JP2844206B2 - 酸化物超伝導素子および酸化物超伝導体薄膜の製造方法 - Google Patents
酸化物超伝導素子および酸化物超伝導体薄膜の製造方法Info
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- JP2844206B2 JP2844206B2 JP1033135A JP3313589A JP2844206B2 JP 2844206 B2 JP2844206 B2 JP 2844206B2 JP 1033135 A JP1033135 A JP 1033135A JP 3313589 A JP3313589 A JP 3313589A JP 2844206 B2 JP2844206 B2 JP 2844206B2
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- oxide superconductor
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- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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- Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
- Containers, Films, And Cooling For Superconductive Devices (AREA)
- Superconductors And Manufacturing Methods Therefor (AREA)
- Oxygen, Ozone, And Oxides In General (AREA)
- Inorganic Compounds Of Heavy Metals (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発滅はSQUID、ジョセフソン素子、超伝導トランジ
スタ、電磁波センサー、素子配線、電極等用いる酸化物
の超伝導素子および酸化物超伝導体薄膜の製造方法に関
する。
スタ、電磁波センサー、素子配線、電極等用いる酸化物
の超伝導素子および酸化物超伝導体薄膜の製造方法に関
する。
（従来の技術） 現在話題の酸化物超伝導物質は結晶構造に起因して異
方正が強い例えば臨界電流密度を見るとＣ軸方向はａ、
ｂ軸方向の1/5〜1/7となっている。故に高臨界電流密度
を要求する薄膜デバイスに酸化物超伝導物質を応用する
にはエピタキシャル成長をさせることが必要不可欠とい
える。エピタキシャル成長をさせるには基板との格子定
数をマッチングさせる必要があり一般的には応用物理
第57巻 第２号８（1988）p227−231や公開特許公報昭6
3−270395に述べられているように基板にSrTiO3を初め
としたペロアブスカイト型酸化物の単結晶が用いられて
いた。
方正が強い例えば臨界電流密度を見るとＣ軸方向はａ、
ｂ軸方向の1/5〜1/7となっている。故に高臨界電流密度
を要求する薄膜デバイスに酸化物超伝導物質を応用する
にはエピタキシャル成長をさせることが必要不可欠とい
える。エピタキシャル成長をさせるには基板との格子定
数をマッチングさせる必要があり一般的には応用物理
第57巻 第２号８（1988）p227−231や公開特許公報昭6
3−270395に述べられているように基板にSrTiO3を初め
としたペロアブスカイト型酸化物の単結晶が用いられて
いた。
（発明が解決しようとする課題） しかしながら従来の酸化物超伝導薄膜の形成に用いる
ペロブスカイト型酸化物の単結晶基板はベルヌーイ法で
作製されており、結晶の直径が約2cmφ前後以下のもの
に限られていた。そのため大口径化は不可能であり、用
途が限定される（小型素子しか応用できない）、量産性
が悪い、基板のコストが高い（例えばSrTiO3の2cmφ単
結晶基板は約２万円／枚である）等の問題を有してい
た。
ペロブスカイト型酸化物の単結晶基板はベルヌーイ法で
作製されており、結晶の直径が約2cmφ前後以下のもの
に限られていた。そのため大口径化は不可能であり、用
途が限定される（小型素子しか応用できない）、量産性
が悪い、基板のコストが高い（例えばSrTiO3の2cmφ単
結晶基板は約２万円／枚である）等の問題を有してい
た。
また大口径化の可能な単結晶シリコンウエハーを用い
直接酸化物超伝導薄膜を付ける場合は（１）格子定数に
大きな差がありエピタキシャル成長性が悪い（２）シリ
コンウエハーと反応し、膜厚が200nm以下では低臨界温
度相になり易くさらには半導体相になってしまう。
直接酸化物超伝導薄膜を付ける場合は（１）格子定数に
大きな差がありエピタキシャル成長性が悪い（２）シリ
コンウエハーと反応し、膜厚が200nm以下では低臨界温
度相になり易くさらには半導体相になってしまう。
本発明はこの様な問題を解決するものであり、その目
的とするところは大口径、高臨界電流密度で用途の限定
が無く量産性に優れた酸化物超伝導薄膜を低コストで得
んとするものである。
的とするところは大口径、高臨界電流密度で用途の限定
が無く量産性に優れた酸化物超伝導薄膜を低コストで得
んとするものである。
（課題を解決するための手段） 本発明は、以下の１、２を特徴とする。
1. 単結晶シリコンウエハー基板と、前記単結晶シリコ
ンウエハー基板上に形成されてなり、組成をAxAlyO
z（ここで、Ａは希土類元素を示す）と表したとき0.9≦
ｘ≦1.1,0.85≦ｙ≦1.15である酸化物層と、前記酸化物
層上に形成されてなるLnBaCuO系酸化物超伝導薄膜（こ
こで、LnはＹを含み４価元素を除く希土類元素を示す）
と、を有することを特徴とする。
ンウエハー基板上に形成されてなり、組成をAxAlyO
z（ここで、Ａは希土類元素を示す）と表したとき0.9≦
ｘ≦1.1,0.85≦ｙ≦1.15である酸化物層と、前記酸化物
層上に形成されてなるLnBaCuO系酸化物超伝導薄膜（こ
こで、LnはＹを含み４価元素を除く希土類元素を示す）
と、を有することを特徴とする。
2. 単結晶シリコンウエハー基板上に、組成をAxAlyOz
（ここで、Ａは希土類元素を示す）と表したとき0.9≦
ｘ≦1.1,0.85≦ｙ≦1.15である酸化物層を形成し、前記
酸化物層上にLnBaCuO系酸化物超伝導薄膜（ここで、Ln
はＹを含み４価元素を除く希土類元素を示す）を形成す
ることを特徴とする。
（ここで、Ａは希土類元素を示す）と表したとき0.9≦
ｘ≦1.1,0.85≦ｙ≦1.15である酸化物層を形成し、前記
酸化物層上にLnBaCuO系酸化物超伝導薄膜（ここで、Ln
はＹを含み４価元素を除く希土類元素を示す）を形成す
ることを特徴とする。
ｘ、ｙの値が上記組成範囲を外れると酸化物相は安定
した結晶構造をとらなくなる。それは酸化物超伝導薄膜
のエピタキシャル成長を阻害する原因となる。また値は
共に１に近いほど好ましい。ｚは薄膜では測定が困難な
ため確認できていないがバルクでは最適組成において３
となっている。
した結晶構造をとらなくなる。それは酸化物超伝導薄膜
のエピタキシャル成長を阻害する原因となる。また値は
共に１に近いほど好ましい。ｚは薄膜では測定が困難な
ため確認できていないがバルクでは最適組成において３
となっている。
（実施例） 以下実施例に従い本発明を説明する。
先ず最初に100配向の単結晶シリコンウエハー基板上
に第１表に示した組成の酸化物膜をRFマグネトロンスパ
ッタ法により形成する。
に第１表に示した組成の酸化物膜をRFマグネトロンスパ
ッタ法により形成する。
使用ターゲットは第１表の組成に近い組成（最終的に
第１表になるよう補正したもの）の酸化物焼結ターゲッ
トである。成膜条件は基板温度600℃〜800℃、真空度４
〜６＊10-3Torr、使用ガスO2:Ar比3:1、Power density
3.1（W/cm2）、成膜速度は８〜13nm/minである。また膜
厚は500〜600nmである。次にこの酸化物膜の結晶構造を
安定化させるため800℃酸素雰囲気中で３時間アニール
処理を行う。得られた酸化物膜はＸ線回折とRHEEDによ
り分析したところエピタキシャル成長した膜であった。
また格子定数は3.80〜3.84でありLn−Ba−Cu−Ｏ（Lnは
４価元素を除く希土類元素）系酸化物超伝導物質に近い
ものであった。
第１表になるよう補正したもの）の酸化物焼結ターゲッ
トである。成膜条件は基板温度600℃〜800℃、真空度４
〜６＊10-3Torr、使用ガスO2:Ar比3:1、Power density
3.1（W/cm2）、成膜速度は８〜13nm/minである。また膜
厚は500〜600nmである。次にこの酸化物膜の結晶構造を
安定化させるため800℃酸素雰囲気中で３時間アニール
処理を行う。得られた酸化物膜はＸ線回折とRHEEDによ
り分析したところエピタキシャル成長した膜であった。
また格子定数は3.80〜3.84でありLn−Ba−Cu−Ｏ（Lnは
４価元素を除く希土類元素）系酸化物超伝導物質に近い
ものであった。
次に反応蒸着法により前記酸化物膜上にNd−Ba−Cu−
Ｏ超伝導薄膜を150nm形成した。成膜条件は蒸発源にN
d、Ba、Cuの金属を用い、真空度３〜６＊10−5Torr、基
板温度650℃、成膜速度20〜35nm/minであり、酸素の供
給はマイクロ波で活性化した酸素プラズマを基板部に成
膜中に照射して行った。
Ｏ超伝導薄膜を150nm形成した。成膜条件は蒸発源にN
d、Ba、Cuの金属を用い、真空度３〜６＊10−5Torr、基
板温度650℃、成膜速度20〜35nm/minであり、酸素の供
給はマイクロ波で活性化した酸素プラズマを基板部に成
膜中に照射して行った。
次に500℃酸素雰囲気中において15時間アニール処理
を行い不足している酸素を補給すると共に（酸素不足は
低臨界温度相の発生を招く）結晶構造を安定化させ酸化
物超伝導薄膜を得る。酸化物超伝導薄膜をＸ線回折、RH
EEDにより分析したところエピタキシャル成長した膜で
あった。
を行い不足している酸素を補給すると共に（酸素不足は
低臨界温度相の発生を招く）結晶構造を安定化させ酸化
物超伝導薄膜を得る。酸化物超伝導薄膜をＸ線回折、RH
EEDにより分析したところエピタキシャル成長した膜で
あった。
実施例−２ 実施例−１と同様な条件で単結晶シリコンウエハー基
板上にLa−Al−Ｏ酸化物、Nd−Al−Ｏ酸化物相の順にそ
れぞれ150nm、500nm形成する。次にNd−Ba−Cu−Ｏ薄膜
を100nm形成し酸化物超伝導薄膜を得た。
板上にLa−Al−Ｏ酸化物、Nd−Al−Ｏ酸化物相の順にそ
れぞれ150nm、500nm形成する。次にNd−Ba−Cu−Ｏ薄膜
を100nm形成し酸化物超伝導薄膜を得た。
次に得られた酸化物超伝導薄膜の臨界温度と臨界電流
密度を４端子法により測定した。測定雰囲気は77Kに冷
却（ダイキン工業製極低温冷凍機UV204SR使用）きたヘ
リウムガス中である。
密度を４端子法により測定した。測定雰囲気は77Kに冷
却（ダイキン工業製極低温冷凍機UV204SR使用）きたヘ
リウムガス中である。
結果を第２表（実施例−１）と第３表（実施例−２）
に比較と共に示した。比較例は単結晶シリコンウエハア
ー基板上に直接Nd−Ba−Cu−Ｏ薄膜を形成した場合
（Ｇ、Ｈ、Ｉはそれぞれ膜厚100nm、200nm、700nm）と
基板にSrTiO3単結晶を用いた場合である。
に比較と共に示した。比較例は単結晶シリコンウエハア
ー基板上に直接Nd−Ba−Cu−Ｏ薄膜を形成した場合
（Ｇ、Ｈ、Ｉはそれぞれ膜厚100nm、200nm、700nm）と
基板にSrTiO3単結晶を用いた場合である。
表より判るように本発明による酸化物超伝導薄膜は大
口径化の可能なシリコンウエハーを基板として用いても
エピタキシャル成長させることが出来、高い臨界電流密
度が得られるようになった。比較例Ｇ（100nm）、Ｈ（2
00nm）超伝導特性が悪いのはシリコンウエハーと酸化物
超伝導物質が反応して酸化物超伝導の結晶構造を壊して
いるためである。本発明ではこの反応を抑制出来るため
100nmと薄く形成しても良い超伝 導特性を得ることが出来る。また酸化物層元素に酸化物
超伝導物質と同じ希土類元素を用いているため界面でミ
キシングがあっても影響が少ないことも良い一因となっ
ているものと考えられる。比較例１（膜厚700nm）の臨
界温度は89Kと良い値であるが臨界電流密度は低い、こ
れは酸化物超伝導薄膜がエピタキシャル成長していない
ためである。また実施例の中でＢとＥが他に比べ臨界電
流密度が高いのは酸化物層が最適組成に近いことにより
最適結晶構造をとり酸化物超伝導膜のエピタキシャル成
長に良い影響を与えているためである。すなわち酸化物
の組成はAxAlyOz（ここでＡは希土類元素を示す）と表
したとき0.9≦ｘ≦1.1、0.85≦ｙ≦1.15の範囲内である
必要があり、外れると臨界電流密度は急激に低下する。
口径化の可能なシリコンウエハーを基板として用いても
エピタキシャル成長させることが出来、高い臨界電流密
度が得られるようになった。比較例Ｇ（100nm）、Ｈ（2
00nm）超伝導特性が悪いのはシリコンウエハーと酸化物
超伝導物質が反応して酸化物超伝導の結晶構造を壊して
いるためである。本発明ではこの反応を抑制出来るため
100nmと薄く形成しても良い超伝 導特性を得ることが出来る。また酸化物層元素に酸化物
超伝導物質と同じ希土類元素を用いているため界面でミ
キシングがあっても影響が少ないことも良い一因となっ
ているものと考えられる。比較例１（膜厚700nm）の臨
界温度は89Kと良い値であるが臨界電流密度は低い、こ
れは酸化物超伝導薄膜がエピタキシャル成長していない
ためである。また実施例の中でＢとＥが他に比べ臨界電
流密度が高いのは酸化物層が最適組成に近いことにより
最適結晶構造をとり酸化物超伝導膜のエピタキシャル成
長に良い影響を与えているためである。すなわち酸化物
の組成はAxAlyOz（ここでＡは希土類元素を示す）と表
したとき0.9≦ｘ≦1.1、0.85≦ｙ≦1.15の範囲内である
必要があり、外れると臨界電流密度は急激に低下する。
第３表は格子定数の異なる酸化物層を２層形成したも
のであるが本発明の中では全も臨界臨界電流密度が高
い。
のであるが本発明の中では全も臨界臨界電流密度が高
い。
これら実施例の値はSrTiO3単結晶基板を用いた値（比
較例N:NTTデータ）に近いものであり十分薄膜超伝導デ
バイス等に応用できる値である。
較例N:NTTデータ）に近いものであり十分薄膜超伝導デ
バイス等に応用できる値である。
第４表に単結晶シリコンウエハー基板と従来よく用い
られていたSrTiO3単結晶基板の１枚の値段を示した。単
結晶シリコンウエハー基板は４インチ（約10cmφ）とSr
TiO3単結晶基板の約５倍と大口径であるにも関わらず値
段は約1/10であり単結晶シリコンウエハー基板の採用に
より大幅な低コスト化が可能となる。
られていたSrTiO3単結晶基板の１枚の値段を示した。単
結晶シリコンウエハー基板は４インチ（約10cmφ）とSr
TiO3単結晶基板の約５倍と大口径であるにも関わらず値
段は約1/10であり単結晶シリコンウエハー基板の採用に
より大幅な低コスト化が可能となる。
（発明の効果） 請求項１に係る本発明によれば、酸化物層が希土類元
素を含有し、酸化物層上の酸化物超伝導薄膜も希土類元
素を含有するので、酸化物層と酸化物超伝導薄膜の界面
で組成分のミキシングがあってもその影響は小さい。そ
の結果、酸化物超伝導薄膜の結晶性は良好であり、高い
臨界電流密度および高い臨界温度を有する。また、基板
として、容易に得ることができる単結晶シリコンウエハ
ー基板を構成として有するので、低コストで量産性に優
れるという顕著な効果を有する。
素を含有し、酸化物層上の酸化物超伝導薄膜も希土類元
素を含有するので、酸化物層と酸化物超伝導薄膜の界面
で組成分のミキシングがあってもその影響は小さい。そ
の結果、酸化物超伝導薄膜の結晶性は良好であり、高い
臨界電流密度および高い臨界温度を有する。また、基板
として、容易に得ることができる単結晶シリコンウエハ
ー基板を構成として有するので、低コストで量産性に優
れるという顕著な効果を有する。
また、請求項２に係る発明によれば、希土類元素を有
する酸化物層の上に希土類元素を含む酸化物超伝導薄膜
を形成するので、酸化物層と酸化物超伝導薄膜の界面で
の組成物のミキシングがあってもその影響を低く抑える
ことが出来る。その結果、非常に結晶正の良い酸化物超
伝導薄膜を形成すること可能となるという顕著な結果を
奏する。
する酸化物層の上に希土類元素を含む酸化物超伝導薄膜
を形成するので、酸化物層と酸化物超伝導薄膜の界面で
の組成物のミキシングがあってもその影響を低く抑える
ことが出来る。その結果、非常に結晶正の良い酸化物超
伝導薄膜を形成すること可能となるという顕著な結果を
奏する。
Claims (2)
- 【請求項１】単結晶シリコンウエハー基板と、 前記単結晶シリコンウエハー基板上に形成されてなり、
組成をAxAlyOz（ここで、Ａは希土類元素を示す）と表
したとき0.9≦ｘ≦1.1,0.85≦ｙ≦1.15である酸化物層
と、 前記酸化物層上に形成されてなるLnBaCuO系酸化物超伝
導薄膜（ここで、LnはＹを含み４価元素を除く希土類元
素を示す）と、 を有することを特徴とする酸化物超伝導素子。 - 【請求項２】単結晶シリコンウエハー基板上に、組成を
AxAlyOz（ここで、Ａは希土類元素を示す）と表したと
き0.9≦ｘ≦1.1,0.85≦ｙ≦1.15である酸化物層を形成
し、前記酸化物層上にLnBaCuO系酸化物超伝導薄膜（こ
こで、LnはＹを含み４価元素を除く希土類元素を示す）
を形成することを特徴とする酸化物超伝導薄膜の製造方
法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1033135A JP2844206B2 (ja) | 1989-02-13 | 1989-02-13 | 酸化物超伝導素子および酸化物超伝導体薄膜の製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1033135A JP2844206B2 (ja) | 1989-02-13 | 1989-02-13 | 酸化物超伝導素子および酸化物超伝導体薄膜の製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH02212303A JPH02212303A (ja) | 1990-08-23 |
| JP2844206B2 true JP2844206B2 (ja) | 1999-01-06 |
Family
ID=12378156
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP1033135A Expired - Lifetime JP2844206B2 (ja) | 1989-02-13 | 1989-02-13 | 酸化物超伝導素子および酸化物超伝導体薄膜の製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2844206B2 (ja) |
-
1989
- 1989-02-13 JP JP1033135A patent/JP2844206B2/ja not_active Expired - Lifetime
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ Ｖｏｌ．５３，１４ Ｎｏｖ，Ｎｏ．２０ |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH02212303A (ja) | 1990-08-23 |
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Legal Events
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