薄層デバイスの作成方法
【課題】機械的強度に優れ、サブミリ波帯受信に有用な超伝導素子などの薄層デバイスの作成方法を提供する。
【解決手段】ＭｇＯ仮基板上にＮｂＮ／ＭｇＯ／ＮｂＮ−ＳＩＳ接合からなる多層構造体を形成し、該多層構造体上に基板としてＳｉＯ2を形成し、ついでエッチングにより前記ＭｇＯ仮基板を除去することで薄層デバイスを作成する。本発明の方法により作成した超伝導素子（薄層デバイス）は、性能に優れ、かつ機械的強度が高いため、サブミリ波用導波管への導入も容易である。
【解決手段】ＭｇＯ仮基板上にＮｂＮ／ＭｇＯ／ＮｂＮ−ＳＩＳ接合からなる多層構造体を形成し、該多層構造体上に基板としてＳｉＯ2を形成し、ついでエッチングにより前記ＭｇＯ仮基板を除去することで薄層デバイスを作成する。本発明の方法により作成した超伝導素子（薄層デバイス）は、性能に優れ、かつ機械的強度が高いため、サブミリ波用導波管への導入も容易である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、薄層デバイスの作成方法に関し、より詳細には、ＳｉＯ2基板にＳＩＳ接合を有する超伝導素子などの薄層デバイスの作成方法および超伝導素子などに関する。
【背景技術】
【０００２】
地球環境計測や電波天文学、次世代無線通信の分野において、サブミリ波帯での受信機や発振器の開発が望まれており、その一つとしてジョセフソン接合など超伝導デバイスの研究開発がなされている。ジョセフソン接合の一つである超伝導ＳＩＳ（Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｏｒ−Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ−Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）接合に直流電流を流すと、ある電流値までは２つの超伝導電極間に超伝導トンネル電流が流れるが、これを超えると２つの超伝導電極間に電圧が発生するという特徴を示す。しかもこの接合の電流−電圧特性は半導体デバイスには達成できない非常に強い非線形特性を有する。
【０００３】
現在３００ＧＨｚ帯以上のサブミリ波帯では、このＳＩＳ接合をミキサ素子として用いたＳＩＳ電磁波受信機が最も低雑音であり、たとえば、ニオブ（Ｎｂ）をベースにしたＳＩＳ接合により、既に７２５ＧＨｚ帯までの極低雑音ＳＩＳ電磁波受信機が開発されている。しかし７２５ＧＨｚより高い周波数では、Ｎｂ電極内の超伝導電子対の破壊に伴う電極損失増大により、ＳＩＳ電磁波受信機の性能が急激に劣化してしまう。
【０００４】
そこで超伝導ギャップエネルギーが大きく１．４ＴＨｚまで極低損失特性を有する窒化ニオブ（ＮｂＮ）等を用いたＳＩＳ電磁波受信機の開発が行われている。しかし、ＮｂＮのサブミリ波帯での極低損失特性は、ＮｂＮ薄膜の結晶性に大きく依存し、ＮｂＮのサブミリ波帯デバイス開発への導入には、良好な結晶性を保ちながらデバイスを作成する技術が必要である。すなわちＮｂＮを用いたＳＩＳ接合をエピタキシャル成長させたＮｂＮ、ＭｇＯ等の多層膜のみで構成させる必要がある。
【０００５】
一方、従来からサブミリ波帯受信機作成には、誘電率が低いＳｉＯ2を基板として用いられてきたが、ＮｂＮのエピタキシャル成長はＳｉＯ2基板を使用した場合の報告例はなく、現在のところＭｇＯなど岩塩型単結晶基板が多用されている。実際、ＭｇＯ基板上にＮｂＮ層／ＭｇＯ層／ＮｂＮ層からなるＳＩＳ接合（以下、ＮｂＮ／ＭｇＯ／ＮｂＮ−ＳＩＳ接合と称する。）を形成させる技術が公開されている（特許文献１）。該公報ではＭｇＯ基板上に、ＮｂＮ層、薄いＭｇＯ層、さらにＮｂＮ層を各ヘテロエピタキシャル成長によって形成している。
【０００６】
なお、サブミリ波帯導波管用ミキサは、導波管内波長より十分薄い基板上に作成する必要がある。１ＴＨｚ導波管用ミキサの基板厚は目安として、電磁波の基板内波長の１／４以下、すなわちＳｉＯ2基板でおよそ４０μｍ以下、ＭｇＯ基板では２７μｍ以下にする必要がある。十分な面積を確保しつつこの厚さの基板でデバイスを作成することは困難であり、一般には数百μｍ厚の基板上にＳＩＳ接合を作成し、最終的に基板を機械的に研磨して目的の基板厚に調整している。
【０００７】
このような方法でＭｇＯ基板上に作成されたＮｂＮ系ＳＩＳミキサは、サブミリ波帯導波管用ミキサに導入され、一定の性能を示している（非特許文献１）。
【特許文献１】特開２００１−３５２１０９号公報
【非特許文献１】Waveguide-type all-NBN SIS mixers on MgO substrates by Masanori Takeda et al., Advanced Research Center, National Institute of Information and Communications Technology
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながらＭｇＯ単結晶基板は劈開等により開裂しやすく、また基板を薄くすることで機械的強度が低下するため、再現性良く任意の基板厚を得ることは実質的に困難である。
【０００９】
そこで本発明は、ＮｂＮ／ＭｇＯ／ＮｂＮ−ＳＩＳ接合などエピタキシャル多層構造体がサブミリ波帯材料として有用なＳｉＯ2基板上に配設された、機械的強度に優れ、かつ十分な厚さを確保できる薄層デバイスの製造方法を提供することを目的とする。
【００１０】
また、本発明は、上記製造方法によって得られる薄層デバイス、該薄層デバイスからなるＳＩＳミキサ及びＨＥＢ(Hot-electron Bolometer)電磁波受信機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】
【００１１】
上記の課題を解決するために、ＮｂＮ／ＭｇＯ／ＮｂＮ−ＳＩＳ接合の作成技術について詳細に検討した結果、ＭｇＯを仮基板として、該仮基板上にエピタキシャル成長によって形成したＮｂＮ層／ＭｇＯ層／ＮｂＮ層（以下、エピタキシャルＮｂＮ／ＭｇＯ／ＮｂＮとも称する。）からなるエピタキシャルＮｂＮ／ＭｇＯ／ＮｂＮ−ＳＩＳ接合を作成し、その後、基板として、厚さ数１０μｍのＳｉＯ2を前記エピタキシャル成長で作成したＮｂＮ／ＭｇＯ／ＮｂＮ−ＳＩＳ接合上に成膜し、ついで前記ＭｇＯ仮基板を酸などで除去することで、数１０μｍの厚さのＳｉＯ2上に該ＮｂＮ／ＭｇＯ／ＮｂＮ−ＳＩＳ接合が配設された薄層デバイスを作成できること、および、特に機械的強度に優れ、サブミリ波帯材料として有効なＳｉＯ2基板上に該ＮｂＮ／ＭｇＯ／ＮｂＮ−ＳＩＳ接合が配設された前記薄層デバイスを用いて、該薄層デバイスからなる超伝導素子、ミキサ、およびＨＥＢ電磁波受信機が得られることを見出し、本発明を完成させた。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、基板として厚さ数１０μｍのＳｉＯ2を成膜法により形成し、前記ＭｇＯ仮基板をエッチングにより除去するため均一な研磨技術が不要となり、かつ比較的誘電率の低いＳｉＯ2を基板とするため、ＭｇＯを基板として用いた場合に比べ、基板厚を十分に確保することができ、機械的強度に優れる超伝導素子を製造することができる。また成膜法でＳｉＯ2などの基板を作成することから、優れた基板厚制御が可能となる。
前記薄層デバイスとしては、ＳＩＳミキサやＨＥＢ電磁波受信機等の超伝導素子が挙げられる。また、薄層デバイス作成時に成膜およびリソグラフィにより接地導体（グランド）薄膜を作製することが可能であり、確実かつ良好な接地を達成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明の第一は、仮基板上に、薄膜を積層してなる多層構造体を形成し、次いで、前記多層構造体上に基板を形成するものである、薄層デバイスの作成方法である。
【００１４】
本発明において、仮基板としては、多層構造体を形成し、酸等で除去できるものであれば特に制限はない。多層構造体がエピタキシャル成長させたＮｂＮ層、ＭｇＯ層およびＮｂＮ層からなる場合には、ＮｂＮ層のエピタキシャル成長に適する基材としてＭｇＯ単結晶基板であることが好ましい。
【００１５】
また、前記多層構造体としては、エピタキシャル成長で形成した薄膜からなる多層であることが好ましく、その構成は、得られる薄層デバイスの使用目的に応じて適宜選択することができる。例えば、薄層デバイスが超伝導素子である場合には、ＳＩＳ接合を形成しうる多層構造体であることが好ましく、例えば、エピタキシャル成長によって得たＮｂＮ層を超伝導層とし、絶縁層として単結晶ＭｇＯ層とするＮｂＮ層／ＭｇＯ層／ＮｂＮ層からなる多層構造体などを使用することができる。
【００１６】
また、前記基板としては、得られる薄層デバイスの使用目的に応じてＳｉＯ2、ＭｇＯ、Ａｌ2Ｏ3などから適宜選択することができる。これらの中でもＳｉＯ2であれば、誘電率が低いためサブミリ波帯受信機などに使用するに好適であり、数十ｎｍ〜数十μｍの範囲で形成することができる。また、ＭｇＯを基板とする場合に比べ厚く設定できるため、素子切り出し時の基板強度を十分に確保することもできる。また、ＭｇＯであれば、エピタキシャル成長が可能であり、高い熱伝導率、ＮｂＮとの優れた格子整合性等を有する点で有利である。
【００１７】
以下に、本発明の薄層デバイスの一例として、多層構造体がエピタキシャル成長で形成したＮｂＮ／ＭｇＯ／ＮｂＮ−ＳＩＳ接合である薄層デバイスの作製方法を示す。
【００１８】
図１に、本発明の作成方法で得られた薄層デバイスの好適な実施態様の一例としての超伝導素子を示す。３０はエピタキシャルＮｂＮ層、４０は絶縁層であるエピタキシャルＭｇＯ層、５０はエピタキシャルＮｂＮ層、６０はＳｉＯ2基板、８０は配線層、８５はＮｂＮ／ＭｇＯ／ＮｂＮ−ＳＩＳ接合を示す。エピタキシャルＮｂＮ／ＭｇＯ／ＮｂＮ多層膜が、ＮｂＮ／ＭｇＯ／ＮｂＮ−ＳＩＳ接合を形成し、この多層構造体上にＳｉＯ2基板が積層され、超伝導素子となっている。本発明の形成方法によって、薄層デバイスとして高性能の超伝導素子を得るには、ＮｂＮ層（３０）の下部に設けた図示しない仮基板上に、エピタキシャル成長によってＮｂＮ層（３０）、ＭｇＯ層（４０）、ＮｂＮ層（５０）を積層させて得たエピタキシャルＮｂＮ／ＭｇＯ／ＮｂＮ−ＳＩＳ接合部を形成し、前記ＳＩＳ接合部上に配線層（８０）を形成してＳＩＳ接合を完成し、次いで、該ＳＩＳ接合の上にＳｉＯ2を成膜して基板（６０）を形成し、ついでウェットエッチングにより前記ＭｇＯ仮基板を除去することで得られる。これにより、エピタキシャルＮｂＮ／ＭｇＯ／ＮｂＮ−ＳＩＳ接合がＳｉＯ2基板に転写される。
【００１９】
また、仮基板の除去のためのウェットエッチングの際に前記ＳＩＳ接合がエッチング剤によって侵食されることを防止するため、前記仮基板上に予めエッチング保護層を形成し、次いで該エッチング保護層上に前記多層構造体を形成してもよい。以下、図面を用いて本発明の製造方法を説明する。
【００２０】
まず、図２に示すように、ＭｇＯなどの単結晶からなる仮基板（１０）上にエッチング保護層を形成する。エッチング保護層としては、エッチングの際のＳＩＳ接合への侵食を防止するものであるからエッチング耐性を有することが好ましく、かつ該エッチング保護層上に、多層構造体が形成される必要があるため、エピタキシャル成長など多層構造体の形成に適する特性を有することが好ましい。本発明では、エッチング保護層としては、上記特性を有するものであれば単層でもよく、２層以上の多層で構成してもよい。本発明では、エッチング保護層として、少なくともＮｂＮ薄膜など非酸可溶性の岩塩構造物層を使用することが望ましい。ただし、非酸可溶性の岩塩構造物層としてＮｂＮ薄膜などの導電性材料を用いた場合、回路的に問題となるため最終的には除去する必要が生じる。そこでエッチング保護層として導電性材料を使用した場合には、更に、岩塩構造物からなる誘電体層、例えばＭｇＯ薄膜などを製膜することが好ましい。ＭｇＯ薄膜であれば、フッ素プラズマ耐性が高いため、仮基板（１０）をエッチング除去した後に、フッ素プラズマによってＮｂＮ等の非酸可溶性の岩塩構造物層（２１）を除去する際に、ＳＩＳ接合を保護することができる。
【００２１】
したがって本発明では、仮基板（１０）上にまずＮｂＮなどの非酸可溶性の岩塩構造物層（２１）を形成させ、ついでその上に岩塩構造物からなる誘電体層（２３）を形成させ、岩塩構造物層（２１）と誘電体層（２３）との二層をエッチング保護層として使用することが好ましい。このほか非酸可溶性の岩塩構造物（２１）としては、ＴｉＮ薄膜などが挙げられる。エッチング保護層を構成する各層の形成は、エピタキシャル成長であることが好ましく、たとえば高周波スパッタリングや直流反応性スパッタリングによる方法、またはこれらの組み合わせであってもよい。また、岩塩構造物層（２１）の厚さは素子をエッチング剤による侵食から保護できる耐性を有すれば特に制限はなく、好ましくは１０〜２００ｎｍである。また、誘電体層（２３）の厚さも特に制限はないが、好ましくは１０〜１００ｎｍである。
【００２２】
次に、図３に示すように、エッチング保護層（２１、２３）上に多層構造体であるエピタキシャルＮｂＮ/ＭｇＯ/ＮｂＮ-ＳＩＳ接合を構成するため、ＮｂＮ層（３０）、ＭｇＯ層（４０）、ＮｂＮ層（５０）を形成する。まずエッチング保護層（２１、２３）上にＮｂＮ層（３０）をエピタキシャル成長により形成させ、ついでＭｇＯ層（４０）を形成する。ＭｇＯ層（４０）は、エピタキシャル成長によって形成してもよく、たとえば高周波スパッタリングや直流反応性スパッタリングによる方法、またはこれらの組み合わせであってもよい。ついで、ＭｇＯ層（４０）上にＮｂＮ層（５０）をエピタキシャル成長させる。本発明では、これらがエピタキシャル成長によって形成されることが好ましい。なお、ＮｂＮ層（３０）、ＭｇＯ層（４０）、ＮｂＮ層（５０）はそれぞれ、下部電極層、誘電層、上部電極層となる。
【００２３】
また、前記多層構造体であるＮｂＮ／ＭｇＯ／ＮｂＮ三層膜が、ＮｂＮ/ＭｇＯ/ＮｂＮ−ＳＩＳ接合として機能するために、誘電層となるＭｇＯ層（４０）は超薄膜であることが必要である。このようなＮｂＮ/ＭｇＯ/ＮｂＮ−ＳＩＳ接合の製造方法としては、従来公知の方法を応用することができる。
【００２４】
たとえば、図４に示すようにＮｂＮ/ＭｇＯ/ＮｂＮ三層膜上にフォトレジスト層（７０）を塗布し、フォトリソグラフィにてパターニングを行う。三層膜の露出部分、すなわちＮｂＮ層（５０）、ＭｇＯ（４０）、ＮｂＮ（３０）をフッ素プラズマなど用いた反応性エッチングなどにより除去し、その後溶剤にてフォトレジスト層（７０）を除去する。次に、図５に示すようにレジスト（７５）を塗布し、ＳＩＳ接合部と成る部分以外のレジストをフォトリソグラフィにより除去し、三層膜の露出部分、すなわちＮｂＮ層（５０）をフッ素プラズマなど用いた反応性エッチングにより除去する。その後絶縁層としてＳＩＳ接合部の周囲にＭｇＯ層（４０）を形成する。ついで、フォトレジスト（７５）を溶剤により除去することで、ＳＩＳ接合部の上部に成膜されたＭｇＯ層（４０）も除去する（リフトオフ法という）。次に、配線層（８０）を形成するため、全面にＮｂＮ層をエピタキシャル成長によって成膜する。レジストを塗布し、配線層と成る部分以外のレジストをフォトリソグラフィにより除去、露出したＮｂＮ層をフッ素プラズマなど用いた反応性エッチングにより除去し、配線層（８０）を形成する。その結果、図６に示すように、エッチング保護層であるＮｂＮ層（２１）、ＭｇＯ層（２３）の上部に、多層構造体であるＮｂＮ/ＭｇＯ/ＮｂＮ−ＳＩＳ接合（８５）が形成される。
【００２５】
ついでリン酸などをエッチング溶液として使用するウェットエッチングを行い、露出したＭｇＯ層を除去する。図７に示すように、配線層（８０）の外周にあるＭｇＯ層（４０）をリン酸（９０）などで除去する。これによって、ＭｇＯ層（４０）と共にエッチング保護層であるＭｇＯ薄膜（２３）の一部も除去されている。この工程により次にＳＩＳ接合の上にＳｉＯ2成膜した後は、エッチング剤にさらされるＭｇＯは仮基板（１０）のみとなる。なお、ウェットエッチングに使用するエッチング剤は、不要のＭｇＯを除去することができれば、リン酸に限定されず他のものを使用することができる。
【００２６】
次に、図８に示すように、ＳＩＳ接合（８５）の上にＳｉＯ2などの基板（６０）を成膜する。このように、多層構造体としてＮｂＮ/ＭｇＯ/ＮｂＮ−ＳＩＳ接合（８５）を予め形成した後、該多層構造体の上にＳｉＯ2基板を形成することにより、実質的にＳｉＯ2基板上にＳＩＳ接合が配設された薄層デバイスを作成することができる。本発明において、基板（６０）としてのＳｉＯ2は、高周波スパッタリングや直流反応性スパッタリングにより形成することができ、その厚さは、基板誘電率および使用目的周波数に応じて適宜選択可能である。一般に、１ＴＨｚの場合、４０μｍ以下となる。
【００２７】
ついで、リン酸（９０）などのエッチング剤を用いて仮基板（１０）であるＭｇＯ基板をウェットエッチングにより除去する（図９参照）。次いで、ウェットエッチング保護層（２１）として用いられたＮｂＮ薄膜を、反応性エッチング装置により除去する。最後にＳＩＳ接合の下部に残存するＭｇＯ薄膜（２３）をリン酸により除去することにより図１に示す、目的とする薄層デバイスである超伝導素子が製造される。
【００２８】
本発明の作成方法によれば、該ＮｂＮ／ＭｇＯ／ＮｂＮ−ＳＩＳ接合を包み込むようにＳｉＯ2基板が形成される。ＳｉＯ2基板の厚さは、使用周波数１ＴＨｚではその誘電率から、４０μｍ以下となる。本発明によれば、ＭｇＯなどの仮基板をエッチングにより除去するため均一な研磨技術が不要となり、かつ比較的誘電率の低いＳｉＯ2層を基板とできるため基板厚を十分に確保することができ、機械的強度に優れる超伝導素子を製造することができる。また成膜法でＳｉＯ2などの基板を成膜することから、優れた基板厚制御が可能となる。
【００２９】
なお、接地導体を作製する場合は、エピタキシャルＮｂＮ/ＭｇＯ/ＮｂＮ−ＳＩＳ接合上にＳｉＯ2を成膜した後に、さらに導体薄膜を成膜し、これにパターニングすればよい。
【００３０】
地球環境計測や電波天文学、通信などＴＨｚ周波数領域での受信機が必要とされている分野において、現在ニオブのギャップ周波数である７２５ＧＨｚ以上で１．４ＴＨｚ以下の周波数領域では、エピタキシャルＮｂＮは最も優れた低損失材料である。エピタキシャルＮｂＮを用いた超伝導ＳＩＳ電磁波受信機は、この周波数帯での優れた低雑音電磁波受信機となる可能性を有しており、またＨＥＢ電磁波受信機はＳＩＳ電磁波受信機が動作困難な数ＴＨｚの周波数領域で優れた特性を有する低雑音電磁波受信機である。
【００３１】
本発明は、このような領域での実使用に際して、機械的強度に、かつ低損失性に優れ、地球環境計測や電波天文学の分野、次世代無線通信などに用いる導波管用電磁波受信機全てに対して極めて有効な技術である。本発明によれば、薄層デバイスとして、優れたエピタキシャルＮｂＮ/ＭｇＯ/ＮｂＮ−ＳＩＳ電磁波検出器などを、サブミリ波帯材料として有効なＳｉＯ2基板に構成することが可能となり、また従来の基板研磨技術を不要とすることができる。具体的にはサブミリ波帯におけるＨＥＢ、ＳＩＳなど電磁波受信機、Ｘ線検出器、赤外線ボロメータ、テラヘルツ検出器などの各種検出器、その他半導体デバイス、超伝導体デバイスなどの薄層デバイスの作成に適用可能である。
【実施例】
【００３２】
次に実施例を挙げて本発明を具体的に説明するが、これらの実施例は何ら本発明を制限するものではない。
【００３３】
実施例１
本発明の薄層デバイスとして、ＳｉＯ2基板上に、多層構造体としてエピタキシャルＮｂＮ／ＭｇＯ／ＮｂＮ−ＳＩＳ接合を作成した薄層デバイスを作成した。
【００３４】
まず、厚さ３００μｍのＭｇＯ仮基板上に、ＮｂＮ薄膜を１００ｎｍエピキシャル成長させ、次いで該ＮｂＮ薄膜の上にさらにｒｆスパッタ法およびＤＣ反応性スパッタ法によって厚さ２０ｎｍのエピタキシャルＭｇＯ薄膜をエッチング保護層として形成した。
【００３５】
さらに、エッチング保護層であるＭｇＯ薄膜上に、ＮｂＮエピタキシャル成長させた厚さ２００ｎｍの下部電極層、ついで厚さ約０．７ｎｍのＭｇＯ層をｒｆスパッタ法により形成し、ついでエピタキシャル成長により、厚さ２００ｎｍのＮｂＮ層を上部電極層として形成した。これを基にエピタキシャルＮｂＮ／ＭｇＯ／ＮｂＮ−ＳＩＳ接合を作成、ついでエッチング剤としてリン酸溶液を用いて、ＮｂＮ／ＭｇＯ／ＮｂＮ−ＳＩＳ接合周囲のＭｇＯ層を除去した。ついで、高周波スパッタにより厚さ２０μｍのＳｉＯ2基板を、多層構造体であるＮｂＮ／ＭｇＯ／ＮｂＮ−ＳＩＳ接合上に形成した。ついで、リン酸をエッチング剤として使用して、ＭｇＯ仮基板を除去し、ついで反応性エッチングによりエッチング保護層であるＮｂＮ薄層を除去し、最後にリン酸を用いてエッチング保護層であるＭｇＯ層を除去した。
【００３６】
これにより、ＳｉＯ2基板上に、多層構造体としてＮｂＮ／ＭｇＯ／ＮｂＮ−ＳＩＳ接合からなる薄層デバイスを作成した。
実施例２
本発明の薄層デバイスとして、８７０ＧＨｚ帯導波管用ＳＩＳミキサを作成した。得られた導波管用ＳＩＳミキサの顕微鏡写真を図１０に示す。ここで図１０（ａ）および図１０（ｂ）はＳｉＯ2基板上の導波管用ＳＩＳミキサをダイシングソーで切断した図であり、図１０（ｃ）は約２０μｍのＳｉＯ2基板側からＳＩＳミキサ部を透過して観測した図である。
【００３７】
得られた導波管用ＳＩＳミキサのＳｉＯ2基板のそり及び基板断面を評価した。結果を図１１に示す。図１１（ａ）に示すとおり、基板のそりは長さ約１ｍｍの領域で評価した結果、周辺部より中央部が約０．７μｍ盛り上がっていることを確認した。このことは基板内のストレスが少なく優れた平面性を有していることを意味する。
【００３８】
図１１（ｂ）に、レーザー顕微鏡によりＳｉＯ2基板厚を測定した結果を示す。基板厚は約２１μｍであり、これは成膜速度から予想される基板厚２０．２μｍとほぼ一致（誤差＋４％）し、良好な基板厚制御性が得られていた。
【００３９】
また、このＳＩＳ接合の電流−電圧特性を評価した結果を図１２に示す。ＳＩＳ接合特有の非線形性とそれに伴うヒステリシス特性を確認できた。この接合は臨界電流密度Ｊｃ＝３０ｋＡ/ｃｍ2と高いため非線形性が弱くなっているが、エピタキシャルＳＩＳ接合の特有な高いギャップ電圧（５．３ｍＶ付近の電流の立ち上がり）と、１．３ＴＨｚに相当する２．７ｍＶ付近まで確認できる接合構造に起因する明確な共振ステップが確認でき、エピタキシャルＳＩＳ接合がＳｉＯ2基板上に作製されていることを示している。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】図１は、本発明の作成方法で得られる薄層デバイスの一例としての超伝導素子を示す横断面図である。例えば、ＮｂＮ（３０）は２００ｎｍ、ＭｇＯ層（４０）は２５０ｎｍ、ＮｂＮ層（５０）は２００ｎｍ、ＳｉＯ2層（６０）は２０μｍＷｉｒｅ ＮｂＮ（８０）は３５０ｎｍとすることができる。
【図２】図２は、本発明の薄層デバイスの一例としての超伝導素子の製造方法の一工程を示す説明図であり、ＭｇＯ仮基板上にエッチング保護層を積層した図である。例えば、ＭｇＯ仮基板（１０）上のＮｂＮ層（２１）は１００ｎｍ、ＭｇＯ層（２３）は２０ｎｍとすることができる。
【図３】図３は、本発明の薄層デバイスの一例としての超伝導素子の製造方法の一工程を示す説明図であり、ＭｇＯ仮基板およびエッチング保護層上にＮｂＮ層、ＭｇＯ層およびＮｂＮ層からなる多層構造体が積層された状態を示す図である。ＮｂＮ層（３０）とＮｂＮ層（５０）との間のＭｇＯ層（４０）は０．７ｎｍとすることができる。
【図４】図４は、本発明の薄層デバイスの一例としての超伝導素子の製造方法の一工程を示す説明図であり、フォトレジスト層によりＮｂＮ／ＮｇＯ／ＮｂＮ層をパターニングした状態を示す図である。
【図５】図５は、本発明の薄層デバイスの一例としての超伝導素子の製造方法の一工程を示す説明図であり、ＳＩＳ接合部を形成した状態を示す図である。
【図６】図６は、本発明の薄層デバイスの一例としての超伝導素子の製造方法の一工程を示す説明図であり、ＳＩＳ接合部の上部に配線層を成膜及びパターニングし、ＳＩＳ接合を形成した状態を示す図である。
【図７】図７は、本発明の薄層デバイスの一例としての超伝導素子の製造方法の一工程を示す説明図であり、配線層の外周に露出していたＭｇＯ層を除去した状態を示す図である。
【図８】図８は、本発明の薄層デバイスの一例としての超伝導素子の製造方法の一工程を示す説明図であり、ＮｂＮ／ＭｇＯ／ＮｂＮ−ＳＩＳ接合上にＳｉＯ2からなる基板層を積層した状態を示す図である。
【図９】図９は、本発明の薄層デバイスの一例としての超伝導素子の製造方法の一工程を示す説明図であり、ＭｇＯ仮基板をリン酸を使用してエッチング除去した状態を示す図である。
【図１０】図１０は、本発明の薄層デバイスの一例として、エピタキシャルＮｂＮ／ＭｇＯ／ＮｂＮ−ＳＩＳ接合をＳｉＯ2基板上作成した導波管用ＳＩＳミキサを示す図である。（ａ）および（ｂ）はＳｉＯ2基板上の導波管用ＳＩＳミキサをダイシングソーで切断した図であり、（ｃ）はＳＩＳミキサ部を基板裏側からＳｉＯ2基板を透過してみた図である。
【図１１】図１１は、本発明の薄層デバイスの一例としての超伝導素子のＳｉＯ2基板を評価した図であり、（ａ）はソリを示し、（ｂ）は基板の厚さを示す図である。
【図１２】図１２は、本発明の薄層デバイスの一例としての超伝導素子の電流−電圧測定を示す図である。
【符号の説明】
【００４１】
１０・・・ＭｇＯ仮基板、２１・・・エッチング保護層（非酸可溶性の岩塩構造物層）、２３・・・エッチング保護層（誘電体層）、３０・・・ＮｂＮ層、４０・・・ＭｇＯ層、５０・・・ＮｂＮ層、６０・・・基板、７０・・・フォトレジスト層、７５・・・フォトレジスト、８０・・・配線層、８５・・・ＳＩＳ接合、９０・・・リン酸。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、薄層デバイスの作成方法に関し、より詳細には、ＳｉＯ2基板にＳＩＳ接合を有する超伝導素子などの薄層デバイスの作成方法および超伝導素子などに関する。
【背景技術】
【０００２】
地球環境計測や電波天文学、次世代無線通信の分野において、サブミリ波帯での受信機や発振器の開発が望まれており、その一つとしてジョセフソン接合など超伝導デバイスの研究開発がなされている。ジョセフソン接合の一つである超伝導ＳＩＳ（Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｏｒ−Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ−Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）接合に直流電流を流すと、ある電流値までは２つの超伝導電極間に超伝導トンネル電流が流れるが、これを超えると２つの超伝導電極間に電圧が発生するという特徴を示す。しかもこの接合の電流−電圧特性は半導体デバイスには達成できない非常に強い非線形特性を有する。
【０００３】
現在３００ＧＨｚ帯以上のサブミリ波帯では、このＳＩＳ接合をミキサ素子として用いたＳＩＳ電磁波受信機が最も低雑音であり、たとえば、ニオブ（Ｎｂ）をベースにしたＳＩＳ接合により、既に７２５ＧＨｚ帯までの極低雑音ＳＩＳ電磁波受信機が開発されている。しかし７２５ＧＨｚより高い周波数では、Ｎｂ電極内の超伝導電子対の破壊に伴う電極損失増大により、ＳＩＳ電磁波受信機の性能が急激に劣化してしまう。
【０００４】
そこで超伝導ギャップエネルギーが大きく１．４ＴＨｚまで極低損失特性を有する窒化ニオブ（ＮｂＮ）等を用いたＳＩＳ電磁波受信機の開発が行われている。しかし、ＮｂＮのサブミリ波帯での極低損失特性は、ＮｂＮ薄膜の結晶性に大きく依存し、ＮｂＮのサブミリ波帯デバイス開発への導入には、良好な結晶性を保ちながらデバイスを作成する技術が必要である。すなわちＮｂＮを用いたＳＩＳ接合をエピタキシャル成長させたＮｂＮ、ＭｇＯ等の多層膜のみで構成させる必要がある。
【０００５】
一方、従来からサブミリ波帯受信機作成には、誘電率が低いＳｉＯ2を基板として用いられてきたが、ＮｂＮのエピタキシャル成長はＳｉＯ2基板を使用した場合の報告例はなく、現在のところＭｇＯなど岩塩型単結晶基板が多用されている。実際、ＭｇＯ基板上にＮｂＮ層／ＭｇＯ層／ＮｂＮ層からなるＳＩＳ接合（以下、ＮｂＮ／ＭｇＯ／ＮｂＮ−ＳＩＳ接合と称する。）を形成させる技術が公開されている（特許文献１）。該公報ではＭｇＯ基板上に、ＮｂＮ層、薄いＭｇＯ層、さらにＮｂＮ層を各ヘテロエピタキシャル成長によって形成している。
【０００６】
なお、サブミリ波帯導波管用ミキサは、導波管内波長より十分薄い基板上に作成する必要がある。１ＴＨｚ導波管用ミキサの基板厚は目安として、電磁波の基板内波長の１／４以下、すなわちＳｉＯ2基板でおよそ４０μｍ以下、ＭｇＯ基板では２７μｍ以下にする必要がある。十分な面積を確保しつつこの厚さの基板でデバイスを作成することは困難であり、一般には数百μｍ厚の基板上にＳＩＳ接合を作成し、最終的に基板を機械的に研磨して目的の基板厚に調整している。
【０００７】
このような方法でＭｇＯ基板上に作成されたＮｂＮ系ＳＩＳミキサは、サブミリ波帯導波管用ミキサに導入され、一定の性能を示している（非特許文献１）。
【特許文献１】特開２００１−３５２１０９号公報
【非特許文献１】Waveguide-type all-NBN SIS mixers on MgO substrates by Masanori Takeda et al., Advanced Research Center, National Institute of Information and Communications Technology
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながらＭｇＯ単結晶基板は劈開等により開裂しやすく、また基板を薄くすることで機械的強度が低下するため、再現性良く任意の基板厚を得ることは実質的に困難である。
【０００９】
そこで本発明は、ＮｂＮ／ＭｇＯ／ＮｂＮ−ＳＩＳ接合などエピタキシャル多層構造体がサブミリ波帯材料として有用なＳｉＯ2基板上に配設された、機械的強度に優れ、かつ十分な厚さを確保できる薄層デバイスの製造方法を提供することを目的とする。
【００１０】
また、本発明は、上記製造方法によって得られる薄層デバイス、該薄層デバイスからなるＳＩＳミキサ及びＨＥＢ(Hot-electron Bolometer)電磁波受信機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】
【００１１】
上記の課題を解決するために、ＮｂＮ／ＭｇＯ／ＮｂＮ−ＳＩＳ接合の作成技術について詳細に検討した結果、ＭｇＯを仮基板として、該仮基板上にエピタキシャル成長によって形成したＮｂＮ層／ＭｇＯ層／ＮｂＮ層（以下、エピタキシャルＮｂＮ／ＭｇＯ／ＮｂＮとも称する。）からなるエピタキシャルＮｂＮ／ＭｇＯ／ＮｂＮ−ＳＩＳ接合を作成し、その後、基板として、厚さ数１０μｍのＳｉＯ2を前記エピタキシャル成長で作成したＮｂＮ／ＭｇＯ／ＮｂＮ−ＳＩＳ接合上に成膜し、ついで前記ＭｇＯ仮基板を酸などで除去することで、数１０μｍの厚さのＳｉＯ2上に該ＮｂＮ／ＭｇＯ／ＮｂＮ−ＳＩＳ接合が配設された薄層デバイスを作成できること、および、特に機械的強度に優れ、サブミリ波帯材料として有効なＳｉＯ2基板上に該ＮｂＮ／ＭｇＯ／ＮｂＮ−ＳＩＳ接合が配設された前記薄層デバイスを用いて、該薄層デバイスからなる超伝導素子、ミキサ、およびＨＥＢ電磁波受信機が得られることを見出し、本発明を完成させた。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、基板として厚さ数１０μｍのＳｉＯ2を成膜法により形成し、前記ＭｇＯ仮基板をエッチングにより除去するため均一な研磨技術が不要となり、かつ比較的誘電率の低いＳｉＯ2を基板とするため、ＭｇＯを基板として用いた場合に比べ、基板厚を十分に確保することができ、機械的強度に優れる超伝導素子を製造することができる。また成膜法でＳｉＯ2などの基板を作成することから、優れた基板厚制御が可能となる。
前記薄層デバイスとしては、ＳＩＳミキサやＨＥＢ電磁波受信機等の超伝導素子が挙げられる。また、薄層デバイス作成時に成膜およびリソグラフィにより接地導体（グランド）薄膜を作製することが可能であり、確実かつ良好な接地を達成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明の第一は、仮基板上に、薄膜を積層してなる多層構造体を形成し、次いで、前記多層構造体上に基板を形成するものである、薄層デバイスの作成方法である。
【００１４】
本発明において、仮基板としては、多層構造体を形成し、酸等で除去できるものであれば特に制限はない。多層構造体がエピタキシャル成長させたＮｂＮ層、ＭｇＯ層およびＮｂＮ層からなる場合には、ＮｂＮ層のエピタキシャル成長に適する基材としてＭｇＯ単結晶基板であることが好ましい。
【００１５】
また、前記多層構造体としては、エピタキシャル成長で形成した薄膜からなる多層であることが好ましく、その構成は、得られる薄層デバイスの使用目的に応じて適宜選択することができる。例えば、薄層デバイスが超伝導素子である場合には、ＳＩＳ接合を形成しうる多層構造体であることが好ましく、例えば、エピタキシャル成長によって得たＮｂＮ層を超伝導層とし、絶縁層として単結晶ＭｇＯ層とするＮｂＮ層／ＭｇＯ層／ＮｂＮ層からなる多層構造体などを使用することができる。
【００１６】
また、前記基板としては、得られる薄層デバイスの使用目的に応じてＳｉＯ2、ＭｇＯ、Ａｌ2Ｏ3などから適宜選択することができる。これらの中でもＳｉＯ2であれば、誘電率が低いためサブミリ波帯受信機などに使用するに好適であり、数十ｎｍ〜数十μｍの範囲で形成することができる。また、ＭｇＯを基板とする場合に比べ厚く設定できるため、素子切り出し時の基板強度を十分に確保することもできる。また、ＭｇＯであれば、エピタキシャル成長が可能であり、高い熱伝導率、ＮｂＮとの優れた格子整合性等を有する点で有利である。
【００１７】
以下に、本発明の薄層デバイスの一例として、多層構造体がエピタキシャル成長で形成したＮｂＮ／ＭｇＯ／ＮｂＮ−ＳＩＳ接合である薄層デバイスの作製方法を示す。
【００１８】
図１に、本発明の作成方法で得られた薄層デバイスの好適な実施態様の一例としての超伝導素子を示す。３０はエピタキシャルＮｂＮ層、４０は絶縁層であるエピタキシャルＭｇＯ層、５０はエピタキシャルＮｂＮ層、６０はＳｉＯ2基板、８０は配線層、８５はＮｂＮ／ＭｇＯ／ＮｂＮ−ＳＩＳ接合を示す。エピタキシャルＮｂＮ／ＭｇＯ／ＮｂＮ多層膜が、ＮｂＮ／ＭｇＯ／ＮｂＮ−ＳＩＳ接合を形成し、この多層構造体上にＳｉＯ2基板が積層され、超伝導素子となっている。本発明の形成方法によって、薄層デバイスとして高性能の超伝導素子を得るには、ＮｂＮ層（３０）の下部に設けた図示しない仮基板上に、エピタキシャル成長によってＮｂＮ層（３０）、ＭｇＯ層（４０）、ＮｂＮ層（５０）を積層させて得たエピタキシャルＮｂＮ／ＭｇＯ／ＮｂＮ−ＳＩＳ接合部を形成し、前記ＳＩＳ接合部上に配線層（８０）を形成してＳＩＳ接合を完成し、次いで、該ＳＩＳ接合の上にＳｉＯ2を成膜して基板（６０）を形成し、ついでウェットエッチングにより前記ＭｇＯ仮基板を除去することで得られる。これにより、エピタキシャルＮｂＮ／ＭｇＯ／ＮｂＮ−ＳＩＳ接合がＳｉＯ2基板に転写される。
【００１９】
また、仮基板の除去のためのウェットエッチングの際に前記ＳＩＳ接合がエッチング剤によって侵食されることを防止するため、前記仮基板上に予めエッチング保護層を形成し、次いで該エッチング保護層上に前記多層構造体を形成してもよい。以下、図面を用いて本発明の製造方法を説明する。
【００２０】
まず、図２に示すように、ＭｇＯなどの単結晶からなる仮基板（１０）上にエッチング保護層を形成する。エッチング保護層としては、エッチングの際のＳＩＳ接合への侵食を防止するものであるからエッチング耐性を有することが好ましく、かつ該エッチング保護層上に、多層構造体が形成される必要があるため、エピタキシャル成長など多層構造体の形成に適する特性を有することが好ましい。本発明では、エッチング保護層としては、上記特性を有するものであれば単層でもよく、２層以上の多層で構成してもよい。本発明では、エッチング保護層として、少なくともＮｂＮ薄膜など非酸可溶性の岩塩構造物層を使用することが望ましい。ただし、非酸可溶性の岩塩構造物層としてＮｂＮ薄膜などの導電性材料を用いた場合、回路的に問題となるため最終的には除去する必要が生じる。そこでエッチング保護層として導電性材料を使用した場合には、更に、岩塩構造物からなる誘電体層、例えばＭｇＯ薄膜などを製膜することが好ましい。ＭｇＯ薄膜であれば、フッ素プラズマ耐性が高いため、仮基板（１０）をエッチング除去した後に、フッ素プラズマによってＮｂＮ等の非酸可溶性の岩塩構造物層（２１）を除去する際に、ＳＩＳ接合を保護することができる。
【００２１】
したがって本発明では、仮基板（１０）上にまずＮｂＮなどの非酸可溶性の岩塩構造物層（２１）を形成させ、ついでその上に岩塩構造物からなる誘電体層（２３）を形成させ、岩塩構造物層（２１）と誘電体層（２３）との二層をエッチング保護層として使用することが好ましい。このほか非酸可溶性の岩塩構造物（２１）としては、ＴｉＮ薄膜などが挙げられる。エッチング保護層を構成する各層の形成は、エピタキシャル成長であることが好ましく、たとえば高周波スパッタリングや直流反応性スパッタリングによる方法、またはこれらの組み合わせであってもよい。また、岩塩構造物層（２１）の厚さは素子をエッチング剤による侵食から保護できる耐性を有すれば特に制限はなく、好ましくは１０〜２００ｎｍである。また、誘電体層（２３）の厚さも特に制限はないが、好ましくは１０〜１００ｎｍである。
【００２２】
次に、図３に示すように、エッチング保護層（２１、２３）上に多層構造体であるエピタキシャルＮｂＮ/ＭｇＯ/ＮｂＮ-ＳＩＳ接合を構成するため、ＮｂＮ層（３０）、ＭｇＯ層（４０）、ＮｂＮ層（５０）を形成する。まずエッチング保護層（２１、２３）上にＮｂＮ層（３０）をエピタキシャル成長により形成させ、ついでＭｇＯ層（４０）を形成する。ＭｇＯ層（４０）は、エピタキシャル成長によって形成してもよく、たとえば高周波スパッタリングや直流反応性スパッタリングによる方法、またはこれらの組み合わせであってもよい。ついで、ＭｇＯ層（４０）上にＮｂＮ層（５０）をエピタキシャル成長させる。本発明では、これらがエピタキシャル成長によって形成されることが好ましい。なお、ＮｂＮ層（３０）、ＭｇＯ層（４０）、ＮｂＮ層（５０）はそれぞれ、下部電極層、誘電層、上部電極層となる。
【００２３】
また、前記多層構造体であるＮｂＮ／ＭｇＯ／ＮｂＮ三層膜が、ＮｂＮ/ＭｇＯ/ＮｂＮ−ＳＩＳ接合として機能するために、誘電層となるＭｇＯ層（４０）は超薄膜であることが必要である。このようなＮｂＮ/ＭｇＯ/ＮｂＮ−ＳＩＳ接合の製造方法としては、従来公知の方法を応用することができる。
【００２４】
たとえば、図４に示すようにＮｂＮ/ＭｇＯ/ＮｂＮ三層膜上にフォトレジスト層（７０）を塗布し、フォトリソグラフィにてパターニングを行う。三層膜の露出部分、すなわちＮｂＮ層（５０）、ＭｇＯ（４０）、ＮｂＮ（３０）をフッ素プラズマなど用いた反応性エッチングなどにより除去し、その後溶剤にてフォトレジスト層（７０）を除去する。次に、図５に示すようにレジスト（７５）を塗布し、ＳＩＳ接合部と成る部分以外のレジストをフォトリソグラフィにより除去し、三層膜の露出部分、すなわちＮｂＮ層（５０）をフッ素プラズマなど用いた反応性エッチングにより除去する。その後絶縁層としてＳＩＳ接合部の周囲にＭｇＯ層（４０）を形成する。ついで、フォトレジスト（７５）を溶剤により除去することで、ＳＩＳ接合部の上部に成膜されたＭｇＯ層（４０）も除去する（リフトオフ法という）。次に、配線層（８０）を形成するため、全面にＮｂＮ層をエピタキシャル成長によって成膜する。レジストを塗布し、配線層と成る部分以外のレジストをフォトリソグラフィにより除去、露出したＮｂＮ層をフッ素プラズマなど用いた反応性エッチングにより除去し、配線層（８０）を形成する。その結果、図６に示すように、エッチング保護層であるＮｂＮ層（２１）、ＭｇＯ層（２３）の上部に、多層構造体であるＮｂＮ/ＭｇＯ/ＮｂＮ−ＳＩＳ接合（８５）が形成される。
【００２５】
ついでリン酸などをエッチング溶液として使用するウェットエッチングを行い、露出したＭｇＯ層を除去する。図７に示すように、配線層（８０）の外周にあるＭｇＯ層（４０）をリン酸（９０）などで除去する。これによって、ＭｇＯ層（４０）と共にエッチング保護層であるＭｇＯ薄膜（２３）の一部も除去されている。この工程により次にＳＩＳ接合の上にＳｉＯ2成膜した後は、エッチング剤にさらされるＭｇＯは仮基板（１０）のみとなる。なお、ウェットエッチングに使用するエッチング剤は、不要のＭｇＯを除去することができれば、リン酸に限定されず他のものを使用することができる。
【００２６】
次に、図８に示すように、ＳＩＳ接合（８５）の上にＳｉＯ2などの基板（６０）を成膜する。このように、多層構造体としてＮｂＮ/ＭｇＯ/ＮｂＮ−ＳＩＳ接合（８５）を予め形成した後、該多層構造体の上にＳｉＯ2基板を形成することにより、実質的にＳｉＯ2基板上にＳＩＳ接合が配設された薄層デバイスを作成することができる。本発明において、基板（６０）としてのＳｉＯ2は、高周波スパッタリングや直流反応性スパッタリングにより形成することができ、その厚さは、基板誘電率および使用目的周波数に応じて適宜選択可能である。一般に、１ＴＨｚの場合、４０μｍ以下となる。
【００２７】
ついで、リン酸（９０）などのエッチング剤を用いて仮基板（１０）であるＭｇＯ基板をウェットエッチングにより除去する（図９参照）。次いで、ウェットエッチング保護層（２１）として用いられたＮｂＮ薄膜を、反応性エッチング装置により除去する。最後にＳＩＳ接合の下部に残存するＭｇＯ薄膜（２３）をリン酸により除去することにより図１に示す、目的とする薄層デバイスである超伝導素子が製造される。
【００２８】
本発明の作成方法によれば、該ＮｂＮ／ＭｇＯ／ＮｂＮ−ＳＩＳ接合を包み込むようにＳｉＯ2基板が形成される。ＳｉＯ2基板の厚さは、使用周波数１ＴＨｚではその誘電率から、４０μｍ以下となる。本発明によれば、ＭｇＯなどの仮基板をエッチングにより除去するため均一な研磨技術が不要となり、かつ比較的誘電率の低いＳｉＯ2層を基板とできるため基板厚を十分に確保することができ、機械的強度に優れる超伝導素子を製造することができる。また成膜法でＳｉＯ2などの基板を成膜することから、優れた基板厚制御が可能となる。
【００２９】
なお、接地導体を作製する場合は、エピタキシャルＮｂＮ/ＭｇＯ/ＮｂＮ−ＳＩＳ接合上にＳｉＯ2を成膜した後に、さらに導体薄膜を成膜し、これにパターニングすればよい。
【００３０】
地球環境計測や電波天文学、通信などＴＨｚ周波数領域での受信機が必要とされている分野において、現在ニオブのギャップ周波数である７２５ＧＨｚ以上で１．４ＴＨｚ以下の周波数領域では、エピタキシャルＮｂＮは最も優れた低損失材料である。エピタキシャルＮｂＮを用いた超伝導ＳＩＳ電磁波受信機は、この周波数帯での優れた低雑音電磁波受信機となる可能性を有しており、またＨＥＢ電磁波受信機はＳＩＳ電磁波受信機が動作困難な数ＴＨｚの周波数領域で優れた特性を有する低雑音電磁波受信機である。
【００３１】
本発明は、このような領域での実使用に際して、機械的強度に、かつ低損失性に優れ、地球環境計測や電波天文学の分野、次世代無線通信などに用いる導波管用電磁波受信機全てに対して極めて有効な技術である。本発明によれば、薄層デバイスとして、優れたエピタキシャルＮｂＮ/ＭｇＯ/ＮｂＮ−ＳＩＳ電磁波検出器などを、サブミリ波帯材料として有効なＳｉＯ2基板に構成することが可能となり、また従来の基板研磨技術を不要とすることができる。具体的にはサブミリ波帯におけるＨＥＢ、ＳＩＳなど電磁波受信機、Ｘ線検出器、赤外線ボロメータ、テラヘルツ検出器などの各種検出器、その他半導体デバイス、超伝導体デバイスなどの薄層デバイスの作成に適用可能である。
【実施例】
【００３２】
次に実施例を挙げて本発明を具体的に説明するが、これらの実施例は何ら本発明を制限するものではない。
【００３３】
実施例１
本発明の薄層デバイスとして、ＳｉＯ2基板上に、多層構造体としてエピタキシャルＮｂＮ／ＭｇＯ／ＮｂＮ−ＳＩＳ接合を作成した薄層デバイスを作成した。
【００３４】
まず、厚さ３００μｍのＭｇＯ仮基板上に、ＮｂＮ薄膜を１００ｎｍエピキシャル成長させ、次いで該ＮｂＮ薄膜の上にさらにｒｆスパッタ法およびＤＣ反応性スパッタ法によって厚さ２０ｎｍのエピタキシャルＭｇＯ薄膜をエッチング保護層として形成した。
【００３５】
さらに、エッチング保護層であるＭｇＯ薄膜上に、ＮｂＮエピタキシャル成長させた厚さ２００ｎｍの下部電極層、ついで厚さ約０．７ｎｍのＭｇＯ層をｒｆスパッタ法により形成し、ついでエピタキシャル成長により、厚さ２００ｎｍのＮｂＮ層を上部電極層として形成した。これを基にエピタキシャルＮｂＮ／ＭｇＯ／ＮｂＮ−ＳＩＳ接合を作成、ついでエッチング剤としてリン酸溶液を用いて、ＮｂＮ／ＭｇＯ／ＮｂＮ−ＳＩＳ接合周囲のＭｇＯ層を除去した。ついで、高周波スパッタにより厚さ２０μｍのＳｉＯ2基板を、多層構造体であるＮｂＮ／ＭｇＯ／ＮｂＮ−ＳＩＳ接合上に形成した。ついで、リン酸をエッチング剤として使用して、ＭｇＯ仮基板を除去し、ついで反応性エッチングによりエッチング保護層であるＮｂＮ薄層を除去し、最後にリン酸を用いてエッチング保護層であるＭｇＯ層を除去した。
【００３６】
これにより、ＳｉＯ2基板上に、多層構造体としてＮｂＮ／ＭｇＯ／ＮｂＮ−ＳＩＳ接合からなる薄層デバイスを作成した。
実施例２
本発明の薄層デバイスとして、８７０ＧＨｚ帯導波管用ＳＩＳミキサを作成した。得られた導波管用ＳＩＳミキサの顕微鏡写真を図１０に示す。ここで図１０（ａ）および図１０（ｂ）はＳｉＯ2基板上の導波管用ＳＩＳミキサをダイシングソーで切断した図であり、図１０（ｃ）は約２０μｍのＳｉＯ2基板側からＳＩＳミキサ部を透過して観測した図である。
【００３７】
得られた導波管用ＳＩＳミキサのＳｉＯ2基板のそり及び基板断面を評価した。結果を図１１に示す。図１１（ａ）に示すとおり、基板のそりは長さ約１ｍｍの領域で評価した結果、周辺部より中央部が約０．７μｍ盛り上がっていることを確認した。このことは基板内のストレスが少なく優れた平面性を有していることを意味する。
【００３８】
図１１（ｂ）に、レーザー顕微鏡によりＳｉＯ2基板厚を測定した結果を示す。基板厚は約２１μｍであり、これは成膜速度から予想される基板厚２０．２μｍとほぼ一致（誤差＋４％）し、良好な基板厚制御性が得られていた。
【００３９】
また、このＳＩＳ接合の電流−電圧特性を評価した結果を図１２に示す。ＳＩＳ接合特有の非線形性とそれに伴うヒステリシス特性を確認できた。この接合は臨界電流密度Ｊｃ＝３０ｋＡ/ｃｍ2と高いため非線形性が弱くなっているが、エピタキシャルＳＩＳ接合の特有な高いギャップ電圧（５．３ｍＶ付近の電流の立ち上がり）と、１．３ＴＨｚに相当する２．７ｍＶ付近まで確認できる接合構造に起因する明確な共振ステップが確認でき、エピタキシャルＳＩＳ接合がＳｉＯ2基板上に作製されていることを示している。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】図１は、本発明の作成方法で得られる薄層デバイスの一例としての超伝導素子を示す横断面図である。例えば、ＮｂＮ（３０）は２００ｎｍ、ＭｇＯ層（４０）は２５０ｎｍ、ＮｂＮ層（５０）は２００ｎｍ、ＳｉＯ2層（６０）は２０μｍＷｉｒｅ ＮｂＮ（８０）は３５０ｎｍとすることができる。
【図２】図２は、本発明の薄層デバイスの一例としての超伝導素子の製造方法の一工程を示す説明図であり、ＭｇＯ仮基板上にエッチング保護層を積層した図である。例えば、ＭｇＯ仮基板（１０）上のＮｂＮ層（２１）は１００ｎｍ、ＭｇＯ層（２３）は２０ｎｍとすることができる。
【図３】図３は、本発明の薄層デバイスの一例としての超伝導素子の製造方法の一工程を示す説明図であり、ＭｇＯ仮基板およびエッチング保護層上にＮｂＮ層、ＭｇＯ層およびＮｂＮ層からなる多層構造体が積層された状態を示す図である。ＮｂＮ層（３０）とＮｂＮ層（５０）との間のＭｇＯ層（４０）は０．７ｎｍとすることができる。
【図４】図４は、本発明の薄層デバイスの一例としての超伝導素子の製造方法の一工程を示す説明図であり、フォトレジスト層によりＮｂＮ／ＮｇＯ／ＮｂＮ層をパターニングした状態を示す図である。
【図５】図５は、本発明の薄層デバイスの一例としての超伝導素子の製造方法の一工程を示す説明図であり、ＳＩＳ接合部を形成した状態を示す図である。
【図６】図６は、本発明の薄層デバイスの一例としての超伝導素子の製造方法の一工程を示す説明図であり、ＳＩＳ接合部の上部に配線層を成膜及びパターニングし、ＳＩＳ接合を形成した状態を示す図である。
【図７】図７は、本発明の薄層デバイスの一例としての超伝導素子の製造方法の一工程を示す説明図であり、配線層の外周に露出していたＭｇＯ層を除去した状態を示す図である。
【図８】図８は、本発明の薄層デバイスの一例としての超伝導素子の製造方法の一工程を示す説明図であり、ＮｂＮ／ＭｇＯ／ＮｂＮ−ＳＩＳ接合上にＳｉＯ2からなる基板層を積層した状態を示す図である。
【図９】図９は、本発明の薄層デバイスの一例としての超伝導素子の製造方法の一工程を示す説明図であり、ＭｇＯ仮基板をリン酸を使用してエッチング除去した状態を示す図である。
【図１０】図１０は、本発明の薄層デバイスの一例として、エピタキシャルＮｂＮ／ＭｇＯ／ＮｂＮ−ＳＩＳ接合をＳｉＯ2基板上作成した導波管用ＳＩＳミキサを示す図である。（ａ）および（ｂ）はＳｉＯ2基板上の導波管用ＳＩＳミキサをダイシングソーで切断した図であり、（ｃ）はＳＩＳミキサ部を基板裏側からＳｉＯ2基板を透過してみた図である。
【図１１】図１１は、本発明の薄層デバイスの一例としての超伝導素子のＳｉＯ2基板を評価した図であり、（ａ）はソリを示し、（ｂ）は基板の厚さを示す図である。
【図１２】図１２は、本発明の薄層デバイスの一例としての超伝導素子の電流−電圧測定を示す図である。
【符号の説明】
【００４１】
１０・・・ＭｇＯ仮基板、２１・・・エッチング保護層（非酸可溶性の岩塩構造物層）、２３・・・エッチング保護層（誘電体層）、３０・・・ＮｂＮ層、４０・・・ＭｇＯ層、５０・・・ＮｂＮ層、６０・・・基板、７０・・・フォトレジスト層、７５・・・フォトレジスト、８０・・・配線層、８５・・・ＳＩＳ接合、９０・・・リン酸。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
仮基板上に、薄膜を積層してなる多層構造体を形成し、次いで、前記多層構造体上に基板を形成するものである、薄層デバイスの作成方法。
【請求項２】
前記仮基板上にエッチング保護層を形成し、次いで該エッチング保護層上に前記多層構造体を形成するものである、請求項１記載の薄層デバイスの作成方法。
【請求項３】
前記多層構造体上に前記基板を形成した後、前記仮基板をエッチングにより除去するものである、請求項２記載の薄層デバイスの作成方法。
【請求項４】
前記エッチング保護層が、前記仮基板上に形成された非酸可溶性の岩塩構造物層と岩塩構造物からなる誘電体層とからなり、前記多層構造体上に前記基板を形成した後、前記仮基板をウェットエッチングにより除去し、次いで、反応性エッチングにより前記非酸可溶性の岩塩構造物層を除去するものである、請求項３記載の薄層デバイスの作成方法。
【請求項５】
反応性エッチングにより前記非酸可溶性の岩塩構造物層を除去した後、ウェットエッチングにより前記岩塩構造物からなる誘電体層を除るものである、請求項４記載の薄層デバイスの作成方法。
【請求項６】
更に、多層構造体上に基板を形成した後、該基板上に導体材料を成膜およびパターニングして良好な接地導体を形成する工程を含む、請求項５記載の薄層デバイスの作成方法。
【請求項７】
前記仮基板は、単結晶基板である、請求項１記載の薄層デバイスの作成方法。
【請求項８】
前記仮基板は、ＭｇＯからなることを特徴とする、請求項１記載の薄層デバイスの作成方法。
【請求項９】
前記多層構造体は、エピタキシャル成長で形成した多層である、請求項１記載の薄層デバイスの作成方法。
【請求項１０】
前記多層構造体は、ＮｂＮ層／ＭｇＯ層／ＮｂＮ層である、請求項９記載の薄層デバイスの作成方法。
【請求項１１】
前記基板は、ＳｉＯ2からなる、請求項１記載の薄層デバイスの作成方法。
【請求項１２】
請求項１〜１１記載の薄層デバイスの作成方法により作成された、薄層デバイス。
【請求項１３】
請求項１２記載の薄層デバイスからなる、超伝導素子、ＳＩＳミキサまたはＨＥＢ電磁波受信機。
【請求項１】
仮基板上に、薄膜を積層してなる多層構造体を形成し、次いで、前記多層構造体上に基板を形成するものである、薄層デバイスの作成方法。
【請求項２】
前記仮基板上にエッチング保護層を形成し、次いで該エッチング保護層上に前記多層構造体を形成するものである、請求項１記載の薄層デバイスの作成方法。
【請求項３】
前記多層構造体上に前記基板を形成した後、前記仮基板をエッチングにより除去するものである、請求項２記載の薄層デバイスの作成方法。
【請求項４】
前記エッチング保護層が、前記仮基板上に形成された非酸可溶性の岩塩構造物層と岩塩構造物からなる誘電体層とからなり、前記多層構造体上に前記基板を形成した後、前記仮基板をウェットエッチングにより除去し、次いで、反応性エッチングにより前記非酸可溶性の岩塩構造物層を除去するものである、請求項３記載の薄層デバイスの作成方法。
【請求項５】
反応性エッチングにより前記非酸可溶性の岩塩構造物層を除去した後、ウェットエッチングにより前記岩塩構造物からなる誘電体層を除るものである、請求項４記載の薄層デバイスの作成方法。
【請求項６】
更に、多層構造体上に基板を形成した後、該基板上に導体材料を成膜およびパターニングして良好な接地導体を形成する工程を含む、請求項５記載の薄層デバイスの作成方法。
【請求項７】
前記仮基板は、単結晶基板である、請求項１記載の薄層デバイスの作成方法。
【請求項８】
前記仮基板は、ＭｇＯからなることを特徴とする、請求項１記載の薄層デバイスの作成方法。
【請求項９】
前記多層構造体は、エピタキシャル成長で形成した多層である、請求項１記載の薄層デバイスの作成方法。
【請求項１０】
前記多層構造体は、ＮｂＮ層／ＭｇＯ層／ＮｂＮ層である、請求項９記載の薄層デバイスの作成方法。
【請求項１１】
前記基板は、ＳｉＯ2からなる、請求項１記載の薄層デバイスの作成方法。
【請求項１２】
請求項１〜１１記載の薄層デバイスの作成方法により作成された、薄層デバイス。
【請求項１３】
請求項１２記載の薄層デバイスからなる、超伝導素子、ＳＩＳミキサまたはＨＥＢ電磁波受信機。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２００７−１８０４９２（Ｐ２００７−１８０４９２Ａ）
【公開日】平成１９年７月１２日（２００７．７．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−２４８９３５（Ｐ２００６−２４８９３５）
【出願日】平成１８年９月１４日（２００６．９．１４）
【出願人】（３０１０２２４７１）独立行政法人情報通信研究機構 (1,071)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年７月１２日（２００７．７．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年９月１４日（２００６．９．１４）
【出願人】（３０１０２２４７１）独立行政法人情報通信研究機構 (1,071)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]