JPS592390B2 - 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、つくり易くしかも接合素子のサイズを小さく
保つたまゝ磁場依存性に優れた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反答の検出器として、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（準平面型ジヨスフソン接合素子）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Ａ程度の
厚さの超伝導体薄膜２の上にＳｉＯ２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λ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λない
し数千λ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λ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ＩｍＲ』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
オトリングラフイや電子ビームリン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静電容量は、絶縁
体層４を挟んで対向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が小さく
なる程静電容量は小さくなる。

ところで、第１図からも明らかなように、超伝導体層２
，３の位置ずれが、面積ＡＸｂの精度に直接影響する構
造である。そのため、静電容量を小さくしそのバラツキ
を少なくするには、フオトリン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精度に厳格さが
要求され、つくりにくいという問題がある。また、準平
面型ジヨセフソン接合素子では、つの帯状の弱結合部５
が絶縁体層４の厚み側面を１個所のみ横切つているだけ
であり、磁場に対する依存性は全くない。

磁場依存性をもたせるためには、弱結合部５を２本以上
並列に形成すればよいが、超伝導体層の幅ａが大きなり
、接合素子のサイズも大きく静電容量も大きくなるとい
う問題がある〇本発明はこの準平面型ジヨセフソン接合
素子をつくり易くしかも接合素子のサイズを小さく保つ
たま＼磁場の依存性に優れた構造にすることを目的とす
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二つ
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
〇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″，４″′
，４″２を横切つて上下の超伝導体薄膜を結合して延び
る二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ａ×ｂは超伝導体薄膜２，３の位置
がずれても変らないので、フオトリングラフイ又は電子
ビームリン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、静電容量が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
″，４″′，４″２を通つて超伝導電流が流れるので、
これを４個の準平面型ジヨセフソン接合素子の並列接続
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４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Ｘ倍となつて、結局
１ｍＲｊ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。従つで準平面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。しかも、本発明のジヨ
セフソン接合素子は、第２図の矢印方向からの磁場に対
して、臨界電流が１：２：１の比になつた３つの接合が
並列に接続されたものと同一のふるまいをする。

すなわち、３接合干渉計として動作し、その電流の磁場
に対する依存性は第５図Ａに示されたようになり、第５
図Ｂに示された２接合干渉計の電流の磁場に対する依存
性と比較して、超伝導状態の山と山の間の抵抗状態が広
くなる。そのため、スイツチング素子としての設計製作
が容易となる。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
ｎ，Ｉｎ，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６図を参照
する。フオトリソグラ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Ｍ，を基板１上につくり（第６図
Ａ）、このマスクＭ１を通して超伝導物質を数百ないし
数千人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の帯状超伝導体薄膜２
）を残す（第６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を交差して帯状の窓をもつレジストマスク
Ｍ２を配置し（第６図Ｃ）ＳＩＯ２などの絶縁物質又は
半導体物質を五十λないし数千λ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λ
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６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人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の％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６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６図Ｆ）。最後に、レジスマ
スクＭ３を取除いて完成する（第６図Ｇ）。なお、第６
図Ｅ，Ｆ，Ｇの製造工程を第７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（７）％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７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７図Ｂ）。次い
で、レジストマスクが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７
図Ｇ′）。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の％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Ｍ４を用いている（第６図Ｅ又は第７図Ａ）
ことが重要である。すなわち、ｄ＜ａ／２にしておけば
、両超伝導体薄膜２，３の交差領域に２本の弱結合部５
を形成する確率（歩留りＮ）は、一例として、ａ／２＝
ｄ＋３ｃ／２の場合、フ で表わされるので、歩留り良く２本の弱結合部を容易に
形成することができる。

例えば、第８図に拡大して示すように、ａ＝４μＭｌｄ
＝１．７μＭｌｃ＝０．２μｍの場合、約７４％の歩留
りが得られる。×印が３本の弱結合部が形成されている
場合で、その割合は５／１９であり、２本の場合は１４
／１９′７０．７４であり、上式から得られる歩留りと
一致する。このように、ｄ＜ａ／２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タＭ
４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、
両超伝導体薄膜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６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′す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はジヨセフソン接合素子の電流の磁場に対する依存性
の一例を示すグラフである。第６図Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ
，Ｆ，Ｇ及び第７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８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〜Ｍ４・・・・・・レジスト
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・
・・・・・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
   して延びる二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の１／２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１／２
   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。