JPH0338075A - 多層電子的薄膜素子を製造する方法 - 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】 （技術分野） 本発明は、単相のアルカリ土類金属のドープされた金属
オクソ銅酸塩混合結晶層又は希土類金属オクソ銅酸塩混
合結晶層に基づく超伝導膜を有する、多層電子的薄膜素
子を製造する方法に関するものである。

（背景技術） ４０によりも大きい超伝導温度を有する、アルカリ土類
金属のドープされた金属オクソ銅酸塩類又は希土類金属
オクソ銅酸塩頻に基づく酸化物超伝導体は、電子情報技
術において薄膜素子を製造するための高温超伝導体とし
て、ますます重要になってきている。

こうした混合結晶が相対的に高い超伝導温度を有してい
るのは、超伝導性のキャリヤとして振る舞う電子又は正
札対の結合に対し、強い電子−フォノン結合が最適の条
件を提供するからである。

超伝導膜は、種々の広範な電子的素子を製造するのに使
用されており、この良く知られた例を挙げると、多層技
術におけるアナログ又はデジタル素子、ストリップ線路
、抵抗素子、容量素子、インダクタンス素子、ジョセフ
ソン効果を用いたトンネル素子がある。

これらの薄膜素子の場合には、絶縁層を使用することで
、超伝導膜を互いに絶縁し、又は多層デバイスの構成に
やはり寄与している異なる材料の他の領域から絶縁しな
ければならない。

Ａｈ０３層又はＳｉＯ□層のような多結晶酸化物層は、
自由電子を有さないことから、満足できる絶縁層である
ことが明らかとなった。しかし、例えば、トンネル素子
の場合には問題が生じた。絶縁層のような障壁を越える
のには不充分なエネルギーしか有さない、単一電子が電
子又は正孔対と同様にこの障壁を通過できるようにする
ため、絶縁層を充分に薄くした場合しか、電気的絶縁層
をトンネル電流は通過しない。しかし、非常に小さい厚
さを有する均質な酸化物層を製造するのは容易ではない
。例えば、顕微鏡的な小孔のない酸化物層を製造するの
は困難である。この理由から、非常に薄い酸化物層の代
替物を見出す試みが実際になされてきた。

超伝導膜素子の製造に際して生ずる他の問題は、絶縁層
と超伝導膜との間の界面現象、例えば、超伝導膜中への
外部電子の拡散が、超伝導膜の遷移温度Ｔｃに不所望な
変化をもたらすという事実である。例えば、酸化物層を
超伝導材料上に形成するとき、超伝導体の化学構造に結
果として生ずる変化は、ある条件下では、膜の表面近く
の超伝導体の臨界温度Ｔｃに重大な変化をもたらし、こ
れは超伝導膜の厚さを充分に大きくしなければ補償でき
ない。

（発明の開示） 本発明の目的は、薄く、均質な絶縁層を超伝導膜上に形
成でき、絶縁層が少なくとも素子の動作温度で満足すべ
き電気的絶縁を確保でき、更に絶縁層が、絶縁される超
伝導膜の間の境界領域からの原子、又は超伝導膜と層全
体の構成に使用される他の材料との間の境界領域からの
原子に対して、有効な拡散障壁を形成しうるような方法
を提供することである。

本発明に従い、この目的は、少なくともこの素子の動作
温度で電気的にｙＡ８！性でありかつ超伝導膜の堆積に
使用する温度で未だ再結晶しない材料からなる非晶質絶
縁層を各超伝導膜の間と、多層構造体の構成において超
伝導膜に隣接する、超伝導材料以外の材料からなる領域
の間とに設けることで、達成される。

本発明へと導いた実験の示すところでは、多結晶電気的
絶縁酸化物層、例えば既知の多結晶Ａ１□０３層は、既
に超伝導膜へと被着された多結晶酸化物層上に他の層を
堆積するのに必要な温度で、拡散プロセスを防止できな
いだけでなく、かえって促進する。

驚くべきことに、適当な電気的絶縁層材料の非晶質層が
この作用を示さないことを見出した。更に、これらは、
非常に小さい膜厚で製造でき、しかも均質、即ち、顕微
鏡的な孔を有さない。

本発明に従う方法の好適例では、非晶質酸化アルミニウ
ムを絶縁層に使用する。酸化アルミニウムは、１０００
°Ｃを超える温度でしか再結晶しないので、超伝導材料
の堆積を、アルカリ土類をドープした金属オクソ銅酸塩
層又は希土類金属オクソ銅酸塩層の堆積に通常使用する
基板温度（最大約８００℃）で行なえる、という利点を
有する。更に、ＡＩ！０３の誘電定数εと散逸率ｔａｎ
δとが小さいので、高周波数領域への適用に有利である
。

本発明に従う方法の他の有利な例では、アルミニウム銅
酸塩を絶縁層に使用する。これによれば絶縁層との界面
の領域における超伝導材料からの拡散により生ずる銅の
損失が防止される点で有利である。

本発明方法の有利な例では、少なくとも一種のアルカリ
土類金属、好ましくはバリウムをドープしたイツトリウ
ム　オクソ銅酸塩を、超伝導膜に対して使用し、イツト
リウムは、少なくとも部分的に少なくとも一種の他の希
土類金属によって置換することが可能である。しかし、
この代わりに、少なくとも一種のアルカリ土類金属をド
ープしたビスマス　オクソ胴酸塩又はタリウム　オクソ
銅酸塩を、超伝導膜に対して有利に使用することができ
る。

本発明に従う方法の更に他の有利な例では、高周波陰極
スパッタリング又は直流電圧陰極スパッタリングによっ
て、約り００℃〜約８００℃の範囲内の温度で、酸素含
有雰囲気中で超伝導膜を堆積する。また、絶縁層も高周
波陰極スパッタリング又は直流電圧陰極スパッタリング
によって堆積されるが、しかし、この操作を実施する温
度は、超伝導膜の堆積に必要な温度よりも低くすること
が好ましく、最大でも等しくする。

これらの方法を実施するために、コーティング工程の間
に一つのターゲットから他への変更が可能となる陰極ス
パッタリング装置を使用することが有利である。

回転可能な基板ホルダー、非常に好適な磁電管陰極スパ
ッタリング装置、及び基体雰囲気の圧力と必要な基板温
度とを制御及び調整するデバイスを使用すると有利であ
る。

本発明に従う方法は、例えば脳と心臓とによって造り出
される非常に小さな磁場を測定するためのアナログ素子
として使用できる、いわゆる５ＱＵＩＤ　（超伝導量子
干渉デバイス）等のような多層アナログ又はデジタル素
子の製造に対し、有利に使用できる。

５ＱＵＩＤは、例えば、論理演算用の増幅器又はデジタ
ルユニットとして、又は貯蔵素子としても使用できる。

更に、本発明に従う方法は、ストリップ線路の製造に適
用できる。超伝導回路における接続線路は、絶縁層の設
けられる基板上に形成されるリボン又はストリップ線路
として構成する。

しかし、本発明に従う方法は、抵抗素子、例えば交叉ク
ライオトロン又は並列クライオトロンの製造にも適用で
きる。

この場合、フィルム担体である基板は、例えば、酸化ア
ルミニウム（サファイア）、酸化マグネシウム、二酸化
ジルコニウム、チタン酸ストロンチウム又はニオブ酸リ
チウムの単結晶ディスクからなる。クライオトロンのす
べての動作条件で超伝導性を有し、従って、高い臨界温
度Ｔｃと高い臨界電界強度とを示すはずの超伝導ベース
層が、この基板上に有効に存在する。電気的絶縁材料か
らなる絶縁層が、超伝導膜の絶縁のために必要とされる
。ゲート導体として働く超伝導膜をクライオトロンの能
動素子として設け、この膜は、クライオトロンを動作さ
せる間、超伝導状態と常伝導状態との双方をとりうる。

ゲート導体として働く超伝導膜上に他の絶縁層を設け、
制御導体として働く他の超伝導膜を、前記の絶縁層上に
設ける。前記の制御導体はクライオトロンのすべての動
作条件において超伝導性であり続け、従って、超伝導ヘ
ース層と同し材料から製造される。

更に、本発明に従う方法は、例えば、ライオトロン又は
フライアフターのようなインダクタンス素子の製造に適
用できる。

ライオトロンは、独特な非線形インダクタンスを有する
超伝導素子である。これは、制御導体として働く二つの
超伝導膜と、これらの膜の間に配置された、ゲート導体
として働く他の超伝導膜とからなる。これらの超伝導膜
は、絶縁層によって互いに絶縁される。このゲート導体
は、ライオトロンが動作する間超伝導性であり続ける。

ゲート導体のインダクタンス変化は、これを取り囲む磁
場の生成によって引き起こされ、この磁場は、超伝導状
態又は常伝導状態をとり得る制御導体によって生成する
。超伝導状態では、ゲート電流によって造り出される磁
場の生成を前記の制御導体が制限し、この結果、ライオ
トロンのゲートインダクタンスを低減する。フライアフ
ターの場合には、超伝導薄膜と磁性薄膜との磁気特性を
利用する。

強磁性薄層は超伝導ムースフィルム上に存在し、ゲート
及び制御導体として働く超伝導薄膜は、絶縁層によって
互いに電気的に絶縁され、交叉クライオトロンの場合に
おけるように、前記強磁性薄膜上で互いに交差する。制
御導体として働く超伝導膜は強磁性層の磁化容易軸に対
して平行に配置され、この磁化ベクトルは、制御電流に
よって層平面内で回転可能であり、制御又はゲーｔ−ｉ
体を常伝導状態へと切り換えることだしにゲート導体の
インダクタンスに変化をもたらす。しかし、ゲート電流
により、磁化方向と同じ方向か又はその反対方向に延び
る磁場が造り出される。磁化容易方向と反対の方向に延
びる充分に大きな磁場をかけると、磁化ベクトルは前記
方向へとやはり安定に配向される。この方法で、二つの
規定状態を調整でき、貯蔵素子の値０及びｌを割りあて
ることができる。

更に、本発明に従う方法をトンネル素子の製造へと適用
できる。少なくとも部分的に超伝導電極と単電子トンネ
ルとを有する素子は、半導体技術のアナログ素子に相当
する。この素子は、トンネル接合の層配置の構成を通し
て形成される非線形電流−電圧特性を示しうる。トンネ
ル接合の絶縁層は、通常最大数＋ｎｍの厚さを有し、ス
トリップ線路は、通常最大３００ｎｍの厚さと最大５０
０μｍの幅とを有する。ジョセフソントンネル素子は、
特別の型のトンネル素子である。磁場に対してジョセフ
ソン電流が強く依存していることと、ジョセフソン接合
の電流−電圧特性のヒステリシス特性とにより、クライ
オトロンに類似する素子構成がもたらされた。トンネル
接合は、磁場によって制御される非線形ゲート導体を代
表するものである。

上記の素子とは異なり、ジョセフソン接合のすべての部
分は、スイッチング動作時に超伝導性であり続ける。こ
れらの素子の場合に非常に薄い絶縁層を通る電子又は正
孔対のトンネル接合は、大電流の場合には単純な電子ト
ンネル接合に代わり、これにより電圧過渡がジョセフソ
ン接合を横切って形威される。

本発明によって得られる利点は、特に、超伝導電気的薄
膜素子用の非常に薄い絶縁層を製造できるということか
らなり、この絶縁層は均質であり、特に素子の動作温度
で充分な電気的絶縁体であることを別としても、超伝導
膜が通常堆積される比較的に高い温度で拡散障壁を形威
するという利点を有する０例えば、非酸化性のドープさ
れた又はドープされていないシリコン単結晶基板上に、
これらが半導体技術で使用されているように、本発明に
従う絶縁層を堆積する場合は、一連の利益が得られる。

即ち、絶、Ｉ！層が拡散障壁として、また充分な電気的
絶縁体として働くだけでなく、誘電定数εの値が基板に
対して低く、散逸率ｔａｎδの値が低いことも有利であ
る。

既知の多結晶絶縁層とくらべ、本発明に従う非晶質絶縁
層は、形態に関して更に利点を有する。

即ち、非晶質層は、多結晶構造を有する層よりも層を担
持する表面上に均質な被膜を形威し、例えば、雰囲気か
らの水蒸気の影響下における超伝導膜の酸素損失や化学
分解のような、超伝導性に影響を与える影響に対して超
伝導膜を保護することのように、還境的影響に対して前
記表面を保護することにつき、前記の非晶質層の方が適
している。

（実施例） 添付図面を参照しながら、実施例によって本発明を更に
詳細に説明する。

第１図は、本発明方法に従って製造したＹＢａ。

Ｃｕ、０ｘ−ＡＩｚＯ，−ＹＢａ、Ｃｕ、Ｏｘ層フシ−
ケンスオージェ深さプロフィルを示すものである。

単相ＹＢａ、Ｃｕ、Ｏｘ混合結晶に基づく超伝導膜を、
セラミックターゲットの高周波陰極スパッタリングによ
って製造した。［１００］配向・Ｍｇ０−単結晶ディス
クを基板として使用した。多層構造体を製造するため、
非晶質Ａｈ（ｈからなる絶縁層を、直流電圧陰極スパッ
タリングによって超伝導膜上に形成した０本方法を実施
するため、コーティングサイクルの間に一つのターゲッ
トから他への変更を可能とする陰極スパッタリングデバ
イスを使用した。この理由から、陰極スパッタリングデ
バイス中の基板ホルダーを、回転可能で最大四個のり゛
−ゲットを載せることができるように構成した。

スパッタリングガス雰囲気の圧力及び基板温度は、層堆
積工程の間連続的にチエツク又は制御した。

金属アルごニウムと酸化アルごニウムとは、共にＸ＠縁
層用ターゲットとして使用できる。金属５．アルミニウ
ムを使用する場合は、陰極スパッタリング工程を反応性
ガス相中で実施しなければならず１、即ち、純粋な酸素
をスパッタリングガスとして使用する。酸化アルミニウ
ムターゲソトを使用する場合は、不活性ガス／酸素ガス
雰囲気を使用するのが効果的である。

本発明に従う方法で、特に二つの基準に注意すべきであ
る。

１、全層構成（サンドイッチ）、又は少なくとも最後の
層が絶縁層である層シーケンスは、絶縁層の基板として
働く最初の超伝導膜の表面劣化を防止するため、陰極ス
パッタリングデバイス内部で製造しなければならない。

例えば、酸化物超伝導膜が通常雰囲気と接触するに至っ
た場合や、超伝導膜の堆積温度の範囲内の温度で低酸素
雰囲気中に超伝導膜が存在する場合に劣化が生ずる。

２、超伝導膜上での絶縁層の堆積は、形成されるべき絶
縁層が確実に非晶質構造をとるような低温で行わなけれ
ばならない。この目的のため、超伝導膜の堆積に必要な
温度を、絶縁層の成長プロセスの間低減させることがで
きる。しかし、Ａ１□Ｏ１を絶縁層として使用するとき
には、これは不必要である。Ａｌ２Ｏ３の再結晶温度は
充分に高＜　（１０００’を越える）、約５００〜約８
００℃に亘る、超伝導膜の堆積に必要な温度を適用でき
るからである。絶縁層材料の再結晶は前記したように避
けなければならず、多結晶絶縁層の場合に生じたように
、既に堆積した超伝導膜中へと！Ｐ、縁層材層材料散す
るのを排除しなければならない。

ＹＢａｇＣｕｓＯｘ超伝導膜の製造は、次のパラメータ
を用いて実施した。

ターゲット　　　　ＹＢａｚＣｕＪｘ　＊焼結基板　　
　　　　　ＭｇＯ、［１００］−配向基板温度　　　　
　５８０〜６００°Ｃ不活性ガス圧力　　６　Ｐａ （例えばアルゴン） 酸素圧力　　　　　４　Ｐａ 出力密度　　　　　４賀／ｃ１！高周波出力（１３，５
６ＭＨｚ） 堆積速度　　　　　０．０７　ｎｓ　／秒層厚　　　　
　　　５００　ｎｔａ 式ＹＢａｚＣｕｓＯｘにおいて、係数Ｘは６．７〜６．
９の値を有し、この範囲内で９０に未満の温度で超伝導
特性が達成される。

＾１２０．絶縁層の製造は、次のパラメータを使用して
実施した。

ターゲット　　　アルミニウム 基板　　　　　　ＭｇＯ、［１００］−配向／超伝導性
ＹＢａ、Ｃｕ、Ｏｘ膜 基板温度　　　　５８０〜６００　”Ｃ不活性ガス圧力 酸素圧力　　　　１．Ｉ　Ｐａ 出力密度　　　　２−／Ｃ−直流電圧出力堆積速度　　
　　０．０３５　ｎｔｓ／秒層厚　　　　　　１７０　
ｎ鵡 上記のパラメータにより、超伝導性に悪影響を与える層
間の拡散プロセスを生しさせることなしに、電気的に絶
縁された超伝導膜を製造することが可能となった。第１
図は、本発明方法に従って製造したＹＢａｇＣｕ３０ｘ
−Ａ１２０３−ＹＢａ２Ｃｕ、Ｏｘ層フシ−ケンスオー
ジェ電子分光分析によって得た深さプロフィルを示し、
電流強度Ｉ□は層厚を横切って適用される。超伝導膜中
への絶縁層材料の拡散が実際上生しなかったことも観察
できる。曲線のエツジのけわしさの解釈に際しては、前
記のオージェ線プロフィルを、１００　ｎａＩの横分解
能で測定したことを考慮すべきである。

上記した例示の態様では、１７０　ｒｖ＋の層厚を有す
る絶縁層を堆積した。しかし、この代わりに、絶縁層の
層厚を特定の条件へと適合させることが可能であり、従
って、−層重さい厚さを有する層を堆積することもでき
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明方法に従って製造したＹＢａ２Ｃｕ３
０ｘ−Ａｌｘ０３−ＹＢａ、ＣｕｚＯｘ層シーケフシ−
ケンスェ深さプロフィルを示すグラフである。

Claims (17)

【特許請求の範囲】
1. １．単相のアルカリ土類金属のドープされた金属オクソ
   銅酸塩混合結晶層又は希土類金属オクソ銅酸塩混合結晶
   層に基づく超電導膜を有する多層電子的薄膜素子を製造
   する方法において、少なくともこの素子の動作温度で電
   気的に絶縁性でありかつ超伝導膜の堆積に使用する温度
   で未だ再結晶しない材料からなる非晶質絶縁層を、個々
   の超伝導膜の間と、多層構造体の構成において超伝導膜
   に隣接する超伝導材料以外の材料からなる領域の間とに
   設けることを特徴とする、多層電子的薄膜素子を製造す
   る方法。
2. ２．酸化性化合物を絶縁層に使用することを特徴とする
   、請求項１記載の多層電子的薄膜素子を製造する方法。
3. ３．酸化アルミニウムを絶縁層に使用することを特徴と
   する、請求項２記載の多層電子的薄膜素子を製造する方
   法。
4. ４．二酸化珪素を絶縁層に使用することを特徴とする、
   請求項２記載の多層電子的薄膜素子を製造する方法。
5. ５．アルミニウム銅酸塩を絶縁層に使用することを特徴
   とする、請求項１記載の多層電子的薄膜素子を製造する
   方法。
6. ６．少なくとも一種のアルカリ土類金属のドープされた
   イットリウムオクソ銅酸塩が超伝 導膜に使用され、イットリウムが少なくとも一種の他の
   希土類金属によって少なくとも部分的に置換されていて
   よいことを特徴とする、請求項１〜５のうちいずれか一
   つの項に記載の多層電子的薄膜素子を製造する方法。
7. ７．少なくとも一種のアルカリ土類金属のドープにされ
   たビスマスオクソ銅酸塩を超伝導膜に使用されたことを
   特徴とする、請求項１〜５のうちいずれか一つの項に記
   載の多層電子的薄膜素子を製造する方法。
8. ８．少なくとも一種のアルカリ土類金属のドープされた
   タリウムオクソ銅酸塩を超伝導膜 に使用することを特徴とする、請求項１〜５のうちいず
   れか一つの項に記載の多層電子的薄膜素子を製造する方
   法。
9. ９．アルカリ土類金属としてバリウムを使用することを
   特徴とする、請求項６〜８のうちいずれか一つの項に記
   載の多層電子的薄膜素子を製造する方法。
10. １０．アルカリ土類金属としてカルシウムを使用するこ
    とを特徴とする、請求項６〜８のうちいずれか一つの項
    に記載の多層電子的薄膜素子を製造する方法。
11. １１．超伝導膜を基板上に化学的又は物理的気相堆積に
    よって堆積することを特徴とする、請求項１〜１０のう
    ちいずれか一つの項に記載の多層電子的薄膜素子を製造
    する方法。
12. １２．酸素含有雰囲気中で、高周波陰極スパッタリング
    又は直流電圧陰極スパッタリングにより、５００〜約８
    ００℃の範囲内の温度で超伝導膜を堆積することを特徴
    とする、請求項１１記載の多層電子的薄膜素子を製造す
    る方法。
13. １３．絶縁層を化学的又は物理的気相堆積によって製造
    することを特徴とする、請求項１〜１２のうちいずれか
    一つの項に記載の多層電子的薄膜素子を製造する方法。
14. １４．超伝導膜の堆積に必要な温度よりも好ましくは低
    くかつ最大でも等しい温度で、高周波陰極スパッタリン
    グ又は直流電圧陰極スパッタリングによって絶縁層を堆
    積することを特徴とする、請求項１３記載の多層電子的
    薄膜素子を製造する方法。
15. １５．不活性ガス雰囲気又は不活性ガス／酸素雰囲気中
    で、酸化物ターゲットの陰極スパッタリングによって絶
    縁層を堆積することを特徴とする、請求項１４記載の多
    層電子的薄膜素子を製造する方法。
16. １６．酸素含有雰囲気中で、金属ターゲットの反応性陰
    極スパッタリングによって絶縁層を堆積することを特徴
    とする、請求項１４記載の多層電子的薄膜素子を製造す
    る方法。
17. １７．多層構成用の基板として、［１００］配向ＭｇＯ
    単結晶ディスクを使用することを特徴とする、請求項１
    〜１６のうちいずれか一つの項に記載の多層電子的薄膜
    素子を製造する方法。