JPH0244786A - ジョセフソン素子の製造方法 - 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〕 本発明はジョセフソン素子の製造方法に関する。この素
子は磁場の測定用計測器、赤外検知器、増幅器、ＳＱＵ
　Ｉ　Ｄ、ジョセフソンコンピューター等に幅広く使わ
れるものである。

〔従来の技術〕

従来、ジョセフソン結合の型式としては、■酸化スズ、
酸化アルミニウムのような酸化物質、■銅のような常伝
導金属、■超伝導材の一部を細くしたもの、■超伝導材
の一部を細くした上で常伝導金属を蒸着したもの、■超
伝導片の針によるポイントコンタクト等を利用する型式
が知られている。

〔発明が解決しようとする課題〕

こららの結合型式すべては、ジョセフソン素子の製造に
際して、かかる結合を形成する操作を他部分の形成操作
と別途に実施することが必要である。

本発明は上に述べたようにジョセフソン結合を形成する
操作を別途・人工的に実施することなく、ジョセフソン
素子を製造しようとするものであって、結晶と結晶とが
成長して他方の結晶と接するときに自然にできる結晶粒
界を、ジョセフソン結合に利用してジョセフソン素子の
製造を図ろうとするものである。

しかし、基板上で単に結晶を成長させても無秩序に結晶
が成長し、いくつものジョセフソン結合か複雑に連なっ
た構造になってしまうだけであり、基板上の目的の位置
に、目的の数のジョセフソン素子ができない。

さらに、７７により高温で超伝導を示す超伝導結晶、例
えば、Ｌａ５ｒ２（：ｕ３０ｘ、Ｙ　Ｂａ２（：ｕ、、
Ｏｘ１．　Ｅｒ１１ａ２Ｃｕ３０ｘ（ｘ　＞　Ｏ）　、
更にＢ１−５ｒ−Ｃａ−Ｃｕ−０、ＴｌＣａ−Ｂａ−Ｃ
ｕ−０系などは、水分に対する安定性がなく、超伝導状
態にするために、あるいは熱雑音を少なくするために、
ジョセフソン素子を冷却すると、素子に吸着した大気中
の水分による劣化や、動作時に流れる電流による水の電
気分解等によって、素子が劣化するという大きな問題で
ある。

そこで、本発明者らは、ジョセフソン結合を形成する操
作を別途実施しなくても、基板上の所望位置に所望数の
ジョセフソン素子を製造すること、および温度の変動に
強いジョセフソン素子をを製造することを目的として、
研究を重ねた結果、次の本発明が完成された。

〔課題を解決するための手段〕

即ち、本発明は、基板表面よりも超伝導結晶の生起・成
長を速める性質によって超伝導結晶の成長起点となる、
少なくとも２つで１組の核を、基板上に所望のパターン
て形成した後、 該基板上での該超伝導結晶の選択的生起と結晶化の進行
とによって結晶粒界を生じさせて、ジョセフソン接合を
形成し、 配線と、水分の侵入を防止する保護膜の該超伝導結晶上
への成膜とを実施する、ジョセフソン素子の製造方法で
ある。

この本発明は、基板表面よりも超伝導結晶が速く成長で
きる物質（核）を基板上にパターニングして結晶の成長
位置をコントロールすることによって、所定の位置にの
みジョセフソン素子を製造するものである。

以下、本発明を図面を参照しつつ詳細に説明する。

第１図から第３図に、本発明のジョセフソン素子の製造
法の一実施態様を、過程に従って示す。

この態様においては、まず、少なくとも２つが組になっ
た核１を、基板２上の所望位置に所望数生じさせる（第
１図）。即ち、核１のパターンを基板２上に形成する。

核１は、次の工程における超伝導結晶の成長の起点とな
り、基板２の任意位置からの超伝導結晶の成長を防ぐ役
目を果たす。つまり、核１は超伝導結晶の生起・成長を
基板表面よりも速めるものである。したがって、この役
目をはだすものならばいかなる物質も用いることもでき
る。核１は好ましくは、基板表面よりも超伝導結晶を１
０３倍以上速く成長させつるようなもの、例えば１！２
０３　、５ｒＴｉ０３、ＴｉＯ２、Ｂｅ０１Ｍｇ０　、
　ＣａＯ。

ＳｒＯまたはＢａＯとするのが好ましい。−組の対とな
った核１において、個々の核の相互間隔は、種々の要因
によって変わるが、１００−程度が一つの目安となる。

かかる核１のパターンを形成する具体的な方法としては
、例えば第５図に示すように、所望数、所望位置に穴が
あいたマスク３を基板２上に載置し、それに向かって核
１となる物質を蒸着（例えば、スパッタリング法による
）すればよい。

なお、基板２の材料としては、回路基板に用いられてい
るものならば特に制限はなく、例えばサファイヤ、石英
、Ｓｉ等が利用できる。

次に、核１の形成された基板２に対して超伝導結晶の構
成成分をスパッタして超伝導結晶４を生Ｊ戊ざπる（第
二図）。

基板２の核１が設けられていない部分よりも核１の方か
超伝導結晶を生起・成長させる速度が大きいので、通常
の条件下で個々の核のみから結晶が成長し始め、実質的
に所望位置で結晶が衝突し、その地点において粒界がで
きジョセフソン結合となる。

ここで用いる超伝導結晶４の材質に関して特に制限はな
いか、例えばＡ−Ｂ−Ｃ−Ｄ　（ただし、ＡはＬａ、Ｃ
ｅ、　Ｐｒ、　Ｎｄ、　Ｐｍ、　Ｓｒｎ、　Ｅｕ、　Ｇ
ｄ、Ｔｂ、　Ｄｙ。

Ｈｏ、　Ｅｒ、　Ｔｍ、　Ｙｂ、　Ｓｃ、Ｌｕ　、　Ｄ
ｉ、ＴｆｆｉおよびＹから成る群、ＢはＣａ、　Ｐｂ、
　ＳｒおよびＢａから成る群、ＺはＶ、　Ｔｉ、　　Ｃ
ｒ、　Ｍｎ、　　Ｆｅ、　　Ｎｉ、　　Ｇｏ、　Ａｇ、
　　Ｃｄ、　　Ｚｎ、　　［：ｕおよびＨｇから成る群
、ＤはＳおよびＯから成る群よりそれぞれ選ばれた一種
以上の元素である）で示されるものが挙げられる。この
なかで、超伝導転移点が７７に以上であり、液体窒素で
素子の動作が可能なＬａ５ｒ２［：ｕ３０ｘ、　Ｙｆｌ
ａ２Ｃｕ３０ｘ、ビｒＢａ２Ｇｕ３０ｘ（ｘ＞０）、更
にＢ１−５ｒ−Ｃａ−Ｃｕ−０系、　Ｔｌ−Ｃａ−Ｂａ
Ｃｕ　−０；ｆ−等の化合物が好ましい。

上では、スパッタ法により超伝導結晶の生起と結晶化の
進行とを実施したか、他にも、例えば化学気相蒸着法、
スパッタリンク法、電子ビーム法、イオンクラスタービ
ーム法、分子線エピタキシー法が利用できる。

次に、基板と超伝導結晶の間で、エツチング速度差が生
ずる反応性エツチング（ＲＩＥ）の実施により超伝導結
晶をエツチングして、単結晶−粒界−単結晶から成る表
面を平坦化する（第３図）。

その後、単結晶部には、例えば、Ｏｒ−Ａｇのような電
極材料を用いて配線を行なった後、水分の侵入を防止で
きる保護膜５を全体に設ける（第４図）。

保護膜５はかかる作用を果たしうるものであればよい。

一般に、プラスチックコーティング法は、ジョセフソン
素子に急激に熱変化があった場合、クラック等かはいる
。また、スパッタリング法、真空蒸着法、ＣＶＤ法、ス
プレーパイロリシス法などで保護膜を形成した場合も同
様である。

このため、本発明では保護膜形成のため代表的には、密
着性が良く、かつパッチング密度の高い膜をクラスター
イオンビーム法で成膜する。

第７図にクラスターイオンビーム蒸着法の原理図を示す
。６はルツボ、７は蒸発物質、８はイオン化ユニット、
９は加速電極、１０は基板、１１は蒸発物質のクラスタ
ーイオンヒームである。ルツボにはノズルか取り付けて
あり、不図示の加熱装置によりルツボを加熱するか、こ
のときノズル部を蒸発物質が通過し、断熱膨張により５
００〜１０００個の原子からなるクラスターを形成する
ように加熱装置を制御する。具体的には、ルツボの内外
で蒸発物質の蒸気圧差が約１桁以上程度になるようにす
る。このようにして生じたクラスターにイオン化ユニッ
ト部分で熱電子のシャワーを照射してクラスターの一部
をイオン化する。このときのイオン化率は不図示の電源
により制御する。

不図示の電源により、基板と加速室８ｉ９の間に約１０
ＫＶあるいは一１０ＫＶ程度の加速電圧か印加出来、こ
れによりクラスターイオンを加速する。

ここで重要なのは、イオン化ユニットも加速電圧も電気
的に制御している点である。つまり蒸着中にこれらは連
続的にも不連続的にも自由にかつ極めて短時間に制御で
きる。この特徴を利用して保護膜を成膜するわけである
が、−船釣にはイオン化率を高く、加速電圧を高くする
ことによって、膜の密着性、バッキング密度は良くなる
が、逆にスパッタ現象も起きてしまう。したがって本発
明では、保護膜の蒸着開始後、しばらくは大きなイオン
化率、大きな加速電圧で蒸着し、その後、スパッタ現象
を防ぐためにそれらの値を小さくして保護膜を作製する
。

つまり、密着性、パッチング密度の高い保護膜は、クラ
スターイオンビーム法において、イオン化電流、加速電
圧を蒸着中に連続または不連続に変化させることにより
得られる。

保護膜５は、不純物の混入を避けるため超伝導結晶を構
成する金属元素、　八！、およびＳｉから成る群より選
ばわた〜種以上の元素の酸化物または窒化物を用いるの
が好ましい。

［実施例］ 実施例１ まず、第５図に示したよう、マスクを利用したＲＦスパ
ッタ法を実施することによって石英の基板（１インチ×
２インチ、１ｍｍ）Ｊｌに５ｒＴｉ０３の核を形成した
。マスクにあけられた２つ一組の穴の相互間隔は１００
　ｐである。個々の核の大きさは約１胛であった。なお
、基板の温度は８００℃に加熱した状態でＲＦスパッタ
法を実施した。

この基板上に次のようにして、超伝導結晶を生成させた
。基板上にＬａ、Ｓｒ、　Ｃｕが１　：２：３に蒸着で
きるように、ＣｕＯ、ＳｒＣＯ３，Ｌａ２（］＋の混合
物を焼結し、４インチφの円板ターゲットを用いて、ア
ルゴンと酸素の混合ガス中で、スパッタし、結晶粒界が
できるまで、結晶を成長させた。

スパッタ条件は、真空度１０−６Ｔｏｒｒ以下にし、ア
ルゴンと酸素を１：１に混合し、１０−２〜１０−’Ｔ
ｏｒｒ程度にした。蒸着速度は１〜１００人／秒である
。

次にエツチングガスとして、ＮＨ３とＩＩｃＩを用いた
反応性イオネッチングにより単結晶−粒界−単結晶の表
面を平坦化した。

配線を次のように行った。材料は０ｒ−Ａｕを用い、真
空蒸着法によりまず、Ｏｒを２００〜５００人、その上
にＡｕを２０００〜５０００人蒸着した。バターニング
は、通常のフォトリソグラフィ技術で行なった。

その後、Ａｌ２Ｏ３の保護膜をイオンクラスタービーム
法により成膜した。

条件は以下の通り。

・真空度：まず、１０　””Ｔｏｒｒ以下にし、０２を
入れて２〜４　Ｘ　１０−’Ｔｏｒｒにした・蒸着速度
、１〜１０人／秒 ・膜厚：約８０００人 ・蒸着の様子：最初約３０秒間はイオン化電流を２００
ｍＡ、加速電圧を４ＫＶ、その後、イオン化電流を１０
０ｍＡ、加速電圧を２ＫＶにした。このように作成した
ジョセフソン素子は、７７Ｋにおいて、第６図の電流電
圧特性を示した。

保護膜を取り付けないジョセフソン素子は、液体窒素に
直接素子を入れて、室温→７７に→室温という熱サイク
ルを与えると、２回目には、動作しなくなフだが、保護
膜が取り付けられた本発明のジョセフソン素子は、熱サ
イクルを加えても安定に動作した。

なお、超伝導結晶作成のためのターゲット構成元素とし
て、Ｌａの代わりにＧｅ、　Ｐｒ、　Ｎｄ、Ｐｍ、　Ｓ
ｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、　ｌｌｏ、　Ｅｒ、　Ｔ
ｍ、　Ｙｂ、　Ｌｕ、　ＹまたはＬａｃｅ、　ＧｄＴｂ
、ＨｏＹｂ、あるいはＳｒの代わりにＢａ、Ｃａ、Ｂａ
’Ｃａを用いても、第６図とほとんど同様な電圧・電流
特性か得られだ。

実施例２ 基板として５ｉ（ｌ　Ｉ　１）　、超伝導性結晶として
Ｙ　、Ｂａ２Ｃｕ３０７の結晶を成長させたこと、保護
膜をＹ２０３としたこと以外は実施例１と同様にして、
ジョセフソン素子を形成した。保護膜形成の条件は以下
の通り。

・真空度：まず、１０−６Ｔｏｒｒ以下にし、０２を人
わでＩ　Ｘ　１０−Ｓ〜４　Ｘ　１０−’Ｔｏｒｒにし
た・蒸着速度：１〜１０人／秒 ・膜厚：約１胛 ・蒸着の様子：最初約２０秒間はイオン化′准流を３０
０ｍＡ、加速電圧を３ＫＶ、その後、イ才ン化電流を５
０ｍＡ、加速電圧をＩＫＶにした。

こうして形成されたジョセフソン素子の電圧・電流特性
も第６図と同様であった。

実施例３ 石英基板上に実施例１と同様に５ｒＴｉＯ３の核を形成
した。この基板上にＢｉ、　Ｓｒ、　Ｃａ、　Ｃｕが２
＝２＝２：３に蒸着できるように、Ｂｉ２Ｏ３、Ｓ　ｒ
　ＣＯ、、、ＣａＣ０，、ＧｕＯの混合物を焼結し、４
インチφの円板ターケラトを用いて、アルゴンと酸素の
混合ガス中でスパッタし、結晶粒界かできるまで結晶を
成長させた。

スパッタリングは真空度１０−　　Ｔｏｒｒ以下、アル
ゴンと酸素を１・１に混合し、１０−２〜１０Ｔｏｒｒ
の雰囲気で行った。また、保護膜は実施例１と同様にＡ
ＩＪ３を用いた。

このように作成したジョセフソン素子の電圧電流特性も
第６図と同様てあった。

〔発明の効果〕

以上詳細に説明したように本発明によって、ジョセフソ
ン結合を形成する操作を別途実施しなくても、基板上の
所望位置に所望数のジョセフソン素子が製造できるよう
になった。このため、論理回路等の製造に際して、製造
工程数の減縮、操作の簡略化等が図れる。

更に、密着性、バッキング密度の高い保護膜で表面がコ
ーティングされることにより、急激な温度変化にも十分
耐えて正常に動作を示すジョセフソン素子が提供できる
ようになった。

【図面の簡単な説明】

第１図から第４図は本発明の実施態様を、その工程順に
示す図、第５図は核の基板上へのバターニック法を示す
図、第６図は本発明の実施例で形成された結晶粒界のジ
ョセフソン結合の電流〜電圧特性を示す図、第７図は、
クラスターイオンビーム蒸Ｒ法の原理図である。 １；核　　　　　２：基板 ３：マスク　　　４：超伝導結晶 ５：保護膜

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）基板表面よりも超伝導結晶の生起・成長を速める性
   質によって超伝導結晶の成長起点となる、少なくとも２
   つで１組の核を、基板上に所望のパターンで形成した後
   、 該基板上での該超伝導結晶の選択的生起と結晶化の進行
   とによって結晶粒界を生じさせて、ジョセフソン接合を
   形成し、 配線と、水分の侵入を防止するための保護膜の該超伝導
   結晶上への成膜とを実施する、ジョセフソン素子の製造
   方法。 ２）前記超伝導結晶の選択的生起と結晶化の進行とを、
   化学気相蒸着法、スパッタリング法、電子ビーム法、ク
   ラスターイオンビーム法、分子線エピタキシー法により
   実施する請求項１記載の製造方法。 ３）前記超伝導結晶をＡ−Ｂ−Ｃ−Ｄ（ただし、ＡはＬ
   ａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ
   、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕ、Ｓｃ、Ｂｉ、
   ＴｌおよびＹから成る群、ＢはＣａ、Ｓｒ、Ｂａおよび
   Ｐｂから成る群、ＣはＶ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｎ
   ｉ、Ｃｏ、Ａｇ、Ｃｄ、Ｃｕ、ＺｎおよびＨｇから成る
   群、ＤはＳおよびＯから成る群よりそれぞれ選ばれた一
   種以上の元素である）で示される結晶とする請求項１ま
   たは２記載の製造方法。 ４）前記保護膜は、超伝導結晶を構成する金属元素、Ａ
   ｌ、およびＳｉから成る群より選ばれた一種以上の元素
   の酸化物または窒化物である請求項３記載の製造方法。 ５）前記保護膜をクラスターイオンビーム法で設ける請
   求項１〜４いずれかに記載の製造方法。 ６）前記核をＡｌ＿２Ｏ＿３、ＳｒＴｉＯ＿３、ＴｉＯ
   ＿２、ＢｅＯ、ＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯまたはＢａＯと
   する請求項１〜５いずれかに記載の製造方法。