Spôsob tvarovania tenkých vrstiev v kryoelektronike s použitím fullerénu C60

(22) Dátum podania prihlášky 15. 12. 2005(24) Dátum nadobudnutia účinkov patentu 7. 1. 2009 Vestník UPV SR č. 2009(32) Dátum podania prioritnej prihláškyÚRAD V organizácia priority PRIEMYSELNEHO r - - - -v. (40) Datum zverejnenia prihlasky 2. 8. 2007 VLASTNICTVA Vestník ÚPV SR as. s/2 oo 7 SLOVENSKEJ REPUBLIKY(47) Dátum sprístupnenia patentu verejnosti 29. 12. 2008(62) Číslo pôvodnej prihlášky v prípade vylúčeriej prihlášky(67) Číslo pôvodnej prihlášky úžitkového vzoru v prípade odbočenia(86) Číslo podania medzinárodnej prihlášky podľa PCT(87) Číslo zverejnenia medzinárodnej prihlášky podľa PCT(96) Číslo podania európskej patentovej prihlášky(73) Majiteľ Elektrotechnický ústav SAV, Bratislava, SK(72) Pôvodca Vincenc Oboňa Jozef, Ing., Hodruša - Hámre, SK Chromík Štefan, Ing., DrSc., Stupava, SK(54) Názov Spôsob tvarovania tenkých vrstiev v kryoelektronike s použitím fullerénu C 54,(57) AnotáciaPri výrobe štruktúr s využitím tvarovaných tenkých vrstiev YBCO, potrebných pre kryoelektroniku, sa často stáva, že použitá maska v kombinácii s použitým leptadlom nezabezpečí kvalitný výsledok. Objavujú sa chyby nedokonale odleptaných plôch so zvyškami reziduí, chyby následkom podleptania vytvarovaných motívov atď. Vynález rieši výrobu masky z fullerénu C 50, ktorý sa nanáša na inverznú masku vyrobenú optickou litograñou pomocou vàkuovej depozície. Pomocou lift-off techniky sa z týchto dvoch vrstiev vyrobí pozitívna maska C 50, spôsobilá kvalitne zabezpečiť leptanie V brometylalkohole, ktorý je považovaný za najlepšie leptadlo na YBCO.Vynález sa týka spôsobu tvarovania vrstiev v kryoelektronike pomocou chemického leptania, použitím fullerénu C 00 na výrobu tvarovacej masky.Doteraj ší stav technikyV kryoelektronike sa niektoré časti obvodov vyrábajú z kuprátových vrstiev YBa 2 Cu 3 O 7 (skrátene YBCC) leptaním. Je to do určitej miery podobné výrobe plošných spojov v bežnej elektrotechnike. Vrstva YBCO sa pokryje materiálom odolným proti leptaniu, tzv. rezistom. Ten sa vytvaruje do podoby budúceho obvodu a nazýva sa maskou. YBCO s takto vytvorenou maskou sa vystaví pôsobeniu leptadla, ktoré odstráni časti nepokryté maskou rezistu. Z vytvoreného obvodu sa prebytočné leptadlo a rezist odstránia opláchnutim v príslušnej chemikálií.V súčasnosti sa spomínané štruktúry vytvárajú tak, že východiskový materiál YBCO, nanesený na podložke, sa pokryje rezistovou vrstvou. Následne sa cez zadeñnovaný vzor, vyznačený na sklenenej platničke,osvieti vzorka UV svetlom. Osvetlenim rezistu dochádza k zmene jeho chemickej štruktúry, ktorej dôsledkom je zvýšená rozpustnosť. Neosvetlená časť rezistu pod zadefinovaným vzorom zostáva nerozpustná. Po použití vhodného rozpúšťadla na odstránenie rozpustných častí rezistu je vzorka pripravená na leptanie.Na mokré (chemické) leptanie YBa 2 Cu 3 O 7 (YBCO) supravodivých vrstiev sa používa viac typov leptadiel. Veľmi často sa používajú kyseliny, ako fosforečná, dusičná, chlorovodíková, zriedené destilovanou vodou (l 40). Tieto leptadlá nie sú veľmi vhodné na mikrotvarovanie YBCO vrstvy cez rezistovú masku, pretože okrem častého podleptania motívu, nerovných olcrajov tvarovanej štruktúry atď., zostávajú na povrchu podložky po leptani nerozpustné zvyšky-reziduá. Tieto leptadlá totiž prednostné reagujú s báriom a ostatné prvky sú odolnejšie.Ďalšie možné leptadlo je nasýtený roztok etyléndiamintetraacetátu vo vode (EDTA), ktorý selektivne leptá YBCO materiál a necháva podložku neporušenú. Je vhodný na tvarovanie cez rezistovú masku, kde však i krátke prerušenie leptacieho procesu a vystavenie leptaného povrchu okolitej atmosfére (napr. pri kontrole, či je už YBCO vrstva odleptaná), spomaľuje resp. úplne zastavuje leptanie. Styk s atmosférou totiž vytvára ochrannú vrstvu odolnú proti ďalšiemu leptaniu.Najlepším leptadlom sa javí brometylalkohol, pretože- odstraňuje na kyslík ochudobnenú vrstvičku z povrchu YBCO vrstvy,- zachováva stále stechiometrické zloženie leptaného povrchu YBCO vrstvy v dôsledku rovnomerného súčasného leptania všetkých zložiek YBCO,- po odleptaní YBCO vrstvy na podložke nenecháva žiadne rezíduá.Nevýhodou tohto leptadla je, že jeho použitie nie je univerzálne. Používané rezisty, podľa toho či osvetlením UV svetlom degradujú alebo polymerizujú, rozdeľujeme na pozitívne alebo negatívne. Uvedený spôsob prípravy masky využíva osvetlenie pozitívneho rezistu cez vzor vyznačený na sklenenej platničke. Brometylalkohol nie je však vhodný pri použití štandardných pozitívnych rezistov, lebo ich rozpúšťa. Do úvahy teda pripadajú jedine negatívne rezisty, ktore po aplikácii UV svetla polymerizujú a tým sú odolné proti takémuto leptadlu. Ich aplikácia je však spojená s ťažkosťami po leptaní, pri odstraňovaní rezistovej masky. Kým pozitívne rezisty je možné ľahko odstrániť v rozpúšťadle, negatívnu rezistovú masku nie. Pri použití agresívnejších chemikálií hrozí napadnutie vyleptanej štruktúry. Odstránenie rezistu suchou cestou v kyslíkovej plazme nie je vždy účinné.Aby sa odstránili uvedené nedostatky súčasných postupov, bolo potrebné nájsť optimálnu kombináciu materiálu masky, leptadla a rozpúšťadla na odstránenie masky po leptaní. Pokusmi bolo preukázané, že na tvarovanie YBCO vrstiev sú takouto kombináciou materiály fullerén C 00, brometylalkohol a toluén. Brometylalkohol, ako najvhodnejšie leptadlo YBCO vrstiev, ani minimálne nepoškodzuje masku, ak je táto vyrobená z fullerénu C 00. Zároveň nerozhoduje, či ide o pozitívnu, alebo k nej inverznú masku, pretože fullerén C 60 umožňuje oba typy postupov. Po odleptaní YBCO vrstvy nepokrytej maskou fullerénu C 00 sa hotová súčiastka zbaví masky umytím v toluéne. Rozpustnost fullerénu C 00 v toluéne je dostatočné.Použitie materiálov podľa vjmálezu prinesie zvýšenú kvalitu a presnosť výrobkov za predpokladu, že sa dodrží nasledovný postupVýchodískový materiál-YBCO vrstva, nanesená zvyčajne na substráte z izolačného materiálu, sa bezprostredne po jej príprave (najlepšie v tom istom vákuovom cykle) pokryj e ochrannou vrstvou zlata vzhľadom na to, že v ďalšom postupe bude vystavená pôsobeníu rôznych chemikálií. Na takto pripravenú dvojvrstvu je po 10tIebné vytvoriť pozitívnu fullerénovú masku, ktorá bude zakrývať plochy, ktoré majú ostať a odkryje plochy,ktoré majú byt odleptané. Tvarovanie fullerénovej vrstvy C 00 sa urobí pomocou fotocítlivého rezistu rozpustnćho V acetóne. Rezist sa nanesie na homú zlatú vrstvu a fotolitograñou sa z neho vytvorí maska. Táto maska musí spĺňať požiadavky na realizáciu tzv. lift off techniky (výška rezistu, tvar okrajov rezistu atď.). Rezist je vo forme negatívnej masky, to znamená, že zakrýva plochy, ktoré majú byť odleptane a odkrýva plochy, ktoré sú súčasťou budúcej elektronickej štruktúry. Nasledujúci krok nebude leptanie, ale vytvorenie defrnitívnej fullerénovej masky.Celý povrch sa následne pokryje vrstvou fullerénu C 00. Ten pokryje priamo pozlátené YBCO plôšky budúcej štruktúry a rezistom pokryté plochy, ktoré majú byť odleptané. Ponorením tejto 4-vrstvovej zostavy do acetónu sa začnú rozpúšťať časti spodnej rezistovej masky, lebo sú z bočných okraj ov svojich rozhraní podmývané rozpúšťadlom. Fullerénové plôšky ležiace priamo na zlatom povrchu ostanú priľnuté, ale tie, pod ktorými bol rozpustený rezist, sa zdvihnú a sú v rozpúšťadle odplavenć (lift off proces). Pozitívna fullerénová maska je hotová a vrstvy sú pripravené na leptanie v brometylalkohole. Po leptaní sa fullerénová maska odstráni rozpustením v toluéne. Zlato, ktoré sa nachádza na povrchu vytvarovanej tenkovrstvovej štruktúry,sa využíva pri ďalších technologických postupoch, alebo sa môže odstrániť.Prehľad obrázkov na výkresochNa obr. 1 je znázornený postup tvarovania štruktúry v supravodivej vrstve YBCO, opísaný v nasledujúcom príklade uskutočnenia vynálezu.Na očistený povrch 2 vrstvy YBCO pripravenej na substráte 3 sa v prvom kroku a) naniesla tenké vrstva zlata 1 (50 - 70 mn). Táto slúži na ochranu samotnej YBCO vrstvy pred chemikáliami použitýrni v nasledujúcich krokoch. V ďalšom kroku b) sa na zlato naniesla vrstva (cca 1,5 m) pozitívneho rezistu 4. Do nanesenćho rezistu 4 sa fotolitogratiou vytvaroval negatívny obraz požadovaného tvaru budúcej štruktúry.Nasledoval krok c), v ktorom sa na negatívny obraz štruktúry vákuovou depozíciu naniesla vrstva 5 fullerénu C 50 (400 - 800 nm). Ponorením do acetónu v kroku d) sa vrstva rezistu 4 rozpustíla, čím sa odstránila - zdvihla na ňom ležiaca vrstva 5 fullerénu C 00 (lift-off technika) a ostatná vrstva 5 ležiaca na zlate 1, vytvoríla pozitívnu masku k požadovanej štruktúre.Ďalej sa v kroku e) odstránila vrstva zlata l ponorením do leptadla na báze jodídu draselného, jódu a vody. Nasledovalo leptanie YBCO vrstvy 2 (krok f) pomocou brometylalkoholu, ktorým sa vytvorila požadovaná finálna štruktúra. Fullerénová maska C 60 sa z hotovej vytvarovanej štruktúry odstránila v kroku g) rozpustením v toluéne.Spôsob tvarovania tenkých vrstiev, použitím ñíllerénu C 00 na vytvárame masiek na leptanie, je vhodný najmä na výrobu obvodov a súčiastok supravodivých vrstiev pre kryoelektroniku. Tiež je vhodne ho použiť všade tam, kde nie je možne použiť negatívny fotorezit a použité leptadlo by mohlo napadnúť bežne používaný pozitívny rezist.1. Spôsob tvarovania tenkých vrstiev v kryoelektronike použitím fullerénu C 00, v y z n a č u j ú c i s a t ý m , že na vrstvu YBCO pripravenú na podložke sa nanesie rezistová vrstva, z ktorej sa podľa požadovanej štruktúry spojov optickou litograñou vytvorí inverzná maska, ktorá sa vákuovou depozíciou celá prekryje fullerénom C 50, následne sa lift-off technikou rezistová inverzná maska odstráni a vznikne pozitívna fullerénová C 00 maska k požadovanej štruktúre, pripravená na leptanie V brometylalkohole.2. Použitie fullerénu C 00 na tvarovanie tenkých vrstiev v kryoelektronike podľa nároku 1.