JPH02101779A - 超電導素子およびその作製方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、超電導素子およびその作製方法に関する。よ
り詳細には、素子特性およびその均一性の向上に有効な
超電導素子およびその作製方法に関する。

従来の技術 第３図に、従来の超電導素子の一例の構造を示す。第３
図に示した超電導素子は、準平面型超電導弱結合素子で
ある。この準平面型超電導弱結合素子は、基板５上で、
第１の超電導体電極１の端部に、第２の超電導体電極２
の一部が、直接接触しないように絶縁膜４を介して積層
され、さらに第１および第２の超電導体電極の双方の上
にまたがるように細長い帯状の第３の超電導体電極３が
形成されているものである。このような準平面型超電導
弱結合素子は、第３の超電導体電極３が、いわゆる「く
びれ」部分を形成して、第１および第２の超電導体電極
間の弱結合を実現している。

上記の超電導素子においては、通常、絶縁膜４の厚さは
１００Ａ以下であり、また、第３の超電導体電極３は、
その寸法の微細化が特性向上につながるため、最近では
幅２５００人、厚さ１３０人の素子が実現されている。

（理研シンポジウム・第５回ジョセフソン・エレクトロ
ニクス） 発明が解決しようとする課題 上記の従来の準平面型超電導弱結合素子においては、第
３の超電導体電極３の断面積が、段差の屈折部分と、平
面部分とで、大きく異なってしまっていた。

第４図（ａ）および第４図ら）に、上記の第３の超電導
体電極３の屈折部分における異常を示す。第４図（ａ）
に、第３の超電導体電極３を構成する超電導体薄膜の膜
厚の不均一を示す。この不均一は、蒸着法により形成さ
れた上記の超電導体薄膜が、水平面部分に厚く、逆に斜
面部分には薄く堆積するために生じるものである。

第４図ら）に、第３の超電導体電極３が屈折部分でパタ
ーン幅のやせを起こしている様子を示す。

このパターン幅のやせは、超電導体薄膜を帯状に加工し
て第３の超電導体電極３を形成する際に、屈折部分で蝕
刻が過度に進行するために生じる。

上記の準平面型超電導弱結合素子では、第３の超電導体
電極３の幅をＷ１厚さをｄとすると、超電導弱結合部分
における超電導臨界電流Ｉ。に関して、次の比例関係が
成立する。

ＩｏＯＣＷＸｄ 従って、上記の幅Ｗ、厚さｄが部分的に変化すると、Ｉ
ｃのばらつく原因となる。実際に、量子干渉素子のよう
に、近接した複数の超電導弱結合を有する素子において
も、それぞれの超電導臨界電流１ｃが数十％程度から１
桁も異なるばらつきが、発生している。

従って、本発明の目的は、上記従来技術の問題点を解決
した超電導体電極の形状が均一で、単に高性能であるだ
けでなく、素子特性のばらつきの小さい、均一性に優れ
た超電導素子およびその作製方法を提供することにある
。

課題を解決するための手段 本発明に従うと、基板上で、絶縁膜を介して直接接触し
ないように形成された第１および第２の超電導体電極と
、前記第１および第２の超電導体電極間で超電導弱結合
が生じるように前記第１および第２の超電導体電極を結
合する第３の超電導体電極を具備する超電導素子におい
て、前記第３の超電導体電極が、前記第１および第２の
超電導体電極上に連続して超電導体でない材料で形成さ
れた電極支持体の側面に形成されていることを特徴とす
る超電導素子が提供される。

本発明の超電導素子の第３の超電導体電極および／また
は電極支持体は、プラネタリ−電子ビーム蒸着法または
スパッタリング法により形成されていることが好ましい
。

また、本発明では、上記の超電導素子を作製する方法と
して、前記第１および第２の超電導体電極上に、超電導
体でない材料を用いて電極支持体を形成し、該電極支持
体を覆うように第３の超電導体電極を構成する超電導体
薄膜を段差被覆性のよい方法で形成し、該超電導体薄膜
を方向制御性のよいエツチング方法にて選択的に除去し
て、前記電極支持体側面に第３の超電導体電極を形成す
ることを特徴とする超電導素子の作製方法が提供される
。前記超電導体薄膜および／または前記電極支持体を、
プラネタリ−電子ビーム蒸着法またはスパッタリング法
で形成し、前記電極支持体上の前記超電導体薄膜をリア
クティブイオンエツチング法またはイオンミリング法に
て除去することにより、前記電極支持体側面に第３の超
電導体電極を形成することが好ましい。

作用 本発明の超電導素子は、超電導弱結合に寄与する第３の
超電導体電極が、超電導体でない材料で形成された電極
支持体側面に形成されているところにその主要な特徴が
ある。この構成により、本発明の超電導素子の第３の超
電導体電極は、位置および形状が、電極支持体および第
３の超電導体電極を形成する超電導体薄膜の厚さにより
定められるので、均一性が保たれるものである。

第１図（ａ）を参照して本発明の超電導素子の特徴的な
構成を説明する。第１図（ａ）は、本発明の超電導素子
の一例を示したものである。第１図（ａ）に、示した本
発明の超電導素子は、基板５上で、第１の超電導体電極
１上に第２の超電導体電極２の一部が絶縁膜４を介して
重なり、両者が直接接触しないように形成されている。

第３の超電導体電極３は、第１の超電導体電極１および
第２の超電導体電極２上に連続して形成された電極支持
体６の側面に沿って、第１の超電導体電極１および第２
の超電導体電極２上に形成され、第１の超電導体電極１
と第２の超電導体電極２との間に超電導弱結合が生じる
よう構成されている。

第１図（ａ）に示した本発明の超電導素子においては、
第３の超電導体電極３０幅Ｗは、電極支持体６の側面に
堆積されて第３の超電導体電極３を構成する超電導体薄
膜の膜厚によって定められる。

該超電導体薄膜の膜厚は、プラネタリ−電子ビーム蒸着
法、スパッタリング法等の方法で成膜することにより、
正確に制御することが可能である。

また、この超電導体薄膜は、電極支持体６の側面に成膜
されているため、成膜後の蝕刻プロセスによる影響を受
けにくく、蝕刻プロセスを経た後でも、この超電導体薄
膜の膜厚はほとんど変化しない。従って、本発明の超電
導素子では、第３の超電導体電極３の幅Ｗは、均一とな
るものである。

また、第３の超電導体電極３の厚さｄは、電極支持体６
の高さによって決定される。さらに、電極支持体６の側
面に成膜された超電導体薄膜は、電極支持体６側面の形
状を反映する。一方、電極支持体６を段差被覆性の良い
プラネタリ−電子ビーム蒸着法、スパッタリング法等で
形成すれば、屈折部分周辺の高さの変化は、無視し得る
ほど小さくなる。従って、電極支持体６側面に成膜され
た超電導体薄膜の形状も均一となる。また、成膜後の蝕
刻プロセスによって超電導体薄膜の端が丸くなるが、こ
の変化は超電導体薄膜全体に渡って一様である。

従って、本発明の超電導素子では、超電導弱結合に関わ
る第３の超電導体電極３の断面形状は、その長さに亘っ
て均一であり、そこに流れる超電導臨界電流密度も一定
となる。また、第３の超電導体電極３を従来よりもさら
に微細化しても、形状の均一性は保たれる。そのため、
本発明の超電導素子は、安定して高性能を発揮するだけ
でなく、特性が揃った複数の超電導弱結合を要する直流
型量子干渉素子等に応用するのに特に適する。

また、本発明においては、上記の本発明の超電導素子を
作製する方法も提供される。本発明の方法では、第１の
超電導体電極１および第２の超電導体電極２上に電極支
持体６を一体に、段差被覆性のよい方法で形成し、電極
支持体６の側面にやはり段差被覆性のよい方法で第３の
超電導体電極３を形成するものである。電極支持体６を
段差被１性のよい方法で形成し、電極支持体６を覆うよ
うに第３の超電導体電極を構成する超電導体薄膜をやは
り段差被覆性のよい方法で形成し、該超電導体薄膜を方
向制御性のよいエツチング方法にて選択的に除去して電
極支持体６側面に第３の超電導体電極３を形成すること
により、第３の超電導体電極３の断面形状の均一性は高
くなり、得られる本発明の超電導素子の性能は、安定す
る。

本発明の方法において、電極支持体６、第３の超電導体
電極３を形成する方法は、プラネタリ−電子ビーム蒸着
法またはスパッタリング法が好ましい。これは、プラネ
タリ−電子ビーム蒸着法およびスパッタリング法は、段
差被覆性がよいだけでなく、薄膜を形成する際に、膜厚
の制御がし易いためである。また、電極支持体６上の不
要な部分に堆積した超電導体薄膜を選択的に除去する方
法としては、リアクティブイオンエツチング法またはイ
オンミリング法が好ましい。これらのエツチング方法は
、特に方向制御性がよいため、本発明の方法に用いるこ
とが好ましい。

以下、本発明を実施例により、さらに詳しく説明するが
、以下の開示は本発明の単なる実施例に過ぎず、本発明
の技術的範囲をなんら制限するものではない。

実施例 第１図（ａ）に、本発明の超電導素子の一例を示す。

第１図（ａ）に示した本発明の超電導素子は、Ｓｉ製の
基板５上で、第１の超電導体電極１上に第２の超電導体
電極２の一部が、７５人の厚さの絶縁膜４を介して、且
つ第１および第２の超電導体電極が直接接触しないよう
に重ねて形成されている。電極支持体６は、第１の超電
導体電極１および第２の超電導体電極２上に連続して、
少なくとも第２の超電導体電極２の第１の超電導体電極
１上に重なっている部分の一部が、露出するよう形成さ
れている。第３の超電導体電極３は、上記の電極支持体
６の側面に沿って、第１の超電導体電極１および第２の
超電導体電極２上に形成されている。また、第３の超電
導体電極３は、第１の超電導体電極１と第２の超電導体
電極２との間に超電導弱結合が生じるよう構成されてい
る。本実施例では、第１、第２および第３の超電導体電
極には、ＮｂおよびＮｂＮを用いた。また、絶縁膜４に
は、Ｎｂ２Ｏ５を用い、電極支持体６はＳｉＯで形成さ
れている。

本実施例の超電導素子において、第３の超電導体電極３
の幅Ｗは、２０００人、厚さｄは、５００人に形成する
ことが可能であったが、この寸法に加工しても断面形状
の不均一はほとんどなく、超電導素子の動作特性も安定
していた。

第１図０））に、本発明の超電導素子の他の実施例を示
す。第１図（ｂ）に示した本発明の超電導素子は、直流
型量子干渉素子である。この直流型量子干渉素子は、Ｓ
ｉ製の基板５上で、第１の超電導体電極１上に第２の超
電導体電極２の一部が、７５人の厚さの絶縁膜４を介し
て、直接接触しないよう、重ねて形成されている。第１
の超電導体電極１は、一端の中央部に配線分離部分７１
を具備し、第２の超電導体電極２は、やはり一端の中央
部に配線分離部分７２を具備する。電極支持体６は、第
１の超電導体電極１および第２の超電導体電極２の配線
分離部分７１および７２上に連続して、配線分離部分７
１および７２よりも広く、且つ第２の超電導体電極２よ
りも狭い幅で形成されている。第３の超電導体電極３は
、電極支持体６の両側面に沿って、第１の超電導体電極
１および第２の超電導体電極２上に２個形成されている
。また、２個の第３の超電導体電極３は、それぞれ第１
の超電導体電極１と第２の超電導体電極２との間に超電
導弱結合が生じるよう構成されている。本実施例では、
第１、第２および第３の超電導体電極には、Ｎｂおよび
ＮｂＮを用いた。また、絶縁膜４には、Ｎｂ２Ｏ５を用
い、電極支持体６はＳｉＯで形成され、さらに配線分離
部分７１および７２はＳ　ＯＧ　（Ｓｐｉｎ　Ｏｎ　Ｇ
ｌａｓｓ）で形成されている。

また、本実施例の超電導素子において、２個の第３の超
電導体電極３の幅Ｗは、２０００人、厚さｄは、５００
人にそれぞれ形成することが可能であった。

以下、第２図（ａ）〜（ｅ）を参照して、第１図（ｂ）
に示した本発明の超電導素子を作製する方法を説明する
。

最初に、Ｓｉ基板５上に、第２図（ａ）に示した第１の
超電導体電極１を形成する。第１の超電導体電極１は、
Ｎｂ超電導体薄膜を蒸着法で２０００人の厚さに形成し
た後、一端の中央部付近の一部をリフトオフ法で完全に
除去して切り欠きを形成し、該切り欠き部にＳＯＧをス
ピンコードして配線分離部７１を形成することで作製す
る。次に、第２図ｂ）に示すように、第１の起電導体電
極１の上から配線分離部７１を形成した端部にかけて配
線分離部７１より十分広い幅でＮｂ、Ｏ３絶縁膜４を陽
極酸化法で７５人の厚さに形成する。真空中でＮｂｚＯ
ｓ絶縁膜４０表面をクリーニング後さらに、絶縁膜４上
に第２の超電導体電極２を第１の超電導体電極と同様に
蒸着法で形成した後、第１の超電導体電極１と重なって
いる端部に配線分離部７２を形成する。その後、第２図
（Ｃ）に示すよう第１の超電導体電極１の配線分離部７
１上から第２の超電導体電極２の配線分離部７２上に連
続して、配線分離部７１および配線分離部７２よりも広
く、且つ第２の超電導体電極２よりも狭い幅で、電極支
持体６をＳｉ○を用い、スパッタリング法で形成する。

電極支持体６をスパッタリング法で形成することにより
、屈折部における形状変化は、はとんど問題にならない
程度になる。第２図（ｄ）に示すように、フォトレジス
ト２９を使用して第３の超電導体電極を構成する超電導
体薄膜を堆積させる部分を限定する。その後、Ｎｂ超電
導体薄膜３０を膜厚が５００Ａとなるよう形成する。形
成方法は、スパッタリング法である。スパッタリング法
は、形成される薄膜のつき回り性がよく、屈折部におけ
る厚さの変化はほとんど生じない。次いで、フォトレジ
スト２９およびその上の超電導体薄膜を除去して、第２
図（ｅ）に示すように電極支持体６を覆う超電導体薄膜
３ｏを形成する。

最後に、超電導体薄膜３０の電極支持体６の上面に形成
されている部分をリアクティブイオンエツチング（ＲＩ
　Ｅ）法で除去し、第２図（ｆ）に示す如く第３の超電
導体電極３１および３２に分離して本発明の超電導素子
を作製する。リアクティブイオンエツチング法は、方向
制御性の良い加工方法であり、超電導体薄膜３０の電極
支持体６の上面に形成されている部分のみを正確に除去
できる。この加工には、リアクティブイオンエツチング
法以外にもイオンミリング法等が使用できる。

上記の本実施例で説明した方法以外にも、第１および第
２の超電導体電極を形成した後に、電極支持体を構成す
る酸化物、第３の超電導体電極を構成する超電導薄膜を
連続して形成し、集束イオンビーム（ＦＩＢ）等を利用
して加工すれば、界面に不純物を含まない、より高性能
な素子を作製できる。

また、本実施例では、超電導体電極を構成する超電導体
として、Ｎｂを用いたが、本発明の超電導素子に使用可
能な超電導体は、Ｎｂに限られるものではなく、例えば
Ｙ、Ｂａ２Ｃｕ、０７−Ｘ等近年研究が進んでいる複合
酸化物超電導体も使用することができる。

さらに、接合特性を向上させるため、本発明の超電導素
子の完成後に、全体を段差被覆性の良い物質でおおい、
−様に蝕刻することにより、第３の超電導体電極の厚さ
ｄを、さらに減少させることも可能である。

発明の詳細 な説明したように、本発明によれば、超電導弱結合を形
成する第３の超電導体電極の形状が均一な超電導素子お
よびその作製方法が提供される。

本発明の方法で本発明の超電導素子を作製することによ
り、単に高性能であるだけでなく、素子特性のばらつき
の小さい、均一性に優れた超電導素子を実現することが
可能である。

そのため、特に、量子干渉素子の様に特性の揃った複数
の超電導素子のを必要とする素子に応用することが有効
である。また、超電導素子の製造上の歩留りを高くする
ことが可能となるため、コストの低減にも効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）は、本発明の超電導素子の実施例の斜視図
であり、 第１図ら）は、本発明の超電導素子の他の実施例の斜視
図であり、 第２図（ａ）〜第２図（ｆ）は、第１図ら）に示した本
発明の超電導素子の作製方法を示す図であり、第３図は
、従来の準平面型超電導弱結合素子の斜視図であり、 第４図（ａ）および第４図ら）は、従来の準平面型超電
導弱結合素子における超電導体電極の形状の不均一を示
す図である。 〔主な参照番号〕 １・・・第１の超電導体電極、 ２・・・第２の超電導体電極、 ３．３１．３２・・・第３の超電導体電極、４・・・絶
縁膜、 ５・・・基板、 ６・・・電極支持体、 ２９・・・フォトレジスト、 ３０・・・超電導体薄膜、 ７１．７２・

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）基板上で、直接接触しないように絶縁膜を介して
   形成された第１および第２の超電導体電極と、前記第１
   および第２の超電導体電極間で超電導弱結合が生じるよ
   うに前記第１および第２の超電導体電極を結合する第３
   の超電導体電極を具備する超電導素子において、前記第
   ３の超電導体電極が、前記第１および第２の超電導体電
   極上に、超電導体でない材料を用いて、連続して形成さ
   れた電極支持体の側面に形成されていることを特徴とす
   る超電導素子。
2. （２）前記第３の超電導体電極および／または前記電極
   支持体が、プラネタリー電子ビーム蒸着法またはスパッ
   タリング法により形成されていることを特徴とする請求
   項（１）に記載の超電導素子。
3. （３）基板上で、直接接触しないように絶縁膜を介して
   形成された第１および第２の超電導体電極と、前記第１
   および第２の超電導体電極間で超電導弱結合が生じるよ
   うに前記第１および第２の超電導体電極を結合する第３
   の超電導体電極を具備する超電導素子を作製する方法に
   おいて、前記第１および第２の超電導体電極上に、超電
   導体でない材料を用いて電極支持体を形成し、該電極支
   持体を覆うように第３の超電導体電極を構成する超電導
   体薄膜を段差被覆性のよい方法で形成し、該超電導体薄
   膜を方向制御性のよいエッチング方法にて選択的に除去
   して、前記電極支持体側面に第３の超電導体電極を形成
   することを特徴とする超電導素子の作製方法。
4. （４）前記超電導体薄膜および／または前記電極支持体
   を、プラネタリー電子ビーム蒸着法またはスパッタリン
   グ法で形成し、前記電極支持体上の前記超電導体薄膜を
   リアクティブイオンエッチング法またはイオンミリング
   法にて除去することにより、前記電極支持体側面に第３
   の超電導体電極を形成することを特徴とする請求項（３
   ）に記載の超電導素子の作製方法。