JPH02298085A - 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 本発明は超電導応用技術であるジョセフソン素子の製造
方法に関するものである。

従来の技術 近年発見された酸化物超電導体の中には、その超電導遷
移温度が液体窒素温度（７７，３Ｋ）を越えるものがあ
り、超電導体の応用分野を大きく広げることとなった。

その実用化の一つであるジョセフソン素子については、
酸化物超電導体を二つに割り、再びわずかに接触させた
ブレーク型ジョセフソン素子、酸化物超電導膜作製の際
に起こる粒成長の現象を積極的に利用する、いわゆる粒
界接合を利用したブリッジ型ジョセフソン素子、酸化物
超電導体間をＡｕｓ　　Ａｇ等の貴金属で接続した近接
効果型（ＳＮＳ型）ジョセフソン素子が従来試作されて
いる。また、Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ−０やＢｉ−Ｓｒ−Ｃａ−
Ｃｕ−０やＴｉ−Ｂａ−Ｃａ−Ｃｕ−０の酸化物超電導
体とＮｂやＰｂ等の金属超電導体とのトンネル型ジョセ
フソン素子が試作されている。

金属酸化物超電導膜を利用したジョセフソン素子では、
ブレーク型や粒界接合型のものは、作製の際の再現性が
きわめて乏しいことが問題である。

また、トンネル型ジ日セフソン接合は、２つの超電導体
を絶縁体を介して、非常に接近（数ｎｍ以下）させる必
要があり、現在の技術では、酸化物高温超電導体を利用
する場合、製造は困難である。

これに対して、近接効果型（ＳＮＳ型）のジョセフソン
接合は、超電導体と常電導金属などを直接接触させた場
合に、超電導電流の担い手であるクーパ一対が常電導金
属内に浸透する現象（近接効果）を利用している。超電
導体同士を常電導金属を間に介して接近させることによ
り弱く結合させ、ジョセフソン接合を形成するものであ
る。この近接効果型ジョセフソン接合は、トンネル型ジ
ョセフソン接合が超電導体同士を非常に接近させる必要
があるのに比較して、比較的超電導体の間隔を広くとれ
る（数百ｎ１以上）ことから、作製精度に対する制約が
ゆるくなる利点がある。

発明が解決しようとする課題 しかし、金属酸化物超電導体は化学的な損傷に影響され
易く、特に、超電導体と空気中の水分との反応や超電導
体の構成元素である酸素の離脱などによって、超電導体
表面の超電導特性が劣化したり、あるいは、超電導性が
喪失したりすることがあり、これらの影響を防止するこ
とは重要な課題となっている。特に近接効果を利用した
ジョセフソン素子の場合、超電導体と金属の界面に、絶
縁体や半導体的な層が形成されてしまうと、素子の特性
が極端に劣化することが大きな問題であり、再現性およ
び制御性良くジョセフソン素子を製造するためには超電
導体界面の特性劣化の防止は解決しなければならない課
題である。

また、ＳＮＳ型ジｅセフソン接合を形成するためには、
通常、超電導膜曇金ＷＡ−超電導膜の３層の積層構造が
利用されてきた。この構造を金属酸化物超電導薄膜を用
いて構成するためには、薄膜作製の際に多くの場合、基
板を加熱したり、あるいは、膜堆積後高塩で熱処理など
を必要とする。

したがって、金属酸化物超電導体を含む多層膜の形成は
、膜間の相互拡散や、すでに堆積された膜の熱処理によ
る劣化などのため、極めて難しいのが現状である。従っ
て、新たなＳＮＳ接合形成方法の開発も重要な課題であ
る。

本発明は、このような従来技術の課題を解決することを
目的とする。

課題を解決するための手段 第１の本発明（請求項１）のジョセフソン素子の製造方
法では、基板上に形成された金属酸化物超電導膜上に、
第１の金属膜を堆積させることによって形成した２層膜
の一部分に微小なスリットを設けることにより、上記２
層膜を２つの電極部に分割し、上記スリットの一部分に
、上記２つの電極部を電気的に接続するように第２の金
属膜を堆積させることにより接合部を形成し、ジョセフ
ソン素子を製造する。第２の金属膜を堆積した後、エツ
チングにより接合部を形成するか、あるいは、接合部の
第２の金属膜をリフトオフ法により形成する場合も有効
である。第１をおよび第２の金属膜の材料として、遷移
金属を利用する場合、また、上記遷移金属として、金、
白金、銀などの貴金属を用いる場合も有効である。

第２の本発明（請求項４）のジョセフソン素子の製造方
法では、基板上に堆積させた金属膜の一部に微小な線路
部分を設け、上記金属膜上に金属酸化物超電導膜を形成
し、上記線路部分を横切るように上記金属酸化物超電導
膜にスリット部分を設けることにより、上記金属酸化物
超電導膜を２つの電極部に分割し、接合部を形成するこ
とによって、ジョセフソン素子を製造する。金属膜とし
て、白金、パラジウム、ニッケル等の遷移金属元素ある
いはこれらの金属合金を含む材料を用いた場合も有効で
ある。

上記金属酸化物超電導膜としては、銅元素を含むものを
利用する場合、または、上記銅元素を含む金属酸化物超
電導膜中の酸素原子の一部を硫黄原子またはフッ素原子
で置換したものを利用した場合、または、上記銅元素を
含む金属酸化物超電導膜として、Ａ−Ｂ−Ｃｕ−０複合
化合物を用いた場合も有効である。ここに、ＡはＳＣ，
Ｙ、ｌａ。

およびＬａ系列元素（原子番号５７．５９〜６０、Ｅ３
２〜７１）の内少なくとも１桓、ＢはＥ３ａ、　　Ｓｒ
などＨａ族元素の内少なくとも１種、かつＡ、　　Ｂ元
素とＣｕ元素の１度は、 ０．５≦（Ａ＋Ｂ）／Ｃｕ≦２．５ である。さらに、上記銅元素を含む金属酸化物超電導膜
として、Ｂｉ−Ｓｒ−Ｃａ−Ｃｕ−０化合物または上記
Ｂｉ−３ｒ−Ｃａ−Ｃｕ−０化合物中のＳｒ原子の一部
をＰｂで置換された化合物、あるいは、Ｔｉ−Ｂａ−Ｃ
ａ−Ｃｕ−Ｑ化合物または上記ＴＩ−Ｂａ−Ｃａ　−Ｃ
ｕ　−０化合物中のＢａ原子の一部をＰｂ”ｒ置換され
た化合物、あるいは、Ｎｄ−Ｃｅ−Ｃｕ−０化合物を用
いる場合も有効である。

作用 発明者らは、近接効果を利用したジョセフソン素子の製
造方法において、良好な接合を形成するためには、超電
導体と金属との界面を清浄に保つことが非常に重要であ
ることを確認している。

そのため、本ジロセフソン素子の製造方法における第１
の本発明では、金属酸化物超電導膜を形成した直後に、
第１の金属膜を前記金属酸化物超電導膜上に堆積させた
２層膜を利用することにより、作製過程において、金属
酸化物超電導膜の金属膜との界面が直接露出することを
なくシ、超電導膜表面の特性劣化を防ぐことが可能とな
った。

また、上記２層膜にエツチングなどにより微小なスリッ
ト部分を形成し、上記スリブｌ一部分を電気的に短絡す
るように、第２の金属膜で、接合部を形成するため、超
電導膜を多層に形成する必要がなく、従来からある微細
加工及び薄膜作製技術により接合を形成できる。

また、第２の本発明において、発明者らは、白金、パラ
ジウム、ニッケルなどの金属膜の上に特性の良好な金属
酸化物超電導膜が作製できることを利泪し、上記金属膜
を基板上に作製後、接合部分として、上記金属膜に微小
な線路部分を設け、その上に、金属酸化物超電導膜を堆
積させ、上記線路部分を横切るように金属酸化物超電導
膜に微小なスリット部分を設けることにより、金属酸化
物超電導膜の下にある金属膜を通して、近接効果により
ジョセフソン接合が形成できることを見いだした。この
製造方法においても、金属酸化物超電導膜の金属膜との
界面が露出することはなく、さらに、金属膜は基板上に
１度堆積させるのみで済むことから作製プロセスが簡略
化される。

実施例 以下に、本発明の実施例について図面を参照しながら説
明する。

実施例１ 第１の本発明のジロセフソン素子の製造方法の一実施例
により作製されたジロセフソン素子の構成を第１図に、
その断面を第２図に示す。Ｍｇ０（１００）前基板１１
上にＹ−Ｂａ−Ｃｕ−０からなる金属酸化物超電導膜１
２（膜厚３００ｎｍ）をｒｆマグネトロンスパッタリン
グ法により形成し、その後ただちに第１の金属膜１３と
して金（５０ｎｍ）を真空蒸着法により堆積させ、２層
膜１５を形成した。この２層膜１５上に電子ビームレジ
ストである０ＥＢＲ−１０００をスピンコーティングに
より塗布し、ベーキングの後、電子ビーム露光および現
像により約０．　５μｍ幅のスリット部分をレジスト膜
に形成した。このレジスト膜をエツチングマスクとして
、Ａｒイオンビームエツチング（イオン加速電圧５５０
　Ｖ、　　イオンビーム電流密度５７０μＡ／ｃｍ２、
約１０分間）により、２層膜１５に約５００ｎｍ幅のス
リット部分１７を形成し、上記２層膜１５を２つの電極
部分１６に分割した。エツチングの後、表面に残ったレ
ジスト膜は酸素プラズマによるアッシングで取り去った
。

次に、試料表面全面に、第２の金属膜１４として金（５
０ｎｍ）を真空蒸着し、その上にネガ型フォトレジスト
０ＭＲ８７（東京応化製）をスピンコーティングにより
塗布し、ベーキングした。

レジストにクロムマスクを用いたコンタクト露光法によ
り紫外線を照射し、現像により接合部１８形成のための
パターンを形成した。Ａｒイオンビームエツチング（加
速電圧５６０Ｖ１　　イオン電流密度５７０μＡ／ｃｍ
２．５分間）により、第２の金属膜１４をエツチングし
、接合部１８を形成した。

金属酸化物超電導膜１２の形成では、基板を約６００℃
に加熱し、圧力０６４Ｐａのアルゴン、酸素の混合ガス
（分圧比２：　１）中に、高周波電力１５０Ｗを投入し
、約２０分間のスパッタリングで形成した。この金属酸
化物超電導膜は特に形成後に熱処理などを行なうことな
く良好な超電導特性（超電導転移温度約９０Ｋ）を示し
、また、膜表面は微細加工に十分適する程度の表面平坦
度を有していた。

この試料を、金属酸化物超電導膜１２の超電導転移温度
以下に冷却し、２つの電極部分１６間の電圧電流特性を
測定した結果、超電導電流を確認し、近接効果型ジョセ
フソン接合特有の非線形特性を示すことを確認した。ま
た、２０ＧＨｚ付近の周波数のマイクロ波を接合部１８
に照射した場合、電流電圧特性の曲線上に、ジョセフソ
ン効果に起因する電圧の跳び（シャピロステップ）が観
測され、ジョセフソン接合が形成されていることが明確
に確認できた。

前記実施例では、接合部１８を形成するために、あらか
じめ２層膜１５表面全体に蒸着した第２の金属膜１４を
Ａｒイオンビームエツチングによりパターン化する方法
を利用したが、接合部１８形成のためにはスリット部１
７を微小な幅の金属膜によって接続できれば十分である
ことから、通常のりフトオフ法により接合を形成するこ
とも可能である。実際に、本発明者らは、２層膜１５に
スリット部１７を形成した後に、リフトオフに適したポ
ジ型フォトレジストＭＰ１４００−１７　（シブレイ社
製）をスピンコードし、フォトリングラフイーの手法に
より、接合部１８のみを取り除いたパターンをレジスト
に形成し、その上に、金属タンタル（約５０ｎｍ）をス
パッタ蒸着し、アセトン中に浸すことにより、リフトオ
フにより不用な部分のタンタルを取り除き、接合部１５
を形成した。本実施例では、リフトオフが容易な金属タ
ンタルを利用したが、レジスト膜の側面の形状が良好で
あれば、金を始めとした他の金属膜の利用も可能であり
、エツチングされにくい金属を第２の金属膜１４として
利用することも可能であることを確認している。なお、
第１の金属膜１３の形成を金属酸化物超電導膜１２の形
成後、同じ真空中で続けて行なうと、より一届良好な特
性の素子が得られた。

また、第１および第２の金属膜の材料として、金、タン
タル以外にも、遷移金属を利用する場合も有効である。

上記遷移金属として、金、白金、銀などの貴金属を用い
る場合は、２層膜表面が特に化学的に安定となり、金属
酸化物超電導膜との相互作用もないことから、きわめて
有効であることを確認している。

実施例２ 第２の本発明のジョセフソン素子の製造方法の一実施例
により作製されたジョセフソン素子の構成を第３図に示
す。Ｍｇ０（１００）面基板３１上に金属膜３２として
、白金（５０ｎｍ）をｄｃマグネトロンスパッタリング
により形成した。この白金による金属膜３２の上に、ポ
ジ型フォトレジストマイクロポジット１４００−１７　
（シプレー社製）を塗布し、クロムマスクを用いた接触
露光により、上記レジストに紫外線を照射し、現像を行
なった。このパターン化されたレジスト膜をマスクとし
て、Ａｒイオンビームエツチングにより、上記金属膜３
２を第３図に示すような微小な線路部分３５を形成した
後、上記レジスト膜をアセトンを用いて剥離した。上記
金属膜３２上に金属酸化物超電導膜３３をｒｆマグネト
ロンスパッタリングにより形成した。この金属酸化物超
電導膜３３（約３００　ｎｍ）の作製は先の実施例と同
様の条件で行なった。さらに、上記金属酸化物超電導膜
３３上に電子ビーム用ポジ形レジスト０ＥＢＲ−ｔｏｏ
ｏ　ｃ東京応化製）を塗布し、電子ビーム描画法により
、幅約０．５μｍのスリット状パターンを形成した。上
記レジスト膜をエツチングマスクとして、塩素ガスを用
いた反応性イオンエツチングによって、金属酸化物超電
導膜層３３のみをエツチングし、第３図に示すようなス
リット部分３６を形成することにより、上記金属酸化物
超電導膜３３を２つの電極部分３４に分割し、接合部を
形成した。金属酸化物超電導膜３３上に残ったレジスト
膜を酸素プラズマアッシャ−によって取り除いた後、真
空蒸着によって金電極を設け、接合の電気的特性を観測
した。その結果、本製造方法によって作製したジョセフ
ソン素子も、先の実施例１の手法によって作製したジョ
セフソン素子と同様な特性を示すことを確認した。

本実施例では、反応性イオンエツチングをスリット部分
３Ｓ形成のために用いたが、特にこの手法に限定される
ことはなく、金属酸化物超電導体に対する損傷が少ない
とされているＡｒイオンビームエツチングを利用するこ
とも可能である。但し、Ａｒイオンビームエツチングは
反応性イオンエツチングと異なり、材料の種類によるエ
ツチングレートの差が小さいという特徴がある。そのた
め、金属酸化物超電導膜３３をエツチングするためには
、その下の金属膜３２も幾分エツチングされる。そこで
、Ａｒイオンビームエツチングを利用する際には、金属
膜３２の膜厚を１１００ｎ以上の厚さにすることで、金
属酸化物超電導膜３３のエツチングの際に、金ｒｙｔ膜
３２が完全にエツチングされ、線路部分３５が切断され
ることを防ぐことができることを確認している。

また、金属膜３２として、白金を用いたが、この他にも
、パラジウム、ニッケル等の遷移金属元素あるいはこれ
らの金属合金を含む材料を用いた場合にも、良好な特性
を宵する金属酸化物超電導膜３３を形成でき、同様な特
性を有するジョセフソン素子を形成できることを確認し
ている。

前記実施例１および２では、金属酸化物超電導膜として
、Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ−０薄膜を利用したが、特にこの種の
超電導体に限る必要はなく、この他に銅元素を含む金属
酸化物超電導膜、または、上記銅元素を含む金属酸化物
超電導膜の酸素原子の一部を硫黄原子またはフッ素原子
で置換した金属酸化物超電導膜を利用した場合も、同様
の特性を有するジ１セフソン接合が作製できることを確
認している。このように、金属酸化物超電導膜中の酸素
原子を硫黄原子あるいはフッ素原子で置換したものは比
較的安定な超電導膜が得られることを確認している。上
記銅元素を含んだ金属酸化物超電導膜としては、Ａ−Ｂ
−Ｃｕ−○複合化合物を用いたものも有効であることを
確認し、ている。ここに、ＡはＳｅｘ　　Ｙ、　　Ｌａ
、　　およびＬａ系列元素（原子番号５７．５９〜６０
．６２〜７１）の内少なくとも１種、ＢはＢａ、Ｓｒな
どＩＩａ族元素の内少なくとも１種、かつＡ、　　Ｂ元
素とＣｕ元素の濃度は、０、　５≦（Ａ＋Ｂ）／Ｃｕ≦
２．５ である。さらに、上記銅元素を含む金属酸化物超電導膜
として、Ｂｉ−Ｓｒ−Ｃａ−Ｃｕ−０化合物または上記
Ｂｉ−Ｓｒ−Ｃａ−Ｃｕ−０化合物中のＳｒ原子の一部
をＰｂで置換された化合物、あるいは、Ｔｉ−Ｂａ−Ｃ
ａ−Ｃｕ−Ｑ化合物または上記Ｔｉ−Ｂａ−Ｃａ−Ｃｕ
−０化合物中のＢａ原子の一部をＰｂで置換された化合
物を用いる場合も有効であることを確認している。また
、常電導状態でのキャリアが電子であることを特徴とす
る金属酸化物超電導体であるＮｄ−Ｃｅ−Ｃｕ−０化合
物を金属酸化物超電導膜として用いても、同様の特性を
有するジョセフソン素子が得られることを確認している
。

また、金属酸化物超電導膜にスリット部分を形成するた
めのエツチングの手法として、Ａｒイオンビームエツチ
ングおよび反応性イオン、エツチングについて実施例で
述べたが、これらの手法に限るコトはなく、高精度のエ
ツチングができるものなら特に問題はなく、例えば、反
応性イオンビームエツチング、集束イオンビームエツチ
ングなどの手法も適用可能である。特に、集束イオンビ
ームエツチングでは、マスクレスプロセスとなることか
ら、素子製造工程が簡略化され、作製精度も向上する。

発明の効果 以上述べたように、本発明により、素子作製工程で、金
属酸化物超電導膜の金属膜との界面が直接表面に露出す
ることがなくなることから、金属酸化物超電導膜の金属
膜との界面の特性が、素子作製工程で劣化せず、極めて
再現性および制御性良く、ジョセフソン素子が作製でき
る。

また、本発明のジョセフソン素子の製造方法では、従来
の近接効果型接合形成の際、多くの場合必要とされてい
る超電導体の多層膜形成の必要がない。そのため、超電
導膜作製に伴う熱処理などによって、それ以前に形成さ
れた超電導膜や金属膜の変質がなく、現在の技術レベル
で十分に制御性良くジョセフソン接合を形成できる。

本発明の製造方法に基づき作製されたジョセフソン素子
を用いると液体窒素温度以上で動作する超電導量子干渉
計などが構成できる。また、高速光検出器やマイクロ波
ミキサーなどへの応用も期待できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は第１の本発明のジョセフソン素子の製造方法の
一実施例に基づき作製されたジョセフソン素子の斜視図
、第２図は上記ジョセフソン素子の断面図、第３図は第
２の本発明のジョセフソン素子の製造方法の他の実施例
に基づき作製されたジョセフソン素子の斜視図である。 １１．３１・・一基板、１２．３３Ｉ・・金属酸化物超
電導膜、１３畳Φ−第１の全１！！ｉＭ、１４争・壷第
２の金属膜、１５拳・１１２層膜、１６．３４・・拳π
極部分、３２・ＩＩ金属膜、１８・・・接合部、１７．
３Ｂφφ・スリット部分、３５φ壷会線路部分。 代理人の氏名　弁理士　粟野重孝　はか１名／ＪＷＬ妬
部分 １２図 １δ棲金部

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）基板上に形成された金属酸化物超電導膜上に、第
   １の金属膜を堆積させることによって形成した２層膜の
   一部分にエッチングにより微小なスリット部分を設ける
   ことにより、前記２層膜を２つの電極部に分割し、前記
   スリット部分の一部に、前記２つの電極部を電気的に接
   続するように第２の金属膜を堆積させることにより、接
   合部を形成することを特徴とするジョセフソン素子の製
   造方法。 （２）第１および第２の金属膜の材料として、遷移金属
   を利用することを特徴とする請求項１記載のジョセフソ
   ン素子の製造方法。 （３）遷移金属として、金、白金、銀などの貴金属を用
   いることを特徴とする請求項２記載のジョセフソン素子
   の製造方法。 （４）基板上に堆積させた金属膜の一部分に微小な線路
   部分を設け、前記金属膜上に金属酸化物超電導膜を形成
   し、前記線路部分を横切るように前記金属酸化物超電導
   膜にエッチングにより微小なスリット部分を設け、かつ
   、前記線路部分の金属膜の一部分を残すようにすること
   により、前記金属酸化物超電導膜を２つの電極部に分割
   し、接合部を形成することを特徴とするジョセフソン素
   子の製造方法。 （５）金属膜として、白金、パラジウム、ニッケル等の
   遷移金属元素あるいはこれらの金属合金を含む材料を用
   いたことを特徴とする請求項４項記載のジョセフソン素
   子の製造方法。 （６）金属酸化物超電導膜として、銅元素を含むことを
   特徴とする請求項１または４記載のジョセフソン素子の
   製造方法。 （７）金属酸化物超電導膜として酸素原子の一部を硫黄
   原子またはフッ素原子で置換することを特徴とする請求
   項６記載のジョセフソン素子の製造方法。 （８）金属酸化物超電導膜としてＡ−Ｂ−Ｃｕ−Ｏ複合
   化合物を用いる（ここに、ＡはＳｃ、Ｙ、Ｌａ、および
   Ｌａ系列元素（原子番号５７、５９〜６０、６２〜７１
   ）の内少なくとも１種、ＢはＢａ、ＳｒなどIIａ族元素
   の内少なくとも１種、かつＡ、Ｂ元素とＣｕ元素の濃度
   は ０．５≦（Ａ＋Ｂ）／Ｃｕ≦２．５ である）ことを特徴とする請求項６記載のジョセフソン
   素子の製造方法。 （９）金属酸化物超電導膜として、Ｂｉ−Ｓｒ−Ｃａ−
   Ｃｕ−Ｏ化合物、または前記Ｂｉ−Ｓｒ−Ｃａ−Ｃｕ−
   Ｏ化合物中のＳｒ原子の一部をＰｂで置換された化合物
   、あるいは、Ｔｉ−Ｂａ−Ｃａ−Ｃｕ−Ｏ化合物または
   前記Ｔｉ−Ｂａ−Ｃａ−Ｃｕ−Ｏ化合物中のＢａ原子の
   一部をＰｂで置換された化合物、あるいは、Ｎｄ−Ｃｅ
   −Ｃｕ−Ｏ化合物を用いることを特徴とする請求項８記
   載のジョセフソン素子の製造方法。