JP2509964B2 - 超電導デバイスとその製造方法 - Google Patents
超電導デバイスとその製造方法Info
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Description
【発明の詳細な説明】 以下の順序で本発明を説明する。
A.産業上の利用分野 B.従来技術 C.発明が解決しようとする問題点 D.問題点を解決するための手段 E.実施例 E1.概要 ED.デバイスの構造 E3.製造方法 F.発明の効果 A.産業上の利用分野 本発明は30゜K以上の温度で超電導性を示すような、
高いTcの超電導体を用いた新規なデバイス及びそのデバ
イスの製造方法に関し、特に実質的に平坦な高Tc SQUI
Dデバイス及びその製造方法に関する。
高いTcの超電導体を用いた新規なデバイス及びそのデバ
イスの製造方法に関し、特に実質的に平坦な高Tc SQUI
Dデバイス及びその製造方法に関する。
B.従来技術 超電導性とは、通常、ある厳密に決定された温度で材
料の電気抵抗が完全にゼロになることであると定義され
る。そこのことは周期律表の約1/4の元素と1000種類以
上の合金とその他の複合成分システムを含む多くの材料
で起こることが知られている。一般的には、超電導性を
ひき起こす条件下ですべての超電導体が金属であるた
め、超電導性とは材料の金属状態の特性であると考えら
れている。例えば、通常は非金属であるいくつかの材料
も、超電導的なふるまいを呈するようになる前にそれら
の材料を金属に変換するような超高圧下に置くことによ
り、超電導性になるのである。
料の電気抵抗が完全にゼロになることであると定義され
る。そこのことは周期律表の約1/4の元素と1000種類以
上の合金とその他の複合成分システムを含む多くの材料
で起こることが知られている。一般的には、超電導性を
ひき起こす条件下ですべての超電導体が金属であるた
め、超電導性とは材料の金属状態の特性であると考えら
れている。例えば、通常は非金属であるいくつかの材料
も、超電導的なふるまいを呈するようになる前にそれら
の材料を金属に変換するような超高圧下に置くことによ
り、超電導性になるのである。
超電導体は、多くの応用技術、特にジヨセフソン型ス
イツチなどの高速スイツチング・デバイスや高密度パツ
ケージング及び回路エリアウトにきわめて魅力的である
ことが知られている。超電導体はまた異なるタイプの電
子装置にも使用され、きわめて正確且つ感度の高い磁化
計（susceptometer）及び磁力計（magnetometer）を与
える。
イツチなどの高速スイツチング・デバイスや高密度パツ
ケージング及び回路エリアウトにきわめて魅力的である
ことが知られている。超電導体はまた異なるタイプの電
子装置にも使用され、きわめて正確且つ感度の高い磁化
計（susceptometer）及び磁力計（magnetometer）を与
える。
ところが、超電導体の利点は科学者にも技術者にも全
く明らかであるけれども、超電導材料の共通の欠点は遷
移温度がきわめて低いことである。この温度は通常臨界
温度Tcと呼ばれ、この温度より高いと超電導性は存在し
ない。通常、Tcは数ケルビン温度のオーダーである。長
年の間、知られている最も高いTcをもつ組成は約23゜K
のTcを示すNb3Geであつた。これらの材料についての検
討は、M.R.Beasleyらによる、Phys.Today、37（10）、6
0（1984）に記載されている。
く明らかであるけれども、超電導材料の共通の欠点は遷
移温度がきわめて低いことである。この温度は通常臨界
温度Tcと呼ばれ、この温度より高いと超電導性は存在し
ない。通常、Tcは数ケルビン温度のオーダーである。長
年の間、知られている最も高いTcをもつ組成は約23゜K
のTcを示すNb3Geであつた。これらの材料についての検
討は、M.R.Beasleyらによる、Phys.Today、37（10）、6
0（1984）に記載されている。
従来、単元素金属系、合金系、金属間化合物系などの
超電導材料の超電導性特性ないし電導特性を改善ないし
変更するための次の３のカテゴリのイオン注入ないしイ
オン衝撃技術が提案され、その作用ないし効果が研究さ
れてきた。第１のカテゴリは、化学反応作用を利用して
超電導材料内に連続した非超電導金属相ないし絶縁物相
を形成することである。例えば超電導材料のNbが十分な
時間の間酸素イオンビームで照射されると非超電導性に
変換される。連続した絶縁相、すなわち絶縁層を形成す
るために化学反応を利用するので化学量論比に相当する
多量のイオン線量が必要になる。一般に、単イオン層厚
さの絶縁層の形状には1015原子個/cm2のオーダのイオン
が必要であるが、イオン注入におけるガウス分布のため
実際には同一注入深さに位置すべき単イオン層の形成に
は1017原子個/cm2のオーダのイオン線量の注入が必要に
なる。米国特許第4589001号明細書は、このタイプのイ
オン注入を開示している。
超電導材料の超電導性特性ないし電導特性を改善ないし
変更するための次の３のカテゴリのイオン注入ないしイ
オン衝撃技術が提案され、その作用ないし効果が研究さ
れてきた。第１のカテゴリは、化学反応作用を利用して
超電導材料内に連続した非超電導金属相ないし絶縁物相
を形成することである。例えば超電導材料のNbが十分な
時間の間酸素イオンビームで照射されると非超電導性に
変換される。連続した絶縁相、すなわち絶縁層を形成す
るために化学反応を利用するので化学量論比に相当する
多量のイオン線量が必要になる。一般に、単イオン層厚
さの絶縁層の形状には1015原子個/cm2のオーダのイオン
が必要であるが、イオン注入におけるガウス分布のため
実際には同一注入深さに位置すべき単イオン層の形成に
は1017原子個/cm2のオーダのイオン線量の注入が必要に
なる。米国特許第4589001号明細書は、このタイプのイ
オン注入を開示している。
第２のカテゴリは、ドーピング作用を利用して少量の
イオンドーピングにより超電導材料の電気特性を改善な
いし変更するものである。例えば、Fe,Niなどの注入イ
オンが或る特定の超電導材料の構成原子の一部を置換し
て超電導特性を破壊するものである。本共同発明者の一
人であるリチャード・ジョセフ・ガンビノは、先に、Ba
−Pb−Bi−Ｏ系の超電導材料中に少量のBiをドーピング
することにより半導体材料の電気特性に変換することを
発見して発表している。このカテゴリの作用が成就され
ているか否かは、特定の超電導材料と特定の注入イオン
ないし注入量との特定の組合せに依存する。
イオンドーピングにより超電導材料の電気特性を改善な
いし変更するものである。例えば、Fe,Niなどの注入イ
オンが或る特定の超電導材料の構成原子の一部を置換し
て超電導特性を破壊するものである。本共同発明者の一
人であるリチャード・ジョセフ・ガンビノは、先に、Ba
−Pb−Bi−Ｏ系の超電導材料中に少量のBiをドーピング
することにより半導体材料の電気特性に変換することを
発見して発表している。このカテゴリの作用が成就され
ているか否かは、特定の超電導材料と特定の注入イオン
ないし注入量との特定の組合せに依存する。
第３のカテゴリは、超電導材料の相構造（結晶構造）
を歪曲ないし変更（損傷と呼ぶ）して超電導特性を変更
ないし破壊するものである。同等の損傷を発生するエネ
ルギに調節されている限り、注入すべきイオンは活性原
子でも不活性ガス原子でもよい。このカテゴリのイオン
注入作用により発生した結晶構造の損傷は、通常、アニ
ーリングにより、除去されて元の超電導特性に復元す
る。例えば、約20゜Kの遷移温度を有するNb3Geはイオン
注入により損傷されると、通常の金属電導状態ないし３
゜Kの遷移温度の超電導材料に変化する。この材料を、7
50℃で20分間、アニーリングすると、19.5゜Kの遷移温
度に回復することが知られている（IEEE Trans.Mag.1
1,PP.208〜213（1975））。
を歪曲ないし変更（損傷と呼ぶ）して超電導特性を変更
ないし破壊するものである。同等の損傷を発生するエネ
ルギに調節されている限り、注入すべきイオンは活性原
子でも不活性ガス原子でもよい。このカテゴリのイオン
注入作用により発生した結晶構造の損傷は、通常、アニ
ーリングにより、除去されて元の超電導特性に復元す
る。例えば、約20゜Kの遷移温度を有するNb3Geはイオン
注入により損傷されると、通常の金属電導状態ないし３
゜Kの遷移温度の超電導材料に変化する。この材料を、7
50℃で20分間、アニーリングすると、19.5゜Kの遷移温
度に回復することが知られている（IEEE Trans.Mag.1
1,PP.208〜213（1975））。
しかし1986年、J.G.Bednorz及びK.A.Muellerによつて
Z.Phys.B−Condensed Matter、64 pp.189−193（1986）
に重要な技術的躍進が報告された。これは、この10年間
の超電導転移温度における最初の主要な向上であつた。
Bednorz及びMuellerによつて報告されている材料は、希
土類または近希土類及びアルカリ土類元素置換成分を含
みうる遷移金属酸化物であつた。それらは多くの場合酸
素欠損（deficiency）によつて特徴付けられる層状の結
晶構造である。このとき、遷移金属は多価でなくてはな
らないけれども、希土類、近希土類及びアルカリ土類元
素については多くの選択がなし得ると考えられている。
そのような材料の例としてLa−Sr−Cu−Ｏ及びＹ−Ba−
Cu−Ｏシステムにおける酸化物がある。これらの材料に
ついてさらに述べた別の文献として、J.G.Bedenorz、Eu
rophysics Letters、３（３）、pp.379−385（1987）が
ある。Bednoz及びMuellerによつて最初に記述された材
料の類、すなわち酸化物系超電導体、をこの後高Tc超電
導体と呼ぶことにする。これは、当技術分野で仕事をし
ている人々によつてこれらの材料のことを記述するため
に一般的に使用されている用語であり、それらの材料
は、約30゜K以上の超電導転移温度をもつ遷移金属酸化
物として特徴づけられる。
Z.Phys.B−Condensed Matter、64 pp.189−193（1986）
に重要な技術的躍進が報告された。これは、この10年間
の超電導転移温度における最初の主要な向上であつた。
Bednorz及びMuellerによつて報告されている材料は、希
土類または近希土類及びアルカリ土類元素置換成分を含
みうる遷移金属酸化物であつた。それらは多くの場合酸
素欠損（deficiency）によつて特徴付けられる層状の結
晶構造である。このとき、遷移金属は多価でなくてはな
らないけれども、希土類、近希土類及びアルカリ土類元
素については多くの選択がなし得ると考えられている。
そのような材料の例としてLa−Sr−Cu−Ｏ及びＹ−Ba−
Cu−Ｏシステムにおける酸化物がある。これらの材料に
ついてさらに述べた別の文献として、J.G.Bedenorz、Eu
rophysics Letters、３（３）、pp.379−385（1987）が
ある。Bednoz及びMuellerによつて最初に記述された材
料の類、すなわち酸化物系超電導体、をこの後高Tc超電
導体と呼ぶことにする。これは、当技術分野で仕事をし
ている人々によつてこれらの材料のことを記述するため
に一般的に使用されている用語であり、それらの材料
は、約30゜K以上の超電導転移温度をもつ遷移金属酸化
物として特徴づけられる。
MuellerとBednorzの先駆的な業績以後、これらの超電
導体をさらに発展させさらに高い臨界温度をもつ組成を
見出そうと相当に活発な技術的活動が行なわれている。
例えば、本出願人に係る1987年３月11日付出願の米国特
許第024653号があり、これには77゜K以上の温度で超電
導性を示す単一相Ｙ−Ba−Cu−Ｏシステムが記述されて
いる。この米国特許出願で述べられている代表的な組成
はA1M2Cu3Oyという化学式を有し、ここでＡはＹあるい
はＹ、La、ScまたはYbの組合せであり、ＭはBaあるいは
Ba、SrまたはCaの組合せであり、ｙは組成の原子価につ
いての要請を満足するに十分な数である。
導体をさらに発展させさらに高い臨界温度をもつ組成を
見出そうと相当に活発な技術的活動が行なわれている。
例えば、本出願人に係る1987年３月11日付出願の米国特
許第024653号があり、これには77゜K以上の温度で超電
導性を示す単一相Ｙ−Ba−Cu−Ｏシステムが記述されて
いる。この米国特許出願で述べられている代表的な組成
はA1M2Cu3Oyという化学式を有し、ここでＡはＹあるい
はＹ、La、ScまたはYbの組合せであり、ＭはBaあるいは
Ba、SrまたはCaの組合せであり、ｙは組成の原子価につ
いての要請を満足するに十分な数である。
これらの高Tc超電導体、特にLa−Sr−Cu−Ｏ及びＹ−
Ba−Cu−Ｏシステムを記述する文献として次のものがあ
る。
Ba−Cu−Ｏシステムを記述する文献として次のものがあ
る。
Cava他、Phys.Rev.Letters,58,408（1987）Chu他、Ph
ys.Rev.Letters,58,405（1987） 高Tc超電導体の分野の他の重要な進展として、高Tc組
成の膜、特にLa−Sr−Cu−Ｏ及びＹ−Ba−Cu−Ｏシステ
ムに属する膜の製作に成功したという最初の報告があつ
た。これらの膜は1987年３月18日にニユーヨーク市で開
催されたAmerican Physical Societyでの会合で報告さ
れ、R.B.Laibowitzらによる論文に記述されている。
ys.Rev.Letters,58,405（1987） 高Tc超電導体の分野の他の重要な進展として、高Tc組
成の膜、特にLa−Sr−Cu−Ｏ及びＹ−Ba−Cu−Ｏシステ
ムに属する膜の製作に成功したという最初の報告があつ
た。これらの膜は1987年３月18日にニユーヨーク市で開
催されたAmerican Physical Societyでの会合で報告さ
れ、R.B.Laibowitzらによる論文に記述されている。
Laibowitzらが教示するところは、酸素雰囲気にある
基板に金属原子を気相輸送するために複数の金属ソース
が使用される気相付着技術である。例えば、電子ビーム
加熱されたソースに所望の金属、例えばLa、Sr及びCuま
たはＹ、Ra、Cuが装填される。装着の速度は、基板に所
望の公称組成を与えるように調整される。そして所望の
化学量論比を与えるために約900℃の酸素雰囲気中での
アニーリングがその後行なわれる。
基板に金属原子を気相輸送するために複数の金属ソース
が使用される気相付着技術である。例えば、電子ビーム
加熱されたソースに所望の金属、例えばLa、Sr及びCuま
たはＹ、Ra、Cuが装填される。装着の速度は、基板に所
望の公称組成を与えるように調整される。そして所望の
化学量論比を与えるために約900℃の酸素雰囲気中での
アニーリングがその後行なわれる。
これらの膜とその製造処理については、1987年３月18
日に出願された本出願人に係る米国特許第027584号によ
り詳細に述べられている。
日に出願された本出願人に係る米国特許第027584号によ
り詳細に述べられている。
さて、これらの新しい高Tc超電導体の物理と科学を理
解するためにこれらの材料に関して多くの科学的研究が
なされているけれども、これらの高Tc超電導体を利用し
たデバイス及びそのデバイスの製造方法について報告し
た者はまだない。特に、これらの高Tc材料を有するデバ
イスが成功裡に動作したという報告もないし、実質的に
平坦な構造をもつそのようなデバイスを製造する技術の
報告もない。一般的には、超電導デバイスは、異なる材
料からなる複数の層を利用し、平坦でない幾何形状をも
つ。しかし、多結晶構造のため、電子の流れのポテンシ
ヤル障壁を与える粒状境界をもち、そしてトンネル効果
デバイスとして使用することのできる材料もある。その
ようなデバイスはしばしば境界層ジヨセフソン接合と呼
ばれ、次の文献に記載されている。
解するためにこれらの材料に関して多くの科学的研究が
なされているけれども、これらの高Tc超電導体を利用し
たデバイス及びそのデバイスの製造方法について報告し
た者はまだない。特に、これらの高Tc材料を有するデバ
イスが成功裡に動作したという報告もないし、実質的に
平坦な構造をもつそのようなデバイスを製造する技術の
報告もない。一般的には、超電導デバイスは、異なる材
料からなる複数の層を利用し、平坦でない幾何形状をも
つ。しかし、多結晶構造のため、電子の流れのポテンシ
ヤル障壁を与える粒状境界をもち、そしてトンネル効果
デバイスとして使用することのできる材料もある。その
ようなデバイスはしばしば境界層ジヨセフソン接合と呼
ばれ、次の文献に記載されている。
M.Ito他、Japanese Journal of Applied Physics,21
No.6、pp.L375−L376、1982年６月 M.Ito他、Appl.Phys.Lett.43（３）、pp.314、1983年
８月１日 T.Inamura他、Japanese Journal of Applied Physic
s、21 Supplement 21−１、pp.313−318、1982 これらの文献に記述されているデバイスは、その製造
処理の間に付着膜となる粒状境界を有する。しかし、こ
れらの文献は超電導領域と非超電導領域を制御可能に製
造するような方法で付着膜を処理する方法を教示しない
し、SQUIDのようなデバイスを製造する方法を示すもの
でもない。
No.6、pp.L375−L376、1982年６月 M.Ito他、Appl.Phys.Lett.43（３）、pp.314、1983年
８月１日 T.Inamura他、Japanese Journal of Applied Physic
s、21 Supplement 21−１、pp.313−318、1982 これらの文献に記述されているデバイスは、その製造
処理の間に付着膜となる粒状境界を有する。しかし、こ
れらの文献は超電導領域と非超電導領域を制御可能に製
造するような方法で付着膜を処理する方法を教示しない
し、SQUIDのようなデバイスを製造する方法を示すもの
でもない。
C.発明が解決しようとする問題点 本発明の主要な目的は、高Tc超電導材料を用いたほぼ
平坦なデバイスとその製造方法を提供することにある。
平坦なデバイスとその製造方法を提供することにある。
本発明の他の目的は、30゜Kを超える温度で動作する
ことができ、全体的に高Tc超電導材料で製作されるデバ
イスを提供することにある。
ことができ、全体的に高Tc超電導材料で製作されるデバ
イスを提供することにある。
本発明のさらに他の目的は、高Tc超電導体の単一層ま
たはバルク・サンプル中に超電導部分と、通常部分と、
絶縁部分を制御可能に製作するための技術を提供するこ
とにある。
たはバルク・サンプル中に超電導部分と、通常部分と、
絶縁部分を制御可能に製作するための技術を提供するこ
とにある。
本発明のさらに他の目的は、高Tc超電導材料の単一層
中に３次元デバイス構造を与えることと、そのような３
次元デバイスを製造するための方法を提供することにあ
る。
中に３次元デバイス構造を与えることと、そのような３
次元デバイスを製造するための方法を提供することにあ
る。
本発明のさらに他の目的は、高Tc超電導材料中に形成
された少くとも１つの弱い超電導リンクを有するSQUID
デバイスを提供することにある。
された少くとも１つの弱い超電導リンクを有するSQUID
デバイスを提供することにある。
本発明のさらに他の目的は、金属的であり通常的（す
なわち非超電導的）、または絶縁性である高Tc超電導体
の局在化された領域を制御可能に形成する技術を提供す
ることにある。
なわち非超電導的）、または絶縁性である高Tc超電導体
の局在化された領域を制御可能に形成する技術を提供す
ることにある。
本発明のさらに他の目的は、異なる材料を用いたり同
一または異なる材料の絶縁層を用いることなく超電導体
中にデバイスを形成し得るように高Tc超電導体の特性を
局在的に変更するための処理技術を提供することにあ
る。
一または異なる材料の絶縁層を用いることなく超電導体
中にデバイスを形成し得るように高Tc超電導体の特性を
局在的に変更するための処理技術を提供することにあ
る。
D.問題点を解決するための手段 本発明の処理技術は、膜状またはバルク材料のどちら
でもよい高Tc超電導体の単一の片に構成される多くの異
なるタイプのデバイスを与えるものである。これらのデ
バイスとしては、屈曲ライン、ホール構造体、SQUID及
び伝送線パターンがある。
でもよい高Tc超電導体の単一の片に構成される多くの異
なるタイプのデバイスを与えるものである。これらのデ
バイスとしては、屈曲ライン、ホール構造体、SQUID及
び伝送線パターンがある。
本発明によれば、高Tc超電導材料、すなわち酸化物超
電導材料、の層の所定部分を、結晶構造に損傷を発生す
るのに十分なエネルギのイオン・ビームで、照射してそ
の超電導性を変更するものである。単元素金属系、合金
系などの低Tc超電導材料とは異なり、酸化物系超電導材
料においては、被照射部分、すなわちイオン注入部分、
の結晶損傷が大きくてその部分の超電導状態が通常の金
属電導状態を飛び越えてアモルァス状の絶縁状態に変換
することが本発明により見出されたものである。この理
論的根拠は未だ解明されていないが次のように考えられ
る。酸化物系超電導材料における電導度および超電導度
が、ともに、ｄおよびＰの電子軌道の非常に方向性の強
いバンドに関連があり、結晶構造の損傷によりバンド角
度および間隔が変化するため、これらの電子軌道の重な
り度合が変更して電導バンドが形成されないためであ
る。
電導材料、の層の所定部分を、結晶構造に損傷を発生す
るのに十分なエネルギのイオン・ビームで、照射してそ
の超電導性を変更するものである。単元素金属系、合金
系などの低Tc超電導材料とは異なり、酸化物系超電導材
料においては、被照射部分、すなわちイオン注入部分、
の結晶損傷が大きくてその部分の超電導状態が通常の金
属電導状態を飛び越えてアモルァス状の絶縁状態に変換
することが本発明により見出されたものである。この理
論的根拠は未だ解明されていないが次のように考えられ
る。酸化物系超電導材料における電導度および超電導度
が、ともに、ｄおよびＰの電子軌道の非常に方向性の強
いバンドに関連があり、結晶構造の損傷によりバンド角
度および間隔が変化するため、これらの電子軌道の重な
り度合が変更して電導バンドが形成されないためであ
る。
後述するように、イオン注入部分における超電導状態
から絶縁状態への変換の程度は、注入イオンの質量、注
入量などにより左右される。しかし、本発明では、注入
イオンの絶縁性化合物の連続相の存在を利用するもので
はないので注入イオン量は、この絶縁層の最小厚さ、す
なわち単イオン層厚さ、の形成に実際に必要な注入量、
たとえば1017原子個/cm2、よりも桁違いに低い量、たと
えば1015原子個/cm2のオーダ、である点に注目すべきで
ある。
から絶縁状態への変換の程度は、注入イオンの質量、注
入量などにより左右される。しかし、本発明では、注入
イオンの絶縁性化合物の連続相の存在を利用するもので
はないので注入イオン量は、この絶縁層の最小厚さ、す
なわち単イオン層厚さ、の形成に実際に必要な注入量、
たとえば1017原子個/cm2、よりも桁違いに低い量、たと
えば1015原子個/cm2のオーダ、である点に注目すべきで
ある。
高Tc超電導体の特性を変化させるためのビームの特に
好ましい例は、高Tc超電導体に指向される酸素、As、Kr
などのイオンのビームである。尚、これらの高Tc超電導
体はイオンの衝撃に対してきわめて感応性が大きく、ビ
ームが材料上に画像した領域で超電導体の特性を変化さ
せることができるということが見出された。さらに、イ
オン衝撃技術は、Tc超電導体の品質が向上するほどより
一層うまくゆくようである、ということも見出された。
すなわち、組成中に相当な量の超電導相が存在している
箇所ではイオン・ビームの効果がより一層明確にあらわ
れ、明確に画定された非超電導領域を形成することが容
易となる。
好ましい例は、高Tc超電導体に指向される酸素、As、Kr
などのイオンのビームである。尚、これらの高Tc超電導
体はイオンの衝撃に対してきわめて感応性が大きく、ビ
ームが材料上に画像した領域で超電導体の特性を変化さ
せることができるということが見出された。さらに、イ
オン衝撃技術は、Tc超電導体の品質が向上するほどより
一層うまくゆくようである、ということも見出された。
すなわち、組成中に相当な量の超電導相が存在している
箇所ではイオン・ビームの効果がより一層明確にあらわ
れ、明確に画定された非超電導領域を形成することが容
易となる。
好適な実施例においては、60゜Kを超える温度でDC S
QUIDとして動作する超電導ループ中に弱い超電導リンク
（weak superconducting link）を画定するために使用
された。この弱いリンクと超電導ループは高Tc超電導材
料の共平面部分であり、一方それをとり巻くこの材料の
部分が衝突イオン・ビームによつて非超電導性となされ
る。
QUIDとして動作する超電導ループ中に弱い超電導リンク
（weak superconducting link）を画定するために使用
された。この弱いリンクと超電導ループは高Tc超電導材
料の共平面部分であり、一方それをとり巻くこの材料の
部分が衝突イオン・ビームによつて非超電導性となされ
る。
この技術を用いると、３次元デバイスを含む多くのタ
イプのデバイス及び構造を製造することが可能である。
特に３次元デバイスの場合、超電導層間に絶縁層が形成
され、超電導層中にデバイスが形成されることになる。
イプのデバイス及び構造を製造することが可能である。
特に３次元デバイスの場合、超電導層間に絶縁層が形成
され、超電導層中にデバイスが形成されることになる。
E.実施例 E1.概要 本発明の実施においては、超電導材料を局所的に損傷
させその特性を変化させるために超電導材料上にエネル
ギ・ビームを照射することによつて高Tc超電導材料中に
デバイスが形成される。この材料は層でもバルク材料で
もよく、それは超電導から正常（金属状態）、あるいは
超電導から絶縁状態へ変化させることができる。この変
化の機構は、高Tc超電導体の結晶構造がビームによつて
変化されたものである導入された損傷である。本願発明
者らの実験によれば、これらの材料の入来ビームに対す
る感応性は、原子あたり約10eVの印加エネルギでも、超
電導金属材料から非超電導絶縁状態への変化をもたらす
ための結晶−アモルフアス転移を生じさせるに十分な程
度に大きいことが分かつた。そのしきい値がもう少し小
さいと超電導材料は通常の性質をもつようになされる。
すなわち、超電導ではないが金属状態を保持するように
なる。
させその特性を変化させるために超電導材料上にエネル
ギ・ビームを照射することによつて高Tc超電導材料中に
デバイスが形成される。この材料は層でもバルク材料で
もよく、それは超電導から正常（金属状態）、あるいは
超電導から絶縁状態へ変化させることができる。この変
化の機構は、高Tc超電導体の結晶構造がビームによつて
変化されたものである導入された損傷である。本願発明
者らの実験によれば、これらの材料の入来ビームに対す
る感応性は、原子あたり約10eVの印加エネルギでも、超
電導金属材料から非超電導絶縁状態への変化をもたらす
ための結晶−アモルフアス転移を生じさせるに十分な程
度に大きいことが分かつた。そのしきい値がもう少し小
さいと超電導材料は通常の性質をもつようになされる。
すなわち、超電導ではないが金属状態を保持するように
なる。
好適な実施例においては、イオン・ビームであり、そ
のイオンのタイプは、さまざまなものを使用することが
できる。これらのイオンには例えば酸素、砒素、及びク
リプトンがある。一般的には、イオンが重いほど、引き
起こされる損傷も大きく、所与の量の損傷をひき起こす
に必要な線量（dose）が小さくなる。
のイオンのタイプは、さまざまなものを使用することが
できる。これらのイオンには例えば酸素、砒素、及びク
リプトンがある。一般的には、イオンが重いほど、引き
起こされる損傷も大きく、所与の量の損傷をひき起こす
に必要な線量（dose）が小さくなる。
さらにまた、高Tc材料中の超電導相は百分率が大きく
なるにつれて、それだけ材料はイオン・ビーム損傷を被
りやすくなることも分かつた。尚、導電性の第２の相の
存在により高Tc超電導体中に容易にイオン損傷されない
領域が形成されるように思われる。もしこれらの第２の
相領域の量がきわめてわずかであるか、またはこれらの
第２の相が接続されていないなら、超電導材料はイオン
衝突により容易にその超電導特性を変化される。しかし
もし、第２の相が大きな割合で存在するなら、超電導材
料の特性を首尾よく変化させるためにはきわめて大きい
線量または重いイオンが必要である。幸いにも、材料の
品質が向上するにつれて、イオン・ビームによつて特性
を局所的に変化させる能力も高まるのである。
なるにつれて、それだけ材料はイオン・ビーム損傷を被
りやすくなることも分かつた。尚、導電性の第２の相の
存在により高Tc超電導体中に容易にイオン損傷されない
領域が形成されるように思われる。もしこれらの第２の
相領域の量がきわめてわずかであるか、またはこれらの
第２の相が接続されていないなら、超電導材料はイオン
衝突により容易にその超電導特性を変化される。しかし
もし、第２の相が大きな割合で存在するなら、超電導材
料の特性を首尾よく変化させるためにはきわめて大きい
線量または重いイオンが必要である。幸いにも、材料の
品質が向上するにつれて、イオン・ビームによつて特性
を局所的に変化させる能力も高まるのである。
E2.デバイスの構造 これらの発明概念は、第１図に示すDC SQUIDデバイ
スのようなより具体的な例によつてさらによく説明する
ことができる。すなわち、第１図を参照すると、超電導
SQUID10が高Tc超電導材料の層12中に形成されている。
層12は、当技術分野でよく知られている冷却装置14中に
収められている。冷却装置14は、層12、30゜Kよりは高
い低温に維持するために使用される。SQUIDは、２つの
弱い超電導リンク16A及び16Bを組み込まれてなる超電導
ループを有する。この弱いリンクは、超電導材料のくび
れ部分によつて与えられる。
スのようなより具体的な例によつてさらによく説明する
ことができる。すなわち、第１図を参照すると、超電導
SQUID10が高Tc超電導材料の層12中に形成されている。
層12は、当技術分野でよく知られている冷却装置14中に
収められている。冷却装置14は、層12、30゜Kよりは高
い低温に維持するために使用される。SQUIDは、２つの
弱い超電導リンク16A及び16Bを組み込まれてなる超電導
ループを有する。この弱いリンクは、超電導材料のくび
れ部分によつて与えられる。
しかし別の技術においては、２つの高Tc超電導体の間
の領域中のTcを低下させるためにイオン・ビームが使用
される。第１図において、ハツチングが層12の超電導部
分を表示するために使用され、一方、層12のハツチング
のない領域は非超電導部分をあらわす。また、Alリード
18がSQUIDの超電導部分20A及び20Bに超音波により接着
され、バツテリ22と可変抵抗24をもつ電流源に接続され
ている。リード26もまた、SQUIDの両端の電圧Ｖを検出
するために超電導部分20A及び20Bと、電圧増幅器28に接
続されている。
の領域中のTcを低下させるためにイオン・ビームが使用
される。第１図において、ハツチングが層12の超電導部
分を表示するために使用され、一方、層12のハツチング
のない領域は非超電導部分をあらわす。また、Alリード
18がSQUIDの超電導部分20A及び20Bに超音波により接着
され、バツテリ22と可変抵抗24をもつ電流源に接続され
ている。リード26もまた、SQUIDの両端の電圧Ｖを検出
するために超電導部分20A及び20Bと、電圧増幅器28に接
続されている。
第２図は、SQUIDループのほぼ平坦な超電導及び非超
電導領域を明確に図示するための、第１図のSQUIDデバ
イスの部分側面図である。
電導領域を明確に図示するための、第１図のSQUIDデバ
イスの部分側面図である。
高Tc超電導材料の層12に対する高イオン・エネルギ・ビ
ームの照射により、その被照射部分が非超電導状態に変
換される。照射エネルギーが十分に大きいか、または注
入イオンの質量が大きい場合には、被照射部分が絶縁状
態に変換する。このため、層12のうち超電導性のまま残
すべき部分（すなわち超電導回路部分）を保護するため
のマスクが使用される。こうして、弱いリンク16A,16B
および超電導回路のループ部分に対応する部分がマスク
によって保護されることになる。一方、内部領域30と、
超電導領域16A、16B、20A及び20Bをとり巻く領域は保護
されないがゆえに、高エネルギ・イオン・ビームによつ
て非超電導性になされる。このように、部分16A及び16B
と、20A及び20Bを有する超電導ループが層12の深さ全体
に亘つて形成されることになる。これらの超電導部分の
うちで、部分16Aと16Bが、SQUIDデバイスを形成するよ
うに電流を流す弱い超電導リンクである。第２図から明
らかなように、このSQUIDは実質的に平坦である。尚、
高エネルギ・イオン衝撃が行なわれるとき輻射領域でサ
イズが変化して層12の上面を完全な平坦形状から幾分か
変形されることもあり得る。しかしそのような変形は十
分に小さく、実質的に平坦な構造が形成されると考えて
よい。
ームの照射により、その被照射部分が非超電導状態に変
換される。照射エネルギーが十分に大きいか、または注
入イオンの質量が大きい場合には、被照射部分が絶縁状
態に変換する。このため、層12のうち超電導性のまま残
すべき部分（すなわち超電導回路部分）を保護するため
のマスクが使用される。こうして、弱いリンク16A,16B
および超電導回路のループ部分に対応する部分がマスク
によって保護されることになる。一方、内部領域30と、
超電導領域16A、16B、20A及び20Bをとり巻く領域は保護
されないがゆえに、高エネルギ・イオン・ビームによつ
て非超電導性になされる。このように、部分16A及び16B
と、20A及び20Bを有する超電導ループが層12の深さ全体
に亘つて形成されることになる。これらの超電導部分の
うちで、部分16Aと16Bが、SQUIDデバイスを形成するよ
うに電流を流す弱い超電導リンクである。第２図から明
らかなように、このSQUIDは実質的に平坦である。尚、
高エネルギ・イオン衝撃が行なわれるとき輻射領域でサ
イズが変化して層12の上面を完全な平坦形状から幾分か
変形されることもあり得る。しかしそのような変形は十
分に小さく、実質的に平坦な構造が形成されると考えて
よい。
第２図において、高Tc材料はバルク材料でもよく、基
板上に形成された膜でもよいことを理解されたい。これ
らの図において、基板は図示されていないけれども、Mg
Oや、熱成長させたSiO2や、サフアイアなどの基板を使
用することができる。
板上に形成された膜でもよいことを理解されたい。これ
らの図において、基板は図示されていないけれども、Mg
Oや、熱成長させたSiO2や、サフアイアなどの基板を使
用することができる。
高Tc材料12の特性を局所的に変化させるために、指向
されたエネルギのビームが使用される。そのようなビー
ムは、第３図に概略図示されたイオン・ビーム・システ
ムによつて慣用的に供給されるイオン・ビームである。
このシステムにおいて、イオン源32が、基板36上に配置
された高Tc材料12に指向される。尚、イオン源は一般的
には分析用磁石を含み、これにより超電導体に衝突する
イオン・ビームが所望のイオンのみから成ることを理解
されたい。第３図において、矢印38は、例えばよく知ら
れた静電偏向手段を用いてビーム34が超電導体12の異な
る部分に亘つて走査されることを示す。この全線量、イ
オンのタイプ及び入射イオンのエネルギについては、後
でいくつかの例に関連して具体的に例示することにす
る。
されたエネルギのビームが使用される。そのようなビー
ムは、第３図に概略図示されたイオン・ビーム・システ
ムによつて慣用的に供給されるイオン・ビームである。
このシステムにおいて、イオン源32が、基板36上に配置
された高Tc材料12に指向される。尚、イオン源は一般的
には分析用磁石を含み、これにより超電導体に衝突する
イオン・ビームが所望のイオンのみから成ることを理解
されたい。第３図において、矢印38は、例えばよく知ら
れた静電偏向手段を用いてビーム34が超電導体12の異な
る部分に亘つて走査されることを示す。この全線量、イ
オンのタイプ及び入射イオンのエネルギについては、後
でいくつかの例に関連して具体的に例示することにす
る。
第４図は６゜K、38゜K、60゜K及び77゜Kという４つの
温度における第１図のSQUIDのＩ−Ｖ曲線を示す。これ
らの電圧−電流曲線は、60゜Kまでの温度で超電導電流
が存在することを示している。このDC SQUIDは実際に6
8゜Kで超電導電流を呈した。SQUIDを液体窒素に浸漬し
た77゜KではIB対Ｖの曲線は最早超電導電流を示さなか
つたが、しかしIB＜３μＡではわずかな抵抗の減少を示
した。
温度における第１図のSQUIDのＩ−Ｖ曲線を示す。これ
らの電圧−電流曲線は、60゜Kまでの温度で超電導電流
が存在することを示している。このDC SQUIDは実際に6
8゜Kで超電導電流を呈した。SQUIDを液体窒素に浸漬し
た77゜KではIB対Ｖの曲線は最早超電導電流を示さなか
つたが、しかしIB＜３μＡではわずかな抵抗の減少を示
した。
これはSQUIDループのわずかな部分が超電導性である
がループ全体が超電導性である訳ではない、ということ
の特徴であると考えられる。
がループ全体が超電導性である訳ではない、ということ
の特徴であると考えられる。
第5A、5B及び5C図は、SQUIDループに交差する磁界を
つくるために使用されたコイルを流れる電流（または磁
束）の関数としての、第１図のSQUIDの両端の電圧Ｖの
プロツトである。これらの図において、３つの異なる温
度4.2゜K、28゜K及び68゜Kの場合につての電圧曲線が示
されている。この分野でよく知られているように、DC
SQUIDの、磁束の勾配に対する周期的なふるまいが、SQU
IDの動作が正常であるということの示標である。第5A、
5B及び5C図から明らかなように、DC SQUIDの両端の電
圧は、３つの測定温度で、印加された磁束（電流）に関
して周期的であり、このことはSQUIDの正常動作を示し
ている。尚、第5A、5B及び5C図の電圧対電流曲線には、
弱いリンク16A及び16Bがわずかに異なるという事実のた
め、少し非対称性があらわれている。SQUIDループを横
切る磁束量子Φｏ毎に必要な実際の電流は低温では小さ
くなる。というのは、大きなパツド20A及び20Bがそのパ
ツドの中心から磁束を遮蔽（screen）してこのSQUIDが
配置されているパツドの端部付近の磁界を増加し、以て
磁束集中（flux−focusing）効果を引き起こすからであ
る。温度が上昇するにつれて、パツドの遮蔽が弱くな
り、Φ０が増加する。この磁束集中効果はSQUIDの磁束
感度をほぼ50倍向上させる。
つくるために使用されたコイルを流れる電流（または磁
束）の関数としての、第１図のSQUIDの両端の電圧Ｖの
プロツトである。これらの図において、３つの異なる温
度4.2゜K、28゜K及び68゜Kの場合につての電圧曲線が示
されている。この分野でよく知られているように、DC
SQUIDの、磁束の勾配に対する周期的なふるまいが、SQU
IDの動作が正常であるということの示標である。第5A、
5B及び5C図から明らかなように、DC SQUIDの両端の電
圧は、３つの測定温度で、印加された磁束（電流）に関
して周期的であり、このことはSQUIDの正常動作を示し
ている。尚、第5A、5B及び5C図の電圧対電流曲線には、
弱いリンク16A及び16Bがわずかに異なるという事実のた
め、少し非対称性があらわれている。SQUIDループを横
切る磁束量子Φｏ毎に必要な実際の電流は低温では小さ
くなる。というのは、大きなパツド20A及び20Bがそのパ
ツドの中心から磁束を遮蔽（screen）してこのSQUIDが
配置されているパツドの端部付近の磁界を増加し、以て
磁束集中（flux−focusing）効果を引き起こすからであ
る。温度が上昇するにつれて、パツドの遮蔽が弱くな
り、Φ０が増加する。この磁束集中効果はSQUIDの磁束
感度をほぼ50倍向上させる。
第5A、5B及び5C図のデータによつて特徴づけられるSQ
UIDにおいて、弱いリンク部分16A及び16Bは、幅が17ミ
クロンで長さが40ミクロンである。領域30は40×40ミク
ロン平方であつて、以て40×40ミクロン平方の超電導ル
ープを形成する。高Tc超電導体12の厚さは約１ミクロン
である。層12には約５×1015イオン/cm2の線量で酸素イ
オンが打込まれ、そのイオン・エネルギは約250KeVであ
つた。超電導体12は公称組成YBa2Cu3Oyをもつ膜であ
り、ｙは、この組成の電子価要求を満足するに十分な値
である。超電導性は、そのデバイスの周囲の層において
超電導性の領域を実質的に残さないように破壊され、平
坦なSQUID構造が形成された。
UIDにおいて、弱いリンク部分16A及び16Bは、幅が17ミ
クロンで長さが40ミクロンである。領域30は40×40ミク
ロン平方であつて、以て40×40ミクロン平方の超電導ル
ープを形成する。高Tc超電導体12の厚さは約１ミクロン
である。層12には約５×1015イオン/cm2の線量で酸素イ
オンが打込まれ、そのイオン・エネルギは約250KeVであ
つた。超電導体12は公称組成YBa2Cu3Oyをもつ膜であ
り、ｙは、この組成の電子価要求を満足するに十分な値
である。超電導性は、そのデバイスの周囲の層において
超電導性の領域を実質的に残さないように破壊され、平
坦なSQUID構造が形成された。
通常は、これらの寸法の弱いリンクが弱いリンクとし
て動作することは期待されないのではあるまいか。すな
わち、これらの弱いリンク中に存在する粒子間界面に超
電導トンネル接合が存在し、ジヨセフソン・トンネル電
流が超電導ループの領域20A及び20Bの間を通過すること
が可能ならしめるように思われる。しかし、本発明の技
術は、特に高Tc材料の品質が向上するにつれて、くびれ
状の弱いリンクのためのきわめて微細な線幅を作製する
ために使用し得るものである。このため、粒状境界をま
たぐ障壁の存在は、本発明に基づき弱い超電導リンクを
形成するための必須要件ではない。
て動作することは期待されないのではあるまいか。すな
わち、これらの弱いリンク中に存在する粒子間界面に超
電導トンネル接合が存在し、ジヨセフソン・トンネル電
流が超電導ループの領域20A及び20Bの間を通過すること
が可能ならしめるように思われる。しかし、本発明の技
術は、特に高Tc材料の品質が向上するにつれて、くびれ
状の弱いリンクのためのきわめて微細な線幅を作製する
ために使用し得るものである。このため、粒状境界をま
たぐ障壁の存在は、本発明に基づき弱い超電導リンクを
形成するための必須要件ではない。
第６図及び第７図は、本発明の技術によつて形成する
ことのできる別のタイプの構造を示す図である。多くの
デバイスの場合、アース平面がデバイスとは電気的に絶
縁されているのが望ましい。このためには多くの場合、
２つの層を追加する必要がある。しかし、これは第６図
の構造において容易に達成することができる。すなわ
ち、第６図において、高Tc超電導体42の領域40は超電導
のままであり、一方領域44はイオン衝撃によつて非超電
導且つ絶縁性となされている。超電導SQUIDデバイスが
次に第１図のSQUIDを作製するために使用されたのと同
一の方法で材料42の上方の残りの表面に形成される。こ
の例においては、イオン・エネルギが、材料42の超電導
特性が絶縁部分44の上面までしか影響を受けないように
調節される。こうして、ハツチング領域46A及び46Bが導
電性の弱いリンク領域をあらわし、それをとりまく非ハ
ツチング部分はイオンを打込まれ、非超電導性である。
ことのできる別のタイプの構造を示す図である。多くの
デバイスの場合、アース平面がデバイスとは電気的に絶
縁されているのが望ましい。このためには多くの場合、
２つの層を追加する必要がある。しかし、これは第６図
の構造において容易に達成することができる。すなわ
ち、第６図において、高Tc超電導体42の領域40は超電導
のままであり、一方領域44はイオン衝撃によつて非超電
導且つ絶縁性となされている。超電導SQUIDデバイスが
次に第１図のSQUIDを作製するために使用されたのと同
一の方法で材料42の上方の残りの表面に形成される。こ
の例においては、イオン・エネルギが、材料42の超電導
特性が絶縁部分44の上面までしか影響を受けないように
調節される。こうして、ハツチング領域46A及び46Bが導
電性の弱いリンク領域をあらわし、それをとりまく非ハ
ツチング部分はイオンを打込まれ、非超電導性である。
イオン・ビーム打込技術分野で広く知られているよう
に、イオンのエネルギが材料への貫通深さを決定する。
このことは、絶縁領域44を形成するべく高Tc超電導体の
下底部分40を超電導状態のままにしておくために利用さ
れる。これにより絶縁層44は、SQUIDデバイスとアース
平面40の間の必要な電気的絶縁を与える。
に、イオンのエネルギが材料への貫通深さを決定する。
このことは、絶縁領域44を形成するべく高Tc超電導体の
下底部分40を超電導状態のままにしておくために利用さ
れる。これにより絶縁層44は、SQUIDデバイスとアース
平面40の間の必要な電気的絶縁を与える。
第７図は、３次元デバイス形状を与える多層構造を示
す。この構造において、第１の高Tc超電導体50は、その
上に例えばSiO2などの絶縁材料52を形成されてなる。ま
た、もう１つの高Tc超電導体54が絶縁体52上に形成され
ている。このデバイス構造は、高Tc50及び54の一方また
は両方を本発明の処理によつて形成することができる。
こうして、層50には弱い超電導リンク56A,56Bが設けら
れ、層54には弱いリンク58A、58Bが設けられる。さら
に、層54は、超電導性のグラウンド・プレーン60を備え
ている。第７図においては、層50及び52の超電導領域が
ハツチングで示され、残りの部分が絶縁性、すなわち非
超電導である。
す。この構造において、第１の高Tc超電導体50は、その
上に例えばSiO2などの絶縁材料52を形成されてなる。ま
た、もう１つの高Tc超電導体54が絶縁体52上に形成され
ている。このデバイス構造は、高Tc50及び54の一方また
は両方を本発明の処理によつて形成することができる。
こうして、層50には弱い超電導リンク56A,56Bが設けら
れ、層54には弱いリンク58A、58Bが設けられる。さら
に、層54は、超電導性のグラウンド・プレーン60を備え
ている。第７図においては、層50及び52の超電導領域が
ハツチングで示され、残りの部分が絶縁性、すなわち非
超電導である。
E3.製造方法 前述のように、イオン打込みは、超電導材料の一部を
非超電導性にするべく材料の超電導特性を変化させる高
エネルギ・ビームを与えるための効果的な方法である。
このとき、材料を結晶から絶縁アモルフアス状態に変化
させ得る損傷機構が使用される。そしてもし線量が小さ
いかあまり重くないイオンが使用されると、材料は依然
導電性にとどまり得るが、超電導性は失う。
非超電導性にするべく材料の超電導特性を変化させる高
エネルギ・ビームを与えるための効果的な方法である。
このとき、材料を結晶から絶縁アモルフアス状態に変化
させ得る損傷機構が使用される。そしてもし線量が小さ
いかあまり重くないイオンが使用されると、材料は依然
導電性にとどまり得るが、超電導性は失う。
一般的に、この技術は、高Tc特性を保持すべき超電導
材料の領域にイオンが注入されるのを防止するために、
慣用的にパターン化された、金などのマスク層を使用す
る。そのマスクの厚さは、打込まれるイオンのタイプと
イオンのエネルギに応じて選択される。一般的には、マ
スクの厚さは、打込まれるイオンの貫通範囲の約２〜３
倍になされる。例えば、250KeVの酸素イオンの場合、約
500nmの厚さの金マスクを使用することができる。ま
た、500nmの金膜上に１μｍレジスト層を有するマスク
も使用された。
材料の領域にイオンが注入されるのを防止するために、
慣用的にパターン化された、金などのマスク層を使用す
る。そのマスクの厚さは、打込まれるイオンのタイプと
イオンのエネルギに応じて選択される。一般的には、マ
スクの厚さは、打込まれるイオンの貫通範囲の約２〜３
倍になされる。例えば、250KeVの酸素イオンの場合、約
500nmの厚さの金マスクを使用することができる。ま
た、500nmの金膜上に１μｍレジスト層を有するマスク
も使用された。
イオン打込みに続いて、イオン打込みマスクのパター
ンを画定するために使用された有機マスク材料を例えば
アツシング（ashing）によつて除去する。次に金属マス
ク材料が例えばイオン・ミリングなどの適当な技術によ
つて除去される。
ンを画定するために使用された有機マスク材料を例えば
アツシング（ashing）によつて除去する。次に金属マス
ク材料が例えばイオン・ミリングなどの適当な技術によ
つて除去される。
以下に示す表は、非超電導領域を形成するようにいく
つかの高Tc超電導体にイオン打込みをすることに成功し
た例の数値データをあらわす。尚、表中でN/A（Not Ava
ilable）はデータが入手できなかつたことを示す。
つかの高Tc超電導体にイオン打込みをすることに成功し
た例の数値データをあらわす。尚、表中でN/A（Not Ava
ilable）はデータが入手できなかつたことを示す。
これらの材料のうちのほとんどにおいて、リストされ
ている線量は結晶からアモルフアスへの転移を生じさ
せ、以て材料を絶縁性且つ非超電導性にするのに十分で
あつた。一般的に、これらの高Tc銅酸化物材料につい
て、酸素原子の約1013イオン/cm2というきわめて低い線
量により非超電導への転移が生じることが見出された。
しかし、普通は高Tc材料を高抵抗、すなわち約104オー
ム/cm2以上のシート抵抗をもつようにするにはそれより
も１〜２桁大きい線量が必要である。
ている線量は結晶からアモルフアスへの転移を生じさ
せ、以て材料を絶縁性且つ非超電導性にするのに十分で
あつた。一般的に、これらの高Tc銅酸化物材料につい
て、酸素原子の約1013イオン/cm2というきわめて低い線
量により非超電導への転移が生じることが見出された。
しかし、普通は高Tc材料を高抵抗、すなわち約104オー
ム/cm2以上のシート抵抗をもつようにするにはそれより
も１〜２桁大きい線量が必要である。
この表において、Ｙ−Ba−cu−Ｏシステムと、La−Sr
−Cu−Ｏシステムの両方について公称組成が与えられて
いる。「状態」と題する列はイオン打込された材料の状
態である。もしイオン打込された材料がその金属特性は
保持するけれども超電導性は失うなら、その状態は「正
常」になつたのであり、もし材料がより程度の大きい変
換を受けたなら、絶縁性となり結晶構造を失なつたので
ある。１つのサンプルにおいて、材料は高抵抗にはなつ
たが、完全には絶縁性にはならず、104オーム/cm2以下
の抵抗率であつた。サンプル536Aは、最初にイオン打込
みを行い、次により高いエネルギと線量で第２のイオン
打込みを行うという２段階処理を施された。
−Cu−Ｏシステムの両方について公称組成が与えられて
いる。「状態」と題する列はイオン打込された材料の状
態である。もしイオン打込された材料がその金属特性は
保持するけれども超電導性は失うなら、その状態は「正
常」になつたのであり、もし材料がより程度の大きい変
換を受けたなら、絶縁性となり結晶構造を失なつたので
ある。１つのサンプルにおいて、材料は高抵抗にはなつ
たが、完全には絶縁性にはならず、104オーム/cm2以下
の抵抗率であつた。サンプル536Aは、最初にイオン打込
みを行い、次により高いエネルギと線量で第２のイオン
打込みを行うという２段階処理を施された。
F.発明の効果 本発明を実施すると、本発明によらなければ製造がき
わめて困難であるというようなデバイス構造を支えるこ
とが可能になる。特に、絶縁体が１〜2nm厚であるよう
な超電導体−絶縁体−超電導体層を高Tc超電導酸化物を
用いて製造することは、従来きわめて困難であつた。と
いうのは、たいていの１〜2nm厚の絶縁膜は、超電導酸
化物の対向電極を形成するために必要な室温から900℃
までの温度サイクルでひび割れしシヨートしてしまうか
らである。結局、本発明の共平面の弱いリンク構造は相
当な処理上及びデバイス構造上の利点を与える。もちろ
ん、実質的に共平面の構造の製作により後の層を直接処
理することが可能ならしめられるが、そのことはもしSQ
UIDをイオン・ミリングなどの技術により形成したので
は到底達成されないことである。
わめて困難であるというようなデバイス構造を支えるこ
とが可能になる。特に、絶縁体が１〜2nm厚であるよう
な超電導体−絶縁体−超電導体層を高Tc超電導酸化物を
用いて製造することは、従来きわめて困難であつた。と
いうのは、たいていの１〜2nm厚の絶縁膜は、超電導酸
化物の対向電極を形成するために必要な室温から900℃
までの温度サイクルでひび割れしシヨートしてしまうか
らである。結局、本発明の共平面の弱いリンク構造は相
当な処理上及びデバイス構造上の利点を与える。もちろ
ん、実質的に共平面の構造の製作により後の層を直接処
理することが可能ならしめられるが、そのことはもしSQ
UIDをイオン・ミリングなどの技術により形成したので
は到底達成されないことである。
今まで述べてきのは、高TcSQUIDを有する固有のデバ
イス構造とそのデバイスを製作するための処理である。
尚、この分野の当業者には、選択されたイオンのタイプ
及びその線量は材料の特性を変化させるために高Tc材料
中にもたらされる損傷の量を偏向するように調整するこ
とができる。同様に、加速イオンのエネルギは、同一の
高Tc超電導体内に異なる特性をもつさまざまな層を形成
するためにイオンが貫通する深さを変更するように調節
される。典型的には、250〜2KeVまたは3MeVのエネルギ
がこれらの高Tc酸化物超電導体に関して良好な結果を与
える。
イス構造とそのデバイスを製作するための処理である。
尚、この分野の当業者には、選択されたイオンのタイプ
及びその線量は材料の特性を変化させるために高Tc材料
中にもたらされる損傷の量を偏向するように調整するこ
とができる。同様に、加速イオンのエネルギは、同一の
高Tc超電導体内に異なる特性をもつさまざまな層を形成
するためにイオンが貫通する深さを変更するように調節
される。典型的には、250〜2KeVまたは3MeVのエネルギ
がこれらの高Tc酸化物超電導体に関して良好な結果を与
える。
ところで、本発明は特定の実施例に関連して説明され
てきたけれども、本発明の技術思想の範囲から逸脱する
ことなくさまざまな変更をなしうることが当業者に明ら
かであろう。例えば、本発明は、Bednorz及びMuellerに
よつて発見されたタイプのすべての高Tc超電導体を含む
ものであつて、これらの材料は典型的には、層状構造を
もち30゜Kを超えるTcを呈する。これらの材料を膜ある
いはバルクのかたちで作製することは多くの文献に述べ
られており、本発明は、それらを作製した方法に拘らず
それらの材料のうち任意のものを使用することができ
る。さらに、ビームが、超電導特性を局所的に変化させ
るべき超電導体中に十分な損傷を生じさせる限り、任意
のタイプの高エネルギ・ビームを使用することができ
る。さらにまた、ビームは、イオンを打込まれた領域の
Tcを偏向することによつて弱いリンクを形成するために
使用することができる。尚、損傷領域を完全に絶縁状態
に変化させてしまう必要はない。
てきたけれども、本発明の技術思想の範囲から逸脱する
ことなくさまざまな変更をなしうることが当業者に明ら
かであろう。例えば、本発明は、Bednorz及びMuellerに
よつて発見されたタイプのすべての高Tc超電導体を含む
ものであつて、これらの材料は典型的には、層状構造を
もち30゜Kを超えるTcを呈する。これらの材料を膜ある
いはバルクのかたちで作製することは多くの文献に述べ
られており、本発明は、それらを作製した方法に拘らず
それらの材料のうち任意のものを使用することができ
る。さらに、ビームが、超電導特性を局所的に変化させ
るべき超電導体中に十分な損傷を生じさせる限り、任意
のタイプの高エネルギ・ビームを使用することができ
る。さらにまた、ビームは、イオンを打込まれた領域の
Tcを偏向することによつて弱いリンクを形成するために
使用することができる。尚、損傷領域を完全に絶縁状態
に変化させてしまう必要はない。
第１図は、DC SQUIDの平面図、 第２図は、弱リンク領域の部分側面図、 第３図は、イオン・ビーム・システムの概要図、 第４図は、SQUIDのＶ−Ｉ特性を示す図、 第5A、5B及び5C図は、SQUIDの電圧対磁束変調電流の特
性を異なる温度について示す図、 第６図は、他の実施例の概要図、 第７図は、３次元構造をもつさらに他の実施例の概要図
である。 12……超電導材料の層、16A、16B……弱いリンク。
性を異なる温度について示す図、 第６図は、他の実施例の概要図、 第７図は、３次元構造をもつさらに他の実施例の概要図
である。 12……超電導材料の層、16A、16B……弱いリンク。
フロントページの続き (72)発明者 ロジヤー・ヒルセン・コーク アメリカ合衆国ニユーヨーク州アマウオ ーク、ベデル・ロード（番地なし) (72)発明者 ロバート・ベンジヤミン・ライボウイツ ツ アメリカ合衆国ニユーヨーク州ピークス キル、ファーニス・ドツク・ロード407 番地 (72)発明者 アラン・デイヴイツド・マービツク アメリカ合衆国ニユーヨーク州ヨークタ ウン・ハイツ、ゴメー・ストリート3034 番地 (72)発明者 コーウイン・ポール・ウンバーク アメリカ合衆国ニユーヨーク州ピークス キル、アパートメント５エイチ、オーバ ーロツク・アヴエニユー150番地 (56)参考文献 特開 昭57−141922（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−73172（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−206279（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−250882（ＪＰ，Ａ) Ｊｐｎ，Ｊ，Ａｐｐｌ，Ｐｈｙｓ，25 ［７］（Ｊｕｌｙ 1986）ＰＰ，1132− 1133 ＩＢＭ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｄｉｓ ｃｌｏｓｕｒｅ Ｂｕｌｌｅｔｉｎ 23 ［４］（Ｓｅｐ，1980）Ｐ．1683 Ｐｈｙｓ，Ｒｅｖ，Ｌｅｔｔ，58［９ ］（２ Ｍａｒｃｈ 1987）ＰＰ．908 −910
Claims (16)
- 【請求項１】酸化物系超電導材料の層であって、局部的
なイオン注入により非超電導性に変換されているイオン
注入領域および該イオン注入領域により境界付けられて
取り囲まれている超電導性の非注入領域から成る平坦層
において、 上記非注入領域は、弱い超電導リンクを含む超電導閉ル
ープを形成しており、 上記イオン注入領域は、上記超電導材料の結晶構造がイ
オン注入による損傷を受けて非超電導性を呈するアモル
ファス状態に変換されており、 非超電導性のアモルファス構造により境界付けられてい
る超電導閉ループを有するSQUIDデバイス。 - 【請求項２】酸化物系超電導材料の薄膜と、 非超電導性に変換されるように十分に損傷された構造を
もつ上記薄膜中のイオン注入領域と、 上記イオン注入領域により境界付けられ、超電導性ルー
プを構成する上記薄膜中の非注入領域と、 を具備し、 上記イオン注入領域が上記超電導性ループの少なくとも
２つの位置をくびれさせ、 上記くびれは、上記各位置において弱いリンクを形成す
るのに十分であり、 酸化物系超電導材料薄膜の弱いリンクを含む超電導性ル
ープが結晶損傷により非超電導性に変換されている薄膜
中のイオン注入領域により境界付けられていることを特
徴とするDC SQUIDとして動作可能なSQUIDデバイス。 - 【請求項３】上記SQUIDデバイスから電気的に分離され
ていて超電導グランド・プレーンを形成する部分をさら
に含む請求項１または２に記載のSQUIDデバイス。 - 【請求項４】酸化物系超電導材料の非注入領域は、電導
性の結晶状領域であり、かつイオン注入領域は絶縁性の
アモルファス状領域である請求項１または２に記載のSQ
UIDデバイス。 - 【請求項５】イオン注入領域は、1015原子個/cm2のオー
ダまたはそれ以下のオーダのイオンが注入されている請
求項１または２に記載のSQUIDデバイス。 - 【請求項６】注入イオンが酸素、砒素またはクリプトン
である請求項１または２に記載のSQUIDデバイス。 - 【請求項７】酸化物系超電導材料が遷移金属の酸化物で
ある請求項１または２に記載のSQUIDデバイス。 - 【請求項８】酸化物系超電導材料がＹ−Ba−Cu−Ｏ系で
ある請求項１または２に記載のSQUIDデバイス。 - 【請求項９】酸化物系超電導材料の層であって、局部的
なイオン注入により非超電導性に変換されているイオン
注入領域および該イオン注入領域により境界付けられた
超電導性の非注入領域から成る平坦な第１の層と、 上記第１の層上に形成されている非超電導性材料の平坦
な第２の層と、 上記第２の層上に形成された酸化物系超電導材料の層で
あって、局部的なイオン注入により非超電導性に変換さ
れているイオン注入領域および該イオン注入領域により
境界付けられた超電導性の非注入領域から成る平坦な第
３の層と、 を具備し、 上記第１および第３の層内の上記各イオン注入領域は、
上記超電導材料の結晶構造がイオン注入による損傷を受
けて非超電導性を呈するアモルファス状態に変換されて
おり、 非超電導性のアモルファス構造のイオン注入領域により
取り囲まれた超電導性の非注入領域にデバイスを有する
多層超電導デバイス。 - 【請求項１０】酸化物系超電導材料は、遷移金属の酸化
物を含む請求項９に記載の多層超電導デバイス。 - 【請求項１１】イオン注入領域は、絶縁性である請求項
９に記載の多層超電導デバイス。 - 【請求項１２】イオン注入領域は、1015原子個/cm2のオ
ーダまたはそれ以下のオーダのイオンが注入されている
請求項９に記載の多層超電導デバイス。 - 【請求項１３】注入イオンが酸素、砒素、またはクリプ
トンである請求項９に記載の多層超電導デバイス。 - 【請求項１４】超電導回路を形成すべき酸化物系超電導
材料の平坦層の表面を、その超電導回路を保護すべきマ
スクを介して、イオン注入雰囲気に露出し、イオン注入
領域により境界付けられ取り囲まれた超電導回路を形成
する超電導デバイスの製造方法において、 上記酸化物系超電導材料の結晶構造を非超電導性を呈す
るアモルファス状態に変換させるのに十分な損傷を与え
るイオン量およびエネルギをもって、イオン注入を行
い、その結晶損傷により電気的性質を超電導性から非超
電導性に変更する工程を特徴とする超電導デバイスの製
造方法。 - 【請求項１５】上記イオン量およびエネルギは、イオン
注入領域が絶縁層を呈するように選択される請求項14に
記載の製造方法。 - 【請求項１６】上記注入イオン量は、1015原子個/cm2の
オーダまたはそれ以下のオーダである請求項14に記載の
製造方法。
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US037912 | 1987-04-13 | ||
| US07/037,912 US5026682A (en) | 1987-04-13 | 1987-04-13 | Devices using high Tc superconductors |
| US37912 | 1987-04-13 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS63263482A JPS63263482A (ja) | 1988-10-31 |
| JP2509964B2 true JP2509964B2 (ja) | 1996-06-26 |
Family
ID=21897024
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP63027837A Expired - Fee Related JP2509964B2 (ja) | 1987-04-13 | 1988-02-10 | 超電導デバイスとその製造方法 |
Country Status (7)
| Country | Link |
|---|---|
| US (2) | US5026682A (ja) |
| EP (1) | EP0286891B1 (ja) |
| JP (1) | JP2509964B2 (ja) |
| AU (1) | AU606673B2 (ja) |
| CA (1) | CA1312147C (ja) |
| DE (1) | DE3876473T2 (ja) |
| MX (1) | MX165961B (ja) |
Families Citing this family (63)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE3854238T2 (de) * | 1987-04-08 | 1996-03-21 | Hitachi Ltd | Verfahren zur Herstellung eines supraleitenden Elements. |
| EP0421983A1 (en) * | 1987-04-08 | 1991-04-17 | Imperial Chemical Industries Plc | Weak-link superconductor loop device |
| JPH0634418B2 (ja) * | 1987-09-07 | 1994-05-02 | 株式会社半導体エネルギー研究所 | 超電導素子の作製方法 |
| JPH0634419B2 (ja) * | 1987-09-16 | 1994-05-02 | 株式会社半導体エネルギー研究所 | 超伝導装置の作製方法 |
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