JP2566028B2 - 超伝導素子の製造加工方法 - Google Patents

超伝導素子の製造加工方法

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JP2566028B2
JP2566028B2 JP2019267A JP1926790A JP2566028B2 JP 2566028 B2 JP2566028 B2 JP 2566028B2 JP 2019267 A JP2019267 A JP 2019267A JP 1926790 A JP1926790 A JP 1926790A JP 2566028 B2 JP2566028 B2 JP 2566028B2
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    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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    • Y02E40/60Superconducting electric elements or equipment; Power systems integrating superconducting elements or equipment

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  • Superconductors And Manufacturing Methods Therefor (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は、超伝導素子の製造加工方法に関する。特
に、高温超伝導体薄膜の微細加工に有効な超伝導素子の
製造加工方法に関する。
[従来の技術及び発明が解決しようとする問題点] 従来の超伝導体を用いた素子作成方法は、先ず、単結
晶基板上に超伝導薄膜を形成し、フォトリソ技術によ
り、所定の超伝導パターンを形成する。このパターンの
上に絶縁体薄膜や半導体薄膜、金属薄膜を形成し、更
に、フォトリソ技術により、電極を形成する方法であっ
た。この加工処理方法では、超伝導薄膜が加工処理に供
される回数が多く超伝導薄膜表面が加工時にフォトレジ
ストや現像液と反応して変質したり、表面に不純物が付
着することにより、超伝導特性の劣化が観察される場合
が多かった。
また、超伝導薄膜の上に形成された絶縁体薄膜上に電
極を形成する場合、電極接続時に薄膜を破壊することが
多かった。そこで、超伝導体を用いた素子を作成するに
際して、超伝導特性の劣化しない加工処理方法の開発又
は製造方法の簡略化が望まれていた。
本発明は、上記のような技術的課題を解決するため
に、高温超伝導体を素子にする加工方法であって、超伝
導特性の劣化を防止し、且つ、簡便な超伝導素子の製造
加工方法を提供することを目的にする。
[問題点を解決するための手段] 本発明は、上記の技術的な課題を解決するために、第
1工程として、単結晶基板(1)上に素子用電極の金属
パターン(4、4′)を形成すると共に、該金属パター
ン(4、4′)以外であって、該金属パターン(4)と
該金属パターン(4′)間以外の所定箇所に、超伝導体
を構成する成分と反応して絶縁体又は半導体を形成する
成分からなる反応層パターン(12)を形成し; 第2工程として、前記超伝導体を構成する成分を前記
金属パターン(4、4′)及び前記反応層パターン(1
2)が形成された前記基板(1)全面に堆積することに
より、前記反応層パターン(12)以外の部分には超伝導
体の薄膜(5)を、前記反応層パターン(12)の部分に
は絶縁体又は半導体のパターン(13)を形成し; 第3工程として、絶縁体の薄膜(6)を、前記超伝導
体の薄膜(5)及び前記絶縁体又は半導体のパターン
(13)上全面に形成し; 第4工程として、前記絶縁体の薄膜(6)上の所定箇
所に、所望のパターンで金属の電極パターン(8)を設
け; 第5工程として、第1工程で形成された電極パターン
(4、4′)の上部に形成された前記絶縁体の薄膜
(6)と前記超伝導体の薄膜(5)とをエッチングして
取り除き、 第6工程として、引き出し線を用いて、前記金属パタ
ーン(4、4′)と前記電極パターン(8)とにボンデ
ィグすることを特徴とする。
また、前記第1工程で形成される素子用電極の金属パ
ターン(4、4′)は、前記超伝導体を構成する成分と
反応しないか又は反応性が低く、かつ、前記超伝導体の
薄膜(5)を形成する条件下では腐食、溶融、又は蒸発
しない金属或いは貴金属材料で形成され、更に、前記基
板(1)との付着力の強い材料を前記基板上に堆積して
堆積膜(3、3′)を形成し、該堆積膜(3、3′)上
に形成される。
また、前記第2工程における、前記超伝導体の薄膜
(5)と前記絶縁体又は半導体のパターン(13)の形成
工程には、更に熱処理工程が付加される。
更に、前記の第3工程で形成される絶縁体の薄膜
(6)は、耐環境性に優れた材質で形成され、前記超伝
導体の薄膜(5)を加工するときの保護膜とすることが
できる。
更に、前記の第3工程で形成される絶縁体の薄膜
(6)上に、更に絶縁体、半導体又は超伝導体の層を多
層に積層することができる。
従来の超伝導素子の作成方法としては、先ず、超伝導
薄膜を作製した後、加工及び電極を作成している。
これに対して、本発明の加工方法では、単結晶基板上
に電極用の金属パターン及び絶縁体パターン又は半導体
パターンとなる領域をあらかじめパターニングした後
に、超伝導薄膜を形成する方法である。
従って、超伝導薄膜の形成後の処理数を著しく減じる
ことが可能になり、素子を作成するに際して、加工処理
が原因となる超伝導薄膜特性の劣化を抑えることが可能
になった。
また、従来は、超伝導薄膜の上に電極を形成してお
り、電極を接続する際に、薄膜を破壊することが多かっ
たが、本発明の加工処理方法では、電極は薄膜の下にあ
り、基板に直接接合しており、電極を接続する際に、超
伝導薄膜を痛めることがなくなった。
本発明による超伝導体の微細加工方法の説明のため
に、YBa2Cu3Oを例にとると、一般に、単結晶基板例えば
MgO単結晶(1)上に、素子用電極の金属パターン例え
ばソース電極(4、4′)を形成すると共に、該金属パ
ターン(4、4′)以外であって、該金属パターン
(4)と該金属パターン(4′)間以外の所定箇所に、
超伝導体を構成する成分と反応して絶縁体又は半導体を
形成する成分からなる反応層パターン(12)を形成し; 第2工程として、前記超伝導体を構成する成分を前記
金属パターン(4、4′)及び前記反応層パターン(1
2)が形成された前記基板(1)全面に堆積することに
より、前記反応層パターン(12)以外の部分には超伝導
体の薄膜(5)を、前記反応層パターン(12)の部分に
は、絶縁体又は半導体のパターン(13)を形成し; 第3工程として、絶縁体の薄膜(6)を、前記超伝導
体の薄膜(5)及び前記絶縁体又は半導体のパターン
(13)上全面に形成し; 第4工程として、前記絶縁体の薄膜(6)上の所定箇
所に、所望のパターンで金属の電極パターン(8)を設
け; 第5工程として、第1工程で形成された電極パターン
(4、4′)の上部に形成された前記絶縁体の薄膜
(6)と前記超伝導体の薄膜(5)とをエッチングして
取り除き、 第6図工程として、引き出し線を用いて、前記金属パ
ターン(4、4′)と前記電極パターン(8)とにボン
ディングするものである。
前記第1工程で形成される金属の電極パターン(4、
4′)は、前記超伝導体を構成する成分と反応しないか
又は反応性が低く、かつ、前記超伝導体の薄膜(5)を
形成する条件下では腐食、溶融、又は蒸発しない金属或
いは貴金属材料で形成され、更に、前記基板(1)との
付着力の強い材料、例えばCrをを前記基板(1)上に堆
積して堆積膜(3、3′)を形成し、該堆積膜(3、
3′)上に形成されるのが好適である。
更に、この電極材料としては、酸化物又は他の導電性
の化合物を用いることができる。
更に、前記第2工程における、前記超伝導体の薄膜
(5)と前記絶縁体又は半導体のパターン(13)の形成
工程には、更に熱処理工程が付加される。
更に、その超伝導体薄膜の上に、耐環境性にすぐれた
薄膜、例えば、MgO薄膜を形成し、超伝導薄膜を加工す
るときの保護膜として、利用することができる。更に、
ゲート電極のための絶縁体膜を形成することができる。
この絶縁体膜の上に、絶縁体、半導体又は超伝導体の
薄膜の層を多層に積層し、超伝導膜による装置を多層
に、或いは立体的に構成することができる。
本発明による超伝導素子の製造加工方法により、再現
性良く、超伝導特性のすぐれた酸化物超伝導素子の作製
が可能となった。
更に、本発明の超伝導素子の製造加工方法は、例え
ば、光検出素子、トランジスタ等の酸化物超伝導素子の
作製に容易に有用である。
次に、本発明による超伝導薄膜の加工方法を、YBa2Cu
3OX(YBCO)膜を例示として、具体的に実施例により説
明するが、本発明はそれらによって限定させるものでは
ない。
[実施例] 超伝導薄膜としてYBa2Cu3OXを用いて、絶縁体層とし
てMgO薄膜を用いたFET装置を作製した。その作製手順を
第1図に示し、その完成したFET装置の構造を第2図に
示す。
基板として、(100)MgO単結晶基板1を用い、その上
にレジスタ(AZ−1350J:ヘキストジャパン製)を塗布し
てレジスト層2を形成し、それに対して、マスクを用い
て、露光し、更に現像した後に、Crを蒸着し、Cr薄膜
3、3′を形成し、引き続いて、Auを蒸着し、Au薄膜
4、4′を形成し、Au/Crの積層膜4/3を形成する。即
ち、S−D埋込み電極(Au/Cr)を第1図Aに示すよう
に、形成した。次に、リフトオフし、形成した前記の電
極金属パターン4/3のみを第1図Aに示すように、残し
た。次に、前記の電極パターン4/3以外の所定部分にフ
ォトリソ法を用いて、SiO薄膜パターン12を第1図Bに
示すように、形成した。
次に、フォトレジスタ層2を取り除き、そのAu/Cr積
層膜4/3及びSiO薄膜12の形成された基板上全面に、マグ
ネトロンスパッター装置を用いて、YBa2Cu3OX層5を200
0Å厚となるように、スパッタリングし、超伝導膜を形
成した。これにより、第1図Cに示すように、各層が形
成された。このときに、MgO基板表面が露出した領域
は、超伝導体YBa2Cu3OXのエピタキシャル成長薄膜5と
なっていた。
また、電極3/4上部も超伝導薄膜5となっているが、S
iO薄膜12の上面は、SiOとYBa2Cu3OXとの反応生成物によ
り、半導体又は絶縁体13になっている。
更に、以上のように形成した薄膜をスパッター装置を
開けることなく、MgO薄膜6をその上に、500Å厚に形成
した。次に、フォトリソ技術により、フォトレジスタ層
7を形成し、パターニングし、Al薄膜を蒸着し、第1図
Eに示すように、ゲート電極8を形成した。
最後に、第1工程で形成したソース、ドレイン用電極
膜3/4の上に、形成されたYBa2Cu3OX薄膜及びMgO薄膜を
フォトリソ技術により、パターニングした後に、10%リ
ン酸溶液でエッチングして取り除き、第1図Fに示すよ
うな断面を得た。更に、フォトレジスタ層9を取り除い
て、第1図Gに示すような断面を得た。各電極から引き
出し線で図示のようにボンデイングし、装置を完成し
た。
完成したFET装置は、第2図A、Bの断面図及び平面
図に示すものである。尚、Sはソース電極、Dはドレイ
ン電極、Gはゲート電極を示す。
各々の電極を接続して、その特性を測定した。ここ
で、MgO基板上に形成したYBa2Cu3OX薄膜のX線回折図を
第3図に示し、Cr/Au積層電極パターンの上に形成され
た超伝導体YBa2Cu3OXのX線回折図を第4図に示す。各
々のc軸配向した超伝導薄膜であることが明らかにされ
た。
また、MgO基板上に形成された超伝導体YBa2Cu3OX薄膜
の抵抗−温度特性を測定した結果を第5図に示す。
これに対して、全加工処理を終了して作成した試料装
置について、ソース−ドレイン間の抵抗−温度特性を測
定した結果を第6図に示した。この2つの結果に差は見
られず、加工処理による超伝導特性の劣化は見られない
ことが分かった。
[発明の効果] 本発明による超伝導素子の製造加工処理方法により、
次のような顕著な技術的効果が得られた。
第1に、従来の高温超伝導素子の製造加工方法に比
べ、超伝導薄膜形成後の加工処理工程を極端に少なくす
ることが可能である加工方法を提供できる。
第2に、更に、本発明による製造加工方法では、超伝
導体薄膜を加工した後にも、その超伝導特性の劣化を防
止できる超伝導素子の製造加工方法を提供した。
第3に、電極が直接に基板上に接合されてあるため
に、超伝導薄膜の上に積層された絶縁体薄膜上に形成さ
れた電極とコンタクトをとるときに見られる、絶縁薄膜
の破壊を生じる危険がなくなる。
第4に、更に、本発明の超伝導素子の製造加工方法に
より、寸法的な精密さ、緻密さを要求される超伝導素子
の作製方法として応用できる技術を提供する。
【図面の簡単な説明】
第1図は、本発明による超伝導素子の作成方法を説明す
る工程順による断面図である。 第2図A、Bは、本発明により超伝導薄膜を素子化、作
成されたFET装置を示す断面図及び平面図である。 第3図は、本発明によるMgO薄膜の上に堆積した超伝導
薄膜YBa2Cu3OXのX線回折図である。 第4図は、本発明による電極パターンの上に堆積した超
伝導薄膜YBa2Cu3OXのX線回折図である。 第5図は、MgO基板の上に堆積した超伝導薄膜YBa2Cu3OX
抵抗−温度特性を示すグラフである。 第6図は、本発明による超伝導素子の製造加工処理方法
により作製した装置において、ソース−ドレイン間の抵
抗−温度特性を示すグラフである。

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】第1工程として、単結晶基板(1)上に素
    子用電極の金属パターン(4、4′)を形成すると共
    に、該金属パターン(4、4′)以外であって、該金属
    パターン(4)と該金属パターン(4′)間以外の所定
    箇所に、超伝導体を構成する成分と反応して絶縁体又は
    半導体を形成する成分からなる反応層パターン(12)を
    形成し; 第2工程として、前記超伝導体を構成する成分を前記金
    属パターン(4、4′)及び前記反応層パターン(12)
    が形成された前記基板(1)全面に堆積することによ
    り、前記反応層パターン(12)以外の部分には超伝導体
    の薄膜(5)を、前記反応層パターン(12)の部分には
    絶縁体又は半導体のパターン(13)を形成し; 第3工程として、絶縁体の薄膜(6)を、前記超伝導体
    の薄膜(5)及び前記絶縁体又は半導体のパターン(1
    3)上全面に形成し; 第4工程として、前記絶縁体の薄膜(6)上の所定箇所
    に、所望のパターンで金属の電極パターン(8)を設
    け; 第5工程として、第1工程で形成された電極パターン
    (4、4′)の上部に形成された前記絶縁体の薄膜
    (6)と前記超伝導体の薄膜(5)とをエッチングして
    取り除き、 第6工程として、引き出し線を用いて、前記金属パター
    ン(4、4′)と前記電極パターン(8)とにボンディ
    グすることを特徴とする超伝導素子の製造加工方法。
  2. 【請求項2】前記第1工程で形成される素子用電極の金
    属パターン(4、4′)は、前記超伝導体を構成する成
    分と反応しないか又は反応性が低く、かつ、前記超伝導
    体の薄膜(5)を形成する条件下では腐食、溶融、又は
    蒸発しない金属或いは貴金属材料で形成され、 更に、前記基板(1)との付着力の強い材料を前記基板
    上に堆積して堆積膜(3、3′)を形成し、該堆積膜
    (3、3′)上に形成されることを特徴とする請求項1
    に記載の超伝導素子の製造加工方法。
  3. 【請求項3】前記第2工程における、前記超伝導体の薄
    膜(5)と前記絶縁体又は半導体のパターン(13)の形
    成工程には、更に熱処理工程が付加されることを特徴と
    する請求項1に記載の超伝導素子の製造加工方法。
  4. 【請求項4】前記第3工程で形成される絶縁体の薄膜
    (6)は、耐環境性に優れた材質で形成され、前記超伝
    導体の薄膜(5)を加工するときの保護膜となることを
    特徴とする請求項1に記載の超伝導素子の製造加工方
    法。
  5. 【請求項5】前記第3工程で形成される絶縁体の薄膜
    (6)上に、更に絶縁体、半導体又は超伝導体の層を多
    層に積層することを特徴とする請求項1に記載の超伝導
    素子の製造加工方法。]
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