▶ コモンウェルス サイエンティフィック アンド インダストリアル リサーチ オーガナイゼーションの特許一覧
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-06-05
(45)【発行日】2024-06-13
(54)【発明の名称】複数のステップエッジの製作
(51)【国際特許分類】
H10N 60/01 20230101AFI20240606BHJP
【ＦＩ】
H10N60/01 J
【請求項の数】
22
(21)【出願番号】P 2021521296
(86)(22)【出願日】2019-10-18
(65)【公表番号】
(43)【公表日】2022-01-14
(86)【国際出願番号】 AU2019051139
(87)【国際公開番号】W WO2020077416
(87)【国際公開日】2020-04-23
【審査請求日】2022-08-24
(31)【優先権主張番号】2018903963
(32)【優先日】2018-10-19
(33)【優先権主張国・地域又は機関】AU
(73)【特許権者】
【識別番号】590003283
【氏名又は名称】コモンウェルス サイエンティフィック アンド インダストリアル リサーチ オーガナイゼーション
(74)【代理人】
【識別番号】100108453
【弁理士】
【氏名又は名称】村山 靖彦
(74)【代理人】
【識別番号】100110364
【弁理士】
【氏名又は名称】実広 信哉
(74)【代理人】
【識別番号】100133400
【弁理士】
【氏名又は名称】阿部 達彦
(72)【発明者】
【氏名】ジェイナ・ラザー
(72)【発明者】
【氏名】ウェンディ・パーチェス
(72)【発明者】
【氏名】エマ・ミッチェル
(72)【発明者】
【氏名】クリス・ルイス
【審査官】鈴木 聡一郎
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１８－１２５３５８（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平１１－１０３０９９（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平０５－２３５４２５（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平０５－２９９７１１（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２００５／０１２３６７４（ＵＳ，Ａ１）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ１０Ｎ ６０／００－６９／００
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
結晶基板の表面の中に複数のステップエッジを形成する方法であって、前記表面の上にレジストの層を形成するステップであって、前記レジストの層が、前記表面の選択されたエリアを露出させるための開口を含み、それにより、前記選択されたエリアの外周の上の前記レジストの層の中に第１の壁及び第２の壁を形成する、ステップと、
前記レジストおよび前記基板をイオンビームに露出させ、それにより、前記レジストおよび前記表面の前記露出されたエリアをエッチングし、それにより前記選択されたエリアの外側に上位レベルを生成し、前記表面の前記選択されたエリアの内側に下位レベルを生成するステップと、
前記レジストおよび前記基板を前記イオンビームに露出させながら、前記表面に対して垂直な軸周りに前記基板を徐々に回転させ、それにより前記第１の壁における第１のステップエッジと、前記第２の壁における第２のステップエッジとを形成するステップと、
前記第１のステップエッジ及び前記第２のステップエッジを複数回横切る経路を形成して、前記経路が前記第１のステップエッジ及び前記第２のステップエッジのうちの１つを横切るたびに２つのジョセフソン接合を含むループを形成するように、超電導材料を前記基板の上に堆積させるステップとを含み、
前記経路は前記下位レベルの上に複数の接続を含み、各接続は、前記第１のステップエッジの上の１以上のジョセフソン接合を、前記第２のステップエッジの上の１以上のジョセフソン接合と接続する、方法。
【請求項2】
少なくとも４つの接合が形成され、前記４つの接合が、前記経路によって直列に接続される、請求項１に記載の方法。
【請求項3】
少なくとも８つの接合が形成される、請求項２に記載の方法。
【請求項4】
前記第１の壁及び前記第２の壁が、実質的に平行であり、互いに対向する、請求項１に記載の方法。
【請求項5】
前記第１のステップエッジ及び前記第２のステップエッジの各々が、前記上位レベルおよび前記下位レベルを画定し、前記ループは、前記上位レベルから前記下位レベルまで前記第１のステップエッジ及び前記第２のステップエッジのうちの１つを横切る第１の経路部分と、
前記下位レベルから前記上位レベルまで前記第１のステップエッジ及び前記第２のステップエッジのうちの同じ１つを横切る第２の経路部分と、
前記第２の経路部分を前記第１の経路部分に前記下位レベルに到達することなく接続する、前記上位レベルの上の第１の接続と、を含む、請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項6】
前記ループが、前記第１の経路部分を前記第２の経路部分に前記上位レベルに到達することなく接続する、前記下位レベルの上の第２の接続を含む、請求項５に記載の方法。
【請求項7】
前記第１の接続又は前記第２の接続が、前記第１のステップエッジ及び前記第２のステップエッジのうちの１つに平行である、請求項６に記載の方法。
【請求項8】
材料が、第３の接続を形成して、前記第１のステップエッジ及び前記第２のステップエッジのうちの異なる１つの上に堆積された第２のループに前記ループを直列で接続するように堆積される、請求項６または７に記載の方法。
【請求項9】
前記ループの第２の接続と、前記第２のループの第２の接続と、前記第３の接続とが隣接エリアを形成する、請求項８に記載の方法。
【請求項10】
材料が、前記第１のステップエッジ及び前記第２のステップエッジのうちの１つの上に２以上のループを形成するように堆積され、前記２以上のループは直列で接続されている、請求項１～９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項11】
前記第１のステップエッジ及び前記第２のステップエッジのそれぞれの上に２以上のループが堆積され、前記第１のステップエッジの上の各ループは、前記第２のステップエッジの上のループと対向し、かつ、直列に接続され、複数の一連の２つのループを形成し、
前記複数の一連の２つのループは並列に接続されてブロックを形成する、請求項１～１０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項12】
前記第１のステップエッジ及び前記第２のステップエッジに沿って前記ブロックが複数回形成されて複数のブロックを形成し、前記複数のブロックは直列に接続される、請求項１１に記載の方法。
【請求項13】
前記超電導材料が、前記経路が前記第１のステップエッジ及び前記第２のステップエッジのうちの１つを横切るたびに３つ以上のジョセフソン接合を含む配列を形成するように、前記基板の上に堆積される、請求項１から１２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項14】
前記基板を徐々に回転させるステップが、前記基板を連続的に回転させるステップを含む、請求項１から１３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項15】
前記第１の壁及び前記第２の壁が、前記露出されたエリアの両側で互いに対向し、前記第１の壁及び前記第２の壁の間の距離が、２０μｍ未満である、請求項１から１４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項16】
前記ジョセフソン接合の接合パラメータが、製造のばらつきの中で同一である、請求項１から１５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項17】
前記選択されたエリアが、前記第１のステップエッジを形成する第１の壁及び前記第２のステップエッジを形成する第２の壁をそれぞれ有する複数の形状を含み、前記経路が、前記形状それぞれの前記第１のステップエッジ及び前記第２のステップエッジを複数回横切る、請求項１から１６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項18】
前記形状が、長方形であり、前記経路が前記形状のすべての前記第１の壁及び前記第２の壁を一直線に横切るように並んで配列される、請求項１７に記載の方法。
【請求項19】
エッチングされたエリアの外周の上の結晶基板の表面の中の第１の壁及び第２の壁と、前記第１の壁における第１のステップエッジと、前記第２の壁における第２のステップエッジであって、上位レベル及び下位レベルを各々画定する第１のステップエッジ及び第２のステップエッジと、
前記基板の上に堆積された超電導材料の経路であって、前記経路が、前記第１のステップエッジ及び前記第２のステップエッジを複数回横切る、経路とを含み、
前記経路が、
前記第１のステップエッジ及び前記第２のステップエッジのうちの１つを横切るたびに２つのジョセフソン接合を含むループと、
前記下位レベルの複数の接続であって、各接続は、前記第１のステップエッジの上の１以上のジョセフソン接合を、前記第２のステップエッジの上の１以上のジョセフソン接合と接続する、複数の接続と、
を含む、デバイス。
【請求項20】
前記デバイスが、前記経路の中に形成され、直列に接続された少なくとも４つのジョセフソン接合を含む、請求項１９に記載のデバイス。
【請求項21】
前記デバイスが、少なくとも８つのジョセフソン接合を含む、請求項２０に記載のデバイス。
【請求項22】
前記第１のステップエッジ及び前記第２のステップエッジの間の距離が、２０μｍ未満である、請求項１９から２１のいずれか一項に記載のデバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
関連出願との相互参照
本出願は、２０１９年１０月１８日に出願されたＰＣＴ／ＡＵ２０１９／０５１１３９の国内段階出願であり、２０１８年１０月１９日に出願されたオーストラリア仮特許出願第２０１８９０３９６３号の利益を主張するものであり、その開示内容は参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。
本開示は、結晶基板の表面の中のステップエッジの製作に関する。たとえば、限定はしないが、本開示は、ジョセフソン接合を製作するための複数のステップエッジの製作に関する。
本出願は、２０１９年１０月１８日に出願されたＰＣＴ／ＡＵ２０１９／０５１１３９の国内段階出願であり、２０１８年１０月１９日に出願されたオーストラリア仮特許出願第２０１８９０３９６３号の利益を主張するものであり、その開示内容は参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。
本開示は、結晶基板の表面の中のステップエッジの製作に関する。たとえば、限定はしないが、本開示は、ジョセフソン接合を製作するための複数のステップエッジの製作に関する。
【背景技術】
【0002】
極めて高感度の磁気探知機は、医学（たとえば、脳磁図）、鉱業（たとえば、鉱体の検出）、および生物学（たとえば、生体内作用の監視）を含む広範な技術分野において需要が多い。人気のあるタイプの高感度磁気探知機は、極めて微細な磁場を測定するために使用される超電導量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ）である。
【0003】
対向するループ経路の中に２つの量子障壁を有する超電導ループが、ＳＱＵＩＤの中心にある。これらの障壁は、ジョセフソン接合とも呼ばれ、磁場に依存する電圧をもたらす超電導電子のトンネリングを可能にする。本開示は、これらのジョセフソン接合の製作に関する。特に、本開示は、ジョセフソン接合の基盤であり得るステップエッジの製作に関する。
【0004】
ジョセフソン接合を製作するための１つの技法は、超電導結晶の方向を使用することである。より詳細には、接合の一方の側に特定の方向に、および接合の他方の側に異なる方向に結晶を成長させることが可能である。両結晶が真ん中で会う（「粒界」）とき、結晶の方向の違いが障壁を形成し、その結果、ジョセフソン接合として働く。
【0005】
異なる方向に結晶を成長させることは、その上に結晶が成長する表面の方向を変えることによって達成され得る。図１は、超電導体基板のプロフィール１００を示す。重要なことには、プロフィール１００は、傾斜面１０２から水平面１０３への急な遷移であるステップエッジ１０１を含む。通常、１０２と滑らかな帰還経路１０４との間に平坦で水平な領域が存在し、帰還経路１０４は表面１０３のレベルまで緩やかな傾斜を有し、それは、プロフィール１００の比較的滑らかな部分であり、プロフィールの高さがさらなるステップエッジなしに水平面１０３の高さに戻ることを確実にする。ＰＣＴ／ＡＵ９９／００７７４は、ステップエッジを製作する方法を開示しており、参照により本明細書に組み込まれる。
【0006】
図２は、図１におけるプロフィール１００の上に結晶を成長させた結果を示す。重要なことには、これは粒界２０１を形成し、そこにおいて、結晶成長の異なる方向は、それらが境界２０１において会するときに見られ得る。これは、結果として、ジョセフソン接合を構成する障壁をもたらす。同様の構造が、超電導ループ（図示せず）の他方の側に製作され、それにより２つの接合がループの中にある。滑らかな帰還経路２０４は、帰還経路２０４の滑らかさならびに比較的低い角度に起因してジョセフソン接合を形成しないことに留意されたい。１０２が１０４と会する（または、１０２が、１０２と１０４との間の平坦で水平な部分と会する）ステップの底における角度も滑らかであり、それにより接合が形成されないことにも留意されたい。これは、従来技術における理解によれば、ループのこの部分における第２のジョセフソン接合は、ＳＱＵＩＤを敏感でなくするかまたはさらには使用できなくするので重要である。一般的に、図１および図２のプロフィールは、得られるプロフィールが、ステップエッジ１０１および滑らかな帰還経路１０４を有する鋸歯状のプロフィールに類似するように繰り返される。
【0007】
ジョセフソン接合の特性（すなわち、臨界電流）は、図１に示すステップ角度１０５を変えることによって調整され得ることにさらに留意されたい。さらに、感度は、多数のＳＱＵＩＤを１つの配列の中で組み合わせることによってさらに増加され得る。しかしながら、配列の中のＳＱＵＩＤの数の増加に伴って、滑らかな帰還経路１０４／２０４が、さらなるＳＱＵＩＤのために使用することができないかなりの量の空間を使用することが問題となる。さらに、滑らかな帰還経路１０４／２０４は、同じく、制御することが困難な結晶内の変化を導き、その結果、結晶は、品質を低下させ、同じく複数のランダムに配向された結晶から成り、容易に損傷される場合がある。
【0008】
図３は、ステップエッジ３０１（破線）、傾斜面３０２（暗い影のエリア）、水平面３０３、および滑らかな帰還経路３０４（明るい影のエリア）を含むジョセフソン接合を、平面図に再び示す。実線の輪郭３０５は、結晶成長のエリアを描く。ステップエッジ３０１に直交して、さらなる面積を使用する側壁も存在することを見ることができる。結晶は、脆弱なジョセフソン接合の形成を防止するために、側壁３０６から除去される。ステップエッジ角度は、特定の角度で基板に向けられるイオンビームによって画定される。それゆえ、示されるデバイスがチップ上で何回も再現される場合、同じチップ上のすべてのステップエッジが、同じ配向を有し、デバイス設計に対して利用可能なオプションが制限される。さらに、ステップエッジの形態は、イオンビームからの距離によって変化し、それにより、その形態は、基板の上部と底部との間で異なり得る。これは、デバイス効率（配列）および信頼性を低減する接合デバイスパラメータ変動性の一因となる。接合の均一性－超電導接合パラメータは、チップにわたって３０％以上変化する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0009】
【文献】ＰＣＴ／ＡＵ９９／００７７４
【文献】ＷＯ２０００１６４１４－Ａ１
【文献】ＡＵ９９５８４２４－Ａ
【文献】ＧＢ２３５７９１７－Ａ
【文献】ＤＥ１９９８３５５９－Ｔ
【文献】ＧＢ２３５７９１７－Ｂ
【文献】ＵＳ６５１４７７４－Ｂ１
【文献】ＤＥ１９９８３５５９－Ｂ４
【非特許文献】
【0010】
【文献】C. H. Wuら、「High quality step-edge substrates for high-Tc superconducting devices」、Review of Scientific Instruments、vol. 77、no. 3、2006年
【文献】E. E. Mitchellら、「2D SQIF arrays using 20 000 YBCO high R n Josephson junctions」、Superconductor Science and Technology、vol. 29、no. 6、p. 06LT01、2016年
【文献】E. E. MitchellおよびC. P. Foley、「YBCO step-edge junctions with high I c R n」、Superconductor Science and Technology、vol. 23、no. 6、p. 065007、2010年
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0011】
これは、既存の方法を改善して上記で説明した問題に対処する必要があることを示す。
【課題を解決するための手段】
【0012】
結晶基板の表面の中に複数のステップエッジを形成する方法は、
表面の上にレジストの層を形成するステップであって、レジストの層は、表面の選択されたエリアを露出させるための開口を含み、それにより選択されたエリアの外周の上のレジストの層の中に２つの壁を形成する、ステップと、
レジストおよび基板をイオンビームに露出させ、それにより、レジストおよび表面の露出されたエリアをエッチングするステップと、
レジストおよび基板をイオンビームに露出させながら、表面に対して垂直な軸周りに基板を徐々に回転させ、それにより、それぞれの２つの壁において２つのステップエッジを形成するステップと、
２つのステップエッジを複数回横切る経路を形成して、経路が２つのステップエッジのうちの１つを横切るたびにジョセフソン接合を形成するように、超電導材料を基板の上に蛇行形状に堆積させるステップとを含む。
表面の上にレジストの層を形成するステップであって、レジストの層は、表面の選択されたエリアを露出させるための開口を含み、それにより選択されたエリアの外周の上のレジストの層の中に２つの壁を形成する、ステップと、
レジストおよび基板をイオンビームに露出させ、それにより、レジストおよび表面の露出されたエリアをエッチングするステップと、
レジストおよび基板をイオンビームに露出させながら、表面に対して垂直な軸周りに基板を徐々に回転させ、それにより、それぞれの２つの壁において２つのステップエッジを形成するステップと、
２つのステップエッジを複数回横切る経路を形成して、経路が２つのステップエッジのうちの１つを横切るたびにジョセフソン接合を形成するように、超電導材料を基板の上に蛇行形状に堆積させるステップとを含む。
【0013】
少なくとも４つの接合が形成され、４つの接合は、経路によって直列に接続され得る。
【0014】
少なくとも８つの接合が、形成され得る。
【0015】
２つの壁は、実質的に平行であり、互いに対向する。
【0016】
複数のステップエッジの各々は、上位レベルと下位レベルとを画定し、超電導材料は、２つのステップエッジのうちの１つを上位レベルから下位レベルまで横断する第１の経路部分と、２つのステップエッジのうちの同じ１つを下位レベルから上位レベルまで横断する第２の経路部分と、上位レベルに到達することなく第１の経路部分を第２の経路部分に接続する下位レベルの上の第１の接続とを形成するように堆積され得る。
【0017】
第１の接続は、２つのステップエッジのうちの１つに平行であり得る。
【0018】
第１の経路部分、第２の経路部分および第１の接続は、第１のループを形成し、材料は、第２の接続を形成して、２つのステップエッジのうちの異なる１つの上に堆積された第２のループに第１のループを接続するように堆積され得る。
【0019】
超電導材料は、経路が２つのステップエッジのうちの１つを横切るたびに２つのジョセフソン接合を含むループを形成するように、基板の上に堆積され得る。
【0020】
超電導材料は、経路が２つのステップエッジのうちの１つを横切るたびに３つ以上のジョセフソン接合を含む配列を形成するように、基板の上に堆積され得る。
【0021】
基板を徐々に回転させることは、基板を連続的に回転させることを含み得る。基板を連続的に回転させることは、一定の回転速度で基板を回転させることを含み得る。回転速度は、レジストおよび基板をイオンビームに露出させる間、１回転より大きくてよい。回転速度は、毎分１回転より速くてよい。回転速度は、毎分１０回転より速くてよい。
【0022】
２つの壁は、露出されたエリアの両側で互いに対向し、２つの対抗する壁の間の距離は、２０μｍ未満であり得る。ジョセフソン接合の接合パラメータは、製造のばらつき内で同一であり得る。
【0023】
選択されたエリアは、２つのそれぞれのステップエッジを形成する２つの壁を各形状が有する複数の形状を含んでよく、経路は、各形状の２つのステップエッジを複数回横切る。形状は、長方形であってよく、経路が、形状のすべての２つの壁を一直線に横切るように並んで配列され得る。
【0024】
デバイスは、
エッチングされたエリアの外周の上の結晶基板の表面の中の２つの壁と、
２つの壁の各々におけるステップエッジと、
基板の上に堆積された超電導材料の蛇行経路であって、経路は、２つのステップエッジを複数回横切る、蛇行経路と
経路が２つのステップエッジのうちの１つを横切るたびに、経路の中に形成されるジョセフソン接合とを含む。
エッチングされたエリアの外周の上の結晶基板の表面の中の２つの壁と、
２つの壁の各々におけるステップエッジと、
基板の上に堆積された超電導材料の蛇行経路であって、経路は、２つのステップエッジを複数回横切る、蛇行経路と
経路が２つのステップエッジのうちの１つを横切るたびに、経路の中に形成されるジョセフソン接合とを含む。
【0025】
デバイスは、経路の中に形成され、直列に接続された少なくとも４つのジョセフソン接合を含み得る。デバイスは、少なくとも８つのジョセフソン接合を含み得る。
【0026】
２つのステップエッジの間の距離は、２０μｍ未満であり得る。
【0027】
方法およびデバイスのうちの一方の随意の特徴は、方法およびデバイスのうちの他方の随意の特徴でもある。
【図面の簡単な説明】
【0028】
【図1】従来技術による超電導基板のプロフィールを示す図である。
【図3】同じステップエッジにわたって平行なこれらの接合のうちの２つが、従来技術による超電導量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ）を形成する、従来技術によるジョセフソン接合の平面図である。
【図4】結晶基板の表面の中に複数のステップエッジを形成する方法を示す図である。
【図5】基板ホルダによって回転され、イオンビームにさらされる基板を示す図である。
【図6】４つのステップエッジが、回転する基板ホルダの使用によって長方形の周りにパターン化され、この場合、ジョセフソン接合は、エッチングされた長方形領域の反対側にパターン化されており、この長方形パターンの４つすべてのエッジをジョセフソン接合形成のために利用することができる、例示的なデバイスを示す図である。
【図7】ＭｇＯ基板のステップエッジの断面プロフィールを示す図である。
【図8】Фがどのように決定されるかを示すＡＦＭ断面スキャンを示す図である。
【図9】約２０μｍ離れた対向するステップエッジからの２つの原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）断面であって、両ステップエッジが、軸方向に拘束されないステップエッジを形成するために複数のステップエッジ製作の開示された方法で形成され、ＡＦＭシステムの限界に起因して、２つの画像が断面形態を示すためにともに縫合された、２つのＡＦＭを示す図である。
【図14】溝構成の中に２つの対向するステップを有する例示的な配列デバイスを示す図である。
【図16】蛇行する超電導経路と、２つの対向するステップのうちの一方の上の経路の交差ごとにおけるジョセフソン接合とを有する例示的なデバイスを示す図である。
【図17】蛇行する超電導経路と、２つの対向するステップのうちの一方の上の経路の交差ごとにおける２つのジョセフソン接合を含むＳＱＵＩＤループとを有する例示的なデバイスを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0029】
本開示は、チップの上の接合の位置決めおよび配向に対して新しい自由度を広げ、したがって、デバイス設計に対する新しい可能性を導入するステップエッジを製作するための方法を提供する。開示する方法は、現在の最先端を超える４つの重要な利点を提供し得る。
（１） 接合形成は、軸方向に拘束されず、もはやイオンビームに面するレジストエッジに制限されず、接合は、レジストエッジが存在するいかなる場所にも形成され得る。これは、新しいデバイス設計に対する可能性を導入する。
（２） 滑らかな帰還経路が除外され、図１および図２における鋸歯状プロフィールを、たとえば２つの対向するステップエッジを有する溝プロフィールに変更し、より小さい面積の中に製作され得るステップエッジの数を増加させ、製造コストを低減する。
（３） 接合の密度が著しく増加され得、そのことは、いくつかのデバイス性能に対して重要である。
（４） ステップエッチ速度が、ステップエッジ形成の間に基板にわたってより均一である。イオン源へのサンプルの近接性に起因するステップエッジ形態の変化は、基板ホルダの回転によって半減され得る。
（１） 接合形成は、軸方向に拘束されず、もはやイオンビームに面するレジストエッジに制限されず、接合は、レジストエッジが存在するいかなる場所にも形成され得る。これは、新しいデバイス設計に対する可能性を導入する。
（２） 滑らかな帰還経路が除外され、図１および図２における鋸歯状プロフィールを、たとえば２つの対向するステップエッジを有する溝プロフィールに変更し、より小さい面積の中に製作され得るステップエッジの数を増加させ、製造コストを低減する。
（３） 接合の密度が著しく増加され得、そのことは、いくつかのデバイス性能に対して重要である。
（４） ステップエッチ速度が、ステップエッジ形成の間に基板にわたってより均一である。イオン源へのサンプルの近接性に起因するステップエッジ形態の変化は、基板ホルダの回転によって半減され得る。
【0030】
本明細書で開示する方法は、ＳＱＵＩＤ、磁場勾配計（ｇｒａｄｉｏｍｅｔｅｒ）、高周波ミキサ、および超電導量子干渉フィルタ（ＳＱＩＦ）など、すべてのステップエッジジョセフソン接合デバイスにおいて使用され得る。ＳＱＩＦデバイスの場合、より多くの接合がより小さい面積の中に製作され得、そのことが、デバイス性能を高める。これは、地盤探査（ｇｅｏ－ｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ）、非破壊評価、健康科学（生体磁気および医学）、ＲＦ感知および検出、ならびに衛星通信を含む通信などの磁気測定を伴うアプリケーションを有する。
【0031】
図４は、結晶基板の表面の中に複数のステップエッジを形成する方法４００を示す。方法は、表面の上にレジストの層を形成するステップ４０１を含む。レジストの層は、表面の選択されたエリアを露出させるための開口を含む。たとえば、この層は、ＭｇＯ基板または別の好適な基板の表面の上へのフォトレジストの層の堆積、および知られているフォトリソグラフィ技法を使用して表面の選択されたエリアを露出させるためにレジストのエリアを除去することによって形成されることができる。これは、選択されたエリアに対して開いているマスクを準備すること、フォトレジストの上にマスクを置くこと、マスクに光を向けること、およびマスクを除去することを伴う。いくつかの例では、マスクの中の開口は、長方形の形状を有する。次いで、光にさらされたフォトレジストのエリアが、除去され得る。このようにして、２つの対向する平行な壁が、外周の上のレジストの層の中に、本明細書では「溝」と呼ばれる長方形のくぼみの側壁として形成される。その結果、２つの壁は、互いに対向する。ネガレジストもまた、同じ効果を挙げるために使用され得る（レジストが露出されたエリアが残る一方で、露出されないエリアが除去される）。ステップエッジ形成中にステップをパターニングするためのフォトレジストに対するハードマスク、たとえばスパッタリングもしくは電子ビーム堆積によって堆積された金属、またはスパッタリングによって堆積されたセラミック材料もしくは合金などの代替材料を使用することが同様に可能であることに留意されたい。この材料は、パターンを作るためにポジティブまたはネガティブのフォトレジストを使用して堆積され得る。たとえば、それは、リフトオフプロセスを使用して堆積され得る。
【0032】
いくつかの例では、壁は、基板の上に正方形または長方形（すなわち、溝）を画定し、隣接部の間で９０度だけそれらの方向が異なる溝の外周の上に４つの壁が存在することに留意されたい。しかしながら、他の例では、くぼみの形状は、六角形のまたは他の正多角形または非正多角形を含めて、より複雑であり得る。またさらなる例では、壁は、直線的／平面的ではなく曲線的であり、円形のくぼみを画定してもよい。この意味において、複数の壁の部分が、エリアの外周に沿って互いに連続的に流入し、壁に沿った第１の点において、方向は、第２の点における方向と異なる。この場合、画定され得る無限数の壁の部分があり得る。壁は、壁に沿って変化する表面方向を有してよく、壁に沿ったすべての点が同じ方向を有するとは限らない。言い換えれば、壁は、単一の平面でなくてもよく（複数の平面を含んでよく）、長方形の溝の例では、対向する壁の各々が単一の平面であることに留意されたい。壁は、露出およびエッチングのために選択されたエリアの外周の上にあることに留意されたい。
【0033】
方法４００の次のステップは、レジストおよび基板をイオンビームに露出させるステップ４０２である。これは、レジストおよび表面の露出されたエリアをエッチングする。レジストおよび基板をイオンビームに露出させながら、基板は、表面に対して垂直な軸周りに徐々に回転され４０３、それにより、２つの対向する壁の各々においてステップエッジを形成する。
【0034】
徐々の回転は、１５～２０分の露出の間に毎分２０回転の回転速度、または、１５～２０分の同様の露出時間（露出時間は、角度５０６（図５）に依存する）に対して毎分６０またはさらには１２０回転の回転速度などの連続回転であり得る。他の回転速度が同様に適用されてよく、レジストのイオンビームへの全露出時間の間に１回転より多い、または毎分１回転より速い、または毎分１０回転より速いなど、製造パラメータの範囲に依存し得る。他の例では、徐々の回転は、変化する速度における回転、または、各ステップに１０度未満、または５度未満、または１度未満など、小さいステップでの回転であり得る。多くの例では、回転は、複数のフル（Ｘ＊３６０°）回転を含むことにさらに留意されたい。しかし、他の例では、回転は、半分（１８０度）または四半分（４５度）など、フル回転より小さい回転を含み得る。
【0035】
回転は、レジストがイオンビームに露出される間に実行されることに留意することが重要である。これは、イオンビームは、チップを回転させるためにオフに切り替えられるのではなく、イオンビームは、エッチングが回転のすべての角度において生じるように回転の間にオンに切り替えられたままであることを意味する。
【0036】
次いで、方法は、超電導材料を基板の上に蛇行形状（ｍｅａｎｄｅｒｉｎｇ ｓｈａｐｅ）に堆積させるステップ４０４によって継続する。これは、２つの対向するステップエッジを複数回横切る経路を形成する。さらに、このステップは、図６を参照して以下で説明するように、経路が２つの対向するステップエッジのうちの一方を横切るたびにジョセフソン接合を形成する。
【0037】
壁が画定することができる異なる形状に戻ると、第２のステップエッジが第１のステップエッジの帰還経路の中に形成されるように、ステップエッジを形成する壁および対向する壁が存在し得ることに留意されたい。ここで、「帰還経路（ｒｅｔｕｒｎ ｐａｔｈ）」という用語は、基板の下位レベル（ｌｏｗｅｒ ｌｅｖｅｌ）から上位レベル（ｕｐｐｅｒ ｌｅｖｅｌ）に戻る任意の経路を示すために使用されることに留意されたい。図１および図２において、滑らかな帰還経路１０４／２０４は、帰還経路が、上位レベルに向けて緩い傾斜を有し、その経路が上位レベルに到達したときにエッジを有さず、それゆえ接合が生成されないという意味において滑らかである。対照的に、本明細書で開示する方法およびシステムを使用することによって、図９および図１４に示すように、帰還経路はエッジを含み、接合が形成される。溝などの対称構造では、「帰還経路」は、対向する側壁のどちらの１つの上にもあると見なされ得ることにさらに留意されたい。帰還経路の概念が直接的に適用されない別の例では、２つの壁が互いに直角に設置され、それにより、同じく互いに直角である２つのステップエッジが製作される。この例では、両方の壁が表面の同じ露出されたエリアに隣接し、さらには、表面の露出されたエリアと境界を接する場合がしばしばある。たとえば、露出されたエリアが長方形である場合、長方形と隣接する／を画定する４つの壁があり、ステップエッジが、長方形の４つの辺の各々の上に形成される。
【0038】
図５は、製作の間の、ＭｇＯまたは他の好適な基板などの超電導基板５０１を示す。基板５０１は、前のフォトリソグラフィステップの結果として壁５０３（さらなる壁は明確にするために示されていない）を形成する、基板の上に配置されたフォトレジストの層５０２を有する。基板５０１は基板ホルダ５０４の上に搭載され、イオンビーム５０５は、基板５０１の平面とイオンビーム５０５との間の傾斜角度５０６において壁５０３に入射する。傾斜角度５０６は、いくつかの例では、望ましくは２０度であるが、１０度と８０度との間、またはさらには０度と９０度との間の任意の角度であってもよい。別の例では、角度は、１０度と５０度との間である。イオンビーム５０５が壁５０３に入射する間に、基板ホルダ５０４は、回転軸５０７周りに基板５０１（およびフォトレジスト５０２）を徐々に回転させる。これは、方位角５０８を徐々に変化させる。
【0039】
この基板ホルダ５０４は、以下の特徴を有し得る。
（１） それは、ステップ角度１０５（図１参照）を制御するために選択された傾斜角度でイオンビーム５０５に向けて傾けられ得る。
（２） それは、イオンエッチングの間に制御された速度で回転され得る。
（１） それは、ステップ角度１０５（図１参照）を制御するために選択された傾斜角度でイオンビーム５０５に向けて傾けられ得る。
（２） それは、イオンエッチングの間に制御された速度で回転され得る。
【0040】
イオンエッチングの間の基板ホルダの回転は、パターン化されるチップの上のステップエッジ形成に対する新しい自由度を広げる。たとえば、露出されたＭｇＯ表面の典型的な長方形の形状のフォトレジストのステップエッジパターンでパターン化されるＭｇＯ基板に対して、ステップエッジは、今やレジストの４つすべての面の上に形成されることになり、そこは、以前は、ステップエッジは１つの面の上にだけ形成され、２つの側壁および１つの滑らかな帰還経路が他の３つの面を構成していた。
【0041】
図６は、図４の方法４００に従って製作された４つのステップエッジ６０１、６０２、６０３、６０４を有する例示的なデバイスを示す。蛇行するＹＢＣＯ経路６０５は、同じく、図示のように堆積された。その結果、ジョセフソン接合６０７は、パターン化された長方形の領域の対向する辺の上に形成される。図６に示す蛇行経路に起因して、超電導材料は、２つの対向するステップエッジを複数回横切る経路を形成する。他の例では、接合は、上部および底部の水平エッジの上にも設置されてよく、エッチング窓の４つすべての辺を利用する。以前は、これは、ステップエッジ形成の最新の技法を使用しても困難であった。
【0042】
本明細書で開示する方法によって、単一のチップの上により高密度のステップエッジを製作することが可能である。なぜならば、滑らかな帰還経路または側壁の存在によって使用される空間は、もはや存在しないからである。これは、単一の基板の上の接合の数をスケールアップすることに役立ち、製造業者とってプロセスをより好ましいものにし得る。
【0043】
いくつかの場合、性能は、１つの配列の中の接合の数に直接つながる。それゆえ、この技法は、デバイスの性能を改善する可能性も有する。このプロセスは、オンチップのステップエッジ接合の均一性も改善し得、したがって、基板にわたる接合の信頼性を改善する。
【0044】
図７は、第１のエッチの後で第２のエッチの前の２つのステップエッジの間の断面の比較を示す。１つは、ステップエッジを生成する元の方法（７０１、基板ホルダ回転なし）によって準備され、もう１つは、回転する基板ホルダの使用を伴う方法（７０２）によって準備された。説明として、図７は、明確にするために（図の平面と平行の）面内に示されている図５からのイオンビーム５０５および角度５０６も示している。回転しない７０１場合、イオンビーム５０５は、面内に留まるが、回転する７０２場合、イオンビームは、徐々に変化して図の平面の外に回転し、最終的に、対向する壁（図示せず）を照射し、それにより、図示のステップエッジは、必然的に陰に入る。図７は、以下で説明する図９の右側の部分を示すことに留意されたい。ステップの底における表面形態およびステップ角度Ф（図８参照）は、わずかに異なるが、形態におけるこの変化は、デバイスの機能に影響を及ぼさず、ステップ角度は、基板ホルダの角度を調整することによって対処され得る。特に、ステップエッジ７０２は、表面に垂直な軸周りに基板を徐々に回転させながら、レジストおよび基板をイオンビームに露出させ、それによりステップエッジを形成した結果として、ステップエッジからの距離に沿って変化する高さプロフィールを有する。この例では、プロフィール７０２は、あまり急峻ではなく、プロフィール７０１より緩やかに変化する。プロフィール７０２は、２μｍから６．５μｍまで延び、それは、対向する側壁が、ステップエッジ７０２から約５μｍ以内に設置され得ることを意味することが分かる。回転しないステップエッジ７０１はより急峻であり、それゆえ空間をあまり占有しないように見えるが、対向するステップエッジは、イオンビーム５０５の静止構成に起因して形成されず、代わりに、滑らかな帰還経路が約１６μｍにわたって形成され、その経路は、ｘ軸の限られたスペースによって示されない。
【0045】
図９は、同じフォトリソグラフィ窓の中に互いにほんの２０μｍ隔てて形成された２つの対向するステップエッジの断面を示す。これは、他の例示的な設計では、１６μｍまで、またはそれ未満に低減され得る。これは、通常、最大６μｍの広さの滑らかな帰還経路に依存し、ステップエッジの間の距離が少なくとも３２μｍである、以前の技術とは対照的である。その結果、本明細書で開示する方法は、増加した密度のステップエッジを有する配列の製造を可能にする。２０μｍの距離は、理論的限界ではなく、製造技術に応じて、１６μｍ未満、またはさらには５μｍ未満など、２０μｍ未満の距離が可能であることに留意されたい。図１０は、図９に示すものと同じスキャンされたエリアの３次元ＡＦＭ画像を示す。
【0046】
実施例
１６，７００個のステップエッジのジョセフソン接合の配列が、回転する基板ホルダ５０４を使用して準備された。この配列は、ＳＱＩＦ設計の原理を利用し、それにより、磁場の小さい変化に応答して大きい電圧を得るために、変化するサイズの１０００個以上のＳＱＵＩＤループが、配列の中で直列および並列に製作される。個々のＳＱＵＩＤループからの電圧応答は、ゼロ磁場付近にアンチピークを形成するための建設的干渉と、非ゼロ磁場におけるＳＱＵＩＤループ電圧応答の相殺的干渉とを介して合計する。配列設計は、新しいタイプの接合に対して最適化されなかったが、デバイスは、コンセプトの証明として準備された。図１１は、矢印で強調されるステップエッジを有する配列の画像を示し、そこにおいて、帰還経路がないことが分かる。
１６，７００個のステップエッジのジョセフソン接合の配列が、回転する基板ホルダ５０４を使用して準備された。この配列は、ＳＱＩＦ設計の原理を利用し、それにより、磁場の小さい変化に応答して大きい電圧を得るために、変化するサイズの１０００個以上のＳＱＵＩＤループが、配列の中で直列および並列に製作される。個々のＳＱＵＩＤループからの電圧応答は、ゼロ磁場付近にアンチピークを形成するための建設的干渉と、非ゼロ磁場におけるＳＱＵＩＤループ電圧応答の相殺的干渉とを介して合計する。配列設計は、新しいタイプの接合に対して最適化されなかったが、デバイスは、コンセプトの証明として準備された。図１１は、矢印で強調されるステップエッジを有する配列の画像を示し、そこにおいて、帰還経路がないことが分かる。
【0047】
このデバイスからの観察結果は、以下のとおりである。
【0048】
デバイスは、図１２に示すように、ジョセフソン接合配列に対して予期されたＩ－Ｖ応答を与えた。
【0049】
デバイスは、同じく、図１３に示すように、磁場に対して予期されたＳＱＩＦ電圧応答を与えた。
【0050】
これらの結果は、基板ホルダを回転することによって形成されたステップエッジが、予期されたとおりに動作し、
【0051】
C. H. Wuら、「High quality step-edge substrates for high-Tc superconducting devices」、Review of Scientific Instruments、vol. 77、no. 3、2006年、および
【0052】
E. E. Mitchellら、「2D SQIF arrays using 20 000 YBCO high R n Josephson junctions」、Superconductor Science and Technology、vol. 29、no. 6、p. 06LT01、2016年、
【0053】
C. Foley、「Formation of step edge in surface of crystalline substrate, involves selecting angles between incident axis of ion beam and surface of substrate, and between incident axis of beam and resist side walls」、特許WO200016414-A1、AU9958424-A、GB2357917-A、DE19983559-T、GB2357917-B、US6514774-B1、DE19983559-B4、Available: <Go to ISI>://DIIDW:2000271657、
【0054】
E. E. MitchellおよびC. P. Foley、「YBCO step-edge junctions with high I c R n」、Superconductor Science and Technology、vol. 23、no. 6、p. 065007、2010年、
に記載される最先端の技法によって作製されたものの特性と同様の特性を有する。
に記載される最先端の技法によって作製されたものの特性と同様の特性を有する。
【0055】
提案されるプロセスは、既存のプロセスを超える以下の利点を有する。
（１） 接合形成は、軸方向に拘束されず、もはや（レジストの中の開口の中の）イオンビームから最も遠いレジストエッジにおける接合形成に制限されず、接合は、レジストエッジが存在するいかなる場所にも形成され得る。これは、新しいデバイス設計に対する可能性を導入する。
（２） 滑らかな帰還経路が除外され、オンチップの面積（ｒｅａｌ－ｅｓｔａｔｅ）が増加し、増加した密度の単位面積当たりの接合が可能になり、製造コストが低減される。
（３） 接合の密度が増加され、そのことは、いくつかのデバイス性能に対して重要である。
（４） ステップエッジ形態は、基板エリアにわたってより均一であり、より良好な接合の均一性につながる。
（１） 接合形成は、軸方向に拘束されず、もはや（レジストの中の開口の中の）イオンビームから最も遠いレジストエッジにおける接合形成に制限されず、接合は、レジストエッジが存在するいかなる場所にも形成され得る。これは、新しいデバイス設計に対する可能性を導入する。
（２） 滑らかな帰還経路が除外され、オンチップの面積（ｒｅａｌ－ｅｓｔａｔｅ）が増加し、増加した密度の単位面積当たりの接合が可能になり、製造コストが低減される。
（３） 接合の密度が増加され、そのことは、いくつかのデバイス性能に対して重要である。
（４） ステップエッジ形態は、基板エリアにわたってより均一であり、より良好な接合の均一性につながる。
【0056】
提案される方法は、臨界電流および標準抵抗などの重要な接合パラメータにわたって同等の制御によって、および高品質接合によって、広範囲のステップエッジ角度（１０～８０°または１０～５０°）が選択されることも可能にする。ステップエッジ角度は、以下で説明する対向するステップエッジなど、すべてのステップエッジに対して同一であり得ることにさらに留意されたい。これは、同じく、重要な接合パラメータが同一であることを意味する。この文脈における「同一」は、設計が、これらのパラメータを同一として設定するが、当然ながら、それらのパラメータは、大幅であり得る製造のばらつきの影響を受ける。たとえば、ステップ角度が、約＋／－１度または＋／－２度だけ変化し、膜品質などのさらなる変動が、約２０％または１０％または５％の臨界電流の変動につながる場合がある。同一の接合パラメータは、たとえば、多数のループを有するＳＱＩＦなど、幅広い用途において有利である。
【0057】
図１４は、上位レベル１４０５から下位レベル１４０４を区切る２つの対向するステップ１４０２および１４０３を有する基板１４０１を有する例示的なデバイス１４００を示す。図１４を図５と比較すると、図５では、フォトレジスト５０３は、依然として存在し、基板５０１は、複数のステップエッジを製造するためのイオンビーム５０５にまだ露出されていないことに留意されたい。図１４は、それらのステップの後のデバイスを示し、それは、フォトレジストが除去されて、ステップ１４０２および１４０３が生成されたことを意味する。下位レベル１４０４は、フォトレジストが、イオンビーム５０５から基板を遮蔽していなかった場所であり、上述の「露出されるエリア」に相当する。図９のプロフィールは、図１４の破線１４０６に沿って取られていることにさらに留意されたい。
【0058】
デバイス１４００は、図２に示すように基板１４０１の上に堆積されているが滑らかな帰還経路２０４を持たない、ＹＢＣＯなどの超電導材料で作られる第１のループ１４０７および第２のループ１４０８をさらに含む。図２の粒界２０１（すなわち、ジョセフソン接合）を形成する図１のステップエッジ１０１と同様に、第１のループ１４０７は、第１のステップ１４０２の上方のステップエッジの上に２つのジョセフソン接合１４０９および１４１０を形成する。ステップ１４０２の底においてさらなる接合はない（１４１１および１４１２において示される）ことに留意されたい。なぜならば、底は図２および図９に示すように丸められており、それは、図１４の破線で示される。
【0059】
図１４を再び図２と比較すると、滑らかな帰還経路２０４の代わりに、第２のループ１４０８がその上に形成される帰還経路の上に、第２のステップ１４０３がある。この意味で、図１および図２の鋸歯状のプロフィールの代わりに、ここでは、２つの対向する側壁１４０２および１４０３のエッジが互いに面する溝プロフィールがある。この例では、上位レベル１４０５と側壁１４０２との間のエッジは、上位レベル１４０５と側壁１４０３との間のエッジと平行である。同じことが、下位レベル１４０４について言えるが、これは、それらのエッジのまるめに起因して、画定することはより困難である。図１４に示す溝構造の結果として、滑らかな帰還経路２０４によって図２に存在しないが、今や第２のループ１４０８において使用され２つのさらなる接合１４１３および１４１４が存在する。溝構造に起因して、さらなる接合１４１３および１４１４は、互いに同一線上にあり、同様に互いに同一線上にあるステップエッジ１４０９および１４１０と平行であることに留意されたい。再び、第２のステップ１４０３の底においてさらなる接合は存在しない。ループ１４０７および１４０８の各々は、今や、磁場を検出するためのＳＱＵＩＤとして働き、それらはともに、単一のループより高い感度を有する。
【0060】
重要なことには、２つのループ１４０７および１４０８は、互いに接続されてもよく、されなくてもよい。接続されないとき、それらは２つの別々のＳＱＵＩＤを形成し、接続されるとき、それらは１つのＳＱＵＩＤ配列を形成する。すべての場合において、下位レベル１４０４の中で、それらは、接続１４１７および１４１８をそれぞれ有し、それは、それぞれのステップ１４０２および１４０３と平行である（しかし、必ずしも平行である必要はない）。この意味において、ループ１４０７を形成する堆積された材料によって取られる経路は、ステップ１４０２を下方に進んで上位レベル１４０５から下位レベル１４０４までの第１の経路部分を形成し、同じステップ１４０２を反対方向に上方に戻って、中間にある別のステップを横切ることなく、かつ中間にある上位レベル１４０５に到達することなく下位レベル１４０４から上位レベル１４０５までの第２の経路部分を形成し、ループを形成する。その結果、以前、単一のループのステップおよび滑らかな帰還経路によって占められていたエリアの中に、今や２つのループ１４０７および１４０８が存在する。重要なことには、下位エリア１４０４は、滑らかな帰還経路のために、２つのステップ１４０２および１４０３に対する経路より大きく、それは、密度の増加は、前の密度の２倍よりかなり大きいことを意味する。なぜならば、２つのループは、今や、単一のループのために前に必要であった面積より小さい面積の中に収まるからである。言い換えれば、図１４は、今や溝の形状を画定する一方で、図２は、２つの隣接するステップエッジの間に鋸歯状の形状を画定する。
【0061】
図１５ａ、図１５ｂおよび図１５ｃは、ループ１４０７および１４０８が、どのようにして接続され得るかを示す。これは、ＳＱＩＦ配列に対して重要かつ必須であり得る。破線はステップエッジであり、実線はＹＢＣＯエリアを画定する。図１５ａは、接続されないことを示し、図１５ｂおよび図１５ｃは、ループが接続され得る異なる方法を示す。特に、図１５ｃでは、この場合は長方形などの隣接エリアが存在し、ループは、このエリアから（たとえば、正方形または長方形に）切り抜くことによって形成される。
【0062】
さらなる例では、デバイスは、溝（ｔｒｅｎｃｈ）（トラフ（ｔｒｏｕｇｈ）とも呼ばれる）が壁の間にあり、壁の表面が互いに面するという意味で、結晶基板の表面の中に２つの対向する壁を含む。溝は、開口がレジストの中にある場所に形成され、露出されたエリアをエッチングして溝を形成するために、後で溝を形成するエリアがイオンビームに露出される。溝は、この場合は長方形であり、壁は、溝の両側にある。次いで、超電導材料が、基板の上に蛇行形状に堆積される。これは、超電導材料が、溝を左右に複数回横切る経路を形成する。言い換えれば、経路は、１つの方向に溝を横切り、反対方向に戻り、最初の方向に再び横切って、反対方向に戻り、以下同様である。１８０度ターンまたはＵターンであるターン点は、経路が９０度だけ方向を急に変えるという意味で、２つの９０度ターンまたは直角コーナーによって形成され得る。代替的に、コーナーは、丸められてよく、または四半円または連続した湾曲を含む他の形状を有してよい。
【0063】
望ましくは、基板の中の溝の壁の角度（すなわち、険しさ）は、（製造のばらつきの中で）同一であり、それは、長方形の両辺の上の臨界電流など、同一の接合パラメータをもたらす。
【0064】
ステップエッジを複数回横切ることによって、そのたびに、ジョセフソン接合が、（同一の接合パラメータを有する）ステップエッジにおける粒界によって形成される。これは、経路が、一回だけ溝を横切って戻る場合、少なくとも４つのジョセフソン接合が経路の中に存在することを意味する。これらは、第１のステップエッジを超えて溝の中に下降する第１の接合と、第２のステップエッジを超えて溝を出て上昇する第２の接合と、向きを変えた後に第２のステップエッジを超えて溝の中に再び下降する第３の接合と、最後に、第１のステップエッジを超えて溝を出て上昇する第４の接合とを含む。この場合、超電導材料の経路は、接合の間の接続を提供するので、直列に接続された４つの接合がある。以下で説明するように、各交差において追加の並列の接合があり得る。
【0065】
いくつかの例では、接合の総数は、少なくとも８である。これは、各交差において並列の２つの接合があるときの場合であり、２つの接合は、ともにそれぞれのＳＱＵＩＤループを形成する。それゆえ、第１のステップエッジを超えて溝の中に下降する第１のループと、第２のステップエッジを超えて溝を出て上昇する第２のループと、向きを変えた後に第２のステップエッジを超えて溝の中に再び下降する第３のループと、最後に、第１のステップエッジを超えて溝を出て上昇する第４のループとを含む、少なくとも４つのＳＱＵＩＤループがある。この場合、超電導材料の経路は、接合の間の接続を提供するので、４つのループが、直列に接続される。
【0066】
単一の蛇行が、反対方向に２回、溝を通って（往復して）進み、ビルディングブロックまたは単に「ブロック」と呼ばれることがあることに留意されたい。ブロックは、多数の接合またはループを生成するために、溝に沿って何回も繰り返され得る。各ブロックは、経路が溝を通って進む２つの「腕」を含み、各腕は、２つのステップエッジの（上下の）交差を含む。その結果、各ブロックは、４つの交差を含む。２つの腕は、並列に接続されても直列に接続されてもよい。ブロックの各交差は、単一の接合またはループを形成する２つの接合を含んでよく、それにより、各ブロックは、４つの接合か、または合計８つの接合を有する４つのループのいずれかを含む。ループと接合との組合せ、および並列と直列とに接続された腕もまた可能である。
【0067】
図１６は、図４の方法４００に従って製作された２つの対向するステップエッジ１６０３および１６０４を有する基板１６０２の上に蛇行するＹＢＣＯ経路１６０１が同様に存在するという意味で、図６と同様の例示的なデバイス１６００を示す。蛇行は、本開示を通して、経路が、トラフ１６０５にわたって、一連の規則的な湾曲した曲線、屈曲、ループ、ターン、または巻きを形成することを意味する。言い換えれば、経路は、トラフ１６０５にわたって進むときに、左右にスイングする。
【0068】
再び、ジョセフソン接合は、基板１６０２の中のトラフ１６０５の両側に形成される。図１６に示す蛇行経路に起因して、超電導材料は、２つの対向するステップエッジ１６０３および１６０４を複数回横切る経路を形成する。ステップエッジの各交差が単一のジョセフソン接合を構成する図６とは対照的に、図１６では、経路がステップエッジを横切る交差ごとに、２つのジョセフソン接合が並列に構成される。
【0069】
たとえば、ステップエッジ交差は、１６０６に示される。この例示的な交差１６０６は、並列に接続され、ともにＳＱＵＩＤループを形成する第１の接合１６０７および第２の接合１６０８を含む。トラフ１６０５底における接続１６０９は、交差１６０６におけるＳＱＵＩＤループを、対向するステップエッジ１６０４におけるさらなるＳＱＵＩＤループに接続する。
【0070】
同時に、上部層におけるさらなる接続１６１０は、交差１６０６におけるＳＱＵＩＤループを同じステップエッジ１６０３の上のさらなるＳＱＵＩＤループに接続する。このパターンは、直列に接続されるいくつかのＳＱＵＩＤループを生成するために、蛇行またはジグザグの形で継続する。図１６は、同じく、直列接続されるＳＱＵＩＤループに接続するためのパッド１６１１および１６１２を示す。
【0071】
上記で説明したように、デバイス１６００は、１６１３に示す基本的ビルディングブロック（ｂａｓｉｃ ｂｕｉｌｄｉｎｇ ｂｌｏｃｋ）の複数の実例（ｉｎｓｔａｎｃｅ）またはコピーから構築され得る。この例では、ビルディングブロック１６１３は、直列の４つのループを含み、デバイス１６００は、２．５個のビルディングブロックを含む。
【0072】
本明細書で開示する方法によって、単一のチップの上により高密度のＳＱＵＩＤループを製作することが可能である。なぜならば、滑らかな帰還経路または側壁の存在によって使用される空間は、もはや存在しないからである。これは、単一の基板の上のＳＱＵＩＤループの数をスケールアップすることに役立ち、製造業者とってプロセスをより好ましいものにする。図１６の例では、比較的小さい面積の中に１０個のＳＱＵＩＤループがあり、提案される方法の拡張可能性を明示している。
【0073】
いくつかの場合、性能は、１つの配列の中のループの数に直接つながる。それゆえ、この技法は、デバイスの性能を改善する可能性も有する。このプロセスは、オンチップのループの均一性も改善し得、したがって、基板にわたる接合の信頼性を改善する。
【0074】
図１７は、上部レベルの接続１７０１が、２つのループを並列に接続し、次いで並列接続されたループを直列に接続するために、図１６と比較して修正された、また別の例を示す。見られるように、並列接続されたループは、同じステップエッジの上で互いに隣接している。いくつかの例では、隣接するループは、同じく、トラフの中で底部レベルにおいて接続され得る。多くの異なる組合せが、潜在的に多数の並列接続されたループとともに可能である。再び、ビルディングブロックが、１７０２において示され、ブロック１７０２は、ここで、各腕の中に２つの直列接続されたループを有する２つの並列接続された腕を含み、各ブロックは、合計２０個のループを有する１０個の並列接続された腕など、より多数の並列接続された腕を含んでもよいことに留意されたい。次いで、これらのより大きいブロックは、本明細書で説明したように、蛇行形状に直列接続される。
【0075】
図１８は、３つの溝（すなわち、くぼみ）１８０１、１８０２および１８０３を生成するために、フォトレジストの中で露出される複数のエリアがある、また別の例を示す。３つの溝１８０１、１８０２および１８０３は、合計６つ（各溝の両側に２つ）のステップエッジを形成する。超電導材料の蛇行経路１８０４は、それが戻る前に、溝１８０１、１８０２および１８０３を複数回横切る。経路１８０４がステップエッジを横切るたびに、ジョセフソン接合が形成される。図１８では、接合は矢印で示され、方向は、溝の底から上部層に上方を指している。見られるように、図１８の経路１８０４は、合計３６個の接合を形成し、ブロックは１２個の接合を含む。したがって、２つ以上の溝を生成するためにフォトレジストの中で露出される複数のエリアが存在し得、蛇行経路を有する各溝は、２つのジョセフソン接合を含み、ブロックは、偶数のジョセフソン接合から成る。
【0076】
本開示の幅広い範囲から逸脱することなく上記で説明した実施形態に対して、数多くの変形形態および／または修正形態が作成され得ることは、当業者には諒解されよう。それゆえ、本実施形態は、あらゆる点で例示と見なされ、制限するものではない。
【符号の説明】
【0077】
１００ プロフィール
１０１ ステップエッジ
１０２ 傾斜面
１０３ 水平面
１０４ 滑らかな帰還経路
１０５ ステップ角度
２０１ 粒界
２０４ 滑らかな帰還経路
３０１ ステップエッジ
３０２ 傾斜面
３０３ 水平面
３０４ 滑らかな帰還経路
３０５ 実線の輪郭
３０６ 側壁
５０１ 超電導基板
５０２ フォトレジスト
５０３ 壁
５０４ 基板ホルダ
５０５ イオンビーム
５０６ 傾斜角度
５０７ 回転軸
５０８ 方位角
６０１ ステップエッジ
６０２ ステップエッジ
６０３ ステップエッジ
６０４ ステップエッジ
６０５ ＹＢＣＯ経路
６０６ ジョセフソン接合
６０７ ジョセフソン接合
７０１ 基板ホルダ回転なしのグラフ
７０２ 基板ホルダ回転ありのグラフ
１４００ デバイス
１４０１ 基板
１４０２ ステップ
１４０３ ステップ
１４０４ 下位レベル
１４０５ 上位レベル
１４０６ 破線
１４０７ 第１のループ
１４０８ 第２のループ
１４０９ ジョセフソン接合
１４１０ ジョセフソン接合
１４１１ ステップの底
１４１２ ステップの底
１４１３ 接合
１４１４ 接合
１４１５ ステップの底
１４１６ ステップの底
１４１７ 接続
１４１８ 接続
１６００ デバイス
１６０１ ＹＢＣＯ経路
１６０２ 基板
１６０３ ステップエッジ
１６０４ ステップエッジ
１６０５ トラフ
１６０６ 交差
１６０７ 第１の接合
１６０８ 第２の接合
１６０９ 接続
１６１０ 接続
１６１１ パッド
１６１２ パッド
１６１３ 基本的ビルディングブロック
１７００ デバイス
１７０１ 上部レベルの接続
１７０２ ビルディングブロック
１８０１ 溝
１８０２ 溝
１８０３ 溝
１８０４ 蛇行経路
１０１ ステップエッジ
１０２ 傾斜面
１０３ 水平面
１０４ 滑らかな帰還経路
１０５ ステップ角度
２０１ 粒界
２０４ 滑らかな帰還経路
３０１ ステップエッジ
３０２ 傾斜面
３０３ 水平面
３０４ 滑らかな帰還経路
３０５ 実線の輪郭
３０６ 側壁
５０１ 超電導基板
５０２ フォトレジスト
５０３ 壁
５０４ 基板ホルダ
５０５ イオンビーム
５０６ 傾斜角度
５０７ 回転軸
５０８ 方位角
６０１ ステップエッジ
６０２ ステップエッジ
６０３ ステップエッジ
６０４ ステップエッジ
６０５ ＹＢＣＯ経路
６０６ ジョセフソン接合
６０７ ジョセフソン接合
７０１ 基板ホルダ回転なしのグラフ
７０２ 基板ホルダ回転ありのグラフ
１４００ デバイス
１４０１ 基板
１４０２ ステップ
１４０３ ステップ
１４０４ 下位レベル
１４０５ 上位レベル
１４０６ 破線
１４０７ 第１のループ
１４０８ 第２のループ
１４０９ ジョセフソン接合
１４１０ ジョセフソン接合
１４１１ ステップの底
１４１２ ステップの底
１４１３ 接合
１４１４ 接合
１４１５ ステップの底
１４１６ ステップの底
１４１７ 接続
１４１８ 接続
１６００ デバイス
１６０１ ＹＢＣＯ経路
１６０２ 基板
１６０３ ステップエッジ
１６０４ ステップエッジ
１６０５ トラフ
１６０６ 交差
１６０７ 第１の接合
１６０８ 第２の接合
１６０９ 接続
１６１０ 接続
１６１１ パッド
１６１２ パッド
１６１３ 基本的ビルディングブロック
１７００ デバイス
１７０１ 上部レベルの接続
１７０２ ビルディングブロック
１８０１ 溝
１８０２ 溝
１８０３ 溝
１８０４ 蛇行経路
【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13】
【図14】
【図15a】
【図15b】
【図15c】
【図16】
【図17】
【図18】