JPH04134879A - 超電導素子およびその作製方法 - 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】 産業上の利用分野 本発明は、超電導素子およびその作製方法に関する。よ
り詳細には、本発明は、実効的な膜厚の変化する酸化物
超電導薄膜により形成された弱結合を含む超電導素子で
あって、特にその表面が平坦な新規な構成を有する超電
導素子と、それを実現するための新規な作製方法とに関
する。

従来の技術 従来知られていた超電導材料は、一般に液体ヘリウム温
度以下の極低温でしか超電導体にならなかったので、こ
れを実用的に利用することはあまり考えられていなかっ
た。しかしながら、〔Ｌａ。

Ｂａｌ　ｚｃｕ０４あるいは〔Ｌａ、　Ｓｒ’Ｊ　ｚｃ
ｕ○４等の複合酸化物焼結体が高い臨界温度を有する超
電導材料であることが１９８６年に見出されて以来、Ｙ
−Ｂａ−Ｃｕ系あるいはＢｉ　−Ｃａ　−３ｒ−Ｃｕ系
等の複合酸化物が極めて高い温度範囲で超電導特性を示
すことが次々に確認された。このような高い温度で超電
導特性を示す材料は廉価な液体窒素を冷却媒体として使
用することができるので、超電導技術の応用が俄かに現
実的な課題として検討されるようになった。

超電導現象を利用した基本的な電子デバイスのひとつと
してジョセフソン素子が知られている。

ジョセフソン素子は、所謂弱結合により結合された１対
の超電導電極により形成されており、クーパ一対のトン
ネル効果であると言われている直流ジョセフソン効果や
、離散的な電圧／電流特性を示す交流ジョセフソン効果
等の特異な特性を有している。

一方、一連の酸化物超電導材料は、当初粉末冶金法によ
り焼結体として得られていたが、焼結体材料では特に臨
界電流密度等の特性について好ましい特性が得られず、
最近では薄膜として作製する方法が広く研究されるよう
になっている。このような酸化物超電導薄膜を加工して
作製されるプレーナ型ジョセフソン素子の構造としては
、膜厚一定型と膜厚変化型とに大別することができる。

第３図（ａ）および（ｂ）は、プレーナ型ジョセフソン
素子の典型的な構造を示す図である。

第３図（ａ）は、膜厚一定型のジョセフソン素子の構造
を示す図であり、同図に示すように、基板１１上に形成
された膜厚の一定な酸化物超電導薄膜２１をパターニン
グすることによって、充分な線幅を有する１対の超電導
電極領域２１ｂ、２１ｃと、線幅Ｗが非常に細い弱結合
領域２１ａとが形成されている。

一方、第３図ら）は、膜厚変化型のジョセフソン素子の
構造を示す図であり、基板１１上に形成された酸化物超
電導薄膜２１の特定の領域を薄化することによって、充
分な厚さを有する１対の超電導電極領域２１ｂ、２１Ｃ
と、膜厚ｔの非常に薄い弱結合領域２１ａとが形成され
ている。

以上のような構成の各種プレーナ型ジョセフソン素子に
おいては、その弱結合領域２１ａの膜幅Ｗまたは膜厚ｔ
が素子の特性に密接に関係しており、所望の特性を再現
性良く実現するためにはサブミクロンレベルの高い加工
精度が要求される。

発明が解決しようとする課題 上述のような従来のプレーナ型ジョセフソン素子には、
それぞれ以下のような問題点がある。

即ち、膜厚一定型のジョセフソン素子は、素子の表面が
比較的平坦で集積回路素子としては好ましい構造である
。しかしながら、その弱結合領域２１ａを形成するため
には、膜厚０．５〜１，０μｍ程度の酸化物超電導薄膜
２０を幅０，２μｍ以下までバターニングする必要があ
る。このような超微細加工を再現性良〈実施することは
実際には非常に困難である。

一方、膜厚変化型のジョセフソン素子は、弱結合領域２
１ａのパターニング自体には極端な微細加工技術は必要
ないが、弱結合領域２１ａの残留膜厚ｔを均一に制御す
ることが極めて難しい。また、素子表面の平坦性に劣り
、集積回路を構成する素子として使用する場合には不利
である。

そこで、本発明は、上記従来技術の問題点を解決し、既
に確立されている加工技術によって再現性良く作製する
ことができ、且つ、素子表面の平坦化が容易な新規なジ
ョセフソン素子の構成と、その構成を実現するための新
規な作製方法とを併せて提供することをその目的として
いる。

課顕を解決するための手段 即ち、本発明に従うと、充分に厚い酸化物超電導薄膜に
より形成された１対の超電導電極領域と、該１対の超電
導電極領域を弱く結合する薄い超電導薄膜により形成さ
れた弱結合領域とを基板の同一面上に搭載してなる超電
導素子において、該弱結合領域に対応した該基板の成膜
面上の領域に隆起部が形成されており、該隆起部を含む
基板の成膜面上に表面が平坦な酸化物超電導薄膜が形成
されており、該隆起部の上方で酸化物超電導薄膜の実質
的な膜厚が低減されることにより弱結合が形成されてい
ることを特徴とする超電導素子が提供される。

また、上記本発明に係る超電導素子を作製する方法とし
て、本発明により、前記基板の成膜面上に、前記超電導
電極領域の膜厚と前記弱結合領域の膜厚との差に対応し
た高さの隆起部を形成する工程と、該隆起部を含む成膜
面上に、充分に厚い酸化物超電導薄膜を形成する工程と
、該隆起部上の該酸化物超電導薄膜が弱結合を形成する
厚さとなるように、該酸化物超電導薄膜の表面全体を平
坦化し且つ薄化する工程とを含むことを特徴とする超電
導素子の作製方法が提供される。

作用 本発明に係る超電導素子は、弱結合領域に隆起を形成さ
れた基板と、その基板上に形成された表面が平坦な酸化
物超電導薄膜とにより構成されていることをその主要な
特徴としている。

即ち、従来の超電導素子は、−旦形成した超電導薄膜を
、特にその弱結合領域で加工して薄化または細化するこ
とにより弱結合を形成していた。

しかしながら、弱結合を実現し得る膜幅または膜厚は極
めて小さく、所望の特性を発揮するジョセフソン素子を
作製するためには極端に高い加工精度が要求された。

これに対して、本発明に係る超電導素子は、弱結合領域
に隆起部を形成された基板上に、酸化物超電導薄膜を成
膜し、この酸化物超電導薄膜の表面全体を平坦化するこ
とにより作製される。従って、特定の微細な領域に対し
て高度な微細加工を行う必要がない。

また、この超電導素子の表面は、完成した時点で既に平
坦になっているので、集積回路素子として好適である。

以上のような本発明に係る超電導素子において酸化物超
電導薄膜を形成する材料としては、Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ−０
系、８ｉ　−３ｒ　−Ｃａ−Ｃｕ　−０系、ＴＩ　−Ｈ
ａ　−Ｃａ−Ｃｕ−０系等の複合酸化物超電導材料を例
示することができる。

また、上記酸化物超電導材料薄膜を成膜する際の好まし
い下地基板材料としては、ＭｇＯ１ＳｒＴｉＯ，、Ｃｄ
ＮｄＡｌＯ４等の酸化物単結晶基板を例示することがで
きる。これらの基板上では、配向性の高い結晶を成長さ
せることが可能である。また、適切なバッファ層を搭載
した８１基板等の半導体基板も下地基板として使用する
ことができる。

以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが
、以下の開示は本発明の一実施例に過ぎず、本発明の技
術的範囲を何ら限定するものではない。

実施例 第１図は、本発明に係る超電導素子の具体的な構成例を
示す図である。

同図に示すように、この素子は、基板１０上とその基板
１０上に形成された酸化物超電導薄膜２０とから主に構
成されている。

ここで、この素子では、基板１０は、その表面に隆起部
１０ａを備えている。一方、基板１０上の酸化物超電導
薄膜２０の表面は平坦化されている。従って、隆起部１
０ａ上では、酸化物超電導薄膜２０の膜厚が小さくなっ
ている。

以上のように構成された超電導素子では、この薄い酸化
物超電導薄膜２０が弱結合領域２０ａを構成しており、
弱結合領域２０Ｈの側方に形成されている１対の厚い酸
化物超電導薄膜が超電導電極領域２０ｂ、２０ｃを構成
している。尚、後述するように、超電導電極領域２０ｂ
、２０ｃと弱結合領域２０ａとは一体に成膜されたひと
つの超電導薄膜である。

第２図（ａ）〜おは、本発明に係る超電導素子の作製過
程を工程毎に示す図である。尚、本実施例では、酸化物
超電導材料としてＹ　−Ｂａ−Ｃｕ系の複合酸化物超電
導材料を使用するものとする。

第２図（ａ）に示すような平坦な基板１を用意する。

本実施例では、基板としてＳｉウェハを使用するが、そ
の他に、ＭｇＯ（１０Ｄ　）　、ＣｄＮｃｌＡｌｏ、　
（ＯＯ１）等を好ましい基板材料として例示することが
できる。このような基板を使用することにより、基板１
の表面と平行な方向に臨界電流密度が大きい、Ｃ軸配向
した酸化物超電導薄膜を基板上に成長させることができ
る。

上述のような基板ｌに対して、まず、第２図（ｂ）に示
すように、基板１全体に電子ビーム用のレジスト層２を
形成した後、第２図（Ｃ）に示すように、最終的な弱結
合領域の幅よりもやや大きめにレジスト層２をパターニ
ングする。このとき、レジストパターンの長手方向（図
面の紙面に垂直な方向）が、Ｓｉ基板１の（１１０）面
と平行になるようにパターンを形成することが好ましい
。

次に、第２図（ｄ）に示すように、パターニングされた
レジスト層２をマスクとして、基板１をエツチングする
。エツチングは、ＫＯＨ，ＡＰＷ等を使用したウェット
エツチングにより行うことができる。このエツチングに
より、同図に示すように、基板１の中央付近には隆起部
１ａが形成される。

尚、このエツチング処理時に、サイドエッチを促進する
ことにより、レジストパターンよりも幅の細い隆起部を
形成することができる。

本実施例においては基板１としてＳ１ウエハを用いてい
るので、酸化物超電導薄膜の成膜に先立って、基板１上
にバッファ層を形成する必要がある。

そこで、基板１上のレジスト層２を除去した後に、第２
図（ｅ）に示すように、ＣＶＤ法により成膜したＭｇＡ
ｌ２Ｏ４薄膜とスパッタリング法により成膜したＢａＴ
１０ｓ薄膜との積層膜により形成されたバッファ層３を
形成する。

続いて、第２図（ｆ）に示すように、バッファ層３上に
、酸化物超電導薄膜４を成膜する。ここで成膜される酸
化物超電導薄膜４の膜厚は、基板ｌ上に形成された隆起
部１ａの高さよりも充分に厚いことが必要である。尚、
このような酸化物超電導薄膜１は、オファクンススバッ
タリング法や反応性蒸着法により成膜することができる
。本実施例では、Ａｒと０２とを９：１の割合で混合し
た１０Ｐａのスパッタガスの下で、オファクシススバッ
タリング法により成膜した。基板温度は７００℃とした
。

上述のようにして成膜した酸化物超電導薄膜４は、基板
１に形成された隆起部１ａのために一部が隆起した形状
となっている。そこで、第２図（釦に示すように、酸化
物超電導薄膜４上に、上面が平坦になるようにフォトレ
ジスト層５を形成する。

続いて、第２図口に示すように、反応性イオンエツチン
グ法等により、フォトレジスト層５と酸化物超電導薄膜
４とを同時にエッチバックし、酸化物超電導薄膜４の表
面を平坦化する。

このとき、同図に示すように、基板１の隆起部１ａ上の
領域では酸化物超電導薄膜４の厚さが薄くなるが、この
酸化物超電導薄膜４の薄化領域４ａが弱結合を形成する
膜厚となるようにエッチバック処理を制御する。具体的
には、薄化領域４ａでは、酸化物超電導薄膜４の膜厚を
５〜１０ｎｍ程度とする。

以上のようにして、第１図に示したような本発明に係る
超電導素子が完成する。

発明の詳細 な説明したように、本発明に係る超電導素子は、超電導
薄膜の一部分を加工して弱結合を形成するのではなく、
予を隆起部を形成した基板上に酸化物超電導薄膜を成膜
した上で、酸化物超電導薄膜の表面全体を平坦化するこ
とにより弱結合を形成して作製することができる構成と
なっている。

のため、弱結合を形成するための特定領域に対する超微
細加工が不要であると同時に、弱結合形成時の制御性に
優れている。従って、超電導素子としての特性の再現性
に優れており、生産性も高い。

また、本発明に係る超電導素子は、その独特の構成によ
り、作製時に既に素子の表面が平坦化されているので集
積回路素子として扱い易い。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に係る超電導素子の具体的な構成例を
示す図であり、 第２図（ａ）〜（５）は、本発明に係る超電導素子の作
製過程を工程毎に示す図であり、 第３図（ａ）および（ｂ）は、従来のプレーナ型ジョセ
フソン素子の典型的な構成を示す図である。 〔主な参照番号〕 １．１０．１１・・・基板、 １ａ・・・隆起部、 ２・・・レジスト層、 ３・・・バッファ層、 ４．２０．２１・・・酸化物超電導薄膜、５・・・フォ
トレジスト層、 ２０ａ、２１ａ・・・弱結合領域、 ２０　ｂ、　２０　Ｃ，２１ｂ、　２１　Ｃ・・・超電
導電極領域

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）充分に厚い酸化物超電導薄膜により形成された１
   対の超電導電極領域と、該１対の超電導電極領域を弱く
   結合する薄い超電導薄膜により形成された弱結合領域と
   を基板の同一面上に搭載してなる超電導素子において、 該弱結合領域に対応した該基板の成膜面上の領域に隆起
   部が形成されており、該隆起部を含む基板の成膜面上に
   表面が平坦な酸化物超電導薄膜が形成されており、該隆
   起部の上方で酸化物超電導薄膜の実質的な膜厚が低減さ
   れることにより弱結合が形成されていることを特徴とす
   る超電導素子。
2. （２）前記超電導薄膜がＹ−Ｂａ−Ｃｕの複合酸化物薄
   膜であり、前記弱結合領域が前記酸化物超電導薄膜の（
   １１０）面に平行な方向が長手方向となるように長尺の
   領域として画成されていることを特徴とする超電導素子
   。
3. （３）請求項１に記載された超電導素子を作製する方法
   であって、 前記基板の成膜面上に、前記超電導電極領域の膜厚と前
   記弱結合領域の膜厚との差に対応した高さの隆起部を形
   成する工程と、 該隆起部を含む成膜面上に、充分に厚い酸化物超電導薄
   膜を形成する工程と、 該隆起部上の該酸化物超電導薄膜が弱結合を形成する厚
   さとなるように、該酸化物超電導薄膜の表面全体を平坦
   化し且つ薄化する工程と を含むことを特徴とする超電導素子の作製方法。