JPH05211351A - Josephson element and manufacture thereof - Google Patents

Josephson element and manufacture thereof

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JPH05211351A
JPH05211351A JP4015091A JP1509192A JPH05211351A JP H05211351 A JPH05211351 A JP H05211351A JP 4015091 A JP4015091 A JP 4015091A JP 1509192 A JP1509192 A JP 1509192A JP H05211351 A JPH05211351 A JP H05211351A
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JP
Japan
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group
film
lower electrode
chemical
chemisorption
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Application number
JP4015091A
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Japanese (ja)
Inventor
Hidetaka Tono
秀隆 東野
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Panasonic Holdings Corp
Original Assignee
Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Publication date
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Abstract

PURPOSE:To obtain a barrier layer which has a thickness of the order of nm and is high is adhesion strength and small is number of pinholes by a method wherein a chemical adsorbing film is used as the barrier layer which isolates an upper electrode from a lower electrode. CONSTITUTION:A lower electrode 2 of a superconductor is provided on a substrate 1, hydrophilic groups are formed thereon, chlorosilane adsorbent gas which contains straight carbon chain provided with chlorine-silicon chemical bond (-SiClX3-n group, n=2 or 3, X is functional group) at its one end is made to react thereon to enable chemical adsorbing film precursor to be adsorbed, and then the absorbed chemical adsorbing film precursor is formed into an adsorbing film 3 (barrier layer) of -Si(O-)3 through the reaction of hydrolysis, and dehydration condensation. It is preferable that the chemical adsorption process is carried out at least twice or more. An upper electrode of superconductor is formed on the surface of the barrier layer, and thus a Josephson element 5 can be obtained.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、超伝導技術を応用した
ジョセフソン素子及びその製造方法に関するものであ
る。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a Josephson device to which superconducting technology is applied and a manufacturing method thereof.

【0002】[0002]

【従来の技術】ジョセフソン素子を形成する場合、従
来、超伝導電極にニオブ(Nb)を用いる場合には障壁
層にアルミナ(Al2 3 )を用い、超伝導電極に窒化
ニオブ(NbN)を用いる場合には酸化マグネシウム
(MgO)を障壁層材料として用いられていた。酸化物
系材料を用いた障壁層は、スパッタ法や反応性蒸着法等
により形成されるが、ジョセフソン素子の構成に必要な
数ナノメートル厚さ程度の極めて薄い薄膜を形成した場
合には均一な障壁層が形成し難く、ピンホールなどによ
るリーク電流が大きかったり、あるいは超伝導臨界電流
値のばらつきが大きく歩留まりが悪い等の問題があり、
現状では10nm前後の障壁層厚みが用いられている。
最近は、Nb系やNbN系で数μmサイズのジョセフソ
ン接合素子では、プロセスの改良により超伝導臨界電流
値のばらつきを10%以下まで押さえられるようになっ
てきた。
2. Description of the Related Art When forming a Josephson element, conventionally, when niobium (Nb) was used for a superconducting electrode, alumina (Al 2 O 3 ) was used for a barrier layer and niobium nitride (NbN) was used for a superconducting electrode. When using, magnesium oxide (MgO) was used as the barrier layer material. The barrier layer made of oxide material is formed by sputtering method or reactive vapor deposition method, but it is uniform when an extremely thin thin film with a thickness of several nanometers, which is necessary for the construction of Josephson devices, is formed. It is difficult to form a large barrier layer, there is a large leak current due to pinholes, etc., or there is a problem that the yield of the superconducting critical current is large and the yield is poor.
At present, a barrier layer thickness of around 10 nm is used.
Recently, in the Nb-based or NbN-based Josephson junction device having a size of several μm, the variation in the superconducting critical current value can be suppressed to 10% or less by the improvement of the process.

【0003】また、Y系酸化物超伝導体やBi系酸化物
超伝導体あるいはTl系酸化物超伝導体を超伝導電極と
して用いる場合には、障壁層材料としてMgOや酸化イ
ットリューム(Y2 3 )等の酸化物材料が試みられて
いるが、未だ良好なトンネル接合型ジョセフソン特性は
得られていない。
When a Y-based oxide superconductor, a Bi-based oxide superconductor, or a Tl-based oxide superconductor is used as a superconducting electrode, MgO or yttrium oxide (Y 2) as a barrier layer material is used. Oxide materials such as O 3 ) have been tried, but good tunnel junction type Josephson characteristics have not been obtained yet.

【0004】また、障壁層材料に有機物を用いる例とし
ては、超伝導電極に鉛ビスマス(PbBi)を用い、障
壁層にアラキン酸や、ポリアミド酸長鎖アルキルアミン
塩(PAAD)のLB(ラングミュア・ブロジェット)
膜を用いたもの(紫藤俊一他、“ジョセフソン接合素子
によるLB膜の評価”、電子情報通信学会技術報告、有
機エレクトロニクス、OME88−3(1988))、
あるいは、超伝導電極にPbBiとNbを用い、障壁層
にポリイミドLB膜を用いたもの(久保田徹他、”ポリ
イミドLB膜を用いたジョセフソン接合素子の電気特
性”、電子情報通信学会技術報告「有機エレクトロニク
ス」OME90−7(1990))が報告されている。
しかし、これらはいずれもピンホールの存在による弱結
合型ジョセフソン接合特性を示し、トンネル接合型ジョ
セフソン特性は得られていない。
Further, as an example of using an organic material for the barrier layer material, lead bismuth (PbBi) is used for the superconducting electrode, and LB (Langmuir / polyamide acid long chain alkylamine salt (PAAD) LB (Langmuir. (Blodget)
Using a film (Shunichi Shido et al., "Evaluation of LB film by Josephson junction element", IEICE technical report, Organic Electronics, OME88-3 (1988)),
Alternatively, PbBi and Nb are used for the superconducting electrode, and a polyimide LB film is used for the barrier layer (Tetsu Kubota et al., "Electrical characteristics of Josephson junction device using polyimide LB film", IEICE technical report. "Organic electronics" OME90-7 (1990)) has been reported.
However, all of them show weak coupling type Josephson junction characteristics due to the presence of pinholes, and tunnel junction type Josephson characteristics have not been obtained.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】酸化物系材料を用いた
障壁層は、前述のように、ジョセフソン素子の構成に必
要な数ナノメートル厚さ程度の極めて薄い薄膜を形成し
た場合には均一な障壁層が形成し難く、ピンホールなど
によるリーク電流が大きかったり、あるいは超伝導臨界
電流値のばらつきが大きく歩留まりが悪い等の問題があ
り、現状では金属系超伝導体を用いる場合にはプロセス
で許容できる値として10nm前後の障壁層厚みが用い
られている。しかし、ジョセフソン素子を用いた論理回
路を小型化するためには、セルサイズを小型化すること
が必要で、そのためには素子の臨界電流密度を大きく
し、かつ素子間のばらつきを押さえなければならない。
このことは障壁層厚さを更に薄くすることを意味し、従
来の材料の組合せやプロセス技術ではほぼ限界に近づい
ており極めて困難である。
As described above, the barrier layer made of an oxide-based material is uniform when an extremely thin thin film having a thickness of several nanometers necessary for constructing a Josephson device is formed. It is difficult to form a large barrier layer, there is a large leak current due to pinholes, etc., or there is a problem that the yield of the superconducting critical current is large and the yield is poor. A barrier layer thickness of around 10 nm is used as an allowable value. However, in order to miniaturize the logic circuit using the Josephson element, it is necessary to miniaturize the cell size. For that purpose, the critical current density of the element must be increased and the variation between the elements must be suppressed. I won't.
This means that the thickness of the barrier layer is further reduced, and it is extremely difficult because the conventional combination of materials and the process technology are almost at their limits.

【0006】また、LB膜を用いた障壁層では、LB膜
の形成時に水中に基板を浸すことが必要であり、この時
に超伝導電極表面の劣化や電極剥がれ等が起こり問題と
なっていた。また、LB膜自体も下部電極とは物理的に
吸着しているだけに過ぎないため、付着強度が弱く、水
分の浸入や熱ストレスにより容易に剥がれるという問題
があった。更に、LB膜中にピンホールが多数存在する
ためトンネル接合型特性は得られていない。これは、水
面上に展開したLB膜分子の圧縮過程時に生成されるド
メインがLB膜中に固定されることによりドメインバウ
ンダリー等にピンホールが数多く発生するためと思われ
る。また、水中に基板を浸漬するためにコンタミが混入
してジョセフソン素子の特性が劣化するという問題もあ
った。
Further, in the barrier layer using the LB film, it is necessary to immerse the substrate in water at the time of forming the LB film, and at this time, the surface of the superconducting electrode is deteriorated or the electrode is peeled off. Further, since the LB film itself is merely physically adsorbed to the lower electrode, the adhesion strength is weak and there is a problem that it easily peels off due to infiltration of water or heat stress. Further, since many pinholes are present in the LB film, tunnel junction type characteristics have not been obtained. It is considered that this is because a large number of pinholes are generated in the domain boundary and the like due to the domains generated during the compression process of the LB film molecules spread on the water surface being fixed in the LB film. Further, there is a problem that the characteristics of the Josephson device are deteriorated due to contamination being mixed in because the substrate is immersed in water.

【0007】本発明は、前記従来技術の課題を解決する
ため、ナノメーターレベルの極薄の障壁層であって、付
着強度が高く、ピンホールが少ない障壁層を形成するこ
とにより、結果として臨界電流密度が高く特性が揃い、
かつ再現性に富むジョセフソン素子及びその製造方法を
提案することを目的とする。
In order to solve the above-mentioned problems of the prior art, the present invention forms a barrier layer having an ultra-thin nanometer level, which has high adhesion strength and few pinholes. High current density and uniform characteristics,
Moreover, it is an object of the present invention to propose a Josephson device having high reproducibility and a manufacturing method thereof.

【0008】[0008]

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
本発明のジョセフソン素子は、超伝導体からなる上部電
極、および下部電極と、両者を隔てる障壁層とを含むジ
ョセフソン素子であって、前記障壁層が撥水性基および
珪素を含む直鎖状炭素鎖で形成される化学吸着膜であ
り、かつ前記上部電極または前記下部電極の対向する少
なくともいずれかの表面に、前記化学吸着膜が共有結合
により固定されていることを特徴とする。
In order to achieve the above object, a Josephson element of the present invention is a Josephson element including an upper electrode and a lower electrode made of a superconductor, and a barrier layer separating them. The barrier layer is a chemisorption film formed of a linear carbon chain containing a water-repellent group and silicon, and the chemisorption film is formed on at least one surface of the upper electrode or the lower electrode facing each other. It is characterized by being fixed by a covalent bond.

【0009】前記構成においては、共有結合がシロキサ
ン結合であることが好ましい。また前記構成において
は、化学吸着膜が少なくともシロキサン系内層膜を介し
て表面に共有結合されていることが好ましい。
In the above structure, the covalent bond is preferably a siloxane bond. Further, in the above structure, the chemisorption film is preferably covalently bonded to the surface via at least the siloxane-based inner layer film.

【0010】また前記構成においては、撥水性基が含フ
ッ素炭化水素基であることが好ましい。次に本発明のジ
ョセフソン素子の製造方法は、超伝導体からなる上部電
極、および下部電極と、両者を隔てる障壁層とを含むジ
ョセフソン素子の製造方法であって、基板上に下部電極
を形成後、反応性ガスを導入して前記下部電極表面に親
水性基を形成した後、またはシロキサン系化学吸着内層
膜を形成して反応性ガスにより親水性基を形成した後、
前記反応性ガスを除去し、一端に複数の塩素−珪素化学
結合(−SiCln 3-n 基、n=2または3、Xは官
能基)を有する直鎖状炭素鎖を含むクロルシラン系吸着
剤ガスを前記下部電極表面に導入して吸着反応させ、化
学吸着前駆体膜を形成した後、未反応クロルシラン系吸
着剤ガスを除去し、次いで反応性ガスを導入して前記化
学吸着前駆体膜の未反応の塩素−珪素化学結合と反応さ
せてシラノール基とし化学吸着膜を形成することを特徴
とする。
Further, in the above constitution, the water-repellent group is preferably a fluorine-containing hydrocarbon group. Next, a method for manufacturing a Josephson device of the present invention is a method for manufacturing a Josephson device including an upper electrode made of a superconductor, a lower electrode, and a barrier layer separating the two. After formation, after introducing a reactive gas to form a hydrophilic group on the surface of the lower electrode, or after forming a siloxane-based chemisorption inner layer film to form a hydrophilic group by the reactive gas,
Chlorsilane-based adsorption that removes the reactive gas and includes a linear carbon chain having a plurality of chlorine-silicon chemical bonds (-SiCl n X 3-n group, n = 2 or 3, X is a functional group) at one end. After introducing the agent gas into the lower electrode surface to cause an adsorption reaction to form a chemisorption precursor film, the unreacted chlorosilane-based adsorbent gas is removed, and then a reactive gas is introduced to introduce the chemisorption precursor film. It is characterized in that it reacts with the unreacted chlorine-silicon chemical bond of the above to form a silanol group to form a chemisorption film.

【0011】前記構成においては、化学吸着膜を形成す
る工程を、少なくとも2回以上行なうことが好ましい。
また前記構成においては、反応性ガスとして水蒸気を用
いることが好ましい。
In the above structure, the step of forming the chemisorption film is preferably performed at least twice.
In the above structure, it is preferable to use water vapor as the reactive gas.

【0012】また前記構成においては、反応性ガスとし
て水素と酸素を用い、前記反応性ガスの導入と同時に基
板表面に紫外線を照射して下部電極表面に親水性基を形
成するか、または化学吸着前駆体膜の未反応の塩素−珪
素化学結合と反応させてシラノール基を形成することが
好ましい。
Further, in the above structure, hydrogen and oxygen are used as the reactive gas, and at the same time when the reactive gas is introduced, the surface of the substrate is irradiated with ultraviolet rays to form a hydrophilic group on the surface of the lower electrode, or chemisorption is performed. It is preferred to react with unreacted chlorine-silicon chemical bonds of the precursor film to form silanol groups.

【0013】また前記構成においては、クロルシラン系
吸着剤が、CF3 −(CF2 p −(R)m −SiCl
n 3-n (pは0または整数、mは0または1、Rは炭
素数1以上のメチレン基、含ビニレン基の炭素数1以上
のメチレン基、含シリコン原子の炭素数1以上のメチレ
ン基または含酸素原子の炭素数1以上のメチレン基の何
れか、Xは水素原子、低級アルキル基または低級アルコ
キシ基、nは2または3)であることが好ましい。
In the above structure, the chlorosilane-based adsorbent is CF 3- (CF 2 ) p- (R) m --SiCl.
n X 3-n (p is 0 or an integer, m is 0 or 1, R is a methylene group having a carbon number of 1 or more, a vinylene group-containing methylene group having a carbon number of 1 or more, and a silicon-containing atom having a carbon number of 1 or more. It is preferable that either a group or a methylene group having 1 or more carbon atoms of an oxygen-containing atom, X is a hydrogen atom, a lower alkyl group or a lower alkoxy group, and n is 2 or 3).

【0014】[0014]

【作用】前記本発明の構成によれば、障壁層が撥水性基
および珪素を含む直鎖状炭素鎖で形成される化学吸着膜
であり、かつ前記上部電極または前記下部電極の対向す
る少なくともいずれかの表面に、前記化学吸着膜が共有
結合により固定されているので、ナノメーターレベルの
極薄の障壁層であって、付着強度が高く、ピンホールが
少ない障壁層を形成することができ、結果として臨界電
流密度が高く特性が揃い、かつ再現性に富むジョセフソ
ン素子を実現できる。すなわち、障壁層厚さが化学吸着
単分子の長さにより規定される一定の厚さとなり、均一
なトンネル接合が実現でき、素子間の臨界電流密度のば
らつきも少なくなる。また、障壁層厚さも化学吸着分子
の長さを選択することにより容易に変えられる。更に、
直鎖状炭素鎖を含む化学吸着膜が撥水性基を含むことに
より水分の浸入を防ぎ、かつ撥水性基に含フッ素炭化水
素基を用いることによりリーク電流が小さく、また、絶
縁耐圧も向上するため、薄い障壁層でも印加電圧を高く
することができる。従って、障壁層厚さを数nmと薄く
することができジョセフソン素子の臨界電流密度を高く
し、かつ、素子間のばらつきを少なくすることができる
ため、ジョセフソン素子を用いた論理回路のセルサイズ
を小さくでき、小型化が可能となる。
According to the structure of the present invention, the barrier layer is a chemical adsorption film formed of a linear carbon chain containing a water repellent group and silicon, and at least one of the upper electrode and the lower electrode facing each other. Since the chemisorption film is fixed to the surface by covalent bond, it is possible to form an extremely thin barrier layer of nanometer level, which has high adhesion strength and few pinholes. As a result, a Josephson device with high critical current density, uniform characteristics, and high reproducibility can be realized. That is, the thickness of the barrier layer becomes a constant thickness defined by the length of the chemisorption monomolecule, a uniform tunnel junction can be realized, and the variation in the critical current density between the elements is reduced. The thickness of the barrier layer can also be easily changed by selecting the length of the chemisorption molecule. Furthermore,
The chemical adsorption film containing a linear carbon chain contains a water-repellent group to prevent water from entering, and the fluorine-containing hydrocarbon group is used as the water-repellent group to reduce the leak current and improve the dielectric strength. Therefore, the applied voltage can be increased even with a thin barrier layer. Therefore, the thickness of the barrier layer can be reduced to several nanometers, the critical current density of the Josephson element can be increased, and the variation between the elements can be reduced. Therefore, the cell of the logic circuit using the Josephson element can be reduced. The size can be reduced and the size can be reduced.

【0015】また、化学吸着膜が少なくとも一方の超伝
導電極に化学結合により固定されているので、機械的強
度が高く、LB膜を用いたものにみられる様な水分の浸
入や熱ストレスによる膜剥がれは起こり難い。
Further, since the chemisorption film is fixed to at least one of the superconducting electrodes by a chemical bond, the film has high mechanical strength, and the film is formed by the infiltration of water or heat stress as seen in the LB film. Peeling is unlikely to occur.

【0016】次に本発明のジョセフソン素子の製造方法
によれば、基板上に下部電極を形成後、反応性ガスを導
入して前記下部電極表面に親水性基を形成した後、また
はシロキサン系化学吸着内層膜を形成して反応性ガスに
より親水性基を形成した後、前記反応性ガスを除去し、
一端に塩素−珪素化学結合(−SiCln 3-n 基、n
=2または3、Xは官能基)を有する直鎖状炭素鎖を含
むクロルシラン系吸着剤ガスを前記下部電極表面に導入
して吸着反応させ、化学吸着前駆体膜を形成した後、未
反応クロルシラン系吸着剤ガスを除去し、次いで反応性
ガスを導入して前記化学吸着前駆体膜の未反応の塩素−
珪素化学結合と反応させてシラノール基とし化学吸着膜
を形成するので、化学吸着膜を形成することが効率的に
できる。またクロルシラン系吸着剤ガスを完全に除去し
た後に反応性ガスを導入することにより、余分な物理的
に吸着している吸着剤分子を除去して化学吸着膜のみを
残すことができ、化学吸着膜の未反応の塩素−珪素化学
結合と反応させてシラノール基を形成することができ
る。この工程により、化学吸着サイトであるシラノール
基の水酸基の数が増え、この吸着工程を更に、少なくと
も1回以上行なうことにより、このシラノール基の水酸
基にクロルシラン系吸着剤が吸着するため吸着密度が増
える。またクロルシラン系吸着剤が複数の塩素−珪素化
学結合を一端のみに有するため、すでに吸着している吸
着分子の基板側と反対の末端には吸着サイトである親水
性基(水酸基)がないので吸着せず、この部分での分子
吸着膜の膜厚は変化しない。しかも、シラノール基が化
学吸着膜の基板側末端に有るため、2回以上の単分子吸
着工程によって新たに吸着される単分子の高さは、それ
以前のものとあまり異ならないため、ほぼ均一な厚さで
緻密な化学吸着膜が形成できる。従って、この方法によ
り、ピンホール密度を低下させ、リーク電流の逓減が実
現できる。
Next, according to the method of manufacturing the Josephson device of the present invention, after forming the lower electrode on the substrate, introducing a reactive gas to form a hydrophilic group on the surface of the lower electrode, or a siloxane-based material. After forming a chemisorption inner layer film and forming a hydrophilic group with a reactive gas, the reactive gas is removed,
Chlorine-silicon chemical bond (-SiCl n X 3-n group, n
= 2 or 3, X is a functional group) and a chlorosilane-based adsorbent gas containing a linear carbon chain having a functional group) is introduced onto the surface of the lower electrode to cause an adsorption reaction to form a chemisorption precursor film and then unreacted chlorosilane. Of the unreacted chlorine of the chemisorption precursor film by removing the system adsorbent gas and then introducing the reactive gas.
Since it reacts with silicon chemical bonds to form silanol groups to form a chemisorption film, the chemisorption film can be efficiently formed. Also, by completely removing the chlorosilane-based adsorbent gas and then introducing the reactive gas, it is possible to remove excess physically adsorbed adsorbent molecules and leave only the chemisorption film. Can react with the unreacted chlorine-silicon chemical bonds of to form silanol groups. By this step, the number of hydroxyl groups of silanol groups that are chemisorption sites is increased, and by further performing this adsorption step at least once, the adsorption density is increased because the chlorosilane-based adsorbent is adsorbed by the hydroxyl groups of silanol groups. .. In addition, since the chlorosilane-based adsorbent has multiple chlorine-silicon chemical bonds only at one end, there is no hydrophilic group (hydroxyl group) that is an adsorption site at the end opposite to the substrate side of the adsorbed molecules that have already been adsorbed. No, the thickness of the molecular adsorption film does not change in this part. Moreover, since the silanol group is present at the end of the chemisorption film on the substrate side, the height of the newly adsorbed single molecule in two or more single molecule adsorption steps does not differ much from that before, so that it is almost uniform. A thick chemical adsorption film can be formed. Therefore, with this method, the pinhole density can be reduced and the leak current can be gradually reduced.

【0017】また、基板上に下部電極を形成後、気相中
にて化学吸着膜を形成し、その後、上部電極を形成する
方法を用いることにより、同一真空容器中にてジョセフ
ソン接合を形成することが可能となり、コンタミの混入
を極力避けることが出来、安定した良好な特性のジョセ
フソン素子を歩留まり良く製造できるという作用があ
る。更には、気相中にて化学吸着膜を形成するため、超
伝導電極の表面の劣化や膜剥がれ等の問題も発生しない
という作用もある。
In addition, after forming the lower electrode on the substrate, a chemisorption film is formed in the vapor phase, and then the upper electrode is formed, whereby a Josephson junction is formed in the same vacuum container. Therefore, it is possible to avoid contamination as much as possible, and it is possible to manufacture a Josephson device having stable and favorable characteristics with a high yield. Furthermore, since the chemisorption film is formed in the gas phase, there is also an effect that problems such as deterioration of the surface of the superconducting electrode and film peeling do not occur.

【0018】[0018]

【実施例】従来、化学吸着剤を溶解した非水系有機溶媒
中に基板を接触させて、非水系有機溶媒中で化学反応を
起こさせて単分子膜を形成しており、この反応を化学吸
着反応という。また、このようにして得られる単分子膜
を化学吸着単分子膜という。化学吸着単分子膜は基板表
面と強固な化学結合を介してつながっているため、基板
表面を削り取らない限り一般には剥離しない程度の付着
強度を有する。しかし、前述の様に、この様な液相中で
の化学吸着反応に於いては、溶媒中に含まれる、または
製造過程中に於て溶媒に混入するコンタミの量が、単分
子膜をジョセフソン素子に用いる場合には問題となる。
コンタミがリーク電流を増加させたり絶縁耐圧を劣化さ
る、或は、超伝導臨界電流値等のジョセフソン素子特性
がばらつくといった原因となり好ましくない。本発明で
は、この様な液相中での化学吸着反応に於ける問題を解
決するために、吸着反応を気相中にて行なうという方法
を用いて化学吸着膜を形成してジョセフソン素子を製造
する。以下にその実施例を述べる。
[Example] Conventionally, a substrate is contacted with a non-aqueous organic solvent in which a chemical adsorbent is dissolved to cause a chemical reaction in the non-aqueous organic solvent to form a monomolecular film. It is called a reaction. The monomolecular film thus obtained is called a chemisorption monomolecular film. Since the chemisorption monomolecular film is connected to the surface of the substrate through a strong chemical bond, the chemisorption monomolecular film generally has such an adhesive strength that it does not peel unless the surface of the substrate is scraped off. However, as described above, in such a chemisorption reaction in the liquid phase, the amount of contamination contained in the solvent or mixed in the solvent during the manufacturing process causes the monolayer to be separated from the Josephson film. This is a problem when used for a Son element.
Contamination is not preferable because it may increase the leak current, deteriorate the dielectric strength, or cause the Josephson device characteristics such as the superconducting critical current value to vary. In the present invention, in order to solve such a problem in a chemical adsorption reaction in a liquid phase, a method of performing an adsorption reaction in a gas phase is used to form a chemical adsorption film to form a Josephson device. To manufacture. An example will be described below.

【0019】図1は本発明の一実施例のジョセフソン素
子の断面図である。基板1上に超伝導下部電極2が形成
されており、その上に障壁層3を挟んで超伝導上部電極
4が形成されて、所望の形状に切り出されてジョセフソ
ン素子5となる。下部電極2と上部電極4とは絶縁性障
壁層3を挟んでトンネル接合を形成している。障壁層3
はフッ素等の撥水性基と化学結合をさせるための珪素と
を含む直鎖状炭素鎖からなり、下部電極2および/また
は上部電極4と例えばシロキサン結合結合等により化学
的に結合している単分子膜である。またこの化学結合
は、シロキサン系単分子膜を間に介した化学結合であっ
てもよい。障壁層3は、化学吸着剤を下部電極に化学吸
着させて吸着膜を形成する。なお、本発明の障壁層の材
料である化学吸着膜は、1層の単分子膜、膜の厚さが均
一のポリマー膜、又単分子累積膜でも良いが、単分子累
積膜の場合には累積層間でも化学結合(共有結合)して
いることが要求される。
FIG. 1 is a sectional view of a Josephson device according to an embodiment of the present invention. A superconducting lower electrode 2 is formed on a substrate 1, a superconducting upper electrode 4 is formed on the substrate 1 with a barrier layer 3 interposed therebetween, and the superconducting upper electrode 4 is cut into a desired shape to form a Josephson device 5. The lower electrode 2 and the upper electrode 4 form a tunnel junction with the insulating barrier layer 3 interposed therebetween. Barrier layer 3
Is a linear carbon chain containing a water repellent group such as fluorine and silicon for chemically bonding, and is chemically bonded to the lower electrode 2 and / or the upper electrode 4 by, for example, a siloxane bond. It is a molecular film. Further, this chemical bond may be a chemical bond via a siloxane monolayer. The barrier layer 3 chemically adsorbs the chemical adsorbent on the lower electrode to form an adsorption film. The chemical adsorption film that is the material of the barrier layer of the present invention may be a monolayer film, a polymer film having a uniform film thickness, or a monomolecular cumulative film. Chemical bonds (covalent bonds) are required even in the cumulative layers.

【0020】化学吸着を行なう方法には種々あるが、一
例として化学吸着剤として一端にクロロシリル(−Si
Cln 3-n )基又はアルコキシシラン(−Si(O
A)n3-n )基を含有し、他端に炭化水素基又はフッ
素置換した炭素を含有するシラン系吸着剤を用いた場合
につて説明する。但し式中のnは1〜3の整数であり、
Xは水素、低級アルキル基又は低級アルコキシ基を表わ
し、Aは低級アルキル基を表わす。上記シラン系吸着剤
の内クロルシラン系吸着剤は、室温下で化学吸着反応が
行え、確実に化学吸着単分子膜が形成できるため好まし
い。クロルシラン系吸着剤の内でもトリ塩素−珪素化学
結合(即ち式中のnが3)であると、吸着分子間でもシ
ロキサン結合を介するため好ましい。また、本発明に使
用できるシラン系吸着剤は、吸着分子密度を向上させる
には直鎖状が好ましい。具体的にはCH3 −(R)m
SiCln 3-n 、CF3 −(CF2 p −(R)m
SiCln 3-n で表わされるクロルシラン系吸着剤が
好ましい。但し式中pは0または整数、mは0または
1、Rは炭素数1以上のメチレン基、含ビニレン基の炭
素数1以上のメチレン基、含シリコン原子の炭素数1以
上のメチレン基または含酸素原子の炭素数1以上のメチ
レン基の何れか、Xは水素原子、低級アルキル基または
低級アルコキシ基、nは1〜3の整数である。更に具体
的には例えばCH 3 (CH2 9 SiCl3 、CH
3 (CH2 15SiCl3 、CH3 CH2 O(CH2
15SiCl3 、CH3 (CH2 2 Si(CH3
2 (CH2 15SiCl3 、CF3 (CF2 7 (CH
2 2 SiCl3 、CF3 CH2 O(CH215SiC
3 、CF3 (CH2 2 Si(CH3 2 (CH2
15SiCl3、F(CF2 4 (CH2 2 Si(CH
3 2 (CH2 9 SiCl3 、CF 3 COO(C
2 15SiCl3 、CF3 (CF2 5 (CH2 2
SiCl3等が挙げられる。又、上記式中のR基がビニ
レン基を含有すると、触媒、光又は高エネルギー線照射
等で不飽和結合を重合させることにより、分子間に結合
が生じより強固な単分子膜となるため好ましい。なお、
含フッ化炭素のシラン系吸着剤を用いると撥水効果が大
きく、電気絶縁特性も良好であるため特に好ましい。
There are various methods for chemisorption.
As an example, as a chemical adsorbent, chlorosilyl (-Si
ClnX3-n) Group or alkoxysilane (-Si (O
A)nX3-n) Group and a hydrocarbon group or
When using a silane-based adsorbent containing elementally substituted carbon
I will explain about this. However, n in the formula is an integer of 1 to 3,
X represents hydrogen, a lower alkyl group or a lower alkoxy group
However, A represents a lower alkyl group. The above silane-based adsorbent
The chlorosilane-based adsorbent has a chemisorption reaction at room temperature.
It is preferable because it can be performed and a chemisorption monomolecular film can be reliably formed.
Yes. Among the chlorosilane-based adsorbents, trichlor-silicon chemistry
If it is a bond (that is, n in the formula is 3), there will be a
It is preferable because it is via a roxane bond. It is also used in the present invention.
Silane-based adsorbents that can be used improve the density of adsorbed molecules
Is preferably linear. Specifically CH3-(R)m
SiClnX3-n, CF3-(CF2)p-(R)m
SiClnX3-nThe chlorosilane-based adsorbent represented by
preferable. However, in the formula, p is 0 or an integer, m is 0 or
1, R is methylene group having 1 or more carbon atoms, carbon containing vinylene group
Methylene group with a prime number of 1 or more, silicon atom containing carbon atoms of 1 or more
Methylene group having 1 or more carbon atoms in the above methylene group or oxygen-containing atom
Any of the len groups, X is a hydrogen atom, a lower alkyl group or
Lower alkoxy group, n is an integer of 1 to 3. More concrete
For example, CH 3(CH2)9SiCl3, CH
3(CH2)15SiCl3, CH3CH2O (CH2)
15SiCl3, CH3(CH2)2Si (CH3)
2(CH2)15SiCl3, CF3(CF2)7(CH
2)2SiCl3, CF3CH2O (CH2)15SiC
l3, CF3(CH2)2Si (CH3)2(CH2)
15SiCl3, F (CF2)Four(CH2)2Si (CH
3)2(CH2)9SiCl3, CF 3COO (C
H2)15SiCl3, CF3(CF2)Five(CH2)2
SiCl3Etc. Further, the R group in the above formula is vinyl
When it contains a len group, it is exposed to catalyst, light or high energy rays.
Bonding between molecules by polymerizing unsaturated bond
Occurs, and a stronger monomolecular film is formed, which is preferable. In addition,
Large effect of water repellency when using fluorinated carbon silane adsorbent
It is particularly preferable because it has good electrical insulation properties.

【0021】以上の通り、基板1上に超電導体の下部電
極2を設け、その上に親水性基を形成し、次いで一端に
複数の塩素−珪素化学結合(−SiCln 3-n 基、n
=2または3、Xは官能基)を有する直鎖状炭素鎖を含
むクロルシラン系吸着剤ガスを反応させ、単分子膜前駆
体を吸着させた後に、加水分解と脱水縮合反応により−
Si(O−)3 等の単分子吸着膜3(障壁層)を形成す
る。単分子吸着工程は少なくとも2回以上行うのが好ま
しい。この障壁層の表層に超電導体の上部電極4を形成
し、ジョセフソン素子5とする。
As described above, the lower electrode 2 of the superconductor is provided on the substrate 1, the hydrophilic group is formed thereon, and then a plurality of chlorine-silicon chemical bonds (-SiCl n X 3-n group, n
= 2 or 3, X is a functional group) and a chlorosilane-based adsorbent gas containing a linear carbon chain having a functional group) is reacted to adsorb the monomolecular film precursor, followed by hydrolysis and dehydration condensation reaction-
A monomolecular adsorption film 3 (barrier layer) such as Si (O-) 3 is formed. The monomolecular adsorption step is preferably performed at least twice. An upper electrode 4 of a superconductor is formed on the surface layer of this barrier layer to form a Josephson element 5.

【0022】以下に、具体的な実施例を述べる。 実施例1 図2は本発明のジョセフソン素子の製造工程の一例を示
す工程断面図である。基板11として、低抵抗Si単結
晶基板を用い、その上に熱酸化により酸化膜を400n
m厚さに形成したものを用いた。基板11を真空チャン
バー中に固定し、10-6Torr以下に排気した後、電
子ビーム蒸着法等により厚さ150nmのNb薄膜を形
成して超伝導下部電極12を形成する。その後、混合比
2:1の酸素と水素の反応性ガスを下部電極12表面付
近に導入して下部電極12表面付近の圧力が10-3To
rr程度となるように差動排気を行ないながら、チャン
バー内に設けられた水銀ランプにより紫外線を照射して
下部電極12の表面に親水性基である水酸基15を形成
する。また、反応性ガスとして水蒸気を用いることも有
効である。簡便には、大気を導入することにより、その
中に含まれている水蒸気を利用することもできるが、コ
ンタミの原因となるのでAr等の不活性ガスを純水中に
バブリングしたものを用いる方がよい。なお、親水性基
としては水酸基の他に、アミノ基等の活性水素を有する
基があげられる。アミノ基の場合にはアンモニアガスを
供給して反応させること等により処理できる。反応が終
了した時点で、反応性ガスを止め、真空排気を行なって
反応性ガスを除去し、10-6Torr以下の真空度に達
したら、化学吸着剤16を気相状態で基板表面に運び、
基板表面上にて化学反応を起こさせて吸着させる。室温
での蒸気圧の高い化学吸着剤の場合には、脱水乾燥させ
たアルゴンや窒素等の不活性ガスをキャリアガスとして
化学吸着剤を基板表面まで運べば良いが、室温で液体状
態である化学吸着剤の場合には、沸点以上に加熱するこ
とにより蒸気として供給するか、もしくは、脱水乾燥さ
せたアルゴンや窒素等の不活性ガスをキャリアガスと
し、液体の化学吸着剤中に通してバブリングすることに
より、気相状態で基板表面上に供給する。いづれの場合
にも、化学吸着剤16が水分と反応してポリマーを形成
することを避けるために、極度に水分の除去を行なうこ
とが重要である。また、室温で固体状態である化学吸着
剤の場合には、坩堝にいれて、沸点以上に加熱すること
により蒸発させて分子線ガスとして供給することが出来
る。化学吸着剤16であるシラン系吸着剤としてCF3
(CF2 7 (CH2 2 SiCl3 を用いた場合に
は、室温で液体状態であるため、密封容器に入れて、脱
水乾燥させたアルゴンあるいは窒素等の不活性ガスをキ
ャリアガスとし、密封容器中のクロルシラン系吸着剤中
に通してバブリングを行い、このガスを細いパイプにて
基板表面上まで運び供給する。下部電極12表面上に運
ばれた化学吸着剤16は、約10〜30分程度の吸着に
より、クロルシラン系吸着剤の−SiCl基の塩素と下
部電極12表面上の水酸基15とが脱塩酸反応し、次い
で加水分解し、脱水縮合させることにより、下部電極1
2の表面全面に亘り(化1)に示すシロキサン結合が生
成され、これを介して化学吸着単分子膜17を形成する
(図3)。
Specific examples will be described below. Example 1 FIG. 2 is a process sectional view showing an example of a process for manufacturing a Josephson device of the present invention. A low resistance Si single crystal substrate is used as the substrate 11, and an oxide film of 400 n is formed thereon by thermal oxidation.
What was formed in m thickness was used. After fixing the substrate 11 in a vacuum chamber and evacuating it to 10 −6 Torr or less, a Nb thin film with a thickness of 150 nm is formed by an electron beam evaporation method or the like to form a superconducting lower electrode 12. After that, a reactive gas of oxygen and hydrogen with a mixing ratio of 2: 1 was introduced near the surface of the lower electrode 12 so that the pressure near the surface of the lower electrode 12 was 10 −3 To.
While performing differential evacuation to about rr, ultraviolet rays are radiated from a mercury lamp provided in the chamber to form a hydroxyl group 15, which is a hydrophilic group, on the surface of the lower electrode 12. It is also effective to use water vapor as the reactive gas. For convenience, it is possible to use the water vapor contained in the air by introducing it into the atmosphere. However, since it causes contamination, it is preferable to use an inert gas such as Ar bubbled in pure water. Is good. In addition to the hydroxyl group, examples of the hydrophilic group include groups having active hydrogen such as an amino group. In the case of an amino group, it can be treated by supplying ammonia gas for reaction. When the reaction is completed, the reactive gas is stopped, the vacuum exhaust is performed to remove the reactive gas, and when the vacuum degree of 10 -6 Torr or less is reached, the chemical adsorbent 16 is carried to the substrate surface in a vapor phase state. ,
A chemical reaction is caused to be adsorbed on the surface of the substrate. In the case of a chemical adsorbent with a high vapor pressure at room temperature, it is sufficient to carry the chemical adsorbent to the substrate surface using an inert gas such as dehydrated and dried carrier gas such as argon or nitrogen, but it is a liquid state at room temperature. In the case of an adsorbent, it is supplied as vapor by heating it above the boiling point, or an inert gas such as dehydrated and dried argon or nitrogen is used as a carrier gas and bubbled through a liquid chemical adsorbent. As a result, it is supplied onto the surface of the substrate in a vapor phase state. In any case, it is important to remove water extremely in order to prevent the chemical adsorbent 16 from reacting with water to form a polymer. In the case of a chemical adsorbent that is in a solid state at room temperature, it can be supplied as a molecular beam gas by putting it in a crucible and evaporating it by heating it to a temperature above its boiling point. CF 3 as a silane-based adsorbent that is the chemical adsorbent 16
When (CF 2 ) 7 (CH 2 ) 2 SiCl 3 is used, since it is in a liquid state at room temperature, it is placed in a sealed container and dehydrated and dried, and an inert gas such as argon or nitrogen is used as a carrier gas. Bubbling is carried out through a chlorosilane-based adsorbent in a hermetically sealed container, and this gas is carried by a thin pipe to the surface of the substrate and supplied. The chemical adsorbent 16 carried on the surface of the lower electrode 12 undergoes dehydrochlorination reaction between chlorine of the —SiCl group of the chlorosilane-based adsorbent and the hydroxyl group 15 on the surface of the lower electrode 12 by adsorption for about 10 to 30 minutes. Then, by hydrolyzing and dehydrating and condensing, the lower electrode 1
The siloxane bond shown in (Chemical formula 1) is generated over the entire surface of 2, and the chemisorption monomolecular film 17 is formed through this (FIG. 3).

【0023】[0023]

【化1】 [Chemical 1]

【0024】前記反応は気相中(主として減圧中)にて
行なわれるため、化学反応時に生成される水分子や塩化
水素分子が拡散により急速に基板表面から運び去られ、
吸着反応の鈍化や、残留塩化水素分子による素子作製後
の下部電極12の侵食という様な2次的な化学反応の発
生が防止できる。これは、気相中では、反応生成物の拡
散に障害となる熱運動分子の密度が液相中に比べて極端
に低いために、拡散が極めて速やかに行なわれるからで
あり、気相中での化学吸着での特徴である。化学吸着
は、活性水素のある親水性基が反応サイトとなっている
ため、吸着により活性水素がなくなると自動的に吸着反
応は終了し、化学吸着単分子膜17が得られる。化学吸
着膜17の分子密度は下部電極12の表面の親水性基の
密度に依存するため、下部電極12形成後の親水性化処
理は重要である。この後、化学吸着剤ガスの供給を止め
て、10-6Torr以下程度に排気して、化学吸着膜単
分子膜17上にファンデアワールス力により物理的に吸
着している余分の化学吸着剤を脱離・除去する。このと
き、真空排気しながら単分子吸着膜17が分解しない程
度の温度、例えば、200℃程度に基板11を加熱する
ことにより、脱離がより速く進行し効果的である。余分
な化学吸着剤の除去が完了すると、下部電極12上に
は、化学吸着単分子膜17のみが残る。化学吸着単分子
膜17の分子長が同じであるために均一な膜厚の障壁層
3が得られる。この化学吸着単分子膜17の膜厚は、分
子構造からおよそ15オングストロームである。この上
に、更に電子ビーム蒸着法等により厚さ150nmのN
b薄膜を形成して超伝導上部電極4を形成してジョセフ
ソン接合を形成する。なお、化学吸着単分子膜17は極
めて強固に化学結合しているので、全く剥離することが
なかった。また、下部電極12や上部電極4のダメージ
も全く見られなかった。このジョセフソン接合を従来の
微細加工技術により切り出して微小なジョセフソン素子
5を形成する。
Since the above reaction is carried out in the gas phase (mainly under reduced pressure), water molecules and hydrogen chloride molecules generated during the chemical reaction are rapidly carried away from the substrate surface by diffusion,
It is possible to prevent the occurrence of a secondary chemical reaction such as the slowing of the adsorption reaction and the erosion of the lower electrode 12 by the residual hydrogen chloride molecule after the device is manufactured. This is because, in the gas phase, the density of the heat-moving molecules, which hinder the diffusion of reaction products, is extremely lower than that in the liquid phase, so that the diffusion takes place very quickly. Is a characteristic of chemisorption. In the chemisorption, a hydrophilic group having active hydrogen is used as a reaction site. Therefore, when the active hydrogen disappears due to the adsorption, the adsorption reaction is automatically terminated and the chemisorption monomolecular film 17 is obtained. Since the molecular density of the chemisorption film 17 depends on the density of hydrophilic groups on the surface of the lower electrode 12, the hydrophilic treatment after forming the lower electrode 12 is important. After that, the supply of the chemical adsorbent gas is stopped, the gas is exhausted to about 10 −6 Torr or less, and the extra chemical adsorbent physically adsorbed on the chemical adsorption film monomolecular film 17 by the Van der Waals force. Is removed and removed. At this time, the desorption progresses faster and is effective by heating the substrate 11 to a temperature at which the monomolecular adsorption film 17 is not decomposed, for example, about 200 ° C. while vacuum evacuation. When the removal of the excess chemisorbent is completed, only the chemisorption monomolecular film 17 remains on the lower electrode 12. Since the chemical adsorption monomolecular film 17 has the same molecular length, the barrier layer 3 having a uniform film thickness can be obtained. The thickness of the chemisorption monomolecular film 17 is about 15 angstroms due to the molecular structure. On top of this, a 150 nm-thick N
b. A thin film is formed to form the superconducting upper electrode 4 to form a Josephson junction. Since the chemisorption monomolecular film 17 was extremely strongly chemically bonded, it was not peeled at all. Further, neither the lower electrode 12 nor the upper electrode 4 was damaged. This Josephson junction is cut out by a conventional fine processing technique to form a minute Josephson element 5.

【0025】次に、本第1の発明のジョセフソン素子に
おいて、障壁層3に化学吸着単分子累積膜を用いた実施
例を述べる。化学吸着剤を気相状態で下部電極表面に運
び、下部電極表面上に化学吸着させることは前記具体的
実施例1と同様であるが、化学吸着剤として複数の塩素
−珪素化学結合(−SiCln 3-n 基、n=1、2、
3、Xは官能基)を有する直鎖状炭素鎖を含む物質を用
い、脱水乾燥させたアルゴンや窒素等の不活性ガスをキ
ャリアガスとして用い、この液体中に通してバブリング
することにより、気相状態で下部電極表面まで運び、下
部電極表面に曝して化学吸着させる(吸着工程)。その
後、下部電極表面上に物理的に吸着した未反応の塩素−
珪素化学結合を含む物質を、再度真空排気して脱離、除
去する(除去工程)。それから、化学吸着した塩素−珪
素化学結合を含む物質の未反応の塩素−珪素化学結合
を、水蒸気を下部電極表面に導入して反応させるか、あ
るいは、水素ガスと酸素ガスを下部電極表面に導入して
紫外線を同時に照射して反応させてシラノール基を形成
して、単分子膜を製造する。この様な工程からなるもの
を単分子吸着膜形成工程と呼ぶことにする。単分子吸着
膜形成工程後には水酸基が表面に多数存在するため、単
分子吸着膜形成工程を複数回繰り返すことにより化学吸
着単分子膜を累積する(化学吸着膜形成工程)ことがで
きる。この様にしても単分子膜が形成できる。また、こ
の様に化学吸着単分子膜を形成した後、フッ化炭素を含
有するシラン系吸着剤を加熱するか、またはアルゴンや
窒素等の脱水乾燥した不活性ガスをキャリアガスとして
バブリングすることにより気相状態で前記化学吸着膜表
面に曝し、化学吸着膜のシラノール基と化学反応させて
シロキサン結合を形成し、化学吸着単分子膜を累積して
単分子膜を形成することが出来る。この様な方法を採用
すると、表面に露出した親水性基が少ない下部電極表面
の場合でも、フッ化炭素を含むシラン系吸着剤を高密度
に化学吸着することができるため好ましい。
Next, in the Josephson device of the first aspect of the present invention, an embodiment using a chemisorption monomolecular cumulative film for the barrier layer 3 will be described. Carrying the chemical adsorbent in the gas phase to the lower electrode surface and causing the chemical adsorption on the lower electrode surface is the same as in the specific example 1, but a plurality of chlorine-silicon chemical bonds (-SiCl) are used as the chemical adsorbent. n X 3-n group, n = 1, 2,
3, X is a substance containing a linear carbon chain having a functional group), and an inert gas such as dehydrated and dried argon or nitrogen is used as a carrier gas, and bubbling is performed by passing through this liquid. It is conveyed to the lower electrode surface in a phase state and exposed to the lower electrode surface for chemical adsorption (adsorption step). Then, unreacted chlorine physically adsorbed on the surface of the lower electrode
The substance containing the chemical bond of silicon is evacuated again to desorb and remove (removal step). Then, the unreacted chlorine-silicon chemical bond of the substance containing the chemically adsorbed chlorine-silicon chemical bond is reacted by introducing water vapor to the lower electrode surface or introducing hydrogen gas and oxygen gas to the lower electrode surface. Then, ultraviolet rays are simultaneously irradiated to react with each other to form a silanol group, thereby producing a monomolecular film. A process including such a process will be referred to as a monomolecular adsorption film forming process. Since a large number of hydroxyl groups are present on the surface after the monomolecular adsorption film forming step, the chemical adsorption monomolecular film can be accumulated by repeating the monomolecular adsorption film forming step a plurality of times (chemical adsorption film forming step). Even in this way, a monomolecular film can be formed. Further, after forming the chemisorption monomolecular film in this way, by heating a silane-based adsorbent containing carbon fluoride, or by bubbling with a dehydrated and dried inert gas such as argon or nitrogen as a carrier gas. It is possible to expose the surface of the chemical adsorption film in a gas phase, chemically react with silanol groups of the chemical adsorption film to form a siloxane bond, and accumulate the chemical adsorption monomolecular film to form a monomolecular film. It is preferable to employ such a method because a silane-based adsorbent containing fluorocarbon can be chemically adsorbed at a high density even when the surface of the lower electrode has few hydrophilic groups exposed on the surface.

【0026】この塩素−珪素化学結合を有する材料とし
ては、例えばSiCl4 、SiHCl3 、SiH2 Cl
2 、Cl−(SiCl2 O)n −SiCl3 、Hl (R
1 3-l Si(R2 n SiClm (R3 3-m 等が挙
げられ、一般にはCl−Si結合数が多い方がシラン系
吸着剤を高密度に化学吸着できるため好ましい。但し式
中nは整数、l及びmは1〜3の整数、R1 及びR3
低級アルキル基、R2は炭素数1以上のメチレン基であ
る。特に、塩素−珪素化学結合を含む物質としてSiC
4 を用いれば、分子が小さく水酸基に対する活性も大
きいので、下部電極表面を均一に親水性化する効果が大
きく好ましい。
As the material having this chlorine-silicon chemical bond,
For example, SiClFour, SiHCl3, SiH2Cl
2, Cl- (SiCl2O)n-SiCl3, Hl(R
1) 3-lSi (R2)nSiClm(R3)3-mEtc.
Generally, the one with more Cl-Si bonds is silane-based.
It is preferable since the adsorbent can be chemically adsorbed at a high density. However, the formula
Where n is an integer, l and m are integers of 1 to 3, R1And R3Is
Lower alkyl group, R2Is a methylene group having 1 or more carbon atoms
It In particular, SiC as a substance containing a chlorine-silicon chemical bond
lFourIs used, the molecule is small and the activity for hydroxyl groups is large.
The effect of making the surface of the lower electrode uniform and hydrophilic is great.
It's good.

【0027】実施例2 図4は本発明のジョセフソン素子の製造工程の他の実施
例を示す工程断面図である。基板11上に超伝導下部電
極12を形成し、反応性ガスを導入して、その表面に親
水性基として水酸基15を形成する。次に、反応性ガス
を止めて、再度10-6Torr程度に真空排気を行ない、化
学吸着剤として複数の塩素−珪素化学結合(−SiCl
n 3-n 基、n=1、2、3、Xは官能基)を有する直
鎖状炭素鎖を含む物質、特にトリクロロシリル基を含む
物質26としてSiCl4 を用い、密封容器中に入れ
て、キャリアガスである脱水乾燥させたアルゴンあるい
は窒素等の不活性ガスを、密封容器中のSiCl4 中に
通してバブリングを行い、このガスを細いパイプにて下
部電極表面上まで運び約10分程度供給し、吸着反応を
起こさせる。図4に示したように下部電極12表面に形
成された親水性の水酸基15とトリクロロシリル基を含
む物質26の塩素原子とで脱塩酸反応を生じ、トリクロ
ロシリル基を含む物質26のクロロシリル単分子膜27
が形成される。このようにトリクロロシリル基を含む物
質26としてSiCl4 を用いれば、下部電極12表面
に少量のOH基15しか存在していなくとも、下部電極
12表面で脱塩酸反応が生じ(化2及び/または化3)
のように分子が−SiO−結合を介して表面に固定され
る。なお、この時、一般には未反応のSiCl4 もクロ
ロシリル単分子膜上に物理吸着により存在するため、そ
の後、再度真空排気して未反応のSiCl4 を脱離、除
去する。この際に於ける基板加熱も効果的である。
Embodiment 2 FIG. 4 is a process sectional view showing another embodiment of the manufacturing process of the Josephson device of the present invention. The superconducting lower electrode 12 is formed on the substrate 11, a reactive gas is introduced, and a hydroxyl group 15 is formed as a hydrophilic group on the surface thereof. Then, the reactive gas was stopped, and the chamber was evacuated again to about 10 -6 Torr to obtain a plurality of chlorine-silicon chemical bonds (-SiCl) as a chemical adsorbent.
nX 3−n group, n = 1, 2, 3 and X is a functional group) A substance containing a linear carbon chain, in particular, SiCl 4 is used as the substance 26 containing a trichlorosilyl group and placed in a sealed container. Then, a carrier gas, such as dehydrated and dried inert gas such as argon or nitrogen, is passed through SiCl 4 in a sealed container for bubbling, and this gas is carried to the lower electrode surface by a thin pipe for about 10 minutes. To the extent that the adsorption reaction occurs. As shown in FIG. 4, a dehydrochlorination reaction occurs between the hydrophilic hydroxyl group 15 formed on the surface of the lower electrode 12 and the chlorine atom of the substance 26 containing a trichlorosilyl group, and a chlorosilyl monomolecule of the substance 26 containing a trichlorosilyl group. Membrane 27
Is formed. Thus, when SiCl 4 is used as the substance 26 containing a trichlorosilyl group, a dehydrochlorination reaction occurs on the surface of the lower electrode 12 even if only a small amount of OH groups 15 are present on the surface of the lower electrode 12 (Chemical Formula 2 and / or Chemical 3)
The molecule is fixed to the surface via the -SiO- bond as in. At this time, in general, unreacted SiCl 4 is also present on the chlorosilyl monomolecular film by physical adsorption, and therefore, the unreacted SiCl 4 is desorbed and removed by evacuation again. Substrate heating at this time is also effective.

【0028】[0028]

【化2】 [Chemical 2]

【0029】[0029]

【化3】 [Chemical 3]

【0030】次に、化学吸着したクロロシリル単分子膜
27の未反応の塩素−珪素化学結合を、水蒸気を下部電
極表面に導入して反応させるか、あるいは、水素ガスと
酸素ガスを下部電極表面に導入するとともに紫外線を照
射して反応させてシラノール基を形成し、図5に示した
ように下部電極12表面に(化4及び/または化5)等
のシロキサン単分子膜28が得られる。
Next, the unreacted chlorine-silicon chemical bond of the chemically adsorbed chlorosilyl monomolecular film 27 is introduced into the lower electrode surface to react with it, or hydrogen gas and oxygen gas are introduced to the lower electrode surface. While being introduced and irradiated with ultraviolet rays to react with each other to form a silanol group, a siloxane monomolecular film 28 of (Chemical Formula 4 and / or Chemical Formula 5) is obtained on the surface of the lower electrode 12 as shown in FIG.

【0031】[0031]

【化4】 [Chemical 4]

【0032】[0032]

【化5】 [Chemical 5]

【0033】なお、このときできたシロキサン単分子膜
28は、下部電極12表面と−Si−O−の化学結合を
介して完全に結合されているので剥がれることが無い。
また、得られたシロキサン単分子膜28は、表面にSi
−OH結合を数多く持ち、当初の水酸基のおよそ3倍程
度の数が生成される。
Since the siloxane monomolecular film 28 formed at this time is completely bonded to the surface of the lower electrode 12 through the chemical bond of -Si-O-, it does not peel off.
In addition, the obtained siloxane monomolecular film 28 has Si on the surface.
It has a large number of —OH bonds, and about three times the number of initial hydroxyl groups is generated.

【0034】次に、実施例1で述べたクロルシラン系吸
着剤CF3 (CF2 7 (CH2 2 SiCl3 を用い
て化学吸着を行なう。実施例1と同様に脱水乾燥させた
アルゴンあるいは窒素等の不活性ガスをキャリアガスと
し、密封容器中のクロルシラン系吸着剤中に通してバブ
リングを行い、このガスを細いパイプにて、表面にシロ
キサン単分子膜28の形成された基板11まで運び、1
0〜30分程曝して化学吸着を行なう。次いで前記吸着
剤ガスの供給を停止し、系内雰囲気をN2 ガスなどの不
活性ガスと置換し、次いで水蒸気を供給して加水分解
し、しかる後脱水縮合させることにより、シロキサン単
分子膜28表面に(化6)の結合が生成され、図6に示
したようにフッ素を含む化学吸着単分子膜29が、下層
のシロキサン単分子膜28aと化学結合した状態で下部
電極12表面全面に亘りおよそ20オングストロームの
膜厚で単分子膜が形成できる。
Next, the chlorosilane-based absorber described in Example 1 was used.
Adhesive CF3(CF2)7(CH2) 2SiCl3Using
Chemical adsorption. It was dehydrated and dried in the same manner as in Example 1.
Inert gas such as argon or nitrogen is used as carrier gas
Then, pass it through a chlorosilane-based
Ring the gas, and use a thin pipe to scan this gas on the surface.
Carry to the substrate 11 on which the xanthane monolayer 28 is formed, 1
It is exposed for 0 to 30 minutes to perform chemisorption. Then the adsorption
The supply of agent gas is stopped and the system atmosphere is changed to N2Such as gas
Hydrolysis by replacing with active gas and then supplying steam
Then, by dehydration condensation, the siloxane unit
A bond of (Chemical Formula 6) is generated on the surface of the molecular film 28, which is shown in FIG.
As described above, the chemisorption monomolecular film 29 containing fluorine is formed in the lower layer.
Lower part in a state of being chemically bonded to the siloxane monomolecular film 28a of
Approximately 20 angstroms over the entire surface of the electrode 12
A monomolecular film can be formed with a film thickness.

【0035】[0035]

【化6】 [Chemical 6]

【0036】なお、化学吸着単分子膜は剥離試験を行な
っても全く剥離することがなかった。その後、実施例1
と同様に超伝導上部電極4を形成してジョセフソン接合
を形成し、微細加工を行なってジョセフソン素子を形成
する。得られた特性はリーク電流が少なく、実施例1と
同程度もしくは、それ以上の特性が得られた。これは、
化学吸着単分子膜29の膜厚が若干厚いことと、密度が
高いことによるものと考えられる。
The chemisorption monomolecular film was not peeled at all even after the peeling test. Then, Example 1
Similarly to the above, the superconducting upper electrode 4 is formed to form a Josephson junction, and fine processing is performed to form a Josephson element. The obtained characteristics were small in leak current, and were equal to or higher than those in Example 1. this is,
It is considered that this is due to the fact that the chemisorption monomolecular film 29 is slightly thick and has a high density.

【0037】なお、実施例1では単分子膜1層の場合
を、実施例2ではシロキサン単分子膜1層を形成した上
にフッ素を含むシラン系吸着剤層を1層累積した場合を
示したが、本発明のジョセフソン素子の障壁層3の材料
である化学吸着単分子膜は1層に限らず多層に累積して
もその効果は変化するものではない。吸着する単分子の
鎖長を適当に選ぶことによるか、または、累積すること
により、所望の均一な膜厚の単分子膜が得られること
は、利用価値が極めて高い。
The example 1 shows the case of one monolayer film, and the example 2 shows the case of forming one layer of the siloxane monolayer film and accumulating one layer of the silane-based adsorbent layer containing fluorine. However, the effect of the chemisorption monomolecular film, which is the material of the barrier layer 3 of the Josephson device of the present invention, does not change even if it is accumulated not only in one layer but in multiple layers. It is extremely useful that a monomolecular film having a desired uniform film thickness can be obtained by appropriately selecting the chain length of the adsorbed monomolecule or by accumulating the chains.

【0038】更にまた上記実施例では含フッ化炭素クロ
ルシラン系吸着剤として、CF3 (CF2 7 (C
2 2 SiCl3 を用いたが、CF3 −(CF2 p
−(R) m −SiCln 3-n で表わされるクロルシラ
ン系吸着剤のRの部分に例えばビニレン基(−CH=C
H−)を付加したり組み込んで置けば、単分子膜形成後
5メガラド程度の電子線照射で架橋できるので、さらに
単分子膜の硬度を向上させることも可能である。
Furthermore, in the above embodiment, fluorocarbon black is used.
CF as a rusilane-based adsorbent3(CF2)7(C
H2)2SiCl3Was used, but CF3-(CF2)p
-(R) m-SiClnX3-nChlorcilla represented by
For example, vinylene group (-CH = C
H-) can be added or incorporated to form a monomolecular film.
Because it can be cross-linked by electron beam irradiation of about 5 megarads,
It is also possible to improve the hardness of the monomolecular film.

【0039】なお、フッ化炭素系吸着剤として上記のも
の以外にもCF3 CH2 O(CH215SiCl3 、C
3 (CH2 2 Si(CH3 2 (CH2 15SiC
3、F(CF2 4 (CH2 2 Si(CH3
2 (CH2 9 SiCl3 、CF 3 COO)(CH2
15SiCl3 、CF3 (CF2 5 (CH2 2 SiC
3 等のトリクロルシラン系吸着剤を始め、例えばCF
3 CH2 O(CH2 15Si(CH3 2 Cl、CF3
(CH2 2 Si(CH3 2 (CH2 15Si(CH
3 2 Cl、CF3 CH2 O(CH2 15Si(C
3 )Cl2 、CF3 COO(CH2 15Si(C
3 2 Cl等のクロルシラン系吸着剤が利用できた。
またCF3 (CF2 7 (CH2 2 Si(OCH3
3 、CF3 CH2 O(CH2 15Si(OCH3 3
のアルコキシシラン系吸着剤も、吸着剤溶液を加熱する
ことにより同様の効果が得られた。CH3 (CH2 9
SiCl3 、CH3 (CH2 15SiCl3 、CH3
2 O(CH2 15SiCl3 、CH3(CH2 2
i(CH3 2 (CH2 15SiCl3 等の炭化水素基
を有するクロルシラン系吸着剤でも、同様に、気相雰囲
気中で化学吸着単分子膜が形成できる。次に、本発明の
ジョセフソン素子の製造方法について説明する。図7に
製造工程断面図を示す。下部電極12表面に親水性基を
形成することまでは、前記具体的実施例1及び2と同様
である。しかし、この場合には、一端に複数の塩素−珪
素化学結合(−SiCln 3-n 基、n=2または3、
Xは官能基)を有する直鎖状炭素鎖を含むクロルシラン
系吸着剤を化学吸着剤として用いる。具体的には、CF
3 (CF2 7 (CH2 2 SiCl3 等を用いる。約
30分程吸着を行なった後、10-6Torr以下程度に
真空排気を行なって、化学吸着されなかった化学吸着剤
を下部電極表面から脱離・除去する。この脱離除去時の
基板加熱は前記具体的実施例にある通り有効な方法であ
るが、無くてもよい。脱離・除去が完了した後、下部電
極12表面上には、クロロシラン系吸着剤がシロキサン
結合18により化学吸着した吸着単分子膜31が形成さ
れる。しかし、吸着単分子膜31には、一般に、金属原
子が通り抜ける程度のピンホール32が若干存在し、上
部超伝導電極4を蒸着等により形成すると、下部電極1
2とマイクロブリッジ状に接続されて、リーク電流の多
い素子や、弱結合型特性を示す素子などが出現し、ジョ
セフソン特性の劣化や、特性ばらつきの原因となる。こ
れは、下部電極12の表面上に形成された水酸基の密度
が充分に高くない場合に起こる。本発明者等は、この様
な小さなピンホールを無くすために化学吸着過程を見直
して、新たに、この問題を克服する有効な方法を見出し
たのである。前述のように一端に複数の塩素−珪素化学
結合(−SiCln 3-n 基、n=2または3、Xは官
能基)を有する直鎖状炭素鎖を含むクロルシラン系吸着
剤を化学吸着剤として用いるので、下部電極12に化学
吸着した吸着単分子膜31には、未反応の塩素−珪素化
学結合が1つ以上存在することになるので、これに酸素
と水素の混合ガスである反応性ガスを導入して紫外線を
照射して反応させて、シラノール基を形成する(図
8)。これにより、化学吸着分子1個当りに付き、新た
に吸着サイトである水酸基33が1個以上(図8の場合
には2個)増えることになる(親水性化処理)。あるい
は、隣接する吸着単分子が接近している場合には、吸着
単分子同士がシロキサン結合により結合される。このよ
うにして、吸着単分子膜34が形成される。その後、反
応性ガスを除去し、同じ化学吸着剤を用いて再度、気相
中にて化学吸着を行なう。化学吸着は、反応サイトであ
る水酸基の存在するところにのみ選択的に起こるため、
すでに吸着している単分子膜の上には水酸基が存在しな
いので、この上には累積吸着は起こらない。一方、吸着
単分子膜のピンホール32の周囲には、前述の親水性化
処理により下部電極12に隣接した部分に水酸基33が
露出しているために、直鎖状化学吸着剤がピンホール3
2の部分に浸入してこの水酸基33と化学結合し吸着さ
れ、化学吸着単分子膜35を形成する(図9)。これに
より、ピンホール数が低下する。この親水性化処理と再
吸着の工程を繰り返すことにより、吸着分子密度が上昇
し、それにともなってピンホール数が低下する。吸着分
子密度はピンホールがなくなった時点で飽和する。他
方、再吸着過程により追加吸着された単分子36の下部
電極12表面からの高さは、最初に吸着された単分子膜
37より数オングストローム程度高いだけに過ぎず、そ
のジョセフソン素子の特性のばらつきに与える影響は軽
微である。この様に製造することにより、単分子吸着膜
の分子密度が高く、ピンホールの少ない優秀な障壁層
が、容易に形成でき、特性のばらつきの少ないジョセフ
ソン素子を製造できるため、その効果は、極めて大き
い。
The above-mentioned fluorocarbon-based adsorbent is also used.
CF besides3CH2O (CH2)15SiCl3, C
F3(CH2)2Si (CH3)2(CH2)15SiC
l3, F (CF2)Four(CH2)2Si (CH3)
2(CH2)9SiCl3, CF 3COO) (CH2)
15SiCl3, CF3(CF2)Five(CH2)2SiC
l 3Such as trichlorosilane-based adsorbents such as CF
3CH2O (CH2)15Si (CH3)2Cl, CF3
(CH2)2Si (CH3)2(CH2)15Si (CH
3)2Cl, CF3CH2O (CH2)15Si (C
H3) Cl2, CF3COO (CH2)15Si (C
H3)2A chlorosilane-based adsorbent such as Cl was available.
Also CF3(CF2)7(CH2)2Si (OCH3)
3, CF3CH2O (CH2)15Si (OCH3)3etc
Alkoxysilane-based adsorbent also heats the adsorbent solution
As a result, the same effect was obtained. CH3(CH2)9
SiCl3, CH3(CH2)15SiCl3, CH3C
H2O (CH2)15SiCl3, CH3(CH2)2S
i (CH3)2(CH2)15SiCl3Hydrocarbon groups such as
Similarly, with a chlorosilane-based adsorbent having
A chemisorption monolayer can be formed in the air. Next, the present invention
A method of manufacturing the Josephson device will be described. In Figure 7
The manufacturing process sectional drawing is shown. Hydrophilic groups on the surface of the lower electrode 12
Until the formation, it is the same as the concrete examples 1 and 2 described above.
Is. However, in this case, multiple chlorine-silica
Elementary chemical bond (-SiClnX3-nGroup, n = 2 or 3,
X is a chlorosilane containing a linear carbon chain having a functional group)
A system adsorbent is used as a chemical adsorbent. Specifically, CF
3(CF2)7(CH2)2SiCl3Etc. are used. about
After adsorption for about 30 minutes, 10-6Below Torr
Chemical adsorbent that was not chemically adsorbed after evacuation
Is removed from the surface of the lower electrode. When removing this desorption
Substrate heating is an effective method as described in the above specific examples.
You don't have to. After desorption / removal is completed,
Chlorosilane adsorbent is siloxane on the surface of electrode 12.
The adsorbed monolayer 31 chemically adsorbed by the bond 18 is formed.
Be done. However, the adsorbed monolayer 31 generally has a metal raw material.
There are some pinholes 32 that allow the child to pass through.
When the superconducting electrode 4 is formed by vapor deposition or the like, the lower electrode 1
2 connected in a micro-bridge shape,
New devices, devices with weak coupling characteristics, etc.
This causes deterioration of the Sefson characteristics and variation in the characteristics. This
This is the density of hydroxyl groups formed on the surface of the lower electrode 12.
Occurs when is not high enough. The present inventors
Review chemisorption process to eliminate small pinholes
And find a new, effective way to overcome this problem
It was. As previously mentioned, multiple chlorine-silicon chemistries at one end
Bond (-SiClnX3-nGroup, n = 2 or 3, X is a government
Adsorption of chlorosilanes containing linear carbon chains with functional groups)
Since the agent is used as a chemical adsorbent, the lower electrode 12 is chemically
The unreacted chlorine-silicidation is formed on the adsorbed adsorption monolayer 31.
There will be more than one scientific bond, so oxygen
UV rays are introduced by introducing a reactive gas that is a mixed gas of hydrogen and hydrogen.
Irradiate and react to form silanol groups (Fig.
8). As a result, a new
1 or more hydroxyl groups 33, which are adsorption sites, (in the case of FIG. 8)
2) will be added (hydrophilization treatment). There
Is adsorbed when adjacent adsorbed single molecules are close to each other.
Single molecules are bound to each other by a siloxane bond. This
Thus, the adsorption monomolecular film 34 is formed. Then anti
Remove the reactive gas and use the same chemisorbent again to vapor phase
Chemisorption is performed inside. Chemisorption is a reaction site
Occurs selectively only where hydroxyl groups are present,
There are no hydroxyl groups on the already adsorbed monolayer.
Therefore, cumulative adsorption does not occur on this. On the other hand, adsorption
Around the pinhole 32 of the monomolecular film, the above-mentioned hydrophilic property is provided.
By the treatment, hydroxyl group 33 is formed in the portion adjacent to the lower electrode 12.
Because it is exposed, the linear chemical adsorbent has a pinhole 3
It penetrates into the area of 2 and chemically bonds with this hydroxyl group 33 and is absorbed.
Thus, the chemisorption monomolecular film 35 is formed (FIG. 9). to this
As a result, the number of pinholes decreases. This hydrophilic treatment and re-treatment
By repeating the adsorption process, the density of adsorbed molecules increases
However, the number of pinholes decreases accordingly. Adsorption
The child density saturates when the pinhole disappears. other
The lower part of the single molecule 36 additionally adsorbed by the re-adsorption process
The height from the surface of the electrode 12 is the monolayer first adsorbed
It is only a few angstroms higher than 37,
The influence on the dispersion of the characteristics of the Josephson device is light.
It is fine. By manufacturing in this way, monomolecular adsorption film
Excellent barrier layer with high molecular density and few pinholes
However, Joseph can be easily formed and has less variation in characteristics.
Since the device can be manufactured, its effect is extremely large.
Yes.

【0040】また、下部電極12形成後の親水性化処理
後に、具体的実施例2に述べたような両端にシロキサン
結合や、シロキサン結合が可能な活性水酸基を有する単
分子膜を、それのみ、または、累積して形成した後、反
応性ガスにより親水性化処理を行なって、化学吸着を行
なっても、上記とほぼ同様な効果が期待できる。この場
合には、吸着ガスが複数系統必要となり、製造装置が複
雑となるが、障壁層の膜厚を数オングストローム単位で
調節が可能である点に特徴がある。
After the hydrophilic treatment after forming the lower electrode 12, a monomolecular film having a siloxane bond at both ends and an active hydroxyl group capable of forming a siloxane bond, as described in Specific Example 2, was used alone. Alternatively, even after cumulative formation, the same effect as above can be expected even if hydrophilic treatment is performed with a reactive gas and chemical adsorption is performed. In this case, a plurality of adsorbed gases are required, which complicates the manufacturing apparatus, but is characterized in that the film thickness of the barrier layer can be adjusted in units of several angstroms.

【0041】図10には、作成したジョセフソン素子の
電流電圧特性の一例を示す。同図に見られるように良好
なトンネル接合ジョセフソン素子の特性が得られてい
る。室温−液体ヘリウム温度の温度サイクルを繰り返し
ても安定であり、特性に変化はみられていない。
FIG. 10 shows an example of current-voltage characteristics of the created Josephson element. As shown in the figure, good tunnel junction Josephson device characteristics are obtained. It is stable even after repeated temperature cycles from room temperature to liquid helium temperature, and there is no change in its characteristics.

【0042】なお、本実施例の説明に於いて、超伝導材
料にNbを用いたが、別にこれに限るものではなく、例
えば、NbN等の化合物超伝導体を用いても良いことは
明らかである。また、超伝導下部電極には、Y−Ba−
Cu−O系や、Bi−Sr−Ca−Cu−O系、Bi−
Pb−Sr−Ca−Cu−O系、またはTl−Ca−B
a−Cu−O系等の酸化物高温超伝導体を用いることも
可能である。また、超伝導電極の形成方法に電子ビーム
蒸着法のみを記載したが、これに限るものではなく、他
に、スパッタ法、抵抗加熱蒸着法、イオンビームスパッ
タ法、反応性蒸着法、レーザーアブレーション法等の方
法が可能であるのは言うまでもない。
In the description of this embodiment, Nb was used as the superconducting material, but it is not limited to this and it is clear that a compound superconductor such as NbN may be used. is there. In addition, the superconducting lower electrode has a Y-Ba-
Cu-O system, Bi-Sr-Ca-Cu-O system, Bi-
Pb-Sr-Ca-Cu-O system, or Tl-Ca-B
It is also possible to use an oxide high temperature superconductor such as an a-Cu-O system. Further, although only the electron beam evaporation method has been described as the method for forming the superconducting electrode, the method is not limited to this, and other methods such as sputtering method, resistance heating evaporation method, ion beam sputtering method, reactive evaporation method, laser ablation method are also available. It goes without saying that such a method is possible.

【0043】[0043]

【発明の効果】以上説明した通り本発明のジョセフソン
素子においては、超伝導電極と化学結合した化学吸着単
分子膜を障壁層に用いるため、機械的に安定であり、ま
た、化学吸着単分子膜の厚みが揃っているために、特性
の揃った数ナノメーター程度の障壁層が実現でき、臨界
電流密度の高い、特性の揃った、再現性に富むジョセフ
ソン素子が実現できる。
As described above, in the Josephson device of the present invention, since the chemisorption monomolecular film chemically bonded to the superconducting electrode is used for the barrier layer, it is mechanically stable and the chemisorption monomolecule is formed. Since the film thickness is uniform, a barrier layer of several nanometers with uniform characteristics can be realized, and a Josephson device with high critical current density, uniform characteristics and rich reproducibility can be realized.

【0044】また、本発明のジョセフソン素子の製造方
法では、一端のみに反応性の高い塩素−珪素化学結合を
2つ以上有する直鎖状炭素鎖を含む分子を用いて吸着を
行なった後、未反応の塩素−珪素化学結合を水酸基に置
換して吸着サイト数を増やすために、高密度に化学吸着
膜を形成でき、ピンホールフリーな障壁層を製造するこ
とが可能である。従って、トンネル接合型特性を有する
ジョセフソン素子を、ばらつき少なく、かつ、高歩留ま
りで、容易に製造できるため、その経済的効果は極めて
大きい。更に、気相雰囲気中にて化学吸着反応を起こさ
せるため、コンタミの少ない化学吸着膜が得られ、同一
真空容器中にて超伝導電極をも連続形成するため、コン
タミ混入の低減の効果が大きく、界面制御が容易であ
る。
In the Josephson device manufacturing method of the present invention, after adsorption is performed using a molecule containing a linear carbon chain having two or more highly reactive chlorine-silicon chemical bonds only at one end, Since the unreacted chlorine-silicon chemical bond is replaced with a hydroxyl group to increase the number of adsorption sites, a chemical adsorption film can be formed at a high density and a pinhole-free barrier layer can be manufactured. Therefore, the Josephson device having the tunnel junction type characteristic can be easily manufactured with a small variation and a high yield, so that the economical effect thereof is extremely large. Further, since the chemical adsorption reaction is caused in the gas phase atmosphere, a chemical adsorption film with less contamination can be obtained, and since the superconducting electrode is continuously formed in the same vacuum container, the effect of reducing contamination is great. , Interface control is easy.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明のジョセフソン素子の第1の実施例を示
す断面構造図である。
FIG. 1 is a sectional structural view showing a first embodiment of a Josephson element of the present invention.

【図2】本発明のジョセフソン素子の第1の実施例に於
ける製造方法を示す基板表面を分子レベルまで拡大した
断面工程概念図である。
FIG. 2 is a sectional process conceptual diagram in which a substrate surface is enlarged to a molecular level, showing a manufacturing method in a first embodiment of a Josephson device of the present invention.

【図3】本発明のジョセフソン素子の第1の実施例に於
ける製造方法を示す基板表面を分子レベルまで拡大した
断面工程概念図である。
FIG. 3 is a sectional process conceptual diagram in which a substrate surface is enlarged to a molecular level, showing a manufacturing method of a Josephson device according to a first embodiment of the present invention.

【図4】本発明のジョセフソン素子の第2の実施例に於
ける製造方法を示す基板表面を分子レベルまで拡大した
断面工程概念図である。
FIG. 4 is a sectional process conceptual diagram in which the substrate surface is enlarged to a molecular level, showing a manufacturing method of a Josephson device according to a second embodiment of the present invention.

【図5】本発明のジョセフソン素子の第2の実施例に於
ける製造方法を示す基板表面を分子レベルまで拡大した
断面工程概念図である。
FIG. 5 is a conceptual sectional process diagram in which a substrate surface is enlarged to a molecular level, showing a method for manufacturing a Josephson device according to a second embodiment of the present invention.

【図6】本発明のジョセフソン素子の製造方法を示す一
実施例に於ける基板表面を分子レベルまで拡大した断面
工程概念図である。
FIG. 6 is a conceptual cross-sectional process diagram in which the substrate surface is enlarged to the molecular level in one example showing the method for manufacturing the Josephson device of the present invention.

【図7】本発明のジョセフソン素子の製造方法を示す一
実施例に於ける基板表面を分子レベルまで拡大した断面
工程概念図である。
FIG. 7 is a conceptual cross-sectional process diagram in which the substrate surface is enlarged to the molecular level in one example showing the method for manufacturing the Josephson device of the present invention.

【図8】本発明のジョセフソン素子の製造方法を示す一
実施例に於ける基板表面を分子レベルまで拡大した断面
工程概念図である。
FIG. 8 is a conceptual cross-sectional process diagram in which the substrate surface is enlarged to the molecular level in one example showing the method for manufacturing the Josephson device of the present invention.

【図9】本発明のジョセフソン素子の製造方法を示す一
実施例に於ける基板表面を分子レベルまで拡大した断面
工程概念図である。
FIG. 9 is a sectional process conceptual diagram in which the substrate surface is enlarged to the molecular level in one example showing the method for manufacturing the Josephson device of the present invention.

【図10】本発明のジョセフソン素子の一実施例に於け
る電流・電圧特性図である。
FIG. 10 is a current / voltage characteristic diagram in an embodiment of the Josephson device of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1、11 基板 2、12 下部電極 3 障壁層 4 上部電極 5 ジョセフソン素子 15、33 水酸基 16 化学吸着剤 17、29、35 化学吸着単分子膜 18 シロキサン結合 26 トリクロロシリル基を含む物質 27 クロロシリル単分子膜 28、28a シロキサン単分子膜 31、34 吸着単分子膜 32 ピンホール 1, 11 Substrate 2, 12 Lower electrode 3 Barrier layer 4 Upper electrode 5 Josephson element 15, 33 Hydroxyl group 16 Chemical adsorbent 17, 29, 35 Chemisorbed monolayer 18 Siloxane bond 26 Substance containing trichlorosilyl group 27 Chlorosilyl monolayer Molecular film 28, 28a Siloxane monomolecular film 31, 34 Adsorption monomolecular film 32 Pinhole

Claims (9)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 超伝導体からなる上部電極、および下部
電極と、両者を隔てる障壁層とを含むジョセフソン素子
であって、前記障壁層が撥水性基および珪素を含む直鎖
状炭素鎖で形成される化学吸着膜であり、かつ前記上部
電極または前記下部電極の対向する少なくともいずれか
の表面に、前記化学吸着膜が共有結合により固定されて
いることを特徴とするジョセフソン素子。
1. A Josephson device including an upper electrode and a lower electrode made of a superconductor, and a barrier layer separating the two, wherein the barrier layer is a linear carbon chain containing a water-repellent group and silicon. A Josephson device, which is a chemical adsorption film to be formed, wherein the chemical adsorption film is fixed by a covalent bond to at least one surface of the upper electrode or the lower electrode facing each other.
【請求項2】 共有結合が、シロキサン結合である請求
項1に記載のジョセフソン素子。
2. The Josephson device according to claim 1, wherein the covalent bond is a siloxane bond.
【請求項3】 化学吸着膜が、少なくともシロキサン系
内層膜を介して表面に共有結合されている請求項1に記
載のジョセフソン素子。
3. The Josephson device according to claim 1, wherein the chemisorption film is covalently bonded to the surface through at least the siloxane-based inner layer film.
【請求項4】 撥水性基が、含フッ素炭化水素基である
請求項1に記載のジョセフソン素子。
4. The Josephson device according to claim 1, wherein the water-repellent group is a fluorine-containing hydrocarbon group.
【請求項5】 超伝導体からなる上部電極、および下部
電極と、両者を隔てる障壁層とを含むジョセフソン素子
の製造方法であって、基板上に下部電極を形成後、反応
性ガスを導入して前記下部電極表面に親水性基を形成し
た後、またはシロキサン系化学吸着内層膜を形成して反
応性ガスにより親水性基を形成した後、前記反応性ガス
を除去し、一端に塩素−珪素化学結合(−SiCln
3-n 基、n=2または3、Xは官能基)を有する直鎖状
炭素鎖を含むクロルシラン系吸着剤ガスを前記下部電極
表面に導入して吸着反応させ、化学吸着前駆体膜を形成
した後、未反応クロルシラン系吸着剤ガスを除去し、次
いで反応性ガスを導入して前記化学吸着前駆体膜の未反
応の塩素−珪素化学結合と反応させてシラノール基とし
化学吸着膜を形成することを特徴とするジョセフソン素
子の製造方法。
5. A method of manufacturing a Josephson device including an upper electrode made of a superconductor, a lower electrode, and a barrier layer separating the two, wherein a reactive gas is introduced after the lower electrode is formed on a substrate. Then, after forming a hydrophilic group on the surface of the lower electrode, or after forming a siloxane-based chemisorption inner layer film to form a hydrophilic group with a reactive gas, the reactive gas is removed and chlorine is added to one end. Chemical bond of silicon (-SiCl n X
A chlorosilane-based adsorbent gas containing a linear carbon chain having a 3-n group, n = 2 or 3, and X is a functional group) is introduced on the surface of the lower electrode to cause an adsorption reaction to form a chemisorption precursor film. After that, the unreacted chlorosilane-based adsorbent gas is removed, and then a reactive gas is introduced to react with the unreacted chlorine-silicon chemical bond of the chemisorption precursor film to form a silanol group to form a chemisorption film. A method of manufacturing a Josephson device, characterized by the above.
【請求項6】 化学吸着膜を形成する工程を、少なくと
も2回以上行なう請求項5に記載のジョセフソン素子の
製造方法。
6. The method for manufacturing a Josephson device according to claim 5, wherein the step of forming the chemisorption film is performed at least twice.
【請求項7】 反応性ガスとして水蒸気を用いる請求項
5に記載のジョセフソン素子の製造方法。
7. The method of manufacturing a Josephson device according to claim 5, wherein water vapor is used as the reactive gas.
【請求項8】 反応性ガスとして水素と酸素を用い、前
記反応性ガスの導入と同時に基板表面に紫外線を照射し
て下部電極表面に親水性基を形成するか、または化学吸
着前駆体膜の未反応の塩素−珪素化学結合と反応させて
シラノール基を形成する請求項5に記載のジョセフソン
素子の製造方法。
8. Hydrogen and oxygen are used as the reactive gas, and at the same time when the reactive gas is introduced, the substrate surface is irradiated with ultraviolet rays to form a hydrophilic group on the surface of the lower electrode, or a chemical adsorption precursor film is formed. The method for producing a Josephson device according to claim 5, wherein a silanol group is formed by reacting with an unreacted chlorine-silicon chemical bond.
【請求項9】 クロルシラン系吸着剤が、CF3 −(C
2 p −(R)m −SiCln 3-n (pは0または
整数、mは0または1、Rは炭素数1以上のメチレン
基、含ビニレン基の炭素数1以上のメチレン基、含シリ
コン原子の炭素数1以上のメチレン基または含酸素原子
の炭素数1以上のメチレン基の何れか、Xは水素原子、
低級アルキル基または低級アルコキシ基、nは2または
3)である請求項5に記載のジョセフソン素子の製造方
法。
9. The chlorosilane-based adsorbent is CF 3- (C
F 2 ) p- (R) m -SiCl n X 3-n (p is 0 or an integer, m is 0 or 1, R is a methylene group having 1 or more carbon atoms, and a methylene group having 1 or more carbon atoms of a vinylene-containing group. , Either a methylene group having 1 or more carbon atoms of a silicon-containing atom or a methylene group having 1 or more carbon atoms of an oxygen-containing atom, X is a hydrogen atom,
The method for producing a Josephson device according to claim 5, wherein a lower alkyl group or a lower alkoxy group and n is 2 or 3).
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2007333285A (en) * 2006-06-14 2007-12-27 Sumitomo Heavy Ind Ltd Cooling storage type cryogenic device

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JP2007333285A (en) * 2006-06-14 2007-12-27 Sumitomo Heavy Ind Ltd Cooling storage type cryogenic device

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