JPH0945971A - ジョセフソン素子の為のマスクアライメント方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ジョセフソン素子１４Ａの製造工程でのリソ
グラフィのマスクアライメントにおいて、双結晶基板１
０にマーキングを施すことなくこの双結晶基板１０上に
形成された超伝導体層１４の粒界接合部分の位置を知
る。 【構成】 レジスト層１５が感光しない光を双結晶基板
１０の側から、この双結晶基板１０、超伝導体層１４お
よびレジスト層１５を透過させた状態で、レジスト層１
５の側から双結晶基板１０の接合線１２の像を観察する
ことにより、双結晶基板１０の製作精度あるいは超伝導
体層１４の結晶性の良否の影響を強く受けることはな
く、双結晶基板１０の接合線１２を比較的明瞭に観察す
ることができることから、この接合線１２に沿って形成
される粒界接合部分の位置を容易に知ることができ、マ
スクアライメントを比較的容易に行うことができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ジョセフソン素子の製
造に用いられるジョセフソン素子の為のマスクアライメ
ント方法及び装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】YBaCuO, BiSrCaCuO, TlBaCaCuOのような
酸化物高温超伝導体を応用した電子デバイスにジョセフ
ソン効果を利用したジョセフソン素子があり、このジョ
セフソン素子の形成方法にバイクリスタル接合法があ
る。バイクリスタル接合法では、結晶方位を互いに異に
する二枚の結晶板を張り合わせて形成された双結晶基板
の研磨表面上に高温超伝導体層を成長させることによ
り、双結晶基板の張り合わせ部分である接合線上に高温
超伝導体層の粒界接合を形成することができる。

【０００３】接合線上の粒界接合はジョセフソン効果を
示すが、所望の特性を示すジョセフソン素子として利用
するために、高温超伝導体層の粒界接合を含む部分は、
リソグラフィおよびエッチングにより所望のパターン形
状に加工される。リソグラフィでは、超伝導体層を覆っ
て感光性のレジスト層を形成し、このレジスト層をフォ
トマスクを用いて部分的に露光した後、現像して超伝導
体層上にレジスト層からなる耐エッチング性の所望のレ
ジストパターンを得る。

【０００４】このリソグラフィにより得られたレジスト
パターンを保護膜としてエッチングが施され、その後、
レジストパターンを構成したレジスト層の残存部分を除
去することにより、双結晶基板上に所望の電気特性を有
するジョセフソン素子が形成される。このようなジョセ
フソン素子は、例えば、ＳＱＵＩＤ（超伝導量子干渉デ
バイス）あるいは超伝導トランジスタ等に種々応用され
ている。

【０００５】ところで、ジョセフソン効果を示す超伝導
体層の粒界接合部分は数μｍ程度の極めて狭い幅寸法を
有するに過ぎないことから、レジスト層の露光に先立っ
て行われるフォトマスクを用いたマスクパターンの位置
合わせ作業すなわちマスクアライメントのときに、この
粒界接合部分の位置を確認する作業が極めて重要にな
る。しかしながら、光学顕微鏡等を用いても、超伝導体
層の粒界接合部分を直接的に視認することは難しい。こ
の視認の困難な粒界接合部分は、双結晶基板の接合線に
沿って形成される。そこで、双結晶基板の接合線に予め
マーク付けすなわちマーキングを施し、粒界接合部分の
位置を間接的に示す双結晶基板上のマークを観察し、こ
のマークを基準にして、マスクアライメントが行われて
いた。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上記のよう
な従来のマスクアライメント方法では、マーク付けのた
めの格別なマーキング工程が必要となることから、リソ
グラフィの工程の複雑化を招く。そのため、粒界接合部
分の位置を知るためのマーク付けのような格別な工程を
付加することなく、リソグラフィ工程の複雑化を招くこ
とのないマスクアライメント方法及び装置の出現が望ま
れていた。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、ジョセフソン
素子のための超伝導体層、双結晶基板およびレジスト層
が一般的に光の透過を許すに充分な透光性を有すること
に着目し、直接的に視認することができない粒界接合部
分の観察に代えて、この粒界接合部分が沿って形成され
る双結晶基板の接合線にマーキング等を施すことなく、
この接合線を直接的に観察することにより、粒界接合部
分の位置を間接的に知るという基本構想に立脚する。

【０００８】本発明に係るマスクアライメント方法は、
前述した課題を解決するために、双結晶基板の接合線が
露出する研磨表面上に形成された超伝導体層上にレジス
ト層からなる耐エッチング性の所望のレジストパターン
を得るリソグラフィにおいて、レジスト層上の所望位置
にマスクパターンを位置合わせするについてレジスト層
が感光しない光を双結晶基板の側からこの双結晶基板、
超伝導体層およびレジスト層を透過させた状態で、レジ
スト層の側から双結晶基板の接合線を観察し、この透過
光下で観察された前記接合線を基準にして、マスクパタ
ーンの位置合わせを行うことを特徴とする。

【０００９】また、本発明に係るマスクアライメント装
置は、結晶方位を互いに異にして接合された二枚の結晶
板からなる双結晶基板の接合線が露出する研磨表面上に
ジョセフソン素子のための超伝導体層および感光性のレ
ジスト層を積層させた試料が双結晶基板を対向させて配
置される試料面を有する透光性の試料台と、この試料台
上の試料を双結晶基板側から照射する、レジスト層を感
光させない光源と、試料台上の試料のレジスト層側から
光源の透過光による接合線の像を観察する光学手段とを
含むことを特徴とする。

【００１０】

【作用】本発明に係るマスクアライメント方法では、双
結晶基板の接合線の観察は、双結晶基板の側からこの双
結晶基板、超伝導体層およびレジスト層を透過する透過
光下で行われ、例えば光学顕微鏡のような光学手段を用
いて透過光による接合線の像が観察される。接合線の観
察を透過光下で行うことは、例えば双結晶基板の結晶性
の良否あるいは結晶板の接合精度等を含む双結晶基板の
製作精度あるいは双結晶基板上の超伝導体層の結晶性の
良否の影響を強く受けることはなく、接合線を比較的明
瞭に観察することが可能となる点で、極めて重要であ
る。

【００１１】前記した透過光による接合線の観察に代え
て、レジスト層の側から光を当て、双結晶基板の表面あ
るいは裏面またはそれらの近傍からの反射光により接合
線の像を観察することができる。しかしながら、この場
合、双結晶基板の製作精度あるいは超伝導体層の結晶性
の良否の影響を強く受け、しばしば接合線の観察が困難
になることがある。

【００１２】これに対し、本願発明の方法では、反射光
により観察することができない接合線をも、透過光での
観察により、視認することが可能となる。この差異の原
因については、以下のように考えることができる。反射
光による観察では、反射面の映像情報を含む反射光は、
それ自体が強度は弱く、しかも超伝導体層およびレジス
ト層を経る間に散乱を受けて、さらに減衰されることか
ら、観察される映像のコントラストは著しく弱められ
る。他方、透過光による観察では、双結晶基板側からこ
れを透過する透過光は、反射光に比較してその強度は極
めて大きく、透過光は双結晶基板、超電導体層およびレ
ジスト層によって散乱を受け、減衰されるが、観察され
る映像のコントラストは、反射光の場合程大きく弱めら
れることはない。

【００１３】また、本願発明の方法では、より明瞭な接
合線像を得る上で、光学顕微鏡のような光学手段を用い
て透過光による接合線の像を観察するとき、双結晶基板
の裏面に光学手段の焦点を合わせることが望ましい。何
故ならば、双結晶基板の裏面は一般的に研磨されずに粗
面におかれることにより、接合線が研磨表面におけるよ
りも明瞭に示され、また散乱による減衰が少ない状態で
接合線の像を撮らえることができるからと考えられる。
現実に、双結晶基板の研磨表面よりもその裏面に光学手
段の焦点を合わせた方が、明瞭な接合線像を観察するこ
とができた。

【００１４】本発明に係るマスクアライメント装置で
は、双結晶基板の研磨表面上に超伝導体層および感光性
のレジスト層を積層させた試料を受ける試料台は透光性
を有することから、該試料台内に光源を配置し、あるい
は試料台の外部に光源を配置することにより、この試料
台を通して、試料をその裏面である双結晶基板の側から
から照射することができ、これにより、本発明の方法を
容易に実施することが可能となる。

【００１５】

【実施例】以下、本発明を図示の実施例に沿って詳細に
説明する。図１および図２は、本発明のマスクアライメ
ント方法を実施するマスクアライメント装置をそれぞれ
概略的に示す縦断面図および平面図であるが、このマス
クアライメント方法および装置の説明に先立ち、本願発
明に係るジョセフソン素子の製造について説明する。

【００１６】図３は、本発明に係るジョセフソン素子の
形成に用いられる双結晶基板の一例を示す斜視図であ
る。ジョセフソン効果を示すジョセフソン接合を得る方
法に、バイクリスタル接合法があり、図３に示された双
結晶基板１０は、このバイクリスタル接合法に使用され
る。双結晶基板１０は、例えば、ＳｒＴｉＯ₃ 、Ｍｇ
Ｏ、ＣｅＯ₂ 、イットリウム安定化ジルコニア（ＹＳ
Ｚ）のような透光性を有する結晶板からなり、結晶方位
の異なる同一種類の２枚の矩形の結晶板１１ａおよび１
１ｂを接合させた状態で、例えば酸素雰囲気下で加熱し
て一体化することにより得られる。

【００１７】図示の例では、結晶板１１ａおよび１１ｂ
は、Ｚ軸である［００１］方位を互いに一致させ、この
Ｚ軸の回りに（１００）面を角度θで交差させて形成さ
れている。この角度θは、一般的には２０度以上に設定
されている。両結晶板１１ａおよび１１ｂの［００１］
方位に角度φのずれを与えることができる。この実施例
ではφ〜０゜である。両結晶板１１ａおよび１１ｂの接
合線１２は、双結晶基板１０の両面１３ａおよび１３ｂ
に露出している。その一方の面１３ａは、次に述べる酸
化物超伝導体層の形成のために、機械的および化学的な
研磨を受けるが、他方の面１３ｂは、格別な加工を施さ
れることはなく、粗面におかれる。

【００１８】図４（ａ）〜（ｆ）は、双結晶基板１０を
用いたジョセフソン素子の製造工程を示す説明図であ
る。双結晶基板１０の一方の研磨された面すなわち表面
１３ａ上に、例えばＹＢａＣｕＯ、ＢｉＳｒＣａＣｕ
Ｏ、ＴｌＢａＣａＣｕＯのような酸化物高温超伝導体材
料をエピタキシャル成長させることにより、高温超伝導
体層１４が、例えば１００ｎｍないし４００ｎｍの厚さ
に形成される（図４（ａ）参照）。この高温超伝導体層
１４の成長により、双結晶基板１０の表面１３ａの接合
線１２に沿って、例えば０．２〜１０μｍ幅の粒界接合
が形成され、この粒界接合によりジョセフソン効果が得
られる。このような高温超伝導体層１４は透光性を示
す。

【００１９】この高温超伝導体層１４から所望の電気特
性を示すジョセフソン素子を得るために、双結晶基板１
０上の高温超伝導体層１４はリソグラフィ工程およびエ
ッチング工程を受ける。リソグラフィ工程では、紫外光
に感光する感光性有機高分子溶液からなるフォトレジス
ト材料がスピンコータ等を用いて高温超伝導体層１４上
に均一に塗布される。その後、プリベークと呼ばれる前
焼き処理により、塗布されたフォトレジスト材料から有
機溶剤が蒸発され、これにより例えば数μｍの厚さの感
光性のレジスト層１５が高温超伝導体層１４上に積層状
に形成される（図４（ｂ）参照）。このレジスト層１５
は、双結晶基板１０および高温超伝導体層１４と同様
に、透光性を示す。

【００２０】レジスト層１５上には、例えば反射投影露
光装置により、図示しないフォトマスクを通して所望の
マスクパターン１６が焼き付けられる（図４（ｃ）参
照）。マスクパターン１６としてＳＱＵＩＤの回路パタ
ーンの例が示されており、図示の例では、マスクパター
ン１６は、数μｍの幅寸法および数十μｍの長さ寸法を
有しそれぞれが粒界接合部を含むように配置される一対
のブリッジ部１６ａを備える。露光装置の光源として
は、３５０〜４５０ｎｍの波長を有する紫外光あるいは
Deep UV と呼ばれる２００〜３００ｎｍの波長を有す
る紫外光を発する水銀灯等が用いられる。

【００２１】マスクパターン１６が焼き付けられたレジ
スト層１５は、現像により、このレジスト層がネガ型の
場合、マスクパターン１６を除く部分が除去され、この
レジスト層１５により、レジストパターン１５Ａが形成
される（図４（ｄ）参照）。その後、必要に応じて、現
像液あるいはリンス液を除去しまたレジストパターン１
５Ａと高温超伝導体層１４との密着性を高めるために、
ポストベークと呼ばれる焼きしめが行われる。

【００２２】以上でリソグラフィ工程が終了し、続いて
エッチング工程に移る。このエッチング工程では、レジ
ストパターン１５Ａをエッチングマスクとして、例えば
ドライエッチングにより、高温超伝導体層１４のレジス
トパターン１５Ａに対応した部分のみを残してその他の
部分が除去される（図４（ｅ）参照）。その後、レジス
トパターン１５Ａが除去され、これによりレジストパタ
ーン１５Ａに対応した高温超伝導体層１４の残存部分に
より、ジョセフソン素子１４Ａが得られる（図４（ｆ）
参照）。

【００２３】このジョセフソン素子１４Ａの製造工程の
一つであるリソグラフィ工程において、図４（ｃ）に沿
って説明したマスクパターン１６の焼き付けのための露
光に先立ち、マスクパターン１６を高温超伝導体層１４
の所定箇所に位置合わせするために、図１および図２に
示すマスクアライナすなわちマスクアライメント装置２
０が用いられる。マスクアライメント装置２０は、図１
に示されているように、高温超伝導体層１４およびレジ
スト層１５を研磨表面１３ａ上に積層状に形成した双結
晶基板１０（図４（ｂ）参照）が試料２１として載せら
れる試料台２２と、レジスト層１５を感光させない例え
ば可視光を発する光源２３と、光学顕微鏡のような光学
手段２４とを備える。

【００２４】試料台２２は、透明あるいは半透明の合成
樹脂材料あるいはガラスのような透光性を有する材料か
らなる。試料台２２は、図１および図２に示す例では、
上面に半球状の球面凹所２５が形成された固定部２６
と、球面凹所２５に適合する半球状の下部２７が形成さ
れた調整部２８とを備える。調整部２８はその下部２７
で固定部２６の球面凹所２５に適度な摩擦力で以て滑動
可能に受け入れられている。調整部２８の上面には、試
料２１を受ける平坦な試料面２９が形成されている。試
料２１は、双結晶基板１０の粗面である他方の面すなわ
ち裏面１３ｂを試料面２９に対向させてこの試料面２９
上に配置される。調整部２８がガラスのような硬質材料
からなる場合、試料２１を保護する上で、試料面２９を
例えばビニールのような透明な合成樹脂材料で覆うこと
が望ましい。

【００２５】固定部２６および調整部２８には、相互に
連通する負圧路３０および３１がそれぞれ形成されてい
る。固定部２６の下端に開放する負圧路３０は、その開
放端で図示しない負圧源に接続される。また、調整部２
８の下部２７に開放する負圧路３１は、その開放端に形
成された拡大チャンバ３２を経て負圧路３０の上端に連
通する。負圧路３１の上端は試料面２９に開放し、これ
により負圧路３０および３１に作用する負圧は、試料面
２９上の試料２１を吸着保持する。また、両負圧路３０
および３１を接続する拡大チャンバ３２は、調整部２８
の調整操作によって両負圧路３０および３１の整合にず
れが生じても、その連通を確保する作用をなす。従っ
て、拡大チャンバ３２を形成することにより、調整部２
８の傾動に拘らず試料２１を確実に吸着保持することが
できる。

【００２６】光源２３は、試料台２２の試料面２９上に
配置された試料２１をその双結晶基板１０の側すなわち
双結晶基板１０の裏面１３ｂの側から照射するように、
図１で見て試料台２２の下方に配置され、図中上方へ可
視光を照射する。光学手段２４は、試料台２２を透過
し、さらに試料２１を透過する透過光を観察するため
に、試料台２２を間に、光源２３と反対側で、試料２１
を観察するように配置されている。

【００２７】光源２３としてレジスト層１５が感光しな
い光が選択されていることから、光源２３からの透過光
によってレジスト層１５が感光されることはなく、この
透過光は、双結晶基板１０の側から試料２１を照射す
る。光源２３からの照射光の一部は試料台２２および試
料２１により吸収あるいは散乱されるがその残部は試料
２１を透過する。このことから、光学手段２４により、
透過光による双結晶基板１０の接合線１２を明瞭に視認
することができ、この接合線１２の位置を知ることによ
り、接合線１２に沿って形成された高温超伝導体層１４
の粒界接合部の位置を間接的に知ることができる。これ
により、双結晶基板１０の接合線１２に従来のようなマ
ーキングを施すことなく、接合線１２に対応した粒界接
合部の位置を比較的容易に知ることができる。従って、
マスクパターン１６のアライメントに際し、光学手段２
４により観察された接合線１２の像を基準にして、図４
（ｃ）に沿って説明したように、マスクパターン１６
を、そのブリッジ部１６ａが正しく粒界接合の位置に合
う所定の位置へ、正確かつ容易に位置合わせすることが
できる。

【００２８】光学手段２４による接合線１２の観察に際
し、光学手段２４の焦点を双結晶基板１０の研磨表面１
３ａよりもその裏面１３ｂに合わせた方が、明瞭な接合
線像を観察することができた。また、例えば光源２３を
光学手段２４と同じ側に配置し、その光源により試料２
１を照射し、その反射光で接合線像を観察しようとした
とき、この接合線像を見ることができない試料２１につ
いても、本発明の方法によれば、前に述べたように、光
学手段２４の焦点を双結晶基板１０の裏面１３ｂに合わ
せた透過光下で観察することにより、接合線１２の像を
明確に視認することができた。

【００２９】図５は、本発明の透過光による双結晶基板
１０の裏面１３ｂの顕微鏡写真を示す図面であり、図６
は比較例を示す反射光による双結晶基板１０の表面１３
ａと裏面１３ｂの顕微鏡写真を示す図面である。何れも
右半分は、超伝導体層がない部分の図である。双結晶基
板１０として、ＳｒＴｉＯ₃ からなり（１００）面の角
度θが２４度の双相結晶基板が用いられ、高温超伝導体
層１４として、ＹＢａＣｕＯが用いられた。図５に示さ
れた本発明の透過光による顕微鏡写真では、矢印Ｌで示
される部分を図中左右方向に走る黒線として接合線１２
が明瞭に現れている。これに対し、図６（ａ）に示され
た比較例の顕微鏡写真では、仮想線Ｌで示す図５の接合
線１２と同一部分に伸びている接合線像を全く観察する
ことはできない。図６（ａ）の顕微鏡写真では、その焦
点が双結晶基板１０の表面１３ａに合わせられている
が、この反射光による観察の場合、裏面１３ｂに焦点を
合わせても反射光自体が極めて弱く、全体的に像を構成
するに充分なコントラストが得られない（図６
（ｂ））。

【００３０】このように、本発明によれば、透過光下の
観察により、接合線１２を明瞭に観察できるが、その理
由は、先に記載したとおり、双結晶基板側からこれを透
過する透過光は、反射光に比較してその強度は極めて大
きく、双結晶基板１０、超電導体層１４およびレジスト
層１５によって散乱を受け、減衰されるが、透過光によ
る観察では、観察される映像のコントラストは、反射光
の場合程大きく弱められることはないこと、および研磨
されずに粗面におかれる裏面１３ｂでは、接合線１２が
研磨表面１３ａにおけるよりも明瞭に示され、また散乱
による減衰が少ない状態で接合線１２の像を撮らえるこ
とができるからと考えられる。光源２３を試料台２２内
に配置し、マスクアライメント装置２０のコンパクト化
を図ることができるが、光源の放熱性の点から、図示の
とおり光源２３を試料台２２と別体にすることが望まし
い。

【００３１】本発明は以上の実施例に限定されない。フ
ォトマスクをレジスト層に接触させることなくマスクパ
ターンをレジスト層上に転写する反射投影露光法につい
て説明したが、縮小投影露光法あるいはフォトマスクを
双結晶基板上のレジスト層に密着させる密着露光法にも
本願発明を適用することができる。また、ＳＱＵＩＤの
ための回路パターンについて説明したが、本発明は、こ
れに限らず超伝導トランジスタのようなジョセフソン接
合を利用した種々のジョセフソン素子に適用することが
できる。

【００３２】

【発明の効果】以上説明した本発明の方法によれば、双
結晶基板の側からの透過光による接合線の像を観察する
ことにより、双結晶基板の製作精度あるいは超伝導体層
の結晶性の良否の影響を強く受けることはなく、双結晶
基板の接合線を比較的明瞭に観察することができること
から、双結晶基板に接合線のための従来のようなマーキ
ングを施すことなく、マスクアライメントを比較的容易
に行うことができ、またこのマスクアライメントを含む
リソグラフィの工程の複雑化を招くことなく、ジョセフ
ソン素子の製造を容易に行うことができる。また、本発
明の装置によれば、試料台を通して試料をその裏面であ
る双結晶基板の側から照射することができ、この透過光
による接合線の像を容易に観察することができることか
ら、本発明の方法を容易かつ効率的に実施することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のマスクアライメント方法を実施するマ
スクアライメント装置を概略的に示す縦断面図である。

【図２】図１に示したマスクアライメント装置の平面図
である。

【図３】本発明に係るジョセフソン素子のための双結晶
基板の一例を示す斜視図である。

【図４】ジョセフソン素子の製造工程を示す説明図であ
る。

【図５】本発明の透過光による双結晶基板の裏面の顕微
鏡写真を示す図面である。

【図６】比較例を示す反射光による双結晶基板の表面の
顕微鏡写真を示す図面である。

【符号の説明】 １０ 双結晶基板 １１ａ、１１ｂ 結晶板 １２ 接合線 １３ａ 研磨表面 １３ｂ 裏面 １４ 高温超伝導体層 １４Ａ ジョセフソン素子 １５ レジスト層 １５Ａ レジストパターン １６ マスクパターン

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 双結晶基板の接合線が露出する研磨表面
   上に形成されたジョセフソン素子のための超伝導体層を
   覆って感光性のレジスト層を形成し、該レジスト層をマ
   スクパターンに沿って部分的に露光した後、現像して前
   記超伝導体層上に前記レジスト層からなる耐エッチング
   性の所望のレジストパターンを得るリソグラフィにおい
   て、前記レジスト層の露光に先立って前記マスクパター
   ンを位置合わせするマスクアライメント方法であって、 前記レジスト層が感光しない光を前記双結晶基板の側か
   ら該双結晶基板、前記超伝導体層および前記レジスト層
   を透過させた状態で、前記レジスト層の側から前記双結
   晶基板の前記接合線を観察し、この透過光下で観察され
   た前記接合線を基準にして、前記マスクパターンの位置
   合わせを行うことを特徴とする、ジョセフソン素子の為
   のマスクアライメント方法。
2. 【請求項２】 前記接合線の観察は光学顕微鏡により行
   われ、該光学顕微鏡の焦点が前記双結晶基板の粗面であ
   る裏面に合わされていることを特徴とする請求項１記載
   の、ジョセフソン素子の為のマスクアライメント方法。
3. 【請求項３】 結晶方位を互いに異にして接合された二
   枚の結晶板からなる双結晶基板の接合線が露出する研磨
   表面上にジョセフソン素子のための超伝導体層および感
   光性のレジスト層を積層させた試料が前記双結晶基板を
   対向させて配置される試料面を有する透光性の試料台
   と、該試料台上の前記試料を前記双結晶基板の側から照
   射する前記レジスト層を感光させない光源と、前記試料
   台上の前記試料の前記レジスト層の側から、前記光源か
   らの透過光による前記接合線の像を観察する光学手段と
   を含む、ジョセフソン素子の為のマスクアライメント装
   置。