专利名称：直流驱动型超导量子干涉仪元件及其制造方法
技术领域：
本发明涉及用于例如生物的磁性测定和磁性探测等微小磁场的测定的DC-超导量子干涉件(以下简称DC-SQUID)。
作为约瑟夫逊结的形状，人们已知的有准平面型的。准平面型约瑟夫结的构造是这样的，即在下部电极的上面通过壁垒层而形成上部电极，其下部电极和上部电极的表面通过电桥相互脆弱地连接。
在这样的准平面型约瑟夫结中，由于它的弱连接(结)长度是由夹在上部电极和下部电极间的壁垒层的厚度决定的，因此与平面上需要精密加工的平面型约瑟夫结相比，有利之处是其弱连接长度是由调整比较容易控制的膜厚来确定的。
图7是表示已有的具有准平面型约瑟夫结的DC-SQUID元件的构造的一个例子中的各层间绝缘层及壁垒层的透视图。图7(a)是整体平面图，图7(b)是它的B部放大图。
在该例中，DC-SQUID是一种将总共4层超导薄膜层叠起来的结构，在基板上的最下层形成调制线圈1和输入线圈2，在它们的上层形成输入线圈用的引出电极2a和接地平面3，再上面一层形成SQUID环4，最上层形成反电极5。
而且，SQUID环4和反电极5是通过设在它们之间的壁垒层(图中未示出)、并由在电极5的上方且跨越它的两侧形成的电桥6在两处相互脆弱连结，从而在这里得到两个约瑟夫逊结7a和7b。
上面的结构，过去是利用例如8到
图11的平面图所表示的步骤制造的。而且，在这些图中也省略将各层间的绝缘层及壁垒层透视出来。
首先，在基板上制成Nb等类型的超导薄膜，再通过对该膜的图案成形(Patterning)得到调制线圈1和输入线圈2。图8表示了它们的情况。
其次，在形成层间绝缘层和触点后，同样在它的上方制成超导薄膜，通过该膜的图案成形而构成接地平面3和输出线圈用的引出电极2a，图9表示了它们的情况。
然后，通过形成层间绝缘层及接触孔(触点)后，在其上制成超导薄膜，并通过对它的图案形成，就形成了如图10所示的SQUID环4。
然后将该SQUID环4作为下部电极，并在其全部表面形成壁垒层，之后，在该壁垒层的上方制成超导薄膜，通过该膜的图案成形得到兼作上部电极的反电极5，如图11所示。
最后，再从它的上方制造超导薄膜，形成图7所示图案的电桥6。
可是，在隧道(tunnel)型约瑟夫逊结元件等场合中，由于不可能调整元件制成后的临界电流值，因而上述各层的制作顺序并特别成问题。然而，在准平面型约瑟夫逊结元件中，可利用阳极酸化等方法一边监测一边调整临界电流值，因此，为了发挥该优点，希望最后制成电桥6。
上述已有技术的元件构造和制造方法，在这一点上是符合理论的。用来制作约瑟夫逊结的下部电极和上部电极的SQUID环4和电极5是在调制线圈1和输入线圈2的上方形成的，且在这些膜上面的最上层形成电桥6。
另一方面，在将这些膜多层积叠的情况下，不可避免的是越上层的膜，其膜面的平坦性和膜质越差。
在准平面型约瑟夫逊结元件中，下部电极(上述例子中的SQUID环)的平坦性及膜质(膜的质量)对其上方的与上部电极(上述例子中的反电极5)保持绝缘，并同时决定弱结长度的壁垒层的好坏给予很大影响的。从这种观点出发，则如下的想法也可成立，即如果想抛弃能调整临界电流值这一准平面型约瑟夫逊结元件的优点，那么最好是将下部电极和上部电极尽可能放置在元件内的下层侧面，而且最极端的做法是将约瑟夫逊结设置在最下层。
图1是表示本发明的实施例的结构示意图;其中(a)是层间绝缘层及壁垒层的透视平面图;(b)及(c)是分别表示(a)图的Ⅰ-Ⅰ断面及Ⅱ-Ⅱ断面的剖面图;
图2到图6是本发明的实施例的制造方法的顺序说明图。
本发明的目的是提供一种能满足准平面型约瑟夫孙结元件中两个互相矛盾的双方的要求的DC-SQUID元件及它的制造方法。
为了达到上述目的，在本发明的DC-SQUID元件中，SQUID环或反电极的任一方应形成在基板的最下层，而另一方则形成在最上层。并且，在上述两层之间形成调制线圈和输入线圈，但在最下层形成的膜(SQUID环或反电极)的上面的一部分应设置一个不会形成调制线圈和输入线圈以及它们的层间绝缘层的区域，在该区域通过壁垒层形成最上层膜(反电极或SQUID环)，且在此通过电桥在两处形成准平面的约瑟夫逊结(部分)。
根据本发明的元件的结构，因为决定准平面型约瑟夫逊结元件的弱结长度的壁垒层是在基板的最下层上所形成的薄膜上形成的，所以它的平坦性及膜质不会变差。同时，由于电桥是在元件的最上层的薄膜上形成的，因而也有可能进行作为准平面型约瑟夫逊结的结构上的优点的利用阳极酸化法等的临界电流值的调整。
另外，本发明的制造方法是制造上述构造的SQUID元件的方法，该方法是在基板上形成SQUID环或反电极后，用保护膜覆盖在它的膜上的，包含上述约瑟夫逊结部分的形成区域的附近的规定区域。其次，在它的最下层膜上构成调制线圈及输入线圈，然后，在即将形成最上层超导薄膜之前插入除去上述保护膜的工序。接着，在进行最上层的薄膜制膜及图案形成后，从它的上方形成电桥从而得到两处约瑟夫结部分。
在该制造方法中，在用保护膜覆盖最下层的薄膜的、含有应形成约瑟夫结部分的区域的规定范围的情况下，为了进行其上方的调制线圈等超导薄膜的制膜、图案形成及层间绝缘层膜的制膜等，那部分的薄膜不会受损害(damage)。
在该制造方法中，作为除去在保护膜上形成的例如Nb超导薄膜等制成的调制线圈、输入线圈及SiO2(二氧化硅)等制成的层间绝缘层的方法，适合采用RIE(Reacfive Ion Etching)(活性离子蚀刻)或溅蚀(spuffering)法。
而且，作为保护膜的材料，应选择能承受上述处理并且可在制造最上层的薄膜之前很容易除去的材料。由于用湿蚀刻法除去保护膜较理想，因而能满足上述条件的材料适合采用Al或MgO。
下面一面参照附图，一面对本发明的较佳实施例作说明。
如图1(a)-(c)所表示，在该实施例中，在基板9的表面即最下层形成有SQUID环4。在它的上方，通过绝缘层10a形成有调制线圈1，它的引出电极11及输入线圈2。进而再在它们的上方通过绝缘层10b形成有接地平面3和输入线圈用引出电极2a。
而在最下层SQUID环4的一端，在该薄膜的上方直接形成壁垒层11，且通过该壁垒层11形成有反电极5。再者，该反电极5的表面和SQUID环4的表面通过跨越它们的双方而形成的电桥6，软弱地连接着，并在该处的两处地方形成有准平面型约瑟夫逊结部7a及7b。
该结构中应注意的是，决定约瑟夫逊结部7a及7b的连接长度的壁垒层11形成在属于基板9上直接制膜而成的最下层膜的SQUID环4的正上方这一点，据此，不但壁垒层的平坦性变好，而且它的膜的质量也更高。而且，由于电桥6与上述已有的元件相同，形成在元件的最上层部分，因此，也有可能进行属于准平面型约瑟夫逊结元件的优点的通过临界电流值的阳极酸化法等手段进行的调整。
这种结构的元件的较好的制造方法以下可参照图2到图6的平面图加以说明。且为了说明的方便，图2到图6省略了层间绝缘层10a和10b。
首先，在基板9上进行超导薄膜的制膜后，对图2所示的SQUID环4进行图案成形。接着，在SQUID环4上方应形成约瑟夫逊结(部分)的位置处形成图3所示的由Al膜构成的保护膜8。
然后，从基板9的上方在整个范围内制造层间绝缘层10a(膜)的同时，形成必要的接触孔(或触点)。接着，在它们的上方制成超导薄膜，并且将该薄膜进行图案成形后，再制造调制线圈1及它的引出电极1a及输入线圈2。如图4所示。
其次，根据图4的情况，在它们的上方的整个平面制成层间绝缘层10b，并形成同样必需的接触孔(触点)后，通过RIE或溅射蚀刻法完全除去在应形成约瑟夫结的位置上的绝缘膜10a及10b即保护膜8的上方的绝缘膜。在该蚀刻方法中，保护膜8是作为抑制器(stopper)起作用的。
接着，在通过湿蚀刻法除去保护膜8后，利用酸化它的一部分的SQUID环4的表面等方法形成壁垒层11。
又，通过在壁垒层11的上面制超导薄膜后再图案成形，得到反电极5。如图6所示。
随后，为了取得SQUID环4及反电极5与电桥6的超导接触，对整个元件进行湿蚀刻之后，制成形成电桥6用的超导薄膜。
最后，涂上保护膜(resist)，进行布里期图形(Bridge-paffem)的电子光束曝光，并把该保护膜作为掩啶(mask)进行用湿蚀刻法及RIE法的电桥6的图象成形，从而得到图1所示的构造的DC-SQUID元件。
在以上制造方法中，特别应该注意的是以下这方面，即设置在最下层由下部电极构成的SQUID环4上应形成约瑟夫逊结的位置在由保护膜8保护的状态下，通过蚀刻将其上方的调制线圈和输入线圈2的图案成形以及层间绝缘层10a、10b等进行除去，据此可使应形成约瑟夫逊结的位置处的超导薄膜不会受损伤。
所以，保护膜8具有某种程度承受RIE(法)和湿蚀刻的能力，并且应该是由在形成反电极5之前，用湿蚀刻很容易被除去的材料构成。作为这种材料，除了上述金属(Al)外，氧化镁(MgO)也较适合。
还有，在以上说明的实施例中，虽然叙述了以SQUID环4为下部电极，反电极5为上部电极的例子，但是，在本发明的DC-SQUID元件中，将在最下层形成的反电极5作为下部电极，最上层形成的SQUID环4作为上部电极也同样产生完全相同的效果。在该情况下，由于制造方法的顺序也是相同的，因此在采用后一种结构时，只要在先前所述的制造方法的说明中，将SQUID环4和反电极5相互掉换一下即可。
另外，勿用说，也可以将其作成使调制线圈1和输入线圈2的层与接地平面(gronnd plane)互相交换的结构。
权利要求
1.一种SQUID元件，它是在基板上分别将超导薄膜进行图案成形而形成的SQUID环、反电极、调制线圈及输入线圈层叠的同时，使上述SQUID环和反电极中间介一壁垒层，用电桥在两处相互较弱地结合，从而获得两个约瑟夫逊结合部，其特征在于上述SQUID环是设置在最下层，且在最上层设置反电极。
2.如权利要求1所述的元件，其特征在于在上述SQUID环的一部分表面形成一个没形成上述调制线圈及输出线圈的区域，且在该区域的表面，通过上述壁垒层，至少叠层上述反电极的一部分。
3.在SQUID元件中，将在基板上对每一超导薄膜图案成形得到的SQUID环、反电极、调制线圈及输入线圈积层的同时，使上述SQUID环和反电极由通过壁垒层的电桥在两处脆弱地连接，从而得到两个约瑟夫逊结。
4.如权利要求3所述的DC-SQUID元件，其特征在于地上述反电极的表面的一部分形成有不形成调制线圈和输入线圈的区域，在该区域的表面，通过上述壁垒层，至少层叠SQUID环的一部分，其特征在于，上述反电极设置在最下层，且上述SQUID环设置在最上层。
5.一种制造DC-SQUID元件的方法，其特征在于它包括以下步骤将基板表面制成的超导薄膜图象形成，形成SQUID环;把包含上述SQUID环上应形成约瑟夫逊结的位置在内的附近规定范围用保护膜覆盖;再在上述覆盖范围的上方形成由超导薄膜制成的调制线圈和输入线圈;然后除去上述保护膜，并在除去膜后的区域内形成壁叠层;进行上述反电极用的超导薄膜的制膜和图案成形;以及形成通过上述壁叠层将及电极和上述SQUID环一起较弱地连接的电桥。
6.一种制造DC-SQUID元件的方法，其特征在于它包括以下步骤将基板表面制成的超导薄膜图象成形，形成SQUID环;把包含反电极上应形成约瑟夫逊结的位置在内的附近规定范围用保护膜覆盖;在覆盖保护膜的上方形成超导体薄膜制的调制线圈和输入线圈;除去上述保护膜，在除去膜后的区域内形成壁垒层;进行上述SQUID环用的超导薄膜的制膜及图案成形;以及形成通过上述壁叠层将SQUID环和上述反电极进行软弱(脆弱)连接的电桥。
7.如权利要求6所述的DC-SQUID元件制造方法，其特征在于当除去上述保护膜时，利用RIE或溅射蚀刻法除去在保护膜上形成的膜，且通过湿蚀刻法除去上述保护膜。
8.如权利要求7所述的DC-SQUID元件制造方法，其特征在于上述保护膜由铝(Al)或氧化镁(MgO)薄膜形成。
全文摘要
本发明提供了一种DCSQOID元件及其制造方法，它是在基板上将超导薄膜图案成型，从而产生SQUID环、反电极、调制线圈以及输出线圈，并将它们叠成层，SQUID环和反电极由通过壁垒层的电桥在两处弱连接，得到两个约瑟夫逊结合部，其中，上述SQUID环是设置在元件的最下层，而反电极设置在最上层。用上述方法制成的DC-SQUID元件可调整临界电流值。
文档编号H01L39/22GK1060926SQ91108930
公开日1992年5月6日 申请日期1991年9月9日 优先权日1990年9月20日
发明者品田惠 申请人:株式会社岛津制作所