JP2541037B2 - 酸化物超電導薄膜合成方法 - Google Patents
酸化物超電導薄膜合成方法Info
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- Superconductors And Manufacturing Methods Therefor (AREA)
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は酸化物超電導薄膜の合成
方法に関するものである。
方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】超電導薄膜は、ジョセフソン接合による
量子磁気干渉素子や、超電導ＬＳＩ配線、超電導能動素
子への応用上欠かせないものである。（Ｂａ，Ｒｂまた
はＫ）ＢｉＯ3系超電導体はそのコーヒーレンス長
（ξ）が５０オングストローム程度と酸化物超電導体系
の中では比較的長く、この系の超電導体薄膜合成技術は
超電導／絶縁体／超電導によるＳＩＳ構造を持つデバイ
ス応用上きわめて重要である。 さて、この酸化物超電
導体薄膜合成では、デバイス応用の見地から成膜後に高
温熱処理を必要としない、いわゆる“その場”（ｉｎ−
ｓｉｔｕ）合成が重要である。さらに基板上に超電導薄
膜をエピタキシャル成長させ、かつその上に連続的にバ
リア層などもヘテロエピタキシャル成長させる薄膜合成
技術が必要である。そのためには膜表面に島状成長や異
相のない極めて平坦な薄膜を合成する技術が不可欠とな
る。従来の代表的な（Ｂａ、Ａ）ＢｉＯ3（ＡはＫまた
はＲｂ）系超電導薄膜の合成の例は、例えば、フィジカ
Ｃ（Physica C)１６９巻、３９１頁に述べられているＲ
Ｆマグネトロンスパッタによる方法がある。この方法で
は、１０-4Ｔｏｒｒ程度の酸素ガスが混合されたアルゴ
ン酸素ガスを用い、ＳｒＴｉＯ3基板上に成膜する。ａ
ｓ−ｇｒｏｗｎ膜は酸素欠損のため絶縁体であるが、成
膜後に１気圧の酸素ガスフロー中、５００℃でアニール
することにより超電導特性を得ている。しかし、デバイ
ス製造プロセス上、超電導性薄膜を大気中に取り出さず
にｉｎ−ｓｉｔｕで合成できることは重要であり、成膜
手法に改良を要する。また、例えば、アプライド・フィ
ジックス・レターズ（Appl. Phys．Lett.)５５巻、２１
２０頁にあるように、真空蒸着による方法では、ｉｎ−
ｓｉｔｕに超電導性薄膜を合成し得るが、蒸着法に依存
する組成制御の困難さがあり、再現性良く表面平坦性を
得ることは困難である。
量子磁気干渉素子や、超電導ＬＳＩ配線、超電導能動素
子への応用上欠かせないものである。（Ｂａ，Ｒｂまた
はＫ）ＢｉＯ3系超電導体はそのコーヒーレンス長
（ξ）が５０オングストローム程度と酸化物超電導体系
の中では比較的長く、この系の超電導体薄膜合成技術は
超電導／絶縁体／超電導によるＳＩＳ構造を持つデバイ
ス応用上きわめて重要である。 さて、この酸化物超電
導体薄膜合成では、デバイス応用の見地から成膜後に高
温熱処理を必要としない、いわゆる“その場”（ｉｎ−
ｓｉｔｕ）合成が重要である。さらに基板上に超電導薄
膜をエピタキシャル成長させ、かつその上に連続的にバ
リア層などもヘテロエピタキシャル成長させる薄膜合成
技術が必要である。そのためには膜表面に島状成長や異
相のない極めて平坦な薄膜を合成する技術が不可欠とな
る。従来の代表的な（Ｂａ、Ａ）ＢｉＯ3（ＡはＫまた
はＲｂ）系超電導薄膜の合成の例は、例えば、フィジカ
Ｃ（Physica C)１６９巻、３９１頁に述べられているＲ
Ｆマグネトロンスパッタによる方法がある。この方法で
は、１０-4Ｔｏｒｒ程度の酸素ガスが混合されたアルゴ
ン酸素ガスを用い、ＳｒＴｉＯ3基板上に成膜する。ａ
ｓ−ｇｒｏｗｎ膜は酸素欠損のため絶縁体であるが、成
膜後に１気圧の酸素ガスフロー中、５００℃でアニール
することにより超電導特性を得ている。しかし、デバイ
ス製造プロセス上、超電導性薄膜を大気中に取り出さず
にｉｎ−ｓｉｔｕで合成できることは重要であり、成膜
手法に改良を要する。また、例えば、アプライド・フィ
ジックス・レターズ（Appl. Phys．Lett.)５５巻、２１
２０頁にあるように、真空蒸着による方法では、ｉｎ−
ｓｉｔｕに超電導性薄膜を合成し得るが、蒸着法に依存
する組成制御の困難さがあり、再現性良く表面平坦性を
得ることは困難である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】（Ｂａ，Ａ）ＢｉＯ3
（Ａ＝Ｋ，Ｒｂ）酸化物高温超電導体におけるｉｎ−ｓ
ｉｔｕ合成法においては、基本ペロブスカイトＢａ（＋
２）Ｂｉ（＋４）Ｏ（−２）3に対し、Ａサイトに＋１
価のアルカリ元素（Ｒｂ，Ｋ）を導入する際、電気的中
性を保つためには酸素量も減らさなければならない。す
なわち、アルカリ元素と酸素が競合している環境での成
膜となる。一般に酸化物超電導体の結晶性を上げるには
十分な酸素と基板温度を上げればよいが、Ｋ2Ｏ，Ｒｂ2
Ｏは蒸気圧が高く、特に酸化雰囲気中ではスティッキン
グが極端に低下する。また、酸化雰囲気中では、超電導
相以外の異相が優先的に成長し、超電導相がエピタキシ
ャル成長しない。成膜手法においてはスパッタ法が酸化
物ソースを用いるときに極めて安定なフラックスを得る
ためには非常に有効である。特にイオンビームスパッタ
法はその動作真空度が本発明にかかる（Ｂａ，Ａ）Ｂｉ
Ｏ3（Ａ＝Ｋ，Ｒｂ）酸化物高温超電導体薄膜合成にお
いてその還元性雰囲気を維持するうえで有効である。本
発明においては、この（Ｂａ，Ａ）ＢｉＯ3（Ａ＝Ｋ，
Ｒｂ）酸化物高温超電導体がきれいなエピタキシャル成
長をする条件を与え、さらに、このエピタキシャル成長
した状態では多くの酸素欠損を含みまだ超電導性を示さ
ない膜に対し、ｉｎ−ｓｉｔｕでの酸化条件を明確に与
える。本発明の目的は、膜表面に異相の発生がなく、平
坦でかつ良好な超電導特性を示す（Ｂａ，Ｋ）ＢｉＯ3
系及び（Ｂａ，Ｒｂ）ＢｉＯ3系超電導薄膜をｉｎ−ｓ
ｉｔｕに合成する方法を提供することにある。
（Ａ＝Ｋ，Ｒｂ）酸化物高温超電導体におけるｉｎ−ｓ
ｉｔｕ合成法においては、基本ペロブスカイトＢａ（＋
２）Ｂｉ（＋４）Ｏ（−２）3に対し、Ａサイトに＋１
価のアルカリ元素（Ｒｂ，Ｋ）を導入する際、電気的中
性を保つためには酸素量も減らさなければならない。す
なわち、アルカリ元素と酸素が競合している環境での成
膜となる。一般に酸化物超電導体の結晶性を上げるには
十分な酸素と基板温度を上げればよいが、Ｋ2Ｏ，Ｒｂ2
Ｏは蒸気圧が高く、特に酸化雰囲気中ではスティッキン
グが極端に低下する。また、酸化雰囲気中では、超電導
相以外の異相が優先的に成長し、超電導相がエピタキシ
ャル成長しない。成膜手法においてはスパッタ法が酸化
物ソースを用いるときに極めて安定なフラックスを得る
ためには非常に有効である。特にイオンビームスパッタ
法はその動作真空度が本発明にかかる（Ｂａ，Ａ）Ｂｉ
Ｏ3（Ａ＝Ｋ，Ｒｂ）酸化物高温超電導体薄膜合成にお
いてその還元性雰囲気を維持するうえで有効である。本
発明においては、この（Ｂａ，Ａ）ＢｉＯ3（Ａ＝Ｋ，
Ｒｂ）酸化物高温超電導体がきれいなエピタキシャル成
長をする条件を与え、さらに、このエピタキシャル成長
した状態では多くの酸素欠損を含みまだ超電導性を示さ
ない膜に対し、ｉｎ−ｓｉｔｕでの酸化条件を明確に与
える。本発明の目的は、膜表面に異相の発生がなく、平
坦でかつ良好な超電導特性を示す（Ｂａ，Ｋ）ＢｉＯ3
系及び（Ｂａ，Ｒｂ）ＢｉＯ3系超電導薄膜をｉｎ−ｓ
ｉｔｕに合成する方法を提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】本発明は、（Ｂａ１−ｘ
Ａｘ）ＢｉｙＯｚ（式中、ＡはＫまたはＲｂを示し、ｘ
およびｙは０．３＜ｘ＜０．４，０．６＜ｙ＜１を示
す。）酸化物超電導体薄膜の“その場”（ｉｎ−ｓｉｔ
ｕ）合成方法であって、チタン酸ストロンチウム単結晶
基板上にバッファー層としてＢａＢｉＯ ３ を形成し、次
いで該ＢａＢｉＯ ３ 層上に、１０−４Ｔｏｒｒ以下の弱
い酸化雰囲気中において基板温度３００〜４５０℃でヘ
テロエピタキシャル成長させ、その後、引き続いて活性
酸素を用いて酸素欠損を補いながら１５０℃以下まで冷
却することにより、（Ｂａ １−ｘ Ａ ｘ ）Ｂｉ ｙ Ｏ ｚ （式
中、ＡはＫまたはＲｂを示し、ｘおよびｙは０．３＜ｘ
＜０．４，０．６＜ｙ＜１を示す。）酸化物超電導体薄
膜をその場合成することを特徴とする酸化物超電導薄膜
合成方法である。
Ａｘ）ＢｉｙＯｚ（式中、ＡはＫまたはＲｂを示し、ｘ
およびｙは０．３＜ｘ＜０．４，０．６＜ｙ＜１を示
す。）酸化物超電導体薄膜の“その場”（ｉｎ−ｓｉｔ
ｕ）合成方法であって、チタン酸ストロンチウム単結晶
基板上にバッファー層としてＢａＢｉＯ ３ を形成し、次
いで該ＢａＢｉＯ ３ 層上に、１０−４Ｔｏｒｒ以下の弱
い酸化雰囲気中において基板温度３００〜４５０℃でヘ
テロエピタキシャル成長させ、その後、引き続いて活性
酸素を用いて酸素欠損を補いながら１５０℃以下まで冷
却することにより、（Ｂａ １−ｘ Ａ ｘ ）Ｂｉ ｙ Ｏ ｚ （式
中、ＡはＫまたはＲｂを示し、ｘおよびｙは０．３＜ｘ
＜０．４，０．６＜ｙ＜１を示す。）酸化物超電導体薄
膜をその場合成することを特徴とする酸化物超電導薄膜
合成方法である。
【０００５】
【実施例】次に本発明の実施例について説明する。図１
は本発明の方法に用いられる成膜装置の一例を示したも
のである。真空チャンバー９には、複数のイオン源４、
ターゲット３、高速電子線回折（ＲＨＥＥＤ）用電子銃
５、ＲＨＥＥＤスクリーン６、基板加熱ホルダ２と基板
１、活性酸素源８と活性酸素導入ノズル７が配置されて
いる。この真空チャンバー９は高透磁率材の仕切り板１
０により基本的に膜成長室１６とスパッタ室１７の２室
に分離されている。またこの仕切り板１０にはシャッタ
ポートと膜厚センサ用ポートが開けられており、各ター
ゲット３に対してシャッタ１２と膜厚センサ１３とがそ
れぞれ１組ずつ対応して設置されている。
は本発明の方法に用いられる成膜装置の一例を示したも
のである。真空チャンバー９には、複数のイオン源４、
ターゲット３、高速電子線回折（ＲＨＥＥＤ）用電子銃
５、ＲＨＥＥＤスクリーン６、基板加熱ホルダ２と基板
１、活性酸素源８と活性酸素導入ノズル７が配置されて
いる。この真空チャンバー９は高透磁率材の仕切り板１
０により基本的に膜成長室１６とスパッタ室１７の２室
に分離されている。またこの仕切り板１０にはシャッタ
ポートと膜厚センサ用ポートが開けられており、各ター
ゲット３に対してシャッタ１２と膜厚センサ１３とがそ
れぞれ１組ずつ対応して設置されている。
【０００６】複合酸化物をターゲットとして用いるスパ
ッタ成膜においては、選択スパッタ現象が起きる。この
ために、膜組成はスパッタ粒子の飛散方向に大きく依存
するようになる。またターゲットからのスパッタガス
（Ａｒ）の反射及び酸素負イオンが発生し、成膜におい
てはこれらの基板に対する影響がなるべく少なくなるジ
オメトリを選ぶ必要がある。図１に示したように、ター
ゲット３をイオン源４の垂直下方に配置し、そこから約
４５〜６５度の入射角でスパッタ粒子を受ける位置に基
板１を配置することにより、成膜速度は幾分遅くなる
が、ターゲットからのスパッタガスの反射及び酸素負イ
オンの影響が少なくなり、また膜の組成ズレが少ないこ
とにより、多元イオンビームスパッタ装置のイオンソー
ス配置方式として最適である。酸素ガスは石英製酸素導
入ノズル７を通して膜成長室の基板ホルダ直下に導入さ
れるが、途中マイクロ波キャビティ（活性酸素源）８を
通る所でプラズマ励起され、原子状活性酸素が生成され
る。さらに基板１と仕切り板１０との間には、ＲＨＥＥ
Ｄ電子線パスを基板との間に残す程度に囲い１１が設置
され、導入された活性酸素ガスの基板１付近の分圧を高
めている。この囲い１１は同時に熱反射板としても機能
し、基板ヒータの効率を高めている。
ッタ成膜においては、選択スパッタ現象が起きる。この
ために、膜組成はスパッタ粒子の飛散方向に大きく依存
するようになる。またターゲットからのスパッタガス
（Ａｒ）の反射及び酸素負イオンが発生し、成膜におい
てはこれらの基板に対する影響がなるべく少なくなるジ
オメトリを選ぶ必要がある。図１に示したように、ター
ゲット３をイオン源４の垂直下方に配置し、そこから約
４５〜６５度の入射角でスパッタ粒子を受ける位置に基
板１を配置することにより、成膜速度は幾分遅くなる
が、ターゲットからのスパッタガスの反射及び酸素負イ
オンの影響が少なくなり、また膜の組成ズレが少ないこ
とにより、多元イオンビームスパッタ装置のイオンソー
ス配置方式として最適である。酸素ガスは石英製酸素導
入ノズル７を通して膜成長室の基板ホルダ直下に導入さ
れるが、途中マイクロ波キャビティ（活性酸素源）８を
通る所でプラズマ励起され、原子状活性酸素が生成され
る。さらに基板１と仕切り板１０との間には、ＲＨＥＥ
Ｄ電子線パスを基板との間に残す程度に囲い１１が設置
され、導入された活性酸素ガスの基板１付近の分圧を高
めている。この囲い１１は同時に熱反射板としても機能
し、基板ヒータの効率を高めている。
【０００７】これら仕切り板１０と囲い１１が設置され
ることにより、基板面上での酸素分圧は、スパッタ室の
酸素分圧に対して、シャッタ１２が閉じた状態で約１桁
半程度、またシャッタ１２が１つ開いた状態で約１桁の
差圧をつけることができる。通常のカウフマン型イオン
ソースでは、安定に動作する真空度は約２×１０-4Ｔｏ
ｒｒ程度であり、この真空度にスパッタ室を保ちながら
膜成長室の基板面上の酸素分圧を約１０-2〜１０-3Ｔｏ
ｒｒに設定できるようになり、酸化物超電導薄膜のｉｎ
−ｓｉｔｕ合成を可能としている。また高速反射電子線
回折像を安定して得るために、電子線パスの途中にオリ
フィスを入れると共に、電子銃部分を作動排気する。さ
らに、膜成長室１６とスパッタ室１７とは、それぞれ可
変コンダクタンスバルブ１５を介して真空ポンプ１４に
接続されており、膜成長室の成膜中の真空度を任意に調
整できるようになっている。成膜中のｉｎ−ｓｉｔｕで
の高速電子線回折（ＲＨＥＥＤ）による結晶成長の観察
は、単結晶合成条件を精密に制御するうえで極めて重要
な機能である。イオンビームスパッタ法では、イオンガ
ンに磁石を用いているので、ここから漏洩磁場が発生す
る。このため膜成長室内の磁場を極力抑えなくてはなら
ないが、仕切り板１０に高透磁率の材料を用いることで
膜成長室内のイオンガンからの漏洩磁場を低く抑えるこ
とができ、基板付近の磁場は約４ガウス程度になってい
る。本実施例では仕切り板１０の材料としてＳＵＳ４３
０を用いたが、この他パーマロイなどを用いてもよい。
ることにより、基板面上での酸素分圧は、スパッタ室の
酸素分圧に対して、シャッタ１２が閉じた状態で約１桁
半程度、またシャッタ１２が１つ開いた状態で約１桁の
差圧をつけることができる。通常のカウフマン型イオン
ソースでは、安定に動作する真空度は約２×１０-4Ｔｏ
ｒｒ程度であり、この真空度にスパッタ室を保ちながら
膜成長室の基板面上の酸素分圧を約１０-2〜１０-3Ｔｏ
ｒｒに設定できるようになり、酸化物超電導薄膜のｉｎ
−ｓｉｔｕ合成を可能としている。また高速反射電子線
回折像を安定して得るために、電子線パスの途中にオリ
フィスを入れると共に、電子銃部分を作動排気する。さ
らに、膜成長室１６とスパッタ室１７とは、それぞれ可
変コンダクタンスバルブ１５を介して真空ポンプ１４に
接続されており、膜成長室の成膜中の真空度を任意に調
整できるようになっている。成膜中のｉｎ−ｓｉｔｕで
の高速電子線回折（ＲＨＥＥＤ）による結晶成長の観察
は、単結晶合成条件を精密に制御するうえで極めて重要
な機能である。イオンビームスパッタ法では、イオンガ
ンに磁石を用いているので、ここから漏洩磁場が発生す
る。このため膜成長室内の磁場を極力抑えなくてはなら
ないが、仕切り板１０に高透磁率の材料を用いることで
膜成長室内のイオンガンからの漏洩磁場を低く抑えるこ
とができ、基板付近の磁場は約４ガウス程度になってい
る。本実施例では仕切り板１０の材料としてＳＵＳ４３
０を用いたが、この他パーマロイなどを用いてもよい。
【０００８】次に、本装置を用いた（Ｂａ1-xＡx）Ｂｉ
yＯz（ＡはＫまたはＲｂ）酸化物超電導体薄膜のヘテロ
エピタキシャル膜成長の実施例を示す。まず、（Ｂａ，
Ｒｂ）ＢｉＯ3薄膜のｉｎ−ｓｉｔｕエピタキシャル膜
合成について述べる。ターゲットとして、バリウム・ル
ビジウム・ビスマス酸化物（Ｂａ0.4Ｒｂ0.6Ｂｉ
0.6Ｏx）、ルビジウム量の補正用として、Ｂａ0.1Ｒｂ
0.9Ｂｉ0.3Ｏx、さらにＢｉ補正用としてＢｉ2Ｏ3ター
ゲットを用いた。基板としてＳｒＴｉＯ3（００１）面
単結晶を用い、基板温度３５０〜４５０℃とした。基板
温度に対して、特にＲｂのスティッキングが大きく依存
して変化し、基板温度が高くなるにつれてＲｂが入り難
くなる。これを３元のターゲットを用いて最終的な膜組
成を（Ｂａ1-xＲｂx）ＢｉyＯzにおいて、その組成範囲
０．３＜ｘ＜０．４，０．６＜ｙ＜１の範囲になるよう
に調整した。この組成範囲を超え、Ｒｂ量が少なくなる
と、膜は半導体的温度特性を示し、超電導性を示さなか
った。またＲｂが０．４以上では膜表面に多くのマイク
ロクラックが発生し、絶縁体になってしまう。Ｂｉの組
成量についても０．６以下及び１．０以上では超電導特
性がみられなかった。基板温度については、基板温度が
３００℃未満では膜は多結晶膜となり、良好な超電導特
性が得られないと同時に、膜表面に粒界ができて荒れて
しまう。また４５０℃を超えると、Ｒｂが膜から遊離し
て超電導相が形成されない。
yＯz（ＡはＫまたはＲｂ）酸化物超電導体薄膜のヘテロ
エピタキシャル膜成長の実施例を示す。まず、（Ｂａ，
Ｒｂ）ＢｉＯ3薄膜のｉｎ−ｓｉｔｕエピタキシャル膜
合成について述べる。ターゲットとして、バリウム・ル
ビジウム・ビスマス酸化物（Ｂａ0.4Ｒｂ0.6Ｂｉ
0.6Ｏx）、ルビジウム量の補正用として、Ｂａ0.1Ｒｂ
0.9Ｂｉ0.3Ｏx、さらにＢｉ補正用としてＢｉ2Ｏ3ター
ゲットを用いた。基板としてＳｒＴｉＯ3（００１）面
単結晶を用い、基板温度３５０〜４５０℃とした。基板
温度に対して、特にＲｂのスティッキングが大きく依存
して変化し、基板温度が高くなるにつれてＲｂが入り難
くなる。これを３元のターゲットを用いて最終的な膜組
成を（Ｂａ1-xＲｂx）ＢｉyＯzにおいて、その組成範囲
０．３＜ｘ＜０．４，０．６＜ｙ＜１の範囲になるよう
に調整した。この組成範囲を超え、Ｒｂ量が少なくなる
と、膜は半導体的温度特性を示し、超電導性を示さなか
った。またＲｂが０．４以上では膜表面に多くのマイク
ロクラックが発生し、絶縁体になってしまう。Ｂｉの組
成量についても０．６以下及び１．０以上では超電導特
性がみられなかった。基板温度については、基板温度が
３００℃未満では膜は多結晶膜となり、良好な超電導特
性が得られないと同時に、膜表面に粒界ができて荒れて
しまう。また４５０℃を超えると、Ｒｂが膜から遊離し
て超電導相が形成されない。
【０００９】次に、酸素ガスを成膜中に導入した場合、
１０-4Ｔｏｒｒ程度まではＲＨＥＥＤによりきれいなエ
ピタキシャル成長が観察されるが、１０-4Ｔｏｒｒより
高い酸素分圧では多くの異相発生が見られた。最良の成
膜条件は１０-4ＴｏｒｒのＡｒガスのみでスパッタし、
酸素ガスは導入しない場合であった。ＢＲＢ薄膜成長
は、もともとターゲットに含まれる酸素だけでペロブス
カイト結晶構造が形成されることになる。この段階で
は、得られる膜は多くの酸素欠損を含む。膜はＲＨＥＥ
Ｄ観察よりキクチラインを伴った極めてシャープなスト
リークが観察され、膜表面の平坦性がたいへん良好であ
り、かつ結晶性も良好であることがわかる。面内で＜１
００＞ＢＲＢ／／＜１００＞ＳｒＴｉＯ3の方位関係で
エピタキシャル成長し、ｃ軸配向してエピタキシャル成
長することが確認された。所定の膜厚を成長させた後、
イオンビームを止め、基板温度を成膜温度に保持したま
ま活性酸素を導入する。活性酸素は石英管中をフローし
ている酸素ガスをマイクロ波励起することにより得てい
る。この場合、酸素流量３０ＳＣＣＭに２．４５ＧＨｚ
のマイクロ波５０Ｗをかけることにより、約１０15個／
ｃｍ2・秒程度の活性酸素が基板面に到達していると推
定される。この活性酸素雰囲気中で基板温度を約１５０
℃以下まで徐々に冷却することで、膜中の酸素欠陥を修
復し、超電導性薄膜を得ることができる。（Ｂａ，Ｋ）
ＢｉＯ3酸化物超電導体薄膜のヘテロエピタキシャル膜
合成についても、（Ｂａ，Ｒｂ）ＢｉＯ3薄膜合成と同
様であった。
１０-4Ｔｏｒｒ程度まではＲＨＥＥＤによりきれいなエ
ピタキシャル成長が観察されるが、１０-4Ｔｏｒｒより
高い酸素分圧では多くの異相発生が見られた。最良の成
膜条件は１０-4ＴｏｒｒのＡｒガスのみでスパッタし、
酸素ガスは導入しない場合であった。ＢＲＢ薄膜成長
は、もともとターゲットに含まれる酸素だけでペロブス
カイト結晶構造が形成されることになる。この段階で
は、得られる膜は多くの酸素欠損を含む。膜はＲＨＥＥ
Ｄ観察よりキクチラインを伴った極めてシャープなスト
リークが観察され、膜表面の平坦性がたいへん良好であ
り、かつ結晶性も良好であることがわかる。面内で＜１
００＞ＢＲＢ／／＜１００＞ＳｒＴｉＯ3の方位関係で
エピタキシャル成長し、ｃ軸配向してエピタキシャル成
長することが確認された。所定の膜厚を成長させた後、
イオンビームを止め、基板温度を成膜温度に保持したま
ま活性酸素を導入する。活性酸素は石英管中をフローし
ている酸素ガスをマイクロ波励起することにより得てい
る。この場合、酸素流量３０ＳＣＣＭに２．４５ＧＨｚ
のマイクロ波５０Ｗをかけることにより、約１０15個／
ｃｍ2・秒程度の活性酸素が基板面に到達していると推
定される。この活性酸素雰囲気中で基板温度を約１５０
℃以下まで徐々に冷却することで、膜中の酸素欠陥を修
復し、超電導性薄膜を得ることができる。（Ｂａ，Ｋ）
ＢｉＯ3酸化物超電導体薄膜のヘテロエピタキシャル膜
合成についても、（Ｂａ，Ｒｂ）ＢｉＯ3薄膜合成と同
様であった。
【００１０】さらに膜成長初期において、例えばＳｒＴ
ｉＯ3（格子常数３．９オングストローム）と（Ｂａ，
Ｒｂ）ＢｉＯ3（格子常数４．３オングストローム）と
の間には約１０％の格子ミスマッチがあり、これが異相
発生の原因となる。これを緩和するために、比較的安定
に成長するＢａＢｉＯ3を最初にＳｒＴｉＯ3上に成長さ
せ、格子ミスマッチ吸収した後、（Ｂａ，Ｒｂ）ＢｉＯ
3を成長させることで、膜の表面平坦性を非常に改善す
ることができた。このためのＢａＢｉＯ3の膜厚は、少
なくとも５０オングストローム程度必要である。これは
最初、ＳｒＴｉＯ3の格子に強く束縛されてＢａＢｉＯ3
が成長し、その後、５０オングストローム程度成長した
後、ＢａＢｉＯ3本来の面内格子常数に解放されるため
である。このＢａＢｉＯ3のバッファー層上に、（Ｂ
ａ，Ｒｂ）ＢｉＯ3膜はミスマッチが１％以下で成長
し、異相発生の少ないエピタキシャル成長が可能とな
る。また、（Ｂａ，Ｋ）ＢｉＯ3膜も上記と同様にして
異相発生の少ないエピタキシャル成長をさせることがで
きた。
ｉＯ3（格子常数３．９オングストローム）と（Ｂａ，
Ｒｂ）ＢｉＯ3（格子常数４．３オングストローム）と
の間には約１０％の格子ミスマッチがあり、これが異相
発生の原因となる。これを緩和するために、比較的安定
に成長するＢａＢｉＯ3を最初にＳｒＴｉＯ3上に成長さ
せ、格子ミスマッチ吸収した後、（Ｂａ，Ｒｂ）ＢｉＯ
3を成長させることで、膜の表面平坦性を非常に改善す
ることができた。このためのＢａＢｉＯ3の膜厚は、少
なくとも５０オングストローム程度必要である。これは
最初、ＳｒＴｉＯ3の格子に強く束縛されてＢａＢｉＯ3
が成長し、その後、５０オングストローム程度成長した
後、ＢａＢｉＯ3本来の面内格子常数に解放されるため
である。このＢａＢｉＯ3のバッファー層上に、（Ｂ
ａ，Ｒｂ）ＢｉＯ3膜はミスマッチが１％以下で成長
し、異相発生の少ないエピタキシャル成長が可能とな
る。また、（Ｂａ，Ｋ）ＢｉＯ3膜も上記と同様にして
異相発生の少ないエピタキシャル成長をさせることがで
きた。
【００１１】
【発明の効果】以上説明したように、本発明を適応する
ことにより表面平坦性の良好な（Ｂａ1-xＡx）ＢｉyＯz
酸化物超電導体のヘテロエピタキシャル膜を容易にｉｎ
−ｓｉｔｕ合成することができ、デバイス等への応用が
可能となる。
ことにより表面平坦性の良好な（Ｂａ1-xＡx）ＢｉyＯz
酸化物超電導体のヘテロエピタキシャル膜を容易にｉｎ
−ｓｉｔｕ合成することができ、デバイス等への応用が
可能となる。
【図１】本発明の方法に用いられるイオンビームスパッ
タ装置の概略構成図である。
タ装置の概略構成図である。
１ 基板 ２ 基板加熱ホルダ ３ ターゲット ４ イオン源 ５ 高速電子線回折（ＲＨＥＥＤ）用電子銃 ６ ＲＨＥＥＤ用スクリーン ７ 活性酸素導入ノズル ８ 活性酸素源 ９ 真空チャンバー １０ 仕切り板 １１ 囲い １２ シャッタ １３ 膜厚センサ １４ 真空ポンプ １５ バルブ １６ 膜成長室 １７ スパッタ室
───────────────────────────────────────────────────── 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 (56)参考文献 特開 平３−122003（ＪＰ，Ａ) ＪＰＮ．Ｊ．ＡＰＰＬ．ＰＨＹＳ．Ｐ ＡＲＴ２ 29（８）（1990）Ｐ．Ｌ1455 −57
Claims (1)
- 【請求項１】 （Ｂａ１−ｘＡｘ）ＢｉｙＯｚ（式
中、ＡはＫまたはＲｂを示し、ｘおよびｙは０．３＜ｘ
＜０．４，０．６＜ｙ＜１を示す。）酸化物超電導体薄
膜の“その場”（ｉｎ−ｓｉｔｕ）合成方法であって、
チタン酸ストロンチウム単結晶基板上にバッファー層と
してＢａＢｉＯ ３ を形成し、次いで該ＢａＢｉＯ ３ 層上
に、１０-4Ｔｏｒｒ以下の弱い酸化雰囲気中において基
板温度３００〜４５０℃でヘテロエピタキシャル成長さ
せ、その後、引き続いて活性酸素を用いて酸素欠損を補
いながら１５０℃以下まで冷却することにより、（Ｂａ
１−ｘ Ａ ｘ ）Ｂｉ ｙ Ｏ ｚ （式中、ＡはＫまたはＲｂを示
し、ｘおよびｙは０．３＜ｘ＜０．４，０．６＜ｙ＜１
を示す。）酸化物超電導体薄膜をその場合成することを
特徴とする酸化物超電導薄膜合成方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3184193A JP2541037B2 (ja) | 1991-06-28 | 1991-06-28 | 酸化物超電導薄膜合成方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3184193A JP2541037B2 (ja) | 1991-06-28 | 1991-06-28 | 酸化物超電導薄膜合成方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH059030A JPH059030A (ja) | 1993-01-19 |
| JP2541037B2 true JP2541037B2 (ja) | 1996-10-09 |
Family
ID=16148985
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3184193A Expired - Fee Related JP2541037B2 (ja) | 1991-06-28 | 1991-06-28 | 酸化物超電導薄膜合成方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2541037B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP4516199B2 (ja) | 2000-09-13 | 2010-08-04 | キヤノンアネルバ株式会社 | スパッタ装置及び電子デバイス製造方法 |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2855164B2 (ja) * | 1989-05-29 | 1999-02-10 | 日本電信電話株式会社 | アルカリ金属置換酸化物薄膜の製造方法 |
-
1991
- 1991-06-28 JP JP3184193A patent/JP2541037B2/ja not_active Expired - Fee Related
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| ＪＰＮ．Ｊ．ＡＰＰＬ．ＰＨＹＳ．ＰＡＲＴ２２９（８）（１９９０）Ｐ．Ｌ１４５５−５７ |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH059030A (ja) | 1993-01-19 |
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