JP2015192071A

JP2015192071A - Ｓｎｓ型ジョセフソン接合素子の製造方法及びｓｎｓ型ジョセフソン接合素子製造装置

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Publication number: JP2015192071A
Application number: JP2014068989A
Authority: JP
Inventors: 張　延平; Enhei Cho; 延平張
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2014-03-28
Filing date: 2014-03-28
Publication date: 2015-11-02
Anticipated expiration: 2034-03-28
Also published as: JP6254032B2; WO2015146208A1

Abstract

【課題】集束型イオンビーム装置の使用を回避することができ、金属イオンビームを使用せずに、ジョセフソン接合素子を製造することができる製造方法および製造装置を提供する。【解決手段】一対の超伝導膜と、一対の超伝導膜間に設けられた絶縁膜と、を備える積層体にビームを照射して、ジョセフソン接合素子を製造する。絶縁膜はＮｂ２Ｏ５からなる。一方の超伝導膜の外側から積層体に対して、非金属イオン、Ｘ線、又は電子線からなるビームを照射し、絶縁膜中のＮｂ２Ｏ５の一部をＮｂＯＸ（Ｘは１又は２）へ変換する。一対の超伝導膜間の電流又は変調電圧を測定して、この測定による測定値に基づいて、ビームの照射を調整する。【選択図】図３

Description

本発明は、一対の超伝導膜と、この超伝導膜間に設けられた絶縁膜と、を備える積層体にビームを照射して、ＳＮＳ型ジョセフソン接合素子を得る、ＳＮＳ型ジョセフソン接合素子の製造方法及びＳＮＳ型ジョセフソン接合素子製造装置に関する。

従来、超伝導薄膜上に絶縁体薄膜を形成し、集束型イオンビーム装置を用いて、薄膜に金属イオンを照射することで、超伝導膜の一部に弱接合部を形成してジョセフソン接合素子を製造する技術がある（例えば、特許文献１参照）。

特開平６−２８３７７５号公報

しかしながら、集束イオンビームを生成する集束型イオンビーム装置は、一般的に普及していないため、集束型イオンビーム装置を使用してジョセフソン接合素子を製造することは、製造コストの上昇を招くことになる。

また、太陽電池やタッチパネル等の導電膜の膜質を改善するためにイオン注入（イオン照射）が行われているが、このようなイオン注入には非収束型である汎用型イオンビーム装置が用いられている。ジョセフソン接合素子を製造するために、このような一般的に普及している汎用型イオンビーム装置を使用して、金属イオンを照射することも考えられる。しかし、汎用型イオンビーム装置にて金属イオンを生成すると金属イオンがイオンビーム装置の汚染源となってしまい、汎用型イオンビーム装置を、他の用途（導電膜の膜質改善のためのイオン注入等）に使用できなくなるおそれがある。

そこで、汎用型イオンビーム装置にて非金属イオンビームを生成し、絶縁体薄膜に対して非金属イオンビームを照射して、ジョセフソン接合素子を製造することが考えられる。しかしこの場合において、非金属イオンビームを多く照射しすぎると、弱接合部が好適に形成されず導電性が低下するおそれがある。

本発明は、特別な集束型イオンビーム装置の使用を回避すると共に、金属イオンビームを使用せずに、信頼性の低下の抑制を図ることができるジョセフソン接合素子を製造する製造方法およびジョセフソン接合素子製造装置を提供することを目的とする。

本発明は、一対の超伝導膜と、一対の超伝導膜間に設けられた絶縁膜と、を備える積層体にビームを照射して、ＳＮＳ型ジョセフソン接合素子を製造する方法であって、絶縁膜はＮｂ_２Ｏ_５からなり、一方の超伝導膜の外側から積層体に対して、非金属イオン、Ｘ線、又は電子線からなるビームを照射し、絶縁膜中のＮｂ_２Ｏ_５の一部をＮｂＯ_Ｘ（Ｘは１又は２）へ変換するビーム照射工程と、一対の超伝導膜間の電流又は変調電圧を測定して、この測定による測定値に基づいて、ビームの照射を調整するビーム調整工程と、を備えている。

このＳＮＳ型ジョセフソン接合素子（以下、「ジョセフソン接合素子」という）の製造方法では、集束型イオンビーム装置を使用せずに、積層体に対して非金属イオン、Ｘ線、又は電子線からなるビームを照射する。Ｎｂ_２Ｏ_５からなる絶縁膜にビームが照射されると、Ｎｂ_２Ｏ_５の酸素がビームのエネルギーによって励起されて、隣接する超伝導膜中のＮｂと反応して酸素原子が少ないＮｂＯ_Ｘ（Ｘは１又は２）に変換される。これにより、導電性があるＮｂＯ_Ｘが形成されて、Ｎ型接合が形成される。また、この製造方法では、一対の超伝導膜間の電流又は変調電圧を測定して、この測定による測定値に基づいて、ビームの照射を調整するので、絶縁膜に過剰にビームが照射されることが抑制される。そのため、弱接合部の導電性の低下のおそれを抑制することができる。

ビーム調整工程では、測定された電流が予め定められた設定電流値に達したら又は測定された変調電圧が予め定められた設定変調電圧値に達したら、ビームの照射を停止することができる。Ｎｂ_２Ｏ_５からＮｂＯ_Ｘへの変換が進むにつれ、電流又は変調電圧が変化する。測定された電流又は測定された変調電圧が予め定められた値に達したら、Ｎｂ_２Ｏ_５からＮｂＯ_Ｘへの変換がある程度進み、弱接合部が形成されたことを把握することができる。測定された電流又は測定された変調電圧が予め定められた値に達したら、ビームの照射を停止することで、絶縁膜に過剰なビームを照射することを好適に抑制することができる。

また、ジョセフソン接合素子の製造方法では、一方の超伝導膜の表面側に、ビームの透過を抑制するビーム透過抑制部とビームの通過を許容する孔部とが形成された照射野形成部を配置し、ビーム照射工程では、照射野形成部を介して、ビームが照射されてもよい。これにより、ビーム透過抑制部によって覆われている領域では、ビームの透過が抑制されるので、絶縁膜までビームが到達しないようにすることができる。一方、ビーム透過抑制部が形成されていない領域（孔部が形成された領域）では、絶縁膜までビームを到達させることができる。そのため、ビームの照射位置及び照射範囲を調整して、照射野を調整することができる。従って、非集束型である汎用的なイオンビーム装置を用いても、好適にジョセフソン接合素子を製造することができる。

また、ジョセフソン接合素子の製造方法では、一方の超伝導膜の表面に、絶縁膜に向かって凹む有底穴を形成し、ビーム照射工程では、有底穴を通して有底穴の底部に向けてビームを照射してもよい。これにより、有底穴が設けられた領域では、有底穴を通して有底穴の底部からビームが入射し、その底部から所定の深さに位置する絶縁膜の部分、すなわち有底穴の底部に対向する部分にビームが到達される。一方、有底穴が形成されていない領域では、絶縁膜までビームが到達しないようにすることができる。これらにより、ビームの照射を調整することができる。従って、非集束型である汎用的なイオンビーム装置を用いても、好適にジョセフソン接合素子を製造することができる。

また、本発明は、一対の超伝導膜と、一対の超伝導膜間に設けられた絶縁膜と、を備える積層体にビームを照射して、ＳＮＳ型ジョセフソン接合素子を製造する製造装置であって、絶縁膜はＮｂ_２Ｏ_５からなり、製造装置は、一方の超伝導膜の外側から積層体に対して、非金属イオン、Ｘ線、又は電子線からなるビームを照射するビーム照射部と、一対の超伝導膜間の電流又は変調電圧を測定する測定部と、測定部の測定値に基づいて、ビームの照射を調整するビーム調整部と、を備えるＳＮＳ型ジョセフソン接合素子製造装置である。

このＳＮＳ型ジョセフソン接合素子製造装置（以下、「ジョセフソン接合素子製造装置」という）では、一対の超伝導膜間に絶縁膜を備える積層体に対して非金属イオン、Ｘ線、又は電子線からなるビームを照射することができる。Ｎｂ_２Ｏ_５からなる絶縁膜にビームが照射されると、Ｎｂ_２Ｏ_５の酸素がビームのエネルギーによって励起されて、隣接する超伝導膜中のＮｂと反応して酸素原子が少ないＮｂＯ_Ｘ（Ｘは１又は２）に変換される。これにより、導電性があるＮｂＯ_Ｘが形成されて、Ｎ型接合が形成される。そのため、集束型イオンビーム装置を使用せずに、ＳＮＳ型ジョセフソン接合素子を製造することができる。また、このジョセフソン接合素子製造装置では、一対の超伝導膜間の電流又は変調電圧を測定して、この測定による測定値に基づいて、ビームの照射を調整することができるので、絶縁膜に過剰にビームが照射されることが抑制される。そのため、弱接合部の導電性の低下のおそれを抑制することができる。

本発明によれば、集束型イオンビーム装置の使用を回避することができる。また、本発明によれば、金属イオンビームを使用せずに、信頼性の低下の抑制が図られたＳＮＳ型ジョセフソン接合素子を製造することができる。

本実施形態のジョセフソン接合素子の製造方法で製造されたジョセフソン接合素子の斜視図である。図１の縦断面図である。本実施形態のジョセフソン接合素子製造装置を示す概略図である。（ａ）非金属イオンビームの照射時間と電流Ｉｃとの関係を示すグラフである。（ｂ）変調電圧ΔＶを示すグラフである。本実施形態の脳磁計の断面図である。他の実施形態のジョセフソン接合素子の斜視図である。図６の縦断面図である。

以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各図において同一部分又は相当部分には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

［ジョセフソン接合素子］
ジョセフソン接合素子の製造方法の説明に先立ち、当該製造方法により製造されるジョセフソン接合素子について説明する。

図１及び図２に示されるように、ジョセフソン接合素子１は、矩形膜状の下部電極（超伝導膜）２と、下部電極２の長手方向から下部電極２を直交して跨ぐように重ね合わされた矩形膜状の上部電極（超伝導膜）３と、を備えたＳＮＳ型ジョセフソン接合素子である。下部電極２と上部電極３とが重なる部分には、両電極２，３を互いに電気的に絶縁するための絶縁膜４が設けられている。上部電極３は、下部電極２を跨ぐことから、下部電極２の形状に沿って曲げられ、縦断面ハット型をなしている（図２）。

下部電極２及び上部電極３の材質としては、Ｎｂが挙げられる。また、下部電極２及び上部電極３の寸法としては、幅が４０００ｎｍ程度であり、厚さが１００ｎｍ〜２５０ｎｍの薄膜である。また、絶縁膜４の材質は、Ｎｂ_２Ｏ_５である。絶縁膜４の厚さは、１０ｎｍ程度である。Ｎｂ_２Ｏ_５は、絶縁性を有するニオブ酸化物である。ニオブを陽極酸化すること（公知の手法）で得ることができる。

下部電極２、絶縁膜４、及び上部電極３がこの順に積層された積層部分において、その平面視中央部の上部電極３（この場合、上部電極の中央部３ｂ）には断面円形の有底穴５が設けられている。この有底穴５は、上部電極３の面のうち絶縁膜４が設けられている側とは反対側の表面（以下「上面」と呼ぶ）３ａから絶縁膜４（又は下部電極２）の側へ向けて延びており、絶縁膜４に達する手前の上部電極３の内部で底部５ａを形成している。ここで、有底穴５の径は２０〜２００ｎｍであり、有底穴５のアスペクト比（穴の径に対する穴の深さの比の値）は６以下とされている。

絶縁膜４は、上記有底穴５の底部５ａから更に所定の深さに位置する部分、すなわち有底穴５の底部５ａに対向する部分に、後述する非金属イオンビームの照射による非金属イオン注入により形成された弱結合部（ジョセフソン接合部、弱接合部）４ａを有している。この弱結合部４ａは、下部電極２及び上部電極３の間を電子対が通過するようにしたものであり、絶縁膜４の他の部分よりも電気的な抵抗が小さくなっている。すなわち、超伝導電子対のトンネル効果を発生できるようになる。注入されている非金属イオンは、Ｐのイオンである。

絶縁膜４に照射される非金属イオンビームはＰに限定されない。非金属イオンビームは、例えば、Ｐを除く非金属イオンビームでもよい。非金属イオンとしては、Ｂ、Ａｓ、Ｎ、Ａｒ等のイオンが挙げられる。また、絶縁膜４に照射されるビームは、非金属イオンビームに限定されず、Ｘ線ビーム又は電子線ビームでもよい。

ここで、有底穴５の底部５ａと絶縁膜４との間の上部電極３の部分（以下「薄肉部」と呼ぶ）の肉厚は、照射する非金属イオンビームの非金属イオンの種類とエネルギーにより選択されて決定されたものである。例えば、２０ｋｅＶのエネルギーでＡｒ^＋を注入する場合は、薄肉部の肉厚は７０〜８０ｎｍ程度とされる。この非金属イオンビームを照射する場合の理想的な寸法としては、例えば、上部電極３の厚さが２００ｎｍ、有底穴５の径が２０ｎｍ、有底穴５の深さが１２０ｎｍ（すなわち有底穴５のアスペクト比が６）、薄肉部の肉厚が８０ｎｍである。なお、薄肉部の肉厚が４０ｎｍ未満であると、超伝導体としての臨界温度が下がり、超伝導性能が低下する虞がある。

［ジョセフソン接合素子製造装置］
次に、ＳＮＳ型ジョセフソン接合素子製造装置について説明する。図３は、ジョセフソン接合素子製造装置を示す概略図である。ＳＮＳ型ジョセフソン接合素子製造装置２１は、ジョセフソン接合素子１を製造する際に用いられる。ジョセフソン接合素子製造装置２１では、下部電極２、絶縁膜４、及び上部電極３が積層された積層体に対して非金属イオンビームを照射して、ジョセフソン接合素子１を製造する。

ジョセフソン接合素子製造装置２１は、非金属イオンビームを照射するビーム照射部２２と、ビーム照射部２２から照射される非金属イオンビームの照射を調整するビーム調整部２３と、を備えている。

ビーム照射部２２は、非金属イオンが発生されるイオン源から発生した非金属イオンを加速して、非金属イオンビームを発生させて照射する。Ｎｂ_２Ｏ_５からなる絶縁膜４に非金属イオンビームを照射した場合、絶縁膜４中のＮｂ_２Ｏ_５の一部は、ＮｂＯ_Ｘ（Ｘは１又は２）に変換される。

また、ジョセフソン接合素子製造装置２１は、下部電極２と上部電極３との間の電流Ｉｃ又は変調電圧ΔＶを測定する測定部２４を有する。

ビーム調整部２３は、ビーム照射部２２及び測定部２４に電気的に接続されている。ビーム調整部２３は、演算処理を行うＣＰＵ、記憶部となるＲＯＭ及びＲＡＭを有し、ビーム照射部２２から照射される非金属イオンビームの照射を制御する。ビーム調整部２３は、測定部２４の測定値（電流値Ｉｃ又は変調電圧ΔＶ）に基づいて、非金属イオンビームの照射を調整する。

図４（ａ）は、非金属イオンビームの照射時間と、電流Ｉｃとの関係を示すグラフである。図４（ａ）に示されるように、非金属イオンビームの照射時間が長くなるにつれて、電流Ｉｃが増加する。電流Ｉｃが最大値Ｉｃ_ＭＡＸに到達した後は、照射時間が長くなるにつれて、電流Ｉｃが減少する。電流Ｉｃが最大値Ｉｃ_ＭＡＸに到達するまでは、非金属イオンビームの照射量が増加するにつれて、電流Ｉｃが増加する。電流Ｉｃが最大値Ｉｃ_ＭＡＸに到達した後は、非金属イオンビームの照射量が増加するにつれて、電流Ｉｃが減少する。電流値Ｉｃがこのような波形を描くのは、次の理由によるものと推測される。非金属イオンビームが照射されるにつれ、Ｎｂ_２Ｏ_５からＮｂＯ_Ｘへの変換が進み、絶縁膜４中に弱結合部が形成されていく。Ｎｂ_２Ｏ_５からＮｂＯ_Ｘへの変換が進むにつれ、弱結合部が形成される部分の抵抗が低下していくため、電流Ｉｃが上昇していく。Ｎｂ_２Ｏ_５からＮｂＯ_Ｘへの変換がある程度進むと、非金属イオンビームを照射してもＮｂ_２Ｏ_５からＮｂＯ_Ｘへの変換が進まなくなる。そのような状態で非金属イオンビームを照射すると、後述の理由により弱結合部が形成される部分の抵抗が増加するため、電流Ｉｃが低下していく。図４（ａ）に示されたビームの照射時間と電流Ｉｃとの関係を示すグラフは、試験的にジョセフソン接合素子を製造する際に、ビームの照射時間と電流Ｉｃとを測定することで、作成することができる。

ビーム調整部２３は、測定部２４によって測定された電流Ｉｃが予め設定された設定電流値Ｉｓに達したら、ビーム照射部２２に制御信号を送信して、非金属イオンビームの照射を停止させる。設定電流値Ｉｓは、前述の試験時に測定したビーム照射時間と電流Ｉｃとのデータより設定することができる。すなわち、設定電流値Ｉｓは最大値Ｉｃ_ＭＡＸ以下とする。一例として、設定電流値Ｉｓは、最大値Ｉｃ_ＭＡＸの８０％〜１００％の値とすることができる。このように設定電流値Ｉｓを設定すれば、電流値Ｉｃがピークをむかえる近く、すなわちＮｂ_２Ｏ_５からＮｂＯ_Ｘへの変換がある程度進んだところで、ビームの照射を停止することができるため、好適に弱結合部を形成すると共にビームの過剰照射を抑制することができる。

設定電流値Ｉｓは、最大値Ｉｃ_ＭＡＸに近い値の方が望ましい。しかし、照射時間に対する電流Ｉｃの波形は、毎回同じ波形となるわけではないので、あるジョセフソン接合素子を製造する際にビームの照射を延々と続けても、必ずしも電流Ｉｃが試験時の最大値Ｉｃ_ＭＡＸに達するとは言えない。従って、設定電流値Ｉｓを最大値Ｉｃ_ＭＡＸと同じ値とすると、あるジョセフソン接合素子を製造する際に、電流Ｉｃが設定電流値Ｉｓに達せずに、延々とビームの照射を続けてしまうおそれもある。そこで、電流Ｉｃが設定電流値Ｉｓに達しなくても、ビームの照射を開始してから予め設定した設定時間Ｔｓが経過した場合には強制的にビームの照射を停止させることで、延々とビームの照射を続けてしまうことを防ぐことができる。設定時間Ｔｓは、前述の試験時に、ビームの照射開始から電流Ｉｃが最大値Ｉｃ_ＭＡＸとなった時間までの経過時間Ｔｐよりも長い時間とすることができる。一例として、設定時間Ｔｓは、経過時間Ｔｐの１０５％〜１２０％の時間とすることができる。

図４（ｂ）下部電極と上部電極との間の変調電圧ΔＶの一例を示すグラフである。測定部２４は、下部電極２と上部電極３との間の変調電圧ΔＶを測定するものでもよい。ビーム調整部２３は、測定部２４で測定された変調電圧ΔＶに基づいて、ビームの照射量を制御するものでもよい。変調電圧ΔＶも、電流Ｉｃと同じような波形を描く。なお、測定部２４は、電流Ｉｃ及び変調電圧ΔＶの双方を測定してもよい。

ビーム調整部２３は、測定部２４によって測定された変調電圧ΔＶが予め設定された設定変調電圧値ΔＶｓに達したら、ビーム照射部２２に制御信号を送信して、非金属イオンビームの照射を停止させる。設定変調電圧値ΔＶｓは、前述の試験時に測定したビーム照射時間と変調電圧ΔＶとのデータより設定することができる。すなわち、設定変調電圧値ΔＶｓは最大値ΔＶ_ＭＡＸ以下とする。一例として、設定変調電圧値ΔＶｓは、最大値ΔＶ_ＭＡＸの８０％〜１００％の値とすることができる。このように設定変調電圧値ΔＶｓを設定すれば、変調電圧ΔＶがピークをむかえる近く、すなわちＮｂ_２Ｏ_５からＮｂＯ_Ｘへの変換がある程度進んだところで、ビームの照射を停止することができるため、好適に弱結合部を形成すると共にビームの過剰照射を抑制することができる。

［ジョセフソン接合素子の製造方法］
次に、ジョセフソン接合素子１の製造方法について説明する。まず、下部電極２、絶縁膜４、及び上部電極３を、上記のとおりに配置し、積層体とする。そして、積層体のうち下部電極２、絶縁膜４、及び上部電極３が積層された部分である積層部分において、上部電極３の上面３ａに対してＲＩＥ（Reactive Ion Etching；反応性イオンエッチング）を施し、当該上面３ａに上述の有底穴５を設ける。

続いて、積層部分のうち有底穴５をほぼ中央に含む領域一帯に対し、上部電極３の側から下部電極２の側へ向けて非金属イオンビームを照射する（ビーム照射工程）。このとき、積層部分のうち有底穴５が設けられた部分では有底穴５を通してその底部５ａへ向けて非金属イオンビームが照射され、有底穴５の周辺部分では上部電極３の上面３ａにイオンビームが照射されることになる。その結果、有底穴５が設けられた部分では、底部５ａから更に所定の深さに位置する絶縁膜４の部分、すなわち有底穴５の底部５ａに対向する絶縁膜４の部分（更に換言すれば、下部電極２と有底穴５との間の部分）に非金属イオンが注入され、弱結合部が形成される。一方、有底穴５の周辺部分で非金属イオンビームが照射された部分では、非金属イオンビームが絶縁膜４まで届かず、上部電極３の内部に非金属イオンが注入され留められる。

ここで、非金属イオンビームの非金属イオンの種類とエネルギーは、前述したとおりである。

このジョセフソン接合素子の製造方法では、測定部２４の測定値（電流値Ｉｃ又は変調電圧ΔＶ）に基づいて、ビームの照射を調整するビーム調整工程を有する。ビーム調整工程では、下部電極２と上部電極３との間の電流Ｉｃ又は変調電圧ΔＶを測定して、この測定による測定値に基づいて、非金属イオンビームの照射量を制御する。

ビーム調整部２３は、測定部２４によって測定された電流Ｉｃが予め設定された設定電流値Ｉｓに達したら、ビーム照射部２２に制御信号を送信して、非金属イオンビームの照射を停止させる（ビーム調整工程）。すなわち、設定電流値Ｉｓは最大値Ｉｃ_ＭＡＸ以下とする。一例として、設定電流値Ｉｓは、最大値Ｉｃ_ＭＡＸの８０％〜１００％の値とすることができる。このように設定電流値Ｉｓを設定すれば、電流値Ｉｃがピークをむかえる近く、すなわちＮｂ_２Ｏ_５からＮｂＯ_Ｘへの変換がある程度進んだところで、ビームの照射を停止することができるため、好適に弱結合部を形成すると共にビームの過剰照射を抑制することができる。

また、ビーム調整工程において、ビーム調整部２３は、測定部２４によって測定された変調電圧ΔＶが予め設定された設定変調電圧値ΔＶｓに達したら、ビーム照射部２２に制御信号を送信して、非金属イオンビームの照射を停止させる。設定変調電圧値ΔＶｓは、前述の試験時に測定したビーム照射時間と変調電圧ΔＶとのデータによる設定することができる。

以上の手順により、ジョセフソン接合素子１が得られる。

ジョセフソン接合素子の製造方法およびジョセフソン接合素子の製造装置によれば、有底穴５を通して非金属イオンビームが入射し、有底穴５の底部５ａから所定の深さに位置する絶縁膜４の部分、すなわち有底穴５の底部５ａに対向する部分に非金属イオンが到達する。非金属イオンのエネルギーによってＮｂ_２Ｏ_５の酸素が励起されて、隣接する超電導膜中のＮｂと酸素が反応し、Ｎｂ_２Ｏ_５は酸素原子が少なくなりＮｂＯ_Ｘ（ＮｂＯまたはＮｂＯ_２）に変換される。これにより、導電性があるＮｂＯ、ＮｂＯ_２が形成されて、Ｎ型接合が形成される。

一方、上部電極３のうち有底穴５が設けられていない周辺の領域では、非金属イオンビームは絶縁膜４まで到達しないため、Ｎ型接合は形成されない。

ここで、本実施形態の製造方法および製造装置では、一対の下部電極２と上部電極３との間の電流Ｉｃ又は変調電圧ΔＶを測定して、この測定による測定値に基づいて、非金属イオンビームの照射を調整するので、絶縁膜４に過剰に非金属イオンビームが照射されることが抑制される。そのため、弱接合部の導電性の低下のおそれを抑制することができる。本実施形態の製造方法および製造装置によれば、弱接合部の導電性を向上させて、出力の向上が図られたジョセフソン接合素子１を製造することができる。過剰に非金属イオンを照射すると弱接合部の導電性が低下する理由は、非金属イオンが過剰に照射されると、非金属粒子が弱接合部に残留するため、非金属粒子により抵抗値が上昇することによる。

また、従来、イオンビームの照射は、弱結合部が形成される位置及び大きさを所定のものとするべく、照射範囲を絞った収束イオンビームにより正確に照準を合わせて行っていた。これに対し、本実施形態の製造方法および製造装置では、前述のように、少なくとも有底穴５を含む範囲に非金属イオンビームを照射することにより、絶縁膜４のうち有底穴が設けられた位置に対応する位置にのみ有底穴５の径に応じた弱結合部４ａを形成できる。すなわち、本実施形態の製造方法では、高価な装置を必要とする収束型イオンビームが不要であり、かつ、非金属イオンビームの照射位置の許容度が高いといえるため、素子の量産化に適している。

［脳磁計］
上記のように製造されたジョセフソン接合素子１は、例えば脳磁計に設けられるＳＱＵＩＤ（Superconducting Quantum Interference Device；超伝導量子干渉計）に使用することができる。

図５に、本実施形態のジョセフソン接合素子１を用いた脳磁計１００を示す。脳磁計１００は、計測ユニット１００Ａ内の計測位置Ｈに頭が位置するように被験者Ｐを着座させ、当該被験者Ｐの脳の神経活動に伴って発生する微弱な磁場を非接触で計測、解析する装置である。この計測ユニット１００Ａは、計測位置Ｈの周囲に配置され、脳で発生する磁場を検出するＳＱＵＩＤセンサ１０３を備えている。この脳磁計１００では、被験者Ｐの脳の様々な位置から発生する磁場を検出するため、数十個〜数百個（６４個，１２８個，２５６個など）といった多数の上記ＳＱＵＩＤセンサ１０３が、被験者Ｐの頭の表面に沿うように配置され、センサホルダ１０４に固定されている。ＳＱＵＩＤセンサ１０３の中には、ジョセフソン接合素子１が設けられている。

計測ユニット１００Ａは、ＳＱＵＩＤセンサ１０３を冷却するため、このＳＱＵＩＤセンサ１０３と液体ヘリウム１０５とを収納するためのデュワー（容器）１０７を備えている。デュワー１０７は、図５に示すように、円筒状で有底の断熱容器である。また、デュワー１０７の底部１０７ｂは、被験者の頭部を外から収容できるように内に凹んでいる。ＳＱＵＩＤセンサ１０３は、デュワー１０７内に貯留されている液体ヘリウム１０５によって冷却される。すなわち、液体ヘリウム１０５の冷却作用により、ジョセフソン接合素子１の下部電極２及び上部電極３は超伝導状態に維持される。

なお、この脳磁計１００では、ＳＱＵＩＤセンサ１０３が装着されているセンサホルダ１０４が、デュワー１０７の内側面１０７ａに固定されている。センサホルダ１０４をデュワーの内側面１０７ａに固定するための構成は公知の構成を用いることができるため、その詳細な説明は省略する。

さらに、計測ユニット１０１Ａは、デュワー１０７を包囲するように配置されると共に、被験者Ｐを覆う筒型体１１５を備えている。なお、筒型体１１５とデュワー１０７との間には断熱材１１９が充填されている。

この脳磁計１００では、被験者Ｐの脳で発生する極めて微弱な磁場を検出する必要があるので、計測位置Ｈの近傍から外部磁場の影響を除去する必要がある。このため、筒型体１１５は、筒軸が計測位置Ｈを通るように配置された筒状の磁気シールド体１１１を備えている。磁気シールド体１１１は、デュワー１０７を包囲して筒型体１１５の外筒部１１５ａに支持されると共に、筒型体１１５の上下寸法とほぼ同じ寸法で延在し、外筒部１１５ａと内筒部１１５ｂとの間の間隙に内蔵されている。また、計測位置Ｈは、筒軸上に位置すると共に、上下方向においても磁気シールド体１１１の全長のほぼ中央に位置している。

また、筒型体１１５には、磁気シールド体１１１の外壁面に沿って冷媒を流通させる冷媒管（図示せず）が更に内蔵されている。そして、この冷媒管に、脳磁計１００の冷凍機ユニット１００Ｂから送出される極低温の冷媒（例えば、ここではヘリウム）を循環させることで、磁気シールド体１１１のシールド膜が、超伝導転移温度まで冷却され、完全反磁性を発揮する。そして、このシールド膜の完全反磁性によって、磁気シールド体１１１に包囲された計測位置Ｈが外部磁場から遮蔽されるので、ＳＱＵＩＤセンサ１０３においては外部磁場によるノイズをほとんど排除した微弱な磁場計測が可能になる。

このように、脳磁計１００では、多数のＳＱＵＩＤセンサ１０３を用いて、被験者Ｐの脳で発生する極めて微弱な磁場の検出が行われる。微弱な磁場を精度良く検出するには、各々のＳＱＵＩＤセンサ１０３の精度の高さが必要であり、各々のＳＱＵＩＤセンサ１０３の精度に大きなばらつきが存在すると微弱な磁場を精度良く検出することができなくなるおそれがある。本実施形態のジョセフソン接合素子１は加工精度の再現性が良いため、このジョセフソン接合素子１を各々のＳＱＵＩＤセンサ１０３に用いることで、微弱な磁場を精度良く検出することが可能となる。

本発明は、前述した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で下記のような種々の変形が可能である。

上記実施形態では、非金属イオンビームを照射して、絶縁膜４中のＮｂ_２Ｏ_５の一部をＮｂＯ_Ｘ（Ｘは１又は２）へ変換しているが、非金属イオンビームに代えて、Ｘ線ビームを照射して絶縁膜４中のＮｂ_２Ｏ_５の一部をＮｂＯ_Ｘへ変換してもよく、電子線ビームを照射して絶縁膜４中のＮｂ_２Ｏ_５の一部をＮｂＯ_Ｘへ変換してもよい。Ｘ線ビームおよび電子線ビームの照射は汎用技術を適用することができる。

また、上記の実施形態では、超伝導膜の表面に、有底穴を形成し、この有底穴の底部に向けてビームを照射することで、絶縁膜４にビームを照射しているが、有底穴が設けられていない積層体に対してビームを照射して、絶縁膜中のＮｂ_２Ｏ_５の一部をＮｂＯ_Ｘへ変換させてもよい。

また、一方の超伝導膜（上部電極３）の表面側に、ビームの透過を抑制するビーム透過抑制部とビームの通過を許容する孔部とが形成された照射野形成部を配置し、この照射野形成部を介して、ビームが照射される照射野を調整してもよい。これにより、ビーム透過抑制部によって覆われている領域では、ビームの透過が抑制されるので、絶縁膜４までビームが到達しないようにすることができる。一方、ビーム透過抑制部が形成されていない領域（孔部が形成された領域）では、絶縁膜までビームを到達させることができる。そのため、ビームの照射位置及び照射範囲を調整して、照射野を調整することができる。

また、ジョセフソン接合素子の製造方法は、ジョセフソン接合素子製造装置２１を用いて実施してもよく、その他の装置を用いて実施してもよい。

また、例えば、図６及び図７に示されるように、下部電極２、絶縁膜４、及び上部電極３がこれらの積層方向から見たときに同一形状となるように単純に積層されたジョセフソン接合素子１１であってもよい。

また、上記実施形態では、有底穴５が積層部分の中央部に設けられた態様を示したが、有底穴５は積層部分の中央部からずれた位置に設けられてもよい。例えば、上部電極３の幅が４０００ｎｍ、且つイオンビームの照射範囲が積層部分の中央部を中心として直径２０００ｎｍである場合、有底穴５を設ける際のアライメント精度は１０００ｎｍ（１μｍ）以上の許容幅を有するといえる。すなわち本発明は、製造上の許容度が高いといえる。

また、有底穴５を形成する方法はＲＩＥに限られず、その他の方法を採用してもよい。また、弱結合部４ａを形成した後、上部電極３を構成する材料又はその他の材料にて、有底穴５を埋めてもよい。

また、ジョセフソン接合素子は、ＳＱＵＩＤセンサに使用されてもよく、その他のセンサとして使用されてもよい。また、ジョセフソン接合素子は、低温超電導の分野で使用されるものでもよく、高温超電導の分野で使用されるものでもよい。なお、超伝導膜の材質は、Ｎｂに限定されず、例えばＮｂＮやＭｇＢ_２でもよい。

本発明の一側面によれば、次のように表すこともできる。
［発明１]
一対の超伝導膜と、前記一対の超伝導膜間に設けられた絶縁膜と、を備える積層体にビームを照射して、ＳＮＳ型ジョセフソン接合素子を製造する方法であって、
前記絶縁膜はＮｂ_２Ｏ_５からなり、
一方の前記超伝導膜の外側から前記積層体に対して、非金属イオン、Ｘ線、又は電子線からなる前記ビームを照射し、前記絶縁膜中のＮｂ_２Ｏ_５の一部をＮｂＯ_Ｘ（Ｘは１又は２）へ変換するビーム照射工程を備えることを特徴とするＳＮＳ型ジョセフソン接合素子の製造方法。
［発明２］
一対の超伝導膜と、前記一対の超伝導膜間に設けられた絶縁膜と、を備える積層体にビームを照射して、ＳＮＳ型ジョセフソン接合素子を製造する製造装置であって、
前記絶縁膜はＮｂ_２Ｏ_５からなり、
前記製造装置は、
一方の前記超伝導膜の外側から前記積層体に対して、非金属イオン、Ｘ線、又は電子線からなる前記ビームを照射するビーム照射部を備えることを特徴とするＳＮＳ型ジョセフソン接合素子製造装置。

前述の通り、従来では、集束型イオンビーム装置を用いて、薄膜に金属イオンを照射することで、超伝導膜の一部に弱接合部を形成してジョセフソン接合素子を製造していた。しかしながら、集束イオンビームを生成する集束型イオンビーム装置は、一般的に普及していないため、集束型イオンビーム装置を使用してジョセフソン接合素子を製造することは、製造コストの上昇を招くことになる。また、非収束型である汎用型イオンビーム装置にて金属イオンを生成すると金属イオンがイオンビーム装置の汚染源となってしまい、汎用型イオンビーム装置を、他の用途に使用できなくなるおそれがある。

一方の前記超伝導膜の外側から前記積層体に対して、非金属イオン、Ｘ線、又は電子線からなる前記ビームを照射し、前記絶縁膜中のＮｂ_２Ｏ_５の一部をＮｂＯ_Ｘ（Ｘは１又は２）へ変換することで、汎用型イオンビーム装置の汚染を防ぎながらもジョセフソン接合素子を安価に製造することができる。

非金属イオンとしては、前述の通り、Ｐ、Ｂ、Ａｓ、Ｎ、Ａｒ等が挙げられる。Ａｒは、Ａｒイオンを生成するためのＡｒガスの取扱いが容易であるため、特にメリットがある。Ｐ、Ｂ、Ａｓは腐食性、発火性、人体への影響があるため、その取扱いに気をつけなければならないというデメリットが存在する。

１，１１…ジョセフソン接合素子、２…下部電極（超伝導膜）、３…上部電極（超伝導膜）、３ａ…上部電極の上面（超伝導膜の表面）、３ｂ…上部電極の中央部（超伝導膜の中央部）、４…絶縁膜、４ａ…弱結合部、５…有底穴、５ａ…底部、２１…ジョセフソン接合素子製造装置、２２…ビーム照射部、２３…ビーム調整部、１００…脳磁計、１０３…ＳＱＵＩＤセンサ。

Claims

一対の超伝導膜と、前記一対の超伝導膜間に設けられた絶縁膜と、を備える積層体にビームを照射して、ＳＮＳ型ジョセフソン接合素子を製造する方法であって、
前記絶縁膜はＮｂ_２Ｏ_５からなり、
一方の前記超伝導膜の外側から前記積層体に対して、非金属イオン、Ｘ線、又は電子線からなる前記ビームを照射し、前記絶縁膜中のＮｂ_２Ｏ_５の一部をＮｂＯ_Ｘ（Ｘは１又は２）へ変換するビーム照射工程と、
前記一対の超伝導膜間の電流又は変調電圧を測定して、この測定による測定値に基づいて、前記ビームの照射を調整するビーム調整工程と、を備えることを特徴とするＳＮＳ型ジョセフソン接合素子の製造方法。
前記ビーム調整工程では、前記電流が予め定められた設定電流値に達したら又は前記変調電圧が予め定められた設定変調電圧値に達したら、前記ビームの照射を停止することを特徴とする請求項１に記載のＳＮＳ型ジョセフソン接合素子の製造方法。
前記一方の超伝導膜の表面側に、前記ビームの透過を抑制するビーム透過抑制部と前記ビームの通過を許容する孔部とが形成された照射野形成部を配置し、
前記ビーム照射工程では、前記照射野形成部を介して、前記ビームが照射されることを特徴とする請求項１または２に記載のＳＮＳ型ジョセフソン接合素子の製造方法。
前記一方の超伝導膜の表面に、前記絶縁膜に向かって凹む有底穴を形成し、
前記ビーム照射工程では、前記有底穴を通して前記有底穴の底部に向けて前記ビームを照射することを特徴とする請求項１または２に記載のＳＮＳ型ジョセフソン接合素子の製造方法。
一対の超伝導膜と、前記一対の超伝導膜間に設けられた絶縁膜と、を備える積層体にビームを照射して、ＳＮＳ型ジョセフソン接合素子を製造する製造装置であって、
前記絶縁膜はＮｂ_２Ｏ_５からなり、
前記製造装置は、
一方の前記超伝導膜の外側から前記積層体に対して、非金属イオン、Ｘ線、又は電子線からなる前記ビームを照射するビーム照射部と、
前記一対の超伝導膜間の電流又は変調電圧を測定する測定部と、
前記測定部の測定値に基づいて、前記ビームの照射を調整するビーム調整部と、を備えることを特徴とするＳＮＳ型ジョセフソン接合素子製造装置。