JPH0444280A - 超伝導配線の製造方法 - 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】 〔概要〕 細い線幅の超伝導配線の製造方法に関し、超伝導セラミ
ックスよりなり、超伝導臨界温度の高い配線パターンを
形成することを目的とし、ビスマス系超伝導膜よりなり
、細い線幅の線路を基板上に形成する工程において、該
基板上に鉛を添加した前記ビスマス系超伝導膜を用いて
、必要とする線路と、該線路の両側に該線路に比較して
広い線幅のダミーパターンを形成した後に、該基板の焼
成を行ってビスマス系超伝導膜を超伝導相に変えた後、
ダミーパターンを除去することを特徴として超伝導配線
の製造方法を構成する。

〔産業上の利用分野〕

本発明は超伝導臨界温度の高い超伝導セラミ・ソクスよ
りなり微少線幅の配線パターンの製造方法に関する。

幾種類の金属および合金について超伝導現象を示すこと
は昔より知られていたが、金属元素については超伝導臨
界温度（略称ＴＣ）はＩＯＫに止まり、また合金につい
てはＮｂ５Ｇｅの２３．５Ｋが最高であった。

然し、１９８６年にＢｅｄｎｏｒｚとＭｕｌｌｅｒによ
りランタン・バリウム・銅・酸素（Ｌａ−Ｂａ−Ｃｕ−
０）系の酸化物セラミックスについて高温超伝導現象が
発見されて以来、各所でＴ。の高い超伝導セラミックス
の開発研究と、これを用いたデバイスの実用化研究が行
われている。

すなわち、情報処理装置、特に高速化を必要とする電算
機部門には高電子移動度トランジスタ（略称ＨＥＭＴ　
）やジョセフソン素子などの使用が検討されており、こ
れら低温で効率よく動作する回路素子を搭載する基板の
電子回路を超伝導セラミックスで構成すれば極めて効果
的である。

〔従来の技術〕

超伝導セラミックスには今まで各種の組成のものが発見
されている。

すなわち、イツトリウム・バリウム・銅・酸素（Ｙ　−
Ｂａ−Ｃｕ−０）系およびＹを含む希土類元素−Ｂａ−
Ｃｕ−０系についてＴ。か約９０Ｋを示す超伝導セラミ
ックスが発見された。

その後、ＢｉやＴ１の酸化物層が各単位胞の間に割り込
んだような結晶構造を有する所謂る層状ペロブスカイト
型の銅酸化物超伝導体で１１０　ＫのＴ。

を示すＢ１−３ｒ−Ｃａ−Ｃｕ−０系や１１８にのＴｃ
を示すＴｌ−Ｂａ−Ｃａ−Ｃｕ−０系などが発表されて
いる。

発明者等はか＼るＣｕ酸化物系超伝導体特に１１０にの
Ｔ’ｃを示すＢ　１−Ｐｂ−３ｒ−Ｃａ−Ｃｕ−０系（
以下略して旧糸）の超伝導セラミックスを用いて導体配
線を形成する実用化研究を行っている。

こ＼で、アルミナなどの被処理基板上に超伝導セラミッ
クスよりなる導体線路を形成する方法としてはマスク蒸
着あるいはスパッタにより超伝導セラミックスよりなる
薄膜パターンを形成した後に焼成して結晶化し、超伝導
相に変える方法がある。

また、超伝導セラミックス粉末を用いて導電体ペースト
を形成し、これをスクリーン印刷して微細パターンを形
成した後、これを焼成して結晶化し、超伝導相に変える
方法もある。

発明者等は前者の方法による導体配線を形成する研究を
行っているが、１１０　ＫのＴ。を実現することは容易
ではない。

すなわち、Ｂｉ系超伝導体については、単位セルに含ま
れるＣｕ−０平面の数の違いに応じてＴ。の異なる超伝
導相が存在することが知られている。

すなわち、 ＢＬＳｒ２Ｃａ、−＋Ｃｕ　ＩＩＯ、−（１）において
、ｎ＝１に対するＴｃ＝ｌＯＫの相ｎ＝２に対するＴ。

＝８０にの相 ｎ＝３に対するＴｃ　＝］１０　Ｋの相が存在すること
が知られおり、発明者等は１１０　Ｋの相をもつ超伝導
体を合成することを目的としているが、Ｔｃ　＝８０に
の相が熱的に安定であるのに対し、Ｔｃ　””１１０　
Ｋの相は頗る不安定であって合成が困難である。

そこで、Ｂｉの一部をｐｂで置換することにより系を安
定化することができ、Ｔｃ　＝ｌｌＯＫの相かでき易（
なることが知られている。

具体的には、Ｂｉ系超伝導体の製法として、Ｂｉ：Ｓｒ
：Ｃａ：Ｃｕ＝２　：　２　：　２　：　３の組成比に
酸化物原料粉末を混合して焼成するのが一般的であるが
、Ｂｉの一部をＰｂに置換してＢｉ：Ｐｂ　＝１．７　
　：０．３程度とすることによりＴｃ＝ＩＩ□にの相が
でき易くなる。

然し、スパッタ或いは真空蒸着法などによりＢｉ系超伝
導体材料からなる薄膜を作り、これに熱処理を施して超
伝導相を形成する方法ではｐｂの蒸発が甚だしいために
、Ｔｃ　−ＩＩＯＫの相を合成することは困難である。

発明者等はこの解決法として、Ｂｉに対してｐｂを０．
８程度と高濃度に添加し、 Ｂｉ　：　Ｐｂ　：　Ｓｒ　：　Ｃａ　：　Ｃｕ−２：
　１．６　　：２：２：３の組成比とすることによりＴ
。＝１１０に相の単一相を合成することに成功し、これ
を推奨している。

（Ａｐｐｌ、　Ｐｈｙｓ、　Ｌｅｔｔ、　５５　ｐｐ、
　２２５２〜１２５４．２９８９）然し、この方法を適
用できるのは線幅がｌ　ｍｍ以上の線路についてであっ
て、これ以下の線幅のものに対してはＴ。−１１０Ｋ相
を実現することは困難であり、解決か必要であった。

〔発明が解決しようとする課題〕

先に記したように、発明者等はＴｃ−１１ＯＫ相からな
る超伝導薄膜を合成する方法としてｐｂを高濃度に添加
することを提唱しているが、この方法でＴ。が１１ＯＫ
を示す線幅は１ｍｍ以上であって、線幅がこれ以下の場
合は実現が困難である。

そこで、１ｍｍ以下の線幅の線路についてもＴｃ＝ｌｌ
ＯＫ相を実用化することが課題である。

〔課題を解決するための手段〕

上記の課題はＢｉ系超伝導膜よりなり、細い線幅の線路
を基板上に形成する工程において、この基板上にｐｂを
添加したＢｉ系超伝導膜を用いて、必要とする線路と、
この線路の両側に該線路に比較して広い線幅のダミーパ
ターンを形成した後に、基板の焼成を行って旧糸超伝導
膜を超伝導相に変えた後、ダミーパターンを除去するこ
とを特徴として超伝導配線の製造方法を構成することに
より解決することができる。

した後、焼成することにより超伝導相を形成したＢｉ系
超伝導配線において、Ｔｃの値が線幅の微細化と共に急
激に低温側に移行する理由について、発明者等は焼成の
過程で、蒸気圧の高いｐｂ酸成分蒸発による組成比のず
れによると考えている。

すなわち、発明者等が実用化研究を進めているＢ１−Ｐ
ｂ−３ｒ−Ｃａ−Ｃｕ−０系については、蒸気圧が高く
、また特性に著しい影響を及ぼす成分はＰｂＯであって
、温度と蒸気圧の関係を示すと第１表のようになる。

第１表 〔作用〕 基板上にスパッタ法や真空蒸着法により膜形成そして、
焼成により結晶化して超伝導相とする温度は８５０℃前
後であることから、ＰｂＯの蒸気圧は高く、この過程で
蒸発が容易に起り組成ずれが生ずるのである。

また、線幅が狭くなるに従って組成ずれが容易に生じて
Ｔｃが急激に低下する理由については、線幅が狭（なる
のに従って単位体積当たりの露出面積が大きくなり、従
ってＰｂＯの蒸発量が大きい二と＼、自己を含め周囲よ
りの蒸発によるＰｂＯの分圧が低いため、成分の蒸発が
抑制されないためと考えられている。

そこで、本発明は成分の蒸発を防ぐ方法として第１図（
Ａ）に示すように、基板ｌの上にマスク蒸着やスパッタ
などにより微細な線路２を膜形成する際に、これに近接
して両側に線幅の大きなダミーパターン３を設けておき
、この状態で焼成を行うものである。

このようにして焼成を行うと、ダミーパターン３から蒸
発するＰｂＯにより線路２の近傍の分圧が高まるために
蒸発が抑制される結果、組成ずれを最小限に抑えること
ができ、これにより１１０　ＫのＴｃを実現することが
できる。

なお、実験によると、線路２とダミーパターン３との間
隔は１ｍｍ以下にしないと効果がない。

次に、ダミーパターン３はドライ或いはウェットエツチ
ングを用いる写真蝕刻技術（フォトリソグラフィ）によ
り除去する。

こ＼で、ドライエツチングには反応性イオンエツチング
（略称ＲＩＥ）を、また、ウェットエツチングは塩酸あ
るいは燐酸水溶液を用いれば除去することができ、同図
（Ｂ）に示すような線路２だけを得ることができる。

なお、ダミーパターン３の除去は必要に応じて行えばよ
いが、超伝導配線の用途は高電子移動度トランジスタ（
略称ＨＥＭＴ）やジョセフソン素子を用いる回路などで
あり、高周波信号を伝送する場合に線路に近接してダミ
ーパターンが存在する場合は、ダミーパターンが接地と
同様な働きをし、信号品質を低下させるので、除去が適
当である。

〔実施例〕

実施例１： メタルマスクを用いる高周波マグネトロンスパッタによ
り、３０ｍｍ角のＭｇＯ基板上に組成比がＢｉ：Ｐｂ：
Ｓｒ：Ｃａ：Ｃｕ＝１．Ｏ：０．８　　：１．Ｏ：１．
０　　：１．６で、厚さが１μｍの薄膜を形成し、幅が
５００μｍと１ｍｍの線路を挟み、５００μｍの間隔を
保って幅３ｍｍのダミーパターンを両側に形成した。

そして、大気中８５５°Ｃで１時間焼成して超伝導相と
した。

第３図および第４図は、このようにして得た線幅が５０
０μｍおよび１市の線路についてのＸ線回折パターンで
あって、Ｈは１１０に相を、またＬは８０に相を表して
いる。

同図から明らかなようにＸ線回折のピークの殆どはｌｌ
０Ｋ相からのものである。

また、第２図は線幅１ｍｍの線路について抵抗率の温度
依存性を示す図であって、Ｔｃは１０７にであり、幅の
広い線路と全く同等の値である。

また、液体窒素（Ｎ２）の温度における臨界電流密度は
４　ｘｌＯ”　Ａ／ｃｍ”と充分大きかった。

比較例１： 第５図は実施例１と組成および焼成条件は同じであるが
、ダミーパターンを備えなかった線幅が５００μｍ線路
のＸ線回折パターンであって、大部分が８０に相であり
、１１０に相は１７４以下と低い割合に止まっているこ
とか判る。

また、抵抗率の温度依存性を測定してみると、１１０　
Ｋ付近で抵抗の急激な減少が見られるもの＼抵抗がゼロ
となる温度は７８にと極めて低かった。

また、液体Ｎ２温度では僅かの電流で超伝導状態が崩れ
てしまった。

〔発明の効果］ 本発明によれば、線幅が５００μｍ程度と微少線幅の線
路についても、１１０　Ｋ相を多く含みＴｃの高い超伝
導配線を形成することかでき、これにより微細回路への
適用か可能となった。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の原理図、 第２図は抵抗率の温度依存性を示す図、第３図および第
４図は本発明を適用したＸ線回折パターン、 第５図は従来法で作った微細配線のＸ線回折パターン、 である。 図において、 １は基板、　　　　　　　　２は線路、３はダミーパタ
ーン、 である。 二二＼ 一蕎ム。 不発θ月乞３佐用しｆｌＸ佳回哲パ９−／（１子　３　
　Ｅ］ ｌｅ８月Ｆ＃Ｊ　し７ｈ　Ｘｆｌ［ｉｉコｔｉバ９−１
ｔｚ＋７　　・」［ 仁釆〕ム１イ￥、Ｔ＝徽１円山己諜θＸ蝶回町パター７
／第　５　口

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　ビスマス系超伝導膜よりなり、細い線幅の線路を基板
   上に形成する工程において、該基板上に鉛を添加した前
   記ビスマス系超伝導膜を用いて、必要とする線路と、該
   線路の両側に該線路に比較して広い線幅のダミーパター
   ンを形成した後に、該基板の焼成を行ってビスマス系超
   伝導膜を超伝導相に変えた後、ダミーパターンを除去す
   ることを特徴とする超伝導配線の製造方法。