JP2544760B2 - Preparation method of superconducting thin film - Google Patents

Preparation method of superconducting thin film

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JP2544760B2 JP62324701A JP32470187A JP2544760B2 JP 2544760 B2 JP2544760 B2 JP 2544760B2 JP 62324701 A JP62324701 A JP 62324701A JP 32470187 A JP32470187 A JP 32470187A JP 2544760 B2 JP2544760 B2 JP 2544760B2
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    • Y02E40/60Superconducting electric elements or equipment; Power systems integrating superconducting elements or equipment

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、超電導薄膜の製造方法に関するものであ
り、より詳細には、高い超電導臨界温度を有する複合酸
化物超電導薄膜の臨界電流を大幅に向上させた超電導薄
膜の作製方法に関するものである。
Description: TECHNICAL FIELD The present invention relates to a method for producing a superconducting thin film, and more particularly, to significantly improve the critical current of a complex oxide superconducting thin film having a high superconducting critical temperature. It also relates to a method for producing a superconducting thin film.

本発明により得られる超電導薄膜は高い臨界電流を持
つと同時に、平滑性等の他の特性においても優れた特性
を有しており、集積回路を始めとする各種電子部品の配
線材料として特に有用である。
The superconducting thin film obtained by the present invention has a high critical current and at the same time has excellent properties in other properties such as smoothness, and is particularly useful as a wiring material for various electronic components including integrated circuits. is there.

従来の技術 電子の相転移であるといわれる超電導現象は、特定の
条件下で導体の電気抵抗が零の状態となり完全な反磁性
を示す現象である。
2. Description of the Related Art The superconducting phenomenon, which is said to be a phase transition of electrons, is a phenomenon in which the electric resistance of a conductor becomes zero under certain conditions and shows perfect diamagnetism.

エレクトロニクスの分野では各種の超電導素子が知ら
れている。代表的なものとしては、超電導材料どうしを
弱く接合した場合に、印加電流によって量子効果が巨視
的に現れるジョセフソン効果を利用した素子が挙げられ
る。
Various superconducting elements are known in the field of electronics. A typical example is an element utilizing the Josephson effect in which quantum effects appear macroscopically by an applied current when superconducting materials are weakly joined.

トンネル接合型ジョセフソン素子は、超電導材料のエ
ネルギーギャップが小さいことから、極めて高速な低電
力消費のスイッチング知として期待されている。また、
電磁波や磁場に対するジョセフソン効果が正確な量子現
象として現れることから、ジョセフソン素子を磁場、マ
イクロ波、放射線等の超高感度センサとして利用するこ
とも期待されている。さらに、単位面積当たりの消費電
力が冷却能力の限界に達する超高速計算機には超電導素
子の開発が要望されている。
The tunnel junction type Josephson device is expected as a switching technology with extremely high speed and low power consumption because the energy gap of the superconducting material is small. Also,
Since the Josephson effect for electromagnetic waves and magnetic fields appears as an accurate quantum phenomenon, it is expected that the Josephson device will be used as an ultrasensitive sensor for magnetic fields, microwaves, radiation, etc. Furthermore, the development of superconducting elements is required for ultra-high speed computers whose power consumption per unit area reaches the limit of cooling capacity.

また、電子回路の集積度が高くなるにつれて各種電子
部品の配線材料として電流ロスの無い超電導材料を用い
ることも提案されている。
Further, it has been proposed to use a superconducting material with no current loss as a wiring material for various electronic components as the degree of integration of electronic circuits increases.

一方、様々な努力にもかかわらず、超電導材料の超電
導臨界温度Tcは長期間に亘ってNb3Geの23Kを越えること
ができなかったが、昨年末来、〔La,Ba〕2CuO4または
〔La,Sr〕2CuO4等の酸化物の焼結材が高いTcをもつ超電
導材料として発見され、非低温超電導を実現する可能性
が大きく高まっている。これらの物質では、30乃至50K
という従来に比べて飛躍的に高いTCが観測されている。
On the other hand, despite various efforts, the superconducting critical temperature Tc of superconducting materials could not exceed 23K of Nb 3 Ge for a long time, but since the end of last year, [La, Ba] 2 CuO 4 or Sintered oxides such as [La, Sr] 2 CuO 4 have been discovered as superconducting materials with high Tc, and the possibility of realizing non-low temperature superconductivity is increasing greatly. For these substances, 30-50K
A dramatically higher T C is observed compared to the conventional one.

また、YBCOと称されるY1Ba2Cu3O7-Xで表される複合酸
化物は、90K級の超電導体であることが発表されてい
る。これら複合酸化物超電導体の超電導特性には、結晶
中の酸素欠陥が大きな役割を果たしている。すなわち、
結晶中の酸素欠陥が適正でないと、Tcは低く、また、オ
ンセット温度と抵抗が完全に0となる温度との差も大き
くなる。
Further, it has been announced that a composite oxide represented by Y 1 Ba 2 Cu 3 O 7-X called YBCO is a 90K-class superconductor. Oxygen defects in the crystal play a major role in the superconducting properties of these complex oxide superconductors. That is,
If oxygen deficiency in the crystal is not proper, Tc will be low, and the difference between the onset temperature and the temperature at which the resistance becomes zero will be large.

発明が解決しようとする問題点 従来、上記複合酸化物超電導体薄膜を作製する際に
は、焼結等で生成した酸化物を蒸着源として物理蒸着を
行っていた。
Problems to be Solved by the Invention Conventionally, when the above-mentioned composite oxide superconductor thin film was prepared, physical vapor deposition was performed using an oxide generated by sintering or the like as a vapor deposition source.

物理蒸着法としては、特にスパッタリング法が一般的
である。しかしながら、上記の超電導体は、臨界電流密
度Jcが小さいため、臨界温度Tcが高くても実用性が低か
った。この特性は、薄膜にした場合も変わらず、複合酸
化物超電導体の実用化に際して大きな問題となってい
た。
As the physical vapor deposition method, a sputtering method is generally used. However, since the above-mentioned superconductor has a small critical current density Jc, its practicality is low even if the critical temperature Tc is high. This characteristic does not change even when it is formed into a thin film, which has been a serious problem in practical application of the composite oxide superconductor.

そこで、本発明の目的は、上記従来技術の問題点を解
決し、高い臨界電流Jcを有する複合酸化物超電導材料の
薄膜を作製する方法を提供することにある。
Therefore, an object of the present invention is to provide a method for solving the above-mentioned problems of the prior art and producing a thin film of a complex oxide superconducting material having a high critical current Jc.

問題点を解決するための手段 本発明に従うと、下記の式: Ln1Ba2Cu3O7-X (ただし、LnはLa、Nd、Sm、Eu、Gd、Dy、Ho、Y、Er、
Ybの中から選択される少なくとも一つのランタノイド系
元素を表し、xは0≦x<1を満たす数である) で表される複合酸化物を主として含む複合酸化物超電導
体薄膜をスパッタリングで作製する方法において、高周
波電力を0.064〜1.27〔W/cm2〕の範囲、更に好ましく
は、0.127〜0.76〔W/cm2〕の範囲としたことを特徴とす
る超電導薄膜の作製方法が提供される。この高周波電力
は、ターゲットの大きさを直径10cmの円板とすると、5
〜100Wの範囲、更に好ましくは、10〜60Wの範囲に相当
する。尚、スパッタリングに際しては、マグネトロンス
パッタリング法を採用することも有利である。
Means for Solving the Problems According to the present invention, the following formula: Ln 1 Ba 2 Cu 3 O 7-X (where Ln is La, Nd, Sm, Eu, Gd, Dy, Ho, Y, Er,
A composite oxide superconducting thin film mainly containing a composite oxide represented by: represents at least one lanthanoid element selected from Yb, and x is a number satisfying 0 ≦ x <1. In the method, there is provided a method for producing a superconducting thin film, characterized in that the high frequency power is in the range of 0.064 to 1.27 [W / cm 2 ] and more preferably in the range of 0.127 to 0.76 [W / cm 2 ]. This high-frequency power is 5 when the target size is a disk with a diameter of 10 cm.
To 100 W, more preferably 10 to 60 W. Incidentally, it is also advantageous to adopt a magnetron sputtering method at the time of sputtering.

本発明の方法で作製される複合酸化物超電導薄膜は、
上記一般式: Ln1Ba2Cu3O7-X で示される複合酸化物を含んでおり、これらの複合酸化
物はペロブスカイト型または擬似ペロブスカイト型酸化
物を主体としたものと考えられる。
The composite oxide superconducting thin film produced by the method of the present invention,
It contains complex oxides represented by the above general formula: Ln 1 Ba 2 Cu 3 O 7-X , and these complex oxides are considered to be mainly composed of perovskite type or pseudo perovskite type oxides.

上記ランタノイド系元素Lnは、La、Nd、Sm、Eu、Gd、
Dy、Ho、Y、Er、Ybの中から選択されるが、この中で、
臨界電流密度Jcが高く、臨界温度Tcが高く且つ表面平滑
性にも優れた超電導薄膜となるHo、Y、ErおよびDyが特
に好ましい。
The lanthanoid element Ln is La, Nd, Sm, Eu, Gd,
It is selected from Dy, Ho, Y, Er and Yb.
Ho, Y, Er and Dy, which are superconducting thin films having high critical current density Jc, high critical temperature Tc and excellent surface smoothness, are particularly preferable.

上記ランタノイド系元素Lnと、Baと、Cuの原子比は上
記の式のように1:2:3であるのが好ましいが、必ずしも
厳密にこの比に限定されるものではなく、これらの比か
ら±50%の範囲、さらに好ましくは±20%の範囲でずれ
た原子比の組成のものも本願発明の範囲に入るというこ
とは理解できよう。すなわち、特許請求の範囲において
(上記の式で表される複合酸化物を主として含む」とい
う表現は上記のように上記の式で定義されるLn:Ba:Cuの
原子比が1:2:3のもの以外のものも含むというを意味す
る。
The lanthanoid element Ln, Ba, and the atomic ratio of Cu is preferably 1: 2: 3 as in the above formula, but is not necessarily strictly limited to this ratio, and from these ratios It will be understood that a composition having an atomic ratio deviated within a range of ± 50%, more preferably within a range of ± 20%, is also within the scope of the present invention. That is, in the claims, the expression (mainly including the complex oxide represented by the above formula) means that the atomic ratio of Ln: Ba: Cu defined by the above formula is 1: 2: 3. It is meant to include things other than those.

さらに、上記の定義は上記のLn、Ba、CuおよびO以外
の元素、すなわち、ppmオーダーで混入する実用上避け
られない不純物と、他の特性を向上させる目的で添加さ
れる第3成分を含有していてもよいということを意味し
ている。
Furthermore, the above definition includes elements other than the above Ln, Ba, Cu and O, that is, impurities that are practically unavoidable mixed in in the ppm order and a third component added for the purpose of improving other characteristics. It means that you can do it.

第3成分として添加可能な元素としては、周期律表II
a族元素のSr、Ca、Mg、Be、上記以外の周期律表III a
族元素、周期率表I b、II b、III b、IV aおよびVIII a
族から選択される元素、例えば、Ti、Vを挙げることが
出来る。
The elements that can be added as the third component are the periodic table II.
Sr, Ca, Mg, Be of group a elements, periodic table other than the above IIIa
Group elements, Periodic Table Ib, IIb, IIIb, IVa and VIIIa
An element selected from the group, for example, Ti or V can be mentioned.

本発明の一実施態様では、成膜速度を0.05〜1Å/
秒、さらに好ましくは0.1〜0.8Å/秒にしてスパッタリ
ングがおこなわれる。また、膜厚を0.1〜10μmの範
囲、さらに好ましくは0.5〜2μmの範囲となるように
成膜する。
In one embodiment of the present invention, the film formation rate is 0.05 to 1Å /
The sputtering is carried out for a second, more preferably 0.1 to 0.8 Å / second. Further, the film is formed so that the film thickness is in the range of 0.1 to 10 μm, more preferably 0.5 to 2 μm.

また、上記スパッタリングは、0.001〜0.5Torrの圧
力、さらに好ましくは0.01〜0.3Torrの圧力下でかつO2
を5〜95分子%、さらに好ましくは10〜80分子%含む雰
囲気で行うのが好ましい。このO2以外と一緒に用いるこ
とが可能な他のスパッタリングガスとしては不活性ガス
であるアルゴンが好ましい。また、基板を200〜950℃、
さらに好ましくは500〜920℃に加熱しながらスパッタリ
ングを行うのが好ましい。
Further, the sputtering is a pressure of 0.001 ~ 0.5 Torr, more preferably under a pressure of 0.01 ~ 0.3 Torr and O 2
Is preferably carried out in an atmosphere containing 5 to 95 molecule%, more preferably 10 to 80 molecule%. Argon, which is an inert gas, is preferable as the other sputtering gas that can be used together with the gas other than O 2 . Also, the substrate is 200 ~ 950 ℃,
More preferably, the sputtering is performed while heating at 500 to 920 ° C.

本発明の態様に従うと、上記の複合酸化物超電導薄膜
を形成する基板としては、ペロブスカイト型結晶の基
板、酸化物基板、またはそれらペロブスカイト型結晶ま
たは酸化物がバッファ層として形成された金属基板や半
導体基板を使用することが可能である。好ましくは、基
板としては、MgO単結晶、SrTiO3単結晶、ZrO2単結晶、Y
SZ単結晶、Al2O3単結晶、または多結晶Al2O3、更には、
それら物質で成膜面が形成された金属基板や半導体基板
が好ましい。特に、MgO単結晶またはSrTiO3単結晶基板
の成膜面を、{001}面または{110}面とすることが好
ましい。
According to the aspect of the present invention, as the substrate for forming the above-mentioned complex oxide superconducting thin film, a perovskite-type crystal substrate, an oxide substrate, or a metal substrate or semiconductor in which the perovskite-type crystal or oxide is formed as a buffer layer It is possible to use a substrate. Preferably, the substrate is MgO single crystal, SrTiO 3 single crystal, ZrO 2 single crystal, Y
SZ single crystal, Al 2 O 3 single crystal, or polycrystalline Al 2 O 3 , further,
A metal substrate or a semiconductor substrate having a film formation surface formed of these substances is preferable. In particular, the MgO single crystal or SrTiO 3 single crystal substrate preferably has a {001} plane or a {110} plane as a film formation surface.

さらに、本発明の態様では、成膜後の薄膜を酸素分圧
0.1〜10気圧の酸素含有雰囲気で800〜960℃で0.5〜20時
間、さらに好ましくは850〜950℃で1〜10時間加熱し、
10℃/分以下の冷却速度で冷却してアニールを行うこと
が好ましい。
Further, in the aspect of the present invention, the thin film after film formation is subjected to oxygen partial pressure.
In an oxygen-containing atmosphere of 0.1 to 10 atm at 800 to 960 ° C for 0.5 to 20 hours, more preferably at 850 to 950 ° C for 1 to 10 hours,
It is preferable to perform annealing by cooling at a cooling rate of 10 ° C./minute or less.

作用 本発明の超電導薄膜の作製方法は、0.064〜1.27〔W/c
m2〕の範囲、更に好ましくは、0.127〜0.76〔W/cm2〕の
範囲の高周波電力を印加しながらスパッタリングを行う
ことをその主要な特徴としている。
The method for producing the superconducting thin film of the present invention is 0.064 to 1.27 (W / c
m 2 ], more preferably 0.127 to 0.76 [W / cm 2 ] in the range of applying high frequency power while performing the sputtering.

例えばYBCOと称されるY1Ba2Cu3O7-Xに代表される複合
酸化物超電導体の薄膜を作製する場合には、従来Y1Ba2C
u3O7等の焼結体をターゲットとしてスパッタリングを行
っていた。しかしながら、従来の方法で得られた超電導
薄膜は、特に臨界電流密度Jcが低く、実用にはならなか
った。
For example, when preparing a thin film of a complex oxide superconductor represented by Y 1 Ba 2 Cu 3 O 7-X called YBCO, the conventional Y 1 Ba 2 C
Sputtering was performed using a sintered body such as u 3 O 7 as a target. However, the superconducting thin film obtained by the conventional method has a particularly low critical current density Jc and is not practical.

これは、上記の複合酸化物超電導体は、その臨界電流
密度に結晶異方性を有するためで、すなわち、結晶のa
軸およびb軸で決定される面に平行な方向に電流が流れ
易いが、従来の方法では、結晶方向を十分に揃えること
ができなかったためである。従来は、結晶方向を揃える
ために、基板として、複合酸化物超電導体結晶の格子間
隔に近い格子間隔を有するMgO、SrTiO3およびYSZ等の単
結晶の特定な面を成膜面として用いていた。
This is because the above complex oxide superconductor has crystal anisotropy in its critical current density, that is, a
This is because current easily flows in a direction parallel to the plane determined by the axis and the b-axis, but the crystal directions could not be sufficiently aligned by the conventional method. Conventionally, in order to align the crystal directions, a specific surface of a single crystal such as MgO, SrTiO 3 and YSZ having a lattice spacing close to that of a complex oxide superconductor crystal was used as a film-forming surface as a substrate. .

本発明の方法では、従来の方法に加え、さらに、例え
ば10cmφのターゲットに対して、スパッタリング時に印
加する高周波電力を従来の1.9W/cm2程度から、全体で5
〜100W、すなわち、単位断面積当たり0.064〜1.27W/c
m2、さらに好ましくは、全体で10〜60W、すなわち、単
位断面積当たり0.127〜0.76W/cm2としたことで、複合酸
化物の結晶方向を揃え、また、組織を緻密化した。この
結果、従来法と比較して、大幅にJcが向上した超電導薄
膜が得られる。
In the method of the present invention, in addition to the conventional method, the high frequency power applied at the time of sputtering, for example, to a target of 10 cmφ is about 1.9 W / cm 2 in the related art, and the total is 5
~ 100W, i.e. 0.064 ~ 1.27W / c per unit cross section
m 2 and more preferably 10 to 60 W as a whole, that is, 0.127 to 0.76 W / cm 2 per unit cross-sectional area, so that the crystal directions of the composite oxide are aligned and the structure is densified. As a result, a superconducting thin film having a significantly improved Jc as compared with the conventional method can be obtained.

ここで、本発明者等の実験によれば、印加する高周波
電力が上記範囲を越えた場合は、従来法により作製した
薄膜と有意な特性の差は見出せなかった。一方、上記範
囲に達しない条件でスパッタリングを実施した場合は、
成膜速度が極端に遅く、有効な膜厚の薄膜を形成できな
かった。
Here, according to the experiments by the present inventors, when the applied high frequency power exceeds the above range, no significant difference in characteristics from the thin film produced by the conventional method was found. On the other hand, when the sputtering is carried out under the conditions that do not reach the above range,
The film formation rate was extremely slow, and a thin film having an effective film thickness could not be formed.

本発明の方法では、上記の条件で、スパッタリングに
より成膜を行うが、さらにスパッタリング時の基板温度
を200〜950℃、さらに好ましくは500〜920℃に加熱して
スパッタリングすることが好ましい。基板温度が200℃
未満の場合には、複合酸化物の結晶性が悪くアモルファ
ス状になり、超電導薄膜は得られない。また、基板温度
が950℃を越えると、結晶構造が変わってしまい、上記
の複合酸化物は超電導体とはならない。
In the method of the present invention, film formation is carried out by sputtering under the above-mentioned conditions, and it is preferable to further heat the substrate temperature at the time of sputtering to 200 to 950 ° C, more preferably 500 to 920 ° C for sputtering. Substrate temperature is 200 ℃
If it is less than the above range, the crystallinity of the composite oxide is poor and the composite oxide becomes amorphous, so that a superconducting thin film cannot be obtained. Further, when the substrate temperature exceeds 950 ° C., the crystal structure changes, and the above composite oxide does not become a superconductor.

本発明の態様に従うと、上記の複合酸化物超電導薄膜
を形成する基板としては、MgO単結晶、SrTiO3単結晶ま
たはZrO2単結晶基板が好ましい。特に、MgO単結晶基板
またはSrTiO3単結晶基板の{001}面または{110}面を
成膜面として用いることが好ましい。
According to the embodiment of the present invention, a MgO single crystal, SrTiO 3 single crystal or ZrO 2 single crystal substrate is preferable as the substrate for forming the above-mentioned composite oxide superconducting thin film. In particular, it is preferable to use the {001} plane or the {110} plane of the MgO single crystal substrate or the SrTiO 3 single crystal substrate as the film formation surface.

これは、既に説明したように本発明の複合酸化物超電
導体は、その電気抵抗に結晶異方性を有するためで、上
記の基板の上記成膜面上に形成された複合酸化物超電導
薄膜は、その結晶のc軸が基板成膜面に対し垂直または
垂直に近い角度となり、特に臨界電流密度Jcが大きくな
るものと考えられる。従って、MgO単結晶基板またはSrT
iO3単結晶基板の{001}面を成膜面として用いることが
好ましい。また、{110}面を用いてc軸を基板と平行
にし、c軸と垂直な方向を特定して用いることもでき
る。さらに、MgO、SrTiO3は、熱膨張率が上記の複合酸
化物超電導体と近いため、加熱、冷却の過程で薄膜に不
必要な応力を加えることがなく、薄膜を破損する恐れも
ない。
This is because the complex oxide superconductor of the present invention has crystal anisotropy in its electric resistance as described above. Therefore, the complex oxide superconducting thin film formed on the film forming surface of the substrate is It is considered that the c-axis of the crystal is perpendicular or nearly perpendicular to the film formation surface of the substrate, and the critical current density Jc becomes particularly large. Therefore, MgO single crystal substrate or SrT
It is preferable to use the {001} plane of the iO 3 single crystal substrate as the film formation surface. It is also possible to use the {110} plane to make the c-axis parallel to the substrate and specify the direction perpendicular to the c-axis for use. Furthermore, since MgO and SrTiO 3 have a coefficient of thermal expansion close to that of the above-mentioned composite oxide superconductor, unnecessary stress is not applied to the thin film during heating and cooling, and there is no risk of damage to the thin film.

本発明の態様に従うと、成膜後の薄膜を酸素分圧0.1
〜10気圧の酸素含有雰囲気中で800〜960℃、さらに好ま
しくは850〜950℃に加熱、10℃/分以下の冷却速度で冷
却する熱処理を施すアニール処理を行うことが好まし
い。この処理は、上記の複合酸化物中の酸素欠陥を調整
するもので、この処理を経ない薄膜の超電導特性は悪
く、超電導性を示さない場合もある。従って、上記の熱
処理を行うことが好ましい。
According to an embodiment of the present invention, the thin film after deposition has an oxygen partial pressure of 0.1.
It is preferable to perform an annealing treatment in which a heat treatment of heating to 800 to 960 ° C., more preferably 850 to 950 ° C., and cooling at a cooling rate of 10 ° C./min or less is performed in an oxygen-containing atmosphere at −10 atm. This treatment is for adjusting oxygen defects in the above-mentioned composite oxide, and the superconducting property of the thin film that does not undergo this treatment is poor and the superconducting property may not be exhibited in some cases. Therefore, it is preferable to perform the above heat treatment.

実施例 以下に本発明を実施例により説明するが、本発明の技
術的範囲は、以下の開示に何等制限されるものではない
ことは勿論である。
EXAMPLES The present invention will be described below with reference to examples, but it goes without saying that the technical scope of the present invention is not limited to the following disclosure.

上記で説明した本発明の方法により、RFマグネトロン
スパッタリング法で超電導薄膜を作製した。使用したタ
ーゲットは、下記の第1表に示すランタノイド系元素Ln
と、Baと、Cuの原子比Ln:Ba:Cuの比が1:2.24:4.35であ
る複合酸化物のLn−Ba−Cu−Oセラミックであり、ター
ゲットは直径が100mmφの円形とした。各々の場合の成
膜条件は同一とし、その成膜条件は以下の通りであっ
た。
A superconducting thin film was produced by the RF magnetron sputtering method by the method of the present invention described above. The target used was the lanthanoid element Ln shown in Table 1 below.
And Ba and Cu atomic ratio Ln: Ba: Cu is a composite oxide Ln-Ba-Cu-O ceramic having a ratio of Ln: Ba: Cu of 1: 2.24: 4.35, and the target has a circular shape with a diameter of 100 mmφ. The film forming conditions in each case were the same, and the film forming conditions were as follows.

基板 MgO(001)面 O2/(O2+Ar) 20% 圧力 0.1Torr 基板温度 700℃ 高周波電力 40W(0.51W/cm2) 時間 6時間 膜厚 0.88μm (成膜速度 0.35Å/秒) 成膜後、大気圧中(O2分圧約0.2Torr)で900℃の温度
を3時間保った後、5℃/分の冷却速度で冷却した。な
お、比較のため高周波電力を150W(1.9W/cm2)としたこ
と以外は、全く等しい条件でHoを含む複合酸化物超電導
薄膜を作製した場合の結果も第1表に併せて示してあ
る。
Substrate MgO (001) surface O 2 / (O 2 + Ar) 20% Pressure 0.1Torr Substrate temperature 700 ℃ High frequency power 40W (0.51W / cm 2 ) Time 6 hours Film thickness 0.88μm (deposition rate 0.35Å / sec) Composition After the film formation, the temperature was kept at 900 ° C. for 3 hours under atmospheric pressure (O 2 partial pressure of about 0.2 Torr), and then cooled at a cooling rate of 5 ° C./min. For comparison, Table 1 also shows the results when a complex oxide superconducting thin film containing Ho was prepared under exactly the same conditions except that the high frequency power was 150 W (1.9 W / cm 2 ). .

尚、臨界温度Tcは、常法に従って四端子法によって測
定した。また、臨界電流密度Jcは77.0Kで、資料の電気
抵抗を測定しつつ電流量を増加し、試料に電気抵抗が検
出されたときの電流量を電流路の単位面積に換算したも
ので記している。
The critical temperature Tc was measured by the four-terminal method according to a conventional method. In addition, the critical current density Jc is 77.0K, and the amount of current is increased while measuring the electrical resistance of the data, and the amount of current when the electrical resistance is detected in the sample is converted to the unit area of the current path. There is.

上記のように本発明の方法により作製された超電導薄
膜は、比較例より大幅に臨界電流が向上している。
As described above, the superconducting thin film produced by the method of the present invention has a significantly improved critical current as compared with the comparative example.

また、本発明の方法で作製した複合酸化物超電導薄膜
の組織が一様で緻密であることは、従来法により作製し
た比較例の複合酸化超電導薄膜の表面には、数ミクロン
のグレインが存在するのに対し、本発明の方法によるも
のは、表面がSEMで1万倍に拡大して観察しても凹凸が
見られないことからも推測できる。
Further, the fact that the structure of the composite oxide superconducting thin film produced by the method of the present invention is uniform and dense means that the surface of the composite oxide superconducting thin film of the comparative example produced by the conventional method has a few micron of grains. On the other hand, in the case of the method of the present invention, it can be inferred from the fact that no unevenness is observed even when the surface is magnified 10,000 times with SEM and observed.

発明の効果 以上詳述のように、本発明の方法によって得られた超
電導薄膜は、従来の方法で作製されたものに較べ、高い
臨界電流密度Jcを示す。
EFFECTS OF THE INVENTION As described in detail above, the superconducting thin film obtained by the method of the present invention exhibits a higher critical current density Jc than that produced by the conventional method.

本発明の方法は、従来法と較べ、単に、スパッタリン
グの高周波電力を小さくしただけであり、特殊な装置を
用いたものではない。本発明により、より安定に高性能
な超電導薄膜を供給することが可能となる。
The method of the present invention merely reduces the high frequency power of sputtering as compared with the conventional method, and does not use a special device. According to the present invention, it is possible to more stably supply a high-performance superconducting thin film.

───────────────────────────────────────────────────── 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 12/00 ZAA H01B 12/00 ZAA H01L 39/24 ZAA H01L 39/24 ZAAB (72)発明者 矢津 修示 兵庫県伊丹市昆陽北1丁目1番1号 住 友電気工業株式会社伊丹製作所内 (72)発明者 上代 哲司 兵庫県伊丹市昆陽北1丁目1番1号 住 友電気工業株式会社伊丹製作所内 (56)参考文献 特開 昭64−35819(JP,A) 特開 昭64−14814(JP,A)─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (51) Int.Cl. 6 Identification number Internal reference number FI Technical indication H01B 12/00 ZAA H01B 12/00 ZAA H01L 39/24 ZAA H01L 39/24 ZAAB (72) Inventor Shuji Yazu 1-1-1 Kunyokita, Itami-shi, Hyogo Sumitomo Electric Industries, Ltd. Itami Works (72) Inventor Tetsuji Kamishiro 1-1-1 Kunyo-kita, Itami-shi, Hyogo Itami Ltd. In-house (56) References JP 64-35819 (JP, A) JP 64-14814 (JP, A)

Claims (24)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】式:Ln1Ba2Cu3O7-X(ただし、LnはLa、Nd、
Sm、Eu、Gd、Dy、Ho、Y、Er、Ybの中から選択される少
なくとも一つのランタノイド系元素を表し、xは0≦x
<1を満たす数である)で表される複合酸化物を主とし
て含む複合酸化物超電導体薄膜をスパッタリング法によ
り作製する方法において、MgO単結晶、SrTiO3単結晶、Z
rO2単結晶、YSZ単結晶またはAl2O3単結晶の基板を用
い、成膜時に印加する高周波電力を0.064〜1.27〔W/c
m2〕の範囲としたことを特徴とする超電導薄膜の作製方
法。
1. A formula: Ln 1 Ba 2 Cu 3 O 7-X (where Ln is La, Nd,
At least one lanthanoid element selected from Sm, Eu, Gd, Dy, Ho, Y, Er, and Yb is represented, and x is 0 ≦ x.
<A number that satisfies <1) In the method for producing a composite oxide superconductor thin film mainly containing a composite oxide by a sputtering method, MgO single crystal, SrTiO 3 single crystal, Z
Using a rO 2 single crystal, YSZ single crystal or Al 2 O 3 single crystal substrate, the high frequency power applied during film formation was 0.064 to 1.27 (W / c
m 2 ]. The method for producing a superconducting thin film, characterized in that
【請求項2】成膜時に印加する上記高周波電力を0.127
〜0.76〔W/cm2〕の範囲としたこと特徴とする特許請求
の範囲第1項に記載の超電導薄膜の作製方法。
2. The high frequency power applied during film formation is 0.127.
The method for producing a superconducting thin film according to claim 1, wherein the superconducting thin film is in the range of 0.76 [W / cm 2 ].
【請求項3】上記複合酸化物超電導体が、Y1Ba2Cu3O7-X
(ただしxは0≦x<1を満たす数である)で表される
複合酸化物を含むことを特徴とする特許請求の範囲第第
1項または第2項に記載の超電導薄膜の作製方法。
3. The composite oxide superconductor is Y 1 Ba 2 Cu 3 O 7-X.
The method for producing a superconducting thin film according to claim 1 or 2, further comprising a complex oxide represented by (where x is a number satisfying 0 ≦ x <1).
【請求項4】上記複合酸化物超電導体が、Er1Ba2Cu3O
7-X(ただしxは0≦x<1を満たす数である)で表さ
れる複合酸化物を含むことを特徴とする特許請求の範囲
第1項または第2項に記載の超電導薄膜の作製方法。
4. The composite oxide superconductor is Er 1 Ba 2 Cu 3 O.
7-X (where x is a number satisfying 0 ≦ x <1) is included, and the production of the superconducting thin film according to claim 1 or 2 is included. Method.
【請求項5】上記複合酸化物超電導体が、Ho1Ba2Cu3O
7-X(ただしxは0≦x<1を満たす数である)で表さ
れる複合酸化物を含むことを特徴とする特許請求の範囲
第1項または第2項に記載の超電導薄膜の作製方法。
5. The composite oxide superconductor is Ho 1 Ba 2 Cu 3 O.
7-X (where x is a number satisfying 0 ≦ x <1) is included, and the production of the superconducting thin film according to claim 1 or 2 is included. Method.
【請求項6】上記複合酸化物超電導体が、Dy1Ba2Cu3O
7-X(ただしxは0≦x<1を満たす数である)で表さ
れる複合酸化物を含むことを特徴とする特許請求の範囲
第1項または第2項に記載の超電導薄膜の作製方法。
6. The composite oxide superconductor is Dy 1 Ba 2 Cu 3 O.
7-X (where x is a number satisfying 0 ≦ x <1) is included, and the production of the superconducting thin film according to claim 1 or 2 is included. Method.
【請求項7】上記スパッタリング時のガス圧力が、0.00
1から0.5Torrの範囲内であることを特徴とする特許請求
の範囲第1項から第6項のいずれか一項に記載の超電導
薄膜の作製方法。
7. The gas pressure during the sputtering is 0.00
The method for producing a superconducting thin film according to any one of claims 1 to 6, wherein the superconducting thin film is in the range of 1 to 0.5 Torr.
【請求項8】上記スパッタリング時のガス圧力が、0.01
から0.3Torrの範囲内であることを特徴とする特許請求
の範囲第1項から第6項のいずれか一項に記載の超電導
薄膜の作製方法。
8. The gas pressure during the sputtering is 0.01
To 0.3 Torr. 7. The method for producing a superconducting thin film according to claim 1, wherein the superconducting thin film is in the range of 0.3 to 0.3 Torr.
【請求項9】上記スパッタリングの際のスパッタリング
ガス中のO2の比率が5から95分子%であることを特徴と
する特許請求の範囲第1項から第8項のいずれか一項に
記載の超電導薄膜の作製方法。
9. The method according to claim 1, wherein the ratio of O 2 in the sputtering gas at the time of the sputtering is 5 to 95 molecule%. Manufacturing method of superconducting thin film.
【請求項10】上記スパッタリングの際のスパッタリン
グガス中のO2の比率が10から80分子%であることを特徴
とする特許請求の範囲第1項から第8項のいずれか一項
に記載の超電導薄膜の作製方法。
10. The sputtering method according to claim 1, wherein the ratio of O 2 in the sputtering gas during the sputtering is 10 to 80 molecule%. Manufacturing method of superconducting thin film.
【請求項11】上記スパッタリング時に、基板を加熱す
ることを特徴とする特許請求の範囲第1項から第10項の
いずれか一項に記載の超電導薄膜の作製方法。
11. The method for producing a superconducting thin film according to claim 1, wherein the substrate is heated during the sputtering.
【請求項12】上記スパッタリング時の基板温度が、20
0から950℃であることを特徴とする特許請求の範囲第11
項に記載の超電導薄膜の作製方法。
12. The substrate temperature during the sputtering is 20
Claim 11 characterized in that it is 0 to 950 ° C
A method for producing a superconducting thin film according to item.
【請求項13】上記スパッタリング時の基板温度が、50
0から920℃であることを特徴とする特許請求の範囲第11
項に記載の超電導薄膜の作製方法。
13. The substrate temperature during the sputtering is 50.
Claim 11 characterized in that it is 0 to 920 ℃
A method for producing a superconducting thin film according to item.
【請求項14】上記基板をMgO単結晶基板またはSrTiO3
単結晶基板とし、その{001}面または{110}面を成膜
面とすることを特徴とする特許請求の範囲第1項から第
13項までの何れか1項に記載の超電導薄膜の作製方法。
14. An MgO single crystal substrate or SrTiO 3 is used as the substrate.
The single crystal substrate is used, and its {001} plane or {110} plane is used as a film formation surface.
The method for producing a superconducting thin film according to any one of items 13 to 13.
【請求項15】0.05〜1Å/秒の範囲の成膜速度で成膜
することを特徴とする特許請求の範囲第1項から第14項
のいずれか一項に記載の超電導薄膜の作製方法。
15. The method for producing a superconducting thin film according to claim 1, wherein the film is formed at a film forming rate in the range of 0.05 to 1 Å / second.
【請求項16】0.1〜0.8Å/秒の範囲の成膜速度で成膜
することを特徴とする特許請求の範囲第1項から第15項
のいずれか一項に記載の超電導薄膜の作製方法。
16. The method for producing a superconducting thin film according to claim 1, wherein the film is formed at a film forming rate in the range of 0.1 to 0.8 Å / sec. .
【請求項17】0.1〜10μmの範囲の膜厚に成膜するこ
とを特徴とする特許請求の範囲第1項から第16項のいず
れか一項に記載の超電導薄膜の作製方法。
17. The method for producing a superconducting thin film according to any one of claims 1 to 16, wherein the film is formed to a film thickness in the range of 0.1 to 10 μm.
【請求項18】0.5〜2μmの範囲の膜厚に成膜するこ
とを特徴とする特許請求の範囲第1項から第16項のいず
れか一項に記載の超電導薄膜の作製方法。
18. The method for producing a superconducting thin film according to claim 1, wherein the superconducting thin film is formed to a film thickness of 0.5 to 2 μm.
【請求項19】上記成膜の後に薄膜を酸素含有雰囲気で
加熱−徐冷する熱処理を行うことを特徴とする特許請求
の範囲第1項から第18項のいずれか一項に記載の超電導
薄膜の作製方法。
19. The superconducting thin film according to claim 1, wherein after the film formation, the thin film is heat-treated by heating and gradually cooling in an oxygen-containing atmosphere. Of manufacturing.
【請求項20】上記熱処理を800〜960℃の範囲の加熱温
度で、0.5〜20時間の範囲の時間行うことを特徴とする
特許請求の範囲第19項に記載の超電導薄膜の作製方法。
20. The method for producing a superconducting thin film according to claim 19, wherein the heat treatment is carried out at a heating temperature in the range of 800 to 960 ° C. for a time in the range of 0.5 to 20 hours.
【請求項21】上記熱処理を850〜950℃の範囲の加熱温
度で、1〜10時間の範囲の時間行うことを特徴とする特
許請求の範囲第19項に記載の超電導薄膜の作製方法。
21. The method for producing a superconducting thin film according to claim 19, wherein the heat treatment is performed at a heating temperature in the range of 850 to 950 ° C. for a time in the range of 1 to 10 hours.
【請求項22】上記熱処理時の冷却速度が、10℃/分以
下であることを特徴とする特許請求の範囲第19項から第
21項までの何れか1項に記載の超電導薄膜の作製方法。
22. The cooling rate at the time of the heat treatment is 10 ° C./minute or less
21. A method for producing a superconducting thin film according to any one of items 21 to 21.
【請求項23】上記熱処理時の酸素分圧が0.1〜10気圧
であることを特徴とする特許請求の範囲第19項から第22
項のいずれか一項に記載の超電導薄膜の作製方法。
23. The oxygen partial pressure at the time of the heat treatment is 0.1 to 10 atmospheres.
Item 9. A method for producing a superconducting thin film according to any one of items.
【請求項24】上記スパッタリング法はマグネトロンス
パッタリングであることを特徴とする特許請求の範囲第
1項から第23項のいずれか一項に記載の超電導薄膜の作
製方法。
24. The method for producing a superconducting thin film according to any one of claims 1 to 23, wherein the sputtering method is magnetron sputtering.
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