JPH03154386A - ジョセフソン接合装置およびその製造方法 - 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】 ［概要］ 実装の容易なジョセフソン接合装置とその製造方法に関
し、 可視性を有する基板上に作製したジョセフソン接合装置
を提供することを目的とし、 耐熱性と可撓性を有する高分子フィルムと、該高分子フ
ィルムの耐熱温度以下の低温プロセスで該高分子フィル
ム上に形成されたジョセフソン接合素子と超伝導体配線
とを含むジョセフソン接合回路とを有するように構成す
る。

［産業上の利用分骨］ 本発明はジョセフソン接合装置とその製造方法に関し、
特に実装の容易なジョセフソン接合装置とその製造方法
に関する。

ジョセフソン接合は、非常に高速のスイッチングを行え
るスイッチング素子であり、かつ非常に敏感な磁気セン
サである。高速演算を行う素子としての性質を利用して
論理回路やメモリ回路としてジョセフソン集積回路を作
製することや、磁気センサとしての性質を利用して超伝
導量子干渉素子　　（ｓｕｐｅｒ−ｃｏｎｄｕｃｔｉｎ
ｇ　　ｑｕａｎｔｕｎ　　１ｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅｄ
ｅｖｉｃｅ；　Ｓ　ＱＵ　Ｉ　Ｄ　）や５ＩＳ（超伝導
体−バリア層−超伝導体）ミキサの研究開発が行われて
いる。

［従来の技術］ これまで集積回路や５ＱＵＩ　Ｄとしてのジョセフソン
接合装置は、シリコン基板を用いて作製されていた。シ
リコン集積回路の製造プロセスがジョセフソン接合装置
の製造に利用された。また、ＳＩＳミキサ等は水晶基板
の上にも作製されている。ジョセフソン接合装置をこれ
らの基板上に作製した後、半導体装置同様、基板をダイ
シングンー等で切り出して、ジョセフソン接合装置１単
位毎を切り出し、使用している。

第３図（、Ａ＞、（Ｂ）、（Ｃ）は従来の技術によるジ
ョセフソン接合装置を示す。

第３図（Ａ）はシリコン基板を用いたジョセフソン接合
装置を示す、シリコン基板５１の上に複数のジョセフソ
ン素子５２が形成され、ジョセフソン接合素子間の配線
が形成されて、ジョセフソン集積回路５３が形成される
。このようなジョセフソン集積回路の製造は、シリコン
集積回路の製造と同様のプロセスを用いて作製される。

シリコン基板５１は、大きな直径のシリコンウェーハが
ら切り出したもので、その厚さはシリコンウェーへの直
径によるが、３００〜６００μｍ程度である。シリコン
基板５１内にシリコン素子を形成し、シリコン基板５１
上のジョセフソン素子と合わせて集積回路を作ることも
提案されている。

第３図（Ｂ）は水晶基板上にジョセフソン接合装置を作
製した例を示す、水晶基板５４の上にジョセフソン接合
素子５２が形成され、相互の配線等が形成されて、ジョ
セフソン集積回路５３が形成されている。水晶基板５４
は、たとえば厚さ３００μｍ程度の水晶基板であり、ジ
ョセフソン集積回路５３を形成した後、適当な大きさに
ダイシングしたものである。

第３図（Ａ）、（Ｂ）に示したような、ジョセフソン接
合装置は、シリコン基板、水晶基板等のように堅い基板
の上に作製されている。これらのジョセフソン接合装置
を実装しようとする場合には、これらの基板５１．５４
を対応する平坦な支持面上に実装する。

また、シリコンや水晶は、堅いが脆い性質を有する。た
とえば、ハンドリングの際誤ってシリコン基板や水晶基
板を堅い物に衝突させたり、床上に落下させたりすると
、基板は割れてしまう。

第３図（Ｃ）は立体的にジョセフソン接合装置を組み立
てて立体モジュールを作製する例を示す。

たとえば、液体ヘリウム温度に冷却される基板５６の表
面にシリコン基板５１ａ、５１ｂ上に作製したジョセフ
ソン集積回路５３ａ、５３ｂ、を装架する。シリコン基
板５１ａ、５１ｂは基板５６の面に張り合わせて配線実
装される。ジョセフソン集積回路５３ａ、５３ｂ間の配
線は、基板５６表面に作製した配線手１１５７によって
行われる。

［発明が解決しようとする課題］ 以上説明した従来の技術によれば、ジョセフソン接合装
置はシリコン基板、水晶基板等の堅い基板上に作製され
ていた。これらの基板は平坦であり、平坦な面上にしか
実装できながった。また、基板が脆いことにより、取扱
に注意が必要であった。

本発明の目的は、可撓性を有する基板上に作製したジョ
セフソン接合装置を提供することである。

本発明の他の目的は、上述のようなジョセフソン接合装
置を製造する方法を提供することである。

本発明のさらに池の目的は、製造時の取り扱いが容易な
ジョセフソン接合装置を提供することである。

［５頭を解決するための手段］ 本発明によれば、ｌ（熱性を有し、可撓性を有する高分
子フィルム上にジョセフソン接合素子と超伝導体配線と
を作製する。

耐熱性を有する高分子フィルム上にその耐熱温度以下の
温度で超伝導体層−バリア層−超伝導体層の積層構造を
ストレスフリーの状態で物理堆積し、さらに耐熱温度以
下の温度でストレスフリーの状態でこの積層構造を選択
的にエツチングしてジョセフソン接合素子を作製する。

また、必要な配線を超伝導体配線層を作製することによ
って設ける。

［作用］ 可撓性を有する高分子フィルム上に作製したジョセフソ
ン接合装置は、基板ごと変形させることができる。従っ
て、測定面が曲面の場合の測定等においては、測定面に
合わせた曲面上にジョセフソン接合装置を実装すること
ができる。また、基板を折り曲げてジョセフソン接合装
置を立体的に実装することもできる。可撓性を有する高
分子フィルムが耐熱性を有するのでその上にジョセフソ
ン接合装置を作製することができる。耐熱性を有する高
分子フィルム上に、低温プロセスによって、かつストレ
スフリーの条件を選んで積層構造を作製し、選択的エツ
チングを行うことによって、基板を平坦な状態に保ちつ
つジョセフソン接合装置を作製することができる。この
ため、製造プロセスにおいても、特に取扱に困龍をきた
すことがない。

［実施例Ｊ 第１図（Ａ）〜（Ｄ）は本発明の実施例によるジョセフ
ソン接合装置を示す。

第１図（Ａ）において、耐熱性と可撓性を有する高分子
フィルム１の上にジョセフソン接合素子２が作製されて
いる。これらのジョセフソン接合素子２相互聞を超伝導
体配線５が接続してジョセフソン接合回路４を作製して
いる。高分子フィルム１は可視性を有するので、凸状曲
面を有する支持体１０の上に図示のように曲げて実装す
ることができる。

たとえば、高分子フィルムｌは厚さ約１００μｍ以下の
ポリイミドフィルムで作製される。ポリイミドは約３０
０℃程度の熱にたえる性質を有する。従って、このよう
なジョセフソン接合装置は、約３００℃以下の温度で行
う低温プロセスを用いることによって製造することがで
きる。

第１図（Ｂ）は、第１図（Ａ）と同様な構成を有するジ
ョセフソン接合装置が、凹面状の曲面に実装された場合
を示す、基板１が可視性を有すれば、ジョセフソン接合
装置は第１図（Ａ）のように凸面上にも、第１図（Ｂ）
のように凹面上にも実装することができる。

第１図（Ｃ）は、本発明の池の実施例によるジョセフソ
ン接合装置を示す、ジョセフソン接合装置の支持体の表
面１０が１部で平坦な面を有し、１部で湾曲している場
合である。可撓性を有する高分子フィルム１が支持体１
０の面に張り合わせて実装されており、支持体１０の平
坦な面に相当する部分上にジョセフソン接合素子２を有
するジョセフソン接合回路４ａ、４ｂが作製されており
、曲率を有する面上には超伝導体配線５が作製されてい
る。

第１図（Ｄ）は、他の実施例によるジョセフソン接合装
置を示す、可撓性を有する高分子フィルム１の中央部分
には超伝導体配線５が作製されており、その両側の部分
には高分子フィルム１の両面にジョセフソン接合回路が
形成されている。すなわち、１面にジョセフソン接合回
＆＠４ａ、４ｂが作製されている０、これらのジョセフ
ソン接合回路を作製した後、高分子フィルム１を中央部
分で湾曲させて折り畳み、貼り合わせである。ジョセフ
ソン接合回路４ａ、４ｂの間に必要であれば電気的接続
を行う、このようにして、ジョセフソン接合回路が立体
的に実装された立体モジュールが作製されている。

以上の実施例において、高分子フィルム１はその上にジ
ョセフソン接合回路４、を作製できるものである必要が
ある。ジョセフソン接合回路を作製するためには、有Ｒ
溶剤、酸、アルカリ等に耐えること、３００″Ｃ程度の
熱に耐えることが必要である。このような条件を満たす
材料として、ポリイミドフィルム、アラミドフィルム、
ボニフユニレンサルファイドフィルム（ＰＰＳ）　、ポ
リエーテルエーテルケトンフィルム（ＰＥＥＫ）　、ポ
リエチレンテレフタレートフィルム（ＰＥＴ）　等を用
いることができる。

このような高分子フィルム上にジョセフソン接合回路を
製作した場合、フィルムからジョセフソン接合装置を切
断する時は、従来の半導体集積回路装置と異なり、基板
が柔らかいので鋏やカッター等によって基板を切断する
こともできる。基板の形状も直線によって画定される形
状のみでなく、種々の形状をとることが可能となる。

第２図（Ａ）〜（Ｄ）に高分子フィルムの平面形状の例
を示す。

第２図（Ａ）は従来の半導体集積回路装置と同様矩形に
基板１ａを切断した場合を示す、長方形の場合を例示し
たが、正方形であってもかまわない。

第２図（Ｂ）は多角形に基板１ｂを切断した場合の例を
示す１図示のように、六角形の形状に基板を切断するこ
とにより、３回対称、６回対称等の回路を実装する場合
に都合のよい配置をとることができる。

第２図（Ｃ）は基板１ｃを円形に切断した場合を示す、
基板に角の部分がなくなる特徴を有する。

さらに、このような規則的な形状の外、任意の形状をと
ることができる。

第２図（Ｄ）は、回路部分７をほぼ矩形に近い形状とし
、回路部分から引き出すリード部分８をリードを載置す
るのに十分な幅のストリップ形状とした複合形状の基板
１ｄの場合である。

第２図（Ａ）〜（Ｄ）に示した種々の形状の基板１ａ、
１ｂ、１ｃ、１ｄの外にも希望に応じて種々の形状をと
ることができることは自明であろう。

以上述べたジョセフソン接合装置において、ジョセフソ
ン接合は、低温で製作する必要があるので、好ましくは
Ｎｂのような低温で成膜することのできる材料を用いる
。好ましい成膜方法はスパッタリング、蒸着等の物理堆
積である。

第４図（Ａ）〜（Ｊ）に本発明の実施例によるジョセフ
ソン接合装置の製造プロセスを示す。

第４図（Ａ＞はマグネトロンスパッタリングの工程を概
略的に示す図である。基板支持台２１上に、たとえば厚
さ約５０μｍのポリイミドフィルム１１を配置し、治具
２２で固定する。Ｎｂのターゲット２３を所定の位置に
配置し、Ａｒガス２５を導入して磁石２４からの磁場の
存在下でマグネトロンスパッタリングを行う。

たとえば、Ａｒガス圧１７１ＴＱｒｒで、基板加熱は行
わず、マグネ１〜ロンスパツタリングによって厚さ約２
００　ｒ＋ｌのＮｂ層１３を成膜する。ターゲットを変
更することによって、異なる物質の膜をスパッタリング
することができる。複数のターゲットを備えたスパッタ
リング装置を用いれば、常圧に戻すことなく異なる材料
の膜を連続的に成膜できる。このようにして、第４図（
Ｂ）に示すように、ポリイミドフィルム１１上に厚さ約
２００ｎｌの下層Ｎｂ層１３、厚さ約５ｎｎのＡＱＯバ
リ下層１５、厚さ約１５０ｎｍの上層Ｎｂ層１７を堆積
して積層構造を作製する。このように作製した積層構造
上に、第４図（Ｃ）に示すように、ホトレジスト層２７
を塗布し、現像してレジストマスク２７を作製する。

第４図（Ｄ）に示すように、レジストマスク２７を用い
て、下の上層Ｎｂ層１７およびＡＱＯｘバリア層１５全
１５−ニングする。

たとえば、上層Ｎｂ層１７のエツチングは、エツチング
ガスとして５％０２を含むＣＦ４ガスを約５０１ＴＯｒ
ｒ導入し、直径的２８０　ｍ１程度の平行平板！極間に
約５０Ｗの高周波電力を印加し、リアクティブイオンエ
ツチング（ＲＩＢ）を行うことによって実施する。また
、Ａ　Ｑ　Ｏ，バリア層のエツチングは、同様の平行平
板ＲＩＥ装置を用い、エツチングガスとしてＡｒガスを
約１５１ＴＯｒｒ導入し、平行平板電極間に約ＩＣ）、
ＯＷの高周波電力を印加することで行う、このような条
件の下ではポリイミドフィルム上の積層構造にストレス
が発生することがなく、ポリイミドフィルム１１は平坦
な形状に保たれる。

このように、上層Ｎｂ層１７、ＡＱＯバリア× 層１５をバターニングした積層構造上に別にレジストマ
スク２つを第４図（Ｅ）に示すように作製する。このレ
ジストマスク２９は下層Ｎｂ層を選択エツチングするた
めのものである。

第４図（Ｆ）に示すように、レジストマスク２９を用い
て下層Ｎｂ層１３をＲＩＥによって選択的にエツチング
する。ＲＩＥの条件は、前述の条件同様、たとえば５％
０２を含むＣＦ４５０１ＴＯｒｒの存在下で平行平板間
に約５０Ｗの高周波電力を印加することによって行う。

このようにして、上層Ｎｂ層１７、ＡＱＯバリア層１５
、下層Ｎｂ層１３をバターニングすることにより、所望
形状のジョセフソン接合が作製される。

第４図（Ｇ）に示すように、ジョセフソン接合素子を覆
ってＳ　＋　Ｏｘ絶縁層１９を０２雰囲気中で蒸着によ
り作製する。蒸着は低温で実施できる。

その後、ＳｉＯ絶縁層１つ上にレジスト膜３１を作製し
、現像することによってレジストマスクを作製し、下の
ＳｉＯ絶縁層１９をバターニングして、上層Ｎｂ層１７
に対する開口３２を形成する。

Ｓ　＋　Ｏｘ層のエツチングは平行平板ＲＩＥ装置を用
い、エツチングガスとしてたとえば２０％０２を含むＣ
ＨＦ　３ガスと約１５ｍＴｏｒｒ導入し、電極間に約１
００Ｗの高周波電力を印加して行う。

開口を形成した後、第４図（Ｉ）に示すように、その上
に配線層となるＮｂ層２０をマグネトロンスパッタリン
グにより作製する。この成膜も基板加熱なしで行う。

その後、第４図（Ｊ）に示すように、Ｎｂ配線層２０を
バターニングして配線を得る。

さらに、必要に応じて、表面に絶縁ｃＡ護膜を作製する
。

このようにして、低温プロセスにより耐熱性、可撓性を
有するポリイミドフィルム１１上にジョセフソン接合装
置を作製することができる。

なお、超伝導体としてＮｂを用いる場合を説明したが、
低温プロセスで成膜できるその他の超伝導材料、たとえ
ばＮｂＮ等を用いてもよい。

また、超伝導体の成膜にマグネトロンスパッタリングを
用いたが、蒸着や他のスパッタリングを用いることらで
きる。　ＳｉＯ絶縁層を０２雰囲気× 中で蒸着して作製する場合を説明したが、他の方法、プ
ラズマＣＶＤ”Ｃ″ＳｉＯ□を堆積すること等によって
作製してもよい。

ポリイミドフィルム１１はジョセフソン接合素子を物理
的に支持し、所要の曲げを許容するように選ぶ、このよ
うなポリイミドフィルム上に作製したジョセフソン接合
装置は、曲面への実装が可能となる。

以上実施例に沿って説明したが、本発明はこれらに制限
されるものではない、たとえば、種々の変更、改良、組
み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明によれば、ジョセフソン接
合装置が可視性を有するように作製されるので、平坦な
平面のみでなく曲面上への実装か可能となる。

また、可撓性を有する基板は柔軟性を有し、取板が容易
となる。

柔軟性を利用して基板を折り畳むこと等により、高密度
実装したジョセフソン接合装置の実現が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図（Ａ）〜（Ｄ＞は本発明の実施例を示す断面図、 第２図（Ａ）〜（Ｄ＞は耐熱性、可視性高分子フィルム
の平面形状を示す平面図、 第３図（Ａ）〜（Ｃ）は従来の技術を示す断面図、 第４図（Ａ）〜（Ｊ）は本発明の実施例によるジョセフ
ソン接合装置の製造方法を示す断面図である。 図において、 ４．６ ０ １ ３ ５ ７ １つ ０ １ ２ ３ ４ 耐熱性、可撓性高分子フィルム ジョセフソン接合素子 ジョセフソン接合回路 超伝導体配線 回路部分 リード部分 支持体 ポリイミドフィルム 下層Ｎｂ層 ＡＱＯバリア層 上層Ｎｂ層 ＳｉＣ絶縁層 Ｎｂ配線層 基板支持台 治具 ターゲット 磁石 ５ ２７、２９ スパッタリングガス レジストマスク （Ａ）凸面上の実装 （Ａ）矩形 （Ｂ）多角形 （Ｃ）円形 （Ｄ）複合形状 第２図 （Ｂ）水晶基板 従来の技術 第３図 （Ｃ）立体モノニール 第］図 １４ （Ａ）Ｎｂ層マグネト０ノスパッタリング（Ｃ）レジス
トマスク作成 フ７ （Ｄ）上層ＮｂＦ！ＡＩ　Ｏｘバー９７層リアクティブ
イオノエッチ（ＲＩＥ）実施例によるジョセフソン接合
装真の製造方法第４図（その１） （Ｅ）レジストマスク作成 （Ｆ）下層Ｎｂ、ＩＲＩＥ （Ｇ）ＳｉＯｘＦ！プラズ？ＣＶＤ （Ｈ）ＳｉＯｘ層にコノタクト窓開口 実施例によるノヨセフソン接合装置の製造方法第４図（
その２）

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）、耐熱性と可撓性を有する高分子フィルム（１）
   と、 該高分子フィルムの耐熱温度以下の低温プロセスで該高
   分子フィルム上に形成されたジョセフソン接合素子（２
   ）と超伝導体配線（５）とを含むジョセフソン接合回路
   （４）と を有するジョセフソン接合装置。
2. （２）、耐熱性と可撓性を有する高分子フィルム（１）
   を準備する工程と、 該高分子フィルムを加熱することなく、その上に超伝導
   体層、バリア層、超伝導体層の積層構造を該高分子フィ
   ルムの耐熱温度以下の温度でストレスフリーの状態で物
   理堆積する工程と、該積層構造を該耐熱温度以下でスト
   レスフリーの状態で選択的にエッチングしてジョセフソ
   ン接合素子を作製する工程と、 該ジョセフソン接合素子を接続する超伝導体配線を該耐
   熱温度以下でストレスフリーの状態で形成する工程と を有するジョセフソン接合装置の製造方法。