JPH0764619B2 - 酸化物超電導体用pvd原料の製造方法 - Google Patents

酸化物超電導体用pvd原料の製造方法

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JPH0764619B2
JPH0764619B2 JP62310710A JP31071087A JPH0764619B2 JP H0764619 B2 JPH0764619 B2 JP H0764619B2 JP 62310710 A JP62310710 A JP 62310710A JP 31071087 A JP31071087 A JP 31071087A JP H0764619 B2 JPH0764619 B2 JP H0764619B2
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章二 志賀
祐行 菊地
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は酸化物超電導体用PVD原料の製造方法に関す
る。
〔従来の技術〕
近年Ba−Pb−Bi−O系やLi−Ti−O系の酸化物超電導体
に続いて臨界温度(Tc)の高いLn−A−Cu−O系(Ln:3
価の希土類元素、A:アルカリ土類金属)の酸化物超電導
体、例えばYBa2Cu3O7、ErBa2Cu3O7、Y(Ba0.8Sr0.22
Cu3O7、YBa2Cu3O5F2等が見出されており、これらの超電
導体は液体窒素温度で超電導となるので経済的であり、
マグネット用コイル巻線、送電線、機器配線、磁気シー
ルド材、更には光センサー、SQUID、JJ素子、トランジ
スタのデバイス等に巾広い応用が検討されている。
上記のYBa2Cu3O7等の酸化物超電導体はO2欠損型の層状
ペロブスカイト型化合物であり、特にO量は正確には7
に近い6.7〜7.0の範囲内に最適値があり、又Y、Ba、Cu
の各原子比率の変動は異相析出の原因となるので厳密な
組成のコントロールが必要である。
ところで上記の酸化物超電導体は脆いため金属材料のよ
うに塑性加工ができず、これらを線条体等に成形するに
は、主に粉末冶金法又はPVD法(物理的気相成長法)が
利用されているが、特にPVD法は、塑性や結晶構造を厳
密にコントロール出来るので最も適した製造方法と考え
られる。
上記のPVD法にはスパッタ法、蒸着法、イオンプレーテ
ィング法等があり、中でもスパッタ法は組成のコントロ
ールを高度に安定して実現できるもので、DCマグネトロ
ンスパッタ法、RFマクネトロンスパッタ法、対向ターゲ
ット式マグネトロンスパッタ法、イオンビームスパッタ
法、レーザービームスパッタ法等が種々実用されてい
る。
このようなスパッタ法は、プラズマ粒子やイオンレーザ
ービームをPVD原料(以下ターゲットと称す)に照射し
原料成分を飛散させ、目的とする物質を基板上に膜状に
析出させる方法であり、上記ターゲット材は、原料粉末
の合成、分級、プレス成型、焼結の各工程を経て直径1
〜10インチ、厚さ1〜10mmの円板状に加工した放熱性の
バックプレートに接合してPVD装置内にセットして用い
られる。
〔発明が解決しようとする問題点〕
上記のような粉末焼結法により製造されたターゲット材
は、製造工程が長くコスト的に不利なばかりでなく、タ
ーゲット材中に末反応成分が残留し易く、これがスパッ
タ時に遊離してCO2、SO2、NOx、Cl2等のガスを発生して
雰囲気の真空状態を変動させ、その結果結晶構造のC軸
配向成長が乱れて、析出する超電導体膜に欠陥が生じた
り不純物が侵入したりして超電導体の特性が低下する。
このような現象は、原料にCO3塩、カルボン酸塩、NO
3塩、SO4塩、ハロゲン化物等を用いた時によく見られる
例である。特にCO3塩はBaCO3、SrCO3等の標準的アルカ
リ土類金属の原料であり、これが超電導体に完全に反応
するには、900℃以上の高温で長時間加熱処理する必要
があり、又上記処理中に不均一な焼結固化がおきて再粉
砕を要する等コスト的に不利である。
又従来の粉末焼結法によるターゲット材は気泡や空孔を
多量に含み易く、このためスパッタ時にターゲット材が
熱歪みを受けて変形し、異常放電をおこす等の問題があ
った。
〔問題点を解決するための手段及び作用〕
本発明はかかる状況に鑑みなされたもので、その目的と
するところは、高純度で無遍析の、気泡や空孔を含まな
い、緻密で均質な組織からなる酸化物超電導体用ターゲ
ット材を低コストで製造する方法を提供することにあ
る。
即ち本発明は、酸化物超電導体又はその前駆物質を所定
量配合し混合したのち、これを加熱溶融し、次いでこの
溶融体を10℃/sec以上の速度で少なくとも950℃まで冷
却して所望の形状に成形加工し、次いでこの成形体を酸
素含有雰囲気中で400〜950℃の温度で10分以上加熱処理
することを特徴とするものである。
本発明において、原料にはYBa2Cu3O7のような酸化物超
電導体又はその前駆物質が用いられるが、後者の前駆物
質には上記超電導体を構成する元素の酸化物、炭酸塩、
塩化物、硝酸塩等の無機化合物、アルコキシドや錯塩等
の有機化合物、又は構造元素の金属やその合金等が用い
られる。
上記の前駆物質を、YBa2Cu3O7の酸化物超電導体に例を
とって具体的に説明すると、YはY2O3、Y(NO3
Y(CH3COO)、Y単体、BaはBa(OH)、Ba(N
O3)、BaCO3、Ba(HCOO)、CuはCu2O、CuO、Cu(OH)
、CuSO4、Cu(NO3、Cu粉、Cu−Ba等である。上記
のような原料を所定量配合し仮焼成して酸化物の混合体
や超電導体酸化物となし、これを粉末又は棒状体やブロ
ック等に加工して用いることもできる。
本発明において上記の原料は、るつぼ等の中で電磁的加
熱等により1,200℃以上に加熱して溶融させるが、熱源
としては、電気、赤外線、電子ビーム、レーザー光等が
適用できる。上記の棒状体等は、これに直接赤外線など
のビームをあてて融解するこも出来る。
本発明において上記の原料を溶融して成形する理由は、
配合成分が短時間で均一化し、理論密度に近い均質な緻
密体が得られ、気泡によるトラブル等が解消されるため
である。溶融及び成形をO2含有雰囲気中で行うと超電導
体のO2欠損が防止され、後工程の熱処理条件を低温短時
間で行うことができる。雰囲気中のO2分圧を特に5気圧
以上にするとO2の供給が十分になされJc等の特性が一層
向上する。
本発明において成形加工にあたって溶融体を10℃/sec以
上の冷却速度で少なくとも950℃まで冷却する理由は得
られる成形体の結晶組織を緻密にし、又YBa2Cu3O7の超
電導体に例をとると上記超電導体がY2O3、Cu2O、BaCuO2
等に相分離するのを抑え、たとえ相分離がおきても各相
が微細に分散するので、後工程の加熱処理において容易
に均質化できるためである。溶融体の冷却は溶融体を鋳
型や冷却体に注入又は接触させて行うが、大量の溶融体
を処理する場合は、鋳型の吸放熱だけでなく鋳型を強制
水冷して行う。
ここで、溶融体を少なくとも950℃まで冷却することと
した理由は、950℃以上では充分凝固しないためであ
る。
本発明において、上記凝固体をO2含有雰囲気中で400〜9
50℃の温度範囲で10分以上加熱処理する理由は、凝固体
中に超電導体相を最大限に生成せしめるとともに凝固冷
却時の有害な熱歪を除去するためである。
上記において、加熱処理は溶融体を所定速度で冷却させ
た温度から直接所定の加熱処理温度に保持しても、又一
旦室温に冷却後再加熱してもよい。
成形体を所望寸法に加工したのち加熱処理すると加工歪
が除去される等の付加的効果が得られる。
上記の加熱処理は必要に応じて複数回繰り返され、繰り
返すことにより性能の向上と安定化が計れる。
本発明によるターゲット材は所定形状の鋳型を用いて一
挙に成形できるが、ブロック状の大型鋳塊から所望形状
の板状体等に切り出して用いることもできる。例えば直
径1〜10インチの円柱体に鋳造してこれをスライス状に
切断して用いられる。
本発明の酸化物超電導体用PVD原料は、通常円板状に加
工し、必要に応じて表面研磨して仕上げたのち、Pb−S
n、In、In−Sn等の半田やエポキシ、シリコン等の接着
剤で銅板等のバックプレートに接合してスパッタ装置内
にセットして用いられる。
〔実施例〕
次に本発明を実施例により詳細に説明する。
実施例1 Er2O3、BaCO3、CuOの原料粉末をEr:Ba:Cuが原子比で1:
2:3になるように配合し混合したのち、これを白金るつ
ぼに入れて大気中で1,350℃に加熱溶融し、次いでこれ
を直径4インチの鉄鋳型に注入して成形したのち、O2
有雰囲気中で加熱処理してターゲット材となした。鋳型
は水冷又は空冷して成形時の冷却速度を種々調整した。
従来例1 実施例1と同様に配合した原料を十分混合し、これを大
気中で900℃2H仮焼成したのち、粉砕して直径4インチ
の円板にプレス成型し、次いでこの成型体をO2雰囲気中
で850℃12H加熱焼結しターゲット材となした。
斯くの如くして得たターゲット材について一方の面を研
磨仕上げしてスパッタ照射面とし、これをCu製バックプ
レート上に半田接合してRFマグネトロンスパッタ装置内
にセットし、10-2Torr(Ar:O2=4:1)の雰囲気中で650
℃に保持されたMgO単結晶板(15mm)上に出力300wで
スパッタし、1回当り3時間かけて厚さ1.5μmの膜体
を形成し、これを10回繰り返して厚さ約15μmの超電導
体膜を形成した。この膜体の臨界電流密度(Jc)を液体
N2中(77K)で測定した。
結果は製造条件を併記して第1表に示した。
第1表より明らかなように本発明方法品(1〜4)から
は、従来方法品(7)を用いたものに較べて、相対密度
及びJcが高く標準偏差(σ)が低い値の酸化物超電導体
膜が得られた。特にNo.1,2は加熱処理を繰り返したので
歪が除去されるなどして高い値を示している。比較方法
品のうち成形時の冷却速度が遅いもの(5)又は加熱処
理条件の時間が短いもの(6)からは、Jcがやや低い値
の膜が得られた。
実施例2 Y2O3、BaCO3、CuOの原料粉をY:Ba:Cuが原子比で1:2:3に
なるように配合し混合して、これを大気中で920℃6H仮
焼成したのち、この仮焼粉を粉砕して棒状にプレス成型
し、次いでこれを800℃6H加熱焼結した。しかるのち、
この焼結体を加圧容器内に懸垂し、この焼結体の下端に
赤外線を照射して下端から徐々に溶融し、この溶融体を
約700℃に保持した直径4インチの白金るつぼ中に滴下
して成形したのち、この成形体からスライス板を30枚切
り出し、これらを種々条件で加熱処理してターゲット材
となした。
上記において、溶融滴下に5分を要し、溶融終了後700
℃から400℃まで冷却するのに15分を要した。
上記ターゲット材を用いて実施例1と同じ条件で、MgO
単結晶板上に超電導体膜を形成し、Jcを測定した。
結果は、製造条件を併記して第2表に示した。
第2表より明らかなように本発明方法品(8,9)からは
従来方法品(7)を用いたものに較べ相対密度及びJc
高く、σが低い値の酸化物超電導体が得られた。特に再
加熱処理を施したNo.9は凝固時の熱歪が完全に除去され
又O2の補給等が十分になされ、より優れた結果となって
いる。
本実施例は大型成形体の例であり、高品質のターゲット
材を安定して工業規模で量産できる事が実証された。
以上本発明方法によるPVD原料をスパッタ法のターゲッ
ト材に用いた例について説明したが、他の蒸着法やイオ
ンプレーティング法の蒸発源やターゲット材に用いても
同様の効果が得られることは言うまでもない。
実施例3 実施例1と略同様にして、ターゲット材を作成し、この
作成したターゲット材を用いて成膜し、得られた膜のJc
を測定した。ターゲット材の製造条件と得られた超電導
薄膜の特性を第3表に示す。
第3表から明らかなように、ターゲット材の製造条件が
所定の範囲から外れている(第3表中■印を付して示し
た)比較方法品では、Jc値の低い超電導薄膜しか得られ
ないことが判る。
また、本発明方法品の18、19を見ると、溶融冷却処理時
に雰囲気中の酸素分圧を5気圧以上にして製造されたタ
ーゲット材を用いると、よりJc値の高い超電導薄膜を得
ることができることも判明した。
〔効果〕
以上述べたように本発明によれば、組成及び結晶組織が
厳密にコントロールされた酸化物超電導使用PVD原料を
安定して低コストで量産し得るので、このPVD原料をPVD
法のターゲット材もしくは蒸発源に用いることによりJc
等の特性に優れた高品質の酸化物超電導体が廉価に製造
でき、工業上顕著な効果を奏する。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 H01B 13/00 565 Z H01L 39/24 ZAA

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】酸化物超電導体又はその前駆物質を所定量
    配合し混合したのち、これを加熱溶融し、次いでこの溶
    融体を10℃/sec以上の速度で少なくとも950℃まで冷却
    して、所望の形状に成形加工し、次いでこの成形体を酸
    素分圧が0.2気圧以上の雰囲気中で、400〜950℃の温度
    で10分以上加熱処理することを特徴とする酸化物超電導
    体用PVD原料の製造方法。
  2. 【請求項2】加熱溶融及び冷却成形を酸素分圧が5気圧
    以上の雰囲気中で行うことを特徴とする特許請求の範囲
    第1項記載の酸化物超電導体用PVD原料の製造方法。
  3. 【請求項3】成形体がブロック状からなり、このブロッ
    ク状成形体を2枚以上の板状体に切断し、分割したの
    ち、加熱処理することを特徴とする特許請求の範囲第1
    項記載の酸化物超電導体用PVD原料の製造方法。
JP62310710A 1987-12-08 1987-12-08 酸化物超電導体用pvd原料の製造方法 Expired - Lifetime JPH0764619B2 (ja)

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