JP2958054B2 - Surface treatment method and surface treatment device for oxide superconducting thin film - Google Patents

Surface treatment method and surface treatment device for oxide superconducting thin film

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Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は、超伝導体を用いた電子デバイスの配線、電
極コンタクトの作製に不可欠な、酸化物超伝導薄膜の表
面処理方法および表面処理装置に関するものである。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Industrial Application Field] The present invention relates to a surface treatment method and a surface treatment apparatus for an oxide superconducting thin film, which are indispensable for producing wiring and electrode contacts of an electronic device using a superconductor. It is about.

[従来の技術] 超伝導現象を利用した電子デバイスは、例えば、高速
スイッチング素子、高感度電磁波検出素子、高感度磁束
計として広範囲の応用が可能である。また、超伝導体は
直流電気抵抗がゼロという特徴があるため、集積回路用
配線としても応用が期待されている。そこで実用的価値
の高いデバイスや配線層を形成するためには、超伝導転
移温度(Tc)の高い(77K以上の)酸化物系超伝導体か
らなる薄膜を用いることとなる。
[Related Art] An electronic device using a superconducting phenomenon can be applied to a wide range of applications, for example, as a high-speed switching element, a high-sensitivity electromagnetic wave detection element, and a high-sensitivity magnetometer. In addition, superconductors are characterized by having zero DC electric resistance, and are therefore expected to be applied as wiring for integrated circuits. Therefore, in order to form a device or a wiring layer having high practical value, a thin film made of an oxide-based superconductor having a high superconducting transition temperature (Tc) (over 77 K) is used.

これらの用途、目的に応じて、超伝導薄膜は積層化、
パターン化されて用いられる。この際、超伝導薄膜は大
気、水分、薬品にさらされるため、その表面が汚染され
て、超伝導性が極端に弱められた表面劣化層がその薄膜
の表面に形成される。従って、各種の超伝導デバイスや
配線層を作製する場合、薄膜に損傷を与えることなくこ
の表面劣化層を取り除くための表面処理を行うことが不
可欠である。
Depending on these applications and purposes, superconducting thin films are laminated,
It is used after being patterned. At this time, since the superconducting thin film is exposed to the atmosphere, moisture, and chemicals, its surface is contaminated, and a surface deterioration layer whose superconductivity is extremely weakened is formed on the surface of the thin film. Therefore, when manufacturing various superconducting devices and wiring layers, it is essential to perform a surface treatment for removing the surface deterioration layer without damaging the thin film.

従来の表面処理方法として、不活性ガスを含む雰囲気
中での高周波放電(逆スパッタ)により表面処理を行う
方法がある。この方法を用いることにより、金属系超伝
導体では、表面劣化層は有効に除去されることが知られ
ており、例えば代表的な超伝導デバイスであるトンネル
型ジョセフソン接合の作製や、電極コンタクトの形成
は、この方法によって実現されている。
As a conventional surface treatment method, there is a method of performing surface treatment by high-frequency discharge (reverse sputtering) in an atmosphere containing an inert gas. It is known that the use of this method effectively removes a surface-deteriorated layer in a metal-based superconductor. For example, a typical superconducting device such as a tunnel-type Josephson junction or an electrode contact Is realized by this method.

しかしながら、酸化物超伝導体は、従来の金属系超伝
導体に比べて、超伝導体コヒーレンス長(ξ)が非常に
短く(約2〜50A)、損傷を受けやすいという性質を持
つため、この方法によっては有効な表面処理を行うこと
が非常に困難である。
However, oxide superconductors have a very short superconductor coherence length (ξ) (about 2 to 50 A) and are susceptible to damage compared to conventional metal-based superconductors. It is very difficult to perform effective surface treatment depending on the method.

すなわち、酸化物超伝導薄膜の場合、この方法により
表面処理を行っても、表面劣化層は、ほとんど除去され
ず、逆に、酸化物超伝導薄膜中から酸素脱離、表面損傷
等の悪影響が生じることが判明した。
That is, in the case of the oxide superconducting thin film, even if the surface treatment is performed by this method, the surface deterioration layer is hardly removed, and conversely, adverse effects such as oxygen desorption and surface damage from the oxide superconducting thin film are caused. It was found to happen.

また、この方法のバリエーションとして、放電雰囲気
中に酸素やハロゲンガス等を混入させたり、放電電圧を
下げる等の方策をとることが考えられるが、いずれも有
効な表面処理とはなっていない。このため、酸化物超伝
導体を用いたトンネル型ジョセフソン接合は、まだ十分
な特性を示すものは実現されていない。
As a variation of this method, it is conceivable to take measures such as mixing oxygen or a halogen gas in a discharge atmosphere or reducing a discharge voltage, but none of these methods is effective surface treatment. For this reason, a tunnel-type Josephson junction using an oxide superconductor has not yet been realized that exhibits sufficient characteristics.

また、酸化物超伝導薄膜上にAu,Ag等の貴金属電極を
形成する場合も、この表面処理のみでは、十分なコンタ
クト特性が得られないため、電極堆積後に、500℃以上
の高温熱処理が必要となっている。
Also, when a noble metal electrode such as Au, Ag, etc. is formed on an oxide superconducting thin film, sufficient contact characteristics cannot be obtained with this surface treatment alone. It has become.

以上説明したように、従来の方法では酸化物超伝導薄
膜に対して表面劣化層を除去することは非常に困難で、
従来、酸化物超伝導薄膜の有効な表面処理技術は存在し
なかった。
As described above, it is very difficult to remove the surface degradation layer from the oxide superconducting thin film by the conventional method.
Conventionally, there has been no effective surface treatment technology for an oxide superconducting thin film.

[発明が解決しようとする課題] 本発明の目的は、酸化物超伝導薄膜の表面劣化層を、
表面損傷を与えることなく除去することができ、高性能
な超伝導デバイスの配線、電極コンタクト等の作製を容
易にすることが可能な酸化物超伝導薄膜の表面処理方法
および表面処理装置を提供することにある。
[Problem to be Solved by the Invention] An object of the present invention is to form a surface deterioration layer of an oxide superconducting thin film by:
Provided are a surface treatment method and a surface treatment apparatus for an oxide superconducting thin film that can be removed without causing surface damage and that can easily form wiring, electrode contacts, and the like of a high-performance superconducting device. It is in.

[課題を解決するための手段] 本発明の酸化物超伝導薄膜の表面処理方法は、酸化物
超伝導薄膜が形成された基体を、真空に排気された真空
槽中に配置し、前記薄膜表面に、前記真空槽に備え付け
られたイオン発生源から発生された10〜200eVの範囲の
エネルギーを有するイオンビームを照射することを特徴
とする。
[Means for Solving the Problems] In the surface treatment method for an oxide superconducting thin film of the present invention, a substrate on which an oxide superconducting thin film is formed is placed in a vacuum chamber evacuated to a vacuum, And irradiating an ion beam having an energy in the range of 10 to 200 eV generated from an ion source provided in the vacuum chamber.

本発明の酸化物超伝導薄膜の表面処理装置は、真空槽
と排気系とを少なくとも有し; 酸化物超伝導薄膜を形成した基体を前記真空槽内に保
持しかつ冷却する保持・冷却機構と; イオンビームを発生し、かつ前記基体面にイオンビー
ムを照射するための少なくとも2つ以上の電子サイクロ
トロン共鳴型イオン源と; 前記イオンビームの照射後に、前記基体面に金属層及
び/又は絶縁層を連続的に形成するための薄膜堆積機構
と; を備えたことを特徴とする。
The surface treatment apparatus for an oxide superconducting thin film of the present invention has at least a vacuum chamber and an exhaust system; a holding / cooling mechanism for holding and cooling the substrate on which the oxide superconducting thin film is formed in the vacuum chamber; At least two or more electron cyclotron resonance ion sources for generating an ion beam and irradiating the substrate surface with the ion beam; and after irradiating the ion beam, a metal layer and / or an insulating layer on the substrate surface. And a thin film deposition mechanism for continuously forming.

[作用] 以下に本発明の作用を詳細な構成とともに説明する。[Operation] The operation of the present invention will be described below together with the detailed configuration.

本発明は、所定のエネルギーを有するイオンビームを
表面劣化層に照射するものである。
According to the present invention, an ion beam having a predetermined energy is applied to a surface deterioration layer.

ここで、イオンビームのソースとして不活性ガス元素
(例えば、He,Ne,Ar,Kr,Xe等)を用いることができ、そ
の物理的なエッチグ作用により効率的な表面処理を行う
ことができる。このイオンビームの照射においては、イ
オンエネルギーの設定が重要である。このエネルギーが
200eVを越えると、酸化物薄膜表面の結晶性に損傷を与
え、また10eV未満では照射効果(すなわち、表面劣化層
の除去効果)が期待できない。このため10〜200eVとい
うエネルギーの範囲に設定する。
Here, an inert gas element (for example, He, Ne, Ar, Kr, Xe, or the like) can be used as a source of the ion beam, and efficient surface treatment can be performed by the physical etching action. In this ion beam irradiation, setting of ion energy is important. This energy
If it exceeds 200 eV, the crystallinity of the oxide thin film surface will be damaged, and if it is less than 10 eV, the irradiation effect (ie, the effect of removing the surface deteriorated layer) cannot be expected. Therefore, the energy is set in the range of 10 to 200 eV.

また、表面損傷をさらに低減化するためには、例え
ば、F,Cl,Br等のハロゲン元素を構成元素とするガス
(例えばCnF2n+2,CCl4,CBr4,CCl2F2,CBrF3等)のイオン
ビームを前記不活性ガスのイオンビームに混入させるこ
とが好ましい。この場合、物理的エッチング作用の他に
化学的エッチング作用も加味されるため非常に照射効果
が顕著となる。
In order to further reduce surface damage, for example, a gas containing a halogen element such as F, Cl, or Br as a constituent element (for example, CnF 2n + 2 , CCl 4 , CBr 4 , CCl 2 F 2 , CBrF 3 ) Is preferably mixed with the inert gas ion beam. In this case, since the chemical etching action is added in addition to the physical etching action, the irradiation effect becomes very remarkable.

これを実行するための第1の方法としては、不活性ガ
スのイオンビームと、ハロゲン元素を構成元素とするガ
スのイオンビームを同時に照射する方法がある(請求項
2)。
As a first method for performing this, there is a method of simultaneously irradiating an ion beam of an inert gas and an ion beam of a gas containing a halogen element as a constituent element.

一方、第2の方法としては、ハロゲン元素を構成元素
とするガスと不活性ガスとの混合ガスをソースとして発
生されたイオンビームを照射する方法がある(請求項
3)。
On the other hand, as a second method, there is a method of irradiating an ion beam generated using a mixed gas of a gas containing a halogen element as a constituent element and an inert gas as a source.

なお、第2の方法において、不活性ガスとハロゲンガ
スの混合比は、次のように設定する。ハロゲン元素を構
成元素とするガスの量が、多すぎると、酸化物薄膜表面
に多量の酸化物のハロゲン化した層が形成されて、有効
なエッチングが進行しなくなるため、混合ガス中のハロ
ゲン元素を構成元素とするガスの体積分率を10%以下と
する。
In the second method, the mixing ratio between the inert gas and the halogen gas is set as follows. If the amount of the gas containing a halogen element as a constituent element is too large, a large amount of an oxide halogenated layer is formed on the surface of the oxide thin film and effective etching does not proceed. Is set to 10% or less by volume.

なお、イオンビームの照射時における真空槽の真空度
としては、例えば10-4Torr以下が好ましく、10-6以下が
より好ましい。
The degree of vacuum in the vacuum chamber at the time of ion beam irradiation is, for example, preferably 10 -4 Torr or less, and more preferably 10 -6 or less.

このようなイオンビームの発生源としては、まずカウ
フマン型イオン源が考えられる。カウフマン型イオン源
の場合プラズマを発生するための熱電子放出用としてタ
ングステンなどを材料とするフィラメントが用いられる
ため、ソースガスが活性なハロゲンガスを含む場合に、
フィラメント断線によるイオン源動作停止までの寿命が
約数時間と短く、また断線にいたるまでにフィラメント
が次第に劣化するため、イオン電流値の変動が大きく、
十分に制御することが困難である。従って、イオンビー
ムの発生源としては、マイクロ波によりプラズマが発生
されるECR(電子サイクロトロン共鳴)型イオン源を用
いることが好ましい。ECR型イオン源の場合、フィラメ
ントを用いないため、反応性ガスを含むイオンビームを
安定して発生させることができる上、低エネルギーのイ
オンビームの発生も容易となる。
As a source of such an ion beam, a Kaufman-type ion source can be considered first. In the case of a Kaufman-type ion source, a filament made of tungsten or the like is used for emitting thermionic electrons for generating plasma, so when the source gas contains an active halogen gas,
The life of the ion source due to filament disconnection is short, about several hours, and the filament gradually deteriorates until the disconnection occurs.
It is difficult to control well. Therefore, it is preferable to use an ECR (Electron Cyclotron Resonance) ion source in which plasma is generated by microwaves as a source of the ion beam. In the case of an ECR type ion source, since a filament is not used, an ion beam containing a reactive gas can be stably generated, and a low energy ion beam can be easily generated.

そこで、本発明の表面処理装置においては、イオン源
としてECR型イオン源を用い、これを少なくとも2以上
備えせしめるとともに、金属層あるいは絶縁層を、表面
劣化層の除去後連続的に形成するための薄膜堆積機構を
備えせしめる。
Therefore, in the surface treatment apparatus of the present invention, an ECR type ion source is used as an ion source, and at least two or more of them are provided, and a metal layer or an insulating layer is formed continuously after removing the surface deterioration layer. Provide a thin film deposition mechanism.

なお、この表面処理装置は、不活性ガスのイオンビー
ムと、ハロゲン元素を構成元素とするガスのイオンビー
ムとを併用する場合に好適であるが、不活性ガスのイオ
ンビームのみを照射する場合にも用いることができる。
この場合は、2以上のECR型イオン源のうちの1つ以外
は休止させておけばよい。
Note that this surface treatment apparatus is suitable for using both an ion beam of an inert gas and an ion beam of a gas containing a halogen element as a constituent element. Can also be used.
In this case, all but one of the two or more ECR ion sources may be stopped.

一方、薄膜堆積機構としては、例えば、蒸着、スパッ
タ、イオンプレーティング、化学気相成長等の機能を有
しているものがあげられる。
On the other hand, examples of the thin film deposition mechanism include those having functions such as vapor deposition, sputtering, ion plating, and chemical vapor deposition.

本発明装置においては、表面劣化層の除去後、連続的
に金属層あるいは絶縁層を形成せしめることができるた
め、表面劣化層除去後に露出する清浄な酸化物伝導薄膜
の表面を清浄なまま維持でき、その清浄な表面上に貴金
属等よりなる金属層あるいは絶縁層を形成することがで
き、優れた特性を有するトンネル型ジョセフソン接合、
電極コンタクト等の形成が可能となる。
In the device of the present invention, since the metal layer or the insulating layer can be continuously formed after the removal of the surface deterioration layer, the surface of the clean oxide conductive thin film exposed after the removal of the surface deterioration layer can be kept clean. A tunnel type Josephson junction having excellent characteristics, in which a metal layer or an insulating layer made of a noble metal or the like can be formed on the clean surface thereof,
An electrode contact or the like can be formed.

以上のように、本発明では、低エネルギーイオンビー
ムによる物理的・化学的エッチング作用を利用するので
あるから、酸化物超伝導薄膜への表面損傷を最小限にと
どめることができる点が従来技術と異なる。
As described above, in the present invention, since the physical and chemical etching action by the low energy ion beam is used, the point that the surface damage to the oxide superconducting thin film can be minimized as compared with the prior art. different.

[実施例] 以下に、実施例に基づいて本発明をより詳細に説明す
る。
EXAMPLES Hereinafter, the present invention will be described in more detail based on examples.

(実施例1) 本例では、第1図に示す表面処理装置を用いた。Example 1 In this example, the surface treatment apparatus shown in FIG. 1 was used.

この装置は、真空槽8と排気系7とを有し、酸化物超
伝導薄膜9を形成した基板2を真空槽8内に保持しかつ
冷却する保持・冷却機構1と、イオンビームを発生し、
かつ基板2の面にイオンビームを照射するための第1の
ECRイオン源3と第2のECRイオン源4と、イオンビーム
の照射後に、基板2面に、金属層を連続的に形成するた
めの金属層堆積機構5と、絶縁層を連続的に形成するた
めの絶縁層堆積機構6を備えている。
This apparatus has a vacuum chamber 8 and an exhaust system 7, a holding / cooling mechanism 1 for holding and cooling the substrate 2 on which the oxide superconducting thin film 9 is formed in the vacuum chamber 8, and generating an ion beam. ,
And a first for irradiating the surface of the substrate 2 with an ion beam.
An ECR ion source 3, a second ECR ion source 4, a metal layer deposition mechanism 5 for continuously forming a metal layer on the surface of the substrate 2 after the irradiation of the ion beam, and an insulating layer are continuously formed. For depositing an insulating layer.

本例では、この装置を用いて、以下の表面処理を行っ
た。
In this example, the following surface treatment was performed using this apparatus.

以下にその詳細を説明する。 The details will be described below.

まず、SrTiO3基板上に、Y-Ba-Cu-O薄膜(膜厚:2000
A)を形成した。この薄膜をX線回析法により調べた結
果、c軸の格子定数が11.7Aで、超伝導転移温度Tc=90K
を示す超伝導体の結晶構造を持ち、結晶の配向性(c軸
方向)が非常に高いことが分った。
First, on a SrTiO 3 substrate, a Y-Ba-Cu-O thin film (film thickness: 2000
A) formed. The thin film was analyzed by X-ray diffraction. As a result, the lattice constant of the c-axis was 11.7A, and the superconducting transition temperature Tc = 90K
And the crystal orientation (c-axis direction) of the crystal was very high.

次に、この薄膜の形成された基板を、高速反射電子線
回析(RHEED)、オージェ電子分光(AES)、ECRイオン
ビーム照射装置、逆スパッタ機構(いずれも図示せず)
を装備した真空槽8中の基板保持・冷却機構1に固定し
た。この際に基板1は大気にさらされた。
Next, the substrate on which the thin film is formed is subjected to high-speed reflection electron beam diffraction (RHEED), Auger electron spectroscopy (AES), an ECR ion beam irradiation device, and a reverse sputtering mechanism (all not shown).
Was fixed to the substrate holding / cooling mechanism 1 in the vacuum chamber 8 equipped with At this time, the substrate 1 was exposed to the atmosphere.

表面処理を施す前の薄膜の表面については、RHEEDパ
ターンにおいて弱いスポットとリングが混在したパター
ンが見られ、AESによる表面組成分析の結果、薄膜の成
分元素であるY,Ba,Cu,O以外にC,Nが数十%程度検出され
た。すなわち、大気中に取り出したことにより、表面に
結晶性の低い汚染層が形成されていることが分った。
On the surface of the thin film before surface treatment, a pattern in which weak spots and rings were mixed in the RHEED pattern was seen.As a result of surface composition analysis by AES, in addition to Y, Ba, Cu, O Approximately several tens of percent of C and N were detected. That is, it was found that a contaminant layer having low crystallinity was formed on the surface by taking out into the atmosphere.

以上のように、表面処理前の特性の測定が終了した
後、次の手順により表面処理を行った。
As described above, after the measurement of the characteristics before the surface treatment was completed, the surface treatment was performed according to the following procedure.

まず、排気系7を用いて真空槽8の内部を約10-6Torr
に排気した。
First, the inside of the vacuum chamber 8 is evacuated to about 10 −6 Torr using the exhaust system 7.
Exhausted.

次いで、ECRイオンビーム源4を用いて、100eVのArイ
オンビーム(ビーム電流密度:0.5mA/cm2)を10分間薄膜
表面に照射することにより表面処理を行った。
Next, the surface treatment was performed by irradiating the thin film surface with an Ar ion beam of 100 eV (beam current density: 0.5 mA / cm 2 ) for 10 minutes using the ECR ion beam source 4.

表面処理後、この試料のRHEEDパターンを調べたとこ
ろ、RHEEDパターンに非常に強いスポットが規則的に配
列した状態が観測された。従って、表面は優れた結晶性
を持つことが分かった。
After the surface treatment, the RHEED pattern of this sample was examined. As a result, a state in which spots having extremely strong RHEED patterns were regularly arranged was observed. Therefore, it was found that the surface had excellent crystallinity.

さらに、この試料に対して、AESによる表面組成分析
を行った結果、薄膜の成分元素であるY,Ba,Cu,O以外の
元素はAESの検出感度(0.5%)以下で検出されなかっ
た。従って、表面に存在していた汚染層が除去されてい
ることが分かった。
Further, as a result of analyzing the surface composition of this sample by AES, elements other than Y, Ba, Cu, and O, which are the constituent elements of the thin film, were not detected at AES detection sensitivity (0.5%) or less. Therefore, it was found that the contaminant layer existing on the surface was removed.

また、Arにかえ、He,Ne,Kr,Xeをイオン種としたECRイ
オンビームを用い、他の条件は上記例と同様にして実験
を行ったが、Arイオンビームの場合と同様な効果を持つ
ことが分かった。
In addition, an experiment was performed in the same manner as in the above example using an ECR ion beam in which He, Ne, Kr, and Xe were used as ion species instead of Ar, but the same effect as in the case of the Ar ion beam was obtained. I found it to have.

以上のように、本例によって、表面損傷を与えること
なく、酸化物超伝導薄膜の表面劣化層を除去することが
できることが確認された。
As described above, according to this example, it was confirmed that the surface-deteriorated layer of the oxide superconducting thin film could be removed without causing surface damage.

(比較例) 本例では、10eV未満のエネルギーを有するイオンビー
ムと、200eVを越えるエネルギーを有するイオンビーム
をそれぞれ照射した。
Comparative Example In this example, an ion beam having an energy of less than 10 eV and an ion beam having an energy of more than 200 eV were irradiated.

他の条件は実施例1と同様とした。 Other conditions were the same as in Example 1.

照射終了後、RHEED及びAESにより結晶性、表面組成分
析を行なったところ、10eV未満の場合は、表面劣化層の
除去はほとんど行われておらず、照射効果が期待でき
ず、一方、200eVを超えた場合は結晶性に影響を与えて
いることが確認された。
After the irradiation was completed, the crystallinity and surface composition were analyzed by RHEED and AES.If it was less than 10 eV, the removal of the surface deteriorated layer was hardly performed, and the irradiation effect could not be expected. In this case, it was confirmed that crystallinity was affected.

(従来例1) 次に、別の試料を同一装置に導入し、従来法により、
すなわち、Arガス5Pa中での逆スパッタ(バイアス電圧V
P-P=800V)により表面処理を行った。
(Conventional Example 1) Next, another sample was introduced into the same apparatus, and the conventional method was used.
That is, reverse sputtering (bias voltage V
(PP = 800V).

この薄膜表面は、RHEEDパターンにおいて弱いスポッ
トとリングが混在したパターンが見られ、AESにおいて
薄膜の成分元素である、Y,Ba,Cu,O以外にC,Nが数十%程
度検出された。すなわち、表面に形成された結晶性の低
い汚染層がほとんど除去されずそのまま残っていること
が分かった。
On the surface of this thin film, a pattern in which weak spots and rings were mixed in the RHEED pattern was observed, and C and N were detected in the AES at about several tens of percents in addition to the constituent elements of the thin film, Y, Ba, Cu, and O. That is, it was found that the contaminant layer having low crystallinity formed on the surface was hardly removed and remained as it was.

また、従来法で、Arガス圧を1〜50Paの範囲で、バイ
アス電圧を100〜1000Vの範囲で変化させて、表面処理を
行ったが、RHEED,AESとも同様の結果が得られ、表面汚
染層が除去されていないことが分かった。
In the conventional method, the surface treatment was performed by changing the Ar gas pressure in the range of 1 to 50 Pa and the bias voltage in the range of 100 to 1000 V, but the same result was obtained for both RHEED and AES, and the surface contamination was obtained. It was found that the layer was not removed.

なお、上述した実施例1と従来例1との結果を表1に
まとめて示す。
Table 1 summarizes the results of Example 1 and Conventional Example 1 described above.

(実施例2、従来例2) MgO基体上に形成されたBi-Sr-Ca-Cu-O超伝導薄膜を用
いて、本発明および従来の表面処理による、電極コンタ
クト抵抗の違いを比較した。
(Example 2, Conventional Example 2) Using a Bi-Sr-Ca-Cu-O superconducting thin film formed on a MgO substrate, the difference in electrode contact resistance between the present invention and the conventional surface treatment was compared.

Bi-Sr-Ca-Cu-O薄膜の膜厚は3000A、超伝導転移温度Tc
zeroは105Kであった。
Bi-Sr-Ca-Cu-O thin film thickness is 3000A, superconducting transition temperature Tc
zero was 105K.

薄膜をフォト工程(レジスト塗布、露光、現像)およ
びイオンビームエッチングにより、4端子電気抵抗測定
用の形状にパターニングした。
The thin film was patterned into a shape for four-terminal electrical resistance measurement by a photo process (resist coating, exposure, development) and ion beam etching.

ついでフォト工程(レジスト塗布、露光、現像)によ
りAu電極用のリフトオフステンシルを形成した。ここ
で、電極部の面積は200μm×200μm、電極部の個数は
10個とした。
Then, a lift-off stencil for the Au electrode was formed by a photo process (resist coating, exposure, development). Here, the area of the electrode part is 200 μm × 200 μm, and the number of the electrode part is
There were ten.

このような試料を2枚用意し、本発明および従来法を
用いて、表面処理を行った。その後、500A厚のAu薄膜を
堆積し、アセトン中でリフトオフを行うことにより、Au
コンタクト電極パターンを形成した。
Two such samples were prepared, and surface treatment was performed using the present invention and the conventional method. After that, a 500A thick Au thin film is deposited, and lift-off is performed in acetone, so that Au
A contact electrode pattern was formed.

ここにおいて、表面処理は、本発明では、(Ar+5%
CF4)の混合ガスをソースガスとしたECRイオンビーム
(イオンビームエネルギー:50eV、ビーム電流密度:0.3A
/cm2)を5分間照射することにより行った。一方、従来
法では、(Ar+10%CF4)の混合ガス中(10Pa)でRFス
パッタクリーニング(VP-P=500V,5min)することによ
り行った。
Here, in the present invention, the surface treatment is (Ar + 5%
ECR ion beam using a mixed gas of CF 4 ) as a source gas (ion beam energy: 50 eV, beam current density: 0.3 A)
/ cm 2 ) for 5 minutes. On the other hand, in the conventional method, RF sputter cleaning (V PP = 500 V, 5 min) was performed in a mixed gas of (Ar + 10% CF 4 ) (10 Pa).

こうして作製した試料を用いて、超伝導薄膜とAu薄膜
の間のコンタクト抵抗を評価した。本発明により作成し
た試料では、コンタクト抵抗は1×10-5〜1×10-6Ωcm
2と非常に低い値が得られ、良好なコンタクトが形成さ
れていることが分かった。一方、従来法により作製した
試料では、コンタクト抵抗は1×10-3〜1Ωcm2の範囲
にあり、ばらつきが大きく、全体に大きな値となってお
り、コンタクトの形成が不十分であることが分かった。
The contact resistance between the superconducting thin film and the Au thin film was evaluated using the sample thus manufactured. In the sample prepared according to the present invention, the contact resistance is 1 × 10 −5 to 1 × 10 −6 Ωcm.
A very low value of 2 was obtained, indicating that a good contact was formed. On the other hand, in the sample manufactured by the conventional method, the contact resistance was in the range of 1 × 10 −3 to 1 Ωcm 2 , the variation was large, and the value was large as a whole, and it was found that the contact formation was insufficient. Was.

また、ソースガスとしての混合ガス中のCF4を一般的
にCnF2n+2とした場合につき、また、混合ガスを、(Ar
+2%CCl2)の混合ガス、(Ar+6%CCl2F2)の混合ガ
ス、(Ar+8%CBr4)の混合ガス、(Ar+10%CBrF3
の混合ガスとした場合につき、それぞれ同様な実験を行
ったが、上記と同様な結果が得られた。
Further, when CF 4 in the mixed gas as the source gas is generally CnF 2n + 2, and the mixed gas is (Ar
+ 2% CCl 2 ), (Ar + 6% CCl 2 F 2 ), (Ar + 8% CBr 4 ), (Ar + 10% CBrF 3 )
The same experiment was carried out for each of the cases where the mixed gas was used, but the same results as above were obtained.

また、これら混合ガス中のArを他の不活性ガス(He,N
e,Kr,Xe)に変えても同様の結果が得られた。ここでハ
ロゲン元素を構成元素とするガスの混合比は10%以下と
する必要があり、これ以上にすると酸化物薄膜表面に多
量の酸化物のハロゲン化した層が形成されて、有効なエ
ッチングが進行しなくなることも確認された。さらに、
この場合にも混合ガスのイオンエネルギーは第1の実施
例と同様10〜200eVの範囲におさえる必要があることも
確認された。
In addition, Ar in these mixed gases is converted into another inert gas (He, N
e, Kr, Xe), the same result was obtained. Here, the mixing ratio of the gas containing a halogen element as a constituent element needs to be 10% or less, and if it is more than this, a large amount of a halogenated layer of oxide is formed on the surface of the oxide thin film, and effective etching is performed. It was also confirmed that it did not progress. further,
Also in this case, it was confirmed that the ion energy of the mixed gas had to be kept within the range of 10 to 200 eV as in the first embodiment.

(実施例3) LaAlO3基体上にスパッタ法により、Eu-Ba-Cu-O超伝導
薄膜を1500A厚堆積した。この薄膜をフォト工程(レジ
スト塗布、露光、現像)およびイオンビームエッチング
により、下部電極形状にパターニングした。ついでフォ
ト工程(レジスト塗布、露光、現像)により上部電極用
のリフトオフステンシルを形成した。ここで、接合部の
面積は50μm×50μmとした。このような試料を2枚用
意し、本発明および従来法を用いてトンネル型ジョセフ
ソ接合を作製した。
Example 3 A 1500 A thick Eu-Ba-Cu-O superconducting thin film was deposited on a LaAlO 3 substrate by sputtering. This thin film was patterned into a lower electrode shape by a photo process (resist coating, exposure, development) and ion beam etching. Then, a lift-off stencil for the upper electrode was formed by a photo process (resist coating, exposure, development). Here, the area of the joint was 50 μm × 50 μm. Two such samples were prepared, and a tunnel-type Josephson junction was manufactured using the present invention and the conventional method.

ここでも第1図に示す本発明に係る表面処理装置を用
いた。本例では、金属層堆積機構として、電子銃蒸発源
5aを有する蒸着装置5を用いた。また、絶縁層堆積機構
として交流マグネトロンスパッタ装置6を用いた。な
お、ターゲット6aとしてMgOターゲットを用いた。
Here, the surface treatment apparatus according to the present invention shown in FIG. 1 was used. In this example, the electron gun evaporation source is used as the metal layer deposition mechanism.
The vapor deposition device 5 having 5a was used. In addition, an AC magnetron sputtering device 6 was used as an insulating layer deposition mechanism. Note that an MgO target was used as the target 6a.

本装置の真空槽内の基板保持・冷却機構に試料を配置
し、この試料表面に、Arイオンビーム(エネルギー:120
eV、イオン電流密度0.2A/cm2)と、ハロゲン元素を構成
元素とするガスのイオンビーム(ソースガス:CCl4,エ
ネルギー:20eV、イオン電流密度0.1A/cm2)とを10分間
同時照射し、ついで交流マグネトロンスパッタカソード
によりバリア層としてMgOを20A堆積し、最後に電子銃蒸
発源により上部電極Nbを1200Aに形成して、トンネル型
ジョセフソン接合とした。
A sample is placed on the substrate holding / cooling mechanism in the vacuum chamber of this device, and an Ar ion beam (energy: 120
eV, ion current density 0.2 A / cm 2 ) and ion beam of gas containing halogen element (source gas: CCl 4 , energy: 20 eV, ion current density 0.1 A / cm 2 ) for 10 minutes Then, 20 A of MgO was deposited as a barrier layer using an AC magnetron sputter cathode, and finally an upper electrode Nb was formed to 1200 A using an electron gun evaporation source to form a tunnel-type Josephson junction.

一方、従来法により、すなわち(Ar+10%O2)の混合
ガス中(6Pa)でのRFスパッタクリーニング(VP-P=500
V,15min)を行い、ついで同様にしてバリア層としてMgO
を20A堆積し、最後に上部電極Nbを1200A形成して、トン
ネル型ジョセフソン接合とした。
On the other hand, according to the conventional method, that is, RF sputter cleaning (V PP = 500) in a mixed gas of (Ar + 10% O 2 ) (6 Pa).
V, 15 min), and then use MgO as a barrier layer in the same manner.
Was deposited at 20 A, and finally an upper electrode Nb was formed at 1200 A to form a tunnel-type Josephson junction.

以上のようにして作成したトンネル型ジョセフソン接
合の電流−電圧特性を、液体温度4.2Kで測定した。本発
明で作製した接合は、トンネル接合特有の非線形性を示
し、ジョセフソン電流、超伝導ギャップ構造が観測され
た。これに対し、従来法で作製した接合は、非線形性を
示さず、ジョセフソン電流,超伝導ギャップ構造が観測
されなかった。
The current-voltage characteristics of the tunnel-type Josephson junction prepared as described above were measured at a liquid temperature of 4.2K. The junction fabricated according to the present invention exhibited nonlinearity peculiar to a tunnel junction, and a Josephson current and a superconducting gap structure were observed. On the other hand, the junction fabricated by the conventional method did not exhibit nonlinearity, and no Josephson current and superconducting gap structure were observed.

不活性ガスとして、Arにかえ、He,Ne,Kr,Xeを用いた
場合、および、ハロゲン元素を構成元素とするガスとし
て、CCl4にかえ、CrF2n+2,CBr4,CCl2F2,CBrF3を用た場
合につきそれぞれ実験を行ったところ、上記と同様の結
果が得られた。この場合も各イオンビームのエネルギー
は10〜200eVの範囲におさえて照射する必要があること
が確認された。
When He, Ne, Kr, Xe is used instead of Ar as an inert gas, and as a gas containing a halogen element as a constituent element, CCl 4 is used instead of CrF 2n + 2 , CBr 4 , CCl 2 F 2 , And CBrF 3 were used, and experiments were performed. The same results as above were obtained. In this case also, it was confirmed that the irradiation of each ion beam was required to be performed within the energy range of 10 to 200 eV.

[発明の効果] 以上説明したように、本発明によれば、例えば、大気
中露出、フォト工程等のプロセス処理によって生ずる酸
化物超伝導薄膜の表面劣化層、汚染層に対して、10〜20
0eVのエネルギーを有するイオンビームを照射すること
により、その表面層にダメージを残さずに効率的なエッ
チングが行われ、その表面が回復、清浄化されるのであ
るから、酸化物超伝導体薄膜とバリア層、金属層との良
好な界面特性を実現できるという利点がある。従って、
酸化物超伝導体を用いたトンネル接合、電極コンタクト
形成が可能となる。
[Effects of the Invention] As described above, according to the present invention, for example, the surface degradation layer and the contaminant layer of the oxide superconducting thin film caused by the process such as exposure to the air and the photo process are reduced by 10 to 20%.
By irradiating an ion beam having an energy of 0 eV, the surface layer is efficiently etched without leaving any damage, and the surface is recovered and cleaned. There is an advantage that good interface characteristics with the barrier layer and the metal layer can be realized. Therefore,
Tunnel junctions and electrode contacts can be formed using oxide superconductors.

特に、不活性ガスのイオンビームとハロゲン元素を構
成元素とするガスのイオンビームを照射すると、上記効
果がより一層顕著となる(請求項2、請求項3)。
In particular, when an ion beam of an inert gas and an ion beam of a gas containing a halogen element as constituent elements are irradiated, the above-mentioned effect becomes even more remarkable (claims 2 and 3).

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

第1図は本発明の表面処理装置の構成を示す断面図。 (符号の説明) 1……基板保持・冷却機構 2……基体(基板) 3……第1のECRイオン源 4……第2のECRイオン源 5……金属層堆積機構(蒸着装置) 5a……電子銃蒸発源 6……絶縁層堆積機構(スパッタ装置) 6a……ターゲット 7……真空排気系 8……真空槽 9……酸化物超伝導薄膜 FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration of a surface treatment apparatus of the present invention. (Explanation of symbols) 1... Substrate holding / cooling mechanism 2... Substrate (substrate) 3... First ECR ion source 4... Second ECR ion source 5. ... Electron gun evaporation source 6 ... Insulating layer deposition mechanism (sputtering apparatus) 6a ... Target 7 ... Vacuum exhaust system 8 ... Vacuum tank 9 ... Oxide superconducting thin film

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平1−252504(JP,A) 特開 平2−162780(JP,A) 特開 昭64−50581(JP,A) 特開 平1−236663(JP,A) 特開 平1−157579(JP,A) 特開 昭64−87516(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) C01G 3/00 C01G 29/00 C01G 1/00 H01L 39/24 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuation of the front page (56) References JP-A-1-252504 (JP, A) JP-A-2-162780 (JP, A) JP-A-64-50581 (JP, A) JP-A-1- 236663 (JP, A) JP-A-1-157579 (JP, A) JP-A-64-87516 (JP, A) (58) Fields investigated (Int. Cl. 6 , DB name) C01G 3/00 C01G 29 / 00 C01G 1/00 H01L 39/24

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】酸化物超伝導薄膜が形成された基体を、真
空に排気された真空槽中に配置し、前記薄膜表面に、前
記真空槽に備え付けられたイオン発生源から発生された
10〜200eVの範囲のエネルギーを有するイオンビームを
照射することを特徴とする酸化物超伝導薄膜の表面処理
方法。
1. A substrate on which an oxide superconducting thin film is formed is placed in a vacuum chamber evacuated to a vacuum, and the surface of the thin film is generated from an ion source provided in the vacuum chamber.
A surface treatment method for an oxide superconducting thin film, comprising irradiating an ion beam having an energy in the range of 10 to 200 eV.
【請求項2】前記イオン発生源として2基のイオン発生
源を用い、第1のイオン発生源から発生された不活性ガ
スのイオンビームと、第2のイオン発生源から発生され
たハロゲン元素を構成元素とするガスのイオンビームと
を同時に、前記薄膜の表面に照射することを特徴とする
請求項1記載の酸化物超伝導薄膜の表面処理方法。
2. An ion source comprising two ion sources, wherein an inert gas ion beam generated from a first ion source and a halogen element generated from a second ion source are used. The surface treatment method for an oxide superconducting thin film according to claim 1, wherein the surface of the thin film is simultaneously irradiated with an ion beam of a gas as a constituent element.
【請求項3】不活性ガスと、ハロゲン元素を構成元素と
するガスとの混合ガスであって、ハロゲン元素を構成元
素とするガスの体積分率が10%以下の混合ガスをソース
として発生されたイオンビームを、前記薄膜の表面に照
射することを特徴とする請求項1記載の酸化物超伝導薄
膜の表面処理方法。
3. A mixed gas of an inert gas and a gas containing a halogen element as a constituent element, wherein the mixed gas having a volume fraction of a gas containing a halogen element as a constituent element of 10% or less is generated as a source. 2. The surface treatment method for an oxide superconducting thin film according to claim 1, wherein the surface of the thin film is irradiated with the ion beam.
【請求項4】真空槽と排気系とを少なくとも有し; 酸化物超伝導薄膜を形成した基体を前記真空槽内に保持
しかつ冷却する保持・冷却機構と; イオンビームを発生し、かつ前記基体面にイオンビーム
を照射するための少なくとも2つ以上の電子サイクロト
ロン共鳴型イオン源と; 前記イオンビームの照射後に、前記基体面に金属層及び
/又は絶縁層を連続的に形成するための薄膜堆積機構
と; を備えたことを特徴とする酸化物超伝導薄膜の表面処理
装置。
4. A holding / cooling mechanism having at least a vacuum chamber and an exhaust system; holding and cooling a substrate having an oxide superconducting thin film formed therein in the vacuum chamber; and generating an ion beam; At least two or more electron cyclotron resonance ion sources for irradiating the substrate surface with an ion beam; and a thin film for continuously forming a metal layer and / or an insulating layer on the substrate surface after the ion beam irradiation. A surface treatment apparatus for an oxide superconducting thin film, comprising: a deposition mechanism.
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