JP2557446B2 - Method for producing complex oxide-based superconducting thin film - Google Patents

Method for producing complex oxide-based superconducting thin film

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JP2557446B2 JP63025107A JP2510788A JP2557446B2 JP 2557446 B2 JP2557446 B2 JP 2557446B2 JP 63025107 A JP63025107 A JP 63025107A JP 2510788 A JP2510788 A JP 2510788A JP 2557446 B2 JP2557446 B2 JP 2557446B2
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    • H10N60/0408Processes for depositing or forming superconductor layers by sputtering

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、超電導体からなる薄膜の製造方法に関する
ものである。特に、本発明は、ジョセフソン素子などに
使用される高臨界温度を有する複合酸化物超電導薄膜の
作製方法に関するものである。さらに詳細には、本発明
は、〔La,Ba〕2CuO4または〔La,Sr〕2CuO4等のK2NiF4
酸化物の超電導薄膜の作製方法に関するものである。
TECHNICAL FIELD The present invention relates to a method for producing a thin film made of a superconductor. In particular, the present invention relates to a method for producing a composite oxide superconducting thin film having a high critical temperature used for Josephson devices and the like. More specifically, the present invention relates to a method of producing a superconducting thin film of a K 2 NiF 4 type oxide such as [La, Ba] 2 CuO 4 or [La, Sr] 2 CuO 4 .

従来の技術 電気抵抗がゼロになるという超電導現象を利用すると
電力損失が全くない素子あるいは装置を実現できるた
め、この現象を応用した製品が多数考案されている。し
かし、現在のところ超電導現象は超低温でしか現われな
い。例えば、従来開発された超電導材料の中ではA−15
構造を持つ一群の物質が高いTC(超電導臨界温度)を示
すが、最も高いTCを有する物質であるNb3GeでもTCが23.
2Kである。
2. Description of the Related Art By utilizing the superconducting phenomenon that electric resistance becomes zero, it is possible to realize an element or a device having no power loss. Therefore, many products applying this phenomenon have been devised. However, at present, the superconducting phenomenon appears only at extremely low temperatures. For example, among the previously developed superconducting materials, A-15
A group of substances with a structure has a high T C (superconducting critical temperature), but even the substance with the highest T C , Nb 3 Ge, has a T C of 23.
It is 2K.

いずれにせよ、TC以下に冷却するには液体ヘリウム
(沸点4.2K)を用いる以外方法がない。ところでヘリウ
ムは量に限りのあるコストの点で大きな問題がある冷媒
である。さらに、21世紀には世界的にもヘリウム資源が
枯渇するとの予測もある。その他にも、冷却に大がかり
な装置が必要になるという欠点がある。以上のような背
景から、高いTCをもつ超電導材料の出現が強く望まれて
いた。しかし、様々な努力にもかかわらずここ10年ほど
の間は上記のTCを越える超電導材料の発見が途絶えてい
た。ところが、1986年、高いTCをもつ超電導酸化物が発
見されるに至って、高温超電導の可能性が大きく開けて
きた(Bednorz,Muller,“Z.Phys.B64(1986)189")。
In any case, there is no method other than using liquid helium (boiling point 4.2K) for cooling below T C. By the way, helium is a refrigerant which has a big problem in terms of the limited cost. Furthermore, it is predicted that helium resources will be exhausted globally in the 21st century. In addition, there is a drawback that a large-scale device is required for cooling. From the above background, the emergence of superconducting materials with high T C has been strongly desired. However, despite various efforts, the discovery of superconducting materials that exceed the above T C has ceased for the last 10 years. However, in 1986, led to the superconducting oxide having a high T C is found, the possibility of high-temperature superconductivity has been wide open (Bednorz, Muller, "Z.Phys.B64 ( 1986) 189").

この酸化物超電導体とは、〔La,Ba〕2CuO4または〔L
a,Sr〕2CuO4である。この酸化物超電導体は、K2NiF4
酸化物呼ばれるもので従来から知られていた(例、UP3,
932,315)ペロブスカイト型超電導酸化物と結晶構造が
似ている。これらの物質のTCは30〜50Kと、従来に比べ
て飛躍的に高い値である。TCがこの温度に達すると、超
電導を起こさせるための冷媒として液体水素(沸点20.4
K)または液体ネオン(沸点27.3K)が使えるようにな
る。特に水素の場合は、危険性はあるもののヘリウムと
違って資源の枯渇の心配がない。
This oxide superconductor means [La, Ba] 2 CuO 4 or [L
a, Sr] 2 CuO 4 . This oxide superconductor is known as K 2 NiF 4 type oxide and has been known for a long time (eg, UP3,
The crystal structure is similar to that of perovskite type superconducting oxide. The T C of these substances is 30 to 50 K, which is a dramatically higher value than the conventional value. When T C reaches this temperature, liquid hydrogen (boiling point 20.4) is used as a refrigerant for superconductivity.
K) or liquid neon (boiling point 27.3K) can be used. Especially in the case of hydrogen, there is a danger, but unlike helium, there is no fear of resource depletion.

超電導材料である化合物または合金の製造方法は、 (a) 原材料をバルク混合させて化合物または合金に
する方法(粉末焼結法)と、 (b) 合金または化合物を気相成長させる方法(気相
成長法)と の2つの方法に分類される。
The method of producing a compound or alloy that is a superconducting material includes (a) a method of bulk-mixing raw materials to form a compound or alloy (powder sintering method), and (b) a method of vapor-growing an alloy or compound (vapor phase). Growth method).

第3図は上述のような方法のうち、粉末焼結法(a)
の一例を示した工程図である。この方法は、第3図に示
すように以下の工程からなる。
FIG. 3 shows the powder sintering method (a) among the above methods.
It is a process drawing showing an example. This method comprises the following steps as shown in FIG.

(1) まず、例えば、BaCO3、La2O3、CuO、あるいはS
rCO3、La2O3、CuO等の、粒径数μmの各粉末を均一に混
合する。
(1) First, for example, BaCO 3 , La 2 O 3 , CuO, or S
Powders such as rCO 3 , La 2 O 3 and CuO having a particle size of several μm are uniformly mixed.

(2) 次に、これらの粉末を金型などを用いて成型す
る。
(2) Next, these powders are molded using a mold or the like.

(3) 成型されたものを、所定の温度並びに時間で予
備焼結する。
(3) The molded product is pre-sintered at a predetermined temperature and for a predetermined time.

(4) 成型物を取出し、再度粉砕する。(4) Take out the molded product and crush it again.

(5) 粉砕して得た粉末を再び成型する。(5) The powder obtained by crushing is molded again.

(6) この成形体を焼結する。(6) Sinter this compact.

また、気相成長法(b)は、例えば、超電導材料であ
る化合物Nb3Geの薄膜を形成する場合に用いられてい
る。この時、ターゲットはNb、Geそれぞれ単体からなる
ターゲットからスパッタリングによりNb、Ge粒子を飛散
し、膜形成されるべき基板上にNb3Geの化合物からなる
膜を形成するものである。また特開昭56−109,824号公
報には、BaPb1-xBixO3の薄膜スパッタリングで製造する
方法が記載されている。
The vapor phase growth method (b) is used, for example, when forming a thin film of the compound Nb 3 Ge which is a superconducting material. At this time, the target is to sputter Nb and Ge particles from a target consisting of Nb and Ge alone to form a film made of a compound of Nb 3 Ge on the substrate on which the film is to be formed. Also JP-A-56-109,824, a method of manufacturing a thin film sputtering of BaPb 1-x Bi x O 3 is described.

しかし、前述の複合酸化物系超電導材料については、
発見されてから日が浅いこともあって未だ粉末の焼結体
としてのみ開発が行われているため、薄膜として形成す
る方法については未だ確立されていない。即ち、K2NiF4
型酸化物は従来原料粉末を成型後焼結することによって
作成していた。従って、この焼結体をバルク超電導体と
して使用することが可能であるが、粉末焼結方法によっ
て得られた複合酸化物系超電導材料は、薄膜化はもとよ
り微細加工には適さず、各種エレクトロニクス素子等へ
の用途に使用することはできない。
However, regarding the above-mentioned composite oxide superconducting material,
Since it was only a few days since the discovery, it was only developed as a powdered sintered body, so the method for forming it as a thin film has not yet been established. That is, K 2 NiF 4
Conventionally, the type oxide has been produced by molding raw material powder and then sintering it. Therefore, it is possible to use this sintered body as a bulk superconductor, but the composite oxide superconducting material obtained by the powder sintering method is not suitable for microfabrication as well as thin film formation, and is not suitable for various electronic devices. It cannot be used for purposes such as.

そこで本発明の目的は、K2NiF4型酸化物を薄膜として
形成するための新規な方法を提供することにある。
Therefore, an object of the present invention is to provide a novel method for forming a K 2 NiF 4 type oxide as a thin film.

課題を解決するための手段 即ち、本発明に従って、Laと、元素周期律表のI a、I
I aおよびIII a族に含まれる元素の中から選択された一
つの元素Mと、Cuとを含む複合酸化物よりなる超電導薄
膜を製造する方法において、 少なくともLa、上記元素MおよびCuを含む化合物の混
合物よりなるターゲットを用いてスパッタリングを行う
ことを特徴とする方法が提供される。
Means for Solving the Problems That is, according to the present invention, La and Ia of the periodic table of elements, I
In a method for producing a superconducting thin film comprising a complex oxide containing one element M selected from the elements contained in the groups Ia and IIIa, and Cu, a compound containing at least La and the above elements M and Cu. There is provided a method characterized in that sputtering is carried out using a target consisting of a mixture of

ここで、本発明の好ましい態様に従えば、上記スパッ
タリングによって得られる薄膜中のLa、上記元素Mおよ
びCuの組成比すなわち原子比が 式:(La1-xMx2CuO4-y (ここで、Mは元素周期表のI a、II a、III a族に含ま
れる群から選ばれた元素であり、xおよびyはそれぞれ
0<x<1および0≦y<4を満たす数である) となるようにLa、上記元素MおよびCuの組成比を調節し
た混合物をターゲットとして用いることが好ましい。
Here, according to a preferred embodiment of the present invention, the composition ratio of La in the thin film obtained by the above-mentioned sputtering, the element M and Cu, that is, the atomic ratio, is represented by the formula: (La 1-x M x ) 2 CuO 4-y ( Here, M is an element selected from the group included in the Ia, IIa, and IIIa groups of the periodic table, and x and y are numbers satisfying 0 <x <1 and 0 ≦ y <4, respectively. It is preferable to use a mixture in which the composition ratio of La, the element M and Cu is adjusted so that

尚、上記元素Mとしては、BaまたはSrを具体的に例示
することができ、上記混合物としては、該元素の酸化
物、炭酸塩、硝酸塩または硫酸塩を、La2O3とBaCO3とCu
Oのように混合した粉末混合物を例示することができ、
更に、この混合粉末は、70〜95重量%のLa2O3と、1〜2
0重量%のSrCO3と、1〜30重量%のCuOとの混合粉末で
あり得る。
Specific examples of the element M include Ba and Sr. Examples of the mixture include oxides, carbonates, nitrates or sulfates of the elements, La 2 O 3 , BaCO 3 and Cu.
A powder mixture mixed like O can be exemplified,
Furthermore, this mixed powder contains 70-95% by weight of La 2 O 3 and 1-2
It can be a mixed powder of 0 wt% SrCO 3 and 1-30 wt% CuO.

上記混合物は、La、上記元素MおよびCuを含む化合物
の混合物粉末を焼結して得られる焼結体であり得る。焼
結に際しては、上記混合粉末の焼結を粉末熱間プレスま
たは粉末熱間静水圧プレス(HIP)によって行うことも
有利である。
The mixture may be a sintered body obtained by sintering a mixed powder of a compound containing La, the element M and Cu. In the sintering, it is also advantageous to perform the sintering of the mixed powder by a powder hot pressing or a powder hot isostatic pressing (HIP).

ここで、本発明の好ましい態様に従えば、上記組成式
において、上記元素MがBaであり且つxが0.025≦x≦
0.125の範囲にあることが挙げられる。また、本発明の
他の好ましい態様として、上記組成式において、上記元
素MがSrであり且つxが0.09≦x≦0.25の範囲にあるこ
とが挙げられる。
Here, according to a preferred embodiment of the present invention, in the composition formula, the element M is Ba and x is 0.025 ≦ x ≦.
It may be in the range of 0.125. Further, as another preferred embodiment of the present invention, in the above composition formula, the element M is Sr and x is in the range of 0.09 ≦ x ≦ 0.25.

本発明の方法において、薄膜を蒸着する際の基板温度
としては、100〜1200℃を好ましい温度範囲として挙げ
ることができる。
In the method of the present invention, the substrate temperature during vapor deposition of the thin film may be 100 to 1200 ° C. as a preferable temperature range.

また、発明の好ましい態様として、成膜後に、薄膜を
600〜1200℃で熱処理することが挙げられる。
Further, as a preferred embodiment of the invention, a thin film is formed after the film formation.
The heat treatment may be performed at 600 to 1200 ° C.

尚、上記成膜は酸素ガス存在下で行うことが有利であ
り、ここで、酸素ガスの分圧は10-6〜5×10-2Torrを好
ましい範囲として挙げることができる。また、成膜時に
基板に印加する電圧としては、0〜1500Vを好ましい範
囲として挙げることができる。
The film formation is advantageously performed in the presence of oxygen gas, and the partial pressure of oxygen gas can be preferably set in the range of 10 −6 to 5 × 10 −2 Torr. In addition, the voltage applied to the substrate during film formation may be in the range of 0 to 1500V as a preferable range.

こうして本発明によって得られた超電導薄膜は、K2Ni
F4型の結晶構造を有する複合酸化物を主として含むもの
と考えられる。
The superconducting thin film thus obtained according to the present invention is K 2 Ni
It is considered to mainly contain a complex oxide having an F 4 type crystal structure.

次に、本発明により、Laと、元素周期律表のI a、II
aおよびIII a族に含まれる元素の中から選択された一つ
の元素Mと、Cuとを含む複合酸化物よりなる超電導薄膜
を製造する方法において、得られる薄膜中のLa、上記元
素MおよびCuの組成比すなわち原子比が 式:(La1-xMx2CuO4-y (ここで、Mは元素周期表のI a、II a、III a族に含ま
れる群から選ばれた元素であり、xおよびyはそれぞれ
0<x<1および0≦y<4を満たす数である) を満足するように、La、上記元素MおよびCuの単体また
は化合物の粉末を混合した後焼結して得られる焼結体を
ターゲットとしてスパッタリングを行い、且つ、該スパ
ッタリングによる成膜後に、薄膜を600〜1200℃の温度
範囲で熱処理することを特徴とする方法が提供される。
Next, according to the present invention, La and Ia, II of the periodic table of elements are
In a method for producing a superconducting thin film composed of a complex oxide containing one element M selected from the elements included in a and IIIa groups, and Cu, La in the obtained thin film, the above elements M and Cu The composition ratio, that is, the atomic ratio, of the formula: (La 1-x M x ) 2 CuO 4-y (where M is an element selected from the group included in the groups I a, II a, and III a of the periodic table). And x and y are numbers satisfying 0 <x <1 and 0 ≦ y <4 respectively), and sintering after mixing powders of La, the above-mentioned elements M and Cu alone or a compound thereof A method is provided in which sputtering is performed using the sintered body obtained as a target as a target, and after the film formation by the sputtering, the thin film is heat-treated in a temperature range of 600 to 1200 ° C.

ここで、本発明の好ましい態様に従えば、上記スパッ
タリングによって得られる薄膜中のLa、上記元素Mおよ
びCuの組成比すなわち原子比が 式:(La1-xMx2CuO4-y (ここで、Mは元素周期表のI a、II a、III a族に含ま
れる群から選ばれた元素、であり、xおよびyはそれぞ
れ0<x<1および0≦y<4を満たす数である) となるようにLa、上記元素MおよびCuの組成比を調節す
ることが好ましい。
Here, according to a preferred embodiment of the present invention, the composition ratio of La in the thin film obtained by the above-mentioned sputtering, the element M and Cu, that is, the atomic ratio, is represented by the formula: (La 1-x M x ) 2 CuO 4-y ( Here, M is an element selected from the group included in Ia, IIa, and IIIa groups of the periodic table, and x and y are numbers satisfying 0 <x <1 and 0 ≦ y <4, respectively. It is preferable to adjust the composition ratio of La, the element M and Cu so that

尚、上記元素Mとしては、BaまたはSrを具体的に例示
することができ、上記混合物としては、該元素の酸化
物、炭酸塩、硝酸塩または硫酸塩を、La2O3とBaCO3とCu
Oのように混合した粉末混合物を例示することができ、
更に、この混合粉末は、70〜95重量%のLa2O3と、1〜2
0重量%のSrCO3と、1〜30重量%のCuOとの混合粉末で
あり得る。
Specific examples of the element M include Ba and Sr. Examples of the mixture include oxides, carbonates, nitrates or sulfates of the elements, La 2 O 3 , BaCO 3 and Cu.
A powder mixture mixed like O can be exemplified,
Furthermore, this mixed powder contains 70-95% by weight of La 2 O 3 and 1-2
It can be a mixed powder of 0 wt% SrCO 3 and 1-30 wt% CuO.

上記混合物は、La、上記元素MおよびCuを含む化合物
の混合物粉末を焼結して得られる焼結体であり得る。焼
結に際しては、上記混合粉末の焼結を粉末熱間プレスま
たは粉末熱間静水圧プレス(HIP)によって行うことも
有利である。
The mixture may be a sintered body obtained by sintering a mixed powder of a compound containing La, the element M and Cu. In the sintering, it is also advantageous to perform the sintering of the mixed powder by a powder hot pressing or a powder hot isostatic pressing (HIP).

ここで、本発明の好ましい態様に従えば、上記組成式
において、上記元素MがBaであり且つxが0.025≦x≦
0.125の範囲にあることが挙げられる。また、本発明の
他の好ましい態様として、上記組成物において、上記元
素MがSrであり且つxが0.09≦x≦0.25の範囲にあるこ
とが挙げられる。
Here, according to a preferred embodiment of the present invention, in the composition formula, the element M is Ba and x is 0.025 ≦ x ≦.
It may be in the range of 0.125. Further, as another preferred embodiment of the present invention, in the above composition, the element M is Sr and x is in the range of 0.09 ≦ x ≦ 0.25.

また、発明の好ましい態様として、成膜後に、薄膜を
600〜1200℃で熱処理することが挙げられる。
Further, as a preferred embodiment of the invention, a thin film is formed after the film formation.
The heat treatment may be performed at 600 to 1200 ° C.

尚、上記成膜は酸素ガス存在下で行うことが有利であ
り、ここで、酸素ガスの分圧は10-6〜5×10-2Torrを好
ましい範囲として挙げることができる。また、成膜時に
基板に印加する電圧としては、0〜1500Vを好ましい範
囲として挙げることができる。
The film formation is advantageously performed in the presence of oxygen gas, and the partial pressure of oxygen gas can be preferably set in the range of 10 −6 to 5 × 10 −2 Torr. In addition, the voltage applied to the substrate during film formation may be in the range of 0 to 1500V as a preferable range.

こうして本発明によって得られた超電導薄膜は、K2Ni
F4型の結晶構造を有する複合酸化物を主として含むもの
と考えられる。
The superconducting thin film thus obtained according to the present invention is K 2 Ni
It is considered to mainly contain a complex oxide having an F 4 type crystal structure.

更に、本発明に従い、Laと、元素周期律表のI a、II
aおよびIII a族に含まれる元素の中から選択された一つ
の元素Mと、Cuとを含む複合酸化物よりなる超電導薄膜
を製造する方法において、得られる薄膜中のLa、上記元
素MおよびCuの組成比すなわち原子比が 式:(La1-xMx2CuO4-y (ここで、Mは元素周期表のI a、II a、III a族に含ま
れる群から選ばれた元素であり、xおよびyはそれぞれ
0<x<1および0≦y<4を満たす数である) を満足するように、La、上記元素MおよびCuの単体また
は化合物の粉末を混合した後焼結して得られる焼結体を
ターゲットとして、100〜1200℃の基板温度でスパッタ
リングを行い、且つ、該スパッタリングによる成膜後
に、薄膜を600〜1200℃の温度範囲で熱処理することを
特徴とする方法が提供される。
Furthermore, according to the present invention, La and Ia, II of the periodic table of elements are
In a method for producing a superconducting thin film composed of a complex oxide containing one element M selected from the elements included in a and IIIa groups, and Cu, La in the obtained thin film, the above elements M and Cu The composition ratio, that is, the atomic ratio, of the formula: (La 1-x M x ) 2 CuO 4-y (where M is an element selected from the group included in the groups I a, II a, and III a of the periodic table). And x and y are numbers satisfying 0 <x <1 and 0 ≦ y <4 respectively), and sintering after mixing powders of La, the above-mentioned elements M and Cu alone or a compound thereof Using the obtained sintered body as a target, sputtering is performed at a substrate temperature of 100 to 1200 ° C., and, after film formation by the sputtering, a thin film is heat treated in a temperature range of 600 to 1200 ° C. Will be provided.

ここで、本発明の好ましい態様に従えば、上記スパッ
タリングによって得られる薄膜中のLa、上記元素Mおよ
びCuの組成比すなわち原子比が 式:(La1-xMx2CuO4-y (ここで、Mは元素周期表のI a、II a、III a族に含ま
れる群から選ばれた元素であり、xおよびyはそれぞれ
0<x<1および0≦y<4を満たす数である) となるようにLa、上記元素MおよびCuの組成比を調節す
ることが好ましい。
Here, according to a preferred embodiment of the present invention, the composition ratio of La in the thin film obtained by the above-mentioned sputtering, the element M and Cu, that is, the atomic ratio, is represented by the formula: (La 1-x M x ) 2 CuO 4-y ( Here, M is an element selected from the group included in the Ia, IIa, and IIIa groups of the periodic table, and x and y are numbers satisfying 0 <x <1 and 0 ≦ y <4, respectively. It is preferable to adjust the composition ratio of La, the element M, and Cu so that

尚、上記元素Mとしては、BaまたはSrを具体的に例示
することができ、上記混合物としては、該元素の酸化
物、炭酸塩、硝酸塩または硫酸塩を、La2O3とBaCO3とCu
Oのように混合した粉末混合物を例示することができ、
更に、この混合粉末は、70〜95重量%のLa2O3と、1〜2
0重量%のSrCO3と、1〜30重量%のCuOとの混合粉末で
あり得る。
Specific examples of the element M include Ba and Sr. Examples of the mixture include oxides, carbonates, nitrates or sulfates of the elements, La 2 O 3 , BaCO 3 and Cu.
A powder mixture mixed like O can be exemplified,
Furthermore, this mixed powder contains 70-95% by weight of La 2 O 3 and 1-2
It can be a mixed powder of 0 wt% SrCO 3 and 1-30 wt% CuO.

上記混合物は、La、上記元素MおよびCuを含む化合物
の混合物粉末を焼結して得られる焼結体であり得る。焼
結に際しては、上記混合粉末の焼結を粉末熱間プレスま
たは粉末熱間静水圧プレス(HIP)によって行うことも
有利である。
The mixture may be a sintered body obtained by sintering a mixed powder of a compound containing La, the element M and Cu. In the sintering, it is also advantageous to perform the sintering of the mixed powder by a powder hot pressing or a powder hot isostatic pressing (HIP).

ここで、本発明の好ましい態様に従えば、上記組成式
において、上記元素MがBaであり且つxが0.025≦x≦
0.125の範囲にあることが挙げられる。また、本発明の
他の好ましい態様として、上記組成式において、上記元
素MがSrであり且つxが0.09≦x≦0.25の範囲にあるこ
とが挙げられる。
Here, according to a preferred embodiment of the present invention, in the composition formula, the element M is Ba and x is 0.025 ≦ x ≦.
It may be in the range of 0.125. Further, as another preferred embodiment of the present invention, in the above composition formula, the element M is Sr and x is in the range of 0.09 ≦ x ≦ 0.25.

尚、上記成膜は酸素ガス存在下で行うことが有利であ
り、ここで、酸素ガスの分圧は10-6〜5×10-2Torrを好
ましい範囲として挙げることができる。
The film formation is advantageously performed in the presence of oxygen gas, and the partial pressure of oxygen gas can be preferably set in the range of 10 −6 to 5 × 10 −2 Torr.

また、成膜時に基板に印加する電圧としては、0〜15
00Vを好ましい範囲として挙げることができる。
The voltage applied to the substrate during film formation is 0 to 15
00V can be mentioned as a preferable range.

こうして本発明によって得られた超電導薄膜は、K2Ni
F4型の結晶構造を有する複合酸化物を主として含むもの
と考えられる。
The superconducting thin film thus obtained according to the present invention is K 2 Ni
It is considered to mainly contain a complex oxide having an F 4 type crystal structure.

作用 本発明により提供される超電導薄膜の製造方法は、い
ずれもLaと、元素周期律表のI a、II aおよびIII a族に
含まれる元素の中から選択された一つの元素Mと、Cuと
を含むターゲットを使用することをその主要な特徴とし
ている。
Action The methods for producing a superconducting thin film provided by the present invention are all La, one element M selected from the elements included in the groups Ia, IIa and IIIa of the periodic table of elements, and Cu. Its main feature is the use of targets including and.

ここで、上記ターゲットを使用したスパッタリングに
よって得られる薄膜中のLa、上記元素MおよびCuの組成
比すなわち原子比が 式:(La1-xMx2CuO4-y (ここで、Mは元素周期表のI a、II a、III a族に含ま
れる群から選ばれた元素であり、xおよびyはそれぞれ
0<x<1および0≦y<4を満たす数である) となるように、ターゲット中のLa、上記元素MおよびCu
の原子比が蒸着効率等に応じて調節されていることが有
利である。
Here, the composition ratio of La in the thin film obtained by sputtering using the above target, the element M and Cu, that is, the atomic ratio, is represented by the formula: (La 1-x M x ) 2 CuO 4-y (where M is It is an element selected from the group included in Ia, IIa, and IIIa groups of the periodic table, and x and y are numbers satisfying 0 <x <1 and 0 ≦ y <4, respectively) In the target, La, the above elements M and Cu
It is advantageous that the atomic ratio of is adjusted according to the vapor deposition efficiency and the like.

特に超電導特性の優れた薄膜が形成されるものとし
て、上記元素MとしてはBaまたはSrを選択することがで
きる。
In particular, Ba or Sr can be selected as the element M for forming a thin film having excellent superconducting properties.

また、成膜時の基板温度を100〜1200℃とすることに
よって、超電導薄膜としての優れた特性を得ることがで
きる。
Further, by setting the substrate temperature during film formation to 100 to 1200 ° C., excellent characteristics as a superconducting thin film can be obtained.

また、この超電導薄膜を形成する基板としては、スパ
ッタリング法で公知の各種セラミック基板材料の中から
選択することができ、特に有利なものとして、マグネシ
ア、チタン酸ストロンチウム、ベリリア、アルミナ、シ
リコン、YSZ等の単結晶基板を挙げることができる。
Further, as the substrate for forming this superconducting thin film, it can be selected from various ceramic substrate materials known in the sputtering method, as particularly advantageous, magnesia, strontium titanate, beryllia, alumina, silicon, YSZ, etc. The single crystal substrate of can be mentioned.

更に、本発明の特に好ましい一実施態様では、超電導
体薄膜の成膜後に、この薄膜を空気中で600〜1200℃で
熱処理することが挙げられる。
Further, in a particularly preferred embodiment of the present invention, after forming the superconductor thin film, the thin film is heat-treated in air at 600 to 1200 ° C.

また、本発明の一態様に従えば、ターゲットたる上記
混合物は、La、元素MおよびCuを含む化合物の粉末混合
物を焼結して得られる焼結体である。
Further, according to one embodiment of the present invention, the target mixture is a sintered body obtained by sintering a powder mixture of a compound containing La, the element M and Cu.

この場合にも、上記スパッタリングによって得られる
薄膜中のLa、上記元素MおよびCuの組成比すなわち原子
比が 式:(La1-xMx2CuO4-y (ここで、Mは元素周期表のI a、II a、III a族に含ま
れる群から選ばれた元素であり、xおよびyはそれぞれ
0<x<1および0≦y<4を満たす数である) となるようにLa、上記元素MおよびCuの組成比が調節さ
れた混合物を焼結して得られる焼結体をターゲットとし
て用いることが好ましい。
Also in this case, the composition ratio of La in the thin film obtained by the sputtering, the element M and Cu, that is, the atomic ratio, is represented by the formula: (La 1-x M x ) 2 CuO 4-y (where M is the element period). Is an element selected from the group contained in the groups Ia, IIa, and IIIa, and x and y are numbers satisfying 0 <x <1 and 0 ≦ y <4, respectively. It is preferable to use, as a target, a sintered body obtained by sintering a mixture in which the composition ratio of the elements M and Cu is adjusted.

上記組成式において、MとしてBaを用いた場合には、
xを0.025≦x≦0.125の範囲内となるようにターゲット
中の混合物のMの量を調節し、MとしてSrを用いた場合
には、xを0.09≦x≦0.25を満足するようにターゲット
中の混合物のMの量を選択するのが好ましい。
In the above composition formula, when Ba is used as M,
When the amount of M of the mixture in the target is adjusted so that x is within the range of 0.025 ≦ x ≦ 0.125 and Sr is used as M, the target x is satisfied so that 0.09 ≦ x ≦ 0.25. It is preferred to choose the amount of M in the mixture of.

上記化合物としては、Laと、上記元素Mと、Cuとを少
なくとも1種含有する酸化物、炭酸塩、硝酸塩または硫
酸塩を用いることができる。
As the compound, an oxide, a carbonate, a nitrate, or a sulfate containing at least one of La, the element M, and Cu can be used.

上記化合物の混合粉末としては、La2O3粉末とSrCO3
末またはBaCO3粉末と、CuO粉末の混合粉末を例示するこ
とができる。この場合、この混合粉末は、70〜95重量%
のLa2O3と、1〜20重量%のSrCO3またはBaCO3と、1〜3
0重量%のCuOとを混合することが有利である。
As the mixed powder of the above compound, a mixed powder of La 2 O 3 powder and SrCO 3 powder or BaCO 3 powder and CuO powder can be exemplified. In this case, the mixed powder is 70-95% by weight.
La 2 O 3 and 1 to 20% by weight of SrCO 3 or BaCO 3 and 1 to 3
It is advantageous to mix with 0% by weight of CuO.

上記混合粉末の焼結は、粉末熱間プレスまたは粉末熱
間静水圧プレス(HIP)によって有利に行うこともでき
る。
Sintering of the mixed powder can also be advantageously carried out by powder hot pressing or powder hot isostatic pressing (HIP).

スパッタリングは酸素ガス存在下で行うことが好まし
く、ここで、酸素ガスの分圧は10-6〜5×10-2Torrを有
利な範囲として挙げることができる。また、このスパッ
タリング時に、薄膜が蒸着される基板の温度を100〜120
0℃に加熱するのが好ましい。また、成膜時には、0〜1
500Vのバイアス電圧を印加しながらスパッタリングを行
うことが好ましい。更に超電導体薄膜の成膜後に、この
薄膜を600〜1200℃で熱処理することも有利である。
Sputtering is preferably performed in the presence of oxygen gas, and the partial pressure of oxygen gas may be in the range of 10 −6 to 5 × 10 −2 Torr as an advantageous range. Also, during this sputtering, the temperature of the substrate on which the thin film is deposited should be 100-120.
It is preferable to heat to 0 ° C. Also, at the time of film formation, 0 to 1
It is preferable to perform sputtering while applying a bias voltage of 500V. Further, it is advantageous to heat-treat this superconductor thin film at 600 to 1200 ° C. after the film is formed.

上記超電導薄膜はK2NiF4型酸化物の結晶構造を含む薄
膜であることは電子プローブ微量分析(EPMA)あるいは
X線回折によって確認できる。
It can be confirmed by electron probe microanalysis (EPMA) or X-ray diffraction that the above-mentioned superconducting thin film is a thin film containing a crystal structure of K 2 NiF 4 type oxide.

本発明のさらに他の態様に従えば、Laと、元素周期律
表のI a、II aおよびIII a族に含まれる元素の中から選
択された一つの元素Mと、Cuとを含む複合酸化物よりな
る超電導薄膜をスパッタリングによって製造する方法に
おいて、上記スパッタリングをLa、上記元素MおよびCu
を含む化合物の混合物粉末を焼結して得られる焼結体よ
りなるターゲットを用いて行い、この焼結体を、上記ス
パッタリングによって得られる薄膜中のLa、上記元素M
およびCuの組成比すなわち原子比が 式:(La1-xMx2CuO4-y (ここで、Mは元素周期表のI a、II a、III a族に含ま
れる群から選ばれた元素であり、xおよびyはそれぞれ
0<x<1および0≦y<4を満たす数である)満足す
る組成となるようにLa、上記元素M、Cuおよび酸素の組
成比が調節された焼結体で構成し、且つ、上記超電導体
薄膜の成膜後に、この薄膜を空気中で600〜1200℃で熱
処理する方法が提供される。
According to still another aspect of the present invention, a composite oxidation containing La, one element M selected from the elements included in the groups Ia, IIa and IIIa of the periodic table of the elements, and Cu. In the method for producing a superconducting thin film made of a substance by sputtering, the sputtering is performed by La, the element M and Cu are performed.
Is carried out using a target made of a sintered body obtained by sintering a mixture powder of a compound containing a compound, and La in the thin film obtained by the above sputtering and the above element M
And the composition ratio of Cu, that is, the atomic ratio is represented by the formula: (La 1-x M x ) 2 CuO 4-y (where M is selected from the group included in groups I a, II a, and III a of the periodic table of elements). The composition ratios of La, the elements M, Cu and oxygen are adjusted so that the composition satisfying the above conditions, x and y are numbers satisfying 0 <x <1 and 0 ≦ y <4, respectively. There is provided a method of forming a sintered body and, after forming the superconductor thin film, heat treating the thin film in air at 600 to 1200 ° C.

ここで、特に上記スパッタリングをLa、上記元素Mお
よびCuを含む化合物の混合物粉末を焼結して得られる焼
結体よりなるターゲットを用いて行い、この焼結体を、
上記スパッタリングによって得られる薄膜中のLa、上記
元素MおよびCuの組成比すなわち原子比 式:(La1-xMx2CuO4-y (ここで、Mは元素周期表のI a、II a、III a族に含ま
れる群から選ばれた元素であり、xおよびyはそれぞれ
0<x<1および0≦y<4を満たす数である) を満足する組成となるようにLa、上記元素M、Cuおよび
酸素の組成比が調節された焼結体で構成し、薄膜が蒸着
される基板の温度を100〜1200℃とし、且つ、上記超電
導体薄膜の成膜後に、この薄膜を空気中で600〜1200℃
で熱処理することが有利である。
Here, in particular, the sputtering is performed using a target made of a sintered body obtained by sintering a mixed powder of a compound containing La, the element M and Cu, and the sintered body is
Composition ratio of La in the thin film obtained by the above sputtering, the above elements M and Cu, that is, atomic ratio Formula: (La 1-x M x ) 2 CuO 4-y (where M is I a, II in the periodic table) a, an element selected from the group consisting of IIIa groups, and x and y are numbers satisfying 0 <x <1 and 0 ≦ y <4, respectively, so that La has the above composition. It is composed of a sintered body in which the composition ratio of the elements M, Cu and oxygen is adjusted, the temperature of the substrate on which the thin film is vapor-deposited is 100 to 1200 ° C., and this thin film is aired after the formation of the superconductor thin film. 600 ~ 1200 ℃ in
It is advantageous to heat-treat.

実際には、スパッタリング時に、電圧が印加されると
真空容器中に含まれているArガスがAr+となって膜形成
目的物質からなるターゲットに衝撃する。その結果、タ
ーゲットから飛出した粒子が基板に薄膜として堆積す
る。このとき、酸素ガスをスパッタリング時に導入する
と、最も安定な化合物である(La1-xBax2CuO4-y、(L
a1-xSrx2CuO4-yとして基板上に薄膜が形成される。本
発明の方法により作製する薄膜超電導酸化物は、K2NiF4
型酸化物である(La,Ba)2CuO4または(La,Sr)2CuO4
ある。
In fact, when a voltage is applied during sputtering, Ar gas contained in the vacuum chamber becomes Ar + and bombards the target made of the film-forming target substance. As a result, particles ejected from the target are deposited as a thin film on the substrate. At this time, if oxygen gas is introduced during sputtering, the most stable compound is (La 1-x Ba x ) 2 CuO 4-y , (L
A thin film is formed on the substrate as a 1-x Sr x ) 2 CuO 4-y . The thin film superconducting oxide prepared by the method of the present invention is K 2 NiF 4
It is a type oxide (La, Ba) 2 CuO 4 or (La, Sr) 2 CuO 4 .

このとき、ターゲットを構成する物質の組成によって
基板上に形成される薄膜の組成は一意的に決定されるこ
とが認められる。この発明は、このような本願発明者の
知見に基づくものである。すなわち、ターゲットを構成
する混合物が、 化学式:(La1-xMx2Cu O4-y (Mは元素の周期表中I a、II a、III a族に含まれる群
から選ばれた元素、xは0<x<1、yは0≦y<4を
満足するように選ばれる数) で表される組成からなる化合物の混合体であれば高臨界
温度を示す超電導体の薄膜を形成することができる。し
たがって、まず、ターゲットを上記化学式:(La
1-xMx2CuO4-yに含まれる元素の化合物の混合体として
形成する。そうすると、ターゲットを構成する化合物の
混合割合に従って基板上に形成される薄膜の組成が決定
される。そのため、このターゲットを構成する化合物の
混合割合を制御することによって、目的とする組成のK2
NiF4型の層状ペロブスカイト構造を有する超電導化合物
からなる薄膜を形成することができ、利用する超電導特
性に応じて最適な特性を示す、均一な組成からなる化合
物を得ることができる。
At this time, it is recognized that the composition of the thin film formed on the substrate is uniquely determined by the composition of the substance forming the target. The present invention is based on the findings of the present inventor. That is, the mixture that constitutes the target is selected from the group of chemical formulas: (La 1-x M x ) 2 Cu O 4-y (M is selected from the group contained in the Ia, IIa, and IIIa groups in the periodic table of the elements). If the mixture is a mixture of elements, x is 0 <x <1, y is a number selected so as to satisfy 0 ≦ y <4), a thin film of a superconductor showing a high critical temperature will be used. Can be formed. Therefore, first, the target is represented by the chemical formula: (La
1-x M x ) 2 CuO 4-y is formed as a mixture of compounds of elements contained in CuO 4-y . Then, the composition of the thin film formed on the substrate is determined according to the mixing ratio of the compounds forming the target. Therefore, by controlling the mixing ratio of the compounds constituting this target, K 2 of the target composition
A thin film made of a superconducting compound having a NiF 4 type layered perovskite structure can be formed, and a compound having a uniform composition can be obtained, which exhibits optimum characteristics according to the superconducting characteristics to be used.

本発明の好ましい方法では、スパッタリングのターゲ
ットとして、前記K2NiF4型酸化物超電導体を構成する元
素としてLaと、BaまたはSrと、Cuとをそれぞれ少なくと
も1種含有する酸化物、炭酸塩、硝酸塩または硫酸塩の
粉末の焼結体を使用してスパッタリングを行いK2NiF4
酸化物の薄膜を形成する。
In a preferred method of the present invention, as a sputtering target, La, Ba or Sr as an element constituting the K 2 NiF 4 type oxide superconductor, an oxide containing at least one each of Cu, a carbonate, Sputtering is performed using a sintered body of nitrate or sulfate powder to form a thin film of K 2 NiF 4 type oxide.

これらのLa、BaまたはSr、Cuの酸化物、炭酸塩、硝酸
塩および硫酸塩は比較的安定であるため、スパッタリン
グによりK2NiF4型酸化物の薄膜を形成しやすい。
Since these oxides, carbonates, nitrates and sulfates of La, Ba or Sr, Cu are relatively stable, it is easy to form a thin film of K 2 NiF 4 type oxide by sputtering.

特に本発明の好ましい態様に従えば、La2O3と、BaCO3
またはSrCO3と、CaOの粉末混合物の焼結体を用いる。こ
の際、上記粉末の重量混合比はLa2O3が70〜95%、BaCO3
またはSrCO3が1〜20%、CuOが1〜30%とするのが好ま
しい。
According to a particularly preferred embodiment of the present invention, La 2 O 3 and BaCO 3
Alternatively, a sintered body of a powder mixture of SrCO 3 and CaO is used. At this time, the weight mixing ratio of the above powder is 70 to 95% for La 2 O 3 and BaCO 3
Alternatively, it is preferable that SrCO 3 is 1 to 20% and CuO is 1 to 30%.

以下、この場合の薄膜形成用ターゲットの成分調整法
を説明する。
The method for adjusting the components of the thin film forming target in this case will be described below.

上述の各原料粉末は、それぞれ以下の第1表に示す融
点を有する。
Each of the above raw material powders has a melting point shown in Table 1 below.

この表からわかるように、La2O3は他の物質より融点
が高いため、スパッタリングの際の蒸発速度が遅いと考
えられる。すなわち、上記の焼結体の元素比を適当に選
択しないと薄膜が所望の元素比にならない。そこで、タ
ーゲットの成形焼結体には、薄膜中の所望の化学量論比
より多くなるようにLa2O3を配合するとよい。従って、
本発明の好ましい態様では、La2O3を70〜95%、BaCO3
たはSrCO3を1〜20%、CuOを1〜30%の重量比で混合し
た成形焼結体を用いる。
As can be seen from this table, since La 2 O 3 has a higher melting point than other substances, it is considered that the evaporation rate during sputtering is slow. That is, unless the element ratio of the above-mentioned sintered body is properly selected, the thin film will not have a desired element ratio. Therefore, it is advisable to add La 2 O 3 to the target shaped sintered body so that the ratio is higher than the desired stoichiometric ratio in the thin film. Therefore,
In a preferred embodiment of the present invention, a molded sintered body in which La 2 O 3 is mixed at 70 to 95%, BaCO 3 or SrCO 3 at 1 to 20%, and CuO at a weight ratio of 1 to 30% is used.

例えば、ターゲットが上記範囲を満足するLa2O3とBaC
O3とCuOの混合体である場合には、(La1-xBax2CuO4-y
の薄膜が形成でき、La2O3、SrCO3、CuOの混合体で上記
組成式を満足する場合には、(La1-xSrx2CuO4-yの薄
膜を形成することができる。また(La1-xBax2CuO4-y
の場合には、0.025≦x≦0.125の条件を満足するときに
最も高い臨界温度を得ることができる。また、(La1-xS
rx2CuO4-yの場合には、0.09≦x≦0.25の条件を満足
するときに最も高い臨界温度を得ることができる。
For example, La 2 O 3 and BaC whose target satisfies the above range
In the case of a mixture of O 3 and CuO, (La 1-x Ba x ) 2 CuO 4-y
Thin film can be formed, and if a mixture of La 2 O 3 , SrCO 3 and CuO satisfies the above composition formula, a thin film of (La 1-x Sr x ) 2 CuO 4-y can be formed. . Also (La 1-x Ba x ) 2 CuO 4-y
In the case of, the highest critical temperature can be obtained when the condition of 0.025 ≦ x ≦ 0.125 is satisfied. Also, (La 1-x S
In the case of r x ) 2 CuO 4-y , the highest critical temperature can be obtained when the condition of 0.09 ≦ x ≦ 0.25 is satisfied.

また、上記ターゲットは、粉末焼結法によって得られ
ることが望ましいが、薄膜の組成はターゲット中の未反
応部分の存在によってはあまり影響されず、むしろ化合
物粒子からなる粉末の混合割合に大きく影響される。粉
末焼結法は、粉末熱間プレス、粉末熱間静水圧プレス
(HIP)などによって行なわれることが工業的に好まし
い。
Further, the target is preferably obtained by a powder sintering method, but the composition of the thin film is not significantly affected by the presence of unreacted portions in the target, but rather greatly influenced by the mixing ratio of the powder composed of compound particles. It It is industrially preferable that the powder sintering method is performed by a powder hot pressing, a powder hot isostatic pressing (HIP) or the like.

本発明の好ましい態様に従うと、スパッタリングを酸
素ガス存在下のアルゴン雰囲気中で行うが、その際に酸
素ガスの分圧を10-6〜5×10-2Torrとする。
According to a preferred embodiment of the present invention, the sputtering is performed in an argon atmosphere in the presence of oxygen gas, and the partial pressure of oxygen gas is 10 −6 to 5 × 10 −2 Torr.

さらに本発明の好ましい態様に従うと、表面に薄膜が
蒸着される基板、100〜1200℃の範囲の温度に保持す
る。さらに、この基板には0〜1500Vの電圧でバイアス
してイオン化した酸素を基板の方向に導くのが好まし
い。
According to a further preferred embodiment of the invention, the substrate on which the thin film is deposited is kept at a temperature in the range of 100 to 1200 ° C. Further, it is preferable that the substrate is biased with a voltage of 0 to 1500 V to guide the ionized oxygen toward the substrate.

さらに本発明の好ましい態様に従うと、超電導体薄膜
の成膜後、該薄膜を600〜1200℃の範囲の温度で熱処理
する。
Further in accordance with a preferred embodiment of the present invention, after forming the superconductor thin film, the thin film is heat-treated at a temperature in the range of 600 to 1200 ° C.

さらに本発明の対象とするK2NiF4型酸化物において
は、酸素原子が他の構成原子に対して規則正しく取り込
まれて配列している必要がある。従って本発明の好まし
い態様では、形成される超電導体薄膜中の酸素量を適正
化するため、スパッタリングを行うにあたって酸素分圧
を10-6〜5×10-2Torrにする。酸素分圧が10-6Torr未満
では酸素がほとんどない状態となるために上記した雰囲
気中に酸素を添加する効果がない。一方、酸素分圧が5
×10-2Torrを超えると真空度が低くなってスパッタリン
グ自体が困難となる。このことから酸素分圧の範囲とし
ては10-6〜5×10-2Torrが望ましいことがわかる。な
お、スパッタリングは高周波スパッタリング、直流ダイ
オードスパッタリングのいずれでも行うことができる。
特に、高周波マグネトロンスパッタリングが好ましい。
さらに、イオンビーム蒸着での薄膜形成も可能である。
Further, in the K 2 NiF 4 type oxide that is the object of the present invention, it is necessary that oxygen atoms are regularly incorporated and arranged with respect to other constituent atoms. Therefore, in a preferred embodiment of the present invention, in order to optimize the amount of oxygen in the superconductor thin film to be formed, the oxygen partial pressure is set to 10 −6 to 5 × 10 −2 Torr during sputtering. If the oxygen partial pressure is less than 10 −6 Torr, there is almost no oxygen, and therefore the effect of adding oxygen to the above atmosphere is not effective. On the other hand, the oxygen partial pressure is 5
When it exceeds × 10 -2 Torr, the degree of vacuum becomes low and sputtering itself becomes difficult. From this, it is understood that the range of oxygen partial pressure is preferably 10 −6 to 5 × 10 −2 Torr. The sputtering may be either high frequency sputtering or DC diode sputtering.
In particular, high frequency magnetron sputtering is preferable.
Furthermore, thin film formation by ion beam vapor deposition is also possible.

高周波スパッタリングの場合、投入する高周波電力
は、当然装置ごとに異なるが、5000W以下とするのが好
ましい。すなわち、5000Wを超える大電力を投入すると
真空中のイオンのエネルギーが大きくなり、異常放電や
チェンバー壁からの不純物の注出等の問題が多く発生す
るため5000W以下が好ましい。
In the case of high-frequency sputtering, the high-frequency power to be applied naturally varies depending on the device, but it is preferably 5000 W or less. That is, when a large electric power exceeding 5000 W is applied, the energy of ions in a vacuum increases, and problems such as abnormal discharge and pouring of impurities from the chamber wall occur in many cases, so 5000 W or less is preferable.

さらに、基板を0〜500Vの電圧でバイアスすることに
よりイオン化した酸素を基板方向へ導くことができる。
500Vを超える電圧では直流電圧による異常放電が発生す
るため好ましくない。さらに、電圧が高いと薄膜にイオ
ンがたたきこまれて多数の欠陥が発生するため膜が劣化
する。
Further, the ionized oxygen can be guided toward the substrate by biasing the substrate with a voltage of 0 to 500V.
Voltages over 500V are not preferable because abnormal discharge occurs due to DC voltage. Further, when the voltage is high, ions are struck in the thin film and many defects are generated, which deteriorates the film.

また、基板温度が100℃未満の温度では、膜がアモル
ファス化して超電導を示さなくなる。また1200℃を超え
る温度に基板を加熱すると、膜中の元素比の制御が困難
となる。このため基板温度は100〜1200℃の範囲が望ま
しい。
At a substrate temperature of less than 100 ° C, the film becomes amorphous and does not exhibit superconductivity. When the substrate is heated to a temperature higher than 1200 ° C, it becomes difficult to control the element ratio in the film. Therefore, the substrate temperature is preferably in the range of 100 to 1200 ° C.

超電導性をさらに改善するために、上記作成法で成膜
した超電導薄膜を600〜1200℃の熱処理を施すことが特
に有利である。上記の方法で作製した超電導薄膜は従来
よりもはるかに高い超電導臨界温度をもつ。このため、
超電導転移を起こさせるのに液体ヘリウム以外の冷媒を
使用することが可能となる。
In order to further improve the superconductivity, it is particularly advantageous to subject the superconducting thin film formed by the above-mentioned preparation method to heat treatment at 600 to 1200 ° C. The superconducting thin film produced by the above method has a much higher superconducting critical temperature than before. For this reason,
It is possible to use a refrigerant other than liquid helium to cause the superconducting transition.

以下に実施例を挙げて本発明をより具体的に説明する
が、以下に開示するものは本発明の一実施例に過ぎず、
本発明の技術的範囲を何ら限定するものではない。
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples, but the following is merely one example of the present invention.
The technical scope of the present invention is not limited in any way.

実施例 第1図は、本発明の超電導酸化物薄膜の作製方法を実
施する際に用いることができる高周波スパッタリング装
置の構成を概略的に示す図である。
Example FIG. 1 is a diagram schematically showing the configuration of a high frequency sputtering apparatus that can be used when carrying out the method for producing a superconducting oxide thin film of the present invention.

この高周波スパッタリング装置は、ベルジャー1と、
ベルジャー1内に配置された原料ターゲット2と、原料
ターゲット2に対向して設けられ、表面上に薄膜が形成
されることになる基板4とから主に構成されている。ベ
ルジャー1は排気孔7を介して真空ポンプ(不図示)に
結合され、その内部を真空にすることができるように構
成されており、更に、ベルジャー1にはアルゴンと酸素
導入用のガス導入孔8が取り付けられている。また、タ
ーゲット2には高周波電源3より高周波が印加される。
一方、基板4には電源5を用いてバイアス電圧が印加さ
れ、更に、基板4にはさらに、加熱用ヒーター6が取り
付けられ、基板温度を所望の温度に設定することができ
る。
This high frequency sputtering device includes a bell jar 1 and
The raw material target 2 is arranged in the bell jar 1, and the substrate 4 is provided so as to face the raw material target 2 and a thin film is formed on the surface of the raw material target 2. The bell jar 1 is connected to a vacuum pump (not shown) through an exhaust hole 7 so that the inside of the bell jar 1 can be evacuated. Further, the bell jar 1 has a gas introduction hole for introducing argon and oxygen. 8 is attached. A high frequency is applied to the target 2 from a high frequency power source 3.
On the other hand, a bias voltage is applied to the substrate 4 by using a power source 5, and a heater 6 for heating is further attached to the substrate 4 so that the substrate temperature can be set to a desired temperature.

このような図示の装置において、ターゲット2はArイ
オンによりスパッタされ、Arガス中の濃度を調整された
O2により基板4に形成される薄膜にはO2が補給され、所
望の複合酸化物が薄膜として形成される。
In the illustrated apparatus, the target 2 was sputtered with Ar ions to adjust the concentration in Ar gas.
The thin film by O 2 is formed on the substrate 4 O 2 is replenished, the desired composite oxide is formed as a thin film.

作成例1:〔La,Sr〕2CuO4薄膜の作成 ターゲット材として、La2O3:SrCO3:CuO=1.66;0.34:1
のモル比(重量比=80.6:7.5:11.8)で各粉末を均一混
合する。その後、例えば第2図に示すような成型治具を
用いて、温度900℃で12時間の予備焼結を行う。第2図
において、20はターゲット材粉末、22は成型治具であ
る。
Preparation example 1: Preparation of [La, Sr] 2 CuO 4 thin film As target material, La 2 O 3 : SrCO 3 : CuO = 1.66; 0.34: 1
The respective powders are uniformly mixed in a molar ratio (weight ratio = 80.6: 7.5: 11.8). After that, for example, using a molding jig as shown in FIG. 2, pre-sintering is performed at a temperature of 900 ° C. for 12 hours. In FIG. 2, 20 is a target material powder and 22 is a molding jig.

次に成型治具から成型物を取出し、この状態の成型物
ではまだ非常に脆いので、この成型物を再度粉砕する。
この粉砕物をさらに、温度1100℃で2時間再焼結する。
Next, the molded product is taken out from the molding jig, and the molded product in this state is still very brittle, so this molded product is crushed again.
The ground product is further re-sintered at a temperature of 1100 ° C. for 2 hours.

得られる焼結材をスパッタリング用のターゲットとし
てスパッタ装置に取り付ける。スパッタリング条件とし
ては、第1図で示すような装置を用いて高周波法により
電圧1kVを印加し、温度約200℃に基板表面を保ち、薄膜
の形成を行った。
The obtained sintered material is attached to a sputtering device as a target for sputtering. As the sputtering conditions, a voltage of 1 kV was applied by a high frequency method using a device as shown in FIG. 1, the substrate surface was kept at a temperature of about 200 ° C., and a thin film was formed.

得られた薄膜は組成が均一な、K2NiF4型の層状ペロブ
スカイト構造を有する結晶体であることが、電子プロー
ブ微量分析(EPMA)により確認された。
It was confirmed by electron probe microanalysis (EPMA) that the obtained thin film was a crystalline body having a uniform composition and a K 2 NiF 4 type layered perovskite structure.

さらに、温度900℃で焼鈍したものの臨界温度を測定
すると30K以上の高い臨界温度が確認された。また、x
の値を種々変えて(La1-xSrx2CuO4-yの化合物からな
る薄膜を得たが、このときxの値が、0.09≦x≦0.25の
範囲を外れると高い臨界温度を得ることができなかっ
た。
Furthermore, when the critical temperature of the material annealed at a temperature of 900 ° C. was measured, a high critical temperature of 30 K or higher was confirmed. Also, x
A thin film made of a compound of (La 1-x Sr x ) 2 CuO 4-y was obtained by varying the value of x . At this time, when the value of x is out of the range of 0.09 ≦ x ≦ 0.25, the high critical temperature becomes high. I couldn't get it.

作成例2:〔La,Ba〕2CuO4薄膜の作成 第1図に示した高周波スパッタリング装置を用いて
(La,Ba)2CuO4薄膜を作製した。
Preparation Example 2: Preparation of [La, Ba] 2 CuO 4 Thin Film A (La, Ba) 2 CuO 4 thin film was prepared using the high frequency sputtering apparatus shown in FIG. 1.

原料ターゲット2としては、La2O3、BaCO3、CuOの粉
末混合物の焼結体を用い、基板4にはSi結晶を用いた。
作膜条件は以下の通りである。
As the raw material target 2, a sintered body of a powder mixture of La 2 O 3 , BaCO 3 , and CuO was used, and as the substrate 4, Si crystal was used.
The film forming conditions are as follows.

スパッタリングガスAr分圧 10-3Torr、 酸素分圧 10-4Torr、 基板温度 900℃、 原料ターゲットに投入する高周波電力 500W、 基板バイアス電圧 50V。Sputtering gas Ar partial pressure 10 -3 Torr, oxygen partial pressure 10 -4 Torr, substrate temperature 900 ° C, high-frequency power 500 W applied to raw material target, substrate bias voltage 50V.

成膜速度は10Å/secで約1μmの厚さに成膜した。比
較のため、酸素を入れずに他の条件を全く同じにして薄
膜を作製した。
The film formation rate was 10Å / sec and the film was formed to a thickness of about 1 μm. For comparison, a thin film was prepared under the same conditions except that oxygen was not added.

次いで、得られた各々の薄膜の抵抗を測定するため第
4図に示す如きサンプルを作製した。
Then, a sample as shown in FIG. 4 was prepared to measure the resistance of each of the obtained thin films.

第4図は、抵抗測定を行うサンプルの形状の概略図で
ある。上記した実施例の方法では基板4上には〔La,B
a〕2CuO4薄膜が形成されている。第4図に示すようにこ
の薄膜上に、さらに真空蒸着で2対のAl電極10が形成さ
れており、各々のAl電極10にリード線11がハンダ付けさ
れている。
FIG. 4 is a schematic diagram of the shape of a sample for which resistance measurement is performed. According to the method of the above-described embodiment, [La, B
a] 2 CuO 4 thin film is formed. As shown in FIG. 4, two pairs of Al electrodes 10 are further formed on this thin film by vacuum vapor deposition, and lead wires 11 are soldered to each Al electrode 10.

上記の実施例および比較例で得られた薄膜の抵抗の温
度特性を測定し、その結果を第5図に示す。第5図中、
参照番号31で示す曲線はチェンバーの内部の酸素分圧を
10-4Torrで作製した薄膜の抵抗の温度変化を示し、参照
番号32で示す曲線はチェンバーに酸素を入れずに作製し
た薄膜の抵抗の温度変化曲線である。
The temperature characteristics of resistance of the thin films obtained in the above Examples and Comparative Examples were measured, and the results are shown in FIG. In Figure 5,
The curve labeled 31 shows the oxygen partial pressure inside the chamber.
The temperature change of resistance of the thin film prepared at 10 −4 Torr is shown. The curve indicated by reference numeral 32 is the temperature change curve of resistance of the thin film prepared without oxygen in the chamber.

抵抗曲線31からわかるように、本発明の方法によって
作製した薄膜は超電導現象の始まる温度が約30Kで、25K
以下では完全に超電導となる。これに対して抵抗曲線32
はほぼ同じ温度で抵抗が低下し始めるが、その低下はな
だらかで、数K付近で初めて完全に抵抗がゼロになる。
この2つの抵抗曲線の比較から成膜中に酸素をチェンバ
ー内に入れることにより薄膜中の酸素を適当に制御して
所望の組成の超電導薄膜を形成できることがわかる。
As can be seen from the resistance curve 31, the thin film prepared by the method of the present invention has a superconducting phenomenon starting temperature of about 30K and 25K.
The following is completely superconducting. On the other hand, the resistance curve 32
The resistance starts to decrease at almost the same temperature, but the decrease is gentle, and the resistance becomes completely zero only after several K.
From a comparison of these two resistance curves, it can be seen that by introducing oxygen into the chamber during film formation, the oxygen in the thin film can be appropriately controlled to form a superconducting thin film having a desired composition.

作成例3:〔La,Sr〕2CuO4薄膜の作成 上記実施例2の〔La,Ba〕2CuO4と同様にして薄膜を作
成した。原料ターゲットはLa2O3、SrCO3、CuOの粉末混
合物の焼結体を用いた。ターゲットのCuOの重量比を20
%および60%と変えて成膜した。ほかの成膜条件は以下
の通りである。
Preparation Example 3: Preparation of [La, Sr] 2 CuO 4 Thin Film A thin film was prepared in the same manner as in [La, Ba] 2 CuO 4 of Example 2 above. As the raw material target, a sintered body of a powder mixture of La 2 O 3 , SrCO 3 , and CuO was used. Target CuO weight ratio of 20
% And 60% to form a film. Other film forming conditions are as follows.

スパッタリングガスAr分圧 10-3Torr、 酸素分圧 10-4Torr、 基板温度 900℃、 原料ターゲットに投入する電力 500W、 基板バイアス電圧 50V。Sputtering gas Ar partial pressure 10 -3 Torr, oxygen partial pressure 10 -4 Torr, substrate temperature 900 ° C, power applied to raw material target 500W, substrate bias voltage 50V.

得られた薄膜の抵抗の温度特性を第6図に示す。参照
番号41で示す曲線はターゲットのCuOの重量比を20%と
して形成した薄膜の抵抗曲線で、参照番号42で示す曲線
はターゲットのCuOの重量比を60%として作製した薄膜
の抵抗曲線である。ターゲットのCuOの重量比が60%の
場合は薄膜中のCuが多くなり過ぎて超電導を示さなかっ
た。抵抗曲線41で示されるように本発明に従いターゲッ
トのCuOの重量比を20%として形成した薄膜の超電導現
象の始まる温度は約38Kで、27K以下では完全に超電導と
なる。このように、抵抗曲線41に対応する薄膜は超電導
体として優れた特性を示した。
The temperature characteristic of resistance of the obtained thin film is shown in FIG. The curve indicated by reference numeral 41 is the resistance curve of a thin film formed with a target CuO weight ratio of 20%, and the curve indicated by reference numeral 42 is a resistance curve of a thin film formed with a target CuO weight ratio of 60%. . When the target CuO weight ratio was 60%, the amount of Cu in the thin film was too large to show superconductivity. As shown by the resistance curve 41, the temperature at which the superconducting phenomenon of the thin film formed with the target CuO weight ratio of 20% according to the present invention starts is about 38K, and becomes completely superconducting below 27K. Thus, the thin film corresponding to the resistance curve 41 exhibited excellent characteristics as a superconductor.

発明の効果 以上説明したように、本発明により、従来の超電導体
よりも遥かに高いTCをもつ超電導酸化物を薄膜化するこ
とが可能となる。従って、本発明を、超電導体を薄膜素
子として応用する分野、例えばジョセフソン素子と呼ば
れるマティソー(Matisoo)のスイッチング素子やアナ
ッカー(Anacker)のメモリー素子、さらには超電導量
子干渉計(SQUID)などの作成に利用すると効果的であ
る。
Effects of the Invention As described above, according to the present invention, it becomes possible to form a thin film of a superconducting oxide having a T C much higher than that of a conventional superconductor. Therefore, the present invention is applied to a field in which a superconductor is applied as a thin film element, for example, a switching element of Matisoo called a Josephson element, a memory element of an Anacker, and a superconducting quantum interferometer (SQUID). It is effective when used for.

なお、得られる薄膜をワイヤやディスク表面上に形成
して、超電導ワイヤ、超電導ディスク等として利用する
こともできる。
The thin film obtained can be used as a superconducting wire or a superconducting disk by forming it on the surface of a wire or a disk.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

第1図は、本発明の方法を実施するスパッタリング装置
の構成例を示す概略図であり、 第2図は、粉末成形に使用することができる成型治具の
一例を示す断面図であり、 第3図は、粉末焼結法の工程を説明する工程図であり、 第4図は、本発明の方法で作製した超電導薄膜の特性を
測定するためのサンプルの構成を示す図であり、 第5図は、本発明の作成例1で作製した(La,Ba)2Cu
O4薄膜の抵抗−温度特性を比較例と共に示すグラフであ
り、 第6図は、本発明の作成例2で作製した(La,Sr)2CuO4
薄膜の抵抗−温度特性を比較例と共に示すグラフであ
る。 〔主な参照番号〕 1……ベルジャー、2……原料ターゲット、 3……高周波電源、4……基板、 5……電源、6……加熱用ヒーター、 7……排気孔、8……ガス導入孔、 10……Al電極、11……リード線
FIG. 1 is a schematic diagram showing a configuration example of a sputtering apparatus for carrying out the method of the present invention, and FIG. 2 is a sectional view showing an example of a molding jig that can be used for powder molding. FIG. 3 is a process diagram for explaining the steps of the powder sintering method, and FIG. 4 is a diagram showing the structure of a sample for measuring the characteristics of the superconducting thin film produced by the method of the present invention. The figure shows (La, Ba) 2 Cu produced in Production Example 1 of the present invention.
O 4 thin film resistor - is a graph showing the temperature characteristics and Comparative Example, Fig. 6 was produced in Production Example 2 of the present invention (La, Sr) 2 CuO 4
It is a graph which shows the resistance-temperature characteristic of a thin film with a comparative example. [Main reference numbers] 1 ... Bell jar, 2 ... Raw material target, 3 ... High frequency power source, 4 ... Substrate, 5 ... Power source, 6 ... Heating heater, 7 ... Exhaust hole, 8 ... Gas Introductory hole, 10 …… Al electrode, 11 …… Lead wire

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 (56)参考文献 特開 昭63−190713(JP,A) 特開 昭58−21880(JP,A) JAPANESE JOURNAL OF APPLIED PHYSIC S,Vol.26,No.1,Janua ry 1987,PP.L1〜L2Continuation of front page (51) Int.Cl. 6 Identification number Office reference number FI Technical display location H01B 12/00 ZAA H01B 12/00 ZAA H01L 39/24 ZAA H01L 39/24 ZAAB (56) References 63-190713 (JP, A) JP 58-21880 (JP, A) JAPANESE JOURNAL OF APPLIED PHYSIC S, Vol. 26, No. 1, January 1987, PP. L1-L2

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】Laと、元素周期律表のI a、II aおよびIII
a族に含まれる元素の中から選択された一つの元素M
と、Cuとを含む複合酸化物よりなる超電導薄膜を製造す
る方法において、 少なくともLa、上記元素MおよびCuを含む化合物の混合
物よりなるターゲットを用いて、酸素含有雰囲気下でス
パッタリングを行うことを特徴とする方法。
1. La and I a, II a and III of the Periodic Table of the Elements
One element M selected from the elements included in group a
And a method for producing a superconducting thin film made of a complex oxide containing Cu, characterized in that sputtering is performed in an oxygen-containing atmosphere using a target made of a mixture of at least La, the element M and a compound containing Cu. And how to.
【請求項2】Laと、元素周期律表のI a、II aおよびIII
a族に含まれる元素の中から選択された一つの元素M
と、Cuとを含む複合酸化物よりなる超電導薄膜を製造す
る方法において、 得られる薄膜中のLa、上記元素MおよびCuの組成比すな
わち原子比が 式:La1-xMx2CuO4-y (但し、Mは元素周期表のI a、II a、III a族に含まれ
る群から選ばれた元素であり、xおよびyはそれぞれ0
<x<1および0≦y<4を満たす数である) となるように調製した、La、上記元素MおよびCuの単体
または化合物の粉末混合物を焼結して得られる焼結体を
ターゲットとして、、酸素含有雰囲気下でスパッタリン
グ法により成膜を行い、更に、成膜後に薄膜を600〜120
0℃の温度範囲で熱処理することを特徴とする方法。
2. La and I a, II a and III of the Periodic Table of Elements.
One element M selected from the elements included in group a
In the method for producing a superconducting thin film made of a complex oxide containing Cu and Cu, the composition ratio, that is, the atomic ratio of La, the element M and Cu in the obtained thin film is represented by the formula: La 1-x M x ) 2 CuO 4 -y (where M is an element selected from the group included in Ia, IIa, and IIIa groups of the periodic table of the elements, and x and y are each 0
<A number satisfying <x <1 and 0 ≦ y <4), and a sintered body obtained by sintering a powder mixture of La, a simple substance of the above elements M and Cu, or a compound thereof is used as a target. ,, is formed by a sputtering method in an oxygen-containing atmosphere, and a thin film is formed at 600 to 120 after the film formation.
A method characterized by performing heat treatment in a temperature range of 0 ° C.
【請求項3】Laと、元素周期律表のI a、II aおよびIII
a族に含まれる元素の中から選択された一つの元素M
と、Cuとを含む複合酸化物よりなる超電導薄膜を製造す
る方法において、 得られる薄膜中のLa、上記元素MおよびCuの組成比すな
わち原子比が 式:La1-xMx2CuO4-y (但し、Mは元素周期表のI a、II a、III a族に含まれ
る群から選ばれた元素であり、xおよびyはそれぞれ0
<x<1および0≦y<4を満たす数である) を満足するように調製した、La、上記元素MおよびCuの
単体または化合物の粉末混合物を焼結してして得られる
焼結体をターゲットとして、100〜1200℃の基板温度
で、酸素含有雰囲気下でスパッタリング法により成膜を
行い、且つ、該成膜後に、薄膜を600〜1200℃の温度範
囲で熱処理することを特徴とする方法。
3. La and I a, II a and III of the Periodic Table of the Elements
One element M selected from the elements included in group a
In the method for producing a superconducting thin film made of a complex oxide containing Cu and Cu, the composition ratio, that is, the atomic ratio of La, the element M and Cu in the obtained thin film is represented by the formula: La 1-x M x ) 2 CuO 4 -y (where M is an element selected from the group included in Ia, IIa, and IIIa groups of the periodic table of the elements, and x and y are each 0
<A number satisfying <x <1 and 0 ≦ y <4), and a sintered body obtained by sintering a powder mixture of La, the above element M and Cu alone or a compound. Is used as a target at a substrate temperature of 100 to 1200 ° C. to form a film by a sputtering method in an oxygen-containing atmosphere, and after the film formation, the thin film is heat-treated in a temperature range of 600 to 1200 ° C. Method.
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