JPS592391B2 - ジヨセフソン接合素子とその製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、特性が均一でつくり易いジョセフソン接合素
子の構造とその製造方法に関する。

ジョセフソン接合素子の応用範囲は広く、小電力超高速
スイッチングの電算機用素子として、マイクロ波、ミリ
波などの高感度高速度応答の検出器として、人間の脳や
心臓から放射される微弱磁場の検出器として、あるいは
電圧標準器として使用することが提案されており、その
工業化に対する要請が日ましに増大している。本発明者
は先に、ジョセフソン接合素子の弱結合部を極限まで短
縮してその特性を改善することを可能とし、しかも容易
に同一特性の素子を大量生産し得るジョセフソン接合素
子の構成（準平面型ジョセフソン接合素子）を提案した
（特公昭５５−７７１２号）。

第１図に示すように準平面型ジョセフソン接合素子では
基板１上に二つの超伝導体層２、３が絶縁体層４を介し
て部分的に向かい合いそしてこの絶縁体層４を横切つて
弱結合部５が上下の超伝導体層２、３にまたがつている
。このような構成としたので弱結合部の長さは極めて薄
い絶縁体層４の厚みに等しくなり、それ故弱結合部の長
さは絶縁体層を形成するときの絶縁物質のスパッタリン
グ又は蒸着時間を調整することによつて極めて小さくし
かも精確に制御し得る。実際には、数百〜数千λ程度の
厚さの超伝導体薄膜２の上に５１０２などの絶縁物質又
は半導体をスパッタリングすることにより、或いは超伝
導層２の表面を酸化性雰囲気中で酸化することにより数
百入程度の厚さの絶縁体層４を形成する。絶縁体層４の
厚みを横切つて上下超伝導薄膜にまたがつて数百人ない
し数千人の厚さに適当な障壁物質を蒸着して弱結合部５
を形成する。このようにして上下超伝導体層２，３を接
続する弱結合部５の長さは絶縁体層４の厚みとなり、要
求されるインピーダンスの大きさに応じて数百人ないし
数千人の範囲の適正値を選択することができる。このよ
うな構造としたことにより１電極部の超伝導体層２，３
の膜厚を大きく保つたま＼で、弱結合部の長さを極端に
短かくでき、それによりＩｍＲｊ積を著しく大きくする
ことができ、２弱結合部に種々の材質を使用でき、３静
電容量を小さくでき、４上記超伝導体層３に鉛合金以外
のＮｂ等を用いて長寿命とすることができ、そして５フ
オトリソグラフイや電子ビームリソグラフイを用いて容
易に量産することができるようになつたのである。

この準平面型ジヨセフソン接合素子の主な特性のうち、
静電容量は絶縁体層４を挟んで対申している部分の超伝
導体層２，３の面積ＡＸｂによつて左右され、この面積
ＡＸｂを小さくする程静電容量は小さくなる。

また、接合抵抗Ｒｊは絶縁体層４の厚み側面を横切つて
いる部分の弱結合部５の幅Ｃによつて左右され、幅Ｃを
小さくする程接合抵抗Ｒｊは大きくなる。つまり、準平
面型ジヨセフソン接合素子の特性の主なバラツキ（不均
一性）は、面積ａ＞＜．ｂの精度と幅Ｃの精度すなわち
フオトリソグラフイ又は電子ビームリソグラフイを使用
する際のマスク合せの精度によつて決まるといえる。と
ころで、第１図からも明らかなように、準平面型ジヨセ
フソン接合素子では、マスク合せの（ＸまたはＹ方向の
）ずれが面積ＡＸｂの精度に直接影響する構造であり、
結果として、素子の特性（静電容量）がバラツキ易い。

また、静電容量を小さくししかも接合抵抗を大きくする
ために、例えばａ及びｂが数μｍ程度の微小な面積のと
ころに、幅Ｃが１μｍ以下の弱結合部５を形成するため
には、非常に高いマスク合せの精度が要求され、極めて
製造が困難である。本発明はこの準平面型ジヨセフソン
接合素子のマスク合せ精度による特性のバラツキを少な
くしつくり易くすることを目的としている。

この目的は、二つの帯状の超伝導体薄膜を絶縁体層を介
して交差させ、この交差領域の相対する各縁において絶
縁体層の厚み側面を横切つて上下の超伝導体薄膜を一つ
の線状の弱結合部で結合させることによつて達成される
。

また、この目的は、絶縁体層を介して交差させた二つの
帯状の超伝導体薄膜の下側の超伝導体薄膜の幅よりも狭
い間隔をおいて平行に延びる複数の線状の、レジストマ
スク又は窓を有するレジストマスクを用いて、弱結合部
を形成する方法によつて達成される。

以下に本発明の実施例を詳しく説明する。

第２図は本発明のジヨセフソン接合素子の一実施例を示
す拡大平面図である。第３図は第２図の斜視図である。
第２，３図に示すように、基板１上にの／びる帯状の超
伝導体薄膜２の上に絶縁体層４を配置し、別の帯状の超
伝導体薄膜３を下方の超伝導体薄膜２を横切つて絶縁体
層４の上に配置している。

この上下両超伝導体薄膜２，３の交差領域の相対する各
縁において、上下の超伝導体層間で露出する絶縁体層４
の厚み側面４′，４″を横切つて上下の超伝導体薄膜を
結合して延びる一つの線状の障壁物質の膜を形成し弱結
合部５をつくる。このように、二つの帯状の超伝導体薄
膜を絶縁体層を介して交差させているので、素子の静電
容量の大きさは帯状の超伝導体薄膜の幅ａ又はｂにより
決定することができ、従つてこの幅を正しい寸法に形成
しておけば、この交差領域の面積ＡＸｂは超伝導体薄膜
２，３の位置がずれても変らないので、フオトリソグラ
フイ又は電子ビームリソグラフイにおけるマスク合せの
位置精度にそれほどの厳格さは要求されない。したがつ
て、静電容量の均一な素子を極めて容易につくることが
できる。

このジヨセフソン接合素子の作動に当つては上下の超伝
導体薄膜間の最短距離である絶縁体層の両側面４′，４
７を通つて超伝導電流が流れる″ので、これを２個の準
平面型ジヨセフソン結合素子の並列接続で等価的に表わ
すことができる（第４図）。

すなわち素子の臨界電流１ｍは準平面型ジヨセフソン接
合素子の臨界電流の２倍となり、接合抵抗Ｒｊは準平面
型ジヨセフソン接合素子の接合抵抗の％倍となつて、結
局ＭＲｊ積は準平面型ジヨセフソン接合素子のＩｍＲｊ
積と同一となる。従つて準平而型ジヨセフソン接合素子
と同等の優れた特性を保持する。本発明のジヨセフソン
接合素子の製造方法について述べる。

先ず基板１上にマスクを使用して第１の帯状の超伝導体
薄膜２をつくる。

この超伝導体薄膜は、Ｎｂ，Ｔａ，Ｗ，Ｌａ，Ｐｂ，Ｓ
ｎＪｎ，Ａｌなどの金属あるいはそれらの合金など超伝
導性を示す各種の超伝導物質からなる。第５図を参照す
る。フオトリソグフフイ又は電子ビームリソグラフイに
よりレジストマスクＭ１を基板１上につくり（第５図Ａ
）、このマスクＭ１を通して超伝導物質を数百ないし数
千への厚さにスパツタリング又は蒸着し、次にマスクを
取除いて帯状のパターン（第１の帯状伝導体薄膜２）を
残す（第５図Ｂ）。このパターンの両端は外部接続を容
易にするため拡大しておく。次でこの第１の帯状超伝導
体薄膜２に交差して帯状の窓をもつレジストマスクＭ２
を配置し（第５図Ｃ）、ＳｉＯ２などの絶縁物質又は半
導体物質を五十八ないし数千への厚さにスパツタリング
又は蒸着し、それから超伝導物質を数百ないし数千人の
厚さにスパツタリング又は蒸着し、その後マスクを取除
いて帯状のパターン（第２の帯状超伝導体薄膜３）を残
す（第５図Ｄ）。次に、全面をスパツタークリーニング
して酸化膜を超伝導体表面から取除く。それから、全面
に障壁物質を数千λの厚さにスパツタリング又は蒸着す
る。次いで、その帯状パターンの交差領域に、第１の帯
状超伝導体薄膜２の幅ａよりも狭い間隔ｄをおいて平行
にのびる複数の線状のレジストマスクＭ３をつくる（第
５図Ｅ）。化学エツチングによりマスクされていない障
壁物質を取除く（第５図Ｆ）。最後に、レジストマスク
Ｍ３を取除いて完成する（第５図Ｇ）。なお、第５図Ｅ
，Ｆ，Ｇの製造工程を第６図Ａ，Ｂ，Ｃの製造工程にお
きかえてもよい。

第１の帯状の超伝導体薄膜２の幅ａよりも狭い間隔ｄを
おいて平行に延びる複数の線状の窓６を有するレジスト
マスクＭ４を、第１の帯状の超伝導体薄膜２に対して配
置し（第６図Ａ）、全表面をスパツタクリーニングした
後にレジストマスクＭ４の窓６を通して弱結合物質をス
パツタリング又は蒸着する（第６図Ｂ）。次いで、レジ
ストマスクＭ４を取除くとその上の弱結合物質が剥れ（
リフトオフされ）、接合素子が完成する。（第６図Ｃ）
。上記の製法においては、第１の帯状の超伝導体薄膜の
幅ａよりも狭い間隔ｄをおいて平行に延びる複数線状の
、レジストマスクＭ３又は窓を有するレジストマスク鳩
を用いて（第５図Ｅ又は第６図Ａ）いることが重要であ
る。すなわち、ｄ〈ａにしておけば、両超伝導体薄膜２
，３の交差領域に１本の弱結合部４を形成する確率（歩
留りＮ）は一例として、ａ＝ｄ＋２ｃの場合、で表わさ
れるので、歩留り良く１本の弱結合部を容易に形成する
ことができる。

例えば、第７図に拡大して示すように、ａ＝４μＭｌｄ
＝３．６μＭｌｃ＝０．２μｍの場合、約８４％の歩留
りが得られる。Ｘ印が２本の弱結合部が形成されている
場合でその割合は３／１９であり、１本の場合は１６／
１９″．０．８４であり、土式から得られる歩留りと一
致する。このように、ｄ＜ａにした複数本の線状のレジ
ストマスクＭ３又は窓を有するレジストマスクＭ４を用
いることにより、そのマスク合せの位置精度をあまり必
要とせずに、幅ｃの小さい弱結合部を両超伝導体薄膜の
交差領域に歩留り良く容易に形成することができる。

そのため接合抵抗Ｒｊの大きい接合素子の量産が容易と
なる。なお、交差領域以外に形成された弱結合部５は、
両超伝導体２，３を結合していないので接合素子の特性
への影響は全くない。

更に上記の製法においては第１の帯状超伝導体薄膜２に
交差してレジストマスクＭ２を配置し（第５図Ｃ）、絶
縁物質をスパツタリング又は蒸着し、それから同じマス
クＭ２を使用して超伝導物質をスパツタリング又は蒸着
している。

このように第１の帯状超伝導体薄膜２に交差して絶縁物
質をスパツタリング又は蒸着することが重要である。も
しこれと逆に第１の帯状超伝導体薄膜２をつくつたマス
クＭ１を利用して第１の帯状超伝導体薄膜２の全面に重
ねて絶縁物質薄膜をつけると素子の製造上著しい不都合
を生じる。すなわち弱結合部をつくる前に上下の超伝導
体薄膜の重なり合う交差領域以外の部分から下の超伝導
体薄膜表面を損傷せずに絶縁物質のみを選択的にスパツ
タエツチングにより取除くことは極めて困難だからであ
る。又、全面をスパツタークリーニングして酸化膜を超
伝導体表面から取除いているが、この際絶縁体層の厚み
側面の整形も行なわれる。絶縁物質又は半導体物質をス
パツタリング又は蒸着して絶縁体層をつくるが、この絶
縁体層が比較的薄い場合（通常２００λ以下）にはピン
ホールを生じて超伝導シヨートを生じることがある。こ
のピンホールを閉塞するには絶縁体層を酸化雰囲気にさ
らして酸化すればよい。絶縁物質又は半導体物質をスパ
ツタリング又は蒸着して絶縁体層をつくる代りに、マス
クＭ２の窓を通して露出している超伝導体薄膜２の表面
を酸化雰囲気にさらして酸化して絶縁体層としてもよい
。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の準平面型ジヨセフソン接合素子の拡大斜
視図である。 第２図は本発明のジヨセフソン接合素子の拡大平面図で
ある。第３図は第２図の斜視図である。第４図は本発明
のジヨセフソン接合素子の等価回路である。第５図Ａ，
Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆ，Ｇ及び第６図Ａ，Ｂ，Ｃは本発明
のジヨセフソン接合素子の製造工程を示す。第７図は本
発明の製造法の効果を説明するための拡大説明図である
。図中の符号、１・・・・・・基板、Ｍ１〜鳩・・・・
・ルジストマスク、２，３・・・・・・超伝導体薄膜、
４・・・・・・絶縁体層、５・・・・・・弱結合物質の
薄膜、６・・・・・ルジストマスクの窓。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 絶縁体層を介して交差している二つの帯状の超伝導
   体薄膜と、交差領域の相対する各縁において前記の絶縁
   体層の厚みの側面を横切つて上下の超伝導体薄膜を結合
   して延びる一つの線状の弱結合部とを備えたことを特徴
   とするジョセフソン接合素子。 ２ 基板上に第１の帯状の超伝導体薄膜をつくり、この
   第１の帯状の超伝導体薄膜に交差して絶縁体層をつくり
   、この絶縁体層に重ねて第２の帯状の超伝導体薄膜をつ
   くり、このようにしてつくつた積層薄膜をスパッタクリ
   ーニングし、前記の積層薄膜の全面に弱結合物質の薄膜
   をつくり、この弱結合物質の薄膜の上に前記の第１の帯
   状の超伝導体薄膜の幅よりも狭い間隔をおいて平行に延
   びる複数の線状のレジストマスクをつくり、このレジス
   トマスクに覆われていない弱結合物質を取除くことを特
   徴とするジョセフソン接合素子の製造方法。 ３ 基板上に第１の帯状の超伝導体薄膜をつくり、この
   第１の帯状の超伝導体薄膜に交差して絶縁体層をつくり
   、この絶縁体層に重ねて第２の帯状の超伝導体薄膜をつ
   くり、そして前記の第１の帯状の超伝導体薄膜の幅より
   も狭い間隔をおいて平行に延びる複数の線状の窓を有す
   るレジストマスクを前記の第１の帯状の超伝導体薄膜に
   対して配置し、表面をスパッタクリーニングした後その
   窓を通して弱結合物質をスパッタリング又は蒸着するこ
   とを特徴とするジョセフソン接合素子の製造方法。