JPH04163808A - 超伝導デバイスの作製方法 - 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、ＣｕＯやｖＯ構構体体有する結晶構造を持ち
、高い臨界温度（Ｔｃ）を持つ酸化物超伝導体の薄膜を
用いて超伝導デバイスを作製する方法に関するものであ
る。

［従来の技術１ 周知のように、ＹＢａＣｕＯ系やＢ１５ｒＣａＣｕＯ系
などの高Ｔｃ酸化物超伝導体は液体窒素温度（７７Ｋ）
以上の温度においても超伝導を示す。従って、このよう
な酸化物超伝導体を用いて液体窒素温度で動作する超伝
導デバイスを実現すれば、Ｎｂ系合金を用いた液体ヘリ
ウム冷却を要する超伝導デバイスに比較して、冷却コス
トの大幅な低減が期待されている。

このため、前記高Ｔｃ酸化物超伝導体を用いた超伝導量
子干渉磁束計（ＳＱＵＩＤ：Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔ
ｉｎｇＱｕａｎｔｕｍ　Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ　Ｄ
ｅｖｉｃｅ）　、ジョセフソン素子、マイクロ波受動回
路、光センサ、強力磁石などの超伝導デバイスの研究が
行われている。特に、単結晶基板上にエピタキシャル成
長させた薄膜は結晶性が良好なため、Ｔｃが高いのみで
はなく、臨界電流密度（Ｊｅ）が高いので高電流密度の
デバイスが作製可能であること、高周波表面抵抗（Ｒ１
）が低いので低損失の高周波デバイスが作製可能である
こと、磁界進入長（λＬ）が短いので１μ脂程度の表面
層のみを超伝導体とするだけで高周波デバイスが作製可
能であることなどの利点を有しており、盛んに研究が行
われている。

しかし、薄膜デバイスの試作を行う際には、酸化物超伝
導体のパタンを形成する必要があるが、パタン形成の工
程でＴｃ、Ｊｃ、Ｒ，などの超伝導特性が大幅に劣化す
ることが報告されており、パタン形状加工と超伝導特性
を両立させてデバイスを得ることは容易ではない。

通常パタン形成には超伝導薄膜の上にレジスト膜を形成
した後にマスクを介して光露光してレジスト材料を変質
させ、変質部を溶液で除去してマスクのパタンをレジス
トに転写する。その後、レジストをマスクとして燐酸系
などの溶液を用いて酸化物超伝導薄膜の不用部分を溶か
したり、レジストをマスクとしてＡｒなとのイオンを照
射して酸化物超伝導薄膜の不用部分をエツチングして除
去するなどの手法が用いられる。最後に酸素プラズマの
アッシングによってレジストを除去するとレジストパタ
ンと同じパタンの酸化物超伝導体が形成される。

しかしながら、燐酸系などを用いたウェットエツチング
では液体が酸化物超伝導体の結晶粒界を拡散してしまい
、かつエッチ速度が非常に早い。このため、パタン側面
のエツジ形状が乱れ易（、形状精度が大幅に劣化しかつ
精度の制御性に欠ける、エッチ液と酸化物超伝導体の反
応のために超伝導特性に劣化が生じるなどの問題がある
。

また、イオンによるドライエツチング法では酸化物超伝
導薄膜の不用部分が除去されるに従って、パタンの側面
にも高エネルギのイオンが衝突するので、酸化物超伝導
体のＣｕＯなどの構造から酸素が容易に奪われて、パタ
ン側面の超伝導特性が劣化するという欠点がある。さら
に、レジストパタンを除去するアッシング工程では酸化
物超伝導パタンの上部表面や側面が酸素プラズマに曝さ
れるので、ＣｕＯなどの構造に酸素が過剰に供給された
り、酸素が除去されたりして、超伝導特性が大幅に劣化
するという欠点がある。

［発明が解決しようとする課題１ 本発明はこの様な従来の欠点を解消し、酸化ｉ超伝導薄
膜の加工劣化を回避し得る超伝導デバイスの作製方法を
提供することを目的とする。

［課題を解決するための手段ｊ 上述した目的を達成するために、本発明は、基板表面を
あらかじめパタン形状に加工し、該加工された表面の凸
部表面上に酸化物超伝導体薄膜を形成することを特徴と
する。

［作　用１ 本発明のデバイス作製方法では、あらがしめ単結晶基板
をデバイスパタンに加工しておき、単結晶基板パタン表
面に良質の酸化物超伝導薄膜を成長させて超伝導デバイ
スパタンを作製することにより、酸化物超伝導体の加工
工程を省略することによって、超伝導特性に優れたデバ
イスを作製するものである。この方法では酸化物超伝導
薄膜に加工を加えないので、イオン衝突によるパタンエ
ツジ側面の超伝導特性の劣化が防止できる。また、超伝
導体表面にレジストを塗布しないので、レジスト除去の
際の酸素プラズマアッシングが不用で、デバイスパタン
表面や側面での酸素過剰や不足による超伝導特性の劣化
が発生しない。デバイスパタン精度は単結晶基板の加工
精度に依存するが、これは通常の露光方法で実現される
。

本発明の方法で作製されるストリップラインパタンと従
来法によって作製されるストリップパタンをそれぞれ模
式的に第１図（Ａ）および（Ｂ）に示す。

本発明の方法では、あらかじめパタン形状に加工された
基板２の凸部の表面２Ａと平坦部表面２Ｂ（凸部が複数
個設けられている場合には、それらに挾まれた凹部の表
面となる）の上に、それぞれ超伝導薄膜ＩＡおよびＩＢ
が形成されており、両者は電気的に分離されている。こ
こでデバイスとして用いるのは凸部表面の超伝導薄膜Ｉ
Ａであり、平坦部あるいは凹部表面の超伝導薄膜ＩＢは
通常は使用されない。第１図（Ｂ）に示した従来法では
、基板２の表面に形成された超伝導薄膜１をデバイスパ
タンに加工している。

［実施例１ 以下に実施例によって本発明を説明する。

表面が（１１０）結晶面で平滑に研磨された５ｒＴｉＯ
ｓ単結晶基板を以下の方法でパタン形成した。パタン形
成方法を第２図に示す、まず、５ｒＴｉＯｓ基板３上に
ポジ型レジストを塗布して２００℃でベーキングし、レ
ジスト膜（下部レジスト）４を基板上に形成した（第２
図（Ａ））。次に、スパッタリング法により１０００人
の膜厚のＴａ薄膜５をレジスト膜４上に形成し、さらに
その上にポジ型のレジスト膜（上部レジスト）６を形成
して３層構造とした（第２図（Ｂ））。次に、マスクを
用いて上部レジスト６を光露光し、レジストを現像して
上部レジストのパタン６′を作製した。上部レジスト６
の除去された部分ではＴａ薄膜５が露出している（第２
図（Ｃ））、次に、Ａｒイオンを用いてＴａ薄膜５の露
出している部分をエツチングして除去し、Ｔａ薄膜５の
パタン５′を作製した（第２図（Ｄ））。さらに、窒素
イオンを用いてエツチングを行った。これによって、上
部レジストパタン６′は除去されるがＴａマスクパタン
５′は窒素イオンによってほとんどエツチングされない
ので、上部レジストパタン６゛と下部レジスト層４が除
去された後に基板の５ｒＴＬＯ，単結晶がエツチングさ
れて、５ｒＴｉＯｓのパタン３′が形成される（第２図
（Ｅ））。所定の深さに５ｒＴｉＯｉがエツチングされ
たら、窒素イオンエッチを終了する。最後に、酸素プラ
ズマに曝して、残留している下部レジスト４′とＴａマ
スク５′を除去し、５ｒＴｉＯ，パタン３′のみを残し
た（第２図（Ｆ））。作製したパタン形状は幅５μｍの
ラインからなる４端子電気抵抗測定用パタンであり、Ｓ
ｒＴｉ０ｍパタンの段差は５μｍである。

５ｒＴｉＯｓパタン表面をＩＬＬｍ程度研磨してきれい
な（１１０）結晶面とし、反応電子ビーム蒸着法で３０
００人の膜厚のＹＢａｚＣｕｓＯａ、　１１８薄膜をエ
ピタキシャル成長させた。５ｒＴｉＯｓの４端子電気抵
抗測定用パタン表面に成長したＹＢａｔＣｕｓＯｓ、　
ｏｓ薄膜とエッチされた５ｒＴｉＯｉ低面に成長したＹ
ＢａｘＣｕｓＯｓ、　ｍｓ薄膜の間には電気的導通がな
かった。蒸着法では蒸着粒子の直進性が良いのでパタン
表面の膜とパタン以外の部分の膜が独立に成長したと思
われる。第３図の曲線Ａは４端子法で測定したこの薄膜
の臨界電流密度Ｊｃの温度依存性を示す。

パタンを形成しない通常の（１１０）　５ｒＴｉＯ，単
結晶基板に反応蒸着法で３０００人膜厚のＹＢａｉＣｕ
ｓＯｓ□薄膜を形成し、上述のレジスト／Ｔａ／レジス
トの３層構造とＡｒイオンエッチと窒素イオンエッチを
併用する方法で４端子電気抵抗測定用のＹＢａｔＣｕｓ
Ｏｓ、　ｗｓをパタンを作製した。第３図の曲線Ｂは４
端子法で測定したこの薄膜の臨界電流密度Ｊ、の温度依
存性を示す。

第３図の曲１ＩＩＡとＢの特性を比較して明瞭なように
、曲線ＡではＹＢａｚＣｕｓ’Ｏａ、　ｉｓ薄膜のパタ
ン加工工程がないので、液体窒素温度（７７Ｋ）でのＪ
ｃは２．５　Ｘ　１０’Ａ／ｃｍ”と優れた値を示し、
超伝導臨界温度も９２にとＹＢａｚＣｕｓＯｓ、　ｍｓ
の本来の値となっている。これに対して、曲線Ｂでは超
伝導臨界温度の劣化は認められないものの、７７にでの
Ｊｅは２×１０’Ａ／ｃｍ”と明らかに劣化している。

これは、窒素イオンを用いたＹＢａｚＣｕｓＯｓ、　ｓ
ｓ薄膜のエツチングの際にパタン側面に窒素イオンが衝
突して酸化物超伝導体から酸素を除去するとともに、レ
ジストのアッシングの際にＹＢａ諺ＣｕＪ＠。６パタン
の表面や側面が酸素プラズマに曝されるので酸化物超伝
導体中に酸素が過剰に供給されるなどによって、パタン
表面と側面の超伝導特性が劣化したためと見られる。

第３図の曲１１Ａの特性の薄膜パタンと同じ方法で作製
した４端子電気抵抗測定用パタンの電流導入端子部（２
ｍｍＸ　２＋＋ｕａ）の表面をマイクロＸＰＳ　（Ｘ−
ｒａｙＰｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎ　５ｐｅｃｔｒｏｓ
ｃｏｐｙ）法でＣｕ２ｐｓ／２スペクトルを測定した。

結果を第４図の曲線Ａで示す。Ｃｕ２ｐｓｚ□スペクト
ルには、９３３ｅＶ近傍の主スペクトルと９４２ｅＶ周
辺のサテライトスペクトルがあるが、面積強度の比（サ
テライト強度／主強度）は０．３３で清浄なＹＢａｚＣ
ｕｓＯｓｌｌｓ表面での強度比に一致している。

第３図の曲線Ｂの特性の薄膜パタンと同じ方法で作製し
た４端子電気抵抗測定用パタンの電流導入端子部（２ｍ
ｍｘ　２ｍｍ）の表面のＣｕ２ｐｘｙ＊スペクトルを第
４図の曲線Ｂで示す。面積強度の比（サテライト強度／
主強度）は０，３５で清浄なＹＢａａＣｕｓＯｓｌｌｓ
表面での強度比よりやや大きく、酸素が過剰となってい
ることを示している。パタンの表面や側面は酸素プラズ
マに曝されて、臨界電流密度が低下したとみられる。ま
た、第３図の曲線Ａの特性の薄膜パタンと同じ方法で作
製した４端子電気抵抗測定用パタンの電流導入端子部（
２！ｌｌｌ１１×２ｆｆｌＩｆｉ）に窒素イオンを照射
した後測定したＣｕ２ｐｓｙｚスペクトルを第４図の曲
線Ｃで示す。面積強度の比（サテラト／主強度比）は０
．１２へ大幅に低下するとともに主ピークの半値幅が減
少しており、窒素イオン照射によってＣｕＯ構造から酸
素が除去されて超伝導特性が大幅に劣化したことを示し
ている。したがって、第３図の曲線Ｂの特性の薄膜パタ
ンと同じ方法で作製した４端子電気抵抗測定用パタンの
側面は窒素イオンに曝されているので、臨界電流密度特
性の大幅な劣化が生じていることは明らかである。

表面のＸＰＳ測定結果から明らかなように、正常なＣｕ
Ｏ構造を持つ、超伝導特性に優れたデバイスパタンか本
発明の方法で作製可能となった。

［発明の効果１ 以上説明したように、酸化物超伝導体はイオンやプラズ
マと作用して容易に超伝導特性の劣化を生じる。このた
め、あらかじめ超伝導デバイスのパタンに加工した基板
を用い、その上に薄膜形成するだけで超伝導デバイスを
作製することによって、特性劣化が原理的に生じない超
伝導デバイスの作製が可能となる。上述の実施例では超
伝導特性としてＴｃとＪｃに対する本発明の効果を示し
たが、高周波デバイスに不可欠なＲ３や磁界進入長え、
などの基本特性も同様に加工劣化を受けないことは容易
に理解される。

また、実施例ではＹＢａｚＣｕｓＯａ、　９！＋薄膜を
５ｒＴｉＯｓ単結晶基板のパタンの上にエピタキシャル
成長させた場合のみを示した。しかし、各種イオンやプ
ラズマに対する酸化物超伝導体の劣化機構は酸化物超伝
導体から酸素を取り去ったり、注入する機構で生じてい
るので、Ｙを他の元素で置き換えた組成の酸化物超伝導
体やＢ１５ｒＣａＣｕＯ系の酸化物超伝導体などの超伝
導体においても、本発明のデバイス作製方法が有効であ
ることは自明である。また、エピタキシャル成長を行わ
ない薄膜においても、イオンやプラズマによる劣化機構
は同じなので、本発明のデバイス作製方法が有効である
ことは自明である。さらに、５ｒＴｉＯｓ単結晶基板以
外にも、酸化物超伝導体がエピタキシャル成長する基板
として、ＹＡｌＯｍ、　ＬａＧａ０ｍ、　ＭｇＯなどの
多（の単結晶があり、本発明の方法は５ｒＴｉＯｓ単結
晶基板のみに限定されるものではないことも自明である
。また、作製するデバイスによっては、すべてのパタン
を本発明の方法では作製できない場合もあるが、適宜、
従来法と組み合わせることによって、最高の超伝導特性
の必要な部分を本発明の方法で作製すればよく、本発明
の方法は作製可能なデバイスの種類を限定するものでは
ないことも明らかである。

このように、本発明のデバイス作製方法は原理的に作製
工程での超伝導特性の劣化が生じないので、エピタキシ
ャル薄膜を用いた各種のエレクトロニクスや通信用デバ
イスが理想的な性能で作製可能となる。たとえば、フィ
ルタや遅延回路などの高周波デバイスではエピタキシャ
ル薄膜の超伝導特性をそのまま維持することが不可欠な
ので、この方法は特別に有用である。さらに、結晶粒界
を利用した５ＱＵＩＤ素子においても弱結合部分が加工
劣化を受けないので、デバイス性能の再現性・制御性が
格段に向上することになる。この結果、酸化物超伝導体
の優れた超伝導特性を最高に引き出すことが可能となり
、高性能の超伝導デバイスを提供することが可能となる
ので、将来の工業的効果は計り知れないものがある。

【図面の簡単な説明】

第１図（Ａ）および（Ｂ）はそれぞれ本発明の方法およ
び従来の方法で作製したストリップラインパタンの模式
図、 第２図＝（Ａ）〜（Ｆ）は、本発明による基板パタン形
成法の実施例を示す順次の工程における模式第３図は本
発明の方法（Ａ）および従来法（Ｂ）で作製したＹＢａ
＊Ｃｕ５Ｏｓ、　ｏｓ薄膜の臨界電流密度Ｊ。の温度依
存性特性図、 第４図はｘＰＳ法で測定したＣｕ２ｐｓｚ□スペクトル
図、 Ａ：本発明の方法で作製した４端子電気抵抗パタンでの
測定結果。 Ｂ：従来法で作製した４端子電気抵抗測定パタンでの測
定結果。 Ｃ：本発明の方法で作製した４端子電気抵抗パタン表面
に窒素イオン照射を行ったあとの測定結果。 １・・・酸化物超伝導体、 ２・・・基板、 ３−−・５ｒＴｉＯｓ基板、 ４・・・下部レジスト、 ５・・・Ｔａ薄膜、 ６・・・上部レジスト。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １）基板表面をあらかじめパタン形状に加工し、該加工
   された表面の凸部表面上に酸化物超伝導体薄膜を形成す
   ることを特徴とする超伝導デバイスの作製方法。