JPH03110878A - 超電導素子の製造方法 - 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、ビスマス系の酸化物超電導薄膜を用いたＳＮ
Ｓ　（超電導・常電導・超電導）接合を有する超電導素
子の製造方法に関する。

［従来の技術］ ＳＮＳ接合を利用する超電導素子として、５ＱＵＩＤ　
（超電導量子干渉デバイス）や超電導トランジスタ等が
提案されている。

そして、ＳＮＳ接合を利用する超電導素子は、超電導体
と常電導体を密着させると超電導側から常電導側ヘクー
バ一対がしみ出して、常電導側へのしみ出し距離程度の
薄い層に超電導を誘発する近接効果を利用したものであ
る。

すなわち、常電導膜Ｎを超電導膜Ｓで挟んだＳＮＳ接合
で、Ｎの膜厚がしみ出し距離程度であると、近接効果の
ためにクーパ一対がＳ膜間を行き来できるようになる。

ここで、しみ出し距離は常電導体内のコヒーレンス長さ
に相当する量で、温度の低下と共に大きくなり、また自
由電子の濃度と共に増大する。そこで、超電導素子にお
いては、ＳＮＳ接合におけるこのような導電特性を利用
する。例えば、５ＱＵＩＤもこのＳＮＳ接合における近
接効果を利用したものであり、常電導体として金属を用
いている。そして、超電導リングの一部にＳＮＳ結合を
設け、リング内の磁界変化を高感度で検出する。

一方、金属の自由電子濃度を変えるのは難しいが、半導
体を用いると半導体の電流を運ぶキャリアを電場によっ
て制御できる。そこで、これを利用すれば、電場を制御
してＳＮＳ接合部でのキャリア濃度を電界効果トランジ
スタのように変更することができる。

近接効果型トランジスタは、この半導体を用いたもので
あり、第７図に示すようなシリコン単結晶基板２１上に
、ソース電極２２とドレイン電極２３をそれぞれ超電導
体にて形成すると共にシリコン単結晶２１の下面にゲー
ト電極２４を形成するものが提案されている。ここで、
絶縁膜２５゜２６．２６は電極間の絶縁のためのもので
ある。

なお、このような近接効果型トランジスタは、西野他「
超電導トランジスタ」応用物理（第５６巻第６号（１９
８７）　Ｐ、　　７５２〜７５６参照）等に示されてい
る。

このような超電導素子を製造するためには、常電導体上
に超電導薄膜を積層化する必要がある。

ところが、常電導体上に超電導薄膜を形成する場合、形
成時の基板温度を８００℃以上の高温にする必要があり
、このときの常電導体と超電導体の相互拡散により超電
導体の特性が劣化していまい、良好なＳＮＳ接合の形成
が非常に難しいという問題点があった。

このような問題点を解消することを目的として、本出願
人は、特願昭６３−２５０１０３号において、超電導薄
膜を集束イオンビームのエツチングにより２分し、これ
を化合物半導体で接合してＳＮＳ接合（超電導トランジ
スタ）を得る方法について提案した。

［発明が解決しようとする課題］ この提案の方法によれば、常電導上に超電導薄膜を形成
する必要がなく、超電導薄膜の特性劣化を大幅に低減す
ることができる。しかし、提案の方法においては、集束
イオンビームによるエツチングを行うため、このエツチ
ングの際にイオンが超電導体中に侵入し、超電導体の超
電導特性が劣化する場合があるという問題点があった。

この発明は、集束イオンビームによるエツチングの際の
超電導体に対する悪影響を低減し、高性能な超電導素子
を得ることができる超電導素子のの製造方法を提供する
ことを目的とする。

［課題を解決するための手段］ 本発明に係る超電導素子の製造方法は、ビスマス系の酸
化物超電導薄膜にギャップを形成する時に、ビスマスを
用いた集束イオンビームを用いることを特徴とする。

［作用〕 ビスマス系の酸化物超電導薄膜に対し、ビスマスを用い
た集束イオンビームによってギャップを形成するため、
ギャップ形成時における超電導薄膜への悪影響を最小限
とでき、高性能の超電導素子を得ることができる。

［実施例］ 以下、本発明に係る超電導素子の製造方法について図面
に基づいて説明する。

第１実施例 本発明の製造方法においては、まずビスマス（Ｂｉ）系
の酸化物超電導薄膜を基板上に形成する。そこで、超電
導薄膜の形成について説明する。

第１図は、Ｂｉ系酸化物超電導薄膜を得るためのスパッ
タリング装置の一例である。図において、ペルジャー１
には、排気系２、アルゴンガスボンベ３が接続されてい
る。ここで、アルゴンガスボンベ３はバリアプルリーク
バルブ４、ストップバルブ５を介してペルジャー１に接
続されている。

また、ペルジャー１内には、一対の陽極６及び陰極７が
シャッター８を介し対向配置されている。

そして、陽極６上には、その表面上に超電導薄膜を形成
する基板９が置かれている。なお、基板９としては、マ
グネシア（ＭｇＯ）等が用いられる。

一方、陰極７は、超電導材料であるＢ１−Ｃａ−５ｒ−
Ｃｕ−０（以下ＢＣＳＣＯという）で組成比２：１：２
：２：ｘの焼結体からなるターゲツト材にて構成されて
おり、この陰極７には負の高い電圧が印加されている。

なお、高真空計１０、低真空計１１はペルジャー１内の
圧力を計測するものである。

上述のターゲットを用いて、第１図に示すＲＦマグネト
ロンスパッタリング装置を下記の条件で運転したところ
、基板上にターゲットと同一組成のＢＣ３ＣＯ（組成比
２　：　１　：　２　：　２　：　ｘ）薄膜を成長速度
２７０人／分で得ることができた。

スパッタ出力＝１５０Ｗ 印加電圧：２，６ｋＶ ターゲット、基板９間隔：４．５ｃｒＡなお、基板９上
には０．５〜５μｍの厚みの薄膜が形成する。

このようにして形成された薄膜は全体として絶縁性であ
り、Ｘ線回折パターンによれば非晶質であり、その表面
は鏡面であった。

その後、薄膜が形成された基板９をスパッタ装置から取
出して電気炉に入れ、流量２１／分の酸素雰囲気中にお
いて室温から１℃／秒で８００℃まで昇温し、８００℃
で１時間アニール処理を行い、−２０℃／秒で室温まで
降温して冷却した。

このようにして、第２図（ａ）に示すように、基板９上
にＢＣ３ＣＯ超電導薄膜１２を形成することができる。

次に、第２図（ｂ）に示すように、ＢＣ８ＣＯ超電導薄
膜１２を２分割するギャップ１４を形成する。このギャ
ップ１４の形成は、Ｂｉを利用した集束イオンビームに
より行う。

ここで、集束イオンーム装置においては、イオン源とな
る金属を加熱して溶融状態として陽極とするとともに、
少量ずつ対向する陰極に向けて流出させる。そして、こ
の陽極と陰極に溶融金属表面に生ずる静電気力が液体の
表面張力に打ち勝つ電圧を印加する。ここで、陽極金属
の突出、電界強度の増加が起こり、電界蒸発過程及びこ
れに付随する電界電離過程などにより表面原子がイオン
化する。そして、このようにしてイオン化した金属を直
交する電界Ｅ、磁界ＢによりＥＸＢ質量分離を行うとと
もに、静電界を印加して偏向、集束して所望のイオンビ
ームを得る。

本実施例においては、イオン源の金属として、Ｂｉを用
いており、これがイオン化（Ｂｌ　）して、放出される
。そして、この集束イオンビームによれば、イオンビー
ムを所定の場所に集束して照射することができ、微細な
スパッタエツチングが可能となる。そこで、幅０，２μ
ｍ以下のギャップ１４を形成することができる。

なお、集束イオンビーム照射の条件は、例えば印加電圧
１００ｋＶ、イオンＢｉ　　　　照射量１０１８１０ｎ
Ｓ／ＣｌＩ２とする・ 次に、第１図（ｃ）に示すように、このギャップ１４に
よって分割された超電導薄膜１２上に常電導薄膜１５を
蒸着し、２分された超電導薄膜１２を接続する。この蒸
着は、通常の減圧下における金属の加熱蒸発を利用した
蒸着処理によって行うことができる。

このようにして、ＳＮＳ接合が形成され、超電導素子が
形成される。

ここで、この発明の超電導素子は、超電導薄膜１２に対
するギャップ１４形成の際にＢｉを用いた集束イオンビ
ームを利用している。このため、超電導薄膜１２に打ち
込まれるイオンはＢｉのイオンである。一方、超電導薄
膜１２にはＢｉ系のものが用いられているため、イオン
打ち込みに起因する超電導薄膜１２に対する悪影響を最
小限に抑制することができる。そこで、超電導薄膜の超
電導特性の劣化が少なく、高性能の素子を得ることがで
きる。

第３図に、本実施例によって形成した超電導素子の走査
型電子顕微鏡（Ｓｃａｎｎｉｎｇ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　
Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）によって得たＳＥＭ像を示す。

このように、非常に狭いギャップにより超電導薄膜（Ｂ
Ｃ３ＣＯ）が分離され、ここに金（Ａｕ）薄膜が介在さ
れていることが理解される。なお、この例では、基板は
ＭｇＯである。

次に、このようにして得た超電導素子について、分割さ
れた超電導薄膜１２間に電圧を印加し、その性状を調べ
た。

第４図は、超電導素子の抵抗−温度特性を示したもので
あり、Ａｕ蒸着後のデータにおいて、抵抗値は温度９０
に程度までは温度の低下に伴ない若干増加（１４０〜１
５０Ω程度）している。しかし、９０に以下になるとそ
の抵抗値が急激に減少し始め６０に程度でほぼＯになっ
ている。

これより、この超電導素子においては、９０に程度で超
電導薄膜１２において超電導が始まり６０Ｋにおいては
近接効果により常電導薄膜１５による抵抗もＯになって
いることが理解される。

一方、金蒸着前においては、温度８０に程度までは温度
の低下に伴ない抵抗値が徐々に増加（２０〜４０にΩ程
度）し、８０に以下になるとその抵抗値が急激に増加し
ている。これより集束イオンビームにより超電導薄膜１
２の分割が完全に行われていることが理解される。

また、第５図は、超電導素子の電流−電圧特性を示した
ものである。この図において、電流値を徐々に変更して
いくとある電流で電圧が不連続に大きく変化している。

これらの結果より、本実施例の超電導素子により、ＳＮ
Ｓ接合が形成されており、５ＱＵＩＤ等に適用可能であ
ることが理解されている。なお、図には、温度１５．５
０．７０にの場合が示されており、上述の現象は温度が
低いほど顕著に現れている。

本実施例においては、超電導体として臨界温度が９０に
程度のＢＣ３ＣＯ（組成比２：１：２：２　二ｘ）を利
用したが、臨界温度１１０にのＢＣ３ＣＯ（組成比２　
：　２　：　２　：　３　：　ｘ）も利用可能である。

また、常電導体としては他の各種金属が利用可能である
。

第２実施例 第２実施例においては、ＳＮＳ接合の常電導薄膜として
、化合物半導体を採用している。

そして、基板として、Ｍ　ｇ　ＯＳＳ　ｒ　Ｔ　ｉＯａ
、サファイア、ｙｓｚあるいはＢ　ａ　Ｆ　２　、Ｃａ
　Ｆ　２をコーティングしたＳｉウェハー等を利用し、
この表面上にＢｉ系酸化物超電導薄膜を形成し、これを
Ｂｉを利用した集束イオンビームによりスパッタエツチ
ングしてギャップを形成する。

そして、このギャップをまたいでＧａＡａ薄膜をＭＢＥ
　（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ　　Ｂｅａｍ　　Ｅｐｉｔａｘ
ｙ）によって形成する。このＧａＡｓ薄膜の形成は、例
えば基板温度４５０℃、Ｇａセル温度９８０℃、Ａｓセ
ル温度２１０℃、ＡＳ／Ｇａフラックス強度比１０、成
長速度０．　１μｍ／時で行い、厚みは０．１μｍ程度
とする。

さらに、第２実施例においては、第６図に示すように、
ＡＪＳＡｕ−Ｇｅの蒸着により、電極を形成しトランジ
スタを構成する。すなわち、この例おいては、ゲート電
極１６を厚さ０．　３μｍのＡＩ！、ソース電極１７及
びドレイン電極１８を厚さ０．２μｍのＡｕ−Ｇｅで形
成している。

このようにして、Ｂｉ系超電導薄膜を用いてブレーナ型
ＳＮＳ接合を持つ超電導トランジスタを製造することが
できる。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明に係る超電導素子の製造方
法によれば、Ｂｉ系の超電導薄膜にギャップを形成する
際に、Ｂｉを用いた集束イオンビームを利用するため、
ギャップ形成時の超電導薄膜に対する悪影響を最小限と
でき、性能のよいＳＮＳ結合を有する超電導素子を製造
することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は同実施例に好適なスパッタ装置の構成図、 第２図（ａ）〜（ｃ）は本発明の第１実施例に係る超電
導素子の製造方法を示す説明図、第３図は同実施例のＳ
ＮＳ接合部を構成示す走査型電子顕微鏡写真、 第４図は同実施例の抵抗温度特性図、 第５図は同実施例の電流電圧特性図、 第６図は第２実施例の概略構成図、 第７図は従来例の概略構成図である。 ９　・・・　基板 １２　・・・　超電導薄膜 １４　・・・　ギャップ １５　・・・　常電導薄膜 ■願人三洋電機株式会社

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 基板上にビスマス系の酸化物超電導薄膜を形成する工程
   と、 ビスマスを用いた集束イオンビームにより、超電導薄膜
   にギャップを形成して超電導薄膜を分割する工程と、 分割した超電導薄膜にまたがってこれら超電導薄膜上に
   常電導薄膜を形成する工程と、 を有することを特徴とする超電導素子の製造方法。