DE19913123B4

DE19913123B4 - Kristallwachstumsverfahren für Dünnfilme aus BiSrCaCuO-Oxiden

Info

Publication number: DE19913123B4
Application number: DE19913123A
Authority: DE
Inventors: Shigeki Tsukuba Sakai; Shinji Tsukuba Migita
Original assignee: Agency of Industrial Science and Technology
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 1998-03-27
Filing date: 1999-03-23
Publication date: 2007-09-20
Anticipated expiration: 2019-03-24
Also published as: FR2776675A1; US6183552B1; DE19913123A1; FR2776675B1; JPH11279763A; JP2958455B1

Abstract

Kristallzuchtverfahren für Dünnfilme aus Oxiden, wobei ein Verfahren zur Abscheidung aus der Dampfphase verwendet wird, um Kristalle für einen Bi₂Sr₂Ca_nCu_n+1O_6+2n-Oxid-Dünnfilm ohne Überschuss an Wismut und ohne Mangel an Wismut zu züchten, wobei n eine ganze Zahl gleich 1 oder größer ist, umfassend
einen ersten Schritt, wonach ein Bi₂Sr₂CuO₆-Oxid-Dünnfilm bis zu einer willkürlichen Anzahl an Molekülschichten gezüchtet wird, indem die Wachstumsumgebung auf Bedingungen eingestellt wird, bei denen keine Oxide aus Wismut allein gebildet werden, sondern beabsichtigtes Mehr-Element-Oxid gebildet wird, und wonach der Wachstumsumgebung ein Überschuss an Wismut im Vergleich mit anderen Elementen zugeführt wird, wodurch ein Mangel an Wismut verhindert wird, und wonach überschüssiges Wismut aus dem Dünnfilm verdampft wird,
einen zweiten Schritt, wonach bewirkt wird, dass sich eine Schicht, die Calcium-Atome und Kupfer-Atome jeweils in der Menge von n/2 der Anzahl an Strontium-Atomen, die in dem Bi₂Sr₂CuO₆-Oxid-Dünnfilm enthalten sind, enthält, auf dem Bi₂Sr₂CuO₆-Oxid-Dünnfilm ansammelt, und
einen dritten...

Description

Diese Erfindung betrifft ein Kristallwachstumsverfahren für Dünnfilme aus Oxiden, wobei eine Abscheidung aus der Dampfphase verwendet wird, um Kristalle für Dünnfilme der Oxide Bi₂Sr₂Ca_nCu_n+1O_6+2n aufzuwachsen, wobei n eine ganze Zahl gleich 1 oder größer ist.
Die Oxide Bi₂Sr₂Ca_nCu_n+1O_6+2n, wobei n eine ganze Zahl gleich 1 oder größer ist, können durch Verfahren zur Abscheidung aus der Dampfphase erzeugt werden, und diejenigen, bei denen n 1 bis 4 beträgt, sind als Materialien bekannt, die Supraleitfähigkeit zeigen.
Verfahren zur Herstellung von Dünnfilmen aus Bi₂Sr₂Ca_nCu_n+1O_6+2n-Oxiden, die entwickelt und verwendet worden sind, umfassen Sputtern, Laserablation, Molekularstrahlepitaxie, Chemical Vapor Deposition (CVD) und andere. Es ist anzumerken, daß in der folgenden Beschreibung hinsichtlich Bi₂Sr₂Ca_nCu_n+1O_6+2n n immer eine ganze Zahl gleich 1 oder größer ist, es sei denn, es ist besonders angemerkt.
Wenn Dünnfilme der Oxide Bi₂Sr₂Ca_nCu_n+1O_6+2n gemäß dem Stand der Technik erzeugt werden, ist der Anteil des Elements Wismut, der in die Dünnfilmkristalle eingearbeitet wird, klein und auf Schwankungen der Wachstumstemperatur empfindlich. Aus diesem Grund ist die optimale Wachstumsumgebung auf kleine Bereiche begrenzt, und außerdem ist das Wismut in dem Dünnfilm im Vergleich mit der idealen Oxidzusammensetzung oft nicht ausreichend.
Dies ist ein Hauptproblem beim Kristallwachstum von Dünnfilmen der Oxide Bi₂Sr₂Ca_nCu_n+1O_6+2n, die Wismut als einen Elementarbestandteil enthalten, was ein Haupthindernis für eine Verbesserung der Qualität dieser Dünnfilme wird. Selbst wenn es möglich wäre, Wachstumstemperaturen und Oxidationsgasbedingungen zu finden, die dieses Problem minimieren, wäre dies außerdem auf extrem enge Bedingungen begrenzt, und eine Reproduktion von Dünnfilmen mit dem gleichen Qualitätsniveau wäre schwierig.

Als ein Verfahren zum Lösen dieses Problems ist ein Kristallwachstumsverfahren für Dünnfilme aus Mehr-Element-Oxiden, die Wismut als einen Elementarbestandteil enthalten, bekannt, das beispielsweise in der Beschreibung der veröffentlichten geprüften japanischen Patentanmeldung JP-A-10-158094 offenbart ist. Dieses Verfahren ist ein Kristallwachstumsverfahren für Dünnfilme aus Mehr-Element-Oxiden, die Wismut als einen Bestandteil enthalten, unter Verwendung eines Verfahrens zur Abscheidung aus der Dampfphase, das dadurch gekennzeichnet ist, daß es
ein Kristallwachstumsverfahren für Dünnfilme aus Mehr-Element-Oxiden ist, die Wismut als einen Elementarbestandteil enthalten, wobei die Wachstumsumgebung auf Bedingungen eingestellt ist, bei denen keine Oxide aus Wismut allein gebildet werden, sondern das beabsichtigte Mehr-Element-Oxid gebildet wird, und der Wachstumsumgebung ein Überschuß an Wismut im Vergleich mit den anderen Elementen zugeführt wird, wodurch ein Mangel an Wismut verhindert wird, und zudem überschüssiges Wismut aus dem Dünnfilm verdampft wird.

Mittels dieses Verfahrens kann das Kristallwachstum von Dünnfilmen des Oxids Bi₂Sr₂CuO₆ durchgeführt werden, ohne dass ein Überschuß oder Mangel an Wismut in dem Oxid auftritt.

Jedoch ist die Anwendung dieses Verfahrens auf die Oxide Bi₂Sr₂Ca_nCu_n+1O_6+2n schwierig.

8 zeigt ein Beispiel der Ergebnisse eines Versuchs an dem Kristallwachstum von Dünnfilmen des Oxids Bi₂Sr₂CaCu₂O₈ mittels des zuvor erwähnten herkömmlichen Kristallwachstumsverfahrens. Das heißt, im Fall des Oxids Bi₂Sr₂CuO₆ behält das Wismutgehaltsverhältnis z, selbst wenn die Menge an zugeführtem Wismut vergrößert wird (bis zu einem Zufuhrverhältnis x), einen Wert in der Nähe des Zielwertes von 2, jedoch im Fall des Oxids Bi₂Sr₂CaCu₂O₈, wie es aus 8 deutlich wird, bleibt das Wismutgehaltsverhältnis z nicht bei 2, sondern verändert sich in Richtung 3 zusammen mit der Zunahme der zugeführten Menge an Wismut.

Dies beruht auf der Tatsache, daß in einer Wachstumsumgebung, in der ein Überschuß an Wismut zugeführt wird, gemäß der folgenden chemischen Formel (1) eine chemische Veränderung eintritt: Bi + Bi₂Sr₂CaCu₂O₈ + 1,50 → 1,5[Bi₂(Sr_2/3Ca_1/3)₂CuO₆] + 0,5CuO (1)

Diese chemische Formel (1) bedeutet, daß, weil Bi₂Sr₂CaCu₂O₈ und Bi₂Sr₂CuO₆ ähnliche Kristallstrukturen aufweisen und die chemischen Eigenschaften von Sr und Ca ähnlich sind, ein Bi₂Sr₂CuO₆, das analog durch Bi₂(Sr_2/3Ca_1/3)₂Cu₂O₆ dargestellt ist, erzeugt wird, indem einige der Strontium-Stellen in dem Bi₂Sr₂Cu₂O₆ von Calcium besetzt werden.

Wenn man auf diese Weise versucht, Bi₂Sr₂Ca_nCu_n+1O_6+2n-Oxide mittels des zuvor erwähnten herkömmlichen Kristallwachstumsverfahrens aufzuwachsen, gibt es darin Probleme, daß die Wismut-Zusammensetzung von der Ziel-Zusammensetzung abweicht, was zur Erzeugung von unterschiedlichen Phasen oder dem Niederschlag von Verunreinigungen führt, so daß das Aufwachsen von Dünnfilmen mit hoher Qualität schwierig ist.

Migita et al. (Appl. Phys. Lett. 71, S. 3712 bis 3714) offenbaren ein Verfahren zur Herstellung eines Bi₂Sr₂CuO_y-Dünnfilms durch Molekularstrahlepitaxie. Allerdings weist auch dieses Verfahren die zuvor beschriebenen Nachteile auf.

Die vorliegende Erfindung wurde im Lichte der zuvor erwähnten Probleme vorgeschlagen, und es ist ihr Ziel, ein Kristallwachstumsverfahren für Dünnfilme aus Oxiden zu schaffen, das Dünnfilme aus Bi₂Sr₂Ca_nCu_n+1O_6+2n-Oxiden mit hoher Qualität aufwachsen kann und einen Überschuß oder Mangel an Wismut, das eines seiner Elementarbestandteile ist, verhindert.

Um das vorstehend erwähnte Ziel zu erreichen, stellt diese Erfindung ein Kristallwachstumsverfahren für Dünnfilme aus Oxiden bereit, wobei das Verfahren zur Abscheidung aus der Dampfphase verwendet wird, um Kri stalle für Bi₂Sr₂Ca_nCu_n+1O_6+2n-Oxid-Dünnfilme ohne Überschuss an Wismut und ohne Mangel an Wismut zu züchten, wobei n eine ganze Zahl gleich 1 oder größer ist, umfassend einen ersten Schritt, wonach ein Bi₂Sr₂CuO₆-Oxid-Dünnfilm bis zu einer willkürlichen Anzahl an Molekülschichten gezüchtet wird, indem die Wachstumsumgebung auf Bedingungen eingestellt wird, bei denen keine Oxide aus Wismut allein ge bildet werden, sondern beabsichtigtes Mehr-Element-Oxid gebildet wird, und wonach der Wachstumsumgebung ein Überschuß an Wismut im Vergleich mit anderen Elementen zugeführt wird, wodurch ein Mangel an Wismut verhindert wird, und wonach überschüssiges Wismut aus dem Dünnfilm verdampft wird, einen zweiten Schritt, wonach bewirkt wird, daß sich eine Schicht, die Calcium-Atome und Kupfer-Atome jeweils in der Menge von n/2 der Anzahl an Strontium-Atomen, die in dem Bi₂Sr₂CuO₆-Oxid-Dünnfilm enthalten sind, enthält, auf dem Bi₂Sr₂CuO₆-Oxid-Dünnfilm ansammelt, und einen dritten Schritt, wonach in einem Zustand, in dem die Umgebungstemperatur höher als die Umgebungstemperatur bei dem ersten Schritt eingestellt ist, bewirkt wird, daß der Bi₂Sr₂CuO₆-Oxid-Dünnfilm und die angesammelten Calcium-Atome und Kupfer-Atome reagieren, so daß Kristalle für einen Dünnfilm aus einem Oxid Bi₂Sr₂Ca_nCu_n+1O_6+2n ohne Überschuss an Wismut und ohne Mangel an Wismut gezüchtet werden, wobei n eine ganze Zahl gleich 1 oder größer ist.

Das erfindungsgemäße Kristallwachstumsverfahren umfaßt auch den Fall, daß der erste Schritt, der zweite Schritt und der dritte Schritt wiederholt werden, um mindestens zwei oder mehr Schichten des Dünnfilms aus dem Oxid Bi₂Sr₂Ca_nCu_n+1O_6+2n aufzubauen, wobei n eine ganze Zahl gleich 1 oder größer ist.

Außerdem umfaßt das erfindungsgemäße Kristallwachstumsverfahren auch den Fall, daß unter den zwei oder mehr Schichten des aufgebauten Dünnfilms aus dem Oxid Bi₂Sr₂Ca_nCu_n+1O_6+2n mindestens eine der Schichten einen unterschiedlichen Wert von n als die anderen Schichten aufweist.

Wie es oben beschrieben ist, wird bei dieser Erfindung auf einem Bi₂Sr₂CuO₆-Dünnfilm eine Schicht angesammelt, die Calcium- und Kupfer-Atome jeweils in der Menge von n/2 der Anzahl an Strontium-Atomen, die in diesem Bi₂Sr₂CuO₆ enthalten sind, enthält, und es wird bewirkt, daß diese Atome reagieren, während ein Überschuß oder Mangel an Wismut verhindert wird und somit die Erzeugung von unterschiedlichen Phasen oder ein Niederschlag von Verunreinigungen unterdrückt wird, so daß es möglich ist, einen Bi₂Sr₂Ca_nCu_n+1O_6+2n-Oxid-Dünnfilm mit hoher Qualität zu erhalten.

Die Erfindung wird im folgenden beispielhaft anhand der Zeichnung beschrieben, in dieser ist
1 ein schematisches Schaubild der Vorrichtung, die verwendet wird, um den Dünnfilm aus Oxiden gemäß der vorliegenden Erfindung aufzuwachsen,
2(a) ein erläuterndes Schaubild, das einen Querschnitt des Dünnfilms zeigt, der bei dem ersten Schritt des Wachstumsverfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung gebildet wird,
2(b) ein erläuterndes Schaubild, das einen Querschnitt des Dünnfilms zeigt, der bei dem zweiten Schritt des Wachstumsverfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung gebildet wird,
2(c) ein erläuterndes Schaubild, das einen Querschnitt des Dünnfilms zeigt, der bei dem dritten Schritt des Wachstumsverfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung gebildet wird,
3 ein schematisches erläuterndes Schaubild, das den Dünnfilm aus Oxiden zeigt, der durch die Molekularstrahlepitaxie-Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung gebildet ist,
4 ein Röntgenbeugungsschaubild eines Dünnfilms aus Bi₂Sr₂CaCu₂O₈-Oxid, der aus 10 Molekülschichten besteht,
5 ein Graph, der den elektrischen Widerstand als eine Funktion der Temperatur für einen Dünnfilm aus Bi₂Sr₂CaCu₂O₈-Oxid zeigt, der aus 6 Molekülschichten besteht,
6 ein Röntgenbeugungsschaubild eines Dünnfilms aus Bi₂Sr₂Ca₂Cu₃O₁₀-Oxid, der aus 20 Molekülschichten besteht,
7 ein Graph, der den Zusammenhang zwischen der Wachstumstemperatur und dem Anteil des in den Dünnfilm eingearbeiteten Elements Wismut veranschaulicht, und
8 ein Graph, der den Zusammenhang zwischen dem Verhältnis des zugeführten Wismuts x und dem Wismutgehaltsverhältnis z in dem Dünnfilm veranschaulicht, der gebildet wird, wenn das herkömmliche Kristallwachstumsverfahren verwendet wird, um Kristalle aus einem Dünnfilm aus Bi₂Sr₂CaCu₂O₈-Oxid aufzuwachsen.
An dieser Stelle folgt eine detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die unter Bezugnahme auf die Zeichnung vorgenommen wird.
1 ist ein Schaubild, das schematisch den Aufbau der Vorrichtung zeigt, die verwendet wird, um das Aufwachsen des Dünnfilms gemäß der vorliegenden Erfindung durchzuführen. In der Figur ist eine Vakuumvorrichtung 201 eine Vorrichtung zum Erzeugen des Dünnfilms gemäß der vorliegenden Erfindung mittels Abscheidung aus der Dampfphase. Ein Substrat 202 ist neben einer Heizung 203 in der Nähe eines Randes des Inneren dieser Vakuumvorrichtung 201 angeordnet, so daß die Temperatur des Substrats 202 durch die Heizung 203 derart gesteuert wird, daß die Wachstumstemperatur für den Dünnfilm (die Umgebungstemperatur) erhalten bleibt. Diesem Substrat 202 zugewandt, ist ein Gaseinleitungsmittel 204 zusammen mit Zufuhrmitteln 205, 206, 207 und 208 für die verschiedenen Elemente angeordnet. Das Gaseinleitungsmittel 204 wird verwendet, um Oxidationsgas in das Innere der Vakuumvorrichtung 201 einzuleiten, die die Form eines Rohres annimmt, wie es in der Figur gezeigt ist. Das Oxidationsgas, das hier genannt ist, bezieht sich auf Sauerstoffgas, Ozongas, Gas aus atomarem Sauerstoff, N₂O-Gas, NO₂-Gas, Gas aus ionisiertem Sauerstoff oder eine andere Gasquelle, die den Kristallen des Bi₂Sr₂Ca_nCu_n+1O_6+2n-Oxids Sauerstoff zuführt. Zusätzlich stellt das Zufuhrmittel 205 eine Zufuhr des Elements Wismut bereit, das Zufuhrmittel 206 stellt eine Zufuhr des Elements Strontium bereit, das Zufuhrmittel 207 stellt eine Zufuhr des Elements Calcium bereit, während das Zufuhrmittel 208 eine Zufuhr des Elements Kupfer bereitstellt.
An dieser Stelle folgt eine Erläuterung des Kristallwachstumsverfahrens der vorliegenden Erfindung.
2 ist ein Schaubild, das verwendet wird, um das Kristallwachstumsverfahren für den Dünnfilm aus Bi₂Sr₂Ca_nCu_n+1O_6+2n-Oxid gemäß der vorliegenden Erfindung zu erläutern, wobei 2(a) einen Querschnitt des Dünnfilms zeigt, der bei dem ersten Schritt gebildet wird, 2(b) denjenigen bei dem zweiten Schritt zeigt bzw. 2(c) denjenigen bei dem dritten Schritt zeigt.
Der Dünnfilm aus Bi₂Sr₂Ca_nCu_n+1O_6+2n-Oxid gemäß der vorliegenden Erfindung wird durch Kristallwachstum auf die in den 2(a) bis 2(c) gezeigte Grundlage 301 gebildet. Die Grundlage 301 kann das in 1 gezeigte Substrat 202 selbst sein. In diesem Fall kann die Grundlage 301 SrTiO₃, NdGaO₃, LaAlO₃ oder dergleichen sein, ist jedoch nicht auf diese beschränkt. Zusätzlich kann die Grundlage 301 auch gebildet werden, indem mittels Abscheidung aus der Dampfphase oder dergleichen Dünnfilme auf das Substrat 202 aufgewachsen werden. Im besonderen kann sie auch das Ergebnis des Kristallwachstums des Dünnfilms aus Bi₂Sr₂Ca_nCu_n+1O_6+2n-Oxid gemäß der vorliegenden Erfindung sein, so daß es durch Wiederholen dieses Verfahrens möglich ist, einen Dünnfilm aus Bi₂Sr₂Ca_nCu_n+1O_6+2n-Oxid auf die gewünschte Dicke aufzuwachsen, oder daß es auch möglich ist, Schichten aus Dünnfilmen aufzubauen, die jeweils eine unterschiedliche ganze Zahl n aufweisen, wie es gemäß dem Entwurf gewünscht ist. Wenn die Grundlage 301 Gitterkonstanten aufweist, die nahe bei denjenigen des Kristallgitters des Bi₂Sr₂Ca_nCu_n+1O_6+2n-Oxids liegen, ist dies dann besonders gut zur Verbesserung der Qualität des Kristallwachstums, und außerdem wird eine wechselseitige Diffusion von Atomen mit dem Bi₂Sr₂Ca_nCu_n+1O_6+2n-Oxid verringert, so daß die Qualität des Kristallwachstums verbessert ist, und deshalb ist dies vorzuziehen.
Als erster Schritt wird auf diese Grundlage 301 ein Dünnfilm gemäß dem Kristallwachstumsverfahren für Dünnfilme aus Mehr-Element-Oxiden, die Wismut als einen Elementarbestandteil enthalten, das in der veröffentlichten, geprüften japanischen Patentanmeldung JP-A-10-158094 offenbart ist, gezüchtet. Das heißt, die Wachstumsumgebung wird auf Bedingungen eingestellt, bei denen keine Oxide von Wismut allein gebildet werden, sondern das beabsichtigte Mehr-Element-Oxid gebildet wird, und der Wachstumsumgebung ein Überschuß an Wismut im Vergleich mit den anderen Elementen zugeführt wird, wodurch ein Mangel an Wismut verhindert wird, und zudem überschüssiges Wismut aus dem Dünnfilm verdampft wird. Dadurch wird ein Dünnfilm aus dem Mehr-Element-Oxid Bi₂Sr₂CuO₆ 302 gezüchtet. Das Aussehen am Ende dieses ersten Schritts ist in 2(a) gezeigt.
In Hinblick auf die Dünnfilm-Produktionsvorrichtung von 1 wird das Zufuhrmittel 207 bei dem ersten Schritt nicht verwendet, und es wird keine Zufuhr von Calcium durchgeführt.
Als nächstes wird beim zweiten Schritt auf den Dünnfilm aus Bi₂Sr₂CuO₆, der bei dem ersten Schritt gebildet worden ist, eine Schicht angesammelt, die Calcium-Atome in der Menge von n/2 der Anzahl an Strontium-Atomen, die in diesem Bi₂Sr₂CuO₆-Dünnfilm 302 enthalten sind, und Kupfer-Atome in der ähnlichen Menge von n/2 enthält, so daß eine Atomansammlungsschicht 303 gebildet wird. Das Aussehen am Ende dieses zweiten Schritts ist in 2(b) gezeigt. Diese Atomansammlungsschicht 303 aus Calcium und Kupfer kann gebildet werden, indem Schichten aus Calcium und Kupfer abgewechselt werden oder sie kann in einem gemischten Zustand angesammelt werden, und der Grad der Oxidation der Atomansammlungsschicht 303 ist kein Problem.
In Hinblick auf die Dünnfilm-Produktionsvorrichtung von 1 werden bei Schritt 2 Calcium und Kupfer unter Verwendung der Zufuhrmittel 207 und 208 zugeführt, während die Zufuhrmittel 205 und 206 nicht verwendet werden, so daß die Zufuhr von Wismut und Strontium nicht durchgeführt wird.
Bei dem dritten Schritt von 2(c) wird bewirkt, daß der Bi₂Sr₂CuO₆-Dünnfilm 302 und das Calcium und Kupfer der Atomansammlungsschicht 303 reagieren, so daß der beabsichtigte Bi₂Sr₂Ca_nCu_n+1O_6+2n-Oxid-Dünnfilm 304 aufgewachsen wird. Die chemische Reaktion bei diesem dritten Schritt wird durch die folgende chemische Formel (2) ausgedrückt: Bi₂Sr₂CuO₆ + nCa + nCu + 2nO --> Bi₂Sr₂Ca_nCu_n+1O_6+2n (2)
Die Umgebungstemperatur (Temperatur des Substrats 202 oder der Grundlage 301) bei dem ersten, dem zweiten und dem dritten Schritt braucht während der jeweiligen Wachstumsschritte nicht auf einem konstanten Wert gehalten werden.
Wenn die Umgebungstemperatur bei dem ersten und dem dritten Schritt T1 bzw. T3 sei, wird dann T3 bei dieser Ausführungsform höher als T1 eingestellt.
Zusätzlich kann die Menge des Bi₂Sr₂CuO₆-Dünnfilms 302 bei dem ersten Schritt irgendeine geeignete Menge sein, da sie dick aus beispielsweise 5 Molekülschichten ausgebildet werden kann. Zusätzlich braucht sie kein ganzzahliges Vielfaches der Anzahl an Molekülschichten sein, da sie beispielsweise 8,7 Molekülschichten betragen kann. Hier beträgt die Dicke einer Molekülschicht nährungsweise 1,2 nm oder die Hälfte der c-Achsen-Länge des Bi₂Sr₂CuO₆, wenn es auf die Dicke eines perfekt ebenen Films umgewandelt worden ist.
Wenn zusätzlich die Menge des Bi₂Sr₂CuO₆-Dünnfilms 302, der bei dem ersten Schritt gebildet wird, derart eingerichtet wird, daß sie eine Molekülschicht ergibt, tritt dann nur eine geringe Menge an Reaktion bei dem dritten Schritt ein, so daß die Zeit, die für das Kristallwachstum erforderlich ist, reduziert sein kann.
An dieser Stelle folgt eine genauere Erläuterung des vorstehend erwähnten Kristallwachstumsverfahrens.
3 ist ein schematisches Schaubild, das die Ausgestaltung einer Vorrichtung in dem Fall zeigt, daß die Vorrichtung, die für die Ausscheidung aus der Dampfphase des Bi₂Sr₂Ca_nCu_n+1O_6+2n-Oxids gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wird, eine Molekularstrahlepitaxie-Vorrichtung ist. In der Figur sind Bestandteilen, die mit jenen in 1 identisch sind, die gleichen Bezugszeichen gegeben worden, und ihre Erläuterung ist weggelassen.
Bei dem Molekularstrahlepitaxie-Verfahren wird eine Effusionszelle 401 verwendet, die einen atomaren Fluß erzeugt, so daß das Wismut und andere Elementarbestandteile jeweils unabhängig zugeführt werden. Ein Verschluß oder Shutter 402 ist am Auslaß dieser Effusionszelle 401 vorgesehen. Die Steuerung des atomaren Flusses wird erreicht, indem die Öffnung dieses Verschlusses 402 und die Zeitdauer, die dieser offen ist, eingestellt werden, und indem die Temperatur der Effusionszelle 401 eingestellt wird.
Zusätzlich kann eine über eine Elektronenkanone beheizte Zelle statt dieser Effusionszelle 401 für Elemente mit hohen Schmelzpunkten verwendet werden. In diesem Fall wird die Steuerung des atomaren Flusses erreicht, indem der Ausgang der Elektronenkanone eingestellt wird, oder indem die Öffnung eines Verschlusses, der an ihrem Auslaß vorgesehen ist, und die Zeitdauer, die dieser offen ist, eingestellt werden. Es ist anzumerken, daß jedes Mittel zum Zuführen eines atomaren Flusses verwendet werden kann, solange es für das Molekularstrahlepitaxie-Verfahren geeignet ist.
An dieser Stelle folgt eine Beschreibung der Ergebnisse eines Experiments, bei dem die Molekularstrahlepitaxie-Vorrichtung von 3 verwendet wird, um einen Dünnfilm aus Bi₂Sr₂CaCu₂O₈-Oxid zu erzeugen.
Zuerst wird als erster Schritt auf ein Substrat 202 als die Grundlage 301 ein Bi₂Sr₂CuO₆-Oxid-Dünnfilm 302 mittels des vorstehend erwähnten Kristallwachstumsverfahrens für Dünnfilme aus Mehr-Element-Oxiden, die Wismut als einen Elementarbestandteil enthalten, aufgewachsen.
Die Umgebungstemperatur T1 zu dieser Zeit beträgt 720°C. Die Menge des aufgewachsenen Bi₂Sr₂CuO₆-Oxid-Dünnfilms 302 ist so eingerichtet, daß sie eine ein Molekül dicke Schicht ergibt. SrTiO₃ wird als das Substrat 202 verwendet.
Als zweiter Schritt wird, wie es in 2(b) gezeigt ist, eine Schicht, die Calcium-Atome in der Menge von 1/2 der Anzahl an Strontiumatomen, die in dem Bi₂Sr₂CuO₆-Dünnfilm 302 enthalten sind, und Kupfer-Atome in der ähnlichen Menge von 1/2 enthält, angesammelt, um eine Atomansammlungsschicht 303 zu bilden. Die Umgebungstemperatur beträgt zu dieser Zeit 720°C.
Als dritter Schritt wird, wie es in 2(b) gezeigt ist, bewirkt, daß der Bi₂Sr₂CuO₆-Dünnfilm 302 und die Calcium- und Kupfer-Atome der Atomansammlungsschicht 303 reagieren, so daß eine ein Molekül dicke Schicht des Bi₂Sr₂CaCu₂O₈-Oxid-Dünnfilms 304 gezüchtet wird. Die Umgebungstemperatur T3 beträgt zu dieser Zeit 780°C.
Der Bi₂Sr₂CaCu₂O₈-Oxid-Dünnfilm, der derart auf das Substrat 202 aufgewachsen ist, wird als die Grundlage verwendet, um den Prozeß bei den obigen ersten bis dritten Schritten erneut durchzuführen und somit eine weitere ein Molekül dicke Schicht des Bi₂Sr₂CaCu₂O₈-Oxid-Dünnfilms aufzuwachsen. Dadurch wird eine 2 Moleküle dicke Schicht des Bi₂Sr₂CaCu₂O₈-Oxid-Dünnfilms auf das Substrat 202 aufgewachsen. Indem dieser Prozeß wiederholt wird, wird eine 10 Moleküle dicke Schicht des Bi₂Sr₂CaCu₂O₈-Oxid-Dünnfilms auf dem Substrat 202 aufgewachsen. 4 ist ein Röntgenbeugungsschaubild des Bi₂Sr₂CaCu₂O₈-Oxid-Dünnfilms, der aus 10 Molekülschichten besteht. 4 zeigt, daß ein Bi₂Sr₂CaCu₂O₈-Dünnfilm mit nur einer einzigen Phase erzeugt worden war.
Als nächstes wird ein zweites Beispiel erläutert, bei dem die Molekularstrahlepitaxie-Vorrichtung von 3 verwendet wird, um einen Dünnfilm aus Bi₂Sr₂CaCu₂O₈ herzustellen. Bei diesem zweiten Beispiel wird SrTiO₃ als das Substrat 202 verwendet. Die Umgebungstemperaturen zur Zeit des Kristallwachstums sind derart eingestellt, daß die Umgebungstemperatur T1 zur Zeit des ersten Schrittes 680°C beträgt, die Umgebungstemperatur zur Zeit der zweiten Stufe die gleichen 680°C beträgt und die Umgebungstemperatur T3 zur Zeit des dritten Schrittes 780°C beträgt. Es wird eine 6 Moleküle dicke Schicht des Bi₂Sr₂CaCu₂O₈-Oxid-Dünnfilms 304 aufgewachsen. 5 zeigt den elektrischen Widerstand als eine Funktion der Temperatur für den Bi₂Sr₂CaCu₂O₈-Oxid-Dünnfilm, der aus 6 derart erhaltenen Molekülschichten besteht. Man kann sehen, daß die Übergangseigenschaft der Supraleitung des Oxids Bi₂Sr₂CaCu₂O₈ bei der absoluten Temperatur von 70 K auftritt.
Als nächstes werden wir ein drittes Beispiel erläutern, bei dem die Molekularstrahlepitaxie-Vorrichtung von 3 verwendet wird, um einen Dünnfilm aus Bi₂Sr₂Ca₂Cu₃O₁₀-Oxid herzustellen. Bei diesem dritten Beispiel wird SrTiO₃ als das Substrat 202 verwendet. Die Umgebungstemperatur T1 zur Zeit des ersten Schrittes und die Umgebungstemperatur zur Zeit der zweiten Stufe betragen beide 720°C. Die Menge des Dünnfilms aus Bi₂Sr₂CuO₆ 302, der bei dem ersten Schritt aufgewachsen wird, ist derart eingerichtet, daß sie eine ein Molekül dicke Schicht ergibt. Eine Schicht, die Calcium-Atome in der gleichen Menge wie die Anzahl an Strontium-Atomen, die in dem Bi₂Sr₂CuO₆-Dünnfilm 302 enthalten sind, und Kupfer-Atome in einer ähnlichen Menge enthält, wird angesammelt, so daß die Atomansammlungsschicht gebildet wird. Die Umgebungstemperatur T3 zur Zeit des dritten Schrittes beträgt 810°C. Durch 20maliges Wiederholen des Prozesses der obigen ersten bis dritten Schritte, wird eine 20 Moleküle dicke Schicht eines Dünnfilms aus dem Oxid Bi₂Sr₂Ca₂Cu₃O₁₀ erzeugt. 6 ist ein Röntgenbeugungsschaubild des bei diesem dritten Beispiel erzeugten Dünnfilms, das zeigt, daß Bi₂Sr₂Ca₂Cu₃O₁₀ erzeugt worden war.
Wenn die obigen ersten bis dritten Schritte wiederholt werden, um, wie oben beschrieben, Schichten des Dünnfilms aus Bi₂Sr₂Ca_nCu_n+1O_6+2n-Oxiden anzusammen, ist es möglich, Schichten des Dünnfilms aufzubauen, die jeweils eine unterschiedliche ganze Zahl n aufweisen, wie es gemäß dem Entwurf gewünscht ist. Beispielsweise wird, nachdem eine 100 Moleküle dicke Schicht aus Bi₂Sr₂CaCu₂O₈ mit n = 1 angesammelt worden ist, eine ein Molekül dicke Schicht aus Bi₂Sr₂Ca₇Cu₈O₂₀ mit n = 7 angesammelt, und dies wird wiederholt, um eine laminierte Struktur zu bilden. Weil der Dünnfilm des Oxids Bi₂Sr₂CaCu₂O₈ mit n = 1 eine gute Supraleitfähigkeit zeigt und der Dünnfilm des Oxids Bi₂Sr₂Ca₇Cu₈O₂₀ mit n = 7 ein Isolator ist, wenn ein elektrischer Strom durch diese laminierte Struktur geleitet wird, wird der Tunnel-Effekt gezeigt, und so kann diese als eine Tunnel-Einrichtung verwendet werden.
Wie es oben beschrieben ist, wird bei dieser bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung auf einem Bi₂Sr₂CuO₆-Dünnfilm 302 eine Schicht angesammelt, die Calcium-Atome und Kupfer-Atome jeweils in der Menge von n/2 der Anzahl an Strontium-Atomen enthält, die in diesem Bi₂Sr₂CuO₆-Dünnfilm 302 enthalten sind, und es wird bewirkt, daß diese Atome reagieren, so daß ein Bi₂Sr₂Ca_nCu_n+1O_6+2n-Oxid-Dünnfilm 304 aufgewachsen wird. Dadurch ist es möglich, einen Bi₂Sr₂Ca_nCu_n+1O_6+2n-Oxid-Dünnfilm 304 aufzuwachsen, während ein Überschuß oder Mangel an Wismut verhindert wird, das eines seiner Elementarbestandteile ist. Deshalb gibt es beinahe keine Erzeugung von unterschiedlichen Phasen oder keinen Niederschlag von Verunreinigungen, so daß es möglich ist, den Bi₂Sr₂Ca_nCu_n+1O_6+2n-Oxid-Dünnfilm 304 mit hoher Qualität zu erhalten.
Wenn zusätzlich die Menge des Bi₂Sr₂CuO₆-Dünnfilms 302, der bei dem ersten Schritt gebildet wird, derart eingerichtet wird, daß sie eine ein Molekül dicke Schicht ergibt, tritt dann bei dem dritten Schritt nur eine geringe Menge an Reaktion auf, so daß die Zeit, die für das Kristallwachstum erforderlich ist, reduziert werden kann.
Zusätzlich wird auch n auf Werte größer als 1 eingestellt, so daß es möglich ist, den Bi₂Sr₂Ca_nCu_n+1O_6+2n-Oxid-Dünnfilm 304 mit verschiedenen Zusammensetzungsverhältnissen herzustellen und zwar nicht nur Bi₂Sr₂CaCu₂O₈ sondern ebenfalls Bi₂Sr₂Ca₂Cu₃O₁₀, Bi₂Sr₂Ca₃Cu₄O₁₂ und dergleichen. So ist es möglich, einen weiten Bereich von Supraleitungsmaterialien zu schaffen.
Zusätzlich ist bei dieser bevorzugten Ausführungsform die Umgebungstemperatur T3 zur Zeit des dritten Schrittes höher als die Umgebungstemperatur T1 zur Zeit des ersten Schrittes eingestellt, so daß die Reaktion bei dem dritten Schritt beschleunigt wird, wodurch die Zeit verkürzt wird, die für das Kristallwachstum erforderlich ist.
Zusätzlich stellt diese Temperatureinstellung ebenfalls T1 niedriger als T3 ein. Außerdem hat bei dem ersten Schritt der Anteil des Elements Wismut, der in den Bi₂Sr₂CuO₆-Dünnfilm 302 eingearbeitet wird, die Tendenz, größer zu werden, je niedriger die Wachstumstemperatur (Umgebungstemperatur) wird. Deshalb kann durch Einstellen einer niedrigen Wachstumstemperatur (Umgebungstemperatur) T1 bei dem ersten Schritt der Anteil an Wismut, der in den Dünnfilm eingearbeitet wird, erhöht werden, so daß die Zeit, die für das Kristallwachstum erforderlich ist, von diesem Punkt aus verkürzt werden kann.
Die Menge des Bi₂Sr₂CuO₆-Dünnfilms 302, der bei dem ersten Schritt gebildet wird, kann auf irgendeine geeignete Menge eingestellt werden. Beispielsweise kann eine dicke Schicht, die 5 Moleküle dick ist, gebildet werden, um die Dicke des Dünnfilms aus Bi₂Sr₂Ca_nCu_n+1O_6+2n-Oxid zu erhöhen. Deshalb kann im Fall der Oxide mit n = 1 bis 4, die Supraleitfähigkeit zeigen, ein noch größerer Supraleitungsstrom transportiert werden, so daß der Bereich der praktischen Anwendung erweitert werden kann.
Zusätzlich werden durch Wiederholen des ersten, des zweiten und des dritten Schrittes Schichten aus Bi₂Sr₂Ca_nCu_n+1O_6+2n-Oxid-Dünnfilm 304 aufgebaut, so daß im Fall der Oxide mit n = 1 bis 4, die Supraleitfähigkeit zeigen, ein noch größerer Supraleitungsstrom transportiert werden kann, so daß der Bereich der praktischen Anwendung auf die gleiche Weise ausgedehnt werden kann, wie im obigen Fall der Vergrößerung der Dicke des Dünnfilms.
Außerdem weist unter den zwei oder mehr aufgebauten Schichten aus Bi₂Sr₂Ca_nCu_n+1O_6+2n-Oxid-Dünnfilm 304 mindestens eine Schicht einen unterschiedlichen Wert von n als die anderen Schichten auf, so daß es durch Verändern dieses Werts von n möglich ist, abwechselnde Schichten aus Halbleiter und Isolator beispielsweise aufzubauen, so daß eine laminierte Struktur, die den Tunnel-Effekt zeigt, erzeugt werden kann.
Bei der vorstehenden Erläuterung wurde Molekularstrahlepitaxie als das Verfahren zur Abscheidung aus der Dampfphase zum Aufwachsen des Bi₂Sr₂Ca_nCu_n+1O_6+2n-Oxid-Dünnfilms 304 gemäß der vorliegenden Erfindung angenommen, jedoch können ebenfalls andere Verfahren zur Abscheidung aus der Dampfphase verwendet werden, beispielsweise Laserablation, Sputtern oder Chemical Vapor Deposition (CVD).
Das heißt, in dem Fall, daß Laserablation verwendet wird, um einen Dünnfilm aufzuwachsen, wird ein Target aus festem Material mit Laserlicht in einer Vakuumvorrichtung bestrahlt, um den Abtrag des Rohmaterials einzuleiten, und es wird bewirkt, daß sich die ausgestoßenen Teilchen auf einem Substrat ansammeln, so daß ein Dünnfilm gebildet wird. Während das bei Molekularstrahlepitaxie verwendete Oxidationsgas zugeführt wird, wird als erster Schritt das Verhältnis der Laserbestrahlung des Wismut-Targets im Vergleich mit demjenigen von Targets aus anderen Materialien in dem Fall erhöht, daß getrennte Targets aus Rohmaterialelementen verwendet werden, oder das Mischungsverhältnis von Wismut wird in der Rohmaterialmischung in dem Fall erhöht, daß ein Target, das aus einer Mischung aus Rohmaterialien hergestellt ist, verwendet wird, wodurch ein Bi₂Sr₂CuO₆-Oxid-Dünnfilm 302 aufgewachsen wird. Als zweiter Schritt wird durch Verwenden getrennter Targets aus Calcium und Kupfer oder eines gemischten Targets aus Calcium und Kupfer und Bestrahlen dieser Targets mit Laserlicht eine Schicht, die Calcium-Atome in der Menge von n/2 der Anzahl an Strontium-Atomen, die in dem Bi₂Sr₂CuO₆-Dünnfilm 302 enthalten sind, und Kupfer-Atome in einer ähnlichen Menge enthält, angesammelt, so daß eine Atomansammlungsschicht 303 auf diesem Bi₂Sr₂CuO₆-Dünnflm 302 gebildet wird. Als dritter Schritt wird bewirkt, daß der Bi₂Sr₂CuO₆-Dünnfilm 302 und die Calcium- und Kupfer-Atome der Atomansammlungsschicht 303 reagieren, so daß Bi₂Sr₂Ca_nCu_n+1O_6+2n-Oxid 304 gebildet wird.
Zusätzlich treffen in dem Fall, daß Sputtern verwendet wird, um einen Dünnfilm aufzuwachsen, Ionen oder andere Teilchen mit hoher kinetischer Energie auf ein Target aus festem Material in einer Vakuumvorrichtung, und es wird bewirkt, daß sich das zur Zeit des Zusammenstosses weggesputterte Rohmaterial auf einem Substrat ansammelt, so daß ein Dünnfilm gebildet wird. Während das Oxidationsgas wie im obigen Fall zugeführt wird, wird als erster Schritt das Sputter-Verhältnis des Wismut-Targets im Vergleich mit demjenigen von Targets aus anderen Materialien in dem Fall erhöht, daß getrennte Targets aus Rohmaterialelementen verwendet werden, oder das Mischungsverhältnis von Wismut wird in der Rohmaterialmischung in dem Fall erhöht, daß ein Target, das aus einer Mischung aus Rohmaterialien hergestellt ist, verwendet wird, wodurch ein Bi₂Sr₂CuO₆-Oxid-Dünnfilm 302 aufgewachsen wird. Als zweiter Schritt wird durch Verwenden getrennter Targets aus Calcium und Kupfer oder gemischter Targets aus Calcium und Kupfer und Sputtern dieser Targets eine Schicht, die Calcium-Atome in der Menge von n/2 der Anzahl an Strontiumatomen, die in dem Bi₂Sr₂CuO₆-Dünnfilm 302 enthalten sind, und Kupfer-Atome in einer ähnlichen Menge enthält, angesammelt, so daß eine Atomansammlungsschicht 303 auf diesem Bi₂Sr₂CuO₆-Dünnfilm 302 gebildet wird. Als dritter Schritt wird bewirkt, daß der Bi₂Sr₂CuO₆-Dünn film 302 und die Calcium- und Kupfer-Atome der Atomansammlungsschicht 303 reagieren, so daß Bi₂Sr₂Ca_nCu_n+1O_6+2n-Oxid 304 gebildet wird.
Außerdem wird in dem Fall, daß CVD verwendet wird, um einen Dünnfilm auf ein Substrat durch die chemischen Reaktionen von Rohmaterialien, die in gasförmigem Zustand in die Vakuumvorrichtung geschickt werden, aufzuwachsen, als erster Schritt das Wismut-Rohmaterial in die Vakuumvorrichtung für eine längere Zeit als diejenige der anderen Materialien zugeführt, oder die Menge an zugeführten Wismut-Rohmaterialien wird so eingerichtet, daß sie größer als diejenige der anderen Rohmaterialien ist, wodurch ein Bi₂Sr₂CuO₆-Oxid-Dünnfilm 302 aufgewachsen wird. Als zweiter Schritt wird durch getrenntes oder gleichzeitiges Zuführen der Rohmaterialien für Calcium und Kupfer eine Schicht, die Calcium-Atome in der Menge von n/2 der Anzahl an Strontium-Atomen, die ihm dem Bi₂Sr₂CuO₆-Dünnfilm 302 enthalten sind, und Kupfer-Atome in einer ähnlichen Menge enthält, angesammelt, so daß eine Atomansammlungsschicht 303 auf diesem Bi₂Sr₂CuO₆-Dünnfilm 302 gebildet wird. Als dritter Schritt wird bewirkt, daß der Bi₂Sr₂CuO₆-Dünnfilm 302 und die Calcium- und Kupfer-Atome der Atomansammlungsschicht 303 reagieren, so daß das Bi₂Sr₂Ca_nCu_n+1O_6+2n-Oxid 304 gebildet wird.
Die vorliegende Erfindung, die die vorstehend erwähnte Zusammensetzung aufweist, kann die günstigen Auswirkungen zeigen, die wie folgt beschrieben werden.
Zuerst wird erfindungsgemäß auf einem Bi₂Sr₂CuO₆-Oxid-Dünnfilm eine Schicht angesammelt, die Calcium-Atome und Kupfer-Atome jeweils in der Menge von n/2 der Anzahl an Strontium-Atomen enthält, die in diesem Bi₂Sr₂CuO₆-Oxid-Dünnfilm enthalten sind, und es wird bewirkt, daß diese Atome reagieren, so daß ein Bi₂Sr₂Ca_nCu_n+1O_6+2n-Oxid-Dünnfilm aufgewachsen wird. Deshalb ist es möglich, einen Bi₂Sr₂Ca_nCu_n+1O_6+2n-Oxid-Dünnfilm aufzuwachsen, während ein Überschuß oder Mangel an Wismut verhindert wird, das eines seiner Elementarbestandteile ist. Deshalb gibt es beinahe keine Erzeugung von unterschiedlichen Phasen oder keinen Niederschlag von Verunreinigungen, so daß es möglich ist, einen Bi₂Sr₂CaCu₂O₈-Oxid-Dünnfilm 304 mit hoher Qualität zu erhalten.
Zusätzlich ist die Umgebungstemperatur zur Zeit des dritten Schrittes höher als die Umgebungstemperatur zur Zeit des ersten Schrittes eingestellt, so daß die Reaktion bei dem dritten Schritt beschleunigt wird, wodurch die Zeit verkürzt wird, die für das Kristallwachstum erforderlich ist.
Diese Temperatureinstellung stellt ebenfalls die Umgebungstemperatur zur Zeit des ersten Schrittes niedriger als die Umgebungstemperatur zur Zeit des dritten Schrittes ein. Bei dem ersten Schritt hat der Anteil des Elements Wismut, der in den Bi₂Sr₂CuO₆-Oxid-Dünnfilm eingearbeitet wird, eine Tendenz, höher zu werden, je niedriger die Wachstumstemperatur wird. Deshalb kann durch Einstellen einer niedrigen Wachstumstemperatur bei dem ersten Schritt der Anteil an Wismut, der in den Dünnfilm eingearbeitet wird, erhöht werden, so daß die Zeit, die für das Kristallwachstum erforderlich ist, von diesem Punkt aus verkürzt werden kann.
Außerdem kann die Menge des Bi₂Sr₂CuO₆-Dünnfilms, der bei dem ersten Schritt gebildet wird, auf irgendeine geeignete Menge eingestellt werden. Beispielsweise kann eine dicke Schicht, die 5 Moleküle oder 8,7 Moleküle dick ist, gebildet werden, um die Dicke des Dünnfilms aus Bi₂Sr₂Ca_nCu_n+1O_6+2n-Oxid zu erhöhen. Deshalb kann ein noch größerer Supraleitungsstrom transportiert werden, so daß der Bereich der praktischen Anwendung erweitert werden kann.
Zusätzlich werden bei der vorliegenden Erfindung durch Wiederholen des ersten, des zweiten und es dritten Schrittes Schichten aus Bi₂Sr₂Ca_nCu_n+1O_6+2n-Oxid-Dünnfilm aufgebaut, so daß ein noch größerer Supraleitungsstrom transportiert werden kann, so daß der Bereich der praktischen Anwendung auf die gleiche Weise wie im obigen Fall der Vergrößerung der Dicke des Dünnfilms erweitert werden kann.
Außerdem weist unter den zwei oder mehr aufgebauten Schichten aus Bi₂Sr₂Ca_nCu_n+1O_6+2n-Oxid-Dünnfilm 304 mindestens eine Schicht einen von den anderen Schichten verschiedenen Wert von n auf, so daß es durch Verändern dieses Wertes von n möglich ist, abwechselnde Schichten aus Supraleiter und Isolator beispielsweise aufzubauen, so daß eine laminierte Struktur, die den Tunnel-Effekt zeigt, erzeugt werden kann.
Zusammengefaßt umfaßt ein Kristallwachstumsverfahren für Dünnfilme aus Oxiden, bei dem ein Verfahren zur Abscheidung aus der Dampfphase verwendet wird, um Kristalle aus Bi₂Sr₂Ca_nCu_n+1O_6+2n-Oxid-Dünnfilm ohne Überschuss an Wismut und ohne Mangel an Wismut zu züchten, wobei n eine ganze Zahl gleich 1 oder größer ist, einen ersten Schritt, wonach ein Bi₂Sr₂CuO₆-Oxid-Dünnfilm bis zu einer willkürlichen Anzahl an Molekülschichten gezüchtet wird, indem die Wachstumsumgebung auf Bedingungen eingestellt wird, bei denen keine Oxide aus Wismut allein gebildet werden, sondern beabsichtigtes Mehr-Element-Oxid gebildet wird, und wonach der Wachstumsumgebung ein Überschuß an Wismut im Vergleich mit anderen Elementen zugeführt wird, wodurch ein Mangel an Wismut verhindert wird, und wonach überschüssiges Wismut aus dem Dünnfilm verdampft wird, einen zweiten Schritt, wonach bewirkt wird, daß sich eine Schicht, die Calcium-Atome und Kupfer-Atome jeweils in der Menge von n/2 der Anzahl an Strontium-Atomen, die in dem Bi₂Sr₂CuO₆-Oxid-Dünnfilm enthalten sind, auf dem Bi₂Sr₂CuO₆-Oxid-Dünnfilm ansammelt, und einen dritten Schritt, wonach in einem Zustand, in dem die Umgebungstemperatur höher als die Umgebungstemperatur bei dem ersten Schritt eingestellt ist, bewirkt wird, daß der Bi₂Sr₂CuO₆-Oxid-Dünnfilm und die angesammelten Calcium-Atome und Kupfer-Atome reagieren, so daß Kristalle für einen Dünnfilm aus einem Oxid Bi₂Sr₂Ca_nCu_n+1O_6+2n ohne Überschuss an Wismut und ohne Mangel an Wismut gezüchtet werden, wobei n eine ganze Zahl gleich 1 oder größer ist.

Claims

Kristallzuchtverfahren für Dünnfilme aus Oxiden, wobei ein Verfahren zur Abscheidung aus der Dampfphase verwendet wird, um Kristalle für einen Bi₂Sr₂Ca_nCu_n+1O_6+2n-Oxid-Dünnfilm ohne Überschuss an Wismut und ohne Mangel an Wismut zu züchten, wobei n eine ganze Zahl gleich 1 oder größer ist, umfassend einen ersten Schritt, wonach ein Bi₂Sr₂CuO₆-Oxid-Dünnfilm bis zu einer willkürlichen Anzahl an Molekülschichten gezüchtet wird, indem die Wachstumsumgebung auf Bedingungen eingestellt wird, bei denen keine Oxide aus Wismut allein gebildet werden, sondern beabsichtigtes Mehr-Element-Oxid gebildet wird, und wonach der Wachstumsumgebung ein Überschuss an Wismut im Vergleich mit anderen Elementen zugeführt wird, wodurch ein Mangel an Wismut verhindert wird, und wonach überschüssiges Wismut aus dem Dünnfilm verdampft wird, einen zweiten Schritt, wonach bewirkt wird, dass sich eine Schicht, die Calcium-Atome und Kupfer-Atome jeweils in der Menge von n/2 der Anzahl an Strontium-Atomen, die in dem Bi₂Sr₂CuO₆-Oxid-Dünnfilm enthalten sind, enthält, auf dem Bi₂Sr₂CuO₆-Oxid-Dünnfilm ansammelt, und einen dritten Schritt, wonach in einem Zustand, in dem die Umge bungstemperatur höher als die Umgebungstemperatur bei dem ersten Schritt eingestellt ist, bewirkt wird, dass der Bi₂Sr₂CuO₆-Oxid-Dünnfilm und die angesammelten Calcium-Atome und Kupfer-Atome reagieren, so dass Kristalle für einen Dünnfilm aus einem Oxid Bi₂Sr₂Ca_nCu_n+1O_6+2n ohne Überschuss an Wismut und ohne Mangel an Wismut gezüchtet werden, wobei n eine ganze Zahl gleich 1 oder größer ist.
Kristallzuchtverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Schritt, der zweite Schritt und der dritte Schritt wiederholt werden, um zwei oder mehr Schichten des Dünnfilms aus dem Oxid Bi₂Sr₂Ca_nCu_n+1O_6+2n aufzubauen, wobei n eine ganze Zahl gleich 1 oder größer ist.
Kristallzuchtverfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass unter den zwei oder mehr Schichten des Dünnfilms aus dem aufgebauten Oxid Bi₂Sr₂Ca_nCu_n+1O_6+2n mindestens eine der Schichten einen von den anderen Schichten verschiedenen Wert von n aufweist.
Kristallzuchtverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren zur Abscheidung aus der Dampfphase Molekularstrahlepitaxie ist.
Kristallzuchtverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren zur Abscheidung aus der Dampfphase Laserablation ist.
Kristallzuchtverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren zur Abscheidung aus der Dampfphase Sputtern ist.
Kristallzuchtverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren zur Abscheidung aus der Dampfphase Chemical Vapor Deposition ist.