JP2969068B2 - 超伝導素子の製造方法 - Google Patents
超伝導素子の製造方法Info
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は超伝導体を用いた超
伝導素子の製造方法に関するもので、特に酸化物超伝導
体を用いた超伝導素子の製造方法に関するものである。
伝導素子の製造方法に関するもので、特に酸化物超伝導
体を用いた超伝導素子の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来、超伝導体として、２元系化合物と
して窒化ニオブ（ＮｂＮ）やＡ15型ゲルマニウムニオブ
（Ｎｂ3 Ｇｅ）などが知られていた。またこれらの材料
を用いたジョセフソン素子も数多く研究されてきた。こ
れらの材料の超伝導移転温度はたかだか２４°Ｋであっ
た。一方、ペロブスカイト系３元化合物は、さらに高い
移転温度が期待され、Ｂａ−Ｌａ−Ｃｕ−Ｏ系の高温超
伝導体が提案された［Ｊ．Ｇ．Ｂｅｎｄｏｒｚ ａｎｄ
Ｋ．Ａ．Ｍｕｌｌｅｒ，ツァイトシュリフトフュア
フィジーク（Ｚｅｉｔｓｈｒｉｆｔ ｆｕｒ ｐｈｙｓ
ｉｋ Ｂ）−Ｃｏｎｄｅｎｓｅｄ Ｍａｔｔｅｒ ６
４， １８９−１９３（１９８６）］。
して窒化ニオブ（ＮｂＮ）やＡ15型ゲルマニウムニオブ
（Ｎｂ3 Ｇｅ）などが知られていた。またこれらの材料
を用いたジョセフソン素子も数多く研究されてきた。こ
れらの材料の超伝導移転温度はたかだか２４°Ｋであっ
た。一方、ペロブスカイト系３元化合物は、さらに高い
移転温度が期待され、Ｂａ−Ｌａ−Ｃｕ−Ｏ系の高温超
伝導体が提案された［Ｊ．Ｇ．Ｂｅｎｄｏｒｚ ａｎｄ
Ｋ．Ａ．Ｍｕｌｌｅｒ，ツァイトシュリフトフュア
フィジーク（Ｚｅｉｔｓｈｒｉｆｔ ｆｕｒ ｐｈｙｓ
ｉｋ Ｂ）−Ｃｏｎｄｅｎｓｅｄ Ｍａｔｔｅｒ ６
４， １８９−１９３（１９８６）］。
【０００３】さらに、Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系がより高温
の超伝導体であることが最近提案された［Ｍ．Ｋ．Ｗｕ
等、 フィジカル レビュー レターズ（Ｐｈｙｓｉｃ
ａｌＲｅｖｉｅｗ Ｌｅｔｔｅｒｓ）Ｖｏｌ．５８，
Ｎｏ９， ９０８−９１０（１９８７）］。
の超伝導体であることが最近提案された［Ｍ．Ｋ．Ｗｕ
等、 フィジカル レビュー レターズ（Ｐｈｙｓｉｃ
ａｌＲｅｖｉｅｗ Ｌｅｔｔｅｒｓ）Ｖｏｌ．５８，
Ｎｏ９， ９０８−９１０（１９８７）］。
【０００４】Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系の材料の超伝導機構
の詳細は明らかではないが、移転温度が液体窒素温度以
上に高くなる可能性があり、高温超伝導体として従来の
２元系化合物より、より有望な特性が期待される。
の詳細は明らかではないが、移転温度が液体窒素温度以
上に高くなる可能性があり、高温超伝導体として従来の
２元系化合物より、より有望な特性が期待される。
【０００５】また、極最近ではＢｉ−Ｓｒ−Ｃａ−Ｃｕ
−Ｏ系やＴｌ−Ｂａ−Ｃａ−Ｃｕ−Ｏ系の１００°Ｋを
越える臨界温度を有する高温超伝導体も発見されてい
る。
−Ｏ系やＴｌ−Ｂａ−Ｃａ−Ｃｕ−Ｏ系の１００°Ｋを
越える臨界温度を有する高温超伝導体も発見されてい
る。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
酸化物高温超伝導薄膜を用いて超伝導素子を実用化する
場合に、コヒーレンス長が数ナノメートルと極めて短い
点が、膜の不均一性、結晶粒界等を反影して極めて作製
困難な主たる原因となっていた。これは、弱結合のジョ
セフソン素子を作製する場合に、弱結合部のブリッジ長
をコヒーレンス長程度の寸法にする必要があり、実際に
はこの様なナノブリッジ構造は酸化物では作製困難であ
り実現されていない。また、結晶粒界結合を用いたスト
リップ状のジョセフソン素子は提案されているが、素子
寸法が大きく、精度良く所定の位置にジョセフソン接合
を作製することは困難とされている。
酸化物高温超伝導薄膜を用いて超伝導素子を実用化する
場合に、コヒーレンス長が数ナノメートルと極めて短い
点が、膜の不均一性、結晶粒界等を反影して極めて作製
困難な主たる原因となっていた。これは、弱結合のジョ
セフソン素子を作製する場合に、弱結合部のブリッジ長
をコヒーレンス長程度の寸法にする必要があり、実際に
はこの様なナノブリッジ構造は酸化物では作製困難であ
り実現されていない。また、結晶粒界結合を用いたスト
リップ状のジョセフソン素子は提案されているが、素子
寸法が大きく、精度良く所定の位置にジョセフソン接合
を作製することは困難とされている。
【０００７】本発明は、前記従来の問題を解決するた
め、任意の位置に、所定の臨界電流値を持つジョセフソ
ン接合を有する超伝導素子を製造する方法を提供するこ
とを目的とする。
め、任意の位置に、所定の臨界電流値を持つジョセフソ
ン接合を有する超伝導素子を製造する方法を提供するこ
とを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、本発明の超伝導素子の製造方法は、基板上に形成さ
れた表面が平坦な金属酸化物薄膜を、フォトリソグラフ
ィ技術及びドライエッチング技術により、ブリッジ部に
相当する部分をエッチングして膜厚を薄くした後、酸素
雰囲気中にて結晶化温度以上の温度で熱処理を施して、
前記金属酸化物薄膜を金属酸化物超伝導薄膜とすること
により、前記ブリッジ部に相当する部分に結晶粒界のバ
ウンダリィジャンクションを形成して作製することを特
徴とする。
め、本発明の超伝導素子の製造方法は、基板上に形成さ
れた表面が平坦な金属酸化物薄膜を、フォトリソグラフ
ィ技術及びドライエッチング技術により、ブリッジ部に
相当する部分をエッチングして膜厚を薄くした後、酸素
雰囲気中にて結晶化温度以上の温度で熱処理を施して、
前記金属酸化物薄膜を金属酸化物超伝導薄膜とすること
により、前記ブリッジ部に相当する部分に結晶粒界のバ
ウンダリィジャンクションを形成して作製することを特
徴とする。
【０００９】本発明方法によれば、基板上に形成された
金属酸化物超伝導薄膜から成る２つのバンク部と、前記
金属酸化物超伝導薄膜と同一組成を含む材料から成る薄
膜で、かつ、前記バンク部の膜厚よりも薄いブリッジ部
により結晶粒界でバウンダリィジャンクションを形成
し、前記２つのバンク部が電気的に接続された構造を有
する超伝導素子を得ることができる。
金属酸化物超伝導薄膜から成る２つのバンク部と、前記
金属酸化物超伝導薄膜と同一組成を含む材料から成る薄
膜で、かつ、前記バンク部の膜厚よりも薄いブリッジ部
により結晶粒界でバウンダリィジャンクションを形成
し、前記２つのバンク部が電気的に接続された構造を有
する超伝導素子を得ることができる。
【００１０】本発明方法においては、金属酸化物超伝導
薄膜の材料が、銅元素を含む金属酸化物超伝導体である
こと、または銅元素を含む金属酸化物超伝導体が、Ａ−
Ｂ−Ｃｕ−Ｏ複合化合物である場合も含まれる。
薄膜の材料が、銅元素を含む金属酸化物超伝導体である
こと、または銅元素を含む金属酸化物超伝導体が、Ａ−
Ｂ−Ｃｕ−Ｏ複合化合物である場合も含まれる。
【００１１】ここにＡは、Ｓｃ、Ｙ、ＬａおよびＬａ系
列元素（原子番号５７〜７１、但し５７、６１、６２を
除く）のうち少なくとも１種、Ｂは、Ｂａ、Ｓｒなどの
IIａ族元素のうちの少なくとも１種、かつＡ、Ｂ元素と
Ｃｕ元素の濃度は、０．５≦（Ａ＋Ｂ）／Ｃｕ≦２．５
である。
列元素（原子番号５７〜７１、但し５７、６１、６２を
除く）のうち少なくとも１種、Ｂは、Ｂａ、Ｓｒなどの
IIａ族元素のうちの少なくとも１種、かつＡ、Ｂ元素と
Ｃｕ元素の濃度は、０．５≦（Ａ＋Ｂ）／Ｃｕ≦２．５
である。
【００１２】また、銅元素を含む金属酸化物超伝導体
が、Ｂｉを含み、かつ、ＰｂまたはＳｒ、ＣａなどのII
ａ族元素のうち少なくとも１種の元素を含む場合も含
み、また、銅元素を含む金属酸化物超伝導体が、Ｔｌを
含み、かつ、Ｐｂまたは、Ｂａ、ＣａなどのIIａ族元素
のうち少なくとも１種の元素を含む場合も同様に含まれ
る。
が、Ｂｉを含み、かつ、ＰｂまたはＳｒ、ＣａなどのII
ａ族元素のうち少なくとも１種の元素を含む場合も含
み、また、銅元素を含む金属酸化物超伝導体が、Ｔｌを
含み、かつ、Ｐｂまたは、Ｂａ、ＣａなどのIIａ族元素
のうち少なくとも１種の元素を含む場合も同様に含まれ
る。
【００１３】更には、金属酸化物超伝導薄膜の材料が、
ＢａおよびＢｉを含む複合酸化物超伝導体である場合も
含まれる。本発明の超伝導素子の製造方法として、基板
上に形成された金属酸化物超伝導薄膜に、フォトリソグ
ラフィ技術でブリッジ部に相当する上部を除く部分にエ
ッチングマスクを形成した後、不活性ガスイオンを照射
して前記ブリッジ部に相当する部分の前記金属酸化物超
伝導薄膜をエッチングしてブリッジ部の結晶粒界でバウ
ンダリィジャンクションを形成した後、前記エッチング
マスクを除去して作製する。または、基板上に形成され
た金属酸化物薄膜を、フォトリソグラフィ技術およびド
ライエッチング技術のいずれかにより、ブリッジ部に相
当する部分をエッチングして膜厚を薄くし結晶粒界でバ
ウンダリィジャンクションを形成した後、酸素雰囲気中
にて熱処理を施して、前記金属酸化物薄膜を金属酸化物
超伝導薄膜とすることにより作製する。
ＢａおよびＢｉを含む複合酸化物超伝導体である場合も
含まれる。本発明の超伝導素子の製造方法として、基板
上に形成された金属酸化物超伝導薄膜に、フォトリソグ
ラフィ技術でブリッジ部に相当する上部を除く部分にエ
ッチングマスクを形成した後、不活性ガスイオンを照射
して前記ブリッジ部に相当する部分の前記金属酸化物超
伝導薄膜をエッチングしてブリッジ部の結晶粒界でバウ
ンダリィジャンクションを形成した後、前記エッチング
マスクを除去して作製する。または、基板上に形成され
た金属酸化物薄膜を、フォトリソグラフィ技術およびド
ライエッチング技術のいずれかにより、ブリッジ部に相
当する部分をエッチングして膜厚を薄くし結晶粒界でバ
ウンダリィジャンクションを形成した後、酸素雰囲気中
にて熱処理を施して、前記金属酸化物薄膜を金属酸化物
超伝導薄膜とすることにより作製する。
【００１４】
【発明の実施の形態】本発明方法によれば、金属酸化物
薄膜をフォトリソグラフィ技術とドライエッチング技術
とによりエッチングをしてブリッジ部を形成するのは、
水に弱い金属酸化物を損傷から防ぐためである。またそ
の後、酸素中で熱処理することにより、金属酸化物薄膜
が超伝導を示す結晶構造へと変化し、加工時のダメージ
の除去の作用が認められる。また、より高温での酸素中
での熱処理では、金属酸化物超伝導薄膜の結晶粒の成長
がみられ、薄くなったブリッジ部に、選択的に結晶粒界
を形成させる作用が認められた。従って本発明の製造方
法では、ダメージの少ない結晶粒界接合をフォトプロセ
スと、ドライエッチング技術とにより任意の位置に精度
良く形成できる働きをするのである。
薄膜をフォトリソグラフィ技術とドライエッチング技術
とによりエッチングをしてブリッジ部を形成するのは、
水に弱い金属酸化物を損傷から防ぐためである。またそ
の後、酸素中で熱処理することにより、金属酸化物薄膜
が超伝導を示す結晶構造へと変化し、加工時のダメージ
の除去の作用が認められる。また、より高温での酸素中
での熱処理では、金属酸化物超伝導薄膜の結晶粒の成長
がみられ、薄くなったブリッジ部に、選択的に結晶粒界
を形成させる作用が認められた。従って本発明の製造方
法では、ダメージの少ない結晶粒界接合をフォトプロセ
スと、ドライエッチング技術とにより任意の位置に精度
良く形成できる働きをするのである。
【００１５】本発明方法において、２つの金属酸化物超
伝導薄膜から成る超伝導電極となるバンク部に接続され
た、それらより膜厚の薄いブリッジ部を形成すると、膜
厚の薄い分、電流密度が大きくなり、弱結合部となる。
また、所定の場所に精度よく形成することのできるブリ
ッジ部に含まれる結晶粒界がジョセフソン接合となり、
外部の系から観測されるものとなり、任意の位置に、精
度良く、かつ再現性良くジョセフソン接合を作りこむこ
とが可能となる。またブリッジ部の膜厚を制御すること
により素子の臨界電流値を調整できるという作用があ
る。
伝導薄膜から成る超伝導電極となるバンク部に接続され
た、それらより膜厚の薄いブリッジ部を形成すると、膜
厚の薄い分、電流密度が大きくなり、弱結合部となる。
また、所定の場所に精度よく形成することのできるブリ
ッジ部に含まれる結晶粒界がジョセフソン接合となり、
外部の系から観測されるものとなり、任意の位置に、精
度良く、かつ再現性良くジョセフソン接合を作りこむこ
とが可能となる。またブリッジ部の膜厚を制御すること
により素子の臨界電流値を調整できるという作用があ
る。
【００１６】金属酸化物超伝導薄膜の材料としては銅を
含む金属酸化物超伝導体で、Ａ−Ｂ−Ｃｕ−Ｏ複合化合
物または、Ｂｉを含み、かつ、ＰｂまたはIIａ族元素の
うち少なくとも１種の元素を含む材料または、Ｔｌを含
み、かつ、ＰｂまたはIIａ族元素を含む材料のものでも
同様な作用がみられる。また、金属酸化物超伝導薄膜の
材料として、ＢａおよびＢｉを含む複合酸化物超伝導体
においても同様な作用が得られる。
含む金属酸化物超伝導体で、Ａ−Ｂ−Ｃｕ−Ｏ複合化合
物または、Ｂｉを含み、かつ、ＰｂまたはIIａ族元素の
うち少なくとも１種の元素を含む材料または、Ｔｌを含
み、かつ、ＰｂまたはIIａ族元素を含む材料のものでも
同様な作用がみられる。また、金属酸化物超伝導薄膜の
材料として、ＢａおよびＢｉを含む複合酸化物超伝導体
においても同様な作用が得られる。
【００１７】なお参考までに応用例を示すと、金属酸化
物超伝導薄膜をエッチングマスクを用いＡｒ等の不活性
ガスイオンの照射によりブリッジに相当する部分だけ膜
厚を薄くしてブリッジ部の結晶粒界でバウンダリィジャ
ンクションを形成する方法は、任意の位置に精度良くブ
リッジが形成できるのみならず、ブリッジ部の寸法を短
くすることを可能とするものである。また、従来は、イ
オンの照射によって金属超伝導薄膜にダメージを与えて
超伝導特性を損なうものと考えられていたが、本発明者
等が詳細に検討した結果、不活性ガスの場合にはダメー
ジを受ける層は表層のほんの一部にしかすぎないことが
判り、Ａｒ等の不活性ガスイオン照射によるブリッジ部
の形成は、弱結合接合形成にも極めて有効な手段である
ことを見い出した。また、ブリッジ部に含まれる結晶粒
界が不活性ガスイオンの照射により選択的にエッチング
され、粒界接合特性が顕著に観測される場合もあった。
物超伝導薄膜をエッチングマスクを用いＡｒ等の不活性
ガスイオンの照射によりブリッジに相当する部分だけ膜
厚を薄くしてブリッジ部の結晶粒界でバウンダリィジャ
ンクションを形成する方法は、任意の位置に精度良くブ
リッジが形成できるのみならず、ブリッジ部の寸法を短
くすることを可能とするものである。また、従来は、イ
オンの照射によって金属超伝導薄膜にダメージを与えて
超伝導特性を損なうものと考えられていたが、本発明者
等が詳細に検討した結果、不活性ガスの場合にはダメー
ジを受ける層は表層のほんの一部にしかすぎないことが
判り、Ａｒ等の不活性ガスイオン照射によるブリッジ部
の形成は、弱結合接合形成にも極めて有効な手段である
ことを見い出した。また、ブリッジ部に含まれる結晶粒
界が不活性ガスイオンの照射により選択的にエッチング
され、粒界接合特性が顕著に観測される場合もあった。
【００１８】
【実施例】図１は本発明の超伝導素子の一実施例を示す
斜視図、図２は図１の断面図である。
斜視図、図２は図１の断面図である。
【００１９】本実施例の超伝導素子は、基板１上に金属
酸化物超伝導薄膜２よりなる２つのバンク部４ａ、４ｂ
が、金属酸化物薄膜２と同一組成を含む材料からなるブ
リッジ部３により接続された構造を有している。ブリッ
ジ部３の膜厚はバンク部４の膜厚よりも薄くなってい
る。本実施例の超伝導素子は膜厚の薄くなったブリッジ
部３の超伝導特性が２つのバンク部４ａ、４ｂを通して
外部から観測されることを目的とした装置である。従っ
て、ジョセフソン接合がブリッジ部３の内側に形成され
るので、任意の場所に接合を再現性良く形成することが
可能となる。
酸化物超伝導薄膜２よりなる２つのバンク部４ａ、４ｂ
が、金属酸化物薄膜２と同一組成を含む材料からなるブ
リッジ部３により接続された構造を有している。ブリッ
ジ部３の膜厚はバンク部４の膜厚よりも薄くなってい
る。本実施例の超伝導素子は膜厚の薄くなったブリッジ
部３の超伝導特性が２つのバンク部４ａ、４ｂを通して
外部から観測されることを目的とした装置である。従っ
て、ジョセフソン接合がブリッジ部３の内側に形成され
るので、任意の場所に接合を再現性良く形成することが
可能となる。
【００２０】次に具体的な実施例を、本発明の超伝導素
子の製造方法とともに説明する。 （参考例１）図３は本発明の超伝導素子の製造方法の一
応用例を示すプロセス図である。まず、ＭｇＯ（１０
０）面基板１上に金属酸化物超伝導薄膜２として、Ｇｄ
Ｂａ2Ｃｕ3Ｏy薄膜を堆積した（図３（ａ））。堆積は
ターゲットにＧｄＢａ2Ｃｕ4.5Ｏyを用い、ＲＦプレー
ナ・マグネトロン・スパッタ法により、アルゴンと酸素
の混合ガス雰囲気中で行った。基板温度は６００℃であ
り、膜厚は０．５μｍであった。次に、フォトリソグラ
フィ技術とアルゴンイオンミリングにより素子の横方向
のパターン加工を行った後、金属酸化物超伝導薄膜２上
に、フォトリソグラフィ技術により長さ１μｍのブリッ
ジ相当部分６のみを除いてエッチングマスク５を形成し
た（図３（ｂ））。エッチングマスク５の材料としては
ネガレジストを用い０．８μｍ厚とした。これをＡｒイ
オン照射によりエッチングを行ない、ブリッジ部３を形
成した（図３（ｃ））。Ａｒイオン照射は、カウフマン
型イオン源を用い、ガス圧１×１０-4Ｔｏｒｒ、加速電
圧５００〜１ＫＶで行った。エッチング速度は、ＧＢＣ
Ｏ薄膜で約２５ｎｍ／ｍｉｎネガレジストで約３０ｎｍ
／ｍｉｎであった。ブリッジ部３のエッチング膜厚は
０．３μｍとした。その後、エッチングマスク５の残り
を、酸素プラズマによるアッシングにより除去し、バン
ク部４の露出を行ない超伝導素子を作製した（図３
（ｄ））。酸素圧は１Ｔｏｒｒとした。
子の製造方法とともに説明する。 （参考例１）図３は本発明の超伝導素子の製造方法の一
応用例を示すプロセス図である。まず、ＭｇＯ（１０
０）面基板１上に金属酸化物超伝導薄膜２として、Ｇｄ
Ｂａ2Ｃｕ3Ｏy薄膜を堆積した（図３（ａ））。堆積は
ターゲットにＧｄＢａ2Ｃｕ4.5Ｏyを用い、ＲＦプレー
ナ・マグネトロン・スパッタ法により、アルゴンと酸素
の混合ガス雰囲気中で行った。基板温度は６００℃であ
り、膜厚は０．５μｍであった。次に、フォトリソグラ
フィ技術とアルゴンイオンミリングにより素子の横方向
のパターン加工を行った後、金属酸化物超伝導薄膜２上
に、フォトリソグラフィ技術により長さ１μｍのブリッ
ジ相当部分６のみを除いてエッチングマスク５を形成し
た（図３（ｂ））。エッチングマスク５の材料としては
ネガレジストを用い０．８μｍ厚とした。これをＡｒイ
オン照射によりエッチングを行ない、ブリッジ部３を形
成した（図３（ｃ））。Ａｒイオン照射は、カウフマン
型イオン源を用い、ガス圧１×１０-4Ｔｏｒｒ、加速電
圧５００〜１ＫＶで行った。エッチング速度は、ＧＢＣ
Ｏ薄膜で約２５ｎｍ／ｍｉｎネガレジストで約３０ｎｍ
／ｍｉｎであった。ブリッジ部３のエッチング膜厚は
０．３μｍとした。その後、エッチングマスク５の残り
を、酸素プラズマによるアッシングにより除去し、バン
ク部４の露出を行ない超伝導素子を作製した（図３
（ｄ））。酸素圧は１Ｔｏｒｒとした。
【００２１】図５には試作した超伝導素子電流電圧特性
を示す。図５に示す様な弱結合特性が確認された。ま
た、ブリッジ部３（図２）の膜厚が薄くなるにつれ、素
子の臨界電流値は低くなり、膜厚により臨界電流制御が
可能なことを確認した。図６には、ブリッジ部３の膜厚
０．１５μｍの超伝導素子に、ｆ＝４．８ＧＨｚのマイ
クロ波を照射した時の電流電圧特性を示す。図６に示す
様に、ΔＶ＝ｆ・ｈ／ｅ（ｈはプランクの定数６．６３
×１０-34 Ｊ．ｓ、ｅは電荷素量１．６０×１０
-19 Ｃ）で与えられる約２０μＶ間隔の電圧ステップ
（シャピロステップ）が観測され、ジョセフソン接合が
形成されていることを確認した。ただし、前記において
通常ΔＶは、ΔＶ＝ｆ・ｈ／（２ｅ）の式で示されるの
で、図６ではｆ＝９．６７ＧＨｚのマイクロ波を照射し
た時の電流電圧特性を示す。
を示す。図５に示す様な弱結合特性が確認された。ま
た、ブリッジ部３（図２）の膜厚が薄くなるにつれ、素
子の臨界電流値は低くなり、膜厚により臨界電流制御が
可能なことを確認した。図６には、ブリッジ部３の膜厚
０．１５μｍの超伝導素子に、ｆ＝４．８ＧＨｚのマイ
クロ波を照射した時の電流電圧特性を示す。図６に示す
様に、ΔＶ＝ｆ・ｈ／ｅ（ｈはプランクの定数６．６３
×１０-34 Ｊ．ｓ、ｅは電荷素量１．６０×１０
-19 Ｃ）で与えられる約２０μＶ間隔の電圧ステップ
（シャピロステップ）が観測され、ジョセフソン接合が
形成されていることを確認した。ただし、前記において
通常ΔＶは、ΔＶ＝ｆ・ｈ／（２ｅ）の式で示されるの
で、図６ではｆ＝９．６７ＧＨｚのマイクロ波を照射し
た時の電流電圧特性を示す。
【００２２】（実施例１）次に本発明の超伝導素子の製
造方法の一実施例を図４のプロセス図を用いて説明す
る。基板１としてＭｇＯ（１００）面を用い、その上に
Ｂｉ−Ｓｒ−Ｃａ−Ｃｕ−Ｏの金属酸化物薄膜１２をＲ
Ｆマグネトロンスパッタ法で約０．６μｍ堆積させた
（図４（ａ））。アルゴンと酸素混合雰囲気中で基板温
度２００℃で堆積した金属酸化物薄膜１２の組成はＢ
ｉ：Ｓｒ：Ｃａ：Ｃｕ＝１：１：１：２であった。この
薄膜１２は表面が平坦であったが、４．２°Ｋまで冷却
しても超伝導性は示さなかった。
造方法の一実施例を図４のプロセス図を用いて説明す
る。基板１としてＭｇＯ（１００）面を用い、その上に
Ｂｉ−Ｓｒ−Ｃａ−Ｃｕ−Ｏの金属酸化物薄膜１２をＲ
Ｆマグネトロンスパッタ法で約０．６μｍ堆積させた
（図４（ａ））。アルゴンと酸素混合雰囲気中で基板温
度２００℃で堆積した金属酸化物薄膜１２の組成はＢ
ｉ：Ｓｒ：Ｃａ：Ｃｕ＝１：１：１：２であった。この
薄膜１２は表面が平坦であったが、４．２°Ｋまで冷却
しても超伝導性は示さなかった。
【００２３】次に、フォトプロセスとスパッタエッチン
グにより素子の横方向パターンを（バンク部等の形状）
形成した後、フォトプロセスとＣＦ4 反応性イオンエッ
チングによりＳｉＯ2 エッチングマスク１５を金属酸化
物１２表面上に形成した（図４（ｂ））。エッチングマ
スク１５は厚み０．５μｍで、ブリッジ相当部分６は幅
２μｍにわたって除去された構造とした。次にこれをア
ルゴンイオン１７を照射してエッチングを行いブリッジ
部３の膜厚を０．３μｍとした（図４（ｃ））。次に、
ＣＦ4 反応性エッチングによりエッチングマスク１５を
除去した（図４（ｄ））。最後にこれを酸素雰囲気中
で、８９０℃で２０分、８７０℃で５時間熱処理を行な
い金属酸化物超伝導薄膜２を形成して超伝導素子を作製
した（図４（ｅ））。作製した試料はＳＥＭ観察による
と結晶粒が数十μｍの岩板状であり、結晶粒界１３がブ
リッジ部３中に１〜２個再現性良く含まれていることを
確認した。この現象のメカニズムは詳細には不明である
が、おそらく、バンク部４とブリッジ部３の金属酸化物
薄膜１２の膜厚の差による段差が結晶成長に影響を与え
て結晶粒界１３がブリッジ部３にできるのではないかと
考えられる。作製した超伝導素子は、図５及び図６に示
すのと同様な特性を示し、良好なジョセフソン接合がで
きていることを確認した。すなわち、図５に示す様な弱
結合特性が確認された。また、ブリッジ部３の膜厚が薄
くなるにつれ、素子の臨界電流値は低くなり、膜厚によ
り臨界電流制御が可能なことを確認した。図６には、ブ
リッジ部３の膜厚０．１５μｍの超伝導素子に、ｆ＝
９．６７ＧＨｚのマイクロ波を照射した時の電流電圧特
性を示す。図６に示す様に、ΔＶ＝ｆ・ｈ／（２ｅ）
（前記式中、ｈはプランクの定数６．６３×１０
-34 Ｊ．ｓ、ｅは電荷素量１．６０×１０-19 Ｃ）で与
えられる約２０μＶ間隔の電圧ステップ（シャピロステ
ップ）が観測され、ジョセフソン接合が形成されている
ことを確認した。この接合は、結晶粒界１３によるもの
と考えられる。
グにより素子の横方向パターンを（バンク部等の形状）
形成した後、フォトプロセスとＣＦ4 反応性イオンエッ
チングによりＳｉＯ2 エッチングマスク１５を金属酸化
物１２表面上に形成した（図４（ｂ））。エッチングマ
スク１５は厚み０．５μｍで、ブリッジ相当部分６は幅
２μｍにわたって除去された構造とした。次にこれをア
ルゴンイオン１７を照射してエッチングを行いブリッジ
部３の膜厚を０．３μｍとした（図４（ｃ））。次に、
ＣＦ4 反応性エッチングによりエッチングマスク１５を
除去した（図４（ｄ））。最後にこれを酸素雰囲気中
で、８９０℃で２０分、８７０℃で５時間熱処理を行な
い金属酸化物超伝導薄膜２を形成して超伝導素子を作製
した（図４（ｅ））。作製した試料はＳＥＭ観察による
と結晶粒が数十μｍの岩板状であり、結晶粒界１３がブ
リッジ部３中に１〜２個再現性良く含まれていることを
確認した。この現象のメカニズムは詳細には不明である
が、おそらく、バンク部４とブリッジ部３の金属酸化物
薄膜１２の膜厚の差による段差が結晶成長に影響を与え
て結晶粒界１３がブリッジ部３にできるのではないかと
考えられる。作製した超伝導素子は、図５及び図６に示
すのと同様な特性を示し、良好なジョセフソン接合がで
きていることを確認した。すなわち、図５に示す様な弱
結合特性が確認された。また、ブリッジ部３の膜厚が薄
くなるにつれ、素子の臨界電流値は低くなり、膜厚によ
り臨界電流制御が可能なことを確認した。図６には、ブ
リッジ部３の膜厚０．１５μｍの超伝導素子に、ｆ＝
９．６７ＧＨｚのマイクロ波を照射した時の電流電圧特
性を示す。図６に示す様に、ΔＶ＝ｆ・ｈ／（２ｅ）
（前記式中、ｈはプランクの定数６．６３×１０
-34 Ｊ．ｓ、ｅは電荷素量１．６０×１０-19 Ｃ）で与
えられる約２０μＶ間隔の電圧ステップ（シャピロステ
ップ）が観測され、ジョセフソン接合が形成されている
ことを確認した。この接合は、結晶粒界１３によるもの
と考えられる。
【００２４】なお、上記実施例の説明では、基板１にＭ
ｇＯ（１００）面を用いたが、これに限定するものでは
ない。また、金属酸化物超伝導薄膜２として、Ｇｄ−Ｂ
ａ−Ｃｕ−Ｏ薄膜とＢｉ−Ｓｒ−Ｃａ−Ｃｕ−Ｏ薄膜を
例にあげたが、これに限定するものではない。例えば、
銅元素を含む金属酸化物超伝導体で、Ａ−Ｂ−Ｃｕ−Ｏ
複合化合物（ここにＡはＳｃ、Ｙ、ＬａおよびＬａ系列
元素（原子番号５７〜７１、但し５７、６１、６２を除
く）のうち少なくとも１種で、ＢはＢａ、Ｓｒ等のIIａ
族元素のうちの少なくとも１種でかつ、Ａ、Ｂ元素とＣ
ｕ元素の濃度は０．５≦（Ａ＋Ｂ）／Ｃｕ≦２．５）、
Ｂｉ2 Ｓｒ2 ＣｕＯy、Ｂｉ−Ｐｂ−Ｓｒ−Ｃａ−Ｃｕ
−Ｏ超伝導体等の超伝導体、Ｔｌ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ、Ｔ
ｌ−Ｂａ−Ｃａ−Ｃｕ−Ｏ、またはＴｌ−Ｐｂ−Ｂａ−
Ｃａ−Ｃｕ−Ｏ等のＴｌを含みかつ、ＰｂまたはＢａ、
ＣａなどのIIａ族元素のうち少なくとも１種の元素を含
む超伝導体でも同様な効果が得られた。更には、Ｂａ−
Ｐｂ−Ｂｉ−Ｏ、Ｂａ−Ｋ−Ｂｉ−Ｏ、Ｂａ−Ｒｂ−Ｂ
ｉ−Ｏ等のＢａおよびＢｉを含む複合酸化物超伝導体で
も同様な効果が得られることを本発明者らは確認してい
る。
ｇＯ（１００）面を用いたが、これに限定するものでは
ない。また、金属酸化物超伝導薄膜２として、Ｇｄ−Ｂ
ａ−Ｃｕ−Ｏ薄膜とＢｉ−Ｓｒ−Ｃａ−Ｃｕ−Ｏ薄膜を
例にあげたが、これに限定するものではない。例えば、
銅元素を含む金属酸化物超伝導体で、Ａ−Ｂ−Ｃｕ−Ｏ
複合化合物（ここにＡはＳｃ、Ｙ、ＬａおよびＬａ系列
元素（原子番号５７〜７１、但し５７、６１、６２を除
く）のうち少なくとも１種で、ＢはＢａ、Ｓｒ等のIIａ
族元素のうちの少なくとも１種でかつ、Ａ、Ｂ元素とＣ
ｕ元素の濃度は０．５≦（Ａ＋Ｂ）／Ｃｕ≦２．５）、
Ｂｉ2 Ｓｒ2 ＣｕＯy、Ｂｉ−Ｐｂ−Ｓｒ−Ｃａ−Ｃｕ
−Ｏ超伝導体等の超伝導体、Ｔｌ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ、Ｔ
ｌ−Ｂａ−Ｃａ−Ｃｕ−Ｏ、またはＴｌ−Ｐｂ−Ｂａ−
Ｃａ−Ｃｕ−Ｏ等のＴｌを含みかつ、ＰｂまたはＢａ、
ＣａなどのIIａ族元素のうち少なくとも１種の元素を含
む超伝導体でも同様な効果が得られた。更には、Ｂａ−
Ｐｂ−Ｂｉ−Ｏ、Ｂａ−Ｋ−Ｂｉ−Ｏ、Ｂａ−Ｒｂ−Ｂ
ｉ−Ｏ等のＢａおよびＢｉを含む複合酸化物超伝導体で
も同様な効果が得られることを本発明者らは確認してい
る。
【００２５】また、本発明の超伝導素子の製造方法の実
施例の説明において、イオン照射に用いる不活性ガスイ
オン７のイオンとしてアルゴンを用いたが、これに限定
するものではなく不活性ガスであれば何であっても良
い。またエッチングマスク５としてネガレジストを用い
たが、これに限定するものではなく、不活性ガスイオン
照射によるエッチングの際のマスク効果があれば何であ
っても良い。
施例の説明において、イオン照射に用いる不活性ガスイ
オン７のイオンとしてアルゴンを用いたが、これに限定
するものではなく不活性ガスであれば何であっても良
い。またエッチングマスク５としてネガレジストを用い
たが、これに限定するものではなく、不活性ガスイオン
照射によるエッチングの際のマスク効果があれば何であ
っても良い。
【００２６】また、本発明である超伝導素子の第２の製
造方法の実施例の説明において、ブリッジ相当部分６の
エッチングにアルゴンイオン１７を照射して行ったが、
これに限定するものではなく、塩素を用いた反応性イオ
ンエッチング等、ドライエッチングであれば同様な効果
が得られることを本発明者は確認している。またエッチ
ングマスク１５にＳｉＯ2 を用いたが、ドライエッチン
グ用マスクとして使用できるものであれば何であっても
良い。従って、エッチングマスク１５の除去の方法も何
であっても良いのは言うまでもない。
造方法の実施例の説明において、ブリッジ相当部分６の
エッチングにアルゴンイオン１７を照射して行ったが、
これに限定するものではなく、塩素を用いた反応性イオ
ンエッチング等、ドライエッチングであれば同様な効果
が得られることを本発明者は確認している。またエッチ
ングマスク１５にＳｉＯ2 を用いたが、ドライエッチン
グ用マスクとして使用できるものであれば何であっても
良い。従って、エッチングマスク１５の除去の方法も何
であっても良いのは言うまでもない。
【００２７】また金属酸化物薄膜１２は超伝導を示さな
い例を述べたが、別に超伝導を示しても良いのは明らか
である。なお、本発明の超伝導素子の両製造方法の実施
例の説明において、ブリッジ部３をエッチング形成する
以前に、バンク部４等の素子の横方向パターン加工を行
う様に説明したが、これに限定する訳ではなく、この順
序が逆になっても同様な効果が得られるのは自明での事
である。
い例を述べたが、別に超伝導を示しても良いのは明らか
である。なお、本発明の超伝導素子の両製造方法の実施
例の説明において、ブリッジ部３をエッチング形成する
以前に、バンク部４等の素子の横方向パターン加工を行
う様に説明したが、これに限定する訳ではなく、この順
序が逆になっても同様な効果が得られるのは自明での事
である。
【００２８】
【発明の効果】本発明の超伝導素子の実施に於いて、従
来困難とされていた任意の位置に、所定の臨界電流値を
有するジョセフソン接合を有する超伝導素子を容易に作
製することが可能となり、その実用的価値は大きい。
来困難とされていた任意の位置に、所定の臨界電流値を
有するジョセフソン接合を有する超伝導素子を容易に作
製することが可能となり、その実用的価値は大きい。
【００２９】本発明の超伝導素子の製造方法の実施に於
いて、不活性ガスイオン照射によるエッチングを用いる
ために、ミクロン〜サブミクロンの短い接合形成が容易
に作製可能であり、また、追加エッチングすることが可
能であるために臨界電流値を下方に調整することが可能
となり、工業的価値は大なるものがある。
いて、不活性ガスイオン照射によるエッチングを用いる
ために、ミクロン〜サブミクロンの短い接合形成が容易
に作製可能であり、また、追加エッチングすることが可
能であるために臨界電流値を下方に調整することが可能
となり、工業的価値は大なるものがある。
【００３０】また本発明の他の超伝導素子の製造方法の
実施に於いて、金属酸化物薄膜を加工後に熱処理を施し
て超伝導薄膜化することにより、加工ダメージの改復ま
たは防止が出来、従来、微細加工の困難とされていた平
坦な表面の得にくい金属酸化物薄膜にも、所定の場所に
選択的に微細なジョセフソン接合を形成することが可能
となり、その工業的価値は極めて大きい。
実施に於いて、金属酸化物薄膜を加工後に熱処理を施し
て超伝導薄膜化することにより、加工ダメージの改復ま
たは防止が出来、従来、微細加工の困難とされていた平
坦な表面の得にくい金属酸化物薄膜にも、所定の場所に
選択的に微細なジョセフソン接合を形成することが可能
となり、その工業的価値は極めて大きい。
【図１】 本発明の超伝導素子の一実施例を示す斜視
図。
図。
【図２】 同、図１の断面図。
【図３】 本発明の超伝導素子の応用例の製造方法の一
例を示すプロセス工程断面図。
例を示すプロセス工程断面図。
【図４】 本発明の超伝導素子の製造方法の一例を示す
プロセス工程断面図。
プロセス工程断面図。
【図５】 本発明の一実施例と応用例で得られた超伝導
素子の電流電圧特性を示す図。
素子の電流電圧特性を示す図。
【図６】 本発明の一実施例と応用例で得られた超伝導
素子にマイクロ波を照射した時の電流電圧特性を示す
図。
素子にマイクロ波を照射した時の電流電圧特性を示す
図。
１ 基板 ２ 金属酸化物超伝導薄膜 ３ ブリッジ部 ４ａ，４ｂ バンク部 ５，１５ エッチングマスク ６ ブリッジ相当部分 ７ 不活性ガスイオン １２ 金属酸化物薄膜 １３ 結晶粒界 １７ アルゴンイオン
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 瀬恒 謙太郎 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電 器産業株式会社内 (72)発明者 和佐 清孝 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電 器産業株式会社内 (56)参考文献 特開 昭64−31477（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−217980（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−293581（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) H01L 39/24 C01G 1/00 C30B 29/22 501 H01L 39/22 H01L 39/00
Claims (1)
- 【請求項１】 基板上に形成された表面が平坦な金属酸
化物薄膜を、フォトリソグラフィ技術およびドライエッ
チング技術により、ブリッジ部に相当する部分をエッチ
ングして膜厚を薄くした後、酸素雰囲気中にて結晶化温
度以上の温度で熱処理を施して、前記金属酸化物薄膜を
金属酸化物超伝導薄膜とすることにより、前記ブリッジ
部に相当する部分に結晶粒界のバウンダリィジャンクシ
ョンを形成して作製することを特徴とする超伝導素子の
製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7307242A JP2969068B2 (ja) | 1995-11-27 | 1995-11-27 | 超伝導素子の製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7307242A JP2969068B2 (ja) | 1995-11-27 | 1995-11-27 | 超伝導素子の製造方法 |
Related Parent Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP63268484A Division JP2517081B2 (ja) | 1988-10-25 | 1988-10-25 | 超伝導素子およびその製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH08264849A JPH08264849A (ja) | 1996-10-11 |
| JP2969068B2 true JP2969068B2 (ja) | 1999-11-02 |
Family
ID=17966754
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP7307242A Expired - Fee Related JP2969068B2 (ja) | 1995-11-27 | 1995-11-27 | 超伝導素子の製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2969068B2 (ja) |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS6431477A (en) * | 1987-07-28 | 1989-02-01 | Agency Ind Science Techn | Finely working method for superconductor |
| JPH01217980A (ja) * | 1988-02-26 | 1989-08-31 | Nippon Cement Co Ltd | ブリッジ型粒界ジョセフソン素子 |
-
1995
- 1995-11-27 JP JP7307242A patent/JP2969068B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH08264849A (ja) | 1996-10-11 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |