JPH03276685A - 超電導素子の製造方法 - 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】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、酸化物超伝導体を利用した超電導素子の製造
方法に係り、特にブリ・ソジ型ジョセフソン接合を有す
る超電導素子の製造方法に関する。

（従来の技術） 従来から、超電導素子として、ｐｂあるいはＮｂなとの
金属超電導体を用いて、超電導電子対がトンネルできる
程度の薄い絶縁層を挾み込んだ構成のトンネル型ジョセ
フソン接合が知られている。

このような従来のトンネル型ジョセフソン素子は、液体
ヘリウム温度に近い極低温動作が必要とされている。ま
た、トンネル型ジョセフソン接合に特有なヒステリシス
を持つ電流−電圧特性を示すため、回路構成が複雑にな
るなどの問題を有し、広く実用に供されるまでに至って
いない。

一方、金属超電導体を用いた、ヒステリシス特性を持た
ないジョセフソン接合素子として、一対の金属超電導体
からなる主電極蜀を細く、かつ薄い金属超電導体で接続
した、いわゆるブリッジ型接合の開発も進められている
。しかしながら、このようなブリッジ型接合は、上述し
たトンネル型接合−め場合と同様に、液体ヘリウム温度
に近い極低温動作が必要であるとともに、金属超電導体
の超電導ギャップが小さいため、大きい出力電圧を得る
のが困難であり、産業上寄与するには至っていなかった
。

このような状況の下で、最近、液体窒素温度以上の高温
で超電導特性を示す酸化物超電導材料が発見され、大き
な注目を集めている。この酸化物超電導体を用いて、ジ
ョセフソン接合を作製し得れば、上記従来の金属超電導
体を用いて構成したジョセフソン接合に比べ、少なくと
も極低温動作の必要がないことから大きな期待がもたれ
ている。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、酸化物超電導材料はその表面が大気中で
容易に劣化し、またコヒーレンス長が小さいという本質
的問題を有しており、明確なジョセフソン特性を示す良
好な接合を作製することが難しかった。換言すると、前
記臨界温度の高い酸化物超電導体を用いたジョセフソン
接合の開発は、産業上大きなインパクトを持つものと期
待されているが、これを実用に供するための接合構造、
ならびにその製造方法の開発が課題とされていた。

本発明は、このような点に対処してなさだもので、良好
なジョセフソン特性を示すとともに出力電圧が大きくか
つ、ヒステリシス特性を示さないブリッジ型ジョセフソ
ン接合素子の製造方法を提供することを目的とする。

［発明の構成コ （課題を解決するための手段） 本発明の超電導素子の製造方法は、酸化物超電導薄膜上
に異種の導電材料薄膜を積層して形成する工程と、 前記形成した超電導材料−導電材料薄膜積層体の一部を
選択的にエツチング除去する工程と、前記選択的なエツ
チングにより除去された領域に絶縁材料を埋め込む工程
と、 前記埋め込んだ絶縁材料上の少なくとも一部を被いかつ
、埋め込んだ絶縁材料によって互いに離隔した超電導材
料−導電材料薄膜積層体間を電気接触を持つように導電
材料を積層配設する工程とを具備することを特徴とする
。

（作用） 本発明によれば、所要の超電導素子製造において、先ず
酸化物超電導体層上に、他の導電材料層を被覆積層した
構造とする。このため、表面の劣化が用意かつ確実に防
止され、また大気中に放置されても、表面に所要の超電
導特性を示さない変成層が形成する恐れも全面的に防止
される。

しかも、本発明においては、選択的なエツチングによっ
て微小間隔を置いて形成した、ジョセフソン接合に関与
する島状の酸化物超電導体−導電材料薄膜積層体領域間
の電気的な接続も、前記微小間隔をほぼ平面を成すよう
に埋めた絶縁体面上に配設されるため、安定した配線を
行ない得る。

かくして、本発明によれば、ヒステリシス特性を示さな
い、応用範囲の広いジョセフソン超電導素子を製造し得
ることが可能となる。

（実施例） 以下本発明の詳細な説明する。

先ず、具体例の説明に先立って本発明の基本的な構成な
いし条件を説明する。

本発明では、超電導素子の製造に当り、その出発点とし
て、酸化物超電導膜上に、他の導電材料を積層して形成
する。ここで、積層する他の導電材料としては、酸化物
超電導体と良好な電気な接触性を有しかつ、化学的に安
定である＾ｕ、　Ａｇ、　Ｐｔなどの貴金属あるいは、
これらを主成分とする合金が望ましい。この積層構造の
形成ないし作製は、超電導体層の表面を大気に曝すこと
なく行うことで、−層の特性改善が期待できる。

また、本発明においては、ブリッジ型接合を構成ないし
作製する部分の超電導体−導電材料積層膜をエツチング
除去した後、その部分を絶縁材料で充填接続するブリッ
ジ部を細くかつ、薄く形成する必要がある。前記ブリッ
ジ部が段差を横切る構造とすると、いわゆる段切れなど
の問題を生じ、歩留り良く超電導素子を製造することは
できない。

本発明において、使用されるブリッジ部の導電材料は、
酸化物超電導体との間に近接効果を発現し得るものであ
れば任意に選択することができるが、前述した製造工程
で出発点とした積層構造に用いた貴金属などを用いるこ
とで、主電極部との接触を大きく改善できる。また、ブ
リッジ部材料として、自らが極低温では超電導特性を示
す金属超電導体を用いることもできる。

本発明に係る製造方法においては、酸化物超電導体と他
の導電材料を積層した構造を先ず形成する。被覆する導
電材料は、酸化物超電導体と良好な電気的接触を持つこ
とで、酸化物超電導体より近接効果により超電導特性が
、その表面まで浸み出すように形成する。

したがって、被覆する導電材料の厚さは、近接効果を有
効に働かすため、薄い方が望ましいが、同時にこの導電
材料膜に酸化物超電導体表面の保護膜としての機能も持
たすために、ピンホールなどの生じない程度の厚さにす
る。このような保護膜としての機能を果す導電材料膜で
被われた表面は化学的に安定となり、以降の製造工程に
おいて劣化することはなくなる。

本発明に係る製造方法においては、ブリッジ接合を形成
する主電極部を、上記超電導体−導電材料積層膜に対す
るリソグラフィ手段を用いたエツチング技術で形成する
。つまり、ブリッジ接合では主電極間距離を狭くとるこ
とが必要とされるため、現状技術においては電子線露光
法を用いることか現実的である。現在の電子線露光技術
によれば、０．１μｍのパターニングは比較的容易であ
り、将来的には一層の縮小も可能と期待される。

前記パターニングにおけるレジストの露光、現像処理の
後、エツチングはイオンミリング法などを用いて容易に
行うことができる。本発明方法においては、特に前記エ
ツチング工程の後、エツチングに用いたレジストを残し
たままで、５ｉＯ１ＢａＦ２などの絶縁材料の蒸着を行
い、エツチングで形成された溝部（エツチング除去部）
に絶縁材料を埋め込み、リフトオフ後の表面を平坦化す
ることにある。この平坦化工程を経ることにより、以降
のブリッジ部の形成を平坦な表面上に行うことができ、
大きい出力電圧を得るのに必要な、薄くかつ細いブリッ
ジ部を歩留りを良く形成することが可能となる。

上記のように、ブリッジ部の形成には、リソグラフィ工
程とレジストによるリフトオフ工程を用いる。この場合
も、現状の技術水準では電子線露光工程を用いるのが現
実的である。また、ブリッジ部を形成する材料としては
、主電極との間の接触特性が良好な金属などを用いるの
がよい。つまり、ブリッジ接合がジョセフソン特性を示
すためには、主電極からブリッジ部材料内に超電導特性
が浸み出す近接効果を生じることが必要だからである。

しかし、近接効果を有効に発現し得る限りにおいては、
出力電圧を大きくすることを目的とした介在層を積層膜
とブリッジ部の間に意図的に形成してもよい。

次に第１図（ａ）〜（ｅ）、第２図および第３図を参照
して、本発明の詳細な説明する。

第１図（ａ）〜（ｅ）は、本発明の超電導素子の製造方
法の実施態様を模式的に示したものである。

先ず、酸化物超電導体としてＹＢａ２　Ｃｕ３　０□お
よび導伝材料としてＡｕを用意し、同一真空容器内にお
いて多元スパッタ法によって、基板１、たとえば５ｒＴ
ｉ（ｈ板上に膜状に順次連続的に形成し、第１図（ａ）
に断面的に示めすような構成の酸化物超電導体２−導電
材料３の積層構造を形成した。

この際、ＹＢａ２　Ｃｕ３　０７の製膜２は基板（５ｒ
Ｔｉ０３）１を６５０℃に加熱した状態で、Ａｒ−０２
混合ガス雰囲気中で行い、ＹＢａ２Ｃｕｉ　　ＯＦの製
膜２後、基板１の温度を２００℃程度まで低下させた状
態で、Ａｕ膜３を５００人の厚さに、＾ｒ雰囲気中で積
層した。

次いで、前記酸化物超電導体２−導電材料３積層構造を
形成した基板１を、真空容器より取出し、電子線露光用
レジスト４の２層塗布を行い、幅部０．２μｍのライン
パターンを電子線描画により形成した後、Ａｒイオンを
用いたイオンビームミリング法で一部を選択的に除去し
て、第１図（ｂ）に断面的に示めすように、酸化物超電
導体−導電材料積層を区画する溝部５を形成した。

上記イオンビームミリング処理後、レジスト４を残した
まま、真空装置中でＳｉＯ膜（層）６を所定膜厚だけ蒸
着形成しく第１図（ｃ）　　レジスト４を溶融するリフ
トオフ工程により、エツチング除去された溝５部分に絶
縁体を埋め込んだ。第１図（ｄ）はこの状態を断面的に
示したもので、ＳｉＯ膜６と酸化物超電導体２側壁部の
接触は良好であり、表面の平坦性にもすぐれたものが得
られた。

次に、ライン状に形成された絶縁体埋め込み部５′を横
切るように、ブリッジ形成部を、電子線露光法でバター
ニングし、レジストを用いたリフトオフ工程によりブリ
ッジとなるＡｕ３’　を幅０．２μｍに形成し、第１図
（ｅ）に断面的に示すようなジョセフソン接合型の超電
導素子構造を得た。

このようにして得たジョセフソン接合型の超電導素子に
ついて、１０’　Ｋにおける電流−電圧特性を測定した
結果を第２図に示めす。第２図から接合の臨界電流は約
５０ｕＡ　、　１ｃＲｎ積として４ｍＶという良好な特
性が得られることが確認された。

また、上記ジョセフソン接合型の超電導素子を製造した
場合と同じ製造方法を用いて、第３図に平面的に示めす
構成のｄｃ　５ＱＵＩＤ　（超電導磁束量子干渉計）構
造の超電導素子を製造した。かくして、製造したｄｃ　
５ＱＵＩＤ構造の超電導素子は、磁場に対し明瞭な周期
的な応答を示し、電圧変調の深さは５００μｖ以上に達
する性能を呈した。

［発明の効果］ 以上述べたように、本発明によれば、酸化物高温超電導
体を利用した高温で動作し得るブリッジ型ジョセフソン
接合素子を、安定性良好に（再現性よく）かつ、容易に
製造し得る。すなわち、液体窒素温度程度の高温でも動
作するとともに、電流−電圧特性にヒステリシスを示さ
ないために、５ＱｔｌｌＤ　（超電導磁束量子干渉計）
の応用に最適であるとともに、非ラツチ型のジョセフソ
ン集積回路を実現する上で不可欠な要素素子であるジョ
セフソン素子の製造に好適である。かくして、本発明の
製造方法は、産業上極めて有用な超電導素子の提供に大
きく寄与するものといえる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）〜（ｅ）は本発明に係る超電導素子の製造
方法によってブリッジ型接合形成の実施態様を模式的に
示す断面図、第２図は本発明に係る超電導素子の製造方
法によって製造したジョセフソン接合素子の電流−電圧
特性図、第３図は本発明に係る超電導素子の製造方法に
よって製造したｄｃ　５ＱＵＩＤ用超電導素子の構造を
示す平面図である。 １・・・・・・支持基板 ２・・・・・・酸化物超電導体 ３・・・・・・導電体膜 ３′・・・ブリッジ部 ４・・・・・・レジスト層 ５・・・・・・酸化物超電導体−導電体膜積層体エツチ
ング除去領域（溝） ６・・・・・・絶縁物 ６′・・・絶縁物で埋め込まれた領域

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 　酸化物超電導薄膜上に異種の導電材料薄膜を積層して
   形成する工程と、 前記形成した超電導材料−導電材料薄膜積層体の一部を
   選択的にエッチング除去する工程と、前記選択的なエッ
   チングにより除去された領域に絶縁材料を埋め込む工程
   と、 前記埋め込んだ絶縁材料上の少なくとも一部を被いかつ
   、埋め込んだ絶縁材料によって互いに離隔した超電導材
   料−導電材料薄膜積層体間を電気接触を持つように導伝
   材料を積層配設する工程とを具備することを特徴とする
   超電導素子の製造方法。