JPH0575191B2 - - Google Patents

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JPH0575191B2
JPH0575191B2 JP61286359A JP28635986A JPH0575191B2 JP H0575191 B2 JPH0575191 B2 JP H0575191B2 JP 61286359 A JP61286359 A JP 61286359A JP 28635986 A JP28635986 A JP 28635986A JP H0575191 B2 JPH0575191 B2 JP H0575191B2
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JP
Japan
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thin film
niobium carbonitride
present
niobium
partial pressure
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JP61286359A
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Masahiro Aoyanagi
Akira Shoji
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National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
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Agency of Industrial Science and Technology
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Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は、ジヨセフソン集積回路の超伝導電極
材料として用いられる炭化窒化ニオブ薄膜の作製
方法に関し、特に基板を加熱せずに高超伝導臨界
温度、低比抵抗、および低磁場侵入長を有する炭
化窒化ニオブ薄膜の作製方法に関するものであ
る。
[従来の技術] ジヨセフソン素子は、超伝導電子対のトンネル
を基本にするために動作速度がきわめて速いため
に、デバイスとして応用され始めている。
ジヨセフソン素子のうち、トンネル接合形、薄
膜ブリツジ形には、超伝導体の薄膜が用いられ
る。この超伝導体にはPb、Sn、In、Al、Nb、
Ta、Nb3Al、Nb3Sn、NbN、V3Siなどが一般に
知られている。このような超伝導体の薄膜の中
で、NbN薄膜は、高い超伝導臨界温度、高い第
2臨界磁束密度を有し、機械的に硬い材料で温度
サイクルに対する耐久性に優れており、最近ジヨ
セフソン素子材料などとして有望視されている。
またNbNは中性子線照射による超伝導臨界温度
の低下が小さいことから核融合装置のマグネツト
材料として注目されている。NbN薄膜は一般に
反応性スパツタリング法によつて作製される。反
応性スパツタリング法は、一般的に言うとArガ
スにN2を混入して、ターゲツトの高純度のNbを
スパツタして、所定の温度の基板上でNbN薄膜
を形成するものである。しかしながら、従来の反
応性スパツタリング法によるNbN薄膜の作製に
は以下の問題点を有していた。
[発明が解決しようとする問題点] 従来のスパツタリング法によるNbN薄膜の作
製方法においては、一般に拡散ポンプを用いて減
圧するが、油の逆流、または油の蒸気の逆拡散に
よつて、NbN薄膜に炭素原子が混入して、実際
には窒化ニオブ薄膜が炭化窒化ニオブ薄膜となつ
ていた。この場合、この炭化窒化ニオブ薄膜中の
炭素原子の割合は制御されていなかつた。
最近、高周波マグネトロンスパツタ法を用いて
反応ガスの分圧を制御することによる炭化窒化ニ
オブ薄膜の作製方法が報告されている(E.J.
Cukauskas、W.L.Carter、and S.B.Qadri、
Journal of Applied Physics、Vol.57、No.7、
1985年、pp.2538〜2542)。E.J.Cukauskas等はア
ルゴン、窒素、メタンの混合ガスを真空槽内に導
入して、高周波を印加して、炭化窒化ニオブを所
定の温度の基板上に蒸着させた。このような手順
によつて200℃、400℃、600℃、750℃の基板温度
で、メタンの分圧を変化させて実験を実施した。
E.J.Cukauskas等の得た実験結果によると、メタ
ン分圧に依存する超伝導臨界温度Tcの最大値は、
基板温度が200℃の時、Tc=13.2Kであり、基板
温度が400℃、600℃と上昇するにつれ、Tcの値
も上昇し、基板温度が750℃の時はTcの最大値は
16Kに達する。一方、基板温度が200℃、400℃、
600℃と上昇するにつれ、常温での比抵抗ρ(μΩ
−cm)は減少し、基板温度が750℃になるとρ=
66μΩ−cmになつた。また高超伝導臨界温度、低
比抵抗であると磁場侵入長も短くなる。
以上の物性定数はジヨセフソン素子の作製にと
つて好ましいが、基板を加熱しなくてはならず、
従来法ではそのための装置も必要であつた。
そこで、このような問題点を解決した炭化窒化
ニオブ薄膜の作製方法の開発が望まれていた。
従つて、本発明の目的とする所は、基板を加熱
する必要がなく、高超伝導臨界温度、低比抵抗、
低磁場侵入長を有する炭化窒化ニオブ薄膜の作製
方法を提供することにある。
[問題点を解決するための手段] すなわち、本発明の炭化窒化ニオブ薄膜の作製
方法は、高純度のNbをターゲツトとし、Ar、N2
およびC2H2の混合ガス中での反応性スパツタリ
ングによつて加熱していない基板上に炭化窒化ニ
オブ薄膜を得ることを特徴とする。
この際、C2H2の分圧を0.010Paないし0.040Pa
に設定することが好ましい。
[作用] 本発明に従うスパツタリング法としては、ター
ゲツトとして高純度のNbを使用し反応ガスとし
てアルゴン、窒素に所定の分圧を有するアセチレ
ンを混合したガスを用いることにより得られる炭
化窒化ニオブ薄膜は高超伝導臨界温度となる。本
発明においては水素の割合の最も少ないアセチレ
ンを反応ガスとして用いることによつて超伝導薄
膜への水素原子の添加を最小限度にとどめ、高超
伝導臨界温度を達成したものである。低比抵抗、
および低磁場侵入長も同時に達成される。
[実施例] 以下、実施例に従つて本発明の炭化窒化ニオブ
薄膜の作製方法を具体的に説明する。しかし、本
発明の技術的範囲は以下の例によつて何等制限さ
れない。
本発明に用いた炭化窒素ニオブ薄膜を作製する
スパツタリング装置を第1図に示す。図示の如
く、本発明の用いたスパツタリング装置は、ター
ゲツト1を保持するターゲツト支持体2と、ター
ゲツト支持体2に対向して設けられたウエハ3を
保持するウエハ支持体4と、ターゲツト支持体2
とウエア支持体4との中間に設けられた左右に移
動可能なシヤツタ5と、ターゲツト支持体2とウ
エハ支持体4とシヤツタ5を収容する真空槽6
と、ターゲツト支持体2に接続し真空槽6の外側
に設けられた高周波電源マツチング装置7と、
Arガス、N2ガス、C2H2ガスを真空槽6内に導入
するバルブを有する三本の導管8a,8b,8c
と、真空槽6内の気体を排気する真空排気系9と
高周波電源10とから成つている。
本発明においては、ターゲツト1として高純度
のNb板を使つた。ウエハ3としては単結晶シリ
コン、石英またはサフアイアなどが例示できる
が、本発明においては単結晶シリコンおよびサフ
アイアガラスを用いた。
更に、従来用いられるような油拡散ポンプで
は、ポンプの油が逆流して炭化窒化ニオブ薄膜中
の炭素原子の割合が制御できなくなるので本発明
においては好ましくない。その点、ターボ分子ポ
ンプは、油回転ポンプの油蒸気の逆流が防止され
るので好ましい。またクライオポンプも好まし
い。このポンプは一般的に言うと、大部分の気体
を固化捕捉して真空をつくるポンプである。この
クライオポンプは、他の方式では得られないクリ
ーンな真空をつくることができ、本発明の真空排
気系に用いるのが好ましい。
次に、本発明の操作について説明する。まず真
空槽内の真空度を5×10-5Paに減圧する。この
真空度に達したならば、Arガスを真空槽6に流
して、Arガスの圧力が1.13Paになるように制御
する。ついで、高周波電力を2.5W/cm2で印加し、
放電を開始する。そしてシヤツター5を閉じた状
態で20分間放電して、ターゲツト1を清浄化す
る。その後、所定の分圧を有するN2ガスと、
C2H2ガスを真空槽6内に混入させ、混合ガスの
分圧が一定になるように流量調整する。そしてシ
ヤツター5を閉じた状態で5分間放電してターゲ
ツト1の表面を安定化させた後、所望の膜厚に応
じて必要な時間だけシヤツター5を開いて、炭化
窒化ニオブ薄膜を単結晶シリコン上に堆積させ
た。N2の分圧は、従来の方法で窒化ニオブ薄膜
を作製する時に用いられた圧力範囲0.05Pa〜
0.080Paに設定した。混合ガスの全圧が高いとエ
ネルギーが低下し、また全圧が低いと放電しない
という条件を考慮して、混合ガスの全圧は従来の
圧力範囲である0.66Pa〜1.33Paに設定した。
このようにして堆積させた炭化窒化ニオブ薄膜
を、真空槽内から取り出して、公知の測定方法を
用いて臨界超伝導臨界温度、膜厚、比抵抗を測定
した。
次に上述したスパツタリング装置および操作で
得られた炭化窒化ニオブ薄間の実験結果について
詳述する。
第2図は、横軸にC2H2ガスの分圧PC2H2(Pa)
を取り、縦軸に堆積速度(nm/min)を取つた
ものである。図から明らかな如く、PC2H2=0の
時は堆積速度は約51(nm/min)で、PC2H2>0
ではゆるやかに減少して、PC2H2=0.02(Pa)以上
では堆積速度が約45.5(nm/min)となり一定
の値となる。第3図は、横軸にC2H2分圧PC2H2
(Pa)を取り、縦軸に超伝導臨界温度Tcを取つ
たものである。図より明らかな如く、PC2H2=0
ではTc=13〓で、PC2H2>0.017(Pa)以上で測定
値のばらつきが見られるがTc=15.3〓である。
また第4図に、本発明の窒化窒化ニオブ薄膜の
20Kにおける残留比抵抗ρを縦軸に取り、横軸に
C2H2が分圧PC2H2を取つて、この測定結果を示し
た。図より明らかな如く、PC2H2=0ではρ=150
(μΩcm)であり、PC2H2が0.01Paないし0.04Paで
は測定値のばらつきが見られるがρ=106(μΩcm)
の値を示している。
以上の結果からアセチレンの分圧としては
0.01Paないし0.04Paであることが好ましい。しか
るに、Cukauskas等の得たデータによると例え
ば基板温度が400゜の時、Tcの最大値は14Kであ
り、基板温度が750゜の時、Tcの最大値は16Kであ
つた。従つて本発明の方法に従うと、基板を高温
加熱しなくても高超伝導臨界温度、低残留比抵抗
の炭化窒化ニオブ薄膜が得られる。また、
Cukauskas等の実験によると基板を加熱してい
るので、基板の温度分布を均一に維持するのは困
難であるが、本発明の方法に従うと常温で炭化窒
化ニオブ薄膜を成長させているために、基板の温
度分布が一定であり、本発明の炭化窒化ニオブ薄
膜の堆積速度も一定で、均一な物性を有する薄膜
を得るのに有利である。
またTcとρが知れている時には、Ginzburg−
Landau−Abrikcsov−Gor′kov理論およびBCS
理論を用いて、次式により磁場侵入長λを計算す
ることができる。
λ=6.45×10-3(ρ/Tc)1/2
1−t)-1/2[cm] ここでt=T/Tcである。上式を用いてλを
計算すると、本発明の方法に従つて作製した炭化
窒化ニオブ薄膜についてはλ=200nmである。
従来報告されている炭化窒化ニオブ薄膜について
の値がλ=250nmと報告されているから、本発
明のスパツタリング法によつて低磁場侵入長を有
する炭化窒化ニオブ薄膜を得ることができる。
次に、本発明の作製方法に従つて得られた炭化
窒化ニオブ薄膜の配向性を調べるために薄膜のX
線回折試験を行つた。その結果を第5図に示し
た。図において、横軸は散乱角2θ(度)であり、
縦軸は散乱X線の相対強度を示す。また、曲線a
はサフアイアガラス上に5分間堆積させて作製し
たアセチレンの分圧が0の時に得られた窒化ニオ
ブ薄膜のX線パターンであり、曲線bはアセチレ
ンの分圧が0.027Paの時得られた炭化窒化ニオブ
薄膜のX線回折パターンである。
図から明らかな如く、曲線aと曲線bを比較す
れば、曲線bの(111)配向性のピークは鋭く、
炭化窒化薄膜の成長が観察される。
なお、スパツタリングの方法としては高周波マ
グネトロンスパツタ法、反応性2極スパツタ法、
中空状ターゲツト高速スパツタ法、非対象交流ス
パツタ法などが適用可能である。
[発明の効果] 以上の説明する明らかな如く、本発明スパツタ
リング方法においては、ターゲツトとして高純度
のNb板を使用し、Ar、N2、C2H2混合ガス中で
流量を調整することにより高超伝導臨界温度、低
残留比抵抗、低磁場侵入長を有する炭化窒化ニオ
ブ薄膜を得ることが可能となる。
高超伝導臨界温度、低比抵抗、低磁場侵入長を
有する炭化窒化ニオブ薄膜は、極低温電子デバイ
ス、超伝導マグネツト線材などに応用することが
でき、またジヨセフソン集積回路製作技術に重要
な役割を演じると期待される。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の高周波スパツタ装置の断面概
略図であり、第2図はアセチレン分圧と本発明で
得られた炭化窒化ニオブ薄膜の堆積速度との関係
を示し、第3図はアセチレン分圧と超伝導臨界温
度との関係を示し、第4図はアセチレン分圧と残
留比抵抗との関係を示したものであり、第5図は
炭化窒化ニオブ薄膜および窒化ニオブ薄膜のX線
パターンを示す。 1……ターゲツト、2……ターゲツト支持体、
3……ウエハ、4……ウエハ支持体、5……シヤ
ツタ、6……真空槽、7……マツチング装置、8
a,8b,8c……導管、9……真空排気系、1
0……高周波電源。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 高純度のNbをターゲツトとし、Ar、N2およ
    びC2H2の混合ガス中での反応性スパツタリング
    によつて加熱していない基板上に炭化窒化ニオブ
    薄膜を得ることを特徴とする炭化窒化ニオブ薄膜
    の作製方法。 2 前記C2H2の分圧が、0.010Paないし0.04Paで
    あることを特徴とする特許請求の範囲第1項に記
    載の炭化窒化ニオブ薄膜の作製方法。 3 前記混合ガスの排気にクライオポンプまたは
    ターボ分子ポンプを用いることを特徴とする特許
    請求の範囲第1項または第2項に記載の炭化窒化
    ニオブ薄膜の作製方法。
JP61286359A 1986-12-01 1986-12-01 炭化窒化ニオブ薄膜の作製方法 Granted JPS63138790A (ja)

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KR100600908B1 (ko) * 1998-06-29 2006-07-13 가부시끼가이샤 도시바 스퍼터 타겟
CN110643958A (zh) * 2019-10-21 2020-01-03 吴浪生 一种利用溅镀实现晶圆的物理镀膜设备

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