Kai-Olaf Subke, Dissertation, Fachbereich Physik der Universität Hamburg, 1999 :
Die Dünnschichttechnologie zur Herstellung von dc SQUID (direct current superconducting quantum interference device) Magnetometern aus dem Hochtemperatur-Supraleiter YBCO wird untersucht. Ziel ist es, den Prozess für die Herstellung sehr rauscharmer Bauelemente mit hoher Reproduzierbarkeit zu optimieren. Die Magnetometer basieren auf Josephsonkontakten auf Bikristallsubstraten aus STO oder solchen in Rampengeometrie mit PBCO -Barriere auf STO -Einkristallen. Schichten aus YBCO, PBCO und dem Isolatormaterial STO werden mit gepulster Laserdeposition abgeschieden und durch konventionelle Fotolithografie und Argonionenätzen in einem Parallelplattenreaktor strukturiert. Statistische Methoden zur Versuchsplanung (design of experiments, DOE) werden angewendet, um die Unterprozesse unabhängig voneinander zu untersuchen. Dieser Ansatz ermöglicht es, mit hoher Effizienz die entscheidenden Prozessparameter, deren Wechselwirkung und deren Effekt auf die untersuchten Prozessergebnisse zu bestimmen. Die elektrischen Eigenschaften der YBCO -Filme werden durch Transportmessungen ermittelt. Ramanspektroskopie dient zur Kontrolle der epitaktischen Qualität einzelner Schichten oder von Schichtpaketen. Optische, Rasterelektronen- und Rasterkraftmikroskopie dienen zur Überprüfung der Oberflächenbeschaffenheit. Das Rasterkraftmikroskop wird auch eingesetzt, um den Fotolackprozess bezüglich seiner Maß haltigkeit sowie die Beschaffenheit der geätzten Kanten zu untersuchen. Der optimierte Mehrlagenprozess wird erfolgreich zur Herstellung integrierter Magnetometer mit Mehrschleifen-Fluß aufnehmerspulen verwendet. Das Magnetometer mit Bikristall-Josephsonkontakten erreicht in geschirmter Umgebung ein Flußdichterauschen von 50 fT/Hz1/2 bei 3 Hz und 37 fT/Hz1/2 bei 1 kHz. Sein unabgeschirmter Betrieb wird demonstriert und das Verhalten in statischen Magnetfeldern vorgestellt.
The multilayer thin-film technology for the preparation of direct current superconducting interference device (SQUID) magnetometers based on the high-temperature superconductor YBCO is investigated in order to achieve low noise levels at a high reproducibility. The devices are based on Josephson junctions formed on bicrystal STO substrates or on ramp-edge junctions with PBCO as the barrier material on single-crystal STO substrates. YBCO, PBCO, and insulating STO films are prepared by pulsed laser deposition and patterned by conventional photolithography and Argon-ion etching in a parallel-plate reactor. By using statistical methods for the design of experiments (DOE), the subprocesses are examined independently of each other. The statistical approach allows us to efficiently separate important process parameters and their interactions as well as to give a quantitative description of their influence in the framework of an empirical model. The electrical properties of the YBCO films are characterized by transport measurements. Raman spectroscopy serves to optimize the epitaxial quality of single films and multilayers. Optical-, scanning-electron-, and atomic-force microscopy are employed in order to achieve film surface morphologies suitable for multilayer applications. Atomic force microscopy is also used to investigate the dimensional stability of the photoresist process and the ramp-edge formation by Argon-ion etching. The optimized multilayer process is successfully applied to the preparation of bicrystal integrated multiloop pick-up coil magnetometers. Flux density noise levels of 50 fT/Hz1/2 at 3 Hz and 37 fT/Hz1/2 at 1 kHz are obtained in shielded measurements. The stable operation and the behavior of this magnetometer in unshielded environments and static magnetic fields is demonstrated.