(57)【要約】【課題】ダメージを抑制して形成された誘電体から成る酸化防止膜を備え、ＴＨｚ帯の受信器や発振器に利用できる超伝導多層構造体と、その製造方法及び製造装置を提供すること。【解決手段】基板となる第一誘電体層の上面に、直流反応性スパッタリングによって第一超伝導体層を形成し、その第一超伝導体層の上面に、イオンビームスパッタリングによって第二誘電体層を形成する。前室と成膜室とを備えるロードロック式スパッタリング装置を用い、第一超伝導体層の形成にはニオブをターゲットとし、引き続き、第二誘電体層の形成には酸化マグネシウムをターゲットとして、同一真空下で連続的に成層するようにしてもよい。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板となる第一誘電体層と、
その第一誘電体層の上面に直流反応性スパッタリングにより形成された第一超伝導体層と、
その第一超伝導体層の上面にイオンビームスパッタリングにより形成された第二誘電体層と
を備えることを特徴とする超伝導多層構造体。
【請求項２】
第二誘電体層の上面に直流反応性スパッタリングにより形成された第二超伝導体層を備える
請求項１に記載の超伝導多層構造体。
【請求項３】
第一誘電体層と第二誘電体層が、酸化マグネシウムで構成された
請求項１または２に記載の超伝導多層構造体。
【請求項４】
第一超伝導体層と第二超伝導体層が、窒化ニオブで構成された
請求項１ないし３に記載の超伝導多層構造体。
【請求項５】
第一誘電体層が単結晶であり、その上部の第一超伝導体層と第二誘電体層とが、第一誘電体層の結晶方位に応じてエピタキシャル成長した結晶構造を有する
請求項１ないし４に記載の超伝導多層構造体。
【請求項６】
二つの金属電極と、その間に配設された超伝導薄膜ストリップとを備えたホットエレクトロンボロメータにおいて、
その超伝導薄膜が、
イオンビームスパッタリングにより形成された誘電体層を有する
ことを特徴とするホットエレクトロンボロメータにおける超伝導多層構造体。
【請求項７】
基板となる層の上面に、超伝導体層を形成し、
その超伝導体層の上面に、イオンビームスパッタリングによって誘電体層を形成する
ことを特徴とする超伝導多層構造体の製造方法。
【請求項８】
基板となる層が、誘電体から成る第一誘電体層であり、
その上面に形成される超伝導体層が、直流反応性スパッタリングによって形成される第一超伝導体層であり、
その第一超伝導体層の上面にイオンビームスパッタリングによって第二誘電体層が形成される
請求項７に記載の超伝導多層構造体の製造方法。
【請求項９】
前室と成膜室とを備えるロードロック式スパッタリング装置を用い、
第一超伝導体層の形成にはニオブをターゲットとし、引き続き、第二誘電体層の形成には酸化マグネシウムをターゲットとして、同一真空下で連続的に成層する
請求項８に記載の超伝導多層構造体の製造方法。
【請求項１０】
基板となる第一誘電体層の上面に第一超伝導体層を形成する直流反応性スパッタリング手段と、
その第一超伝導体層の上面に第二誘電体層を形成するイオンビームスパッタリング手段と
を備えることを特徴とする超伝導多層構造体の製造装置。
【請求項１１】
第一超伝導体層の形成にはニオブをターゲットとして有し、第二誘電体層の形成には酸化マグネシウムをターゲットとして有し、
前室と成膜室とを備えるロードロック式スパッタリング装置を設けた
請求項１０に記載の超伝導多層構造体の製造装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ダメージを抑制して形成された誘電体から成る酸化防止膜を備える超伝導多層構造体、並びに、その製造方法及び製造装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
地球環境計測や電波天文学の分野において、ＴＨｚ帯での受信器及び発振器の開発が望まれている。
これらを構成する導体材料には極低損失特性が要求されるが、従来から利用されているニオブ（Ｎｂ）超伝導材料の場合、ギャップ周波数ｆｇは約７００ＧＨｚでありＴＨｚ帯での導体材料としては難がある。
Ｎｂに代わる超伝導材料として、以前からより高いギャップ周波数１．４ＴＨｚを有する窒化ニオブ（ＮｂＮ）が期待されてきた。しかし、優れた高周波特性をもつＮｂＮ薄膜のデバイスヘの導入には、良好な結晶性を保ちながらデバイスを作製するプロセス技術が必要で、このことがＮｂＮを用いたデバイス化を困難なものにしてきた。
【０００３】
ＮｂＮの単層膜であれば、格子整合性の良い酸化マグネシウム（ＭｇＯ）の単結晶基板等を用いることによりエピタキシャル成長は可能である。このとき得られる超伝導転移温度Ｔｃは約１６Ｋであり、２０Ｋでの低抗率ρ２０Ｋは６０μΩｃｍを示し、ＮｂＮのギャップ周波数である１．４ＴＨｚまで極低損失特性が期待できる。
しかし、マイクロストリップ線路などのデバイス化においては、超伝導薄膜で誘電体薄膜を挟んだ多層膜が必要であり、そのためには優れた超伝導特性を保ちながら誘電体薄膜上に超伝導薄膜を成膜することが重要である。
【０００４】
誘電体材料としては、従来からＳｉＯやＳｉＯ２等が多く用いられてきたが、これらの材料はＮｂＮとの格子整合性が芳しくなく、ＳｉＯやＳｉＯ２上に直接成膜したＮｂＮ薄膜は、多結晶となる。そのため、その薄膜中に存在する結晶粒界によると考えられるＴｃの低下や抵抗率の上昇が生じ、ＴＨｚ周波数領域での抵抗損も増大すると考えられている。
近年、これらを解決する一手段として、ＳｉＯやＳｉＯ２等の誘電体上においても高い転移温度と低い抵抗率を示すＮｂＴｉＮ（Ｔｃ＝１５．２Ｋ、ρ２０Ｋ＝７５μΩｃｍ、ｆｇ＝１．２ＴＨｚ）が研究され、良好な結果が報告されている。しかし、転移温度及び抵抗率は、ともにエピタキシャルＮｂＮ薄膜の方が超伝導材料として優れていることから、ＮｂＮ及び誘電体材料によるエピタキシャル多層膜デバイス作製プロセスが確立された場合、ＮｂＴｉＮで構成したデバイス以上の高周波化と低損失化が期待されている。
【０００５】
本発明者は、エピタキシャル多層膜に用いる誘電体材料として、低損失でＮｂＮとの格子整合性の良いＭｇＯを検討してきた。
ＭｇＯ薄膜の成膜法としては、ＭｇＯターゲットを用いた高周波（ＲＦ）スパッタリングが多く報告されている。当初、高周波スパッタリングによるＭｇＯ薄膜を用いて、ＮｂＮ／ＭｇＯの２層膜の作製を試みた。しかし、ＭｇＯ単結晶基板に直接ＭｇＯを成膜した場合においても、デバイス作製に必要となる数百ｎｍまで成膜した場合、ＭｇＯ薄膜上に作製したＮｂＮ薄膜の超伝導持性がエピタキシャル成長したＮｂＮ薄膜に比べ明らかに劣化することがわかった。
【０００６】
また、一般的に、ＮｂＮ単結晶層の上に、直流（ＤＣ）反応性スパッタリングによりＭｇＯの誘電体層を形成しようとすると、反応ガスに含まれる酸素のために単結晶ＮｂＮ層の表面が酸化し、結晶の表面状態が変化する。そのため、ＮｂＮの上にＭｇＯをエピタキシャル成長させようとしても、ＮｂＮの表面の結晶性が不完全なために困難であり、良好な単結晶をもつ超伝導体多層構造体を得ることは不可能であった。
【０００７】
このように、従来の高周波スパッタリングや直流反応性スパッタリングによるＭｇＯ成膜は、下地のＮｂＮ表面に対するダメージを抑制することが困難であり、ＳＩＳ接合の改善や臨界電流の制御性の点でも難があった。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明は、ダメージを抑制して形成された誘電体から成る酸化防止膜を備え、ＴＨｚ帯の受信器及び発振器に有用に利用できる超伝導多層構造体、並びに、その製造方法及び製造装置を提供することを課題とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の超伝導多層構造体は、次の構成を備える。
すなわち、基板となる第一誘電体層と、その第一誘電体層の上面に直流反応性スパッタリングにより形成された第一超伝導体層と、その第一超伝導体層の上面にイオンビームスパッタリングにより形成された第二誘電体層とを備えることを特徴とする。
【００１０】
ここで、第二誘電体層の上面に、直流反応性スパッタリングにより形成された第二超伝導体層を備えた構成にしてもよい。
【００１１】
第一誘電体層と第二誘電体層を、酸化マグネシウムで構成し、また、第一超伝導体層と第二超伝導体層を、窒化ニオブで構成してもよい。
【００１２】
特に、第一誘電体層を単結晶とし、その上部の第一超伝導体層と第二誘電体層とを、第一誘電体層の結晶方位に応じてエピタキシャル成長した結晶構造を有するもので構成したものが好適である。
【００１３】
また、二つの金属電極と、その間に配設された超伝導薄膜ストリップとを備えたホットエレクトロンボロメータにおいて、その超伝導薄膜に、イオンビームスパッタリングにより形成された誘電体層を設けてもよい。
【００１４】
このような超伝導多層構造体を製造する方法は、基板となる層の上面に、超伝導体層を形成し、その超伝導体層の上面に、イオンビームスパッタリングによって誘電体層を形成することを特徴とする。
【００１５】
特に、基板となる第一誘電体層の上面に、直流反応性スパッタリングによって第一超伝導体層を形成し、その第一超伝導体層の上面に、イオンビームスパッタリングによって第二誘電体層を形成することが好適である。
【００１６】
ここで、前室と成膜室とを備えるロードロック式スパッタリング装置を用い、第一超伝導体層の形成にはニオブをターゲットとし、引き続き、第二誘電体層の形成には酸化マグネシウムをターゲットとして、同一真空下で連続的に成層するようにしてもよい。
【００１７】
このような超伝導多層構造体の製造方法を実施する装置は、基板となる第一誘電体層の上面に第一超伝導体層を形成する直流反応性スパッタリング手段と、その第一超伝導体層の上面に第二誘電体層を形成するイオンビームスパッタリング手段とを備えることを特徴とする。
【００１８】
ここで、第一超伝導体層の形成にはニオブをターゲットとして有し、第二誘電体層の形成には酸化マグネシウムをターゲットとして有し、前室と成膜室とを備えるロードロック式スパッタリング装置を用いてもよい。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施形態を図面を用いて説明する。
本発明者は、ＮｂＮ／ＭｇＯエピタキシャル多層膜を用いたＴＨｚ帯デバイスの研究開発を試み、既に良好な結果を報告してきた。
ＳＩＳ接合など素子作成に当たり、高周波スパッタリングによるＭｇＯ薄膜が、下地のＮｂＮ薄膜表面にダメージを与えることがわかった。
【００２０】
図１は、ＭｇＯ薄膜による下地のＮｂＮの超伝導特性の劣化を示すグラフ、及び、その超伝導多層構造体の層構成を示す説明図であり、図１（イ）は、ＭｇＯ薄膜が高周波スパッタリングによって形成された場合を示し、図１（ロ）は、ＭｇＯ薄膜がイオンビームスパッタリングによって形成された場合を示す。
図１（イ）のグラフは、基板となるＭｇＯ単結晶の（１００）面上に成膜した膜厚４．２ｎｍのＮｂＮ薄膜に、酸化防止を目的として高周波スパッタリングによるＭｇＯ薄膜を１ｎｍ成膜した場合において、下地ＮｂＮ薄膜の抵抗温度特性を示す。
図示の通り、ＭｇＯ被膜のないＮｂＮの超伝導特性に比べ、ＭｇＯ被膜のあるＮｂＮの方が、転移温度も抵抗率も劣化する。
【００２１】
この劣化の原因は、高周波スパッタリングの際のイオン衝撃であると考え、ＮｂＮ薄膜表面へのダメージ低減を目的として、イオンビームスパッタリングによるＭｇＯ成膜を以下のように行った。
イオンビームスパッタリングによる成膜は、高周波スパッタ法に比べて、放電成膜中に電極電位が反転せず、イオンによるサンプルへのダメージや、表面の加熱が少ないと考えられる。
【００２２】
図２は、ロードロック式スパッタリング装置を示す説明図である。
ＭｇＯ／ＮｂＮ多層膜の作成には、前室と成膜室とを備えるロードロック式スパッタリング装置を用いた。成膜室には、８インチマグネトロンカソードとイオンビームスパッタソースが備えられ、ＭｇＯ／ＮｂＮ多層膜は、同一真空内で連続成膜することができる。
【００２３】
基板となる第一誘電体層には、単結晶のＭｇＯを用いる。図３に示すように、その（１００）面上に、第一超伝導体層であるＮｂＮ薄膜が、Ｎｂターゲットを用いた直流反応性スパッタリングにより作成される。
そのＮｂＮ薄膜の面上には、８インチＭｇＯ焼結ターゲット（９９．９％）を用いたイオンビームスパッタリングにより、第二誘電体層であるＭｇＯ薄膜が成膜される。
イオンソースには直径８ｃｍのカウフマン型イオンソースを用い、Ａｒイオンビーム電流、電圧各１００ｍＡ、１００−５００Ｖで成膜を行った。
【００２４】
図４は、一般的な直流反応性スパッタリング装置を示す説明図である。ＮｂＮ層の作成には、これを用いてもよい。
サンプルの設置された支持体とターゲットを電極として、その間に導入されたＡｒとＮ等の混合ガスを放電させてイオン化する。それをＮｂ等のターゲットに衝突させて、ターゲット原子をスパッタリングし、Ｎ等の導入ガスと反応させることでＮｂＮを生成し、サンプルに堆積させる。
【００２５】
なお、図３に示すように、第二誘電体層であるＭｇＯ薄膜の上面に、更に、直流反応性スパッタリングにより第二超伝導体層であるＮｂＮ薄膜を生成してもよい。
更に、その上面にフォトレジストを積層し、反応性イオンエッチング（Ｒｅａｃｔｉｖｅ　Ｉｏｎ　Ｅｔｃｈｉｎｇ）を施す等の過程を経て、ＮｂＮ／ＭｇＯ／ＮｂＮのＳＩＳ接合を備えた回路素子などが形成される。
【００２６】
ところで、ＭｇＯ成膜は、イオンビームスパッタリングによって行ったが、図１（ロ）に示したように、ＭｇＯ被膜を施しても、転移温度も抵抗率も殆ど劣化しなかった。
従って、イオンビームスパッタリングによるＭｇＯ成膜は、サンプルへのダメージ防止に好適な手段であると判明した。
【００２７】
ＭｇＯ被膜は、超伝導材料素子の酸化防止膜として有用である。
例えば、ホットエレクトロンボロメータは、超伝導ギャップ周波数を克服する低雑音ミクサ素子として注目されている。ホットエレクトロンボロメータは、Ａｕなどから成る二つの金属電極と、その間に配設されたＮｂＮなどから成る超伝導薄膜ストリップとを備え、外部からの電磁波を効率よく入射させるために、Ａｌなどから成る金属薄膜アンテナの間に配設される。そのＮｂＮ薄膜ストリップの超伝導転移温度付近における抵抗値の高い非線形性を利用して、ヘテロダイミクシングが行なわれる。
このようなホットエレクトロンボロメータの性能は、極薄の超伝導薄膜に大きく依存するので、その超伝導薄膜に、イオンビームスパッタリングで誘電体層を形成すると、ボロメータの安定性と高耐久性に寄与する。
【００２８】
図５は、本発明による超伝導多層構造体のＸ線回折スペクトルを示すグラフ、及び、その超伝導多層構造体の層構成を示す説明図である。
単結晶ＭｇＯの（１００）面上に、直流反応性スパッタリングによりＮｂＮ薄膜を１１ｎｍ成膜し、その上に、イオンビームスパッタリングによりＭｇＯ薄膜を０．７ｎｍ成膜し、その上に、直流反応性スパッタリングによりＮｂＮ膜を１８０ｎｍ成膜したサンプルに、Ｘ線を照射してその回折スペクトルを得た。
ＮｂＮからの反射は、厚い方のＮｂＮ膜からの反射であると考えられるが、ＮｂＮの（２００）反射と、ＭｇＯの（１００）面と同型である（２００）面の反射しか認められず、ＭｇＯの（１００）面上にエピタキシャル成長していることが認められた。
【００２９】
【発明の効果】
本発明の超伝導多層構造体とその製造法及び装置によると、ＮｂＮ等の超伝導体層の上面に、イオンビームスパッタリングによりＭｇＯ等の誘電体層を形成するので、ＮｂＮに対するダメージを抑えて酸化防止膜を設けることができる。そのため、転移温度や抵抗率が殆ど劣化しないので、ＴＨｚ帯の受信器や発振器に有用に利用できる超伝導体素子を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＭｇＯ薄膜の下地ＮｂＮに対する超伝導特性劣化を示すグラフと、その超伝導多層構造体の層構成を示す説明図
【図２】ロードロック式スパッタリング装置の説明図
【図３】超伝導多層構造体の作成過程を示す説明図
【図４】直流反応性スパッタリング装置の説明図
【図５】超伝導多層構造体のＸ線回折スペクトルを示すグラフと、その超伝導多層構造体の層構成を示す説明図
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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