JPS63263482A - 超電導デバイスとその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 以下の順序で本発明を一説明する。

Ａ、産業上の利用分野 Ｂ、従来技術 Ｃ１発明が解決しようとする問題点 り０問題点を解決するための手段 Ｅ、実施例 Ｅｌ、概要 Ｅ２．デバイスの構造 Ｅ３．製造方法 Ｆ０発明の効果 Ａ、産業上の利用分野 本発明は３０″に以上の温度で超電導性を示すような、
高いＴｃの超電導体を用いた新規なデバイス及びそのデ
バイスの製造方法に関し、特に実質的に平坦な高Ｔｃ　
　ＳＱＵＩＤデバイス及びその製造方法に関する。

Ｂ、従来技術 超電導性とは、通常、ある厳密に決定された温度で材料
の電気抵抗が完全にゼロになることであると定義される
。そこのことは周期律表の約１／４の元素と１０００種
類以上の合金とその他の複合成分システムを含む多くの
材料で起こることが知られている。一般的には、超電導
性をひき起こす条件下ですべての超電導体が金属である
ため、超電導性とは材料の金属状態の特性であると考え
られている０例えば、通常は非金属であるいくつかの材
料も、超電導的なふるまいを呈するようになる前にそれ
らの材料を金属に変換するような超高圧下に置くことに
より、超電導性になるのである。

超電導体は、多くの応用技術、特にジョセフソン型スイ
ッチなどの高速スイッチング・デバイスや高密度パッケ
ージング及び回路レイアウトに、きわめて魅力的である
ことが知られている。超電導体はまた異なるタイプの電
子装置にも使用され、きわめて正確且つ感度の高い磁化
計 （ｓｕｓｃｅｐｔｏ＋＊ｅｔｅｒ）及び磁力計（ｍａｇ
ｎｅｔｏｍｅｔｅｒ）を与える。

ところが、超電導体の利点は科学者にも技術者にも全く
明らかであるけれども、超電導材料の共通の欠点は転移
温度がきわめて低いことである。

この温度は通常臨界温度Ｔｃと呼ばれ、この温度より高
いと超電感性は存在しない０通常、Ｔｃは数ケルビン温
度のオーダーである。長年の間、知られている最も高い
Ｔｃをもつ組成は約２３″にのＴｃを示すＮｂａＧｅで
あった。これらの材料についての検討は、に、ｌ、［３
６ａｓｌｅｙらによる、Ｐｈｙｓ、Ｔｏｄａｙ。

３７（１０）、６０（１９８４）に記載されている。

しかし１９８６年、Ｊ、Ｇ、Ｂｅｄｎｏｒｚ及びに、Ａ
。

Ｍｕｅｌｌａｒによって、Ｚ、Ｐｈｙｓ、　Ｂ−Ｃｏｎ
ｄｅｎｓｅｄ　Ｍａｔｔｅｒ、旦土ｐｐ、１８９−１９
３　（１９８６）に重要な技術的躍進が報告された。こ
れは、この１０年間の超電導転移温度における最初の主
要な向上であった。　Ｂｅｄｎｏｒｚ及びＭｕａｌｌｅ
ｒによって報告されている材料は、希土類または近希土
類及びアルカリ土類元素置換成分を含みつる遷移金属酸
化物であった。

それらは多くの場合酸素欠損（ｄｅｆｉｃｉｅｎｃｙ）
によって特徴付けられる層状の結晶構造である。このと
き、遷移金属は多価でなくてはならないけれども、希土
類、近希土類及びアルカリ土類元素については多くの選
択がなし得ると考えられている。

そのような材料の例としてＬａ−５ｒ−Ｃｕ−０及びＹ
−Ｂａ−Ｃｕ−０システムにおける酸化物がある。これ
らの材料についてさらに述べた別の文献として、Ｊ、Ｇ
、Ｂｅｄｏｎｏｒｚ％Ｅｕｒｏｐｈｙｓｉｃｓ　Ｌｅｔ
ｔａｒｓ。

ユ（３）、ｐｐ、３７９−３８５　（１９８７）がある
。

Ｂｅｄｎｏｚ及びＭｕｅｌｌｅｒによって最初に記述さ
れた材料の類をこの後高Ｔｃ超電導体と呼ぶことにする
。

これは、当技術分野で仕事をしている人々によってこれ
らの材料のことを゛記述するために一般的に使用されて
いる用語であり、それら゛の材料は、約３０″に以上の
超電導転移温度をもつ遷移金属酸化物として特徴づけら
れる。

ＭｕｅｌｌｅｒとＢｅｄｎｏｒｚの先駆的な業績以後、
これらの超電導体をさらに発展させさらに高い臨界温度
をもつ組成を見出そうと相当に活発な技術的活動が行な
われている０例えば、本出願人に係る１９８７年３月１
１日付出願の米国特許出願第０２４６５３号があり、こ
れには７７″に以上の温度で超電導性を示す単−相Ｙ−
Ｂａ−Ｃｕ−０システムが記述されている。この米国特
許出願で述べられている代表的な組成はＡ、Ｍ、Ｃｕ、
Ｏｙという化学式％式％ はＹｂの組合せであり、ＭはＢａあるいはＢａ、　Ｓｒ
またはＣａの組合せであり、ｙは組成の原子価について
の要請を満足するに十分な数である。

これらの高Ｔｃ超電導体、特にＬａ−３ｒ−Ｃｕ−０及
びＹ−Ｂａ−Ｃｕ−０システムを記述する文献として次
のものがある。

Ｃａｖａ他、Ｐｈｙｓ、　Ｒｅｖ、　Ｌｅｔｔｅｒｓ、
　５８．４０８（１９８７）Ｃｈｕ他ｔＰｈｙｓ、　Ｒ
ｅｖ、　Ｌｅｔｔｅｒｓ、　５８．４０５（１９８７）
高Ｔｃ超電導体の分野の他の重要な進展として、高Ｔｃ
組成の膜、特にＬａ−８ｒ−Ｃｕ−０及びＹ−Ｂａ−Ｃ
ｕ−０システムに属する膜の製作に成功したという最初
の報告があった。これらの膜は１９８７年３月１８日に
ニューヨーク市で開催されたＡｍｅｒｉｃａｎ　Ｐｈｙ
ｓｉｃａｌ　５ｏｃｉｅｔｙでの会合で報告され、Ｒ，
Ｂ、Ｌａｉｂｏｗｉｔｚらによる論文に記述されている
。

Ｌａｉｂｏｗｉｔｚらが教示するところは、酸素雰囲気
にある基板に金属原子を気相輸送するために複数の金属
ソースが使用される気相付着技術である。

例えば、電子ビーム加熱されたソースに所望の金属、例
えばＬａ、Ｓｒ及びＣｕまたはＹ、Ｒａ、Ｃｕが装填さ
れる。蒸着の速度は、基板に所望の公称組成を与えるよ
うに調整される。そして所望の化学量論比を与えるため
に約９００℃の酸素雰囲気中でのアニーリングがその後
行なわれる。

これらの膜とその製造処理については、１９８７年３月
１８日ｉこ出願された本出願人に係る米国特許第０２７
５８４号により詳細に述べられている。

さて、これらの新しい高Ｔｃ超電導体の物理と科学を理
解するためにこれらの材料に関して多くの科学的研究が
なされているけれども、これらの高Ｔｃ超電導体を利用
したデバイス及びそのデバイスの製造方法について報告
した者はまだない。

特に、これらの高Ｔｃ材料を有するデバイスが成功裡に
動作したという報告もないし、実質的に平坦な構造をも
つそのようなデバイスを製造する技術の報告もない、一
般的には、超電導デバイスは。

異なる材料からなる複数の層を利用し、平坦でない幾何
形状をもつ、しかし、多結晶構造のため、電子の流れの
ポテンシャル障壁を与える粒状境界をもち、そうしてト
ンネル効果デバイスとして使用することのできる材料も
ある。そのようなデバイスはしばしば境界層ジョセフソ
ン接合と呼ばれ、次の文献に記載されている。

Ｍ、　Ｉｔｏ他、Ｊａｐａｎｅｓｅ　Ｊｏｕｒｎａｌ　
ｏｆ　ＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓ、　２工Ｎａ６、
ｐｐ、Ｌａ　７５−Ｌａ　７６．１９８２年６月 Ｍ、Ｉｔｏ他、　Ａｐｐｌ、　Ｐｈｙｓ、　Ｌａｔｔ、
　４３（３）、　ｐｐ。

３１４．１９８３年８月１日 Ｔ、　Ｉｎａｍｕｒａ他、Ｊａｐａｎｅｓｅ　Ｊｏｕｒ
ｎａｌ　ｏｆ　ＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓ、２１　
　Ｓｕｐｐｌｅｍｅｎｔ　　２１−１　、　ｐｐ、　３
１３−３１８、１９８２ これらの文献に記述されているデバイスは、その製造処
理の間に付着膜となる粒状境界を有する。

しかし、これらの文献は超電導領域と非超電導領域を制
御可能に製造するような方法で付着膜を処理する方法を
教示しないし、ＳＱＵＩＤのようなデバイスを製造する
方法を示すものでもない。

Ｃ６発明が解決しようとする問題点 本発明の主要な目的は、高Ｔｃ超電導材料を用いたほぼ
平坦なデバイスとその製造方法を提供することにある。

本発明の他の目的は、３０°Ｋを超える温度で動作する
ことができ、全体的に高Ｔｃ超電導材料で製作されるデ
バイスを提供することにある。

本発明のさらに他の目的は、高Ｔｃ超電導体の単一層ま
たはバルク・サンプル中に超電導部分と、通常部分と、
絶縁部分を制御可能に製作するための技術を提供するこ
とにある。

本発明のさらに他の目的は、高Ｔｃ超電導材料の単一層
中に３次元デバイス構造を与えることと、そのような３
次元デバイスを製造するための方法を提供することにあ
る。

本発明のさらに他の目的は、高Ｔｃ超電導材料中に形成
された少くとも１つの弱い超電導リンクを有するＳＱＵ
ＩＤデバイスを提供することにある。

本発明のさらに他の目的は、６０″に以上の温度で首尾
よく動作するＤＣＳＱＵＩＤとその製造方法を提供する
ことにある。

本発明のさらに他の目的は、はぼ平坦な形状をもち６０
°Ｋを超える温度で動作する、高Ｔｃ超電導材料を有す
るＳＱＵＩＤデバイスを提供することにある。

本発明のさらに他の目的は、金属的であり通常的（すな
わち非超電導的）、または絶縁性である高Ｔｃ超電導体
の局在化された領域を制御可能に形成する技術を提供す
ることにある。

本発明のさらに他の目的は、異なる材料を用いたり同一
または異なる材料の組数層を用いることなく超電導体中
にデバイスを形成し得るように高Ｔｃ超電導体の特性を
局在的に変更するための処理技術を提供することにある
。

Ｄ６問題点を解決するための手段 本発明の処理技術は、膜状またはバルク材料のどちらで
もよい高Ｔｃ超電導体の単一の片に構成される多くの異
なるタイプのデバイスを与えるものである。これらのデ
バイスとしては、屈曲ライン、ホール構造体、ＳＱＵＩ
Ｄ及び伝送線パターンがある。

特に、６０°Ｋを超える温度で動作可能であり。

高Ｔｃ材料中に新規でほぼ平坦なりＣ’ＳＱＵＩＤを製
作することができる。

この製造処理においては、高Ｔｃ超電導材料の特性を変
化させるべくその材料に損傷をひき起こすに十分なエネ
ルギをもつビームが使用される。

この損傷は、例えば、材料の特性を、超電導から正常（
すなわち非超電導）あるいは非超電導絶縁状態にまでも
変化させることになる。このようにして、ある部分を超
電導のままで残す一方、他の部分をアモルファス構造を
もつ絶縁性にするために結晶からアモルファス構造への
完全な転移を行なわせることができる。

高Ｔｃ超電導体の特性を変化させるためのビームの特に
好ましい例は、高Ｔｃ超電導体に指向される酸素、Ａｓ
、Ｋｒなとのイオンのビームである。

尚、これらの高Ｔｃ超電導体はイオンの衝撃に対してき
わめて感応性が大きく、ビームが材料上にイメージされ
た領域で超電導体の特性を変化させることができるとい
うことが見出された。さらに、イオン衝撃技術は、Ｔｃ
超電導体の品質が向上するほどより一層うまくゆくよう
である、ということも見出された。すなわち、組成中に
相当な量の超電導相が存在している箇所ではイオン・ビ
ームの効果がより一層明確にあられれ、−明確に画定さ
れた非超電導領域を形成、することが容易となる。

好適な実施例においては、６０°Ｋを超える温度でＤＣ
ＳＱＵＩＤとして動作する超電導ループ中に弱い超電導
リンク（ｗｅａｋ　ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇｌ
ｉｎｋ）を画定するために使用された。この弱いリンク
と超電導ループは高Ｔｃ超電導材料の共平面部分であり
、一方それをとり巻くこの材料の部分が衝突イオン・ビ
ームによって非超電導性となされる。

この技術を用いると、３次元デバイスを含む多くのタイ
プのデバイス及び構造を製造することが可能である。特
に３次元デバイスの場合、超電導層間に絶縁層が形成さ
れ、超電導層中にデバイスが形成されることになる。

Ｅ、実施例 Ｅｌ、概要 本発明の実施においては、超電導材料を局所的に損傷さ
せその特性を変化させるために超電導材料上にエネルギ
・ビームを照射することによって高Ｔｃ超電導材料中に
デバイスが形成される。この材料は層でもバルク材料で
もよく、それは超電導から正常（金属状態）、あるいは
超電導から絶縁状態へ変化させることができる。この変
化の機構は、高・Ｔｃ超電導体の結晶構造がビームによ
って変化されたものである導入された損傷である。

本願発明者らの実験によれば、これらの材料の入来ビー
ムに対する感応性は、原子あたり約１０ａＶの印加エネ
ルギでも、超電導金属材料から非超電導絶縁状態への変
化をもたらすための結晶−アモルファス転移を生じさせ
るに十分な程度に大きいことが分かった。そのしきい値
がもう少し小さいと超電導材料は通常の性質をもつよう
になされる。

すなわち、超電導ではないが金属状態を保持するように
なる。

好適な実施例においては、イオン・ビームであり、その
イオンのタイプは、さまざまなものを使用することがで
きる。これらのイオンには例えば酸素、砒素、及びクリ
プトンがある。一般的には、イオンが重いほど、引き起
こされる損傷も大きく、所与の址の損傷をひき起こすに
必要な線量（ｄｏｓｅ）が小さくなる。

さらにまた、高Ｔｃ材料中の超電導相は百分水が大きく
なるにつれて、それだけ材料はイオン・ビーム損傷を被
りやすくなることも分かった。尚。

導電性の第２の相の存在により高Ｔｃ超電導体中に容易
にイオン損傷されない領域が形成されるように思われる
。もしこれらの第２の相領域の量がきわめてわずかであ
るか、またはこれらの第２の相が接続されていないなら
、超電導材料はイオン衝突により容易にその超電導特性
を変化される。

しかしもし、第２の相が大きな割合で存在するなら、超
電導材料の特性を首尾よく変化させるためにはきわめて
大きい線量または重いイオンが必要である。幸いにも、
材料の品質が向上するにつれて、イオン・ビームによっ
て特性を局所的に変化させる能力も高まるのである。

Ｅ２．デバイスの構造 これらの発明概念は、第１図に示すＤＣＳＱＵＩＤデバ
イスのようなより具体的な例によってさらによく説明す
ることができる。すなわち、第１図を参照すると、超電
導ＳＱＵＩＤＩＯが高Ｔｃ超電導材料の層１２中に形成
されている０層１２は、当技術分野でよく知られている
冷却装置１４中に収められている。冷却装置１４は、層
１２を、３０°Ｋによりは高い低温に維持するため番；
使用される。ＳＱＵＩＤは、２つの弱い超電導リンク１
６Ａ及び１６Ｂを組み込まれてなる超電導ループを有す
る。この弱いリンクは、超電導材料のくびれ部分によっ
て与えられる。

しかし別の技術においては、２つの高Ｔｃ超電導体の間
の領域中のＴｃを低下させる。ためにイオン・ビームが
使用される。第１図において、ハツチングが層１２の超
電導部分を表示するために使用され、一方、層１２のハ
ツチングのない領域は非超電導部分をあられす。また、
Ａｌリード１８がＳＱＵＩＤの超電導部分２ＯＡ及び２
０Ｂに超音波により接着され、バッテリ２２と可変抵抗
２４をもつ電流源に接続されている。リード２６もまた
。ＳＱＵＩＤの両端の電圧Ｖを検出するために超電導部
分２０Ａ及び２０Ｂと、電圧増幅器２８に接続されてい
る。

第２図は、ＳＱＵＩＤループのほぼ平坦な超電導及び非
超電導領域を明確に図示するための、第１図のＳＱＵＩ
Ｄデバイスの部分側面図である。

材料１２の高エネルギ照射により、その一部が非超電導
状態に変化され、もし線量が十分であるなら、絶縁状態
に変化される。このために、超電導性のまま残すべき層
１２の部分を保護するべくパターン化されたマスク層が
使用される。こうして、弱いリンク１６Ａ、１６Ｂと、
超電導ループ部分に対応する層１２の部分がマスクによ
って保護されることになる。一方、内部領域３０と、超
電導領域１６Ａ、１６Ｂ、２０Ａ及び２０Ｂをとり巻く
領域は保護されないがゆえに、高エネルギ・イオン・ビ
ームによって非超電導性になされる。このように、部分
１６Ａ及び１６Ｂと、２０Ａ及び２０Ｂを有する超電導
ループが層１２の深さ全体に亘って形成されることにな
る。これらの超電導部分のうちで１部分１６Ａと１６Ｂ
が、ＳＱＵＩＤデバイスを形成するように電流を流す弱
い超電導リンクである。第２図から明らかなように、こ
のＳＱＵＩＤは実質的に平坦である。尚、高エネルギ・
イオン衝撃が行なわれるとき幅射領域でサイズが変化し
て層１２の上面を完全な平坦形状から幾分か変形される
こともあり得る。しかしそのような変形は十分に小さく
、実質的に平坦な構造が形成されると考えてよい。

第２図において、高Ｔｃ材料はバルク材料でもよく、基
板上に形成された膜でもよいことを理解されたい、これ
らの図において、基板は図示されていないけれども、Ｍ
ｇＯや、熱成長させた５ｉｎ２や、サファイアなどの基
板を使用することができる。

高Ｔｃ材料１２の特性を局所的に変化させるために、指
向されたエネルギのビームが使用される。

そのようなビームは、第３図に概略図示されたイオン・
ビーム・システムによって慣用的に供給されるイオン・
ビームである。このシステムにおいて、イオン源３２が
、基板３６上に配置された高Ｔｃ材料１２に指向される
。尚、イオン源は一般的には分析用磁石を含み、これに
より超電導体に衝突するイオン・ビームが所望のイオン
のみから成ることを理解されたい、第３図において、矢
印３８は１例えばよく知られた静電偏向手段を用いてビ
ーム３４が超電導体１２の異なる部分に亘って走査され
ることを示す、この全線址、イオンのタイプ及び入射イ
オンのエネルギについては、後でいくつかの例に関連し
て具体的に例示することにする。

第４図４１６″Ｋ、３８″Ｋ、６０’Ｋ及び７７″にと
いう４つの温度における第１図のＳＱＵＩＤのニー７曲
線を示す、これらの電圧−電流曲線は、６゜Ｘまでの温
度で超電導電流が存在することを示している。このＤＣ
ＳＱＵＩＤは実際に６８″にで超電導電流を呈した。Ｓ
ＱＵＩＤを液体窒素に浸漬した７７″にでは工８対Ｖの
曲線は最早超電導電流を示さなかったが、しかしよりく
３μＡではわずかな抵抗の減少を示した。

これはＳＱＵＩＤループのわずかな部分が超電導性であ
るがループ全体が超電導性である訳ではない、というこ
との特徴であると考えられる。

第５Ａ、５Ｂ及び５０図は、ＳＱＵＩＤループに交差す
る磁界をつくるために使用されたコイルを流れる電流（
または磁束）の関数としての、第１図のＳＱＵＩＤの両
端の電圧Ｖのプロットである。これらの図において、３
つの異なる温度４゜２″Ｋ、２８″Ｋ及び６８″にの場
合についての電圧曲線が示されている。この分野でよく
知られているように、ＤＣＳＱＵＩＤの、磁束の勾配に
対する周期的なふるまいが、ＳＱＵＩＤの動作が正常で
あるということの示標である。第５Ａ、５Ｂ及び５０図
から明らかなように、ＤＣＳＱＵＩＤの両端の電圧は、
３つの測定温度で、印加された磁束（電流）に関して周
期的であり、このことはＳＱＵＩＤの正常動作を示して
いる。尚、第５Ａ、５Ｂ及び５Ｃ図の電圧対電流曲線に
は、弱いリンク１６Ａ及び１６Ｂがわずかに異なるとい
う事実のため、少し非対称性があられれている。ＳＱＵ
ＩＤループを横切る磁束板子Φ、毎に必要な実際の電流
は低温では小さくなる。というのは、大きいパッド２Ｏ
Ａ及び２０Ｂがそのパッドの中心から磁束を遮蔽（ｓｃ
ｒｅｅｎ）　してこのＳＱＵＩＤが配置されているパッ
ドの端部付近の磁界を増加し、以て磁束集中（ｆｌｉｉ
ｘ　−ｆｏｃｕｓｉｎｇ）効果を引き起こすからである
。温度が上昇するにつれて、パッドの遮蔽が弱くなり、
Φ。が増加する。この磁束集中効果はＳＱＵＩＤの磁束
感度をほぼ一桁向上させる。

第５Ａ、５Ｂ及び５０図のデータによって特徴づけられ
るＳＱＵＩＤにおいて、弱いリンク部分１６Ａ及び１６
Ｂは、幅が１７ミクロンで長さが４０ミクロンである。

領域３０は４０Ｘ４０ミクロン平方であって、以て４０
Ｘ４０ミクロン平方の超電導ループを形成する。高Ｔｃ
超電導体１２の厚さは約１ミクロンである０層１２には
約５×１０″５イオン／ｄの線量で酸素イオンが打込ま
れ、そのイオン・エネルギは約２５０　ＫｅＶであった
。

超電導体１２は公称組成ＹＢａ、Ｃｕ、Ｏｙをもつ膜で
あり、ｙは、この組成の電子価要求を満足するに十分な
値である。超電導性は、そのデバイスの周囲゛の層にお
いて超電導性の領域を実質的に残さないように破壊され
、平坦なＳＱＵＩＤ構造が形成された。

、通常は、これらの寸法の弱いリンクが弱いリンクとし
て動作することは期待されないのではあるまいか、すな
わち、これらの弱いリンク中に存在する粒をまたぐ超電
導トンネル接合が存在し、ジョセフソン・トンネル電流
が超電導ループの領域２０Ａ及び２０Ｂの間を通過する
ことが可、能ならしめられるように思われる。しかし、
本発明の技術は、特に高Ｔｃ材料の品質が向上するにつ
れて。

くびれ状の弱いリンクのためのきわめて微細な線幅を作
製するために使用し得るものである。このため、粒状境
界をまたぐ障壁の存在は、本発明に基づき弱い超電導リ
ンクを形成するための必須要件ではない。

第６図及び第７図は、本発明の技術によって形成するこ
とのできる別のタイプの構造を示す図である。多くのデ
バイスの場合、アース平面がデバイスとは電気的に絶縁
されているのが望ましい。

このためには多くの場合、２つの層を追加する必要があ
る。しかし、これは第６図の構造において容易に達成す
ることができる。すなわち、第６図において、高Ｔｃ超
電導体４２の領域４０は超電導のままであり、一方領域
４４はイオン衝撃によって非超電導且つ絶縁性となされ
ている。超電導ＳＱＵＩＤデバイスが次に第１図のＳＱ
ＵＩＤを作製するために使用されたのと同一の方法で材
料′４２の上方の残りの表面に形成される。この例にお
いては、イオン・エネルギが、材料４２の超電導特性が
絶縁部分４４の上面までしか影響を受けないように調節
される。こうして、ハツチング領域４６Ａ及び４６Ｂが
導電性の弱いリンク領域をあられし、それをとりまく非
ハツチング部分はイオンを打込まれ、非超電導性である
。

イオン・ビーム打込技術分野で広く知られているように
、イオンのエネルギが材料への貫通深さを決定する。こ
のことは、絶縁領域４４を形成するべく高Ｔｃ超電導体
の下底部分４０を超電導状態のままにしておくために利
用される。これにより絶縁層４４は、ＳＱＵＩＤデバイ
スとアース平面４０の間の必要な電気的絶縁を与える。

第７図は、３次元デバイス形状を与える多層構造を示す
、この構造において、第１の高Ｔｃ超電導体５０は、そ
の上に例えばＳｉｎ、などの絶縁材料５２を形成されて
なる。また、もう１つの高−Ｔｃ超電導体５４が絶縁体
５２上に形成されている。このデバイス構造は、高Ｔｃ
５０及び５４の一方または両方を本発明の処理によって
形成することができる。こうして、層５０には弱い超電
導リンク５６Ａ、５６Ｂが設けられ、層５４には弱いリ
ンク５８Ａ、５８Ｂが設けられる。第７図においては１
層５０及び５２の超電導領域がハツチングで示され、残
りの部分が絶縁性、すなわち非超電導である。

Ｅ３．Ｉｌ造方法 前述のように、イオン打込みは、超電導材料の一部を非
超電導性にするべく材料の超電導特性を変化させる高エ
ネルギ・ビームを与えるための効果的な方法である。こ
のとき、材料を結晶から絶縁アモルファス状態に変化さ
せ得る損傷機構が使用される。そしてもし線量が小さい
かあまり重くないイオンが使用されると、材料は依然導
電性にとどまり得るが、超電導性は失う。

一般的に、この技術は、高Ｔｃ特性を保持すべき超電導
材料の領域にイオンが注入されるのを防止するために、
慣用的にパターン化された、金などのマスク層を使用す
る。そのマスクの厚さは、打込まれるイオンのタイプと
イオンのエネルギに応じて選択される。一般的には、マ
スクの厚さは、打込まれるイオンの貫通範囲の約２〜３
倍になされる１例えば、２５０　ＫｅＶの酸素イオンの
場合、約５０ｏｎ−の厚さの金マスクを使用することが
できる。また、５００ｎｍの金膜上に１μｍレジスト層
を有するマスクも使用された。

イオン打込みに続いて、イオン打込みマスクのパターン
を画定するために使用された有機マスク材料を例えばア
ッシング（ａｓｈｉｎｇ）によって除去する。次に金属
マスク材料が例えばイオン・ミリングなどの適当な技術
によって除去される。

以下に示す表は、非超電導領域を形成するようにいくつ
かの高Ｔｃ超電導体にイオン打込みをすることに成功し
た例の数値データをあられす。尚。

表中でＮ／　Ａ　（Ｎｏｔ　Ａｖａｉｌａｂｌｅ）はデ
ータが入手できなかったことを示す。

表 サンプル　線　量　イオン　エネルギ　状態　　　公称
組成４ｘｌＯ１４０５００ＫｅＶ　　高抵抗５３２８Ｄ
　　　１ｘｌＯ１４Ａｓ１ＭｅＶ　　　絶縁　０．Ｚ５
０．４５　１　２．６５３３４Ｃ１ｘｌＯ”　　　　　
Ａｓ　　　　　　ｌにｅＶ　　　　　題　　　０．３０
０．７６　　１　　５．１５３３６Ａ　　６ｘｌＯ”　
ＩＭｅＶ　　Ａｓそのあと １ｘｌＯ”２．３ＭｅＶ　　Ａｓ　　　　　　　　絶縁
　　０．４３０．４６　１　４．０５３３７Ｅ　　　１
ｘｌＯ”　　　Ａｓ　　　２．３ＭｅＶ　　　絶縁　　
０．４１０．４０　１　１．７Ｌａ　　Ｓｒ　　Ｃｕ０ ５３１９０　　１ｘｌＯ”　　　０　　　２５０ＫｅＶ
　　　絶縁　　１．７５０．０４　１　　Ｎ／Ａ３３２
３Ａ　　　５ｘｌＯ”　　　ＯＩＭｅＶ　　　絶縁　　
□−Ｎ／Ａ−５３２４Ｂ　　４．５ｘｌＯ”　　　０　
　　　ＩＭｅＶ　　　絶縁　　１．５４０．１５　１　
４．１０推定 これらの材料のうちのほとんどにおいて、リストされて
いる線量は結晶からアモルファスへの転移を生じさせ、
以て材料を絶縁性且つ非超電導性にするのに十分であっ
た。一般的に、これらの高Ｔｃ銅酸化物材料について、
酸素原子の約１０１３イオン／ｄというきわめて低い線
量により非超電導への転移が生じることが見出された。

しかし、普通は高Ｔｃ材料を高抵抗、すなわち約１０’
オーム／ａｌｆ以上のシート抵抗をもつようにするには
それよりも１〜２桁大きい線量が必要である。

この表において％Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ−０システムと、Ｌａ
−８ｒ−Ｃｕ−０システムの両方について公称組成が与
えられている。「状態」と題する列はイオン打込された
材料の状態である。もしイオン打込された材料がその金
属特性は保持するけれども超電導性は失うなら、その状
態は「正常」になったのであり、もし材料がより程度の
大きい変換を受けたなら、絶縁性となり結晶構造を失っ
たのである。１つのサンプルにおいて、材料は高抵抗に
はなったが、完全には絶縁性にはならず、１０４オーム
／ａｄ以下の抵抗率であった。サンプル５３３６Ａは、
最初にイオン打込みを行い、次により高いエネルギと線
量で第２のイオン打込みを行うという２段階処理を施さ
れた。

Ｆ０発明の効果 本発明を実施すると、本発明によらなければ製造がきわ
めて困難であるようなデバイス構造を与えることが可能
になる。特に、絶縁体が１〜２ｎｍ厚であるような超電
導体−絶縁体−超電導体層を高Ｔｃ超電導酸化物を用い
て製造することは、従来きわめて困難であった。という
のは、たいていの１〜２ｎｍ厚の絶縁膜は、超電導酸化
物の対向電極を形成するために必要な室温から９００℃
までの温度サイクルでひび割れしショートしてしまうか
らである。結局、本発明の共平面の弱いリンク構造は相
当な処理上及びデバイス構造上の利点を与える。もちろ
ん、実質的に共平面の構造の製作により後の層を直接処
理することが可能ならしめられるが、そのことはもしＳ
ＱＵＩＤをイオン・ミリングなどの技術により形成した
のでは側底達成されないことである。

今まで述べてきたのは、高ＴｃＳＱＵＩＤを有する固有
のデバイス構造とそのデバイスを製作するための処理で
ある。尚、この分野の当業者には、選択されたイオンの
タイプ及びその線量は材料の特性を変化させるために高
Ｔｃ材料中にもたらされる損傷の址を変更するように調
整することができる。同様に、加速イオンのエネルギは
、同一の高Ｔｃ超電導体内に異なる特性をもつさまざま
な層を形成するためにイオンが貫通する深さを変更する
ように調節される。典型的には、２５０〜２ＫｅＶまた
は３ＭｅＶのエネルギがこれらの高Ｔｃ’酸化物超電導
体に関して良好な結果を与える。

ところで、本発明は特定の実施例に関連して説明されて
きたけれども、本発明の技術思想の範囲から逸脱するこ
となくさまざまな変更をなしうろことが当業者に明らか
であろう１例えば、本発明は、Ｂｅｄｎｏｒｚ及びＭｕ
ｅｌｌｅｒによって発見されたタイプのすべての高Ｔｃ
超電導体を含むのであって。

これらの材料は典型的には、層状構造をもち３０Ｘを超
えるＴｃを呈する。これらの材料を膜あるいは一バルク
のかたちで作製することは多くの文献に述べられており
、本発明は、それらを作製した方法に拘らずそれらの材
料のうち任意のものを使用することができる。さらに、
ビームが、超電導特性を局所的に変化させるべく超電導
体中に十分な損傷を生じさせる限り、任意のタイプの高
エネルギ・ビームを使用することができる。さらにまた
、ビームは、イオンを打込まれた領域のＴｃを変更する
ことによって弱いリンクを形成するために使用すること
ができる。尚、損傷領域を完全に絶縁状態に変化させて
しまう必要はない。

【図面の簡単な説明】

第１＠は、ＤＣＳＱＵＩＤの平面図。 第２図は、弱リンク領域の部分側面図。 第３図は、イオン・ビーム・システムの概要図、第４図
は、ＳＱＵＩＤのＶ−Ｉ特性を示す図。 第５Ａ、５Ｂ及び５０図は、ＳＱＵＩＤの電圧対磁束変
調電流の特性を異なる温度について示す図、 第６図は、他の実施例の概要図、 第７図は、３次元構造をもつさらに他の実施例の概要図
である。 １２・・・・超電導材料の層、１６Ａ、１６Ｂ・・・・
弱いリンク。 出願人　　インターナショナル・ビジネス・マシーンズ
・コーポレーション 代理人　　弁理士　　山　　本　　仁　　朗（外１名） イオン・ビーム・システム ＦＩＧ、３ ＦＩＧ、４ −０．５０　−０．２５　　０．００　　０．２５　　
０．５０Ｉｓ　（ｍＡ） ｍＡｌ 第１頁の、続き ［株］発明者　　　ロジャー・ヒルセン・コーク ｏ発　明　者　　ロパート・ペンジャミンパライボウイ
ッッ Ｃ・発　　明　者　　アラン・デイヴイッド・マービッ
ク Ｃ・発　明　者　　コーライン・ポール・ランバーク アメリカ合衆国ニューヨーク州アマウオーク、ベデル・
ロード（番地なし） アメリカ合衆国ニューヨーク州ピークスキル、ファーニ
ス・ドック・ロード４０７番地 アメリカ合衆国ニューヨーク州ヨークタウン・ハイツ、
ゴメー・ストリート３０３４番地

Claims (27)

【特許請求の範囲】
1. （１）高Ｔｃ超電導材料からなる層であつて、該層は６
   ０°Ｋにより高い温度で超電導性を呈し、該層は、少く
   とも１つの弱い超電導リンクをもつ超電導材料のループ
   を形成する領域を有し、該ループを取り巻く該層の領域
   は非超電導性である高Ｔｃ超電導材料からなる層と、 上記層に形成された上記超電導材料のループに電流を流
   すための手段とを具備する、 ６０°Ｋにより高い温度で動作可能なＳＱＵＩＤデバイ
   ス。
2. （２）上記超電導材料のループはほぼ平坦である特許請
   求の範囲第（１）項に記載のＳＱＵＩＤデバイス。
3. （３）上記高Ｔｃ超電導材料、は遷移金属の酸化物であ
   る特許請求の範囲第（２）項に記載のＳＱＵＩＤデバイ
   ス。
4. （４）上記弱い超電導リンクは上記超電導材料のループ
   のくびれ部分である特許請求の範囲第（１）項に記載の
   ＳＱＵＩＤデバイス。
5. （５）上記超電導材料は膜である特許請求の範囲第（１
   ）項に記載のＳＱＵＩＤデバイス。
6. （６）上記層を６０°Ｋにより高い温度で超電導状態に
   維持するための冷却手段をさらに有する特許請求の範囲
   第（１）項に記載のＳＱＵＩＤデバイス。
7. （７）６０°Ｋにより高い温度で超電導性を呈しうる高
   Ｔｃ超電導材料からなる層と、非超電導性となるように
   十分に損傷された構造をもつ上記層のイオン打込み領域
   と、上記イオン打込み領域と共平面をなす上記層の非イ
   オン打込み領域とを具備し、 上記層のイオン打込み領域が超電導ループの少くとも２
   つの位置をくびれさせ、 上記くびれは、上記各位置において弱いリンクを形成す
   るに十分であり、 上記弱いリンクを含む超電導ループは、６０°Ｋより高
   い温度で電流が存在するとき、ＤＣＳＱＵＩＤとして動
   作する６０°Ｋより高い温度で動作可能なＳＱＵＩＤデ
   バイス。
8. （８）上記ＳＱＵＩＤから電気的に分離され、超電導ア
   ース平面を形成する部分をさらに有する特許請求の範囲
   第（７）項に記載のＳＱＵＩＤデバイス。
9. （９）上記超電導材料は膜である特許請求の範囲第（７
   ）項に記載のＳＱＵＩＤデバイス。
10. （１０）上記イオン打込み領域が絶縁性であり、上記非
    イオン打込み領域が導電性結晶領域である特許請求の範
    囲第（７）項に記載のＳＱＵＩＤデバイス。
11. （１１）上記高Ｔｃ超電導材料はＹ−Ｂａ−Ｃｕ酸化物
    からなる特許請求の範囲第（７）項に記載のＳＱＵＩＤ
    デバイス。
12. （１２）高Ｔｃ超電導材料の層の、残りの部分と共平面
    をなす選択された部分に、該選択された部分を非超電導
    性にするに十分な損傷を与えるエネルギ・ビームを幅射
    し、上記選択された部分に対するエネルギ・ビームの幅
    射を、４０°Ｋを超える温度で超電導性を呈する連続的
    な経路を形成し、該連続的な経路が上記エネルギ・ビー
    ムの幅射の結果として形成された非超電導性の部分によ
    つて取り囲まれるまで継続する工程を有する、 ３０°Ｋを超える温度で動作する超電導デバイスの製造
    方法。
13. （１３）上記超電導回路がループである特許請求の範囲
    第（１２）項に記載の方法。
14. （１４）上記エネルギ・ビームがイオンである特許請求
    の範囲第（１２）項に記載の方法。
15. （１５）上記イオンが、上記イオンを幅射された領域を
    絶縁性にするに十分な線量で幅射される特許請求の範囲
    第（１４）項に記載の方法。
16. （１６）上記幅射が、上記層中に、非超電導性の埋込み
    領域を形成するように、ある深さまで施される特許請求
    の範囲第（１２）項に記載の方法。
17. （１７）４０°Ｋを超える温度で超電導性を呈しうる高
    Ｔｃ超電導材料からなる第１の層と、 上記第１の層上に配置された非超電導性材料の層と、 ４０°Ｋを超える温度で超電導性を呈しうる高Ｔｃ超電
    導材料からなる第２の層とを具備し、上記第１及び第２
    の層にデバイスが形成されてなる、 ４０°Ｋを超える温度で動作する多層超電導デバイス構
    造体。
18. （１８）上記第１及び第２の層はほぼ平坦である特許請
    求の範囲第（１７）項に記載の多層電導デバイス構造体
    。
19. （１９）上記第１及び第２の層は、非超電導性であるイ
    オン打込み領域を含み、上記第１及び第２の層の残りの
    部分が４０°Ｋを超える温度で動作するデバイスを形成
    する特許請求の範囲第（１８）項に記載の多層超電導デ
    バイス構造体。
20. （２０）上記第１及び第２の層が遷移金属の酸化物を含
    む特許請求の範囲第（１９）項に記載の多層超電導デバ
    イス構造体。
21. （２１）上記遷移金属が銅である特許請求の範囲第（２
    ０）項に記載の多層超電導デバイス構造体。
22. （２２）３０°Ｋよりも大きい転移温度をもつ超電導材
    料の層と、 上記材料の超電導閉ループ領域を取り囲み、非超電導性
    である上記材料のイオン打込み領域と、上記ループとほ
    ぼ共平面にあり、上記ループ内に形成された弱い超電導
    リンクとを具備する、３０°Ｋよりも高い温度で動作可
    能なＳＱＵＩＤデバイス。
23. （２３）上記超電導リンクが上記超電導閉ループのくび
    れによつて形成されてなる特許請求の範囲第（２２）項
    に記載のＳＱＵＩＤデバイス。
24. （２４）３０°Ｋよりも大きい転移温度をもつ超電導材
    料の層をもち、 上記超電導材料の第１の領域は非超電導性であり、 上記超電導材料の第２の領域は閉ループを形成し３０°
    Ｋを超える温度で超電導性を呈し、上記ループには、上
    記ループとほぼ共平面である少くとも１つの弱い超電導
    リンクが形成されてなる、 ３０°Ｋよりも高い温度で動作可能なＳＱＵＩＤデバイ
    ス。
25. （２５）上記第１の領域は上記第２の領域とほぼ共平面
    にある特許請求の範囲第（２４）項に記載のＳＱＵＩＤ
    デバイス。
26. （２６）上記ＳＱＵＩＤデバイスに接続され、３０°Ｋ
    を超える温度で超電導電流を流すための手段をさらに有
    する特許請求の範囲第（２５）項に記載のＳＱＵＩＤデ
    バイス。
27. （２７）上記ループ内に第２の弱い超電導リンクをさら
    に有する特許請求の範囲第（２６）項に記載のＳＱＵＩ
    Ｄデバイス。