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JPH08236823A - Superconducting radiation detector and method of manufacturing the same - Google Patents

Superconducting radiation detector and method of manufacturing the same

Info

Publication number
JPH08236823A
JPH08236823A JP7067386A JP6738695A JPH08236823A JP H08236823 A JPH08236823 A JP H08236823A JP 7067386 A JP7067386 A JP 7067386A JP 6738695 A JP6738695 A JP 6738695A JP H08236823 A JPH08236823 A JP H08236823A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
layer
counter
base layer
film
lower electrode
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
JP7067386A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Shinichi Morohashi
信一 諸橋
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fujitsu Ltd
Original Assignee
Fujitsu Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fujitsu Ltd filed Critical Fujitsu Ltd
Priority to JP7067386A priority Critical patent/JPH08236823A/en
Publication of JPH08236823A publication Critical patent/JPH08236823A/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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  • Superconductor Devices And Manufacturing Methods Thereof (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【目的】 超伝導放射線検出装置及びその製造方法に関
し、エネルギー分解能の優れたTa超伝導放射線検出装
置を再現性良く形成すると共に、製造工程を複雑化する
ことなく位置分解能の優れたTa超伝導放射線検出装置
を形成する。 【構成】 単結晶シリコン基板1上にTaとNbのエネ
ルギーギャップΔTaとΔ Nbとの関係がΔTa<ΔNbとなる
Nbベース層2、Taベース層3、及び、Al層4から
なる下部電極を設け、AlOx バリア層5を介して、T
aとNbのエネルギーギャップの関係がΔTa>ΔNbとな
るNbカウンタ層6及びTaカウンタ層7からなる上部
電極を設ける。
(57) [Summary] [Purpose] The present invention relates to a superconducting radiation detector and a manufacturing method thereof.
And a Ta superconducting radiation detector with excellent energy resolution
Device with high reproducibility and complicated manufacturing process
Ta superconducting radiation detector with excellent position resolution
To form [Structure] Energy of Ta and Nb is formed on a single crystal silicon substrate 1.
Lugie gap ΔTaAnd Δ NbRelationship with ΔTaNbBecomes
From the Nb base layer 2, the Ta base layer 3, and the Al layer 4
Bottom electrode is formed, and AlOxT via the barrier layer 5
The energy gap relationship between a and Nb is ΔTa> ΔNbTona
Upper part composed of Nb counter layer 6 and Ta counter layer 7
Provide electrodes.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は超伝導放射線検出装置及
びその製造方法に関するものであり、特に、物性分析分
野或いは医療分野において用いるエネルギー分解能及び
放射線収集能力を高めた超伝導放射線検出装置及びその
製造方法に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a superconducting radiation detecting apparatus and a method for manufacturing the same, and more particularly to a superconducting radiation detecting apparatus and a superconducting radiation detecting apparatus having improved energy resolution and radiation collecting ability used in the field of physical property analysis or medical field. The present invention relates to a manufacturing method.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来、X線を代表とする放射線は、物性
分析分野或いは医療分野等において広く用いられてお
り、その際に、X線検出装置としてはシリコンを代表と
する半導体放射線検出装置が使用されている。
2. Description of the Related Art Conventionally, radiation typified by X-rays has been widely used in the field of physical property analysis or medical field. At that time, a semiconductor radiation detection apparatus typified by silicon is used as an X-ray detection apparatus. in use.

【0003】しかしながら、シリコンを用いた半導体放
射線検出装置のエネルギー分解能は、6keVの入射X
線に対して最大150eVであり、より微細な物性分析
を行うには限界に達している。
However, the energy resolution of a semiconductor radiation detector using silicon is 6 keV incident X
The maximum is 150 eV with respect to the line, which is the limit for performing more detailed physical property analysis.

【0004】このエネルギー分解能(相対分解能P)
は、電子−正孔対の生成に必要なエネルギーεに依存
し、Eを入射X線のエネルギー、Fをファノ因子とする
と、 P=2.355×(ε×F×E)1/2 ・・・ 式(1) で表される。なお、ファノ因子Fは、エネルギーEのX
線を入射させた場合に生成する電子−正孔対の数をNと
し、<>で囲まれたものをその平均値とした場合、<
(N−<N>)2 >/<N>で定義され、励起された電
子の数のゆらぎがポワソン分布のゆらぎより小さくなる
程度を示すパラメータであり、ポワソン分布に従う場合
は、F=1、従わない場合には、F<1となる(合志陽
一、佐藤公隆編,「エネルギー分散型X線分析」,日本
分光学会,学会出版センタ)。また、電子−正孔対の生
成に必要なエネルギーεは、Eg を放射線検出装置を構
成する半導体の禁制帯幅とすると、 ε=2.8×Eg +(0.5〜1.0)eV ・・・ 式(2) で表される(C.A.Klein,J.Appl.Ph
ys.,vol.39,p.2090,1968)。
This energy resolution (relative resolution P)
Is dependent on the energy ε required to generate electron-hole pairs, where E is the energy of the incident X-ray and F is the Fano factor, P = 2.355 × (ε × F × E) 1/2 .. represented by formula (1). The Fano factor F is X of the energy E.
When the number of electron-hole pairs generated when a line is incident is N and the one enclosed by <> is the average value thereof, <
(N- <N>) 2 > / <N> is a parameter that indicates the degree to which the fluctuation of the number of excited electrons becomes smaller than the fluctuation of the Poisson distribution, and if the Poisson distribution is followed, F = 1, When not complying, F <1 (Yoichi Koshi, Kimitaka Sato, "Energy dispersive X-ray analysis", The Spectroscopic Society of Japan, Academic Publishing Center). The electronic - energy epsilon necessary to generate the hole pairs, when the semiconductor forbidden band width of the radiation detecting apparatus E g, ε = 2.8 × E g + (0.5~1.0 ) EV ... Represented by formula (2) (CA Klein, J. Appl. Ph)
ys. , Vol. 39, p. 2090, 1968).

【0005】例えば、Eg =1.16eVのシリコンの
pn接合を用いた放射線検出装置においては電子−正孔
対の生成に必要なエネルギーεは数eV(3.748〜
4.248eV、実測値3.76eV)となるため、6
keVの入射X線で励起される電子−正孔対の数N
1 は、 N1 =6000/3.76≒1.6×103 個 となり、かなり少ないものであるが、半導体放射線検出
装置の場合には、pn接合に外部から電界を印加するこ
とによって略100%に近い値で電子及び正孔を収集で
きるため、エネルギー分解能としては150eV(6k
eVにおいて)が達成されており、このエネルギー分解
能150eVは、ファノ因子Fの実測値0.08におけ
る理論限界(略100eV)に近づいている。
For example, in a radiation detector using a silicon pn junction with E g = 1.16 eV, the energy ε required to generate electron-hole pairs is several eV (3.748 to
Since it is 4.248 eV and the measured value is 3.76 eV), 6
The number N of electron-hole pairs excited by incident X-rays of keV
1 is N 1 = 6000 / 3.76≈1.6 × 10 3 , which is considerably small, but in the case of a semiconductor radiation detection apparatus, it is about 100 by applying an electric field from the outside to the pn junction. Since electrons and holes can be collected at a value close to%, the energy resolution is 150 eV (6 k
eV) is achieved, and this energy resolution of 150 eV approaches the theoretical limit (approximately 100 eV) at the measured value of the Fano factor F of 0.08.

【0006】したがって、エネルギー分解能Pは上記の
式(1)に示したように、ε1/2 に比例するので、エネ
ルギー分解能を高めるためには、εの小さな材料を用い
る必要がある。そして、εを小さくするためには上記の
式(2)に示したようにEg を小さくすれば良いが、E
g を小さくしても、εを付加定数項の0.5〜1.0e
V以下にすることはできないため、エネルギー分解能P
の向上には限界がある。
Therefore, since the energy resolution P is proportional to ε 1/2 as shown in the above equation (1), it is necessary to use a material having a small ε in order to enhance the energy resolution. Then, in order to reduce ε, it is sufficient to reduce E g as shown in the above equation (2).
Even if g is reduced, ε is 0.5 to 1.0e of the additional constant term.
Since it cannot be lower than V, the energy resolution P
There is a limit to the improvement of.

【0007】一方、超伝導技術分野においては、ジョセ
フソン接合におけるエネルギーギャップが、半導体のバ
ンド・ギャップに比べて約3桁程度小さいことが知られ
ており、この超伝導体を用いて放射線検出装置を構成し
た場合には、数eVのエネルギー分解能、即ち、半導体
放射線検出装置に対して10倍の分解能が期待されるた
め、この超伝導体を用いた各種の放射線検出装置が提案
されている。
On the other hand, in the field of superconductivity, it is known that the energy gap in the Josephson junction is about 3 orders of magnitude smaller than the band gap of a semiconductor, and a radiation detector using this superconductor. In the case of (1), the energy resolution of several eV, that is, the resolution 10 times higher than that of the semiconductor radiation detection apparatus is expected. Therefore, various radiation detection apparatuses using this superconductor have been proposed.

【0008】超伝導放射線検出装置においては、半導体
放射線検出装置における電子−正孔対の代わりにクーパ
ー対が励起されて準粒子が生成されることになり、一個
の準粒子の生成に必要なエネルギーεは、上記の式
(2)では表されないが、高エネルギー分解能の超伝導
放射線検出装置を実現するためには、半導体放射線検出
装置の場合と同様に、(1)生成される準粒子の数が多
いこと、及び、(2)生成された準粒子が途中でロスす
ることなしに収集できること、の二つが必要である。
In the superconducting radiation detecting apparatus, Cooper pairs are excited instead of the electron-hole pairs in the semiconductor radiation detecting apparatus to generate quasiparticles, and the energy required to generate one quasiparticle is generated. Although ε is not represented by the above formula (2), in order to realize a superconducting radiation detector with high energy resolution, (1) the number of quasi-particles generated, as in the case of the semiconductor radiation detector. Is required, and (2) the generated quasiparticles can be collected without being lost on the way.

【0009】例えば、ジョセフソン接合を用いた放射線
検出装置の場合には、6keVの入射X線で励起される
準粒子の数は、励起に要するエネルギーεを3.0me
Vとすると、 N1 =6000/3.0meV=2.0×106 個 となり、シリコンを用いた半導体放射線検出装置に比べ
て3桁程度多くなることが理論的に期待される。
For example, in the case of a radiation detector using a Josephson junction, the number of quasiparticles excited by an incident X-ray of 6 keV has an energy ε required for excitation of 3.0 me.
When V is set, N 1 = 6000 / 3.0 meV = 2.0 × 10 6 pieces, which is theoretically expected to be increased by about three digits as compared with the semiconductor radiation detection apparatus using silicon.

【0010】しかし、超伝導体として錫(Sn)を用い
た超伝導放射線検出装置の場合には、6keVの入射X
線に対して37eVのエネルギー分解能、即ち、シリコ
ン半導体放射線検出装置の約5倍のエネルギー分解能が
得られているだけであり、理論的に期待される数eVの
エネルギー分解能の1/10程度しか得られていない
(W.Rothmund.et.al.,“X−RAY
DETECTIONBY SUPERCONDUCT
ING TUNNEL JUNCTIONS”,edi
ted by A.Barone(World Sci
entific,Singapore),pp.63,
1991)。
However, in the case of a superconducting radiation detector using tin (Sn) as a superconductor, an incident X of 6 keV is applied.
The energy resolution of 37 eV with respect to the line, that is, about 5 times the energy resolution of the silicon semiconductor radiation detection apparatus, is obtained, and only about 1/10 of the theoretically expected energy resolution of several eV is obtained. No. (W. Rothmund. Et. Al., “X-RAY
DETECTION BY SUPERCONDUCT
ING TUNNEL JUNCTIONS ", edi
ted by A. Barone (World Sci
Entific, Singapore), pp. 63,
1991).

【0011】この錫を用いた超伝導放射線検出装置にお
いて、期待された値が得られない理由としては、超伝導
体では電界が進入できないため、半導体のように電界を
印加して準粒子を収集することができず、したがって、
準粒子の生成数が多いにもかかわらず、準粒子の収集効
率が悪いことが原因として考えられる。
The reason why the expected value cannot be obtained in the superconducting radiation detecting apparatus using tin is that the electric field cannot enter in the superconductor, so that the electric field is applied like the semiconductor to collect the quasi-particles. Cannot be done, and therefore
It is considered that the collection efficiency of quasi-particles is poor even though the number of quasi-particles generated is large.

【0012】そして、この錫を用いた超伝導放射線検出
装置は、そのエネルギー分解能が理論的予測値より遙に
劣るだけでなく、80年代前半までジョセフソン集積回
路接合材料として用いられていた鉛(Pb)接合と同様
に、経時変化、及び、室温−極低温−室温の熱サイクル
に弱い、即ち、熱サイクルによってバリアが劣化してシ
ョートするという致命的欠陥を有しているため、実用的
な放射線検出装置とは言えなかった。
The superconducting radiation detecting apparatus using tin is not only inferior in energy resolution to the theoretically predicted value, but also used as a bonding material for Josephson integrated circuits until the early 1980s. Similar to Pb) bonding, it has a fatal defect that it is weak against aging and thermal cycles of room temperature-cryogenic temperature-room temperature, that is, it has a fatal defect that the barrier deteriorates and shorts due to the thermal cycle. It was not a radiation detector.

【0013】また、超伝導デジタル集積回路において広
く用いられている経時変化及び熱サイクルに対して安定
なNb/AlOX −Al/Nb接合を用いて、放射線検
出装置を構成する実験が多くの研究機関で行われている
が、錫を用いた放射線検出装置のエネルギー分解能より
低い値しか得られていない。
Also, many experiments have been conducted to construct a radiation detector using a Nb / AlO x -Al / Nb junction which is widely used in superconducting digital integrated circuits and which is stable against aging and thermal cycles. Although it is carried out by the institute, the value obtained is lower than the energy resolution of the radiation detection device using tin.

【0014】近年、この様な錫やNbを用いた超伝導放
射線検出装置の有する欠点を改善するために、各種の提
案がなされているが、生成された準粒子が途中でロスな
しに収集されるためには準粒子の寿命が長い方が有利で
あると考えられるので、各種の代表的な超伝導材料の準
粒子寿命を調べてみた。その結果を表1に示す。
In recent years, various proposals have been made to improve the drawbacks of the superconducting radiation detecting apparatus using tin or Nb, but the generated quasi-particles are collected without loss during the process. For this reason, it is considered that a longer quasiparticle life is advantageous, so we investigated the quasiparticle life of various typical superconducting materials. Table 1 shows the results.

【0015】[0015]

【表1】 [Table 1]

【0016】なお、表1には、X線吸収能、即ち、放射
線阻止能も合わせて示しており、表においては、10k
eVの入射X線を90%吸収するために必要な層厚を示
しているものであり、この値が小さければ小さいほど、
X線吸収能が大きいことを示している。この、X線吸収
能は、単結晶シリコン基板の裏面からX線を入射させる
場合に、必要となる特性であり、以下におけるX線吸収
能の評価は表1に示した膜厚の逆数で行うものである。
Table 1 also shows the X-ray absorption ability, that is, the radiation stopping ability.
It shows the layer thickness necessary to absorb 90% of incident X-rays of eV, and the smaller this value is, the more
It shows that the X-ray absorption capacity is high. This X-ray absorptivity is a characteristic required when X-rays are incident from the back surface of the single crystal silicon substrate, and the X-ray absorptivity below is evaluated by the reciprocal of the film thickness shown in Table 1. It is a thing.

【0017】ここで、表1を参照して、各種の超伝導材
料の準粒子寿命を検討することにする。表1から明らか
なように、Alの準粒子寿命τ0 は438ns(10-9
sec)で、他の材料に比べて2桁程度長いものの、X
線吸収能は300μmで他の材料より1桁低いものであ
り、また、Sn(錫)の準粒子寿命τ0 は2.30ns
で、0.149のNbに比べて約1桁大きく、且つ、X
線吸収能もNbの略1.5倍であるため、この点から
は、超伝導放射線検出装置として最適の材料ではある
が、上述のように熱サイクル、即ち、熱的安定性に弱い
という致命的欠陥があるものである。
Now, referring to Table 1, the quasi-particle life of various superconducting materials will be examined. As is clear from Table 1, the quasi-particle lifetime τ 0 of Al is 438 ns (10 -9
sec) is two orders of magnitude longer than other materials, but X
The linear absorptivity is 300 μm, which is one order of magnitude lower than that of other materials, and the quasi-particle life τ 0 of Sn (tin) is 2.30 ns.
Is about one digit larger than Nb of 0.149, and X
Since the linear absorption capacity is about 1.5 times that of Nb, it is an optimal material for the superconducting radiation detection device from this point, but as described above, it is fatal that it is weak in thermal cycle, that is, thermal stability. There is a physical defect.

【0018】一方、熱的安定性に強い材料としてはTa
があり、且つ、Taの準粒子寿命τ 0 は、1.78ns
とNbやPb等の他の材料と比較して大きく、且つ、X
線吸収能が高いため、超伝導体として、この準粒子寿命
の長く、且つ、熱的に安定なTaを用いた超伝導放射線
検出装置が試みられている。
On the other hand, as a material having high thermal stability, Ta is used.
And the quasi-particle lifetime τ of Ta 0Is 1.78 ns
And larger than other materials such as Nb and Pb, and X
As a superconductor, it has high quasi-particle life due to its high line absorption capacity.
Radiation with long and thermally stable Ta
A detector is being tried.

【0019】この従来の超伝導放射線検出装置を図13
を参照して説明する。図13参照この従来の超伝導放射
線検出装置は、単結晶シリコン基板27上にTaベース
層28、バリア層29、及び、Taカウンタ層30をス
パッタリング法によって堆積させたのちパターニングす
ることにより、所定面積のジョセフソン接合を形成し
て、SiO2 等の保護絶縁膜31で被覆し、次いで、T
aベース層28及びTaカウンタ層30と電気的に接続
するTa配線層32を設けたものである。この様に、T
aを用いた超伝導放射線検出装置は、熱的安定性が良好
で、また、準粒子寿命も比較的長いので、Taを用いる
ことによってエネルギー分解能が高く、且つ、実用性の
ある超伝導放射線検出装置が得られる。
This conventional superconducting radiation detector is shown in FIG.
Will be described with reference to. See FIG. 13. In this conventional superconducting radiation detecting apparatus, a Ta base layer 28, a barrier layer 29, and a Ta counter layer 30 are deposited on a single crystal silicon substrate 27 by a sputtering method and then patterned to form a predetermined area. Josephson junction is formed and covered with a protective insulating film 31 such as SiO 2 and then T
The Ta wiring layer 32 electrically connected to the a base layer 28 and the Ta counter layer 30 is provided. Like this, T
The superconducting radiation detection apparatus using a has good thermal stability and has a relatively long quasi-particle life. Therefore, by using Ta, a high energy resolution and a practical superconducting radiation detection apparatus can be obtained. The device is obtained.

【0020】さらに、物性分析或いは医療応用の検出装
置としては、高エネルギー分解能のみならず、位置分解
能も重要な要因であるため、放射線検出素子をアレイ化
して位置検出能力をもたせることも期待されており、こ
の様な位置検出能力を有する従来の超伝導放射線検出装
置を図14及び図15を参照して説明する。
Further, as a detector for physical property analysis or medical application, not only high energy resolution but also position resolution is an important factor. Therefore, it is expected that the radiation detection elements are arrayed to have a position detection ability. A conventional superconducting radiation detecting apparatus having such a position detecting ability will be described with reference to FIGS. 14 and 15.

【0021】図14(a)参照 先ず、単結晶シリコン基板27の裏面にTa放射線阻止
膜33をスパッタリング法で堆積させたのち、単結晶シ
リコン基板27表面側に、Taベース層28、バリア層
29、及び、Taカウンタ層30を同じくスパッタリン
グ法によって堆積させる。
Referring to FIG. 14A, first, a Ta radiation blocking film 33 is deposited on the back surface of the single crystal silicon substrate 27 by a sputtering method, and then a Ta base layer 28 and a barrier layer 29 are formed on the front surface side of the single crystal silicon substrate 27. , And Ta counter layer 30 are also deposited by sputtering.

【0022】図14(b)参照 次いで、第1のフォトレジストマスク31をマスクとし
て、RIE(反応性イオンエッチング)法によって、T
a放射線阻止膜33をパターニングしたのち、このTa
放射線阻止膜33からなるパターンをマスクとしてKO
H水溶液で単結晶シリコン基板27をエッチングして、
X線が入射するX線入射孔35を形成する。
Next, as shown in FIG. 14 (b), using the first photoresist mask 31 as a mask, a T film is formed by RIE (reactive ion etching).
After patterning the radiation blocking film 33, Ta
KO using the pattern of the radiation blocking film 33 as a mask
Etching the single crystal silicon substrate 27 with an H aqueous solution,
An X-ray entrance hole 35 into which X-rays enter is formed.

【0023】図14(c)参照 次いで、第2のフォトレジストマスク36を用いて、ま
ず、Taカウンタ層30をRIE法によってエッチング
し、次いで、バリア層29をArを用いたイオンミーリ
ング法によってエッチングすることによって、ジョセフ
ソン接合の面積を所定の大きさに画定する。
Referring to FIG. 14C, the Ta counter layer 30 is first etched by the RIE method using the second photoresist mask 36, and then the barrier layer 29 is etched by the ion milling method using Ar. By doing so, the area of the Josephson junction is defined to have a predetermined size.

【0024】図15(d)参照 次いで、第3のフォトレジストマスク37を用いてTa
ベース層28を再びRIE法によってエッチングして、
Taベース層28の大きさを画定する。 図15(e)参照 次いで、SiO2 膜を保護絶縁膜38として用いてジョ
セフソン接合を被覆する。
See FIG. 15D. Then, using the third photoresist mask 37, Ta is used.
The base layer 28 is etched again by the RIE method,
The size of the Ta base layer 28 is defined. 15E, the SiO 2 film is used as the protective insulating film 38 to cover the Josephson junction.

【0025】図15(f)参照 次いで、第4のフォトレジストマスク(図示せず)を用
いて、Taベース層28及びTaカウンタ層30に対す
るコンタクトホールを形成したのち、Ta層を全面にス
パッタリング法によって堆積させ、次いで、第5のフォ
トレジストマスク(図示せず)を用いてパターニングし
てTa配線層39を形成して、位置検出能力を有するT
a放射線検出装置が完成する。
Next, as shown in FIG. 15F, contact holes for the Ta base layer 28 and the Ta counter layer 30 are formed using a fourth photoresist mask (not shown), and then the Ta layer is sputtered over the entire surface. And then patterned by using a fifth photoresist mask (not shown) to form a Ta wiring layer 39.
a The radiation detector is completed.

【0026】なお、単結晶シリコン基板27の裏面に設
けたTa放射線阻止膜33の残部は、表1に示したよう
にTaはX線吸収能が非常に高いためX線遮蔽膜として
作用し、X線入射孔35においてのみX線を透過させる
ので、ジョセフソン接合部にX線入射孔35以外からの
X線が入射することがなく、位置検出精度が高まるもの
である。
The remaining portion of the Ta radiation blocking film 33 provided on the back surface of the single crystal silicon substrate 27 acts as an X-ray shielding film because Ta has a very high X-ray absorbing ability as shown in Table 1. Since X-rays are transmitted only through the X-ray entrance hole 35, X-rays from other than the X-ray entrance hole 35 do not enter the Josephson junction, and the position detection accuracy is improved.

【0027】[0027]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図13
に示した従来のTa超伝導放射線検出装置においては、
再現性良く、良好な素子特性を有する放射線検出装置が
得られないという問題がある。即ち、上記の表1に示し
たTaは体心立方晶(bcc)構造をもち、相転移温度
(Tc )は4.47°Kであるが、Taの結晶構造は下
地基板の影響を受けやすく、通常の堆積工程において
は、相転移温度(Tc )が0.5°Kの正方晶(Tet
ragonal)構造の薄膜が形成されやすい。
However, as shown in FIG.
In the conventional Ta superconducting radiation detector shown in
There is a problem that a radiation detector having good reproducibility and good element characteristics cannot be obtained. That is, Ta shown in Table 1 above has a body-centered cubic (bcc) structure and a phase transition temperature (T c ) of 4.47 ° K, but the Ta crystal structure is affected by the underlying substrate. In a normal deposition process, a tetragonal (Tet) having a phase transition temperature (T c ) of 0.5 ° K is easily used.
A thin film having a (ragonal) structure is easily formed.

【0028】この、正方晶構造のTaは相転移温度(T
c )が0.5°Kで、液体ヘリウム温度4.2°Kより
低いため、超伝導放射線検出装置として動作させるため
の極低温環境を形成することが困難であった。また、正
方晶構造のTaの形成を避けるためには、基板温度を3
00℃程度に加熱すれば良いが、基板を加熱することに
よって接合界面の乱れが生じるので、良好な素子特性を
得ることができなかった。
The Ta of the tetragonal structure is the phase transition temperature (T
Since c ) is 0.5 ° K, which is lower than the liquid helium temperature of 4.2 ° K, it was difficult to form a cryogenic environment for operating as a superconducting radiation detection device. Further, in order to avoid the formation of Ta having a tetragonal structure, the substrate temperature is set to 3
Although it may be heated to about 00 ° C., heating of the substrate causes disorder of the bonding interface, so that good element characteristics cannot be obtained.

【0029】また、従来のジョセフソン接合構造では、
生成した準粒子を閉じ込めておく機構が存在しないた
め、準粒子寿命が長いわりにはエネルギー分解能が向上
しないという欠点があった。
In the conventional Josephson junction structure,
Since there is no mechanism for confining the generated quasiparticles, there is a drawback that the energy resolution is not improved despite the long quasiparticle lifetime.

【0030】一方、図14及び図15に示した従来の他
の超伝導放射線検出装置においては、充分な集積度を得
ることができないため、位置分解能を充分に高めること
ができないという問題がある。即ち、位置分解能は、隣
接するX線入射孔の間隔に依存するが、従来において
は、単結晶シリコン基板の面方位を充分に意識せずに使
用していたため、一般には(100)面方位の単結晶シ
リコン基板を用いていた。
On the other hand, in the other conventional superconducting radiation detecting apparatus shown in FIGS. 14 and 15, there is a problem that the position resolution cannot be sufficiently increased because a sufficient degree of integration cannot be obtained. That is, the position resolution depends on the distance between the adjacent X-ray incident holes, but in the past, since the plane orientation of the single crystal silicon substrate was used without being sufficiently aware, the (100) plane orientation is generally used. A single crystal silicon substrate was used.

【0031】図16(a)参照 この単結晶シリコン基板にX線入射孔を形成するために
KOH液を用いてエッチングした場合、所謂エッチピッ
トと呼ばれる面方位に依存した形状のエッチング孔が形
成され、例えば、通常用いている厚さ400μmの(1
00)面方位単結晶シリコン基板40においては、10
0×100μm2 のジョセフソン接合に合わせた開口を
形成するためには、Ta放射線阻止膜との界面におい
て、900×900μm2 の開口部を設けておく必要が
あり、位置分解能のためにはデッドスペースになり、位
置分解能が向上しないという問題がある。
See FIG. 16A. When this single crystal silicon substrate is etched using a KOH solution to form an X-ray entrance hole, an etching hole having a shape depending on the plane orientation, which is a so-called etch pit, is formed. , For example, the thickness of 400 μm (1
In the (00) plane orientation single crystal silicon substrate 40, 10
0 to form an opening matching the Josephson junction × 100 [mu] m 2 is at the interface between Ta radiation blocking layer, must be an opening of 900 × 900 .mu.m 2, for position resolution Dead There is a problem that it becomes a space and the position resolution is not improved.

【0032】この問題を解決するには、単結晶シリコン
基板の厚さを薄くすれば良いが、あまり薄くしすぎる
と、ハンドリングの際の基板の損傷が問題となり、ま
た、現在の通常の研磨技術からは薄層化は100μm程
度が限度であるので、100μmの厚さの(100)面
方位単結晶シリコン基板40に100×100μm2
ジョセフソン接合に合わせた開口を形成するためには、
Ta放射線阻止膜との界面において、300×300μ
2 の開口部を設けることが必要となり、依然として位
置分解能の不確定性は大きいものである。
In order to solve this problem, the thickness of the single crystal silicon substrate may be made thin. However, if it is made too thin, damage to the substrate during handling becomes a problem, and the current ordinary polishing technique is used. Since the thinning is limited to about 100 μm, in order to form a 100 × 100 μm 2 opening corresponding to the Josephson junction in the (100) plane-oriented single crystal silicon substrate 40 having a thickness of 100 μm,
At the interface with the Ta radiation blocking film, 300 × 300μ
Since it is necessary to provide an opening of m 2 , the uncertainty of position resolution is still large.

【0033】また、他の手段として、KOH液を用いた
ウェット・エッチングの代わりに、異方性エッチング特
性を有するドライ・エッチングを用いれば、略垂直な壁
面を有する開口部の形成が可能であるため、位置分解能
の問題は一応解決されるが、エッチング速度の遅いドラ
イ・エッチングを用いて、100〜400μmの厚さを
有する単結晶シリコン基板を貫通するX線入射孔を形成
するためには、膨大な時間を必要とし、非現実的な手段
である。
As another means, if dry etching having anisotropic etching characteristics is used instead of wet etching using a KOH solution, it is possible to form an opening having a substantially vertical wall surface. Therefore, although the problem of position resolution is solved for a while, in order to form an X-ray entrance hole penetrating a single crystal silicon substrate having a thickness of 100 to 400 μm by using dry etching having a slow etching rate, It is an unrealistic means that requires a huge amount of time.

【0034】したがって、本発明は、エネルギー分解能
の優れたTa超伝導放射線検出装置を再現性良く形成す
ると共に、製造工程を複雑化することなく位置分解能の
優れたアレイ化したTa超伝導放射線検出装置を形成す
ることを目的とする。
Therefore, according to the present invention, a Ta superconducting radiation detecting apparatus which has an excellent energy resolution and is formed into an array with excellent reproducibility and which has an excellent positional resolution without complicating the manufacturing process. Is intended to be formed.

【0035】[0035]

【課題を解決するための手段】図1は本発明の原理的構
成の説明図であり、図1を参照して、本発明における課
題を解決するための手段を説明する。なお、図1(a)
は、本発明の超伝導放射線検出装置の基本的素子構造の
断面図であり、図1(b)は、図1(a)のA−A’の
一点鎖線に沿ったエネルギーギャップ構造を示すもので
ある。
FIG. 1 is an explanatory view of the principle configuration of the present invention, and the means for solving the problems in the present invention will be described with reference to FIG. Note that FIG. 1 (a)
1A is a cross-sectional view of a basic element structure of a superconducting radiation detection apparatus of the present invention, and FIG. 1B shows an energy gap structure taken along the alternate long and short dash line AA ′ of FIG. Is.

【0036】図1(a)及び(b)参照 本発明は、超伝導放射線検出装置において、基板1上に
Nbベース層2、Taベース層3、及び、Al層4から
なる下部電極を設け、AlOx バリア層5を介して、N
bカウンタ層6及びTaカウンタ層7からなる上部電極
を設けると共に、下部電極におけるTaとNbのエネル
ギーギャップΔTaとΔNbとの関係がΔTa<ΔNbであり、
また、上部電極におけるTaとNbのエネルギーギャッ
プの関係がΔTa>ΔNbであることを特徴とする。なお、
図1(a)における符号10は保護絶縁膜である。
1 (a) and 1 (b), the present invention provides a superconducting radiation detecting apparatus, in which a lower electrode composed of an Nb base layer 2, a Ta base layer 3 and an Al layer 4 is provided on a substrate 1. N via the AlO x barrier layer 5
An upper electrode composed of the b counter layer 6 and the Ta counter layer 7 is provided, and the relationship between the Ta and Nb energy gaps Δ Ta and Δ Nb in the lower electrode is Δ TaNb ,
Further, it is characterized in that the relationship of the energy gap between Ta and Nb in the upper electrode is Δ Ta > Δ Nb . In addition,
Reference numeral 10 in FIG. 1A is a protective insulating film.

【0037】また、本発明は、上部電極構造として、バ
リア層5側から順次Al層、Nbカウンタ層6、及び、
Taカウンタ層7を積層させた三層構造を用いることを
特徴とする。
Further, according to the present invention, as the upper electrode structure, the Al layer, the Nb counter layer 6, and the
It is characterized by using a three-layer structure in which the Ta counter layer 7 is laminated.

【0038】また、本発明は、超伝導放射線検出装置に
おいて、基板1上にNbベース層2、Taベース層3、
及び、Al層4からなる下部電極を設け、AlOx バリ
ア層5を介して、Wカウンタ層及びTaカウンタ層7か
らなる上部電極を設けると共に、下部電極におけるTa
とNbのエネルギーギャップΔTaとΔNbとの関係がΔ Ta
<ΔNbであることを特徴とする。
The present invention also relates to a superconducting radiation detector.
On the substrate 1, the Nb base layer 2, Ta base layer 3,
And a lower electrode composed of the Al layer 4 is provided, and AlOxBari
W counter layer and Ta counter layer 7 through the layer 5
And the Ta in the lower electrode
And Nb energy gap ΔTaAnd ΔNbRelationship with Δ Ta
NbIs characterized in that.

【0039】また、本発明は、上部電極構造として、バ
リア層5側から順次Al層、Wカウンタ層、及び、Ta
カウンタ層7を積層させた三層構造を用いることを特徴
とする。
Further, in the present invention, as the upper electrode structure, the Al layer, the W counter layer, and the Ta layer are sequentially arranged from the barrier layer 5 side.
It is characterized by using a three-layer structure in which the counter layers 7 are laminated.

【0040】また、本発明は、配線層12としてTaベ
ース層3及びTaカウンタ層7とのエネルギーギャップ
の関係がΔTa<ΔNbであるNb層を用いたことを特徴と
する。
Further, the present invention is characterized in that the wiring layer 12 is an Nb layer having an energy gap relationship between the Ta base layer 3 and the Ta counter layer 7 of Δ TaNb .

【0041】また、本発明は、超伝導放射線検出装置の
製造方法において、単結晶シリコン基板1上に相転移温
度が9.25°Kになる成膜条件で下部電極のNb層2
をスパッタリングすると共に、上部電極のNb層6を下
部電極のNb層2よりも低印加電力密度で、且つ、遅い
堆積速度でスパッタリングして、上部電極のNb層6の
エネルギーギャップが下部電極のNb層2のエネルギー
ギャップよりも小さくなるようにしたことを特徴とす
る。
In the method for manufacturing a superconducting radiation detecting device of the present invention, the Nb layer 2 of the lower electrode is formed on the single crystal silicon substrate 1 under the film forming condition that the phase transition temperature is 9.25 ° K.
While sputtering the Nb layer 6 of the upper electrode at a lower applied power density and a slower deposition rate than the Nb layer 2 of the lower electrode, the energy gap of the Nb layer 6 of the upper electrode is Nb of the lower electrode. It is characterized in that the energy gap is smaller than that of the layer 2.

【0042】また、本発明は、超伝導放射線検出装置に
おいて、基板の表面上にNbベース層、Taベース層、
及び、Al層からなる下部電極を設け、AlOx バリア
層を介して、Nbカウンタ層及びTaカウンタ層からな
る上部電極を設け、且つ、下部電極におけるTaとNb
のエネルギーギャップΔTaとΔNbとの関係をΔTa<Δ Nb
とし、また、上部電極におけるTaとNbのエネルギー
ギャップの関係をΔTa>ΔNbとすると共に、基板の裏面
に放射線阻止膜を設け、この放射線阻止膜及び基板に放
射線入射孔を設けたことを特徴とする。
The present invention also relates to a superconducting radiation detector.
On the surface of the substrate, the Nb base layer, the Ta base layer,
And a lower electrode composed of an Al layer is provided, and AlOxbarrier
The Nb counter layer and the Ta counter layer.
An upper electrode is provided, and Ta and Nb in the lower electrode are
Energy gap ofTaAnd ΔNbRelationship with ΔTa Nb
And the energy of Ta and Nb in the upper electrode
The gap relationship is ΔTa> ΔNbAnd the back of the board
A radiation blocking film is provided on the substrate, and the radiation blocking film and the substrate are exposed.
A feature is that a ray incident hole is provided.

【0043】また、本発明は、超伝導放射線検出装置に
おいて、基板の表面上にNbベース層、Taベース層、
及び、Al層からなる下部電極を設け、AlOx バリア
層を介して、Wカウンタ層及びTaカウンタ層からなる
上部電極を設け、且つ、下部電極におけるTaとNbの
エネルギーギャップΔTaとΔNbとの関係をΔTa<ΔNb
すると共に、基板の裏面に放射線阻止膜を設け、この放
射線阻止膜及び基板に放射線入射孔を設けたことを特徴
とする。
Further, the present invention is a superconducting radiation detecting apparatus, wherein a Nb base layer, a Ta base layer,
Further, a lower electrode made of an Al layer is provided, an upper electrode made of a W counter layer and a Ta counter layer is provided via an AlO x barrier layer, and energy gaps Δ Ta and Δ Nb of Ta and Nb in the lower electrode are provided. In addition to the relation Δ TaNb , a radiation blocking film is provided on the back surface of the substrate, and a radiation entrance hole is provided in the radiation blocking film and the substrate.

【0044】また、本発明は、Nbベース層及びTaベ
ース層からなる一つの下部電極に対して一つのジョセフ
ソン接合を形成すること、或いは、Nbベース層及びT
aベース層からなる一つの下部電極に対して複数のジョ
セフソン接合を形成することを特徴とする。
Further, according to the present invention, one Josephson junction is formed for one lower electrode composed of the Nb base layer and the Ta base layer, or the Nb base layer and the T base layer are formed.
It is characterized in that a plurality of Josephson junctions are formed with respect to one lower electrode composed of a base layer.

【0045】また、本発明は、基板として面方位が(1
10)面の単結晶シリコン基板を用いると共に、放射線
阻止膜としてTa膜を用い、且つ、Ta膜をAl膜で被
覆し、さらに、下部電極、バリア層、及び、上部電極を
シリコン酸化膜及びシリコン窒化膜で順次被覆したこと
を特徴とする。
Further, according to the present invention, the plane orientation of the substrate is (1
10) plane single crystal silicon substrate is used, a Ta film is used as a radiation blocking film, and the Ta film is covered with an Al film. Further, the lower electrode, the barrier layer, and the upper electrode are silicon oxide film and silicon. It is characterized by being sequentially covered with a nitride film.

【0046】[0046]

【作用】基板上にNbベース層2を介してTaベース層
3を設けることによって、また、Nbカウンタ層6を介
してTaカウンタ層7を設けることによって、体心立方
晶構造を有する相転移温度が4.47°KのTaベース
層3及びTaカウンタ層7を再現性良く形成することが
でき、また、Al層4を介してAlOx バリア層5を設
けることにより、良好な界面特性を有するバリア層を形
成することがでる。
By providing the Ta base layer 3 via the Nb base layer 2 and the Ta counter layer 7 via the Nb counter layer 6 on the substrate, the phase transition temperature having a body-centered cubic structure is obtained. It is possible to form the Ta base layer 3 and the Ta counter layer 7 having a temperature of 4.47 ° K with good reproducibility, and by providing the AlO x barrier layer 5 via the Al layer 4, good interface characteristics are obtained. A barrier layer can be formed.

【0047】また、下部電極におけるTaとNbのエネ
ルギーギャップΔTaとΔNbとの関係をΔTa<ΔNbとし、
且つ、上部電極におけるTaとNbのエネルギーギャッ
プの関係をΔTa>ΔNbとすることによって、エネルギー
・バリアによる閉じ込め機構が形成されるので、準粒子
の収集効率を高めることができる。
The relationship between the Ta and Nb energy gaps Δ Ta and Δ Nb in the lower electrode is Δ TaNb ,
Moreover, by setting the relationship of the energy gap between Ta and Nb in the upper electrode to be Δ Ta > Δ Nb , a confinement mechanism by the energy barrier is formed, so that the collection efficiency of quasi-particles can be improved.

【0048】この様子を図2を参照して説明する。 図2参照 図2は、図1(b)に示す構造をバイアスした状態にお
いてX線が入射した場合のエネルギーバリア構造を示し
たもので、Taベース層3において入射X線13によっ
て電子対14が励起されて準粒子15が生成され、生成
された準粒子はAlOx バリア層5をトンネルして、T
aカウンタ層7を介してNb配線層12から取り出され
る。
This state will be described with reference to FIG. See FIG. 2. FIG. 2 shows an energy barrier structure when X-rays are incident on the structure shown in FIG. 1B in a biased state. In the Ta base layer 3, an electron pair 14 is generated by an incident X-ray 13. The quasi-particles 15 are excited and generated, and the generated quasi-particles tunnel through the AlO x barrier layer 5 to generate T
It is taken out from the Nb wiring layer 12 through the a counter layer 7.

【0049】この場合、Nbベース層2の方向に向かう
準粒子15は、Nbベース層2とTaベース層3とのエ
ネルギーギャップの差に起因するエネルギーバリアによ
って跳ね返されてAlOx バリア層5側に向かい、Al
x バリア層5をトンネルして、Taカウンタ層7を介
してNb配線層12から取り出されることになり、準粒
子15の収集効率が高まる。
In this case, the quasi-particles 15 directed toward the Nb base layer 2 are repelled by the energy barrier resulting from the difference in energy gap between the Nb base layer 2 and the Ta base layer 3 and are directed toward the AlO x barrier layer 5 side. Opposite, Al
The O x barrier layer 5 is tunneled to be taken out from the Nb wiring layer 12 via the Ta counter layer 7, and the collection efficiency of the quasi-particles 15 is improved.

【0050】また、上部電極構造としてバリア層5側か
ら順次Al層、Nbカウンタ層6、及び、Taカウンタ
層7を積層させた三層構造を用いることにより、バリア
をさらに高品質に保つことができる。
Further, by using a three-layer structure in which the Al layer, the Nb counter layer 6 and the Ta counter layer 7 are sequentially laminated from the barrier layer 5 side as the upper electrode structure, the barrier can be maintained in higher quality. it can.

【0051】また、基板1上にNbベース層2を介して
Taベース層3を設けることによって、また、Wカウン
タ層を介してTaカウンタ層7を設けることによって、
体心立方晶構造を有する相転移温度が4.47°KのT
aベース層3及びTaカウンタ層7を再現性良く形成す
ることができ、また、Al層4を介してAlOx バリア
層5を設けることにより、良好な界面特性を有するバリ
ア層を形成することがでる。
Further, by providing the Ta base layer 3 on the substrate 1 via the Nb base layer 2 and by providing the Ta counter layer 7 via the W counter layer,
T having a body-centered cubic structure and a phase transition temperature of 4.47 ° K
The a base layer 3 and the Ta counter layer 7 can be formed with good reproducibility, and by providing the AlO x barrier layer 5 via the Al layer 4, it is possible to form a barrier layer having good interface characteristics. Out.

【0052】また、下部電極におけるTaとNbのエネ
ルギーギャップΔTaとΔNbとの関係はΔTa<ΔNbとな
り、且つ、上部電極におけるTaとWのエネルギーギャ
ップの関係はΔTa>ΔW となるので、エネルギー・バリ
アによる閉じ込め機構が形成されて準粒子の収集効率を
高めることができる。
[0052] Also, the relationship between the energy gap delta Ta and delta Nb and Ta and Nb in the lower electrode delta Ta <delta Nb becomes, and, the relationship between the energy gap of Ta and W in the upper electrode delta Ta> and delta W Therefore, the confinement mechanism by the energy barrier is formed and the collection efficiency of the quasi-particles can be improved.

【0053】また、上部電極構造としてバリア層5側か
ら順次Al層、Wカウンタ層、及び、Taカウンタ層7
を積層させた三層構造を用いることにより、バリアをさ
らに高品質に保つことができる。
As the upper electrode structure, an Al layer, a W counter layer, and a Ta counter layer 7 are sequentially arranged from the barrier layer 5 side.
By using a three-layer structure in which the barrier layers are stacked, it is possible to keep the barrier quality higher.

【0054】また、配線層12としてエネルギーギャッ
プの関係がΔTa<ΔNbであるNb層を用いたことによ
り、準粒子の閉じ込めをさらに効率的に行うことができ
る。
Further, by using the Nb layer having the energy gap relationship Δ TaNb as the wiring layer 12, the quasi-particles can be more efficiently confined.

【0055】また、下部電極のNbベース層2と、上部
電極のNbカウンタ層6の堆積条件を変えることによっ
て、Nb層のエネルギーギャップを変え、同じ材料を使
用して効率的な準粒子の閉じ込め構造を形成することが
できる。
Further, the energy gap of the Nb layer is changed by changing the deposition conditions of the Nb base layer 2 of the lower electrode and the Nb counter layer 6 of the upper electrode, and the quasi-particles are efficiently confined by using the same material. The structure can be formed.

【0056】また、基板の裏面に放射線阻止膜を設け、
この放射線阻止膜及び基板に放射線入射孔を設けること
により、別の位置に入射した放射線の散乱光を誤って検
出することがないので、アレイ化した場合の超伝導放射
線検出装置の位置検出能を高めることができる。
Further, a radiation blocking film is provided on the back surface of the substrate,
By providing the radiation entrance hole in the radiation blocking film and the substrate, scattered light of the radiation incident on another position is not erroneously detected, so that the position detection capability of the superconducting radiation detecting device when arrayed is improved. Can be increased.

【0057】また、一つの下部電極に対して一つのジョ
セフソン接合を形成することよって、位置検出能を高く
することができ、一方、一つの下部電極に対して複数の
ジョセフソン接合を形成することによって、複数のジョ
セフソン接合からの出力を利用できるため、放射線の収
集効率を高めることができる。
Further, by forming one Josephson junction for one lower electrode, it is possible to enhance the position detection ability, while forming a plurality of Josephson junctions for one lower electrode. As a result, the output from a plurality of Josephson junctions can be used, and thus the radiation collection efficiency can be improved.

【0058】図16(b)参照 また、基板として面方位が(110)面の単結晶シリコ
ン基板41を用いることによって、KOH液を用いてエ
ッチングした場合にも、図16(b)に示すように放射
線入射孔の壁面を略垂直にできるので、放射線入射孔を
設ける密度を高めることができ、したがって、アレイ化
した場合の超伝導放射線検出装置の位置検出能を高める
ことができる。
See FIG. 16B. Further, when the single crystal silicon substrate 41 having a plane orientation of (110) plane is used as the substrate, it is also shown in FIG. Since the wall surface of the radiation entrance hole can be made substantially vertical, the density of providing the radiation entrance hole can be increased, and therefore, the position detectability of the superconducting radiation detection device when arrayed can be improved.

【0059】また、放射線阻止膜としてジョセフソン接
合を形成するTa膜と同じTa膜を用いることによっ
て、堆積装置の構成を簡素化することができ、さらに、
下部電極、バリア層、及び、上部電極をシリコン酸化膜
及びシリコン窒化膜で順次被覆することによって、シリ
コン酸化膜及びシリコン窒化膜が、放射線入射孔形成の
際の耐エッチング保護膜として機能すると共に、配線層
形成の際の表面保護膜としても機能する。
Further, by using the same Ta film as the Ta film forming the Josephson junction as the radiation blocking film, the structure of the deposition apparatus can be simplified, and further,
By sequentially covering the lower electrode, the barrier layer, and the upper electrode with a silicon oxide film and a silicon nitride film, the silicon oxide film and the silicon nitride film function as an etching resistant protective film when forming a radiation entrance hole, It also functions as a surface protective film when forming the wiring layer.

【0060】[0060]

【実施例】図3乃至図5は本発明の第1の実施例の製造
工程の説明図である。 図3(a)参照 まず、(110)面の単結晶シリコン基板1上に、DC
マグネトロンスパッタリング法を用いて、印加電流1.
5A、印加電圧300V、Arガス圧を1.3Paとし
た条件で、2.5nm/秒の堆積速度で50nmのNb
ベース層2を堆積させたのち、200nmのTaベース
層3、及び、20nmのAl層4からなる下部電極を堆
積させる。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS FIGS. 3 to 5 are explanatory views of a manufacturing process of a first embodiment of the present invention. See FIG. 3A. First, DC is formed on the (110) plane single crystal silicon substrate 1.
An applied current of 1.
Nb of 50 nm at a deposition rate of 2.5 nm / sec under the conditions of 5 A, applied voltage 300 V, and Ar gas pressure of 1.3 Pa.
After depositing the base layer 2, a lower electrode composed of a 200 nm Ta base layer 3 and a 20 nm Al layer 4 is deposited.

【0061】この場合、Nbベース層2の堆積条件は、
その相転移温度が9.25°Kになる条件を選択して、
相転移温度の大きな、即ち、エネルギーギャップの大き
なNb層を得るものであり、また、その厚さは、単なる
バッファ層として用いる場合には、2〜5nm程度でも
良いが、Nbの超伝導性を積極的に利用して準粒子の閉
じ込め構造を形成するためには10〜100nmの厚さ
が必要であり、さらに、100〜300nmにしても良
い。また、Taベース層3の厚さは50nm以上あれば
良く、上限はTaベース層3においてX線を吸収するも
のである以上、検出対象とするX線のエネルギーにより
決定され、例えば、高エネルギーの場合には10μmに
しても良い。さらに、Al層4の厚さは5〜50nmの
範囲であれば良いが、50〜100nmの範囲であって
も問題はない。
In this case, the deposition conditions for the Nb base layer 2 are:
Select the condition that the phase transition temperature becomes 9.25 ° K,
In order to obtain an Nb layer having a large phase transition temperature, that is, a large energy gap, and the thickness thereof may be about 2 to 5 nm when used as a simple buffer layer, the superconductivity of Nb is A thickness of 10 to 100 nm is necessary to form the quasi-particle confinement structure by positively utilizing it, and it may be 100 to 300 nm. Further, the thickness of the Ta base layer 3 may be 50 nm or more, and the upper limit is that which absorbs X-rays in the Ta base layer 3. Therefore, the upper limit is determined by the energy of the X-rays to be detected. In this case, it may be 10 μm. Furthermore, the thickness of the Al layer 4 may be in the range of 5 to 50 nm, but there is no problem if it is in the range of 50 to 100 nm.

【0062】次いで、Al層4の表面を酸化することに
よって、約10Å(1nm)の厚さのAlOx バリア層
5を形成したのち、同じく、DCマグネトロンスパッタ
リング法を用いて、印加電流0.3A、印加電圧250
V、Arガス圧1.3Pa、及び、堆積速度0.5nm
/秒とした条件で、相転移温度が3.0°KのNbカウ
ンタ層6を5nm堆積させ、次いで、20nmの厚さの
Taカウンタ層7を堆積させて上部電極を形成する。
Then, the surface of the Al layer 4 is oxidized to form an AlO x barrier layer 5 having a thickness of about 10 Å (1 nm), and then an applied current of 0.3 A is similarly applied by using the DC magnetron sputtering method. , Applied voltage 250
V, Ar gas pressure 1.3 Pa, and deposition rate 0.5 nm
The Nb counter layer 6 having a phase transition temperature of 3.0 ° K is deposited to a thickness of 5 nm and then the Ta counter layer 7 having a thickness of 20 nm is deposited to form an upper electrode.

【0063】なお、このAlOx バリア層5はAl層4
の酸化により形成したため、ピンホールのない均一なバ
リア層となり、また、Nbカウンタ層6の堆積条件は、
Nbベース層2のエネルギーギャップより小さく、且
つ、Taカウンタ層7より小さくなる低堆積速度の条件
を選択することにより、相転移温度が低い、即ち、エネ
ルギーギャップの小さなNb層を形成して、体心立方晶
のTa成膜のためのバッファ層としては作用するもの
の、準粒子に対するエネルギーバリアとはならないよう
にする必要がある。エネルギーギャップが小さい材料は
相転移温度が低いため、このNbカウンタ層6は液体H
e温度では超伝導体とならないため、近接効果等の素子
特性に与える影響を少なくするために、その厚さは10
nm以下にすることが望ましく、さらに、Taカウンタ
層7の厚さは10〜500nmの範囲であれば良い。
The AlO x barrier layer 5 is the Al layer 4
Since it is formed by the oxidation of, a uniform barrier layer without pinholes is formed, and the deposition conditions of the Nb counter layer 6 are as follows.
By selecting a low deposition rate condition that is smaller than the energy gap of the Nb base layer 2 and smaller than that of the Ta counter layer 7, an Nb layer having a low phase transition temperature, that is, a small energy gap is formed. Although it acts as a buffer layer for forming a Ta film of a cubic crystal, it is necessary to prevent it from serving as an energy barrier for quasi-particles. Since the material having a small energy gap has a low phase transition temperature, the Nb counter layer 6 is made of liquid H.
Since it does not become a superconductor at e temperature, its thickness is 10 to reduce the influence on the device characteristics such as proximity effect.
The thickness of the Ta counter layer 7 is preferably in the range of 10 to 500 nm.

【0064】図3(b)参照 次いで、第1のフォトレジストマスク8をマスクとし
て、CF4 +5%O2 ガスを用いた7Paの圧力、及
び、印加電力50Wの条件下でRIE(反応性イオンエ
ッチング)を行うことによって、Taカウンタ層7及び
Nbカウンタ層6をエッチングしたのち、Arを用いた
イオンミーリングによって、AlOx バリア層5及びA
l層4をエッチングし、ジョセフソン接合の接合面積を
決定する。
See FIG. 3B. Then, using the first photoresist mask 8 as a mask, RIE (reactive ion) is performed under the conditions of a pressure of 7 Pa using CF 4 + 5% O 2 gas and an applied power of 50 W. Etching) is performed to etch the Ta counter layer 7 and the Nb counter layer 6 and then ion milling using Ar is performed to etch the AlO x barrier layer 5 and the AO x barrier layer 5.
The I layer 4 is etched to determine the junction area of the Josephson junction.

【0065】図4(c)参照 次いで、第1のフォトレジストマスクを除去したのち、
新たに設けた第2のフォトレジストマスク9をマスクと
して、同じく、CF4 +5%O2 ガスを用いた7Paの
圧力、及び、印加電力50Wの条件下で反応性イオンエ
ッチングを行うことによって、Taベース層3及びNb
ベース層2をエッチングして、ベース層の大きさを決定
する。
Next, as shown in FIG. 4C, after removing the first photoresist mask,
By using the newly provided second photoresist mask 9 as a mask, reactive ion etching is performed under the same conditions of a pressure of 7 Pa using CF 4 + 5% O 2 gas and an applied power of 50 W. Base layer 3 and Nb
The base layer 2 is etched to determine the size of the base layer.

【0066】図4(d)参照 次いで、第2のフォトレジストマスクを除去したのち、
RFスパッタリング法によって、600nm以上の厚さ
のSiO2 膜からなる保護絶縁膜10を堆積させる。な
お、この保護絶縁膜として、SiO2 膜以外にシリコン
窒化膜を用いても良いし、また、SiO2 膜とシリコン
窒化膜の2層膜を用いても良い。
Next, as shown in FIG. 4D, after removing the second photoresist mask,
The protective insulating film 10 made of a SiO 2 film having a thickness of 600 nm or more is deposited by the RF sputtering method. As the protective insulating film may be a silicon nitride film in addition to the SiO 2 film, it may also be used a two-layer film of SiO 2 film and a silicon nitride film.

【0067】図5(e)参照 次いで、新たに設けた第3のフォトレジストマスク11
をマスクとして、CHF3 +30%O2 ガスを用いた7
Paの圧力、及び、印加電力50Wの条件下で反応性イ
オンエッチング法によって保護絶縁膜10をエッチング
して、上部電極及び下部電極に対するコンタクトホール
を形成する。
Next, as shown in FIG. 5E, a newly provided third photoresist mask 11 is provided.
CHF 3 + 30% O 2 gas was used as a mask 7
The protective insulating film 10 is etched by the reactive ion etching method under the pressure of Pa and the applied power of 50 W to form contact holes for the upper electrode and the lower electrode.

【0068】図5(f)参照 次いで、第3のフォトレジストマスクを除去したのち、
Nb層を堆積させ、新たなフォトレジストマスク(図示
せず)をマスクとして反応性イオンエッチング法によっ
てエッチングすることによって、800nmの厚さのN
b配線層12を形成して、超伝導放射線検出装置が完成
する。
Next, as shown in FIG. 5F, after removing the third photoresist mask,
An Nb layer of 800 nm thickness is deposited by depositing an Nb layer and etching by a reactive ion etching method using a new photoresist mask (not shown) as a mask.
The b wiring layer 12 is formed, and the superconducting radiation detection device is completed.

【0069】ここで、Ta層を堆積させる下地バッファ
層としてNb層を用いる理由を説明するが、発明が解決
しようとする課題において触れたように、堆積させたT
a層の結晶構造は下地依存性が強いものであるので、先
ず、調べた各種のバッファ層に対する下地依存性を説明
する。
Here, the reason why the Nb layer is used as the underlying buffer layer for depositing the Ta layer will be explained. As mentioned in the problem to be solved by the invention, the deposited T layer is deposited.
Since the crystal structure of the a layer has a strong underlying dependency, the underlying dependency of the various buffer layers examined will be described first.

【0070】(100)面方位の単結晶シリコン基板上
に、直接、Al(面心立方晶構造:fcc)バッファ層
を介して、Zr(六方最密構造:hcp)を介して、N
b(体心立方晶構造:bcc)を介して、及び、W(b
cc)を介して、200nmのTa膜をDCマグネトロ
ンスパッタリング法を用いて堆積させる。なお、バッフ
ァ層の厚さは、全て10nmとする。
On a single crystal silicon substrate having a (100) plane orientation, directly through an Al (face-centered cubic structure: fcc) buffer layer, and through Zr (hexagonal close-packed structure: hcp), N
b (body-centered cubic structure: bcc), and W (b
A 200 nm Ta film is deposited using DC magnetron sputtering via cc). The thickness of the buffer layer is all 10 nm.

【0071】次いで、これらの試料のX線回折試験を行
うと、基板に直接Taを堆積させた場合には、ダイアモ
ンド構造のシリコンと体心立方晶構造のTaの格子定数
の差が大きいため正方晶構造(Tetragonal)
のTa膜が得られ、一方、バッファ層を介した場合に
は、体心立方晶構造のTa膜が得られていることが分か
った。しかし、X線回折強度からは、回折強度の弱いA
lバッファ層を用いた場合には、4.2°K(液体He
温度)における電気抵抗の測定で超伝導性を示さず、Z
rバッファ層、Nbバッファ層、及び、Wバッファ層の
場合に、4.2°Kにおいて超伝導性を示した。
Next, an X-ray diffraction test was performed on these samples. When Ta was directly deposited on the substrate, the difference in lattice constant between silicon having a diamond structure and Ta having a body-centered cubic structure was large. Crystal structure (Tetragonal)
It was found that a Ta film having a body centered cubic structure was obtained when the buffer layer was interposed. However, from the X-ray diffraction intensity, A with a weak diffraction intensity
In the case of using the 1 buffer layer, 4.2 ° K (liquid He
It showed no superconductivity when measured in electrical resistance at
The r buffer layer, the Nb buffer layer, and the W buffer layer exhibited superconductivity at 4.2 ° K.

【0072】したがって、単にバッファ層として用いる
だけであるのならば、Zr或いはWを用いても良いが、
図1(b)に示すように準粒子を閉じ込めるためのエネ
ルギーバリア構造を形成するためには、下部電極として
は、Zr(相転移温度:0.55°K)及びW(相転移
温度:0.012°K)に比べてエネルギーギャップの
大きなNb(相転移温度:9.25°K)を用いること
が必要となる。即ち、BCS理論からは、超伝導体のエ
ネルギーギャップΔは、Tc を相転移温度及びkB をボ
ルツマン定数とすると、Δ=1.76kB ・Tc である
ので、相転移温度が大きいほど、エネルギーギャップが
大きくなるためである。
Therefore, Zr or W may be used if only used as a buffer layer,
In order to form an energy barrier structure for confining quasi-particles as shown in FIG. 1B, Zr (phase transition temperature: 0.55 ° K) and W (phase transition temperature: 0) are used as the lower electrode. It is necessary to use Nb (phase transition temperature: 9.25 ° K) having a larger energy gap than that of 0.012 ° K. That is, from the BCS theory, the energy gap delta superconductors and the phase transition temperature and k B the T c and Boltzmann constant, since it is Δ = 1.76k B · T c, as the phase transition temperature is greater , Because the energy gap becomes large.

【0073】一方、上部電極においても閉じ込め構造を
形成するためには、Taカウンタ層7の下地膜として、
エネルギーギャップの小さな下地膜が必要であるが、N
b膜は結晶構造及び相転移温度に顕著な下地依存性は見
られないが、堆積条件によって、得られる膜のエネルギ
ーギャップが異なるものであるため、この特性を利用し
て、Taカウンタ層7の下地膜としても、下部電極のT
aベース層3の下地膜と同じNbを用いることによっ
て、スパッタリング装置の構成簡素化することができ
る。
On the other hand, in order to form a confinement structure also in the upper electrode, as a base film of the Ta counter layer 7,
A base film with a small energy gap is required, but N
The b film does not show a significant underlayer dependence in the crystal structure and the phase transition temperature, but the energy gap of the film obtained differs depending on the deposition conditions. Therefore, by utilizing this characteristic, the Ta counter layer 7 Also as a base film, T of the lower electrode
By using the same Nb as the base film of the a base layer 3, the structure of the sputtering apparatus can be simplified.

【0074】また、配線層12として、相転移温度が
9.25°KのNb膜を用いることによって、上部電極
のTaカウンタ層7に対してエネルギーギャップの大き
なNb配線層12がエネルギーバリアとなるため、準粒
子の閉じ込め効果をさらに高めることができる。
By using an Nb film having a phase transition temperature of 9.25 ° K as the wiring layer 12, the Nb wiring layer 12 having a large energy gap with respect to the Ta counter layer 7 of the upper electrode serves as an energy barrier. Therefore, the effect of confining the quasi-particles can be further enhanced.

【0075】なお、上記の第1の実施例においては、基
板として、(110)面の単結晶シリコン基板1を用い
ているが、この場合には、(100)面の単結晶シリコ
ン基板でも良いし、或いは、ガラス等の他の基板でも良
いものである。また、上部電極として、AlOx バリア
層5とNbカウンタ層6との間に40〜50Å程度のA
l層を介在させて、Al/Nb/Taの三層構造として
も良く、この場合には、バリアの界面特性がさらに高ま
る。
Although the (110) plane single crystal silicon substrate 1 is used as the substrate in the first embodiment, the (100) plane single crystal silicon substrate may be used in this case. Alternatively, another substrate such as glass may be used. Further, as an upper electrode, an A of about 40 to 50 Å is provided between the AlO x barrier layer 5 and the Nb counter layer 6.
A three-layer structure of Al / Nb / Ta may be formed by interposing the l layer, and in this case, the interface characteristics of the barrier are further enhanced.

【0076】次に、図6を参照して、本発明の第2の実
施例を説明する。なお、図6(a)は第2の実施例の超
伝導放射線検出装置の断面図であり、また、図6(b)
は図6(a)のA−A’を結ぶ一点鎖線に沿ったエネル
ギーギャップ構造を示すもので、さらに、図6(c)
は、第2の実施例の超伝導放射線検出装置のI−V特性
(電流−電圧特性)を示すものである。
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 6 (a) is a sectional view of the superconducting radiation detecting apparatus of the second embodiment, and FIG.
Shows the energy gap structure along the chain line connecting AA ′ in FIG. 6 (a), and FIG.
[FIG. 4] shows IV characteristics (current-voltage characteristics) of the superconducting radiation detecting apparatus of the second embodiment.

【0077】図6(a)参照 この第2の実施例は、第1の実施例におけるNbカウン
タ層6をWカウンタ層16に置き換えた点、及び、各層
の厚さが異なる点で相違するのみで、その他の製造条件
及び製造工程順等は図3乃至図5の工程と同じであるの
で簡単に説明する。
See FIG. 6A. The second embodiment is different only in that the Nb counter layer 6 in the first embodiment is replaced with the W counter layer 16 and the thickness of each layer is different. The other manufacturing conditions and manufacturing process order are the same as those of FIGS.

【0078】まず、(110)面の単結晶シリコン基板
1上に、DCマグネトロンスパッタリング法を用いて、
印加電流1.5A、印加電圧300V、Arガス圧を
1.3Paとした条件で、2.5nm/秒の堆積速度で
100nmのNbベース層2を堆積させたのち、300
nmのTaベース層3、及び、50nmのAl層4から
なる下部電極を堆積させる。なお、Nbベース層2の厚
さは、10〜300nm、Taベース層3の厚さは50
nm以上、また、Al層4の厚さは5〜100nmの範
囲であれば良い。
First, on the (110) plane single crystal silicon substrate 1, a DC magnetron sputtering method was used.
An Nb base layer 2 of 100 nm was deposited at a deposition rate of 2.5 nm / sec under the conditions of an applied current of 1.5 A, an applied voltage of 300 V, and an Ar gas pressure of 1.3 Pa.
A bottom electrode consisting of a Ta base layer 3 of 50 nm and an Al layer 4 of 50 nm is deposited. The Nb base layer 2 has a thickness of 10 to 300 nm, and the Ta base layer 3 has a thickness of 50 nm.
nm or more, and the thickness of the Al layer 4 may be in the range of 5 to 100 nm.

【0079】次いで、Al層4の表面を酸化することに
よって、約10Å(1nm)の厚さのAlOx バリア層
5を形成したのち、同じく、DCマグネトロンスパッタ
リング法を用いて、印加電流1.5A、印加電圧300
V、Arガス圧を1.3Paとした条件で、2.5nm
/秒の堆積速度でWカウンタ層16を20nm堆積さ
せ、次いで、200nmの厚さのTaカウンタ層7を堆
積させて上部電極を形成する。その後のエッチング工
程、成膜工程等は第1の実施例と同じに行い、超伝導放
射線検出装置を完成する。
Then, the surface of the Al layer 4 is oxidized to form an AlO x barrier layer 5 having a thickness of about 10 Å (1 nm), and then an applied current of 1.5 A is similarly applied by using the DC magnetron sputtering method. , Applied voltage 300
2.5 nm under the conditions of V and Ar gas pressure of 1.3 Pa
The W counter layer 16 is deposited to a thickness of 20 nm at a deposition rate of / sec, and then a Ta counter layer 7 having a thickness of 200 nm is deposited to form an upper electrode. Subsequent etching steps and film forming steps are performed in the same manner as in the first embodiment to complete the superconducting radiation detector.

【0080】この場合、WはNbと同様に結晶構造に顕
著な下地依存性が見られないので、Wカウンタ層16は
体心立方晶のTa成膜のためのバッファ層として作用す
るものであるが、その相転移温度が0.012°Kと非
常に低いため、したがって、そのエネルギーギャップの
小さいため、準粒子に対するエネルギーバリアとはなら
ない。また、Wカウンタ層16はTa成膜のためのバッ
ファ層であるので薄い方が、例えば、10nm以下であ
ることが望ましいが、Wは抵抗率が非常に小さいため多
少厚くしても接合特性に悪影響を及ぼさないので、20
nm以下、さらには100nm以下であっても良い。
In this case, since W does not show a significant underlayer dependency in the crystal structure like Nb, the W counter layer 16 acts as a buffer layer for forming a body-centered cubic Ta film. However, its phase transition temperature is as low as 0.012 ° K. Therefore, it does not serve as an energy barrier for quasi-particles due to its small energy gap. Further, since the W counter layer 16 is a buffer layer for forming a Ta film, it is desirable that the thickness is thinner, for example, 10 nm or less. 20 because it does not have a bad influence
It may be less than or equal to nm, and further less than or equal to 100 nm.

【0081】図6(b)参照 この第2の実施例の超伝導放射線検出装置のエネルギー
ギャップ構造は、第1の実施例の超伝導放射線検出装置
のエネルギーギャップ構造とほとんど同等であり、上部
電極側のNbカウンタ層6がよりエネルギーギャップの
小さなWカウンタ層16に置き換わっているだけで、接
合特性は略同じである。
See FIG. 6B. The energy gap structure of the superconducting radiation detecting apparatus of the second embodiment is almost the same as the energy gap structure of the superconducting radiation detecting apparatus of the first embodiment, and the upper electrode The junction characteristics are almost the same, except that the Nb counter layer 6 on the side is replaced by the W counter layer 16 having a smaller energy gap.

【0082】図6(c)参照 図6(c)は、ジョセフソン接合の面積を50×50μ
2 としたTa/W/AlOx −Al/Ta/Nb構造
の超伝導放射線検出装置のI−V特性を0.5°Kにお
いて測定したものであり、ギャップ電圧の立ち上がりが
急峻で、しかも、暗電流も非常に小さことがわかり、良
好なジョセフソン接合が形成されているのが確認され
た。
See FIG. 6C. In FIG. 6C, the area of the Josephson junction is 50 × 50 μm.
are those in which the the I-V characteristic of the superconducting radiation detector of m 2 and the Ta / W / AlO x -Al / Ta / Nb structure was measured at 0.5 ° K, a steep rise of the gap voltage, yet It was found that the dark current was also very small, and it was confirmed that a good Josephson junction was formed.

【0083】次に、図7乃至図10を参照して、本発明
の第3の実施例である位置検出能力を有する超伝導放射
線検出装置を説明する。なお、図においては、一つのジ
ョセフソン接合部を示しているが、実際には、これらが
アレイ化して設けられているものである。
Next, with reference to FIGS. 7 to 10, a superconducting radiation detecting apparatus having a position detecting ability according to a third embodiment of the present invention will be described. Although one Josephson junction is shown in the figure, in reality, these are arranged in an array.

【0084】図7(a)参照 まず、(110)面の単結晶シリコン基板1の裏面上
に、DCマグネトロンスパッタリング法を用いて、5μ
mのTa放射線阻止膜17及び50nmのAl保護膜1
8を堆積させる。なお、Taは表1から明らかなように
X線吸収能が高いため良好な放射線阻止膜となるもので
あり、このTa放射線阻止膜17の厚さは、検出対象と
する放射線のエネルギーによって適当な厚さを選択する
ものであるが、一般的には1〜10μmの範囲であれば
良く、また、Al保護膜18は、後工程における厚さ1
〜10μmのTa放射線阻止膜17にX線入射孔を形成
する際の、数十分かかる反応性イオンエッチング工程に
おいてフォトレジストマスクが消失してTa放射線阻止
膜17がエッチングされるのを防ぐためのものであり、
10〜100nmの厚さであれば良い。
Referring to FIG. 7A, first, on the back surface of the (110) plane single crystal silicon substrate 1, 5 μm was formed by using the DC magnetron sputtering method.
m Ta radiation blocking film 17 and 50 nm Al protective film 1
8 is deposited. It should be noted that Ta is a good radiation blocking film because it has a high X-ray absorbing ability as is clear from Table 1, and the thickness of this Ta radiation blocking film 17 is appropriate depending on the energy of the radiation to be detected. Although the thickness is selected, it is generally in the range of 1 to 10 μm, and the Al protective film 18 has a thickness of 1 in the subsequent step.
In order to prevent the Ta radiation blocking film 17 from being etched due to disappearance of the photoresist mask in the reactive ion etching process which takes several tens of minutes when forming the X-ray entrance hole in the Ta radiation blocking film 17 of 10 μm. Is something
The thickness may be 10 to 100 nm.

【0085】次いで、単結晶シリコン基板1の反対側の
表面上に、DCマグネトロンスパッタリング法を用い
て、印加電流1.5A、印加電圧300V、Arガス圧
を1.3Paとした条件で、2.5nm/秒の堆積速度
で50nmのNbベース層2を堆積させたのち、200
nmのTaベース層3、及び、20nmのAl層4から
なる下部電極を堆積させる。
Then, on the opposite surface of the single crystal silicon substrate 1, using a DC magnetron sputtering method under the conditions of an applied current of 1.5 A, an applied voltage of 300 V, and an Ar gas pressure of 1.3 Pa. After depositing a 50 nm Nb base layer 2 at a deposition rate of 5 nm / sec, 200
A lower electrode composed of a Ta base layer 3 of 20 nm and an Al layer 4 of 20 nm is deposited.

【0086】この場合、Nbベース層2の堆積条件も、
その相転移温度が9.25°Kになる条件を選択するも
のであり、また、その厚さは、単なるバッファ層として
用いる場合には、2〜5nm程度でも良いが、Nbの超
伝導性を積極的に利用して準粒子の閉じ込め構造を形成
するめには10〜100nmの厚さが必要であり、さら
に、100〜300nmにしても良い。また、Taベー
ス層3の厚さは50nm以上あれば良く、上限はTaベ
ース層3においてX線を吸収するものである以上、検出
対象とするX線のエネルギーにより決定され、例えば、
高エネルギーの場合には10μmにしても良い。さら
に、Al層4の厚さは5〜50nmの範囲であれば良い
が、50〜100nmにしても問題はない。
In this case, the deposition conditions for the Nb base layer 2 are also
The phase transition temperature is selected to be 9.25 ° K. The thickness thereof may be about 2 to 5 nm when used as a simple buffer layer. A thickness of 10 to 100 nm is necessary for positively forming a quasi-particle confinement structure, and may be 100 to 300 nm. Further, the thickness of the Ta base layer 3 may be 50 nm or more, and the upper limit is that which absorbs X-rays in the Ta base layer 3, so that it is determined by the energy of X-rays to be detected.
In the case of high energy, it may be 10 μm. Further, the thickness of the Al layer 4 may be in the range of 5 to 50 nm, but there is no problem even if it is set to 50 to 100 nm.

【0087】次いで、Al層4の表面を酸化することに
よって、約1nmの厚さのAlOxバリア層5を形成し
たのち、同じく、DCマグネトロンスパッタリング法を
用いて、印加電流0.3A、印加電圧250V、Arガ
ス圧を1.3Paとした条件で、0.5nm/秒の堆積
速度で5nmのNbカウンタ層6、及び、200nmの
厚さのTaカウンタ層7からなる上部電極を堆積させ
る。
Then, the surface of the Al layer 4 is oxidized to form an AlO x barrier layer 5 having a thickness of about 1 nm, and then a DC magnetron sputtering method is used to apply an applied current of 0.3 A and an applied voltage. An upper electrode composed of a 5 nm Nb counter layer 6 and a 200 nm thick Ta counter layer 7 is deposited at a deposition rate of 0.5 nm / sec under the conditions of 250 V and Ar gas pressure of 1.3 Pa.

【0088】なお、この場合の、Nbカウンタ層6の堆
積条件も、Nbベース層2のエネルギーギャップより、
且つ、Taカウンタ層7より小さくなる低堆積速度の条
件を選択すれば良く、また、その厚さは素子特性を良好
にするために10nm以下にすることが望ましく、Ta
カウンタ層7の厚さは10〜500nmの範囲であれば
良い。
The deposition condition of the Nb counter layer 6 in this case is also as follows from the energy gap of the Nb base layer 2.
In addition, a low deposition rate condition smaller than that of the Ta counter layer 7 may be selected, and its thickness is preferably 10 nm or less in order to improve device characteristics.
The thickness of the counter layer 7 may be in the range of 10 to 500 nm.

【0089】図7(b)参照 次いで、第1のフォトレジストマスク8をマスクとし
て、CF4 +5%O2 ガスを用いた7Paの圧力、及
び、印加電力50Wの条件下で反応性イオンエッチング
を行うことによって、Taカウンタ層7及びNbカウン
タ層6をエッチングしたのち、Arを用いたイオンミー
リングによって、AlOx バリア層5及びAl層4をエ
ッチングし、ジョセフソン接合の接合面積を決定する。
Then, referring to FIG. 7B, reactive ion etching is performed under the conditions of a pressure of 7 Pa using CF 4 + 5% O 2 gas and an applied power of 50 W, using the first photoresist mask 8 as a mask. By doing so, the Ta counter layer 7 and the Nb counter layer 6 are etched, and then the AlO x barrier layer 5 and the Al layer 4 are etched by ion milling using Ar to determine the junction area of the Josephson junction.

【0090】図8(c)参照 次いで、第1のフォトレジストマスクを除去したのち、
新たに設けた第2のフォトレジストマスク9をマスクと
して、同じく、CF4 +5%O2 ガスを用いた7Paの
圧力、及び、印加電力50Wの条件下で反応性イオンエ
ッチングを行うことによって、Taベース層3及びNb
ベース層2をエッチングして、ベース層の大きさを決定
する。
Next, as shown in FIG. 8C, after removing the first photoresist mask,
By using the newly provided second photoresist mask 9 as a mask, reactive ion etching is performed under the same conditions of a pressure of 7 Pa using CF 4 + 5% O 2 gas and an applied power of 50 W. Base layer 3 and Nb
The base layer 2 is etched to determine the size of the base layer.

【0091】図8(d)参照 次いで、第2のフォトレジストマスクを除去したのち、
RFスパッタリング法によって、600nmの厚さのS
iO2 膜19及び200nmのシリコン窒化膜20を堆
積させる。なお、SiO2 膜19は600nm以上の厚
さがあれば良いものであり、また、シリコン窒化膜20
は、後工程における単結晶シリコン基板1にX線入射孔
を形成するためのKOH液を用いたウェット・エッチン
グ工程においてSiO2 膜19がエッチングされること
を防ぐ保護マスクとして機能する程度の厚さであれば良
く、ここでは、10〜300nmの厚さであれば良い。
Next, as shown in FIG. 8D, after removing the second photoresist mask,
By the RF sputtering method, 600 nm thick S
An iO 2 film 19 and a 200 nm silicon nitride film 20 are deposited. The SiO 2 film 19 may have a thickness of 600 nm or more, and the silicon nitride film 20 may be used.
Is a thickness enough to function as a protective mask for preventing the SiO 2 film 19 from being etched in a wet etching process using a KOH solution for forming an X-ray entrance hole in the single crystal silicon substrate 1 in a subsequent process. The thickness may be 10 to 300 nm here.

【0092】図9(e)参照 次いで、基板の裏面側に第3のフォトレジストマスク2
1を設けて、Arを用いたイオンミーリング法によって
Al保護膜18にX線入射孔22を形成するための開口
を形成し、次いで、このAl保護膜18をマスクとし
て、CF4 +5%O2 ガスを用いた50Paの圧力、及
び、印加電力100Wの条件下で反応性イオンエッチン
グを行うことによって、Ta放射線阻止膜17をエッチ
ングしてX線入射孔22を形成するための開口を形成す
る。なお、この時のエッチングレートは100nm/分
である。
Next, as shown in FIG. 9E, the third photoresist mask 2 is formed on the back surface of the substrate.
1 is provided and an opening for forming the X-ray incident hole 22 is formed in the Al protective film 18 by the ion milling method using Ar. Then, using this Al protective film 18 as a mask, CF 4 + 5% O 2 Reactive ion etching is performed under the conditions of a pressure of 50 Pa using gas and an applied power of 100 W to etch the Ta radiation blocking film 17 to form an opening for forming the X-ray entrance hole 22. The etching rate at this time is 100 nm / min.

【0093】図9(f)参照 ついで、基板全体をKOH液中に浸漬することによっ
て、単結晶シリコン基板1に壁面が略垂直なX線入射孔
22が形成される。この場合、壁面が略垂直であるた
め、アレイ化した超伝導放射線検出装置のX線入射孔2
2を接近して設けることができ、位置検出能が向上す
る。
Next, as shown in FIG. 9F, the entire substrate is dipped in a KOH solution to form an X-ray entrance hole 22 whose wall surface is substantially vertical in the single crystal silicon substrate 1. In this case, since the wall surface is substantially vertical, the X-ray entrance holes 2 of the arrayed superconducting radiation detecting device 2
2 can be provided close to each other, and the position detectability is improved.

【0094】図10(g)参照 次いで、第4のフォトレジストマスク23をマスクとし
て、CHF3 +30%O2 ガスを用いた25Paの圧
力、及び、印加電力100Wの条件下で反応性イオンエ
ッチング法によって、30nm/分のエッチングレート
でシリコン窒化膜20及びSiO2 膜19をエッチング
して、上部電極及び下部電極に対するコンタクトホール
24を形成する。
See FIG. 10G. Next, using the fourth photoresist mask 23 as a mask, a reactive ion etching method was performed under the conditions of a pressure of 25 Pa using CHF 3 + 30% O 2 gas and an applied power of 100 W. Then, the silicon nitride film 20 and the SiO 2 film 19 are etched at an etching rate of 30 nm / min to form contact holes 24 for the upper and lower electrodes.

【0095】図10(h)参照 次いで、第4のフォトレジストマスクを除去したのち、
Nb層を堆積させ、新たなフォトレジストマスク(図示
せず)をマスクとして反応性イオンエッチング法によっ
てエッチングすることによって、800nmの厚さのN
b配線層25を形成して、高い位置検出能を有する超伝
導放射線検出装置が完成する。
Then, as shown in FIG. 10H, after removing the fourth photoresist mask,
An Nb layer of 800 nm thickness is deposited by depositing an Nb layer and etching by a reactive ion etching method using a new photoresist mask (not shown) as a mask.
By forming the b wiring layer 25, a superconducting radiation detecting device having a high position detecting ability is completed.

【0096】なお、上記の第3の実施例においても、上
部電極として、AlOx バリア層5とNbカウンタ層6
との間に40〜50Å程度のAl層を介在させて、Al
/Nb/Taの三層構造としても良く、この場合には、
バリアの界面特性がさらに高まる。また、配線層25と
して、相転移温度が9.25°KのNb膜を用いること
によって、上部電極のTaカウンタ層7に対してエネル
ギーギャップの大きなNb配線層25がエネルギーバリ
アとなるため、準粒子の閉じ込め効果をさらに高めるこ
とができる。
In the third embodiment as well, the AlO x barrier layer 5 and the Nb counter layer 6 are used as the upper electrodes.
And an Al layer of about 40 to 50 Å is interposed between
A three-layer structure of / Nb / Ta may be used. In this case,
The barrier interface properties are further enhanced. Further, by using an Nb film having a phase transition temperature of 9.25 ° K as the wiring layer 25, the Nb wiring layer 25 having a large energy gap with respect to the Ta counter layer 7 of the upper electrode serves as an energy barrier. The particle confinement effect can be further enhanced.

【0097】また、上記第3の実施例においても、第1
の実施例と同様の下部電極、バリア層、及び、上部電極
からなるジョセフソン接合を形成しているが、この場合
には、X線を吸収する下部電極のみにTa膜を用い、上
部電極をバリア層側から5〜50nm、好適には20n
mのAl層、及び、10〜500nm、好適には20n
mのNbカウンタ層を順次堆積させた2層構造としても
良い。
Also in the third embodiment, the first
Although a Josephson junction including a lower electrode, a barrier layer, and an upper electrode similar to that of the above example is formed, in this case, a Ta film is used only for the lower electrode that absorbs X-rays, and the upper electrode is used. 5 to 50 nm, preferably 20 n from the barrier layer side
m Al layer and 10-500 nm, preferably 20 n
It is also possible to adopt a two-layer structure in which m m Nb counter layers are sequentially deposited.

【0098】次に、図11を参照して、本発明の第4の
実施例であるAlOx バリア層とTaカウンタ層との間
にWカウンタ層を設けた位置検出能力を有する超伝導放
射線検出装置を説明する。なお、図においては、一つの
ジョセフソン接合部を示しているが、実際には、これら
がアレイ化して設けられているものである。
Next, with reference to FIG. 11, a superconducting radiation detection device having a position detecting ability in which a W counter layer is provided between an AlO x barrier layer and a Ta counter layer according to the fourth embodiment of the present invention. The device will be described. Although one Josephson junction is shown in the figure, in reality, these are arranged in an array.

【0099】図11参照 この第4の実施例は、第3の実施例におけるNbカウン
タ層6をWカウンタ層16に置き換えた点、及び、各層
の厚さが異なる点で相違するのみで、その他の製造条件
及び製造工程順等は図7乃至図10の工程と同じである
ので簡単に説明する。
See FIG. 11. The fourth embodiment is different only in that the Nb counter layer 6 in the third embodiment is replaced with the W counter layer 16 and that the thickness of each layer is different. The manufacturing conditions, the manufacturing process order, and the like are the same as those in FIGS. 7 to 10, and thus will be briefly described.

【0100】図11参照 まず、(110)面の単結晶シリコン基板1の裏面上
に、DCマグネトロンスパッタリング法を用いて、5μ
mのTa放射線阻止膜17及び50nmのAl保護膜1
8を堆積させる。なお、この場合も、Ta放射線阻止膜
17の厚さは一般的には1〜10μmの範囲であれば良
く、また、Al保護膜18は10〜100nmの厚さで
あれば良い。
Referring to FIG. 11, first, on the back surface of the (110) plane single crystal silicon substrate 1, 5 μm was formed by the DC magnetron sputtering method.
m Ta radiation blocking film 17 and 50 nm Al protective film 1
8 is deposited. Also in this case, the thickness of the Ta radiation blocking film 17 may be generally in the range of 1 to 10 μm, and the Al protective film 18 may be in the range of 10 to 100 nm.

【0101】次いで、単結晶シリコン基板1の反対側の
表面上に、DCマグネトロンスパッタリング法を用い
て、印加電流1.5A、印加電圧300V、Arガス圧
を1.3Paとした条件で、2.5nm/秒の堆積速度
で100nmのNbベース層2を堆積させたのち、30
0nmのTaベース層3、及び、50nmのAl層4か
らなる下部電極を堆積させる。なお、Nbベース層2の
厚さは、10〜300nm、Taベース層3の厚さは5
0nm以上、また、Al層4の厚さは5〜100nmの
範囲であれば良い。
Then, on the opposite surface of the single crystal silicon substrate 1, using a DC magnetron sputtering method under the conditions of an applied current of 1.5 A, an applied voltage of 300 V and an Ar gas pressure of 1.3 Pa. After depositing a 100 nm Nb base layer 2 at a deposition rate of 5 nm / sec, 30
A bottom electrode consisting of a 0 nm Ta base layer 3 and a 50 nm Al layer 4 is deposited. The Nb base layer 2 has a thickness of 10 to 300 nm, and the Ta base layer 3 has a thickness of 5 nm.
The thickness of the Al layer 4 may be 0 nm or more, and may be in the range of 5 to 100 nm.

【0102】次いで、Al層4の表面を酸化することに
よって、約1nmの厚さのAlOxバリア層5を形成し
たのち、同じく、DCマグネトロンスパッタリング法を
用いて、印加電流1.5A、印加電圧300V、Arガ
ス圧を1.3Paとした条件で、2.5nm/秒の堆積
速度で20nmのWカウンタ層16、及び、200nm
の厚さのTaカウンタ層7からなる上部電極を堆積させ
る。なお、Wカウンタ層16の厚さは素子特性を良好に
するために100nm以下、より好適には20nm以下
にすることが望ましく、また、Taカウンタ層7の厚さ
は10〜500nmの範囲であれば良い。
Next, the surface of the Al layer 4 is oxidized to form an AlO x barrier layer 5 having a thickness of about 1 nm, and then the same DC magnetron sputtering method is used to apply an applied current of 1.5 A and an applied voltage. 20 nm W counter layer 16 at a deposition rate of 2.5 nm / sec and 200 nm under the conditions of 300 V and Ar gas pressure of 1.3 Pa.
An upper electrode consisting of Ta counter layer 7 of thickness 1 is deposited. The thickness of the W counter layer 16 is preferably 100 nm or less, more preferably 20 nm or less in order to improve the device characteristics, and the Ta counter layer 7 has a thickness of 10 to 500 nm. Good.

【0103】次いで、図7(b)乃至図10(h)の工
程と同じ工程を経て高い位置検出能力を有する超伝導放
射線検出装置が完成する。
Then, the superconducting radiation detecting apparatus having a high position detecting ability is completed through the same steps as the steps of FIGS. 7B to 10H.

【0104】なお、上記の第4の実施例においても、上
部電極として、AlOx バリア層5とWカウンタ層16
との間に40〜50Å程度のAl層を介在させてAl/
W/Taの三層構造としても良く、この場合には、バリ
アの界面特性がさらに高まる。また、配線層25とし
て、相転移温度が9.25°KのNb膜を用いることに
よって、上部電極のTaカウンタ層7に対してエネルギ
ーギャップの大きなNb配線層25がエネルギーバリア
となるため、準粒子の閉じ込め効果をさらに高めること
ができる。
Also in the fourth embodiment, the AlO x barrier layer 5 and the W counter layer 16 are used as the upper electrodes.
And an Al layer of about 40 to 50 Å is interposed between
A three-layer structure of W / Ta may be used, and in this case, the interface characteristics of the barrier are further improved. Further, by using an Nb film having a phase transition temperature of 9.25 ° K as the wiring layer 25, the Nb wiring layer 25 having a large energy gap with respect to the Ta counter layer 7 of the upper electrode serves as an energy barrier. The particle confinement effect can be further enhanced.

【0105】また、上記第4の実施例においても、第2
の実施例と同様の下部電極、バリア層、及び、上部電極
からなるジョセフソン接合を形成しているが、この場合
には、X線を吸収する下部電極のみにTa膜を用い、上
部電極をバリア層側から5〜100nm、好適には50
nmのAl層、及び、10〜500nm、好適には20
0nmのNbカウンタ層を順次堆積させた2層構造とし
ても良い。
In addition, in the fourth embodiment as well, the second
Although a Josephson junction including a lower electrode, a barrier layer, and an upper electrode similar to that of the above example is formed, in this case, a Ta film is used only for the lower electrode that absorbs X-rays, and the upper electrode is used. 5 to 100 nm, preferably 50 from the barrier layer side
nm Al layer and 10-500 nm, preferably 20
A two-layer structure in which 0 nm Nb counter layers are sequentially deposited may be used.

【0106】次に、図12を参照して本発明の第5の実
施例を説明する。 図12参照 図12は、一つの下部電極に対して複数のジョセフソン
接合を形成することによって、X線収集効率を高めた超
伝導放射線検出装置の素子断面図であり、図12におい
ては、一つの放射線検出素子部を示しているが、実際に
は、これらがアレイ化して設けられているものであり、
また、その製造工程及び用いている材料は第3の実施例
と略同様である。
Next, a fifth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. See FIG. 12. FIG. 12 is a cross-sectional view of elements of a superconducting radiation detection device in which a plurality of Josephson junctions are formed for one lower electrode to improve X-ray collection efficiency. Although it shows two radiation detection element parts, in reality, these are arranged in an array,
The manufacturing process and the material used are substantially the same as in the third embodiment.

【0107】即ち、まず、(110)面の単結晶シリコ
ン基板1の裏面上に、DCマグネトロンスパッタリング
法を用いて、1〜10μm、好適には5μmのTa放射
線阻止膜17及び10〜100nm、好適には50nm
のAl保護膜18を堆積させる。次いで、反対側の単結
晶シリコン基板1の表面上に、DCマグネトロンスパッ
タリング法を用いて、印加電流1.5A、印加電圧30
0V、Arガス圧を1.3Paとした条件で、2.5n
m/秒の堆積速度で10〜100nm、好適には50n
mのNbベース層2を堆積させたのち、50nm〜10
μm、好適には200nmのTaベース層3、及び、5
〜50nm、好適には20nmのAl層4からなる下部
電極を堆積させる。
That is, first, on the back surface of the (110) plane single crystal silicon substrate 1, a Ta radiation blocking film 17 having a thickness of 1 to 10 μm, preferably 5 μm, and a thickness of 10 to 100 nm were used by the DC magnetron sputtering method. 50nm
The Al protective film 18 is deposited. Next, an applied current of 1.5 A and an applied voltage of 30 A were applied on the surface of the single crystal silicon substrate 1 on the opposite side by using the DC magnetron sputtering method.
2.5 n under the condition of 0 V and Ar gas pressure of 1.3 Pa
10 to 100 nm at a deposition rate of m / sec, preferably 50 n
m Nb base layer 2 is deposited and then 50 nm to 10 nm
μm, preferably 200 nm Ta base layer 3, and 5
Deposit a bottom electrode consisting of ˜50 nm, preferably 20 nm of Al layer 4.

【0108】次いで、Al層4の表面を熱酸化すること
によって、約1nmの厚さのAlO x バリア層5を形成
したのち、同じく、DCマグネトロンスパッタリング法
を用いて、印加電流0.3A、印加電圧250V、Ar
ガス圧を1.3Paとした条件で、0.5nm/秒の堆
積速度で10nm以下、好適には5nmのNbカウンタ
層6、及び、10〜500nm、好適には20nmの厚
さのTaカウンタ層7からなる上部電極を堆積させる。
Then, the surface of the Al layer 4 is thermally oxidized.
AlO with a thickness of about 1 nm xBarrier layer 5 is formed
After that, similarly, DC magnetron sputtering method
Applied current 0.3A, applied voltage 250V, Ar
With a gas pressure of 1.3 Pa, a stack of 0.5 nm / sec
Nb counter with a product speed of 10 nm or less, preferably 5 nm
Layer 6 and a thickness of 10-500 nm, preferably 20 nm
An upper electrode made of Ta counter layer 7 is deposited.

【0109】次いで、第1のフォトレジストマスクをマ
スクとして、CF4 +5%O2 ガスを用いた7Paの圧
力、及び、印加電力50Wの条件下で反応性イオンエッ
チングを行うことによって、Taカウンタ層7及びNb
カウンタ層6をエッチングしたのち、Arを用いたイオ
ンミーリングによって、AlOx バリア層5及びAl層
4をエッチングし、所定面積の複数のジョセフソン接合
を形成する。
Then, using the first photoresist mask as a mask, reactive ion etching is performed under the conditions of a pressure of 7 Pa using CF 4 + 5% O 2 gas and an applied power of 50 W, to thereby form a Ta counter layer. 7 and Nb
After etching the counter layer 6, the AlO x barrier layer 5 and the Al layer 4 are etched by ion milling using Ar to form a plurality of Josephson junctions having a predetermined area.

【0110】次いで、第1のフォトレジストマスクを除
去したのち、新たに設けた第2のフォトレジストマスク
をマスクとして、同じく、CF4 +5%O2 ガスを用い
た7Paの圧力、及び、印加電力50Wの条件下で反応
性イオンエッチングを行うことによって、Taベース層
3及びNbベース層2をエッチングして、複数のジョセ
フソン接合部に対して共通のベース層の大きさを決定す
る。
Then, after removing the first photoresist mask, using the newly provided second photoresist mask as a mask, CF 4 + 5% O 2 gas was used for a pressure of 7 Pa and an applied power. The Ta base layer 3 and the Nb base layer 2 are etched by performing reactive ion etching under the condition of 50 W to determine a common base layer size for a plurality of Josephson junctions.

【0111】次いで、第2のフォトレジストマスクを除
去したのち、RFスパッタリング法によって、600n
m以上の厚さのSiO2 膜19及び10〜300nm、
好適には200nmのシリコン窒化膜20を堆積させ
る。次いで、基板の裏面側にジョセフソン接合に対応す
る複数の開口部を有する第3のフォトレジストマスクを
設けて、Arを用いたイオンミーリング法によってAl
保護膜18にX線入射孔22を形成するための開口を形
成し、次いで、このAl保護膜18をマスクとして、C
4 +5%O2 ガスを用いた50Paの圧力、及び、印
加電力100Wの条件下で反応性イオンエッチングを行
うことによって、Ta放射線阻止膜17をエッチングし
てX線入射孔22を形成するための開口を形成する。
Then, after removing the second photoresist mask, 600 n is formed by RF sputtering.
SiO 2 film 19 having a thickness of m or more and 10 to 300 nm,
A 200 nm silicon nitride film 20 is preferably deposited. Then, a third photoresist mask having a plurality of openings corresponding to the Josephson junction is provided on the back surface side of the substrate, and Al is formed by an ion milling method using Ar.
An opening for forming the X-ray entrance hole 22 is formed in the protective film 18, and then C is formed by using the Al protective film 18 as a mask.
In order to form the X-ray entrance hole 22 by etching the Ta radiation blocking film 17 by performing reactive ion etching under the condition of a pressure of 50 Pa using F 4 + 5% O 2 gas and an applied power of 100 W. To form an opening.

【0112】次いで、基板全体をKOH液中に浸漬する
ことによって、単結晶シリコン基板1に壁面が略垂直な
X線入射孔22を形成する。次いで、第4のフォトレジ
ストマスクをマスクとして、CHF3 +30%O2ガス
を用いた25Paの圧力、及び、印加電力100Wの条
件下で反応性イオンエッチング法によって、約30nm
/分のエッチングレートでシリコン窒化膜20及びSi
2 膜19をエッチングして、上部電極及び下部電極に
対するコンタクトホールを形成する。
Then, the entire substrate is dipped in a KOH solution to form an X-ray entrance hole 22 whose wall surface is substantially vertical in the single crystal silicon substrate 1. Then, by using the fourth photoresist mask as a mask, a pressure of 25 Pa using CHF 3 + 30% O 2 gas and a reactive ion etching method under the conditions of an applied power of 100 W were used to obtain about 30 nm.
Silicon nitride film 20 and Si at an etching rate of 1 / min.
The O 2 film 19 is etched to form contact holes for the upper electrode and the lower electrode.

【0113】次いで、第4のフォトレジストマスクを除
去したのち、800nmの厚さのNb層を堆積させ、新
たなフォトレジストマスクをマスクとして反応性イオン
エッチング法によってエッチングすることによって、N
b配線層25を形成して、高いX線収集効率を有する超
伝導放射線検出装置が完成する。
Next, after removing the fourth photoresist mask, an Nb layer having a thickness of 800 nm is deposited, and the new photoresist mask is used as a mask to perform etching by the reactive ion etching method.
By forming the b wiring layer 25, a superconducting radiation detection device having high X-ray collection efficiency is completed.

【0114】この一つのベース層、即ち、下部電極に対
して複数のジョセフソン接合及び対応するX線入射孔2
2を有する2次元アレイの超伝導放射線検出装置を構成
すると1方向の位置分解能は低下するものの、複数のジ
ョセフソン接合においてX線を検出することができるた
め、一つの下部電極に対する入射X線26の照射量が大
きくなるため、X線収集効率、即ち、感度が高まるもの
である。
A plurality of Josephson junctions and corresponding X-ray entrance holes 2 are provided for this one base layer, that is, the lower electrode.
When a two-dimensional array of superconducting radiation detectors having two is configured, the positional resolution in one direction is reduced, but since X-rays can be detected at a plurality of Josephson junctions, incident X-rays on one lower electrode 26 The X-ray collection efficiency, that is, the sensitivity, is increased because the irradiation amount of is increased.

【0115】この場合、X線収集効率を高めるために
は、原理的には複数のジョセフソン接合を設けることな
く、一つの大きなジョセフソン接合を設ければ良いが、
そうすると、このような大面積に対してピンホールのな
い均一なバリア層を形成することが困難になるので、小
さい面積のジョセフソン接合を複数個設けて、合計の接
合面積を大きくするものである。
In this case, in order to improve the X-ray collection efficiency, it is theoretically possible to provide one large Josephson junction without providing a plurality of Josephson junctions.
Then, it becomes difficult to form a uniform barrier layer without pinholes in such a large area. Therefore, a plurality of Josephson junctions having a small area are provided to increase the total junction area. .

【0116】なお、上記第5の実施例においても、第3
の実施例と同様の下部電極、バリア層、及び、上部電極
からなるジョセフソン接合を形成しているが、この場合
にも、X線を吸収する下部電極のみにTa膜を用い、上
部電極をバリア層側から5〜50nm、好適には20n
mのAl層、及び、10〜500nm、好適には20n
mのNbカウンタ層を順次堆積させた2層構造としても
良い。
In the fifth embodiment as well, the third embodiment is used.
A Josephson junction including a lower electrode, a barrier layer, and an upper electrode similar to that of the above example is formed, but in this case also, the Ta film is used only for the lower electrode that absorbs X-rays and the upper electrode is used. 5 to 50 nm, preferably 20 n from the barrier layer side
m Al layer and 10-500 nm, preferably 20 n
It is also possible to adopt a two-layer structure in which m m Nb counter layers are sequentially deposited.

【0117】また、この第5の実施例においても、第2
或いは第4の実施例のように、Nbカウンタ層6をWカ
ウンタ層に置き換えても良く、その場合の、置き換えに
伴う各条件の変更は第2或いは第4の実施例の場合と同
じである。
Also in the fifth embodiment, the second
Alternatively, as in the fourth embodiment, the Nb counter layer 6 may be replaced with a W counter layer, and in that case, the change of each condition associated with the replacement is the same as that of the second or fourth embodiment. .

【0118】また、上記各実施例において、第2の実施
例以外はジョセフソン接合の面積に言及しておらず、原
理的大きさに制限はないものであるが、実際には、50
×50μm2 〜100×100μm2 程度の大きさにす
るものである。さらに、上記各実施例においては単結晶
シリコン基板の厚さに言及していないが、通常は400
μmのシリコンウェハを用いるものであり、必要に応じ
て研磨により100μm程度まで薄層化しても良いもの
である。
Further, in each of the above-mentioned embodiments, the area of the Josephson junction is not mentioned except for the second embodiment, and the theoretical size is not limited.
The size is about 50 μm 2 to 100 × 100 μm 2 . Furthermore, although the thickness of the single crystal silicon substrate is not mentioned in each of the above embodiments, it is usually 400.
A silicon wafer of μm is used, and if necessary, it may be thinned to about 100 μm by polishing.

【0119】また、上記第3及び第5の実施例において
は、ジョセフソン接合部をパターニングしたのち、X線
入射孔を開口しているが、従来例と同様に、X線入射孔
を開口してからジョセフソン接合部をパターニングして
も良く、その場合には、シリコン窒化膜は必ずしも必要
としないものである。
In the third and fifth embodiments, the X-ray entrance hole is opened after the Josephson junction is patterned. However, the X-ray entrance hole is opened like the conventional example. After that, the Josephson junction may be patterned, and in that case, the silicon nitride film is not always necessary.

【0120】[0120]

【発明の効果】本発明によれば、Ta層の下地層として
Nb層或いはW層を用いたことにより、4.47°Kの
相転移温度を有するTa膜を再現性良く得ることができ
るので、エネルギー分解能に優れた超伝導放射線検出装
置を提供することができ、また、基板として(110)
面の単結晶シリコン基板を用いることにより、アレイ化
した場合の素子密度、即ち、X線入射孔密度を高めるこ
とができるので、位置分解能の優れたアレイ化した超伝
導放射線検出装置を提供することができ、さらに、一つ
の下部電極に対して複数のジョセフソン接合を設けるこ
とによって、X線収集効率の高いアレイ化した超伝導放
射線検出装置を提供することができる。
According to the present invention, a Ta film having a phase transition temperature of 4.47 ° K can be obtained with good reproducibility by using the Nb layer or the W layer as the underlayer of the Ta layer. , A superconducting radiation detector excellent in energy resolution can be provided, and as a substrate (110)
By using a single-crystal silicon substrate having a plane, it is possible to increase the element density when arrayed, that is, the X-ray entrance hole density, and thus to provide an arrayed superconducting radiation detection device with excellent positional resolution. Further, by providing a plurality of Josephson junctions for one lower electrode, it is possible to provide an arrayed superconducting radiation detector with high X-ray collection efficiency.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の原理的構成の説明図である。FIG. 1 is an explanatory diagram of a principle configuration of the present invention.

【図2】本発明の作用の説明図である。FIG. 2 is an explanatory view of the operation of the present invention.

【図3】本発明の第1の実施例の途中までの製造工程の
説明図である。
FIG. 3 is an explanatory diagram of a manufacturing process up to the middle of the first embodiment of the present invention.

【図4】本発明の第1の実施例の図3以降の途中までの
製造工程の説明図である。
FIG. 4 is an explanatory diagram of a manufacturing process up to the middle of FIG. 3 and subsequent steps of the first embodiment of the present invention.

【図5】本発明の第1の実施例の図4以降の製造工程の
説明図である。
FIG. 5 is an explanatory diagram of the manufacturing process of FIG. 4 and subsequent steps of the first embodiment of the present invention.

【図6】本発明の第2の実施例の説明図である。FIG. 6 is an explanatory diagram of a second embodiment of the present invention.

【図7】本発明の第3の実施例の途中までの製造工程の
説明図である。
FIG. 7 is an explanatory view of the manufacturing process up to the middle of the third embodiment of the present invention.

【図8】本発明の第3の実施例の図7以降の途中までの
製造工程の説明図である。
FIG. 8 is an explanatory view of the manufacturing process up to the middle of FIG. 7 and subsequent steps of the third embodiment of the present invention.

【図9】本発明の第3の実施例の図8以降の途中までの
製造工程の説明図である。
FIG. 9 is an explanatory diagram of a manufacturing process up to the middle of FIG. 8 and subsequent steps of the third embodiment of the present invention.

【図10】本発明の第3の実施例の図9以降の製造工程
の説明図である。
FIG. 10 is an explanatory diagram of the manufacturing process after FIG. 9 of the third embodiment of the present invention.

【図11】本発明の第4の実施例の超伝導放射線検出装
置の断面図である。
FIG. 11 is a cross-sectional view of a superconducting radiation detection device of a fourth embodiment of the present invention.

【図12】本発明の第5の実施例の超伝導放射線検出装
置の断面図である。
FIG. 12 is a cross-sectional view of a superconducting radiation detection device of a fifth embodiment of the present invention.

【図13】従来の超伝導放射線検出装置の断面図であ
る。
FIG. 13 is a sectional view of a conventional superconducting radiation detection device.

【図14】従来の他の超伝導放射線検出装置の途中まで
の製造工程の説明図である。
FIG. 14 is an explanatory view of a manufacturing process up to the middle of another conventional superconducting radiation detecting apparatus.

【図15】従来の他の超伝導放射線検出装置の図14以
降の製造工程の説明図である。
FIG. 15 is an explanatory view of the manufacturing process of another conventional superconducting radiation detecting apparatus after FIG.

【図16】X線入射孔の断面形状の面方位依存性の説明
図である。
FIG. 16 is an explanatory diagram of the plane orientation dependence of the cross-sectional shape of the X-ray entrance hole.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 単結晶シリコン基板 2 Nbベース層 3 Taベース層 4 Al層 5 AlOx バリア層 6 Nbカウンタ層 7 Taカウンタ層 8 第1のフォトレジストマスク 9 第2のフォトレジストマスク 10 保護絶縁膜 11 第3のフォトレジストマスク 12 Nb配線層 13 入射X線 14 電子対 15 準粒子 16 Wカウンタ層 17 Ta放射線阻止膜 18 Al保護膜 19 SiO2 膜 20 シリコン窒化膜 21 第3のフォトレジストマスク 22 X線入射孔 23 第4のフォトレジストマスク 24 コンタクトホール 25 Nb配線層 26 入射X線 27 単結晶シリコン基板 28 Taベース層 29 バリア層 30 Taカウンタ層 31 保護絶縁膜 32 Ta配線層 33 Ta放射線阻止膜 34 第1のフォトレジストマスク 35 X線入射孔 36 第2のフォトレジストマスク 37 第3のフォトレジストマスク 38 保護絶縁膜 39 Ta配線層 40 (100)面単結晶シリコン基板 41 (110)面単結晶シリコン基板1 Single Crystal Silicon Substrate 2 Nb Base Layer 3 Ta Base Layer 4 Al Layer 5 AlO x Barrier Layer 6 Nb Counter Layer 7 Ta Counter Layer 8 First Photoresist Mask 9 Second Photoresist Mask 10 Protective Insulating Film 11 Third Photoresist mask 12 Nb wiring layer 13 incident X-ray 14 electron pair 15 quasi-particle 16 W counter layer 17 Ta radiation blocking film 18 Al protective film 19 SiO 2 film 20 silicon nitride film 21 third photoresist mask 22 X-ray incident Hole 23 Fourth photoresist mask 24 Contact hole 25 Nb wiring layer 26 Incident X-ray 27 Single crystal silicon substrate 28 Ta base layer 29 Barrier layer 30 Ta counter layer 31 Protective insulating film 32 Ta wiring layer 33 Ta radiation blocking film 34th 1 photoresist mask 35 X-ray entrance hole 36 The photoresist mask 37 third photoresist mask 38 protective insulating film 39 Ta wiring layer 40 (100) plane single crystal silicon substrate 41 (110) plane single crystal silicon substrate

Claims (11)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 基板上にNbベース層、Taベース層、
及び、Al層からなる下部電極を設け、AlOx バリア
層を介して、Nbカウンタ層及びTaカウンタ層からな
る上部電極を設けると共に、前記下部電極におけるTa
とNbのエネルギーギャップΔTaとΔNbとの関係がΔTa
<ΔNbであり、また、前記上部電極におけるTaとNb
のエネルギーギャップの関係がΔTa>ΔNbであることを
特徴とする超伝導放射線検出装置。
1. A Nb base layer, a Ta base layer, and
And a lower electrode made of an Al layer is provided, an upper electrode made of an Nb counter layer and a Ta counter layer is provided via an AlO x barrier layer, and Ta in the lower electrode is provided.
And the energy gap between Nb and Δ Ta and Δ Nb is Δ Ta
Nb , and Ta and Nb in the upper electrode
Superconducting radiation detecting apparatus, wherein the relationship between the energy gap is Δ Ta> Δ Nb.
【請求項2】 上記上部電極構造として、上記バリア層
とNbカウンタ層との間にAl層を介在させたことを特
徴とする請求項1記載の超伝導放射線検出装置。
2. The superconducting radiation detecting apparatus according to claim 1, wherein an Al layer is interposed between the barrier layer and the Nb counter layer as the upper electrode structure.
【請求項3】 基板上にNbベース層、Taベース層、
及び、Al層からなる下部電極を設け、AlOx バリア
層を介して、Wカウンタ層及びTaカウンタ層からなる
上部電極を設けると共に、前記下部電極におけるTaと
NbのエネルギーギャップΔTaとΔNbとの関係がΔTa
ΔNbであることを特徴とする超伝導放射線検出装置。
3. A Nb base layer, a Ta base layer, and
And, providing a lower electrode made of Al layer, through the AlO x barrier layer, provided with an upper electrode made of W counters layer and Ta counters layer, and the energy gap delta Ta and delta Nb and Ta and Nb in the lower electrode The relation of Δ Ta <
A superconducting radiation detector characterized by being Δ Nb .
【請求項4】 上記上部電極構造として、上記バリア層
とWカウンタ層との間にAl層を介在させたことを特徴
とする請求項3記載の超伝導放射線検出装置。
4. The superconducting radiation detecting apparatus according to claim 3, wherein as the upper electrode structure, an Al layer is interposed between the barrier layer and the W counter layer.
【請求項5】 配線層として、上記Taベース層及びT
aカウンタ層とのエネルギーギャップの関係がΔTa<Δ
NbであるNb層を用いたことを特徴とする請求項1乃至
4のいずれか1項に記載の超伝導放射線検出装置。
5. The Ta base layer and T as a wiring layer
a The energy gap relationship with the counter layer is Δ Ta
The superconducting radiation detecting apparatus according to claim 1, wherein an Nb layer which is Nb is used.
【請求項6】 単結晶シリコン基板上に相転移温度が
9.25°Kになる成膜条件で上記下部電極のNbベー
ス層をスパッタリングすると共に、上記上部電極のNb
カウンタ層を前記Nbベース層よりも低印加電力密度
で、且つ、遅い堆積速度でスパッタリングして、前記N
bカウンタ層のエネルギーギャップが前記Nbベース層
のエネルギーギャップ及び上記Taカウンタ層のエネル
ギーギャップよりも小さくなるようにしたことを特徴と
する請求項1記載の超伝導放射線検出装置の製造方法。
6. The Nb base layer of the lower electrode is sputtered on the single crystal silicon substrate under the film forming condition of the phase transition temperature of 9.25 ° K.
The counter layer is sputtered at a lower applied power density and a lower deposition rate than the Nb base layer to produce the N
2. The method for manufacturing a superconducting radiation detector according to claim 1, wherein the energy gap of the b counter layer is smaller than the energy gap of the Nb base layer and the energy gap of the Ta counter layer.
【請求項7】 基板の表面上にNbベース層、Taベー
ス層、及び、Al層からなる下部電極を設け、AlOx
バリア層を介して、Nbカウンタ層及びTaカウンタ層
からなる上部電極を設け、且つ、前記下部電極における
TaとNbのエネルギーギャップΔTaとΔNbとの関係を
ΔTa<ΔNbとし、また、前記上部電極におけるTaとN
bのエネルギーギャップの関係をΔTa>ΔNbとすると共
に、基板の裏面に放射線阻止膜を設け、この放射線阻止
膜及び基板に放射線入射孔を設けたことを特徴とする超
伝導放射線検出装置。
7. A lower electrode composed of an Nb base layer, a Ta base layer, and an Al layer is provided on the surface of the substrate, and AlO x
Through the barrier layer, an upper electrode provided consisting of Nb counter layer and Ta counter layer, and the relationship between the energy gap delta Ta and delta Nb and Ta and Nb in the lower electrode and delta Ta <delta Nb, also, Ta and N in the upper electrode
A superconducting radiation detecting device characterized in that the relationship of the energy gap of b is Δ Ta > Δ Nb , a radiation blocking film is provided on the back surface of the substrate, and a radiation entrance hole is provided in this radiation blocking film and the substrate.
【請求項8】 基板の表面上にNbベース層、Taベー
ス層、及び、Al層からなる下部電極を設け、AlOx
バリア層を介して、Wカウンタ層及びTaカウンタ層か
らなる上部電極を設け、且つ、前記下部電極におけるT
aとNbのエネルギーギャップΔTaとΔNbとの関係をΔ
Ta<ΔNbとすると共に、基板の裏面に放射線阻止膜を設
け、この放射線阻止膜及び基板に放射線入射孔を設けた
ことを特徴とする超伝導放射線検出装置。
8. A lower electrode composed of an Nb base layer, a Ta base layer, and an Al layer is provided on the surface of the substrate, and AlO x
An upper electrode composed of a W counter layer and a Ta counter layer is provided via a barrier layer, and T in the lower electrode is provided.
The energy gap between a and Nb Δ Ta and Δ Nb
A superconducting radiation detecting device, characterized in that Ta < ΔNb , a radiation blocking film is provided on the back surface of the substrate, and a radiation entrance hole is provided in the radiation blocking film and the substrate.
【請求項9】 上記Nbベース層及びTaベース層から
なる一つの下部電極に対して一つのジョセフソン接合を
形成することを特徴とする請求項7または8記載の超伝
導放射線検出装置。
9. The superconducting radiation detecting apparatus according to claim 7, wherein one Josephson junction is formed with respect to one lower electrode composed of the Nb base layer and the Ta base layer.
【請求項10】 上記Nbベース層及びTaベース層か
らなる一つの下部電極に対して複数のジョセフソン接合
を形成することを特徴とする請求項7または8記載の超
伝導放射線検出装置。
10. The superconducting radiation detecting apparatus according to claim 7, wherein a plurality of Josephson junctions are formed on one lower electrode composed of the Nb base layer and the Ta base layer.
【請求項11】 上記基板として面方位が(110)面
の単結晶シリコン基板を用いると共に、上記放射線阻止
膜としてTa膜を用い、且つ、前記Ta膜をAl膜で被
覆し、さらに、上記下部電極、バリア層、及び、上部電
極をシリコン酸化膜及びシリコン窒化膜で順次被覆した
ことを特徴とする請求項7乃至10のいずれか1項に記
載の超伝導放射線検出装置。
11. A single crystal silicon substrate having a plane orientation of (110) is used as the substrate, a Ta film is used as the radiation blocking film, and the Ta film is covered with an Al film. 11. The superconducting radiation detector according to claim 7, wherein the electrode, the barrier layer, and the upper electrode are sequentially covered with a silicon oxide film and a silicon nitride film.
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