JP2645489B2 - 超電導体の作製方法 - Google Patents

超電導体の作製方法

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JP2645489B2 JP62058466A JP5846687A JP2645489B2 JP 2645489 B2 JP2645489 B2 JP 2645489B2 JP 62058466 A JP62058466 A JP 62058466A JP 5846687 A JP5846687 A JP 5846687A JP 2645489 B2 JP2645489 B2 JP 2645489B2
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  • Superconductors And Manufacturing Methods Therefor (AREA)
  • Inorganic Compounds Of Heavy Metals (AREA)
  • Superconductor Devices And Manufacturing Methods Thereof (AREA)
  • Production Of Multi-Layered Print Wiring Board (AREA)
  • Internal Circuitry In Semiconductor Integrated Circuit Devices (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 「発明の利用分野」 本発明は薄膜のセラミック系超電導材料に関する。本
発明は、基体上に薄膜化して形成された材料に対し帯状
(または線状)にレーザ光を照射しつつ走査し連続した
パターンニング(実質的に基体上に帯巻または線巻)を
施す超電導体の作製方法である。そしてこのセラミック
系超電導材料を用いて超電導電子ディバイスを作らんと
するものである。
「従来の技術」 従来超電導材料はNb−Ge(例えばNb3Ge)の金属材料
が用いられている。この材料は金属であるため延性、展
性を高く有し、超電導マグネット用のコイル巻を行うこ
とが可能であった。
しかし、これらの金属材料を用いた超電導材料はTc
(超電導臨界温度を以下単にTcという)が小さく23゜K
またはそれ以下しかない。これに対し工業上の応用を考
えるならばこのTcが30゜K好ましくは77゜Kまたはそれ以
上であるとさらに有効である。特に77゜K以上の温度にT
cを有する超電導材料が開発されるならば、液体窒素温
度雰囲気下での動作を可能とし、工業上の運転維持価格
をこれまでの約1/10またはそれ以下にすることが可能で
あると期待されている。
「従来の問題点」 このため、Tcの高い材料として金属ではなくセラミッ
ク系材料、特に酸化物セラミック系材料が注目されてい
る。しかしこの注目されているセラミック系超電導材料
はTcが高いにもかかわらず,曲げ性、延性、展性にとぼ
しく、少し曲げてもわれてしまう。いわんや0.1〜10μ
mといった薄膜を基板上に形成し、この薄膜の一部また
は全部を超電導することはまったく不可能であるとされ
ていた。。特にこれを半導体集積回路と同様のフォトリ
ングラフィ技術を用い多層配線を行う。またこの薄膜超
電導を用いて新しい電子ディバイスを作ることはまった
く不可能であった。
「問題を解決すべき手段」 本発明はかかる薄膜状とし、この薄膜を用いて電子デ
ィバイスを作らんとしたものである。
本発明は予め所望の形状を有する基体、例えば円筒状
または板状の基体に対し薄膜状にセラミック材料特に酸
化物セラミック材料または酸化雰囲気でアニール後酸化
物セラミックとなる金属材料のスパッタ法、印刷法例え
ばスクリーン印刷法またはその他の方法より形成する。
このスパッタ法で形成するとこの薄膜はアモルファス構
造または格子歪および格子欠陥を多量に有する微結晶を
有する多結晶構造を呈する。この構造では一般に半導体
性または超電導性を有さない導電性または絶縁性であ
る。
このためかかる状態の膜に対し、本発明は選択的にレ
ーザ光を照射、走査(スキャン)し、一定の巾を有する
帯状に再結晶化する工程を有せしめる。この工程により
レーザ光の照射された領域のみレーザアニール工程が行
われて結晶化率(結晶粒径を大きく、また超電導を呈す
る微結晶構造とさせる)を上げ、この領域内のみ、格子
歪、格子欠陥を少なくさせ得る。同時に一度溶融して再
結晶化をさせるため本来超電導を有すべき結晶構造以外
の不純物をある程度照射された表面に偏析させ、内部の
不純物を除去し、高純度化を行い得る。するとこの部分
のみ一定のTcを有する超電導材料とすることができる。
このスパッタ法等で形成される薄膜はターゲットを調整
しセラミック超電導材料例えば(Y1-XBax)CuO2.53.5
但しx=0.01〜0.1好ましくは0.05〜0.1のイットリュー
ム系セラミック材料または(La1-XBax)2CuO4(BLC
O),(La1-XSrx)(SLCO)、一般的に表現するなら
ば(La1-XAx)2CuO4但しAはBa,Srその他となり得るタ
ーゲット材料を用いた。
本発明のレーザ光源は例えばYAGレーザ(波長1.06
μ),エキシマレーザ(KrF,KrCl等)炭酸ガスレーザま
たは窒素レーザを用いた。前者は円状のレーザビームを
5〜30KHzの周波数で繰り返して照射することができ、
そしてこの照射された部分のみ再結晶化させ、層構造を
有する分子配列をより基板の面に沿って層構造を配設さ
せることによりこの部分を超電導材料として得ることが
特徴である。また後者のエキシマレーザを用いる場合は
面例えば20×30mm2に対してパルス照射をすることが可
能となる。本発明はこれを光学系でしぼることにより円
(直径10〜100μm)または帯状(巾5〜100μm長さ10
〜40cm)のレーザビームを作ることができ、、このレー
ザビームをセラミック膜に照射しつつ基板またはレーザ
光ビームを連続的に移動する。即ち走査するアニールの
された領域をその結晶粒径を単結晶に近く大きくでき
る。そしてその粒径は基板上にエピタキシァル成長をSO
I(Super−conductiong Material On Insulator)と
して形成される。
本発明はかくの如く基体の表面に形成されたセラミッ
ク材料に対し選択的にレーザ光を照射しつつ走査してそ
の部分のみ酸化物の超電導材料と変成させることを特徴
としている。するとこの周辺部の残存した領域は実質的
に絶縁領域(Tc以下の湿度においては超電導を有する部
分に比べて理論的には十分に抵抗が大きく絶縁領域とす
ることが可能となる。そしてこの部分を除去することも
可能であるが、多層配線の段差を少なくする場合には凹
部のうめこみ材料とすることも可能である。
本発明において、基板材料としてアルミナ、酸化珪基
板、YSZ(イットリア・スタビライズド・ジルコン)、
窒化珪素基板、窒化アルミニューム、ジルコニア、イッ
トリアを用いた。しかし熱膨張係数の最も類似したYS
Z、イットリアまたはジルコニアがレーザアニール後のT
cを高く出し得る。
本発明において基板は熱伝導材料に比べて十分(少な
くとも1ケタ以上)信頼できるものを絶縁基板として用
いた。
「作用」 これまでの金属超電導材料を用いる場合、その工程と
してまず線材とする。そしてこれを所定の基体にまいて
ゆくことによりコイルを構成せしめた。
しかし本発明のセラミック超電導体に関しては最終形
状の基体を設け、この基体上に帯状に超電導を結晶化処
理の後呈すべき材料を膜状(そのままでは超電導を呈さ
ない)に形成する。そしてこの膜に対し選択的にレーザ
アニールを行うことによりアニールを行った部分のみ結
晶化度を向上せしめる。そしてこのレーザ光を任意に走
査することにより、その表面領域にのみ任意の線、帯ま
たは面を導出させることができる。そしてこの領域のみ
Tc以下の温度では抵抗が減少しTco(電気抵抗が零にな
る温度)では抵抗は「0」またはそれに近い状態を生ぜ
しめ得る。
以下に実施例に従って本発明を説明する。
「実施例1」 第1図は本発明の製造工程を示す。
第1図(A)において基体(1)はセラミック材料例
えばアルミナ、ガラスまたはYSZを用いた。金属を用い
てもよい。これらの場合セラミック薄膜と同程度(±50
%以内)の熱膨張係数の差であることが好ましい。この
差が大きすぎるとアニール後応力歪を有し、超電導を呈
する温度が小さく、また超電導が観察されなくなってし
まう。この基体をこの実施例では板状を有する基体上に
スパッタ法にり0.1〜20μm例えば2μmの厚さに形成
した。このスパッタに際しては予めターゲットに(Y1-X
Bax)2CuO2.53.0例えばX=0.075として十分混合した
ものを用いた。
それをスパッタ法で飛翔化させ、基体(1)上に膜
(2)を形成させた。この際基体は室温〜400℃例えば2
50℃に加熱した雰囲気でアルゴンに酸素を若干加えた。
かくして第1図(B)の形状が作られた後第1図(C)
に示すごとく、酸化性雰囲気でエキシマレーザの光(波
長0.25μm)(3)を照射しつつ破線の如く連続的に走
査する。これはパルス光であるため、そのパルスが帯上
に走査するために1つの長方形スポットに次の長方形ビ
ームの80〜98%が重なるようにした。即ちレーザ光の走
査速度は2cm/分とし、周波数100KHz、ビーム径50μm×
10cmとした。するとこのレーザ光の照射された部分のみ
選択的に酸化し、ミクロに結晶が配列する。そして巾10
cmの帯状超電導薄膜を作ることができた。この再結晶化
の速度を余り急峻にしないため、この第1図(C)の工
程の際、基体全体を200〜800℃、例えば600℃の温度に
ハロゲンランプにより加熱した酸素雰囲気でレーザアニ
ールまたは光アニールを行った。するとレーザ光または
それと同等の強光により照射される部分は1000℃または
それ以上の温度であって照射されセラミック材料が昇華
してしまわない温度とした。そして光の照射後室温への
急激な除冷によりクラックの発生を防ぐことができた。
そしてこの実施例でのTcは43゜Kを得た。
かくしてこのレーザ光または強光を照射して実施的に
帯または線状にTcを有す領域を作ることができた。
「実施例2」 第2図は本発明の他の実施例を示す。
図面において基体(1)は円筒状を有する。ここに実
施例1と同様に膜状にセラミック材料(2)をスパッタ
法で形成する。
この作製はスパッタ装置でこの円筒基体を矢印(12)
に示す如くに回転しつつコーティングすればよい。
次にこれらの膜の形成された基体にYAGレーザ(3)
ビーム径(50μm)を照射しつつ、このレーザ光を(1
1)の方向に徐々に移す。同時に円筒を矢印(12)の方
向に回転をする。するとこの円筒状基体に対し一本の連
続した帯状のTcを有する領域(4)を構成させることが
できる。その隣接部(5)はTcを有さな領域として残存
させる。即ちコイル状に熱電荷ワイヤを実質的に形成し
たことと同じ超電導マグネットコイルを構成させること
ができた。
第4図はかかる工程を繰り返し行うことにより多層に
超電導ワイヤを形成したものである。
これに第2図におけるA−A′の縦断面図が対応す
る。図面の構成を略記する。
基体(1)上に第1のセラミック材料を膜コーティン
グ(2−1)する。この後レーザ光を(4−1),(4
−2)・・・(4−n)に照射する。これは基体を回転
しつつレーザ光を右へ移すことにより成就し得る。する
とこのレーザ光は連続的に走査しつつが照射され、かつ
熱アニールされた領域部分のみ超電導材料に変成する。
次にこれら上に第2のセラミック材料を膜コーティン
グ(2−2)を形成する。さらにレーザアニールを同様
に行い、帯状のTcを有する領域(4′−n),・・・
(4′−2),(4′−1)を作る。この時レーザはそ
の深さ方向の制御が比較的困難のため下側ににじみ出し
やすい。そのため(4′−1),(4′−2)の位置は
その下側のTcを有する領域(4−1),(4−2)・・
・の上方を避け、Tcのない領域(5−1),(5−2)
・・・上方に配設する。この(4−1)は1回コイルを
まわって(4−2)に電気的に連携している。これら端
部の(4−n)では2層目の(4′−n)に(10−1)
にて連結している。
さらにこの2層目の他方の端部(4′−1)は3層目
の(4″−1)と(10−2)で連結しており、3層目の
Tcを有する領域を(4″−1),(4″−2)・・・
(4″−n)として作り得、さらに(10−3)にて4層
目と連結させる。かくして多層構造(ここでは4層構
造)をしても1本の長い線が繰り返し巻かれ、実質的に
コイルの多層巻と同じ構成とすることができる。
この第4図の実施例では(4−1),(4−2)の巾
の約5倍に(5−1),(5−2)を有せしめ、(4′
−1),(4″−1)(4−1)は(5−1)の上方
に形成され、それぞれの層間で互いのリード線のショー
トが発生しないようしている。多層配線はこれを繰り返
し、1層〜数十層とし得る。またこの際は直列にあたか
も1本の超電導体の如くに連結した。しかし用途により
並列に連結してもよい。そして外部取り出し電極、リー
ド(30),(30′)を設けた。
その他は実施例1と同様である。
「実施例3」 第3図は本発明の他の実施例を示す図面である。図面
において、基体(1)は円板状(ディスク状)を有し、
この直径より大きなレーザ光(3)は線状に照射する。
この後このディスク(1)を繰り返し連続的に回転させ
る。すると光アニールを繰り返し行わしめることができ
る。するとこのセラミック薄膜は次第に結晶配列を揃え
大きな面積を結晶に成長させることができる。しかる
後、基板上面にそって層構造を分子配列で有すべく再結
晶化させている。
この図面では1層のディスク構成を示すが、第4図に
示した実施例と同様に多層構成を有せしめることが可能
である。
この酸化雰囲気でのレーザアニールを加えた領域のTc
は43゜Kを得た。
「効果」 本発明によりこれまでまったく不可能とされていたセ
ラミック超電導体を実質的にコイル状、ディスク状また
は膜状に線または帯状に構成させることが可能となっ
た。
そして曲げるとすぐわれてしまうセラミックス超電導
材料として導体または超電導素子の固体材料として薄膜
状に作ることができた。
本発明において超電導薄膜を形成した後、公知のフォ
トリソグラフィ技術を用い、所定のパターニンイグをし
超電導素子または超電導配線とすることはその工業的応
用を考えると重要である。
本発明の超電導材料はセラミック材料であればなんで
もよい。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の超電導体の作製工程を示す。 第2図、第3図および第4図は本発明の超電導体の実施
例を示す。 1……基体 2……セラミック材料 3……レーザ光 4……超電導を呈する帯状領域 5……超電導を呈さない領域
───────────────────────────────────────────────────── 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 H05K 3/46 ZAA H01L 21/88 ZAAM (56)参考文献 特開 昭61−266387(JP,A) 特開 昭61−261467(JP,A) 特開 昭61−225808(JP,A) Japanese Journal of Applied Physic s,26〔2〕(1987−2)P.L123− L124

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】セラミック材料に対し酸化性雰囲気中でレ
    ーザ光または強光を照射することによって、前記セラミ
    ック材料を酸化させつつ結晶化せしめて超電導状態に変
    成することを特徴とする超電導体の作製方法。
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