JP2577061B2 - Method for producing composite oxide superconductor thin film - Google Patents
Method for producing composite oxide superconductor thin filmInfo
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Description
【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、複合酸化物超電導体薄膜の製造方法に関す
る。より詳細には、本発明は分子線エピタキシー(MB
E)法あるいは原子層エピタキシ(ALE)法あるいは分子
層エピタキシ(MLE)法等と呼ばれる手法を応用した、
より品質の高い複合酸化物系超電導薄膜を作製し得る新
規な方法に関する。Description: TECHNICAL FIELD The present invention relates to a method for producing a composite oxide superconductor thin film. More specifically, the present invention relates to molecular beam epitaxy (MB
E) or atomic layer epitaxy (ALE) or molecular layer epitaxy (MLE)
The present invention relates to a novel method capable of producing a higher-quality composite oxide-based superconducting thin film.
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。即ち、超電導下では、超電導体に電
流を流しても電力損失が全く無く、密度の高い電流が永
久に流れ続ける。従って、例えば送電技術に超電導を応
用すれば、現在送電に伴って生じているといわれる約7
%の不可避な送電損失を大幅に減少できる。また、高磁
場発生用電磁石としての応用は、発電技術の分野ではMH
D発電、電動機等と共に、起動に発電量以上の電力を消
費するともいわれる核融合反応の実現を有利に促進する
技術として期待されている。また磁気浮上列車、電磁気
推進船舶等の動力として、更に、計測・医療の分野でも
NMR、π中間子治療、高エネルギー物理実験装置などへ
の利用が記載されている。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 electrical resistance of a conductor becomes zero under specific conditions, indicating complete diamagnetism. That is, under the superconductivity, even if a current flows through the superconductor, there is no power loss, and a high-density current continues to flow forever. Therefore, for example, if superconductivity is applied to the power transmission technology, about 7
% Inevitable transmission loss can be significantly reduced. In addition, the application as an electromagnet for generating a high magnetic field is MH in the field of power generation technology.
It is expected to be a technology that advantageously promotes the realization of nuclear fusion reactions, which are said to consume more power than the amount of power generated for startup, together with D power generation and electric motors. In addition, as power for magnetic levitation trains, electromagnetic propulsion ships, etc.
It describes its use in NMR, pion therapy, high energy physics experiments, etc.
更に、上述のような大型の装置における利用とは別
に、超電導材料は各種の電子素子への応用も提案されて
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。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
費のスイッチング素子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。更に、電子回路の集積度が高くなる
につれて単位面積当たりの消費電力が冷却能力の限界に
達するものと見られている。そこで超高速計算機には超
電導素子の開発が要望されている。Further, apart from the use in the large-sized apparatus as described above, application of the superconducting material to various electronic elements has been proposed. A typical example is an element using the Josephson effect in which a quantum effect appears macroscopically due to an applied current when weakly joining superconducting materials. Since the energy gap of the superconducting material is small, the tunnel junction type Josephson device is expected as a switching device with extremely high speed and low power consumption. In addition, since the Josephson effect on electromagnetic waves and magnetic fields appears as an accurate quantum phenomenon, it is expected that the Josephson element is used as an ultrasensitive sensor for magnetic fields, microwaves, radiation, and the like. Further, as the degree of integration of electronic circuits increases, the power consumption per unit area is expected to reach the limit of the cooling capacity. Therefore, the development of superconducting elements has been demanded for ultra-high-speed computers.
従来、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。これに対して、1986年に、ベドノーツ
およびミューラー等によって、複合酸化物系長電導材料
が高いTcを有すること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,Mller,“Z.
Phys.B64,1986,189")。Conventionally, despite various efforts, the superconducting critical temperature Tc of a superconducting material has not been able to exceed 23 K of Nb 3 Ge for a long time. On the other hand, in 1986, Bednotes and Mueller et al. Discovered that a composite oxide-based long-conducting material had a high Tc, greatly opening up the possibility of high-temperature superconductivity (Bednorz, Mller, “Z.
Phys. B64, 1986, 189 ").
これまでにも複合酸化物系のセラミック材料が超電導
特性を示すということは自体は知られていた。例えば、
米国特許第3,932,315号には、Ba−Pb−Bi系の複合酸化
物が超電導特性を示すということが記載されており、ま
た、特開昭60−173,885号公報にはBa−Bi系の複合酸化
物が超電導特性を示すということが記載されている。し
かし、これまでに知られていた複合酸化物超電導材料の
Tcは、10K以下と全般的に極めて低く、超電導現象を得
るには高価且つ稀少な液体ヘリウム(沸点4.2K)の使用
が不可避であった。It has been known that composite oxide-based ceramic materials exhibit superconducting properties. For example,
U.S. Pat.No. 3,932,315 describes that a Ba-Pb-Bi-based composite oxide exhibits superconducting properties, and JP-A-60-173,885 discloses a Ba-Bi-based composite oxide. It is stated that the material exhibits superconducting properties. However, the complex oxide superconducting materials
Tc is generally extremely low at 10 K or less, and the use of expensive and rare liquid helium (boiling point 4.2 K) was inevitable to obtain superconductivity.
ベドノーツおよびミューラー等によって発見された酸
化物超電導体は、(La,Ba)2CuO4なる組成を有し、K2Ni
F4型の結晶構造を有するものと見られている。この複合
酸化物超電導材料は、従来から知られていたペロブスカ
イト型酸化物系超電導材料と結晶構造が類似している
が、Tcは従来の超電導材料に比べて飛躍的に高い約30K
という値てあった。The oxide superconductor discovered by Bednauts and Mueller has a composition of (La, Ba) 2 CuO 4 and K 2 Ni
It is seen as having an F 4 type crystal structure. This composite oxide superconducting material has a similar crystal structure to the conventionally known perovskite-type oxide-based superconducting material, but its Tc is about 30K, which is dramatically higher than that of the conventional superconducting material.
There was a value.
また、1987年2月に、チュー等によって90K級の臨界
温度を示すBa−Y−Cu系の複合酸化物が発見された。こ
のYBCOと通称される複合酸化物はY1Ba2Cu3O7-Xで表され
る組成を有すると考えられている。In February 1987, a Ba-Y-Cu-based composite oxide exhibiting a critical temperature of 90K class was discovered by Chu et al. It is considered that this composite oxide commonly called YBCO has a composition represented by Y 1 Ba 2 Cu 3 O 7-X .
更に、続いて発見されたBi−Sr−Ca−Cu系およびTl−
Ba−Ca−Cu系複合酸化物は、Tcが100K以上であるばかり
でなく化学的にも安定しており、YBCO等のような超電導
特性の経済的劣化が少ないことから実用に向いているの
ではないかと期待されている。Furthermore, the subsequently discovered Bi-Sr-Ca-Cu system and Tl-
Ba-Ca-Cu-based composite oxides are suitable for practical use because Tc is not only higher than 100K but also chemically stable and there is little economical deterioration of superconducting characteristics such as YBCO. It is expected that.
これらの新しい複合酸化物系超電導材料の発見によっ
て高温超電導体実現の機運が昨今俄に高まっている。With the discovery of these new composite oxide-based superconducting materials, the momentum for realizing high-temperature superconductors is rapidly increasing in recent years.
発明が解決しようとする課題 上述のような高臨界温度を示す複合酸化物系超電導材
料は、当初結晶体の形で発見された。続いて、その複合
酸化物あるいはこの複合酸化物を形成する元素を含む化
合物をターゲットとして、スパッタリング法あるいはイ
オンビーム法等により複合酸化物薄膜を作製する技術が
種々提案されている。Problems to be Solved by the Invention The composite oxide-based superconducting material exhibiting a high critical temperature as described above was initially discovered in a crystalline form. Subsequently, various techniques for producing a composite oxide thin film by a sputtering method, an ion beam method, or the like using the composite oxide or a compound containing an element forming the composite oxide as a target have been proposed.
しかしながら、従来作製された複合酸化物薄膜では、
一般に同じ組成の焼結体に例えば臨界温度等の点で及ば
ないことが知られており、複合酸化物系超電導材料本来
の高い超電導特性を発揮する薄膜の作製方法が模索され
ている。However, in the conventional composite oxide thin film,
In general, it is known that a sintered body having the same composition is inferior to, for example, a critical temperature and the like, and a method for producing a thin film exhibiting the inherently high superconductivity of the composite oxide-based superconducting material is being sought.
更に、従来の方法で作製された複合酸化物薄膜は膜質
が均一ではなく、薄膜を利用した各種デバイスを作製で
きるような安定した薄膜を得ることは極めて困難であっ
た。Furthermore, the composite oxide thin film produced by the conventional method is not uniform in film quality, and it has been extremely difficult to obtain a stable thin film capable of producing various devices using the thin film.
そこで、本発明の目的は、上記従来技術の問題点を解
決し、全体が複合酸化物系超電導材料本来の高い超電導
特性を安定して発揮するような薄膜を作製する新規な方
法を提供することにある。Therefore, an object of the present invention is to solve the above-mentioned problems of the prior art, and to provide a novel method for producing a thin film that stably exhibits the original high superconducting characteristics of the composite oxide superconducting material as a whole. It is in.
課題を解決するための手段 即ち、層状の結晶構造を有する複合酸化物系超電導材
料の薄膜を基板上に成膜する方法であって、該複合酸化
物系超電導材料を構成する各元素の原子ビームまたは分
子ビームと酸素イオンビームとを同時または交互に照射
して、該複合酸化物系超電導材料の結晶構造にそくした
単分子層を該基板上に順次積層させ、該基板上に所望の
厚さの単結晶薄膜または多結晶薄膜を堆積させることを
特徴とする複合酸化物超電導体薄膜の製造方法が提供さ
れる。Means for Solving the Problems That is, a method for forming a thin film of a composite oxide-based superconducting material having a layered crystal structure on a substrate, comprising an atomic beam of each element constituting the composite oxide-based superconducting material Alternatively, a molecular beam and an oxygen ion beam are irradiated simultaneously or alternately, and a monomolecular layer conforming to the crystal structure of the composite oxide-based superconducting material is sequentially laminated on the substrate, and a desired thickness is formed on the substrate. And a method for producing a composite oxide superconductor thin film characterized by depositing a single crystal thin film or a polycrystalline thin film.
作用 本発明の複合酸化物超電導体薄膜の製造方法は、MBE
法を含む方法によって極めて精密な制御の下に品質の高
い超電導薄膜を形成することにその主要な特徴がある。The method for producing a composite oxide superconductor thin film according to the present invention comprises the steps of:
The main feature of the method is to form a high-quality superconducting thin film under extremely precise control by a method including a method.
即ち、従来の超電導薄膜の作製方法が、ただ単に組成
比と成膜条件によってのみ薄膜形成時の制御を行ってい
たのに対して、本発明に係る方法では、具体的には後述
するように、結晶構造自体に深く関わるプロセスで結晶
の形成自体を制御し、効率良く超電導物質を形成する。
また、複合酸化物の単分子膜積層体薄膜を作製すること
もできる。That is, whereas the conventional method for producing a superconducting thin film merely controls the thin film formation only by the composition ratio and the film forming conditions, the method according to the present invention, specifically, as described later The formation of crystals is controlled by a process deeply related to the crystal structure itself, and a superconducting material is formed efficiently.
In addition, a monolayer thin film of a composite oxide can also be produced.
所謂MBE(分子線エピタキシ)法あるいは原子層エピ
タキシ(ALE)法等の方法は、GaAs、AlAs等の薄膜形成
法として半導体デバイスの分野での応用が知られている
が、そもそも蒸着法の1種であり、高真空中で遅い成膜
速度で成膜すると共に成膜中の膜の表面状態を検査しな
から成膜することができるので極めて精密な膜質の管理
が可能である。また、極めて遅い成膜速度(1000Å/時
〜10μm/時)で実施できるので、厚さ数Åという単原子
層あるいは単分子層レベルでの成膜制御が可能である。The so-called MBE (Molecular Beam Epitaxy) method or Atomic Layer Epitaxy (ALE) method is known to be applied in the field of semiconductor devices as a method of forming a thin film of GaAs, AlAs, etc. In addition, since the film can be formed at a low film formation rate in a high vacuum and the surface state of the film being formed can be inspected without inspecting the film state, extremely precise management of the film quality is possible. In addition, since the film formation can be performed at an extremely low film formation rate (1000 ° / hour to 10 μm / hour), the film formation can be controlled at the level of a monoatomic layer or a monolayer having a thickness of several mm.
本発明に係る薄膜の製造方法の第1の主要な特徴は、
上述のような分子線あるいは原子線を利用した成膜法の
特徴を活かして、有効な超電導特性を発揮する複合酸化
物系超電導材料の特徴的な結晶構造を効率よく形成する
点にある。The first major feature of the method for producing a thin film according to the present invention is as follows.
By utilizing the characteristics of the film forming method using a molecular beam or an atomic beam as described above, a characteristic crystal structure of a composite oxide-based superconducting material exhibiting effective superconducting characteristics is efficiently formed.
本発明に係る方法を有利に適用できる複合酸化物系超
電導材料として、一般式; (α1-xβx)γyOz 〔但し、αは、周期律表III a族に含まれる元素を表
し、 βは、周期律表II a族に含まれる元素を表し、 γは、周期律表I b、II b、III b、VIII aおよびIV a族
に含まれる元素から選択された少なくとも1種類の元素
を表わし、xは、(α1-xβx)に対するβの原子比で
あり、0.1≦x≦0.9を満たす数であり、yおよびzは、
(α1-xβx)を1とした場合の元素γおよび酸素
(O)の原子比で、それぞれ0.3≦y≦3.0、1≦z≦5
を満たす数である〕 で表わされる組成を有する複合酸化物が挙げられる。こ
の複合酸化物系超電導材料は、結晶中に酸素欠陥を含む
と共に、言わば層状の結晶構造を有している。この結晶
構造は、1層毎に組成および配列が異なっており、これ
に対して従来の薄膜製造法では組成制御のみで結晶構造
の形成を制御していたので、超電導に有効な結晶構造が
薄膜全体に形成されていたわけではなく、これが超電導
特性劣化の原因となっていたと考えられる。As a composite oxide-based superconducting material to which the method according to the present invention can be advantageously applied, a general formula: (α 1−x β x ) γ y O z [where α is an element contained in Group IIIa of the periodic table, Represents, β represents an element included in Group IIa of the periodic table, γ represents at least one element selected from elements included in Groups Ib, IIb, IIIb, VIIIa, and IVa of the Periodic Table X is the atomic ratio of β to (α 1−x β x ), a number satisfying 0.1 ≦ x ≦ 0.9, and y and z are
The atomic ratio of the element γ and oxygen (O) when (α 1−x β x ) is 1, 0.3 ≦ y ≦ 3.0 and 1 ≦ z ≦ 5, respectively.
And a composite oxide having a composition represented by the following formula: This composite oxide-based superconducting material has oxygen vacancies in the crystal and has a so-called layered crystal structure. This crystal structure has a different composition and arrangement for each layer. On the other hand, in the conventional thin film manufacturing method, the formation of the crystal structure is controlled only by controlling the composition. It was not formed entirely, but it is considered that this was the cause of the deterioration of superconducting characteristics.
これに対して本発明に係る方法では、上記元素αを含
む原子ビームまたは分子ビームと、上記元素βを含む原
子ビームまたは分子ビームと、上記元素γを含む原子ビ
ームまたは分子ビームとを、超電導材料の結晶構造に対
応した所定の順番で順次照射することによってを形成さ
れる。従って、本発明に係る方法では、有効な超電導特
性を発揮する特定の結晶構造が極めて高い確率で形成さ
れる。尚、上記の操作において、各単分子層の積層操作
は複数回反復することが好ましい。On the other hand, in the method according to the present invention, the atomic beam or the molecular beam containing the element α, the atomic beam or the molecular beam containing the element β, and the atom beam or the molecular beam containing the element γ, By sequentially irradiating in a predetermined order corresponding to the crystal structure of Therefore, in the method according to the present invention, a specific crystal structure exhibiting effective superconducting properties is formed with an extremely high probability. In the above operation, it is preferable that the operation of laminating each monolayer is repeated a plurality of times.
本発明に係る薄膜の製造方法の第2の特徴は、薄膜に
対する酸素の供給方法にある。A second feature of the method for producing a thin film according to the present invention lies in a method for supplying oxygen to the thin film.
即ち、従来実施されていたMBE(分子線エピタキシ)
法あるいは原子層エピタキシ(ALE)等の方法では蒸発
源の蒸発によって基板に元素を供給している。しかしな
がら、このようて方法で、複合酸化物の形成に不可欠な
酸素を単独で供給することができない。そこで、本発明
者等は、分子線あるいは原子線を使用した薄膜形成にお
いて酸素を薄膜に供給する方法として、以下のような種
々の方法を創案した。。That is, MBE (Molecular Beam Epitaxy), which was conventionally performed
In a method such as an atomic layer epitaxy (ALE) method, an element is supplied to a substrate by evaporation of an evaporation source. However, oxygen essential for the formation of the composite oxide cannot be supplied alone by such a method. Therefore, the present inventors have devised the following various methods as a method of supplying oxygen to a thin film in forming a thin film using a molecular beam or an atomic beam. .
各層毎に、化学量論的に適切に調整された酸化物蒸発
源を使用する。For each layer, a stoichiometrically adjusted source of oxide evaporation is used.
各元素の蒸発源と酸素イオンビームとを併用して成膜
する。The film is formed using both the evaporation source of each element and the oxygen ion beam.
酸素の供給手段として有機物を使用する。An organic substance is used as a means for supplying oxygen.
酸素の供給手段として酸化物を使用する。An oxide is used as a means for supplying oxygen.
各層毎に酸素雰囲気に酸化処理する。Each layer is oxidized in an oxygen atmosphere.
酸化物蒸発源を使用する。An oxide evaporation source is used.
この方法では、成膜時の蒸発源として酸化物を使用す
ることにより、目的とする結晶構造の各層を直接酸化物
として形成する。従って、酸素の供給量は、蒸発源の組
成によって制御される。尚、各元素と酸素との比率は、
結晶の各層における各元素と酸素との比率に対応して決
定される。In this method, each layer having a target crystal structure is directly formed as an oxide by using an oxide as an evaporation source during film formation. Therefore, the supply amount of oxygen is controlled by the composition of the evaporation source. The ratio between each element and oxygen is
It is determined according to the ratio between each element and oxygen in each layer of the crystal.
また、本発明の一態様によれば、適切な酸化物蒸発源
が得られない場合には、各元素単体の蒸発源と酸化物の
蒸発源とを併用して酸素の供給量を調整することもでき
る。According to one embodiment of the present invention, when an appropriate oxide evaporation source cannot be obtained, the supply amount of oxygen is adjusted by using both the evaporation source of each element alone and the oxide evaporation source. Can also.
酸素イオンビームを併用する。 Oxygen ion beam is used together.
この方法では、各元素単体の蒸発源によりMBE法によ
り成膜すると同時に、酸素イオンビームを使用して成膜
中の薄膜に酸素を供給する。また、本発明の一態様に従
えば、互いに前後する各元素単体の分子ビームの照射の
間に、酸素のみのビーム照射を行う方法でもよい。In this method, a film is formed by an MBE method using an evaporation source of each element alone, and oxygen is supplied to a thin film being formed using an oxygen ion beam. Further, according to one embodiment of the present invention, a method in which a beam irradiation of only oxygen may be performed between irradiation of a molecular beam of each element alone before and after each other.
酸素供給手段として有機物を使用する。 Organic substances are used as oxygen supply means.
各元素の分子ビームの照射によって形成された層上に
酸素を含む有機物を吸着させ、次いでエキシマレーザの
照射下で上記有機物中の酸素のみが上記の層上に残るよ
うに上記有機物の分子鎖を切断する操作を行い、成膜中
の薄膜の各層間に、いわば酸素のみの単分子膜を形成す
ることができる。ここで、各層毎にエキシマレーザの波
長、強度を調整することが有利である。尚、このような
方法で使用じきる有機物としては、アルデヒド、アルコ
ール、カルボン酸、高級脂肪酸、ケトン、エステル等の
酸素を含む脂肪族炭化水素、芳香族炭化水素、脂環族族
炭化水素の含酸素誘導体を用いることができる。The organic matter containing oxygen is adsorbed on the layer formed by the irradiation of the molecular beam of each element, and then the molecular chain of the organic matter is irradiated under excimer laser irradiation so that only oxygen in the organic matter remains on the layer. By performing the cutting operation, a so-called oxygen-only monomolecular film can be formed between the layers of the thin film being formed. Here, it is advantageous to adjust the wavelength and intensity of the excimer laser for each layer. In addition, the organic substances that can be used in such a method include aliphatic hydrocarbons containing oxygen such as aldehydes, alcohols, carboxylic acids, higher fatty acids, ketones, and esters, aromatic hydrocarbons, and alicyclic hydrocarbons. An oxygen derivative can be used.
O2供給手段として酸化物を使用する。Oxide is used as the O 2 supply means.
酸化アンチモン(SbO)のように、基板に吸着された
後に酸素を残して分解することが知られている他の酸化
物を使用することができる。Other oxides, such as antimony oxide (SbO), known to decompose leaving oxygen after being adsorbed on the substrate can be used.
酸素雰囲気の導入 酸素は吸着係数が小さいので、チャンバー内の酸素雰
囲気を制御することによて酸素比率を調整することもで
きる。Introduction of Oxygen Atmosphere Since oxygen has a small adsorption coefficient, the oxygen ratio can be adjusted by controlling the oxygen atmosphere in the chamber.
また、酸素ガスの存在下に成膜操作を行うことも考え
得る。更に、各層の成膜後毎に酸化雰囲気で熱処理する
方法も考えられる。この場合の処理温度としては、200
〜1000℃の範囲無いであることが好ましい。また、各元
素および/またはその酸化物あるいはその励起物の吸着
係数を考慮して上記各層に酸素分圧を調整することが有
利である。It is also conceivable to perform a film forming operation in the presence of oxygen gas. Furthermore, a method of performing heat treatment in an oxidizing atmosphere after each layer is formed may be considered. The processing temperature in this case is 200
It is preferable that the temperature is not in the range of -1000 ° C. Further, it is advantageous to adjust the oxygen partial pressure of each of the above layers in consideration of the adsorption coefficient of each element and / or its oxide or its excitable substance.
このように、本発明に係る薄膜の製造方法では、結晶
構造に即して結晶の各層を形成すると共に、組成制御も
各層毎に適切に行われるので、薄膜中に有効な超電導物
質が効率よく形成される。As described above, in the method for manufacturing a thin film according to the present invention, since each layer of the crystal is formed in accordance with the crystal structure, and composition control is appropriately performed for each layer, an effective superconducting substance is efficiently contained in the thin film. It is formed.
尚、本発明に係る方法において使用できる基板として
は、公知の基板材料をいずれも適用できるが、スパッタ
リング法等の他の方法によって作製した目的とする複合
酸化物と同じ構成元素を有する薄膜を表面に備えたもの
を使用することが有利である。ここで、基板の下地層と
しては、それ自体基板として使用することのできる酸化
マグネシウム、チタン酸ストロンチウム、シリコン等の
単結晶基板、あるいは、アルミナ等のセラミック基板の
他場合によっては金属基板を用いることができる。As the substrate that can be used in the method according to the present invention, any known substrate material can be used, but a thin film having the same constituent element as the target composite oxide produced by another method such as a sputtering method is used. It is advantageous to use those provided for Here, as the base layer of the substrate, a single crystal substrate such as magnesium oxide, strontium titanate, or silicon, which can be used as a substrate itself, or a ceramic substrate such as alumina, or a metal substrate may be used in some cases. Can be.
ここで、基板あるいは下地基板としてMgO単結晶また
はSrTiO3単結晶基板を使用する場合は、{001}面また
は{110}面を成膜面とした基板を使用することが好ま
しい。また、基板温度は、200〜1000℃の範囲が好まし
い。Here, when an MgO single crystal or SrTiO 3 single crystal substrate is used as a substrate or a base substrate, it is preferable to use a substrate having a {001} plane or a {110} plane as a film formation surface. Further, the substrate temperature is preferably in the range of 200 to 1000 ° C.
また、本発明が適用できる複合酸化物系超電導材料と
しては、前掲の一般式において、元素αがY、La、Gd、
Dy、Ho、Er、Tm、YbおよびLuよりなる群の中から選択さ
れた少なくとも一つの元素であり、元素βがBaまたはSr
であり、元素γがCuであるものに特に有利なものとして
挙げることができる。Further, as the composite oxide-based superconducting material to which the present invention can be applied, in the above-mentioned general formula, the element α is Y, La, Gd,
Dy, Ho, Er, Tm, at least one element selected from the group consisting of Yb and Lu, wherein the element β is Ba or Sr
Which is particularly advantageous when the element γ is Cu.
更に、上記複合酸化物の他に、下記の一般式; D4(E1-q,Caq)mCunOp+r 〔ここで、Dは、BiまたはTlであり、 Eは、DがBiのときはSrであり、 DがTlのときはBaであり、 mは、6≦m≦10を満たす数てあり、 nは、4≦n≦8を満たす数てあり、 pは、p=(6+2m+2n)/2を満たす数であり、 qは、0<q<1を満たす数であり、 rは、−2≦r≦2を満たす数をそれぞれ表す〕 で表される組成を有する複合酸化物系超電導材料も層状
の結晶構造を有することが知られており、本発明の方法
を有利に適用できるものとして例示することができる。Further, in addition to the above composite oxide, the following general formula: D 4 (E 1−q , Ca q ) m Cu n O p + r [where D is Bi or Tl, and E is D Is Bi when Bi is Sr, when D is Tl it is Ba, m is a number satisfying 6 ≦ m ≦ 10, n is a number satisfying 4 ≦ n ≦ 8, and p is p = (6 + 2m + 2n) / 2, q is a number satisfying 0 <q <1, and r is a number satisfying −2 ≦ r ≦ 2.] It is known that a composite oxide-based superconducting material also has a layered crystal structure, and examples thereof can be given as examples to which the method of the present invention can be advantageously applied.
以下に図面を参照して本発明の係る方法をより具体的
に詳述するが、以下の開示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 method according to the present invention will be described in more detail with reference to the drawings. However, the following disclosure is merely an example of the present invention, and does not limit the technical scope of the present invention.
実施例 第1図は本発明に係る薄膜の製造方法を有利に適用で
きる層状の結晶構造を有する複合酸化物系超電導材料の
結晶構造の一例を示している。Embodiment FIG. 1 shows an example of a crystal structure of a composite oxide superconducting material having a layered crystal structure to which the method for producing a thin film according to the present invention can be advantageously applied.
即ち、この複合酸化物系超電導材料は酸素と結合した
III a族元素、II a族元素およびI b、II b、III b、VII
I aあるいはIV a族元素が酸素を介してまたは介さずに
層状に積層されている。That is, this composite oxide-based superconducting material was bonded to oxygen.
IIIa element, IIa element and Ib, IIb, IIIb, VII
Group Ia or IVa group elements are layered with or without oxygen.
本発明ではこの結晶構造をMBE手法を用いて、あるい
はそれとALM手法とを組み合わせて作る。In the present invention, this crystal structure is formed by using the MBE method or by combining it with the ALM method.
すなわち、基板上に、上記各元素α、βおよびγの原
子ビームを酸素雰囲気下で、またはそれら元素と酸素を
含む分子ビームを 第一層目が元素βとOよりなる単分子層〔I〕、 第二層目が元素γとOよりなる単分子層〔II〕、 第三層目が元素βとOよりなる単分子層〔III〕、 第四層目が元素γとOよりなる単分子層〔IV〕、 第五層目が元素αとOよりなる単分子層〔V〕、 第六層目が元素γとOよりなる単分子層〔IV〕、 第七層目が元素βとOよりなる単分子層〔III〕、 第八層目が元素γとOよりなる単分子層〔II〕、 第九層目が元素βとOよりなる単分子層〔I〕、 となるようにな順番で順番照射し、更にこれらの照射手
段を繰り返すことによって所望の複合酸化物系超電導薄
膜が得られる。尚、各ビームの供給量は、後述するよう
に蒸発セルの付勢エネルギーおよびシャッターの開閉に
より制御することができる。That is, on the substrate, an atomic beam of each of the above-mentioned elements α, β and γ is applied under an oxygen atmosphere, or a molecular beam containing these elements and oxygen is applied to a monomolecular layer [I] in which the first layer is composed of the elements β and O. A second layer is a monolayer composed of elements γ and O [II], a third layer is a monolayer composed of elements β and O [III], and a fourth layer is a monomolecule composed of elements γ and O A layer [IV], a fifth layer is a monolayer composed of elements α and O [V], a sixth layer is a monolayer composed of elements γ and O [IV], and a seventh layer is elements β and O The eighth layer becomes a monolayer composed of the elements γ and O, and the ninth layer becomes a monolayer [I] composed of the elements β and O. Irradiation is performed in order, and these irradiation means are repeated to obtain a desired composite oxide-based superconducting thin film. The supply amount of each beam can be controlled by the energizing energy of the evaporation cell and the opening and closing of the shutter, as described later.
第2図(a)は、本発明で用いられる装置の概念図で
あり、MBE装置自体は周知であるので、この図には検出
系の質量分析計やオージェ分析装置等の制御装置は省略
して示している。FIG. 2 (a) is a conceptual diagram of the device used in the present invention, and since the MBE device itself is well known, control devices such as a mass spectrometer of a detection system and an Auger analyzer are omitted in this figure. Is shown.
即ち、この装置は、3つの蒸発セル2、2′、2″と
基板ホルダ4とを備えた真空チャンバ1により主に構成
されており、真空チャンバ1は排気孔6を介して真空ポ
ンプに接続され、真空チャンバ内を排気して高真空にす
ることができる。また、各セル2、2′、2″には、各
セル毎に制御することのできるシャッタ3が設けられて
いる。更に、第2図(a)には、後述する第2実施例に
おいて使用するエキシマレーザ装置7と、真空チャンバ
1に対する吸気孔5とを備えている。That is, this apparatus is mainly constituted by a vacuum chamber 1 provided with three evaporation cells 2, 2 ', 2 "and a substrate holder 4, and the vacuum chamber 1 is connected to a vacuum pump through an exhaust hole 6. The inside of the vacuum chamber can be evacuated to a high vacuum, and each cell 2, 2 ', 2 "is provided with a shutter 3 which can be controlled for each cell. Further, FIG. 2 (a) is provided with an excimer laser device 7 used in a second embodiment which will be described later, and an intake hole 5 for the vacuum chamber 1.
以上のように構成された装置を使用して本発明に係る
方法を実施する場合は、まず、基板ホルダ4に基板10を
取り付け、また、蒸発セル2、2′、2″には目的とす
る複合酸化物を構成する元素またはその酸化物を収容す
る。続いて、真空チャンバ1内を排気して高真空とし、
蒸発セル2、2′、2″を加熱する。各蒸発セル2、
2′、2″からの分子ビームまたは原子ビームは、それ
ぞれのシャッタ3を開閉することによって制御できるの
で、前述のように、目的とする複合酸化物の結晶構造に
即して、順次分子ビームまたは原子ビームの照射を行
う。When the method according to the present invention is performed using the apparatus configured as described above, first, the substrate 10 is attached to the substrate holder 4 and the target is placed in the evaporation cells 2, 2 ', and 2 ". The vacuum chamber 1 is evacuated to a high vacuum by housing the element constituting the composite oxide or its oxide.
The evaporation cells 2, 2 ', 2 "are heated.
Since the molecular beam or the atomic beam from 2 ′ and 2 ″ can be controlled by opening and closing the respective shutters 3, as described above, the molecular beam or the atomic beam is sequentially adjusted according to the crystal structure of the target composite oxide. Atomic beam irradiation is performed.
次に、本発明の第2実施例として、第2図(a)に示
したエキシマレーザ装置7を使用する方法の実施につい
て説明する。Next, as a second embodiment of the present invention, an implementation of a method using the excimer laser device 7 shown in FIG. 2A will be described.
本実施例では、目的とする複合酸化物薄膜の形成の最
中に、更に酸素分子層を形成する工程を付加している。
この酸素の供給は、含酸素有機物のガスを供給孔5から
チャンバ1内に供給してこれを基板に吸着させた後また
は供給と同時に、エキシマレーザ装置7からレーザビー
ムを照射することによって、含酸素有機物を分解または
解離させて基板上に酸素のみが残留するようにする。
尚、第2図(a)中では、供給孔5から有機物ガスを供
給しているが、実際には基板10の表面に直接ガスを指向
させるような供給装置を用いることが好ましい。また、
エキシマレーザの波長は用いる有機物の種類によって異
なり、更にその強度は基板に付着する酸素の量によって
決まる。In this embodiment, a step of forming an oxygen molecular layer is added during the formation of the target composite oxide thin film.
The supply of oxygen is performed by irradiating the excimer laser device 7 with a laser beam after supplying the oxygen-containing organic gas into the chamber 1 through the supply hole 5 and adsorbing the gas onto the substrate or simultaneously with the supply. The oxygen organic matter is decomposed or dissociated so that only oxygen remains on the substrate.
In FIG. 2A, the organic gas is supplied from the supply hole 5, but in practice, it is preferable to use a supply device that directs the gas directly to the surface of the substrate 10. Also,
The wavelength of the excimer laser depends on the type of organic substance used, and the intensity is determined by the amount of oxygen attached to the substrate.
第2図(b)は、同様に酸素を積極的に基板上に供給
しながら成膜を行う場合に使用することができる装置の
他の構成例である。FIG. 2 (b) shows another configuration example of an apparatus which can be used in the case of forming a film while similarly supplying oxygen to the substrate.
即ち、第2図(b)に示す装置は、やはり排気孔6と
3つの蒸発セル2、2′、2″を備えた真空チャンバ1
に対して、更に1対のイオンビームガン11を設けたもの
である。このイオンビームガン11は、専ら酸素イオンビ
ームの供給に使用される。従って、第1図に示した複合
酸化物系超電導材料の薄膜の作製にこの装置を使用した
場合、ビーム照射の手順は例えば以下のようになる。That is, the apparatus shown in FIG. 2 (b) is a vacuum chamber 1 also provided with an exhaust hole 6 and three evaporation cells 2, 2 ', 2 ".
In addition, a pair of ion beam guns 11 is further provided. This ion beam gun 11 is used exclusively for supplying an oxygen ion beam. Therefore, when this apparatus is used for producing a thin film of the composite oxide-based superconducting material shown in FIG. 1, the procedure of beam irradiation is as follows, for example.
(1)第1層〔I〕を形成する。(1) The first layer [I] is formed.
(1−a)元素βの原子ビームを照射する。(1-a) Irradiation with an atomic beam of the element β.
(1−b)酸素イオンビームを照射する。(1-b) Irradiation with an oxygen ion beam.
(2)第2層〔II〕を形成する。(2) Form a second layer [II].
(2−a)元素γの原子ビームを照射する。(2-a) Irradiation with an atomic beam of the element γ.
(2−b)酸素イオンビームを照射する。(2-b) Irradiation with an oxygen ion beam.
(3)第3層〔III〕を形成する。(3) A third layer [III] is formed.
(3−a)元素βの原子ビームを照射する。(3-a) Irradiation with an atomic beam of the element β.
(3−b)酸素イオンビームを照射する。(3-b) Irradiation with an oxygen ion beam.
(4)第4層〔IV〕を形成する。(4) A fourth layer [IV] is formed.
(4−a)元素γの原子ビームを照射する。(4-a) Irradiation with an atomic beam of the element γ.
(5−b)酸素イオンビームを照射する。(5-b) Irradiation with an oxygen ion beam.
(5)第5層〔V〕を形成する。(5) A fifth layer [V] is formed.
(5−a)元素αの原子ビームを照射する。(5-a) Irradiation with an atomic beam of the element α.
(5−b)酸素イオンビームを照射する。(5-b) Irradiation with an oxygen ion beam.
(6)第6層〔IV〕を形成する。(6) A sixth layer [IV] is formed.
(6−a)元素γの原子ビームを照射する。(6-a) Irradiation with an atomic beam of the element γ.
(6−b)酸素イオンビームを照射する。(6-b) Irradiation with an oxygen ion beam.
(7)第7層〔III〕を形成する。(7) A seventh layer [III] is formed.
(7−a)元素βの原子ビームを照射する。(7-a) Irradiation with an atomic beam of the element β.
(7−b)酸素イオンビームを照射する。(7-b) Irradiation with an oxygen ion beam.
(8)第8層〔II〕を形成する。(8) An eighth layer [II] is formed.
(8−a)元素γの原子ビームを照射する。(8-a) Irradiation with an atomic beam of the element γ.
(8−b)酸素イオンビームを照射する。(8-b) Irradiation with an oxygen ion beam.
(9)第9層〔I〕を形成する。(9) The ninth layer [I] is formed.
(9−a)元素βの原子ビームを照射する。(9-a) Irradiation with an atomic beam of the element β.
(9−b)酸素イオンビームを照射する。(9-b) Irradiation with an oxygen ion beam.
以上のような操作を反復することによって所望の複合
酸化物系超電導薄膜が得られる。By repeating the above operations, a desired composite oxide-based superconducting thin film can be obtained.
第3図(a)および(b)は、本発明に係る薄膜の製
造方法を有利に適用できる他の複合酸化物の結晶構造を
模式的に示す図である。3 (a) and 3 (b) are diagrams schematically showing the crystal structures of other composite oxides to which the method for producing a thin film according to the present invention can be advantageously applied.
第3図(a)は、それぞれ上方に示した式によって示
される組成を有する複合酸化物の結晶構造を、特にc軸
に沿って積層された層構造として捉えた図である。ま
た、第3図(b)は、それぞれ第3図(a)に示した複
合酸化物系超電導材料の結晶構造を立体的に表した図で
ある。FIG. 3 (a) is a diagram in which the crystal structure of the composite oxide having the composition shown by the formula shown above, respectively, is regarded as a layer structure particularly stacked along the c-axis. FIG. 3 (b) is a diagram three-dimensionally representing the crystal structure of the composite oxide-based superconducting material shown in FIG. 3 (a).
これらの図面に示すように、Tl2CaSr2Cu2Oy(Bi2CaSr
2Cu2Oy)あるいはTl2Ca2Sr2Cu2Oy(Bi2Ca2Sr2Cu2Oy)
は、いずれも顕著な層構造を有しており、本発明に係る
薄膜の製造方法が極めて有利に適用できる。As shown in these drawings, Tl 2 CaSr 2 Cu 2 O y (Bi 2 CaSr
2 Cu 2 O y ) or Tl 2 Ca 2 Sr 2 Cu 2 O y (Bi 2 Ca 2 Sr 2 Cu 2 O y )
Have a remarkable layer structure, and the method for producing a thin film according to the present invention can be applied very advantageously.
即ち、これらの複合酸化物系超電導薄膜を本発明の方
法に従って製造する場合の、原子ビーム照射の手順は以
下のようになる。That is, the procedure of atomic beam irradiation when these composite oxide-based superconducting thin films are manufactured according to the method of the present invention is as follows.
第1層目はTl またはBiとOよりなる単分子層、 第2層目はBaとOよりなる単分子層、 第3層目はCuとOよりなる単分子層、 第4層目はCaとOよりなる単分子層、 第5層目はCuとOよりなる単分子層、 第6層目はCaとOよりなる単分子層、 第7層目はCuとOよりなる単分子層、 第8層目はBaとOよりなる単分子層、 第9層目はTl またはBiとOよりなる単分子層、 第10層目はTl またはBiとOよりなる単分子層、 第11層目はBaとOよりなる単分子層、 第12層目はCuとOよりなる単分子層、 第13層目はCaとOよりなる単分子層、 第14層目はCuとOよりなる単分子層、 第15層目はCaとOよりなる単分子層、 第16層目はCuとOよりなる単分子層、 第17層目はBaとOよりなる単分子層、 (第18層目はTl またはBiとOよりなる単分子層) 尚、第18層は次層に形成される結晶単位の第1層に相
当する。また、第1〜9層と第10〜18層とは同じ結晶構
造を有して互いに水平に変移しており、両者を以って1
単位の結晶構造を構成する。従って、上記のような照射
手順を繰り返すことによって所望の複合酸化物系超電導
薄膜を得ることができる。The first layer is a monolayer composed of Tl or Bi and O, the second layer is a monolayer composed of Ba and O, the third layer is a monolayer composed of Cu and O, and the fourth layer is Ca A fifth monolayer made of Cu and O, a sixth monolayer made of Ca and O, a seventh monolayer made of Cu and O, The eighth layer is a monolayer composed of Ba and O, the ninth layer is a monolayer composed of Tl or Bi and O, the tenth layer is a monolayer composed of Tl or Bi and O, and the eleventh layer Is a monolayer composed of Ba and O, the twelfth layer is a monolayer composed of Cu and O, the thirteenth layer is a monolayer composed of Ca and O, and the fourteenth layer is a monomolecule composed of Cu and O The 15th layer is a monolayer composed of Ca and O, the 16th layer is a monolayer composed of Cu and O, the 17th layer is a monolayer composed of Ba and O, (the 18th layer is (A monolayer composed of Tl or Bi and O) The 18th layer is formed on the next layer. It corresponds to the first layer of the crystal unit. Further, the first to ninth layers and the tenth to eighteenth layers have the same crystal structure and are horizontally shifted from each other.
Construct a unit crystal structure. Therefore, a desired composite oxide-based superconducting thin film can be obtained by repeating the above irradiation procedure.
発明の効果 以上詳述の如く、本発明に係る薄膜の製造方法によれ
ば、目的とする複合酸化物系超電導材料の結晶構造に即
して結晶の各層を形成すると共に、組成制御も各層毎に
適切に行うので、薄膜中に有効な超電導物質が効率よく
形成される。Effects of the Invention As described in detail above, according to the method for producing a thin film according to the present invention, each crystal layer is formed in accordance with the crystal structure of the target composite oxide-based superconducting material, and composition control is performed for each layer. Therefore, an effective superconducting material is efficiently formed in the thin film.
また、本発明の方法は、単なる薄膜の作製に限らず、
異なる物質の層を更に連続して積層することによって、
各種のデバイスの作製にもそのまま拡大利用することが
できる。Further, the method of the present invention is not limited to simple thin film production,
By further successively laminating layers of different substances,
It can be expanded and used as it is for the production of various devices.
1……真空チャンバ、 2、2′、2″……蒸発セル、 3……シャッタ、4……基板ホルダ、 5……ガス供給孔、6……排気孔、 7……エキシマレーザ、10……基板、 11……イオンビームガン DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Vacuum chamber, 2, 2 ', 2 "... Evaporation cell, 3 ... Shutter, 4 ... Substrate holder, 5 ... Gas supply hole, 6 ... Exhaust hole, 7 ... Excimer laser, 10 ... ... substrate, 11 ... ion beam gun
───────────────────────────────────────────────────── 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 13/00 565 H01B 13/00 565Z H01L 39/24 ZAA H01L 39/24 ZAAB // H01B 12/06 ZAA H01B 12/06 ZAA (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60−112692(JP,A) Japanese Journal of Applied Physics Vol.26 No.5 P.L709− L710──────────────────────────────────────────────────の Continuation of the front page (51) Int.Cl. 6 Identification code Agency reference number FI Technical display location H01B 13/00 565 H01B 13/00 565Z H01L 39/24 ZAA H01L 39/24 ZAAAB // H01B 12 / 06 ZAA H01B 12/06 ZAA (72) Inventor Tetsuji Ueshiro 1-1-1, Kunyokita, Itami-shi, Hyogo Prefecture Itami Works, Sumitomo Electric Industries, Ltd. (56) References JP-A-60-112892 (JP, A ) Japanese Journal of Applied Physics Vol. 26 No. 5P. L709- L710
Claims (1)
導材料の薄膜を基板上に成膜する方法であって、 該複合酸化物系超電導材料を構成する各元素の原子ビー
ムまたは分子ビームと酸素イオンビームとを同時または
交互に照射して、該複合酸化物系超電導材料の結晶構造
にそくした単分子層を該基板上に順次積層させ、 該基板上に所望の厚さの単結晶薄膜または多結晶薄膜を
堆積させることを特徴とする複合酸化物超電導体薄膜の
製造方法。1. A method for forming a thin film of a composite oxide-based superconducting material having a layered crystal structure on a substrate, comprising the steps of: forming an atomic beam or a molecular beam of each element constituting the composite oxide-based superconducting material; Simultaneously or alternately irradiating with an oxygen ion beam, monolayers conforming to the crystal structure of the composite oxide superconducting material are sequentially laminated on the substrate, and a single crystal thin film of a desired thickness is formed on the substrate. Alternatively, a method for producing a composite oxide superconductor thin film, comprising depositing a polycrystalline thin film.
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- 1988-08-24 JP JP63210053A patent/JP2577061B2/en not_active Expired - Fee Related
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Japanese Journal of Applied Physics Vol.26 No.5 P.L709−L710 |
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