JP2868526B2 - 酸化物高温超伝導体の薄い層の製造方法及び製造装置 - Google Patents

酸化物高温超伝導体の薄い層の製造方法及び製造装置

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JP2868526B2 JP1037359A JP3735989A JP2868526B2 JP 2868526 B2 JP2868526 B2 JP 2868526B2 JP 1037359 A JP1037359 A JP 1037359A JP 3735989 A JP3735989 A JP 3735989A JP 2868526 B2 JP2868526 B2 JP 2868526B2
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Description

【発明の詳細な説明】 (発明の属する技術分野) 本発明は、酸化物超高温伝導体の材料をターゲット或
いはカソード材料として使用し、加熱された基体の上に
カソードスパッタリングにより沈積させて層を形成し、
そしてその際グロー放電の間にイオン化されたガス中に
酸素が含まれている酸化物超高温伝導体の薄い層の製造
方法に関する。更に本発明はこの方法を実施するための
製造装置に関する。
(従来の技術) 超伝導酸化物セラミックの薄い層を製造するためのこ
の種の方法は、Appl.Phys.Lett.、第51巻、No9、1987年
8月31日、“スパッタリングによってY−Ba−Cu−Oの
酸化物の薄膜超伝導性化”から公知である。この場合、
生じた層或いは薄膜に所望の超伝導特性を得るために、
酸素雰囲気において800℃〜900℃の範囲内の温度で後熱
処理することが必要である。この補足された方法段階
は、追加的な技術的費用を必要とするだけでなく、この
高い基体温度の場合に基体と層との間で進行する不所望
の化学反応のためにこの補足方法を広範な工業分野で使
用することを妨げている。
(発明が解決しようとする課題) そこで本発明は、冒頭に既述した方法を改良して後熱
処理なる不都合な方法段階を省略することを目的とす
る。更に、この方法を実施するための装置を提供するこ
とも目的とする。
(課題を解決するための手段) 上記課題は本発明により、カソードスパッタリングを
少なくとも67Pa(0.5Torr)の酸素分圧のもとで反応的
に実施することによって解決される。このようにして既
にグロー放電の間および層を形成する間に、層を形成す
る材料の酸素豊富化が生じる。これが450℃〜約770℃の
基体温度で既に意図する超伝導特性を持つ層をもたらす
ので、結果として後熱処理の方法段階が省略される。
調整すべき分圧は確かに、自発的な酸素放電を安定化
することによって上限を制限されている。しかしなが
ら、この分圧は少なくとも67Pa(0.5Torr)(可能なら1
3.4kPa(100Torr)およびそれ以上)であるべきであ
る。このできるだけ高い酸素分圧を調整するためには、
その方法条件を相応して(例えばターゲットと基体との
間隔を比較的小さく)選択しなければならない。同様に
酸素含有量の多いガス混合物、特に純粋な酸素も使用す
ることができる。こうして、層を形成する材料の酸素豊
富化が達成されると共に、ターゲットに酸素が不足する
ことも回避される。
基体の近くでの酸素分圧を高める為の合目的な方法手
段は、この基体を酸素またはオゾンで洗浄することであ
る。これは毛管系によって行うことができる。こうする
ことによって、本方法を実施する間、基体表面にできる
だけ薄いO2,O3の層流が得られる。
基体の近くの酸素分圧を高めるために、供給される酸
素又はオゾンがターゲットから基体まで層流状態で達す
るようにターゲットに酸素またはオゾンを供給しかつガ
スを吸引する方法を採用した場合、形成される層の場所
だけでなく、層に流れこむイオン領域にも酸素が豊富に
成る。
O2分圧を高めるために役立つ別の合目的な方法手段
は、ターゲットと基体との間の気体空間がイオン化した
輻射線にさらされることである。これは例えば、光を連
続的に或いは断続的に気体空間に送る強い光源によって
行うことができる。勿論、他のイオン化した輻射線、例
えばX線、レーザビーム又は放射線も使用できる。
製造条件は、カソード材料と基体との間の気体空間に
マイクロ波を照射する方法によって改善される。これ
は、プラズマ中で非常に高い電離度を実現し、その結果
この手段を用いてプラズマ中での自発的な放電を気体空
間で比較的高圧な場合(約200Torr/2.7×104Pa)であっ
ても生じさせることができる。この手段の別の長所は、
プラズマ中に照射されるマイクロ波によって紫外線自体
が放出されることである。
別の有利な実施形態は、気体の表面が強い紫外線ビー
ムにさらされることである。こうして非熱エネルギーを
供給することによって、例えば電子的な励起により層の
成長がプラスの影響を受ける。更に生じるオゾンは非常
に反応性である。このオゾンは熱い気体の上で分解し、
従って生じる層の所で多くの形成エネルギーを使用する
ことができ、こうして基体の温度を比較的低く保持する
ことができる。
本発明の方法を実施するには、気密な部屋に配置され
たカソード機構とアノード機構とからなり、その際ター
ゲット或いはカソード材料に加熱可能な基体支持体が対
峙しており、そして前記部屋が更にガス供給手段とポン
プ装置用の接続部とを有している製造装置において、高
いガス圧のもとで生じ得るカソード材料と遮蔽部材との
間の異常放電を避けるめたに、カソード材料と遮蔽物と
の間に絶縁体を備えている製造装置が適している。更に
この装置の場合には、カソード材料と基体との間隔は高
いガス圧のもとで非常に短い自由工程とするために5〜
20mmである。
気体空間へイオン化した輻射線またはマイクロ波を照
射する別の実施形態を実施するために、カソード材料と
基体との間の気体空間をイオン化した輻射線で照射する
ための装置或いはマイクロ波で照射するための装置を備
えている製造装置が適している。これに対して、基体の
表面を強い紫外線で照射するための装置を備えている製
造装置は、基体表面に強い紫外線を照射する変法を実施
するのに役立つ。
基体の表面をガスで洗浄するための毛管系を備えてい
る製造装置は、基体表面を酸素またはオゾンで洗う変法
を実施するのに適している。
(実施例) 以下に、図面に示した本発明の製造装置の実施態様を
詳細に説明する。更に本発明の方法の実施例を示す。
第1図から判るように、銅製のカソード2を上から気
密な室1に突き出ている。ターゲット3(カソード材
料)がカソード2の下端部に設けられている。第2図か
ら判るように、銅製のカソード2が絶縁体4及び銅製遮
蔽部材5によって取囲まれている。更に、カソードを冷
却するための装置が備えられている。この装置は図示さ
れていない。
基体7がカソードのターゲット3に向き合って加熱可
能な基体支持体6の上に設けられている。超伝導性材料
からなる層8が基体7に沈積させねばならないので、こ
の基体支持体6は冷却された銅製遮蔽板9によって取囲
まれている。
本発明の製造装置は電気的な接続部を配備している。
カソードは直流電圧運転の際マイナス電位の状態であ
る。一方、銅製遮蔽部材5と冷却された銅製遮蔽板9と
は通常零電位の状態にある。
更に、ガス導入管10及びポンプ装置のための接続部11
が備えられている。気体空間の側部にこの気体空間をイ
オン化した輻射線で照射するための装置12が備えられて
いる。気体表面を洗浄するために、毛管13として図示さ
れている毛管系が備えられている。
次に挙げた実施例は、上述の種類の装置を用いて、但
し種々のガスを使用し且つ紫外線を使用或いは使用せず
に実施されている。毛管系は気体の近くに達している
が。
調整された酸素分圧は、この実験では667Pa(5Torr)
までであり、下記の実験では333Pa(2.5Torr)である。
スパッタリング用ガスが汚染されるのを予防するため
に、圧力が動圧的に調整される。毛管系を介して流れる
酸素を基体の近くに導入する管、接続部11を介して高い
吸引力のあるポンプで吸引される。ポンプとしては比較
的に高い吸引力のクライオポンプ(ゼオライトを液体窒
素で冷やす)が使用される。
カソードの所に加えられる電圧150〜250Vの範囲に、
電流は50〜150mAの範囲にある。この条件の場合にカソ
ードのダークスペースは僅か0.5〜2mmの深さである。基
体とカソードとの間隔は10mmでる。YBa2Cu3O7から成る
円形及び板状のターゲットの直径は約35mmである。
実施例1(純粋酸素と紫外線) 7つの異なった基体温度で、SrTiO3上に、YBa2Cu3O7
層が沈積される。次いで層の抵抗値が、室温から約64K
までの温度範囲および特に90K付近での顕著な抵抗低下
領域で測定されている。
第3図は、670℃の基体温度(TS)で製造されている
層の抵抗曲線を示している。この曲線は、90K(TK)付
近の領域で超伝導をもたらす顕著な抵抗低下を示す。こ
の領域で低下し始める抵抗値(R)、その値の90%、50
%及び10%の場合並びに0の値に達する場合のそれらの
値を測定する。これらの値を第4図に、別の基体温度で
製造されている他の層の相応する値と比較して示す。第
3図のグラフ(TS:基体温度,R:抵抗)は、低い基体温度
で製造された層の場合にも91Kの所で顕著な抵抗低下が
始まることを示している。このことから既に、比較的に
低い基体温度で超伝導性相の成分が比較的高い遷移温度
で形成されていることおよび方法の最適化(例えばター
ゲット材料の組成に関して)が650℃の温度以下でも高
い遷移温度を持つ層をもたらすことが明らかになる。
別の実験から判るように、製造される全ての層は、基
体に対してエピタキシャル状に垂直にC軸を備えてい
る。670℃で製造される層の臨界電流密度は、6Kで106A/
cm2以上である。
更に製造されている層は、表面粗さが0.1μm以下の
非常に滑らかな表面を有しているので、結果として低温
電子工学の用途分野においてのミクロ構造化を妨害しな
い。
実施例2(純粋酸素と紫外線照射なし) 紫外線の照射なしであって、その他は実施例1と同じ
条件で、670℃の基体温度で2つの層が製造されてい
る。SrTiO3上のYBa2Cu3O7層は超伝導に至る抵抗特性曲
線の広い遷移曲線を示す。この抵抗は、第3図に図示し
た特性曲線の場合の如く81Kのところで消失せず、70或
いは75Kで初めて消失する。これは紫外線照射がプラス
の影響を及ぼしていることを示している。
実施例3(ガス混合物、紫外線) 3つの異なった基体温度で、SrTiO3上に、YBa2Cu3O7
層が製造されている。その際90%の酸素と10%のアルゴ
ンより成るガス混合物を使用する。その他の条件は実施
例1と同じである。
第5図の抵抗特性のグラフから超伝導に至る遷移領域
が、第4図より広いことが推測できる。このことは、ア
ルゴンを使用することが、即ちアルゴンを層に組入れる
ことが層の超伝導性にマイナスの影響を及ぼすことを示
している。
実施例4(純粋酸素、紫外線) 酸化珪素により成る基体の上に約560℃程の基体温度
で3つの層が製造されている。この他の条件は実施例1
と同じである。
第6図に、YBa2Cu3O7層の抵抗特性曲線が示されてい
る。超伝導への遷移は確かに非常に広いが、しかし約90
Kの高い使用点が、スパッタリング工程の最適化によっ
て(例えばターゲット組成を変えることによって)超伝
導特性を改善できることを明らかにしている。
超伝導性部材と慣用の半導体部材とを組合わせて使用
する場合には、珪素を基体として使用することが好まし
い。
【図面の簡単な説明】
第1図は、本発明の方法を実施するための装置である。 第2図は、紫外線ランプを備えた第1図の装置の陰極−
陽極配置図である。 第3図は、実施例1に従って製造された層の抵抗曲線で
ある。 第4図は、ガスとして純粋酸素を使用しかつイオン化ビ
ームを使用した一連の実験の結果のグラフである。 第5図は、酸素−アルゴン混合ガスを使用した一連の実
験の結果のグラフである。 第6図は、実施例4に従って製造された層の抵抗グラフ
である。 (符号の説明) 1……室 2……カソード 3……ターゲット 4……絶縁体 5……銅製遮蔽部材 6……基体支持体 7……基体 8……層 9……銅製遮蔽板 10……ガス導管 11……接続部 12……照射装置 13……毛管系
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ウイルヘルム・エーフェルス ドイツ連邦共和国、ユーリッヒ、コサケ ンガッセ、5 (56)参考文献 特開 平1−198469(JP,A) 特開 昭63−261625(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) C01G 1/00 - 57/00 C23C 14/08 C23C 14/34 H01L 39/24

Claims (12)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】酸化物超高温伝導体の材料をターゲット或
    いはカソード材料として使用し、加熱された基体の上に
    カソードスパッタリングにより充填させて層を形成し、
    そしてその際グロー放電の間にイオン化されるガス中に
    酸素が含まれている酸化物超高温伝導体の薄い層の製造
    方法において、 カソードスパッタリングを少なくとも67Pa(0.5Torr)
    の酸素分圧のもとで反応的に実施することを特徴とする
    酸化物超高温伝導体の薄い層の製造方法。
  2. 【請求項2】ガスとして純粋な酸素を使用することを特
    徴とする請求項1に記載の製造方法。
  3. 【請求項3】基体(7)の近くの酸素分圧を高めるため
    に前記基体を酸素またはオゾンで洗浄することを特徴と
    する請求項1または2に記載の製造方法。
  4. 【請求項4】基体の近くの酸素分圧を高めるために、供
    給される酸素またはオゾンがターゲット(3)から基体
    (7)まで層流状態で達するようにターゲットに酸素ま
    たはオゾンを供給しかつガスを吸引することを特徴とす
    る請求項1〜3のいずれか一つに記載の製造方法。
  5. 【請求項5】ターゲット(3)と基体(7)との間の気
    体空間をイオン化した輻射線にさらすことを特徴とする
    請求項1〜4項のいずれか一つに記載の製造方法。
  6. 【請求項6】カソード材料(3)と気体(7)との間の
    気体空間にマイクロ波を照射することを特徴とする請求
    項1〜5項のいずれか一つに記載の製造方法。
  7. 【請求項7】気体(7)の表面を強い紫外線照射にさら
    すことを特徴とする請求項1〜6項のいずれか一つに記
    載の製造方法。
  8. 【請求項8】気密な部屋に配置されたカソード機構とア
    ノード機構とからなり、その際ターゲット或いはカソー
    ド材料に加熱可能な基体支持体が対峙しており、そして
    前記部屋が更にガス供給手段とポンプ装置用の接続部と
    を有している酸化物高温超伝導体の薄い層を製造するた
    めの装置において、 カソード(2)が絶縁体(4)によって囲まれており、
    前記絶縁体(4)がカソードとカソードを囲む遮蔽部材
    (5)との間にあり、かつカソード材料(3)と基体
    (7)との間隔が5〜20mmであることを特徴とする酸化
    物高温超伝導体の薄い層の製造装置。
  9. 【請求項9】カソード材料(3)と基体(7)との間の
    気体空間をイオン化した輻射線で照射するための装置
    (12)を備えていることを特徴とする請求項8に記載の
    製造装置。
  10. 【請求項10】カソード材料(3)と基体(7)との間
    の気体空間をマイクロ波で照射するための装置を備えて
    いることを特徴とする請求項8または9に記載の製造装
    置。
  11. 【請求項11】基体(7)の表面を強い紫外線で照射す
    るための装置(12)を備えていることを特徴とする請求
    項8〜10のいずれか一つに記載の製造装置。
  12. 【請求項12】基体(7)の表面をガスで洗浄するため
    の毛管系(13)が基体の近くに達していることを特徴と
    する請求項8〜11のいずれか一つに記載の製造装置。
JP1037359A 1988-02-18 1989-02-18 酸化物高温超伝導体の薄い層の製造方法及び製造装置 Expired - Lifetime JP2868526B2 (ja)

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EP88120397A EP0328757B1 (de) 1988-02-18 1988-12-07 Verfahren zur Herstellung dünner Schichten aus oxydischem Hochtemperatur-Supraleiter
EP88120397.0 1988-12-07

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