JPH04102380A - Manufacture of josephson element - Google Patents
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Abstract
Description
【発明の詳細な説明】
〔産業上の利用分野〕
この発明はジョセフソン素子の製造方法に係り、特に酸
化物超伝導体を用いるS/N/S構造のブレーナ型ジョ
セフソン素子の製造方法に関する。[Detailed Description of the Invention] [Industrial Application Field] The present invention relates to a method for manufacturing a Josephson device, and more particularly to a method for manufacturing a Brehner-type Josephson device with an S/N/S structure using an oxide superconductor. .
酸化物超伝導体を用いた従来のプレーナ型ジョセフソン
素子の製造工程が第6図に示される。これはシリコンS
iと酸化物超伝導体との化学的反応を利用してS/N/
S構造を作製するものである。The manufacturing process of a conventional planar Josephson device using an oxide superconductor is shown in FIG. This is silicon S
S/N/ using chemical reaction between i and oxide superconductor
This is to create an S structure.
第6図fatはMgO基板61の上にシリコン62が形
成される工程に係る断面図である。第6開山)はホトリ
ソグラフィーの方法でシリコンがストリップ状シリコン
66にパターニングされる工程に係る断面図である。第
6図tc+は基板61とストリップ状シリコン66の上
に酸化物超伝導体であるYBa、Cu30つ(以下YB
COと略記する)63が所定温度で積層される工程に係
る断面図である。このときYBC063とシリコンSi
とが反応して反応領域65が形成される。この反応領域
65は絶縁体である。第6図(dlは反応端域65の上
に常伝導体64である銀Agを形成する工程に係る断面
図である。ストリップ状シリコン66はYBCOに比し
電気抵抗は高く絶縁体に近似できる。このようにして超
伝導体(S)/常伝導体(N)/超伝導体(S)構造の
ジョセフソン素子が得られる。FIG. 6 (fat) is a cross-sectional view of a step in which silicon 62 is formed on an MgO substrate 61. 6th opening) is a cross-sectional view related to a process in which silicon is patterned into a strip-shaped silicon 66 by a photolithography method. FIG. 6 tc+ shows 30 oxide superconductors YBa and Cu (hereinafter referred to as YB
63 is a cross-sectional view related to a step in which layers (abbreviated as CO) 63 are laminated at a predetermined temperature. At this time, YBC063 and silicon Si
A reaction region 65 is formed by the reaction. This reaction region 65 is an insulator. FIG. 6 (dl is a cross-sectional view relating to the step of forming silver Ag as a normal conductor 64 on the reaction end region 65. The strip-shaped silicon 66 has a higher electrical resistance than YBCO and can be approximated to an insulator. In this way, a Josephson element with a superconductor (S)/normal conductor (N)/superconductor (S) structure is obtained.
またプラズマ処理によるS/I (絶縁体)/S構造
のジョセフソン素子の製法も知られている。A method of manufacturing a Josephson element having an S/I (insulator)/S structure by plasma treatment is also known.
この方法はRBazCus O* (Rは希土類元素
を指す)の超伝導性が酸素量に依存することを利用する
ものである。基板上にYBCO層を形成してから電気炉
中で温度800℃のアルゴンガスを流す、このときYB
CO層より酸素が脱離して絶縁体化する。This method utilizes the fact that the superconductivity of RBazCusO* (R refers to a rare earth element) depends on the amount of oxygen. After forming a YBCO layer on the substrate, argon gas at a temperature of 800°C is flowed in an electric furnace.
Oxygen is desorbed from the CO layer and it becomes an insulator.
メタルマスクで所要部をマスクし、酸素プラズマを露出
部分に印加すると、酸素が再び露出部分にとりこまれ、
超伝導体化する。このようにしてS/I/S構造のジョ
セフソン素子が得られる。When the required parts are masked with a metal mask and oxygen plasma is applied to the exposed parts, oxygen is absorbed into the exposed parts again.
Become a superconductor. In this way, a Josephson element with an S/I/S structure is obtained.
さらに集束イオンビーム (FIB)を用いりS/N/
Sl造ジョセフソン素子の製法も知られている。この方
法は、基板上に酸化物超伝導体であるBizSr、Ca
zCu30、 c以下B5CC0と略記する)を堆積し
たのちFIBを用いて約3000人の溝を形成し、次い
で溝に金Auを堆積してS/N/S構造を得ることがで
きる。Furthermore, using a focused ion beam (FIB), S/N/
A method of manufacturing a Josephson element made of Sl is also known. This method uses oxide superconductors such as BizSr and Ca on a substrate.
After depositing zCu30 (hereinafter abbreviated as B5CC0), approximately 3000 grooves are formed using FIB, and then gold Au is deposited in the grooves to obtain an S/N/S structure.
しかしながら上述のような従来のブレーナ型ジョセフソ
ン素子の製造方法においては、以下のような問題があっ
た。!pち、YBCOにシリコンを拡散させる製法にあ
っては使用するYBCOとシリコン材料の熱膨張率が異
なるため素子にクラ。However, the conventional method for manufacturing the Brehner type Josephson element as described above has the following problems. ! However, in the manufacturing method of diffusing silicon into YBCO, the YBCO used and the silicon material have different coefficients of thermal expansion, which causes cracks in the device.
りが入る。またプラズマ処理により酸素量を制御する方
法にあっては、酸素の拡散定数が大きいため、素子製作
の再現性が悪い、さらにFIBを用いる製法にあっては
、S/N界面で超伝導性が劣化するので、熱処理して劣
化回復を図る必要がある。Ri enters. In addition, in the method of controlling the amount of oxygen by plasma treatment, the diffusion constant of oxygen is large, so the reproducibility of device fabrication is poor.Furthermore, in the method of manufacturing using FIB, superconductivity occurs at the S/N interface. Since it deteriorates, it is necessary to perform heat treatment to recover from the deterioration.
この発明は上述の点に鑑みてなされ、その目的はシリコ
ンに替えてRBCOと熱整合性の良い材料を用いること
により、割れがない上に再現性に優れ、超伝導特性の劣
化もないブレーナ型ジョセフソン素子の製造方法を提供
することにある。This invention was made in view of the above points, and its purpose is to use a material with good thermal compatibility with RBCO in place of silicon, thereby eliminating cracks, providing excellent reproducibility, and preventing deterioration of superconducting properties. An object of the present invention is to provide a method for manufacturing a Josephson element.
上述の目的はこの発明によれば
1)第一工程と第二工程とを有し、
第一工程は、基板上にストリップ部を有するB+xSr
xCazCus Ox層を選択的に形成し、第二工程は
、前記基板およびBigSrlCazCus Oz層の
ストリップ部の上にRBa1Cu30 x層を所定基板
温度のもとで選択的に積層する工程であり、ここにRi
、ti土類元素を指すものである。According to the present invention, the above-mentioned object has 1) a first step and a second step, and the first step is to prepare a B+xSr having a strip portion on a substrate.
An xCazCus Ox layer is selectively formed, and the second step is a step of selectively laminating an RBa1Cu30
, ti refers to earth elements.
2)第一工程と第二工程とを有し、
第一工程は基板上にRBazCus○8層を選択的に形
成し、ここにRは希土類元素を指すものであり、第二工
程は前記基板とRBazCus OX層上にストリップ
部を有するBi*Sr□CaよCLI3Ox層を所定基
板温度において選択的に積層する工程で、この際RBa
2Cu3Ox層の上にはBizSrzCazCu3Ox
層のストリップ部が積層されること、または
3)請求項1または2記載の製造方法において、基板温
度550℃で積層すること、
とすることにより達成される。2) It has a first step and a second step, the first step is to selectively form an RBazCus○8 layer on the substrate, where R refers to a rare earth element, and the second step is to selectively form the RBazCus○8 layer on the substrate. and RBazCus A process of selectively laminating a Bi*Sr□CaYCLI3Ox layer having a strip portion on the OX layer at a predetermined substrate temperature.
BizSrzCazCu3Ox on top of the 2Cu3Ox layer
This is achieved by laminating strips of layers, or 3) in the manufacturing method according to claim 1 or 2, laminating at a substrate temperature of 550°C.
ストリップを有するB5CC0層はホトリトグラフィー
の手法で所定のパターンに形成される。The B5CC0 layer having strips is formed into a predetermined pattern by photolithography.
RBCO層もホトリトグラフィーの手法で所定のパター
ンに形成することができる。The RBCO layer can also be formed into a predetermined pattern using photolithography.
請求項2は製造過程が請求項1と逆になる。In claim 2, the manufacturing process is opposite to that in claim 1.
所定温度でB5CC0層とRBCO層を反応させると、
B5CC0層のビスマスBiがRBCO層に拡散し、Y
BCO層の超伝導性が失われ、常伝導性となる。Biの
拡散は再現性に優れ、S/N界面を劣化させない、BS
CC○とYB Coとは熱膨張率が近似し、クランクを
発生させない。When the B5CC0 layer and the RBCO layer are reacted at a predetermined temperature,
Bismuth Bi in the B5CC0 layer diffuses into the RBCO layer, and Y
The BCO layer loses its superconductivity and becomes normal conductivity. Bi diffusion has excellent reproducibility and does not deteriorate the S/N interface, BS
CC○ and YB Co have similar coefficients of thermal expansion and do not cause cranking.
次にこの発明の実施例を図面に基いて説明するB5CC
0とRBCOを反応させるとBiがYBCOに拡散する
ことが走査型オージエマイクロプロ−プ分析の結果わか
った。Next, an embodiment of this invention will be explained based on the drawings.
As a result of scanning Augier microprobe analysis, it was found that when 0 and RBCO were reacted, Bi diffused into YBCO.
第3図は基板温度550℃でB5CC0層上に形成され
たY2O2層につき電気抵抗の温度依存性を示す線図で
ある。ビスマスの拡散により4.2Kにおいても超伝導
性は観測されず、10−SΩ国程度の残留抵抗を示し常
伝導体化している。測定試料を第5図に示す基板51に
はMgo (100)単結晶のウェハを用いこの上にメ
タルマスクを使ってストリップ状のB5CC0層56を
幅1m、厚さ100オングストロームで堆積し、さらに
YBCo層57層厚7200オングストロームに積層し
たものである。FIG. 3 is a diagram showing the temperature dependence of electrical resistance for a Y2O2 layer formed on a B5CC0 layer at a substrate temperature of 550°C. Due to the diffusion of bismuth, superconductivity is not observed even at 4.2K, and the material exhibits a residual resistance of about 10-SΩ and becomes a normal conductor. The measurement sample is a substrate 51 shown in FIG. 5, which is an Mgo (100) single crystal wafer, on which a strip-shaped B5CC0 layer 56 of 1 m width and 100 angstroms is deposited using a metal mask, and then a YBCo layer 56 is deposited using a metal mask. 57 layers were laminated to a thickness of 7200 angstroms.
B5CC0層56は基板温度650℃で形成され、YB
CO層57は前述のように550℃で積層された。The B5CC0 layer 56 is formed at a substrate temperature of 650°C, and the YB
The CO layer 57 was deposited at 550° C. as described above.
第4図は基板温度670℃でB5CC0層上に形成され
たY2O2層につき電気抵抗の温度依存性を示す線図で
ある。ビスマスの拡散が過多になり、RBCO層が絶縁
体化している6ビスマスの拡散によりY2O2層が常伝
導体化するか絶縁体化するかは基板温度により決まり、
基板温度が650℃以下のときはRBCo層は常伝導体
化し、650℃をこえると絶縁体化する。FIG. 4 is a diagram showing the temperature dependence of electrical resistance for a Y2O2 layer formed on a B5CC0 layer at a substrate temperature of 670°C. Due to excessive bismuth diffusion, the RBCO layer becomes an insulator. 6 Whether the Y2O2 layer becomes a normal conductor or an insulator due to the diffusion of bismuth is determined by the substrate temperature.
When the substrate temperature is below 650°C, the RBCo layer becomes a normal conductor, and when it exceeds 650°C, it becomes an insulator.
第1図はこの発明の実施例に係るジョセフソン素子の製
造方法に係る工程図である。第1図(Mlは?1gOの
単結晶基板((100)の結晶面)1の上にB5CC0
層を200オングストロームの厚さにスパッタリングの
方法を用いて形成する工程に係る断面図である。基板温
度は650℃である。第1図To)はホトレジストを塗
布してパターニングしてレジストパターンIOAを形成
する工程に係る断面図である。第1図fc)はエツチン
グによりB5CC0層のストリップ6A (幅0.3Q
)を形成し、レジストパターンIOAを絵去する工程に
係る断面図である。FIG. 1 is a process diagram of a method for manufacturing a Josephson device according to an embodiment of the present invention. Figure 1 (Ml? 1gO single crystal substrate ((100) crystal plane) 1 on top of B5CC0
FIG. 3 is a cross-sectional view showing a step of forming a layer to a thickness of 200 angstroms using a sputtering method. The substrate temperature was 650°C. FIG. 1 To) is a cross-sectional view of a process of applying and patterning a photoresist to form a resist pattern IOA. Fig. 1 fc) shows a strip 6A (width 0.3Q) of B5CC0 layer by etching.
) and removing the resist pattern IOA.
第1図(dlはスパッタリングの方法で100オングス
トローム厚にYBCO層7を形成する工程に係る断面図
である。基板温度は550℃である。 Bi拡散領域1
1が生成する。第1図(8)はレジスト10Bを塗布す
る工程に係る断面図である。第1図(flはバタニング
サレタYBCO層7^を形成する工程に係る平面図であ
る。YBCO層7AのBi拡散碩傾城1は常伝導化して
金属的振舞いを示す、一方ビスマスの減少したB5CC
0層は絶縁体化する。S/N/S構造のブレーナ型ジョ
セフソン素子が得られる。FIG. 1 (dl is a cross-sectional view of the step of forming a YBCO layer 7 with a thickness of 100 angstroms by sputtering method. The substrate temperature is 550° C.) Bi diffusion region 1
1 is generated. FIG. 1(8) is a cross-sectional view of the process of applying resist 10B. FIG. 1 (fl is a plan view related to the step of forming a batting-sample YBCO layer 7^. Bi-diffused slanted castle 1 of the YBCO layer 7A becomes normal conductive and exhibits metallic behavior, while B5CC with reduced bismuth
The 0 layer becomes an insulator. A Brehner-type Josephson device with an S/N/S structure is obtained.
第2図は得られたS/N/S構造ブレーナ型ジョセフソ
ン素子の特性を示す線図である。特性線21はマイクロ
波照射を行わないときの弱結合型の特性である。特性!
I22はマイクロ波を照射したときのシャ゛ピロステッ
プである。FIG. 2 is a diagram showing the characteristics of the obtained S/N/S structure Brehner type Josephson device. A characteristic line 21 is a weakly coupled characteristic when microwave irradiation is not performed. Characteristic!
I22 is a sharp step when irradiated with microwaves.
この発明によれば
l)第一工程と第二工程とを有し、
第一工程は、基板上にストリップ部を有するBix5r
xCalCu30 、層を選択的に形成し、第二工程は
、前記基板およびBix5rxCalCu30 x層の
ストリップ部の上にRBazCu30 、層を所定基板
温度のもとで選択的に積層する工程であり、ここにRは
希土類元素を指すものであること、2)第一工程と第二
工程とを有し、
第一工程は基板上にRBaxCus OX層を選択的に
形成し、ここにRは希土類元素を指すものであり、第二
工程は前記基板とRBaxCui Ox層上にストリッ
プ部を有するBizSrzCatCu308層を所定基
板温度において選択的に積層する工程で、この際RBa
zCutO11層の上にはB i zsr tca z
Cu ff Ow層のストリップ部が積層されること、
または
3)請求項1または2記載の製造方法において、基板温
度550℃で積層することとするので、B5CC0層の
BiがRBCO層に拡散してRBCO層が常伝導体化し
、S/N/S構造のブレーナ型ジョセフソン素子が得ら
れる。このとき基板温度550℃でB5CC0層とRB
CO層とを反応させるとBiが適当量拡散してRBCO
層が常伝導体化する。According to the present invention, the invention includes l) a first step and a second step;
The second step is to selectively form an RBazCu30 layer on the substrate and the strip portion of the Bix5rxCalCu30 x layer at a predetermined substrate temperature. refers to a rare earth element, 2) has a first step and a second step, the first step selectively forms an RBaxCus OX layer on the substrate, where R refers to a rare earth element; The second step is a step of selectively laminating a BizSrzCatCu308 layer having a strip portion on the substrate and the RBaxCui Ox layer at a predetermined substrate temperature.
B i zsr tca z on top of zCutO11 layer
The strip portions of the Cu ff Ow layer are laminated;
or 3) In the manufacturing method according to claim 1 or 2, since the layers are laminated at a substrate temperature of 550°C, Bi in the B5CC0 layer diffuses into the RBCO layer, making the RBCO layer a normal conductor, and S/N/S A Brehner-type Josephson device with this structure is obtained. At this time, at a substrate temperature of 550°C, the B5CC0 layer and the RB
When reacted with the CO layer, an appropriate amount of Bi diffuses and forms RBCO.
The layer becomes a normal conductor.
Biの拡散は再現性に優れ、S/N界面を劣化させない
、B5CC0とRBC○とは熱膨脹率が近似し、クラッ
クを発生させない、このようにして信転性に優れるブレ
ーナ型ジョセフソン素子を容易にしかも再現性良く製造
することが可能となる。Bi diffusion has excellent reproducibility and does not deteriorate the S/N interface.B5CC0 and RBC○ have similar coefficients of thermal expansion and do not generate cracks.In this way, it is easy to create a Brehner-type Josephson element with excellent reliability. Moreover, it becomes possible to manufacture with good reproducibility.
第1図はこの発明の実施例に係るジョセフソン素子の製
造方法を示す工程図、第2図は得られたS/N/S構造
プレーナ型ジョセフソン素子の特性を示す線図、第3図
は基板温度550℃でB5CC0層上に形成されたYB
CO層につき電気抵抗の温度依存性を示す線図、第4図
は基板温度670℃でB5CC0層上に形成されたYB
CO層につき電気抵抗の温度依存性を示す線図、第5図
は予備実験に係る測定試料を示す平面図、第6図は従来
のプレーナ型ジョセフソン素子の製造工程に係る断0面
図である。
1:Mg○基板、6:B5CC0層、6A:B5CC0
層のストリップ、7.7A:YBCO層、10Aニレジ
スト上パターン、10Bニレジスト、11 : Bi拡
散領域、−FIG. 1 is a process diagram showing a method of manufacturing a Josephson device according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a diagram showing the characteristics of the obtained S/N/S structure planar Josephson device, and FIG. is YB formed on the B5CC0 layer at a substrate temperature of 550°C.
A diagram showing the temperature dependence of electrical resistance for the CO layer, Figure 4 shows the YB formed on the B5CC0 layer at a substrate temperature of 670°C.
A diagram showing the temperature dependence of electrical resistance for the CO layer, Fig. 5 is a plan view showing a measurement sample related to a preliminary experiment, and Fig. 6 is a cross-sectional view showing the manufacturing process of a conventional planar Josephson element. be. 1: Mg○ substrate, 6: B5CC0 layer, 6A: B5CC0
Strip of layers, 7.7A: YBCO layer, 10A pattern on resist, 10B resist, 11: Bi diffusion region, -
Claims (1)
r_2Ca_2Cu_3O_x層を選択的に形成し、第
二工程は、前記基板およびBi_2Sr_2Ca_2C
u_3O_x層のストリップ部の上にRBa_2Cu_
3O_x層を所定基板温度のもとで選択的に積層する工
程であり、ここにRは希土類元素を指すものであること
を特徴とするジョセフソン素子の製造方法。 2)第一工程と第二工程とを有し、 第一工程は基板上にRBa_2Cu_3O_x層を選択
的に形成し、ここにRは希土類元素を指すものであり、
第二工程は前記基板とRBa_2Cu_3O_x層上に
ストリップ部を有するBi_2Sr_2Ca_2Cu_
3O_x層を所定基板温度において選択的に積層する工
程で、この際RBa_2Cu_3O_x層の上にはBi
_2Sr_2Ca_2Cu_3O_x層のストリップ部
が積層されることを特徴とするジョセフソン素子の製造
方法。 3)請求項1または2記載の製造方法において、基板温
度550℃で積層するものであることを特徴とするジョ
セフソン素子の製造方法。[Claims] 1) It has a first step and a second step, and the first step is Bi_2S having a strip portion on the substrate.
The r_2Ca_2Cu_3O_x layer is selectively formed, and the second step is to form the r_2Ca_2Cu_3O_x layer on the substrate and Bi_2Sr_2Ca_2C.
RBa_2Cu_ on the strip part of u_3O_x layer
1. A method for manufacturing a Josephson device, characterized in that it is a step of selectively laminating 3O_x layers at a predetermined substrate temperature, where R represents a rare earth element. 2) comprising a first step and a second step, the first step selectively forming an RBa_2Cu_3O_x layer on the substrate, where R refers to a rare earth element;
The second step is Bi_2Sr_2Ca_2Cu_ having a strip part on the substrate and the RBa_2Cu_3O_x layer.
In this step, the 3O_x layer is selectively laminated at a predetermined substrate temperature.
A method for manufacturing a Josephson device, characterized in that strip portions of _2Sr_2Ca_2Cu_3O_x layers are laminated. 3) A method for manufacturing a Josephson element according to claim 1 or 2, characterized in that the layers are laminated at a substrate temperature of 550°C.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2220321A JPH04102380A (en) | 1990-08-22 | 1990-08-22 | Manufacture of josephson element |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2220321A JPH04102380A (en) | 1990-08-22 | 1990-08-22 | Manufacture of josephson element |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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JPH04102380A true JPH04102380A (en) | 1992-04-03 |
Family
ID=16749312
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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JP2220321A Pending JPH04102380A (en) | 1990-08-22 | 1990-08-22 | Manufacture of josephson element |
Country Status (1)
Country | Link |
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JP (1) | JPH04102380A (en) |
-
1990
- 1990-08-22 JP JP2220321A patent/JPH04102380A/en active Pending
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