JP2831918B2 - Superconducting element manufacturing method - Google Patents

Superconducting element manufacturing method

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JP2831918B2
JP2831918B2 JP5220910A JP22091093A JP2831918B2 JP 2831918 B2 JP2831918 B2 JP 2831918B2 JP 5220910 A JP5220910 A JP 5220910A JP 22091093 A JP22091093 A JP 22091093A JP 2831918 B2 JP2831918 B2 JP 2831918B2
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【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、酸化物超電導体薄膜を
利用した超電導素子の製造方法に係り、特に薄膜端面に
ジョセフソン接合を形成した超電導素子の製造方法に関
する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for manufacturing a superconducting element using an oxide superconducting thin film, and more particularly to a method for manufacturing a superconducting element having a Josephson junction formed on an end face of the thin film.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来から、超電導素子としては、Pbある
いはNb等の金属超電導体を用いて、超電導電子対がトン
ネルできる程度の薄い絶縁層を挟み込んだ積層構造のト
ンネル型ジョセフソン接合素子等が知られている。この
ような従来のトンネル型ジョセフソン素子は、液体ヘリ
ウム温度に近い極低温での動作が必要とされている。ま
た、トンネル型ジョセフソン接合に特有なヒステリシス
を持つ電流−電圧特性を示すために、回路構成が複雑に
なる等の問題を有しており、広く実用に供されるまでに
は至っていない。
2. Description of the Related Art Conventionally, as a superconducting element, a tunnel-type Josephson junction element having a laminated structure using a metal superconductor such as Pb or Nb and sandwiching a thin insulating layer capable of tunneling a superconducting pair has been used. Are known. Such a conventional tunnel type Josephson device needs to operate at an extremely low temperature close to the temperature of liquid helium. In addition, there is a problem that the circuit configuration becomes complicated due to the current-voltage characteristic having a hysteresis peculiar to the tunnel-type Josephson junction, and it has not been widely used.

【0003】一方、金属超電導体を用いた、ヒステリシ
ス特性を持たないジョセフソン接合素子として、金属超
電導体からなる主電極間を、これと積層した薄い金属に
よって接続した、いわゆるブリッジ型接合の開発も進め
られている。しかし、このようなブリッジ型接合は、上
述したトンネル型接合の場合と同様に、液体ヘリウム温
度に近い極低温での動作が必要であると共に、ブリッジ
部の抵抗が小さく、かつ金属超電導体の超電導ギャップ
自体も小さいために、大きな出力電圧を得ることが困難
であった。
On the other hand, as a Josephson junction element using a metal superconductor and having no hysteresis characteristics, a so-called bridge type junction in which a main electrode made of a metal superconductor is connected by a thin metal laminated thereon has been developed. Is underway. However, such a bridge-type junction requires operation at an extremely low temperature close to the liquid helium temperature, as in the case of the tunnel-type junction described above, and has a low resistance of the bridge portion and a superconductivity of the metal superconductor. Since the gap itself was small, it was difficult to obtain a large output voltage.

【0004】このような状況の下で、液体窒素温度以上
の高温で超電導特性を示す酸化物超電導材料が発見さ
れ、大きな注目を集めている。酸化物超電導体は、超電
導ギャップの大きさが従来の金属超電導体に比べて 1桁
程度大きく、また金属的伝導から絶縁体までの広範囲の
特性を示す酸化物材料と積層し得る可能性を有してい
る。このような酸化物超電導体を用いて、トンネルジョ
セフソン接合、あるいは出力電圧の大きな、ヒステリシ
スを持たないSNS(超電導体/常電導体/超電導体)
型接合を作製することが可能になれば、上述した従来の
金属超電導体を用いて構成したジョセフソン接合に比
べ、少なくとも極低温動作の必要がなくなり、また大き
い出力電圧が得られることから、広範囲な応用が期待さ
れる。
Under these circumstances, an oxide superconducting material which exhibits superconducting properties at a temperature higher than the temperature of liquid nitrogen has been discovered and has attracted much attention. Oxide superconductors have superconducting gaps that are about an order of magnitude larger than conventional metal superconductors, and have the potential to be laminated with oxide materials that exhibit a wide range of properties from metallic conduction to insulators. doing. Using such an oxide superconductor, a tunnel Josephson junction or an SNS having a large output voltage and no hysteresis (superconductor / normal conductor / superconductor)
If it becomes possible to produce a mold junction, at least there is no need for cryogenic operation and a large output voltage can be obtained, as compared with the above-described Josephson junction using a conventional metal superconductor. Application is expected.

【0005】しかし、酸化物超電導体はその特性に大き
な異方性を持ち、コヒーレンス長の短いc軸方向を基板
に垂直とした積層構造では、実用上十分な超電導電流を
積層界面を通して流すことができないという本質的な問
題を有している。一方、酸化物超電導体のc軸を基板と
平行とし、これと平行な界面を持つ積層構造では、酸化
物超電導体固有のc軸方向の熱膨脹率が異常に大きいと
いう性質により、高温での製膜後の冷却時に、基板結晶
との間に大きな歪みを生じ、酸化物超電導体薄膜にクラ
ックが生じ易いという問題がある。また、これを防止す
るために、c軸を基板面内の複数の結晶方位に分散させ
た双晶構造膜を用いると、実効的なロンドン侵入距離が
大きくなり、極めて微細な接合を作製しない限り、良好
な特性が得られないという問題がある。
However, the oxide superconductor has a large anisotropy in its characteristics. In a laminated structure in which the c-axis direction having a short coherence length is perpendicular to the substrate, a practically sufficient superconducting current can flow through the laminated interface. Have the essential problem of not being able to. On the other hand, in a laminated structure having the c-axis of the oxide superconductor parallel to the substrate and an interface parallel to the substrate, the oxide superconductor has a characteristic that the thermal expansion coefficient in the c-axis direction which is unique to the oxide superconductor is abnormally large, so that it is manufactured at high temperature. At the time of cooling after the film, there is a problem that a large strain is generated between the substrate and the substrate crystal, and the oxide superconductor thin film is easily cracked. In order to prevent this, if a twin structure film in which the c-axis is dispersed in a plurality of crystal orientations in the plane of the substrate is used, the effective London penetration distance increases, and unless an extremely fine junction is produced. However, there is a problem that good characteristics cannot be obtained.

【0006】上述したような問題を解決するための手段
として、c軸が基板面と垂直となるように形成した酸化
物超電導体薄膜を、基板面と角度を成すようにエッチン
グして、このエッチング端面に接合を形成する方法が検
討されている。このような接合はエッジ接合と呼ばれ、
酸化物超電導体の持つ異方性の問題を回避できる可能性
があるものとして期待されている。
As a means for solving the above-mentioned problem, an oxide superconductor thin film formed so that the c-axis is perpendicular to the substrate surface is etched so as to form an angle with the substrate surface. A method of forming a bond on the end face is being studied. Such a joint is called an edge joint,
It is expected that there is a possibility that the problem of anisotropy of the oxide superconductor can be avoided.

【0007】[0007]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た従来の酸化物超電導体薄膜を用いたエッジ接合におい
ては、その製造工程に起因して、以下に示すような問題
が発生している。すなわち、従来のエッジ接合の製造工
程においては、図4に示すように、酸化物基板1上に第
1の酸化物超電導体薄膜2と絶縁体膜3とを順に形成し
(図4−a)、この積層膜を基板面と所望の角度を成す
ようにエッチングし(図4−b)、第1の酸化物超電導
体薄膜2の端面を露出させている。このエッチングの際
に、露出した酸化物基板1の一部も除去されてしまい、
基板1が段差1aを生じてしまう。そして、このような
段差1aが生じた基板1上に、絶縁体や常伝導体からな
る接合バリア層4と第2の酸化物超電導体薄膜5とを順
に形成して、エッジ接合をしている(図4−c)。
However, in the above-described edge junction using the conventional oxide superconductor thin film, the following problems occur due to the manufacturing process. That is, in the conventional manufacturing process of the edge junction, as shown in FIG. 4, a first oxide superconductor thin film 2 and an insulator film 3 are sequentially formed on an oxide substrate 1 (FIG. 4A). This laminated film is etched so as to form a desired angle with the substrate surface (FIG. 4B), exposing the end surface of the first oxide superconductor thin film 2. During this etching, part of the exposed oxide substrate 1 is also removed,
The substrate 1 has a step 1a. Then, a junction barrier layer 4 made of an insulator or a normal conductor and a second oxide superconductor thin film 5 are sequentially formed on the substrate 1 on which such a step 1a is formed, and edge joining is performed. (FIG. 4-c).

【0008】ここで、酸化物超電導体をエピタキシャル
成長させることが可能な酸化物基板1を用いた場合で
も、一般に酸化物超電導体との格子整合性は十分ではな
いことから、基板1に段差1aが生じていると、段差部
分の基板面に対する傾斜が十分に緩くないかぎり、例え
ば第2の酸化物超電導体薄膜5の基板1の主面上に成長
する部分5aと傾斜面上に成長する部分5bとの成長方
位が異なり、第2の酸化物超電導体薄膜5に結晶粒界6
が発生してしまう。このような結晶粒界6は、ジョセフ
ソン接合として振る舞うため、傾斜角の大きいエッジ接
合では、エッジ部の接合にさらに粒界接合が直列に挿入
された形となり、十分な特性を得ることができなくな
る。
Here, even when an oxide substrate 1 on which an oxide superconductor can be epitaxially grown is used, since the lattice matching with the oxide superconductor is generally not sufficient, a step 1a is formed on the substrate 1. If it occurs, for example, the portion 5a of the second oxide superconductor thin film 5 growing on the main surface of the substrate 1 and the portion 5b growing on the inclined surface, unless the inclination of the step portion with respect to the substrate surface is sufficiently small. Are different from each other in the growth direction, and the second oxide superconductor thin film 5 has a crystal grain boundary 6.
Will occur. Since such a crystal grain boundary 6 behaves as a Josephson junction, in the case of an edge junction having a large inclination angle, a grain boundary junction is further inserted in series at the edge portion junction, and sufficient characteristics can be obtained. Disappears.

【0009】このようなことから、従来のエッジ接合で
は、エッジ部の傾斜が十分に緩くなるように製造する必
要があった。これは、接合の実効面積を増大させること
となり、高温動作に要求される高臨界電流密度、高接合
抵抗のジョセフソン接合の実現の妨げとなっていた。換
言すると、臨界温度の高い酸化物超電導体を用いたエッ
ジ型ジョセフソン接合の開発は、産業上大きな貢献を果
たすものと期待されているが、これを実用に供するため
の安定したエッジ部の製造方法の開発が課題とされてい
る。
For this reason, in the conventional edge joining, it was necessary to manufacture such that the inclination of the edge portion became sufficiently gentle. This increases the effective area of the junction, which hinders the realization of a Josephson junction having a high critical current density and a high junction resistance required for high-temperature operation. In other words, the development of an edge-type Josephson junction using an oxide superconductor having a high critical temperature is expected to make a significant contribution to the industry, but the production of a stable edge portion for practical use is expected. The development of methods is a challenge.

【0010】本発明は、このような課題に対処するため
になされたもので、酸化物超電導体薄膜を用いたエッジ
型ジョセフソン接合をエッジ部の傾斜を自在に設定した
上で実現でき、その結果として、臨界電流密度が大き
く、かつ大きい出力電圧を有するジョセフソン接合をは
じめとする各種超電導素子を再現性よく製造することを
可能にした超電導素子の製造方法を提供することを目的
としている。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to address such a problem, and an edge-type Josephson junction using an oxide superconductor thin film can be realized after setting the inclination of the edge portion freely. As a result, it is an object of the present invention to provide a method for manufacturing a superconducting element that enables a variety of superconducting elements including a Josephson junction having a large critical current density and a large output voltage to be manufactured with good reproducibility.

【0011】[0011]

【課題を解決するための手段】本発明の超電導素子の製
造方法は、基板上に、PrBaCuで組成が実
質的に表される薄膜と、REBaCu(REは
Prを除く希土類元素から選ばれる少なくとも1種の元
素を示す)で組成が実質的に表される第1の酸化物超電
導体薄膜とを、順に積層して形成する工程と、前記積層
膜上に絶縁体膜を形成した後、前記PrBa Cu
薄膜の一部が除去されるまで、前記積層膜を前記基板
面と角度を成して部分的に除去し、前記第1の酸化物超
電導体薄膜の端面と前記PrBaCu薄膜の表
面を露出させる工程と、少なくとも前記第1の酸化物超
電導体薄膜の端および前記PrBa Cu 薄膜
の露出させた表面を被覆するように、絶縁体または常伝
導体の薄膜と、REBaCuで組成が実質的に
表される第2の酸化物超電導体薄膜とを、順に積層して
形成する工程とを有することを特徴としている。
Method of manufacturing a superconducting device of the present invention, in order to solve the problem] has, on a substrate, the thin film composition in PrBa 2 Cu 3 O 7 is substantially represented, REBa 2 Cu 3 O 7 ( RE is A first oxide superconductor thin film whose composition is substantially represented by at least one element selected from rare earth elements excluding Pr). After forming an insulator film, the PrBa 2 Cu 3 O
The laminated film is partially removed at an angle to the substrate surface until a portion of the thin film 7 is removed, and the end surface of the first oxide superconductor thin film and the PrBa 2 Cu 3 O 7 thin film are removed. Exposing the surface of the first oxide superconductor thin film and at least the end surface of the first oxide superconductor thin film and the PrBa 2 Cu 3 O 7 thin film
A thin film of an insulator or a normal conductor and a second oxide superconductor thin film whose composition is substantially represented by REBa 2 Cu 3 O 7 are sequentially laminated so as to cover the exposed surface of And a forming step.

【0012】本発明の超電導素子の製造方法において
は、まず基板上にPrBa2 Cu3 O 7 膜と、第1の超電導電
極となるREBa2 Cu3 O 7 膜(第1の酸化物超電導体薄
膜)とを積層する。これら薄膜の組成(モル比)は、厳
密にその比率を満足させなければならないものではな
く、所望の特性、例えば酸化物超電導体薄膜においては
超電導特性が得られる範囲であれば多少の変動は許容さ
れる。なお、酸化物超電導体の酸素量は、通常、最適な
超電導特性が得られるように調整される。上記積層膜と
しては、REBa2 Cu3 O 7 膜上に、さらにPrBa2 Cu3 O 7
膜を積層形成することが好ましい。
In the method of manufacturing a superconducting element according to the present invention, first, a PrBa 2 Cu 3 O 7 film and a REBa 2 Cu 3 O 7 film (a first oxide superconducting thin film) serving as a first superconducting electrode are formed on a substrate. ). The composition (molar ratio) of these thin films does not have to strictly satisfy the ratio, and a slight variation is allowed as long as desired characteristics, for example, in the oxide superconductor thin film, the superconducting characteristics can be obtained. Is done. The amount of oxygen in the oxide superconductor is usually adjusted so as to obtain optimal superconducting characteristics. As the above laminated film, on the REBa 2 Cu 3 O 7 film, PrBa 2 Cu 3 O 7
It is preferable to form a film by lamination.

【0013】上記積層膜作製時の基板温度や基板材料等
は、積層膜のc軸が基板面と垂直となるように選定す
る。積層は、同一製造装置内で真空を破らずに行うこと
が高品質の超電導膜を得る上で望ましいが、必ずしもこ
れに限定されるものではない。次に、上記積層膜上に絶
縁体膜を形成する。この絶縁体膜は、後の積層膜端面の
露出のためのエッチング工程をフォトレジストをマスク
として行う場合には、積層膜上全面に形成する。また、
エッチング工程に用いるマスクとして、絶縁体膜を用い
る場合には、フォトレジストを用いたリフトオフ工程に
より、積層膜上に選択的に絶縁体を形成してもよい。ま
た、この両者を併用し、積層膜上全面に第1の絶縁体膜
を形成した後、さらにその上に選択的に第2の絶縁膜を
形成する方法を採用することもできる。
The substrate temperature, substrate material, and the like during the production of the laminated film are selected so that the c-axis of the laminated film is perpendicular to the substrate surface. Lamination is desirably performed in the same manufacturing apparatus without breaking vacuum in order to obtain a high-quality superconducting film, but is not necessarily limited to this. Next, an insulator film is formed on the laminated film. This insulating film is formed on the entire surface of the laminated film when a later etching step for exposing the end face of the laminated film is performed using a photoresist as a mask. Also,
In the case where an insulator film is used as a mask used in the etching step, an insulator may be selectively formed over the stacked film by a lift-off step using a photoresist. In addition, a method in which both are used in combination and a first insulating film is formed on the entire surface of the laminated film, and then a second insulating film is selectively formed thereon may also be employed.

【0014】これらの絶縁体膜は、結晶化したもので
も、非晶質のものでも同様に用いることができる。ただ
し、フォトレジストを用いたリフトオフ工程を採用する
場合には、絶縁体膜形成時の基板温度を低く抑える必要
があるため、非晶質の絶縁体膜を用いることが好まし
い。
These insulator films can be used in the same manner whether they are crystallized or amorphous. However, in the case where a lift-off process using a photoresist is employed, it is necessary to suppress the substrate temperature at the time of forming the insulator film. Therefore, it is preferable to use an amorphous insulator film.

【0015】接合部を形成するためのエッチング工程
は、フォトレジスト、あるいは上述した選択的に形成さ
れた絶縁体膜をマスクとして、例えばイオンミリング法
により行う。エッチングで露出させる積層膜端面と基板
面との角度は、例えばエッチングのためのイオンの照射
角度を適宜選択することで、正確に制御することができ
る。
The etching step for forming the junction is performed, for example, by ion milling using a photoresist or the above-mentioned selectively formed insulator film as a mask. The angle between the end surface of the laminated film exposed by etching and the substrate surface can be accurately controlled by, for example, appropriately selecting the irradiation angle of ions for etching.

【0016】本発明の超電導素子の製造方法において
は、上記エッチングを基板と接しているPrBa2 Cu3 O 7
膜の少なくとも表面が露出するように行う。実際の工程
においては、REBa2 Cu3 O 7 膜を確実にエッチングする
必要があることから、PrBa2 Cu3 O 7 膜の一部までエッ
チングを進行させた後に、エッチングを停止することが
好ましい。このため、露出した積層膜端面の下端には、
PrBa2 Cu3 O 7 の断差を生じることになるが、基板面自
体が露出することはない。
In the method of manufacturing a superconducting element according to the present invention, the above-mentioned etching is performed by using PrBa 2 Cu 3 O 7
This is performed so that at least the surface of the film is exposed. In the actual process, it is necessary to reliably etch the REBa 2 Cu 3 O 7 film, was allowed to proceed for etching until a portion of PrBa 2 Cu 3 O 7 film, it is preferable to stop etching. Therefore, at the lower end of the exposed end face of the laminated film,
Although a difference in PrBa 2 Cu 3 O 7 will occur, the substrate surface itself is not exposed.

【0017】次に、接合のバリアとなる絶縁体または常
伝導体の薄膜と、第2の超電導電極となるREBa
膜とを、エッチングで露出させた少なくとも第
1の酸化物超電導体薄膜の端面、実際上は積層膜端面
およびPrBa Cu 薄膜の表面を被覆するよう
に形成する。この際、予めエッチング端面のダメージ層
を除去するために、低エネルギーのイオンによるクリー
ニングを行うことが、再現性のよい接合を得る上で好ま
しい。また、露出させた積層膜端面の傾斜が急俊である
場合には、接合バリア層となる物質と第2の超電導電極
となるREBaCuの被着を、傾斜角に応じて
斜め方向から行うことが好ましい。
Next, a thin film of an insulator or a normal conductor serving as a junction barrier, and REBa 2 C serving as a second superconducting electrode.
u 3 O 7 and a film, the end face of at least the first oxide superconductor thin film was exposed by etching, practice laminated film edge,
And it is formed so as to cover the surface of the PrBa 2 Cu 3 O 7 thin film . At this time, it is preferable to perform cleaning with low-energy ions in order to remove the damaged layer on the etching end surface in advance in order to obtain a junction with good reproducibility. When the exposed end face of the laminated film is steep, the deposition of the material serving as the junction barrier layer and the REBa 2 Cu 3 O 7 serving as the second superconducting electrode is made oblique according to the inclination angle. It is preferable to perform from the direction.

【0018】また、上記接合バリア層は、酸化物超電導
体と格子整合性のよい材料で形成する必要があり、ペロ
ブスカイト型あるいはこれと類似の結晶構造を有する酸
化物を用いることが望ましい。とりわけ、SNS型接合
を得る際には、酸化物超電導体の同一の結晶構造を有す
る常伝導体、例えばPrBa2 Cu3 O 7 膜を採用すること
で、本発明の効果を十分に発揮させることができる。
The junction barrier layer must be formed of a material having good lattice matching with the oxide superconductor, and it is desirable to use an oxide having a perovskite type or a crystal structure similar thereto. In particular, when obtaining an SNS type junction, by using a normal conductor having the same crystal structure of the oxide superconductor, for example, a PrBa 2 Cu 3 O 7 film, the effect of the present invention can be sufficiently exhibited. Can be.

【0019】本発明の製造方法による超電導素子は、フ
ォトレジストをマスクとして、第2の超電導電極である
REBa2 Cu3 O 7 膜を所定の接合面積が得られる幅にエッ
チングにより加工することで完成する。
The superconducting element according to the manufacturing method of the present invention is a second superconducting electrode using a photoresist as a mask.
This is completed by processing the REBa 2 Cu 3 O 7 film by etching to a width that allows a predetermined bonding area to be obtained.

【0020】[0020]

【作用】従来のエッジ型接合の作製においては、基板上
に直接形成した酸化物超電導体の端面をエッチング工程
により基板面から傾斜させて露出させ、この露出端面上
に接合を形成していた。この場合、エッチングにより基
板面を露出させる際に、基板の一部も除去され、結果と
して接合部下端には基板材料からなる断差が形成されて
しまう。基板材料として、 SrTiO3 MgO、 LaAlO3 等が
広く用いられているが、一般にこれらの材料と酸化物超
電導体との格子整合性は完全ではなく、このような段差
部上に第2の超電導電極となる酸化物超電導体薄膜を形
成すると、段差部分に結晶粒界が形成されてしまい、エ
ッジ接合と直列に粒界接合が含まれる構造となってしま
う。粒界接合の形成は、エッジ部の傾斜を極めて小さく
することで防ぐことが可能であるが、このような手段を
用いると、接合面積の増大を生じると共に、エッチング
工程の制御が難しいものとならざるを得ない。
In the production of the conventional edge type junction, the end surface of the oxide superconductor directly formed on the substrate is exposed by being inclined from the substrate surface by an etching process, and the junction is formed on the exposed end surface. In this case, when exposing the substrate surface by etching, a part of the substrate is also removed, and as a result, a gap made of the substrate material is formed at the lower end of the joint. SrTiO 3 MgO, LaAlO 3 and the like are widely used as substrate materials, but the lattice matching between these materials and the oxide superconductor is generally not perfect, and the second superconducting electrode is placed on such a step. When an oxide superconductor thin film is formed, a crystal grain boundary is formed at a step portion, and a structure including a grain boundary junction in series with an edge junction is obtained. The formation of grain boundary junctions can be prevented by making the slope of the edge part extremely small.However, if such a means is used, the junction area increases and it becomes difficult to control the etching process. I have no choice.

【0021】これに対して、本発明の超電導素子の製造
方法においては、基板上に直接酸化物超電導体を形成せ
ず、REBa2 Cu3 O 7 組成の酸化物超電導体と同じ結晶構
造を有し、かつ常伝導体ないしは絶縁体として振る舞う
PrBa2 Cu3 O 7 膜をまず形成する。そして、この上に積
層形成された酸化物超電導体薄膜の端面を露出させる際
には、基板上のPrBa2 Cu3 O 7 膜を全て除去することな
く、その少なくとも一部を残存させる。その結果、エッ
ジ部下端に形成される段差は、PrBa2 Cu3 O 7膜中に存
在することとなる。
On the other hand, in the manufacturing method of the superconducting element of the present invention, the oxide superconductor is not formed directly on the substrate, but has the same crystal structure as the oxide superconductor of REBa 2 Cu 3 O 7 composition. And behaves as a normal conductor or insulator
First, a PrBa 2 Cu 3 O 7 film is formed. Then, when exposing the end face of the oxide superconductor thin film laminated thereon, at least a portion of the PrBa 2 Cu 3 O 7 film on the substrate is left without removing it. As a result, a step formed at the lower end of the edge portion exists in the PrBa 2 Cu 3 O 7 film.

【0022】PrBa2 Cu3 O 7 は、REBa2 Cu3 O 7 と極め
て高い格子整合性を持つと共に、結晶構造自体が同一で
あるために、段差部が極めて高く形成されていない限
り、露出端面が急俊な傾斜を有していても、PrBa2 Cu3
O 7 膜の平面部上に成長するREBa2 Cu3 O 7 と、傾斜部
上に成長するREBa2 Cu3 O 7 の結晶方位を同一とするこ
とができ、よってREBa2 Cu3 O 7 膜中の粒界発生を防止
することができる。とりわけ、エッジ接合として有用性
の高いPrBa2 Cu3 O 7 等の酸化物超電導体と整合性の高
いバリア材料を用いた場合には、この効果を顕著に得る
ことができる。このため、本発明の製造方法では、エッ
ジ部の傾斜を従来法に比べて急俊にすることができ、そ
の結果として、容易に微小面積のジョセフソン素子等が
実現できると共に、製造工程の制御性を高めることがで
きる。
PrBa 2 Cu 3 O 7 has extremely high lattice matching with REBa 2 Cu 3 O 7 and, since the crystal structure itself is the same, unless the step portion is formed extremely high, the exposed end face is not exposed. Has a steep slope, but PrBa 2 Cu 3
O 7 and REBa 2 Cu 3 O 7 that grow on the flat surface portion of the film, the crystal orientation the REBa 2 Cu 3 O 7 to grow can be the same on the inclined portion, thus REBa 2 Cu 3 O 7 film Generation of grain boundaries can be prevented. In particular, when a barrier material having high compatibility with an oxide superconductor such as PrBa 2 Cu 3 O 7 which is highly useful as an edge junction is used, this effect can be remarkably obtained. For this reason, in the manufacturing method of the present invention, the inclination of the edge portion can be steeper than in the conventional method, and as a result, a Josephson element or the like having a small area can be easily realized, and the control of the manufacturing process Can be enhanced.

【0023】なお、本発明の超電導素子の製造方法にお
いて、積層膜として酸化物超電導体薄膜上にも予めPrBa
2 Cu3 O 7 膜を形成しておくことにより、上部PrBa2 Cu
3 O7 膜のエッジ部を被覆する酸化物超電導体薄膜中に
おける粒界の発生を防止することができる。ただし、上
部PrBa2 Cu3 O 7 膜上の絶縁体膜並びに絶縁体膜上面部
の上の酸化物超電導体薄膜には結晶粒界が発生してしま
うが、これらの粒界部は上部PrBa2 Cu3 O 7 膜の厚さ分
だけエッジ接合から離れており、また超電導電流の経路
としては利用されないため、エッジ接合の特性に影響を
及ぼすことはない。すなわち、第1の酸化物超電導体薄
膜上に形成する上部PrBa2 Cu3 O 7 膜は、素子の活性領
域であるエッジ接合部を、第2の超電導電極となる酸化
物超電導体薄膜の一部に必然的に形成される粒界部から
一定距離だけ隔絶する作用をする。なお、上部PrBa2 Cu
3 O 7 膜を形成しない場合においても、直接的な超電導
電流の経路に粒界が形成されることはないため、エッジ
接合の特性に直接影響を及ぼすことはない。
In the method for manufacturing a superconducting element of the present invention, PrBa is also preliminarily formed on the oxide superconductor thin film as a laminated film.
By forming a 2 Cu 3 O 7 film, the upper PrBa 2 Cu
The generation of grain boundaries in the oxide superconductor thin film covering the edge of the 3 O 7 film can be prevented. However, although the oxide superconductor thin film on the upper PrBa 2 Cu 3 insulator on O 7 film layer and the insulating film upper surface occurs grain boundary, these grain boundary portion upper PrBa 2 Since it is separated from the edge junction by the thickness of the Cu 3 O 7 film and is not used as a path of superconducting current, it does not affect the characteristics of the edge junction. That is, the upper PrBa 2 Cu 3 O 7 film formed on the first oxide superconductor thin film forms an edge junction portion, which is an active region of the element, with a part of the oxide superconductor thin film serving as the second superconducting electrode. And acts to isolate a certain distance from the grain boundary part inevitably formed. The upper PrBa 2 Cu
Even when the 3 O 7 film is not formed, no grain boundary is formed in the path of the direct superconducting current, so that the characteristics of the edge junction are not directly affected.

【0024】第2の超電導電極における粒界の発生を最
小とするためには、上部PrBa2 Cu3O7 膜上には絶縁体膜
を形成しないことが望ましいが、PrBa2 Cu3 O 7 膜は多
量の局在準位を含む絶縁体であり、高温においてはこの
局在準位を介しての漏れ電流が問題となる。とりわけ、
本発明の超電導素子の製造方法で作製される微小面積の
エッジ接合では、エッジ部以外での寄生的な電流パスの
形成を防止することが不可欠であるため、上部PrBa2 Cu
3 O 7 膜上に絶縁体膜を形成して、漏れ電流を防止する
ことが好ましい。
[0024] In order to minimize the occurrence of grain boundary in the second superconducting electrodes is in the upper PrBa 2 Cu 3 O 7 film it is desirable not to form the insulating film, PrBa 2 Cu 3 O 7 films Is an insulator containing a large number of localized levels, and at high temperatures, leakage current through this localized level poses a problem. Above all,
In the edge junction of a small area manufactured by the method for manufacturing a superconducting element of the present invention, since it is essential to prevent the formation of a parasitic current path other than at the edge, the upper PrBa 2 Cu
It is preferable to form an insulator film on the 3 O 7 film to prevent leakage current.

【0025】[0025]

【実施例】以下、本発明の実施例について図面を参照し
て説明する。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

【0026】図1は、本発明の超電導素子の製造方法を
適用した一実施例の製造工程を示す図である。同図は、
基板材料として SrTiO3 結晶を (100)面に平行に研磨し
たものを、超電導電極材料として YBa2 Cu3 O 7 を、エ
ッジ部のバリア層材料としてPrBa2 Cu3 O 7 を用いた、
SNS型のエッジ接合の製造工程を示している。
FIG. 1 is a view showing a manufacturing process of an embodiment to which a method of manufacturing a superconducting element according to the present invention is applied. The figure shows
SrTiO 3 crystal polished parallel to the (100) plane as a substrate material, YBa 2 Cu 3 O 7 as a superconducting electrode material, and PrBa 2 Cu 3 O 7 as a barrier layer material at the edge portion,
4 shows a manufacturing process of an SNS type edge junction.

【0027】まず、図1(a)に示すように、 SrTiO3
(100) 基板11上に、多元反応性スパッタ法により、下
部PrBa2 Cu3 O 7 膜12、第1の超電導電極となる YBa
2 Cu3 O 7 膜13、および上部PrBa2 Cu3 O 7 膜14を
連続して積層形成した。この際、製膜時の基板温度は、
これら積層膜のc軸が基板面に垂直に配向する 780℃に
一定に保っており、また各層の厚さは下部PrBa2 Cu3 O
7 膜12を 100nm、第1の YBa2 Cu3 O 7 膜13を 300
nm、上部PrBa2 Cu3 O 7 膜14が 200nmに設定した。
[0027] First, as shown in FIG. 1 (a), SrTiO 3
(100) On a substrate 11, a lower PrBa 2 Cu 3 O 7 film 12 and a YBa serving as a first superconducting electrode are formed by a multi-reactive sputtering method.
The 2 Cu 3 O 7 film 13 and the upper PrBa 2 Cu 3 O 7 film 14 were continuously laminated. At this time, the substrate temperature during film formation is
The c-axis of these stacked films is kept constant at 780 ° C, which is oriented perpendicular to the substrate surface, and the thickness of each layer is the lower PrBa 2 Cu 3 O
7 The film 12 is 100 nm and the first YBa 2 Cu 3 O 7 film 13 is 300 nm.
nm, and the upper PrBa 2 Cu 3 O 7 film 14 was set to 200 nm.

【0028】次いで、上部PrBa2 Cu3 O 7 膜14上に、
同一真空容器中で絶縁体膜であるMgO薄層15を20nm成
長させた。このようにして得られた積層膜中の YBa2 Cu
3O7 膜13の超電導転移温度は 89Kであった。
Next, on the upper PrBa 2 Cu 3 O 7 film 14,
A MgO thin layer 15 as an insulator film was grown to 20 nm in the same vacuum vessel. YBa 2 Cu in the laminated film thus obtained
The superconducting transition temperature of the 3 O 7 film 13 was 89K.

【0029】積層膜の形成後、通常の光学露光法でポジ
型レジストのパターンを所定の位置に作製し、電子銃を
用いた蒸着法により、厚さ 500nmの MgOを低温で堆積し
た後、レジストを溶解除去することによって、図1
(b)に示すように、非晶質 MgO層の島状パターン16
を形成した。
After forming the laminated film, a pattern of a positive resist is formed at a predetermined position by a normal optical exposure method, and 500 nm thick MgO is deposited at a low temperature by an evaporation method using an electron gun. 1 by dissolving and removing
As shown in (b), the island-like pattern 16 of the amorphous MgO layer
Was formed.

【0030】上記非晶質 MgO層の島状パターン16をマ
スクとして、イオンミリング法により MgO薄層15、上
部PrBa2 Cu3 O 7 膜14、第1の YBa2 Cu3 O 7 膜13
を、下部PrBa2 Cu3 O 7 膜12が露出するまで連続的に
エッチングし、エッジ端部を形成した(図1(c))。
エッジ部の基板面に対する傾斜角は、ミリングを行うイ
オンの照射角で制御した。この実施例では、エッジ部の
傾斜角が45度となるように設定した。
Using the island-shaped pattern 16 of the amorphous MgO layer as a mask, the MgO thin layer 15, the upper PrBa 2 Cu 3 O 7 film 14, and the first YBa 2 Cu 3 O 7 film 13 are formed by ion milling.
Was continuously etched until the lower PrBa 2 Cu 3 O 7 film 12 was exposed to form an edge end (FIG. 1C).
The inclination angle of the edge portion with respect to the substrate surface was controlled by the irradiation angle of the ions to be milled. In this embodiment, the inclination angle of the edge portion is set to be 45 degrees.

【0031】次に、 60Vの低電圧で加速したArイオンを
数分間照射して、エッチング時に生じた歪み領域を除去
した後、直ちに多元スパッタ装置に装着し、酸素雰囲気
中で加熱することで、エッジ端部に残留した歪みを回復
させた。
Next, after irradiating Ar ions accelerated at a low voltage of 60 V for several minutes to remove a strain region generated at the time of etching, the device is immediately mounted on a multi-source sputtering apparatus and heated in an oxygen atmosphere. The residual strain at the edge end was recovered.

【0032】この後、接合バリア層となるPrBa2 Cu3 O
7 膜17を 5nm、および第2の超電導電極となる YBa2
Cu3 O 7 膜18を 300nm積層した。上部超電導電極の加
工には、通常のリソグラフィ工程とArイオンによるエッ
チングを用い、最終的にエッジ部に幅 5μm の接合を作
製した(図1(d))。従って、この実施例における接
合面積は、 0.4× 5μm である。
Thereafter, PrBa 2 Cu 3 O to be a junction barrier layer
7 The film 17 has a thickness of 5 nm and the second superconducting electrode YBa 2
A Cu 3 O 7 film 18 was laminated to a thickness of 300 nm. For processing the upper superconducting electrode, a normal lithography process and etching with Ar ions were used to finally form a junction having a width of 5 μm at the edge (FIG. 1D). Therefore, the junction area in this embodiment is 0.4 × 5 μm.

【0033】このようにして得た超電導素子の液体ヘリ
ウム温度における電流−電圧特性を図2に示す。バリア
層としてのPrBa2 Cu3 O 7 膜17が常伝導的性質を有す
るために、ヒステリシスのないSNS型ジョセフソン接
合としての特性を示しており、また上下の超電導電極の
マイクロショートによるリーク電流は存在しないことが
確認された。ジョセフソン接合による臨界電流は 2mA、
素子の出力電圧であるIc ・Rn 積として約 5mVが得ら
れている。
FIG. 2 shows the current-voltage characteristics of the thus obtained superconducting element at liquid helium temperature. Since the PrBa 2 Cu 3 O 7 film 17 as a barrier layer has a normal conductivity property, it exhibits characteristics as an SNS type Josephson junction without hysteresis. It was confirmed that it did not exist. The critical current of the Josephson junction is 2 mA,
About 5mV as I c · R n product, which is the output voltage of the device is obtained.

【0034】また、図3はこの実施例によるエッジ接合
が均一なジョセフソン特性を示すことを確認するために
行った臨界電流の印加磁界依存性を示す図である。図3
から分かるように、作製した素子は理想的なフラウンホ
ファーパターンを示した。このようなジョセフソン特性
は 50Kの温度でも確認され、この温度でのジョセフソン
電流として 100μA 、Ic ・Rn 積は 250μV が得られ
た。これは、本発明の製造方法を用いて作製した超電導
素子が高温で動作し得ることを検証するものである。
FIG. 3 is a diagram showing the dependence of the critical current on the applied magnetic field, which was performed to confirm that the edge junction according to this embodiment exhibited uniform Josephson characteristics. FIG.
As can be seen from the above, the fabricated device exhibited an ideal Fraunhofer pattern. Such Josephson characteristics was confirmed even at a temperature of 50K, 100 .mu.A as Josephson current at this temperature, I c · R n product is 250μV is obtained. This verifies that a superconducting element manufactured by using the manufacturing method of the present invention can operate at a high temperature.

【0035】このように、本発明の製造方法を適用する
ことによって、例えば45度という傾斜角を有する積層膜
端面に対しても、安定して特性に優れたエッジ接合を形
成することができる。
As described above, by applying the manufacturing method of the present invention, it is possible to stably form an edge junction having excellent characteristics even on a laminated film end face having an inclination angle of 45 degrees.

【0036】[0036]

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、酸
化物高温超電導体を利用した高温で動作し得る微小面積
のジョセフソン接合素子をはじめとした各種の超電導素
子を、安定にかつ再現性よく作製することが可能とな
り、産業上多大の寄与をすることが期待される。
As described above, according to the present invention, various superconducting elements including a small-area Josephson junction element which can operate at a high temperature using an oxide high-temperature superconductor can be stably reproduced. It can be manufactured with good efficiency and is expected to make a great contribution to the industry.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】 本発明の一実施例による超電導素子の製造工
程を模式的に示す断面図である。
FIG. 1 is a sectional view schematically showing a manufacturing process of a superconducting element according to one embodiment of the present invention.

【図2】 本発明の一実施例により得た超電導素子の電
流−電圧特性を示す図である。
FIG. 2 is a diagram showing current-voltage characteristics of a superconducting element obtained according to one embodiment of the present invention.

【図3】 本発明の一実施例により得た超電導素子の臨
界電流の印加磁界依存性を示す図である。
FIG. 3 is a diagram showing the applied magnetic field dependence of the critical current of the superconducting device obtained according to one embodiment of the present invention.

【図4】 従来のエッジ接合の製造工程を模式的に示す
断面図である。
FIG. 4 is a cross-sectional view schematically showing a manufacturing process of a conventional edge bonding.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

11…… SrTiO3 (100) 基板 12……下部PrBa2 Cu3 O 7 膜 13……第1の YBa2 Cu3 O 7 膜 14……上部PrBa2 Cu3 O 7 膜 15…… MgO薄層 17……接合バリア層となるPrBa2 Cu3 O 7 膜 18……第2の YBa2 Cu3 O 7 11 SrTiO 3 (100) substrate 12 Lower PrBa 2 Cu 3 O 7 film 13 First YBa 2 Cu 3 O 7 film 14 Upper PrBa 2 Cu 3 O 7 film 15 MgO thin layer 17: PrBa 2 Cu 3 O 7 film serving as a junction barrier layer 18: Second YBa 2 Cu 3 O 7 film

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 基板上に、PrBaCuで組成
が実質的に表される薄膜と、REBaCu
(REはPrを除く希土類元素から選ばれる少なくとも
1種の元素を示す)で組成が実質的に表される第1の酸
化物超電導体薄膜とを、順に積層して形成する工程と、 前記積層膜上に絶縁体膜を形成した後、前記PrBa
Cu 薄膜の一部が除去されるまで、前記積層膜を
前記基板面と角度を成して部分的に除去し、前記第1の
酸化物超電導体薄膜の端面と前記PrBaCu
薄膜の表面を露出させる工程と、少なくとも 前記第1の酸化物超電導体薄膜の端および
前記PrBa Cu 薄膜の露出させた表面を被覆
するように、絶縁体または常伝導体の薄膜と、REBa
Cuで組成が実質的に表される第2の酸化物超
電導体薄膜とを、順に積層して形成する工程とを有する
ことを特徴とする超電導素子の製造方法。
To 1. A substrate, a thin film having a composition by PrBa 2 Cu 3 O 7 is substantially represented, REBa 2 Cu 3 O 7
(RE represents at least one element selected from rare earth elements other than Pr), a step of sequentially laminating and forming a first oxide superconductor thin film whose composition is substantially represented by: After forming an insulator film on the film, the PrBa 2
Until a part of the Cu 3 O 7 thin film is removed, the laminated film is partially removed at an angle to the substrate surface, and the end surface of the first oxide superconductor thin film and the PrBa 2 Cu 3 O 7
Exposing the surface of the thin film, and at least the end face of the first oxide superconductor thin film and
An insulating or normal conductor thin film and a REBa thin film so as to cover the exposed surface of the PrBa 2 Cu 3 O 7 thin film.
2) forming a second oxide superconductor thin film, whose composition is substantially represented by Cu 3 O 7 , in order, and laminating the second oxide superconductor thin film.
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