DE69025237T2

DE69025237T2 - Supraleitende Mehrlagen-Schaltung und Verfahren zu deren Herstellung

Info

Publication number: DE69025237T2
Application number: DE69025237T
Authority: DE
Inventors: Nakahiro Harada; Koki Sato; Shoji Shiga; Kiyoshi C O The Furuk Yamamoto
Original assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Current assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Priority date: 1989-07-25
Filing date: 1990-07-24
Publication date: 1996-07-25
Anticipated expiration: 2010-07-25
Also published as: EP0410374A2; KR940002412B1; EP0410374B1; KR910003822A; JPH0355889A; US5194419A; EP0410374A3; DE69025237D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine supraleitende Vielschichtschaltung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 und ihr Herstellungsverfahren.
Herkömmucherweise werden Vielschichtschaltungen, die bei elektronischer Ausrüstung benutzt werden, gebildet unter Benutzung von normaleitenden Materialien oder Haibleitermaterialien. Beim Prozess des Herstellens der Vielschichtschaltungen werden die Bildung eines leitfähigen Films, die Beschichtung eines Photolacks, eine Aufnahme und ein Ätzen durchgeführt. Da gemäß diesem Verfahren jedoch ein Nichtschaltungsteil durch Ätzen entfernt wird, wird ein Schaltungsteil so gebildet, daß er vorsteht. In einem Fall, in dem die Vielschichtschaltungen durch dieses Verfahren gebildet werden, wird der Schaltungsteil gebildet, und ein Isoliermaterial wird in den entfernten Nichtschaltungsteil eingebettet, so daß die Oberfläche der Schaltung veranlaßt wird, flach zu sein, um dadurch eine erste Schaltungsschicht zu bilden. Darauf wird eine zweite Schaltungsschicht auf der ersten Schaltungsschicht in derselben Art und Weise wie oben gebildet. Deshalb nimmt, falls die Vielschichtschaltungen durch das herkömmliche Verfahren gebildet werden, die Produktivität beträchtlichermaßen ab.
Das supraleitende Material zeigt ein Supraleitungsphänomen beim Kühlen auf eine sehr niedrige Temperatur, welche niedriger ist als die kritische Temperatur (im weiteren als Tc bezeichnet), und ein elektrischer Widerstand wird Null; dadurch kann ein großer Strombetrag fließen gelassen werden. Die Anwendung des supraleitenden Materials auf die elektronische Ausrüstung wurde weitläufig studiert. Insbesondere wurden Oxidsupraleitermaterialien, wie z.B. das Y-Ba-Cu-O-System und das Bi-Sr-Ca-Cu-O-System, welche das Supraleitungsphänomen nahe der Temperatur flüssigen Stickstoffes zeigen, jüngst gefunden, und die praktische Benutzung der Oxidsupraleitermaterialien wurde weitläufig duchgeführt. In Übereinstimmung mit dieser Situation wurde die Entwicklung der Vielschichtschaltungen unter Benutzung von Oxidsupraleitermaterialien aktiv betrieben.
Jedoch ändern sich bezüglich der oben erwähnten supraleitenden Materialien, insbesondere Oxidsupraleitermaterialien, Tc und eine kritische Stromdichte (im weiteren Jc genannt) beträchtlichermaßen durch eine leichte Differenz in einer Zusammensetzung und eine Differenz in einer Kristallorientierung. Aufgrunddessen ist zum Anwenden des Oxidsupraleitermaterials auf die Vielschichtschaltung die Entwicklung des Herstellungsverfahrens mit den oben erwähnten Merkmalen erforderlich.
Aus der früheren Anmeldung EP-A-0 358 879 ist ein Verfahren zum Herstellen hochdichter Verbindungen in einer supraleitenden Vielschichtschaltung bekannt. Insbesondere ist eine supraleitenden Vielschichtschaltung gemäß dem Oberbegriffe des Anspruches 1 in diesem Dokument aufgeführt.
Dieses bekannte Verfahren zum Herstellen von hochdichten Verbindungen umfaßt die Schritte:
- Abscheiden einer Schicht von supraleitendem Material mit hohem Tc auf eine Schicht aus elektrisch isolierendem Material, wobei die isolierende Schicht und die Schicht aus supraleitendem Material mit hohem Tc eine eng verwandte Kristallstruktur haben;
- photolithographisches Strukturieren der Schicht aus supraleitendem Material mit hohem Tc, um somit ein elektrisches Schaltungsmuster darauf zu definieren;
- Ionenbombardieren des strukturierten Materials, um somit ungeschützte Bereiche des Materials in einen elektrischen Isolator umzuwandeln, wobei das unbedeckte supraleitende Material mit hohem Tc einen Teil einer supraleitenden elektrischen Schaltung bildet;
- Abscheiden einer Schicht elektrisch isolierenden Materials auf der Schicht der supraleitenden elektrischen Schaltung und ionenkonvertierten isolierenden Materials;
- Bilden von Durchgangslöchern in der Schicht aus elektrisch isolierenden Materials; und
- Wiederholen dieser vorhergehenden Schritte für zusätzliche Schichten von supraleitendem Material mit hohem Tc und elektrisch isolierendem Material, bis eine komplette Schaltungsverbindung gebildet ist.
Jedoch wird gemäß diesem Dokument im implantierten supraleitenden Material mit hohem Tc eine gestörte Kristallstruktur erzeugt.
Weiterhin verhindert ein Vorsehen der Schicht aus elektrisch isolierendem Material auf den jeweiligen Schaltungsschichten, bestehend aus supraleitenden elektrischen Schaltungen und lonenkonvertiertem isolierendem Material, und Bilden von Durchgangslöchern in der Schicht aus elektrisch isolierendem Material, daß die Oberfläche der zweiten und folgenden Schaltungsschichten flach ist. Während der Bildung der Vielschicht wird deshalb die Kristallstruktur des supraleitenden Materials, welches den Schaltungsteil bildet, gestört. Der Grad der in der Kristallstruktur des supraleitenden Materials, welches den Schaltungsteil bildet, verursachten Störung steigt von der untersten Schicht zur höchsten Schicht. Demzufolge steigt ebenfalls der Grad der Verschlechterung des Supraleitercharakteristik- Schaltungsteils von der untersten Schicht zur obersten Schicht.
Die EP-A-0 296 973 offenbart ein Verfahren zum Herstellen einer supraleitenden Schaltung.
Gemäß diesem Dokument wird eine supraleitende Schaltung produziert durch eine Kombination einer physikalischen Dampfabscheidungstechnik und einer Dotierungstechnik. Ein Verfahren beinhaltet die Schritte einschließlich Abscheiden eines dünnen Films eines Supraleiters eines Verbindungsoxids auf einem Substrat und Dotieren eines ausgewählten Abschnittes auf einer Oberfläche des Films mit einem vorbestimmten Ion unter einer Heizbedingung oder ohne jegliche Wärmebehandlung zum Transformieren der Kristallstruktur des ausgewählten Abschnittes von einem Supraleiter auf einen Nicht-Supraleiter, so daß der undotierte Abschnitt, welcher in dem Zustand eines Supraleiters gelassen wird, benutzt wird als eine supraleitende Schaltung.
Aus Proceedings aus Symposium S., Extended Abstracts of High Tc Superconductors, Spring Meeting of the MRS, Anaheim, CA, 23. - 24. April 1987, Seiten 81 bis 84, Koch et al., "Dünne Filme und Squids hergestellt aus YBa&sub2;Cu&sub3;Oy" ist es bekannt, daß die Benutzung von lonenimplantation zum Erniedrigen von Tc in YBa&sub2;Cu&sub3;Oy in einer vollständig planaren Geometrie für vollendete Vorrichtungen resultiert.
In der japanischen Patentanmeldung Kokai Publikationsnummer 63-250 680 ist offenbart, ein Oxidsupraleitermaterial auf einem Substrat zu bilden, um die obere Oberfläche davon selektivermaßen mit einem Photolack zu beschichten, und Aluminium hinzuzufügen durch ein Ionenimplantationsverfahren in Bereiche, die nicht mit dem Photolack ausgebildet sind. Dann wird, wenn das Ganze wieder aufgeheizt wird und gebacken wird in einer oxidierenden Atmosphäre, der Photolack entfernt, ein ionenimplantierter Isolationsbereich hält sich kontinuierlicherweise isolierend, und zwar sogar in späteren Hochtemperaturbehandlungsschritten, und ein supraleitender Bereich hält sich ebenfalls in einem supraleitenden Zustand.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine supraleitende Vielschichtschaltung des anfänglich definierten Typs und ihr Herstellungsverfahren zu schaffen, wobei höhere Jc-Werte erhalten werden können für die zweite und folgenden Schaltungsschichten.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zu schaffen zum effektiven Herstellen der supraleitenden Vielschichtleitung.
Diese Aufgabe wird gelöst gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 der vorliegenden Erfindung.
Weiterhin wird diese Aufgabe gelöst gemäß dem Anspruch 4 der vorliegenden Erfindung.
Bevorzugte Ausführungsformen sind aufgeführt in den abhängigen Ansprüchen 2 und 3 bzw. 5 bis 17.
Die vorliegende Erfindung kann vollständiger verstanden werden aus der detaillierten Beschreibung im Zusammenhang mit der begleitenden Zeichnung.
Die Figuren zeigen im einzelnen:
Figuren 1A bis 1E Querschnittsansichten des Schaltungssubtrats in jedem Schritt einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
Figuren 2A bis 2E Querschnittsansichten des Schaltungssubtrats in jedem Schritt einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Bei der vorliegenden Erfindung können Oxidsupraleitermaterialien, wie z.B. das Y-Ba-Cu-O-System und das Bi-Sr-Sa-Su-O-System, benutzt werden als supraleitende Materialien. Weiterhin ist ein Simulant des supraleitenden Materials ein Material derselben Kristallstruktur wie das supralettende Material und einem Mangel in einem Teil der Bestandteilelemente oder mit einem Überschuß der Bestandteilselemente. Oder der Simulant des supraleitenden Materials ist ein Material mit derselben Kristallstruktur wie das supraleitende Material und mit Elementen, die von den Bestandteilselementen verschieden sind. Zusätzlichermaßen ist der Simulant des supraleitenden Materials ein Material mit einem niedrigen Tc im Vergleich mit dem supraleitenden Material oder nicht-leitend bei einer Arbeitstemperatur. Beispielsweise ist ein Simulant des Oxidsupraleitermaterials des Y-Ba-Cu-O-Systems ein Material, bei dem spezifische Kornponenten, wie z.B. N, B, Ga, Co, Ni, Fe, Zn, Cd, Be implantiert sind in das supraleitende Material mit einer Zusammensetzung von YBa&sub2;Cu&sub3;O&sub7; und Tc = 85 bis 95 K und wärmebehandelt wie erforderlich, so daß Tc auf unter 77K erniedrigt ist.
Gemäß der vorliegenden Erfindung können als ein Substrat zum Bilden des supraleitenden Materials des Simulanten Metalle benutzt werden, welche nicht reaktiv sind mit den supraleitenden Materialien, wie z.B. Cu, Ni, Fe, Co, Cr, Ag, Au, Pt, Mo, Pb, Legierungen dieser Metalle, wie z.B. rostfreier Stahl, Cu-Ni-Legierung, Fe-Ni-Legierung, Fe-Ni-Co- Legierung, Ni-Cr-Fe-Legierung, Ag-Ni-Legierung, Cu-Fe- Legierung oder Keramiken, wie Z.B. Al&sub2;O&sub3;, SiO&sub2;, ZrO&sub2;, stabilisiertes ZrO&sub2;, ThO&sub2;, AlN, Si&sub3;N&sub4;, SiC, TiO&sub2;, TiN, MgO, BaZrO&sub3;, KTaO&sub3;, FeAlO&sub4;, BaTiO&sub3;.
Falls insbesondere ein Substrat mit einer Kristallkonformität zum supraleitenden Material ausgewählt wird, ist die Orientierung der Oberfläche des Films, der aus dem supraleitenden Material gebildet ist, in einer vorbestimmten Orientierung auf dem Substrat orientiert, und dadurch kann die Bildung des Films durchgeführt werden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird als ein Verfahren zum Befilmen des Subtratats mit dem supraleitenden Material oder dem Simulanten ein Dampfphasen-Analysierverfahren, wie z.B. ein normales Sputterverfahren, ein Vakuumabscheidungsverfahren und ein CVD-Verfahren benutzt.
Als ein Verfahren zum Bilden einer Schaltung im supraleitenden Film oder Simulanten, der auf dem Substrat gebildet ist, wird Photolithographie normalerweise benutzt, aber ein Verfahren zum lokalen Bestrahlen eines fokussierten Ionenstrahls kann benutzt werden.
Die vorliegende Erfindung wird erklärt werden mit Bezug auf die Zeichnung, und zwar basierend auf dem Herstellungsverfahren.
Figuren 1A bis 1E sind Querschnittsansichten zum Zeigen eines Substrats der Schaltung von jedem Schritt einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Zunächst, wie gezeigt in Figur 1A, kann auf einem Substrat 10 ein supraleitender Film 11 mit einer Dicke von 0,1 - 10 µm durch eine physikalische Dampfabscheidung (PVD) oder Sputtern gebildet werden. Dann wird, wie in Figur 1B gezeigt, ein Photolackfilm 12, der als eine Maske mit einer spezifischen Komponente aufgrund eines Ionenstrahls dient, gebildet auf einem vorbestimmten Teil einer Schaltung auf dem supraleitenden Film 11. In diesem Fall kann ein photosensives Harz mit einer Basis von Polymethylmethacrylat (PMMA) benutzt werden als ein Photolackmaterial. Weiterhin wird ein Zn- Ionenstrahl eingestrahlt auf einen Nicht-Schaltungsteil des ersten supraleitenden Films 11, d.h. einen freigelegten Abschnitt, in dem kein Photolackfilm 12 gebildet ist, und dadurch wird eine spezifische Komponente dorthinein implantiert, und der Photolackfilm 12 wird entfernt. Dann wird ein Heizprozess wie erforderlich durchgeführt, und der Nicht-Schaltungsteil, der aus dem supraleitenden Film 10 gebildet ist, wird denaturiert auf einem Simulanten 13 des supraleitenden Materials (im weiteren Simulant genannt) mit einem Tc, das niedriger ist als das des supraleitenden Materials. Auf diese Art und Weise wird, wie in Figur 1C gezeigt, eine erste Schaltungsschicht 14 mit einer flachen Oberfläche gebildet.
Als nächstes, wie in Figur 1D gezeigt, wird ein zweiter supraleitender Film 15 weiter gebildet auf der ersten Schaltungsschicht 14 und zwar auf dieselbe Art und Weise wie der erste supraleitende Film 11. Darauf wird, wie gezeigt in Figur 1E, ein Nicht-Schaltungsteil denaturiert auf einem Simulanten 16 auf die gleiche Art und Weise wie die erste Schaltungsschicht 14, so daß eine zweite Schaltungsschicht 17 gebildet wird. In diesem Fall wird die spezifische Komponente implantiert in den Nicht-Schaltungsteil durch den Ionenstrahl und Ähnliches zum Denaturieren der Supraleiterfilme 11 und 15 auf dem Simulanten 13 bzw. 16. Jedoch ist es möglich, einen heißen Strahl, heiße Luft, einen Laserstrahl und dergleichen auf die Nicht-Schaltungsteile der supraleitenden Filme 11 und 15 einzustrahlen und Sauerstoff in dem supraleitenden Film zu dissozueren und zu entladen. Zusätzlich ist in diesem Fall die Temperatur beim Dissozueren und Entladen von Sauerstoff 700ºC oder mehr an Luft. Jedoch ist die Temperatur 2000 300ºC, falls es im Vakuum durchgeführt wird. Die oben erwähnten Operationen werden wiederholt, und dadurch kann eine Vielschichtschaltung mit drei oder mehr Schichten gebildet werden.
Figuren 2A - 2E sind Querschnittsansichten zum Zeigen eines Substrats der Schaltung von jedem Schritt einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Zunächst wird, wie in Figur 2A gezeigt, eine erste Simulantenschicht 21 mit einer Dicke von 0,1 bis 10 µm, in der ein Betrag von Sauerstoffatomen reduziert ist, d.h. ein sogenannter Zustand von Sauerstoffmangel herrscht, gebildet auf einem Subtrat 20 durch PVD oder Sputtern. Als nächstes wird, wie in Figur 2B gezeigt, ein Photolackfilm 22, der als eine Maske dient, in die eine spezifische Komponente implantiert wird, in einem Teil, der verschieden ist von einem vorbestimmten Teil einer Schaltung, gebildet auf der ersten Simulantenschicht 21. Dann wird der Ionenstrahl von Sauerstoffionen eingestrahlt auf den Schaltungsteil des ersten Simulantenfilms 21, d.h. den freigelegten Abschnitt, wo kein Photolackfilm 22 gebildet ist, und das Sauerstoffion wird darauf implantiert. Danach wird der Photolackfilm 22 entfernt. Dadurch wird, wie in Figur 2C gezeigt, der Simulantenfilm 22 des Schaltungsfilms denaturiert auf ein supraleitendes Material 23, und eine erste Schaltungsschicht 24 mit einer flachen Oberfläche wird gebildet.
Wie in Figur 2D gezeigt, wird ein zweiter Simulantenfilm 25, der ein Material umfaßt mit einem Tc niedriger als dem des supraleitenden Materials oder ein nicht-leitfähiges Material bei einer Arbeitstemperatur ist, gebildet auf der ersten Schaltungsschicht 24 auf dieselbe Art und Weise wie die erste Simulantenschicht 21. Darauf wird, wie in Figur 2E gezeigt, ähnlich zur ersten Schaltungsschicht 24 der Schaltungsteil denaturiert auf ein supraleitendes Material 26, und eine zweite Schaltungsschicht 27 wird gebildet. Diese Oerationen werden wiederholt, und dadurch kann eine Vielschichtschaltung mit 3 oder mehr Schichten gebildet werden.
Weiterhin wird eine gegenseitige Transformation zwischen einem Oxidsupraleitermaterial und dem Simulanten vorzugsweise ausgeführt durch Implantieren und Entladen von Atomen aus Sauerstoff, da er exzellent in seiner Bearbeitbarkeit ist. Spezifischermaßen können weitere als das oben erwähnte Ionenimplantationsverfahren unter Benutzung eines Ionenstrahls oder dergleichen benutzt werden als ein Verfahren, in dem der Simulant oder das Oxidsupraleitermaterial freigelegt ist in dem Sauerstoffstrahl, aktiviert durch ein Plasma bei einer niedrigen Temperatur oder in einem Vakuum und aufgeheizt auf eine vorbestimmte Temperatur, und dadurch werden Sauerstoffatome angereichert oder entladen.
Bezüglich der Beziehung zwischen dem Gehalt an Sauerstoffatomen und dem Tc ist im Fall von dem Oxidsupraleitermaterial YBa&sub2;Cu&sub3;Ox, falls x 7,0; 0,6 und 6,5 ist, ist Tc jeweils 80 K oder mehr; geringer als 77 K; und 55 K oder weniger. Wie oben erwähnt, ändert sich der Gehalt an Sauerstoffatomen im Oxidsupraleitermaterial leicht, und Tc ändert sich stark. Falls weiterhin ein Element, das das Supraleitermaterial bildet und verschieden ist vom Sauerstoff, mangelhaft vorhanden ist oder übermäßig implantiert wird, ändert sich Tc stark. Deshalb ist es möglich, einen Simulanten zu benutzen, der erhalten wird durch Mangel des Elements zum Bilden des supraleitenden Materials, der verschieden ist vom Sauerstoff, oder übermäßiges Implantieren des Elements.
Bei der vorliegenden Erfindung kann ein Verfahren zum Bilden jeder Schaltungsschicht bei jeder Schicht geändert werden. Beispielsweise kann die erste Schicht gebildet werden durch das in Figur 1A bis 1E gezeigte Verfahren, und die zweite Schaltungsschicht kann gebildet werden durch das in Figuren 2A bis 2E gezeigte Verfahren. Falls weiterhin zumindest eine Schaltungsschicht gebildet wird durch das Verfahren der vorliegenden Erfindung, kann ein herkömmliches Atzverfahren benutzt werden bei der Bildung der weiteren Schaltungsschichten.
Das Oxidsupraleitermaterial hat eine starke Kristallanisotropie und eine kurze Kohärenz. Aufgrunddessen fließt im Oxidsupraleitermaterial ein Strom leicht in einer spezifischen Kristallorientierung (Richtung der a-b- Oberfläche). Falls jedoch die Kristallorientierung nicht vollständigermaßem konsistent ist mit einer Korngrenze, tritt ein Stromproblem auf wegen einer schwachen Bindung. Dies ist wohlbekannt aus dem Report of Japan Institute of Metal, Band 28, Nr. 10, Seiten 980 - 984, Oktober 1987 und Report of Japan Institute of Applied Electromagnetics, Band 128, Nr. 5, Seiten 564 - 569, Mai 1988.
Beim Verfahren zum Herstellen einer Vielschichtschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung hat das Material, welches den Nicht-Schaltungsteil und den Schaltungsteil bildet, dieselbe oder eine ähnliche Struktur und hat dieselbe Kristallorientierung wie die der Kristallstruktur, um dadurch das oben erwähnte Stromproblem zu vermeiden.
Falls das Obige erklärt wird mit Bezug auf die Zeichnung, haben die Schaltungsteile 11 und 23 und die Nicht- Schaltungsteile 13 und 21 die Beziehung zur oben erwähnten Kristallstruktur. Weiterhin sind die Schaltungsteile 15 und 26 der zweiten Schaltungsschichten 17 und 27, die auf den ersten Schaltungsschichten 14 und 24 auf die gleiche Art und Weise gebildet sind, und die Nicht-Schaltungsteile 16 und 25 epitaxial aufgewachsen. Deshalb bilden die Schaltungsteile 15 und 26 der zweiten Schaltungsschicht und die Schaltungsteile 11 und 23 der ersten Schaltungsschicht eine Verbindung ohne Stromproblem, und die Kristallorientierung ist angeordnet in der Richtung, in der ein Strom leicht fließt.
Da die Schaltungsteile und die Nicht-Schaltungsteile der zweiten Schaltungsschicht die gleiche Kristallstruktur haben, ist es überflüssig zu sagen, daß die dritte Schaltungsschicht die Struktur bildet, in der ein Strom leicht fließt, ähnlich zur zweiten Schaltungsschicht.
Die vorliegende Erfindung schafft eine supraleitende Vielschichtschaltung, die erhalten werden kann durch Bilden eines dünnen Films, der ein supraleitendes Material umfaßt, dessen Leitfähigkeit sich stark ändert, falls sich die Komposition leicht ändert, und seines Simulanten auf einem Subtstrat, ein Implantieren einer spezifischen Komponente in einem vorbestimmten Teil des Films und Entladen der Komponente davon, sowie Bilden des dünnen Films auf den Schaltungsteilen oder den Nicht-Schaltungsteilen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung werden die Implantation der spezifischen Komponente und die Entladung davon durchgeführt durch ein Ionenimplantieren und ein Entladungsverfahren, und dadurch kann eine Feinverarbeitung durchgeführt werden. Weiterhin kann durch Benutzung eines Materials mit einer Kristallkonsistenz mit dem supraleitenden Material als dem Substrat die Kristallorientierung des supraleitenden Materials in einer Richtung angeordnet werden, in der ein Strom leicht fließt. Da weiterhin ein Dampfabscheideverfahren, wie z.B. ein Sputterverfahren, benutzt werden kann als ein Verfahren zum Bilden eines dünnen Films, kann jede Schicht so gebildet werden, daß die Kristallorientierung in derselben Richtung angeordnet ist. Da ebenfalls anders als beim herkömmlichen Ätzverfahren eine Schaltung mit einer flachen Oberfläche erhalten werden kann, kann eine Vielschichtschaltung leicht hergestellt werden.

Beispiel 1

Durch ein Magnetron-Sputterverfahren unter Benutzung eines zusammengesetzten Oxids aus ErBa2.1Cu3.3Ox als ein Target wurde ein epitaktischer Film mit einer Zusammensetzung von ErBa&sub2;Cu&sub3;Oy und einer Dicke von 0,5 µm auf einem MgO-Substrat (100) gebildet, das auf 650 ºC aufgeheizt war, zum Anordnen einer Oberflächenorientierung einer Oberfläche einschließlich a-b-Achsen in einer supraleitenden Richtung. Das Magnetron- Sputtern wurde durchgeführt in der Atmosphäre eines Gasgemisches aus Ar und 20% O&sub2; und unter der Bedingung, daß ein Gasdruck 80 mTorr und eine RF-Ausgabe 100 W waren.
Das MgO-Substrat mit einem ersten Film aus ErBa&sub2;Cu&sub3;Oy war in einem Ofen vorgesehen, und ein Sauerstoffgas wurde eingeführt in den Ofen, und es wurde im Sauerstoffstrahl aufgeheizt auf eine Temperatur von 900ºC während 15 Minuten. Darauf wurde die Temperatur des Ofens gekühlt auf 500ºC unter einer Geschwindigkeit von 1,5 ºC/Min., und das MgO-Substrat wurde aus dem Ofen herausgenommen.
Als Resultat eines Messens des Gehalts an Sauerstoffatomen und einer Messung von Tc, bevor und nachdem der erste Film aus ErBa&sub2;Cu&sub3;Oy geheizt wurde, war der Gehalt an Sauerstoffatomen y 6,35, und Tc war 30 K vor dem Heizprozess, und der Gehalt an Sauerstoffatomen war y = 6,88, und Tc war 84 K nach dem Heizprozess. Auf diese Art und Weise wurde bestätigt, daß Tc des ersten Films aus ErBa&sub2;Cu&sub3;Oy die Temperatur von flüssigem Stickstoff (77K) war oder mehr.
Darauffolgend wurde ein Photolackfilm gebildet auf einem vorbestimmten Teil mit einer Breite von 50 µm der Schaltung des ersten Films aus ErBa&sub2;Cu&sub3;Oy nach einem Heizprozess. Dann wurde ein Zn-Ion von 0,8 x 10¹&sup6; Ionen/cm² implantiert in den Nicht-Schaltungsteil, und der Photolackfilm wurde davon entfernt. Darauf wurde das Substrat geheizt bei 400ºC während 10 Minuten, und der erste Film aus ErBa&sub2;Cu&sub3;Oy wurde angelassen und homogenisiert. Auf diese Art und Weise wurde eine erste Schaltungsschicht gebildet. Dabei war Tc vom Zn- ionenimplantierten Teil 38 K.
Darauffolgend wurde ein zweiter Film aus ErBa&sub2;Cu&sub3;Oy mit einer Dicke von 0,5 µm gebildet auf der ersten Schaltungsschicht durch ein Vakuumabscheideverfahren. Beim Vakuumabscheideverfahren wurden Er, Ba, Cu zunächst in die verschiedenen Tiegel gesetzt und im Vakuum von 10&supmin;&sup4; Torr geschmolzen und verdampft. Dann wurde das verdampfte Er, Ba, Cu ionisiert durch eine RF-Anregungsspule, die zwischen den Tigel und dem Substrat angeordnet war, und Sauerstoff wurde auf das Substrat gesprüht, das auf 590ºC geheizt war.
Danach wurde ähnlich zur ersten Schaltungsschicht eine zweiten Schaltungsschicht gebildet auf dem zweiten Film aus ErBa&sub2;Cu&sub3;Oy durch Bilden einer Schaltung mit einer Breite von 50 µm. Dabei gab es zwei Schaltungstypen, d.h. eine leitfähige Schicht, die eine Leitfhäigkeit mit der ersten Schicht hat, und eine unabhängige Schaltung, die keine Leitfähigkeit mit der ersten Schaltung hat.
Zusätzlicherweise wurden der Schaltungsteil der ersten Schaltungsschicht und der Nicht-Schaltungsteil davon geprüft durch eine Röntgenbeugung. Daraus resultierend war die Kristallstruktur beider Teile ein rhombisches System, und die c-Achse war angeordnet, senkrecht zu sein zur Oberfläche des Substrats. Jedenfalls war eine Gitterkonstante der c-Achse 11,68 A in dem Schaltungsteil und 11,70 A in dem Nicht- Schaltungsteil.
Weiterhin wurde der Schaltungsteil der zweiten Schaltungsschicht die Röntgenbeugung geprüft. Daraus resultierend war die c-Achse angeordnet, senkrecht zu sein zur Oberfläche des Substrats, und die Gitterkonstante der c- Achse war 11,68 A.

Beispiel 2

Eine Zweischichtschaltung mit einer leitfähigen Schaltung und einer unabhängige Schaltung waren auf dieselbe Art und Weise gebildet wird Beispiel 1, und zwar verschieden darin, daß die Dicken der ersten und zweiten Filme aus ErBa&sub2;Cu&sub3;Oy 0,3 µm waren, und daß die Ionenimplantation nicht benutzt wurde bei der zweiten Schaltungsschicht. Anstelle einer Benutzung der lonenimplantation wurde ein Fe-Film mit einer Dicke von 0,015 µm gebildet auf dem Nicht-Schaltungsteil des zweiten ErBa&sub2;Cu&sub3;Oy, und darauf aufgeheizt auf 450ºC.
Zusätzlich wurden der Schaltungsteil der ersten Schaltungsschicht und der Nicht-Schaltungsteil davon geprüft durch die Röntgenbeugung. Daraus resultierend war die c-Achse angeordnet, senkrecht zu sein zur Obefläche des Substrats. Ebenfalls war eine Gitterkonstante der c-Achse 11,68 A in dem Schaltungsteil, und 11,73 A in dem Nicht-Scahltungsteil.
Weiterhin wurde der Schaltungsteil der zweiten Schaltungsschicht durch Röntgenbeugung geprüft. Daraus resultierend war die c-Achse angeordnet, senkrecht zu sein zur Oberfläche des Substrats, und die Gitterkonstante der c- Achse war 11,68 A im Schaltungsteil und 11,71 A im Nicht- Schaltungsteil.

Beispiel 3

Ein erster Film aus YBa&sub2;Cu&sub3;Oy mit der Dicke von 0,4 µm wurde gebildet auf dem MgO -Substrat (100), das in Beispiel 1 benutzt wurde, und zwar durch das Dampfabscheidungsverfahren (Grad des Vakuums 0,5 x 10&supmin;&sup4; Torr). Als ein Resultat des Messens des Gehalts von Sauerstoffatomen des Films von ErBa&sub2;Cu&sub3;Oy und Tc war der Gehalt an Sauerstoffatomen y = 6,4, und Tc war 54 K.
Darauffolgend wurde ein Photolackfilm gebildet auf einem Teil verschieden von einem vorbestimmten Teil der Schaltung (50 µm Breite> . Dann wurde ein O&sub2;-Plasmaprozess einer Elektron- Zyklotonresonanz durchgeführt während 15 Min., während das Substrat auf 200ºC aufgeheizt war, und Sauerstoffatome wurden eingegliedert in den vorbestimmten Teil der Schaltung, und dadurch wurde eine erste Schaltungsschicht gebildet.
Darauffolgend wurde ein zweiter Film auf YBa&sub2;Cu&sub3;Oy mit einer Dicke von 0,4 µm gebildet auf der ersten Schaltungsschicht durch das Dampfabscheidungsverfahren (Grad des Vakuums 0,5 x 10&supmin;&sup4; Torr). Darauf wurde eine Schaltung in derselben Art und Weise gebildet wie die erste Schaltungsschicht, und dadurch wurde eine zweite Schaltungsschicht gebildet. Auf diese Art und Weise wurde ein Zweischicht-Scahltungsschicht mit einer leitfähigen Schaltung und einer unabhängigen Schaltung gebildet.
Zusätzlichermaßen wurden der Schaltungsteil der ersten Schaltungsschicht und der Nicht-Schaltungsteil davon geprüft durch die Röntgenbeugung. Daraus resultierend war die c-Achse orientiert, senkrecht zu sein zur Oberfläche des Substrats. Ebenfalls war eine Gitterkonstante der c-Achse 11,67 A im Schaltungsteil und 11,73 A im Nicht-Schaltungsteil.
Weiterhin wurde der Schaltungsteil der zweiten Schaltungsschicht und der Nicht-Schaltungsteil davon geprüft durch die Röntgenbeugung. Daraus resultierend war die c-Achse orientiert, senkrecht zu sein zur Oberfläche des Substrats, und die Gitterkonstante der c-Achse war 11,68 A im Schaltungsteil und 11,73 A im Nicht-Scahltungsteil.

Vergleichsbeispiel

Eine erste Schicht wurde gebildet auf die gleiche Art und Weise wie im Beispiel 1, mit Ausnahme dessen, daß ein Zn- Dünnfilm mit einer Dicke von 0,3 µm auf einem Nicht- Schaltungsteil durch Sputtern anstelle eines Implantierens Zn-Ions gebildet wurde, und danach ein Aufheizen auf 450ºC für zwei Stunden an Luft stattfand.
Die erhaltene erste Schaltungsschicht wird geprüft durch eine Röntgenbeugung. Daraus resultierend wurde bestätigt, daß die Spitze von ErBa&sub2;Cu&sub3;Oy ebenfalls klein war in der Beugungsspitze des Schaltungsteils. Ebenfalls war die Spitze von ZnO bestätigt in der Beugungsspitze des Nicht- Schaltungsteils.
Weiterhin war eine zweite Schaltungsschicht gebildet auf der ersten Schaltungsschicht auf die gleiche Art und Weise wie bei Beispiel 1.
Bezüglich jeder Zweischichtschaltung der oben erwähnten Beispiele 1 - 3 und des Vergleichsbeispiels wurden Tc und Jc in der leitfähigen Schaltung und der unabhängigen Schaltung gemessen. Tabelle 1 zeigt die Resultate zusammen mit den Hauptbedingungen. Zusätzlich wurde Jc gemessen in flüssigem Stickstoff (77 K) durch ein Vieranschlußverfahren.
Wie klar erscheint aus Tabelle 1, zeigte die supraleitende Vielschichtschaltung der vorliegenden Erfindung ein hohes Tc und Jc.
Gemäß den Beispielen ist Tc der Schaltungsteile 83 - 85 K. Im Gegensatz dazu sind die Tc der Nicht-Schaltungsteile niedrig. Insbesondere hat der Teil, wo Zn implantiert ist, und der Teil, der einen Sauerstoffmangel hat, 38K bzw. 54K. Aufgrunddessen tritt, da diese Nicht-Schaltungsteile Isolatoren werden bei der Temperatur des flüssigen Stickstoffs, kein Problem, wie z.B ein Kurzschluß auf. Ebenfalls ist Jc der leitfähigen Schaltung niedriger als das der unabhängigen Schaltung, aber hat einen hinreichenden Wert als eine Vielschichtschaltung. Dies beweist, daß die ersten und zweiten Schaltungsschichten die gleiche Orientierung der Oberfläche haben und miteinander verbunden sind.
Bei den obigen Beispielen ist die Breite der Schaltung 50 µ. Jedoch ist es möglich, unter Benutzung der modernen Technik der Lithographie im technischen Feld der Herstellung der Halbleiter, eine supraleitende Vielschichtschaltung zu bilden, bei der die Breite der Schaltung in einer Größenordnung von µm und ein Feinmuster unterhalb einer Größenordnung von µm ist. Tabelle 1 erste Schicht zweite Schicht leitfähige Schaltung unabhängige Schaltung supral. Element Dicke (µm) Filmbildeverfahren (Torr) Schaltungsbildeverf. Beispiel Magnetron-Sputtern Vakuumabscheidung (0,5x10&supmin;&sup4;) Ionenimplantation Plasmaheizen Sputtern und Difusion

Claims

1. Supraleitende Vielschichtschaltung, welche umfaßt:

ein Substrat (10; 20);

eine erste Schaltungsschicht (14;24), gebildet auf dem Substrat (10;20) einschließlich eines ersten Schaltungsteils (11;23), gebildet aus Oxidsupraleitermaterial und mit einer Kristallstruktur, und einen ersten Nicht-Schaltungsteil (13; 21), gebildet aus einem ersten Simulanten des supraleitenden Materials; und

zumindest eine zweite Schaltungsschicht (17, 27), gebildet auf der ersten Schaltungsschicht (14;24), und einschließend einen zweiten Schaltungsteil (15;26), gebildet aus Oxidsupraleitermaterial und mit der Kristallstruktur, und einen zweiten Nicht-Schaltungsteil (16;25), gebildet aus einem zweiten Simulanten des Supraleitermaterials des zweiten Schaltungsteils;

wobei das Substrat (10;20) eine Kristallkonformität hat bezüglich des Supraleitermaterials des ersten Schaltungsteils;

dadurch gekennzeichnet, daß

die erste (14;24) und die zweite (17;27) Schaltungsschicht, dieselbe Kristallorientierung haben und miteinander verbunden sind;

jeder der ersten (13; 21) und zweiten (16;25) Nicht- Schaltungsteile eine Kristallstruktur haben;

die Kristallstruktur und die Orientierung des ersten Schaltungsteils (11;23) dieselbe ist wie oder ähnlich ist wie die des ersten Nicht-Schaltungsteils (13;21);

die Kristallstruktur und Orientierung des zweiten Schaltungsteils (15;26) dieselbe ist wie oder ähnlich ist wie die des zweiten Nicht-Schaltungsteils (16;25);

jeder der ersten und zweiten Simulanten ein nichtleitendes Material ist mit einer Temperatur Tc niedriger als der der supraleitenden Materialien der ersten und zweiten Schaltungsteile; und

jeder der ersten und zweiten Simulanten Zn oder Fe beinhaltet.

2. Supraleitende Vielschichtschaltungen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die supraleitenden Materialien der ersten und zweiten Schaltungsteile ErBa&sub2;Cu&sub3;Oy sind.

3. Supraleitende Vielschichtschaltungen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine c-Achse des Kristalls des supraleitenden Materials der ersten und zweiten Schaltungsteile im wesentlichen senkrecht ist zu einer Oberfläche des Substrats (10;20).

4. Verfahren zum Herstellen einer supraleitenden Vielschichtschaltung mit den Schritten:

Bilden eines ersten dünnen Films (11;21), hergestellt aus einem Oxidsupraleitermaterial oder einem Simulanten davon auf einem Substrat (10;20) mit einer Kristallkonformität bezüglich des supraleitenden Materials des Simulanten;

Bilden einer ersten Schaltungsschicht (14;24) einschließlich einer ersten Supraleiterschaltung (11;23) und eines ersten Nicht-Schaltungsteils (13;31) durch denaturieren eines Teils des supraleitenden Materials oder des Simulanten, so daß die Kristallstruktur und die Orientierung der ersten Supraleiterschaltung (11;22) dieselbe ist, wie die oder ist wie die des ersten Nicht-Schaltungsteils (13;21); und

Bilden eines zweiten dünnen Films (15;25), hergestellt aus einem Oxidsupraleitermaterial oder einem Simulanten davon in direkter Weise auf den ersten dünnen Film (11;21) von Supraleitermaterialien, so daß eine Kristallstruktur und Orientierung des supraleitenden Materials oder des Simulanten des zweiten Films davon konform ist mit einer Kristallstruktur und Orientierung des supraleitenden Materials oder des Simulanten davon vom ersten Film; und

Bilden einer zweiten Schaltungsschicht (17;27) einschließlich einer zweiten Supraleiterschaltung (15;26) und eines zweiten Nicht-Schaltungsteils (16;25) zum Denaturieren eines Teils des supraleitenden Materials oder des Simulanten des zweiten dünnen Films, so daß die Kristallstruktur und Orientierung der zweiten supraleitenden Schaltung (15;25) dieselbe ist wie oder ähnlich ist wie die des zweiten Nicht-Schaltungsteils (16;25).

5. Verfahren zum Herstellen einer supraleitenden Vielschichtschaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der jeweilige Schaltungsschicht-Bildungsschritt ausgeführt wird durch Implantieren von Ionen in den Nicht- Schaltungsteil (13) des supraleitenden Materials des ersten oder zweiten dünnen Films (11).

6. Verfahren zum Herstellen einer supraleitenden Vielschichtschaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der jeweilige Schaltungsschicht-Bildungsschritt ausgeführt wird durch Entladen eines bestimmten Atoms des Nicht-Schaltungsteils (13) des supraleitenden Materials des ersten oder zweiten dünnen Films.

7. Verfahren zum herstellen einer supraleitenden Vielschichtschaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das bestimmte Atom Sauerstoff ist.

8. Verfahren zum Herstellen einer supraleitenden Vielschichtschaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der jeweilige Schaltungsschicht-Bildungsschritt ausgeführt wird durch Einführen eines bestimmten Atoms in den Schaltungsteil (23) des supraleitenden Materials des ersten oder zweiten dünnen Films (21).

9. Verfahren zum Herstellen einer supraleitenden Vielschichtschaltung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das bestimmte Atom Sauerstoff ist.

10. Verfahren zum Herstellen einer supraleitenden Vielschichtschaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die supraleitenden Materialien des ersten und zweiten dünnen Films ein Y-Ba-Cu-O-System-Oxidmaterial und ein Bi-Sr- Ca-Cu-O-System-Oxidmaterial sind.

11. Verfahren zum Herstellen einer supraleitenden Vielschichtschaltung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das supraleitende Material des ersten und zweiten dünnen Films ein Y-Ba-Cu-O-System-Material ist, dessen Simulant ein Material ist, zu dem ein Element ausgewählt von der Gruppe bestehend aus N, B, Ga, Co, Ni, Fe, Zn, Cd, Be implantiert ist und YBa&sub2;Cu&sub3;Oy mit einem Tc höher als 77 K ist.

12. Verfahren zum Herstellen einer supraleitenden Vielschichtschaltung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (10;20) hergestellt ist aus einem Material ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Cu, Ni, Fe, Co, Cr, Ag, Pt, Mo, Pb, rostfreiem Stahl, Cu-Ni- Legierung, Fe-Ni-Legierung, Fe-Ni-Co-Legierung, Ni-Cr-Fe- Legierung, Ag-Ni-Legierung, Cu-Fe-Legierung, Al&sub2;O&sub3;, SiO&sub2;, ZrO&sub2;, ThO&sub2;, AlN, Si&sub3;N&sub4;, SiC, TiO&sub2;, TiN, MgO, BaZrO&sub3;, KTaO&sub3;, FeAlO&sub4; und BaTiO&sub3; ist.

13. Verfahren zum Herstellen einer supraleitenden vielschichtschaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der jeweilige Schaltungsschicht-Bildungsschritt einen Schritt des Bildens eines Simulanten eines Supraleitermatenals enthält mit einem Tc niedriger als dem des Supraleitermaterials des ersten oder zweiten dünnen Films durch Bilden einer Photolackschicht (12) auf einem Abschnitt des dünnen Films (11), Implantieren eines bestimmten Atoms auf einen Abschnitt des dünnen Films, auf dem die Photolackschicht (12) nicht gebildet ist, Entfernen der Photolackschicht (12) und Denaturieren des Teils des dünnen Films unter Benutzung von Wärme.

14. Verfahren zum Herstellen einer supraleitenden Vielschichtschaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Photolackschicht (11) hergestellt ist aus einem photosensitiven Harz enthaltend Polymethylmethacrylat.

15. Verfahren zum Herstellen einer supraleitenden Vielschichtschaltung gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Abschnitt mit einem hohen Tc niedriger als dem des jeweiligen supraleitenden Materials gebildet wird durch die Denaturierung.

16. Verfahren zum Herstellen einer supraleitenden Vielschichtschaltung nach Anspruch 41 gekennzeichnet durch die Schritte:

Wiederholen der Schritt des Bildens des zweiten dünnen Films und Bilden der zweiten Schaltungsschicht.

17. Verfahren zum Herstellen einer supraleitenden Vielschichtschaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet daß die supraleitenden Materialien des ersten und zweiten dünnen Films ErBa&sub2;Cu&sub3;Oy sind.