JP2501226B2 - 超電導セラミックス薄膜及びその製法 - Google Patents

超電導セラミックス薄膜及びその製法

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JP2501226B2
JP2501226B2 JP63071942A JP7194288A JP2501226B2 JP 2501226 B2 JP2501226 B2 JP 2501226B2 JP 63071942 A JP63071942 A JP 63071942A JP 7194288 A JP7194288 A JP 7194288A JP 2501226 B2 JP2501226 B2 JP 2501226B2
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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、超電導セラミックス薄膜及びその製法に関
する。特に、基板上の銅酸化物系超電導薄膜を形成させ
る際に基板との反応を防止する方法に関する。
[従来の技術] 従来、Y−Ba−Cu−O系或いはLa−Ba−Cu−O系など
の超電導セラミックス材薄膜を基板上に作製する方法に
おいては、Cu原子が基板中に拡散する問題又は基板にSi
を用いた場合に、Siが超電導セラミックス材中に拡散
し、超電導膜の特性を劣化させる問題が見られた。
このような拡散反応を防止するために、バリヤ層とし
て希土類金属薄膜を界面に配置することが提案されてい
るが、それほどの効果があがっていない。また、一般的
にこのような拡散反応の問題がある場合、特にシリコン
の拡散反応を防止するために、バリヤ薄膜として白金を
使用することも行なわれている。
[発明が解決しようとする問題点] 本発明は、上記のような技術的課題を解決するため
に、基板と超電導材の間に銅(Cu)薄膜を配置し、拡散
反応の問題を解決することを見出したものである。
本発明は、拡散による超電導特性の劣化を防止できる
基板上への超電導薄膜の作製方法を提供する。
本発明は、基板上に形成された銅酸化物系超電導特性
の改善された超電導薄膜を提供することを目的とする。
また、本発明は、Siなどの基板と超電導材薄膜が拡散反
応することを防止した超電導薄膜を提供することを目的
にする。
[発明の構成] [問題点を解決するための手段] 本発明は、上記の技術的な課題の解決のために、基板
の表面の少なくとも一部に配置された銅薄膜の上に銅酸
化物系超電導膜を有することを特徴とする。特に、その
基板は、Si、MgO、SrTiO3の単結晶或いはZrO2であるこ
とが好適である。更に、本発明は、超電導セラミックス
薄膜を作製する製法において、基板の超電導薄膜を形成
すべき表面に予め銅膜を形成しておき、その銅膜面上に
銅酸化物系超電導薄膜を形成することを特徴とする超電
導セラミックス薄膜の製法である。また、その場合、基
板は、Si、MgO、SrTiO3の単結晶或いはZrO2であること
が好適である。更に、銅酸化物系超電導材を生成するタ
ーゲット材のスパッタリングのための放電ガスとして、
キセノンガス或いは酸素を添加したキセノンガスを用い
ることがより好適である。また基板銅膜上に超電導薄膜
形成後に、必要により、アニール処理を行なうことが好
適である。
本発明による酸化物超電導薄膜の作製方法によると、
先ず、Si、MgO、SrTiO3の単結晶或いはZrO2などの基板
表面の全部或いはその一部に、予め銅薄膜を形成し、こ
の銅膜面上に銅酸化物系超電導膜を形成させるに必要な
材料をスパッタリングなどにより形成する。
このように銅薄膜を基板と形成すべき超電導セラミッ
クス薄膜の界面に配置することにより、例えばSiが超電
導セラミックス中に拡散することを防止するものであ
る。一般に、このようにバリヤ層として半導体製造など
に使用される物質としては、タングステン、タングステ
ンシリサイド(WSi)、モリブデンシリサイド(MoSi)
が考えられる。然し乍ら、一般に、基板の上に銅酸化物
系超電導膜をスパッタリング等により結晶成長される場
合には、基板温度は、600℃以上でないと、超電導性薄
膜が成長しない。そのために、モリブデンシリサイトの
昇華温度は525℃で、タングステンシリサイトの昇華温
度は650℃であるために、これらの材料によるバリヤ層
は不適である。
上記の方法により銅酸化物系超電導薄膜を形成する場
合、基板上に超電導特性を示す薄膜を成長させるために
は、基板の温度を約600℃前後に加熱しなければならな
い。
銅バリヤ層を用いない従来の技術では例えばシリコン
基板の場合を示すと銅酸化物系超電導薄膜中の銅が基板
中のシリコンと反応し、基板中に銅が拡散反応したり、
基板中のシリコンが銅酸化物系超電導薄膜中に拡散反応
し、超電導特性や表面の性状に種々の障害が生じる。
一方、本発明方法によれば、バリヤ層の銅が銅酸化物
系超電導薄膜中の銅の拡散反応を防ぎ、銅酸化物系超電
導薄膜の物性の劣化を防ぐだけでなく、銅自身が基板中
のシリコンと拡散反応することにより、安定した化合物
を形成し、基板と銅酸化物系超電導薄膜との密着性の向
上が見られる。
また、例えばスパッター法で薄膜を形成する場合で
も、銅バリヤ層と形成される薄膜との濡れ性が良いた
め、安定した薄膜がたやすく生成し、銅酸化物系超電導
材のような銅組成が基板上に付着され難いものや、スパ
ッターされ難いものの場合は、有効である。更に、バリ
ヤ層中の銅が銅酸化物系超電導薄膜中へ拡散し、銅組成
が不足になりがちな薄膜に対し銅を補うことになり、極
めて有効な結果が得られる。
また、酸素アニーリングを行なう場合、上記と同じ効
果が期待できる。
MgO基板と超電導セラミックス体層の間に中間層Cuを
形成して、処理した場合、MgO層中に拡散したCuの量
と、超電導セラミックス体層中に拡散したMgの量は、RB
S測定法によれば、次の第1表に示される。
この表より、本発明による銅中間層を挿入した場合の
超電導薄膜では、基板中に拡散するCuがある程度低下
し、また、膜中に拡散したMgは、約十分の1に低下する
ことが明らかにされる。
本発明に用いる基板は、Si、MgO、SrTiO3の単結晶或
いはZrO2であり、超電導物質の結晶特性と適合性がよい
ものが好適である。この基板は、多結晶体或いは単結晶
とすることが好適である。
基板上への銅膜の形成は、基板表面上に、MBE法、ス
パッタリング法、PVD法によって行なわれる。
[作用] 本発明により利用される銅バリヤ層は、従来バリヤと
して用いられたことのないものであるが、超電導薄膜を
形成するためには、最も適するものである。
本発明の銅酸化物系超電導薄膜の作製方法は、更に、
例えば、ジョセフソン結合、赤外線検出器、光スイッチ
のような製品のための超電導薄膜の形成にも用いること
ができる。
次に、本発明の銅中間層を用いる超電導セラミックス
薄膜の作製方法を具体的に実施例により説明するが、本
発明はそれらによって限定されるものではない。
[実施例1] Si基板の上に銅薄膜をスパッタ法により厚さ数十nmに
形成し、その上にBa−Y−CuO薄膜をキセノン/酸素ガ
ス雰囲気中でのスパッタリングにより形成した。
Ba−Y−Cu−O薄膜の厚さは、150nmであった。スパ
ッタリング中の銅膜基板の温度は、約200℃に保持され
た。
スパッターのガス圧は、2Paであり、ガス組成は、Xe:
O2=9:1で、RF入力は1.3w/cm2に固定して行なった。ま
た、スパッタリングのターゲットには、Ba−Y−Cu(2:
1:3の組成)のものを用いた。基板/ターゲット間の距
離は、20mmとした。
次に、前記のように作製した銅薄膜基板上に形成され
た銅酸化物系超電導薄膜の特性を、RBS分析及びSEM(走
査型電子顕微鏡)により観察した。また、比較のため
に、銅薄膜のない基板上に同様に形成した銅酸化物系超
電導薄膜についても観察した。その結果を、第1図(Si
基板上銅中間層のある銅酸化物系超電導薄膜のRBS分
析)及び第2図(Si基板上銅中間層のない銅酸化物系超
電導薄膜のRBS分析)並びに第3図(銅中間層のある銅
酸化物系超電導薄膜の表面電子顕微鏡写真)及び第4図
(銅中間層のない銅酸化物系超電導薄膜の表面電子顕微
鏡写真)に示す。
第1図の曲線1は、スパッタ法で形成したままの膜試
料に対してRBS分析結果を示し、曲線2は、900℃で1時
間アニールした試料についてのものである。第2図の曲
線3は、スパッタ法で形成したままの膜試料に対してRB
S分析結果を示し、曲線4は、900℃アニールした試料に
ついてのものである。第2図の曲線4を観察すると、チ
ャンネル数300付近で裾を引くようになっている。この
ことは、SiがBa−Y−Cu−O薄膜中に拡散していること
をしめしている。これに対して、銅中間層のある場合の
第1図では、曲線2が裾を引いていなく、Siの拡散反応
が生じていないことが明らかである。
また、電子顕微鏡観察(SEM)でも、第3図の写真のC
u中間層がある場合は、表面が滑らかであり、それに対
して、第4図のCu層を用いない場合では、表面が粗くな
っている。即ち、拡散したSiが銅酸化物系超電導薄膜表
面に析出して、表面を粗くしており、銅酸化物系超電導
薄膜の特性が劣化していることが明らかである。
[実施例2] 実施例1と同様にMgO結晶基板表面に、銅薄膜をスパ
ッタ法で形成した。次に、その銅薄膜上に次のようにし
てBa−Y−Cu−O薄膜を形成した。即ち、RF−マグネト
ロンスパッタ法により、前記のMgO結晶基板表面に、基
板温度を約200℃に保持する外の条件は、実施例1と同
様で、Ba−Y−Cu−O薄膜を形成した。この超電導薄膜
形成の後に、反応チャンバー内にO2を導入しながら、基
板温度を900℃に保持して、60分間酸素アニール処理を
行なった。
次に、前記のように作製した銅薄膜のあるMgO基板上
に形成されたBa−Y−Cu−O薄膜の特性を、RBS分析及
びSEM(走査型電子顕微鏡)により観察した。また、比
較のために、銅薄膜のない基板上に同様に形成したBa−
Y−Cu−O薄膜についても観察した。その結果を、第5
図(銅中間層のあるBa−Y−Cu−O薄膜のRBS分析)及
び第6図(銅中間層のないBa−Y−Cu−O薄膜のRBS分
析)並びに第7図(銅中間層のあるBa−Y−Cu−O薄膜
のSEM[表面電子顕微鏡]写真)及び第8図(銅中間層
のないBa−Y−Cu−O薄膜の表面電子顕微鏡写真)に示
す。
第5図の曲線5は、スパッタリング蒸着したままの試
料に対してRBS分析結果を示し、曲線6は、アニールし
た試料についてのものである。第6図の曲線7は、スパ
ッタ法で形成したままの試料に対してRBS分析結果を示
し、曲線8は、アニールした試料についてのものであ
る。第6図の曲線8を観察すると、MgO内にもCuが存在
することが分かる。これに対して、第5図の曲線6で
は、MgO中のCuによる曲線は、低く、Cu拡散が少ないこ
とをしめしている。
また、SEM観察でも、第7図の写真のCu中間層があるM
gO基板では、Ba−Y−Cu−O薄膜の表面が滑らかであ
り、それに対して、第8図のCu層を用いない場合では、
表面が粗くなっており、Ba−Y−Cu−O薄膜の特性が劣
化していることが明らかである。
[発明の効果] 本発明の銅膜によるセラミックス超電導薄膜及びその
作製方法により、次のような顕著な技術的効果が得られ
た。
第1に、基板への拡散反応を防止し、また、Ba−Y−
Cu−O薄膜とその作製方法を提供することができる。
第2に、銅バリヤ層中の銅が銅酸化物系超電導薄膜中
の銅の拡散反応を防ぎ、銅酸化物系超電導薄膜の特性の
劣化を防ぐだけでなく、銅自身が基板中のシリコンと拡
散反応することにより安定した化合物を作り、基板と銅
酸化物系超電導薄膜との密着性の向上が見られる。ま
た、例えばスパッタリング法で薄膜を形成する場合で
も、銅バリヤと形成させる膜との濡れ性がよいため安定
した膜が容易に生成す、銅酸化物系超電導材のような銅
組成が基板上に付着され難いものや、スパッターされ難
いものの場合にも有効である。
第3に、バリヤ層中の銅が銅酸化物系超電導薄膜中へ
拡散し、銅組成が不足になりがちな薄膜に対し銅を補う
ことになり、極めて有効な結果が得られる。
【図面の簡単な説明】
第1図は、銅中間層のあるSi基板上に形成したBa−Y−
Cu−O薄膜のRBS分析を示す。 第2図は、銅中間層のないSi基板上に形成したBa−Y−
Cu−O薄膜のRBS分析結果を示す。 第3図は、銅中間層のあるSi基板上に形成したBa−Y−
Cu−O薄膜の粒子構造を示す表面電子顕微鏡写真を示
す。 第4図は、銅中間層のないSi基板上に形成したBa−Y−
Cu−O薄膜の粒子構造を示す表面電子顕微鏡写真を示
す。 第5図は、銅中間層のあるMgO基板上に形成したBa−Y
−Cu−O薄膜のRBS分析を示す。 第6図は、銅中間層のないMgO基板上に形成したBa−Y
−Cu−O薄膜のRBS分析結果を示す。 第7図は、銅中間層のあるMgO基板上に形成したBa−Y
−Cu−O薄膜の粒子構造を示す表面電子顕微鏡写真を示
す。 第8図は、銅中間層のないMgO基板上に形成したBa−Y
−Cu−O薄膜の粒子構造を示す表面電子顕微鏡写真を示
す。
───────────────────────────────────────────────────── 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 12/06 ZAA H01B 12/06 ZAA 審査官 西脇 博志 (56)参考文献 特開 昭63−300580(JP,A) Appl.Phys.Lett.51 (25)pp.2164−2166 Appl.Phys.Lett.51 (13)pp.1027−1029 Appl.Phys.Lett.51 (25)pp.2155−2157 Japanese,Journal of Applied Physics Part2 Letters vo l.26,No.7 pp.L1172−1173

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】基板の表面の少なくとも一部に配置された
    銅薄膜の上に銅酸化物系超電導薄膜を有することを特徴
    とする超電導セラミックス薄膜。
  2. 【請求項2】該基板が、Si、MgO、SrTiO3の単結晶或い
    はZrO2であることを特徴とする特許請求の範囲第1項記
    載の超電導セラミックス薄膜。
  3. 【請求項3】超電導セラミックス薄膜を作製する製法に
    おいて、 基板の銅酸化物系超電導薄膜を形成すべき表面に予め銅
    薄膜を形成しておき、その銅薄膜面上に銅酸化物系超電
    導薄膜を形成することを特徴とする薄膜の製法。
  4. 【請求項4】該基板は、Si、MgO、SrTiO3の単結晶或い
    はZrO2である特許請求の範囲第3項記載の薄膜の製法。
JP63071942A 1988-03-28 1988-03-28 超電導セラミックス薄膜及びその製法 Expired - Lifetime JP2501226B2 (ja)

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Non-Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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Appl.Phys.Lett.51(13)pp.1027−1029
Appl.Phys.Lett.51(25)pp.2155−2157
Appl.Phys.Lett.51(25)pp.2164−2166
Japanese,JournalofAppliedPhysicsPart2Lettersvol.26,No.7pp.L1172−1173

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