Ａｌ系超伝導フォトン検出器の製造方法、Ａｌ系超伝導フォトン検出器
【課題】 超伝導素材としてＡｌを採用した超伝導フォトン検出器を提供可能にする。
【解決手段】 Ａｌ系超伝導フォトン検出器を製造する際に、超伝導フォトン検出器用の基板に、超伝導材料としてＡｌ薄膜を積層し、このＡｌ薄膜上にレジスト処理によるマスクを形成して、基板及びＡｌ薄膜をチャンバー内に収容する。更に、チャンバーにエッチング用ガスを導入しながら、プラズマ発生手段によってチャンバー内にプラズマを発生させ、プラズマ高密度化手段によって、チャンバー内のプラズマの密度を向上させることで、この密度が向上されたプラズマを用いてＡｌ薄膜をエッチングするようにした。
【解決手段】 Ａｌ系超伝導フォトン検出器を製造する際に、超伝導フォトン検出器用の基板に、超伝導材料としてＡｌ薄膜を積層し、このＡｌ薄膜上にレジスト処理によるマスクを形成して、基板及びＡｌ薄膜をチャンバー内に収容する。更に、チャンバーにエッチング用ガスを導入しながら、プラズマ発生手段によってチャンバー内にプラズマを発生させ、プラズマ高密度化手段によって、チャンバー内のプラズマの密度を向上させることで、この密度が向上されたプラズマを用いてＡｌ薄膜をエッチングするようにした。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は超伝導フォトン検出器及びその製造方法に関するものであり、特に超伝導材料としてＡｌを採用する際の技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、フォトンを計測する検出器として、これまで主に半導体検出器が用いられてきている。一方、半導体検出器は既に半導体材料固有の性質により更なる性能向上が困難であり、先端的研究開発への応用が望めなくなってきている。研究開発や応用分野を切り拓くためには、フォトン検出器の大幅な性能向上が鍵となるからである。そこで近年は、半導体検出器に代わって、超伝導フォトン検出器が注目されてきている。この超伝導フォトン検出器は、可視光からＸ線領域までの広帯域のフォトンを精度良く、高速に測定できるという特徴があり、各種研究開発成果においても優れた実験データが多数示されるようになってきている。
【０００３】
この超伝導フォトン検出器には、超伝導体によって構成される超伝導トンネル接合素子（以下ＳＴＪ素子）が組み込まれる。このＳＴＪ素子の超伝導体内に、クーパー対を崩壊するだけのエネルギーが入射されると、クーパー対が崩壊して励起電子（準粒子）が発生するようになっており、この準粒子を信号として収集することで、フォトンを検出する原理となっている。従って、超伝導フォトン検出器では、収集できる準粒子数が多ければ多いほど、エネルギー分解能の向上が見込まれる。例えば１つのクーパー対を崩壊するために必要なエネルギーをεとすると、エネルギーがＥとなる光が超伝導トンネル接合素子に入射した場合、検出器が収集できる電荷数はＥ／εで表されることになる。すなわちεが小さければ小さいほど多くの電荷を収集することができる。
【０００４】
ここで、εは超伝導体材料によって異なることが知られている。例えばＮｂは３．０５ｍｅＶ、Ｓｎは１．１５ｍｅＶ、Ａｌは０．３４ｍｅＶとなっており、これらの中でεが最も小さい超伝導体材料はＡｌであることが分かる。超伝導体電極材料にＡｌを用いる場合、理論的に算出されるエネルギー分解能は約２ｅＶとなり、半導体検出器の理論エネルギー分解能１３０ｅＶを遙かに凌駕できる。特にＡｌの場合、コヒーレンス長（エネルギーギャップの空間的均一性の指標値）が１．６μｍとなり、Ｎｂの０．０３８μｍよりも大きくなり、エネルギーギャップの揺らぎが小さくなって分解能が更に向上する。また超伝導体としてＡｌを用いる場合、素子検出動作時に必要な磁場の大きさが、Ｎｂの場合と比較して約１０分の１の１０ｇａｕｓｓ程度でよい。これらの観点からもＳＴＪ素子の超伝導材料としてＡｌを採用することは、様々なアドバンテージが見込まれると考えられる。
【特許文献１】特許第３４５９９８３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
このように超伝導材料としてはＡｌが優れた特性を示すにも関わらず、現在、最も用いられている超伝導トンネル接合素子の電極材料はＮｂである。Ｎｂが用いられる理由は、Ｎｂの微細加工のしやすさにある。通常、薄膜を加工する装置には反応性イオンエッチング装置（Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ：ＲＩＥ）が用いられる。ＲＩＥ装置は、薄膜が収容されたチャンバー内に反応性ガスを導入し、薄膜におけるレジストで被覆されていない箇所と反応性ガスを反応させることで加工を行う。例えば、Ｎｂ薄膜の場合は、チャンバー内で放電したＣＦ４ガスと反応してＮｂＦ５ガスとなり、ポンプによって排気される。また同様にＳｉＯ２薄膜もＣＦ４と反応後、ＳｉＦ４とＯ２ガスを生成して排気される。この際、反応性ガスの導入圧力は４０Ｐａ程度の高圧力に設定される。高圧の方が、反応性ガスのイオンエネルギーが高くなって反応効率が向上すると共に、レジストのエッチングレートも抑制することができるからである。
【０００６】
しかしながら、仮にＡｌ薄膜をエッチングする場合を検討すると、ＣＦ４と反応してＡｌＦが生成されるが、このＡｌＦはガス化されないという特性がある。従って、未公知であるば、本発明者らの検討によると、高いエネルギーのイオンや、このＡｌＦ等が、高圧力下で周囲のＡｌ薄膜に衝突を繰り返すことで、レジストやＡｌ薄膜、デバイス等へのダメージを与えると共に、更なる不要物質が生成されるという問題があった。
【０００７】
つまり従来のエッチング条件をＡｌに適用した場合には、ガス化による加工（化学的エッチング）よりも、高エネルギー化された各種イオン等がＡｌ薄膜に衝突することによって行われる加工（物理的エッチング）が自ずと支配的となっている可能性がある。この物理的エッチングの影響により、レジストが剥離するスピードは、ガス化による加工と比較した場合、数１０倍以上も早いことから、現実的にはレジストが本来の機能を発揮できない為、加工が困難になる。また、高エネルギー化されたイオンで物理的にエッチングを行っても、Ａｌ薄膜のエッチングレート向上にはあまり役立っていない可能性があった。
【０００８】
結局、これらの問題によって、一般的に用いられるフォトリソグラフィ技術をＡｌには適用できないと考えられており、実際に、これまでＡｌ系ＳＴＪ素子を用いた研究を行っているグループは、Ａｌ薄膜を強制的に剥がして取り除くリフトオフプロセスや、Ａｌ膜の堆積時に金属マスクを用いて素子形状を形成していくという手法によってＳＴＪ素子を製造している。しかし、これらの手法は、研究目的として、大まかなＡｌ薄膜パターンを形成する場合は有益であるが、微細加工を行う場合や、再現性のよいデバイスを作製することに関しては不向きであるという問題があった。
【０００９】
本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、Ａｌ薄膜に関して、フォトリソグラフィ技術を利用した加工を可能にすることで、高精度且つ再現性の高い超伝導フォトン検出器を得ることを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的は、以下の手段によって達成されるものである。
【００１１】
（１）超伝導フォトン検出器用の基板に、超伝導材料としてＡｌ薄膜を積層する工程と、前記Ａｌ薄膜上に、レジスト処理によるマスクを形成する工程と、前記基板及び前記Ａｌ薄膜をチャンバー内に収容して、エッチング用ガスを導入する工程と、プラズマ発生手段によって前記チャンバー内にプラズマを発生させる工程と、プラズマ高密度化手段によって、前記チャンバー内の前記プラズマの密度を向上させる工程と、密度が向上された前記プラズマを用いて、前記Ａｌ薄膜をエッチングする工程と、を有することを特徴とするＡｌ系超伝導フォトン検出器の製造方法。
【００１２】
（２）前記プラズマ高密度化手段によって、プラズマ密度を１０１１ｃｍ−３以上且つ１０１３ｃｍ−３以下に設定することを特徴とする（１）記載のＡｌ系超伝導フォトン検出器の製造方法。
【００１３】
（３）前記エッチング用ガスの圧力を１０Ｐａ以下に設定することを特徴とする（１）又は（２）記載のＡｌ系超伝導フォトン検出器の製造方法。
【００１４】
（４）前記エッチング用ガスとしてＣＦ４を用いることを特徴とする（１）、（２）又は（３）記載のＡｌ系超伝導フォトン検出器の製造方法。
【００１５】
（５）前記プラズマ高密度化手段によって磁場を発生させ、該磁場によって前記プラズマ密度を向上させることを特徴とする（１）乃至（４）のいずれか記載のＡｌ系超伝導フォトン検出器の製造方法。
【００１６】
（６）エッチング時に前記Ａｌ薄膜にバイアス電圧を印加することを特徴とする（１）乃至（５）のいずれか記載のＡｌ系超伝導フォトン検出器の製造方法。
【００１７】
（７）基板と、前記基板上に積層される第１Ａｌ薄膜層と、前記第１Ａｌ薄膜層上に積層される第２Ａｌ薄膜層と、前記第１Ａｌ薄膜層と第２Ａｌ薄膜層の間に介在する絶縁層と、を備えるＡｌ系超伝導フォトン検出器であって、前記第１又は第２Ａｌ薄膜が、（１）乃至（６）のいずれか記載の前記製造方法によってエッチングされていることを特徴とするＡｌ系超伝導フォトン検出器。
【００１８】
（８）前記第１及び第２Ａｌ薄膜層が正規分布形状となっていることを特徴とする（７）記載のＡｌ系超伝導フォトン検出器。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、超伝導材料してＡｌ系を用いても、高精度なエッチング加工を行うことが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
図１（Ａ）には、本発明の第１実施形態に係るＡｌ系超伝導フォトン検出器（以下超伝導フォトン検出器という）１が示されている。この超伝導フォトン検出器１は、サファイア基板２と、サファイア基板２上に形成される超伝導トンネル接合素子（以下ＳＴＪ素子）４等を備える。
【００２１】
ＳＴＪ素子４は、下部超伝導Ａｌ層１０と、この下部超伝導Ａｌ層１０上に積層される絶縁層１２と、絶縁層１２上に積層される上部超伝導Ａｌ層１４を備える。このＳＴＪ素４は、図１（Ｂ）に示されるように、保護膜１６によって覆われており、この保護膜１６の上に上部配線１８が形成されている。この上部配線１８は、保護膜１６を貫通して上部超伝導Ａｌ層１４に接合されている。一方、下部超伝導Ａｌ層１０には下部配線２０が接合されている。
【００２２】
下部超伝導Ａｌ層１０及び上部超伝導Ａｌ層１４は、Ａｌによって構成される厚さが約１００ｎｍの薄膜であり、ここでは１００μｍ角の形状となっている。また、絶縁層１２は、厚さ数ｎｍのＡｌＯｘによって構成されており、絶縁体として機能する。従って、このＳＴＪ素子４は、Ａｌ／ＡｌＯｘ／Ａｌ構造となっている。
【００２３】
保護膜１６は、ＳｉＯ２やＭｇＯによって構成されており、ＳＴＪ素子４を保護する。上部配線１８及び下部配線２０は、比較的加工の容易なＮｂによって構成されている。
【００２４】
この超伝導フォトン検出器１を使用する際は、これを超伝導状態への転移温度以下に冷却する。具体的にＡｌの転移温度が１．１９Ｋであることから、それ以下の温度に冷却する。更に、上部Ａｌ層１４と下部Ａｌ層１０の間にはバイアス電圧を印加しておき、絶縁層１２によるトンネル結合を利用して両者間のポテンシャルに差をつけておく。
【００２５】
冷却により超伝導状態にある上部Ａｌ層１４内では、２つの電子が対となって互いに近距離を保って移動している。この電子の対はクーパー対(Ｃｏｏｐｅｒ ｐａｉｒ) と呼ばれている。光がＳＴＪ素子４の上方から入射し、上部Ａｌ層１４に取り込まれると、光電吸収によって電子が生成される。この電子がきっかけとなって、クーパー対の破壊が繰り返され、このクーパー対から切り離されて単独となった準粒子（ｑｕａｓｉｐａｒｔｉｃｌｅ）が大量に生成される。これらの準粒子が、トンネル効果により絶縁層１２を通過して下部Ａｌ層１０側に移動する結果、上部配線１８及び下部配線２０から信号電荷が取り出されて検出される。
【００２６】
図２には、本実施形態の超伝導フォトン検出器１を製造する際に用いるエッチング装置３０が示されている。エッチング装置３０は、被エッチング対象物となる（加工前の）超伝導フォトン検出器１が収容されるチャンバー３２と、チャンバー３２内に配置される一対の平板電極３４と、この一対の平板電極３４の間にプラズマ発生させる高周波電源３５と、チャンバー３２に反応性ガス（ここではＣＦ４）を導入するガス導入配管３６と、反応後のガスや残留物を排気する排気配管３８と、このチャンバー３２内に磁場を生じさせてプラズマを局所的に高密度化する電磁コイル４０を備える。
【００２７】
（加工前の）超伝導フォトン検出器１は、予め、サファイア基板２上に下部超伝導Ａｌ層１０、絶縁層１２、上部超伝導Ａｌ層１６を積層した状態で、レジストを塗布し、露光及び現像を行って、１００μｍ角の領域にマスクが形成された状態にしている。この状態の超伝導フォトン検出器１をチャンバー３２に収容し、ガス圧を１０Ｐａ以下、好ましくは３．０Ｐａ以下、具体的には１．０Ｐａに設定したＣＦ４ガスをチャンバー３２内に導入し、電極３４間に２００Ｗの高周波を印加してプラズマを発生させる。更に、電磁コイル４０に２００Ｗの電力を印加して磁場を生じさせる事で、プラズマ密度を、１０１１ｃｍ−３以上且つ１０１３ｃｍ−３以下に設定する。
【００２８】
このようにすると、反応性ガス（ＣＦ４）が、プラズマ放電によって、ＣＦ４＋ｅ→ＣＦ３＋Ｆ（イオン）＋２ｅとなり、このＦイオンと超伝導Ａｌ層１０、１４とによる化学反応として、Ａｌ＋３Ｆ→ＡｌＦ３（残留物）が成立し、Ａｌが化学的にエッチングされる事になる。一方、このエッチング装置３０によれば、発生するプラズマ密度を高めることによって、超伝導フォトン検出器１に接触するガス（イオン）の数量が多くなるようにしており。更にガス圧を低く設定していることから、チャンバー３２内のイオンのエネルギーを積極的に低減させている。この結果、大量（高密度）且つ低エネルギーのイオンが、超伝導Ａｌ層１０、１４に衝突する事で、Ａｌ原子を弾き飛ばすことによるエッチングを積極的に実行して、上記化学反応によるエッチングよりもこの物理的なエッチング効果を支配的にする。この際に、イオン自体を低エネルギーにしているので、レジストに対するダメージは小さくて済み、レジストのエッチングレートを小さくすることが出来る。つまり、弱いエネルギーでありながら、衝突の頻度を上げる事で、レジストの低エッチングレート化とＡｌの高エッチングレート化を両立させるようになっている。
【００２９】
この結果、従来、加工が困難といわれていた超伝導Ａｌ層１０、１４のエッチングレートが５〜２０ｎｍ／ｍｉｎとなり、超伝導フォトン検出器１を製造する際に必要な値を得ることが可能とる。なお、従来はＡｌ薄膜のエッチングレートは、１〜２ｎｍ／ｍｉｎであり、本実施形態では１０倍程度のエッチングレートが得られる。このエッチングレートの向上に伴い、加工できるＡｌ膜厚は１００ｎｍから３００ｎｍとなり、図１で示したようなデバイス作製も可能となる。特に、Ａｌ系超伝導トンネル接合素子作製に用いることができなかったフォトリソグラフィ（露光・現像）技術を採用しているので、素子の微細パターン化も達成される。
【００３０】
図３には、第２実施形態の超伝導フォトン検出器１０１が示されている。この超伝導フォトン検出器１０１は、ＳＴＪ素子１０４の形状を除いて、既に示した第１実施形態の超伝導フォトン検出器１と同様であるので、図面における符号の下２桁を互いに一致させる事で、重複説明を省略する。
【００３１】
このＳＴＪ素子１０４は、下部超伝導Ａｌ層１１０、絶縁層１１２、上部超伝導Ａｌ層１１４を備えており、これらの形状が対称型正規分布形状となっている。この対称型正規分布形状は、具体的に、Ｘ軸に対応する辺を底辺とし、Ｘ軸値によって生成されるＹ軸方向の正規分布関数で規定される曲線を周辺とする第１正規分布形状１０４Ａと、この第１の正規分布形状１０４Ａと同形状で且つＹ軸方向を反対とする第２正規分布形状１０４Ｂとを、互いに底辺を一致させて配置した形状である。ＳＴＪ素子１０４をこのような形状にすると、ＳＴＪ素子１０４における、フィスケステップと呼ばれる共振電流ピークを抑制する事が可能になり、放射線等の検出性能を大幅に向上させることが可能になる。
【００３２】
なお、この超伝導フォトン検出器１０１を製造する際には、図２で示したエッチング装置３０を用いる必要がある。つまり、ＳＴＪ素子１０４を対称型正規分布形状とした場合、第１正規分布形状１０４Ａと第２正規分布形状１０４Ｂの底辺の両端部分１０５を鋭敏にすることが、その性能向上に欠かす事が出来ない為、高精度のエッチング処理が要求される。本実施形態のエッチング装置３０では、超伝導材料としてＡｌを採用しつつもこの両端部分１０５を略１μｍ幅に形成することが可能になり、極めて感度が高く、且つ安定性に優れた超伝導フォトン検出器１０１を得ることが可能となっている。
【００３３】
本実施形態によれば、Ａｌを用いたＳＴＪ素子をエッチング加工する際に、チャンバー内のプラズマを高密度化処理しているので、反応性ガスのエネルギーを低減させることによるレジスト等の損傷を抑制と、Ａｌのエッチングレートの向上を合理的に両立させることが可能となる。従って、製造プロセス上の理由から、実現可能性が低いとされていたＡｌ系超伝導フォトン検出器について、細かいパターンのＳＴＪ素子を、高い再現性でもって製造する事が可能となる。特に、サブミクロンオーダーの微細加工が可能となるので、例えば図３で示したような正規分布形状のＡｌ系ＳＴＪ素子１０４を安定製造することも可能となり、Ａｌ系素子の物理現象などの解明が容易になる。
【００３４】
また、超伝導材料としてＡｌを採用することが可能となったので、超伝導フォトン検出器の動作に必要な磁場の低減を図ることができる。そのため、コイル集積型の超伝導トンネル接合素子であっても、コイルに通電する電流量の軽減に伴い、電力が限られた環境における利用が可能となる。
【００３５】
なお、本実施形態では磁場を用いる事でプラズマを高密度化する場合を示したが、本発明はそれに限定されず、他の手段によってプラズマを高密度化してもよい。
【００３６】
尚、本発明の製造方法又は超伝導フォトン検出器は、上記した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
本発明によれば、例えばＸ線から可視光線等の広範囲に亘って計測可能なフォトン検出器を得ることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の第１実施形態に係るＡｌ系超伝導フォトン検出器を示す上面図及び断面図
【図２】同超伝導フォトン検出器を製造するためのエッチング装置の概要を示す構成図
【図３】本発明の第２実施形態に係るＡｌ系超伝導フォトン検出器を示す上面図及び断面図
【符号の説明】
【００３９】
１、１０１ Ａｌ系超伝導フォトン検出器
２、１０２ サファイア基板
４、１０４ ＳＴＪ素子
１０、１１０ 下部超伝導Ａｌ層
１２、１１２ 絶縁層
１４、１１４ 上部超伝導Ａｌ層
１６、１１６ 保護膜１６
１８、１１８ 上部配線
２０、１２０ 下部配線
３０ エッチング装置
３２ チャンバー
３４ 平板電極
３５ 高周波電源
３６ ガス導入配管
３８ 排気配管
４０ 電磁コイル
【技術分野】
【０００１】
本発明は超伝導フォトン検出器及びその製造方法に関するものであり、特に超伝導材料としてＡｌを採用する際の技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、フォトンを計測する検出器として、これまで主に半導体検出器が用いられてきている。一方、半導体検出器は既に半導体材料固有の性質により更なる性能向上が困難であり、先端的研究開発への応用が望めなくなってきている。研究開発や応用分野を切り拓くためには、フォトン検出器の大幅な性能向上が鍵となるからである。そこで近年は、半導体検出器に代わって、超伝導フォトン検出器が注目されてきている。この超伝導フォトン検出器は、可視光からＸ線領域までの広帯域のフォトンを精度良く、高速に測定できるという特徴があり、各種研究開発成果においても優れた実験データが多数示されるようになってきている。
【０００３】
この超伝導フォトン検出器には、超伝導体によって構成される超伝導トンネル接合素子（以下ＳＴＪ素子）が組み込まれる。このＳＴＪ素子の超伝導体内に、クーパー対を崩壊するだけのエネルギーが入射されると、クーパー対が崩壊して励起電子（準粒子）が発生するようになっており、この準粒子を信号として収集することで、フォトンを検出する原理となっている。従って、超伝導フォトン検出器では、収集できる準粒子数が多ければ多いほど、エネルギー分解能の向上が見込まれる。例えば１つのクーパー対を崩壊するために必要なエネルギーをεとすると、エネルギーがＥとなる光が超伝導トンネル接合素子に入射した場合、検出器が収集できる電荷数はＥ／εで表されることになる。すなわちεが小さければ小さいほど多くの電荷を収集することができる。
【０００４】
ここで、εは超伝導体材料によって異なることが知られている。例えばＮｂは３．０５ｍｅＶ、Ｓｎは１．１５ｍｅＶ、Ａｌは０．３４ｍｅＶとなっており、これらの中でεが最も小さい超伝導体材料はＡｌであることが分かる。超伝導体電極材料にＡｌを用いる場合、理論的に算出されるエネルギー分解能は約２ｅＶとなり、半導体検出器の理論エネルギー分解能１３０ｅＶを遙かに凌駕できる。特にＡｌの場合、コヒーレンス長（エネルギーギャップの空間的均一性の指標値）が１．６μｍとなり、Ｎｂの０．０３８μｍよりも大きくなり、エネルギーギャップの揺らぎが小さくなって分解能が更に向上する。また超伝導体としてＡｌを用いる場合、素子検出動作時に必要な磁場の大きさが、Ｎｂの場合と比較して約１０分の１の１０ｇａｕｓｓ程度でよい。これらの観点からもＳＴＪ素子の超伝導材料としてＡｌを採用することは、様々なアドバンテージが見込まれると考えられる。
【特許文献１】特許第３４５９９８３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
このように超伝導材料としてはＡｌが優れた特性を示すにも関わらず、現在、最も用いられている超伝導トンネル接合素子の電極材料はＮｂである。Ｎｂが用いられる理由は、Ｎｂの微細加工のしやすさにある。通常、薄膜を加工する装置には反応性イオンエッチング装置（Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ：ＲＩＥ）が用いられる。ＲＩＥ装置は、薄膜が収容されたチャンバー内に反応性ガスを導入し、薄膜におけるレジストで被覆されていない箇所と反応性ガスを反応させることで加工を行う。例えば、Ｎｂ薄膜の場合は、チャンバー内で放電したＣＦ４ガスと反応してＮｂＦ５ガスとなり、ポンプによって排気される。また同様にＳｉＯ２薄膜もＣＦ４と反応後、ＳｉＦ４とＯ２ガスを生成して排気される。この際、反応性ガスの導入圧力は４０Ｐａ程度の高圧力に設定される。高圧の方が、反応性ガスのイオンエネルギーが高くなって反応効率が向上すると共に、レジストのエッチングレートも抑制することができるからである。
【０００６】
しかしながら、仮にＡｌ薄膜をエッチングする場合を検討すると、ＣＦ４と反応してＡｌＦが生成されるが、このＡｌＦはガス化されないという特性がある。従って、未公知であるば、本発明者らの検討によると、高いエネルギーのイオンや、このＡｌＦ等が、高圧力下で周囲のＡｌ薄膜に衝突を繰り返すことで、レジストやＡｌ薄膜、デバイス等へのダメージを与えると共に、更なる不要物質が生成されるという問題があった。
【０００７】
つまり従来のエッチング条件をＡｌに適用した場合には、ガス化による加工（化学的エッチング）よりも、高エネルギー化された各種イオン等がＡｌ薄膜に衝突することによって行われる加工（物理的エッチング）が自ずと支配的となっている可能性がある。この物理的エッチングの影響により、レジストが剥離するスピードは、ガス化による加工と比較した場合、数１０倍以上も早いことから、現実的にはレジストが本来の機能を発揮できない為、加工が困難になる。また、高エネルギー化されたイオンで物理的にエッチングを行っても、Ａｌ薄膜のエッチングレート向上にはあまり役立っていない可能性があった。
【０００８】
結局、これらの問題によって、一般的に用いられるフォトリソグラフィ技術をＡｌには適用できないと考えられており、実際に、これまでＡｌ系ＳＴＪ素子を用いた研究を行っているグループは、Ａｌ薄膜を強制的に剥がして取り除くリフトオフプロセスや、Ａｌ膜の堆積時に金属マスクを用いて素子形状を形成していくという手法によってＳＴＪ素子を製造している。しかし、これらの手法は、研究目的として、大まかなＡｌ薄膜パターンを形成する場合は有益であるが、微細加工を行う場合や、再現性のよいデバイスを作製することに関しては不向きであるという問題があった。
【０００９】
本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、Ａｌ薄膜に関して、フォトリソグラフィ技術を利用した加工を可能にすることで、高精度且つ再現性の高い超伝導フォトン検出器を得ることを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的は、以下の手段によって達成されるものである。
【００１１】
（１）超伝導フォトン検出器用の基板に、超伝導材料としてＡｌ薄膜を積層する工程と、前記Ａｌ薄膜上に、レジスト処理によるマスクを形成する工程と、前記基板及び前記Ａｌ薄膜をチャンバー内に収容して、エッチング用ガスを導入する工程と、プラズマ発生手段によって前記チャンバー内にプラズマを発生させる工程と、プラズマ高密度化手段によって、前記チャンバー内の前記プラズマの密度を向上させる工程と、密度が向上された前記プラズマを用いて、前記Ａｌ薄膜をエッチングする工程と、を有することを特徴とするＡｌ系超伝導フォトン検出器の製造方法。
【００１２】
（２）前記プラズマ高密度化手段によって、プラズマ密度を１０１１ｃｍ−３以上且つ１０１３ｃｍ−３以下に設定することを特徴とする（１）記載のＡｌ系超伝導フォトン検出器の製造方法。
【００１３】
（３）前記エッチング用ガスの圧力を１０Ｐａ以下に設定することを特徴とする（１）又は（２）記載のＡｌ系超伝導フォトン検出器の製造方法。
【００１４】
（４）前記エッチング用ガスとしてＣＦ４を用いることを特徴とする（１）、（２）又は（３）記載のＡｌ系超伝導フォトン検出器の製造方法。
【００１５】
（５）前記プラズマ高密度化手段によって磁場を発生させ、該磁場によって前記プラズマ密度を向上させることを特徴とする（１）乃至（４）のいずれか記載のＡｌ系超伝導フォトン検出器の製造方法。
【００１６】
（６）エッチング時に前記Ａｌ薄膜にバイアス電圧を印加することを特徴とする（１）乃至（５）のいずれか記載のＡｌ系超伝導フォトン検出器の製造方法。
【００１７】
（７）基板と、前記基板上に積層される第１Ａｌ薄膜層と、前記第１Ａｌ薄膜層上に積層される第２Ａｌ薄膜層と、前記第１Ａｌ薄膜層と第２Ａｌ薄膜層の間に介在する絶縁層と、を備えるＡｌ系超伝導フォトン検出器であって、前記第１又は第２Ａｌ薄膜が、（１）乃至（６）のいずれか記載の前記製造方法によってエッチングされていることを特徴とするＡｌ系超伝導フォトン検出器。
【００１８】
（８）前記第１及び第２Ａｌ薄膜層が正規分布形状となっていることを特徴とする（７）記載のＡｌ系超伝導フォトン検出器。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、超伝導材料してＡｌ系を用いても、高精度なエッチング加工を行うことが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
図１（Ａ）には、本発明の第１実施形態に係るＡｌ系超伝導フォトン検出器（以下超伝導フォトン検出器という）１が示されている。この超伝導フォトン検出器１は、サファイア基板２と、サファイア基板２上に形成される超伝導トンネル接合素子（以下ＳＴＪ素子）４等を備える。
【００２１】
ＳＴＪ素子４は、下部超伝導Ａｌ層１０と、この下部超伝導Ａｌ層１０上に積層される絶縁層１２と、絶縁層１２上に積層される上部超伝導Ａｌ層１４を備える。このＳＴＪ素４は、図１（Ｂ）に示されるように、保護膜１６によって覆われており、この保護膜１６の上に上部配線１８が形成されている。この上部配線１８は、保護膜１６を貫通して上部超伝導Ａｌ層１４に接合されている。一方、下部超伝導Ａｌ層１０には下部配線２０が接合されている。
【００２２】
下部超伝導Ａｌ層１０及び上部超伝導Ａｌ層１４は、Ａｌによって構成される厚さが約１００ｎｍの薄膜であり、ここでは１００μｍ角の形状となっている。また、絶縁層１２は、厚さ数ｎｍのＡｌＯｘによって構成されており、絶縁体として機能する。従って、このＳＴＪ素子４は、Ａｌ／ＡｌＯｘ／Ａｌ構造となっている。
【００２３】
保護膜１６は、ＳｉＯ２やＭｇＯによって構成されており、ＳＴＪ素子４を保護する。上部配線１８及び下部配線２０は、比較的加工の容易なＮｂによって構成されている。
【００２４】
この超伝導フォトン検出器１を使用する際は、これを超伝導状態への転移温度以下に冷却する。具体的にＡｌの転移温度が１．１９Ｋであることから、それ以下の温度に冷却する。更に、上部Ａｌ層１４と下部Ａｌ層１０の間にはバイアス電圧を印加しておき、絶縁層１２によるトンネル結合を利用して両者間のポテンシャルに差をつけておく。
【００２５】
冷却により超伝導状態にある上部Ａｌ層１４内では、２つの電子が対となって互いに近距離を保って移動している。この電子の対はクーパー対(Ｃｏｏｐｅｒ ｐａｉｒ) と呼ばれている。光がＳＴＪ素子４の上方から入射し、上部Ａｌ層１４に取り込まれると、光電吸収によって電子が生成される。この電子がきっかけとなって、クーパー対の破壊が繰り返され、このクーパー対から切り離されて単独となった準粒子（ｑｕａｓｉｐａｒｔｉｃｌｅ）が大量に生成される。これらの準粒子が、トンネル効果により絶縁層１２を通過して下部Ａｌ層１０側に移動する結果、上部配線１８及び下部配線２０から信号電荷が取り出されて検出される。
【００２６】
図２には、本実施形態の超伝導フォトン検出器１を製造する際に用いるエッチング装置３０が示されている。エッチング装置３０は、被エッチング対象物となる（加工前の）超伝導フォトン検出器１が収容されるチャンバー３２と、チャンバー３２内に配置される一対の平板電極３４と、この一対の平板電極３４の間にプラズマ発生させる高周波電源３５と、チャンバー３２に反応性ガス（ここではＣＦ４）を導入するガス導入配管３６と、反応後のガスや残留物を排気する排気配管３８と、このチャンバー３２内に磁場を生じさせてプラズマを局所的に高密度化する電磁コイル４０を備える。
【００２７】
（加工前の）超伝導フォトン検出器１は、予め、サファイア基板２上に下部超伝導Ａｌ層１０、絶縁層１２、上部超伝導Ａｌ層１６を積層した状態で、レジストを塗布し、露光及び現像を行って、１００μｍ角の領域にマスクが形成された状態にしている。この状態の超伝導フォトン検出器１をチャンバー３２に収容し、ガス圧を１０Ｐａ以下、好ましくは３．０Ｐａ以下、具体的には１．０Ｐａに設定したＣＦ４ガスをチャンバー３２内に導入し、電極３４間に２００Ｗの高周波を印加してプラズマを発生させる。更に、電磁コイル４０に２００Ｗの電力を印加して磁場を生じさせる事で、プラズマ密度を、１０１１ｃｍ−３以上且つ１０１３ｃｍ−３以下に設定する。
【００２８】
このようにすると、反応性ガス（ＣＦ４）が、プラズマ放電によって、ＣＦ４＋ｅ→ＣＦ３＋Ｆ（イオン）＋２ｅとなり、このＦイオンと超伝導Ａｌ層１０、１４とによる化学反応として、Ａｌ＋３Ｆ→ＡｌＦ３（残留物）が成立し、Ａｌが化学的にエッチングされる事になる。一方、このエッチング装置３０によれば、発生するプラズマ密度を高めることによって、超伝導フォトン検出器１に接触するガス（イオン）の数量が多くなるようにしており。更にガス圧を低く設定していることから、チャンバー３２内のイオンのエネルギーを積極的に低減させている。この結果、大量（高密度）且つ低エネルギーのイオンが、超伝導Ａｌ層１０、１４に衝突する事で、Ａｌ原子を弾き飛ばすことによるエッチングを積極的に実行して、上記化学反応によるエッチングよりもこの物理的なエッチング効果を支配的にする。この際に、イオン自体を低エネルギーにしているので、レジストに対するダメージは小さくて済み、レジストのエッチングレートを小さくすることが出来る。つまり、弱いエネルギーでありながら、衝突の頻度を上げる事で、レジストの低エッチングレート化とＡｌの高エッチングレート化を両立させるようになっている。
【００２９】
この結果、従来、加工が困難といわれていた超伝導Ａｌ層１０、１４のエッチングレートが５〜２０ｎｍ／ｍｉｎとなり、超伝導フォトン検出器１を製造する際に必要な値を得ることが可能とる。なお、従来はＡｌ薄膜のエッチングレートは、１〜２ｎｍ／ｍｉｎであり、本実施形態では１０倍程度のエッチングレートが得られる。このエッチングレートの向上に伴い、加工できるＡｌ膜厚は１００ｎｍから３００ｎｍとなり、図１で示したようなデバイス作製も可能となる。特に、Ａｌ系超伝導トンネル接合素子作製に用いることができなかったフォトリソグラフィ（露光・現像）技術を採用しているので、素子の微細パターン化も達成される。
【００３０】
図３には、第２実施形態の超伝導フォトン検出器１０１が示されている。この超伝導フォトン検出器１０１は、ＳＴＪ素子１０４の形状を除いて、既に示した第１実施形態の超伝導フォトン検出器１と同様であるので、図面における符号の下２桁を互いに一致させる事で、重複説明を省略する。
【００３１】
このＳＴＪ素子１０４は、下部超伝導Ａｌ層１１０、絶縁層１１２、上部超伝導Ａｌ層１１４を備えており、これらの形状が対称型正規分布形状となっている。この対称型正規分布形状は、具体的に、Ｘ軸に対応する辺を底辺とし、Ｘ軸値によって生成されるＹ軸方向の正規分布関数で規定される曲線を周辺とする第１正規分布形状１０４Ａと、この第１の正規分布形状１０４Ａと同形状で且つＹ軸方向を反対とする第２正規分布形状１０４Ｂとを、互いに底辺を一致させて配置した形状である。ＳＴＪ素子１０４をこのような形状にすると、ＳＴＪ素子１０４における、フィスケステップと呼ばれる共振電流ピークを抑制する事が可能になり、放射線等の検出性能を大幅に向上させることが可能になる。
【００３２】
なお、この超伝導フォトン検出器１０１を製造する際には、図２で示したエッチング装置３０を用いる必要がある。つまり、ＳＴＪ素子１０４を対称型正規分布形状とした場合、第１正規分布形状１０４Ａと第２正規分布形状１０４Ｂの底辺の両端部分１０５を鋭敏にすることが、その性能向上に欠かす事が出来ない為、高精度のエッチング処理が要求される。本実施形態のエッチング装置３０では、超伝導材料としてＡｌを採用しつつもこの両端部分１０５を略１μｍ幅に形成することが可能になり、極めて感度が高く、且つ安定性に優れた超伝導フォトン検出器１０１を得ることが可能となっている。
【００３３】
本実施形態によれば、Ａｌを用いたＳＴＪ素子をエッチング加工する際に、チャンバー内のプラズマを高密度化処理しているので、反応性ガスのエネルギーを低減させることによるレジスト等の損傷を抑制と、Ａｌのエッチングレートの向上を合理的に両立させることが可能となる。従って、製造プロセス上の理由から、実現可能性が低いとされていたＡｌ系超伝導フォトン検出器について、細かいパターンのＳＴＪ素子を、高い再現性でもって製造する事が可能となる。特に、サブミクロンオーダーの微細加工が可能となるので、例えば図３で示したような正規分布形状のＡｌ系ＳＴＪ素子１０４を安定製造することも可能となり、Ａｌ系素子の物理現象などの解明が容易になる。
【００３４】
また、超伝導材料としてＡｌを採用することが可能となったので、超伝導フォトン検出器の動作に必要な磁場の低減を図ることができる。そのため、コイル集積型の超伝導トンネル接合素子であっても、コイルに通電する電流量の軽減に伴い、電力が限られた環境における利用が可能となる。
【００３５】
なお、本実施形態では磁場を用いる事でプラズマを高密度化する場合を示したが、本発明はそれに限定されず、他の手段によってプラズマを高密度化してもよい。
【００３６】
尚、本発明の製造方法又は超伝導フォトン検出器は、上記した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
本発明によれば、例えばＸ線から可視光線等の広範囲に亘って計測可能なフォトン検出器を得ることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の第１実施形態に係るＡｌ系超伝導フォトン検出器を示す上面図及び断面図
【図２】同超伝導フォトン検出器を製造するためのエッチング装置の概要を示す構成図
【図３】本発明の第２実施形態に係るＡｌ系超伝導フォトン検出器を示す上面図及び断面図
【符号の説明】
【００３９】
１、１０１ Ａｌ系超伝導フォトン検出器
２、１０２ サファイア基板
４、１０４ ＳＴＪ素子
１０、１１０ 下部超伝導Ａｌ層
１２、１１２ 絶縁層
１４、１１４ 上部超伝導Ａｌ層
１６、１１６ 保護膜１６
１８、１１８ 上部配線
２０、１２０ 下部配線
３０ エッチング装置
３２ チャンバー
３４ 平板電極
３５ 高周波電源
３６ ガス導入配管
３８ 排気配管
４０ 電磁コイル
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超伝導フォトン検出器用の基板に、超伝導材料としてＡｌ薄膜を積層する工程と、
前記Ａｌ薄膜上に、レジスト処理によるマスクを形成する工程と、
前記基板及び前記Ａｌ薄膜をチャンバー内に収容して、エッチング用ガスを導入する工程と、
プラズマ発生手段によって前記チャンバー内にプラズマを発生させる工程と、
プラズマ高密度化手段によって、前記チャンバー内の前記プラズマの密度を向上させる工程と、
密度が向上された前記プラズマを用いて、前記Ａｌ薄膜をエッチングする工程と、
を有することを特徴とするＡｌ系超伝導フォトン検出器の製造方法。
【請求項２】
前記プラズマ高密度化手段によって、プラズマ密度を１０１１ｃｍ−３以上且つ１０１３ｃｍ−３以下に設定することを特徴とする請求項１記載のＡｌ系超伝導フォトン検出器の製造方法。
【請求項３】
前記エッチング用ガスの圧力を１０Ｐａ以下に設定することを特徴とする請求項１又は２記載のＡｌ系超伝導フォトン検出器の製造方法。
【請求項４】
前記エッチング用ガスとしてＣＦ４を用いることを特徴とする請求項１、２又は３記載のＡｌ系超伝導フォトン検出器の製造方法。
【請求項５】
前記プラズマ高密度化手段によって磁場を発生させ、該磁場によって前記プラズマ密度を向上させることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか記載のＡｌ系超伝導フォトン検出器の製造方法。
【請求項６】
エッチング時に前記Ａｌ薄膜にバイアス電圧を印加することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか記載のＡｌ系超伝導フォトン検出器の製造方法。
【請求項７】
基板と、
前記基板上に積層される第１Ａｌ薄膜層と、
前記第１Ａｌ薄膜層上に積層される第２Ａｌ薄膜層と、
前記第１Ａｌ薄膜層と第２Ａｌ薄膜層の間に介在する絶縁層と、
を備えるＡｌ系超伝導フォトン検出器であって、
前記第１又は第２Ａｌ薄膜が、請求項１乃至６のいずれか記載の前記製造方法によってエッチングされていることを特徴とするＡｌ系超伝導フォトン検出器。
【請求項８】
前記第１及び第２Ａｌ薄膜層が正規分布形状となっていることを特徴とする請求項７記載のＡｌ系超伝導フォトン検出器。
【請求項１】
超伝導フォトン検出器用の基板に、超伝導材料としてＡｌ薄膜を積層する工程と、
前記Ａｌ薄膜上に、レジスト処理によるマスクを形成する工程と、
前記基板及び前記Ａｌ薄膜をチャンバー内に収容して、エッチング用ガスを導入する工程と、
プラズマ発生手段によって前記チャンバー内にプラズマを発生させる工程と、
プラズマ高密度化手段によって、前記チャンバー内の前記プラズマの密度を向上させる工程と、
密度が向上された前記プラズマを用いて、前記Ａｌ薄膜をエッチングする工程と、
を有することを特徴とするＡｌ系超伝導フォトン検出器の製造方法。
【請求項２】
前記プラズマ高密度化手段によって、プラズマ密度を１０１１ｃｍ−３以上且つ１０１３ｃｍ−３以下に設定することを特徴とする請求項１記載のＡｌ系超伝導フォトン検出器の製造方法。
【請求項３】
前記エッチング用ガスの圧力を１０Ｐａ以下に設定することを特徴とする請求項１又は２記載のＡｌ系超伝導フォトン検出器の製造方法。
【請求項４】
前記エッチング用ガスとしてＣＦ４を用いることを特徴とする請求項１、２又は３記載のＡｌ系超伝導フォトン検出器の製造方法。
【請求項５】
前記プラズマ高密度化手段によって磁場を発生させ、該磁場によって前記プラズマ密度を向上させることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか記載のＡｌ系超伝導フォトン検出器の製造方法。
【請求項６】
エッチング時に前記Ａｌ薄膜にバイアス電圧を印加することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか記載のＡｌ系超伝導フォトン検出器の製造方法。
【請求項７】
基板と、
前記基板上に積層される第１Ａｌ薄膜層と、
前記第１Ａｌ薄膜層上に積層される第２Ａｌ薄膜層と、
前記第１Ａｌ薄膜層と第２Ａｌ薄膜層の間に介在する絶縁層と、
を備えるＡｌ系超伝導フォトン検出器であって、
前記第１又は第２Ａｌ薄膜が、請求項１乃至６のいずれか記載の前記製造方法によってエッチングされていることを特徴とするＡｌ系超伝導フォトン検出器。
【請求項８】
前記第１及び第２Ａｌ薄膜層が正規分布形状となっていることを特徴とする請求項７記載のＡｌ系超伝導フォトン検出器。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２００７−６７２１０（Ｐ２００７−６７２１０Ａ）
【公開日】平成１９年３月１５日（２００７．３．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−２５２０４３（Ｐ２００５−２５２０４３）
【出願日】平成１７年８月３１日（２００５．８．３１）
【出願人】（５０４１９０５４８）国立大学法人埼玉大学 (292)
【出願人】（３０１０２１５３３）独立行政法人産業技術総合研究所 (6,529)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年３月１５日（２００７．３．１５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年８月３１日（２００５．８．３１）
【出願人】（５０４１９０５４８）国立大学法人埼玉大学 (292)
【出願人】（３０１０２１５３３）独立行政法人産業技術総合研究所 (6,529)
【Ｆターム（参考）】
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