JPH01205579A - 超伝導薄膜および超伝導薄膜素子の形成法 - 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］ 本発明は、超伝導薄膜および超高速スイッチング、低消
費電力の特徴を有し、かつ液体窒素温度（７７Ｋ）以上
でも動作する超伝導素子の製作法に関するものである。

１従来の技術１ 従来の酸化物超伝導薄膜の製作法は、基板温度約４００
℃以上に加熱した基板（ＳｒＴｉ０３．ＭｇＯ、サファ
イヤ等）上に酸化物超伝導体となる組成の薄膜をあらか
しめ堆積させておき、しかる後に０２ガス中で８００〜
９００℃で１〜数時間熱処理することによって膜を結晶
化させ、超伝導特性を示す膜を得ていた。

［発明か解決しようとする課題］ しかしこの方法では膜および基板全体か高温になるため
、基板と膜の界面で反応か起こり、超伝導特性（例えは
臨界温度、臨界電流、上部臨界磁場）が劣化する。この
ため基板と膜の反応か生じないように低温で、かつ結晶
化か十分に進む程度に高温に熱処理温度を設定しなけれ
ばならない。

この相反する温度条件を同時に満足するのはむずかしく
、基板と膜との反応を完全には除去てきないという重大
な問題点があった。

また従来の酸化物超伝導体を用いたジョセフソン接合に
おいても同様の問題か生じていた。第５図にジョセフソ
ン接合の構造を示す。下部電極を構成する超伝導薄膜１
と、上部電極を構成する超伝導薄膜２との間にトンネル
バリヤ層３か形成されている。このジョセフソン接合を
形成するためには、まず下部電極を形成し、次にトンネ
ルバリヤ層を形成し、しかる後に上部電極を形成するわ
けであるか、上部電極を酸化物超伝導体で構成する場合
には膜形成後９００℃前後て熱処理する。そのとき）・
ンネル電流が流れ得るような数１０オングストローム程
度のうずいバリヤ層は高温のために破壊されてしまう。

そのため従来の接合では下部電極を酸化物超伝導体とし
、バリヤ層をＡｉ酸化物で形成し、」二部電極Ｎｂで形
成し、４．２にで動作さえた例かあるのみて、上部電極
、下部電極とも酸化物超伝導体で形成した例はまたない
。液体窒素温度（７７Ｋ）以上で動作する接合を得るた
めには電極をすべて酸化物超伝導体で構成した接合か必
要である。また接合の電極だけでなく超伝導配線なと、
超伝導薄膜を用いた素子を実現するためには、下地に熱
による劣化を与えることなく膜を熱処理し、超伝導特性
を有する膜を得る手段か必要である。

また短時間に膜を熱処理する方法として例えはアプライ
ド　フィジックス　レター　Ｖｏｌ、５ＩＰ、１５５４
にコーネル大のＢｕｈｒｍａｎらによって開示されてい
るようなフラッシュランプアニールによる方法かあるか
、この方法では加熱時間は数秒間と非常に長く、熱拡散
による下地膜の加熱は避けられず、所定の膜のみを熱処
理することは困難である。またこの方法ては膜と下地膜
との光の吸収係数の差を利用して、所望の膜のみを加熱
することばてきない。また膜内の所望の部分のみを局所
的に加熱して超電導膜のパターニングをすることも不可
能である。さらに上記の方法で提案されているのは、基
板加熱温度を４００℃および７００℃で成膜したある程
度結晶化した膜を用いている。しかしこの方法だとあら
かじめランダムに結晶化した種があるため結晶成長がラ
ンダムとなり、瞬間的な熱処理では高品質な結晶化は望
めないという難点かあった。

酸化物超伝導体において、超伝導特性を有する膜を得る
ために膜を熱処理する過程で、従来の熱平衡炉を用いる
熱処理手段では素子全体が高温になるため、（１）基板
と反応する。（２）接合において上部電極形成時にバリ
ヤ層が破壊される。（３）超伝導配線なとて下地と反応
する。などの素子製作上、重大な困難が生じる。本発明
はこの熱処理によって生じる困難を解決した新規な超伝
導薄膜の形成方法および超伝導薄膜素子の形成方法を提
供することを目的とする。

［課題を解決するための手段］ このような目的を達成するために、本発明超伝導薄膜の
形成方法は酸化物超伝導体となり得る組成を持つ薄膜を
、非晶質もしくは結晶化の少ない状態で基板上に形成し
、薄膜を膜方向に所定の深さまで結晶化させるように熱
処理することによって基板」二に超電導特性を有する薄
膜を形成することを特徴とする。

本発明超伝導薄膜素子の形成方法は下部電極をなす第１
の超伝導体上に、または第１の超伝導体上に形成された
トンネルバリア層上に酸化物超伝導体となり得る組成を
持つ薄膜を、非晶質もしくは結晶化の少／ハ）状態で形
成し、薄膜を膜方向に所定の深さまで結晶化させるよう
に熱処理することによって第２の超伝導体を形成するこ
とを特徴とする。

［作　用］ 従来、基板温度が低い状態で堆積させた膜は、結晶の方
位かランダムな多結晶膜となるため、これを後て熱処理
しても結晶化かランタムな方位で生じ、単結晶に近い高
品質な結晶膜が得られない。そのため超伝導臨界温度が
低い膜しか得られないどされていた。しかしこの点につ
いて詳しく検討した結果、逆に基板温度を低く抑えるこ
とによって非晶質あるいはそれに近い膜が得られ、この
膜を後て熱処理することにより結晶化が均一に進み、短
時間の熱処理でも高臨界温度の膜か得られることが分か
った。すなわち酸化物超伝導薄膜を製作するにあたって
、例えはスパッタ法、電子ビーム蒸着法、などにより非
晶質薄膜を成膜し、しかる後に、例えはＮｄ　：　ＹＡ
Ｇ　レーザなどを用い、膜表面にレーザ光を短時間（数
ナノ秒程度）照射することにより熱処理を行なう。この
場合、試料周辺の雰囲気は酸素雰囲気が望ましいが、大
気中でもよい。この方法では、レーザ光のパワー、およ
び波長を適切に選ぶことによって、膜厚方向に所定の深
さまで熱処理し、加熱の影響を下層の膜に及ぼさないこ
とかできる。またレーザ光を集束して走査させることに
より、あるいは薄膜か堆積した基板を動かずことにより
、レーザ光を照射した部分のみ結晶化させ、超伝導薄膜
にすることがてぎる。このようにして本発明においては
、レーザ光による熱処理を行なうことにより下地層に熱
処理の影響を与えることなく、超伝導薄膜を得ることが
可能となり、上記の困難を克服することがてきる。

本発明によれは、膜の下地、および周辺に熱による劣化
を生しることなく、酸化物超伝導薄膜が得られるので、
ジョセフソン接合、超伝導配線を用いたデバイスなと、
酸化物超伝導薄膜の特徴である高臨界温度、高臨界電流
などの特徴をいかしたデバイスを製作することかできる
。

［実施例１ 以下に実施例によって本発明の詳細な説明する。

実施例１ 第１図に本発明の第１の実施例を示す。図中、５は酸化
物超伝導体となり得る組成をもった薄膜、６はレーザ光
、４は基板である。薄膜５としては例えばＹ　：Ｂａ：
Ｃｕ＝　ｌ：２：３のモル比のスパッタ膜等を用いる。

レーザ光６としては連続光の后レーザ、パルス光のルビ
ーレーザ、パルスまたは連続光のＮｄ：ＹＡＧレーザ、
Ｃ０２レーザなどを用いる。連続光レーザは、レンズで
集光して光を走査して照射する。またパルスレーザの場
合はレンズで光を広げて一括照射する。基板４としては
、例えはＳｒＴｉＯ３，ＭｇＯ，サファイヤ等を用いる
。

基板４上に低い基板温度で非晶質状の薄膜なスパッタ法
あるいは電子ビーム蒸着法で堆積させ、しかる後にレー
ザ光６を膜表面に照射する。このときレーザ光の照射時
間あるいはパワーを適切に設定することにより、照射さ
れた部分のみを膜厚方向に所定の深さまで加熱すること
が可能である。この方法により基板４を加熱することな
く、膜のみを熱処理できるので、膜と基板の反応による
超伝導特性の劣化を防止できる。また基板について耐熱
性の制限がなくなるので基板材料の選択の幅も広がる。

また本実施例では、基板４と膜との反応について述べた
が、基板に限らず、層間絶縁層上に超伝導層な設ける場
合にも本発明を適用できる。例えは半導体集積回路に超
伝導配線を用いる場合に下地膜およびその下にあるデバ
イスに熱の影響を与えることなく所望の膜のみを熱処理
して超伝導体とすることが可能である。

実施例２ 第２の実施例として本発明による超伝導薄膜形成法をシ
ゴセフソン接合の上部電極に用いた例を説明する。第２
図において４は基板、２はジョセフソン接合の上部電極
、５Ａはトンネルバリヤ層、１は下部電極である。

この接合を製作するには、まず基板４上に超伝導薄膜１
を堆積させ、接合の下部電極とする。この場合の熱処理
は、従来の熱平衡炉を用いてもよいし、基板との反応を
避りるために実施例１に述へた本発明によるレーザアニ
ール法を用いてもよい。次に上部電極およびバリヤ層を
形成するために、酸化物超伝導体となりつる組成を持っ
た薄膜５を堆積させる。この薄膜は低い基板温度で成膜
し、非晶質あるいはそれに近い状態にする。これの表面
にレーザ光を照射して熱処理し、膜の結晶化を進め、超
伝導体とするわけであるか、このときレーザのパワー、
照射時間を適切に調節することにより熱の侵入距離を薄
膜５の膜厚よりわずかに少ない程度に設定すると膜５の
下層数ナノメートルを非超伝導層５Ａとして残すことか
できる。

この部分は、通常絶縁体であるのでジョセフソン接合の
トンネルバリヤ層５Ａとして使用できる。

実施例３ 第３図に木発明の第３の実施例を示す。デバイスの構造
は、第２図に示した実施例２と同様であるか、トンネル
バリヤ層３として、上部電極とは別の薄膜を用いる点が
異なる。デバイスの製作手順は、下部電極１の形成まで
は、実施例２と同しであるか、その後別の薄膜をトンネ
ルバリヤ層３として堆積させる。トンネルバリヤ層３と
しては、例えば従来からジョセフソン接合のバリヤ層に
用いられている八ｆｌ　２０３．　ＭｇＯ，Ｔａｇ、　
ＺｒＯなどか可能である。さらに酸化物超伝導体と同じ
構成元素で組成比か異なる絶縁体であるＹ　：Ｂａ：Ｃ
ｕ−２：１：１の薄ｊ摸等を用いることがてきる。この
後」二部電極５を堆積させて、しかる後にレーザ光６を
パワー、照射時間を適切に調節して照射し、上部電極５
のみを熱処理し、超伝導特性を有する薄１摸とする。こ
のときトンネルバリヤ層３として上部電極５および下部
型８ｉ１に較べて、レーザ光の波長に対して吸収係数が
小さくなる材料を選択するか、あるいは逆に電極材料と
バリヤ層との組合せに対して、吸収係数かバリヤ層の方
が小さくなるようにレーザ光の波長を調節することによ
り、１−ンネルハリャ層３を加熱することなく電極のみ
を熱処理することも可能である。またさらに第３図のデ
バイス上に絶縁層を設け、さらにその上に木発明による
方法によって超伝導膜を設り、磁気結合形ジョセフソン
接合の制御線を形成するなど本発明の方法を繰り返し用
いることにより、さらに複雑なテハイス構造も実現可能
である。

実施例４ 第４図に本発明の第４の実施例を示す。本実施例では、
レンズ７によって集束されたレーザ光６を用いて熱処理
を行う。図中５Ｂは、超伝導体となり得る薄膜５のうち
レーザ光が照射され、超伝導特性を有するようになった
部分、５Ｃは薄膜５のうちレーザ光が照射されず、した
かって絶縁体のままか、あるいはそれに近い高抵抗の部
分である。デバイスの構成法は実施例２あるいは３と同
様である。集光されたレーザ光６を走査し、薄膜５上に
パターンを描くことによって任意の形状に」二部電極５
Ｂが形成される。したがフて任意の形状のジョセフソン
接合がその下に形成できる。このとき接合の大ぎさはレ
ーザ光のビーム径（１ミクロン以下）程度まで小さくす
ることができ、微少な接合を容易に形成できる。またこ
の方法によれは論理素子として用いられる長いジョセフ
ソン接合からなるソリトン伝送線路なども容易に形成で
きる。さらに本実施例においてはエツチング。

リフ１〜オフ等の加工法と異なり、上部電極を構成する
膜を除去することな（、バターニングができるため平坦
化か実現される。これはデバイス構造上大きな利点とな
る。

［発明の効果］ 以上説明したようにまず非晶質膜を成膜し、しかる後に
光照射による単時間非平衡熱処理により結晶化を進める
ことにより下地膜に熱の影響を与えることなく、酸化物
超伝導薄膜を形成することが可能となった。実施例では
基板に５ｒＴｉ０３．ＭｇＯ。

サファイヤなど酸化物結晶を用いたか、最も安定した基
板材料であるＳｌに、上述した酸化物を堆積した複合基
板を用い、これに前記超伝導体を堆積し、本発明による
熱処理を施すことによっても、素子が形成できることは
明かで、本発明の実施効果は十分に発揮される。この方
法をジョセフソン接合の上部電極に用いることにより、
上部電極も下部電極も酸化物超伝導体からなる液体窒素
温度（７７Ｋ）以上で動作可能なジョセフソン接合を形
成できるようになった。また本発明を半導体集積回路の
超伝導配線に用いることにより、下層の半導体デバイス
に熱的な悪影響を与えることなく超伝導配線の熱処理か
行えるようになったので超伝導配線の適用範囲を飛躍的
に広めることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明による酸化物超伝導薄膜の形成法を示
す断面図、 第２図　、第３図および第４図はそれぞれ本発明による
酸化物超伝導薄膜を電極に用いたジョセフソン接合の形
成法を示す断面図、 第５図は従来のジョセフソン接合の断面図である。 １・・・ジョセフソン接合の下部電極、２・・・ジョセ
フソン接合の」二部Ｎ、ｈ、３・・・トンネルバリヤ層
、 ４・・・基板、 ５・・・酸化物超伝導体となりつる薄膜、５Ａ・・・ジ
ョセフソン接合の（〜ンネルバリャ層、６・・・レーザ
光、 ７・・・レンズ。 第２図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）酸化物超伝導体となり得る組成を持つ薄膜を、非
   晶質もしくは結晶化の少ない状態で基板上に形成し、該
   薄膜を膜方向に所定の深さまで結晶化させるように熱処
   理することによって基板上に超電導特性を有する薄膜を
   形成することを特徴とする超伝導薄膜の形成法。
2. （２）下部電極をなす第１の超伝導体上に、または該第
   １の超伝導体上に形成されたトンネルバリア層上に酸化
   物超伝導体となり得る組成を持つ薄膜を、非晶質もしく
   は結晶化の少ない状態で形成し、該薄膜を膜方向に所定
   の深さまで結晶化させるように熱処理することによって
   第２の超伝導体を形成することを特徴とする超伝導薄膜
   素子の形成方法。