JP2005156194A - キャパシタンス温度センサ - Google Patents
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Abstract
【課題】 薄膜STOを誘電体として用い、低温で高い誘電率を有し、かつ電場依存性の小さい平行平板コンデンサを用い、残留分極特性のないキャパシタンス温度センサを提供すること。
【解決手段】 キャパシタンス温度センサとして、基板上に第1のチタン酸ストロンチウム薄膜を形成し、該薄膜表面を化学的機械研磨により研磨した後、該研磨された表面上に第2のチタン酸ストロンチウム薄膜が形成されてなる高誘電率チタン酸ストロンチウム薄膜積層体を誘電体として用いた平行平板コンデンサ2と、前記平行平板コンデンサ2のキャパシタンスを測定する測定器4と、前記キャパシタンスから温度を求める測定器5とからなることを特徴とする。
【選択図】 図1
【解決手段】 キャパシタンス温度センサとして、基板上に第1のチタン酸ストロンチウム薄膜を形成し、該薄膜表面を化学的機械研磨により研磨した後、該研磨された表面上に第2のチタン酸ストロンチウム薄膜が形成されてなる高誘電率チタン酸ストロンチウム薄膜積層体を誘電体として用いた平行平板コンデンサ2と、前記平行平板コンデンサ2のキャパシタンスを測定する測定器4と、前記キャパシタンスから温度を求める測定器5とからなることを特徴とする。
【選択図】 図1
Description
本発明は、YBa2Cu3O7−δ薄膜を中心とする酸化物超伝導デバイスや低温で使用される半導体デバイス等に使用されるチタン酸ストロンチウム積層体を誘電体として用いたコンデンサを利用したキャパシタンス温度センサに関する。
バルク単結晶のチタン酸ストロンチウム(以下「STO」という。)は、量子常誘電体として知られ、その誘電率は、4.2Kで20,000以上の値を示す。また、その誘電率は、バイアス依存性、ストレス依存性を持ち、それらによって低下する特長を持っている。
STOの格子定数は、酸化物超伝導体に非常に近い値を持つことから、該超伝導体のエピタキシャル成長下地基板として用いられ、超伝導デバイスの開発には重要な材料である。
米国特許第3649891号には、強誘電体材料をキャパシタンス温度センサとして用いることが記載されている。
上述したように、バルク単結晶STOは、低温で高い誘電率を示すため、超伝導デバイスや低温で使用される半導体デバイスで使用した場合は、極めて有用な誘電体であるにも関わらず、薄膜化すると誘電率が低下してしまうという欠点があった。そのため、低温で高い誘電率を有する薄膜STOを平行平板コンデンサの誘電体として利用することができなかった。
一方、従来技術に示すように、強誘電体材料をキャパシタンス温度センサとして用いると、温度変化によって残留分極が生じ、その結果、ヒシテリシス特性が現れるため、温度と測定されたキャパシタンス値との間に1対1の相対関係が得られなかった。
本発明の目的は、上記の問題点に鑑み、薄膜STOを誘電体として用い、低温で高い誘電率を有し、かつ電場依存性の小さい平行平板コンデンサを用い、残留分極特性のないキャパシタンス温度センサを提供することにある。
本発明は上記の課題を解決するために以下のような手段を採用した。
第1の手段は、キャパシタンス温度センサとして、基板上に第1のチタン酸ストロンチウム薄膜を形成し、該薄膜表面を化学的機械研磨により研磨した後、該研磨された表面上に第2のチタン酸ストロンチウム薄膜を形成してなる高誘電率チタン酸ストロンチウム薄膜積層体を誘電体として用いた平行平板コンデンサと、前記平行平板コンデンサのキャパシタンスを測定する測定器と、前記キャパシタンスから温度を求める測定器とからなることを特徴とする。
第1の手段は、キャパシタンス温度センサとして、基板上に第1のチタン酸ストロンチウム薄膜を形成し、該薄膜表面を化学的機械研磨により研磨した後、該研磨された表面上に第2のチタン酸ストロンチウム薄膜を形成してなる高誘電率チタン酸ストロンチウム薄膜積層体を誘電体として用いた平行平板コンデンサと、前記平行平板コンデンサのキャパシタンスを測定する測定器と、前記キャパシタンスから温度を求める測定器とからなることを特徴とする。
第2の手段は、第1の手段において、前記平行平板コンデンサのキャパシタンスを測定する測定器が、キャパシタンスブリッジであることを特徴とする。
第3の手段は、第1の手段または第2の手段において、温度を測定する場が磁場中であることを特徴とする。
本発明によれば、100kHzで温度4.2Kにおいて20,000以上の誘電率を有し、量子常誘電体を用いることによって残留分極がなく、測定したキャパシタンスと温度との間に1対1の相対関係特性を有するキャパシタンス温度センサが得られる。
本発明の一実施形態を図1乃至図8を用いて説明する。
図1は本実施形態の発明に係るキャパシタンス温度センサの構成を示す図である。
同図において、1は低温容器、2は低温容器1に設けられ、図示していない被測定物に設けられる平行平板コンデンサ、3は低温プローブ、4は平行平板コンデンサ2のキャパシタンスを測定する、例えば、LCRメーターやキャパシタンスブリッジ等からなる測定器、5は、例えば、パソコン等からなる測定されたキャパシタンス値から温度値を求める測定器である。
なお、一般にキャパシタンスは、磁場の影響を受けないので、磁場中での温度計測に適している。
図1は本実施形態の発明に係るキャパシタンス温度センサの構成を示す図である。
同図において、1は低温容器、2は低温容器1に設けられ、図示していない被測定物に設けられる平行平板コンデンサ、3は低温プローブ、4は平行平板コンデンサ2のキャパシタンスを測定する、例えば、LCRメーターやキャパシタンスブリッジ等からなる測定器、5は、例えば、パソコン等からなる測定されたキャパシタンス値から温度値を求める測定器である。
なお、一般にキャパシタンスは、磁場の影響を受けないので、磁場中での温度計測に適している。
次に、本発明に係る平行平板コンデンサの詳細について説明する。
図2は、本発明に係る平行平板コンデンサの概念図を示す図である。
同図において、基板上に平行平板コンデンの下部電極となる下部イットリウム系酸化物超伝導(以下「YBCO」という。)層を積層し、該下部YBCO層の上に、第1のSTO層を堆積する。該第1層のSTO層の表面をCMPする。この後、該表面に第2のSTO層を形成し、該第2のSTO層の上に平行平板コンデンサの上部電極となるYBCO層を形成し、平行平板コンデンサの誘電体となる高誘電率チタン酸ストロンチウム薄膜積層を構成する。
図2は、本発明に係る平行平板コンデンサの概念図を示す図である。
同図において、基板上に平行平板コンデンの下部電極となる下部イットリウム系酸化物超伝導(以下「YBCO」という。)層を積層し、該下部YBCO層の上に、第1のSTO層を堆積する。該第1層のSTO層の表面をCMPする。この後、該表面に第2のSTO層を形成し、該第2のSTO層の上に平行平板コンデンサの上部電極となるYBCO層を形成し、平行平板コンデンサの誘電体となる高誘電率チタン酸ストロンチウム薄膜積層を構成する。
次に、上記平行平板コンデンサの作製プロセスを図5を用いて説明する。
なお、該作製プロセスにおけるYBCO薄膜の成膜条件およびSTO薄膜の成膜条件をそれぞれ図3および図4に示す。
まず、工程(a)において、パルスレーザ成長法(以下「PLD法」という。)を用いて、STO(100)基板上に下部YBCO膜としてc軸配向YBCO(00n)薄膜を厚さ300nm成膜後、真空を破ることなく連続してSTO(001)薄膜を厚さ10nm成膜して、STO/YBCO構造を作製する。
なお、該作製プロセスにおけるYBCO薄膜の成膜条件およびSTO薄膜の成膜条件をそれぞれ図3および図4に示す。
まず、工程(a)において、パルスレーザ成長法(以下「PLD法」という。)を用いて、STO(100)基板上に下部YBCO膜としてc軸配向YBCO(00n)薄膜を厚さ300nm成膜後、真空を破ることなく連続してSTO(001)薄膜を厚さ10nm成膜して、STO/YBCO構造を作製する。
この厚さ10nmのSTO薄膜は、カバーSTO薄膜とよばれ、作製プロセスでYBCOが直接、大気や純水にさらされることを防ぎ、YBCO本来の超伝導特性を低下させないために成膜される。
次に半導体技術で利用されているフォトリソグラフィー法を用いて、レジストにより下部パターンを作製し、低エネルギーイオンミリングを用いてエッチングを行い、平行平板コンデンサの下部電極となる下部YBCOのパターンを形成する。
次に、工程(b)において、PLD法により、STO(100)薄膜厚さ1μm成膜を行う。この成膜は、まず、基板を200℃に保持し、真空度が10−4Paに到達した後、酸素ガス雰囲気中(酸素圧100Pa)において温度上昇を行い、810℃に到達した後、STO薄膜を成長させる。
次に、工程(c)において、このSTO薄膜表面上に存在する突起物を除去し、下部YBCO薄膜の作るパターンの段差を平坦化するためにCMPにより研磨する。
下部YBCO薄膜を直接研磨すると超伝導特性を劣化させる原因になるため、STO薄膜の研磨を行う。その後、CMPプロセスによって表面に付着したSi粒子等の不純物を、アセトン中でサンプルを超音波洗浄による表面クリーニングによって取り除く。
CMPプロセス後、RHEED観測で観測した結果、試料表面は、アモルファス的であることが分かった。アモルファス結晶上にはエピタキシャル成長は、期待できない。このため、酸素圧100Pa雰囲気中、温度600℃、2時間の熱処理を行った。
原子間力顕微鏡(AFM)を用いて表面構造の観察を行った結果を図6に示す。この写真に見られるように、CMP前においては、かなり大きな突起が観察されるが、CMP後においては、上記突起に比べるとはるかに小さな突起が見られる程度に表面が滑らかになっている。
原子間力顕微鏡(AFM)を用いて表面構造の観察を行った結果を図6に示す。この写真に見られるように、CMP前においては、かなり大きな突起が観察されるが、CMP後においては、上記突起に比べるとはるかに小さな突起が見られる程度に表面が滑らかになっている。
典型的に、200nm程度の高さの円錐状形状の突起物は、CMPにより、高さが1/10以下の20nm以下に減少し、底面の面積が0.04μm2以下と1/10以下になっていることが確認された。CMPによって突起物の形状が小さくなっていることから、超伝導マイクロショートが解消されるであろうことが期待される。
次に、工程(d)において、熱処理後、PLDを用いて絶縁層STO薄膜を200nm成膜し、真空を破ることなく連続して上部YBCO薄膜を250nm成膜する。このSTO薄膜は、CMPによって下部YBCO薄膜から成長している突起物の上部を切断した後、上部平面がSTO研磨表面に出現していることで生じるマイクロショートによる絶縁性の低下を防ぐためである。
成膜した平行平板コンデンサの上部電極となる上部YBCOのパターンをフォトリソグラフィー法及び低エネルギーイオンミリングを用いて行い、平行平板コンデンサを作製した。HF5%を用いて、下部YBCOに作製した電極部分のSTO膜をエッチングにより取り除いた。
上部YBCOと下部YBCO薄膜のパターンは、クロスオーバーした構造であり、クロスした部分は、上部YBCO/絶縁層STO/CMP-STO/capped−STO/下部YBCOの積層構造である。
図7は作製した平行平板コンデンサの比誘電率の温度特性を示す図である。
同図に示すように、100kHzで温度4.2Kにおいて20,000以上の誘電率が確認された。この誘電率の温度依存性は単結晶で得られた特性と一致していることから、優れた誘電特性を持つSTO薄膜がYBCO薄膜上に作製されていることが分かる。
また、この温度特性から明らかなように、温度とキャパシタンスとの間に1対1の相対関係が存在することが分かる。
同図に示すように、100kHzで温度4.2Kにおいて20,000以上の誘電率が確認された。この誘電率の温度依存性は単結晶で得られた特性と一致していることから、優れた誘電特性を持つSTO薄膜がYBCO薄膜上に作製されていることが分かる。
また、この温度特性から明らかなように、温度とキャパシタンスとの間に1対1の相対関係が存在することが分かる。
図8は、図7における低温域での平行平板コンデンサの比誘電率の温度特性を拡大して示した図である。
同図に示すように、10K以下の低温域における温度変化に対しては、キャパシタンスの変化が飽和傾向を示す。このような領域でのキャパシタンスの測定には、キャパシタンスブリッジを用いることにより正確にキャパシタンスの値を測定することができる。
同図に示すように、10K以下の低温域における温度変化に対しては、キャパシタンスの変化が飽和傾向を示す。このような領域でのキャパシタンスの測定には、キャパシタンスブリッジを用いることにより正確にキャパシタンスの値を測定することができる。
1 低温容器
2 平行平板コンデンサ
3 低温プローブ
4 キャパシタンスを測定する測定器
5 温度を測定する測定器
2 平行平板コンデンサ
3 低温プローブ
4 キャパシタンスを測定する測定器
5 温度を測定する測定器
Claims (3)
- 基板上に第1のチタン酸ストロンチウム薄膜を形成し、該薄膜表面を化学的機械研磨により研磨した後、該研磨された表面上に第2のチタン酸ストロンチウム薄膜を形成してなる高誘電率チタン酸ストロンチウム薄膜積層体を誘電体として用いた平行平板コンデンサと、前記平行平板コンデンサのキャパシタンスを測定する測定器と、前記キャパシタンスから温度を求める測定器とからなることを特徴とするキャパシタンス温度センサ。
- 前記平行平板コンデンサのキャパシタンスを測定する測定器が、キャパシタンスブリッジであることを特徴とする請求項1に記載のキャパシタンス温度センサ。
- 温度を測定する場が磁場中であることを特徴とする請求項1または請求項2に記載のキャパシタンス温度センサ。
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JP2003391542A JP2005156194A (ja) | 2003-11-21 | 2003-11-21 | キャパシタンス温度センサ |
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JP2007120948A (ja) * | 2005-10-25 | 2007-05-17 | National Institute Of Advanced Industrial & Technology | キャパシタンス温度計 |
JP2008160449A (ja) * | 2006-12-22 | 2008-07-10 | Toshiba Corp | 高周波電力増幅器 |
WO2020208499A1 (en) * | 2019-04-07 | 2020-10-15 | Universidade Do Porto | Ferroelectric superconductor from below to above room temperature |
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2003
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JP4686759B2 (ja) * | 2005-10-25 | 2011-05-25 | 独立行政法人産業技術総合研究所 | キャパシタンス温度計 |
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WO2020208499A1 (en) * | 2019-04-07 | 2020-10-15 | Universidade Do Porto | Ferroelectric superconductor from below to above room temperature |
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