チャー，クックリン アメリカ合衆国 カリフォルニア州 94306 パロ アルト，カイマラス ドラ イブ 704 (72)発明者 リアン，グオ・チュン アメリカ合衆国 カリフォルニア州 95014 クパーチーノ，スクエアウッド ウェイ 7634 (72)発明者 ロウエル，ジョン エム. アメリカ合衆国 ニュージャージー州 07922 バークレー ハイツ，エクスター ドライブ 102─────────────────────────────────────────────────── ─── Continued front page    (81) Designated countries EP (AT, BE, CH, DE, DK, ES, FR, GB, GR, IE, IT, LU, M C, NL, PT, SE), OA (BF, BJ, CF, CG , CI, CM, GA, GN, ML, MR, NE, SN, TD, TG), AT, AU, BB, BG, BR, BY, CA, CH, CZ, DE, DK, ES, FI, GB, H U, JP, KP, KR, KZ, LK, LU, MG, MN , MW, NL, NO, NZ, PL, PT, RO, RU, SD, SE, SK, UA, US, VN (72) Inventor Char, Cooklin             United States California             94306 Palo Alto, Kaimalas Dora             Eve 704 (72) Inventor Lian, Guo Chun             United States California             95014 Cupertino, Squarewood             Way 7634 (72) Inventor Lowell, John M.             New Jersey, United States             07922 Berkeley Heights, Exter               Drive 102

Claims (1)

【特許請求の範囲】 １．多層セラミック構造であって、 支持する結晶基質と、 少なくとも２つの領域を備えたほぼ単結晶のセラミック材料のブリッジ層を備 えていて、 そこでは、前記のブリッジ層の第１領域は前記の支持する結晶基質と接触し且 つ其れに対してエピタクシャルであり、 前記のブリッジ層の第２領域は前記の支持する結晶基質からギャップに依って 分離されている、前記の多層セラミック構造。 ２．前記のほぼ単結晶のセラミック材料は約３０Ｋ未満の全ての温度に於いて超 伝導体である特許請求の範囲第１項に記載の構造。 ３．前記のほぼ単結晶のセラミック材料が強誘電体である特許請求の範囲第１項 に記載の構造。 ４．前記のブリッジ層の前記の第２領域は平行領域と回転領域を更に備えていて 、前記の平行領域は其の主な軸が前記の支持する結晶基質の主な軸と平行である 面指向性を有していて、前記の回転領域は其の主な軸が前記の支持する結晶基質 の主な軸に関して回転される面指向性を有している、特許請求の範囲第１項に記 載の構造。 ５．前記の支持する結晶基質は平らな基質と前記の平らな基質に対してエピタク シャルなバッファ層を備えている特許請求の範囲第１項に記載の構造。 ６．前記の支持する結晶基質はほぼ単結晶のセラミック材料の支持される層を備 えていて、そこでは前記の支持される層は前記のバッファ層に対してエピタクシ ャルであり、且つ前記のバッファ層に依って全体的に支えられている、特許請求 の範囲第１項から第５項の何れか一項に記載の構造。 ７．前記のほぼ単結晶のセラミック材料はペロブスカイトまたはイルメナイト系 の結晶構造を備えている特許請求の範囲第１項から第６項の何れか一項に記載の 構造。 ８．構造物体を支持する結晶基質上に形成する方法であって、 廃棄層を前記の支持する結晶基質上にエピタクシャルで付着し、 前記の廃棄層を希望されたパターンに形成し、前記のパターンは第１領域と第 ２領域を備えていて、前記の廃棄層は前記の第２領域に残っている前記の廃棄層 と前記の第１領域から選別して除去され、 セラミック層であって、前記の第１領域に於いて前記の支持する結晶基質にエ ピタクシャルであり、且つ前記の第２領域に於いて前記の廃棄層にエピタクシャ ルする前記のセラミック層を付着し、 前記の廃棄層の残りを選別して除去するステップを備えている前記の方法。 ９．前記のセラミック層を希望されたパターンに形成するステップを更に備えて いる特許請求の範囲第８項に記載の方法。 10．電子デバイス構造であって、 支持する結晶基質と、 少なくとも２つの領域を備えたほぼ単結晶のセラミック材料のブリッジ層を備 えていて、 そこでは、前記のブリッジ層の第１領域は前記の支持する結晶基質と接触し且 つ其れに対してエピタクシャルであり、且つ 前記のブリッジ層の第２領域は前記の支持する結晶基質からギャップに依って 分離されていて、 且つそこでは、電子デバイスが前記のブリッジ層に形成されている、前記の電 子デバイス構造。 11．前記のブリッジ層が赤外線放射に反応する特許請求の範囲第10項に記載のデ バイス。 12．前記のブリッジ層が外部磁界に反応する特許請求の範囲第10項に記載のデバ イス。 13．前記のブリッジ層が圧力差に反応する特許請求の範囲第10項に記載のデバイ ス。 14．前記のほぼ単結晶のセラミック材料が酸化超伝導体である特許請求の範囲第 10項から第13項の何れか一項に記載のデバイス。 15．前記のほぼ単結晶のセラミック材料が強誘電体である特許請求の範囲第10項 から第13項の何れか一項に記載のデバイス。 16．前記のほぼ単結晶のセラミック材料がペロブスカイトまたはイルメナイト系 の結晶構造を備えている特許請求の範囲第10項から第15項の何れか一項に記載の デバイス。 17．超伝導材料の中間層を更に備えていて、 そこでは超伝導材料の前記の中間層が前記の支持する結晶基質に対してエピタ クシャルであり、 且つそこでは前記のブリッジ層の前記の第１領域は超伝導材料の前記の中間層 と接触し且つ前記のブリッジ層の第２領域は超伝導材料の前記の中間層からギャ ップに依って分離されている、特許請求の範囲第10項から第14項の何れか一項に 記載のデバイス。[Claims] 1. A multilayer ceramic structure,   A supporting crystal substrate,   Provided with a bridge layer of substantially monocrystalline ceramic material with at least two regions And   There, the first region of the bridge layer is in contact with the supporting crystalline substrate and It is an epitaxy for that,   The second region of the bridge layer depends on the gap from the supporting crystalline substrate. The multilayer ceramic structure described above, which is separate. 2. The above-mentioned nearly monocrystalline ceramic material is superior at all temperatures below about 30K. A structure according to claim 1 which is a conductor. 3. A method according to claim 1, wherein said substantially single crystal ceramic material is a ferroelectric material. Structure described in. 4. The second region of the bridge layer further comprises a parallel region and a rotating region. , Said parallel region has its major axis parallel to the major axis of said supporting crystalline substrate It has a surface directivity, and the rotation region is a crystal substrate whose main axis supports the above. It has a surface directivity rotated about the main axis of Mounting structure. 5. The supporting crystalline substrate is a flat substrate and an epitaxy for the flat substrate. A structure as claimed in claim 1 comprising a char buffer layer. 6. The supporting crystalline substrate comprises a supported layer of substantially monocrystalline ceramic material. Therefore, the supported layer is epitaxial with respect to the buffer layer. And is supported entirely by said buffer layer. The structure according to any one of items 1 to 5 in the range. 7. The above-mentioned almost single crystal ceramic material is a perovskite or ilmenite type. The crystal structure according to any one of claims 1 to 6 having a crystal structure of Construction. 8. A method of forming on a crystalline substrate supporting a structural body, the method comprising: Depositing the waste layer epitaxially on the supporting crystalline substrate,   The waste layer is formed into a desired pattern, and the pattern includes the first region and the first region. Said waste layer having two areas, said waste layer remaining in said second area. And selected and removed from the first area,   A ceramic layer on the supporting crystalline substrate in the first region. Is epitaxial and epitaxy to the waste layer in the second area. Deposit the ceramic layer,   A method as described above, comprising the step of selecting and removing the remainder of the waste layer. 9. Further comprising forming the ceramic layer in a desired pattern 9. A method according to claim 8 in which: Ten. An electronic device structure,   A supporting crystal substrate,   Provided with a bridge layer of substantially monocrystalline ceramic material with at least two regions And   There, the first region of the bridge layer is in contact with the supporting crystalline substrate and It's epitaxial against that, and   The second region of the bridge layer depends on the gap from the supporting crystalline substrate. Separated,   And there, the electronic device being formed in the bridge layer, Child device structure. 11. The device of claim 10 wherein said bridge layer is sensitive to infrared radiation. Vice. 12. The device according to claim 10, wherein the bridge layer is responsive to an external magnetic field. chair. 13. The device according to claim 10, wherein the bridge layer is responsive to a pressure difference. Su. 14. The substantially monocrystalline ceramic material is an oxide superconductor. The device according to any one of items 10 to 13. 15． 11. The method of claim 10, wherein the substantially single crystal ceramic material is a ferroelectric material. 14. The device according to any one of 13 to 13. 16. The substantially monocrystalline ceramic material is a perovskite or ilmenite type The crystal structure according to any one of claims 10 to 15 device. 17． Further comprising an intermediate layer of superconducting material,   There, the intermediate layer of superconducting material is epitaxially grown on the supporting crystalline substrate. Kushall,   And therein said first region of said bridge layer is said intermediate layer of superconducting material And a second region of the bridge layer from the intermediate layer of superconducting material. According to any one of claims 10 to 14, which are separated according to The listed device.