(57)【要約】【課題】本発明は、高温超電導体固有ジョセフソン接合を用いた超伝導量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ）の製造方法に関し、高温超電導体の単結晶内に自然に発生する固有ジョセフソン接合を用いてｄｃ  ＳＱＵＩＤを製造する。【解決手段】両面劈開技法を用いて、高温超伝導リング形状構造を形成し、同時にリング形状構造内に２つの固有ジョセフソン接合が含まれるようにする。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ａ）第１粘着層を用いて第１絶縁基板上に高温超電導体単結晶層を粘着する工程と、
ｂ）前記単結晶層を加工して第１厚さを有するプラットホームを形成した後、前記プラットホームの第１部分を除去してプラットホーム層を生成し、前記プラットホーム層の第１部分が第１厚さの半分に近い第２厚さを有する工程と、
ｃ）第２粘着層を用いて第２絶縁基板上に前記プラットホーム層を粘着し、第１絶縁基板／第１粘着層／プラットホーム層／第２粘着層／第２絶縁基板を順に備える積層物構造を形成する工程と、
ｄ）前記積層物構造から第１絶縁基板を分離し、前記プラットホーム層を露出させた後、前記プラットホーム層上に金属層を形成する工程と、
ｅ）前記金属層と前記プラットホーム層のそれぞれの部分を除去して、固有ジョセフソン接合を内部に備える固有ジョセフソン接合層を形成する工程と、
ｆ）前記プラットホーム層をパターニングしてリング形状プラットホーム層を形成することにより、前記プラットホーム層内にある前記固有ジョセフソン接合層が前記リング形状プラットホーム層内で２つの固有ジョセフソン接合部分に分けられるようにする工程と、
ｇ）前記リング形状プラットホーム層に電流を印加するための少なくとも２つの電流電極及び前記２つの固有ジョセフソン接合間の電圧差を測定するための少なくとも２つの電圧電極端子を形成する工程と、
を含む直流（ｄｃ）高温超伝導量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ）の製造方法。
【請求項２】
前記高温超電導体単結晶層は、ビスマス−２２１２またはタリウム−２２２３高温超電導体単結晶である請求項１に記載の直流高温超伝導量子干渉素子の製造方法。
【請求項３】
前記第１及び第２絶縁基板は、ガラス、サファイア及び酸化マグネシウムから選ばれる１つ以上の構成要素からなる請求項１に記載の直流高温超伝導量子干渉素子の製造方法。
【請求項４】
前記第１厚さは約３０〜２００ｎｍである請求項１に記載の直流高温超伝導量子干渉素子の製造方法。
【請求項５】
前記ｂ）、ｅ）及びｆ）工程がマイクロパターニング及びイオンエッチングにより行われる請求項１に記載の直流高温超伝導量子干渉素子の製造方法。
【請求項６】
前記第２粘着層は、ネガティブフォトレジストまたはポリイミドから形成される請求項１に記載の直流高温超伝導量子干渉素子の製造方法。
【請求項７】
前記金属層が約１００〜３００ｎｍの厚さを有する請求項１に記載の直流高温超伝導量子干渉素子の製造方法。
【請求項８】
前記固有ジョセフソン接合層が約２〜１０μｍの幅を有する請求項１に記載の直流高温超伝導量子干渉素子の製造方法。
【請求項９】
前記ｂ）及び前記ｄ）工程が両面劈開技法により行われる請求項１に記載の直流高温超伝導量子干渉素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超伝導量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ）の製造方法に関し、さらに詳しくは、高温超伝導固有ジョセフソン接合を用いた直流（ｄｃ）超伝導量子干渉素子（Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ  Ｄｅｖｉｃｅ；ＳＱＵＩＤ）の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
直流（ｄｃ）超伝導量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ）は、２つのジョセフソン接合（Ｊｏｓｅｐｈｓｏｎ  ｊｕｎｃｔｉｏｎ）が挿入されている超伝導リング構造（ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ  ｒｉｎｇ  ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）からなる。このような素子は、極微細な磁場の変化に対して高感度の電圧出力が出せる長所を有している。直流（ｄｃ）ＳＱＵＩＤは、一般的に用いられる磁気抵抗素子またはホール（Ｈａｌｌ）磁力計より少なくとも数オーダー高い感度で磁場変化を検出することができるので、非常に感度の高い磁力計（ｍａｇｎｅｔｏｍｅｔｅｒ）及び磁場傾度測定器（ｍａｇｎｅｔｉｃ  ｆｉｅｌｄ  ｇｒａｄｉｏｍｅｔｅｒ）などとして用いることができる。また、素子の探知部を適切に変化させることにより、感度のいい電圧計、電流計、抵抗計などとして用いることもできる。結果的に、このような素子は医学、軍事分野、資源探査、基礎科学研究などに活用度が非常に高い素子である。
【０００３】
このような高感度の素子応用を実現するために、１９８６年高温超電導体の発見以後、現在まで高温超伝導物質を用いて直流ＳＱＵＩＤを制作しようとする努力が続けられている。しかし、残念ながらＳＱＵＩＤの製作に必須の構成要素であるジョセフソン接合を高温超電導体を用いて人為的に製造することは、非常に難しいことが知られている。その理由は、高温超伝導体の非常に敏感な材料特性に起因する。具体的には、高温超伝導体物質の表面が空間に露出されると、表面から僅かなｎｍの深さで超伝導性が失われる問題点を有している。高温超電導体の非常に短い超伝導コヒーレンス長（ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ  ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ  ｌｅｎｇｔｈ）と結合したこのような特性は、高温超伝導ジョセフソントンネル結合を人工的に製作するのを困難にする。
【０００４】
従って、高温超伝導体ジョセフソン接合を得るための代案として、粒界接合（ｇｒａｉｎ−ｂｏｕｎｄａｒｙ  ｊｕｎｃｔｉｏｎ）等を用いたジョセフソン弱連結（Ｊｏｓｅｐｈｓｏｎ  ｗｅａｋ  ｌｉｎｋ）が用いられている。ジョセフソン弱連結には、ステップエッジ（ｓｔｅｐ−ｅｄｇｅ）接合、バイクリスタル（ｂｉ−ｃｒｙｓｔａｌ）接合、バイエピタキシャル（ｂｉ−ｅｐｉｔａｘｉａｌ）接合のような粒界接合が用いられる。しかし、このようにして製作された粒界接合は、本当のトンネル接合ではないので、理想的なジョセフソントンネリング特性を得ることはできない。このような粒界接合は、さらにサーマルリサイクルに非常に弱く、弱連結の接合特性が容易に劣化する。このような好適でない材料特性のため、高温超電導体をＳＱＵＩＤ或いはジョセフソン接合を含む全ての能動素子に適用することが難しい。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の目的は、高温超電導体固有ジョセフソン接合を用いて、サーマルリサイクル時にも劣化しないＳＱＵＩＤ動作条件を満たす直流ＳＱＵＩＤの製造方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前記技術的課題を達成するために、本発明は、ａ）第１粘着層を用いて第１絶縁基板上に高温超電導体単結晶層を粘着する工程と、ｂ）前記単結晶層を加工して第１厚さを有するプラットホームを形成した後、前記プラットホームの第１部分を除去してプラットホーム層を生成し、前記プラットホーム層の第１部分が第１厚さの半分に近い第２厚さを有する工程と、ｃ）第２粘着層を用いて第２絶縁基板上に前記プラットホーム層を粘着し、第１絶縁基板／第１粘着層／プラットホーム層／第２粘着層／第２絶縁基板を順に備える積層物構造を形成する工程と、ｄ）前記積層物構造から第１絶縁基板を分離し、前記プラットホーム層を露出させた後、前記プラットホーム層上に金属層を形成する工程と、ｅ）前記金属層と前記プラットホーム層のそれぞれの部分を除去して、固有ジョセフソン接合を内部に備える固有ジョセフソン接合層を形成する工程と、ｆ）前記プラットホーム層をパターニングしてリング形状プラットホーム層を形成することにより、前記プラットホーム層内にある前記固有ジョセフソン接合層が前記リング形状プラットホーム層内で２つの固有ジョセフソン接合部分に分けられるようにする工程と、ｇ）前記リング形状プラットホーム層に電流を印加するための少なくとも２つの電流電極及び前記２つの固有ジョセフソン接合間の電圧差を測定するための少なくとも２つの電圧電極端子を形成する工程とを含む直流（ｄｃ）高温超伝導量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ）の製造方法を提供する。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を詳述する。
本発明は、ｄｃ超伝導量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ）の製造方法に関する。具体的に、高温超伝導体単結晶内に固有に形成されるジョセフソン接合の積層構造に両面劈開（ｄｏｕｂｌｅ−ｓｉｄｅ−ｃｌｅａｖｉｎｇ）技法を用いて求める形状のプラットホーム構造を構成し、フォトリソグラフィーまたは電子線リソグラフィーによるマイクロパターニング及びイオンエッチングを用いて、内部にジョセフソン接合を含む高温超伝導リング形状構造を形成する。
【０００８】
本発明で用いられる高温超電導体単結晶の内部には、単結晶の形成と共にＣｕＯ２超伝導層間にジョセフソン接合が固有に形成される。このような固有ジョセフソン接合は、以上で言及した粒界接合とは違って、単結晶の形成と共に自然に形成され、原子的に完璧な単結晶構造を有するので、ジョセフソントンネル接合に表れる非線形の電流−電圧特性を表し、同時にサーマルリサイクルに対して非常に安定した特性を表す。従って、このような固有接合を適切な形態に加工することにより、本発明によるｄｃ  ＳＱＵＩＤを製作することができる。
【０００９】
具体的に説明すれば、高温超電導体単結晶を両面劈開工程で処理して、プラットホーム構造に準備した後、プラットホーム構造をマイクロパターニング及びイオンエッチングで処理して、高温超伝導リング形状層を形成する。リング形状層内部にジョセフソン接合が含まれるので、高温超伝導直流ＳＱＵＩＤを得ることができる。
【００１０】
図１は、本発明による高温超電導体を用いて形成したｄｃ  ＳＱＵＩＤの構造を示し、その作動原理を説明すれば次のようである。
【００１１】
先ず、測定しようとする外部磁場（Ｈ）を、図１に示すように、ｄｃ  ＳＱＵＩＤの基板面と垂直に印加する。磁場が印加された状態でＩ＋電極からＩ−電極に電流を流す。この電流は（ａ）点で２つに分けられて各々２つの経路Ｔ１、Ｔ２に沿って２つのジョセフソン接合層を通過した後、（ｂ）点で再び結合される。ここで、２つの経路Ｔ１、Ｔ２を流れる超伝導電子対は磁場下での量子力学的原理により互いに異なる位相変化を有し、従ってｂ点で超伝導電子対の相対的な位相変化による電子干渉現象が起こる。よって、外部磁場に応じて電子が検出される確率が変化するようになる。この時、超伝導リングに流す全バイアス電流を、２つのジョセフソン接合の臨界電流の和より大きく設定することにより、ＳＱＵＩＤが有限な電圧状態で作動するようにする。
【００１２】
結果的に、外部磁場内での電子の干渉現象により、リング形状構造の外側に位置する２つの電圧電極の間で測定される電位差（Ｖ）は、超伝導リング形状構造を通過する磁束の大きさに応じて量子磁束の周期で変化し、これにより微細な磁場を検出することができる。超伝導リングに印加される磁束は、外部磁場に超伝導リングの面積を乗じた量であり、量子磁束は２×１０−７ｇａｕｓｓ・ｃｍ２の非常に小さい値であるので、２つの電圧電極の間の周期的な電圧変化を検出することにより、外部磁場の微細な変化を感知することができる。
【００１３】
本発明によるＳＱＵＩＤの製作工程を図２Ａ〜図２Ｇに段階別に示した。先ず、ガラス、サファイアまたは酸化マグネシウムなどからなる絶縁基板２０上に液状のネガティブフォトレジストやポリイミド物質の薄膜層をスピンコーティングする。ここで、スピナーの回転速度は、約１０００〜２０００ｒｐｍ程度にする。その上にＢｉ２Ｓｒ２ＣａＣｕ２Ｏ８＋ｘ（Ｂｉ−２２１２）高温超電導体単結晶を粘着させた後、上部に高温超電導体単結晶が粘着された絶縁基板をオーブンに入れて約８０〜１２０℃程度の温度で約３０〜６０分程度加熱することで、フォトレジスト層を硬化させて、高温超伝導単結晶を基板上にしっかり固定させる。従って、図２Ａ及び図２Ｂに別途に示されてはいないが、第１基板、即ち絶縁基板２０と高温超伝導体単結晶のプラットホーム基部２３との間には、前記フォトレジスト層が挿入されている。次に、スコッチテープなどの粘着力を用いて単結晶を両面劈開する。具体的に、粘着性のあるスコッチテープなどを単結晶の表面に繰り返して付着したり外したりして、きれいに劈開された単結晶表面を用意する。Ｂｉ−２２１２単結晶は、異方性が非常に大きいので、粘着性のあるスコッチテープなどにより容易に劈開できる。
【００１４】
次に、図２Ａのように、フォトリソグラフィーまたは電子線リソグラフィーによるマイクロパターニング及びイオンエッチングを用いてＢｉ−２２１２単結晶の表面に約数十μｍ２〜数百μｍ２の面積と約３０〜２００ｎｍの厚さを有するプラットホーム２２を形成する。イオンエッチングが終わった後、リソグラフィーに用いられた高分子物質であるフォトリソグラフィー用ポジティブフォトレジストや電子線リソグラフィー用ＰＭＭＡ物質などをアセトンのような溶剤に浸漬するか、或いは酸素プラズマ灰化工程を用いて除去する。以下でイオンエッチングというのは、リソグラフィーに用いられた高分子物質を除去する過程までの全てを含む。
【００１５】
次に、図２Ｂのように、マイクロパターニング及びイオンエッチングを用いて、Ｂｉ−２２１２プラットホームの第２部分に対する第２エッチング工程を行うことにより、Ｂｉ−２２１２プラットホームの第２部分はプラットホームの第１厚さの半分より小さい第２厚さを有する。第２厚さが第１厚さの半分より数ｎｍ小さいものが好ましい。その後、両面劈開技法を用いて、図２Ｃのように、単結晶の反対側の表面を形成する。即ち、第１基板２０と同じ材質の別途の第２基板２０’上にネガティブフォトレジストやポリイミドを図２Ａの工程で用いられた方法と同じ方法でコーティングし、粘着層２４を形成した後、図２Ｂのプラットホーム構造を付着する。
【００１６】
第１及び第２基板２０、２０’並びにその間に位置する単結晶２２を図２Ａ工程で用いられた方法と同じ方法でオーブン内で加熱し、ネガティブフォトレジストやポリイミドからなる粘着層２４を硬化させる。第１基板２０と第２基板２０’の間に物理的な力を加えてその間を引き離すことにより、第１基板２０及び第１基板に付着されたプラットホームの基部２３を除去する。従って、図２Ｂまでの過程で得られたプラットホーム２２が第２基板２０’上に上下が転倒された状態で付着される。従って、図２Ｃ〜図２Ｇにおいて、第２基板２０’と高温超電導体プラットホーム２２の間には粘着層が挿入されているものとする。図２Ｃ〜図２Ｇに示した粘着層２４も前述した工程で形成される。この過程で両面劈開技法を用いてプラットホーム基部２３を完全に除去する。
【００１７】
次に、図２Ｄのように、第２基板２０’に付着された単結晶プラットホーム２２上に金属層２５を１００〜３００ｎｍ程度の厚さで蒸着させる。その後、プラットホーム２２の大きさに合わせて、金属層２５をマイクロパターニングした後、イオンエッチングする。金属層２５は、半導体製造技法で通常的に用いられる方法により蒸着され、金属層２５は金、白金など希土類金属からなるのが望ましい。希土類金属は、プラットホームの高温超伝導層であるＣｕＯ２層の酸素ドーピング状態を変化させない。
【００１８】
図２Ｅのように、プラットホーム２２に付着された金属層２５を再びポジティブフォトレジストを用いてマイクロパターニングした後、イオンエッチングを用いて金属層２５及びプラットホーム２２の一部を除去する。プラットホーム２２において、Ｂｉ−２２１２単結晶が除去される部分がプラットホーム２２の第１厚さの１／２より数ｎｍ深く、２つの除去された部分の間の段差部が数個の固有ジョセフソン接合２６を含むようにする。段差部の幅は約２〜１０μｍが好ましい。ここで、段差部にできるだけ少数の固有ジョセフソン接合が含まれるようにすることが好ましい。
【００１９】
その後、マイクロパターニング及びイオンエッチングを用いて、図２Ｅから得たプラットホーム形状を加工することにより、図２Ｆに示すように、リング形状のＢｉ−２２１２プラットホーム２２を製造するが、２つの部分２６’、２６’’のジョセフソン接合が含まれる。
【００２０】
以上のような工程を通して、リング形状のＳＱＵＩＤ構造を得ることができ、ここで固有に得られる２つのジョセフソン接合２６’、２６’’がリング形状ＳＱＵＩＤ構造内にジョセフソン接合要素として作用することができる。このように製作されたＳＱＵＩＤの作動に必要な電極を設けるために、ポジティブフォトレジストによるマイクロパターニングを用いて、図２Ｇのような形状の電流電極２７及び電圧電極２８端子を形成する。次に、金属層を約１００〜３００ｎｍ蒸着した後、リフトオフ（ｌｉｆｔ−ｏｆｆ）技法を用いて電極端子を形成することにより、素子を完成する。
【００２１】
ここで、リング形状超伝導体内部に位置するジョセフソン接合は、単結晶の形成と同時に固有に作られる固有ジョセフソン接合であるので、原子的に欠陥のない理想的な接合であり、従って本発明により固有ジョセフソン接合の特性は損傷させずに、単に固有ジョセフソン接合が超伝導リング形状の内部に位置するように加工のみを行う。従って、本発明によるジョセフソン接合がサーマルリサイクルに非常に安定である。また、ジョセフソン接合が表面から十分深く位置するので、接合の特性が表面劣化により悪化されない。従って、本発明による技法を用いれば、高温超伝導体を用いたジョセフソン接合製造の技術的障害により生じる問題点を解決することができ、以後ジョセフソン接合を用いるＳＱＵＩＤ以外の複数の能動素子の開発にも広く応用できるであろう。
【００２２】
以上の過程において、Ｂｉ−２２１２高温超伝導単結晶をＴｌ２Ｂａ２Ｃａ２Ｃｕ３Ｏ１０＋ｘ（Ｔｌ−２２２３）などのように異方性が大きい他の典型的な物質の高温超電導体単結晶に取り替えても同様の効果を得ることができる。
【００２３】
上記において、本発明の好適な実施の形態について説明したが、本発明の精神及び請求範囲から逸脱することなく、種々の変更及び修正がなされてもよいことは当業者には理解されるであろう。
【００２４】
【発明の効果】
以上のように、本発明で考案した高温超電導体固有ジョセフソン接合を用いた直流（ｄｃ）ＳＱＵＩＤの製造技法では、その製造が困難な人工的な高温超伝導体ジョセフソン接合を用いる代わりに、高温超電導体単結晶に自然に形成されるジョセフソン接合を利用している。即ち、高温超電導体は、単結晶で自然に発生するジョセフソン接合の特性を用いて単結晶に両面劈開工程を用いて高温超伝導リング形状構造を形成し、同時にリング形状内に固有ジョセフソン接合を含むようにして、高温ＳＱＵＩＤの製造を可能にする。従って、本製造技法では、両面劈開工程及びジョセフソン接合挿入工程を正確に行うことが最も重要である。このように、本発明で考案されたジョセフソン接合が２つ挿入された形態のＳＱＵＩＤは、感度が非常に高い磁力計、電流計、抵抗計及び磁場傾度測定器などとして用いられ、従って脳波探知などのための医学分野応用、海底潜水艦探知などのための軍事分野応用、資源探査、微弱磁気及び電気信号測定のための基礎科学研究などに活用されるであろう。既に、７０年代から低温超伝導ｄｃ  ＳＱＵＩＤが商用化され活用されてきているが、約４Ｋの極低温環境下でのみ作動できる。高温ＳＱＵＩＤは低温ＳＱＵＩＤより１０〜２０倍高い温度領域で作動が可能であり、測定温度範囲を拡大することができる。従って、液体窒素を冷媒として用いることができ、ＳＱＵＩＤの作動費用をかなり減少させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る高温超電導体固有ジョセフソン接合を用いた直流超伝導量子干渉素子（ｄｃ  ＳＱＵＩＤ）の動作原理を説明する図面である。
【図２Ａ】本発明に係る高温超電導体固有ジョセフソン接合を用いたｄｃＳＱＵＩＤの製作工程図である。
【図２Ｂ】本発明に係る高温超電導体固有ジョセフソン接合を用いたｄｃＳＱＵＩＤの製作工程図である。
【図２Ｃ】本発明に係る高温超電導体固有ジョセフソン接合を用いたｄｃＳＱＵＩＤの製作工程図である。
【図２Ｄ】本発明に係る高温超電導体固有ジョセフソン接合を用いたｄｃＳＱＵＩＤの製作工程図である。
【図２Ｅ】本発明に係る高温超電導体固有ジョセフソン接合を用いたｄｃＳＱＵＩＤの製作工程図である。
【図２Ｆ】本発明に係る高温超電導体固有ジョセフソン接合を用いたｄｃＳＱＵＩＤの製作工程図である。
【図２Ｇ】本発明に係る高温超電導体固有ジョセフソン接合を用いたｄｃＳＱＵＩＤの製作工程図である。
【符号の説明】
１０、２０、２０’…絶縁基板、１２、２２…プラットホーム層、１４、２４…粘着層、１５、２５…金属層、１６’、１６’’、２６、２６’、２６’’…ジョセフソン接合層、１７、２７…電流電極、１８、２８…電圧電極。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図２Ｄ】
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【図２Ｅ】
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【図２Ｆ】
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【図２Ｇ】
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