JP2004327515A - 酸化物超伝導薄膜装置の製造方法および酸化物超伝導薄膜装置 - Google Patents
酸化物超伝導薄膜装置の製造方法および酸化物超伝導薄膜装置 Download PDFInfo
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Abstract
【課題】バッファ層を厚膜にしても良好なｃ軸配向の酸化物超伝導薄膜の形成を行うことができる酸化物超伝導薄膜装置の製造方法を提供する。
【解決手段】厚膜のＣｅＯ２ 第１バッファ層２には、（１１１）ファセットが形成され、その上に堆積したＳｍ２ Ｏ３ 第２バッファ層４は、ＣｅＯ２ より１桁以上小さい結晶粒となって成長する。この微細な結晶粒上にＥＢＣＯ薄膜５を成長させる。このような理想的な結晶粒からなる超伝導薄膜は、超伝導臨界温度（Ｔｃｅ）は勿論のこと、超伝導臨界電流密度（Ｊｃ）は非常に大きいものとなる。
【選択図】 図１
【解決手段】厚膜のＣｅＯ２ 第１バッファ層２には、（１１１）ファセットが形成され、その上に堆積したＳｍ２ Ｏ３ 第２バッファ層４は、ＣｅＯ２ より１桁以上小さい結晶粒となって成長する。この微細な結晶粒上にＥＢＣＯ薄膜５を成長させる。このような理想的な結晶粒からなる超伝導薄膜は、超伝導臨界温度（Ｔｃｅ）は勿論のこと、超伝導臨界電流密度（Ｊｃ）は非常に大きいものとなる。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、酸化物超伝導薄膜装置の製造方法に係り、特に、その酸化物超伝導薄膜用複合バッファ層付きサファイア基板の製造方法および酸化物超伝導薄膜装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
酸化物超伝導薄膜の実用素子への応用においては、高品質の大型薄膜が必要である。中でも電流が膜面内に平行に流れるマイクロ波素子等では、ｃ軸配向の単結晶薄膜が適用される。これは、酸化物超伝導体が大きな異方性を持つからである。上記したように、超伝導薄膜の大型基板として、機械的、物理的、また、経済的に優れた特徴を持つサファイア基板が有望視されている。
【０００３】
しかしながら、サファイア基板は、▲１▼酸化物超伝導体と薄膜形成温度で反応すること、▲２▼サファイアは六方晶構造を持つため、長方形状のユニットを持つＲ面（５．１２Å×４．７６Å）が基板として使用されるが、Ｒ面サファイアは、Ｙ系超伝導薄膜と相当の格子不整合率を持つこと、▲３▼熱膨張差が無視できないこと等の欠点を有する。
【０００４】
▲１▼の酸化物超伝導体と薄膜形成温度で反応するという欠点に対しては、バッファ層としてＣｅＯ２ が用いられている。このＣｅＯ２ バッファ層により、反応層の形成を防止でき、ＣｅＯ２ の膜厚が３０−４００Åの領域で高い超伝導臨界温度（Ｔｃ）を示す結晶相（高Ｔｃ相）のＹ系酸化物薄膜が成長することが分かっている。ＣｅＯ２ の膜厚を厚くし、傾斜層の効果を付与できるならば、▲２▼のＲ面サファイアがＹ系超伝導薄膜と相当の格子不整合率を持つといった欠点と同時に▲３▼のＹ系超伝導薄膜との熱膨張差が無視できないといった欠点も改善できることになる。
【０００５】
しかし、この方法に従いＣｅＯ２ バッファ層を厚くすると、ＣｅＯ２ の結晶粒はカマボコ状に成長するため、その上では、Ｙ系酸化物超伝導体はｃ軸配向からずれた成長を生じてしまい、超伝導特性が急激に低下するという問題があった。これはＣｅＯ２ の結晶粒が、Ｒ面サファイア基板上では（００１）配向をしているものの、結晶粒の成長方向の斜面に（１１１）面のファセットが顕著に出現するためで、外見的にはカマボコ状の起伏を有する形状が観測される。
【０００６】
これらＣｅＯ２ の結晶粒のファセット発生の抑制に、Ｓｍ２ Ｏ３ からなる第２バッファ層の導入が効果を持つことが明らかにされた。Ｓｍ２ Ｏ３ は、下地の（１１１）ファセットを持つＣｅＯ２ の面上に堆積されると微細な結晶粒となって成長し、ファセットの表面性状を緩和し、その上のＹ系超伝導体のｃ軸配向を正常に成長維持させる作用を有することが分かっている。しかしながら、ＣｅＯ２ 膜厚が厚くなりすぎると、（１１１）ファセットによるカマボコ状の起伏が顕著になり、Ｓｍ２ Ｏ３ の表面改善効果が低下する現象があった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記したように、ＣｅＯ２ 第１バッファ層の（１１１）ファセットは、膜厚の増加とともに顕著になり、表面の起伏が増大する。Ｓｍ２ Ｏ３ 第２バッファ層は、ＣｅＯ２ （１１１）ファセットの成長を抑制するとともに、Ｓｍ２ Ｏ３ の微細結晶粒が形成されることにより、ｃ軸配向の超伝導層の成長を正常に維持する効果を有する。しかし、あまりにＣｅＯ２ 第１バッファ層の起伏が大きくなると、Ｓｍ２ Ｏ３ の上記のような成長表面の改善効果は低下する。既に形成されたＣｅＯ２ （１１１）ファセットを縮小、あるいは起伏を低減させることができれば、Ｓｍ２ Ｏ３ 第２バッファ層は、より薄いＣｅＯ２ 第１バッファ層上に形成した場合と同様に、優れた成長表面改善効果を維持することになる。
【０００８】
そこで本発明は、ＣｅＯ２ 第１バッファ層を形成したＲ面サファイア基板を、高温で熱処理することによって、（１１１）ファセットの縮小、あるいは表面起伏の減少、又はＣｅＯ２ 第１バッファ層の表面の更なる平坦化を実現し、その上にＳｍ２ Ｏ３ 第２バッファ層を形成することにより、バッファ層を厚膜にしても良好なｃ軸配向の酸化物超伝導薄膜の形成を可能にしたものである。
【０００９】
すなわち、本発明は、上記状況に鑑みて、バッファ層を厚膜にしても良好なｃ軸配向の酸化物超伝導薄膜の形成を行うことができる酸化物超伝導薄膜装置の製造方法および酸化物超伝導薄膜装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕酸化物超伝導薄膜装置の製造方法において、Ｒ面サファイア基板上に５０Åから２０００ÅのＣｅＯ２ 第１バッファ層を成長させる工程と、６００℃から１２００℃で焼鈍する工程と、５０Åから１５００Åの膜厚のＳｍ２ Ｏ３ 第２バッファ層を形成する工程とを順次施すことを特徴とする。
【００１１】
〔２〕酸化物超伝導薄膜装置において、上記〔１〕記載の酸化物超伝導薄膜装置の製造方法によって製造するようにしたものである。
【００１２】
このように、ＣｅＯ２ 第１バッファ層を堆積したＲ面サファイア基板を高温で焼鈍し（６００℃−１２００℃）、その上に、適切な厚さのＳｍ２ Ｏ３ を第２バッファ層として成長させた複合バッファ層付きサファイア基板を準備する。この熱処理を加えた複合バッファ層付きサファイア基板上では、５００−９００万Ａ／ｃｍ２ の高臨界電流密度のＹ系酸化物超伝導薄膜（ｃ軸配向）をエピタキシャル成長させることが可能である。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００１４】
まず、本発明の第１実施例について説明する。
【００１５】
図１は本発明の第１実施例を示す酸化物超伝導薄膜装置の製造工程断面図である。
【００１６】
（１）図１（ａ）に示すように、Ｒ面サファイア基板１上に、ＣｅＯ２ 焼結ターゲットを用い、Ａｒ＋ ７％Ｏ２ （７Ｐａ）の雰囲気、基板温度（Ｔｓ）６５０℃、電力２００Ｗの成膜条件で、ＲＦマグネトロンスパッタ法により、５００ÅのＣｅＯ２ 第１バッファ層２を成長させた。このＣｅＯ２ 第１バッファ層２をＸ線回折した結果、（００１）配向したエピタキシャル薄膜であった。
【００１７】
（２）この試料を８個に切断し、ａｓ−ｇｒｏｗｎのままのもの以外、図１（ｂ）に示すように、それぞれを、３００℃、５００℃、６００℃、８００℃、１０００℃、１２００℃、１３００℃の焼鈍温度（Ｔａ）において２時間大気中での焼鈍３を行った。
【００１８】
（３）次いで、図１（ｃ）に示すように、これら基板試料に、Ｓｍ２ Ｏ３ 焼結ターゲットを用いて、ＣｅＯ２ 薄膜２の成膜条件と同一の方法で２００Åの膜厚のＳｍ２ Ｏ３ 第２バッファ層４を堆積した。Ｘ線回折の結果、Ｓｍ２ Ｏ３ 第２バッファ層４も（００１）配向していた。
【００１９】
（４）この８個の複合バッファ層付きサファイア基板上に、図１（ｄ）に示すように、ＥｕＢａ２ Ｃｕ３ Ｏ７ （ＥＢＣＯ）焼結ターゲットを用い、基板温度Ｔｓ＝６７０℃、Ａｒ＋ ８％Ｏ２ （８Ｐａ）雰囲気、１６０Ｖで、ＤＣマグネトロンスパッタ法により、１５００ÅのＥＢＣＯ薄膜５を成長させた。このＥＢＣＯ薄膜５は、ｃ軸配向を示した。
【００２０】
この８個の超伝導薄膜試料を、ホトプロセスとウェットエッチングで、１００μｍの線幅の四端子測定パターンに加工した。この加工試料により、直流での超伝導臨界温度Ｔｃｅと７７．３Ｋでの臨界電流密度Ｊｃを測定した。超伝導臨界温度Ｔｃｅはいずれも９０Ｋ以上を示したが、臨界電流密度Ｊｃはそれぞれ焼鈍温度Ｔａによって異なった値を示した。
【００２１】
図２は本発明の第１実施例を示す酸化物超伝導薄膜装置の５００ÅのＣｅＯ２ 第１バッファ層の焼鈍温度による超伝導臨界電流密度Ｊｃ特性図である。
【００２２】
この図２から、焼鈍温度Ｔａが５００℃以下の場合、臨界電流密度Ｊｃは、４００万Ａ／ｃｍ２ （＝４ＭＡ／ｃｍ２ ）を示すことがわかる。この値は、ａｓ−ｇｒｏｗｎのＣｅＯ２ 第１バッファ層２上にＳｍ２ Ｏ３ 第２バッファ層４を形成した基板上で得られる臨界電流密度Ｊｃ値であり、５００℃以下の焼鈍温度Ｔａでは、焼鈍効果は無いことを意味する。焼鈍温度Ｔａが６００−１２００℃では、６００−６５０万Ａ／ｃｍ２ の高い臨界電流密度Ｊｃが得られている。つまり、この焼鈍温度Ｔａの領域では、焼鈍効果があることを示している。焼鈍３により、ＣｅＯ２ 表面の表面粗さは１／５以下に減少し、平坦化されていることが観測された。焼鈍温度Ｔａが１３００℃以上では、臨界電流密度Ｊｃの値は低下した。これは表面の平坦化というよりは、サファイア基板とＣｅＯ２ 第１バッファ層２の一部反応による表面状態の劣化と考えられる。
【００２３】
次に、本発明の第２実施例について説明する。
【００２４】
図３は本発明の第２実施例を示す酸化物超伝導薄膜装置の製造工程断面図である。
【００２５】
（１）図３（ａ）に示すように、第１実施例と同様のスパッタ条件で、Ｒ面サファイア基板１１上に膜厚が３０Åから２５００ÅのＣｅＯ２ 第１バッファ層１２を成長させた種々の膜厚のＣｅＯ２ 第１バッファ層１２付きサファイア基板を作製した。ＣｅＯ２ 第１バッファ層１２はいずれも（００１）配向を示した。
【００２６】
（２）これら全ての基板を図３（ｂ）に示すように、焼鈍温度Ｔａ＝８００℃において２時間、大気中で焼鈍１３した。
【００２７】
（３）その後、図３（ｃ）に示すように、２００ÅのＳｍ２ Ｏ３ 第２バッファ層１４を第１実施例と同様の条件で成長させた。
【００２８】
（４）次に、図３（ｄ）に示すように、１５００ÅのＥＢＣＯ薄膜１５を第１実施例と同じ条件でエピタキシャル成長させた。これら薄膜試料を超伝導臨界温度Ｔｃｅと臨界電流密度Ｊｃの測定用四端子加工パターンに形成し、超伝導特性を調べた。その結果、３０ÅのＣｅＯ２ 第１バッファ層１２では、７７．３Ｋの臨界電流密度Ｊｃは、２００万Ａ／ｃｍ２ であったが、５０Åでは、５００万Ａ／ｃｍ２ 、８０Åでは９００万Ａ／ｃｍ２ の最高値を示し、その後、ＣｅＯ２ 第１バッファ層１２の膜厚の増加により、徐々に減少し、２０００Åでは、６００万Ａ／ｃｍ２ で、それを超えると、３００万Ａ／ｃｍ２ に減少した。
【００２９】
次に、本発明の第３実施例について説明する。
【００３０】
図４は本発明の第３実施例を示す酸化物超伝導薄膜装置の製造工程断面図である。
【００３１】
（１）図４（ａ）に示すように、第１実施例と同様の条件で、膜厚５００ÅのＣｅＯ２ 第１バッファ層２２をＲ面サファイア基板２１上に形成し、図４（ｂ）に示すように、焼鈍温度Ｔａ＝９００℃で２時間、大気中で焼鈍２３した。
【００３２】
（２）次いで、図４（ｃ）に示すように、このＣｅＯ２ 第１バッファ層２２付き基板２１上に、３０Åから２０００Åの種々の膜厚のＳｍ２ Ｏ３ 第２バッファ層２４を第１実施例と同様の条件で成長させた。このＳｍ２ Ｏ３ 第２バッファ層２４は、いずれも（００１）配向をしていた。
【００３３】
（３）この複合バッファ層２２，２４付きサファイア基板２１上に、図４（ｄ）に示すように、１５００ÅのＥＢＣＯ薄膜２５を第１実施例と同様の条件でエピタキシャル成長させた。
【００３４】
これらの超伝導薄膜試料を、１００μｍ線幅の四端子パターンに加工し、超伝導臨界温度Ｔｃｅと臨界電流密度Ｊｃを測定した。その結果、Ｓｍ２ Ｏ３ 第２バッファ層２４の膜厚が３０Åのとき、臨界電流密度Ｊｃは３００万Ａ／ｃｍ２ であったが、５０Åでは、５００万Ａ／ｃｍ２ を示し、２００Åでは、９００万Ａ／ｃｍ２ に達した。その後、Ｓｍ２ Ｏ３ 第２バッファ層２４膜厚の増加と共に減少し、１５００Åでは５００万Ａ／ｃｍ２ であった。この膜厚を超えるとさらに減少し、２０００Åでは、２５０万Ａ／ｃｍ２ であった。
【００３５】
本発明によれば、厚膜のＣｅＯ２ 第１バッファ層には、（１１１）ファセットが形成され、その上に堆積したＳｍ２ Ｏ３ 第２バッファ層は、ＣｅＯ２ より１桁以上小さい結晶粒となって成長する。この微細な結晶粒上に超伝導体を成長させるが、ＣｅＯ２ の（１１１）ファセットが顕著に成長した表面上にＳｍ２ Ｏ３ 第２バッファ層を堆積すると微細結晶粒は、下地ＣｅＯ２ の結晶粒の起伏を無視できなくなり、起伏の影響を受け、歪みを含んだ状態で形成される。その結果、ｃ軸配向の酸化物超伝導体の成長が阻害されることになる。そこで、ａｓ−ｇｒｏｗｎ状態で形成されたファセットのある起伏に富んだ表面を平坦化できれば、その上のＳｍ２ Ｏ３ は歪みのない、平坦に近い状態の微細結晶粒が形成され、さらにその上に堆積させた酸化物超伝導体は、無歪みの結晶粒からなるｃ軸配向薄膜としてエピタキシャル成長する。
【００３６】
特に、Ｒ面サファイア基板上に、２層のバッファ層（ＣｅＯ２ ／Ｓｍ２ Ｏ３ ）を形成するが、ＣｅＯ２ を形成した後、適切な温度で焼鈍処理し、その上にＳｍ２ Ｏ３ を形成したバッファ層上では、５００−７００万Ａ／ｃｍ２ の高電流密度のＹ系超伝導薄膜を成長できる。
【００３７】
このような理想的な結晶粒からなる超伝導薄膜は、超伝導臨界温度（Ｔｃｅ）は勿論のこと、超伝導臨界電流密度（Ｊｃ）も非常に大きいものとなる。
【００３８】
本発明による酸化物超伝導薄膜装置は、移動体通信用の基地局フィルタや大都市に供給する大電力用限流器等への応用が期待されており、将来のＩＴ社会を支えるキー部品に位置づけられるものであり、社会への貢献は大きい。
【００３９】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【００４０】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、ＣｅＯ２ 第１バッファ層付きサファイア基板に焼鈍を施すことにより、その上に形成するＳｍ２ Ｏ３ 第２バッファ層を平坦化することができる。それによって、ＣｅＯ２ 第１バッファ層の厚膜化により（１１１）ファセットが形成されても良好なｃ軸配向の酸化物超伝導薄膜を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例を示す酸化物超伝導薄膜装置の製造工程断面図である。
【図２】本発明の第１実施例を示す酸化物超伝導薄膜装置の５００ÅのＣｅＯ２ 第１バッファ層の焼鈍温度による超伝導臨界電流密度Ｊｃ特性図である。
【図３】本発明の第２実施例を示す酸化物超伝導薄膜装置の製造工程断面図である。
【図４】本発明の第３実施例を示す酸化物超伝導薄膜装置の製造工程断面図である。
【符号の説明】
１，１１，２１ Ｒ面サファイア基板
２，１２，２２ ＣｅＯ２ 第１バッファ層
３，１３，２３ 焼鈍
４，１４，２４ Ｓｍ２ Ｏ３ 第２バッファ層
５，１５，２５ ＥＢＣＯ薄膜
【発明の属する技術分野】
本発明は、酸化物超伝導薄膜装置の製造方法に係り、特に、その酸化物超伝導薄膜用複合バッファ層付きサファイア基板の製造方法および酸化物超伝導薄膜装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
酸化物超伝導薄膜の実用素子への応用においては、高品質の大型薄膜が必要である。中でも電流が膜面内に平行に流れるマイクロ波素子等では、ｃ軸配向の単結晶薄膜が適用される。これは、酸化物超伝導体が大きな異方性を持つからである。上記したように、超伝導薄膜の大型基板として、機械的、物理的、また、経済的に優れた特徴を持つサファイア基板が有望視されている。
【０００３】
しかしながら、サファイア基板は、▲１▼酸化物超伝導体と薄膜形成温度で反応すること、▲２▼サファイアは六方晶構造を持つため、長方形状のユニットを持つＲ面（５．１２Å×４．７６Å）が基板として使用されるが、Ｒ面サファイアは、Ｙ系超伝導薄膜と相当の格子不整合率を持つこと、▲３▼熱膨張差が無視できないこと等の欠点を有する。
【０００４】
▲１▼の酸化物超伝導体と薄膜形成温度で反応するという欠点に対しては、バッファ層としてＣｅＯ２ が用いられている。このＣｅＯ２ バッファ層により、反応層の形成を防止でき、ＣｅＯ２ の膜厚が３０−４００Åの領域で高い超伝導臨界温度（Ｔｃ）を示す結晶相（高Ｔｃ相）のＹ系酸化物薄膜が成長することが分かっている。ＣｅＯ２ の膜厚を厚くし、傾斜層の効果を付与できるならば、▲２▼のＲ面サファイアがＹ系超伝導薄膜と相当の格子不整合率を持つといった欠点と同時に▲３▼のＹ系超伝導薄膜との熱膨張差が無視できないといった欠点も改善できることになる。
【０００５】
しかし、この方法に従いＣｅＯ２ バッファ層を厚くすると、ＣｅＯ２ の結晶粒はカマボコ状に成長するため、その上では、Ｙ系酸化物超伝導体はｃ軸配向からずれた成長を生じてしまい、超伝導特性が急激に低下するという問題があった。これはＣｅＯ２ の結晶粒が、Ｒ面サファイア基板上では（００１）配向をしているものの、結晶粒の成長方向の斜面に（１１１）面のファセットが顕著に出現するためで、外見的にはカマボコ状の起伏を有する形状が観測される。
【０００６】
これらＣｅＯ２ の結晶粒のファセット発生の抑制に、Ｓｍ２ Ｏ３ からなる第２バッファ層の導入が効果を持つことが明らかにされた。Ｓｍ２ Ｏ３ は、下地の（１１１）ファセットを持つＣｅＯ２ の面上に堆積されると微細な結晶粒となって成長し、ファセットの表面性状を緩和し、その上のＹ系超伝導体のｃ軸配向を正常に成長維持させる作用を有することが分かっている。しかしながら、ＣｅＯ２ 膜厚が厚くなりすぎると、（１１１）ファセットによるカマボコ状の起伏が顕著になり、Ｓｍ２ Ｏ３ の表面改善効果が低下する現象があった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記したように、ＣｅＯ２ 第１バッファ層の（１１１）ファセットは、膜厚の増加とともに顕著になり、表面の起伏が増大する。Ｓｍ２ Ｏ３ 第２バッファ層は、ＣｅＯ２ （１１１）ファセットの成長を抑制するとともに、Ｓｍ２ Ｏ３ の微細結晶粒が形成されることにより、ｃ軸配向の超伝導層の成長を正常に維持する効果を有する。しかし、あまりにＣｅＯ２ 第１バッファ層の起伏が大きくなると、Ｓｍ２ Ｏ３ の上記のような成長表面の改善効果は低下する。既に形成されたＣｅＯ２ （１１１）ファセットを縮小、あるいは起伏を低減させることができれば、Ｓｍ２ Ｏ３ 第２バッファ層は、より薄いＣｅＯ２ 第１バッファ層上に形成した場合と同様に、優れた成長表面改善効果を維持することになる。
【０００８】
そこで本発明は、ＣｅＯ２ 第１バッファ層を形成したＲ面サファイア基板を、高温で熱処理することによって、（１１１）ファセットの縮小、あるいは表面起伏の減少、又はＣｅＯ２ 第１バッファ層の表面の更なる平坦化を実現し、その上にＳｍ２ Ｏ３ 第２バッファ層を形成することにより、バッファ層を厚膜にしても良好なｃ軸配向の酸化物超伝導薄膜の形成を可能にしたものである。
【０００９】
すなわち、本発明は、上記状況に鑑みて、バッファ層を厚膜にしても良好なｃ軸配向の酸化物超伝導薄膜の形成を行うことができる酸化物超伝導薄膜装置の製造方法および酸化物超伝導薄膜装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕酸化物超伝導薄膜装置の製造方法において、Ｒ面サファイア基板上に５０Åから２０００ÅのＣｅＯ２ 第１バッファ層を成長させる工程と、６００℃から１２００℃で焼鈍する工程と、５０Åから１５００Åの膜厚のＳｍ２ Ｏ３ 第２バッファ層を形成する工程とを順次施すことを特徴とする。
【００１１】
〔２〕酸化物超伝導薄膜装置において、上記〔１〕記載の酸化物超伝導薄膜装置の製造方法によって製造するようにしたものである。
【００１２】
このように、ＣｅＯ２ 第１バッファ層を堆積したＲ面サファイア基板を高温で焼鈍し（６００℃−１２００℃）、その上に、適切な厚さのＳｍ２ Ｏ３ を第２バッファ層として成長させた複合バッファ層付きサファイア基板を準備する。この熱処理を加えた複合バッファ層付きサファイア基板上では、５００−９００万Ａ／ｃｍ２ の高臨界電流密度のＹ系酸化物超伝導薄膜（ｃ軸配向）をエピタキシャル成長させることが可能である。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００１４】
まず、本発明の第１実施例について説明する。
【００１５】
図１は本発明の第１実施例を示す酸化物超伝導薄膜装置の製造工程断面図である。
【００１６】
（１）図１（ａ）に示すように、Ｒ面サファイア基板１上に、ＣｅＯ２ 焼結ターゲットを用い、Ａｒ＋ ７％Ｏ２ （７Ｐａ）の雰囲気、基板温度（Ｔｓ）６５０℃、電力２００Ｗの成膜条件で、ＲＦマグネトロンスパッタ法により、５００ÅのＣｅＯ２ 第１バッファ層２を成長させた。このＣｅＯ２ 第１バッファ層２をＸ線回折した結果、（００１）配向したエピタキシャル薄膜であった。
【００１７】
（２）この試料を８個に切断し、ａｓ−ｇｒｏｗｎのままのもの以外、図１（ｂ）に示すように、それぞれを、３００℃、５００℃、６００℃、８００℃、１０００℃、１２００℃、１３００℃の焼鈍温度（Ｔａ）において２時間大気中での焼鈍３を行った。
【００１８】
（３）次いで、図１（ｃ）に示すように、これら基板試料に、Ｓｍ２ Ｏ３ 焼結ターゲットを用いて、ＣｅＯ２ 薄膜２の成膜条件と同一の方法で２００Åの膜厚のＳｍ２ Ｏ３ 第２バッファ層４を堆積した。Ｘ線回折の結果、Ｓｍ２ Ｏ３ 第２バッファ層４も（００１）配向していた。
【００１９】
（４）この８個の複合バッファ層付きサファイア基板上に、図１（ｄ）に示すように、ＥｕＢａ２ Ｃｕ３ Ｏ７ （ＥＢＣＯ）焼結ターゲットを用い、基板温度Ｔｓ＝６７０℃、Ａｒ＋ ８％Ｏ２ （８Ｐａ）雰囲気、１６０Ｖで、ＤＣマグネトロンスパッタ法により、１５００ÅのＥＢＣＯ薄膜５を成長させた。このＥＢＣＯ薄膜５は、ｃ軸配向を示した。
【００２０】
この８個の超伝導薄膜試料を、ホトプロセスとウェットエッチングで、１００μｍの線幅の四端子測定パターンに加工した。この加工試料により、直流での超伝導臨界温度Ｔｃｅと７７．３Ｋでの臨界電流密度Ｊｃを測定した。超伝導臨界温度Ｔｃｅはいずれも９０Ｋ以上を示したが、臨界電流密度Ｊｃはそれぞれ焼鈍温度Ｔａによって異なった値を示した。
【００２１】
図２は本発明の第１実施例を示す酸化物超伝導薄膜装置の５００ÅのＣｅＯ２ 第１バッファ層の焼鈍温度による超伝導臨界電流密度Ｊｃ特性図である。
【００２２】
この図２から、焼鈍温度Ｔａが５００℃以下の場合、臨界電流密度Ｊｃは、４００万Ａ／ｃｍ２ （＝４ＭＡ／ｃｍ２ ）を示すことがわかる。この値は、ａｓ−ｇｒｏｗｎのＣｅＯ２ 第１バッファ層２上にＳｍ２ Ｏ３ 第２バッファ層４を形成した基板上で得られる臨界電流密度Ｊｃ値であり、５００℃以下の焼鈍温度Ｔａでは、焼鈍効果は無いことを意味する。焼鈍温度Ｔａが６００−１２００℃では、６００−６５０万Ａ／ｃｍ２ の高い臨界電流密度Ｊｃが得られている。つまり、この焼鈍温度Ｔａの領域では、焼鈍効果があることを示している。焼鈍３により、ＣｅＯ２ 表面の表面粗さは１／５以下に減少し、平坦化されていることが観測された。焼鈍温度Ｔａが１３００℃以上では、臨界電流密度Ｊｃの値は低下した。これは表面の平坦化というよりは、サファイア基板とＣｅＯ２ 第１バッファ層２の一部反応による表面状態の劣化と考えられる。
【００２３】
次に、本発明の第２実施例について説明する。
【００２４】
図３は本発明の第２実施例を示す酸化物超伝導薄膜装置の製造工程断面図である。
【００２５】
（１）図３（ａ）に示すように、第１実施例と同様のスパッタ条件で、Ｒ面サファイア基板１１上に膜厚が３０Åから２５００ÅのＣｅＯ２ 第１バッファ層１２を成長させた種々の膜厚のＣｅＯ２ 第１バッファ層１２付きサファイア基板を作製した。ＣｅＯ２ 第１バッファ層１２はいずれも（００１）配向を示した。
【００２６】
（２）これら全ての基板を図３（ｂ）に示すように、焼鈍温度Ｔａ＝８００℃において２時間、大気中で焼鈍１３した。
【００２７】
（３）その後、図３（ｃ）に示すように、２００ÅのＳｍ２ Ｏ３ 第２バッファ層１４を第１実施例と同様の条件で成長させた。
【００２８】
（４）次に、図３（ｄ）に示すように、１５００ÅのＥＢＣＯ薄膜１５を第１実施例と同じ条件でエピタキシャル成長させた。これら薄膜試料を超伝導臨界温度Ｔｃｅと臨界電流密度Ｊｃの測定用四端子加工パターンに形成し、超伝導特性を調べた。その結果、３０ÅのＣｅＯ２ 第１バッファ層１２では、７７．３Ｋの臨界電流密度Ｊｃは、２００万Ａ／ｃｍ２ であったが、５０Åでは、５００万Ａ／ｃｍ２ 、８０Åでは９００万Ａ／ｃｍ２ の最高値を示し、その後、ＣｅＯ２ 第１バッファ層１２の膜厚の増加により、徐々に減少し、２０００Åでは、６００万Ａ／ｃｍ２ で、それを超えると、３００万Ａ／ｃｍ２ に減少した。
【００２９】
次に、本発明の第３実施例について説明する。
【００３０】
図４は本発明の第３実施例を示す酸化物超伝導薄膜装置の製造工程断面図である。
【００３１】
（１）図４（ａ）に示すように、第１実施例と同様の条件で、膜厚５００ÅのＣｅＯ２ 第１バッファ層２２をＲ面サファイア基板２１上に形成し、図４（ｂ）に示すように、焼鈍温度Ｔａ＝９００℃で２時間、大気中で焼鈍２３した。
【００３２】
（２）次いで、図４（ｃ）に示すように、このＣｅＯ２ 第１バッファ層２２付き基板２１上に、３０Åから２０００Åの種々の膜厚のＳｍ２ Ｏ３ 第２バッファ層２４を第１実施例と同様の条件で成長させた。このＳｍ２ Ｏ３ 第２バッファ層２４は、いずれも（００１）配向をしていた。
【００３３】
（３）この複合バッファ層２２，２４付きサファイア基板２１上に、図４（ｄ）に示すように、１５００ÅのＥＢＣＯ薄膜２５を第１実施例と同様の条件でエピタキシャル成長させた。
【００３４】
これらの超伝導薄膜試料を、１００μｍ線幅の四端子パターンに加工し、超伝導臨界温度Ｔｃｅと臨界電流密度Ｊｃを測定した。その結果、Ｓｍ２ Ｏ３ 第２バッファ層２４の膜厚が３０Åのとき、臨界電流密度Ｊｃは３００万Ａ／ｃｍ２ であったが、５０Åでは、５００万Ａ／ｃｍ２ を示し、２００Åでは、９００万Ａ／ｃｍ２ に達した。その後、Ｓｍ２ Ｏ３ 第２バッファ層２４膜厚の増加と共に減少し、１５００Åでは５００万Ａ／ｃｍ２ であった。この膜厚を超えるとさらに減少し、２０００Åでは、２５０万Ａ／ｃｍ２ であった。
【００３５】
本発明によれば、厚膜のＣｅＯ２ 第１バッファ層には、（１１１）ファセットが形成され、その上に堆積したＳｍ２ Ｏ３ 第２バッファ層は、ＣｅＯ２ より１桁以上小さい結晶粒となって成長する。この微細な結晶粒上に超伝導体を成長させるが、ＣｅＯ２ の（１１１）ファセットが顕著に成長した表面上にＳｍ２ Ｏ３ 第２バッファ層を堆積すると微細結晶粒は、下地ＣｅＯ２ の結晶粒の起伏を無視できなくなり、起伏の影響を受け、歪みを含んだ状態で形成される。その結果、ｃ軸配向の酸化物超伝導体の成長が阻害されることになる。そこで、ａｓ−ｇｒｏｗｎ状態で形成されたファセットのある起伏に富んだ表面を平坦化できれば、その上のＳｍ２ Ｏ３ は歪みのない、平坦に近い状態の微細結晶粒が形成され、さらにその上に堆積させた酸化物超伝導体は、無歪みの結晶粒からなるｃ軸配向薄膜としてエピタキシャル成長する。
【００３６】
特に、Ｒ面サファイア基板上に、２層のバッファ層（ＣｅＯ２ ／Ｓｍ２ Ｏ３ ）を形成するが、ＣｅＯ２ を形成した後、適切な温度で焼鈍処理し、その上にＳｍ２ Ｏ３ を形成したバッファ層上では、５００−７００万Ａ／ｃｍ２ の高電流密度のＹ系超伝導薄膜を成長できる。
【００３７】
このような理想的な結晶粒からなる超伝導薄膜は、超伝導臨界温度（Ｔｃｅ）は勿論のこと、超伝導臨界電流密度（Ｊｃ）も非常に大きいものとなる。
【００３８】
本発明による酸化物超伝導薄膜装置は、移動体通信用の基地局フィルタや大都市に供給する大電力用限流器等への応用が期待されており、将来のＩＴ社会を支えるキー部品に位置づけられるものであり、社会への貢献は大きい。
【００３９】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【００４０】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、ＣｅＯ２ 第１バッファ層付きサファイア基板に焼鈍を施すことにより、その上に形成するＳｍ２ Ｏ３ 第２バッファ層を平坦化することができる。それによって、ＣｅＯ２ 第１バッファ層の厚膜化により（１１１）ファセットが形成されても良好なｃ軸配向の酸化物超伝導薄膜を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例を示す酸化物超伝導薄膜装置の製造工程断面図である。
【図２】本発明の第１実施例を示す酸化物超伝導薄膜装置の５００ÅのＣｅＯ２ 第１バッファ層の焼鈍温度による超伝導臨界電流密度Ｊｃ特性図である。
【図３】本発明の第２実施例を示す酸化物超伝導薄膜装置の製造工程断面図である。
【図４】本発明の第３実施例を示す酸化物超伝導薄膜装置の製造工程断面図である。
【符号の説明】
１，１１，２１ Ｒ面サファイア基板
２，１２，２２ ＣｅＯ２ 第１バッファ層
３，１３，２３ 焼鈍
４，１４，２４ Ｓｍ２ Ｏ３ 第２バッファ層
５，１５，２５ ＥＢＣＯ薄膜
Claims (2)
- （ａ）Ｒ面サファイア基板上に５０Åから２０００ÅのＣｅＯ２ 第１バッファ層を成長させる工程と、
（ｂ）６００℃から１２００℃で焼鈍する工程と、
（ｃ）５０Åから１５００Åの膜厚のＳｍ２ Ｏ３ 第２バッファ層を形成する工程とを順次施すことを特徴とする酸化物超伝導薄膜装置の製造方法。 - 請求項１記載の酸化物超伝導薄膜装置の製造方法によって製造される酸化物超伝導薄膜装置。
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| JP2003116537A JP2004327515A (ja) | 2003-04-22 | 2003-04-22 | 酸化物超伝導薄膜装置の製造方法および酸化物超伝導薄膜装置 |
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| JP2004327515A true JP2004327515A (ja) | 2004-11-18 |
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| JP2003116537A Pending JP2004327515A (ja) | 2003-04-22 | 2003-04-22 | 酸化物超伝導薄膜装置の製造方法および酸化物超伝導薄膜装置 |
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-
2003
- 2003-04-22 JP JP2003116537A patent/JP2004327515A/ja active Pending
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