JPH01100022A - 超電導薄膜の作製方法 - Google Patents

超電導薄膜の作製方法

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JPH01100022A
JPH01100022A JP63135025A JP13502588A JPH01100022A JP H01100022 A JPH01100022 A JP H01100022A JP 63135025 A JP63135025 A JP 63135025A JP 13502588 A JP13502588 A JP 13502588A JP H01100022 A JPH01100022 A JP H01100022A
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直治 藤森
Keizo Harada
敬三 原田
Shuji Yatsu
矢津 修示
Tetsuji Jodai
哲司 上代
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    • C30B29/00Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
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    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • H10N60/01Manufacture or treatment
    • H10N60/0268Manufacture or treatment of devices comprising copper oxide
    • H10N60/0296Processes for depositing or forming superconductor layers
    • H10N60/0408Processes for depositing or forming superconductor layers by sputtering

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] この発明は、酸化物超電導薄膜を基板上に作製する方法
に関するものであり、特に、Y−Ba−Cu−0系の酸
化物超電導薄膜を作製する方法に関するものである。
[従来の技術] 電子の相転移であるといわれる超電導現象は、特定の条
件下で導体の電気抵抗が零の状態になり完全な反磁性を
示す現象である。すなわち、超電導下では超電導体に電
流を流しても電力損失が全くなく、密度の高い電流が永
久に流れ続ける。たとえば、超電導技術を送電に応用す
れば、現在送電に伴って生じているといわれる約7%の
送電損失を大幅に減少できる。また、高磁場発生用電磁
石としての応用は、たとえば、発電技術の分野ではMH
D発電、電動機等とともに、開発に発電量以上の電力を
消費するともにいわれる核融合反応の実現を有利に促進
する技術として期待されている。
また磁気浮上列車、電磁気推進船舶等の動力として、さ
らに計測・医療の分野でもNMR,π中間子治療、高エ
ネルギ物理実験室などへの利用が期待されている。
上述のような大型の装置における利用とは別に、超電導
材料の他の利用として、各種の超電導素子の作製が挙げ
られる。代表的なものとしては、超電導材料同士を弱く
接合した場合に、印加電流によって量子効果が巨視的に
現われるジョセフソン効果を利用した素子が挙げられる
。トンネル接合型ジョセフソン素子は、超電導材料のエ
ネルギギャップが小さいことから、極めて高速な低電力
消費のスイッチング素子として期待されている。また、
電磁波や磁場に対するジョセフソン効果が正確な量子現
象として現われることから、ジョセフソン素子を磁場、
マイクロ波、放射線等の超高感度センサとして利用する
ことも期待されている。
さらに、電子回路の集積度が高くなるにつれて単位面積
あたりの消費電力が冷却能力の限界に達する。そこで超
高速計算機には超電導素子の開発が要望されている。
[発明が解決しようとする課題] 一方、様々な努力にもかかわらず、超電導材料の超電導
臨界温度Tcは長期間にわたってNb。
Geの23Kを越えることができなかったが、−昨年未
来、[La、Ba] 2 Cub、または[La、Sr
] 2 Cub9等のに2 N i F4型酸化物の焼
結材が高いTcを持つ超電導材料として発見され、非低
温超電導を実現する可能性が大きく高まっている。これ
らの物質では、30ないし°50にという従来に比べて
飛躍的に高いTCが観測され、70に以上のTcも観測
されている。しかしながら、これらの超電導材料は焼結
材であり、ミクロ的には未反応の粒子部分が存在したり
、組成、組織が不均一となりやすく、電子素子に直接応
用できるものではない。また、各種電子デバイスに応用
するには、薄膜構造とし、微細な組成、組織の制御を必
要とする。
さらに、これまで発表された超電導薄膜では臨界電流密
度(J c)が数百A/Cm2と低いため実際に素子等
として使うことができなかった。金属またはその他の線
材またはテープ材料に超電導材料を蒸着して長尺の超電
導材料を製造することが予想されるが、その製造にも超
電導材料の蒸着技術が要望される。
この発明の目的は、高い臨界温度Tcを有し、かつ実用
的な臨界電流密度Jcを有し、かつ均一な組成および組
織の超電゛導材料の薄膜を安定的に作製する方法を提供
することにある。
[課題を解決するための手段および作用]この発明では
、原子比Cu/Yが2.5ないし3.5で、原子比B 
a / Yが1.8ないし2.2である、Ba5Yおよ
びCuを含む酸化物をターゲットとして用い、雰囲気の
全ガス圧が1×1〇−2ないし5X10−2Torrで
あり、Arと0□を含み、02の含有量が5ないし80
体積%、好ましくは5ないし50体積%である雰囲気中
で、基板上に超電導薄膜をスパッタリングにより形成す
る薄膜形成ステップと、形成した薄膜を熱処理する熱処
理ステップと、熱処理後の薄膜を4℃/分以下の速度で
冷却する冷却ステップとを備えている。
この発明の1つの好ましい実施態様によれば、600な
いし800℃の温度の基板上に超電導薄膜を形成する。
この場合、基板は、金属、セラミックス、酸化物、絶縁
体等のいずれでもよい。好ましくは、MgO1S r 
T t O3、A (L 20 a、サファイア、Si
O2、石英、イツトリウムスタビライズドジルコニア(
YSZ)およびZnOからなる群より選択される。特に
好ましくは、MgOまたは5rTiO,である。MgO
および5rTie、は、薄膜と熱膨張率が近いので、ス
パッタリング時および熱処理時に薄膜に不要な応力を与
えたり、薄膜を破壊するおそれがない。
この発明の他の好ましい実施態様によれば、Y+ Ba
2 Cus o、−n (但し、nは0≦n<1を満た
す数である。)の結晶の(1・00)面と格子整合する
単結晶の基板の(100)面上に、超電導薄膜を形成す
る。この態様では、薄膜の結晶のC軸を基板の面に対し
て垂直に配向させることができ、これによって薄膜のC
軸配向性を高め、臨界電流密度を大きくすることができ
る。この態様において、基板は、MgOのような、YI
 Ba2Cus07−1の結晶の(100)面における
a軸またはb軸の格子定数に近い格子定数を有する単結
晶基板が好ましい。
この発明のさらに他の好ましい実施態様では、YI B
 a 2 Cu @ 0t−nの結晶の(110)面と
格子整合する単結晶の基板の(110)面上に、超電導
薄膜を形成する。この態様では、薄膜の結晶のC軸を基
板の面に対して平行に配向させることができ、これによ
って面内方向に異方性を持たせ、膜の深さ方向に高い電
流密度を流すことができる。
この発明では、ターゲットと基板との間の距離を20〜
45mmにして超電導薄膜を形成することが好ましい。
形成した薄膜は、好ましくは600〜930℃、より好
ましくは600〜800℃で熱処理する。熱処理の時間
は、好ましくは1〜30時間、より好ましくは10〜3
0時間である。
この発明で形成される超電導薄膜は、Y−Ba−Cu−
0系の酸化物である。特に、Y1Ba2Cu@ Oツー
。(但し、nはO≦n<1を満たす数である)で表わさ
れる組成の超電導薄膜が好ましい。また、ペロブスカイ
ト型酸化物または擬似ペロブスカイト型結晶構造の酸化
物が好ましい。
この発明の方法によって得られる超電導薄膜は、結晶中
の酸素欠陥を適正に制御するには、熱処理を酸素含有雰
囲気で行なうことが好ましい。
また、この発明において、好ましくは、スパッタリング
をマグネトロンスパッタリングで行なう。
マグネトロンスパッタリングで作製した薄膜は、結晶構
造、酸素欠損状態等が特に好ましく、超電導特性の優れ
たものになる。
[発明の効果] この発明により、従来の超電導体よりもはるかに高いJ
cを持つ超電導酸化物薄膜を得ることが □可能になる
。したがって、この発明を、超電導体を薄膜素子として
応用する分野、たとえばジョセフソン素子と呼ばれるマ
チイソ−(Matis。
O)のスイッチング素子やアナツカ−(Anacker
)のメモリ素子、さらには超電導量子干渉計(SQUI
D)などに利用すると効果的である。
[実施例] Y20. 、BaOおよびCuOをCu/Y−3゜2、
Ba/Y=2.15となるように秤量し、大気中におい
て900℃で焼成した。得られた焼成体を粉砕した粉末
をターゲットとして高周波マグネトロンスパッタリング
で成膜した。成膜条件は以下のとおりである。
全圧力  :2X10−2Torr 02 /A r : 0. 16 基板   :MgO単結晶で 成膜面は(100)面 基板温度 =720℃ このようにして、1000人の圧さの薄膜を得た。
この薄膜を酸素気流中において、700℃に加熱し、そ
の温度を24時間保ち、その後3℃/分の冷却速度で常
温まで冷却した。
得られた薄膜は、Y、Ba2Cu@ 07−1.と考え
られ、基板成膜面に対してC軸が垂直な配向性を持つ多
結晶であった。第1図は、上記で得られた薄膜のX線回
折パターンである。なお、このX線回折パターンは理学
電機製薄膜X線回折装置を用い、CuのKa線で得られ
たものである。
この薄膜から幅1mm、厚さ100OAのサンプルを切
り出し、各種超電導特性を?fJJ定した。測定には4
端子法を用いた。得られた結果を以下に示す。
Tc : 85K J C: 150+  0OOA/cm2この結果、こ
の発明の方法に従うと、薄膜の結晶構造をたとえばC軸
配向性に制御でき、また、酸素欠損状態を適正に制御で
きるため、特に臨界電流密度Jcが非常に大きい優れた
超電導特性を持つ超電導薄膜が得られることが立証され
た。
【図面の簡単な説明】
第1図は、この発明の方法に従う実施例によって得られ
た超電導薄膜のX線回折パターンを表わす図である。

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)原子比Cu/Yが2.5ないし3.5で、原子比
    Ba/Yが1.8ないし2.2である、Ba、Yおよび
    Cuを含む酸化物をターゲットとして用い、雰囲気の全
    ガス圧が1×10^−^2ないし5×10^−^2To
    rrであり、ArとO_2を含み、O_2の含有量が5
    ないし80体積%である雰囲気中で、基板上に超電導薄
    膜をスパッタリングにより形成する薄膜形成ステップと
    、 形成した薄膜を熱処理する熱処理ステップと、前記熱処
    理後の薄膜を4℃/分以下の速度で冷却する冷却ステッ
    プとを備える、超電導薄膜の作製方法。
  2. (2)原子比Cu/Yが2.5ないし3.5で、原子比
    Ba/Yが1.8ないし2.2である、Ba、Yおよび
    Cuを含む酸化物をターゲットとして用い、雰囲気の全
    ガス圧が1×10^−^2ないし5×10^−^2To
    rrであり、ArとO_2を含み、O_2の含有量が5
    ないし80体積%である雰囲気中で、600ないし80
    0℃の温度の基板上に、超電導薄膜をスパッタリングに
    より形成する薄膜形成ステップと、 形成した薄膜を熱処理する熱処理ステップと、前記熱処
    理後の薄膜を4℃/分以下の速度で冷却する冷却ステッ
    プとを備える、超電導薄膜の作製方法。
  3. (3)原子比Cu/Yが2.5ないし3.5で、原子比
    Ba/Yが1.8ないし2.2である、Ba、Yおよび
    Cuを含む酸化物をターゲットとして用い、雰囲気の全
    ガス圧が1×10^−^2ないし5×10^−^2To
    rrであり、ArとO_2を含み、O_2の含有量が5
    ないし80体積%である雰囲気中で、Y_1Ba_2C
    u_3O_7_−_n(但し、nは0≦n<1を満たす
    数である。)の結晶の(100)面と格子整合する単結
    晶の基板の(100)面上に、超電導薄膜をスパッタリ
    ングにより形成する薄膜形成ステップと、  形成した薄膜を熱処理する熱処理ステップと、 前記
    熱処理後の薄膜を4℃/分以下の速度で冷却する冷却ス
    テップとを備える、超電導薄膜の作製方法。
  4. (4)原子比Cu/Yが2.5ないし3.5で、原子比
    Ba/Yが1.8ないし2.2である、Ba、Yおよび
    Cuを含む酸化物をターゲットとして用い、雰囲気の全
    ガス圧が1×10^−^2ないし5×10^−^2To
    rrであり、ArとO_2を含み、O_2の含有量が5
    ないし80体積%である雰囲気中で、Y_1Ba_2C
    u_3O_7_−_n(但し、nは0≦n<1を満たす
    数である。)の結晶の(110)面と格子整合する単結
    晶の基板の(110)面上に、超電導薄膜をスパッタリ
    ングにより形成する薄膜形成ステップと、  形成した薄膜を熱処理する熱処理ステップと、 前記
    熱処理後の薄膜を4℃/分以下の速度で冷却する冷却ス
    テップとを備える、超電導薄膜の作製方法。
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