JPH03270280A - 超伝導交差路を有する微小電子回路素子及び製造方法 - 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】 直見圭立剋貝旦互 本発明は、高臨界温度（Ｔｃ）超伝導材料から成る電気
的構成物に関する。特に、本発明は、改良された微小電
子回路の超伝導材料交差路及びコイルに関係する。この
超伝導材料は高い臨界温度を有する。本発明はまたこの
様な交差路及びコイル構造を形成する改良された方法も
関係する。

液体窒素の沸点７７Ｋにも達する或いはそれ以上の温度
で超伝導性を示す高い臨界温度（Ｔｃ）を有する超伝導
材料が開発されている。高Ｔｃ超伝導材料を有する電子
素子を作製するが出来ると、多くの利点が約束される。

この様な素子は低い臨界温度の超伝導材料を有する素子
の利点を示すが、液体Ｎ２内で作動できるので、より容
易に且つより安価に冷却できる。

不幸°にして、高Ｔｃ超伝導材料を使用する微小電子回
路を形成することは、自明ではなく、従来技術をたやす
く周到することは出来ない。例えば、ニオブ及び窒化ニ
オブの様な、低Ｔｃ超伝導材料は真空蒸着又はスパッタ
リングの様な通常の技術を使用し、ついで反応性イオン
エツチング又は同様なホトリソグラフィック技術を使用
して作製される。低臨界温度超伝導材料を使用する微小
電子回路構造の例が、ＫｌｅｐｎｅｒによってＩＥＥＥ
　Ｔｒａｎｓ−ａｃｔｉｏｎ　ｏｎ　Ｍａｇｎｅｔｉｃ
ｓ、　１９８１年１月ページ２８２以降に、Ｊａｙｃｏ
ｘ等によって同じ刊行物のページ４００以降に、Ｎａｇ
ａｓａｗａ等によってＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏ
ｎ　ｏｎＭａｇｎｅｔｉｃｓ、　１９８９年３月ページ
７７７以降に、Ｋａｐｌｕｎｅｎｋｏ等によって同じ刊
行物のページ８６１以降に記述されている。

が解決しようとする　題 この様な製造技術は、高Ｔｃ超伝導材料を採用する多層
微小電子回路素子の多くの形態に適合する。この理由は
、超伝導であるためには高Ｔｃ材料がエピタキシーを有
する必要があると言う事実を含む。エピタキシーは、材
料が堆積された後例えば、８５０’Ｃの高温度でのアニ
ーリング工程を使用して達成することができる。しかし
ながら、高↑。超伝導材料のこの薄膜は多くの欠陥を有
しており、この様なアニーリング温度で隣接する層と急
速に相互に拡散する。多くの微小電子回路の構造は多数
の層を必要とし、アニーリング工程は実用的でない。従
って、多層へテロエピタキシャル層の形成を直接結果す
る堆積技術が、この様な構造に必要とされる。

高Ｔｃ超伝導材料が、レーザー堆積法を使用して６５０
℃と７５０’Ｃの間の温度で適当な基板上にエピタキシ
ャル薄膜として堆積することができる。単一層の微小電
子回路構造に於いて２、正しく準備された基板表面は、
適当な堆積条件下でエピタキシャル薄膜をもたらす。し
かしな、がら、導電体が互いに交差する場合（クロスオ
ーバ）、のように絶縁層が必要とされる場合、適当な絶
縁及び同時に第３のエピタキシャル薄膜層の堆積に対す
る好適な表面を達成する能力は従来技術では達成されて
いない。、高Ｔｃ超伝導材料の多層構造がジョセフソン
特性（電子トンネル）を示す３層接合と関連してＲｏｇ
ｅｒｓらによって報告されている。

この様な３層構造は交差路としては好適ではないが、こ
れは中間層（ＰｒＢａ２Ｃｕ＋Ｏｘ　）は、典型的な微
小電子回路交差路への適用に対して不十分な絶縁特性を
有しているからである。

本発明の目的は、高Ｔｃ超伝導材料の２つの層が絶縁層
によって分離される多層微小電子回路素子を提供するこ
とにある。

本発明の更に一般的な目的は、改良された微小電子回路
素子を提供することにある。

本発明の他の目的は、高Ｔｃ超伝導材料を有する微小電
子回路素子を製造するための改良された方法を提供する
ことにある。

本発明の別の目的は、基板を超伝導セラミック被覆物で
被覆し、第２の超伝導セラミック被覆物によって次にこ
れを被覆して、２つの超伝導被覆物が電気的に互いに絶
縁されている形態で高Ｔｃ超伝導金属酸化物（セラミッ
ク）の交差路を提供することにある。

本発明の他の目的は、電子回路素子に対する微小電子回
路超伝導交差路を形成す乙ための方法を提供することに
ある。

本発明の更に別の目的は、超伝導材料及び絶縁材料の薄
膜からなる薄膜多重巻コイルを提供することにある。

これら及び他の目的は以下の記述、添付図面、及び実施
例から明らかになるで有ろう。

主園生！七 本発明か提供する超伝導微小電子回路部品は、基板、高
Ｔｃ超伝導金属酸化物から成る第１の超伝導薄膜、第１
の薄膜の少なくとも一部を覆う第２の絶縁薄膜、及び前
記第２の薄膜上の高Ｔｃ超伝導金属酸化物の第３の超伝
導薄膜から形成される交差路を有し、基板上の前記第１
の超伝導薄膜は一つ以上の超伝導ストリップから成る。

前記第２の薄膜はこのストリップを部分的又は完全に覆
う絶縁薄膜である。前記第３の薄膜は、前記絶縁薄膜上
で第１の薄膜のストリップの少なくとも一つを覆う一つ
以上の超伝導ストリップから成る。

超伝導金属酸化物を準備するためにアニーリング工程は
必要とされず、各薄膜が完全にその場に堆積され、必要
ならば、堆積工程期間に素子を大気に曝すことの出来る
、上述の様な素子を準備する方法を提供することにある
。

寒豊１ セラミック酸化物又は金属酸化物の様な高温超伝導体の
薄膜の単一層の堆積に対する方法が公知である。この高
温超伝導体の最もよく知られたものは、はＹＢａ２Ｃｕ
３０ｘ（ｘは７．０までの正の数）であり、これはＹＢ
ＣＯとしても知られており、イツトリウム、バリウム及
び銅の化学量論的比率に基づいて時々１２３混合金属酸
化物と呼ばれる。しかしながら、ある種の複雑性を有す
る微小電子回路を作り出すために、多層構造を堆積する
ための技術を開発する必要がある。

一つの重要な多層構造は、絶縁された交差路であり、電
気的絶縁を維持して、２つの薄膜超伝導体がオーバーラ
ツプ又は交差することを可能とする。成る種の複雑性を
有する事実上全ての電子回路は、この様な交差路を必要
とする。例えば、交差路のこの様な利用は、薄膜多重巻
超伝導体コイルの構造にある。この交差の問題は、コイ
ルのより内側巻線に電気的に接触するということにある
。

電気的な考慮事項に加えて、高Ｔｃ超伝導材料膜を使用
して交差路構造を形成することに関連する付加的な問題
がある。多くの薄膜は多くの欠陥を本質的に有しており
、相互拡散が単一結晶内に於けるよりもより早く進行す
る。砒素拡散された薄膜がエピタキシャルの場合、アニ
ール工程か所望の超伝導特性を達成するのに通常必要と
される。

ＹＢＣＯに対しては、アニーリング温度か典型的に約８
５０℃である。しかしながら、８５０℃の温度で、相互
拡散が急速に進み、この様なボストーアニーリンク温度
を必要とする３層構造を形成することが実際に略不可能
となる。従って、混合金属超伝導体から成る３層構造を
形成するために、比較的低い基板温度、短い堆積時間、
高温アニールを避ける方法を満足するその場堆積方法を
考案する必要がある。

本発明は、交差路用に高Ｔｃセラミック酸化物薄膜を成
長するために、ＹＢＣＯに対しては７５０℃となる高い
セラミック酸化物の堆積温度で基板及びセラミック酸化
物との間で低い相互拡散特性及び化学的反応性を有する
絶縁物質を使用する必要がある。この堆積条件ででは、
絶縁層はエピタキシャル又は基板及びセラミック酸化物
の両方上で高度に配向される方法で成長できねばならず
、且つセラミック酸化物及び基板に対し良好な被覆性（
カバーリッジ）及び被着性を、特に角及び凸凹の所で有
する必要がある。

絶縁層は高い抵抗率（ρ）を有し、素子内で利用される
セラミック酸化物の遷移温度（Ｔｃ〉以下の温度で、上
方及び下方の超伝導層間に十分な絶縁を与えることが重
要である。

従って、本発明は、超伝導体金属酸化物の交差路を形成
でき一１又すでに堆積されており、且つ堆積されるべき
の材料の電子的特性を破壊することなく完全な微小電子
回路素子を製造する方法に関する。

好ましくは、化学量論的なＹＢＣＯｌＹＳｚ又は５ｒＴ
ｉＯのようなターゲットを蒸発するレーザーを使用する
本発明に従って、薄膜が堆積される。二の堆積は真空堆
積チャンバー内で行うことができ、レーザーがターゲッ
ト上に集光され、基板を所望の温度に加熱することので
きる基板ホールダが用いられる。基板は、ＭｇＯ，Ｓｒ
ＴｉＯ３、ＹＳＺ及びＬａＡｌＯｓの様な当業者に知ら
れている多くの基板材料であり得る。

基板ヒーターは先ずガス出しされ、基板温度が（例えば
ＹＢＣＯの堆積のために〉約６５０℃から７５０℃の範
囲まで上げられる。堆積チャンバーが５μＴｏｒｒまで
排気される。基板を加熱するための好適な温度はＹＢＣ
Ｏに対して約７３０６Ｃである。

酸化物は次にシステム内に流入される。これは、堆積さ
れた薄膜内の固有の化学量諭的量を維持するために必要
とされる。典型的に、真空チャンバー内の酸化物圧力が
約１５０から２５０　ｍＴｏｒｒであり、好ましくは１
９０　ｍＴｏｒｒであると、ＹＢＣＯ堆積に対して利用
可能である。基板に、第１の層に対するパターンをその
開放領域内に決めるマスクをカバーすることができる。

典型的な、マスクはパターン化されたステンレススチー
ルフォイル、シリコンウェハー又は堆積チャンバー内の
温度及び状態に対抗する他の耐久性の材料から形成する
ことができる。又、ホトリソグラフィー又は他の好適な
プロセスが、堆積が完了した後に、所望のパターンを形
成するのに使用することができる。

典型的には、堆積に先だって、ターゲット表面はレーザ
ーパルスによってクリーニングされ、ＹＢＣＯの様な高
Ｔｃセラミック酸化物が、焼成パウダーをディスク状に
圧縮して焼結することにより形成された化学量論的ＹＢ
ＣＯターゲット上にレーザーを集光することにより堆積
される。好ましくは、第１の層は（ＹＢＣＯ層に対して
）０．１から０．６　μｍの厚さに堆積される。しかし
ながら、厚さは最終的な応用及び微小電子素子の所望の
電流搬送能力に依存して変化される。０．２から０．４
μｍの範囲内の厚さが最も好適である。堆積の後、チャ
ンバーは大気圧まで酸素で充填され、基板の背面が約４
５０℃にまで冷却されことが可能とされる。

基板が取り扱われることのできる温度（約１００℃以下
）までに冷却した後、チャンバーは開放されて、前記マ
スクが取り除かれ、第２の（絶縁）層を堆積するための
好適なマスクに置き換えられ、ターゲットが絶縁体ター
ゲット材料により置き換えられる。チャンバーを開放す
ることができ、基板及び堆積されたセラミック酸化物層
が更に処理されるために大気に曝されることが本発明の
重要な特徴である。

絶縁層堆積用のマスクが接地された後、チャンバーが・
閉鎖され、真空引きされ１、約２００℃で基板がガス出
しされる。この低温度はセラミック酸化物層からの酸素
の損失を最小にする。チャツバ−内の圧力が、約５μＴ
ｏｒｒまで低下された後、基板温度は絶縁物の堆積に対
する好適な温度、（ＳｒＴｉＯａ堆積に対して）約６８
０℃に急速に上昇される。酸素が流入されて約１９０μ
Ｔｏｒｒ圧を得る。ターゲットがレーザーによってクリ
ー斗ングされ、ＳｒＴｉＯ３、イツトリウム添加ジルコ
ニウム（ＹＳＺ）　、他の好適な絶縁物が堆積される。

この堆積は、好ましくは、０．１から０．５μｍ厚さの
層を形成するのに又は十分に絶縁がなされる十分な期間
にわたって達成される。第１の堆積と同じ冷却手法を使
用することが有用である。

基板の冷却の後に、チャランバーは再び開放され、マス
クが取り除かれ、ターゲットが次の堆積のために変更さ
れる。ガス出し及び堆積が第１の堆積工程と同様にして
達成することができる。第３の層は、その層が例えばＹ
ＢＣＯである場合約０．１から０．５μｍの厚さに堆積
することが実用的である。第３の層は、マスクを使用す
ることによりパターン化されるか又はホトリソグラフィ
ーの後にイオンミルエッチを行うことによりパターン化
することが出来る。

第１図を参照する。本発明に従う高Ｔｃ超伝導体交差路
を有する微小電子素子が示される。第１Ａ図を参照する
。ＹＢＣＯ及びＳｒＴｉＯ３に適した基板が利用される
。好適な基板は研磨された表面を有するＭｇＯである。

第１の層１１は、Ｈパターン状に堆積される金属酸化物
超伝導体からなる。このＨ状のクロスバ−は狭いストリ
ップを形成する。第２の層Ｉ２は、絶縁ＳｒＴｉＯ３で
ある。これは図示された様に第１の層を部分的のみに被
覆する。交差が発生する層１１のクロスバ−の部分のみ
を特に被覆する。第３の層１３は、絶縁層１２上に堆積
された２つのストリップ１３Ａ、１３Ｂの形態のＹＢＣ
Ｏから成る。

第１Ｂ図を参照する。第１Ａ図に示される装置の側面が
示される。参照番号１０．１１．１２゜１３Ａ、１３Ｂ
は上述されている。

第２図を参照する。第１図に示される様な構成を有し、
以下の例の記述に従って作製された３層素子のＸ線回折
スペクトルが示される。第２図のスペクトルは、ＹＣＢ
Ｏは略Ｃ軸（薄膜の厚さ方向の軸）に配向されている。

ＹＢＣＯ（１０３）及び（１１０）及びＳｒＴｉＯ３（
１１０）からの寄与による２（３＝３２．３９゜に位置
する不純物ピークがある。ＹＢＣＯ及び５ｒＴｉＯ。

の両方が成る無規則配向を有することが示される。

絶縁材料の被覆性が実質的に均一であり、超伝導層間で
短絡を引き起こすピンホール又は他の隙間が無いことが
重要である。レーザー堆積は、本発明を達成するための
効果的な方法だと分かる。しかしながら、電子ビーム真
空堆積及びスパッタリングの様な他の方法は、適当な状
況で使用することができ、この様な被覆を達成すること
ができる。

第４図を参照する。本発明と関連する薄膜コイルが示さ
れている。コイルが高Ｔｃ超伝導材料の薄膜から形成さ
れた−続きの正方形ループからなる。説明のために、単
一の導電ストリップ２２をループ２０から成るストリッ
プから絶縁する絶縁層２１が示されている。ループ２０
は絶縁層２１上にあり、ストリップ２２は絶縁層２１の
下に位置する。下方ストリップ２２とループ２０から成
る上方層の間の超伝導電気的接続は、接続領域２３で発
生する。この接続領域２３は、例えば、下方ストリップ
２２の一部を絶縁層２１によって保護しなでおき、つい
で超伝導材料の薄膜を堆積し、これによって下方のスト
リップ２２を上方層に接続することに形成することがで
きる。

第５図を参照する。本発明に従う磁束変成器を使用する
超伝導量子干渉素子（ＳＱＬＩＩＤ）が示される。

ピックアップコイル２４は、例えば、印加磁場用のセン
サーとして機能することのできる比較的大きな領域を決
めるループから成る。人力コイル２５は、例えば第４図
に示される様にして作製された薄膜コイルとすることが
できる。入力コイル２５は、ピックアップコイル２４と
対称的に、小さな多重巻コイルであり、ＤＣ５ＱＵＩＤ
２６と略同じサイズとすることが好ましい。５ＱＵＩＤ
　２６は低い遷移温度又は高い遷移温度の超伝導体の何
れからも作製することができ、この５ＱＵＩＤは入力コ
イル２５からの磁束信号を、通常の電子回路で検出でき
る電圧に変換する。２つの超伝導コイル２４および２５
から成る変成器は、磁束変成器が存在しない場合の感度
と比較して、印加磁場に対する５ＱＬＩＩＤの感度を増
大することかできる。又、ピックアップコイル２４は、
例えば磁場の傾斜に対して感度を有する多数のループと
することか出来、これによって磁場の複数の局所源を区
別するのに使用することが出来る。

高Ｔｃ材料から成るコイル２４及び２５から成る第１図
に示される様な磁束変成器は、従って、印加磁場に対す
る５ＱＵＩＤの感度を増大し、又磁場の微分成分に対し
て感度を有し、遠隔源からのノイズを抑制することが出
来る。

磁場に対するピックアップ領域を有する５ＱＵＩＤ内で
低い磁場感度を増強するので、上述された様に高Ｔｃ５
ＱＵＩＤが磁束変成器に結合されるべきことが重要な改
良であると信じられている。典型的な高Ｔｃ磁束変成器
に対して、パターン化された高Ｔｃストリップのライン
巾が約２０ミクロン巾程度又はそれ以下であることが好
ましい。コイルを形成する超伝導セラミック酸化物材料
は、測定可能な臨界電流を維持するのが好ましく、比較
的高い温度、好ましくは７７°に以上で少なくとも約ｌ
Ｏマイクロアンペアの電流に耐えることが好ましい。

第６図には他の薄膜コイルが示されている。コイルの巻
数、サイズ及びライン巾は、ホトマスクの形状を変更す
ることにより簡単に変更することが出来る。第６図に示
される特定の設計では、ストリップ３０は絶縁層３１の
下方にある。絶縁層３１上の１０巻きコイル３２（名目
上１０巻に対して２０μｍライン中であり、１９巻に対
して１０μｍライン中である）は、接続点３３でストリ
ップ３０に電気的に接続されている。測定が行われた特
定のコイルは１　ｍｍの外寸を有し、約１５０μｍの内
寸を有する。超伝導材料の上方層は、他の部品との電気
的接続を形成するために使用できるストリップ３４とし
て終端する。

以下の実施例は説明に与えられ、本発明をいかほどにも
限定する様には意図されていない。

罠直立−ユ １２、５　Ｘ　ｌ　２．５　Ｘ　１　ａｒｍ”の分離さ
れ、且つ磨かれた（１００）のＭｇＯ基板が、キシレン
、トリクロルエチレン、イソプロピルアルコール及びエ
タノールを用いて超音波バス内で連続的に清浄され、メ
タノールでリンスされ、Ｎ、でブロー乾燥される。

超伝導体薄膜は、焼成パウダーを圧縮焼結して得られた
直径２５ｎｍ及び厚さ３ａ＋ｍのディスク状の化学量論
的ＹＢＣＯから堆積される。絶縁層は同じ大きさのディ
スクに圧縮されたＳｒＴｉＯ３パウダーから堆積される
。各堆積の前に、ターゲット表面は、４００番のサンド
ペーパーで研搾され、ラテックスシートで磨かれ、Ｎ２
でブローされ、る。各層は、拡散ポインプ真空システム
内のＱｕｅｓｔｅｋ　２　Ｂ　２０エキシマ−レーザー
からの２４８ｎｍパルス（１８ｎｓの半値巾）を使用し
て堆積される。５．４　Ｘ１４ｍｍ”のアパーチャーが
ビームの均一な部分を選択する。

このビームは、０．１５ｍの焦点レンズによって、４５
″の入射角でターゲット上に集光される。ターゲットは
、約６　Ｏｒｐｍで回転する調性円筒体の一端に接着さ
れる。このシャフトのベアリングは水冷ブロック内にマ
ウントされる。基板は、良好な熱接触を保証するために
銀ペーストの層が被覆されたヒータブロックにクランプ
される。このブロックは抵抗器により加熱され、その温
度は内蔵されるクロメル−アルメル熱電対によって監視
される。基板はターゲットから６０ｍｍあり、ターゲッ
トから昇る上昇物質の中央部分を遮るように配列される
。水冷プレートは、基板ヒータブロックによって放射さ
れる熱放射からターゲットをシールドして、ターゲット
の表面が溶けるのを防止している。

この方法の第１工程は、チャンバーを５μＴｏｒｒに引
くと共に温度を７４０℃に上昇して、ヒータ及び基板の
ガス出しを行うことにある。次に、温度が一定に保持さ
れ、ガスバルブが絞られて、Ｏ！が流入されて、圧が１
９０　ｍＴｏｒｒに維持される。

基板の表面はシャッターによってカバーされ、ターゲッ
トが、１秒当たり５個の割合で発生される１、３Ｊｃｍ
”のエネルギー密度を有する３、００個のレーザーパル
スにより清浄化される。ＹＢＣＯの第１の層が、同じ繰
り返し率及びフルエンスのレーザーパルスをもちいて、
１０分間で約０．４μｍまでの厚さに堆積される。マス
クは、この層が、回路に対する導電路を形成するストリ
ップを形成することを可能にす・る。このストリップは
、０．２−１０ａ＋ｍの４範囲の厚さの巾を有するのが
好ましい。

チャンバーはついで０°でｌ気圧まで充填される。

ヒータ電力が減少されてブロックが４５０℃までに冷却
される。

１５分内に、サンプルは１００℃以下に冷却される。絶
縁層を設けるために、チャンバーが開放され、マスクが
交換される。ＹＢＣＯターゲットが磨かれた５ｒＴｉＤ
ｓターゲツトに置き換えられる。チャンバーが５μＴｏ
ｒｒ以下に排気された後、ヒータブロックは２００℃の
比較的低い温度でガス出しされＹＢＣＯ層からの酸素の
減少を最小化する。ブロック温度が次に６８０℃まで急
速に上昇され、０２が１９０　ｍＴｏｒｒまで流入され
、ターゲットが上述の様な冷却される。シャッターを開
放した後、ＳｒＴｉＯ３が７分間、１秒当たり５パルス
の割合で、１、３　Ｊ　ｃｍ−”のエネルギー密度のレ
ーザーパルスを用いて堆積され、０．４−０．４５μｍ
で変動する薄膜が生成される。同じ冷却手段が使用され
る。

マスクを変更し、磨かれたＹＢＣＯターゲットが挿入さ
れた後、温度が７４０℃迄上昇され、０２が１９０　ｍ
Ｔｏｒｒまで流入され、ターゲットが１分間清浄され、
第３の層が約０．４μｍ厚堆積される。

マスクは第３の層がストリップ状にパータン化されるこ
とを可能とする。このストリップの巾は０゜２から１０
ｍｍｄあることが好ましい。通常の冷却手段の後、サン
プルが試験のために取り除かれる。

堆積されたＹＢＣＯ薄膜上の粒子密度を典型的には２５
００μが当たり１迄に減少するために、ＹＢＣＯターゲ
ット面が堆積前に磨かれ、レーザーパルスパワー／単位
面積が、高性能薄膜を製造するために必要な最小値近く
迄下げられる。粒子密度を更に下げるには、レーザーに
よって消磨されるターゲラ・トの領域を増大することに
より、及び／又は堆積中ターゲットの表面を磨くことに
より達成することができる。堆積されたフィルム上の１
μｍ粒子の密度の除去又は少なくとも最小化が、絶縁さ
れた交差路の様な多層構造で望まれる場合があり、これ
はトンネル接合の様な薄い絶縁層を有する構造に於いて
特に重要である。３層部分の電気的特性が、４端子構成
を使用して、圧縮されたインジウムペレットに薄膜を接
触して測定された。

第３図（ａ）は、比較のために、ＭｇＯ上に堆積された
ＹＢＣＯの単一層に対する抵抗（Ｒ）対温度（Ｔ）のグ
ラフである。零抵抗がＴｃ。＝　８７、８　Ｋであり、
遷移中がΔＴｏ＝２Ｋ（１０％から９０％）である。

パターン化された単一層薄膜の臨界電流密度は７７にで
典型的にはＪｃ　＝１０６Ａｃｍ　”である。

第３図ｆｂ）及び第３図ｆｃ）は交差路素子の下方及び
上方のＹＢＣＯ薄膜に対するＲ対Ｔを示す。それぞれ、
Ｔｃ。＝　８７、３　Ｋ及び８７、７　Ｋであり、ΔＴ
ｃ１Ｋ及び３にである。上方及び下方のＹＢＣＯストリ
ップの間で測定されたＳｒＴｉＯ３の抵抗値は温度が減
少するに連れて増大する（第３図（ｄ）を見よ。）。

７７にで、抵抗値は約１００ＭΩであり、これはρ＝４
Ｘ１０９Ωｃｍに対応する。高性能なＳｒＴｉＯ３の室
温の抵抗値は典型的には１０９Ωｃｍであり、この薄膜
はρ＝４Ｘ１０’　０ｃｍを生じ、不純物又は薄膜欠陥
が存在することを示唆している。

この微小電子回路素子は各堆積中に空気に曝すことがで
きるという事実が、複雑な回路の製造において顕著な利
点となる。これは、マスク又はホトリソグラフィー及び
エツチングを使用して各層をパターン化することを可能
にする。

Ｘ生忠ユ ２種類のマスクを、第６図に示されるコイルの２つの第
１の層をパターンニングするのに使用することができる
。これは、エツチングされたＳｉチップと電気的に機械
加工されたステンレススチールフォイルである。パター
ンが、薄いＣｕ電極を有するεＤＭスパークカッティン
グ装置で、５０μｍ又は１００μｍステンレススチール
フォイルに切り込まれた。Ｓｉマスクか、４つ並べて直
径５　ｃｍ厚さ２７５−３５０１．１ｍのＳｉウェハー
上に一度に形成された。このウェハーは、Ｓｉ、Ｎ、で
被覆され、ホトレジストによりパターン化され、ＳＦ６
及び０゜プラズマによりエッチされ、ついでＫＯＨによ
りエッチされた。第１の層のマスクはＹＢＣＯクロスオ
ーバーを定めており、１００μｍの細いラインであり、
ＭｇＯ基板の略一端から他端に伸びている。第２の層の
マスクは、他方の固体マスク内の長方形窓である。絶縁
ＳｒＴｉＯ３層はこのマスクを介して堆積され、下方交
差路の中央部分を覆い、下方交差路の端部が被覆されな
いで残る。２つの第１の層に対するパターンは大体自己
整合する様設計された。従って、極めて少ない位置合わ
せのみがマスクを位置合わせするのに必要となる。

頂部ＹＣＢＯ層が次にいかなるマスクも必要としないで
堆積される。２つの第２の層が完全に被覆するようにす
る。最終のパターンニング工程が、ステンシルマスクと
してホトレジストを使用してＡｒイオンミルで達成され
る。この最終パターンニング工程は、入力コイルの巻数
を決め、ピックアップコイル又はパッドを形成し、ＹＢ
ＣＯの第１Ｆｍの端部を断ち切る。ここで、コイルの中
央が通過するが、そうでないと、巻線を短絡する。この
ミルは、下方交差路を突き通すエツチングが上層のＳｒ
ＴｉＯ３によって停止されねばならない。

堆積はオイルベース拡散ポンプ及び液体窒素冷却トラッ
プを有する高真空チャンバー内で実行される一０薄膜ば
か焼された及び磨かれた１　２．５　Ｘｌ　２、５　Ｘ
　１　ｍｍ”　ＭｇＯ基板上に、ｉｎ　５ｉｔｕレーザ
ー堆積技術を使用して、堆積される。この基板は、実質
的に窪み及び傷がない。２４８ｎｍの波長を有するＱｕ
ｅｓａｔｅｋシリーズ２８２０ＫｒＦエキシマ−レーザ
ーが、単一の１５ｃｍの焦点距離のレンズを使用する２
　５．４　ｍ＋ｎ径の圧縮されたターゲット上に集光さ
れる。ターゲットは、大きな冷却されたＣｕブロック上
に取り付けられ、ヒータブロックからの熱の放射を部分
的に遮り、ターゲットが溶融することを防止する。この
ターゲットは、回転される。

サンプルはターゲットから約６ｃｍ離され、ヒータブロ
ック上にマウントされ、レーザーがターゲットに当たっ
た後、ターゲットから放射される物質の蒸気をこのサン
プルが捕らえる。

ブロックの温度はクロメルーアロメル熱電対及び赤外高
温計で監視される。

チップは、先ず超音波バス内でトリクロルエチレン、イ
ソプロピルアルコール、及びメタノールで順に清浄され
、その後、圧縮Ｎ２ガスでブロー乾燥されたる。基板ヒ
ータブロックの表面についでシルバーペーストが被覆さ
れ、良好な熱接触を保証する。基板及び第１の層のマス
クが所定の位置でクランプされる。ＹＢＣＯターゲット
は次に回転ホールグー上にマウントされ、高真空チャン
バーが排気される。チャンバーの圧が５　Ｘ　１０−＠
Ｔｏｒｒに落ちる後、シルバーペースト及びヒーターブ
ロックが７４０℃でガス出しされる。ついで、０２が４
５　ｎ＋Ｔｏｒｒでチャンバーを通して流入される。

ターゲットの表面が、５Ｈ２の繰り返し率で、１分間１
３５ｍＪパルスで清浄される。５０Ｗｒｆ酸素プラズマ
がチャンバー内に形成される。シャッターが開放される
。このシャッターはサンプルの表面をブロックしていた
。ＹＢＣＯは６分間５Ｈｚの割合で１、３Ｊ／ｃｍ”パ
ルスを使用して堆積された。この結果、略４００ｎｍ厚
の薄膜が得られる。このプラズマ促進レーザー堆積は、
機械的マスクを使用して極めてシャープなラインを定め
ることが出来る。このプラズマは、十分な酸素が薄膜に
内蔵されることを保証し、高遷移温度（’ｒｃ　）を維
持する。

チャンバーは、次に７．００　Ｔｏｒｒで直ちに充填さ
れ、ヒータブロックは１５分内に４５０℃までに冷却さ
れることが保証される。この後、更に１５分でヒーター
が室温に冷却されることが可能となる。冷却の後、サン
プルがチャンバーから取り除かれ、第１の層のマスクが
除去される。第２の層のマスクが所定の位置に設置され
る。ＹＢＣＯターゲットが平坦な且つ磨かれたＳｒＴｉ
Ｏ３ターゲットに置き換えられる。チャンバーが次に５
　Ｘ　１０７＠Ｔｏｒｒまで再度排気される。ヒーター
は約２００℃に保持される。ヒーターブロックの温度が
ついで急速に６８０℃に上昇される。チャンバーは２０
０ｍＴｏｒｒの０２で充填される。ＳｒＴｉＯ３の表面
は１．３Ｊｃｍ−”の３００個のパルスで清浄される。

シャッターが次に開放され、ＳｒＴｉＯ３が、６分間、
５Ｈｚの割合で１．３Ｊｃｍ−２のパルスを使用して堆
積される。

この結果、約４００ｎｎ＋厚のフィルムが堆積される。

ヒーターは次に０２内で前の工程と同様に冷却される。

冷却した後、第２の層のマスクが除去され、ＳｒＴｉＯ
３ターゲットが平滑な磨かれたＹＢＣＯターゲットに変
更される。チャツバ−が再び５Ｘ１０−’まで排気され
る。ヒーターブロックは２００℃まで上昇される。温度
は次に７３０℃迄急速に上昇される。２００　ｍＴｏｒ
ｒの０２がチャンバー内に送られ、ターゲットの表面が
１．３　Ｊｃｍ−２の３００個のレーザーパルスで清浄
される。シャッターがついで開放される。６分間５丸の
１．３　Ｊｃｍ　−”のパルスを使用して堆積され、約
４００ｎｍ厚の薄膜を再び製造する。サンプルは次に０
２内入れられる前に冷却される。

冷却の前に、チップはヒーターブロックから外される。

シブレイマイクロポジット１４００−３１ホトレジスト
が３０秒間２００ＯＲＰＭでスピンコードされ、７０℃
で５−７分間ベークされる。

これは、比較的厚い層が、長い次のイオンミルエッチに
対抗するために必要とされる。コイル及びパッド用のパ
ターンが次に露光される。このレジストは約３０分間マ
イクロポジット現像器内で現像される。チップの背面は
、次に真空グリースで被覆され、大きなＣｕブロックヒ
ートシンク上に固定され、合計約２５から４０分に渡っ
て、４５０Ｖから６００　Ｖ、　１．５　ｍＡ／ａｍ”
のＡｒイオンビームでエッチされる。ＹＢＣＯに対する
加熱損傷を防止するために、約５分の冷却期間を有した
５分の間隔でミリングが行われる。アルミフォイルか、
より少ないエツチング期間を必要とする素子の部分を保
護するために使用することかできる。ミリングの後、ホ
トレジストが、超音波エタノールノくス内で３０秒で剥
離される。個々のコイルをテストするために、インジウ
ム接触がパッド上に圧縮され、４端子法が抵抗値Ｒ及び
臨界電流■。を温度Ｔの関数として測定するのに使用さ
れる。第７図は、１０巻コイル（上方）及び１９巻コイ
ル（下方）に対するＲ対Ｔを示す。先ず、温度が３００
Ｋから下げられると、抵抗値が徐々に下げられる。より
低い温度で、絶縁抵抗値が極めて大きくなり、コイルの
ＹＢＣＯターンに沿っての導電が支配的になる。

第８図は、６コイルに対して■。対Ｔを示す。

コイルが異なる遷移温度を有するので、高温に於ける値
は変化が激しい。最低の遷移温度及び臨界電流を有する
２つのコイルは、ミリング工程中に劣化する可能性があ
る。ミリングが５分間隔でなく１８分間隔で行われた。

２つの最高臨界温度は一桁以上異なる。残り２つのコイ
ルは、他のコイルの半分の厚さの頂部及び底部ＹＢＣＯ
で形成された。

最大臨界温度を有するコイルは４．２にで約５０ｍＡ７
７にで１．４　ｍＡと測定された。

第９図は、下方交差路及びコイルの巻線間の異なる素子
に対する抵抗値を示している。このプロットを得るため
に、コイルの第１の巻線を破壊する必要があった。これ
はホトレジストによりパターンニングし、巻線を通過す
るイオンミリングによって達成される。抵抗値は、温度
が低下するに従って安定して増大する。８０に迄にＩＯ
ＭΩ以上になる。このレベルの抵抗値は磁束変成器に対
する最小の要求を大幅に越えている（１０にΩ以上の値
は無視し得るナイキスト電流ノイズを発生する）。個別
の交差路上での測定は、２９０にで１０’Ωｃｍのより
高い抵抗値を発生し、高性能ＳｒＴｉＯ３と一致する。

このコイル内で得られたより低い抵抗値は、絶縁体中の
小さな欠陥の結果の可能性がある。

ベストのコイルは７７にで１ｍＡよりも大きい臨界電流
値、４．２にで約５　Ｘ　１０　ｓＡｃｍ−”の臨界電
流密度を有し、８０に以上で超伝導性を有した。同じチ
ップ上の２つのコイルは通常極めて似通った遷移温度及
びＲ−Ｔ特性を有し、このプロセスが比較的再現性かあ
るということを示している。この様なコイルの臨界電流
は一桁以上異なることかあるが、これはＲ−Ｔ特性上で
殆ど識別出来ないか、低い臨界電流密度を発生するコイ
ル内の小さな無規則の欠陥の存在のためにであろう。こ
のコイルの特性は磁束変成器に使用するためには完全に
好適なものとなる。

実施例３ 以下の記述を除いて実施例１と同じ手広が利用できる。

イツトリウム添加安定ジルコニウム（ＹＳ２）の化学量
論的な圧縮パウダーターゲットが、ＳｒＴｉＯ３の代わ
りに使用される。ＹＢＣＯの第１の層が、堆積期間中に
、ヒータブロックが７４０℃に保持され、酸素圧が２０
０　ｍＴｏｒｒに維持されることを除いて実施例１に記
述されるのと同様にして堆積される。６分間４．８　Ｈ
ｚのレーザー繰り返し率で１゜３　Ｊａｍ　−２のレー
ザーフルエンスを用いて堆積された。堆積の後、実施例
１に記述された冷却手段が続いて行われる。

マスクが、冷却後変更され、ＹＢＣＯターゲットが、真
空システムが約３　Ｘ　１０−”Ｔｏｒｒに排気される
前にＹＳｚに置き換えられる。ヒータブロックの温度が
次に６８０℃に急速に上昇される。１００　ｍＴｏｒｒ
の酸素圧が達成され、ＹＳＺ薄膜が８分間１４．４±で
２．２５Ｊｃｍ　””のレーザーフルエンスで堆積され
る。

同じ冷却手段が以下に続く。

冷却の後、マスク及びターゲットが交換され、このシス
テムが再び約３　Ｘ　１０−”Ｔｏｒｒに排気され、温
度が約２００℃に増大される。温度がついで７４０℃に
急速に上昇され、２００　Ｔｏｒｒ圧の酸素が達成され
る。上方のＹＢＣＯ薄膜が６分間４．８＆フルエンス１
．３　Ｊｃｍ−２で堆積される。通常の冷却手段の後は
、サンプルがヒーターブロックから外され、その電気的
特性が試験される。

本発明は好適な実施例によって記述された。他の変更及
び変形が、当業者にとって上記の記載から及び本発明を
実施するために明らかであることは理解されよう。これ
ら変更及び変形は本発明の範囲内に位置するものと意図
され、本発明は、特許請求の範囲以外によっては制限さ
れないものと意図されている。

【図面の簡単な説明】

第１Ａ図及び第１Ｂ図は、それぞれ、本発明に従って構
成される高Ｔｃ微小電子回路交差路素子の一例の平面図
及び側面図、 第２図は、第１Ａ図及び第１Ｂ図に示される交差路素子
に対するＸ線回折スペクトル図、第３図は、抵抗（Ｒ）
対温度（Ｔ）のグラフであり、第３図中（ａ）はＭｇＯ
基板上に堆積されたＹＢＣＯの単一層に対し、（ｂ）は
第１図内の素子の下方ＹＢＣＯ薄膜に対し、（ｅ）は第
１図内の素子の上方ＹＢＣＯ薄膜に対し、（ｄ）は第１
図内に示される素子内のＹＢＣＯ薄震間薄側間された絶
縁ＳｒＴｉＯ３に対するグラフである。 第４図は、本発明に従う薄膜多数巻線コイルの一例の平
面図、 第５図は、ｄ、　ｃ、　５ＱＬＩＩＤに結合される、本
発明に従う薄膜磁束変成器の概略図、 第６図は、本発明に従う薄膜多数巻コイルの他の例の平
面図、 第７図は、本発明に従って構成された１０巻及び１９巻
薄膜コイルに対する抵抗対温度のグラフ、第８図は、本
発明に従って作製された６個のコイルに対する臨界電流
■、対温度のグラフ、第９図は、絶縁層の抵抗値が、本
発明に従って作製された１９巻コイルの下方交差路及び
１７個の上方交差路との間で得られる抵抗値対温度のグ
ラフ。 １０・・・基板、１１・・・第１の層、１２・・・第２
の層、１３ａ、１３ｂ−・・第３の層、２０　・・・ル
ープ、２１・・・絶縁層、２２・・・ストリップ、２３
・・・接続領域、２４・・・ピックアップ、２５・・・
入力コイル、１６・・・ＤＣ５ＱＵＩＤ 図面の浄書（内容に変更なし） 第１０図 第１ｂ図 強度（任意単位） （Ｕ）　８ （Ｕ）と （じ）８ 第４図 （ｉＪ）出 第６図 第８図 Ｔ　（Ｋ） 第７図 温度（Ｋ） 抵抗値（オ ム） 図

Claims (19)

【特許請求の範囲】
1. （１）基板、高温超伝導体金属酸化物の第１の超伝導薄
   膜、前記第１の薄膜の少なくとも一部を被覆する第２の
   絶縁薄膜、及び前記第２の薄膜の少ないとも一部を被覆
   し、前記第１の薄膜の少なくとも一部と交差する第３の
   超伝導薄膜からなる微小電子回路素子。
2. （２）前記第１の薄膜が、一つ以上のストリップから成
   り、前記第３の薄膜が前記第１の薄膜の前記ストリップ
   の少なくとも一つに交差する一つ以上のストリップから
   成ることを特徴とする請求項（１）記載の素子。
3. （３）前記第１の薄膜及び前記第３の薄膜間に伸びる超
   伝導接点を含むことを特徴とする請求項（１）記載の素
   子。
4. （４）前記第１の薄膜が、イットリウム、バリウム、銅
   から成る混合金属超伝導酸化物、前記第２の薄膜がＳｒ
   ＴｉＯ＿３から成り、前記第３の薄膜がイットリウム、
   バリウム及び銅から成る混合金属酸化物の超伝導体から
   成ることを特徴とする請求項（１）記載の素子。
5. （５）前記第１の及び第３の薄膜がＹＢａ＿２Ｃｕ＿３
   Ｏ＿ｘから成ることを特徴とする請求項（２）記載の素
   子。
6. （６）前記第１の薄膜の厚さが０．１から０．６μｍの
   範囲にあり、前記第１の薄膜内の前記ストリップの巾が
   ０．１から１０ｍｍの範囲にあり、前記第２の薄膜の厚
   さが約０．１から０．６μｍの範囲にあり、前記第３の
   薄膜の厚さが０．１から０．６μｍの範囲にあり、この
   第３の薄膜の前記ストリップが約３μｍから１０ｍｍの
   範囲にあることを特徴とする請求項（２）記載の素子。
7. （７）基板、高温超伝導金属酸化物の第１の超伝導薄膜
   、前記第１の薄膜の少なくとも一部を被覆する第２の絶
   縁薄膜から成り、 前記第２の絶縁薄膜が、Ｔｃ以下の温度で高抵抗値を有
   する材料から成り、エピタキシャル又は第３の層上のエ
   ピタキシャル成長を支持するに十分に高度に配向された
   微小構造を有し、高Ｔｃ超伝導材料の堆積温度で、その
   絶縁特性を維持し、且つ前記第１の層を劣化しないのに
   十分な相互拡散特性及び化学的反応性を前記第１の層の
   材料との関係において有し、前記第１の層と十分な接着
   被覆性を有し、且つ高Ｔｃ超伝導材料の拡散温度で酸素
   に対して高い拡散速度を有する微小電子回路素子。
8. （８）前記第１の薄膜が、イットリウム、バリウム、銅
   の混合金属超伝導体から成り、前記第２の薄膜がＳｒＴ
   ｉＯ＿３及びイットリウム添加安定ジルコニウムから選
   択されることを特徴とする請求項（７）記載の素子。
9. （９）前記第１の薄膜が、所定の位置で前記第３の薄膜
   に電気的に接続されることを特徴とする請求項（１）記
   載の素子。
10. （１０）前記コイルが磁束変成器を備えることを特徴と
    する請求項（９）記載の素子。
11. （１１）ａ．大気から遮断された堆積チャンバー内で、
    酸素の存在下で６５０−８００℃の範囲内のある温度で
    マスクされた基板上に金属酸化物超伝導薄膜を堆積し、 ｂ．約１大気圧の酸素内で少なくとも約４５０℃に基板
    を冷却し、 ｃ．前記チャンバーを開放し、前記基板からマスクを除
    去し、絶縁体薄膜の堆積に対する適当なマスクを設け、 ｄ．前記チャンバーを再び遮蔽し、約２００℃でガス出
    しし、 ｅ．酸素存在下でＳｒＴｉＯ＿３薄膜を堆積し、ｆ．工
    程（ｂ）と同様に冷却し、 ｇ．前記堆積されたＳｒＴｉＯ＿３薄膜からマスクを除
    去し、次の層の堆積に対して適当なマスクを使用し、 ｈ．工程（ｄ）と同様にしてガス出しし、 ｉ．工程（ａ）に於けるのと同様にして第３の金属酸化
    物超伝導体薄膜を堆積し、 ｊ．工程（ｂ）と同様にして冷却し、 前記超伝導体薄膜及び絶縁体薄膜の堆積が、金属超伝導
    体酸化物又は絶縁体材料をレーザービームで融蝕するこ
    とにより達成される微小電子回路素子を製造する方法。
12. （１２）前記工程（ｂ）が、前記基板を約４５０℃まで
    冷却し、これを約１００℃以下に更に冷却することを特
    徴とする請求項（１１）記載の方法。
13. （１３）前記（ａ）及び（ｉ）の各工程に対する各ター
    ゲットが、ＹＢａ＿２Ｃｕ＿３Ｏ＿ｘ層を堆積するに十
    分なイットリウム、バリウム及び銅の化学量論的割合を
    有していることから成ることを特徴とする請求項（１１
    ）記載の方法。
14. （１４）基板、高Ｔｃ超伝導材料から成る第１の薄膜エ
    ピタキシャル層、第１の層の前記基板とは反対側上の第
    ２の薄膜、及び前記第２の層の前記基板と反対側に第３
    の薄膜エピタキシャル層から成り、 前記第２の薄膜層がＴｃ以下の温度で高抵抗率を有する
    材料から成り、エピタキシャル又はその上の第３の層が
    エピタキシャル成長するのを支持するに十分に高度に配
    向された微小構造を有し、高Ｔｃ超伝導材料の堆積温度
    でその絶縁特性を維持し且つ前記第１の層を劣化しない
    相互拡散特性及び化学的反応特性を前記第１の材料に関
    して有し、前記第１の層に対して十分な被覆性及び被着
    性を有し、高Ｔｃ超伝導材料の堆積温度で酸素に対して
    高拡散速度を有し、前記第３の薄膜が高Ｔｃ超伝導材料
    から成る薄膜微小電子回路素子。
15. （１５）前記第１及び第３の層がＹＢａ＿２Ｃｕ＿３Ｏ
    ＿ｘから成りことを特徴とする請求項（１４）記載の素
    子。
16. （１６）前記第２の層がＳｒＴｉＯ＿３から成ることを
    特徴とする請求項（１４）記載の素子。
17. （１７）前記第２の層がイットリウム添加安定ジルコニ
    ウムから成ることを特徴とする請求項（１４）記載の素
    子。
18. （１８）ａ．大気から遮蔽された堆積チャンバー内で酸
    素の存在下で約６５０−８００℃の範囲の温度で基板上
    に高Ｔｃ金属酸化物超伝導薄膜を堆積し、 ｂ．前記第１の薄膜の少なくとも一部に絶縁薄膜を堆積
    し、この絶縁薄膜が、Ｔｃ以下の温度で高抵抗率を有す
    る材料から成り、エピタキシャル又はこの薄膜上に第３
    の層がエピタキシャル成長することを支持するに十分高
    度に配向された微小構造を有し、高Ｔｃ超伝導材料の堆
    積温度でその絶縁特性を維持し且つ前記第１の薄膜を劣
    化しないに十分な相互拡散及び化学的反応性を前記第１
    の層の隣接する材料に関係して有し、前記第１の層に対
    して十分な被覆性及び接着性を有し、且つ高Ｔｃ超伝導
    材料の堆積温度で酸素に対して高い拡散速度を有し、 ｃ．工程（ａ）と同様にしてエピタキシャル高Ｔｃ超伝
    導材料の堆積温度で酸素を拡散する各工程から成る微小
    電子回路素子を作製するための方法。
19. （１９）前記絶縁薄膜が、ＳｒＴｉＯ＿３及びイットリ
    ウム添加安定ジルコニウムから選択されることを特徴と
    する請求項（１８）記載の方法。