JPH0582845A - 段付きエツジ間のＳＮＳ接合を用いる高Ｔｃマイクロブリツジ超電導体装置 - Google Patents

段付きエツジ間のＳＮＳ接合を用いる高Ｔｃマイクロブリツジ超電導体装置

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JPH0582845A
JPH0582845A JP4030172A JP3017292A JPH0582845A JP H0582845 A JPH0582845 A JP H0582845A JP 4030172 A JP4030172 A JP 4030172A JP 3017292 A JP3017292 A JP 3017292A JP H0582845 A JPH0582845 A JP H0582845A
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Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】 高温超電導材料を用いるマイクロブリッジ超
電導体装置を提供する。 【構成】 本装置は、下部の平らな表面４０と、下部表
面から全体勾配が約２０乃至約８０°の上方へ向いた傾
斜表面４２と、下部表面と平行な上部表面４４とを有す
る基板２６よりなる。下部基板上にはｃ軸方向超電導材
料の層５０がエピタキシャルに付着し、この層は下部基
板表面と傾斜表面との接点に隣接して露出したａ軸エッ
ジ５６を有する。ａ軸エッジは接点から離れる方向の斜
角を有する。上部基板表面上にもｃ軸方向超電導材料の
層５２がエピタキシャルに付着し傾斜表面の上方端部或
いは傾斜表面それ自体に隣接して露出したａ軸エッジ５
７を有する。上下部の基板表面のｃ軸方向超電導材料の
露出ａ軸エッジ間には非超電導性のギャップ６２が存在
し、通常金属のような非超電導材料の層６０がこのギャ
ップを埋めジョセフソン装置の形成に必要な弱い超電導
性リンクを形成する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は超電導装置に関し、さら
に詳細には高温超電導材料を有するマイクロブリッジ超
電導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】高温超電導材料はＴｃとしても知られる
通常−超電導遷移温度が液体窒素の沸点である約７７Ｋ
よりも高い材料である。超電導材料はそのＴｃよりも低
い温度では電流に対しまったく抵抗を示さない。高温超
電導材料の発見により超電導体を多くの新しい用途に利
用する可能性が開けているが、これは高温超電導体の冷
却及び断熱条件が従来の低温超電導体と比べて厳しくな
いことによる。
【０００３】これまで発見されたうちで最も重要な高温
超電導体は酸化物錯体組成物である。これらの材料は必
要な組成の金属元素の薄膜を付着させ、それと同時に或
いはその後にこの薄膜を必要な酸化状態となるよう酸化
させることにより製造される。たとえば、高温超電導材
料の最も重要なものの１つとして、ＹＢａ２Ｃｕ３Ｏ
７−ｘ（ｘは小さくて普通は０．１のオーダー）があ
る。
【０００４】この高温超電導材料を利用するにはそれを
装置及び製品の形にする必要がある。このような利用を
図るに当たって最初に行うことは、この高温超電導体を
従来の低温超電導体に直接置き換えることができるか否
かを判定することである。この判定を行なうには、よく
知られた低温超電導体を用いる既存の装置を製造してそ
の低温超電導材料を高温超電導材料に置き換えた後その
作動を評価する。たとえば、用途の１つのとして超電導
量子干渉装置（ＳＱＵＩＤ）のような検出器の製造に用
いるジョセフソン接合をもった薄膜マイクロブリッジ超
電導装置を製造するのが望ましい。高温超電導体でジョ
セフソン接合を形成したＳＱＵＩＤは、７７Ｋよりも高
い超電導体のＴｃと同程度の温度で作動可能なため、絶
対零度に近い温度への冷却を必要としない多くの用途に
用いることができる。
【０００５】米国特許第４，４５４，５２２号は、超電
導層を段付きの基板上に付着させた薄膜マイクロブリッ
ジ超電導装置を開示している。超電導層の作動温度で超
電導性を示さない通常材料の層がこの超電導層の上に付
着してある。この段に沿う超電導層間のギャップにジョ
セフソン接合の基となるマイクロブリッジが形成されて
いる。超電導層はループやリードを形成するようパター
ン化されて、ＳＱＵＩＤが構成される。
【０００６】しかしながら、残念なことに米国特許第
４，４５４，５２２号の方式は、酸化物錯体組成物型の
ような不等方性高温超電導材料を用いる作動可能なＳＱ
ＵＩＤを製造するには本質的に不適当である。それにも
かかわらず、薄膜マイクロブリッジ及びその製造方法の
開発の必要性が存在している。本発明はこの必要性を満
足するものであって、さらに関連の利点を有する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】本発明は４．２Ｋ（こ
れよりも多分低いであろう）乃至７７Ｋよりも高い超電
導体の臨界温度の温度範囲で作動可能なＳＱＵＩＤまた
は他の装置に使用可能な薄膜ジョセフソン接合を形成す
る高温超電導体を用いた薄膜マイクロブリッジ超電導体
装置に関する。このマイクロブリッジを形成するための
本発明の方法は信頼性が高く、既存の薄膜製造法を用い
て実施されている。
【０００８】本発明のマイクロブリッジ超電導体装置
は、下部の平らな表面と、この下部の平らな表面から全
体勾配が約２０乃至約８０°の上方へ向いた傾斜表面
と、下部の平らな表面と平行で傾斜表面によりその下部
の平らな表面から分離した上部の平らな表面とを有する
基板よりなる。この下部の平らな基板表面上にはｃ軸方
向超電導材料の層がエピタキシャルに付着している。こ
の下部の平らな基板表面上の超電導体層は、下部の平ら
な基板表面と傾斜表面との接点に隣接して露出したａ軸
エッジを有する。この露出したａ軸エッジは下部の平ら
な基板表面と傾斜表面との接点から離れる方向の斜角を
有している。また上部の平らな基板表面上にもｃ軸方向
超電導材料の層がエピタキシャルに付着している。この
層も傾斜表面の上方端部或いは傾斜表面それ自体に隣接
して露出したａ軸エッジを有する。下部の平らな基板表
面のｃ軸方向超電導材料の露出ａ軸エッジと上部の平ら
な基板表面のｃ軸方向超電導材料の露出したａ軸エッジ
との間には、非超電導性のギャップが存在する。通常の
金属のような非超電導材料の層がｃ軸方向超電導材料の
これらの２つの層の露出したａ軸エッジ間のギャップを
埋めており、ジョセフソン装置の形成に必要な弱い超電
導性リンクを形成する。
【０００９】高温超電導材料の多くはその結晶構造が極
めて不等方性である。高温超電導体は明確になっている
構造に結晶化した錯化合物であるが、それらの構造はほ
とんどの低温超電導材料に見られる等方性結晶構造とは
異なる。高Ｔｃ化合物の多くは固有構造が規則性を持っ
て繰り返す銅−酸素面の積層体であって、これらの平面
間に種々の原子配列が存在するように結晶化している。
この銅−酸素面に垂直な方向を“ｃ軸”と呼ぶ。かかる
不等方性構造を有する高温超電導材料を本明細書ではｃ
軸超電導材料と呼ぶ。ｃ軸に垂直な任意の方向（即ち、
銅−酸素面に平行）を“ａ軸”と呼ぶ。
【００１０】かかる不等方性超電導体では超電導性のコ
ヒーレントな長さがｃ軸方向（たとえば２−３オングス
トローム）よりもａ軸方向（たとえば１２−１５オング
ストローム）のほうが長い。この不等方性が存在する結
果として重要なことは、ｃ軸方向層の露出した上部表面
（ｃ軸方向に垂直な表面）上に本質的に存在する、ある
いは処理の結果として存在する薄い劣化層がｃ軸方向の
コヒーレントな長さを非常に短くするため超電導性部分
の延伸が阻止されるという点である。コヒーレントな長
さが短いためそれ自体比較的長いコヒーレントな長さを
有する隣接の通常金属層内における超電導性の誘起が阻
止されることがある。超電導性を誘起する結合はａ軸方
向が露出した超電導層の露出ａ軸エッジを介すると容易
に実現され、ａ軸方向のコヒーレントな長さが長くなる
とこの薄い劣化層に起因する問題が発生する可能性が減
少する。この結合は、超電導材料に隣接する通常金属層
内に最大数百オングストローム或いはそれ以上の距離、
超電導性を誘起できるという近接効果により実現され
る。高Ｔｃ超電導体のコヒーレントな長さの不等方性、
特に非常に短いｃ軸方向のコヒーレントな長さは、米国
特許第４，４５４，５２２号の方式ではｃ軸方向高Ｔｃ
超電導材料を組み込んだ高Ｔｃ超電導体装置を製造でき
ない主要な原因と考えられている。
【００１１】本発明の方法では、高温超電導材料が傾斜
表面を有する基板上に１つの層を形成するよう付着され
る。この基板の材料としては、高温超電導体のｃ軸方向
がエピタキシャル関係（結晶的に整合した関係）になる
ものが選択される。即ち、高温超電導体のｃ軸方向が基
板表面の平面に対して垂直である。商業的に重要な高Ｔ
ｃ超電導材料であるＹＢａ２Ｃｕ３Ｏ７−ｘではｃ軸方
向エピタキシャル層を形成させる好ましい基板材料はＬ
ａＡｌＯ３である。
【００１２】本発明による基板表面は上記米国特許に記
載されたものとは異なる幾何学的関係を有する。本発明
による基板は、下部の平らな表面と、この下部の平らな
表面から全体勾配約２０°乃至約８０°で上方に向いた
傾斜表面と、この傾斜表面の頂部にある上部の平らな表
面とを有する。これとは対照的に、上記米国特許の構造
は、段部がほぼ垂直になっている。この米国特許の構造
では、ｃ軸方向超電導材料を超電導体材料として基板の
平らな表面上にエピタキシャルに付着させた場合必要と
される露出したａ軸エッジが容易に形成されずまたたと
え形成されたとしてもそれへの接近が容易でないため作
動可能ではない。
【００１３】下部の基板表面上に付着させた高温超電導
材料の層は傾斜表面の基部から戻る方向の斜面を有する
ため、下部の超電導層の露出ａ軸エッジとギャップ内の
通常材料との間に良好な導電接触が得られて、ギャップ
のその通常材料内へ超電導性を誘起することが可能とな
る。この斜角構造はまた超電導パスが超電導層の露出ａ
軸エッジから通常材料内へ形成されるため必要である。
かくして、本発明の方法では、超電導接合が超電導層の
ａ軸エッジから通常材料を介してもう一方の超電導層の
ａ軸エッジへ延びる。ここで重要なことは、上部と下部
の両超電導層の形成にはたった１回の超電導材料の付着
が必要なことである。その結果、各露出ａ軸エッジにお
ける超電導材料と通常材料との界面を製造時エッチング
などによって処理する必要がなくなり、界面領域の損傷
により作動可能な接合の形成が妨げられる可能性が減少
する。
【００１４】これとは対照的に、上記米国特許では、下
段の超電導材料のエッジはほぼ垂直及び直角なものとし
て示されている。その結果、超電導パスが下部の平らな
基板表面上の超電導層の頂面から通常材料を経て上部の
平らな基板表面の超電導層の頂面へ延びる必要がある。
これらの条件では、ｃ軸方向の超電導コヒーレントな長
さが短いためｃ軸方向超電導材料と通常金属との間に良
好な導電性ウィークリンク（ｗｅａｋ ｌｉｎｋ）が形
成されない。
【００１５】本発明は、４．２Ｋ（多分これよりもされ
に低い温度）から普通７７Ｋよりも十分に高いｃ軸材料
のＴｃに亘る温度範囲において超電導状態で作動可能な
マイクロブリッジ装置とその製造方法を提供する。
【００１６】以下、添付図面を参照して本発明を実施例
につき詳細に説明する。
【００１７】
【実施例】本発明の好ましい実施例によれば、マイクロ
ブリッジ超電導体装置は、傾斜表面と、この傾斜表面に
より分離された下部の平らな表面及び上部の平らな表面
とを有する基板よりなる。この下部の平らな基板表面上
にはｃ軸方向超電導材料の下部層がエピタキシャルに付
着され、この超電導材料のｃ軸は下部の平らな基板表面
に対して垂直方向である。またこの下部の超電導層は傾
斜表面に隣接する斜角の露出ａ軸エッジを有する。これ
と同時に、上部の平らな基板表面上にもｃ軸方向超電導
材料の上部層がその超電導材料のｃ軸が上部の平らな基
板表面に対して垂直となるようにエピタキシャルに付着
される。この上部層は傾斜表面に隣接する露出したａ軸
エッジを有する。下部の超電導層の露出ａ軸エッジと上
部超電導層の露出ａ軸エッジとの間には通常材料の層が
存在するが、これがこれらの露出エッジ間を導電接触さ
せる。
【００１８】図１は薄膜超電導量子干渉装置（ＳＱＵＩ
Ｄ）２０を示すが、この装置は基板２６の２つの表面２
４上にパターン化して配設した超電導材料２２のループ
よりなる。マイクロブリッジ接合２８（ジョセフソン接
合）が上部及び下部の基板表面２４上の各ループ部分２
２間に位置する。リード３０が上部及び下部の基板表面
２４のループ２２の一部から延びている。ｄｃ ＳＱＵ
ＩＤを形成するにはループ２２に２つの接合２８が必要
であり、またｒｆ（無線周波数）ＳＱＵＩＤにはループ
２２に１つの接合２８が存在する。ＳＱＵＩＤの一般的
な構造及びその機能はよく知られている。たとえば、
“Ａｄｖａｎｃｅｓ ｉｎ ＳＱＵＩＤＭａｇｎｅｔｏ
ｍｅｔｅｒｓ” ｂｙ Ｊｏｈｎ Ｃｌａｒｋｅ， Ｉ
ＥＥＥＴｒａｎｓ． Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｄｅｖｉｃｅ
ｓ， Ｖｏｌ． ＥＤ−２７，ｐａｇｅ １８９６
（１９８０） ａｎｄ “ＤＣ ＳＱＵＩＤｓ １９８
０： Ｔｈｅ Ｓｔａｔｅ ｏｆ ｔｈｅ Ａｒｔ”，
ｂｙ Ｍ．Ｂ． Ｋｅｔｃｈｅｎ， ＩＥＥＥ Ｔｒ
ａｎｓ． Ｍａｇｎｅｔｉｃｓ， Ｖｏｌ．ＭＡＧ−１
７， ｐａｇｅ ３０７ （１９８１）を参照された
い。
【００１９】図２はこれらの接合２８のうちの１つ及び
ループ２２の一部の構造を詳細に示す。基板２６は２つ
の基板表面２４（もっと正確にいうと２つの平らな基板
表面）と、これを分離する傾斜表面とを有する。基板表
面２４のうちの一方である下部の平らな基板表面４０
は、基板を図２に示すように上向きにおいた場合基板２
６の下部に位置する。傾斜表面４２がこの下部の平らな
基板表面４０の平面から約２０°乃至約８０°の角度Ａ
で上方に延びる。傾斜表面４２の上部には上部の平らな
基板表面４４が下部の平らな基板表面４０と平行に延び
ている。したがって、これら２つの平らな基板表面４
０，４４は傾斜表面４２によって分離されている。（こ
の傾斜表面４２は、本明細書の一部を形成するものとし
て引用する米国特許第４，４５４，５２２号明細書の段
部１６として呼ばれる一般的に垂直な段部と対照的であ
る）。
【００２０】超電導材料の層５０は下部の平らな基板表
面４０上に、また超電導材料の層５２は上部の平らな基
板表面４４上に付着されている。ループを形成するよう
にパターン化を行なうと、これらの層５０，５２は図１
のループ２２の一部となる。これらの層５０，５２は通
常、同一の高Ｔｃ超電導材料よりなって同時に付着され
るが、説明を分かりやすくするために２つの要素とす
る。各層は、超電導材料のｃ軸５４が基板表面４０，４
４の面に垂直になるように、後述する態様で基板２６上
にエピタキシャルのｃ軸成長を誘起して付着させられて
いる。
【００２１】超電導層５０は、下部の平らな基板表面４
０と傾斜表面４２との接点５８に隣接する露出したａ軸
エッジ５６を有する。この露出ａ軸エッジ５６は傾斜表
面４２から逆方向に離れるような斜角を持つ。この斜角
の角度Ｂは９０°よりも小さく、好ましくは約７０°よ
りも小さい。上部超電導層５２は傾斜表面４２に隣接す
るその層の端部に対応の露出ａ軸エッジ５７を有する。
このエッジ５７は通常、図示のごとく傾斜表面４２から
離れる方向に僅かに斜めになっているが、その必要はな
い。非超電導材料の通常材料層６０が超電導層５０，５
２及び基板２６の露出部分の上に延びるように付着され
ている。通常材料層６０の中間部分を介する超電導層５
０，５２のそれぞれの露出ａ軸エッジ５６，５７及びギ
ャップ６２は、超電導体−通常材料−超電導体（ＳＮ
Ｓ）マイクロブリッジ接合２８を形成する。
【００２２】露出ａ軸エッジ５６，５７は、それを介し
て通通材料層６０の通常材料と超電導層５０，５２の超
電導材料との間に電流が流れる導電表面を形成するため
そう呼ばれる。露出ａ軸エッジ５６，５７はｃ軸方向高
Ｔｃ超電導材料のａ軸表面の１成分を露出させている。
マイクロブリッジ接合装置２８は、後述するように斜角
の露出ａ軸エッジ５６，５７とギャップ６２の通常材料
層６０との間に確実に良好な導電接触が得られるように
製造される。したがって、この接合２８の電流パスは一
方のエッジ５６または５７から通常材料６０（近接効果
により局部的に超電導状態になっている）を経てもう一
方のエッジ５７または５６へ延びる。
【００２３】超電導層５０，５２の高Ｔｃ材料は、ある
臨界温度よりも低い温度で超電導性を示す超電導酸化物
錯体組成物または他の不等方性材料であるのが好まし
い。これらの材料は普通ｃ軸材料であり、積層平面型結
晶構造を有して上述したようにｃ軸がそれらの面に垂直
にまたａ軸がそれらの面内にある。この構造はたとえ
ば、Ｍ．Ｂ． Ｂｅｎｏ ｅｔ ａｌ．， Ａｐｐｌ．
Ｐｈｙｓ． Ｌｅｔｔ．，Ｖｏｌ． ５１， ｐａｇ
ｅ ５７ （１９８７） ａｎｄ Ａ．Ｗｉｌｌｉａｍ
ｓ ｅｔ ａｌ．， Ｐｈｙｓ． Ｒｅｖ． Ｖｏｌ．
Ｂ３７， ｐａｇｅ ７９６０（１９８８）に記載さ
れている。超電導層５０，５２の好ましい材料は高Ｔｃ
の超電導体であるＹＢａ２Ｃｕ３Ｏ７−ｘであって、ｘ
は酸化の程度で決まるが普通約０．１である。この材料
を薄膜として付着させると約９０ＫのＴｃを有する。こ
の材料はｃ軸が基板表面と垂直になるように公知の方法
によりエピタキシャルに付着させるが、この方法はｃ軸
に対して垂直な結晶表面と数％以内でマッチングする格
子パラメータを有する基板２６の選択を含む。かかるｃ
軸エピタキシャル成長を行うための公知の材料にはアル
ミン酸ランタン、ＬａＡｌＯ３があり、平らな表面４
０，４４が結晶方向（１００）となるように付着され
る。ＬａＡｌＯ３を用いるのが好ましいが、本発明はそ
れに限定されない。他の基板材料としては、ＳｒＴｉＯ
３、ＭｇＯ、イットリア安定化ジルコニア、Ａｌ
２Ｏ３、ＬａＧａＯ３、ＰｒＧａＯ３、及びＮｄＧａＯ
３がある。他の高Ｔｃ材料としてはＬａＡｌＯ３があ
り、エピタキシャル成長をさせる他の基板材料が選択さ
れる。他の適当な高Ｔｃ材料の例にはＢｉ２Ｃａ２Ｓｒ
２Ｃｕ３Ｏｘ及びＴｌ２Ｂａ２Ｃａ２Ｃｕ３Ｏｘがあ
る。
【００２４】マイクロブリッジ接合２８及びＳＱＵＩＤ
２０は以下に述べる図３に示した方法で製造するのが好
ましい。基板２６としては、表面が結晶方向（１００）
を持つＬａＡｌＯ３の単結晶片を用いる（図３Ａ）。最
初に、平らな表面４０，４４及びその間の傾斜表面４２
を形成するためにこの表面をエッチングする。このエッ
チングは、図３Ｂで示すように基板２６の表面上でマス
クとして働く金属フィルム７０を付着させる工程を含
む。この金属フィルムは厚さ約３０００乃至３５００オ
ングストロームのニオブまたは厚さ約２５００乃至約４
０００オングストロームのモリブデンであるのが好まし
く、スパッタリングにより付着させる。この金属フィル
ム７０は、標準型のホトレジスト材をこのフィルム上に
付着させ、パターンを用いてこのホトレジストを露光
し、このホトレジストの露光部分を取り除くことにより
段部を持つようなパターンを形成させる。段部７２はパ
ターン化したホトレジスト材料を介してイオン・ミリン
グを行うことにより金属層７０に形成する。典型的なイ
オン・ミリングのパラメータは、イオンビームエネルギ
ーが４００電子ボルト、ビーム電流密度が１ｃｍ２当た
り０．４５乃至０．９０ミリアンペアであり、これによ
り毎分２００−４００オングストロームのエッチング速
度が得られる。次いで、このパターン化した基板をホト
レジスト用の溶剤中に入れて、図３Ｃのような構造が得
られるようにこのホトレジストを除去する。
【００２５】この金属マスクの段部を持つパターンを用
いてこの基板をイオン・ミリングすることにより基板上
に傾斜表面４２を形成する。このイオン・ミリングによ
り図３Ｄに示すように基板２６から角度Ａで上方に延び
る傾斜表面４２が形成されるが、下部の平らな基板表面
は依然として結晶方向（１００）に維持される。典型的
なイオン・ミリングのパラメータはビームエネルギーが
４００−５００電子ボルト、ビーム電子密度が１ｃｍ２
当たり０．２−１．８ミリアンペアである。その結果得
られるエッチング速度は普通毎分約４００オングストロ
ームである。平らな表面４０と４４との間の垂直方向距
離は約２００乃至３０００オングストロームであるのが
好ましい。傾斜表面をイオン・ミリングにより基板表面
上に形成したあと、この金属層７０をニオブの場合はプ
ラズマエッチングにより、またモリブデンの場合は硝
酸、硫酸及び水の湿潤エッチング酸溶液内でエッチング
することにより除去する（図３Ｅ）。
【００２６】次いで、超電導材料の層５０，５２を基板
２６の表面上に同時に付着させる。これらの超電導材料
層５０，５２は図３Ｆに示すようにＹＢａ２Ｃｕ３Ｏ
７−ｘをオフアクシススパッタリング（ｏｆｆ−ａｘｉ
ｓ ｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ）により付着させるのが好ま
しい。これらの層５０，５２の厚さは好ましくは約１０
０乃至約２９００オングストロームである。典型的なス
パッタリングのパラメータは、アルゴンの分圧が１６５
ミリトル、酸素の分圧が３５ミリトル、基板温度が７１
０℃、ｄｃ電力が９０ワットである。その結果得られた
超電導薄膜の遷移温度Ｔｃは約８８Ｋである。
【００２７】通常材料の層６０は、超電導材料の層５
０，５２を付着した直後に、図３Ｇ及び図２に示すよう
に試料を付着室から取り出すことなくスパッタリングに
より付着させる。この通常材料層は金属、半金属または
半導体である。この通常材料層６０の好ましい材料は銀
であるが、金やＮｂを５％ドープしたＳｒＴｉＯ３のよ
うな低キャリア密度材料のような別の材料であってもよ
い。超電導材料及び通常金属の供給源を付着室内のシャ
ッターの背後に配置し、銀の供給源を超電導材料の供給
源の作動完了前に始動させる。基板は超電導材料の付着
にあたっては７１０℃に加熱するが、銀の付着にあたっ
ては加熱器の設定を基板温度が約５５０℃へ低下するよ
うに変化させる。基板の支持台及び加熱器を回転させて
銀が傾斜表面上に付着し２つの超電導薄膜エッジ５６，
５７がそのギャップ領域５２を介して接合されるように
する。斜角の露出ａ軸エッジ５６において、また超電導
層５２のエッジ５７に沿って、良好な導電パスが得られ
るようにするのが重要である。銀の層の好ましい厚さは
約１００乃至約３０００オングストロームである。
【００２８】銀の層を付着させその付着工程を終了した
あと、酸素ガスの弁を再び開いてこの付着室に約７５０
トルの酸素圧力を導入する。銀が被覆された基板を約４
３０℃の温度で３０分間酸素に浸す。この酸素に浸すこ
とにより、酸素が銀の通常材料層６０を拡散して超電導
層５０，５２に入り、これらの層５０，５２の上部表面
を再酸化する。この再酸化は、銀を低圧で付着させる間
これらの層５０，５２の上部表面の酸素の一部がその表
面から拡散により逃げて層５０，５２の上部表面が酸素
不足の状態になるため望ましいと考えられている。酸化
物超電導体のＴｃは組成物ＹＢａ２Ｃｕ３Ｏ７−ｘのこ
のｘの値が増加するにつれて低下するため、これらの層
５０，５２の上部表面を真空により酸素不足にするとこ
れらの上部表面が超電導性を失い望ましくない。したが
って薄い銀の層を介してこれらの上部表面を再び酸化す
ると高いＴｃが得られるようになる。
【００２９】上述したような手順で接合２８を形成した
あと、図１に示すような導体のループパターンを標準の
ホトレジストによる方法で形成する。ホトレジストの層
を通常材料層６０の上部表面上に付着させ、ループのパ
ターンをフォトリソグラフィーによりホトレジストの層
に形成し、露光部分をイオン・ミリングにより除去して
ループ２２とリード３０だけでなくマイクロブリッジ接
合２８のパターンを残す。代表的なイオン・ミリングの
条件はビームエネルギーが２５０電子ボルト、ビーム電
流密度が１ｃｍ２あたり０．２ミリアンペアである。次
いで、残ったホトレジストのパターンを適当な溶剤で除
去するとＳＱＵＩＤ２０が完成する。
【００３０】この製造方法は好ましいものであるが、他
の使用可能な製造方法及びそれらにより製造される接合
構造を除外するものではない。本発明の範囲内にある他
の２つの接合領域構造を図４と図５に示す。これらの図
では、図２に示したものと同じ参照番号を同一部分につ
いて用いている。図４及び図５では、上部の超電導材料
層５２が製造処理の付着モードによって傾斜表面４２を
下方に延びている。図４及び図５の構造では、エッジ５
７は傾斜表面４２のすべてまたはその大部分に隣接する
が、図２の構造ではエッジ５７は傾斜表面４２の上端部
にのみ隣接するに過ぎない。
【００３１】図４の接合構造では、上部層５２の傾斜表
面４２に隣接する部分の材料はエッジ５７の長さ全体に
沿って同じような配向状態にある。図５の接合構造で
は、上部層５２の傾斜表面４２に隣接する部分の材料は
多結晶であり、その粒子がある角度範囲にあって少なく
とも一部のａ軸方向材料がエッジ５７に露出している。
いずれの場合でも、図２に示した構造と同様、エッジ５
６及び５７の露出ａ軸材料間には通常材料を充填したギ
ャップ６２を介して導電性の作動可能な接合が形成され
ている。図４の構造では、超電導パスがエッジ５７の任
意の部分へ延びることができる。図５の構造では、露出
エッジ５７の一部の結晶が露出ａ軸を有し、また他の一
部が露出ｃ軸を有して超電導パスがこれらの露出ａ軸結
晶を介して延びる。
【００３２】以下の例は本発明の特徴を示すものである
が、本発明を限定するように解釈されるべきではない。
【００３３】例１ 上述の製造法を用いて合計２１個のマイクロブリッジ及
びＳＱＵＩＤを製造した。これらすべての２１個の装置
が４．２Ｋから８０Ｋを超える温度において十分に予想
された超電導電流を流すのが観察された。したがってこ
の装置の歩留まりは１００％であった。これらの装置
は、２つの別個の付着工程において３つの異なるウェー
ファー上に製造した。表面４０と４４との間の距離は約
２０００−２５００オングストロームで、ＹＢａ２Ｃｕ
３Ｏ７−ｘ薄膜の厚さは約１０００オングストロームで
あった。銀の薄膜の厚さは３０００乃至６０００オング
ストロームの範囲にあった。
【００３４】真のＳＮＳ接合があるかどうかの検証はａ
ｃジョセフソン効果が得られるか否かによる。上述のよ
うにして製造したマイクロブリッジは、マイクロ波放射
に応答して電流−電圧特性に正確に予想されたステップ
が現れたためａｃジョセフソン効果を持つことが解っ
た。この効果は４．２Ｋから約７７Ｋの範囲で観察さ
れ、この装置が高Ｔｃの性質を持つことが実証された。
【００３５】ｄｃ ＳＱＵＩＤを測定したところ予想ど
うり印加した磁界において臨界電流が周期変調を受ける
ことが観察された。この変調は４．２Ｋから８５．４Ｋ
を超える温度範囲で観察されたため、作動可能な高Ｔｃ
ＳＱＵＩＤが得られたことがはっきりと示された。
【００３６】かくして、本発明は高温超電導体を用いる
超電導マイクロブリッジ装置の技術分野における重要な
進歩である。本発明を特定の実施例につき詳細に説明し
たが、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく種々
の変形例及び設計変更が当業者に想到されるであろう。
したがって、本発明は頭書した特許請求の範囲によって
のみ限定されるべきものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、マイクロブリッジを有するＳＱＵＩＤ
装置の斜視図である。
【図２】図２は、図１の装置の一部拡大側立面図であっ
てマイクロブリッジの構造を示す。
【図３】図３は、マイクロブリッジ装置の製造を示すフ
ローチャートであってその製造工程の種々の点における
構造を示す。
【図４】図４は、図２と同様な拡大側立面図であって、
別のマイクロブリッジ構造を示す。
【図５】図５は、図２と同様な拡大側立面図であって、
マイクロブリッジのさらに別の構造を示す。
【符号の説明】
２０ 超電導量子干渉装置（ＳＱＵＩＤ） ２２ 超電導材料のループ ２４ 基板表面 ２６ 基板 ２８ ジョッセフソン接合 ３０ リード ４０ 下部の平らな基板表面 ４２ 傾斜表面 ４４ 上部の平らな基板表面 ５０，５２ 超電導材料層 ５６，５７ 露出したａ軸エッジ ６０ 通常材料層 ６２ ギャップ ７０ 金属層 ７２ 段部
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 シヨウゾウ ヨシズミ アメリカ合衆国 カリフオルニア州 92129 サン ジイエゴ トレイル ダス ト アベニユー 13087 (72)発明者 カイ−ユエ ヤング アメリカ合衆国 カリフオルニア州 92129 サン ジイエゴ ダークウツド ロード 12590

Claims (19)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 マイクロブリッジ超電導体装置であっ
    て、 下部の平らな表面と、下部の平らな表面から全体勾配が
    約２０°乃至８０°で上方に向いた傾斜表面と、下部の
    平らな表面と平行であって該表面から傾斜表面によって
    分離された上部の平らな表面とを有する基板、 下部の平らな基板表面上にエピタキシャルに付着し、下
    部の平らな基板表面と傾斜表面との接点に隣接して該接
    点から離れる方向の斜面を有する露出したａ軸エッジを
    備えたｃ軸方向超電導材料の層、 上部の平らな基板表面上にエピタキシャルに付着し、傾
    斜表面に隣接する端部に露出したａ軸エッジを備え、こ
    の露出ａ軸エッジと下部の平らな基板表面上のｃ軸方向
    超電導材料の露出ａ軸エッジとの間にギャップを形成さ
    せたｃ軸方向超電導材料の層、及びこれら２つの露出ａ
    軸エッジ間のギャップの非超電導材料の層よりなるマイ
    クロブリッジ超電導体装置。
  2. 【請求項２】 ｃ軸方向超電導材料が約７７Ｋより高い
    超電導遷移温度を有することを特徴とする請求項１に記
    載の超電導体装置。
  3. 【請求項３】 ｃ軸超電導材料がＹＢａ２Ｃｕ３Ｏ
    ７−ｘであることを特徴とする請求項１に記載の超電導
    体装置。
  4. 【請求項４】 ｃ軸超電導材料がＢｉ２Ｃａ２Ｓｒ２Ｃ
    ｕ３Ｏｘ及びＴｌ２Ｂａ２Ｃａ２Ｃｕ３Ｏｘよりなる群
    から選択されることを特徴とする請求項１に記載の超電
    導体装置。
  5. 【請求項５】 基板がＬａＡｌＯ３であることを特徴と
    する請求項１に記載の超電導体装置。
  6. 【請求項６】 基板がＰｒＧａＯ３，ＮｄＧａＯ３，Ｓ
    ｒＴｉＯ３，ＭｇＯ，Ａｌ２Ｏ３及びイットリア安定化
    ジルコニアよりなる群から選択されることを特徴とする
    請求項１に記載の超電導体装置。
  7. 【請求項７】 前記非超電導材料層がｃ軸方向超電導材
    料の前記２つの層間のギャップを充填するだけでなくｃ
    軸方向超電導材料の前記層の上部表面を覆うことを特徴
    とする請求項１に記載の超電導体装置。
  8. 【請求項８】 前記ｃ軸方向超電導材料層が超電導量子
    干渉装置を形成するようパターン化されていることを特
    徴とする請求項１に記載の超電導体装置。
  9. 【請求項９】 下部の基板表面と上部の基板表面との間
    の距離が約２００乃至約３０００オングストロームであ
    ることを特徴とする請求項１に記載の超電導体装置。
  10. 【請求項１０】 下部及び上部の平らな基板表面上の前
    記ｃ軸方向超電導材料層の厚さが約１００乃至約２９０
    ０オングストロームであることを特徴とする請求項１に
    記載の超電導体装置。
  11. 【請求項１１】 前記非超電導材料が金属、半金属及び
    半導体よりなる群から選択されることを特徴とする請求
    項１に記載の超電導体装置。
  12. 【請求項１２】 前記非超電導材料が銀であることを特
    徴とする請求項１に記載の超電導体装置。
  13. 【請求項１３】 前記非超電導材料が金及びＮｂを５％
    ドープしたＳｒＴｉＯ３よりなる群から選択されている
    ことを特徴とする請求項１に記載の超電導体装置。
  14. 【請求項１４】 上部の平らな基板表面上の前記ｃ軸方
    向超電導材料層が傾斜表面を下方に延びてそのエッジに
    ａ軸方向超電導材料の少なくとも一部を露出させている
    ことを特徴とする請求項１に記載の超電導体装置。
  15. 【請求項１５】 傾斜表面が下部の平らな表面と上部の
    平らな表面とを分離する基板と、 下部の平らな基板表面上にエピタキシャルに付着したｃ
    軸方向超電導材料の下部層であって、超電導材料のｃ軸
    が下部の平らな基板表面に垂直であり、傾斜平面に隣接
    する露出ａ軸エッジを有する下部層と、 上部の平らな基板表面上にエピタキシャルに付着したｃ
    軸方向超電導材料の上部層であって、超電導材料のｃ軸
    が上部の平らな基板表面に垂直であり、傾斜表面に隣接
    する露出ａ軸エッジを有する上部層と、 下部層の露出ａ軸エッジと上部層の露出ａ軸エッジとの
    間に位置してこれらと導電接触関係にある通常材料の層
    とよりなることを特徴とするマイクロブリッジ超電導体
    装置。
  16. 【請求項１６】 前記超電導材料の下部層及び上部層が
    ループを形成するようパターン化されていることを特徴
    とする請求項１５に記載の超電導体装置。
  17. 【請求項１７】 前記ｃ軸方向超電導材料が酸化物であ
    ることを特徴とする請求項１５に記載の超電導体装置。
  18. 【請求項１８】 前記ｃ軸方向超電導材料がＹＢａ２Ｃ
    ｕ３Ｏ７−ｘであることを特徴とする請求項１５に記載
    の超電導体装置。
  19. 【請求項１９】 前記通常材料が銀であることを特徴と
    する請求項１５に記載の超電導体装置。
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