JPS63304678A - 酸化物超電導回路の製造方法 - 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】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、例えばジョセフソン素子などとして使用可
能な酸化物超電導回路の製造方法に関する。

〔従来の技術〕

近時、常電導状態から超電導状態に遷移する臨界温度（
Ｔｃ）が極めて高い値を示す酸化物系の超電導体が種々
発見されつつある。そして、このような酸化物超電導体
は、従来の合金系あるいは金属間化合物系超電導体に比
べて臨界温度が高いことから、実用上極めて有望な超電
導材料とされている。

このような酸化物超電導体を用いた電気回路を製造する
には、基板上に例えばスパッタ法等の薄膜形成法により
酸化物超電導体あるいは酸化物超電導体の原料からなる
酸化物層を形成し、次いてこの酸化物層の一部にエツチ
ングや切削加工を施して酸化物層に回路パターンで溝を
形成したのち、熱処理して上記酸化物層を酸化物超電導
体層とする方法が採られている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、このような方法では、上記酸化物層層に
対してエツチングや切削加工を施して酸化物層に回路パ
ターンで形成するようにしているが、上記酸化物層を構
成する元素の中にはエツチングが極めて困難な元素もあ
り、また切削加工により回路に歪みを与えて特性を劣化
させる恐れがあり、特性の良好な回路パターンを形成で
きない場合がある。このため、上記のような酸化物層を
エツチングすることなく、あるいは切削することなく容
易に酸化物超電導体からなる回路パターンを形成し得る
方法の開発が望まれているのが現状である。

〔問題点を解決するための手段〕

この発明の第１の発明では、基板上に、酸化物超電導体
となる元素組成と同じ元素組成の前駆層あるいは酸化物
超電導層を形成したのち、上記前駆層あるいは酸化物超
電導層に対し、製造すべき回路パターン部分を除いた部
分にイオンビーム法により上記前駆層あるいは酸化物超
電導層の元素組成を変化させる不用元素を打ち込み、次
いて熱処理して不用元素の打ち込み部分を除いた部分に
超電導体を生成させることをその解決手段とした。

また、この発明の第２の発明では、基板上に、酸化物超
電導体となる元素組成より一部の元素が不足した元素組
成のベース層を形成したのち、このベース層に対して、
上記不足した一部の元素を、製造すべき回路パターンに
基づいてイオンビーム法により打ち込み、次いで熱処理
して上記元素の打ち込み部分に超電導体を生成させるこ
とをその解決手段とした。

以下、この発明の詳細な説明する。

まず、第１の発明を説明する。

この発明では、第１図に示すように、酸化物超電導回路
の回路基板となる基板１を用意する。この基板１を形成
する材料としては、耐熱セラミックスなどが選ばれ、具
体的には例えばＡｌ２２０３（アルミナ）、Ｓ　ｒＴ　
ｉｏ　３（チタン酸ストロンチウム）、Ｓｉ（ンリコン
）、Ｌ　ｉＮ　ｂｏ　３（ニオブ酸リチウム）なとが好
適に用いられろ。

次に、この基板ｌ−ヒに酸化物超電導体となる元素組成
と同じ元素組成の前駆層２を例えばスパッタ法などによ
り形成する。ここで、上記前駆層２は、Ａ　Ｉ−ｘＢｘ
ｃｕｏｙ　（但し、ΔはＳｃ、Ｙ、Ｌａ。

Ｙｂ　、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、
Ｔｂ。

Ｄ　ｙ　、Ｈｏ　、Ｅ　ｒ　、Ｔｍ、Ｌ　ｕ等の周期律
表第■３族元索を１種以上表し、ＢはＢｅ、Ｓ　ｒ９Ｍ
ｇ、Ｂａ。

Ｒａ等のアルカリ土類金属元素を１種以上表す。）の組
成式で示され、かつ−１−記ｘ、ｙが０３≦Ｘ≦０６．
ｌ≦ｙ≦８ で決められる酸化物超電導体の元素組成と同じ元素組成
のものである。そして、このような前駆層２の厚さは、
最終的に得られる酸化物超電導体層の厚さなどに応じて
決められる。また、この前駆層２の形成には、上記のス
パッタ法の他に、ＭＢＥ（分子線エピタキシー法）、Ｃ
ＶＤ（化学的気相成長法）、ゾルゲル法、あるいは−上
記原料のスラリーを基板１上に塗布したのち焼結する方
法など種々の方法を用いることができる。

次に、この前駆層２に対して、第２図に示すように前駆
層２の元素組成を変化させる不用元素を、製造すべき回
路パターンを除いた部分にイオンビーム法により打ち込
む。ここで、上記の不用元素としては、Ａｕ　、Ｂｅ　
、Ｎｉなどの金属元素、８１などの半導体、アルカリ金
属などが選ばれるが、特にナトリウム、ホウ素など原子
半径の小さい元素が好適に用いられる。

また、上記イオンビーム法としては、前駆層２の特定部
分に上記不用元素イオンの打ち込みを行なえる集束イオ
ンビーム法が好適に用いられる。

そして、この集束イオンビーム法におけるイオンビーム
径は、前駆層２に描画される回路パターンの線幅などに
応じて決められ、通常は０３〜１０μｍ程度の範囲とさ
れる。また、イオン打ち込み時の加速電圧は、上記前駆
層２の厚さ、イオン打ち込みによる前駆層２の内部構造
変化、打ち込み時間などを考慮して決められる。

そして、このようなイオンビームによる不用元素イオン
の打ち込みにより、前駆層２のうち不用元素イオンが打
ち込まれた部分２ａには所定濃度の不用元素イオンがド
ープされ、このドープされた不用元素イオンによりこの
部分２ａの元素組成が変化する。また、前駆層２のうち
不用元素イオンが打ち込まれていない部分２ｂの元素組
成は変化しない。

次に、このようにして不用元素イオンが打ち込まれた前
駆層２に対して例えば加熱炉などを用いた熱処理を施す
。この熱処理は、処理温度８００〜１１００℃、処理時
間１〜３００時間の条件下で行なわれる。また、この熱
処理は、前駆層２の元素組成上、必要な酸素を供給する
ことを目的として酸素ガスを含む雰囲気で行なわれるこ
とが望ましい。このときの酸素ガス雰囲気中の酸素ガス
濃度は、前駆層２の酸素要求量に応じて決められ、通常
は２０〜５０体積％の範囲とされる。さらに、この熱処
理には、上記加熱炉の他に、エキシマレーザ、アルゴン
レーザ、炭酸ガスレーザ、色素レーザ、ＹＡＧレーザ等
の各種レーザ、アークイメージングなどの加熱手段を用
いることもできる。

このような熱処理により、第３図に示すように、前駆層
２のうち不用元素イオンが打ち込まれた部分２ａでは、
ドープされた不用元素イオンが十分に内部拡散されて、
前駆層２の元素組成が変化することから、超電導特性を
示さない酸化物超電導回路の絶縁部分となる。なお、こ
の部分２ａでは、上記の熱処理によりイオン打ち込みに
よる構造上の欠陥が解消される。また、前駆層２のうち
不用元素イオンが打ち込まれていない部分２ｂでは、周
期律表第ｍａ族元素とアルカリ土類金属元素と銅と酸素
とが十分反応して、層状ペロブスカイト型の酸化物超電
導体となる。そして、この部分２ｂは、酸化物超電導回
路の導電部分となる。

この方法によれば、前駆層２に対し、製造すべき回路パ
ターン部分を除いた部分２ａにイオンビーム法により前
駆層２の元素組成を変化させる不用元素を打ち込み、次
いで熱処理して不用元素の打ち込み部分２ａを除いた部
分２ｂに超電導体を生成させるようにしたので、製造す
べき回路パターンの酸化物超電導回路を容易に得ること
ができる。また、この方法によれば、イオンビーム法と
して集束イオンビーム法を用いることにより、線幅の細
い回路パターンを描画することができるので、微細な超
電導回路を製造することができる。

そして、この方法によって製造された酸化物超電導回路
は、例えばジョセフソン素子としてコンピュータ内に搭
載されたり、あるいはトランジスタのゲートとして用い
られたりして実用に供せられる。

上記実施例では、酸化物超電導体となる元素組成と同じ
元素組成の前駆層２に、酸化物超電導回路を形成するよ
うにしたが、既に超電導特性を示す酸化物超電導層を用
い、この層に対し、この層の元素組成を変化させる不用
元素をイオンビーム法により打ち込み、次いで熱処理し
て不用元素の打ち込み部益を除いた部分を酸化物超電導
回路とするようにしてもよい。この場合には、既に超電
導特性を示す酸化物超電導層を用いるので、後工程の熱
処理の条件を緩くできるなどの優れた効果が得られる。

次に、この発明の第２の発明を説明する。

この発明では、基板１上のベース層３を形成する材料と
して、酸化物超電導体と−なる元素組成より一部の元素
が不足した元素組成のものを用いる。

次いで、このベース層３に対して上記不足した一部の元
素を製造すべき回路パターンに基づいてイオンビーム法
により打ち込む。次いで、このベース層３に熱処理を施
す。この熱処理は、前述の第１の発明とほぼ同様の条件
下で行なわれる。そして、このような熱処理により、ベ
ース層３のうち不足元素イオンが打ち込まれた部分３ａ
は、不足元素イオンが内部拡散して元素組成の不足が解
消されて酸化物超電導体となる。また、ベース層３のう
ち不足元素イオンが打ち込まれていない部分３ｂは、ベ
ース層３の元素組成が変化しないことから、超電導特性
を示さない絶縁体となる。

したがって、この方法によれば、ベース層３に対し、製
造すべき回路パターンに基づいてベース層３の元素組成
より不足した一部の元素をイオンビーム法により打ち込
むようにしたので、製造すべき回路パターンの酸化物超
電導回路を容易に得ることができる。

〔製造例〕

（製造例１） 直径２インチのＳ　ｒＴ　ｉｏ　３の基板上に、元素組
成がＬ　ａｏ、ｓＢ　ａｏ、２ｃ　ｕｏ　ａで厚さ約、
４μｍの前駆層をマグネトロンスパッタ法により形成し
た。ターゲットとして、元素組成がＬ　ａｔ、ｓＢ　ａ
ｏ４Ｃｕのものを用い、スパッタ時の基板温度を約８０
０°Ｃに設定し、スパッタ時の雰囲気を２０体積％の酸
素ガスを−含むアルゴンガスの雰囲気とした。

次に、このようにして形成した前駆層に対して加速電圧
の最大定格が１ｏｏｋｅＶの集束イオンビーム装置を用
いてホウ素イオンの打ち込みを行なった。

イオン打ち込み時の加速電圧を４０ｋｅＶに設定し、イ
オンビーム径を約０．４μ肩まで絞った上で、前駆層の
うち線幅２μｍ、長さ４■乃線状部分にホウ素イオンを
打ち込んだ。イオンの打ち込み量は、５　×ｔｏ１３／
ＣＩ７’であった。

次いで、基板および前駆層全体を８００℃、６時間、酸
素ガス２０体積％含有アルゴンガス雰囲気で熱処理して
、イオン打ち込み部分の内部にホウ素イオンを十分に拡
散させた。そして、イオン打ち込み部分の電気抵抗を測
定したところ、２ＸＩＯ’Ω・ｃｍであった。また、前
駆層のうちイオン打ち込み部分を除いた部分の熱処理後
の臨界温度は３４にであり、臨界電流は８００Ａ／ｃｍ
２であった。

（製造例２） 直径２インチの５ｒＴｉ０３の基板上に、上記製造例１
と同様に元素組成がＬ　ａｏ、ａＢ　ａｏ、２ｃ　ｕｏ
　４の層をマグネトロンスパッタ法により形成した。次
いで、この基板全体を約８００℃、６時間、酸素ガス２
０体積％含有アルゴンガス雰囲気で熱処理して基板上の
層を酸化物超電導層とした。この超電導層の臨界温度３
４にであり、臨界電流は８００Ａ／ｃｍ２であった。

次に、このような酸化物超電導層に対し、加速電圧４０
ｋｅＶ、イオンビーム径約０．４μ屑でホウ素イオンを
線幅２μｍ、長さ４ｍｍの線状部分に打ち込んだ。イオ
ンの打ち込み量は、５ｘ　１０１３／　ｃｗｔ２であっ
た。

次いで、基板全体に前工程の熱処理と同様の熱処理を施
して、イオン打ち込み部分の内部にホウ素イオンを十分
に拡散させた。そして、イオン打ち込み部分の電気抵抗
を測定したところ、２Ｘ１（１’Ω・ａｍになっていた
。また、イオン打ち込み部分を除いた部分の酸化物超電
導層は、その超電導特性を維持していた。

（製造例３） 直径２インチのＡＱ２０９基板上に、元素組成がＢ　ａ
　ｏ　、　ｓ　Ｙ　ｏ　、　ｓ　Ｃｕ　ｏ　５０４で厚
さ約１μｘのベース層をスパッタ法により形成した。次
いで、このベース層に対して銅元素イオンを製造例１と
同じ集束イオンビーム装置を用いて打ち込んだ。次に、
出力２０ｗの炭酸カスレーザのレーザ光を上記ベース層
に照射して、ベース層の表面温度が９００°Ｃとなるよ
うに酸未ガス２０体積％含有アルゴンガス雰囲気で熱処
理した。このような熱処理により、ベース層のうち銅元
素イオンが打ち込まれた部分は、その元素組成がＢ　ａ
ｏ、ｓＹ　０．５Ｃｕｏ　４の層状ペロブスカイト型の
酸化物超電導体となり、その臨界温度は９２Ｋを示した
。

〔発明の効果〕

以上説明したように、この発明の第１の発明によれば、
前駆層あるいは酸化物超電導層に対し、製造すべき回路
パターン部分を除いた部分にイオンビーム法により上記
前駆層あるいは酸化物超電導層の元素組成を変化させる
不用元素を打ち込み、次いで熱処理して不用元素の打ち
込み部分を除いた部分に超電導体を生成させるようにし
たので、製造すべき回路パターンの酸化物超電導回路を
容易に得ることができる。

また、第２の発明によれば、ベース層に対し、製造すべ
き回路パターンに基づいてベース層の元素組成より不足
した一部の元素をイオンビーム法により打ち込むように
したので、製造すべき回路パターンの酸化物超電導回路
を容易に得ることができる。

さらに、この発明によれば、イオンビーム法として例え
ば集束イオンビーム法を用いることにより、線幅の細い
回路パターンを描画することができるので、微細な超電
導回路を製造することができろ。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第３図は、この発明の第１の発明の製造方法の
一例を説明するためのもので、第１図は基板上に前駆層
が形成された製造途中の回路を示す概略断面図、第２図
はイオンビームの走査による回路パターン形成時の回路
を示す概略断面図、第３図はこの発明の第１の発明の製
造方法によって製造された回路を示す概略断面図である
。 また、第４図〜第６図は、この発明の第２の発明の製造
方法の一例を説明するだめのもので、第４図は基板上に
ベース層が形成された製造途中の回路を示す概略断面図
、第５図はイオンビームの走査による回路パターン形成
時の回路を示す概略断面図、第６図はこの発明の第２の
発明の製造方法によって製造された回路を示す概略断面
図である。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）基板上に、酸化物超電導体となる元素組成と同じ
   元素組成の前駆層あるいは酸化物超電導層を形成したの
   ち、上記前駆層あるいは酸化物超電導層に対し、製造す
   べき回路パターン部分を除いた部分にイオンビーム法に
   より上記前駆層あるいは酸化物超電導層の元素組成を変
   化させる不用元素を打ち込み、次いで熱処理して不用元
   素の打ち込み部分を除いた部分に超電導体を生成させる
   ことを特徴とする酸化物超電導回路の製造方法。
2. （２）基板上に、酸化物超電導体となる元素組成より一
   部の元素が不足した元素組成のベース層を形成したのち
   、このベース層に対して、上記不足した一部の元素を、
   製造すべき回路パターンに基づいてイオンビーム法によ
   り打ち込み、次いで熱処理して上記元素の打ち込み部分
   に超電導体を生成させることを特徴とする酸化物超電導
   回路の製造方法。