JPS5998573A - 超伝導ジヨセフソン接合素子用のトンネル障壁作製法 - 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】 １）発明の背景 （１）発明の分野 本発明は、超伝導ジョセフソン素子のだめの二つの電極
とそれらの間のトンネル障壁の新しい製法に関するもの
である。さらに詳しくいえば、本（８） 発明はベース電極、対電極およびそれらの間の障壁接合
を基板の上に鉛材料の一様に蒸着された層として作るの
に基板を真空室から取出さないで行なう新規な方法に関
するものである。

（２）先行技術の説明 超伝導ジョセフソン接合素子は、ベース電極および対電
極を備え、対電極にはトンネル障壁接合が形成されてい
る窓すなわち穴のところ以外では両電極を分離する絶縁
層をもっていることは公知となっている。ジョセフソン
接合素子は、低温環境に置かれて、障壁接合で臨界電流
に達するまで電流の流れるための超伝導径路が存在する
。二つの電極間のトンネル障壁領域においていったん臨
界電流に達すると、障壁は高抵抗状態になる。磁界を印
加して臨界電流を制御できることは周知になっている。

これまでは、ジョセフソン接合素子は、真空室内で基板
にニオブおよびニオブ合金ならびに鉛および鉛合金を真
空蒸着することによって作られた。

引続く段階で、ベース電極を真空室から取出して。

（９） 酸化シリコンなどの絶縁層によって囲まれた窓を基板上
に形成するためにホトレジストマスクを施す。次の段階
は、障壁材料を蒸着する前に、トンネル障壁接合を作る
予定の領域からマスク材料を取除くことが必要である。

障壁領域がいったん露出されると、障壁材料を蒸着する
かまたは窓の中の領域を酸化することによって障壁接合
を作ることができる。障壁を蒸着する間、トンネル障壁
接合そのものの汚染が周囲の絶縁材料から生ずることが
ある。障壁領域はまた、ホトレジスト・マスク全化学的
につけたり、除去する処理の間に汚染されることがある
。

トンネル障壁接合のこの汚染を避けるために、基板を真
空室から取出す前にベース電極層、トンネル障壁層およ
び対電極を同じ真空室で次々に蒸着できるということが
提案された。前述の三つの層を真空室から取出さないで
次々に蒸着するとき。

それらの層は不純物の影響を受けない積層品すなわちサ
ンドウィッチ状のものを形成することになろう。このサ
ンドウィッチの各部分をエツチング（ｌＯ） またはミリングによって取除く試みがうまくゆくとはわ
からなかった。上側の電極の化学エツチングを正確に制
御することができないので、ベース電極の一部分を破壊
することになる。イオンビーム・ミリングは、化学エツ
チングより正確に制御できるが、それでもベース電極を
侵すことなく上側層を取り去って障壁接合の輪郭を作る
のに十分なζ１ど正確ではない。イオンビーム・ミリン
グすると切断が行われている側壁に材料が再付着するこ
とが知られている。従って、イオンビーム・ミリングや
プラズマ・エツチングなどが側壁に超伝導材料を再付着
して短絡を生ずることもある。化学エツチングと前述の
ミリング処理の両方がトンネル障壁ジャンクションに短
絡とアンダーカットを生ずることもある。

１つｓｏ年ｇ月１８日出願のバリー・クローガ（Ｈａｒ
ｒｙ　Ｋｒｏｇｅｒ）　　の［ジョセフソン・トンネル
接合素子およびその製法（Ｊｏｓｅｐｈｓｏｎ　Ｔｕｎ
ｎｅｌＪｕｎｃｔｉｏｎ　Ｄｅｖｉｃｅ　ａｎｄ　Ｍｅ
ｔｈｏｄ　ｏｆ　Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ）Ｊという名
称の米国特許出願筒１７９，３°１１号は。

本願と同じ譲受人であるスベリ−・コーポレーションに
譲渡されたものであるが、この特許出願は、ニオブもし
くは窒化ニオブまたは両方を用いる超伝導ジョセフソン
素子を作る方法を教示している。

ニオブおよび窒化ニオブが陽極酸化できる材料であるこ
とは周知である。ニオブで作られた対電極の部分は、ニ
オブ対電極層を蒸着させた後にそれを陽極酸化または酸
化することによって超伝導材料から抵抗材料に変えても
よい。この技術は対電極の一部分を酸化しないでおくこ
とによって、トンネル障壁接合の輪郭を作ることになる
。この特許出願に教示された前述の方法と構造は、鉛合
金超伝導ジョセフソン接合素子の製作に適用できない。

それは、鉛および鉛合金を陽極酸化して抵抗性鉛材料を
作ることができないからである。

従って、超伝導ジョセフ人ン接合素子用で間にトンネル
障壁接合をもった鉛電極や鉛合金電極を真空室から素子
を取出す必要なしに真空室環境において作ることが望ま
しいであろう。こうすれば、二つの電極およびトンネル
障壁接合を不純物が導入されることなく作ることができ
るであろう。

２）発明の要約 本発明の主な目的は、船主成分材料の超伝導ジ〜　　　
ヨセフソン素子の能動要素を基板上にその基板を真空室
から取出さずに作る方法を提供するである。

本発明のもう一つの主な目的は、トンネル障壁接合領域
をトンネル障壁接合材料の上に形成する方法の一連の新
規な工程を提供することである。

本発明のもう一つの目的は、横方向に非導電性であって
、トンネル障壁材料の層の上に蒸着された後に模様付け
をできる超伝導鉛材料の対電極を提供することである。

本発明の一般的目的は、ワイヤボンディングによるかま
たは写真食刻法で作られた導電性径路もしくはリードに
よって相互接続できる複数のジョセフソン超伝導素子を
単一基板上に作る方法を提供することである。

本発明のもう一つの目的は、ベース電極が超伝導鉛材料
で作られ、ベース電極の一部分が横方向に非導電性にな
るように模様付けされている新規（１３） な超伝導ジョセフソン素子を提供することである。

本発明のこれらおよびその他の目的によれば、約ＬＯＸ
ＩＯ）ルの高真空環境に置かれている絶縁基板が用意さ
れる。真空圧力を約１０〜３０×１０　トルに高めるた
めに不活性ガスを真空系内に調節して入れる。次に予め
定めた模様の横方向に非導電性の鉛材料をつけた絶縁基
板に超伝導鉛材料を真空蒸着して、一部分が横方向に導
電性であり前述の横方向に非導電性模様の層の上に蒸着
されている領域において横方向に非導電性であるベース
電極を作る。そのように蒸着されたベース電極は同じ真
空室内に保たれ、その上にシリコンまたはアルミニウム
などの適当な材料全酸化するかまたは真空蒸着するかの
いずれかによってトンネル障壁層を形成する。同じ基板
を同じ真空室内に保ちながら、トンネル障壁層の上に対
電極を横方向に非導電性の船主成分超伝導材料を用いて
蒸着する。基板、対電極、ベース電極およびトンネル障
壁層を含む積層構造は、真空室環境から取出されて、対
電極の適当な諸部分がトンネル障壁（１１１） 接合に接続する窓すなわち領域の輪郭を描くように、そ
れらの部分に模様付けできるようにする。

従って、超伝導船主成分材料を用いるジョセフソン接合
素子の能動層要素を作るのにその能動要素を真空室の外
の不純物に曝らすことなくできる。

３）好ましい実施例の説明 本願の目的のために、横方向に非導電性であるという用
語は、通常、垂直方向に超伝導であって、横方向に事実
上無限大の抵抗率を示す真空蒸着超伝導鉛材料の抵抗率
に用いられた。

１９８２年５月２６日に出願された１本願発明者の米国
特許願第３１１．２，５６８号に、高信頼性の鉛合金電
極材料を作る方法が開示されている。鉛合金ベース電極
材料を比較的高圧のアルゴンなどの不活性ガスの存在す
るときに真空蒸着すると、伝導度は減少するが制御でき
、鉛合金が一様で安定な超伝導材料として付着すること
が分った。

本願発明の発明者が１９８２年９月２７日に出願した米
国特許願第１１２１１，９２３号には１通常。

超伝導の鉛合金を用いて横方向に非導電性の鉛合金材料
を作る方法が開示されている。鉛合金ベース電極材料を
高圧のアルゴンなどの不活性ガスのある中で蒸着すると
き、横方向の伝導度を横方向の抵抗率が事実上無限大々
る点まで制御できることが分った。

本願の目的のため・に、安定な鉛合金電極材料がそれら
の室温における常抵抗率を太きくし、それらの材料を極
低温環境に置いたときでもなお、それらが両方向て超伝
導になるように蒸着され得ることが分るであろう。さら
に、そのような鉛合金電極材料を高圧の不活性ガスのあ
る中で真空蒸着すると、層の厚さに対して横方向の伝導
度を、横方向の抵抗率が事実上無限大で、極低温の環境
のもとでも事実上無限大のままであるように制御できる
ことが分った。

次に代表的な従来のジョセフソン接合素子の略図的断面
図である第１図を参照する。複数のこのようなジョセフ
ソン接合素子を半導体素子や超伝導素子を製作するのに
用いるために切断されて研摩された同じ基板ウェハ１１
に同時に作ってもよい。標準のシリコン基板ウェハ１１
は、約０，２６簡の厚さで、作成中のジョセフソン接合
素子から導電性シリコンを絶縁して隔離する熱的に成長
した二酸化シリコン（Ｓｉ０２）の層が上に形成されて
いる。絶縁層１２は、その上に普通は鉛もしくは鉛合金
または代りにニオブもしくはニオブ合金で作ったベース
電極１うとして図示された一層または一連の層が蒸着さ
れる。ベース電極１３を真空室内で作った後、それを真
空室から取出して、ベース電極１３の窓領域９の輪郭を
定めるマスクをつけた。次に、マスクがあとでトンネル
障壁を中に蒸着する窓または穴９の輪郭を定めるために
つけられた領域を除いてベース電極表面１３のほとんど
すべてに絶縁層１１Ｉが真空蒸着された。トンネル障壁
接合１５を作つだ後に次の真空排気をしたときに対電極
が蒸着された。真空室から取出した後の別々の異った段
階において、パッシベーション層をつけ、ワイヤボンド
１７および１８を対電極１６およびベース電極１３に取
付けて、ベース電極１３上の端子１８からトンネル障壁
接合（１７） １５を通って対電極１６およびワイヤ端子１７に至る径
路を形成する。

次に新しい改良された鉛合金ジョセフソン接合素子を作
る第１の段階を示す第２図を参照する。

絶縁酸化層１２のついている基板ウエノ・１１が薄い横
方向に非導電性の鉛合金材料を上にのせて用意されてい
る。横方向に非導電性の層は、約Ｌ１００オングストロ
ームの厚さに作るのが好ましく、ベース電極を形成する
に望ましい形をもっている開放領域すなわち穴２２ｆ：
作るために既知のホトレジスト法を用いて模様付けされ
る。第２図に示した基板１１．１２を適当に調製した後
それを鉛ベース電極材とトンネル障壁接合材料がある真
空室内に入れる。

次にジョセフソン接合素子の蒸着活性層を示している第
５図を参照する。真空室を約ＬＯｘｌＯトルの高真空に
排気した後、今度は、アルゴンなどの不活性ガスを部分
真空圧がベース電極２３の蒸着をするために１８ｘｔｏ
　　）ルより低い点まで高くなるように真空室に計量し
ながら入れる。

（１８） 鉛合金ベース電極２３を均一な層として蒸着した後、ト
ンネル障壁層２４を適当なトンネル障壁材料の酸化また
は真空蒸着のいずれかによってつけることができる。基
板を真空室に入れたまま、再び真空室を約１ｘｌＯ）ル
の高真空まで排気する。真空室を排気した後、不活性ガ
スを真空室に計量しながら入れて１８〜１００×１０　
トルの範囲の安定した部分真空圧を作る。次に鉛合金対
電極２５をトンネル障壁接合層２ＩＩの上に蒸着して完
全な層２５が横方向に非導電性でさらに垂直方向に導電
性であるという前述の特性をもつようにする。横方向に
非導電性の模様２１の上に形成された安定なベース電極
層２うもまた模様層２１の直上の領域において横方向に
非導電性であることが分った。穴領域２２の中にあるベ
ース電極２３の部分は、垂直方向と横方向に導電性であ
る。

次に第う図に示した半完成素子を真空室から取出して、
それにきのこ状リフトオフ・ホトレジスト模様をつけだ
後の素子の略断面図である第４図を参照する。第４図の
左側縁にあるきのこ状リフトオフ・ホトレジスト模様の
部分は、対電極のための端子領域２つの輪郭を定めるた
めに用いられる。第４図の中央にあるきのこ状リフトオ
フ模様２６は、トンネル障壁結合の輪郭が描かれる正確
な領域を定めるのに用いられる。絶縁層２７を蒸着した
後、半完成素子を真空室から再び取出して、リフトオフ
・ホトレジスト模様２６とその上の絶縁２７の部分を取
除く。

新しいホトレジスト模様を絶縁層２７および端子領域２
つにある対電極層２５の各部分の上につける。トンネル
障壁接合領域３０は、第５図に示した絶縁層２７の二つ
の部分の間にある窓または穴２８の下に形成される。こ
の窓または穴２８には導電性径路すなわちリード５１を
蒸着する。次に半完成素子を真空室から取出してホトレ
ジスト模様を取除き、第５図に示した半完成ジョセフソ
ン接合素子を残す。前に説明したように、対電極２５は
、横方向に非導電性に作られた。しかし、窓２８の直下
の対電極２５の領域う２は、端子う１に電気的に接続さ
れ、リード５１が窓２ｇの直下のトンネル障壁接合領域
３０と有効に電気的に接触するように垂直に導電性であ
る。トンネル障壁層２１１は、垂直に電気を伝える。こ
の層は、はんの約１１Ｏオングストロームの厚さしかな
く、電流がこの接合を垂直に通してトンネルし、横方向
には消散も減衰もしない。窓２８および領域３０゜３２
の下のベース電極２３は、それが端子パッド領域２つに
電気的に接続されるように、横方向にも垂直方向にも導
電性である。端子パッド領域２９は、トンネル障壁接合
領域３０に較べて非常に大きいので、電気は超伝導リー
ド３１および対電極２５．３２から酸化層２１１を通り
、ベース電極２３の横方向に導電性の部分を通って端子
パッド領域２つに戻るように流れる。端子パッド領域２
つは。

非常に大きいので、そのパッド領域２つの直下の酸化物
層２１１では臨界電流に達することが決してなく、そこ
はジョセフソン接合素子の通常の動作の間超伝導のまま
である。

試験結果によれば、端子パッド領域２つの下の領域は決
して臨界電流状態にならず、このパッド（２１） 領域に接続された端子がベース電極２うに有効に電気的
に接続されることが分った。さらに、端子またはリード
アウト３１は、対電極２５の部分５２を通して酸化物層
２１Ｉに電気的に接続されている。

領域３２の下の酸化物層２４はまた、ベース電極２うに
も接続されてトンネル障壁接合のために予め定めた小領
域う０を形成する。前述のトンネル障壁接合３０は、約
１１Ｏオングストロームの厚すで、直径捷たは各辺が数
ミクロンであってもよい。

ベース電極２３は、約２０００オングストロームの厚さ
に作るのが好ましく、対電極も約２０００オングストロ
ームの厚さに作る。非導電性模様層２１は、わずか約１
１００オングストロームの厚さなので、基板の上に蒸着
された層は、それらを例示のために誇張してあっても、
はぼ平行で薄層状になっていることが分るであろう。

第５図に示した半完成ジョセフソン接合素子にパシベー
ション層５１１を加えて第６図に示したように完成させ
ることができる。端子３１の端部分は、端子３１を介し
て対電極２５につながるワイ（２２） ヤポンド３５を作るために露出しだままにしておいても
よい。同様にして、ワイヤボンド３６をベース電極２３
に電気的に接続される端子パッド２つに作ってもよい。

第６図に示した好ましい実施例では、横方向に非導電性
の層２」およびベース電極２うの層２１の直上の横方向
に非導電性の部分は１個々のジョセフソン接合素子を隔
離して境界を定めるのに用いることができる。しかし、
ベース電極２３を同じ基板上の隣接素子またはすべての
素子に接続できるオープンパターンを横方向に非導電性
の層２１によって形成してもよい。後者の場合には、ベ
ース電極を同一基板上の他のベース電極すべてに接続す
るときは、ベース電極をアース面として利用する。

次に第６図に示した好ましい実施例のジョセフソン接合
素子の変更形である第７図を参照する。横方向に非導電
性の層２１およびそれの関連の穴２２がジョセフソン接
合の作られている基板１１．１２から除かれていること
に気付くであろう。下に置かれた第１の層は、今度は模
様層のなくなっただめにベース電極アース面であるベー
ス電極２３′である。酸化層２１１および対電極層２５
をベース電極２３の上に形成すると、それらはベース電
極２３′が横方向に導電性で、対電極２５が横方向に非
導電性になっているサンドインチを形成する。窓２８の
下の領域３２は、垂直方向に導電性があり、横方向に非
導電性なので、電流が端子またはリードアウト３１から
窓領域２ｇを通り対電極２５の部分３２を垂直に通って
トンネル障壁接合領域３０に流れ込み、アース面ベース
電極２うに入る。ワイヤボンド３５および３６は、対電
極２５およびベース電極２５′にそれぞれ接続部を与え
るために導電リード材料３１につけられる。導電リード
材料は、端子パッド領域２つにつけてもよいし、または
ワイヤボンド３６は、約２０００オングストロームの厚
さでワイヤボンディングができるのに十分に堅固で導電
性である対電極２３′に直接に作ってもよいことに気付
くであろう。

第７図に示した変更実施例を用いて一つのウニ・・上に
作った個々のジョセフソン接合素子を隔離することが望
ましい場合、隔離チャネル３７を各層を通して切り下げ
て好ましい基板の中に伸ばすことが必要である。隔離チ
ャネル５７をイオンミリングまたはレーザビーム蒸発に
よって作る場合、何らかの導電材料を隔離チャネルう７
の側壁に蒸着してもよい。しかし、ベース電極は既に横
方向に導電性であり、対電極は横方向に非導電性になる
ように作られているので、電流が側壁を通して流れて素
子を不動作にすることができない。チャネルう７は、各
層の厚さに較べて幅が広いので、隔離チャネル３７の幅
と第１図ないし第７図に示した各層の厚さは、本発明を
よりよく説明するために誇張されていたことが分るであ
ろう。

次にミクロンで表わした不活性ガスの圧力対蒸着された
鉛基率超伝導電極材料の相対抵抗のグラフである第８図
を参照する。この一連の処置と実験に用いた基準抵抗は
４０オームであって、標準ベース電極模様の室温抵抗を
表わすのに用いられる。第２図ないし第７図に示したベ
ース電極および対電極で用いられた鉛または鉛合金の電
極材料（２５） がそれを蒸着する基板へ蒸着点から約ｒに等しい角θで
蒸着されるとき、好捷しい実施例の超伝導ベース電極材
料が形成される。６の蒸着曲線３８は、アルゴン不活性
ガス環境の種々の圧力のもとての鉛合金ベース電極の相
対抵抗を示している。

鉛合金超伝導材料に対する６蒸着曲線３８に関連した垂
直な境界線３つがある。抵抗率は、不活性ガスの圧力が
上るにつれて上昇する。相対抵抗が５より大きな倍率に
達すると、６蒸着曲線３８は垂直境界線３つに漸近的に
なるので境界線３つの右で蒸着された材料は、横方向に
非導電性になる。

同様にして、曲線３８を作るために鉛合金超伝導材料全
蒸着するとき、アルゴン不活性ガスの圧力が下がるにつ
れて相対抵抗が下って、垂直境界線うつの左で蒸着され
た非常に安定な材料は、垂直方向にも横方向にも導電性
になることに気付いた。

垂直方向にも横方向にも導電性であることが望まれる材
料が確実に所望の性質をもつためには、その材料は、蒸
着角を約６に保ちながら境界線３つの十分左で蒸着され
るのが好ましい。

（２６） 蒸着の角度が横方向に非導電性である領域にどのように
影響するかということおよび横方向に導電性の材料がど
のように作られるかを例示するために同じ鉛合金超伝導
材料が蒸着曲線４０によって示されるように約３ぽであ
る角θで蒸着された。

蒸着曲線ｌＩＯの３ぽの角度に関連した蒸直境界線１１
１は、約１８ミクロンのアルゴンの圧力のとき横方向に
非導電性の鉛ベース合金材料を作る結果になることに気
付くであろう。従って、蒸着の角度が５０という最大の
好ましい角度に達したときは、蒸着された材料が横方向
に非導電性であることを確実にするためにアルゴン不活
性ガスの圧力（１１−２０ミクロンのわずか上に上げて
やりさえすればよい。

第うの蒸着曲線１１２は、基板からほぼ０の角度で、す
なわち直接向い合って超伝導船主成分合金材料を蒸着し
た場合を示している。関連の垂直境界線１ｊ３は、アル
ゴン雰囲気内で３２ミクロン以上の圧力で蒸着された材
料が横方向に非導電性の相料金作ることを示している。

同様に、アルゴン不活性ガスの圧力全３０ミクロンのず
っと下に下げて、蒸着の角度をほぼ０に保てば、材料は
超伝導船主成分材料が横方向および垂直方向の両方に導
電性であることを保証する垂直境界線４うの左側の領域
内で蒸着される。

鉛および鉛合金の超伝導金属を制御された不活性ガス雰
囲気のもとで蒸着して横方向に導電性の材料と横方向に
非導電性の材料の両方を作るのに成功したことを説明し
たので、横方向に非導電性である材料の層の上に普通に
やれば横方向に導電性である材料を蒸着して、横方向に
非導電性の層の上につけられるその最後の蒸着材料の部
分をも横方向に非導電性になるようにすることも可能で
あることが分るであろう。

鉛合金を用いる好ましい実施例について本発明を説明し
たので、鉛およびその他の超伝導材料を合金材料なしで
蒸着できることが分るであろう。

ジョセフソン接合素子用の鉛電極と一緒に用いられる好
ましい合金材料は、鉛の百分率が少なくとも５０％に保
たれるビスマス５インジウムおよび金である。さらに、
ジョセフソン接合素子における最高品質の障壁は、ベー
ス電極材料を無線周波数で酸化することによって作られ
た。現在好ましい対電極材料は１合金材料として金また
はビスマスを用いる鉛合金である。リードアラ）または
相互接続を形成できるリードまたは端子う１は鉛と金の
合金で作られるのが好ましい。本発明のジョセフソン接
合素子を鉛板外の材料の組合せを用いて作ってもよい。

本発明において、横方向に非導電性の材料の対電極を作
るという基本原理は、鉛および鉛合金の超伝導材料を用
いるとき、これまでは考えられなかった利点をもってい
る。明確にいえば、ベース電極層、障壁接合層および対
電極層を障壁接合領域の汚染を避けるために同じ真空室
内で１回の排気のときに蒸着できる。そのときトンネル
障壁領域５０は蒸着された材料を変化させたり、乱した
りしないで輪郭を定められる。この方法およびそれによ
って作ったジョセフソン接合素子のもう一つの利点は、
それがほぼ平らで、応力集中によっ（２つ） て素子の破損のもとになる第１図に示したような急なス
テップまたは応力集中領域をもたないことである。

船主成分のジョセフソン接合素子を作る技術に通じてい
る者は、ベース電極の構造的機能を第６図に示した素子
の対電極の機能と逆にすることが可能なことを認めるで
あろう。従って、ベース電極を横方向に非導電性にして
、ベース電極がそれ全通ってトンネル３０に至る垂直方
向に導電性の通路または部分３２を与えるようにしても
よい。

こうすると対電極を垂直方向にも横方向にも導電性にす
ることができる。二つの電極の機能を逆にすると、端子
３１と同様のリードアウト端子を基板１１．１２に作る
ことが必要になる。このリードアウト端子が端子３１０
機能を果すべきならば。

その端子は層２６と類似の絶縁層によって与えられる領
域２８に似た窓または穴をもたなければならない。窓２
８をベース電極の上方に置くと、引続いて蒸着されるト
ンネル障壁層および対電極層は、もはや平らでなく、ト
ンネル障壁接合３０の（う　０　） 領域をゆがめる。

横方向に非導電性のベース電極の上方の窓または穴２８
を避ける試みをする場合、窓領域２８の輪郭を作った後
に基板を真空室から取出して、窓領域を導電金属の通路
で満たして窓または穴を平らにしなければならない。こ
の導電通路は、余分なマスク工程を必要とするので、三
つの活性層を蒸着する前に半完成基板を真空室から取出
さねばならないほかに、マスクの重ね合せに誤差を生ず
る可能性がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は、真空室内で異なる排気段階で作られたベース
電極とトンネル障壁接合とを示す代表的な従来のジョセ
フソン接合素子の略断面図、第２図は、二つの電極層と
トンネル障壁層とを蒸着する前に新規な横方向に非導電
性鉛ベース模様をつけた絶縁基板の略断面図、 第５図は、二つの電極層とトンネル障壁層を真空室内で
同じ排気の間に蒸着した後の第２図の絶縁基板の略断面
図。 第４図は、リフトオフ・ホトレジスト模様を付け、その
模様および対電極の上に絶縁層を付けた後の第う図の半
完成ジョセフソン接合素子の略断面図。 第５図は、ホトレジスト模様を取除いてトンネル障壁接
合領域を露出させて、導電通路またはリードアラ＋ｆそ
の上に蒸着した後の第４□□□に示した半完成ジョセフ
ソン接合素子の略断面図、第６図は、パッシベーション
層を付加し、二つの電極に接続するワイヤボンドをつけ
て完成素子にした後の第５図に示したジョセフソン接合
素子の略断面図、 第７図は、第６図に示した完成ジョセフソン接合超伝導
素子の変更実施例の略断面図、第８図は、横方向に導電
性または横方向に非導電性の電極を作るために不活性ガ
スの存在のもとに真空蒸着された超伝導鉛材料のミクロ
ン単位の圧力対オーム単位の抵抗のグラフである。 １１−一基板ウェハ、　　　　１２−一絶縁層、２１−
１方向圏■藷性の層、２うｍ−ベース電極、２１１−−
）ンネル障壁接合層、　　２５−一対電極。 ２６−−リフトオフ・ホトレジスト模様、２７一−絶縁
層、３Ｏ−−）ンネル障壁接合領域、　　３１−一リー
ド。 ３５．３６−−ワイヤボンド。 （５５） ３３９ アメリカ合衆国ペンシルバニア 州ノリスタウン・ブラック・ス イツト・ロード３０１１ ＠発明者ヘーター・ルンチュン・ヤン アメリカ合衆国イリノイ州キャ リー・モンタナ・ドライブ９１０ ３１

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 Ｌ　超伝導ジョセフソン素子のだめの二つの電極とその
   間のトンネル障壁接合とを作るのに前記素子を処理中に
   真空室から取出さずに作る方法であって、 絶縁基板（１２）’を真空室に入れる工程と。 前記基板上に鉛を含む超伝導材料のベース電極層（２３
   ）を蒸着する工程と、 前記ベース電極の露出表面の上にトンネル障壁層（２１
   ４）を蒸着する工程と、 前記トンネル障壁層の上に鉛を含む超伝導材料の対電極
   層（２′５）を蒸着して基板を真空室から取出さずに二
   つの電極とその間のトンネル障壁層を完成する工程と、 を含み。 前記対電極層は、前記真空室内に不活性ガ（１） ス雰囲気の存在する部分真空圧で蒸着されて、垂直方向
   に導電性で横方向に非導電性の対電極層となり。 次いで、 前記基板を前記真空室から取出す工程と、前記超伝導ジ
   ョセフソン素子のトンネル障壁接合（３０）の上の前記
   対電極の領域を定めるリフトオフ・ホトレジスト模様（
   ２６）をつける工程と、 前記基板を前記真空室に戻す工程と、 絶縁層（２７）を前記対電極層および前記リフトオフ・
   ホトレジスト模様の上に蒸着する工程と１ 前記基板を前記真空室から取出す工程と。 前記リフトオフ模様を取除いて前記対電極の前記トンネ
   ル障壁接合の上の領域を露出されたままにする工程と、 開口からなるホトレジスト模様を前記トンネル障壁接合
   の上にある前記対電極層の部分（３２）の上につける工
   程と。 （２） 前記基板を前記真空室に戻す工程と、 前記ホトレジスト模様の前記開口に導電通路（３１）’
   に蒸着して、超伝導ジョセフソン接合素子にする工程と
   、 を含む方法。 ２、超伝導ジョセフソン素子のための二つの電極とその
   間のトンネル障壁接合とを前記素子を処理中に真空室か
   ら取出さずに作る方法であって、 絶縁基板を真空室に入れる工程と、 垂直方向に導電性で横方向に非導電性の超伝導材料のあ
   らかじめ定めた厚さの薄い模様層をつける工程と、 前記基板上に鉛を含む超伝導材料のベース電極層（２３
   ）ｋ蒸着する工程と、 前記ベース電極の露出表面の上にトンネル障壁層（２’
   ｌ）’に蒸着する工程と、前記トンネル障壁層の上に鉛
   を含む超伝導材料の対電極層（２５）’ｌｒ蒸着して基
   板を真空室から取出さずに二つの電極とその間のトンネ
   ル障壁層を完成する工程と。 を含み、 前記対電極層は、前記真空室内（（不活性ガス雰囲気の
   存在する部分真空圧で蒸着されて垂直方向に導電性で横
   方向に非導電性の対電極層となり、 次いで。 前記基板を前記真空室から取出す工程と、前記超伝導ジ
   ョセフソン素子のトンネル障壁接合（３０）の上の前記
   対電極の領域を定めるリフトオフ・ホトレジスト模ｍ（
   ２６）をつける工程と。 前記基板を前記真空室に戻す工程と、 絶縁層（２７）を前記対電極層および前記リフトオフ・
   ホトレジスト模様の上に蒸着する工程と、 前記基板全前記真空室から取出す工程と。 前記リフトオフ模様を取除いて前記対電極の前記トンネ
   ル障壁接合の上の領域を露出されたままにする工程と、 開口からなるホトレジスト模様を前記トンネル障壁接合
   の上にある前記対電極層の部分（３２）の上につける工
   程と、 前記基板を前記真空室に戻す工程と。 前記ホトレジスト模様の前記開口に導電通路（３１）　
   ｋ蒸着して、超伝導ジョセフソン接合素子にする工程と
   、 を含む方法。 ５、　超伝導材料のベース電極層を蒸着する前記工程が
   前記ベース電極を前記真空室内に不活性ガス雰囲気が存
   在するときに蒸着することからなり、 前記ベース電極が前記ベース電極層の前記基板に直接に
   蒸着されている部分で横方向および垂直方向に導電性で
   あり、前記ベース電極層の前記横方向に非導電性の薄い
   模様層の上に蒸着された部分で垂直方向に導電性で横方
   向に非導電性であることを特徴とする特許請求の範囲第
   ２項に記載の方法。 ４、　垂直方向に導電性で横方向に非導電性の前（５） 記薄い模様層が約１８〜１００ｘｌＯ）ルの部分真空圧
   にある不活性ガス雰囲気中で蒸着される特許請求の範囲
   第５項に記載の方法。 ５、　超伝導材料の前記ベース電極層が約１０〜３０Ｘ
   １０　　）ルの部分真空圧にある不活性ガス雰囲気中で
   蒸着される特許請求の範囲第４項に記載の方法。 ６　超伝導ジョセフソン素子用の二つの電極とそれらの
   間のトンネル障壁接合を作るのに前記素子を処理中に真
   空室から取出さずに作る方法であって。 絶縁基板（１１）’に用意する工程と。 前記絶縁基板を真空室環境に入れる工程と。 前記基板に鉛を含む超伝導材料のベース電極層（２３）
   を蒸着する工程と、 前記ベース電極層の上にトンネル障壁層（２１１）’に
   設けるために前記ベース電極層を酸化する工程と、 圧力を１８〜１００ｘｌＯ）ルの範囲にある部分真空圧
   に安定化するために不活性ガ、（６） スを前記真空室に入れる工程と。 前記トンネル障壁層上に鉛を含み垂直方向に導電性で横
   方向に非導電性である対電極超伝導材料（２５）を蒸着
   する工程と。 前記積み重ねた各層のついた前記基板を前記真空室から
   取出す工程と。 ホトレジストのきのこ状リフトオフ模様（２６）’に前
   記対電極のトンネル障壁接合領域を定めるあらかじめ定
   めた領域（３２）の上につける工程と、 前記リフトオフ模様のついた前記基板を前記真空室環境
   に戻す工程と。 絶縁層（２７）’に前記リフトオフ模様のつい友前記対
   電極の上に蒸着する工程と。 前記リフト模様のついた前記基板を前記真空室から取出
   す工程と、 前記あらかじめ定めたトンネル障壁接合領域において前
   記対電極の上に窓を設けるために前記リフトオフ模様お
   よびその上の前記絶縁層を取除く工程と。 （７） 前記トンネル障壁接合領域にある前記窓を露出されたま
   まにして前記絶縁層の上にホトレジスト模様をつける工
   程と。 前記基板を前記真空室環境に戻す工程と。 前記窓および前記トンネル障壁接合領域中および前記絶
   縁層の部分の上に超伝導径路を蒸着してトンネル障壁接
   合領域を定めるとともにリードアウト接続（５１）’に
   形成する工程と、 前記基板を前記真空室から取出す工程と、前記ホトレジ
   スト模様とその上についた前記超伝導径路を取除いて超
   伝導ジョセフソン素子を残す工程と。 を含む方法。