JP2647279B2 - 積層膜の作製方法 - Google Patents

積層膜の作製方法

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JP2647279B2
JP2647279B2 JP3104656A JP10465691A JP2647279B2 JP 2647279 B2 JP2647279 B2 JP 2647279B2 JP 3104656 A JP3104656 A JP 3104656A JP 10465691 A JP10465691 A JP 10465691A JP 2647279 B2 JP2647279 B2 JP 2647279B2
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博史 稲田
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    • Y02E40/00Technologies for an efficient electrical power generation, transmission or distribution
    • Y02E40/60Superconducting electric elements or equipment; Power systems integrating superconducting elements or equipment

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、積層膜の作製方法に関
する。より詳細には、酸化物超電導薄膜と、該酸化物超
電導薄膜上の一部に積層された、絶縁体膜、常電導体膜
または前記酸化物超電導薄膜と結晶の状態が異なる酸化
物超電導薄膜等、特定の形状の上層の薄膜を具備する積
層膜の作製方法に関する。
【0002】
【従来の技術】酸化物超電導体は、従来の金属系超電導
体に比較して臨界温度が高く、実用性がより高いと考え
られている。例えば、Y−Ba−Cu−O系酸化物超電導体
の臨界温度は80K以上であり、Bi−Sr−Ca−Cu−O系酸
化物超電導体およびTl−Ba−Ca−Cu−O系酸化物超電導
体の臨界温度は 100K以上と発表されている。
【0003】酸化物超電導体を各種電子デバイス等に応
用する場合、酸化物超電導体を薄膜化し、積層すること
が必要となる。例えば、トンネル型ジョセフソン接合と
称される超電導接合を酸化物超電導体を使用して実現す
る場合、第1の酸化物超電導薄膜、非超電導体の薄膜お
よび第2の酸化物超電導薄膜を順次積層しなければなら
ない。
【0004】上記のジョセフソン接合を利用したジョセ
フソン素子は2端子の素子であり、論理回路を構成しよ
うとすると回路が複雑となる。そのため、各種の3端子
の超電導素子が考えられている。3端子の超電導素子の
うちで、超電導体と半導体とを組み合わせた超電導トラ
ンジスタの構成に関しては、各種のものが発表されてい
る。この超電導トランジスタに酸化物超電導体を使用す
る場合には、半導体薄膜上に酸化物超電導薄膜を積層す
る必要性が生じることがある。さらに、超電導体と常電
導体を組み合わせた超電導素子も考えられているが、こ
の超電導素子に酸化物超電導体を使用する場合には、酸
化物超電導薄膜上に金属等の常電導体の薄膜を積層する
ことがある。
【0005】上記の積層膜を使用して、超電導素子、超
電導集積回路を作製する場合、各薄膜の機能、特性によ
り、それぞれの薄膜の大きさおよび形状を変えなければ
ならない。例えば、酸化物超電導薄膜に外部から電流を
供給する電極となる、例えばボンディングパッドのよう
な金属膜は、酸化物超電導薄膜上の一部の所定の位置に
形成される。また、超電導集積回路等で、酸化物超電導
薄膜に接する抵抗体となる金属膜も酸化物超電導薄膜上
の一部の所定の位置に形成されなければならない。この
ような金属膜は、 100nm以下の厚さでもよいが、酸化物
超電導薄膜との間に不要な電気抵抗を生じることなく形
成されていなければならない。さらに、電流路に酸化物
超電導薄膜を使用した素子、集積回路等を作製する場合
には、酸化物超電導薄膜を所定の電流路の形状にしなけ
ればならない。酸化物超電導体は、組成、結晶構造が容
易に変化し、それにより超電導特性が大幅に低下するの
で、酸化物超電導薄膜を使用した上記の積層膜を作製す
る場合には、酸化物超電導薄膜に悪影響を与えないよう
にしなければならない。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】一般に複数の薄膜を積
層する場合、下層の薄膜の表面を清浄にしてから上層の
薄膜を成長させる。下層の薄膜の表面を清浄にしない
と、下層の薄膜の表面に堆積した汚染物質、下層の薄膜
の表面に形成された自然酸化物等により境界に不必要な
弱結合が発生したり、これらの異物により一様な成長が
行われず、上層の薄膜と下層の薄膜との界面の一部が不
連続となってしまう。従って、素子、集積回路の性能が
所定の値にならなかったり、動作しなかったりすること
がある。
【0007】特に酸化物超電導体は、コヒーレンス長が
非常に短いので、酸化物超電導薄膜を下層の薄膜として
その上にさらに薄膜を積層する場合には、酸化物超電導
薄膜の表面状態に特に注意を払わなければならない。即
ち、下層の薄膜として使用する酸化物超電導薄膜の表面
は、清浄であり、結晶性、超電導性に優れていることが
要求される。
【0008】従来の半導体を使用した素子、集積回路等
では、下層の薄膜の表面を清浄にするために、純水洗
浄、化学洗浄、ドライエッチング、ウェットエッチング
等の方法が使用されていたが、酸化物超電導体は反応性
が高いので上記の各方法は適用できない。酸化物超電導
薄膜の表面を上記の方法で処理すると、酸化物超電導薄
膜の表面で反応が起こり、かえって薄膜表面の清浄性、
結晶性、超電導性が失われてしまう。
【0009】また、上層の薄膜の材料、上層の薄膜を形
成する条件によっては、下層の酸化物超電導薄膜中に上
層の薄膜に含まれる元素が拡散し、界面が急峻に形成さ
れないだけでなく、酸化物超電導薄膜が劣化してしま
う。さらに、積層膜を構成する薄膜をそれぞれ異なる形
状にする場合にも、酸化物超電導薄膜を劣化させないよ
うに注意しなければならない。特に、酸化物超電導薄膜
の直上の薄膜を、この酸化物超電導薄膜上の一部に形成
された構成とする場合に、酸化物超電導薄膜を劣化させ
る危険性が高い。即ち、リフトオフ法ではフォトレジス
ト、エッチング液等の影響を受け、また、反応性イオン
エッチングではClイオン等により、電子ビーム、イオン
ビーム等で酸化物超電導薄膜上に形成された薄膜を加工
する方法では、電子ビーム、イオンビーム等により、酸
化物超電導薄膜が侵されてしまう。
【0010】そこで、本発明の目的は、上記従来技術の
問題点を解決した、酸化物超電導薄膜と、該酸化物超電
導薄膜上の一部に積層された所定の形状の上層の薄膜と
を具備する積層膜を作製する方法を提供することにあ
る。
【0011】
【課題を解決するための手段】本発明に従うと、酸化物
超電導体で構成され、表面に汚染物質がある酸化物超電
導薄膜上の一部に第2の薄膜を積層して、酸化物超電導
体で構成された酸化物超電導薄膜と、該酸化物超電導薄
膜上の一部に積層された所定の形状の第2の薄膜とを具
備する積層膜を作製する方法において、10 -9 Torr以上の
超高真空中で前記酸化物超電導薄膜の温度を、該酸化物
超電導薄膜を構成する酸化物超電導体に特有の酸素を取
り込みやすい状態となる温度以下で、該温度との差が10
0 ℃以内の温度に加熱する熱処理を行った後、該酸化物
超電導薄膜上に前記第2の薄膜を成膜し、該第2の薄膜
を前記所定の形状に加工することを特徴とする積層膜の
作製方法が提供される。
【0012】本発明では、上記の酸化物超電導薄膜を上
記の第2の薄膜と共に所定の形状に加工することも好ま
しい。
【0013】
【作用】本発明では、酸化物超電導薄膜と、この酸化物
超電導薄膜上の一部に積層された所定の形状の第2の薄
膜とを具備する積層膜を作製する方法として、以下の方
法が提供される。即ち、既に成膜され、表面に汚染物質
がある酸化物超電導薄膜上の第2の薄膜を積層して、上
記の積層膜を作製する場合に、この酸化物超電導薄膜に
対して、超高真空中で、この酸化物超電導薄膜を構成す
る酸化物超電導体が酸素を取り込む温度以下で、この温
度との差が100 ℃以内の温度に加熱する熱処理を行うと
ころにその主要な特徴がある方法である。本発明の方法
は、例えば、酸化物超電導薄膜上に、絶縁体薄膜、常電
導体薄膜または下層の酸化物超電導薄膜と結晶の状態が
異なる酸化物超電導薄膜を積層して超電導素子を作製す
る場合に適用できる。
【0014】上記本発明の方法では、既に成膜され、表
面が汚染された酸化物超電導薄膜を熱処理して、表面を
清浄にしてから上層の薄膜を積層する。上記の熱処理
は、酸化物超電導薄膜上に上層の薄膜を成膜する直前に
行う。この熱処理により、下層の酸化物超電導薄膜の表
面に堆積した汚染物質(炭化水素、金属炭化物)が除去
される。また、下層の酸化物超電導薄膜の表面の結晶性
が乱れた部分の結晶性が改善されて超電導特性も向上す
る。
【0015】上記本発明の方法では、上記の熱処理の際
の圧力は1×10-9Torr以下とすることが好ましい。1×
10-9Torrより高い圧力下では上記の熱処理を行っても効
果が得られない。また、本発明の方法で下層の酸化物超
電導薄膜にY1Ba2Cu37-X酸化物超電導体を使用した場
合は、上記の熱処理の際の加熱温度を350 〜400 ℃とす
る。加熱温度が350 ℃未満では表面の汚染物質が除去さ
れず、加熱温度が400 ℃を越えた場合には薄膜を構成す
る酸化物超電導体結晶中の酸素が失われてしまう。上記
の熱処理時間は、圧力および加熱温度により調整する必
要があるが、概ね数分〜数時間の範囲である。
【0016】本発明では、上記の方法で酸化物超電導薄
膜上に第2の薄膜を積層した後、第2の薄膜を所定の形
状に加工する。また、このとき、酸化物超電導薄膜を第
2の薄膜と共に所定の形状に加工することも好ましい。
本発明の方法では、加工時に酸化物超電導薄膜の表面が
露出していないので、酸化物超電導薄膜が劣化すること
がない。また、酸化物超電導薄膜と第2の薄膜との間の
界面の状態が良好であるので、本発明の積層膜を使用し
て素子、集積回路を作製すると、安定した動作を行う。
さらに、この界面における接触抵抗が低減されており、
機械的強度も向上している。
【0017】本発明は、任意の酸化物超電導体に適用す
ることが可能であるが、特にY−Ba−Cu−O系酸化物超
電導体、Bi−Sr−Ca−Cu−O系酸化物超電導体、Tl−Ba
−Ca−Cu−O系酸化物超電導体に適用することが好まし
い。これらの酸化物超電導体は、臨界温度を始めとする
各種の超電導特性が現在のところ最も優れているからで
ある。
【0018】以下、本発明を実施例によりさらに詳しく
説明するが、以下の開示は本発明の単なる実施例に過ぎ
ず、本発明の技術的範囲をなんら制限するものではな
い。
【0019】
【実施例】本発明の方法により、Y1Ba2Cu37-X酸化物
超電導薄膜上にAu薄膜を積層した。図1を参照して本発
明の方法で積層膜を作製する手順を説明する。
【0020】まず、図1(a)に示すようなMgO(10
0)基板3の表面に図1(b)に示すよう厚さ 300nmのc
軸配向のY1Ba2Cu37-X酸化物超電導薄膜1をオフアク
シススパッタリング法、レーザアブレーション法、反応
性蒸着法、MBE法、CVD法等の方法で成膜する。オ
フアクシススパッタリング法で酸化物超電導薄膜を成膜
する場合の成膜条件を以下に示す。
【0021】成膜後、基板温度を400 ℃にしてY
1Ba2Cu37-X酸化物超電導薄膜1を構成するY1Ba2Cu3
7-X酸化物超電導体に酸素を取り込ませる熱処理を行
ってもよい。成膜後、加工のためチャンバ外に取り出し
て表面が劣化した酸化物超電導薄膜を上層を成膜する超
高真空チャンバに収容して1×10-9Torr以下の高真空に
排気した後、以下の熱処理を行った。 圧 力 1×10-9Torr以下 加 熱 温 度 350〜400 ℃(基板温度) 処 理 時 間 10分間
【0022】上記の熱処理により、表面が清浄となった
1Ba2Cu37-X酸化物超電導薄膜1上に図1(c)に示す
よう厚さ200 nmのAu薄膜を蒸着法で成膜する。次に、図
1(d)に示すようAu薄膜2上に、加工するパターンに合
わせてフォトレジスト5を積層し、図1(e)に示すようA
u薄膜2とY1Ba2Cu37-X薄膜1とを反応性イオンエッ
チング法で加工する。上記本発明の方法により作製され
た積層膜は、加工後も各薄膜の結晶性が優れているだけ
でなく、界面における整合性がよいことがわかった。ま
た、界面において、相互拡散は生じていなかった。
【0023】
【発明の効果】以上説明したように、本発明に従えば、
酸化物超電導薄膜上に所定の形状の第2の薄膜が積層さ
れた積層膜の作製方法が提供される。本発明の方法によ
り作製される積層膜は、超電導特性が優れているだけで
なく、界面における整合性も優れている。本発明を超電
導素子、超電導集積回路の作製に応用することにより、
従来得られなかった高性能な超電導装置が作製可能であ
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の方法で、積層膜を作製する工程を説明
する図である。
【符号の説明】
1 酸化物超電導薄膜 2 Au薄膜 3 基板 5 フォトレジスト

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 酸化物超電導体で構成され、表面に汚染
    物質がある酸化物超電導薄膜上の一部に第2の薄膜を積
    層して、酸化物超電導体で構成された酸化物超電導薄膜
    と、該酸化物超電導薄膜上の一部に積層された所定の形
    状の第2の薄膜とを具備する積層膜を作製する方法にお
    いて、10 -9 Torr以上の超高真空中で前記酸化物超電導薄
    膜の温度を、該酸化物超電導薄膜を構成する酸化物超電
    導体に特有の酸素を取り込みやすい状態となる温度以下
    で、該温度との差が100 ℃以内の温度に加熱する熱処理
    を行った後、該酸化物超電導薄膜上に前記第2の薄膜を
    成膜し、該第2の薄膜を前記所定の形状に加工すること
    を特徴とする積層膜の作製方法。
  2. 【請求項2】 前記酸化物超電導薄膜を前記第2の薄膜
    と共に加工することを特徴とする請求項1に記載の積層
    膜の作製方法。
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