JPH0624255B2 - 超伝導体薄膜の支持構造 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） この発明は、超伝導体薄膜を用いて例えばジョセフソン
素子等の素子を形成する際にこの素子の特性を向上させ
るに好適な超伝導体薄膜の支持構造に関するものであ
る。

（従来の技術） 超伝導体は、それが有する特殊な物性から、種々の分野
に応用されている。このような応用例の一つとしては、
ジョセフソン接合素子があり、これによれば、高速演算
が可能なコンピュータ、超高感度磁束計、又、超微弱電
磁波検知計等の有用な装置の実用化が可能になる。従っ
て、ジョセフソン接合素子に関する研究が、従来から精
力的になされている。

従来のジョセフソン接合素子としては、例えばこの出願
の出願人に係る特開昭61-179584 号公報に開示されたも
のがある。第７図は、この公報に記載されたジョセフソ
ン接合素子の中の一例の構造を概略的に示した斜視図で
ある。第７図において、11は支持部としての絶縁基板を
示す。この場合、この絶縁基板11は段違いの二つの面を
有していて、さらに、この絶縁基板11の二つの面のうち
の低い面上には、13で示され支持部としての機能も有す
る表面整形部が設けられている。この表面整形部13は、
それ自体の厚さが徐々に増してゆく形状のものとしてあ
り、従って、この表面整形部13の表面は、上述の下地の
低い面からこの下地の高い面よりさらに高い位置まで続
くような面になっている。そして、下地11の低い面及び
表面整形部13上に亙って第一超伝導体薄膜15が設けら
れ、又、下地11の高い面上には第二超伝導体薄膜17が設
けられている。このような構造によれば、第一超伝導体
薄膜15と、第二超伝導体薄膜17とは、互いがある角度を
もって集合結合する第７図中のＰ点において両薄膜の端
面の一部分同士が接することになり、この部分に弱結合
部が構成される。これがため、弱結合部が極限まで短縮
されることになるから、この素子の特性は好ましいもの
になる。

又、従来のジョセフソン接合素子の他の例としては、こ
の出願の出願人に係る特開昭61-179585 号公報に開示さ
れたものがある。第８図は、この公報に記載されたジョ
セフソン接合素子の構造を概略的に示した斜視図であ
る。第８図において、21は支持部としての絶縁基板を示
す。この絶縁基板21上の一部領域には、23で示される積
層体であって、25で示される第一絶縁膜と、27で示され
る第一超伝導体薄膜と、29で示される第二絶縁膜とで構
成された積層体23が設けられている。又、絶縁基板21上
の積層体23の近傍領域には、31で示される第二超伝導体
薄膜がこれの端面の一部が積層体21の第一超伝導体薄膜
27を含む端面の一部に接するように設けられている。こ
のような構造の場合、第８図中Ｑで示し斜線を付した部
分が弱結合部の形成領域になり、この構造の場合も、ジ
ョセフソン効果を生ずる弱結合部の接合面積を著しく狭
くすることが可能であった。

又、上述のような超伝導体薄膜を構成するための超伝導
体としては、Ｎｂ，ＮｂＮ等の他、比較的高温度で超伝
導特性を示す例えばＹ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系の化合物、或
はＬａ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系の化合物等が知られている。
このＹ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系の化合物、或は、Ｌａ−Ｂａ
−Ｃｕ−Ｏ系の化合物は、酸化物でありながら超伝導性
を示す物質として知られている。このような酸化物超伝
導体については例えば文献（日経ニューマテリアル[27]
P.76(1987))に開示されている。

このような酸化物は、これを構成する各々の元素及びそ
の酸化物を１０００℃前後の温度で焼くことによって作
製されるのが一般的とされ、得られたものは、大気中で
も比較的安定である。又、このような酸化物を素子とし
て応用するためには、スパッタ法、蒸着法等の好適な方
法によってこれを薄膜化する必要があるが、一般には、
薄膜化した後、この薄膜に対して８００℃前後の温度で
アニールすることによってこの薄膜が超伝導性を示す温
度（Ｔ_ｃ）が上昇する。さらに、薄膜化したままでは超
伝導性を示さない場合であっても、高温でアニールする
ことによってその薄膜が超伝導性を示すようになる。

又、上述のような熱処理とは少し異なるが、上述の酸化
物の成膜時に基板の温度を十分高い温度（８００℃位）
にしておくと、この基板上に形成された薄膜が超伝導性
を示すようになることが知られている。しかし、この場
合のＴ_ｃは低い。

上述した如く、超伝導体薄膜を用いて素子化を図ろうと
した場合には、いずれの場合であってもこの薄膜に対す
る高温度での熱処理が必要になる。

（発明が解決しようとする問題点） しかしながら、第７図及び第８図を用いて説明した従来
の構造においては、ジョセフソン接合部の形成に供する
超伝導体薄膜はいずれの場合も基板や整形部、即ち、支
持部上に形成されていたため、以下に説明するような問
題点が生じる。

超伝導体薄膜が支持部上に形成されている状態でこの超
伝導体薄膜に対して熱処理を行なうと、その際、支持部
にも同程度の温度が印加されることになり、従って、支
持部自体にも耐熱性が要求されるという問題点があっ
た。

又、支持部と、超伝導体薄膜とが高温時に反応してしま
うという危険性もあった。

さらには、高温熱処理を行なった後室温に戻すと、支持
部の熱膨張係数と超伝導体薄膜の熱膨張係数との違いに
よって超伝導体薄膜にクラックが生じるという問題点が
あった。このようなクラックの発生は、素子をＴ_ｃ以下
の温度にしたときと室温との温度差によっても生ずる。

上述したような問題点は、超伝導体薄膜を形成しようと
する支持部の材料、時には面方位までも制約するように
なり支持部選定の自由度に著しい制限を加えること、及
び、超伝導体薄膜に対する熱処理温度にも著しい制限を
加えることになり、決して好ましいことではなかった。

この発明は上述の点に鑑みなされたものであり、従って
その発明の目的は、超伝導体薄膜に対してアニールを行
なう際の種々の制約を軽減することが出来る超伝導体薄
膜の支持構造を提供することにある。

（問題点を解決するための手段） この目的の達成を図るため、この発明の超伝導体薄膜の
支持構造によれば、超伝導体薄膜の少なくとも素子構成
部として用いられる部分が浮き状態となるように前述の
超伝導体薄膜を支持部に設けて成ることを特徴とする。

（作用） このような構成によれば、超伝導体薄膜を用いた素子構
成部を支持部から浮かせた状態にすることが可能にな
る。従って、例えば支持部の応力が素子構成部自体に直
接影響を与えることは軽減される。このため、支持部及
び超伝導体薄膜を共に熱処理した場合であっても、互い
の熱膨張係数の違いにより生ずる応力の影響が軽減され
る。

又、この素子構成部に対してのみ例えばレーザ等を用い
たアニールを行なうことも可能になる。

（実施例） 以下、図面を参照してこの発明の超伝導体薄膜の支持構
造の実施例につき説明する。尚、以下の説明に用いる各
図は、この発明が理解出来る程度に概略的に示してある
にすぎず、従って、各構成成分の寸法、形状、及び配置
関係は図示例のみに限定されるものでないことは理解さ
れたい。又、説明に用いる各図において従来と同様な構
成成分については同一の符号を付して示してあると共
に、その説明を一部省略してある。

この発明は、超伝導体薄膜の少なくとも素子構成部とし
て用いられる部分が浮き状態となるように前述の超伝導
体薄膜を支持部に設けて成ることを特徴とするものであ
る。ここで云う素子とは、例えばジョセフソン接合素
子、さらにはインダクタンス素子等の種々のものを挙げ
ることが出来るが、以下の実施例はこの素子をジョセフ
ソン接合素子とした例で説明する。又、ここで云う素子
構成部とは、素子の全部であっても又は一部であっても
良いが、この実施例の場合、ジョセフソン接合素子の弱
結合部及びその近傍を素子構成部とした例で説明する。

第一実施例 先ず、第１図を参照してこの発明の第一実施例の支持構
造につき説明する。

＜支持構造の説明＞ この第一実施例は、基本的には、第７図を用いて説明し
たジョセフソン接合素子にこの発明の支持構造を適用し
た例である。第１図は、この支持構造を説明するため、
この支持構造を具えたジョセフソン接合素子の弱結合部
と、その周辺領域とを概略的に示した斜視図である。

第１図において、11は絶縁基板、13は表面整形部をそれ
ぞれ示す。この実施例の場合、この絶縁基板11と表面整
形部とが支持部ということになる。この絶縁基板11は所
定領域に穴部41を具えている。又、この絶縁基板11の穴
部41の周囲の一部からはこの穴部41上に第７図を用いて
既に説明したような第一超伝導体薄膜15が延在してきて
おり、さらに、絶縁基板11の穴部41の周囲の他の部分か
らはこの穴部41上に第７図を用いて既に説明したような
第二超伝導体薄膜17が延在してきている。そして、これ
ら超伝導体薄膜15及び17は第７図を用いて既に説明した
ように互いがある角度をもって両者の端面の一部分同士
が接しておりその接点（第１図中、Ｐで示す位置）領域
で弱結合部を構成している。尚、第１図中、43は第一超
伝導体薄膜15に被着形成されている第一電極を示し、45
は第二超伝導体薄膜17に被着形成されている第二電極を
示す。これら電極43及び45の構成材料としては、例えば
金（Ａｕ）を挙げることが出来る。第１図に示した構造
によれば、超伝導体薄膜の弱結合部を構成している部分
及びその周辺部分、即ち、第一超伝導体薄膜15及び第二
超伝導体薄膜17のそれぞれの端部が、穴部41上にちょう
ど橋状に設けられることになるから、超伝導体薄膜の少
なくとも弱結合部を構成する部分が支持部から浮いた状
態になる。このような構造によれば、弱結合部は支持部
が温度変化により変形する際の応力を直接受けることが
なくなる。又、弱結合部を極限まで短縮することも従来
と同様に出来る。

＜第一実施例の支持構造の形成方法＞ 第一実施例の支持構造の理解を深めるため、第７図及び
第１図を参照して第一実施例の支持構造の形成方法につ
き説明する。

絶縁基板11及び表面整形部13を例えばガラスを以って構
成する。ここで、絶縁基板11（第１図）は、第７図に示
される絶縁基板11同様の段違いの２つの面を有する構造
となっている。次に、好適な方法によって、例えばＹ−
Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系の酸化物から成る第一超伝導体薄膜15
及び第二超伝導体薄膜17を絶縁基板11及び表面整形部13
（以下、支持部と称することもある）上に所定の通りに
形成する。次に、超伝導体薄膜を含む支持部上に、弱結
合部を含むその周辺領域を露出するような窓を有するレ
ジストマスクを好適な方法で形成する。次に、このよう
なレジストマスクを有する試料を、超伝導体薄膜は溶解
せずガラスは溶解するようなエッチング液（例えば、フ
ッ酸系のエッチング液等が考えられる）に適正な時間浸
漬する。この結果、レジストマスクの窓部分に存ったガ
ラスが除去されて穴部41が得られる。又、この穴部41部
分に在る超伝導体薄膜はこれに接していたガラスが除去
されてしまうから支持部（ガラス）から浮いた状態にな
る。このようにして第１図に示すような、この発明の超
伝導体薄膜の支持構造を有するジョセフソン素子が得ら
れる。

又、第一電極43及び第二電極45は、例えばレジストマス
クを形成する前に、第一及び第二超伝導体薄膜15及び17
上にそれぞれ形成しておけば良い。尚、これら電極43及
び45は第一及び第二超伝導体膜15及び17を補強する目的
及び外部回路との接続を容易にすることを目的として設
けたものであり、必ずしも設ける必要はない。又、第一
及び第二超伝導体薄膜の膜厚は、一般には、１μｍ以下
の膜厚であり、又、第一及び第二電極の膜厚は、一般に
は、１μｍ程度であるが、これら設計に応じ変更するこ
とが出来る。

第二実施例 次に、第２図及び第３図を参照して、この発明の第二実
施例につき説明する。これら図は、第１図同様、ジョセ
フソン接合素子の弱結合部と、その周辺領域とを概略的
に示した斜視図である。

＜支持構造の説明＞ 第２図において、11は絶縁基板を示し、この絶縁基板11
上には、51で示される第一電極と、53で示される第二電
極とが互いに離間させて設けてある。尚、これら電極51
及び53は、電極としての機能の他に以下に説明するよう
な機能を具えている。第２図中、51a で示される第一電
極の一部分は、第７図中に示した波形整形部13の機能を
も有している。51b で示される部分の表面は第７図を用
いて説明した低い面、第二電極53の表面は第７図を用い
て説明した高い面に相当する。尚、第一電極51上には第
７図を用いて既に説明した第一超伝導体薄膜15が、第二
電極53上には第二超伝導体薄膜17がそれぞれ設けられて
いるが、これら超伝導体薄膜15及び17は第一電極51及び
第二電極間53間方向に互いが張り出しており、然も、第
７図を用いて既に説明したように互いがある角度をもっ
てかつ両薄膜の端面の一部分同士が接しており、その接
点（第１図中、Ｐで示す位置）領域で弱結合部を構成し
ている。

第２図に示すような構造であれば、超伝導体薄膜の少な
くとも弱結合を構成している部分が、両電極51及び53間
において支持部から浮いた状態になる。

尚、第二実施例の説明においては、第一電極51が51a 及
び51b で示される二つの部分で構成された例で説明して
いるが、第一電極51を一体のもので構成しても良いこと
は明らかである。

＜第二実施例の支持構造の形成方法＞ 次に、第二実施例の支持構造の理解を深めるため、第３
図を参照して、第２図に示した第二実施例の支持構造の
形成方法の一例につき説明する。

先ず、絶縁基板11上に例えばＡｕ（金）を用いて段違い
の二つの面を有する台状部分55を形成する。さらに、こ
の台状部分55の低い面上の一部領域に第７図に示した表
面整形部13と同様な形状であって台形部分55と同様な材
料で構成した表面整形部57を形成する。次に、台状部分
55の低い面上及び表面整形部57表面上に第一超伝導体薄
膜15を、台状部分55の高い面上に第二超伝導体薄膜17を
それぞれ形成する。このようにして、超伝導体薄膜15及
び17の下地は金としてあるが、構造は、第７図に示した
ジョセフソン接合素子と同様な構造体を得る。次に、こ
の構造体上に、弱結合部（第３図中、Ｐで示す部分）及
びこの周辺、例えば第３図中、一点破線で囲った部分59
を露出するような窓を有するレジストマスクを形成し、
次に、Ａｕのみを選択的に除去するエッチング液によっ
て窓から露出しているＡｕ部分を除去する。

このような方法によって、第２図に示した第二実施例の
超伝導体薄膜の支持構造を得ることが出来る。

第三実施例 次に、第４図を参照してこの発明の第三実施例の支持構
造につき説明する。この第三実施例は、基本的には、第
８図を用いて既に説明したジョセフソン接合素子にこの
発明の支持構造を適用した例である。第４図は、この支
持構造を説明するため、この支持構造を具えたジョセフ
ソン接合素子の弱結合部と、その周辺領域とを概略的に
示した斜視図である。

第４図において、21は絶縁基板を示す。この絶縁基板11
上には、Ａｕ等で構成され61で示される第一電極と63で
示される第二電極とが互いに離間させて設けてある。
又、第一電極61上には第８図を用いて既に説明した第一
超伝導体薄膜27が、第二電極53上には第二超伝導体薄膜
31がそれぞれ設けられているが、これら超伝導体薄膜27
及び31は第一電極61及び第二電極63間方向に互いが張り
出しており、然も、第８図を用いて既に説明したように
互いの端面同士が微小面積で接しており、その接点（第
１図中、Ｑで示し斜線付す領域）領域で弱結合部を構成
している。

第４図に示すような構造であれば、超伝導体薄膜の少な
くとも弱結合を構成している部分が、両電極61及び63間
において絶縁基板11又は電極等の支持部から浮いた状態
になる。

第４図に示したような支持構造を形成する一方法として
は次のようなものが考えられる。

第８図に示した第一絶縁膜25及び第二絶縁膜29の代り
に、例えばＡｕで構成した層で第一超伝導体薄膜27を挟
み込む。又、第一絶縁膜25の代りに用いたＡｕ層は、絶
縁基板11の第二超伝導体薄膜形成予定領域まで延在させ
て設け、然も、このＡｕ層の第二超伝導体薄膜の形成さ
れる部分の層厚を第一超伝導体薄膜と接している部分の
それより薄くしておく。次いで、この薄くなっているＡ
ｕ層部分上に第二超伝導体薄膜31を形成する。

次に、第一及び第二超伝導体薄膜27及び31間の弱結合部
（第４図にＱで示す部分）及びその周辺部分を露出する
窓を有するレジストマスクを超伝導体薄膜27及び31を有
する絶縁基板21上に形成する。次に、Ａｕは溶解するが
超伝導体薄膜は溶解しないエッチング液を用いて窓内の
部分をエッチングすることによって、窓内に在るＡｕを
除去して第４図に示すような超伝導体薄膜の支持構造を
得る。

第四実施例 次に、この発明の第四実施例の支持構造につき第５図を
参照して説明する。この実施例は、３端子電極構造の例
であり、第５図は、この支持構造を説明するため、この
支持構造を具えたジョセフソン接合素子の弱結合部と、
その周辺領域とを概略的に示した斜視図である。

第５図において、71は絶縁基板を示す。この絶縁基板71
上には、Ａｕ等で構成され73で示される第一電極と75で
示される第三電極とが互いに離間させて設けてある。さ
らに、第一電極73上には77で示される第一超伝導体薄膜
がその端部が第三電極75側に張り出すように設けてあ
る。又、この第一超伝導体薄膜77上側には、この第一超
伝導体薄膜77とは絶縁されていて79で示される第二電極
が設けてある。又、この第二電極79上には81で示される
第二超伝導体薄膜がその端部が第二電極75側に張り出す
ように設けてある。一方、第三電極75上には83で示され
る第三超伝導体薄膜がその端部が第一及び第二電極側に
張り出すように、然も、この第三超伝導体薄膜83の端面
83a が第一及び第二超伝導体薄膜77及び81の端面77a 及
び81a にそれぞれ接するように設けてある。この場合、
端面83a 及び端面77a が接する部分と、端面83a 及び端
面81a が接する部分とに弱結合部がそれぞれ形成され
る。

第５図に示すような構造によれば、超伝導体薄膜の少な
くとも弱結合を構成している部分が、第一電極73及び第
三電極75間において絶縁基板11又は電極等の支持部から
浮いた状態になる。

尚、この発明は上述した各実施例に限定されるものでは
ない。

例えば、用いることが出来る超伝導体は薄膜化が可能な
ものであれば実施例に記載したもの以外の他の材料であ
っても良い。

又、第一、第二及び第三電極を、Ａｕ以外の材料であっ
て超伝導体薄膜との選択エッチングが可能な他の好適な
材料で構成しても良い。

又、この発明の主張するところは、既に説明したよう
に、超伝導体薄膜の少なくとも素子構成部として用いら
れる部分が浮き状態になるようにこの超伝導体薄膜を支
持部に設けることであり、ジョセフソン接合の弱結合部
を浮き状態にすることに限定されるものではない。この
発明の応用例としては、種々のものが考えられるが、例
えば第６図に示すような応用例が考えられる。

第６図は、この発明の第五実施例の説明に供する図であ
って、超伝導体薄膜を用いてインダクタンス素子を構成
し、この素子部が浮状態になるように超伝導体薄膜を支
持部に設けた例を概略的に示した斜視図である。

第６図において、91は支持部としての絶縁基板を示す。
この実施例の場合この絶縁基板91には穴部93が設けてあ
る。又、この絶縁基板91上には、絶縁基板91の穴部93周
囲の一部分からこの穴部93上を渡り他の周囲部分に至る
ように超伝導体薄膜95が設けてあり、この超伝導体薄膜
95の穴部93に対応する部分95a をΩ形状としてインダク
タンス素子を構成している。このようにしてインダクタ
ンス素子を支持しておけば、支持部の応力がΩ形状部分
95a に直接影響することがなくなる。

尚、上述のようなインダクタンス素子は、例えば以下に
説明するような方法で形成することが出来る。

絶縁基板91上に超伝導体薄膜を形成する。次に、この超
伝導体薄膜を上述したΩ形状95a を含む所定の形状にパ
ターニングする。次に、絶縁基板11のこのΩ形状95a を
含む領域に対応する部分を、選択的にエッチングして穴
部93を形成する。このようにして、第６図に示す支持構
造を得ることが出来る。

又、この発明は、超伝導体薄膜を支持部から片持ちばり
の状態で張り出させるようにしてこの支持部で張り出し
部分を支持する構造も含むことは勿論である。

（発明の効果） 上述した説明からも明らかなように、この発明の超伝導
体薄膜の支持構造によれば、超伝導体薄膜の少なくとも
素子構成部として用いられる部分を基板等の支持部から
浮かせた状態にすることが出来る。従って、例えば基板
の熱膨張係数と超伝導体薄膜の熱膨張係数との違いによ
り生ずる種々の弊害を防止することが出来る。又、基板
と、超伝導体薄膜との反応も防止することが出来る。こ
のようなことから、基板の選択の自由度が大きくなると
云える。

さらに、この発明によれば、基板及び超伝導体薄膜を充
分にアニール処理出来るようになるから、良好な超伝導
性を得ることが可能になる。

又、アニール処理においては、超伝導体薄膜の浮き状態
になっている部分の方が支持部よりも効果的な熱処理を
受けると思われるから、例えばジョセフソン接合素子の
弱結合部の接続状態はより安定なものになると期待出来
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明の超伝導体薄膜の支持構造の第一実
施例を示す斜視図、 第２図は、この発明の超伝導体薄膜の支持構造の第二実
施例を示す斜視図、 第３図は、この発明の超伝導体薄膜の支持構造の第二実
施例の構造を形成する方法の説明に供する図、 第４図は、この発明の超伝導体薄膜の支持構造の第三実
施例を示す斜視図、 第５図は、この発明の超伝導体薄膜の支持構造の第四実
施例を示す斜視図、 第６図は、この発明の超伝導体薄膜の支持構造の第五実
施例を示す斜視図、 第７図及び第８図は従来技術の説明に供する図である。 11,21,71,91 ……絶縁基板（支持部） 13,57 ……表面整形部（支持部） 15,27,77……第一超伝導体薄膜 17,31,81……第二超伝導体薄膜 Ｐ，Ｑ……弱結合部 41,93 ……穴部、43,61,73……第一電極 45,63,79……第二電極、55……台状部分 59……露出部分、75……第三電極 77a ……第一超伝導体薄膜の端面 81a ……第二超伝導体薄膜の端面 83a ……第三超伝導体薄膜の端面 95……超伝導体薄膜、95a ……Ω状部分。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】超伝導体薄膜の少なくとも素子構成部とし
   て用いられる部分が浮き状態となるように前記超伝導体
   薄膜を支持部に設けて成ることを特徴とする超伝導体薄
   膜の支持構造。