JP2964112B2 - 直流駆動型超伝導量子干渉素子 - Google Patents

直流駆動型超伝導量子干渉素子

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は高感度電磁気センサ、
電流計、変位計、または高周波信号増幅器などに応用す
る直流駆動型超伝導量子干渉素子(以下、dc SQU
IDという)に関するものである。
【0002】
【従来技術】図2に従来構造のdc SQUIDの平面
図を示す。ワッシャーカバー8を付けていたが、グラン
ドプレーンがなかったため、ジョセフソン素子1には外
部磁束が容易に鎖交して、磁束がトラップしやすくな
り、動作が不安定になった。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】ジョセフソン素子1付
近に磁束トラップが発生するとSQUIDの動作が不安
定になった。
【0004】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、ジョセフソン素子1を含む部分に重なるように超伝
導層でグランドプレーン7を設ける。この工程はワッシ
ャーコイル4のワッシャーカバー8と同一工程で製作す
るので、工程数は増加しない。
【0005】
【作用】上記のように構成されたdc SQUIDはジ
ョセフソン素子1付近がグランドプレーン7により超伝
導シールドされるため、外部からの磁束は鎖交しなくな
り、磁束トラップがない安定な動作が可能となる。
【0006】
【実施例】図1に本発明の第1実施例であるdc SQ
UIDの平面図を示す。dc SQUIDは超伝導状態
で動作時にSQUID内部で磁束がトラップされたり、
動いたりすると出力信号が揺らぎ動作が不安定となる。
特にジョセフソン素子1の付近でトラップがあると影響
が大きい。ジョセフソン素子1と構造的に、平面的に広
く重なり、電気的に絶縁される超伝導層であるグランド
プレーン7を形成し、グランドプレーン7を設けること
により磁束トラップが発生しにくくなり、動作が安定す
る。グランドプレーン7を製作する工程は超伝導層より
なるワッシャーカバー8と同一工程で製作可能なため、
工程数の増加はない。
【0007】実際に製作する工程を、図1のA−A’と
パッドの部分での断面図である図3を使って説明する。
製作方法は薄膜をフォトリソ工程でパターニングする方
法で製作する。最初にグランドプレーン7とワッシャー
カバー8を超伝導膜で形成し、層間絶縁膜11で絶縁す
る。超伝導膜の例としてはNbをDCマグネトロンスパ
ッタで堆積する方法が一般的である。膜厚は超伝導シー
ルドするのに必要な値であり、Nbでは約100nm以
上あれば十分である。またグランドプレーン7は電気的
にSQUIDのグランドに接続してもよい。
【0008】次にdc SQUIDのシャント抵抗2及
びダンピング抵抗3の抵抗膜を堆積後、層間絶縁膜11
により前記抵抗膜を絶縁し、抵抗を設計値にする。抵抗
膜の例としてはMo,MoN,Pd,Au,Cu,A
l,Pd,Ti等の金属がありいずれもスパッタや蒸着
で堆積可能である。
【0009】ここではAlをDCマグネトロンスパッタ
で100nm堆積し、フォトリソ工程で、設計のサイズ
にパターニングする。Alのエッチングはウエットとド
ライエッチングの両方が可能である。ウエットエッチン
グの例としては主に燐酸と硝酸の混合液を使った方法が
ある。ドライエッチングの例としてはCCl4 等のCl
系のガス及びそれらの混合ガスを使った反応性イオンエ
ッチング(RIE)がある。ここではAlをウエットエ
ッチングする。層間絶縁膜11はSiO2 ,SiO,S
i,MgO等がある。どれもスパッタ、蒸着、CVD等
で堆積できる。堆積膜厚は抵抗膜を完全に絶縁するよう
に抵抗膜の1.5倍から2倍程度にする。
【0010】ここではRFマグネトロンスパッタで、S
iO2 を100−200nm堆積後、フォトリソ工程で
抵抗膜とコンタクトがとれるようにする。SiO2 のエ
ッチングはウエットとドライエッチングの両方が可能で
ある。ウエットエッチングの例としてはフッ酸の混合液
を使った方法がある。ドライエッチングの例としてはC
4 やCHF3 と酸素の混合ガスを使った反応性イオン
エッチング(RIE)がある。ここではCHF3 と酸素
の混合ガスを使ったRIEによりSiO2 をエッチング
する。
【0011】次に下部電極12、障壁層13、上部電極
14 からなるジョセフソン素子1を製作するために、
各層を堆積し、上部電極14と障壁層13をフォトリソ
工程でエッチングする。ジョセフソン素子1の例はNb
/AlOx/Nb構造の他にNbN/MgO/NbN,
Nb/Si/Nb,Nb/Nb−oxide/Nb等種
々の構造があるが、ここではNb/AlOx/Nb構造
をスパッタで堆積する。堆積例を以下に示す。
【0012】10-5Pa台以下まで高真空に引かれた反
応室にArガスを導入し圧力を0.1から4Paで下部
電極12のNb膜をDCマグネトロンスパッタで堆積す
る。膜厚は100から300nm堆積する。アルゴンガ
ス導入を止め再び反応室を10-5Pa台以下まで高真空
に引いた後、アルゴンガスを導入し圧力を0.1から4
PaでAlをDCマグネトロンスパッタし1nmから2
0nm堆積する。Alのスパッタ圧力はNbに比べて低
くした方が膜が緻密になり、Nb表面を均一に覆うこと
ができる。
【0013】またAlスパッタ前は特に高真空に排気を
行なわなくても問題はない。反応室を10-5Pa台以下
まで高真空に引き、酸素ガスまたは酸素とアルゴンの混
合ガス等を導入し圧力を設定値にし、Al表面を酸化し
てAlOx/Alの障壁層13を形成する。反応室を1
0-5Pa台以下まで高真空に引き上記Nb堆積条件で再
び上部電極14を100から300nm堆積する。
【0014】次にフォトリソ工程により上部電極14と
障壁層13をエッチングし、ジョセフソン素子1を形成
する。エッチング方法は一般的にプラズマによるドライ
エッチングを使う。上部電極14のNbはCF4 または
CF4 と酸素の混合ガスを使い反応性イオンエッチング
(RIE)する。障壁層13のAlは酸を使ったウエッ
トエッチまたはArガスによるRIEで除去する。ここ
で障壁層13はエッチングを行なわなくても良い。
【0015】次にジョセフソン素子1の下部電極12と
して堆積した超伝導膜をフォトリソ工程でパターニング
して、ワッシャーコイル4を形成する。エッチング方法
は一般的にプラズマによるドライエッチングを使う。下
部電極12のNbはCF4と酸素の混合ガスを使いプラ
ズマエッチまたは反応性イオンエッチング(RIE)す
る。ここでのエッチングは前記上部電極14のエッチン
グと異なり、酸素の量を多くして等方性エッチングをす
るとともに酸素によりパターン周辺のレジスト膜を削り
テーパ状にする。具体例としてはプラズマエッチング装
置でCF4 に10パーセントの酸素を添加したガスで、
圧力133Pa、パワー50wでエッチング可能であ
る。
【0016】次は層間絶縁膜11を堆積後フォトリソ工
程でコンタクトホールを開けた後、超伝導膜を堆積して
フォトリソ工程で帰還変調コイル6、入力コイル5を形
成する。超伝導膜の例としてはNb、NbNやPb−I
n、Pb−In−Auをスパッタや蒸着で堆積する方法
がある。
【0017】ここではジョセフソン接合の電極と同様に
して、Nb膜をDCマグネトロンスパッタで250−6
00nm堆積する。堆積前に超伝導コンタクトになるよ
うに基板をArガスで逆スパッタする。この後フォトリ
ソ工程により、ワッシャーコイル4と対向電極及び他の
配線部分を形成する。エッチングは前記の下部電極12
と同様にプラズマエッチングで行なう。
【0018】外部磁場が入力する検出コイルをSQUI
Dの工程と一緒に製作しない場合は、測定時に外部の検
出コイルと超伝導接続する必要がある。そこでパッド1
0には超伝導接続するためのバッファーメタル9が必要
となることがある。パッド10がNbで超伝導接続にP
b−Inの合金ワイヤを使用する場合にはバッファーメ
タルとしてAuをスパッタで10−100nm堆積す
る。パターニングは酸等を使ったウエットエッチで容易
に行える。
【0019】フォトリソ工程においてレジストの剥離
は、ウエットとドライ方式がある。ウエットにはアセト
ン等の有機溶剤、アルカリ性の剥離液、濃硝酸、加熱し
た濃硫酸等があり、ドライには酸素プラズマやUV光を
使ったものがある。各方法またはいくつかの方法を組み
合わせることで、剥離が可能である。
【0020】上記の様にして本発明のdc SQUID
は製作可能である。各層の順番は回路が変わらなければ
入れ換えることが可能であり変更できる。図1の形状を
したSQUIDを製作するときの設計パラメータメータ
の例を図4に示す。今までの説明では、ワッシャーコイ
ル1個のシングルワッシャーコイルタイプである。図1
の第1実施例に対して回路的に同じであっても、ワッシ
ャーコイルの数を複数個接続した形状も可能である。図
5、図6はワッシャーコイルコイルを2個接続したダブ
ルワッシャーコイルのSQUIDで、第2実施例、第3
実施例である。図1のワッシャーコイル1個のdc S
QUIDでは、ワッシャーコイルに鎖交する一様な磁場
も検出するため出力信号が揺らぎやすい。ワッシャーコ
イルを2個接続したSQUIDは一様な磁場をキャンセ
ルするため、出力信号の揺らぎが小さく安定な動作が得
られる。
【0021】ワッシャーコイルを2個接続する方法に
は、並列と直列の2種類がある。図5が並列接続、図6
が直列接続である。ダブルワッシャーコイルSQUID
には、帰還変調コイル6が2個ずつあるが、いろいろな
使用方法が考えられる。帰還変調用に一方だけ使用して
も、両方使用しても構わない。帰還用と変調用で別々に
使用してもよい。また変調用にだけ使用して、帰還は検
出コイルにカップリングさせてもよい。
【0022】
【発明の効果】この発明は以上説明したように、dc
SQUIDのジョセフソン素子に重ねてグランドプレー
ンを設けることで、磁束トラップが発生しにくくなり、
磁束トラップによる出力の揺らぎがなくなり、安定な動
作が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のdc SQUIDの平面図である。
【図2】従来のdc SQUIDの平面図である。
【図3】dc SQUID製作例の断面図である。
【図4】dc SQUIDのパラメータ例である。
【図5】ダブルワッシャーコイル並列接続SQUIDの
平面図である。
【図6】ダブルワッシャーコイル直列接続SQUIDの
平面図である。
【符号の説明】
1 ジョセフソン素子 2 シャント抵抗 3 ダンピング抵抗 4 ワッシャーコイル 5 入力コイル 6 帰還変調コイル 7 グランドプレーン 8 ワッシャーカバー 9 バッファメタル 10 パッド 11 層間絶縁膜 12 下部電極 13 障壁層 14 上部電極
フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭63−157081(JP,A) 特開 平5−175560(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) H01L 39/22 G01R 33/035 H01L 39/00 H01L 39/24

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 ワッシャーコイルの両端に接続された2
    個のジョセフソン素子により超伝導リングを形成し、前
    記ジョセフソン素子に並列接続されたシャント抵抗と、
    前記ワッシャーコイルの両端に接続されたダンピング抵
    抗と、前記ワッシャーコイルに磁気結合した入力コイル
    と帰還変調コイルとからなり、薄膜で形成される直流駆
    動型超伝導量子干渉素子において、前記ジョセフソン素
    子に重ねられ外部磁束を遮蔽するグランドプレーンと、
    前記ワッシャーコイルのスリット部を覆うワッシャーカ
    バーとを有し、前記グランドプレーンと前記ワッシャー
    カバーは同じ工程で形成された超伝導層であることを特
    徴とする直流駆動型超伝導量子干渉素子。
  2. 【請求項2】 前記入力コイルが前記ワッシャーコイル
    上に多数回スパイラル状に巻かれていることを特徴とす
    る直流駆動型超伝導量子干渉素子。
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