(57)【要約】【課題】本発明は、超電導素子の品質を安定して向上させることを目的とするものである。【解決手段】超電導素子の製造方法は、基板１上に第１の超電導電極２を形成する工程、第１の超電導電極２の一部が露出するように第１の超電導電極２上に絶縁層３を形成する工程、第１の超電導電極２の露出した部分の表面を機械研磨する工程、第１の超電導電極２の露出した部分を改質し改質部４を形成する工程、及び改質部４及び絶縁層３上に第２の超電導電極５を形成する工程を含む。【選択図】　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に第１の超電導電極を形成する工程、
上記第１の超電導電極の一部が露出するように上記第１の超電導電極上に絶縁層を形成する工程、
上記第１の超電導電極の露出した部分の表面を機械研磨する工程、
上記第１の超電導電極の露出した部分を改質し改質部を形成する工程、及び
上記改質部及び上記絶縁層上に第２の超電導電極を形成する工程
を含むことを特徴とする超電導素子の製造方法。
【請求項２】
基板上に第１の超電導電極を形成する工程、
上記基板及び上記第１の超電導電極上に絶縁膜を形成する工程、
上記絶縁膜の表面を機械研磨する工程、
上記第１の超電導電極の一部が露出するように上記絶縁膜をエッチングして上記第１の超電導電極上に絶縁層を形成する工程、
上記第１の超電導電極の露出した部分を改質し改質部を形成する工程、及び
上記改質部及び上記絶縁層上に第２の超電導電極を形成する工程
を含むことを特徴とする超電導素子の製造方法。
【請求項３】
基板上に第１の超電導薄膜を形成する工程、
上記第１の超電導薄膜の表面を機械研磨する工程、
上記第１の超電導薄膜をエッチングして第１の超電導電極を形成する工程、
上記第１の超電導電極の一部が露出するように上記第１の超電導電極上に絶縁層を形成する工程、
上記第１の超電導電極の露出した部分を改質し改質部を形成する工程、及び
上記改質部及び上記絶縁層上に第２の超電導電極を形成する工程
を含むことを特徴とする超電導素子の製造方法。
【請求項４】
基板上に第１の超電導電極を形成する工程、
上記第１の超電導電極の一部が露出するように上記第１の超電導電極上に絶縁層を形成する工程、
上記第１の超電導電極の露出した部分を改質し改質部を形成する工程、
上記基板、上記第１の超電導電極、上記絶縁層及び上記改質部上に第２の超電導薄膜を形成する工程、
上記第２の超電導薄膜の表面を機械研磨する工程、及び
上記第２の超電導薄膜をエッチングして第２の超電導電極を形成する工程
を含むことを特徴とする超電導素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、表面改質形・積層形高温超電導接合素子の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の技術による表面改質形・積層形高温超電導接合素子の製造方法は、例えば特開２００１−２３７４６６号公報に示されており、概略として以下のような手順を経る。
１．下部超電導電極を形成し、その上に絶縁層を成膜する。
２．エッチング等により絶縁層を部分的に除去し、下部超電導電極の表面を部分的に露出させる。
３．下部超電導電極の露出した部分の表面をイオンミリングや熱処理により改質する。
４．上部超電導電極を形成する。このとき、下部超電導電極表面と接する部分が超電導弱接合（ジョセフソン接合）となる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような従来の超電導素子の製造方法においては、下部超電導電極の表面が完全に平坦ではないため、下部超電導電極と上部超電導電極との接合面に凹凸が生じてしまう。このため、超電導弱接合部の品質が均一ではなく、接合部内で超電導電流の部分的な短絡が起きたり、接合抵抗や臨界電流にばらつきが生じたりするといった不具合が生じ易かった。
【０００４】
さらに詳しく説明すると、従来の製造方法では、露出した下部超電導電極の表面に高低差数ｎｍ〜数十ｎｍの凹凸があった。この凹凸は、以下のような原因により生じる。
（ａ）そもそも、下部超電導電極の成膜後の表面が平坦ではない。
（ｂ）下部超電導電極の上に成膜した絶縁層の表面が平坦ではない。
（ｃ）絶縁層のエッチング速度が均一ではなく、エッチングを進めるにつれて徐々に表面に凹凸が生じる。
【０００５】
このように凹凸を持ったままの下部超電導電極の表面に改質工程を行っても、平坦な表面は得られず、接合面は凹凸を持ったままとなり、超電導弱接合の品質が均一ではなく、超電導電流の短絡が起きたり、接合抵抗や臨界電流にばらつきが生じたりしていた。
【０００６】
また、従来の製造方法では、下部超電導電極や絶縁層の凹凸を残したままエッチングを行っていたため、エッチングによって当該層を完全に除去するためにかなりのオーバーエッチングを要していた。このため、オーバーエッチングによっても下部の薄膜が消失しないようにするために、薄膜の初期膜厚を大きく設定する必要があった。また、オーバーエッチングにより段差高さが大きくなるという問題もあった。膜厚や段差高さが大きくなりすぎると、膜内に結晶方位の乱れを生じ、不要な結晶粒界が生じて素子特性にばらつきが生じるという問題が発生する。
【０００７】
この発明は、上記のような問題点を解決することを課題としてなされたものであり、超電導素子の品質を安定して向上させることができる超電導素子の製造方法を得ることを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る超電導素子の製造方法は、基板上に第１の超電導電極を形成する工程、第１の超電導電極の一部が露出するように第１の超電導電極上に絶縁層を形成する工程、第１の超電導電極の露出した部分の表面を機械研磨する工程、第１の超電導電極の露出した部分を改質し改質部を形成する工程、及び改質部及び絶縁層上に第２の超電導電極を形成する工程を含むものである。
【０００９】
また、この発明に係る超電導素子の製造方法は、基板上に第１の超電導電極を形成する工程、基板及び第１の超電導電極上に絶縁膜を形成する工程、絶縁膜の表面を機械研磨する工程、第１の超電導電極の一部が露出するように絶縁膜をエッチングして第１の超電導電極上に絶縁層を形成する工程、第１の超電導電極の露出した部分を改質し改質部を形成する工程、及び改質部及び絶縁層上に第２の超電導電極を形成する工程を含むものである。
【００１０】
さらに、この発明に係る超電導素子の製造方法は、基板上に第１の超電導薄膜を形成する工程、第１の超電導薄膜の表面を機械研磨する工程、第１の超電導薄膜をエッチングして第１の超電導電極を形成する工程、第１の超電導電極の一部が露出するように第１の超電導電極上に絶縁層を形成する工程、第１の超電導電極の露出した部分を改質し改質部を形成する工程、及び改質部及び絶縁層上に第２の超電導電極を形成する工程を含むものである。
【００１１】
また、この発明に係る超電導素子の製造方法は、基板上に第１の超電導電極を形成する工程、第１の超電導電極の一部が露出するように第１の超電導電極上に絶縁層を形成する工程、第１の超電導電極の露出した部分を改質し改質部を形成する工程、基板、第１の超電導電極、絶縁層及び改質部上に第２の超電導薄膜を形成する工程、第２の超電導薄膜の表面を機械研磨する工程、及び第２の超電導薄膜をエッチングして第２の超電導電極を形成する工程を含むものである。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を図について説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１による超電導素子の製造方法を示す工程図である。完成状態を示す図１（ｉ）において、１は基板（ＳｒＴｉＯ３など）、２は基板１上に形成された第１の超電導電極（ＹＢａ２Ｃｕ３Ｏｘなど）、３は基板１及び第１の超電導電極２上に形成された絶縁層（ＰｒＢａ２Ｃｕ３Ｏｘなど）、４は第１の超電導電極２の改質部、５は基板１、絶縁層３及び改質部４上に形成された第２の超電導電極（ＹＢａ２Ｃｕ３Ｏｘなど）である。
【００１３】
次に、製造方法について説明する。まず、図１（ａ）に示すように、素子製造の土台となる基板１を用意する。基板１は、表面の凹凸が最大高さ１ｎｍ（ナノメートル）以下となるように平滑に製造されたＳｒＴｉＯ３などの単結晶基板である。次に、図１（ｂ）に示すように、ＹＢａ２Ｃｕ３Ｏｘなどの高温超電導体からなる第１の超電導薄膜２Ａを、レーザアブレーション法又はスパッタ法等により基板１の上に成膜する。第１の超電導薄膜２Ａの膜厚は、数十〜数百ｎｍである。
【００１４】
この後、図１（ｃ）に示すように、第１の超電導薄膜２Ａの一部をエッチング等により除去し、第１の超電導電極（下部超電導電極）２の回路パターンを形成する。このとき、エッチング端面を傾斜させないと、その上を乗り越える絶縁層３や第２の超電導電極５の結晶に乱れが生じ、不要な結晶粒界を生じさせて、素子特性の劣化を招く。従ってエッチング端面は傾斜させる必要がある。
【００１５】
また、エッチング端面の傾斜角度は緩やかであるほど望ましいが、傾斜角度を緩やかにすると傾斜の長さが長くなる。これは素子の高密度な配置（インダクタンスの低減などに必要）には障害となるので、第１の超電導薄膜２Ａの膜厚は小さいほど良い。但し、あまりに膜厚を小さく設定すると、基板１全体に渡っての膜厚のむらやパターニング時のオーバーエッチングなどが原因で、後工程で第１の超電導電極２が部分的に消失してしまう危険がある。従って、第１の超電導薄膜２Ａの膜厚は、実際には数十ｎｍ以下にはできない。
【００１６】
さらに、第１の超電導薄膜２Ａの表面には凹凸があるため、エッチングによって第１の超電導電極２を完全に切り出すためには、多少のオーバーエッチングが必要である。しかし、オーバーエッチングを過度に行うと第１の超電導電極２の端面の段差高さが大きくなり、絶縁層３の膜厚を大きくしなければならなくなるので、注意が必要である。
【００１７】
第１の超電導薄膜２Ａに対するエッチングの後、図１（ｄ）に示すように、基板１及び第１の超電導電極２上に絶縁膜３Ａを成膜する。絶縁膜３Ａの材料としては、超電導体と格子整合し易く、かつ低温では絶縁特性を示す物質、例えばＰｒＢａ２Ｃｕ３Ｏｘなどが使用される。
【００１８】
また、絶縁層３Ａは、例えばレーザアブレーション法又はスパッタ法などにより成膜される。さらに、絶縁層３Ａの厚さは、数十〜数百ｎｍであるが、第１の超電導電極２の厚さ（端面の段差高さ）と同じかそれ以上とする必要がある。これは、絶縁層３が薄過ぎると、第１の超電導電極２の端面を乗り越える部分で絶縁層３の絶縁能力が低下し、第２の超電導電極５と第１の超電導電極２とが短絡する恐れがあるからである。
【００１９】
絶縁膜３Ａの成膜後、図１（ｅ）に示すように、絶縁膜３Ａの一部をエッチング等により除去し、絶縁層３を形成するとともに、第１の超電導電極２の一部を完全に露出させる。このとき、絶縁層３のエッチング端面を傾斜させないと、絶縁層３の上を乗り越える第２の超電導電極５の結晶に乱れが生じ、不要な結晶粒界を生じさせて、素子特性の劣化を招く。従って、絶縁層３のエッチング端面は、傾斜させる必要がある。
【００２０】
また、第１の超電導電極２の露出が不十分であると、第１の超電導電極２と配線との電気的接触が取れないといった不具合が生じる。このため、多少のオーバーエッチングを行うが、第１の超電導電極２が消失しないように注意を払う必要がある。
【００２１】
次に、図１（ｆ）に示すように、第１の超電導電極２の露出した部分の表面を機械研磨する。研磨方法としては、例えば回転するポリシングクロスにアルミナ／鉱物油混合スラリーを浸潤させたものを用い、線速度３００ｍｍ／ｓで５分間研磨する。この研磨により、第１の超電導電極２の表面は平坦化され、第１の超電導電極２の表面にある凹凸の高低差は１〜２ｎｍにまで小さくなる（研磨前は数ｎｍ〜数十ｎｍ）。
【００２２】
高低差１〜２ｎｍは、第１の超電導電極２の材料である高温超電導体の結晶格子１〜２個分の高さであり、理想的な平坦度と言える。また、この研磨で減少する第１の超電導電極２の膜厚は、僅か５ｎｍ程度であり、第１の超電導電極２全体の膜厚から見れば無視し得る微少量である。
【００２３】
この後、図１（ｇ）に示すように、第１の超電導電極２の露出した部分の表面をイオンミリングや熱処理によって微妙に改質し、改質部４を形成する。超電導弱接合（ジョセフソン接合）を作るためには、この改質部４が必要である。改質工程がないか、又は不十分であると、第１の超電導電極２と第２の超電導電極５とは単に超電導短絡され、接合部分がジョセフソン効果を示さない。逆に、過度の改質工程を行うと、改質部４が単なる絶縁体となってしまい、回路は切断されてしまう。
【００２４】
改質工程の後、図１（ｈ）に示すように、基板１、第１の超電導電極２、絶縁層３及び改質部４上に第２の超電導薄膜５Ａを成膜する。第２の超電導薄膜５Ａの膜厚も、絶縁層３の厚さ（端面の段差高さ）と同じかそれ以上とする必要がある。
【００２５】
次に、図１（ｉ）に示すように、第２の超電導薄膜５Ａを回路形状にパターニングして第２の超電導電極（上部超電導電極）５を形成する。このときのパターニングにおいても、第１の超電導電極２の配線と接続される部分（図の左端）を完全に露出させる必要があるため、また第２の超電導電極５と第１の超電導電極２とを接合部分以外で完全に切り離すため、多少のオーバーエッチングを行うが、第１の超電導電極２が消失しないように注意を払う必要がある。
【００２６】
このような超電導素子の製造方法によれば、第１の超電導電極２の露出した部分の表面を機械研磨した後、研磨した部分に改質工程を施し、さらに第２の超電導電極５を形成するので、超電導弱接合部における第１の超電導電極２及び第２の超電導電極５が平坦化され、超電導電流の漏洩や接合抵抗のばらつきを防止することができ、超電導弱接合部の品質を安定して向上させることができる。
【００２７】
実施の形態２．
次に、図２はこの発明の実施の形態２による超電導素子の製造方法を示す工程図である。この例では、絶縁膜３Ａを成膜した後で、絶縁膜３Ａをエッチングする前に、図２（ｊ）に示すように、絶縁膜３Ａの表面を機械研磨する。研磨方法としては、回転するポリシングクロスにアルミナ／鉱物油混合スラリーを浸潤させたものを用い、線速度３００ｍｍ／ｓで１０分間研磨する。この研磨により、絶縁膜３Ａの表面は平坦化され、絶縁膜３Ａの表面にある凹凸の高低差は１〜２ｎｍにまで小さくなる（研磨前は数ｎｍ〜数十ｎｍ）。
【００２８】
高低差１〜２ｎｍは、絶縁膜３Ａの材料の結晶格子１〜２個分の高さであり、理想的な平坦度と言える。また、この研磨で減少する絶縁膜３Ａの膜厚は、僅か１０ｎｍ程度であり、絶縁膜３Ａ全体の膜厚から見れば無視し得る微少量である。他の製造工程は、実施の形態１と同様である。
【００２９】
このような超電導素子の製造方法によれば、絶縁膜３Ａを機械研磨した後にエッチングして絶縁層３を形成するので、平坦な絶縁膜３Ａに対してエッチングすることができ、エッチング後の絶縁層３の表面の平坦度も向上する。従って、エッチングにより露出した第１の超電導電極２の表面の平坦度を向上させることができ、その後の露出部に対する研磨工程の負荷を軽減することができる。
【００３０】
また、第１の超電導電極２の表面を完全に露出させるための絶縁膜３Ａのオーバーエッチング量を最小限に抑えることができる。これにより、第１の超電導電極２の膜厚の減少を最小限に抑えることができ、第１の超電導電極２の初期膜厚を小さく設定することができる。同様に、絶縁層３の膜厚及び第２の超電導電極５の膜厚も小さく設定することができ、不要な結晶粒界の発生や素子特性のばらつきを最小限にできる。
【００３１】
実施の形態３．
次に、図３はこの発明の実施の形態３による超電導素子の製造方法を示す工程図である。この例では、第１の超電導薄膜２Ａを成膜した後で、第１の超電導薄膜２Ａをエッチングする前に、図３（ｋ）に示すように、第１の超電導薄膜２Ａの表面を機械研磨する。研磨方法としては、回転するポリシングクロスにアルミナ／鉱物油混合スラリーを浸潤させたものを用い、線速度３００ｍｍ／ｓで１０分間研磨する。この研磨により、第１の超電導薄膜２Ａの表面は平坦化され、第１の超電導薄膜２Ａの表面にある凹凸の高低差は１〜２ｎｍにまで小さくなる（研磨前は数ｎｍ〜数十ｎｍ）。
【００３２】
高低差１〜２ｎｍは、第１の超電導薄膜２Ａの材料である高温超電導体の結晶格子１〜２個分の高さであり、理想的な平坦度と言える。また、第１の超電導薄膜２Ａの成膜方法によっては、成膜直後の状態で最大高さ１００〜２００ｎｍの凸部が存在することがあるが、これも１０分間程度の研磨で完全に除去される。さらに、この研磨で減少する第１の超電導薄膜２Ａの膜厚は、僅か１０ｎｍ程度であり、第１の超電導薄膜２Ａ全体の膜厚から見れば無視し得る微少量である。他の製造工程は、実施の形態２と同様である。
【００３３】
このような超電導素子の製造方法によれば、第１の超電導薄膜２Ａを機械研磨した後にエッチングして第１の超電導電極２を形成するので、平坦な第１の超電導薄膜２Ａに対してエッチングすることができ、エッチング後の第１の超電導電極２の表面の平坦度も向上する。
【００３４】
従って、第１の超電導電極２のパターンを完全に切り出すための第１の超電導薄膜２Ａのオーバーエッチング量を最小限に抑えることができる。これにより、第１の超電導電極２の端面の段差高さを最小限に抑えることができ、絶縁層３の初期膜厚を最小限に設定できる。同様に、第２の超電導電極５の膜厚も小さく設定することができ、不要な結晶粒界の発生や素子特性のばらつきを最小限にできる。
【００３５】
実施の形態４．
次に、図４はこの発明の実施の形態４による超電導素子の製造方法を示す工程図である。この例では、第２の超電導薄膜５Ａを成膜した後で、上記超電導薄膜５Ａをエッチングする前に、図４（ｌ）に示すように、上記超電導薄膜５Ａの表面を機械研磨する。研磨方法としては、回転するポリシングクロスにアルミナ／鉱物油混合スラリーを浸潤させたものを用い、線速度３００ｍｍ／ｓで１０分間研磨する。この研磨により、第２の超電導薄膜５Ａの表面は平坦化され、第２の超電導薄膜５Ａの表面にある凹凸の高低差は１〜２ｎｍにまで小さくなる（研磨前は数ｎｍ〜数十ｎｍ）。
【００３６】
高低差１〜２ｎｍは、第２の超電導薄膜５Ａの材料である高温超電導体の結晶格子１〜２個分の高さであり、理想的な平坦度と言える。また、第２の超電導薄膜５Ａの成膜方法によっては、成膜直後の状態で最大高さ１００〜２００ｎｍの凸部が存在することがあるが、これも１０分間程度の研磨で完全に除去される。さらに、この研磨で減少する第１の超電導薄膜２Ａの膜厚は、僅か１０ｎｍ程度であり、第２の超電導薄膜５Ａ全体の膜厚から見れば無視し得る微少量である。他の製造工程は、実施の形態３と同様である。
【００３７】
このような超電導素子の製造方法によれば、第２の超電導薄膜５Ａを機械研磨した後にエッチングして第２の超電導電極５を形成するので、平坦な第２の超電導薄膜５Ａに対してエッチングすることができ、エッチング後の第２の超電導電極５の表面の平坦度も向上する。
【００３８】
従って、第２の超電導電極５のパターンを完全に切り出すための第２の超電導薄膜５Ａのオーバーエッチング量を最小限に抑えることができる。これにより、第１の超電導電極２の消失を防止することができ、第１の超電導電極２の初期膜厚を小さく設定することができる。同様に、絶縁層３の膜厚及び第２の超電導電極５の膜厚も小さく設定することができ、不要な結晶粒界の発生や素子特性のばらつきを最小限にできる。
【００３９】
なお、実施の形態４では、改質工程前、絶縁膜３Ａのエッチング工程前、第１の超電導薄膜２Ａのエッチング工程前、及び第２の超電導薄膜５Ａのエッチング工程前の４箇所のタイミングで機械研磨を行ったが、これらのうちのいずれか１箇所、２箇所又は３箇所のみのタイミングで選択的に機械研磨加工を行ってもよく、従来よりも超電導素子の品質を安定させることができる。
【００４０】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明の超電導素子の製造方法は、第１の超電導電極の露出した部分の表面を機械研磨した後、研磨した部分に改質工程を施し、さらに第２の超電導電極を形成するので、超電導弱接合部における第１の超電導電極及び第２の超電導電極が平坦化され、超電導電流の漏洩や接合抵抗のばらつきを防止することができ、超電導弱接合部の品質を安定して向上させることができる。
【００４１】
また、この発明の超電導素子の製造方法は、絶縁膜を機械研磨した後にエッチングして絶縁層を形成するので、平坦な絶縁膜に対してエッチングすることができ、エッチング後の絶縁層の表面の平坦度を向上させることができる。従って、露出した第１の超電導電極の表面の平坦度を向上させることができ、超電導電流の漏洩や接合抵抗のばらつきを防止することができ、超電導弱接合部の品質を安定して向上させることができる。
【００４２】
さらに、この発明の超電導素子の製造方法は、第１の超電導薄膜を機械研磨した後にエッチングして第１の超電導電極を形成するので、平坦な第１の超電導薄膜に対してエッチングすることができ、エッチング後の第１の超電導電極の表面の平坦度を向上させることができる。従って、超電導電流の漏洩や接合抵抗のばらつきを防止することができ、超電導弱接合部の品質を安定して向上させることができる。
【００４３】
さらにまた、この発明の超電導素子の製造方法は、第２の超電導薄膜を機械研磨した後にエッチングして第２の超電導電極を形成するので、平坦な第２の超電導薄膜に対してエッチングすることができ、エッチング後の第２の超電導電極の表面の平坦度を向上させることができる。従って、第２の超電導電極のパターンを完全に切り出すための第２の超電導薄膜のオーバーエッチング量を最小限に抑えることができる。これにより、第１の超電導電極の消失を防止することができ、第１の超電導電極の初期膜厚を小さく設定することができる。同様に、絶縁層の膜厚及び第２の超電導電極の膜厚も小さく設定することができ、不要な結晶粒界の発生や素子特性のばらつきを最小限にできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１による超電導素子の製造方法を示す工程図である。
【図２】この発明の実施の形態２による超電導素子の製造方法を示す工程図である。
【図３】この発明の実施の形態３による超電導素子の製造方法を示す工程図である。
【図４】この発明の実施の形態４による超電導素子の製造方法を示す工程図である。
【符号の説明】
１　基板、２　第１の超電導電極、２Ａ　第１の超電導薄膜、３　絶縁層、３Ａ　絶縁膜、４　改質部、５　第２の超電導電極、５Ａ　第２の超電導薄膜。
【図１】
2004103795.tif 000003
【図２】
2004103795.tif 000004
【図３】
2004103795.tif 000005
【図４】
2004103795.tif 000006