(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｂｉ−２２１２単結晶基板と、
前記Ｂｉ−２２１２単結晶基板の表面上の所定の領域に形成した第１電極と、
前記Ｂｉ−２２１２単結晶基板の表面上の前記第１電極の両側の前記第１電極と離間した領域及び前記Ｂｉ−２２１２単結晶基板の側面に形成した第２電極と、
前記Ｂｉ−２２１２単結晶基板の表面を改質することにより、前記第１及び第２電極と自己整合的に形成した塩酸による改質層とを備え、
前記Ｂｉ−２２１２単結晶基板内における前記第１電極の下部であって前記塩酸による改質層に挟まれた領域を多層構造のトンネル接合として用いる
ことを特徴とするメサ型超伝導素子。
【請求項２】
前記多層構造のトンネル接合の数は、前記塩酸による改質層の膜厚を制御することにより決定される
ことを特徴とする請求項１記載のメサ型超伝導素子。
【請求項３】
前記多層構造のトンネル接合として用いられる領域は、前記塩酸による改質層に囲まれた円筒形の領域である
ことを特徴とする請求項２記載のメサ型超伝導素子。
【請求項４】
前記第１及び第２電極は金からなる
ことを特徴とする請求項２記載のメサ型超伝導素子。
【請求項５】
前記Ｂｉ−２２１２単結晶基板の表面上及び側面に第１及び第２電極となる金属層を形成し、
前記金属層をエッチングすることにより、前記Ｂｉ−２２１２単結晶基板の表面上の所定の領域に前記第１電極を形成し、かつ、前記Ｂｉ−２２１２単結晶基板の表面上の前記第１電極の両側の前記第１電極と離間した領域及び前記Ｂｉ−２２１２単結晶基板の側面に前記第２電極を形成すると共に、前記Ｂｉ−２２１２単結晶基板の表面の一部を露出させ、
前記露出したＢｉ−２２１２単結晶基板の表面を改質することにより、前記第１及び第２電極と自己整合的に塩酸による改質層を形成し、
前記Ｂｉ−２２１２単結晶基板内における前記第１電極の下部であって前記塩酸による改質層に挟まれた領域を多層構造のトンネル接合として用いる
ことを特徴とするメサ型超伝導素子の製造方法。
【請求項６】
前記露出したＢｉ−２２１２単結晶基板の表面の改質は、所定の濃度の塩酸溶液に当該メサ型超伝導素子を浸漬することにより行う
ことを特徴とする請求項５記載のメサ型超伝導素子の製造方法。
【請求項７】
前記塩酸による改質層の膜厚は、前記浸漬の時間により制御され、
前記多層構造のトンネル接合の数は、前記塩酸による改質層の膜厚を制御することにより決定される
ことを特徴とする請求項６記載のメサ型超伝導素子の製造方法。
【請求項８】
前記金属層は金からなり、前記金属層のエッチングは所定の溶液を用いたウェットエッチングにより行う
ことを特徴とする請求項５記載のメサ型超伝導素子の製造方法。
【請求項９】
前記塩酸による改質層の形成の後、配線層となる第２金属層を形成し、
前記第２金属層をエッチングすることにより、前記第１及び第２電極に接続する前記配線層を形成する
ことを特徴とする請求項５記載のメサ型超伝導素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、メサ型超伝導素子及びその製造方法に関し、特に、ビスマス系超伝導体を用い、結晶改質を利用した自己平坦化により素子を形成するメサ型超伝導素子及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ビスマス（Ｂｉ）系超伝導体の１つであるＢｉ2 Ｓｒ2 ＣａＣｕ2 Ｏx （ＢＳＣＣＯ）は、特有の結晶構造（Ｂ−２２１２）を有する。この明細書では、Ｂｉ2 Ｓｒ2 ＣａＣｕ2 Ｏx をＢｉ−２２１２と表記することとする。Ｂｉ−２２１２を用いると、超伝導体−絶縁体−超伝導体（ＳＩＳ）からなるトンネル接合（ＳＩＳ接合）の多層（例えば、１５０層）構造を、容易に形成することができる。そこで、Ｂｉ−２２１２を利用して、トンネル現象を利用した新しい電子デバイスを作製できると期待されている。
【０００３】
例えば、ビスマス２２１２系酸化物高温超伝導体（即ち、Ｂｉ−２２１２）の単結晶を微細加工して、ジョセフソン接合（トンネル接合）面を形成し、量子化されたジョセフソン磁束線のジョセフソン接合面内への出入れによってジョセフソン磁束線フロー電圧に周期的な振動が発生する動作原理を有するジョセフソン磁束線素子が提案されている（特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００３−６９０９８号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来のＢｉ−２２１２を用いた素子では、前述の特許文献１に示されるように、ジョセフソン接合部を縦（垂直）方向にしか形成できない。即ち、ドライエッチ、例えばＡｒイオンミリングによって微細加工を行なっていたので、電極／Ｂｉ−２２１２（多層のトンネル接合）／電極を縦方向に重ねた構造しか形成することができない。このため、Ｂｉ−２２１２を用いた素子は、その電極構造まで含めると、平坦化層（ＳｉＯ2 層等）が必要となりプロセスが複雑になる。
【０００５】
このような構造を避けるためには、平坦化のために例えばスパッタリングによりＳｉＯ2 膜（平坦化膜）を厚く形成しなければならず、加工の工程が多くなり、加工時間も長くなる。また、ステップカバレッジの問題の発生が避けられない。
【０００６】
また、微細加工にＡｒイオンミリングを用いると、ミリング装置が高価な上に、高エネルギのＡｒイオンにより露光用レジストへのダメージやＢｉ−２２１２単結晶（特に側面）の破壊によるリーク電流の増加が避けられない。
【０００７】
更に、Ｂｉ−２２１２単結晶は下部の電極上に積層されるのみであり、その厚さを制御することが事実上できない。このため、電極間に存在する多層のトンネル接合の膜厚、即ち、トンネル接合の数を制御することができず、従って、トンネル接合の特性を制御することができない。
【０００８】
本発明は、ビスマス系超伝導体を用い、結晶改質を利用した自己平坦化により素子を形成したメサ型超伝導素子を提供することを目的とする。
【０００９】
また、本発明は、ビスマス系超伝導体を用い、結晶改質を利用した自己平坦化により素子を形成するメサ型超伝導素子の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明のメサ型超伝導素子は、Ｂｉ−２２１２単結晶基板と、前記Ｂｉ−２２１２単結晶基板の表面上の所定の領域に形成した第１電極と、前記Ｂｉ−２２１２単結晶基板の表面上の前記第１電極の両側の前記第１電極と離間した領域及び前記Ｂｉ−２２１２単結晶基板の側面に形成した第２電極と、前記Ｂｉ−２２１２単結晶基板の表面を改質することにより、前記第１及び第２電極と自己整合的に形成した塩酸による改質層とを備え、前記Ｂｉ−２２１２単結晶基板内における前記第１電極の下部であって前記塩酸による改質層に挟まれた領域を多層構造のトンネル接合として用いる。
【００１１】
本発明のメサ型超伝導素子の製造方法は、前記Ｂｉ−２２１２単結晶基板の表面上及び側面に第１及び第２電極となる金属層を形成し、前記金属層をエッチングすることにより、前記Ｂｉ−２２１２単結晶基板の表面上の所定の領域に前記第１電極を形成し、かつ、前記Ｂｉ−２２１２単結晶基板の表面上の前記第１電極の両側の前記第１電極と離間した領域及び前記Ｂｉ−２２１２単結晶基板の側面に前記第２電極を形成すると共に、前記Ｂｉ−２２１２単結晶基板の表面の一部を露出させ、前記露出したＢｉ−２２１２単結晶基板の表面を改質することにより前記第１及び第２電極と自己整合的に塩酸による改質層を形成し、前記Ｂｉ−２２１２単結晶基板内における前記第１電極の下部であって前記塩酸による改質層に挟まれた領域を多層構造のトンネル接合として用いる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明のメサ型超伝導素子及びその製造方法によれば、第１及び第２電極に自己整合的に塩酸による改質層を形成すると共に、その膜厚を溶液への含浸時間により制御する。これにより、Ｂｉ−２２１２を用いたメサ型超伝導素子において、ジョセフソン接合部を縦（垂直）方向に形成すると共に、塩酸による改質層の間に存在する多層のトンネル接合の膜厚、即ち、トンネル接合の数を制御することができる。従って、トンネル接合の特性を制御することができる。また、素子構造をメサ型とすることができるので、集積化に適した構造とすることができ、平坦化膜を省略することができ、この結果、加工の工程を減らし、加工時間を短縮し、ステップカバレッジの問題も無くすことができる。更に、微細加工にドライエッチ（例えばＡｒイオンミリング）を用いないので、高価な装置は不要であり、露光用レジストへのダメージやＢｉ−２２１２単結晶（特に側面）の破壊とリーク電流の増加を無くすことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
図１はメサ型超伝導素子の構成図であり、本発明のメサ型超伝導素子の構造を示す。特に、図１（Ａ）は本発明のメサ型超伝導素子の図１（Ｂ）の切断面１Ａ−１Ａに沿う断面構造の概略を示し、図１（Ｂ）は本発明のメサ型超伝導素子の平面構造の概略を示す。
【００１４】
このメサ型超伝導素子は、Ｂｉ−２２１２単結晶基板１、絶縁基板２、接着剤３、第１金属層４（図１０参照）からなる第１電極４１及び第２電極４２、塩酸による改質層６、第２金属層７（図１１参照）からなる第１配線層７１及び第２配線層７２、パシべーション膜９、コネクティングワイヤ１０からなる。第１電極４１及び第２電極４２は、各々、第１配線層７１及び第２配線層７２と一体に形成される。図１（Ｂ）において、パシべーション膜９の図示は省略している。
【００１５】
Ｂｉ−２２１２単結晶基板１は接着剤３により絶縁基板２に固定的に設けられる。接着剤３は、例えばポリイミド（又は、銀ペースト）からなる。絶縁基板２は、例えばシリコンの単結晶基板又はガラス基板からなる。Ｂｉ−２２１２単結晶基板１は、図２を参照して後述するようにして形成され、周知のように、それ自体が多層構造のトンネル接合（ＳＩＳ接合）を有する超伝導材料である。Ｂｉ−２２１２単結晶基板１は、多層構造のトンネル接合の各層が当該基板の表面（主表面）に平行になるように当該単結晶を切断される。従って、Ｂｉ−２２１２単結晶基板１は、図１（Ａ）に示すように、多層構造のトンネル接合の各層が当該Ｂｉ−２２１２単結晶基板１（又は絶縁基板２）の表面（主表面）に平行であって、これと垂直な方向に多層のトンネル接合が形成された構造を有する。
【００１６】
第１電極４１は、Ｂｉ−２２１２単結晶基板１の表面上の所定の領域に形成される。例えば、第１電極４１は、図１（Ｂ）に示すように、その直径が５０μｍ（５０μφ）の円形の領域とされる。第２電極４２は、Ｂｉ−２２１２単結晶基板１の表面上の第１電極４１の両側における第１電極４１と離間した領域、及び、Ｂｉ−２２１２単結晶基板１の側面に形成される。第１及び第２電極４１及び４２は、例えば金（Ａｕ）からなる。塩酸による改質層６は、Ｂｉ−２２１２単結晶基板１の表面を改質することにより、第１及び第２電極４１及び４２と自己整合的に形成される。配線層７１及び７２は、各々、第１及び第２電極４１及び４２に接続される。配線層７１及び７２は、例えば第１及び第２電極と同一の金属即ち金（Ａｕ）からなる。
【００１７】
Ｂｉ−２２１２単結晶基板１の表面の改質は、図７を参照して後述するが、簡単に言うとＢｉ−２２１２単結晶の塩化と言うこともできる。具体的には、Ｂｉ−２２１２の単結晶の結晶構造はそのままに、超伝導体−絶縁体−超伝導体（ＳＩＳ）の積層のうち、超伝導体の部分のみを塩化物に転換することを言う。本発明のメサ型超伝導素子においては、Ｂｉ−２２１２単結晶基板１の表面から塩化が進行するので、当該表面側に位置する超伝導体の部分から内部方向に向かって順に塩化物とされる。
【００１８】
本発明のメサ型超伝導素子においては、Ｂｉ−２２１２単結晶基板１内における第１電極４１の下部であって塩酸による改質層６に挟まれた（囲まれた）領域が、多層構造のトンネル接合１１として用いられる。この多層構造のトンネル接合１１として用いられる領域は、塩酸による改質層に囲まれた円筒形の領域である。この多層構造のトンネル接合１１の数は、後述するように、塩酸による改質層６の膜厚を制御することにより決定され、例えば数層〜十数層である。即ち、第１電極４１と、Ｂｉ−２２１２単結晶基板１の側面で第２電極４２に接続された超伝導層との間において、直列接続された複数のトンネル接合１１が（複数の直列接続された）ジョセフソン素子として機能する。第２電極４２に接続された超伝導層は、塩酸による改質層６の直下の層である。なお、従来は、素子構造が異なる上に、例えば１５０層以下の膜厚とすることはできなかった。
【００１９】
また、本発明のメサ型超伝導素子においては、図１（Ａ）に示すように、Ｂｉ−２２１２単結晶基板１の表面と、その改質により形成された塩酸による改質層６の表面とがほぼ平坦なものとされる。これは、Ｂｉ−２２１２単結晶基板１の改質の条件を最適なものに設定することにより、塩酸による改質層６の形成とそのエッチングとがほぼ同時に進行するように制御することができるためである。従って、塩酸による改質層６は、あたかもＢｉ−２２１２単結晶基板１をその表面から結晶改質して絶縁物としたように形成される。これにより、第１及び第２電極４１及び４２とＢｉ−２２１２単結晶基板１（多層構造のトンネル接合１１）との間の接続において、ステップカバレッジが問題となることはない。
【００２０】
図２はＢｉ−２２１２の単結晶の製造方法を示す図であり、本発明のメサ型超伝導素子の製造に用いるＢｉ−２２１２の単結晶の製造について示す。図２（Ａ）に示すように、Ｂｉ−２２１２の単結晶を製造するための粉末を用意する。このＢｉ−２２１２の単結晶の構造式Ｂｉ2 Ｓｒ2 ＣａＣｕ2 Ｏx においてＸ＝８＋δである。この粉末を用いて、周知の自己フラックス法により単結晶を合成する。即ち、図２（Ｂ）に示すように、アルミナ坩堝の底から順に粉末を層状に充填し、アルミナ蓋（ｃａｐ）に加重を加える。この状態で、図２（Ｂ）の温度勾配となるように、加熱及び冷却する。図２（Ｂ）において、縦軸は温度（°Ｃ）、横軸は時間（時間）である。冷却は自然冷却による。
【００２１】
図３はＢｉ−２２１２の単結晶の抵抗−温度（Ｒ−Ｔ）特性を示す図であり、図２の製造方法により製造したＢｉ−２２１２の単結晶の温度による抵抗の変化について示す。図３に示すように、このＢｉ−２２１２の単結晶は、約８７．６Ｋまでは抵抗が「０」を維持している。従って、低温領域では超伝導性を持ち、良質な単結晶であることが判る。
【００２２】
図４はＢｉ−２２１２の単結晶表面への絶縁物形成を示す図であり、図２の製造方法により製造したＢｉ−２２１２の単結晶表面への各種の酸による絶縁物形成について示す。即ち、前述のＢｉ−２２１２の単結晶の表面を各種の酸（当該酸の溶液）にディップする（浸漬する）ことにより、当該表面に絶縁物（絶縁層）を形成した。酸としては、酢酸、硝酸、硫酸、塩酸を用いた。この実験によれば、図４（Ａ）に示す結果が得られる。即ち、絶縁性（抵抗率）についてみると、酢酸及び硫酸による絶縁層はあまり絶縁性が良くなく、硝酸による絶縁層は比較的絶縁性が良く、塩酸による絶縁層（塩酸による改質層）は絶縁性が良いことが判る。なお、抵抗率は、図４（Ｂ）に示すように、インジウム（Ｉｎ）の電極１０’をＢｉ−２２１２の単結晶表面に設けた塩酸による改質層６’の表面と、Ｂｉ−２２１２の単結晶１’の裏面とに設けることにより測定した（図５において同じ）。また、単位長さ当たりの抵抗（ｋΩ）に換算して示している（図５において同じ）。これにより、絶縁層として十分に使用できることを示している。平坦度についてみると、酢酸及び硝酸による絶縁層は平坦でなく、硫酸による絶縁層は比較的平坦であり、塩酸による絶縁層は平坦であることが判る。これにより、素子との接続におけるステップカバレッジの問題を回避できることを示している。従って、総合的に判断すると、Ｂｉ−２２１２の単結晶の表面に形成する絶縁膜としては、プロセスの観点からは、塩酸によりウェットプロセスで形成した絶縁層（塩酸による改質層）が適していることが判る。
【００２３】
図５は、Ｂｉ−２２１２の単結晶表面に図４の方法により製造した塩酸による改質層の抵抗率について示す。図５において、縦軸は抵抗率Ｒ、横軸は塩酸溶液の濃度（％）である。塩酸溶液へのディップ時間は５秒である。図５から判るように、この塩酸による改質層の抵抗率Ｒは、塩酸溶液の濃度が約０．５％以上であれば、当該濃度には依存せず、約６ｋΩで安定していることが判る。従って、基板内における素子分離のための絶縁層として応用可能であることを示している。
【００２４】
図６は、Ｂｉ−２２１２の単結晶表面に図４の方法により製造した塩酸による改質層の膜厚について示す。図６において、縦軸は塩酸による改質層の膜厚（μｍ）、横軸は塩酸溶液へのディップ時間（秒）である。塩酸溶液の濃度は１％である。図６から判るように、この塩酸による改質層の膜厚は、塩酸溶液へのディップ時間にほぼ比例することが判る。従って、塩酸溶液へのディップ時間を制御することにより、塩酸による改質層の膜厚を制御することができることを示している。これにより、後述するように、塩酸による改質層の膜厚はディップ時間により制御され、多層構造のトンネル接合（１１）の数は塩酸による改質層の膜厚を制御することにより決定される。
【００２５】
なお、塩酸溶液の濃度を１％よりも濃くすると、この直線が矢印Ａの方向へ向けて傾きが急になるように変化する。スループットを重視する場合には濃い濃度を選択するが、膜厚の制御性が低下する。塩酸溶液の濃度を１％よりも薄くすると、この直線が矢印Ｂの方向へ向けて傾きが緩やかになるように変化する。膜厚の制御性を重視する場合には薄い濃度を選択するが、スループットが低下する。従って、塩酸による改質層の膜厚の制御は、実際には、塩酸溶液の濃度と、塩酸溶液へのディップ時間とにより制御する。両者を正確に管理することにより、多層構造のトンネル接合（１１）の数を制御（決定）することができる。
【００２６】
図７は、Ｂｉ−２２１２の単結晶表面に図４の方法（塩酸溶液の濃度は１％）により製造した塩酸による改質層のＸ線解析の結果を示す。図７において、縦軸は特性Ｘ線の強度（ａｕ．）、横軸は角度θ／２θ（ｄｅｇ）である。図７において、００８等の数字を付したピークはＢｉ−２２１２の単結晶からの特性Ｘ線である。一方、００８のピークの右横のピーク、００１２のピークの右横のピーク、００１６のピークの希望の３個のピークは、塩酸による改質層からの特性Ｘ線である。図７から、Ｂｉ−２２１２の単結晶の結晶構造はそのままに絶縁物である塩酸による改質層が形成されていることが判る。従って、塩酸による改質層はあたかもＢｉ−２２１２の単結晶を結晶構造をそのままにして改質することにより形成されていることが判る。
【００２７】
図８及び図９は、Ｂｉ−２２１２の単結晶表面に図４の方法により製造した塩酸による改質層の境界層（境界の領域）の幅及び厚さについて示す。なお、この場合、本発明のメサ型超伝導素子と同様に、その直径が５０μｍ（５０μφ）の円形の領域（第１電極４１下の接合窓の大きさに相当する）の周囲を囲むように改質した。
【００２８】
図８において、縦軸は塩酸による改質層の端部における境界層の幅（μｍ）、横軸は塩酸溶液の濃度（％）である。図８から判るように、この塩酸による改質層の端部の境界層の幅は、塩酸溶液の濃度にある程度依存し、当該濃度が低いほど境界層の幅も小さくなる傾向があることが判る。しかし、塩酸による改質層の端部の境界層の幅は約２μｍ程度（０．５〜４．０μｍ）であり、接合窓が５０μｍφであるとすると、あまり大きくはないと言うことができる。
【００２９】
図９において、その左側に示すように、Ｂｉ−２２１２の単結晶表面に部分的に塩酸による改質層を形成した場合、Ｂｉ−２２１２の単結晶表面の点Ａと当該塩酸による改質層における点Ｂとを結ぶ直線を考え、当該直線上の表面荒さ（ＡＦＭデータ）に着目する。図９の右側に示すように、点Ｂの領域（塩酸による改質層）の表面荒さは、点Ａの領域（Ｂｉ−２２１２の単結晶表面）の表面荒さよりも大きい。しかし、表面自体の位置（高さ、又は、表面荒さの平均値）においては殆ど差がないことが判る。即ち、境界層の厚さ（境界層厚）は殆ど０であると言うことができる。表面の最大の高低差を考えても、２００オングストローム以内である。境界層の幅は約２μｍ程度であり、境界層厚は殆ど０であるので、十分な平坦性を確保していると言うことができる。
【００３０】
図１０及び図１１はメサ型超伝導素子の製造方法を示す図であり、一体となって１つの図面をなし、本発明のメサ型超伝導素子の製造方法を示す。
【００３１】
図１０（Ａ）に示すように、Ｂｉ−２２１２単結晶基板１を周知の方法により壁開させて、所定の大きさのチップを得て、これを絶縁基板２上に接着剤３で固定する。絶縁基板２は、例えば周知のシリコン単結晶基板、シリコン多結晶基板、ガラス基板等からなる。接着剤３は、例えば周知のポリイミドからなる。この状態で、壁開のために用いた接着テープの残渣物（有機物）を、例えば周知のアッシングにより除去する。この時、例えば３５ミリＴｏｒｒのＯ2 雰囲気ガス中で５０Ｗで１０分間アッシングする。
【００３２】
次に、図１０（Ｂ）に示すように、Ｂｉ−２２１２単結晶基板１の表面上及び側面に第１及び第２電極となる第１金属層４として、例えば金（Ａｕ）の導体膜４を例えばスパッタにより５００〜５５０オングストロームの厚さに形成する。この時、例えば３０ミリＴｏｒｒのＡｒ雰囲気ガス中で５０Ｗで３分間スパッタリングする。
【００３３】
次に、図１０（Ｃ）に示すように、フォトレジストを塗布し、周知のフォトリソグラフにより、金の導体膜４のエッチング等のためのフォトレジマスク５を形成する。このフォトレジマスク５は、例えば中心の円の直径が５０ミクロンとされ、その周囲の開口部の直径が１５０〜２００ミクロンとされる。このフォトレジマスク５を用いて、金の導体膜４を所定の溶液を用いてケミカルエッチング（ウェットエッチング）する。例えば、１：４＝水：（ＫＩ＋Ｉ2 ）の組成のエッチング液に絶縁基板２全体を２分間含浸することにより、エッチングする。これにより、フォトレジマスク５の開口部において、金の導体膜４が除去され、Ｂｉ−２２１２単結晶基板１の表面が露出する。
【００３４】
このように、金の導体膜４を選択的にエッチングすることにより、Ｂｉ−２２１２単結晶基板１の表面上の所定の領域に、第１電極４１を形成し、かつ、Ｂｉ−２２１２単結晶基板１の表面上の第１電極の両側の第１電極４１と離間した領域及びＢｉ−２２１２単結晶基板１の側面に第２電極４２を形成する。また、これと共に、Ｂｉ−２２１２単結晶基板１の表面の一部を露出させる。
【００３５】
次に、図１０（Ｄ）に示すように、フォトレジマスク５をそのまま用いて、露出したＢｉ−２２１２単結晶基板１の表面を改質することにより、第１及び第２電極４１及び４２と自己整合的に塩酸による改質層６を形成する。この改質は、所定の濃度の塩酸溶液に当該絶縁基板２全体を浸漬することにより行う。塩酸による改質層６の膜厚は、前記浸漬の時間により制御される。これにより、多層構造のトンネル接合１１の数は、塩酸による改質層６の膜厚を制御することにより決定することができる。例えば、０．５％の濃度の塩酸溶液に絶縁基板２全体を５秒間含浸することにより、改質を行う。これにより、絶縁物である塩酸による改質層６が金の導体膜４に対して自己整合的に形成され、かつ、塩酸による改質層６がＢｉ−２２１２単結晶基板１と平坦に形成される。この結果、Ｂｉ−２２１２単結晶基板１内における第１電極４１の下部であって塩酸による改質層６に挟まれた領域を、多層構造のトンネル接合１１として用いることができる。
【００３６】
次に、図１１（Ａ）に示すように、フォトレジマスク５をリフトオフすることにより、金の導体膜４からなる第１及び第２電極４１及び４２等の表面を露出させる。例えば、３０〜４０°Ｃのアセトン溶液に絶縁基板２全体を含浸してリフトオフすることにより、フォトレジマスク５を除去する。この後、フォトレジマスク５の残渣物（有機物）を、例えば周知のアッシングにより除去する。この時、例えば３５ミリＴｏｒｒのＯ2 雰囲気ガス中で５０Ｗで１０分間アッシングする。
【００３７】
次に、図１１（Ｂ）に示すように、露出した第１及び第２電極４１及び４２等の上に、配線層となる第２金属層７として、金（Ａｕ）の導体膜７を例えばスパッタにより５００〜１１００オングストロームの厚さに形成する。この時、例えば２０〜３０ミリＴｏｒｒのＡｒ雰囲気ガス中で、３０Ｗで、１．５〜６分間スパッタリングする。これにより、絶縁基板２上の全面に、金の導体膜７が形成される。金の導体膜７は金の導体膜４と一体となる。
【００３８】
次に、図１１（Ｃ）に示すように、フォトレジストを塗布し、周知のフォトリソグラフにより、金の導体膜７のエッチング等のためのフォトレジマスク８を形成する。このフォトレジマスク８は、配線層パターンの形状とされる。このフォトレジマスク８を用いて、金の導体膜７を所定の溶液を用いてケミカルエッチング（ウェットエッチング）する。例えば、１：４＝水：（ＫＩ＋Ｉ2 ）の組成のエッチング液に絶縁基板２全体を２分間含浸することにより、エッチングする。これにより、金の導体膜７等からなる１個の第１の配線層７１及び２個の第２の配線層７２が形成される（図１１（Ｄ）参照）。第１の配線層７１は第１電極４１と一体に形成され、第２の配線層７２は第２電極４２と一体に形成される。
【００３９】
この後、図１１（Ｄ）に示すように、フォトレジマスク８をリフトオフすることにより、第１及び第２の配線層７１及び７２等の表面を露出させる。例えば、３０〜４０°Ｃのアセトン溶液に絶縁基板２全体を含浸してリフトオフすることにより、フォトレジマスク８を除去する。
【００４０】
この後、図１（Ａ）に示すように、絶縁基板２の全体に渡って絶縁膜（例えば、ＳｉＯ2 膜）からなるパシべーション膜９をスパッタリングにより厚く形成し、ボンディングエリアを開口した後、例えばワイヤボンディングにより、第１の電極７１の両端及び第２の電極７２にリード線（コネクティングワイヤ）１０を接続する。ワイヤボンディングは、図１（Ｂ）に示すように、その下部にＢｉ−２２１２単結晶基板１の存在しない位置に行われる。
【００４１】
図１２乃至図１４は、本発明のメサ型超伝導素子の特性説明図であり、図１０及び図１１の製造方法により製造した本発明のメサ型超伝導素子の各特性を示す。図１２において、０．５％の塩酸溶液に５秒間浸漬することにより塩酸による改質層６を形成した場合における本発明のメサ型超伝導素子の電流−電圧特性を示す。トンネル接合１１の数がこの例では２２個と少ないことが判る。なお、周囲温度は７Ｋである。図１３において、臨界電流Ｉｃは８０Ｋでほぼ０となっている。１／２Ｉｃとなるのは約６０Ｋである。従って、約８０Ｋまで本発明のメサ型超伝導素子が動作していることが判る。図１４において、臨界電流Ｉｃが磁場に依存することが判る。実測値（黒丸で示す）として、実線で示す理論値（Owen Scalapino Theory ）に近い結果が得られていることが判る。
【００４２】
以上、本発明をその実施の形態に従って説明したが、本発明は、その主旨の範囲において種々の変形が可能である。例えば、１枚の絶縁基板２上に複数のＢｉ−２２１２単結晶基板１を設け、その各々に本発明のメサ型超伝導素子を形成するようにしても良い。この場合、更に、これらのメサ型超伝導素子の間を絶縁基板２上に形成した配線層により接続するようにしても良い。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
以上説明したように、本発明によれば、メサ型超伝導素子及びその製造方法において、多層のトンネル接合の膜厚即ちトンネル接合の数を制御することにより、トンネル接合の特性を制御することができる。また、素子構造をメサ型とすることにより、集積化に適した構造とすることができ、加工の工程を減らし、加工時間を短縮し、ステップカバレッジの問題を無くすことができる。更に、微細加工にドライエッチを用いないので、露光用レジストへのダメージやＢｉ−２２１２単結晶の破壊とリーク電流の増加を無くすことができる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明のメサ型超伝導素子を示す図である。
【図２】本発明のメサ型超伝導素子に用いるＢｉ−２２１２単結晶説明図である。
【図３】本発明のメサ型超伝導素子に用いるＢｉ−２２１２単結晶説明図である。
【図４】本発明のメサ型超伝導素子に用いるＢｉ−２２１２単結晶への絶縁膜の形成説明図である。
【図５】本発明のメサ型超伝導素子に用いる塩酸による改質層説明図である。
【図６】本発明のメサ型超伝導素子に用いる塩酸による改質層説明図である。
【図７】本発明のメサ型超伝導素子に用いる塩酸による改質層説明図である。
【図８】本発明のメサ型超伝導素子に用いる塩酸による改質層説明図である。
【図９】本発明のメサ型超伝導素子に用いる塩酸による改質層説明図である。
【図１０】本発明のメサ型超伝導素子の製造方法を示す図である。
【図１１】本発明のメサ型超伝導素子の製造方法を示す図である。
【図１２】本発明のメサ型超伝導素子の各特性を示す図である。
【図１３】本発明のメサ型超伝導素子の各特性を示す図である。
【図１４】本発明のメサ型超伝導素子の各特性を示す図である。
【符号の説明】
【００４５】
１    Ｂｉ−２２１２単結晶基板
２    絶縁基板
３    接着剤
４    第１金属層
６    塩酸による改質層
７    第２金属層
９    パシべーション膜
１０    コネクティングワイヤ
１１    トンネル接合
４１    第１電極
４２    第２電極
７１    第１配線層
７２    第２配線層
【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】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１３】
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【図１４】
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【図９】
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【図１２】
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