Brevet FR2661557A1 — publié le 19911031

i La présente invention concerne un procédé pour préparer des circuits intégrés supraconducteurs. Les procédés classiques pour fabriquer des cir- cuits intégrés supraconducteurs sont décrits dans les de- mandes de brevets japonais mises à l'inspection publique sous les NO 64-69064, 64-69063, 64-89573 et 64-89674. Dans les demandes de brevets japonais mises à l'inspection publique sous les N 064-69063 et 64-69064, en référence à la figure 1 annexée à la présente demande, on fabrique les circuits mentionnés précédemment en recouvrant une couche de diffusion (par exemple une couche de Si O 2) présente sur un substrat isolant 1 ' formé de Sr Ti O 3 ou Mg O, en déposant une pellicule supraconductrice d'oxyde possé- dant une composition semblable à celle de Y Ba 2 Cu 307, sur l'ensemble du substrat, y compris ladite couche de diffu- sion, puis en faisant cristalliser la pellicule supracon- ductrice de l'oxyde en lui faisant subir un traitement thermique dans un environnement d'oxygène entre 8500 C et 1000 'C pendant un long intervalle de temps et en provoquant simultanément une interdiffusion de la pellicule supracon- ductrice dans la couche de diffusion Sur la figure 1, le chiffre de référence 5 ' désigne une phase supraconductrice à température critique élevée Cependant, dans ce procédé il se pose les problèmes suivants Tout d'abord, étant donné que les structures cristallines de la pellicule et des substrats sont différentes, il est très difficile d'obtenir par croissance épitaxiale la pellicule supracon- ductrice de Y Ba 2 Cu 3 Oy En second lieu, étant donné que ce substrat est très onéreux, il est difficilement utilisé à l'échelle industrielle. En outre, dans les demandes de brevets japonais mises à l'inspection publique sous les N 064-89573 et 64- 89574, on décrit les opérations servant à préparer les cir- cuits indiqués plus haut, comme étant les suivantes: a) dépôt d'un supraconducteur tel que Y Ba 2 Cu 3 07 sur le substrat à l'aide d'un procédé de pulvérisation à magné- tron pour former une pellicule supraconductrice; b) formation d'un masque formé de résine sur la pellicule supraconductrice; c) dopage sélectif d'ions tels que Ne, Ar, H, He et Si sur le masque formé par la résine pour détruire la structure cristalline de la partie dans laquelle des ions ont été implantés, et pour rendre non supraconductrice la partie obtenue; et d) élimination du masque formé par la résine moyennant l'utilisation du procédé de corrosion utilisant du plasma d'oxygène. Cependant, la mise en oeuvre des opérations indi- quées précédemment pose également les problèmes suivants. Etant donné que les structures cristallines de la pellicule et du substrat sont différentes, leurs réseaux cristallins ne peuvent pas être adaptés l'un à l'autre De même, pour les opérations indiquées précédemment, il faut utiliser des substrats relativement onéreux En outre, il n'est pas très facile de mettre en oeuvre le traitement tel que l'injection d'ions. C'est pourquoi un but de la présente invention est de fournir un procédé pour préparer des circuits inté- grés supraconducteurs, qui permettent de résoudre les pro- blèmes indiqués précédemment que l'on trouve dans les tech- niques antérieures. Ce procédé pour préparer des circuits intégrés supraconducteurs consiste à transformer de façon sélective une couche superficielle mince d'un substrat en Y Ba 2 Cu 3 Oy supraconducteur à température critique faible ou tétrago- nal, en une structure orthorhombique supraconductrice, par diffusion d'oxygène et formation d'îlots orthorhombiques supraconducteurs électriquement isolés les uns des autres et entourés par des phases tétragonales non supraconduc- trices. D'autres caractéristiques et avantages de la pré- sente invention ressortiront de la description donnée ci- après prise en référence aux dessins annexés, qui sont in- diqués uniquement à titre d'illustration, sans être en au- cune manière limitatifs pour l'invention et sur lesquels: la figure 1, dont il a déjà été fait mention, représente une coupe transversale d'un circuit intégré su- praconducteur fabriqué au moyen de la technique classique à pellicules minces, selon laquelle on dépose la pellicule mince supraconductrice sur un substrat isolant et on la structure; la figure 2 représente une coupe transversale d'un circuit intégré à semiconducteurs formé de Y Ba 2 Cu 3 Oy, fabriqué conformément à l'invention et dans laquelle des parties choisies du substrat sont transformées en passant d'une structure tétragonale à une structure orthorhombique, au moyen d'une diffusion sélective d'oxygène; la figure 3 illustre schématiquement un procédé de mise en oeuvre de la présente invention; la figure 4 représente un graphique montrant la variation de la résistance en fonction de la température de la surface de la couche supraconductrice formée conformé- ment à la présente invention; et la figure 5 représente un graphique de varia- tion de la résistance en fonction de la température du sub- strat tétragonal. Dans la présente invention, on utilise comme sub- strat du Y Ba 2 Cu 3 Oy tétragonal (y 6,5) en faisant diffuser de façon sélective de l'oxygène dans des parties désirées de cette couche pour former des îlots supraconducteurs à température critique élevée, en- tourés par une phase supraconductrice possédant une tempé- rature critique faible ou non supraconductrice Au regard de la conductivité, le substrat constitué par la phase su- praconductrice à température critique faible ou non supra- conductrice peut être considéré comme étant un élément iso- lant à la température à laquelle la phase supraconductrice à température critique élevée peut présenter les propriétés de supraconduction, étant donné que la phase supra- conductrice possédant une température critique faible ou non supraconductrice possède une résistance nettement plus élevée que la phase supraconductrice à température critique élevée, à cette température. On va donner une description détaillée de la pré- sente invention en se référant au dessin, comme indiqué ci- après. Comme cela est représenté sur la figure 3, la présente invention concerne un procédé pour préparer des circuits intégrés supraconducteurs, et qui consiste à mettre en oeuvre les étapes consistant à: ( 1) polir un substrat formé de Y Ba 2 Cu 3065 tétragonal pour former une pastille 1 représentée sur la figure 3, cette pastille possédant, si on le désire, une surface polie d'une épaisseur de 1 pm sur le substrat; ( 2) déposer une couche formant masque isolant 2 possédant une épaisseur d'environ 0,2 pm sur la pastille 1 au moyen d'un procédé de pulvérisation et déposer une ré- sine photosensible 3 sur la couche formant masque 2 en utilisant un procédé d'enduction à spin (voir figure 3 b); ( 3) éliminer des parties sélectives de la résine photosen- sible en utilisant un procédé de photolithographie (se référer à la figure 3 c); ( 4) éliminer la couche formant masque 2 déposée sur des ré- gions actives 4 en utilisant un procédé de corrosion chimique, puis éliminer également la résine photosen- sible (se référer à la figure 3 d); et ( 5) faire diffuser de l'oxygène dans les régions actives 4 dans un environnement d'oxygène, tout en mettant en oeuvre simultanément un recuit, pour transformer les régions 4 de manière à les amener à avoir la phase su- praconductrice à coefficient élevé de température (phase orthorhombique) (se référer aux figures 3 e et 3 f), pour former un certain nombre d'îlots supraconduc- teurs possédant une température critique élevée (la température critique Tc est égale à environ 900 K), en- tourés par la phase supraconductrice possédant une faible température critique ou non supraconductrice. Lors de l'étape ( 2) indiquée précédemment, les spécialistes de cette technologie, à laquelle a trait la présente invention, peuvent aisément se procurer un poly- mère utilisé pour former la résine photosensible Par exemple, il est souhaitable d'utiliser la résine photosen- sible à effet positif fabriquée par la société Shipley. Lors de l'étape ( 4) indiquée précédemment, on peut utiliser différents produits chimiques conformément au type de matériaux de la couche formant masque déposée Il est préférable d'utiliser du HF dans le cas d'une couche de Si O 2. Les figures 2 et 3 f représentent des coupes transversales des circuits intégrés supraconducteurs fabri- qués moyennant la mise en oeuvre des étapes indiquées pré- cédemment Sur ces figures, on peut voir que des îlots or- thorhombiques supraconducteurs (phase supraconductrice 5 à température critique élevée) sont isolés électriquement vis-à-vis du substrat supraconducteur à température cri- tique faible ou non supraconducteur (phase tétragonale, 6). En effet, étant donné que l'îlot supraconducteur à tempéra- ture critique élevée est entouré par la phase tétragonale ayant la propriété d'un isolant ou d'un supraconducteur à faible température critique, si on dispose un autre îlot à une distance de deux ou trois microns d'un premier îlot, ces deux îlots sont séparés électriquement l'un par rapport à l'autre. C'est pourquoi, la présente invention permet de fabriquer un nombre d'éléments de circuits de haute qua- lité, plus important que dans le cas de la technique clas- sique, même si on n'utilise pas les substrats onéreux tels que ceux formés par exemple par Sr Ti O 3 ou Mg O En outre, la qualité du dispositif fabriqué au moyen de la présente in- vention est supérieure étant donné qu'il existe une faible différence de réseau entre la couche orthorhombique trans- formée et le substrat. Dans les opérations classiques, indiquées précé- demment, du procédé à pellicules minces, il se pose égale- ment le problème d'une réduction de la température cri- tique, étant donné que ces opérations impliquent une corro- sion directe du substrat conducteur Mais par ailleurs, l'invention ne met pas en oeuvre le procédé de corrosion directe indiqué précédemment, afin de ne pas réduire la propriété de supraconduction Etant donné que le substrat formé de Y Ba 2 Cu 3 Oy réagit aisément avec l'eau, le procédé de corrosion directe peut réduire les propriétés de la pel- licule. L'exemple suivant est indiqué uniquement pour fa- ciliter la compréhension de l'invention, et le spécialiste de la technique peut y apporter des modifications sans sor- tir du cadre de cette dernière. On a mélangé des quantités stoéchiométriques de Y 203, Ba CO 3 et Cu O On a broyé les poudres pendant environ six heures Puis on a fait sécher la poudre broyée à l'état de boue dans un four à 800 C On a calciné le produit séché dans l'air à 8500 C pendant 10 heures On a fait fondre par- tiellement le produit calciné, puis on l'a refroidi à la température ambiante pour obtenir une masse de Y Ba 2 Cu 3 06,5. On a poli le supraconducteur de manière à former une pastille d'une épaisseur de 1 mm possédant une surface polie On a déposé du Si O 2 isolant sur une épaisseur de 0,2 pm à la surface du supraconducteur poli en utilisant un procédé classique de dépôt par pulvérisation de manière à former une couche formant masque constitué par une résine, puis on a déposé un polymère formant résine photosensible sur une épaisseur de 1,5 pm sur ladite couche au moyen d'un procédé d'enduction à spin. On a éliminé une partie sélective de la résine photosensible déposée, en utilisant un procédé de photo- lithographie En utilisant un procédé de corrosion chimique avec du HF, on a éliminé une partie de la couche formant masque, exposée au HF Au moyen d'un recuit de la pastille dans un environnement de 02, l'oxygène a diffusé de façon sélective dans la surface de la pastille en transformant les parties exposées de cette pastille pour les amener à l'état de phase orthorhombique, c'est-à-dire une phase su- praconductrice à température critique élevée, possédant une épaisseur inférieure à 10 microns. La figure 5 représente un diagramme de variation de la résistance en fonction de la température du Y Ba Cu O tétragonal, qui montre qu'on n'observe pas la transition supraconductrice au-dessous de 770 K. La figure 4 représente un diagramme de variation de la résistance en fonction de la courbe de température de la pellicule superficielle fabriquée dans l'exemple indiqué précédemment, qui montre que la pellicule superficielle de- vient supraconductrice au-dessus de 770 K. Comme cela est représenté sur les figures 4 et 5, on peut voir aisément que les circuits intégrés supracon- ducteurs formés par diffusion sélective d'oxygène présen- tent une propriété supraconductrice à température critique élevée, tandis que le Y Ba Cu O tétragonal présente une pro- priété non supraconductrice au-dessous de 770 K. Par conséquent, le substrat supraconducteur à température critique faible ou non supraconducteur, agit en tant qu'isolant à la température à laquelle le supraconduc- teur à température critique élevée présente une propriété de supraconduction, étant donné que le substrat possède une résistance relativement très élevée à cette température. REVENDICATIONS 1 Procédé pour préparer des circuits intégrés supraconducteurs, caractérisé en ce qu'il consiste à faire diffuser de façon sélective de l'oxygène dans la surface d'un substrat en Y Ba 2 Cu 3 Oy tétragonal pour former une couche mince sélective d'une phase orthorhombique. 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il inclut les étapes consistant à: ( 1) polir un substrat formé de Y Ba 2 Cu 3 Oy tétragonal pour former une pastille ( 1); ( 2) déposer une couche formant masque isolant ( 2) sur la pastille et une résine photosensible ( 3) sur la couche formant masque; ( 3) retirer des parties sélectives de la résine photosen- sible; ( 4) retirer la couche formant masque déposée sur des ré- gions actives ( 4) en utilisant un procédé de corrosion chimique, puis éliminer également la résine photosen- sible; et ( 5) faire diffuser de l'oxygène dans les régions actives pour transformer ces dernières de manière qu'elles pré- sentent la phase orthorhombique pour former des îlots supraconducteurs à température critique élevée, entou- rés par des phases supraconductrices possédant une tem- pérature critique faible ou non supraconductrices. 3 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche d'oxygène diffusée dans la surface de la pastille possède une épaisseur inférieure à 10 microns.