JPH0473976A - 超電導装置の作製方法 - 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、超電導装置の作製方法に関する。より詳細に
は、基板上に形成された酸化物超電導薄膜上に他の薄膜
を積層して酸化物超電導装置を作製する方法に関する。

従来の技術 酸化物超電導体を超電導装置に使用する場合、酸化物超
電導体を薄膜化し、積層することが必要となる。例えば
、トンネル型ジョセフソン接合と称される超電導体−絶
縁体−超電導体接合を酸化物超電導体を使用して実現す
る場合、第１の酸化物超電導薄膜、非超電導体薄膜およ
び第２の酸化物超電導薄膜を順次積層しなければならな
い。

トンネル型ジョセフソン接合においては、非超電導体の
厚さは、超電導体のコヒーレンス長によって決まる。酸
化物超電導体は、コヒーレンス長が非常に短いため、酸
化物超電導体を使用したトンネル型ジョセフソン接合で
は、非超電導体薄膜の厚さは数０ｍ程度にしなければな
らない。

一方、素子としての特性を考慮すると、上記の各薄膜は
結晶性がよくなければならない。即ち、全ての薄膜が単
結晶であることが好ましく、いずれかの薄膜が多結晶ま
たはアモルファスである場合には、ジョセフソン素子の
性能は安定しない。

結晶性のよい薄膜が要求されるのは、上記のトンネル型
ジョセフソン素子に限られるわけではなく、酸化物超電
導体と半導体を組み合わせた超電導トランジスタ等の素
子でも同様である。

しかしながら、酸化物超電導薄膜は空気に触れると表面
から約１ｎｍ程度の部分は、超電導性、結晶性ともに消
失する。通常、酸化物超電導薄膜上に他の薄膜を積層す
る場合には、異なる成膜装置を使用するので、搬送の際
に酸化物超電導薄膜が空気に触れることが避けられなか
った。そのため、従来は、酸化物超電導薄膜上に他の薄
膜を積層する前に、酸化物超電導薄膜をＩ　Ｘｌ０−９
Ｔｏｒｒ程度の超高真空中で約７００℃まで加熱する熱
処理を行っていた。

発明が解決しようとする課題 上記の熱処理を行った酸化物超電導薄膜は、表面の結晶
性が改善され、その上に積層する薄膜をエピタキシャル
成長させることができる。しかしながら、上記のように
高真空中で酸化物超電導薄膜を加熱すると、薄膜を構成
している酸化物超電導体結晶中の酸素が失われ、薄膜の
超電導特性が悪化したり、薄膜が超電導性を示さなくな
る。

酸素中で熱処理を行うと、薄膜の超電導特性に問題が生
じることはないが、薄膜表面の結晶性は改善されない。

そこで、本発明の目的は、上記従来技術の問題点を解決
して、酸化物超電導薄膜の超電導特性を損なわずに特性
の優れた超電導装置を作製する方法を提供することにあ
る。

課題を解決するための手段 本発明に従うと、基板上に形成された酸化物超電導薄膜
と、この酸化物超電導薄膜上に積層された他の薄膜とを
有する超電導装置を作製する方法において、前記酸化物
超電導薄膜表面上に他の薄膜を積層し、次いで前記酸化
物超電導薄膜の側面が露出する加工を行った後、全体を
０２雰囲気および／または０３雰囲気で加熱する工程を
含むことを特徴とする超電導装置の作製方法が提供され
る。

作用 本発明の方法は、基板上に形成された酸化物超電導薄膜
上に、他の薄膜、例えばＭｇＯ等の絶縁体膜、Ｓｉ等の
半導体膜を積層して超電導装置を作製する場合に、各種
薄膜を積層した後、いわゆるパターニング加工を行って
、最も下層の酸化物超電導薄膜の側面が露出したら０２
および／または０３雰囲気で加熱するところにその主要
な特徴がある。

本発明の方法は、結晶中の酸素が失われて超電導特性が
劣化した酸化物超電導薄膜に対して特に有効である。具
体的には、空気に触れる等して、表面の結晶性が劣化し
た酸化物超電導薄膜を高真空中で加熱処理して表面の結
晶性を回復させ、その上に他の薄膜をエピタキシャル成
長させて超電導装置を作製する場合等に有効である。

本発明の方法は、いわゆるバターニングで露出した側面
から薄膜の内部に酸素を供給するので、本発明の方法で
作製する超電導装置においては、酸化物超電導薄膜の中
心部まで十分酸素が供給され得る形状でなければならな
い。例えば、平面形が矩形である場合には、酸化物超電
導薄膜の露出している側面（通常は対向している）間の
幅は、１〜３μｍ程度以下であることが好ましい。しか
しながら、上記の寸法は、電子デバイスとしては極めて
一般的な寸法であるので、本発明の方法を適用可能な超
電導装置には、寸法の制限は事実上ない。

一方、酸化物超電導体は、結晶のＣ軸に垂直な方向に酸
素が動き易い。即ち、結晶中の酸素が失われる場合も、
結晶中に酸素が拡散していって取り込まれる場合も、主
にこの方向に酸素が動（。

従って、本発明の方法で作製する超電導装置では、酸化
物超電導薄膜は、Ｃ軸配向であることが好ましい。

本発明の方法においては、加熱温度は４００〜５００℃
が好ましく、０２雰囲気で処理する場合には０２分圧は
５　Ｔｏｒｒ以上、０３雰囲気で処理する場合には、０
３分圧はＱ、　１７ｏｒｒ以上が好ましい。加熱温度が
４００℃未満では、酸化物超電導薄膜が十分酸素を取り
込むことができず、５００℃を超えると、隣接する薄膜
間で拡散が起こったりするためである。また、０層分圧
、０３分圧は、加熱温度と密接な関係がある。一般に加
熱温度が高い場合には、０層分圧、０３分圧は共に高く
しなければならない。例えば０２雰囲気において加熱温
度４００℃では、０２分圧５〜２ＱＴｏｒｒが好ましい
が、加熱温度５００℃で処理する場合、０２分圧が１０
Ｔｏｒｒ未満では酸化物超電導薄膜を十分酸化できない
。また、０３雰囲気において加熱温度５００℃で処理す
る場合には、０３分圧が１０ｍＴｏｒｒ未満では酸化物
超電導薄膜を十分酸化できない。

本発明の方法は、任意の酸化物超電導体に適用できるが
、Ｙ、Ｂａ２Ｃｕ３０ｉ−ｘ系酸化物超電導体は安定的
に高品質の結晶性のよい薄膜が得られるので好ましい。

また、Ｂｉ、５ｒ２Ｃａ２Ｃｕ、０８系酸化物超電導体
は、特にその超電導臨界温度Ｔｃが高いので好ましい。

以下、本発明を実施例により、さらに詳しく説明するが
、以下の開示は本発明の単なる実施例に過ぎず、本発明
の技術的範囲をなんら制限するものではない。

実施例 本発明の方法と、従来の方法でＭｇＯ基板上に第１の酸
化物超電導薄膜、ＭｇＯ薄膜、第２の酸化物超電導薄膜
を順に積層し、ジョセフソン素子を作製した。第１図（
ａ）〜（粉を参照して、その手順を説明する。

まず、ＭｇＯ基板４の（１００）面上に、スパッタリン
グ法により、第１の超電導体層１となるＹＩＢａ２Ｃｕ
３ｏ７−Ｘ超電導薄膜を形成した。主な成膜条件を以下
に示す。

基板温度　７００℃ スパッタリングガス　Ａｒ　　９０％ ０□　１０％ 圧力　　　５　ｘｌＱ−２Ｔｏｒｒ 膜厚　　　４００ｎｍ 次に、この酸化物超電導薄膜を形成したＭｇＯ基板を真
空蒸着装置に移動し、以下の条件で処理し、表面の結晶
性を回復させた。

圧力　　　Ｉ　Ｘｌ０−９Ｔｏｒｒ 基板温度　　　７００℃ 処理時間　　　３分 上記の処理の後、基板温度が４００℃になるまで放冷し
、酸化物超電導薄膜上に絶縁体層３となるＳｒＴｉＯ３
薄膜をイオンビームスパッタリング法で形成した。

基板温度　７００℃ 酸素圧力　４　Ｘｌ０−６Ｔｏｒｒ 膜厚　　　　３層ｍ さらに、この５ｒＴｉＯ，薄膜３上に第２の超電導体層
２となるＹ１Ｂａ２Ｃｕｉ○７−Ｘ超電導薄膜をレーザ
アブレーション法で形成した。主な成膜条件を以下に示
す。

基板温度　７００℃ 酸素圧力　　１０Ｔｏｒｒ 膜厚　　　４００ｎｍ 第１図（ａ）に、上記の手順で３層を積層した状態を示
す。上記の熱処理の影響で第２の超電導体層２を構成す
る酸化物超電導体がＹ　１Ｂａ２Ｃｕ３０　ｓ−ｓであ
るのに対し、第１の超電導体層１を構成する酸化物超電
導体は、Ｙ＋Ｂａ２Ｃｕ３０ｓ、　４となっていた。

また、第１の超電導体層１および第２の超電導体層２は
、Ｃ軸配向の結晶で構成され、５ｒＴｉＯ３層３はほぼ
単結晶であった。

次に、第１の超電導体層１．５ｒＴｉＯ３層３および第
２の超電導体層２の３層を積層したものを、フォトリン
グラフィとＡｒイオンエツチングにより加工し、第１図
（ｂ）に示すよう幅１μｍの線状とした。

このように加工した後、酸素雰囲気中で熱処理を行った
。熱処理条件を以下に示す。

基板温度　　　　４００℃ ０２分圧　　　　ＩＱ　Ｔｏｒｒ 処理時間　　　　　４時間 こ゛の熱処理により、第１の超電導体層１を構成する酸
化物超電導体はＹ１Ｂａ２Ｃｕ３０ｓ、　ｓとなった。

この処理の後、第１図（Ｃ）に示すよう全体の上に８１
０２層５を８００　ｎｍの厚さに堆積させ、さらにレジ
スト６で覆った。このレジスト膜６とＳｉＯ□層５を反
応性イオンエツチングで、第１図（社）に示すよう第２
の超電導体層２の表面が出るまでエツチングした。

次に、第１図（ｅ）に示すよう全体の上にＡｕ層７を真
空蒸着により形成した。ＡＵ層７上に第１図げ）に示す
ようレジスト膜８を上記の３層と交差するように幅１μ
ｍで形成した。

Ａｒイオンミリングにより、第１の超電導体層１のレジ
スト８に覆われていない部分が約半分の厚さとなるまで
エツチングした。さらにこの部分１１にメタライズ層を
形成して電極とし、ジョセフソン素子が一完成した。

完成後再び、上記本発明の方法で作製したジョセフソン
素子の第１の超電導体層１、第２の超電導体層２および
５ｒＴｉＯｓ層３の結晶状態を確認したところ、いずれ
もほぼ単結晶の良好な結晶状態であった。また、第１の
超電導体層１および第２の超電導体層２は、いずれもＣ
軸配向の結晶で構成されていた。また、第１および第２
の超電導体層の臨界温度Ｔｃはそれぞれ９０におよび８
９にであった。

一方、酸素雰囲気中で熱処理する工程を含まない従来の
方法で作製したジョセフソン素子では、第１の超電導体
層１を構成する酸化物超電導体がＹ１Ｂａ２Ｃｕｓ　Ｏ
６，＜であり、この層は、液体窒素温度でも超電導性を
示さなかった。

発明の詳細 な説明したように、本発明の方法に従うと、高性能なト
ンネル型のジョセフソン接合を酸化物。

超電導体により実現できる。

本発明により、超電導技術の電子デバイスへの応用がさ
らに促進される。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の方法の工程を示す概略図である。 〔主な参照番号〕 １．２・・・超電導体層、 ３・・・絶縁体層、 ４・・・基板、 ５・・・ＳｉＯ□層、 ６．８・・・レジスト、 ７・・・ＡＵ層

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　基板上に形成された酸化物超電導薄膜と、この酸化物
   超電導薄膜上に積層された他の薄膜とを有する超電導装
   置を作製する方法において、前記酸化物超電導薄膜表面
   上に他の薄膜を積層し、次いで前記酸化物超電導薄膜の
   側面が露出する加工を行った後、全体をＯ＿２雰囲気お
   よび／またはＯ＿３雰囲気で加熱する工程を含むことを
   特徴とする超電導装置の作製方法。