JP2660280B2

JP2660280B2 - 超電導体

Info

Publication number: JP2660280B2
Application number: JP62041750A
Authority: JP
Inventors: 舜平山崎
Original assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Current assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Priority date: 1987-02-24
Filing date: 1987-02-24
Publication date: 1997-10-08
Anticipated expiration: 2012-10-08
Also published as: JPS63207007A

Description

【発明の詳細な説明】「発明の利用分野」本発明はセラミック系超電導材料を用いたもので、基
体上に薄膜化した材料に対し帯状（または線状）にレー
ザ光を用いパターンニング（実質的に基体上に帯巻また
は線巻）を施すものである。そしてこのセラミック系超
電導材料を用いて超電導マグネット用強磁場を発生させ
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
ににTc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。いわんや線材料とし
て作ることはまったく不可能である。特にこれを円板状
または円筒状の基体の表面にマグネット用のコイルを構
成すべく巻くことはまったく不可能であった。そしてこ
のコイルに大電流（大きい電流密度）を流して結果とし
て強磁場を発生させ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」本発明はかかるコイル状とし、ここに大電流を流すこ
とを可能としたセラミック超電導材料に関する。本発明は予め所望の形状を有する基体、例えば円筒状
または円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をスパッタ法により形成する。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。このレーザアニ
ール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(La_1-XBax)₂C
uO₄(BLCO)，(La_1-XSrx)₂(SLCO)、一般的に表現するなら
ば(La_1-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）またはエキシマレーザ（KrF,KrCl等）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
み一度溶融し、再結晶化させることによりこの部分を超
電導材料とし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。他方、これを光学系
でしぼることにより線または帯状（巾５〜100μｍ）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
ラミック膜に帯状に照射することが可能である。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てその部分のみ
超電導材料と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無
限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
ことが可能となる。即ち多層巻が可能となる。「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
してまず線状とする。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「０」の状態を生ぜしめ得る。そ
の際、その周辺の膜材料は製造工程の簡略化のため、そ
のまま残存させる。するとこの残存領域はTcを有さない
ため、またはTcが十分結晶化領域に比べて小さいため、
絶縁材料とみなすことができる。即ち抵抗０の領域の周
辺部には絶縁物を充填させている。かくして曲げ性、延
性、展性のほとんどないセラミックを用いても超電導マ
グネットを構成させることを可能とせしめる。「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、ガラスを用いた。金属を用いてもよい。
この基体をこの実施例では板状を有する基体上にBLCOを
スパッタ法により0.5〜20μｍ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(La
_1-XBax)₂CuO₄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、YAGレーザの光（波長1.06μ）（３）を
照射する。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つの円形スポットに次の円形スポ
ットの60〜80％が重なるようにした。即ちレーザ光の走
査速度は2m/分とし、周波数8KHz、スポット径50μｍ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
に溶融し、レーザ光がまったく照射されなくなった後再
結晶化がなされる。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20
0〜800℃、例えば600℃の温度にハロゲンランプにより
加熱した雰囲気でレーザアニールを行った。するとレー
ザ光により照射される部分は1300℃またはそれ以上の温
度に瞬間的になるためそこより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29°Ｋを得た。かくしてこのレーザ光を照射して実質的に帯または線
状にTcを有する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。次にこれら膜の形成された基体にYAGレーザ（３）を
照射しつつこのレーザ光を（11）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を有さない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
とこのレーザ光が照射され、かつ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、
一方の端部（６）より超電導の線状の領域（４）は円を
描きつつ中央部の他の端部（７）と連結すべくレーザ光
（３）により選択的に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ることが可能であ
る。このレーザアニールを加えた領域のTcは27°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
をして金属とまったく同様の超電導マグネットを作るこ
とが可能となった。さらにこの際、非放電領域はアイソレイション領域と
して用い、このパターニングに対しフォトリソグラフィ
ー技術をまったく用いていないことはきわめて多量生産
に優れたものと推定される。本発明の超電導材料は延性、展性、曲げ性を有さない
材料特に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 (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) ＪａｐａｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌｏｆＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓ 26［２］（1987−２）Ｐ．Ｌ123 〜Ｌ124

Claims

(57)【特許請求の範囲】１．基体上に設けられたセラミック材料中に結晶化率を
高めた領域が設けられており、前記領域は超電導性を有し、前記領域の周辺部は結晶化率が高められておらず半導体
性または絶縁性であることを特徴とする超電導体。２．特許請求の範囲第１項において、結晶化率を高めた
領域は５〜100μｍの巾の帯状を有するとともに、この
帯状を有する領域の側周辺には同一主成分材料の非超電
導状態を有する材料が残存されたことを特徴とする超電
導体。３．特許請求の範囲第１項において、セラミック材料は
(La_1-XSrx)₂CuO₄又は(La_1-XBax)₂CuO₄の構造を有するこ
とを特徴とする超電導体。４．特許請求の範囲第２項において、基体は円筒状を有
し、帯状を有する領域はコイル状に複数回巻いて設けら
れたことを特徴とする超電導体。