JPH02114678A - 超伝導素子およびその製造方法 - 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 本発明は超伝導体を用いた超伝導素子に関するもので、
特に酸化物超伝導体を用いた超伝導素子に関するもので
ある。

従来の技術 高温超伝導体として、ム１６型２元系化合物として窒化
ニオブ（ＮｂＮ　）やゲルマニウムニオブ（ＮｂｓＧｅ
）などが知られていた。またこれらの材料を用いたジョ
セフソン素子も数多く研究されてきた。これらの材料の
超伝導転移温度はたかだか２４°にであった。一方、ペ
ロプスカイト系３元化合物は、さらに高い転移温度が期
待され、Ｂａ−Ｌａ−Ｃｕ−０系の高温超伝導体が提案
された（　Ｊ、Ｇ、Ｂｅｎｄｏｒｚ　　ａｎｄ　Ｋ０人
０Ｍｕｌｌｅｒ　　、　ラフイト　シュリフト　フェア
　フィジーク（Ｚｅｔｓｈｒｉｆ’ｔｆｔｆｒ　ｐｈｙ
ｓｉｋ　Ｂ　）　−Ｃｏｎｄｅｎｓｅｄ　Ｍａｔｔｅｒ
　６４１８９−１９３（１９８６））。

さらに、Ｙ　−Ｂａ　−Ｃｕ　−０系がより高温の超伝
導体であることが最近提案された（　Ｍ、に、　Ｗｕ等
、フィジカル　レビュー　レターズ（Ｐｈｙｓｉｃａｌ
Ｒｅｖｉｅｗ　Ｌａｔｔｅｒｓ　）　Ｖｏｌ、５Ｂ　、
　Ｎｏ　９．９０８−９１０（１９８ア）〕。

Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ−０系の材料の超伝導機構の詳細は明ら
かではないが、転移温度が液体窒素温度以上に高くなる
可能性があり、高温超伝導体とじて従来の２元系化合物
よシ、より有望な特性が期待される。

また、極最近ではＢｉ　−Ｓｒ　−Ｃａ　−Ｃｕ−０系
やＴｌ　−Ｂａ　−Ｃａ　−（ｊｕ−０系の１ｏＯ°Ｋ
を越える臨界温度を有する高温超伝導体も発見されてい
る。

発明が解決しようとする課題 しかしながら、上記の酸化物高温超伝導薄膜を用いて超
伝導素子を実用化する場合に、コヒーレンス長が数ナノ
メートルと極めて短い点が、膜の不均一性、結晶粒界等
を反影して極めて作製困難な主たる原因となっていた。

これは、弱結合のジョセフソン素子を作製する場合に、
弱結合部のブリッジ長をコヒーレンス長程度の寸法にす
る必要があり、実際にはこの様なナノブリッジ構造は酸
化物では作製困難であり実現されていない。また、結晶
粒界接合を用いたストリップ状のジョセフソン素子は提
案されているが、素子寸法が大きく、精度良く所定の位
置にジョセフソ／接合を作製することは困難とされてい
る。

課題を解決するだめの手段 本発明の超伝導素子は、基板上に形成された金属酸化物
超伝導薄膜から成る２つのバンク部と、前記金属酸化物
超伝導薄膜と同一組成を含む材料から成る薄膜で、かつ
、前記バンク部の膜厚よりも薄いブリッジ部により前記
２つのバンク部が電気的に接続された構造を有すること
を特徴としている。

金属酸化物超伝導薄膜の材料が、銅元素を含む金属酸化
物超伝導体であること、あるいは、銅元素を含む金属酸
化物超伝導体が、Ａ−Ｂ−Ｃｕ−０複合化合物である場
合も含まれる。

ここにＡはＳｃ　、　Ｙ　、　ＬａおよびＬａ系列元素
（原子番号５７〜７１、但し５７．６１．６２を除く）
のうち少なくとも１種、Ｂは、Ｂａ、ＳｒなどのＩＩａ
族元素のうちの少なくとも１種、かつ人、Ｂ元素とＣｕ
元素の濃度は である。

また、銅元素を含む金属酸化物超伝導体が、Ｂｉを含み
、かつ、ＰｂまたはＳｒ　、　Ｃａなどのｎ。

族元素のうち少なくとも１種の元素を含む場合も含み、
また、銅元素を含む金属酸化物超伝導体が、ＴＩを含み
、かつ、Ｐｂまたは、Ｂａ　、　ＣａなどのＩＩａ族元
素のうち少なくとも１種の元素を含む場合も同様に含ま
れる。

更には、金属酸化物超伝導薄膜の材料が、ＢａおよびＢ
ｉを含む複合酸化物超伝導体である場合も含まれる。

本発明の超伝導素子の製造方法として、基板上に形成さ
れた金属酸化物超伝導薄膜に、フォトリソグラ２イ技術
でブリッジ部に相当する上部を除く部分にエツチングマ
スクを形成した後、不活性ガスイオンを照射して前記ブ
リッジ部に相当する部分の前記金属酸化物超伝導薄膜を
エツチングしてブリッジ部を形成した後、前記エツチン
グマスクを除去して作製する方法を提供する。

あるいは、基板上に形成された金属酸化物薄膜を、フォ
トリソグラフィ技術およびドライエツチング技術によシ
、ブリッジ部に相当する部分をエツチングして膜厚を薄
くした後、酸素雰囲気中にて熱処理を施して、前記金属
酸化物薄膜を金属酸化物超伝導薄膜とすることにより作
製する方法を用いる。

作用 本発明の実施において、２つの金属酸化物超伝導薄膜か
ら成る超伝導電極となるバンク部に接続された、それら
より膜厚の薄いブリッジ部が、膜厚の薄い分、電流密度
が大きくなり、弱結合部となるか、まだは、所定の場所
に精度よく形成することのできるブリッジ部に含まれる
結晶粒界がジョセフソン接合と成り、外部の系から観測
されるものとな９、任意の位置に、精度良く、再現性良
くジョセフソン接合を作りこむことが可能となる。

またブリッジ部の膜厚を制御することにより素子の臨界
電流値を調整できるという作用がある。

金属酸化物超伝導薄膜の材料としては銅を含む金属酸化
物超伝導体で、Ａ−Ｃｕ−０複合化合物または、Ｂｉを
含み、かつ、ＰｂまたはＩＩａ族元素のうち少なくとも
１種の元素を含む材料または、Ｔ４を含み、かつ、Ｐｂ
またはＩＩａ族元素を含む材料のものでも同様な作用が
みられる。また、金属酸化物超伝導薄膜の材料として、
ＢａおよびＢｉを含む複合酸化物超伝導体においても同
様な作用が得られる。

次に本発明の超伝導素子の製造方法の実施において、金
属酸化物超伝導薄膜をエツチングマスクを用い人ｒ等の
不活性ガスイオンの照射によりブリッジに相当する部分
だけ膜厚を薄くしてブリッジ部を形成する方法は、任意
の位置に精度良くブリッジが形成できるのみならず、ブ
リッジ部の寸法を短くすることを可能とするものである
。また、従来は、イオンの照射によって金属超伝導薄膜
にダメージを与えて超伝導特性を損なうものと考えられ
ていたが、発明者等が詳細に検討した結果、不活性ガス
の場合にはダメージを受ける層は表層のほんの一部にし
かすぎないことが判り、ムｒ等の不活性ガスイオン照射
によるブリッジ部の形成は、弱結合接合形成に極めて有
効な手段であることを発見した。また、ブリッジ部に含
まれる結晶粒界が不活性ガスイオンの照射により選択的
にエツチングされ、粒界接合特性が顕著に観測される場
合もあった。

更には、第２の製造方法の実施において、金属酸化物薄
膜をフォトリソグラフィ技術とドライエツチング技術と
によりエツチングをしてブリッジ部を形成する方法は、
水に弱い金属酸化物を損傷から防ぐためである。またそ
の後、酸素中で熱処理することにより、金属酸化物薄膜
が超伝導を示す結晶構造へと変化し、加工時のダメージ
の除去の作用が認められる。また、より高温での酸素中
での熱処理では、金属酸化物超伝導薄膜の結晶粒の成長
がみられ、薄くなったブリッジ部に、選択的に結晶粒界
を形成させる作用が認められた。従って本発明の製造方
法では、ダメージの少ない結晶粒界接合をフォトプロセ
スと、ドライエツチング技術とにより任意の位置に精度
良く形成できる働きをするのである。

実施例 第１図および第２図は本発明の超伝導素子の−実施例を
示す斜視図および断面図である。

本発明の超伝導素子は、基板１上に金属酸化物超伝導薄
膜２より成る２つのバンク部４ａ　、４ｂが金属酸化物
薄膜２と同一組成を含む材料から成るブリッジ部３によ
り接続された構造を有している。ブリッジ部３の膜厚は
バンク部４の膜厚よりも薄くなっている。本発明の超伝
導素子は膜厚の薄くなったブリッジ部３の超伝導特性が
２つのバンク部４１Ｌ、４ｂを通して外部から観測され
ることを目的とした装置である。従ってジョセフソン接
合がブリッジ部３の内側に形成されるので、任意の場所
に接合を再現性良く形成することを可能とする。

次に具体的な実施例を、本発明の超伝導素子の製造方法
とともに述べる。

第３図は本第２の発明の超伝導素子の第１の製造方法の
一実施例を示すプロセス図を示す。まず、ＭｇＯ（１ｏ
ｏ　）面基板１上に金属酸化物超伝導薄膜２として、Ｇ
ｄＢａ２Ｃｕ５０ｙ薄膜を堆積した（第３（ａ）図）。

堆積は、ターゲットにＧｄＢＩＬ２Ｃｕ４，５０ｙを用
い、ＲＦプレーナ・マグネトロン・スパッタ法によシ、
アルゴンと酸素の混合ガス雰囲気中で行った。基板温度
はｅ　ｏ　Ｏ’Ｃであり、膜厚は０．６μｍであった。

次に、フォトリソグラフィ技術とアルゴンイオンミリン
グにより素子の横方向のパターン加工を行った後、金属
酸化物超伝導薄膜２上に、フォトリソグラフィ技術によ
シ長さ１μｍのブリッジ相当部分６のみを除いてエツチ
ングマスク６を形成した（第３（ｂ）図）。エツチング
マスク５の材料としてはネガレジストを用い０．８μｍ
厚とした。これをムｒイオン照射によりエツチングを行
ない、ブリッジ部３を形成する（第３（Ｃ）図）。紅イ
オン照射は、カウフマン型イオン源を用い、ガス圧Ｉ　
Ｘ１０　　Ｔｏｒｒ　、加速電圧６００〜１Ｋｖで行っ
た。エツチング速度は、ＧＢＣＯ薄膜で約２５ｎｍ／Ｗ
ｉｎネガレジストで約ａｏｎｍ／ｍｉｎであった。ブリ
ッジ部３のエツチング膜厚は０３μｍとした。その後、
エツチングマスク５の残りを、酸素プラズマによるアッ
シングにより除去し、バンク部４の露出を行ない超伝導
素子を作製した（第３（ｄ）図）。酸素圧はＩ　ＴＯｒ
ｒとした。

第６図には試作した超伝導素子電流電圧特性を示す。同
図に示す様な弱結合特性が確認された。

また、ブリッジ部３（第２図）の膜厚が薄くなるにつれ
、素子の臨界電流値は低くなり、膜厚により臨界電流制
御が可能なことを確認した。第６図には、ブリッジ部３
の膜厚ｏ、１６μｍの超伝導素子に、ｆ　＝　４．８　
ＧＨｚのマイクロ波を照射した時の電流電圧特性を示す
。同図に示す様に、　　ΔＶ＝ｆ−ｈ／ｅ　　（ｈはブ
ランクの定数６．６３Ｘ１０　　　Ｊ、ｓ。

０は′直荷素量１．６０Ｘ１０　　　Ｇ）　　で与えら
れる約２０μＶ間隔の電圧ステップ（シャピロステップ
）が観測され、ジョセフソン接合が形成されていること
を確認した。

次に本第３の発明の超伝導素子の第２の製造方法の一実
施例を第４図のプロセス図を用いて説明する。基板１と
してｍｇｏ（１ｏｏ）面を用い、その上にＢｉ　−Ｓｒ
　−（ａ　−Ｃｕ　−０（７）金属酸化物薄膜１２をＲ
Ｆマグネトロンスパッタ法で約ｏ、　ｅμｍ堆積させた
（第４（ＩＬ）図）。アルゴンと酸素混合雰囲気中で基
板温度２００°Ｃで堆積した金属酸化物薄膜１２の組成
はＢｉ　：Ｓｒ：Ｃａ：Ｃｕ＝　１　：　１　：　１　
：　２であった。この薄膜１２は表面が平坦であったが
、４．２Ｋまで冷却しても超伝導性は示さなかった。

次に、フォトプロセスとスパッタエツチングにより素子
の横方向パターンを（バンク部等の形状）形成した後、
フォトプロセスとＯＦ４反応性イオンエツチングによｌ
）　５ｉ０２エツチングマスク１５を金属酸化物１２表
面上に形成した（第４（ｂ）図）。エツチングマスク１
６は厚み０．５μｍで、ブリッジ相当部分６は幅２μｍ
にわたって除去された構造とした。次にこれをアルゴン
イオン１７を照射してエツチングを行いブリッジ部３の
膜厚を０．３μｍとした（第４（Ｃ）図）。次に、ＣＦ
４反応性エツチングによりエツチングマスク１６を除去
した（第４（ｄ）図）。最後にこれを酸素雰囲気中で、
８９０°Ｃで２０分、８７０′Ｃで６時間熱処理を行な
い金属酸化物超伝導薄膜２を形成して超伝導素子を作製
した（第４（ｅ）図）。作製した試料はＳＩＣＭ観察に
よると結晶粒が数十μｍの岩板状であり、結晶粒界１３
がブリッジ部３中に１〜２個再現性良く含まれているこ
とを確認した。この現象のメカニズムは詳細には不明で
あるが、おそらく、バンク部４とブリッジ部３の金属酸
化物薄膜１２の膜厚の差による段差が結晶成長に影響を
与えて結晶粒界１３がブリッジ部３に出来るのではない
かと考えられる。作製した超伝導素子は、第６図、第６
図に示すのと同様な特性を示し、良好なジョセフソン接
合が出来ていることを確認した。この接合は、結晶粒界
１３によるものと考えられた。

なお、上記実施例の説明では、基板１にＭｇ０（１００
）面を用いたが、これに限定するものではない。また、
金属酸化物超伝導薄膜２として、Ｇｄ　−Ｂａ−Ｃｕ−
０薄膜とＢｉ　−Ｓｒ　−Ｃａ　−Ｃｕ−０薄膜を例に
あげたが、何もこれに限定するものではない。例えば、
銅元素を含む金属酸化物超伝導体で、ム−Ｂ　−Ｃｕ−
０複合化合物（ここにムはＳｃ　、　Ｙ　、　Ｌａおよ
びＬｔＬ系列元素（原子番号５７〜７１　、但し５７，
６１　．６２を除く）のうち少なくとも１種で、ＢはＢ
ａ　、　Ｓｒ等の■、族元素のうちの少なくとも１種で
かつ、Ａ、Ｂ元素とＣｕや、Ｂｉ−Ｐｂ　−５ｒ−Ｃａ
−Ｃｕ−０超伝導体等の超伝導体や、Ｔｌ−Ｂａ　−Ｃ
ｕ−０，Ｔｌ−Ｂａ−Ｃａ−Ｃｕ−０゜Ｔｌ−Ｐｂ　−
Ｂａ　−Ｊａ−Ｃｕ−０等のＴＩを含みかつ、Ｐｂまた
はＢａ　、　Ｃａなどの■、族元素のうち少なくとも１
種の元素を含む超伝導体でも同様な効果が得られた。更
には、Ｂａ−Ｐｂ−Ｂｉ−０　、　Ｂａ−に−Ｂｉ　−
０。

Ｂａ　−Ｒｂ　−Ｂｉ　−０等のＢａおよびＢｉを含む
複合酸化物超伝導体でも同様な効果が得られることを発
明者らは確認している。

また、本発明の超伝導素子の製造方法の実施例の説明に
おいて、イオン照射に用いる不活性ガスイオン７のイオ
ンとしてアルゴンを用いだが、これに限定するものでは
なく不活性ガスであれば何であっても良い。またエツチ
ングマスク５としてネガレジストを用いたが、これに限
定するものではなく、不活性ガスイオン照射によるエツ
チングの際のマスク効果があれば何であっても良い。

また、本発明である超伝導素子の第２の製造方法の実施
例の説明において、ブリッジ相当部分６のエツチングに
アルゴンイオン１７を照射して行ったが、これに限定す
るものではなく、塩素をもちいた反応性イオンエツチン
グ等、ドライエツチングであれば同様な効果が得られる
ことを発明者等は確認している。またエツチングマスク
１６に５ｉ０２を用いたが、ドライエツチング用マスク
として使用できるものであれば何であっても良い。従っ
て、エツチングマスク１５の除去の方法も何であっても
良いのは言うまでもない。

また金属酸化物薄膜１２は超伝導を示さない例を述べた
が、別に超伝導を示しても良いのは明らかである。

なお、本発明の超伝導素子の両製造方法の実施例の説明
において、ブリッジ部３をエツチング形成する以前に、
バンク部４等の素子の横方向パターン加工を行う様に記
述したが、これに限定する訳ではなく、この順序が逆に
なっても同様な効果が得られるのは自明での事である。

発明の効果 本発明の超伝導素子の実施に於いて、従来困難とされて
いた任意の位置に、所定の臨界電流値を有するジョセフ
ソン接合を有する超伝導素子を容易に作製することが可
能となり、その実用的価値は大きい。

本発明の超伝導素子の製造方法の実施に於いて、不活性
ガスイオン照射によるエツチングを用いるために、ミク
ロン−サブミクロンの短い接合形成が容易に作製可能で
あり、また、追加エツチングすることが可能であるため
に臨界電流値を下方に調整することが可能となり、工業
的価値は犬なるものがある。

また本発明の他の超伝導素子の製造方法の実施に於いて
、金属酸化物薄膜を加工後に熱処理を施して超伝導薄膜
化することにより、加工ダメージの改復または防止が出
来、従来、微細加工の困難とされていた平坦な表面の得
にくい金属酸化物薄膜にも、所定の場所に選択的に微細
なジョセフソン接合を形成することが可能となり、その
工業的価値は極めて大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図は本発明の超伝導素子の一実施例を
示す斜視図および断面図、第３図は本発明である超伝導
素子の第１の製造方法の一例を示すプロセス工程断面図
、第４図は本発明である超伝導素子の第２の製造方法の
一例を示すプロセス工程断面図である。 １・・・・・・基板、２・・・・・・金属酸化物超伝導
薄膜、３・・・・・・ブリッジ部、４・・・・・・バン
ク部、５，１５・・・・・・エツチングマスク、７・・
・・・・不活性ガスイオン、１２・・・・・金属酸化物
薄膜。 代理人の氏名　弁理士　粟　野　重　孝　ほか１名ｒ−
＊Ｆｔ ２−　食為醗化ａｔ趨伝ＪＬ屏曖 ３−・−ブ　　リ　　ッ　ジ　俤 図 １−一一基　収 ２−−一超畝化物邂社尊薄膜 ４ｂ−−−パン２部 ５−ｍ−エッチングマスク ／６ 第 図 減 第 図 手続補正書巻式） １事件の表示 昭和６３年特許願第２６８４８４号 発明の名称 超伝導素子 補正をする者 事件との関係　　　　　　特　　許　　　出　　　願　
　大佐　所　　大阪府門真市大字門真１００６番地名　
称　（５８２）松下電器産業株式会比代表者　　　　谷
　　井　　昭　　雄

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）基板上に形成された金属酸化物超伝導薄膜から成
   る２つのバンク部と、前記金属酸化物超伝導薄膜と同一
   組成を含む材料から成る薄膜で、かつ、前記バンク部の
   膜厚よりも薄いブリッジ部により前記２つのバンク部が
   電気的に接続された構造を有することを特徴とする超伝
   導素子。 （２）金属酸化物超伝導薄膜の材料が、銅元素を含む金
   属酸化物超伝導体であることを特徴とする特許請求の範
   囲第１項記載の超伝導素子。 （３）銅元素を含む金属酸化物超伝導体として、Ａ−Ｂ
   −Ｃｕ−Ｏ複合化合物を用いたことを特徴とする特許請
   求の範囲第２項記載の超伝導素子。 ここにＡはＳｃ、Ｙ、ＬａおよびＬａ系列元素（原子番
   号５７〜７１、但し５７、６１、６２を除く）のうち少
   なくとも１種、Ｂは、Ｂａ、ＳｒなどのIIａ族元素のう
   ちの少なくとも１種、かつＡ、Ｂ元素とＣｕ元素の濃度
   は ０．５≦（Ａ＋Ｂ）／Ｃｕ≦２．５。 （４）銅元素を含む金属酸化物超伝導体が、Ｂｉを含み
   、かつ、ＰｂまたはＳｒ、ＣａなどのIIａ族元素のうち
   少なくとも１種の元素を含むことを特徴とする特許請求
   の範囲第２項記載の超伝導素子。 （５）銅元素を含む金属酸化物超伝導体が、Ｔｌを含み
   、かつ、Ｐｂまたは、Ｂａ、ＣａなどのIIａ族元素のう
   ち少なくとも１種の元素を含むことを特徴とする特許請
   求の範囲第２項記載の超伝導素子。 （６）金属酸化物超伝導薄膜の材料が、ＢａおよびＢｉ
   を含む複合酸化物超伝導体であることを特徴とする特許
   請求の範囲第１項記載の超伝導素子。 （７）基板上に形成された金属酸化物超伝導薄膜に、フ
   ォトリソグラフィ技術でブリッジ部に相当する上部を除
   く部分にエッチングマスクを形成した後、不活性ガスイ
   オンを照射して前記ブリッジ部に相当する部分の前記金
   属酸化物超伝導薄膜をエッチングしてブリッジ部を形成
   した後、前記エッチングマスクを除去して作製すること
   を特徴とする特許請求の範囲第１項記載の超伝導素子の
   製造方法。 （８）基板上に形成された金属酸化物薄膜を、フォトリ
   ソグラフィ技術およびドライエッチング技術により、ブ
   リッジ部に相当する部分をエッチングして膜厚を薄くし
   た後、酸素雰囲気中にて熱処理を施して、前記金属酸化
   物薄膜を金属酸化物超伝導薄膜とすることにより作製す
   ることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の超伝導
   素子の製造方法。