(57)【要約】【課題】従来よりも更に高感度に微小領域の磁性が検出できる、より微小なＳＱＵＩＤが作製できるようにする。【解決手段】微小配線部１０６、および微小配線部１０６の延在方向の両端に接続する２つの第１配線部１０７および第２配線部１０８を形成する。微小配線部１０６は、突起形成面１０２の法線方向から見た平面視でジョセフソン接合効果が発現される範囲の幅および延在長さとされている。また、微小配線部１０６は、平面視で、中心部が突起１０３の先端部１０４に配置されている。次に、加工基板１２１の平坦面１２２を突起１０３の先端部１０４で突くことにより微小配線部１０６の中央部に開口部１０９を形成する。【選択図】  図１Ｄ
2014013853.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
素子基盤の突起形成面に、前記突起形成面の法線方向に突出する突起を形成する工程と、
前記突起の先端部を含めた前記突起形成面に超伝導性を示す材料からなる超伝導層を形成する工程と、
前記超伝導層をパターニングすることで、突起形成面の法線方向から見た平面視でジョセフソン接合効果が発現される範囲の幅および延在長さとされて中心が前記突起の先端部に配置された微小配線部、前記微小配線部の延在方向の両端に接続する２つの第１配線部および第２配線部を形成する工程と、
加工基板の平坦面を前記突起の先端部で突くことにより前記微小配線部の中央部に開口部を形成し、前記開口部が形成された微小配線部により、前記第１配線部と前記第２配線部とが２箇所の微小接合で接続したＳＱＵＩＤループを形成する工程と
を少なくとも備え、
前記突起の前記超伝導層に接する面は、前記超伝導層が超伝導状態となる状態で常伝導性もしくは絶縁性の材料から構成されていることを特徴とするＳＱＵＩＤの作製方法。
【請求項２】
請求項１記載のＳＱＵＩＤの作製方法において、
前記素子基盤は、光ファイバであり、前記突起形成面は、前記光ファイバの端面であることを特徴とするＳＱＵＩＤの作製方法。
【請求項３】
請求項２記載のＳＱＵＩＤの作製方法において、
前記突起の先端部を含めた前記突起形成面および前記光ファイバの側面に常伝導材料からなる常伝導層を形成する工程を備え、
前記超伝導層は前記常伝導層の上に形成することを特徴とするＳＱＵＩＤの作製方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微小な超伝導ループによるＳＱＵＩＤの作製方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
スピンの磁気などの微小領域の磁性を高感度に検出する技術として、超伝導量子磁束干渉計（Superconducting QUantum Interference Device；ＳＱＵＩＤ）が知られている。また、検出感度のより高感度化を目的として、ＳＱＵＩＤの小型化が進んでいる。ＳＱＵＩＤは、超伝導体によるループ（超伝導ループ）から構成され、超伝導ループの小型化による高感度化により、単一電子スピン状態を検出することも可能となる。
【０００３】
近年では、微細加工技術の進歩によって、電子スピン数十個の検出が可能なＳＱＵＩＤも開発されている。これまでに、ＦＩＢ加工によるループ直径３７０ｎｍ程度のＳＱＵＩＤの作製や（非特許文献１参照）、引き延ばした水晶管先端へのＡｌ蒸着によるループ直径１００−４００ｎｍのＳＱＵＩＤが作製されている（非特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】L. Hao et al. , "Novel Methods of Fabrication and Metrology of Superconducting NanoStructures", IEEE TRANSACTIONS ON INSTRUMENTATION AND MEASUREMENT, vol.56, no.2, pp.392-396, 2007.
【非特許文献２】A. Finkler et al. , "Self-Aligned Nanoscale SQUID on a Tip", Nano Lett. , vol.10, pp.1046-1049, 2010.
【非特許文献３】T. Pangaribuan et al. , "Reproducible Fabrication Technique of Nanometric Tip Diameter Fiber Probe for Photon Scanning Tunneling Microscope", Jpn. J. Appl. Phys. , vol.31, pp.L1302-L1304 ,1992.
【非特許文献４】M. B. Ketchen et al. , "Design, Fabrication, AND Performance of integrated miniature SQUID susceptometers", IEEE  Transactions on Magnetics, vol.25, no.2, pp.1212-1215, 1989.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、現在、ＳＱＵＩＤの更なる高感度化が求められている。
【０００６】
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、従来よりも更に高感度に微小領域の磁性が検出できる、より微小なＳＱＵＩＤが作製できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係るＳＱＵＩＤの作製方法は、素子基盤の突起形成面に、突起形成面の法線方向に突出する突起を形成する工程と、突起の先端部を含めた突起形成面に超伝導性を示す材料からなる超伝導層を形成する工程と、超伝導層をパターニングすることで、突起形成面の法線方向から見た平面視でジョセフソン接合効果が発現される範囲の幅および延在長さとされて中心が突起の先端部に配置された微小配線部、微小配線部の延在方向の両端に接続する２つの第１配線部および第２配線部を形成する工程と、加工基板の平坦面を突起の先端部で突くことにより微小配線部の中央部に開口部を形成し、開口部が形成された微小配線部により、第１配線部と第２配線部とが２箇所の微小接合で接続したＳＱＵＩＤループを形成する工程とを少なくとも備え、突起の超伝導層に接する面は、超伝導層が超伝導状態となる状態で常伝導性もしくは絶縁性の材料から構成されている。
【０００８】
上記ＳＱＵＩＤの作製方法において、素子基盤は、光ファイバであり、突起形成面は、光ファイバの端面である。また、この場合、突起の先端部を含めた突起形成面および光ファイバの側面に常伝導材料からなる常伝導層を形成する工程を備え、超伝導層は常伝導層の上に形成するようにしてもよい。
【発明の効果】
【０００９】
以上説明したことにより、本発明によれば、従来よりも更に高感度に微小領域の磁性が検出できる、より微小なＳＱＵＩＤが作製できるようになるという優れた効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１Ａ】図１Ａは、本発明の実施の形態１におけるＳＱＵＩＤの作製方法を説明するための各工程における状態を示す構成図である。
【図１Ｂ】図１Ｂは、本発明の実施の形態１におけるＳＱＵＩＤの作製方法を説明するための各工程における状態を示す構成図である。
【図１Ｃ】図１Ｃは、本発明の実施の形態１におけるＳＱＵＩＤの作製方法を説明するための各工程における状態を示す構成図である。
【図１Ｄ】図１Ｄは、本発明の実施の形態１におけるＳＱＵＩＤの作製方法を説明するための各工程における状態を示す構成図である。
【図２Ａ】図２Ａは、本発明の実施の形態２におけるＳＱＵＩＤの作製方法を説明するための各工程における状態を示す構成図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは、本発明の実施の形態２におけるＳＱＵＩＤの作製方法を説明するための各工程における状態を示す構成図である。
【図２Ｃ】図２Ｃは、本発明の実施の形態２におけるＳＱＵＩＤの作製方法を説明するための各工程における状態を示す構成図である。
【図２Ｄ】図２Ｄは、本発明の実施の形態２におけるＳＱＵＩＤの作製方法を説明するための各工程における状態を示す構成図である。
【図２Ｅ】図２Ｅは、本発明の実施の形態２におけるＳＱＵＩＤの作製方法を説明するための各工程における状態を示す構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
【００１２】
［実施の形態１］
はじめに、本発明の実施の形態１について、図１Ａ〜図１Ｄを用いて説明する。図１Ａ〜図１Ｄは、本発明の実施の形態１におけるＳＱＵＩＤの作製方法を説明するための各工程における状態を示す構成図である。図１Ａ〜図１Ｄにおいて、（ａ）は、断面を模式的に示し、（ｂ）は、平面を模式的に示している。
【００１３】
まず、図１Ａに示すように、素子基盤１０１の突起形成面１０２に、突起形成面１０２の法線方向に突出する突起１０３を形成する。例えば、素子基盤１０１は、クラッド計１２５μｍ、コア径１０μｍのＧｅドープのシングルモードファイバである。また、突起形成面１０２は、上記シングルモードファイバの先端面である。
【００１４】
形成する突起１０３は、例えば円錐であり、底部の直径が約１μｍであり、突起形成面１０２から先端部１０４までの高さは２μｍである。突起１０３は、例えば、非特許文献３の作製技術を用いることで形成できる。
【００１５】
次に、図１Ｂに示すように、突起１０３の先端部１０４を含めた突起形成面１０２に超伝導性を示す材料からなる超伝導層１０５を形成する。例えば、蒸着法あるいはスパッタ法などにより、超伝導となるニオブ（Ｎｂ）を堆積し、層厚２００ｎｍ程度の超伝導層１０５を形成すればよい。このとき、蒸着源から見て突起形成面１０２を例えば４５°程度傾け、また、先端部１０４を通る素子基盤１０１の法線を中心に素子基盤１０１を回転させることで、突起１０３の斜めの周面や、素子基盤１０１である光ファイバの側面などにも均一に超伝導層１０５が形成されるようにするとよい。
【００１６】
ここで、突起１０３の超伝導層１０５に接する面は、超伝導層１０５が超伝導状態となる状態で常伝導性もしくは絶縁性の材料から構成されていればよい。実施の形態１においては、突起１０３の超伝導層１０５に接する面は、シングルモードファイバの材料から構成されたものとなり、絶縁材料である。
【００１７】
次に、超伝導層１０５をパターニングすることで、図１Ｃに示すように、微小配線部１０６、および微小配線部１０６の延在方向の両端に接続する２つの第１配線部１０７および第２配線部１０８を形成する。ここで、微小配線部１０６は、突起形成面１０２の法線方向から見た平面視でジョセフソン接合効果が発現される範囲の幅および延在長さとされていることが重要である。また、微小配線部１０６は、平面視で、中心部が突起１０３の先端部１０４に配置されていることが重要である。従って、突起１０３の先端部１０４は、微小配線部１０６により覆われた状態となる。
【００１８】
上述した各配線部のパターニングは、例えば、ＦＩＢ（集束イオンビーム）により加工することで行えばよい。ＦＩＢは、ガリウムイオンのビームを約１０ｎｍに集束させたものを用いる。このＦＩＢを、配線部として残す箇所以外の超伝導層１０５に照射することで除去し、微小配線部１０６，第１配線部１０７，および第２配線部１０８を形成すればよい。微小配線部１０６は、例えば、配線幅が１００ｎｍ程度となり、配線長（延在長）が８０ｎｍ程度となっていればよい。
【００１９】
次に、図１Ｄに示すように、加工基板１２１の平坦面１２２を突起１０３の先端部１０４で突くことにより微小配線部１０６の中央部に開口部１０９を形成する。例えば、素子基盤１０１を、チューニングフォークに取り付け、この状態で、原子間力顕微鏡に用いられるフィードバック機構の付いたステージに装着する。ステージは、ピエゾ素子により振動して微動可能とされている。また、素子基盤１０１の突起１０３に平坦面１２２を対向させて加工基板１２１を固定する。
【００２０】
この状態で、シアフォースによってステージの振動状態の変化をステージの移動制御にフィードバックしながら、突起１０３の先端部１０４を加工基板１２１の平坦面１２２に僅かに接触させる。この操作により、接触させる圧力に依存して先端部１０４を被覆する微小配線部１０６に直径３０ｎｍ〜１００ｎｍ程度の微小な開口を開けることが可能である。
【００２１】
以上のようにして開口部１０９が形成された微小配線部１０６により、第１配線部１０７と第２配線部１０８とが２箇所の微小接合１１１で接続したＳＱＵＩＤループが得られる。
【００２２】
ここで、更なる高感度化を得るための、ＳＱＵＩＤの寸法について説明する。非特許文献４に示されているように、まず、ＳＱＵＩＤによるスピンの検出感度は、主には、ループの作る面に垂直なスピンの作る磁気モーメント（大きさｍ）の作る磁束が、どれだけＳＱＵＩＤのループ（半径ａ）を通過するかということ（式（１））、ＳＱＵＩＤ素子の持つインダクタンスＬ，接合のキャパシタンスＣ，温度Ｔによって決まるエネルギー感度（式（２））に支配される。
【００２３】
【数１】
2014013853.tif 000003
【００２４】
ここでφnsは、ＳＱＵＩＤのループを貫くフラックスノイズの大きさであり、ｋBはボルツマン定数である。
【００２５】
ＳＱＵＩＤのインダクタンスＬは、ループの半径ａに比例しているので、検出可能なスピンの和Ｓnは、以下の式（３）の関係で示されるものとなり、ＳＱＵＩＤの寸法に依存していることがわかる。
【００２６】
【数２】
2014013853.tif 000004
【００２７】
また、このとき、単電子スピンを検出するのに必要な寸法は、測定温度を１００ｍＫとして、最も感度が良くなるようにＳＱＵＩＤループと同じ面内に電子スピンを配置した場合において、０．２５μｍ程度まで小さくしなければならない。上述した実施の形態１によれば、このような寸法を実現することが可能となる。このように、実施の形態１によれば、従来よりも更に高感度に微小領域の磁性が検出できる、より微小なＳＱＵＩＤが作製できる。
【００２８】
［実施の形態２］
次に、本発明の実施の形態２について、図２Ａ〜図２Ｅを用いて説明する。図２Ａ〜図２Ｅは、本発明の実施の形態２におけるＳＱＵＩＤの作製方法を説明するための各工程における状態を示す構成図である。図２Ａ〜図２Ｅにおいて、（ａ）は、断面を模式的に示し、（ｂ）は、平面を模式的に示している。
【００２９】
まず、図２Ａに示すように、素子基盤２０１の突起形成面２０２に、突起形成面２０２の法線方向に突出する突起２０３を形成する。例えば、素子基盤２０１は、クラッド計１２５μｍ、コア径１０μｍのＧｅドープのシングルモードファイバである。
【００３０】
また、突起形成面２０２は、上記シングルモードファイバの先端面である。形成する突起２０３は、例えば円錐であり、底部の直径が約１μｍであり、突起形成面２０２から先端部２０４までの高さは２μｍである。突起２０３は、例えば、非特許文献３の作製技術を用いることで形成できる。
【００３１】
次に、図２Ｂに示すように、突起２０３の先端部２０４を含めた突起形成面２０２にチタン（Ｔｉ）からなる常伝導層２０５を形成する。例えば、蒸着法あるいはスパッタ法などによりＴｉを堆積し、層厚２００ｎｍ程度の常伝導層２０５を形成すればよい。このとき、蒸着源から見て突起形成面２０２を例えば４５°程度傾け、また、先端部２０４を通る素子基盤２０１の法線を中心に素子基盤２０１を回転させることで、突起２０３の斜めの周面に加え、素子基盤２０１となる光ファイバ側面などにも均一に常伝導層２０５が形成された状態とする。このように常伝導層２０５を形成することで、光ファイバによって光を照射する際の漏光を少なくすることができる。
【００３２】
次に、図２Ｃに示すように、突起２０３の先端部２０４を含めた突起形成面２０２の常伝導層２０５の上に、超伝導性を示す材料からなる超伝導層２０６を形成する。例えば、蒸着法あるいはスパッタ法などにより、超伝導となるＮｂを堆積し、層厚２００ｎｍ程度の超伝導層２０６を形成すればよい。このとき、蒸着源から見て突起形成面２０２を例えば４５°程度傾け、また、先端部２０４を通る素子基盤２０１の法線を中心に素子基盤２０１を回転させることで、突起２０３の斜めの周面や光ファイバの側面などにも均一に超伝導層２０６が形成されるようにするとよい。
【００３３】
ここで、突起２０３の超伝導層２０６に接する面は、超伝導層２０６が超伝導状態となる状態で常伝導性もしくは絶縁性の材料から構成されていればよい。実施の形態２では、突起２０３における超伝導層２０６に接する面は、常伝導層２０５であり、常伝導性の材料である。
【００３４】
次に、超伝導層２０６をパターニングすることで、図２Ｄに示すように、微小配線部２０７、および微小配線部２０７の延在方向の両端に接続する２つの第１配線部２０８および第２配線部２０９を形成する。ここで、微小配線部２０７は、突起形成面２０２の法線方向から見た平面視でジョセフソン接合効果が発現される範囲の幅および延在長さとされていることが重要である。また、微小配線部２０７は、平面視で、中心部が突起２０３の先端部２０４に配置されていることが重要である。従って、突起２０３の先端部２０４は、常伝導層２０５および微小配線部２０７により覆われた状態となる。なお、常伝導層２０５は、パターニングすることなく、突起２０３，突起形成面２０２，素子基盤２０１となる光ファイバの側面に形成されている状態を維持する。
【００３５】
上述した各配線部のパターニングは、例えば、ＦＩＢにより加工することで行えばよい。ＦＩＢは、ガリウムイオンのビームを約１０ｎｍに集束させたものを用いる。このＦＩＢを、配線部として残す箇所以外の超伝導層２０６に照射することで除去し、微小配線部２０７，第１配線部２０８，および第２配線部２０９を形成すればよい。微小配線部２０７は、例えば、配線幅が１００ｎｍ程度となり、配線長（延在長）が８０ｎｍ程度となっていればよい。
【００３６】
次に、図２Ｅに示すように、加工基板２２１の平坦面２２２を突起２０３の先端部２０４で突くことにより微小配線部２０７の中央部に開口部２１０を形成する。例えば、素子基盤２０１を、チューニングフォークに取り付け、この状態で、原子間力顕微鏡に用いられるフィードバック機構の付いたステージに装着する。ステージは、ピエゾ素子により振動して微動可能とされている。また、素子基盤２０１の突起２０３に平坦面２２２を対向させて加工基板２２１を固定する。
【００３７】
この状態で、シアフォースによってステージの振動状態の変化をステージの移動制御にフィードバックしながら、突起２０３の先端部２０４を加工基板２２１の平坦面２２２に僅かに接触させる。この操作により、接触させる圧力に依存して先端部２０４を被覆する微小配線部２０７に直径３０ｎｍ〜１００ｎｍ程度の微小な開口を開けることが可能である。なお、常伝導層２０５にも、微小な開口が形成される。
【００３８】
以上のようにして開口部２１０が形成された微小配線部２０７により、第１配線部２０８と第２配線部２０９とが２箇所の微小接合２１１で接続したＳＱＵＩＤループが得られる。
【００３９】
以上に説明したように、本発明によれば、突起の先端部に超伝導性を示す材料からなる微小配線部を形成し、加工基板の平坦面を突起の先端部で突くことにより微小配線部の中央部に開口部を形成してＳＱＵＩＤを構成するようにしたので、従来よりも更に高感度に微小領域の磁性が検出できる、より微小なＳＱＵＩＤが作製できるようになる。例えば、単電子スピンなどの微細な磁気を検出するまでに感度を向上させることが可能である。
【００４０】
なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。例えば、上述では、光ファイバの先端面をエッチング加工して突起を作製した例を示したが、素子基盤および突起は、これらの材料に限るものではなく、超伝導性を示す材料よりも硬い材料から構成されていればよい。また、超伝導性を示す材料としてＮｂを用いたが、Ａｌなどの他の材料を用いても良い。
【００４１】
また、上述ではＦＩＢにより超伝導体層をパターニングしたが、これに限るものではなく、例えば、電子線リソグラフィー技術を用いて超伝導体層をパターニングしてもよい。例えば、電子線リソグラフィー技術により、微小配線部，第１配線部，および第２配線部となる箇所に開口を備えたレジストパターンを形成し、この上から、超伝導材料を堆積し、この後、レジストパターンをリフトオフすることで、微小配線部，第１配線部，および第２配線部を形成してもよい。
【符号の説明】
【００４２】
１０１…素子基盤、１０２…突起形成面、１０３…突起、１０４…先端部、１０５…超伝導層、１０６…微小配線部、１０７…第１配線部、１０８…第２配線部、１０９…開口部、１１１…微小接合、１２１…加工基板、１２２…平坦面。
【図１Ａ】
2014013853.tif 000005
【図１Ｂ】
2014013853.tif 000006
【図１Ｃ】
2014013853.tif 000007
【図１Ｄ】
2014013853.tif 000008
【図２Ａ】
2014013853.tif 000009
【図２Ｂ】
2014013853.tif 000010
【図２Ｃ】
2014013853.tif 000011
【図２Ｄ】
2014013853.tif 000012
【図２Ｅ】
2014013853.tif 000013