(57)【要約】【課題】グランドプレーン膜に貫通孔を設けることなく、超電導素子への磁束トラップを防ぐことを可能にした超電導回路装置を提供すること。【解決手段】超電導グランドプレーン膜を有する超電導回路装置において、超電導グランドプレーン膜の一部の領域の厚み方向に、膜厚よりも短い厚みを有する超電導性を示さない領域を形成する。具体的には、グランドプレーン膜１に、ＦＩＢ加工（Ｇａイオン照射）により、膜の一部を除去して凹部を有する構造とする。このような凹部の深さを元の膜厚の６〜９０％、好ましくは２０〜９０％とする。また、ドープ剤を拡散させたり、イオン照射によってイオンを注入することにより、グランドプレーン膜の一部を超電導性を示さない領域に変化させてもよい。【選択図】　図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
超電導グランドプレーン膜を有する超電導回路装置において、超電導グランドプレーン膜の一部の領域の厚み方向に、膜厚よりも短い厚みを有する超電導性を示さない領域を形成したことを特徴とする超電導回路装置。
【請求項２】
前記超電導性を示さない領域が、超電導グランドプレーン膜表面に形成された凹部であることを特徴とする請求項１記載の超電導回路装置。
【請求項３】
前記超電導性を示さない領域が、超電導グランドプレーン膜に下層膜の凸状部が食い込んで形成されたものであることを特徴とする請求項１記載の超電導回路装置。
【請求項４】
前記超電導性を示さない領域が、グランドプレーン膜の組成を変化させることによって形成されたものであることを特徴とする請求項１記載の超電導回路装置。
【請求項５】
前記組成の変化がドープ剤の拡散又はイオン照射のいずれかによって形成されたものであることを特徴とする請求項４記載の超電導回路装置。
【請求項６】
前記超電導性を示さない領域が、超電導グランドプレーン膜表面に形成された凹部に超電導性を示さない材料を充填することによって形成されたものであることを特徴とする請求項１記載の超電導回路装置。
【請求項７】
前記超電導性を示さない領域の厚みが超電導グランドプレーン膜の膜厚の６〜９０％であることを特徴とする請求項１〜６記載の超電導回路装置。
【請求項８】
前記超電導性を示さない領域の厚みが超電導グランドプレーン膜の膜厚の２０〜９０％であることを特徴とする請求項１〜６記載の超電導回路装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超電導回路装置に関するものであり、特に、外部磁場をトラップする機能を有する超電導体からなるグランドプレーン膜を用いた超電導回路装置に関するものである。
【０００２】
【従来技術】
従来から、Ｎｂ等の金属系超電導体や酸化物高温超電導体を用いた各種の超電導素子が開発されており、中でも、ジョセフソン接合を含む超電導素子（以下、「ジョセフソン素子」という。）は、高感度の磁場測定用の超電導量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ：Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ　Ｑｕａｎｔｕｍ　Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ　Ｄｅｖｉｃｅ）として実用化されているほか、高速、低消費電力の特徴を持つ単一磁束量子回路（ＳＦＱ：Ｓｉｎｇｌｅ　Ｆｌｕｘ　Ｑｕａｎｔｕｍ）への応用が研究されている。
【０００３】
ジョセフソン素子は、絶縁性基板の上に、超電導体（上部電極）／常電導体あるいは絶縁体（バリア層）／超電導体（下部電極）の３層構造を形成した基本構造を有している。そして、この素子を集積化した超電導回路装置においては、素子間を磁気的に分離する必要があるため、絶縁性基板の上に超電導薄膜からなるグランドプレーン膜を形成し、この上に絶縁層を介して前記の３層構造を形成することが行われている。
【０００４】
ところで、超電導素子を前記の超電導量子干渉素子や単一磁束量子回路のような用途において用いるに際しては外部磁場の影響を排除する必要がある。すなわち、超電導体自体は外部磁場を排除する性質を有してはいるが、ピンホール等のために超電導性が弱くなっている箇所があると、超電導体の臨界温度以下の低温に冷却する際にこの箇所に外部磁界が磁束量子を単位としてトラップされることがある。この現象は磁束トラップと呼ばれ、このトラップされた磁束量子が形成する磁場の影響で、回路の特性が変化して回路の誤動作につながるおそれがある。
【０００５】
そこで、上記のような磁束トラップを防ぐ方法が検討されているが、その一つは、磁場の影響を受けやすい超電導素子の周辺部の超電導グランドプレーン膜（以下、「グランドプレーン膜」ともいう。）にモート（ｍｏａｔ：濠）を設け、このモートに磁束を集中的にトラップさせることによって、中心部に配置された超電導素子の直下のグランドプレーン膜に磁束がトラップされにくくするというものである。
【０００６】
上記の磁束トラップの様子を、ジョセフソン素子を用いた超電導集積回路を例にとって説明する。
図１（ａ）に示すように、基板上１に設けたグランドプレーン膜２上に、絶縁膜３を介して下部電極４、バリア層５及び上部電極６からなるジョセフソン素子７が設けられ、グランドプレーン膜２には図１（ｂ）に示すように、ジョセフソン素子７を囲むようにしてモート８が形成されており、このモート８は、モート８の内と外でのグランドプレーン膜２の導通を確保するために複数個に分割して形成されている。
そして、このモート部分によって磁束Ｍを集中的にトラップすることにより、ジョセフソン素子を配置した領域に磁束がトラップされるのを防いでいる。
【０００７】
しかしながら、上記した従来の方法は、グランドプレーン膜にモートを形成しているため、表面の平坦性が損なわれており、このグランドプレーン膜の上に他の膜を形成したときにこの上部膜の平滑性が確保できなくなる。従って、回路設計を行うに際しては、平滑性のないことから来る不利を避けるために、このモート部分が形成された部分を避けて回路配線等を設ける必要があり、この点が欠点となっていた。また、導通確保のためのモート分割が必要であり、このことがモート配列に制約を与えるのも欠点であった。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、グランドプレーン膜に貫通孔を設けることなく、超電導素子への磁束トラップを防ぐことを可能にした超電導回路装置を提供することを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
従来から、モートはグランドプレーン膜を膜厚方向に貫通して設けることが必要であると考えられてきたが、本発明者らは、上記の課題を解決するために鋭意研究を重ねた結果、グランドプレーン膜における磁束を集中的にトラップする機能を有する超電導性を示さない領域（以下、「非超電導領域」ともいう。））が、超電導グランドプレーン膜の膜厚方向の全長に亘って形成されていなくても、膜厚方向の一部に形成されていれば所望の磁束トラップ効果を奏することができるとの知見を得た。
【００１０】
本発明者らは上記の知見に基づいて次の構成を有する本発明を完成させた。
（１）超電導グランドプレーン膜を有する超電導回路装置において、超電導グランドプレーン膜の一部の領域の厚み方向に、膜厚よりも短い厚みを有する超電導性を示さない領域を形成したことを特徴とする超電導回路装置。
（２）前記超電導性を示さない領域が、超電導グランドプレーン膜表面に形成された凹部であることを特徴とする上記（１）記載の超電導回路装置。
（３）前記超電導性を示さない領域が、超電導グランドプレーン膜に下層膜の凸状部が食い込んで形成されたものであることを特徴とする上記（１）記載の超電導回路装置。
【００１１】
（４）前記超電導性を示さない領域が、グランドプレーン膜の組成を変化させることによって形成されたものであることを特徴とする上記（１）記載の超電導回路装置。
（５）前記組成の変化がドープ剤の拡散又はイオン照射のいずれかによって形成されたものであることを特徴とする上記（４）記載の超電導回路装置。
（６）前記超電導性を示さない領域が、超電導グランドプレーン膜表面に形成された凹部に超電導性を示さない材料を充填することによって形成されたものであることを特徴とする上記（１）記載の超電導回路装置。
【００１２】
（７）前記超電導性を示さない領域の厚みが超電導グランドプレーン膜の膜厚の６〜９０％であることを特徴とする上記（１）〜（６）記載の超電導回路装置。
（８）前記超電導性を示さない領域の厚みが超電導グランドプレーン膜の膜厚の２０〜９０％であることを特徴とする上記（１）〜（６）記載の超電導回路装置。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態について、以下説明する。
本発明の超電導回路装置において、磁束を集中的にトラップする機能を有する領域（以下、「磁束トラップ領域」という。）を設ける具体的な態様としては次のものが挙げられる。
【００１４】
（１）グランドプレーン膜の膜厚を一部薄くする。
グランドプレーン膜の膜厚を一部薄くする方法としては、例えば次のような方法を挙げることができる。
▲１▼　図２（ａ）に示すように、グランドプレーン膜２に、例えば、集束イオンビーム（ＦＩＢ：Ｆｏｃｕｓｅｄ　Ｉｏｎ　Ｂｅａｍ）エッチング装置を用いて、Ｇａイオンを照射し、イオンミリングにより、膜の一部を除去して、その部分の膜厚を減少させ、図２（ｂ）に示すような凹部９が設けられた構造とする。このような凹部の深さはグランドプレーン膜２の膜厚の６〜９０％であればよいが、２０〜９０％であることがより好ましい。（以下ではＦＩＢエッチングによる加工を「ＦＩＢ加工」という。）
【００１５】
▲２▼　図３（ａ）の基板１を、図３（ｂ）に示すように、レジスト膜を用いてイオンミリング等により下層膜の一部に凸状部１０を形成し、次いでこの上にグランドプレーン膜を堆積して図３（ｃ）に示される中間製品を得る。次いで、この中間製品の表面層を研磨除去することによって、図３（ｄ）に示すように、グランドプレーン膜の下層膜（基板）の凸状部１０がグランドプレーン膜に一部食い込んだ構造とする。なお、図３では、基板が下層膜となっている場合を示したが、基板とグランドプレーン膜との間に絶縁膜が存在する場合には、この絶縁膜が下層膜となる。
この凸状部の厚みはグランドプレーン膜２の膜厚の６〜９０％であればよいが、２０〜９０％であることがより好ましい。
【００１６】
（２）グランドプレーン膜の膜厚方向の一部に非超電導材料から成る領域を形成する。
グランドプレーン膜の膜厚方向の一部に非超電導材料から成る領域を形成する方法としては、例えば次のような方法を挙げることができる。
▲１▼　図４（ａ）に示すように、グランドプレーン膜２の所定の領域にＧａイオンを照射して、一定の深さにまでＧａを侵入させ、図４（ｂ）に示すようなＧａイオン注入領域（非超電導領域）１１を設けたグランドプレーン膜を形成する。
【００１７】
▲２▼　図５（ａ）に示すように、グランドプレーン膜２に、例えばＦＩＢ加工（Ｇａイオン照射）を施して、図５（ｂ）に示すようなグランドプレーン膜を貫通しない深さの凹部を形成し、次いで、この凹部に非超電導材料を気相から堆積させて前記凹部を充填して図５（ｃ）に示すような中間製品を得る。次いで、この中間製品の、表面層を研磨除去して図５（ｄ）に示すような非超電導領域１２を設けたグランドプレーン膜を形成する。
【００１８】
▲３▼　図６（ａ）に示すように、グランドプレーン膜上にドープ剤を載置し、これを加熱することによりグランドプレーン膜の一定の深さにまでドープ剤を拡散させて、図６（ｂ）に示すように示すような非超電導領域１３を設けたグランドプレーン膜を形成する。
上記▲１▼〜▲３▼の方法において、非超電導材料の膜厚方向の厚みは、グランドプレーン膜の膜厚の６〜９０％であればよいが、２０〜９０％であることがより好ましい。
【００１９】
【実施例】
以下に、本件発明の実施例を示すが、本願発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【００２０】
【実施例１】
ＳｒＴｉＯ３（１００）基板上に、ｒｆマグネトロンスパッタリング法を用いて１５０〜２００ｎｍ厚のＮｄＢａ２Ｃｕ３Ｏｙ薄膜（以下「ＮＢＣＯ薄膜」という。）を形成した。このＮＢＣＯ薄膜は約８３Ｋの超電導臨界温度（Ｔｃ）を有していた。
スパッタリングは、５０ｍＴｏｒｒのＡｒ：Ｏ２＝５：１の混合ガス中で、基板温度７３０℃、スパッタリング時間７５分で行った。
次いで、ＦＩＢ加工により、ＮＢＣＯ薄膜に垂直方向からガリウムイオンビームを照射し、深さが膜厚の６〜１００％（６％、１３％、１９％、３１％、３７％、６０％、７０％、８０％、９０％、１００％）で、幅４μｍ、長さ１３６μｍの凹部又は溝を１６０×１６０μｍ２の正方形領域を囲むようにして形成した。
【００２１】
次に得られた試料を種々の環境磁場中で１０Ｋ以下まで冷却した後に、走査型ＳＱＵＩＤ顕微鏡を用いて磁束密度濃淡像を観測した。その結果の一部を図７〜９の磁束密度濃淡図で示す。磁束密度濃淡図においては、濃淡の濃い部分ほど磁場の値が大きいことを表し、図中の濃いスポットはトラップした磁束量子に対応している。
【００２２】
図７は、凹部の深さが６％の試料の磁束密度濃淡像である。図７（ａ）は０．３μＴの磁場中で冷却した時のものであり、図７（ｂ）は０．４μＴの磁場中で冷却したときのものである。なお、図７（ｃ）は前記正方形領域を取り囲む凹部の全体形状を示しており、実施例における実験はこの凹部形状を採用して行ったた。
図７（ａ）によれば、凹部を形成した部分に磁束量子がトラップされている。これは、非超電導領域が超電導グランドプレーンの膜厚方向の全長に亘って形成されなくても磁束トラップ機能を有することを示している。そして、この凹部に取り囲まれた領域からは磁束が完全に排除されていることがわかる。また、図７（ｂ）では、凹部に取り囲まれた領域にも磁束が侵入していることから、この試料においては、磁束トラップが完全に排除される磁場の値（しきい磁場値）は０．３〜０．４μＴであることが分かる。
【００２３】
図８は、凹部の深さが２０％である試料の磁束密度濃淡像である。図８（ａ）は０．５μＴの磁場中で冷却した時のものであり、図８（ｂ）は０．６μＴの磁場中で冷却したときのものである。
図８（ａ）、（ｂ）から、凹部深さが２０％の試料では、しきい磁場値は０．５〜０．６μＴであることがわかる。
【００２４】
図９は、凹部の深さが１００％である試料の磁束密度濃淡像である。図９（ａ）は０．５〜０．５５μＴの磁場中で冷却した時のものであり、図９（ｂ）は０．６〜０．６５μＴの磁場中で冷却したときのものである。１００％深さの凹部の場合、磁束量子の整数倍の大きさをもつ磁束が１３６×４μｍ２の面積の凹部全体に広がる様にトラップすることが分かる。
図９（ａ）、（ｂ）から、凹部深さが１００％の試料では、しきい磁場値は０．５〜０．６５μＴであることがわかる。
【００２５】
同様にして、他の試料についても凹部の深さに対するしきい磁場値の依存性をを調査した結果、図１０に示すような結果を得た。
図１０によると、凹部の深さがグランドプレーン膜の厚さの２０％以上になると、貫通孔を設けた場合（１００％）と同程度のしきい磁場値となることから、グランドプレーン膜に貫通孔を設けることなく、従来のモートを設ける場合と同程度の磁束排除効果を得るには、グランドプレーン膜の膜厚の２０％以上の深さの凹部を設ければよいことが分かる。
【００２６】
【発明の効果】
本発明によれば、磁束排除効果を得るためにグランドプレーン膜に貫通孔を設けなくとも良いので、グランドプレーン膜に上部膜を成膜する際の回路配線に対する制約が緩和され、超電導回路装置の応用製品への実用化に有用な超電導回路装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】グランドプレーン膜にモートを設けた超電導回路装置の断面概略図（ａ）と平面概略図（ｂ）である。
【図２】本発明の超電導回路装置を作製するための方法の一例を示す模式図である。
【図３】本発明の超電導回路装置を作製するための方法の一例を示す模式図である。
【図４】本発明の超電導回路装置を作製するための方法の一例を示す模式図である。
【図５】本発明の超電導回路装置を作製するための方法の一例を示す模式図である。
【図６】本発明の超電導回路装置を作製するための方法の一例を示す模式図である。
【図７】本発明の実施例において作製した試料（６％深さ）を走査型ＳＱＵＩＤ顕微鏡によって観察した磁束密度濃淡像である。
【図８】本発明の実施例において作製した試料（２０％深さ）を走査型ＳＱＵＩＤ顕微鏡によって観察した磁束密度濃淡像である。
【図９】本発明の実施例において作製した試料（１００％深さ）を走査型ＳＱＵＩＤ顕微鏡によって観察した磁束密度濃淡像である。
【図１０】凹部の深さに対するしきい磁場の依存性を示す図である。
【符号の説明】
１　基板
２　グランドプレーン膜
３　絶縁膜
４　下部電極
５　バリア層
６　上部電極
７　ジョセフソン素子
８　モート
９　凹部
１０　凸状部
１１　Ｇａイオン注入領域
１２　非超電導領域
１３　非超電導領域
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
2004072023.tif 000010
【図９】
2004072023.tif 000011
【図１０】
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