JPH04113682A - マイクロブリッジ型ジョセフソン接合素子の製造方法 - 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） 本発明は超伝導トランジスタ、赤外検知器、ジョセフソ
ンミキサ、５ＱＵＩＤ、ジョセフソンコンピュータ等に
利用出来るマイクロブリッジ型ジョセフソン接合素子の
製造方法に関する。

（従来の技術及びその問題点） 従来、Ｎｂ系等の超伝導材料に対しては、光学的なパタ
ーン形成技術或は電子ビーム描画技術により超伝導膜上
に直接レジストマスクを乗せ、スパッタエツチング処理
等のドライエツチング処理又は硝酸等のエツチング溶液
を用いたウェットエツチング処理を行い、微細加工して
マイクロブリッジ部を形成するのが一般的であった。

通常マイクロブリッジ型素子は、第５図に示す様に、基
板ｌ上に２つの幅広い超伝導膜２（バンク部）が幅の狭
い部分４で繋がれ、薄膜−層で構成されている。２つの
バンク部を繋ぐブリッジ部４のリンク長がコヒーレント
長より短いか、少な（とも同じ程度なら、この様な膜の
くびれ型弱結合はジョセフソン素子として振舞う。

酸化物超伝導体を用いてマイクロブリッジ型ジョセフソ
ン接合素子を作る場合、ブリッジ部４のリンク長は理論
上、数１０人程度でなければならず、Ｎｂ系等の超伝導
体を用いた場合の数１００人と比べて１桁小さい。

これに対し、微細加工してマイクロブリッジ部を形成す
る場合、現在の電子線やＸ線リソグラフィー技術をもっ
てしてもせいぜい数１００人とするのが限界である。

実際に、ＹＢａｉＣｕａＯｔ−δを代表とする酸化物超
伝導体を用いたマイクロブリッジ型ジョセフソン接合素
子では、リンク長が４〜２０μｍ程度のものが多い。こ
れは要望される数１０人の値に比べ極めて大きく、粒界
による弱結合が形成されていると考えられる。従って粒
界による接合を有しないＮｂ系超伝導体材料等を用いた
場合と比べ、非常に超伝導特性の劣化し易い材料である
といえる。

即ち、バンク部は粒界が存在しても、ブリッジ部に比べ
幅が極めて大きい為、多数の粒界の平均的総和で決定さ
れ、エツジ部が大きなダメージを受けたとしても全体的
劣化は特に問題にはならない。

しかしながら、接合部４ではブリッジ幅に対して数個の
粒子しか存在しいない為、個々の粒界の劣化が直接、接
合素子の超伝導特性の劣化へと影響してしまう。

更に、微細加工技術を用いて超伝導膜のエツチングを行
う際に、マイクロブリッジ部は幅が狭い為、サイドエツ
チング等の影響を大きく受けるという問題もある。即ち
、ドライエツチングではエツチング粒子の衝撃を受けた
り、ウェットエツチングでは強力なエツチング溶液の影
響を受は易い。

即ち、従来技術ではマイクロブリッジ部の超伝導特性の
劣化、組成変動等による超伝導特性の消失が生じ易いと
いった問題があった。

特に、酸化物超伝導体はその酸素量によって構造が変化
し易く、他の元素比は変わらなくとも酸素の比が変化し
ただけで半導体或は絶縁体に変質し易い材料である。

又、酸化物超伝導体は、Ｎｂ系材料と比べ多数元素の複
合酸化物である為、膜の作成技術に高度な技術を要し、
優れた超伝導特性を持った膜の作成はかなり歩留りの悪
いものとなっている。

更に、酸化物超伝導体は劣化し易い材料である為、素子
の耐久性が悪いという問題もある。

従って、本発明の目的は上記従来技術の問題点を解決し
、素子の特性、耐久性等に優れたマイクロブリッジ型ジ
ョセフソン接合素子を提供することである。

（問題点を解決する為の手段） 上記目的は以下の本発明によって達成される。

即ち、本発明は、基体上に超伝導膜を形成後、ブリッジ
部を予め金属膜で被覆径微細加工することを特徴とする
マイクロブリッジ型ジョセフソン接合素子の製造方法で
ある。

（作　　用） 本発明によれば、基体上に超伝導膜を形成後、ブリッジ
部を予め金属膜で被覆してから微細加工する為、ブリッ
ジ部が金属膜によって保護され、微細加工中の素子の劣
化を最小限に抑えることが可能となる。

特に、酸化物超伝導体を用いた素子には有効で、粒界弱
結合を利用したブリッジ部の劣化を抑えることが可能で
ある。更に、ブリッジ部を酸素を通しにくい金属で覆う
ことにより、酸化物超伝導体材料の酸素量の変化を抑え
ることが出来、酸化物の構造変化を抑えることも可能と
なる。

又、超伝導特性の多少劣る変質し易い膜に対しても劣化
を最小限に抑えることが出来る為、素子として用いるこ
とが可能となり、歩留り向上にも効果がある。

又、ブリッジ部を金属膜で覆う為、素子の耐久性をも向
上させることが出来る。

本発明において基板上に形成する超伝導膜は好ましくは
酸化物であり、且つその化学組成をＡ−Ｂ−Ｃ−Ｏと表
した場合、Ａが、Ｌａ、　Ｃｅ、　Ｐｒ、　Ｎｄ、　Ｐ
ｍ、Ｓｍ、　　Ｓｃ、　　Ｅｕ、　　Ｇｄ、　　Ｔｂ、
　　Ｄｙ、　　Ｈｏ、　　Ｅｒ、　　Ｔｍ、　　Ｙｂ、
　　Ｌｕ、Ｂｉ、　Ｔｌ及びＹより成る群より選ばれた
一種以上の元素、ＢがＢａ、　Ｃａ、　Ｓｒ及びＰｂよ
り成る群より選ばれた一種以上の元素、ＣがＶ、Ｔｉ、
　Ｃｒ、　Ｍｎ、　Ｆｅ、Ｎｉ、　Ｃｏ、　Ａｇ、　Ｃ
ｄ及びＣｕより成る群より選ばれた一種以上の元素であ
ることが好ましい。

（実施例） 以下実施例を用いて本発明を更に詳細に説明する。

実施例１ 先ず、第１図に示す様に基板１　　（ＭｇＯを用いた）
上に、クラスターイオンビーム蒸着法でＹ−Ｂａ−Ｃｕ
−０の超伝導膜２を作成した。

このときの堆積速度は、各元素がＹ：Ｂａ：Ｃｕ　＝１
：２：３のモル比になる様に制御した。又、Ｃｕ用のク
ラスターイオンビームガンの加速電圧は４ＫＶ、イオン
化電流は２００ｍＡ、Ｂａ用のクラスターイオンビーム
ガンの加速電圧はＩＫＶ、イオン化電流は５０ｍＡ、Ｙ
用のクラスターイオンビームガンの加速電圧は２ＫＶ、
イオン化電流は１００ｍＡとした。成膜時の基板温度は
４００℃とした。

この様にして形成されたＹ−Ｂａ−Ｃｕ−０の超伝導膜
２の膜厚は約５０００人であった。

次にＲＨ蒸肴法でブリッジ部に金属膜３　（Ａｕを用い
た）を形成した（第１図（ａ））。

更に、レジストコート、露光及び現像を行った後、Ａｒ
によるイオンミリングで超伝導膜２と金属膜３を同時に
エツチングして、４μｍＸ４μｍのブリッジ部４を含む
マイクロブリッジ型ジョセフソン接合素子を形成した（
第１図（ｂ）、（Ｃ））。

次に、Ｃｒ−Ａｕ電極を付け、四端子法で電気抵抗を測
定したところ約７０にで電気抵抗がＯになった（第２図
）。又、臨界電流を測定した結果２０にで１０”Ａ／ｃ
ｒｒｒであった。

更に５０ＧＨｚのミリ波を照射したところシャピロステ
ップが観測され、ブリッジ部４がジョセフソン接合を形
成していることがわかった。

金属膜３を設けずに同様の方法でブリッジ部４を加工し
たところ、第２図に示した様にＴｃは３５にであり、又
、Ｊｃは２０にで１０’Ａ／ｃｍ”であった。更に、ミ
リ波照射しても明確なシャピロステップは観測されなか
った。

実施例２ ＳｒＴｉＯｓ基板ｌ上にマグネトロンスパッタリング法
でＢ１−５ｒ−Ｃａ−Ｃｕ−０膜を８００ｏ人成膜した
。

ガス圧はＡｒ、５Ｐａとし、又、スパッタパワーを１５
０Ｗとし、ターゲットにはＢ１−３ｒ−Ｃａ−Ｃｕ−０
焼結体を用いた。基板温度は２００℃で行った。

酸素雰囲気中で８３０℃、１時間の熱処理を行い超伝導
膜２を作成した。

次にイオンビームスパッタリング法で第４図に示す様に
、ｐｔ電極５とブリッジ部上の金属膜３を同時に形成し
た。

その後頁に、実施例１と同様に微細加工してマイクロブ
リッジ型ジョゼフソン接合素子を作成した。ブリッジ部
は２μｍＸ８μｍとした。

既に金属膜３と同時に電極５を作成しているので、その
まま電気抵抗を測定したところＴｃは８５に、Ｊｃは２
０にで５ｘｌＯ’Ａ／ｃｒｒｒであった。

更に、実施例１と同様にミリ波照射したところシャビロ
スッテブが観測された。

金属膜３を設けずに同様に素子を作成したところ４．２
にでも電気抵抗はＯにならず超伝導転移しなかった。

実施例３ サファイア基板上に３個の電子ビーム源がら、Ｅｒ、　
ＢａおよびＣｕを酸素含有下１０−４〜１０−’Ｔｏｒ
ｒの条件で、約５０００人厚蒸着させた。この際、基板
温度は約４００℃とした。次に酸素ガス中で約９００℃
で熱処理し、Ｅｒ−Ｂａ−Ｃｕ−０超伝導膜２を作成し
た。

実施例１と同様にして微細加工を施した。ブリッジ部は
幅１０μｍ、長さ３０μｍとした。

４端子法で電気抵抗を測定したところＴｃ＝６５Ｋを示
した。

次に光応答を見る為、この素子を２０Ｋに冷却し、ブリ
ッジ部にＨｅ−Ｎｅレーザー５ｍＷを１００Ｈｚの周波
数で１０μｓｅｃ、時間照射したところ、電圧信号が得
られ光−電圧変換が出来ることがわかった。

金属膜３を設けずに同様にして素子を作成したところＴ
ｃは５０にとなった。又、同様に光照射したところ素子
は破損し、超電導性を示さなくなった。

（発明の効果） 以上説明した様に、本発明方法ではマイクロブリッジ型
ジョセフソン接合素子のブリッジ部をあらかじめ金属膜
で覆ってから微細加工プロセスへ移行する為、作成され
る素子の劣化を最小限に抑えることが出来る。

特に、酸化物超伝導体材料を用いた素子では、酸素を通
しにくい金属で覆えば、酸素量変化による酸化物の構造
変化を抑えることが出来有効である。

更に金属膜は、そのままブリッジ部上に残る為、素子の
耐久性も高まり品質の安定化を高めることも可能となる
。

又、変質し易い超伝導性の多少劣る膜に対しても劣化を
最小限に抑え、素子として用いることが可能となり歩留
りが格段に向上する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の製造方法を示す模式図であり、第２図
及び第３図は、実施例１で作成されたマイクロブリッジ
型ジョセフソン接合素子の夫々、抵抗−温度特性、電流
−電圧特性を示し、第４図は実施例２で形成された接合
素子の模式図である。 第５図は、従来方法により形成されたマイクロブリッジ
型接合素子の模式図である。 に基板　　　　　　２：超伝導膜 ３：金属膜　　　　　４ニブリッジ部 ５：電極 第２図 第１図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）基体上に超伝導膜を形成後、ブリッジ部を予め金
   属膜で被覆後、微細加工することを特徴とするマイクロ
   ブリッジ型ジョセフソン接合素子の製造方法。
2. （２）超伝導膜が、化学組成をＡ−Ｂ−Ｃ−Ｏと表すと
   き、Ａは、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｓｃ
   、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、
   Ｌｕ、Ｂｉ、Ｔｌ及びＹより成る群より選ばれた一種以
   上の元素、ＢはＢａ、Ｃａ、Ｓｒ及びＰｂより成る群よ
   り選ばれた一種以上の元素、ＣはＶ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｍｎ
   、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ａｇ、Ｃｄ及びＣｕより成る群よ
   り選ばれた一種以上の元素である請求項１に記載のマイ
   クロブリッジ型ジョセフソン接合素子の製造方法。
3. （３）金属膜がＡｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｅ、Ｉｎ及びＣｕ
   から成る群より選ばれた一種以上の金属である請求項１
   又は２に記載のマイクロブリッジ型ジョセフソン接合素
   子の製造方法。