４−５．蒸着膜の超伝導特性

　集束イオンビーム直接蒸着法の最大の特長である高純度成膜は、膜中の不純物濃度（酸素濃度）により臨界温度、臨界電流密度といった超伝導特性が大きく影響されるＮｂの超伝導薄膜の成膜に直接蒸着法が適していることを示唆している。蒸着エネルギー、残留ガス圧、ビーム電流密度（蒸着速度）を変えながらＮｂ薄膜を成膜し、臨界温度の測定をおこなった。測定に用いた試料は、次のような手順で作製した。まずＳｉ基板上にスパッタ蒸着法によりＮｂ薄膜を成膜し、リソグラフィーによりそれぞれがパッド状電極に接続された平行な線状電極（線幅６μｍ、間隔４μｍ、厚み５０ｎｍ）を作製する。次に減速したＮｂ^２＋ビームを平行線状パターンに交差するように走査し、被測定対象のＮｂ試料を作製する。このＮｂ試料の線幅は１〜５μｍ、厚さは３０〜５０ｎｍ程度である。蒸着エネルギーを１０８〜４２８ｅＶで、残留ガス圧を１．９〜９．８×１０^−７Ｐａの範囲で適当に選択しながら複数の試料を作製し、液体ヘリウム容器中において４探針法で抵抗を測定した。温度の測定はＧｅの抵抗温度計を用いた。測定に用いた試料の写真例を図４−１３に示す。

　このようにして測定した直接蒸着Ｎｂ試料の臨界温度と蒸着条件の関係を図４−１４に示す^２、３）。横軸のＰは、式（１−６）で定義される不純物濃度であり、残留ガスの付着確率は１と仮定してある。蒸着エネルギーの臨界温度に対する影響は観察されなかった。Ｐの値が０．０３〜０．２の範囲にある試料は、膜厚の均一性を重視するあまり高速で繰り返し走査しながら成膜をおこなったため、実効的な成膜速度がビーム電流密度により決まる成膜速度と比べ１／１０〜１／２０に低下した結果である。また、イオン源から引き出されたビームのうち、Ｎｂ２＋の成分比が３〜５％と小さいため得られる電流密度が成分比に比例して小さいこともＰが比較的大きな値となっている一因である。この結果より、Ｐが０．１よりも充分小さくなるように蒸着の条件を適当に設定すれば、バルクのＮｂの臨界温度（９．３Ｋ）に近い臨界温度のＮｂ薄膜を成膜することができることを示している。

　バルクのＮｂにおいては、不純物としての酸素濃度と臨界温度の間には、原子数で１％の混入により０．９３Ｋ臨界温度が低下する関係が報告されている^８）。この関係で図４−１４の測定結果を再現したのが図中の実線である。横軸は図の上部に示されている酸素濃度である。横軸の上部酸素濃度と下部Ｐの関係は、式（１−６）のうち、残留ガスの付着確率を０．２とすれば一致する。残留ガスの成分は、４重極質量分析器により分析した結果、主成分はＨ_２Ｏであった。したがって、Ｎｂ成膜中において入射したＨ_２Ｏ気体のうち、酸素原子が膜中に取り込まれる確率が０．２であるという結果が得られたわけである。

　臨界温度がバルク値（９．３Ｋ）よりも若干低めになっているのは、膜厚の影響と思われる。スパッタリング成膜法により成膜したＮｂに関する報告^９）によれば、２００ｎｍの膜厚においてほぼ臨界温度はバルク値となるが、３０〜７０ｎｍにおいては８．２〜８．７Ｋとなっており、この結果とほぼ一致しているためである。

　膜質の評価をする手段として、室温における抵抗率と極低温における抵抗率の比を用いる方法がある。前節において述べた金属の抵抗率を決定する３要因、すなわち格子振動による電子散乱、不純物による電子散乱および結晶粒界や欠陥等における電子散乱のうち、後の２要因が寄与している割合を測定し、膜質を評価するものである。集束イオンビーム直接蒸着法により成膜したＮｂ薄膜の場合、室温と１０Ｋにおける抵抗率の比は、Ｐ＜０．１の条件で成膜したものに関しては２．５〜３．１であり、この値は電子ビーム蒸着法で成膜したＮｂ薄膜における値^１０）、およびスパッタリング蒸着法により成膜したＮｂ薄膜の膜厚３０〜７０ｎｍにおける値^９）とほぼ同じものであった。Ｐ＞０．１で成膜したものに関してはその値は〜１．５であった。

図４−１３．臨界温度測定に用いたＮｂ試料例（光学顕微鏡写真）

図４−１４．Ｎｂ試料の臨界温度と蒸着条件の関係