JPH01211985A - ジョセフソン素子の製造方法 - 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） 本発明は低温で動作するジョセフソン効果を用いた素子
、特に高速スイッチ素子および高磁界感度を有する素子
の製造方法に関する。

（従来の技術） 従来、ニオブ等の金属および窒化ニオブ等の金属間化合
物超伝導体を用いて構成したジョセフソン接合を用いた
素子（ジョセフソン素子）は、酸化アルミニウムやゲル
マニウム等の絶縁体や半導体から成るトンネル障壁を超
伝導体間に形成してジョセフソン接合を構成することに
よって作製されている。

トンネル障壁の形状の規定には、半導体等の製造に用い
られている露光技術と加工技術が用いられる。これらの
ジョセフソン素子は、主にシリコン基板上に製作されて
いる。場合により、基板上に形成された超伝導体の薄膜
のパターンエツジを用いたトンネル障壁構造を有するエ
ツジ接合型ジョセフソン素子も用いられる。エツジ接合
の構造に関しては、一方の超伝導体電極膜のエツジと他
方の超伝導体電極膜の面とを接触させた構造が通常用い
られている。これは、従来のニオブ等の金属および金属
間化合物の超伝導体の超伝導性か、膜の面方向や結晶方
位に全く依存せず等方的であることによる。これらのジ
ョセフソン素子は、従来のシリコンデバイスの製造に用
いられている露光技術および加工技術を駆使して製造さ
れている。

一方、最近イツトリウム・バリウム・銅酸化物（Ｙ−Ｂ
ａ−Ｃｕ−０）等において超伝導特性を示す物質が存在
することが発見された。希土類と銅を含むこれらの酸化
物超伝導体は、絶対温度４０に〜９０に前後において超
伝導状態に転移する。これらの酸化物高温超伝導体の超
伝導特性、即ち臨界電流密度、臨界磁界、コヒーレンス
長等の物質定数は、結晶の方位に著しく依存し、ＡＢ軸
面内方向とＣ軸方向において１桁前後も値に差が見られ
る。

さらに酸化物高温超伝導体の薄膜は、チタン酸ストロン
チウム（ＳｒＴｔ０３）結晶上に基板温度５００°Ｃ〜
７００°Ｃで成膜した時アニールなしでも超伝導特性を
示す。膜の結晶軸は、基板の結晶方位を反映して配向す
ることが知られている。一方、成膜後、９００°Ｃ前後
のアニールを行うと膜の臨界温度が上昇し、超伝導特性
が改善される。この時の膜は多結晶となり多数の結晶粒
が成長する。この酸化物超伝導体を用いたジョセフソン
素子やスクイラド（ＳＱＵＩＤ）は、酸化物超伝導体の
セラミックスや薄膜を用いて下記の方法で製造されてい
る。

（発明が解決しようとする課題） 酸化物高温超伝導体を用いたジョセフソン素子は、酸化
物超伝導体のセラミックス棒にひび割れを入れて、棒内
部に微小な弱結合を作る方法（ジャパン・ジャーナル・
オブ・アプライド・フィジックス（Ｊａｐａｎ　Ｊｏｕ
ｒｎａｌ　ｏｆ　Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ）第
２６巻第５号第Ｌ７０１〜Ｌ７０３頁）や、チタン酸ス
トロンチウムやマグネシアの基板上に成膜後アニールに
よって生じる結晶粒界をジョセフソン接合とする方法（
信学技報第８７巻第２４９号第７３〜７８頁）によって
作られている。

しかしながら、酸化物高温超伝導体は、超伝導性が影響
するコヒーレンス長が２〜４ｎｍ程度と著しく小さいこ
と、真空保管時に生じる酸素の離脱や、大気中の水蒸気
との反応による組成変化等により超伝導性の破壊が生じ
易いことが知られている。このため、従来のニオブｌア
ルミ酸化膜ｌニオブ接合を形成すると同様の絶縁体をは
さむ方法では酸化物超伝導体間に制御性良くジョセフソ
ン接合を作ることが困難であった。即ち、これらの従来
の方法によって作られたジョセフソン素子は、接合界面
において膜の組成が超伝導となる組成からずれるため十
分な性能を有する接合が得られず、又接合の臨界電流値
の制御性と再現性が著しく悪かった。一方粒界やクラッ
クを用いたジョセフソン素子では、粒界やクラックの位
置の制御ができないため、接合位置の規定も困難であっ
た。特に従来の方法では、電流密度が高いＡＢ軸面に直
交するジョセフソン接合を形成できなかった。

本発明の目的は、従来の問題点を解決し、指定された位
置に再現性良く形成できるジョセフソン素子を提供する
ことにある。

（課題を解決するための手段） 本発明のジョセフソン素子の製造方法は、結晶基板もし
くは結晶膜上に設けた溝上の超伝導体膜に粒界を形成し
てジョセフソン接合とするジョセフソン素子の製造にお
いて、前記溝形成後、前記結晶基板もしくは結晶膜表面
に、前記結晶基板もしくは結晶膜と同一物質もしくは前
記超伝導体膜の成長の下地となる物質を成膜して前記溝
の幅を縮小させる工程を含むことを特徴とする。

（作用） 本発明によるジョセフソン素子の製造方法によれば、結
晶基板もしくは結晶膜上に設けた溝の上の超伝導体膜に
粒界を形成してジョセフソン接合とするジョセフソン素
子が、下記のようにして製作される。

先ず酸化物高温超伝導体等の超伝導物質を成膜する結晶
基板もしくは結晶膜上のジョセフソン素子を形成する領
域に微細な溝を形成する。微細な溝は、電子ビームを用
いて穴を掘る方法や、通常シリコンデバイス等の加工に
用いられている反応性イオンエツチング（ＲＩＥ）法等
により形成される。

続いて基板全面に前記の結晶物質もしくは、他の超伝導
体形成の下地となる下地補助膜を電子ビーム蒸着法やス
パッタ法等により成膜し溝幅を縮める。特に、前記の溝
の側壁部に膜が形成されるような斜め蒸着等の成膜法が
好ましく使用され、溝幅の縮小が行なわれる。この工程
は、溝を掘る加工精度が、露光・エツチング技術の精度
に制約され、０．５ミクロンメートル程度以下の微細な
溝の高精度の加工が困難であるために、導入されている
。

続いて、基板全面に超伝導物質を成膜する。成膜された
超伝導薄膜の結晶構造は、下地の結晶構造を反映して下
地の結晶構造と一致した構造となる。従って、溝部にお
いては、表面の凹凸もしくは溝加工時における結晶構造
の破壊等により、溝周辺部とは異なる構造の膜が成長す
る。この膜の成長速度は、溝の側壁の効果により遅くな
る。このため、溝の両側に成長した結晶領域は徐々に拡
大し、やがて溝上に結晶粒界を作って互いに接触する。

最後に、超伝導体膜を所望の形状に加工し必要な回路を
形成する。即ち溝上の超伝導体膜を指定された電極幅Ｗ
に加工する。以上のようにして作られた結晶粒界から成
るジョセフソン接合の面積は、超伝導体膜の膜厚をｔと
する時、はぼＷｔとなる。よって電極幅Ｗもしくは膜厚
ｔを変えることにより、臨界電流値の制御が行なわれる
。

（実施例） 本発明の第１の実施例によるジョセフソン素子の製造工
程を第１図に示す。

先ずチタン酸ストロンチウムから成る結晶基板１のジョ
セフソン素子を形成する領域に、通常の露光技術を用い
てフォトレジスト２に長さ６ｐｍ、幅０．６ｐｍの窓３
を明ける（第１図（ａ））。次に塩素ガスを用いた反応
性イオンビームエツチング技術（第４８回応用物理学会
講演予稿集第１分冊第６７頁講演番号１９ｐ−Ｄ−２）
により溝４を形成する。この時のエツチング条件は、塩
素ガス圧力０．１５Ｐａ、引出し電圧４００Ｖ、イオン
ビーム５の電流数十ｐＡ／ｃｍ２であり、エツチング速
度は超伝導体膜１０ｎｍ／分、レジスト３０ｎｍ／分で
ある。上記条件の塩素イオンビーム５で４０分間エツチ
ングし深さ４００ｍｍの溝４を掘る（第１図（ｂ））。

続いて、チタン酸ストロンチウムから成る結晶基板１を
６００°Ｃに加熱し、電子ビーム斜め蒸着法により５ｎ
ｍ／分の速度で、チタン酸ストロンチウムから成る下地
補助膜６が３００ｍｍ厚に成膜される（第１図（Ｃ））
。この詩情４の側壁には約２００ｎｍのチタン酸ストロ
ンチウムが成長する。従って、溝４の幅は０．６１１ｍ
から０．２￥１ｍ程度に縮小され、溝４の深さは４００
ｍｍから１１００ｎと浅くなる。以上の結果、０．２ｐ
ｍ幅で１１００ｎの深さに、溝４がチタン酸ストロンチ
ウムから成る下地補助膜６で埋込まれる。この時の溝４
の両側の領域では、結晶基板ｌと同一の構造を有するチ
タン酸ストロンチウムから成る下地補助膜６が成長する
。

続いて、基板１を６５０°Ｃに加熱し、イツトリウム・
バリウム・銅酸化物を成膜速度１０ｎｍ１分で圧力１０
パスカルの酸素雰囲気中で４０分間蒸着して成膜する。

蒸着源としては、イツトリウム・バリウム・銅酸化物の
焼結体を用いる。焼結体の組成は、蒸着により形成され
たイツトリウム・バリウム・銅酸化物が超伝導体となる
組成に調整されている。蒸着源と成長した膜との組成ず
れは、装置と成膜条件に依存して大きく変化する。たと
えば本実施例においては、バリウムと銅がそれぞれ所望
の組成比より２％と４％増量した蒸着源を用いる。ここ
で蒸着源の加熱には、ｌ０ＫＶで加速された電子ビーム
が用いられる。又十分な酸素を補給する他の方法として
１００ｖで加速した酸素イオンビームを試料全面に照射
する手段も用いても良い。

以上のようにして形成された膜厚４００ｎｍのイツトリ
ウム・バリウム・銅酸化物超伝導体の結晶構造は、基板
のチタン酸ストロンチウムの結晶構造を反映した構造と
なる。即ち、Ｃ軸が基板面に垂直なチタン酸ストロンチ
ウム基板１を用いた時、同様にイツトリウム・バリウム
・銅酸化物は、Ｃ軸が基板面に垂直となった構造となる
。なお、溝４の上部においては、溝の両側から成長した
第１および第２の超伝導体膜７．８の結晶の粒界９が形
成され、ジョセフソン接合となる（第１図（ｄ））。

続いて、フォトレジストを用いた露光・エツチング技術
により、第１及び第２の超伝導体電極膜７．８が所望の
形状、たとえば電極幅Ｗが４ｐｍに加工され、必要な配
線と第２図に斜視図で示したジョセフソン素子が形成さ
れる。この時の反応性イオンビームエツチングを用いた
加工は次のように行なわれる。１０’Ｔｏｒｒの塩素ガ
スを高周波プラズマでイオン化し、引出し電圧４００ｖ
でイオン化した塩素ガスを加速してイオンビームを作る
。このイオンビームを試料全面に照射してイツトリウム
・バリウム、銅酸化物をエツチングする。たとえばエッ
チング速度４ｎｍ／分で８０分間エツチングすることに
より超伝導体電極７．８が所望形状に加工される。

上記実施例以外の超伝導体膜の成膜法として、イツトリ
ウム・バリウム・銅酸化物の焼結体の電極をターゲット
としたスパッタ法や、イツトリウムとバリウムと銅の金
属もしくは酸化物をそれぞれ異なるターゲット又は蒸着
源として同時にもしくは時分割でスパッタ又は蒸着する
方法等も利用できる。さらに超伝導体膜の加工には、イ
オンビーム・エツチング法や塩素以外の気体を用いた反
応性プラズマエツチング法等が用いられる。超伝導体膜
の形成時の試料温度は、６５０°Ｃ以外にも４００〜９
００°Ｃ前後の範囲に設定しても良好な超伝導体膜が形
成される。

以上に説明した本発明のジョセフソン素子の製造方法に
よれば、第１および第２の超伝導体電極膜、結晶粒界は
、結晶基板に設けた溝の上に形成される。従って接合の
長さは超伝導体電極膜の電極幅Ｗで決まり、接合部の幅
は、超伝導体電極膜の膜厚ｔでほぼ決まる。従って接合
の面積はほぼＷｔとなり膜厚ｔと電極幅Ｗで制御できる
。又接合が形成される位置は、結晶基板に設けた溝によ
って制御できる。即ちジョセフソン素子の形状と特性の
制御が容易になる。

以上のようにして形成された、第１および第２の超伝導
体膜の粒界を接合としたジョセフソン素子は、大きな電
流密度を有する接合を形成することができる。即ち、ジ
ョセフソン素子の臨界電流値は以下のようにして定まる
。Ｃ軸が基板に垂直となっている下地結晶を用いると、
超伝導体膜は、Ｃ軸が基板に垂直となる。よって、超伝
導体膜においては、臨界電流値が大きい方向（ＡＢ軸）
が膜面の方向となり、接合を流れる電流方向と一致する
。

従って、ジョセフソン素子の電流密度として、超伝導体
膜の最大電流密度１０６Ａ／ｃｍ”を得ることもできる
。たとえば、ジョセフソン接合部の電流密度５　Ｘ　１
０５Ａ／ａｍ２を仮定すると、ジョセフソン素子の臨界
電流値として、通常の論理回路等で用いられている０、
１ｍＡを有する接合は、０．４ｐｍ厚の超伝導体膜を用
いた特約１１１ｍの電極幅の第１及び第２の超伝導体電
極によって得られる。０．４ｐｍ膜厚の超伝導体電極の
電極幅を２ｐｍにすれば０．２ｍＡ、４ｐｍにすれば０
．４ｍＡの臨界電流値を用するジョセフソン素子が形成
される。

なお前記実施例では溝４の断面形状が矩形であるが、７
字形、Ｕ字形、台形、逆台形等でもよい。

（発明の効果） 本発明のジョセフソン素子の製造方法によれば、結晶基
板上に設けた溝の上に超伝導体膜の粒界を形成して、接
合としたジョセフソン素子が得られる。特に下地の結晶
上に設けた溝の幅を縮小することにより、溝の上に形成
する超伝導体膜の粒界の形成を容易にし、粒界接合の特
性の制御を容易にする。さらに本発明の製造方法におい
ては、超伝導体膜の結晶構造を下地の結晶構造で制御で
きるので、電流密度の高い結晶軸方向に電流を流すよう
なジョセフソン素子を制御性良く形成できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の詳細な説明するためのジョセフソン素
子の断面構造で表わした製造工程を示す図、第２図は本
発明の製造方法によって製作されたジョセフソン素子の
斜視図である。 １・・・結晶基板　　　　　２・・・フォトレジスト３
・・・窓　　　　　　　　４・・・溝５・・・イオンビ
ーム　　　６０．・下地補助膜７・・・第１の超伝導体
電極膜 ８・・・第２の超伝導体電極膜

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　結晶基板もしくは結晶膜上に設けた溝上の超伝導体膜
   に粒界を形成してジョセフソン接合とするジョセフソン
   素子の製造において、前記溝形成後、前記結晶基板もし
   くは結晶膜表面に、前記結晶基板もしくは結晶膜と同一
   物質もしくは前記超伝導体膜の成長の下地となる物質を
   成膜して前記溝の幅を縮小させる工程を含むことを特徴
   とするジョセフソン素子の製造方法。