JP4811552B2 - 超伝導素子を用いた中性子検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、超伝導材料のストリップラインを基板上に形成した超伝導素子を用いた中性子検出装置に関し、特に、自然酸化によって超伝導特性が劣化する超伝導材料を用いてストリップラインを形成した超伝導素子を用いた中性子検出装置に関する。

ＭｇＢ₂は、超伝導転移温度が比較的高い超伝導材料であることが２００１年に発見され、超伝導エレクトロニクス分野への応用が期待され、実用化に向けての研究が成されている。実用化のためには、ＭｇＢ₂を薄膜に形成することが必要であり、約１０００℃以上の高温でのアニーリング工程を含む２段階成長法（Two-step-growth technique）での薄膜形成が多く研究されてきた。しかし、高温アニーリングを含んだ製造工程では、薄膜集積回路等のデバイス化が非常に困難であるのが実情である。

これに対して、下記特許文献１、２には、アニーリングを行うことなくＭｇＢ₂薄膜を基板上に形成する方法が開示されている。特許文献１には、マグネシウム（Ｍｇ）及びホウ素（Ｂ）を同時にスパッタリングし、基板上にＭｇＢ₂を形成する方法が開示されている。また、特許文献２には、Ｍｇ及びＢを同時に蒸着し、基板上にＭｇＢ₂を形成する方法が開示されている。特許文献１、２には、これらの方法で形成されたＭｇＢ₂が良好な超伝導特性を示すことも開示されている。

一方、ホウ素は質量数１１（¹¹Ｂ）のものが主として自然界に存在するが、その同位体である¹⁰Ｂは、中性子を吸収して⁷Ｌｉ及びα粒子を生成する核反応を行うことが知られており、この核反応を利用して、電荷を持たないために検出が非常に困難な中性子を検出する研究が行われている。例えば、下記特許文献３には、絶縁層を間に挟んでＭｇ¹¹Ｂ₂層及びＭｇ¹⁰Ｂ₂層を積層した構造や、Ｍｇ¹¹Ｂ₂層の表面の中央及び四隅に絶縁層を間に挟んで、Ｍｇ¹⁰Ｂ₂をフォノン検出素子として備えた構造の超伝導トンネル接合素子の中性子検出器が開示されている。特許文献３では、¹¹Ｂ及び¹⁰Ｂの超伝導状態におけるエネルギーギャップが異なることを利用し、Ｍｇ¹⁰Ｂ₂層における¹⁰Ｂと中性子との核反応によって生成されたα粒子によって発生するフォノンをＭｇ¹¹Ｂ₂層で検出する。
特開２００３−１５８３０７号公報 特開２００３−１５８３０８号公報 特開２００３−１４８６１号公報

上記の特許文献１、２に開示された方法で形成されたＭｇＢ₂薄膜は、製造直後には良好な超伝導特性を示すが、その特性は安定に維持されない問題がある。例えば、ＭｇＢ₂薄膜形成から数時間後には超伝導特性が極端に劣化する。このために、ＭｇＢ₂薄膜を応用した素子を長期間に亘って使用することができない。

また、上記の特許文献３では、光子、放射線、中性子などを検出するために、複数のＭｇＢ₂層を超伝導トンネル接合の構成に形成しなければならず、構造が複雑であり、製造が非常に困難である。

本発明の目的は、上記の課題を解決すべく、良好な超伝導特性の経時劣化を防止することができる超伝導素子を用いた中性子検出装置を提供することにある。

本発明の目的は、以下の手段によって達成される。

上記したＭｇＢ₂の超伝導特性が短期間で劣化する原因の一つとして、常温の空気中において薄膜表面からの自然酸化によって、ＭｇＢ₂薄膜の結晶構造が変化していることが考えられる。

従って、本発明に係る超伝導素子（１）は、誘電体材料で形成された基板と、該基板上に形成された超伝導材料のストリップラインと、該ストリップラインの表面に形成された保護膜とを備え、前記超伝導材料が、自然酸化によって超伝導特性が劣化する材料であることを特徴としている。

また、本発明に係る超伝導素子（２）は、上記の超伝導素子（１）において、前記保護膜が、酸化シリコンであることを特徴としている。

また、本発明に係る超伝導素子（３）は、上記の超伝導素子（１）又は（２）において、前記ストリップラインが、ＭｇＢ₂から形成され、メアンダ形状に形成されていることを特徴としている。

また、本発明に係る超伝導素子（４）は、上記の超伝導素子（１）〜（３）の何れかにおいて、前記ストリップラインが、ホウ素全体中の¹⁰Ｂの含有割合が約９７％以上であるＭｇＢ₂から形成されていることを特徴としている。

また、本発明に係る超伝導素子を用いた中性子検出装置（１）は、誘電体材料で形成された基板、該基板上に ¹⁰ Ｂを含むＭｇＢ ₂ で形成された超伝導材料のストリップライン、該ストリップラインの表面に形成された保護膜、及び、前記ストリップラインの両端部分に形成された電極を有し、前記超伝導材料が、自然酸化によって超伝導特性が劣化する材料である超伝導素子と、前記ストリップラインを超伝導転移温度付近の温度に冷却した状態で、前記電極間に定電圧を印加し、前記ストリップラインの電流値を測定する手段、又は、前記ストリップラインを超伝導転移温度付近の温度に冷却した状態で、前記電極間に定電流を流し、前記ストリップラインの電圧値を測定する手段とを備え、前記ストリップライン中の¹⁰Ｂと中性子との核反応による前記ストリップラインの抵抗値の変化を測定することを特徴としている。
また、本発明に係る超伝導素子を用いた中性子検出装置（２）は、上記の中性子検出装置（１）において、前記保護膜が、酸化シリコンであることを特徴としている。
また、本発明に係る超伝導素子を用いる中性子検出装置（３）は、上記の中性子検出装置（１）又は（２）において、前記ストリップラインが、メアンダ形状に形成されていることを特徴としている。
また、本発明に係る超伝導素子を用いる中性子検出装置（４）は、上記の中性子検出装置（１）〜（３）の何れかにおいて、前記ストリップラインが、ホウ素全体中の ¹⁰ Ｂの含有割合が約９７％以上であるＭｇＢ ₂ で形成されていることを特徴としている。

また、本発明に係る超伝導素子の製造方法（１）は、カルーセルスパッタリング装置を用いてマグネシウム及びホウ素を同時にスパッタリングし、誘電体材料の基板上にＭｇＢ₂薄膜を形成する第１ステップと、電子ビームリソグラフィによって、前記ＭｇＢ₂薄膜を細長いストリップライン形状に加工する第２ステップと、前記ストリップライン形状に加工された前記ＭｇＢ₂薄膜の表面に、高温のアニーリングを行わずに保護膜を形成する第３ステップとを含むことを特徴としている。

また、本発明に係る超伝導素子の製造方法（２）は、上記の超伝導素子の製造方法（１）の第１ステップにおいて、¹⁰Ｂの含有割合が約９７％以上であるホウ素をスパッタリングのターゲットとして使用することを特徴としている。

また、本発明に係る超伝導素子の製造方法（３）は、上記の超伝導素子の製造方法（１）又は（２）の第２ステップにおいて、前記ストリップラインがメアンダ形状に形成され、前記第３ステップにおいて、前記保護膜が酸化シリコンの蒸着によって形成されることを特徴としている。

本発明に係る超伝導素子によれば、保護膜を設けたことによって、ストリップラインの自然酸化を防止することができ、長期間に亘って良好な超伝導特性を維持することができる。特に、容易に自然酸化するＭｇＢ₂を用いた場合にも、長期間に亘って良好な超伝導特性を維持することができる。

また、本発明に係る超伝導素子は、構造が比較的簡単であり、¹⁰Ｂを使用することによって、比較的高い超伝導転移温度で使用可能な超伝導素子であり、検出精度が高い中性子検出装置を実現することができる。

また、本発明に係る超伝導素子の製造方法によれば、ストリップラインの自然酸化を防止することができ、長期間に亘って良好な超伝導特性を維持することができ、構造が比較的簡単な超伝導素子を、少ない製造工程で製造することができる。

また、本発明に係る超伝導素子の製造方法によれば、超伝導特性を劣化させることなく、ＭｇＢ₂の微細なメアンダ形状のストリップラインを備えた超伝導素子を製造することができる。

以下、本発明に係る実施の形態を、添付した図面に基づいて説明する。図１は、本発明の実施の形態に係る超伝導素子の概略構成を示す斜視図（ａ）及び断面図（ｂ）である。

図１に示したように、本超伝導素子は、基板１と、その表面に経路を繰り返し折り返した形状（以下、メアンダ形状と記す）に形成されたストリップライン２と、その表面を覆う保護膜３と、電極４、４’とを備えている。ここで、基板１は、例えばサファイア（Ａｌ₂Ｏ₃）（０００１）で形成され、ストリップライン２は、常温の空気中で自然酸化して超伝導特性が劣化する超伝導材料、例えば、質量数１０の¹⁰Ｂを含んだＭｇ¹⁰Ｂ₂を主成分としたＭｇＢ₂で形成されている。護膜３はストリップラインの表面が空気に接するのを防止する役割をし、例えば、酸化シリコンＳｉＯで形成されている。電極４、４’は導電体であり、例えばアルミニウムＡｌで形成されている。

図２は、図１に示した超伝導素子の製造方法を説明する断面図である。以下に、図２を参照しながら、図１に示した超伝導素子の製造方法を説明する。

まず、第１ステップにおいて、（ａ）に示したように、サファイアの基板１の上に、カルーセルスパッタリング装置を用いてＭｇＢ₂薄膜２を形成する。カルーセルスパッタリング装置を用いたＭｇＢ₂薄膜の製造方法は、例えば上記の特許文献１に開示されており、公知であるので、ここでは詳細説明を省略し、主に製造条件について説明する。初期状態のチャンバー内の圧力は、例えば約１．１×１０^-7Ｔｏｒｒ以下の低圧にする。この状態から、低圧の不活性ガス（例えば約５ｍＴｏｒｒのアルゴンガス）中で、基板１を加熱しつつ、基板１を保持したホルダーを高速回転させながら、ターゲットであるＭｇ及びＢを同時にスパッタリングする。Ｂターゲットには¹¹Ｂを多く含んだ通常のＢターゲット（¹⁰Ｂが約２０％、¹¹Ｂが約８０％）ではなく、¹⁰Ｂを主に含んだターゲット、例えば、約９７％以上の¹⁰Ｂを含んだターゲットを使用する。ここで、基板１の温度は約２５０〜約４００℃の範囲に設定する。Ｂターゲットに関してはＲＦマグネトロンスパッタリングを行い、Ｍｇターゲットに関してはＤＣマグネトロンスパッタリングを行う。ＲＦマグネトロンスパッタリングのパワーは、例えば約８００Ｗ、ＤＣマグネトロンスパッタリングのパワーは、例えば約３００Ｗに設定する。このＭｇ及びＢの同時スパッタリングを所定の時間実行し、所定の厚さのＭｇＢ₂薄膜２を形成する。形成されるＭｇＢ₂薄膜２中の¹⁰Ｂ及び¹¹Ｂの含有割合は、使用するＢターゲット中の割合で決まる。

次に、第２ステップにおいて、（ｂ）に示したように、電子ビームリソグラフィ用レジストをＭｇＢ₂薄膜２の上に塗布し、電子ビームリソグラフィによってメアンダ形状にレジストパターン５を形成した後、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）エッチングを行う。これによって、ＭｇＢ₂薄膜２がメアンダ形状に形成される。電子ビームエッチングを用いることで、微細なストリップライン、例えば、約１μｍ幅のメアンダ形状のストリップラインを形成することができる。ここで、電子ビームリソグラフィにおいて精度良く描画を行うためには、使用する電子線レジスト材料、下地である超伝導薄膜材料、メアンダ形状のストリップ幅、ストリップ間隔に最適なドーズ量（単位面積あたりの電子注入量）を設定する必要がある。例えば、電子線レジストＺＥＰ５２０−２２（日本ゼオン社製）を用いて、ストリップ幅約１μｍ、ストリップ間隔約１μｍのパターンを形成するには、ドーズ量を１１５〜１２０μｃ／ｃｍ²の範囲の値に設定することが望ましい。

第３ステップにおいて、（ｃ）に示したように、高真空の環境中で、第２ステップ後にレジストパターン５を除去した素子全体の上に、酸化シリコンＳｉＯを真空蒸着によって形成する。ここで、酸化シリコンＳｉＯの蒸着は、抵抗加熱真空蒸着装置を用い、ハース内に粒状の酸化シリコンＳｉＯを詰め、ハース加熱を行い蒸着を行う。成膜時到達真空度１×１０^-6Ｔｏｒｒ以下が達成されており、レート３．５Ａ／ｓｅｃになるように、ハースにかかる電力を制御しながら成膜を行う。また、酸化シリコンＳｉＯ蒸着前には綺麗なＭｇＢ₂薄膜表面上に酸化シリコンＳｉＯの蒸着を行うために、同一チャンバー内でイオンビームクリーニング処理を行っている。

最後に、第４ステップにおいて、（ｄ）に示したように、通常のフォトリソグラフィによって保護膜（ＳｉＯ）３の上にフォトレジストを用いてパターン形成を行い、保護膜３の所定領域を除去し、高真空状態で導電材料、例えばＡｌを蒸着し、フォトレジストをリフトオフする。これによって、所定領域に導電材料が残り電極４が形成される。

以上の第１〜第４ステップによって、図１に示したようなメアンダ形状の超伝導材料のストリップラインを備えた超伝導素子を製造することができる。製造された超伝導素子は、ストリップラインの表面全体が保護膜で覆われているので、自然酸化が生じない。

次に、上記の方法で製造された超伝導素子の中性子検出装置への応用に関して説明する。図３は、図１に示した素子を中性子の検出に適用できることを説明するための、ＭｇＢ₂の抵抗値の温度特性を示す図である。

図１に示した超伝導素子のＭｇ¹⁰Ｂ₂薄膜２を、オフセット転移温度Ｔ_C,offset付近に冷却し、電極４、４’に所定の定電圧を印加した状態で、電流値を観測する、又は、電極４、４’に定電流を流した状態で、電圧値を観測する。ＭｇＢ₂は図３に示したように、超伝導転移温度ＴｃにΔＴｃの幅を持っており、オフセット転移温度Ｔ_C,offsetは、抵抗値が常温での抵抗値Ｒ_Nの１０％になる温度である。この状態で、中性子ｎが、保護膜３を通過してＭｇ¹⁰Ｂ₂薄膜２に入射し、¹⁰Ｂ＋ｎ→⁷Ｌｉ＋α の核反応が起こると、Ｍｇ¹⁰Ｂ₂薄膜２中で局部的な発熱が起こる。Ｍｇ¹⁰Ｂ₂薄膜２が微細なストリップライン状に形成されていれば、発熱が生じた付近の断面全体の温度が上昇し、抵抗値が急激に増大する。その結果、定電圧を印加した場合、電流値が急激に減少し、定電流を流した場合、電圧値が急激に増大する。これによって、中性子を検出することができる。

ここで、出来る限り広い面積で、中性子を検出できるように、ＭｇＢ₂のストリップラインは、約１μｍ以下の線幅及び線間隔のメアンダ形状に形成されていることが望ましい。また、中性子の検出には、冷却温度を超伝導転移温度Ｔ_C付近に設定すればよいが、オフセット転移温度Ｔ_C,offset以下の温度に設置するのがより望ましい。

以上では、ＭｇＢ₂がメアンダ形状のストリップラインに形成されている場合を説明したが、これに限定されず、ストリップラインが自然酸化によって超伝導特性が劣化する超伝導材料を主成分とし、且つその表面に保護膜が形成されていればよく、用途に応じて、種々の形状、大きさ、線幅のストリップラインであってよい。

また、保護膜は、酸化シリコンＳｉＯに限定されず、ストリップラインの自然酸化を防止できる素材であればよい。また、その形成方法も蒸着に限定されず、プラズマＣＶＤ法などの比較的低温で、保護膜を形成することができる方法であればよい。

また、基板は、サファイアＡｌ₂Ｏ₃に限定されず、誘電体などの非金属であればよく、用途に応じて種々の材料を使用すればよい。

また、中性子検出用の超伝導素子としては、図１に示したメアンダ形状に限定されず、Ｍｇ¹⁰Ｂ₂が主成分で、所定領域を覆う連続したストリップラインであればよい。

また、¹⁰Ｂ及び中性子の核反応を検出する方法は、上記に限定されず、ストリップラインの抵抗値の変化を検出できる方法であればよい。

以下に実施例を示し、本発明の特徴とするところをより一層明確にする。

図２に従って説明した製造方法を用いて、実際にメアンダ形状のストリップラインを備えた超伝導素子を製造した。基板１としてサファイア（０００１）を使用し、Ｂターゲットとして約９７％以上の¹⁰Ｂを含み、純度９９．９％のＢを使用した。また、第１ステップの製造条件として、基板ホルダーの回転速度を約３０ｒｐｍ、アルゴンガス圧を約５ｍＴｏｒｒ、基板温度を約２９０℃、スパッタリングパワーを、Ｂターゲットに関しては約８００Ｗ、Ｍｇターゲットに関して約３００Ｗ、スパッタリング時間を約５１分間とした。また、第２ステップでは、電子ビームリソグラフィ用レジストＺＥＰ５２０−２２（日本ゼオン社製を５００ｎｍの厚さに塗布し、電子ビームのドーズ量を１２０μｃ／ｃｍ²に設定した。

その結果、図４に示したように、基板１上の１．０ｃｍ×０．８ｃｍの領域に、線幅及び線間隔が約１μｍ、全長が約４７．３ｃｍのメアンダ形状のストリップラインを備えた超伝導素子を形成することができた。図４の（ａ）は、試作した超伝導素子の平面図であり、（ｂ）は（ａ）の一部を拡大表示した平面図であり、（ｃ）はＶ−Ｖ線に沿った垂直断面図である。メアンダ形状のストリップライン（ＭｇＢ₂）２、Ａｌ電極４、酸化シリコン（ＳｉＯ）薄膜３の厚さは、それぞれ約２００ｎｍ、約１５０ｎｍ、約３００ｎｍであった。

図５は、基板上に形成したミアンダ形状に加工する前のＭｇＢ₂薄膜に関する抵抗率の温度特性を示す図である。横軸は、ＭｇＢ₂の温度、縦軸はＭｇＢ₂の抵抗率である。抵抗率の測定には、４探針法を用いた。図５の丸は試作したＭｇＢ₂薄膜の測定結果を表し、三角は通常の¹¹Ｂが多く含まれるＭｇＢ₂薄膜の測定結果である。図５から分かるように、試作したＭｇＢ₂薄膜は、オンセット転移温度Ｔ_C,onset＝約２９．２Ｋ、オフセット転移温度Ｔ_C,offset＝約２８．６Ｋであり、何れの温度も通常の¹¹Ｂが多く含まれるＭｇＢ₂薄膜（Ｔ_C,onset＝約２７．８Ｋ、Ｔ_C,offset＝約２７．２Ｋ）よりも高い温度であった。このように、同位体効果によって、試作したＭｇＢ₂薄膜の超伝導転移温度を高くすることができた。

図６は、図５と同様に測定した抵抗率の温度特性を示す図である。図６の三角は、試作した超伝導素子のＭｇＢ₂の測定結果であり、丸は、比較のためにパターン形成されていない平面状のＭｇＢ₂について測定した結果である。図６から、両者の超伝導特性は殆ど同じであり、試作した超伝導素子のＭｇＢ₂には特性劣化が生じていないことが分かる。即ち、本発明に係る製造方法は、ＭｇＢ₂薄膜の超伝導特性を劣化させないで、ＭｇＢ₂薄膜をメアンダ形状に形成できる方法である。また、試作した超伝導素子のＭｇＢ₂の４０Ｋの温度における抵抗率ρ_40Kは約１１７μΩｃｍであり、２９５Ｋでの抵抗率ρ_295Kとの比である残留抵抗率比（residual resistivity ratio）ＲＲＲ（＝ρ_295K／ρ_40K）は約１．２２であった。

図７は、試作した超伝導素子のＭｇＢ₂の抵抗率の温度特性の経時変化を示す図である。図７の丸は、試作３日後の測定結果であり、三角は試作３２日後の測定結果である。図７から、試作した保護膜を備えた超伝導素子では、長期間経過しても超伝導特性が殆ど変化せず、製造直後の特性が長期間維持されることが分かる。これに対して、保護膜を形成しなかったＭｇＢ₂では、形成から数時間で著しく超伝導特性が劣化した。

図８は、試作した超伝導素子のＭｇＢ₂の電流−電圧特性を測定した結果を示す図である。測定中の最も低温（７Ｋ）での測定結果において、超伝導臨界電流Ｉｃは約３．５ｍＡ、臨界電流密度は１．５２×１０⁶Ａ／ｃｍ²であった。図８から分かるように、超伝導臨界電流Ｉｃは、温度が上昇すると小さくなり、転移温度Ｔ_c＝２８．５Ｋでほぼ０になっている。

この結果は、パターン形成されていないＭｇＢ₂に関するKijoon H. P. Kim等の測定結果（Kijoon H. P. Kim, W. N. Kang, Mun-Seog Kim, C. U. Jung, Hyeong-Jin Kim, Eun-Mi Choi, Min-Seok Park, and Sung-Ik Lee, cond-mat/0103176, 2001）と同様の結果であった。即ち、本発明に係る製造方法を用いて微細なメアンダ状に形成されたＭｇＢ₂であっても、十分な超伝導特性を示しており、中性子検出装置への適用が可能である。

本発明の実施の形態に係る超伝導素子の概略構成を示す斜視図（ａ）及び断面図（ｂ）である。 本発明の実施の形態に係る超伝導素子の製造方法を説明する断面図である。 本発明に係る超伝導素子を用いた中性子検出の原理を説明する図である。 本発明の製造方法で製造した超伝導素子の実施例を示す平面図（ａ）、（ｂ）及び断面図（ｃ）である。 試作したＭｇＢ₂薄膜及び通常のＭｇＢ₂薄膜の超伝導特性を示す図である。 図４に示した超伝導素子のＭｇＢ₂及び平板状のＭｇＢ₂の超伝導特性を示す図である。 図４に示した超伝導素子のＭｇＢ₂の超伝導特性の経時変化を示す図である。 図４に示した超伝導素子のＭｇＢ₂の電流−電圧特性の温度依存性を示す図である。

符号の説明

１ 基板
２ ストリップライン
３ 保護膜
４、４’ 電極

Claims (4)

1. 誘電体材料で形成された基板、
   該基板上に ¹⁰ Ｂを含むＭｇＢ ₂ で形成された超伝導材料のストリップライン、
   該ストリップラインの表面に形成された保護膜、及び、
   前記ストリップラインの両端部分に形成された電極を有し、前記超伝導材料が、自然酸化によって超伝導特性が劣化する材料である超伝導素子と、
   前記ストリップラインを超伝導転移温度付近の温度に冷却した状態で、前記電極間に定電圧を印加し、前記ストリップラインの電流値を測定する手段、又は、
   前記ストリップラインを超伝導転移温度付近の温度に冷却した状態で、前記電極間に定電流を流し、前記ストリップラインの電圧値を測定する手段とを備え、
   前記ストリップライン中の ¹⁰ Ｂと中性子との核反応による前記ストリップラインの抵抗値の変化を測定することを特徴とする超伝導素子を用いた中性子検出装置。
2. 前記保護膜が、酸化シリコンであることを特徴とする請求項１に記載の中性子検出装置。
3. 前記ストリップラインが、
   メアンダ形状に形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の中性子検出装置。
4. 前記ストリップラインが、ホウ素全体中の¹⁰Ｂの含有割合が約９７％以上であるＭｇＢ₂ で形成されていることを特徴とする請求項１〜３の何れかの項に記載の中性子検出装置。