JP2645730B2 - Superconducting thin film - Google Patents

Superconducting thin film

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JP2645730B2
JP2645730B2 JP63187573A JP18757388A JP2645730B2 JP 2645730 B2 JP2645730 B2 JP 2645730B2 JP 63187573 A JP63187573 A JP 63187573A JP 18757388 A JP18757388 A JP 18757388A JP 2645730 B2 JP2645730 B2 JP 2645730B2
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oxide
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秀夫 糸▲崎▼
三郎 田中
修示 矢津
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Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は超電導薄膜とその作製方法に関する。より詳
細には、高い超電導臨界温度を有し、且つ、その高い性
能を長期にわたり安定して発揮する新規な超電導薄膜
と、この超電導薄膜を作製する方法に関する。
Description: TECHNICAL FIELD The present invention relates to a superconducting thin film and a method for producing the same. More specifically, the present invention relates to a novel superconducting thin film having a high superconducting critical temperature and exhibiting its high performance stably for a long period of time, and a method for producing the 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
の利用が期待されている。
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 is expected to be used for NMR, pion therapy, high energy physics experiment equipment, 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
磁場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 an electromagnetic field or a magnetic field appears as an accurate quantum phenomenon, it is expected that the Josephson element is used as an ultra-sensitive sensor for a magnetic field, a microwave, radiation, or 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、複合酸化物系超電導材料
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. By contrast, in 1986, Bednotes and Mueller et al. Discovered that composite oxide-based superconducting materials have a high Tc, 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いる。また、
特開昭60−173,885号公報にはBa−Bi系の複合酸化物が
超電導特性を示すことが記載されている。しかしなが
ら、これまでに知られていた複合酸化物超電導材料の超
電導臨界温度Tc(以下、単にTcと表記する)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 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. Also,
JP-A-60-173,885 describes that a Ba-Bi-based composite oxide exhibits superconducting properties. However, heretofore known have a composite oxide superconducting material of the superconducting critical temperature T c (hereinafter, simply referred to as Tc) is less than the overall very low 10K, expensive and rare to obtain superconductivity The use of liquid helium (boiling point 4.2K) was inevitable.

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
酸化物系超電導材料は、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
という値であった。
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. The composite oxide superconducting material, which had been known perovskite type oxide superconductor material crystal structure is similar, T c is dramatically higher about 30K than the conventional superconductive material
Was the 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 the 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を越えただけでは
なく化学的にも安定しており、YBCO等のような超電導特
性の経時的劣化が少ないことから、Tlの毒性等にも関わ
らず、より実用に適し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-
The Ba-Ca-Cu-based composite oxide has a Tc exceeding 100 K and is chemically stable, and the superconducting characteristics such as YBCO are hardly deteriorated with time. Nevertheless, it is expected that it may be more practical.

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俄かに高まっている。
With the discovery of these new composite oxide-based superconducting materials, the momentum for realizing high-temperature superconductors is rapidly increasing.

発明が解決しようとする課題 しかしながら、これら酸化物超電導体は、一般に経時
変化により結晶中の酸素あるいは酸素欠損が減少して超
電導特性が大きく劣化することが知られている。即ち、
超電導臨界温度、臨界電流等の特性は、作製直後が最も
良く、その後は徐々に悪化する傾向がある。また、超電
導材料全体の堆積に比較して表面積の大きい薄膜では特
にこの傾向が顕著であった。
Problems to be Solved by the Invention However, it is known that, in these oxide superconductors, oxygen or oxygen vacancies in the crystal is generally reduced due to a change with time, and the superconductivity is largely deteriorated. That is,
Characteristics such as superconducting critical temperature and critical current tend to be best immediately after fabrication, and then tend to gradually deteriorate thereafter. This tendency was particularly remarkable in a thin film having a large surface area as compared with the deposition of the entire superconducting material.

上記の新しい複合酸化物系超電導体の超電導特性は、
結晶中の酸素欠損が深く関与しており、そのため、作製
の最終段階では酸素分圧が高い雰囲気で熱処理する必要
があり、この過程を経ない酸化物超電導体の超電導特性
は極端に悪い。
The superconducting properties of the new composite oxide superconductor described above are
Oxygen vacancies in the crystal are deeply involved, so that heat treatment must be performed in an atmosphere having a high oxygen partial pressure in the final stage of the production, and the superconducting properties of the oxide superconductor which does not undergo this process are extremely poor.

また、このような処理を経た酸化物超電導体でも、大
気中では時間と共に結晶中の酸素を失い、徐々に超電導
特性が悪化する。この理由としては、複合酸化物超電導
体が空気中の水分と反応すること、また、結晶中の酸素
が時間の経過とともに失われ、含有される酸素欠陥が適
正でなくなること等が考えられる。これは、優れた超電
導特性を有する酸化物超電導体が準安定相であり、空気
中の水分と反応することによって他の物質あるいは他の
相に変化するためではないかと考えられている。このた
め、現状では複合酸化物系超電導体の優れた超電導特性
を長期にわたって安定に利用することは困難であり、酸
化物超電導体を利用しようとする場合に大きな問題とな
っている。
Further, even in an oxide superconductor that has undergone such a treatment, oxygen in the crystal is lost with time in the air, and the superconductivity is gradually deteriorated. This may be because the composite oxide superconductor reacts with the moisture in the air, or the oxygen in the crystal is lost with the passage of time, and the contained oxygen deficiency becomes inappropriate. It is thought that this is because the oxide superconductor having excellent superconducting properties is a metastable phase and changes into another substance or another phase by reacting with moisture in the air. For this reason, at present, it is difficult to stably utilize the excellent superconducting characteristics of the composite oxide-based superconductor for a long period of time, and this is a major problem when attempting to use an oxide superconductor.

そこで、本発明の目的は、経時変化の少ない新規な複
合酸化物系超電導薄膜を提供することにある。また、こ
の新規な複合酸化物系超電導薄膜を作製する新規な作製
方法も本発明の範囲内に在る。
Therefore, an object of the present invention is to provide a novel composite oxide-based superconducting thin film with little change over time. Also, a novel method for producing the novel composite oxide-based superconducting thin film is within the scope of the present invention.

課題を解決するための手段 即ち、本発明に従い、基板上に薄膜として形成された
複合酸化物系超電導材料と、該複合酸化物系超電導材料
薄膜の表面を被覆するポリイミド樹脂またはジアリルフ
タレート樹脂により形成された酸素を透過させない高分
子化合物層とを具備することを特徴とする複合酸化物系
超電導薄膜が提供される。
Means for Solving the Problems That is, according to the present invention, a composite oxide superconducting material formed as a thin film on a substrate and a polyimide resin or diallyl phthalate resin covering the surface of the composite oxide superconducting material thin film A composite oxide-based superconducting thin film provided with a high molecular compound layer that does not allow oxygen to pass therethrough.

また、本発明の他の態様として、本発明に従い、下記
一般式; (α1-xβ)CuyOz [但し、αは周期律表II a族から選択された元素であ
り、 βは周期律表III a族から選択された元素であり、 xはα+βに対するβの原子比で0.1≦x≦0.9の範囲の
数であり、 yおよびzは(α1-xβ)を1とした場合にそれぞれ
0.4≦y≦3.0、1≦z≦5を満たす原子比である。] で表される成分を主として含み、基板上に薄膜として形
成された複合酸化物系超電導材料と、該複合酸化物系超
電導材料薄膜の表面を被覆するアルキド樹脂により形成
された酸素を透過させない高分子化合物層とを具備する
ことを特徴とする複合酸化物系超電導薄膜が提供され
る。
According to another aspect of the present invention, there is provided, according to the present invention, a compound represented by the following general formula: (α 1-x β x ) Cu y O z wherein α is an element selected from Group IIa of the periodic table, Is an element selected from Group IIIa of the periodic table III, x is an atomic ratio of β to α + β in the range of 0.1 ≦ x ≦ 0.9, and y and z are (α 1−x β x ) being 1 And if
The atomic ratio satisfies 0.4 ≦ y ≦ 3.0 and 1 ≦ z ≦ 5. And a composite oxide superconducting material formed mainly as a thin film on a substrate, and a high oxygen impregnated with an alkyd resin formed on the surface of the composite oxide superconducting material thin film. A composite oxide-based superconducting thin film comprising a molecular compound layer is provided.

作用 本発明による複合酸化物系超電導薄膜は、基板上に形
成された複合酸化物系超電導材料よりなる薄膜の表面が
高分子化合物によって被覆されていることをその主要な
特徴としている。
The main feature of the composite oxide superconducting thin film according to the present invention is that the surface of the composite oxide superconducting thin film formed on the substrate is covered with a polymer compound.

ここで、上記高分子化合物としては、集積回路のパッ
シベーション膜用に用いられている、シリコン樹脂系高
分子化合物、エポキシ樹脂系高分子化合物またはポリイ
ミド樹脂系高分子化合物を好ましいものとして例示でき
る。更に、この他等の高分子化合物としては、例えば、
ジアリルフタレート樹脂、アルキド樹脂、UV硬化型樹脂
等のICのパッケージング用に用いられている樹脂や熱硬
化性樹脂等を挙げることもできる。
Here, as the above-mentioned polymer compound, a silicon resin-based polymer compound, an epoxy resin-based polymer compound or a polyimide resin-based polymer compound, which is used for a passivation film of an integrated circuit, can be exemplified as a preferable example. Further, as other high molecular compounds, for example,
Resins used for IC packaging, such as diallyl phthalate resin, alkyd resin, and UV curable resin, and thermosetting resins can also be used.

これらの高分子化合物は組織が緻密であり、超電導薄
膜結晶から酸素が遊離することを抑制し、超電導薄膜の
作製当初の良好な特性を長期間に亘って維持することが
できる。更に、これらの高分子化合物は、化学的にも極
めて安定であり、被覆として使用した場合に超電導薄膜
に対する悪影響が無く、且つ、比較的低温で形成するこ
とができるので、製造プロセスにおいても超電導薄膜を
傷めることがない。
These polymer compounds have a dense structure, can suppress release of oxygen from the superconducting thin film crystal, and can maintain good characteristics at the beginning of the production of the superconducting thin film for a long period of time. Furthermore, these polymer compounds are extremely stable chemically and have no adverse effect on the superconducting thin film when used as a coating, and can be formed at a relatively low temperature. It does not hurt.

上記の高分子化合物層は、適切な溶媒を用いて塗布法
によって超電導薄膜上に形成ることができる。また、溶
媒を用いずに、溶融状態で超電導薄膜上に直接成膜する
こともできる。更に、場合によっては、トランスファー
成形によって超電導薄膜上に直接成形することもでき
る。
The above polymer compound layer can be formed on the superconducting thin film by a coating method using an appropriate solvent. In addition, a film can be directly formed on a superconducting thin film in a molten state without using a solvent. Further, in some cases, it can be formed directly on the superconducting thin film by transfer molding.

尚、上記高分子化合物被覆を形成する際の基板温度は
500℃以下に制限することが好ましい。即ち、上記の超
電導薄膜は、形成後に500℃を超える温度に加熱される
と結晶中の酸素が失われ、超電導特性が顕著に悪化する
からである。従って、高分子化合物層を形成する際ある
いは形成後の熱硬化時の基板温度を500℃以下とするこ
とが有利である。
The substrate temperature when forming the polymer compound coating is
It is preferable to limit the temperature to 500 ° C. or lower. That is, when the above-mentioned superconducting thin film is heated to a temperature exceeding 500 ° C. after formation, oxygen in the crystal is lost, and the superconducting properties are remarkably deteriorated. Therefore, it is advantageous to set the substrate temperature to 500 ° C. or less when forming the polymer compound layer or during thermosetting after the formation.

また、上記の高分子化合物層は単層に限られるもので
はなく、組成または構成元素の異なる2種以上の層を積
層することも有効である。
Further, the above-mentioned polymer compound layer is not limited to a single layer, and it is also effective to laminate two or more layers having different compositions or constituent elements.

本発明の超電導薄膜を製造するには、一般に、焼結等
で作製した超電導体原料酸化物をターゲットとしてスパ
ッタリング等で上記基板上に超電導薄膜を形成し、必要
に応じ酸素含有雰囲気で熱処理を行った後に、上記の高
分子化合物を被覆する。
In order to manufacture the superconducting thin film of the present invention, a superconducting thin film is generally formed on the substrate by sputtering or the like using a superconducting raw material oxide prepared by sintering or the like as a target, and heat treatment is performed in an oxygen-containing atmosphere as necessary. After that, the above polymer compound is coated.

上記複合酸化物系超電導材料よりなる薄膜は周期律表
II a族元素から選択された少なくとも1種の元素αと、
周期律表III a族元素から選択された少なくとも1種の
元素βと、周期律表I b、II b、III b、IV b、VIII a族
元素から選択された少なくとも1種の元素γの複合酸化
物の薄膜であることができる。一般に、元素γはCuであ
る。
The thin film composed of the above composite oxide-based superconducting material has a periodic table
At least one element α selected from group IIa elements;
Complex of at least one element β selected from Group IIIa elements of the periodic table and at least one element γ selected from Group Ib, IIb, IIIb, IVb, and VIIIa elements of the Periodic Table It can be a thin film of oxide. Generally, the element γ is Cu.

更に具体的には、下記一般式: (α1-xβ)CuyOz 〔但し、αおよびβは、上記定義の元素であり、xはα
+βに対するβの原子比で、0.1≦x≦0.9を満たす数で
あり、yおよびzは、(α1-xβ)を1とした場合
に、それぞれ 0.4≦y≦3.0、 1≦z≦5を満たす原子比である〕 で表される組成の複合酸化物薄膜とすることができる。
尚、上記範囲内において、上記元素αがBaまたはSrであ
り(この元素αの10〜80%をMg、Ca、Srから選択された
1種または2種の元素で置換することもできる)、上記
元素β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る
複合酸化物膜薄膜を好ましい具体例として挙げることが
できる。また、上記の元素の他に、更にAl、Fe、Co、N
i、Zn、AgおよびTiによって構成される群から選択され
る少なくとも1種の元素を含めることも可能である。
More specifically, the following general formula: (α 1-x β x ) Cu y O z [where α and β are elements as defined above, and x is α
The atomic ratio of β to + β is a number satisfying 0.1 ≦ x ≦ 0.9, and y and z are 0.4 ≦ y ≦ 3.0 and 1 ≦ z ≦, respectively, when (α 1−x β x ) is 1. The atomic ratio satisfies the formula 5).
In the above range, the element α is Ba or Sr (10 to 80% of the element α can be replaced with one or two elements selected from Mg, Ca, and Sr), Preferred specific examples include a composite oxide film thin film in which the element β is at least one element selected from the group consisting of Y, La, Gd, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, and Lu. . In addition to the above elements, Al, Fe, Co, N
It is also possible to include at least one element selected from the group consisting of i, Zn, Ag and Ti.

上記元素αとβの比は上記αおよびβの種類に応じて
適宜選択できる。例えば、Ba−Y、Ba−La、Sr−La系の
場合にはそれぞれ以下の比を満足するのが好ましい。
The ratio between the elements α and β can be appropriately selected depending on the types of α and β. For example, in the case of Ba-Y, Ba-La, and Sr-La, it is preferable that the following ratios are respectively satisfied.

Y/(Y+Ba): 0.06〜0.94、 好ましくは0.1〜0.4 Ba/(La+Ba): 0.04〜0.96、 好ましくは0.08〜0.45 酸化物の原子比が上記の範囲からはずれた場合にはい
ずれも酸化物の結晶構造、酸素欠損等が所望のものと異
なるためTcが低くなる。
Y / (Y + Ba): 0.06 to 0.94, preferably 0.1 to 0.4 Ba / (La + Ba): 0.04 to 0.96, preferably 0.08 to 0.45 If the atomic ratio of the oxide is out of the above range, any of the oxides Since the crystal structure, oxygen vacancy and the like are different from desired ones, Tc becomes low.

上記の元素の組合せの中で、特に、本発明が特に好ま
しく適用できる複合酸化物薄膜としては、例えば、Y−
Ba−Cu−O系、La−Ba−Cu−O系およびLa−Sr−Cu−O
系の複合酸化物薄膜が挙げられる。具体的には、 Y1Ba2Cu3O7-x、 Ho1Ba2Cu3O7-x Lu1Ba2Cu3O7-x、 Sm1Ba2Cu3O7-x、 Nd1Ba2Cu3O7-x、 Gd1Ba2Cu3O7-x、 Eu1Ba2Cu3O7-x、 Er1Ba2Cu3O7-x、 Dy1Ba2Cu3O7-x、 Tm1Ba2Cu3O7-x Yb1Ba2Cu3O7-x La1Ba2Cu3O7-x、 〔ただし、xは0<x<1を満たす数〕 で表わされる複合酸化物超電導薄膜がある。
Among the combinations of the above-mentioned elements, particularly, as a composite oxide thin film to which the present invention can be particularly preferably applied, for example, Y-
Ba-Cu-O system, La-Ba-Cu-O system and La-Sr-Cu-O
-Based composite oxide thin films. Specifically, Y 1 Ba 2 Cu 3 O 7-x , Ho 1 Ba 2 Cu 3 O 7-x Lu 1 Ba 2 Cu 3 O 7-x , Sm 1 Ba 2 Cu 3 O 7-x , Nd 1 Ba 2 Cu 3 O 7-x , Gd 1 Ba 2 Cu 3 O 7-x , Eu 1 Ba 2 Cu 3 O 7-x , Er 1 Ba 2 Cu 3 O 7-x , Dy 1 Ba 2 Cu 3 O 7 -x , Tm 1 Ba 2 Cu 3 O 7-x Yb 1 Ba 2 Cu 3 O 7-x La 1 Ba 2 Cu 3 O 7-x [where x is a number satisfying 0 <x <1] There is a composite oxide superconducting thin film.

上記酸化物はペロブスカイト型酸化物または擬似ペロ
ブスカイト型酸化物であることが好ましい。擬似ペロブ
スカイトとはペロブスカイトに類似した構造をいい、例
えば酸素欠損ペロブスカイト型、オルソロンビック型等
を含むものである。
The oxide is preferably a perovskite oxide or a pseudo perovskite oxide. The pseudo perovskite has a structure similar to the perovskite, and includes, for example, an oxygen-deficient perovskite type, an orthorombic type, and the like.

本発明は、上記の系以外に、更に下記一般式: D4(E1-q,CaqmCuhOp+r 〔但し、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を満たす数であり、 nは、4≦n≦8を満たす数であり、 p、qおよびrは、それぞれ p=(6+2m+2n)/2 0<q<1 −2≦r≦2を満たす数を表す) で表される組成を主として含む複合酸化物超電導薄膜に
も適用することができる。
In addition to the above system, the present invention further provides the following general formula: D 4 (E 1-q , Ca q ) m Cu h O p + r [where D is Bi or Tl; M is a number satisfying 6 ≦ m ≦ 10, n is a number satisfying 4 ≦ n ≦ 8, p, q and r Can be applied to a composite oxide superconducting thin film mainly containing a composition represented by p = (6 + 2m + 2n) / 2 0 <q <1-2 ≦ r ≦ 2.

上記基板は一般にガラス、石英、Si、サファイア、ス
テンレス鋼およびセラミックスによって作られている。
特に、基板はMgO単結晶またはSrTiO3単結晶であるのが
好ましい。これらの単結晶基板の成膜面は{001}面ま
たは{110}面にすることができる。これにより、超電
導体を構成する結晶は揃ったc軸配向性を持つ結晶とな
り、特に臨界電流密度Jcが大きくなる。
The substrate is generally made of glass, quartz, Si, sapphire, stainless steel and ceramics.
In particular, the substrate is preferably a MgO single crystal or a SrTiO 3 single crystal. The deposition surface of these single crystal substrates can be a {001} plane or a {110} plane. Thereby, the crystal constituting the superconductor becomes a crystal having uniform c-axis orientation, and particularly the critical current density Jc is increased.

超電導薄膜薄膜は低圧蒸着法、スパッタリング法、イ
オンプレーティング法等の物理蒸着(PVD)法、反応蒸
着法法、光CVD法等の各種CVD法、更には、分子線エピタ
キシー法等形成する上記が使用できる。一般には、スパ
ッタリング法を用いる場合が多い。
The superconducting thin film is formed by various methods such as physical vapor deposition (PVD) such as low-pressure evaporation, sputtering, and ion plating, reactive evaporation, and photo-CVD, and furthermore, such as molecular beam epitaxy. Can be used. Generally, a sputtering method is often used.

物理蒸着法で用いられる蒸着源の各金属元素の原子比
はこれら金属元素の蒸着効率および基板上での吸着確率
に応じて調節される。以下は代表的な複合酸化物系の具
体的なαとβとの比である。
The atomic ratio of each metal element in the evaporation source used in the physical vapor deposition method is adjusted according to the evaporation efficiency of these metal elements and the probability of adsorption on the substrate. The following are specific ratios of α and β for typical composite oxide systems.

Y/(Y+Ba): 0.06〜0.94、 好ましくは0.1〜0.4 Ba/(La+Ba): 0.04〜0.96、 好ましくは0.08〜0.45 これらの蒸着源は、各金属元素の酸化物、炭酸塩、硝
酸塩または硫酸塩の混合粉末(必要に応じて、この混合
粉末にAl、Fe、Co、Ni、Zn、AgおよびTiによって構成さ
れる群から選択される少なくとも1種の元素の酸化物、
炭酸塩、硝酸塩または硝酸塩の粉末を添加することもで
きる)を焼結した焼結体またはその粉末にするのが好ま
しい。例えば、Y2O3、CuOおよびBaCuO2の混合粉末の焼
結体とすることができる。
Y / (Y + Ba): 0.06 to 0.94, preferably 0.1 to 0.4 Ba / (La + Ba): 0.04 to 0.96, preferably 0.08 to 0.45 These deposition sources are oxides, carbonates, nitrates or sulfates of each metal element. Mixed powder (if necessary, mixed oxide of at least one element selected from the group consisting of Al, Fe, Co, Ni, Zn, Ag and Ti,
(A powder of carbonate, nitrate or nitrate can also be added). For example, a sintered body of a mixed powder of Y 2 O 3 , CuO and BaCuO 2 can be used.

上記の系の場合の焼結温度としては以下範囲を挙げる
ことできる。
The sintering temperature in the case of the above system can be in the following range.

Y+Ba 系 220〜 1230℃ La+Ba 系 234〜 1260℃ 蒸着源を複数に分け、例えば、Cuのみの蒸着源と(Ba
+Y)複合酸化物よりなる蒸着源との2つ、あるいは、
Y、BaおよびCuの単体の3つに分けるに分けることもで
きる。
Y + Ba series 220 ~ 1230 ℃ La + Ba series 234 ~ 1260 ℃ The evaporation source is divided into multiple parts.
+ Y) two with a deposition source comprising a composite oxide, or
Y, Ba, and Cu can be divided into three simple substances.

酸化物超電導薄膜の超電導特性を向上させるために、
成膜後、酸素含有雰囲気で熱処理を行うことが好まし
い。この熱処理は、酸素分圧0.1〜150気圧で300〜1500
℃に加熱し、その温度を1時間以上維持したのち100℃
/分以下、好ましくは10℃/分以下の冷却速度で徐冷す
る過程を経るのが好ましい。いずれの条件もこの範囲を
外れると熱処理の効果は現れず、特に温度が1500℃を超
えた場合は酸化物超電導体に与える悪影響の方が大き
く、このような高温で処理された酸化物超電導体は、超
電導性を失う場合がある。
In order to improve the superconducting properties of the oxide superconducting thin film,
After film formation, heat treatment is preferably performed in an oxygen-containing atmosphere. This heat treatment is performed at an oxygen partial pressure of 0.1 to 150 atm for 300 to 1500
Heat to 100 ° C and maintain the temperature for at least 1 hour, then 100 ° C
It is preferable to go through a process of gradually cooling at a cooling rate of not more than 10 ° C./min, preferably not more than 10 ° C./min. In any case, if the temperature is outside this range, the effect of heat treatment will not be exhibited, especially if the temperature exceeds 1500 ° C, the adverse effect on the oxide superconductor will be greater, and the oxide superconductor treated at such high temperature May lose superconductivity.

以下、本発明を実施例により説明するが、本発明の技
術的範囲はこれらの実施例に何等制限されるものではな
いことは勿論である。尚、以下の実施例の超電導薄膜
は、いずれもマグネトロンスパッタリング装置を用いて
作製した。また、比較のために、それぞれの実施例につ
いて他の条件を同一にして、高分子化合物層を設けた試
料と、これの無い試料とを作製した。
Hereinafter, the present invention will be described with reference to examples, but it is needless to say that the technical scope of the present invention is not limited to these examples. The superconducting thin films of the following examples were all manufactured using a magnetron sputtering apparatus. For comparison, a sample provided with a polymer compound layer and a sample without the same were prepared under the same other conditions for each example.

実施例1 チャンバ内に基板、原料ターゲットを取りつけた後、
チャンバ内を真空に排気し、5.0×10-2TorrのArガスと
1.0×10-2TorrのO2ガスを導入した。基板温度を670℃に
し、蒸着をした。マグネトロン電極には、3W/cm2の高周
波電力をかけた。酸化物超電導薄膜原料ターゲットとし
て、Y、Baのモル比が1:2となるようにY2O3とBaCO3とを
混合し、更に、Y、Ba、Cuのモル比が1:2:3となる量よ
りもCuOを10重量%過剰に混合したものを950℃で焼結し
て得たYBa2Cu3O7焼結体ブロック(300mmφ)を用いた。
基板にはMgO単結晶を用い、{001}面を成膜面とした。
成膜速度は、約0.50Å/秒で膜厚が1μmになるまで成
膜し、成膜後、酸素分圧1気圧の雰囲気下で基板温度を
650℃に保ち15時間保持した後、7度/分で冷却した。
Example 1 After mounting a substrate and a raw material target in a chamber,
The chamber is evacuated to a vacuum, and 5.0 × 10 -2 Torr Ar gas is exhausted.
1.0 × 10 -2 Torr O 2 gas was introduced. The temperature of the substrate was set to 670 ° C., and vapor deposition was performed. A high frequency power of 3 W / cm 2 was applied to the magnetron electrode. As the oxide superconducting thin film material target, Y, the molar ratio of Ba is 1: at 2 by mixing a Y 2 O 3 and BaCO 3, further, Y, Ba, a molar ratio of Cu 1: 2: 3 A YBa 2 Cu 3 O 7 sintered block (300 mmφ) obtained by sintering at 950 ° C. a mixture obtained by mixing CuO in an excess of 10% by weight as compared with the amount described below was used.
An MgO single crystal was used for the substrate, and the {001} plane was used as a film forming surface.
The film is formed at a film forming rate of about 0.50Å / sec until the film thickness becomes 1 μm.
After maintaining the temperature at 650 ° C. for 15 hours, it was cooled at 7 ° C./min.

次に、この熱処理後、厚さ5μmのポリイミド樹脂
(デュポン社製造)層をスピンコートにより薄膜表面に
形成した。尚、コーティング後の硬化温度は300℃×30
分とした。即ち、得られた超電導薄膜は、その表面にポ
リイミド樹脂被覆を備えたものとなっている。また、前
述のように、ポリイミド樹脂被覆層を形成せずに、超電
導薄膜のみとした比較試料も作製した。
Next, after this heat treatment, a polyimide resin layer (manufactured by DuPont) having a thickness of 5 μm was formed on the surface of the thin film by spin coating. The curing temperature after coating is 300 ℃ × 30
Minutes. That is, the obtained superconducting thin film has a polyimide resin coating on its surface. Further, as described above, a comparative sample using only the superconducting thin film without forming the polyimide resin coating layer was also prepared.

得られた試料の抵抗を測定するためサンプルを作製し
た。抵抗測定を行うサンプルは、基板上に形成された薄
膜の両端部分に、更に真空蒸着で一対のAl電極を形成
し、このAl電極にリード線をハンダ付けした。
A sample was prepared for measuring the resistance of the obtained sample. In the sample for performing the resistance measurement, a pair of Al electrodes was further formed on both ends of the thin film formed on the substrate by vacuum evaporation, and a lead wire was soldered to the Al electrode.

臨界温度Tc並びにTcfの測定は、クライオスタット中
で液体ヘリウムに浸して一旦8Kまで冷却し、試料が超電
導を示すことを確認した後ヒータによって徐々に昇温
し、試料が超電導を失い始め、電気抵抗を示し始める温
度(Tcf)と、試料の超電導が消失して常態と同じ電気
抵抗を示す温度(Tc)とを測定した。なお、Tc、Tcfの
測定は、超電導薄膜作製直後と1ヶ月後の2回行い特性
の経時変化を評価した。
The critical temperatures Tc and Tcf were measured by immersing the sample in liquid helium in a cryostat, cooling it to 8K, and then confirming that the sample showed superconductivity. And the temperature (Tc) at which the superconductivity of the sample disappears and exhibits the same electrical resistance as in the normal state was measured. The measurement of Tc and Tcf was performed twice, immediately after the production of the superconducting thin film and one month later, to evaluate changes over time in characteristics.

主な成膜条件とTc、Tcfを併せて、第1表に示す。 Table 1 shows the main film forming conditions and Tc and Tcf.

実施例2 原料ターゲットとして、La2O3、BaCO3をLa、Baのモル
比1:2で混合し、CuOをLa、Ba、Cuのモル比が1:2:3とな
る量よりも10重量%過剰に混合し、970℃焼結して得たL
aBa2Cu3O7焼結体ブロックを用い、基板にはMgO単結晶の
{001}面を成膜面として用いた。
Example 2 As a raw material target, La 2 O 3 and BaCO 3 were mixed at a molar ratio of La and Ba of 1: 2, and CuO was mixed with a molar ratio of La, Ba and Cu of 1: 2: 3 by more than 10%. L obtained by mixing in excess by weight% and sintering at 970 ° C
An aBa 2 Cu 3 O 7 sintered block was used, and a {001} plane of MgO single crystal was used as a film formation surface for a substrate.

成膜の手順およびTc、Tcfの測定方法は、実施例1と
同様に行った。主な成膜条件とTc、Tcfを併せて第1表
に示す。
The procedure of film formation and the method of measuring Tc and Tcf were the same as in Example 1. Table 1 shows the main film forming conditions and Tc and Tcf.

実施例3 実施例1と同様な原料を用い、同様な条件で作製した
酸化物超電導薄膜に、約1mmのエポキシ樹脂(信越化学
社製造)による被覆を実施例1と同様な方法で実施し
た。
Example 3 An oxide superconducting thin film produced using the same raw materials as in Example 1 under the same conditions was coated with an epoxy resin (manufactured by Shin-Etsu Chemical Co., Ltd.) of about 1 mm in the same manner as in Example 1.

成膜の手順およびTc、Tcfの測定方法は、実施例1と
同様に行った。主な成膜条件とTc、Tcfを併せて第2表
に示す。
The procedure of film formation and the method of measuring Tc and Tcf were the same as in Example 1. Table 2 shows the main film forming conditions and Tc and Tcf.

実施例4 実施例2と同様な原料を用い、同様な条件で作製した
酸化物超電導薄膜に、実施例4と同じエポキシ樹脂によ
る被覆をやはり実施例1と同様な方法で実施した。
Example 4 An oxide superconducting thin film produced using the same raw materials as in Example 2 and under the same conditions was coated with the same epoxy resin as in Example 4 in the same manner as in Example 1.

成膜の手順およびTc、Tcfの測定方法は、実施例1と
同様に行った。主な成膜条件とTc、Tcfを併せて第2表
に示す。
The procedure of film formation and the method of measuring Tc and Tcf were the same as in Example 1. Table 2 shows the main film forming conditions and Tc and Tcf.

本発明の方法に従って作製したいずれの超電導薄膜も
そのTc、Tcfは1ヶ月たった後も作製直後と事実上同じ
であったが、コーティングを施さなかった超電導薄膜の
Tc、Tcfは1ヶ月後には大幅に低下した。
Although the Tc and Tcf of each superconducting thin film prepared according to the method of the present invention were substantially the same as those immediately after preparation even after one month, the superconducting thin film without coating was obtained.
Tc and Tcf dropped significantly after one month.

これらの実施例の結果、本発明の高分子化合物コーテ
ィングを施した超電導薄膜は、結晶中の酸素欠陥を適正
に制御するとともにその状態を長期に亘って保ち、優れ
た特性を安定に持つことが証明された。
As a result of these examples, the superconducting thin film coated with the polymer compound of the present invention can appropriately control oxygen defects in the crystal, maintain the state for a long time, and have excellent characteristics stably. Proven.

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
よりもはるかに安定した超電導特性を有する酸化物超電
導薄膜が提供される。
Effect of the Invention As described above, the present invention provides an oxide superconducting thin film having superconducting properties much more stable than conventional superconductors.

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(Anacke
r)のメモリー素子、更には超電導量子干渉計(SQUID)
などに利用すると効果的である。
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 or an Anker (Anacke).
r) memory element, and superconducting quantum interferometer (SQUID)
It is effective when used for such purposes.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 矢津 修示 兵庫県伊丹市昆陽北1丁目1番1号 住 友電気工業株式会社伊丹製作所内 (72)発明者 上代 哲司 兵庫県伊丹市昆陽北1丁目1番1号 住 友電気工業株式会社伊丹製作所内 (56)参考文献 特開 昭63−303813(JP,A) 特開 昭64−7414(JP,A) 特開 平1−282175(JP,A) 特開 平1−305880(JP,A) Appl.Phys.Lett.51 (7),17Aug.1987,P.532−534 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (72) Inventor Shuji Yazu 1-1-1, Koyokita, Itami City, Hyogo Prefecture, Japan Itami Works, Sumitomo Electric Industries, Ltd. No. 1-1, Itami Works, Sumitomo Electric Industries, Ltd. (56) References JP-A-63-303813 (JP, A) JP-A-64-7414 (JP, A) JP-A-1-282175 (JP, A) JP-A-1-305880 (JP, A) Appl. Phys. Lett. 51 (7), 17 Aug. 1987, p. 532-534

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】基板上に薄膜として形成された複合酸化物
系超電導材料と、該複合酸化物系超電導材料薄膜の表面
を被覆するポリイミド樹脂またはジアリルフタレート樹
脂により形成された酸素を透過させない高分子化合物層
とを具備することを特徴とする複合酸化物系超電導薄
膜。
1. A composite oxide superconducting material formed as a thin film on a substrate, and a polymer impermeable to oxygen formed by a polyimide resin or diallyl phthalate resin coating the surface of the composite oxide superconducting material thin film A composite oxide-based superconducting thin film comprising a compound layer.
【請求項2】下記一般式; (α1-xβ)CuyOz [但し、αは周期律表II a族から選択された元素であ
り、 βは周期律表III a族から選択された元素であり、 xはα+βに対するβの原子比で0.1≦x≦0.9の範囲の
数であり、 yおよびzは(α1-xβ)を1とした場合にそれぞれ
0.4≦y≦3.0、1≦z≦5を満たす原子比である。] で表される成分を主として含み、基板上に薄膜として形
成された複合酸化物系超電導材料と、該複合酸化物系超
電導材料薄膜の表面を被覆するアルキド樹脂により形成
された酸素を透過させない高分子化合物層とを具備する
ことを特徴とする複合酸化物系超電導薄膜。
2. The following general formula: (α 1 -x β x ) Cu y O z wherein α is an element selected from Group IIa of the periodic table and β is selected from Group IIIa of the periodic table X is an atomic ratio of β to α + β in the range of 0.1 ≦ x ≦ 0.9, and y and z are each obtained when (α 1−x β x ) is set to 1.
The atomic ratio satisfies 0.4 ≦ y ≦ 3.0 and 1 ≦ z ≦ 5. And a composite oxide superconducting material formed mainly as a thin film on a substrate, and a high oxygen impregnated with an alkyd resin formed on the surface of the composite oxide superconducting material thin film. A composite oxide-based superconducting thin film comprising a molecular compound layer.
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