JPH03110879A - ジョセフソン接合素子の作製方法 - 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】 「発明の利用分野」 本発明はジョセフソン接合素子（超伝導トンネル接合素
子）の作製方法に関する。

「従来技術および問題点」 ジョセフソン接合は、１９６２年Ｂ、Ｄ、Ｊｏｓｅｐｈ
ｓｏｎによって提唱され、以後、金属系の超伝導体を中
心に研究が進められ現在ではニオブ超伝導体を使った超
伝導ＬＳＩが試作されるまでにいたっている。

ジョセフソン接合素子の最大のメリットはその高速性で
、超高速性のスイッチング動作が可能で、それを集積化
した超伝導ＬＳＩを用いれば超高速コンピューターを作
製できる。ある試算によると半導体を用いたコンピュー
ターに比べ、ジョセフソン接合素子を用いた場合は５０
倍も高速なコンピューターが作製できるという。また、
半導体と違って消費電力が著しく小さいということもジ
ョセフソン接合素子の特長である。また、ジョセフソン
接合素子は微小磁場や電磁波・光の超高速センサーとし
ても利用できる。しかし、従来のジョセフソン接合素子
は臨界温度の低い金属系の超伝導材料（例えば、ニオブ
や鉛）を用いていたため、ジョセフソン接合素子を動作
するために、極低温が必要であった。そのため、高価で
資源的にも偏在した液体ヘリウムを使用せざるを得す、
実用化の妨げとなっていた。

一方、近年、酸化物系において液体窒素温度を越える臨
界温度をもつ超伝導体（酸化物超伝導体）が発見された
。これらの超伝導体（酸化物超伝導体）を用いれば、液
体窒素冷却で動作するジョセフソン接合素子ができ、実
用化が期待できる。

ジョセフソン接合素子は２つの超伝導体を非常に薄い絶
縁体や常伝導体で挾んだものである。その絶縁体や常伝
導体の厚さは、物質に依存するが、酸化物超伝導体は一
般にコヒーレント長が非常に短いため、酸化物超伝導体
に絶縁物を挟んだＳＩＳ接合タイプでは数ｒ＋ｍ以下の
非常に薄い絶縁体を形成しなければならない。超伝導体
に常伝導体を挟んだＳＮＳ接合タイプではＳＩＳ接合タ
イプより条件は緩いが、厚さ数１０ｎｍの常伝導体膜を
形成しなければならず微細加工の限界を越えていた。

つまり上記のような非常に薄い絶縁体や常伝導体膜を超
伝導体の上に形成し、さらにその上に超伝導体を形成す
るということは非常に困難である。

また、酸化物超伝導体は酸化物の為、極めて反応性が激
しく、また作成温度も高２Ｍ（５００°Ｃ）が要求され
るため、接合近傍の界面はぼやけたものとなってしまう
。

以上の理由より従来の酸化物超伝導体を用いたジョセフ
ソン接合素子は、自然に生じた粒界を利用するものが殆
どで、試料依存性が高く、信頼性は極めて低かった。従
って、人為的に粒界を制御して、信頼性の高いジョセフ
ソン接合素子を作ることが求められていた。

「発明の目的」 本発明は酸化物超伝導体を用いたジョセフソン接合素子
における常伝導体膜を微細加工を用いずに形成すること
及び酸化物超伝導体と常伝導体膜との接合を低温で形成
してその接合界面を明確なものとすることを目的とする
。

（発明の構成） 本発明は、基板上に酸化物超伝導薄膜を形成する工程、
前記基板および薄膜を冷却することによって薄膜にクラ
ックを形成し前記薄膜を分断する工程、および前記クラ
ックを金属で満たし、超伝導体−常伝導体一超伝導体接
合（ＳＮＳ接合）を形成することによってジョセフソン
素子を作製する方法を提供するものである。また、本発
明は、酸化物超伝導体が一般に熱膨張率が各種基板材料
に比べて大きく、そのため温度変化によりクラックが発
生しやすいという問題点をもつことを逆に利用して酸化
物超伝導体に人為的な粒界を形成することを特長とする
。

即ち、本発明は基板として酸化物超伝導体より熱膨張率
が小さい材料を用いることにより、表面に酸化物超伝導
薄膜を形成した後基板を冷却すると薄膜と基板の熱膨張
率の違いにより応力が生じこの応力により幅５０μｍ以
下の粒界（クラック）が形成され、更にこのクラック付
近に金属を形成してジョセフソン接合素子を形成すると
いう発明である。つまり、酸化物超伝導薄膜と酸化物超
伝導薄膜との間に微細加工を必要とせず５０μｍ以下の
厚さで常伝導体となる金属膜を形成させることができる
。また酸化物超伝導薄膜と金属の接合は低温で形成され
るため、その接合界面はぼやけることがなく明確にする
ことができる。

基板上に酸化物超伝導体が形成されているのを冷却する
と、膨張率の違いより基板と薄膜の間に応力が働く。通
常だと薄膜が均一なため応力が分散されてしまい、結果
的にクラックは起きたり、起きなかったりと規則性は全
くない。しかし本発明においては予めクラックを生じさ
せたい場所をくびれさせたり、その場所にミシン目をつ
くったりすることによって、確実にクラック即ちジョセ
フソン接合に必要な粒界を生じさせることができる。

このクラック付近に金属を形成することにより、金属と
その両側の超伝導体とでジョセフソン接合を形成するこ
とができる。

以下の実施例により更に本発明を説明する。

（実施例１） 第１図に本発明のジョセフソン接合素子を作る工程を説
明するための基板の断面図を示す。第１図Ａの基板１と
してはサファイヤを、酸化物超伝導薄膜３としてはＹＢ
ａｚ　Ｃｕ＊　Ｏｙの化学式で表せられる材料を用いた
。

基板１上にｒｆスパッタ法により単結晶酸化物超伝導薄
膜３を堆積した。そのときの成膜条件等を以下の表に表
す。

ターゲット　　　　Ｙ　Ｂ　ａ　ｚ　　Ｃｕ　ｓ　Ｏｙ
基板　　　　　　サファイヤ２面 基板温度　　　　６００″Ｃ 雰囲気　　　　　Ａｒ（６０χ）、０ｚ（４０χ）ガス
圧力　　　　０．４％ ｒｆ大入力　　　１３０Ｗ 堆積速度　　　　３　ｎｍ／ｍｉｎ 膜厚　　　　　　５００ｎｍ 後熱処理　　　　１ａｔｏｍＯｚ中で基板温度４００”
Ｃで３０分 こうしてできた膜は抵抗測定の結果、９１にで抵抗が零
となった。

この膜をイオンミリング法によってエツチングして、第
２図で示されるようにクビレ１３を幅数１０μｍ以下、
例えば約０．５μｍに形成した。

同図において、９は基板、１１はその上に形成された酸
化物超伝導体薄膜を示す。

次に第３図に示す真空蒸着装置１５内に基板１９を基板
ホルダ１７に設置した。チャンバー内を排気後、液体窒
素を循環させて基板１９を約１００Ｋまで冷却した。こ
の過程で熱膨張率の違いによって生じる応力のため、第
１図Ｂに示すように膜のクビレ部分に幅約数１０ｎｍの
クラック５が生じた。

更にこの状態のまま、蒸発源２３を加熱して酸化物超伝
導体と反応性の弱い金属、例えば金や銀の金属膜７をク
ビレの部分のみにマスク２１を用いて厚さ約２０ｒｖに
堆積した。こうして第１図Ｃのような酸化物超伝導体−
常伝導体一酸化物超伝導体接合を形成して、ジョセフソ
ン接合素子が得られた。

ここで得られたジョセフソン接合素子の電流・電圧特性
を、７７にで調べたところ、第４図に示すように、ＳＮ
Ｓ接合特有の非線型性が現れ、確かにジョセフソン接合
が形成されていることが分かった。

（実施例２） 第５図に別の実施例の基板の平面図を示す。基板２５上
に形成された酸化物超伝導薄膜２７に対してエツチング
法によって、ミシン目２９をパタニングする。このパタ
ーンは幅０．５μｍ、ミシン目の間隔は５μｍの等間隔
とした。その他の工程は実施例１と同じであるから省略
するが、温度変化と基板と薄膜の熱膨張率の違いを利用
することによりこのミシン目を境にクラックが形成され
る。このように本発明はエツチングパターンを変える事
によって種々のバリエーションが可能である。

（実施例３） 第６図に本実施例に使用するスパッタ装置の概略図を示
す。本実施例では超伝導薄膜の成膜、パターニング、及
び金属膜の形成を同一の装置で連続して行う為マルチチ
ャンバ方式とした。即ち、本実施例に用いたスパッタ装
置は電力系及び排気系、ガス系を持つ３つの独立したチ
ャンバからなり、基板を第１のチャンバから第２のチャ
ンバへまた第２のチャンバから第３のチャンバへ移動す
る為の機構が設けられている。以下にそのプロセスを説
明する。

本実施例において、先ず第１のチャンバ３１において基
板３７上に酸化物超伝導体ＹＢａｚＣｕ３０Ｖをスパッ
タ法により形成した。その時の成膜条件を以下に記す。

ターゲット　　　　ＹＢａ２Ｃｕ３０゜基板　　　　　
　サファイヤＲ面 基板温度　　　　６００°Ｃ 雰囲気　　　　　０２５０％。

ガス圧力　　　　１００ｍＴｏｒｒ ｒｆ人力　　　　１３０Ｗ 膜厚　　　　　　５００　ｎｍ Ａｒ５０％ 成膜された薄膜は単結晶であった。これを酸素雰囲気で
、６００°Ｃを保ったまま保持した。

次にこの基板を第２のチャンバ３３へ移動する（図面で
は移動機構は省略した）。このチャンバ内を１０　”’
Ｔｏｒｒに真空引きし、電子ビームまたはレーザービー
ム４１及びマスク４５を用いて酸化物超伝導薄膜のバタ
ーニングを行う。この時のパタンは実施例１と同様にク
ビレのあるパターンとした。この工程のときも成膜時と
同じ基板温度（６００°Ｃ）を保つようにした。

更に、基板を第３のチャンバ３５へ移動した。

このチャンバ内において、基板温度を室温まで冷却した
。これによって酸化物超伝導薄膜には微細なりラックが
形成される。そしてターゲットに設置した銀をマスク４
７を用いて、クラックの付近のみに厚さ約２０ｎｍに成
膜した。

このようにしてジョセフソン接合素子を形成した。

本実施例によって酸化物超伝導薄膜を基板上に形成する
工程から、クラックの形成、そしてジョセフソン接合の
形成まで一貫して一つの装置で連続した工程で作ること
ができた。さらに３つのチャンバはそれぞれが互いに独
立しているため、同時に３つのチャンバで別々の工程を
行うことが出来るため、無駄が無く生産性を高めるため
に有利な方法である。

本発明において形成されたクラックは冷却や昇温等の温
度変化の為、その幅が変動する可能性があるが、動作温
度は常に一定であるから、素子の特性も使用する範囲に
おいては一定である。

さらに基板としてＳｉやＳｉＯ□を用いても良い。

（効果） 本発明によって従来、微細加工の域を越えた酸化物超伝
導体のジョセフソン接合素子の作製が、従来とは全く異
なる熱膨張率の違いと温度変化の利用という全く新しい
方法によって作製することができた。

本発明は実施例のみに制限されるものでなく、つまり薄
膜と基板の熱膨張率の違いと温度変化を利用して粒界を
作ることが発明の要であり、薄膜や基板の種類、クラッ
クの大きさ、形状等は必要に応じて変えることができる
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のジョセフソン接合を作る工程を断面図
により示す。 第２図は実施例１の基板の平面図を示す。 第３図は蒸着装置を示す。 第４図は本発明のジョセフソン接合素子の電流・電圧特
性を示す。 縦軸：電流（ｍＡ）　、横軸：電圧（Ｖ）第５図は別の
実施例の基板の平面図を示す。 第６図は実施例３で用いたスパッタリング装置を示す。 基板　　　　　３　酸化物超伝導薄膜 クラック　　　７　金属膜 基板　　　　　１１　酸化物超伝導薄膜３　クビレ　　
　１５　蒸着装置 ７　基板ホルダ　１９　基板 ｌ　マスク　　　２３　蒸着源 ４　排気装置　　２５　基板 ７　酸化物超伝導膜 ９　ミシン目 １　第１のチャンバ ３　第２のチャンバ ５　第３のチャンバ ７　基板　　　　３９　ターゲット １　電子ビーム装置またはレーザ ３ タ ゲラ ト ５及び４ マスク （Ｂ） ｋ− 弔 図 Ｎ２ ＾−一 弔 図 第６ 図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、基板上に酸化物超伝導薄膜を形成する工程と、前記
   基板を冷却して前記薄膜にクラックを生じさせることに
   より前記薄膜を分断する工程と、前記クラック付近に金
   属を形成することにより酸化物超伝導体−常伝導体−酸
   化物超伝導体の接合を形成する工程を含む、ジョセフソ
   ン接合素子の作製方法。 ２、特許請求の範囲第１項において前記酸化物超伝導薄
   膜は単結晶であるジョセフソン接合素子の作製方法。 ３、特許請求の範囲第１項において前記クラックは幅５
   ０ｎｍ以下であるジョセフソン接合素子の作製方法。 ４、サファイヤＲ面基板上にＹＢａ＿２Ｃｕ＿３Ｏ＿ｙ
   で表される酸化物超伝導薄膜を形成する工程と、前記薄
   膜に化学的または物理的なエッチング処理を施して幅１
   ０μｍ以下のクビレを形成する工程と、前記基板および
   薄膜を１００Ｋ以下に冷却して前記クビレ部分に幅５０
   μｍ以下のクラックを形成して前記薄膜を分断する工程
   と、前記クラック付近に金属を形成することによって超
   伝導体−常伝導体−超伝導体接合を作る工程を含むジョ
   セフソン接合素子の作製方法。