JPH02308578A - 超電導体装置の製造方法 - 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】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、酸化物超電導体を用いた超電導体装置の製造
方法に関する。

（従来の技術） 従来から、ある温度以下でその電気抵抗が零となる超電
導物質は数多く発見されており、それらを用いて超電導
導線や超電導電子デバイスなどを実現しようとする試み
が種々検討されてきている。また、最近、液体窒素の沸
点温度以上の転移温度を有する酸化物系の高温超電導体
が種々発見され、より高温での動作が可能な超電導素子
材料としての可能性を秘めていることから注目を集めて
いる。

このような酸化物超電導体を用いて超電導素子を構成す
る場合、良好な薄膜を形成することが重要である。そこ
で、酸化物超電導体の薄膜化については、各所で盛んに
研究が行われており、形成方法や形成条件を最適化する
ことによって、かなり良好な酸化物超電導体薄膜が得ら
れるようになりつつある。

しかし、実際に超電導素子を構成しようとする場合には
、酸化物超電導体膜の特性のみならず、電極形成などの
点から、酸化物超電導体と他の金属との良好な電気的接
触を形成することが不可欠であるが、現状の技術では接
触抵抗が充分に低いものはなかなか得られていない。

その理由の一つとしては、酸化物超電導体の表面付近に
形成される絶縁層の存在が挙げられる。

この絶縁層は、表面近傍部の酸化物超電導体から特に酸
素が離脱しやすいことや、水酸化物や炭化物の影響によ
り形成されるものと考えられる。

また、他の理由としては、酸化物超電導体は他の金属と
の濡れ性が悪いために、充分に密着した接合面が得られ
ないことが挙げられる。

このような問題を解決するための一手段として、酸化物
超電導体上に銀や金などの酸素の透過性の高い金属層を
形成し、この後、酸素雰囲気中で熱処理することによっ
て、銀などを介して酸化物超電導体の表面近傍に酸素を
供給し、酸化物超電導体と金属との接触抵抗を大幅に減
少させることが行われている。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、上述したような酸素アニールによって電
気的な接触を高めるためには、５００℃〜６００℃程度
の温度域でアニールを行わなければならず、これによっ
て銀の粒状化などが促進され、その表面が著しく悪化す
るという問題があった。

そして、たとえば超電導素子を構成する際には、酸化物
超電導体上に形成した金属層上にさらに絶縁層や他の層
を形成する必要があり、上記したように酸化物超電導体
上に形成した金属層の表面性が悪化すると、上記金属層
上に良好な他の薄膜を形成することができなくなるなど
、そのままでは超電導素子とするための加工を施すこと
が困難になってしまう。

また、酸化物超電導体を用いて超電導素子、たとえばジ
ョセフソン素子を構成する場合、酸化物超電導体上に絶
縁層を直接形成することが考えられるが、極めて薄い絶
縁層を酸化物超電導体上に均一に形成することはさらに
困難である。

本発明は、このような課題に対処するためになされたも
ので、酸化物超電導体に対して良好な電気的接触を再現
性よく得ることが可能な超電導体装置の製造方法を提供
することを目的としている。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） すなわち本発明は、酸化物超電導体上に、この酸化物超
電導体と電気的に接続された金属層を形成して超電導体
装置を製造するにあたり、前記酸化物超電導体上に酸化
銀または酸化金を主とする酸化物層を形成する工程と、
前記酸化物層が形成された酸化物超電導体を、酸素含有
雰囲気中にて前記酸化銀または酸化金を主とする酸化物
の解離温度以上の温度域で熱処理し、銀または金を主と
する前記金属層を形成する工程とを有することを特徴と
するものである。

酸化物超電導体としては多数のものが知られているが、
本発明においては希土類元素含有のペロブスカイト型構
造を有する酸化物超電導体や、Ｂｌ−！１ｉｒ−Ｃａ−
Ｃｕ−０系酸化物超電導体、Ｔ　Ｉ　−Ｂａ−Ｃａ−Ｃ
ｕ−〇系酸化物超電導体などが適用される。

ここでいう希土類元素を含有しペロブスカイト型構造を
有する酸化物超電導体は、超電導状態を実現できるもの
であればよ＜　、ＲＥ　Ｍ２　Ｃｕａ　０７−．５゛　
系（ＲＥは　Ｙ、　Ｌａ、　８０％　Ｎｄ５Ｓｉ　Ｅｕ
ｓ　Ｇｄ、　Ｄｙ１Ｊｉｏ。

Ｅｒ、ＴＩ、Ｙｂｑ　Ｌｕなどの希土類元素から選ばれ
た少なくとも　１種の元素を、舅はＢＢ、　５ｒ１ＣＢ
から選ばれた少なくとも　ＩＦＪの元素を、δは酸素欠
陥を表し通常１以下の数、Ｃｕの一部はＴＩ、Ｖ、Ｃｒ
、訃、ＦｅＳ、Ｃｏ、　Ｎｉ、Ｚｎなどで置換可能。）
の酸化物などが例示されるー また、使用する酸化物超電導体としては、ＭｇＯや５ｒ
Ｔ１０ｉなどの絶縁基板上に形成された薄膜やバルク、
条体など各種形状のものを適用することが可能である。

本発明の超電導体装置の製造方法においては、まず、酸
化物超電導体上の金属層形成部位に応じて酸化銀または
酸化金を主とする酸化物層を形成する。

これら酸化銀や酸化金は酸素との結合力が弱く、比較的
低温での熱処理によって解離し、酸素を放出するもので
あり、後述する熱処理によって還元され、銀または金を
主とする金属層となるものである。この酸化物層の厚さ
は、酸化物超電導体の表面近傍の酸素欠損部の量や金属
層の用途などによって異なるが、あまり厚いと酸化物層
から金属層への変換を均一に行うために長時間の熱処理
が必要となるため、５００人〜５０００人程変色するこ
とが好ましい。

また、上記酸化物層の形成は、蒸着法や反応性スパッタ
法などの各種薄膜形成法によって行うことが可能である
。

この後、上記酸化物層の構成物質である酸化銀または酸
化金の解離温度以上の温度域で酸素含有雰囲気中にて熱
処理を行い、金属層を形成すると共に、酸化物超電導体
の表面近傍の酸素欠損部に解離された酸素を供給する。

上記熱処理は、酸化銀または酸化金の解離温度以上の温
度域であれば充分にその機能を発揮するため、たとえば
２００℃〜４００℃程度の低温で行う。

これにより、銀や金の粒状化が阻止される。

また、上記熱処理は、酸化物超電導体上に酸化物層を形
成し、さらに酸化物層上に他の絶縁物や金属からなるパ
ッシベーション膜を形成した後に行ってもよい。上記酸
化物層上に形成する他の絶縁層としては、熱処理温度に
よって解離現象を起こさない他の酸化物や、その他各種
の絶縁物質を用いることが可能である。また、上記酸化
物層として酸化銀を用いる場合、酸化されにくい金をパ
ッシベーション膜として用いることも可能である。

このように、酸化物層上にパッシベーション膜を形成し
た後に熱処理を行うことによって、さらに酸化物超電導
体表面への酸素の供給を効果的に行え、また表面性の維
持も良好°に行える。

なお、上記パッシベーション膜として、絶縁物質を用い
た場合、ジョセフソン素子、５ＱＵＩＤ素子などにおけ
る超電導層／絶縁層／超電導層構造の絶縁層として機能
させることも可能である。

（作　用） 酸化物超電導体上の金属層形成部位に応じて酸化銀や酸
化金を主とする酸化物層を形成し、熱処理を行うことに
よって、酸化銀や酸化金が酸素の供給源として機能する
。これにより、酸化物層・　　電導体の表面近傍の酸素
欠損部が熱処理時に酸素を取込み、酸化物超電導体の表
面近傍部まで均一に超電導物質化することが可能となる
。この酸素の供給は、酸化物層上にパッシベーション膜
を形成した後に熱処理を行うことによって、酸化物層か
ら放出される酸素をより有効に酸化物超電導体に供給す
ることが可能となる。

このように、酸化物超電導体の表面近傍部まで均一に超
電導物質化することにより、酸化物の解離によって形成
された金属層にまで近接効果によって超電導が浸み出し
、極めて低い接触抵抗による接合が可能となる。また、
超電導の浸み出しにより、金属層上に絶縁層を形成して
ジョセフソン接合などを構成することが可能なる。

また、上記熱処理は低温においても効果を発揮するため
、金属層の粒状化が抑制されて良好な表面性を維持でき
、パッシベーション膜の形成により、より効果的となる
。

（実施例） 次に、本発明の実施例を図面を参照して説明する。

第１図は、本発明を適用した超電導体装置の製造工程を
模式的に示す図である。同図にしたがって、この実施例
において製造した超電導体装置の製造過程およびその条
件などを説明する。

まず、チタン酸ストロンチウム（ｉｏｏ）結晶基板１上
に、スパッタ法によって酸化物超電導体膜２を形成した
。この酸化物超電導体膜２は、Ａｒ１０２−ｌハのスパ
ッタガス中でＹＢａ　　Ｃｕ　　Ｏ組成の２３７−δ 酸化物超電導体を５ｏｏｏ人の厚さで成膜した。次いで
、この酸化物超電導体膜２上に、金属層主構成領域と電
極形成領域とに応じて酸化銀層３ａ１３ｂを蒸着法によ
って２０００人程度０厚さに形成した（同図−ａ）。な
お、酸化物超電導体膜２の形成後にその表面部の評価を
行ったところ、酸素の離脱による絶縁層が形成されてい
ることを確認した。

次に、金属層主構成領域となる酸化銀層３ａ上に、厚さ
１０００人の金層４と厚さ　１００人の酸化マグネシウ
ム層５をパッシベーション膜としてそれぞれ形成した（
同図−ｂ）。なお、上記金層４は電極部ともなり、また
酸化マグネシウム層５は酸化銀層３ａを囲うように形成
した。

この後、上記構造体に酸素雰囲気中にて２５０℃Ｘ１２
時間の条件で熱処理を施した。この熱処理によって、酸
化銀層３　ａ　％　３　ｂ中の酸素を放出させて銀層６
　ａ　ｓ　６　ｂを形成すると共に酸化物超電導体膜２
の表面近傍部の改質を行った（同図−Ｃ）。

このようにして得た超電導体装置における銀層６ａ、６
ｂと酸化物超電導体層２との接触抵抗を３端子法により
ｎ１定したところ、４．２Ｋにおける抵抗値は、測定限
界のｌロー＆Ω以下であり、酸化銀層３ａはほぼ完全に
銀層６ａに変換されているとともに、非常に良好な接触
が形成されていることを確認した。また、このことから
当初酸化物超電導体膜２表面近傍に存在していた絶縁層
は、熱処理によって酸素が供給され、超電導物質化され
たことを確認した。

次に、他の実施例について説明する。

第２図は、本発明の製造方法を適用して作製したジョセ
フソン素子を模式的に示す図である。

チタン酸ストロンチウム（１００）結晶基板１１上には
、スパッタ法による厚さ５０００人のＹＢａ２ＣｕｓＯ
組成の酸化物超電導体からなる第１の超電７−δ 導層１２がストライブ状に形成されている。この第１の
超電導層１２上には、同形状の銀層１３が８１層形成さ
れており、その中央付近に酸化マグネシウムからなる絶
縁層１４がさらに積層形成されている。

上記銀層１３は、前述の実施例と同様に、まず第１の超
電導層１２上に酸化銀層を形成し、さらに絶縁層１４を
積層形成した後に、酸素雰囲気中にて２５０℃で１２時
間熱処理することにより、酸化銀から変換して形成した
ものである。

また、絶縁層１４上には、第１の超電導層１２と直交す
るように、厚さ約１０００人〜５０００変色度のＮｂの
蒸着膜からなる第２の超電導層１５がストライブ状に形
成されている。

そして、第１および第２の超電導層１２．１５のそれぞ
れの両端部に電流、電圧端子１６．１７．１８．１９が
接続されてジョセフソン素子が構成されている。

このようにして作製した上記構成のジョセフソン素子の
電圧−電流特性を液体ヘリウム温度中でＢ１定したとこ
ろ、第３図に示す結果が得られた。

同図からも明らかなように、この実施例のジョセフソン
素子においては、良好なジョセフソン接合が形成されて
いることが確認された。また、変極点までの電圧値は２
０−ｖと、良好な値を示した。

これらのことから酸化物超電導体からなる第１の超電導
層１２と銀層１３とは充分に低い接触抵抗により接合さ
れていることが分る。また、このように接触抵抗を充分
に小さくすることによって、銀層１３へも超電導の浸み
出しが期待できるため、銀層１３上に絶縁層１４を形成
しても、良好なジョセフソン接合を得ることが可能とな
る。

また、この実施例のジョセフソン素子では、銀層を形成
する酸化銀層を酸素の供給源としているため、予め絶縁
層を形成した後に熱処理を行っても接触抵抗を充分に低
く維持することができる。

よって、絶縁層の形成などの素子化のための加工が良好
に行える。

なお、上記実施例ではジョセフソン素子を列として説明
したが、本発明はその趣旨を逸脱しない範囲において、
各種超電導素子などの製造に適用することが可能である
。

［発明の効果］ 以上説明したように本発明の超電導体装置の製造方法に
よれ′ば、表面性の低下などを招（ことなく、接触抵抗
が充分に小さい金属層を酸化物超電導体上に再現性よく
形成することが可能となる。

したがって、酸化物超電導体を用いたジョセフソン素子
などの各種超電導素子や超電導配線などの実現に大きく
貢献するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の超電導体装置の製造過程を
模式的に示す図、第２図は本発明の他の実施例によって
製造したジョセフソン素子を模式的に示す図、第３図は
その電流−電圧特性を示す図である。 ２・・・・・・酸化物超電導体膜、３ａ、３ｂ・・・・
・・酸化銀層、４・・・・・・金層、５．１４・・・・
・・酸化マグネシウム層、６ａ、６ｂ・・・・・・銀層
、１２・・・・・・酸化物超電導体膜なる第１の超電導
層、１３・・・・・・酸化銀から変化した銀層、１５・
・・・・・Ｎｂ蒸着膜からなる第２の超電導層。 出願人　　　　　　株式会社　東芝 代理人　弁理士　　須　山　佐　− （ａ） を 第１図 第２図 第３図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）酸化物超電導体上に、この酸化物超電導体と電気
   的に接続された金属層を形成して超電導体装置を製造す
   るにあたり、 前記酸化物超電導体上に酸化銀または酸化金を主とする
   酸化物層を形成する工程と、 前記酸化物層が形成された酸化物超電導体を、酸素含有
   雰囲気中にて前記酸化銀または酸化金を主とする酸化物
   の解離温度以上の温度域で熱処理し、銀または金を主と
   する前記金属層を形成する工程 とを有することを特徴とする超電導体装置の製造方法。
2. （２）請求項１記載の超電導体装置の製造方法において
   、 前記熱処理を、前記酸化銀または酸化金を主とする酸化
   物層上にパッシベーション膜を形成した後に行うことを
   特徴とする超電導体装置の製造方法。