JP2913653B2 - 酸化物超伝導薄膜構造体 - Google Patents
酸化物超伝導薄膜構造体Info
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- oxide superconducting
- superconducting thin
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- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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- Physical Vapour Deposition (AREA)
- Other Surface Treatments For Metallic Materials (AREA)
- Containers, Films, And Cooling For Superconductive Devices (AREA)
- Superconductors And Manufacturing Methods Therefor (AREA)
- Inorganic Compounds Of Heavy Metals (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は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、電極等に用いる超伝
導薄膜を備えた構造体に関する。
スタ、電磁波センサー、素子配線、電極等に用いる超伝
導薄膜を備えた構造体に関する。
現在話題の酸化物超伝導物質は結晶構造に起因して異
方性が強い、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（1988）p227−231や公開特許公報昭63−270
395に述べられているように基板にSrTiO3を初めとした
ペロブスカイト型酸化物の単結晶を用いていた。またJa
panese Journal of Applied Physics Vol.27 No.6 1988
ppLl068−1070に述べられている様にシリコンウエハー
上にZrO2層を形成した後酸化物超伝導層を形成する方法
も検討されている。
方性が強い、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（1988）p227−231や公開特許公報昭63−270
395に述べられているように基板にSrTiO3を初めとした
ペロブスカイト型酸化物の単結晶を用いていた。またJa
panese Journal of Applied Physics Vol.27 No.6 1988
ppLl068−1070に述べられている様にシリコンウエハー
上にZrO2層を形成した後酸化物超伝導層を形成する方法
も検討されている。
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
が無い、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
が無い、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
ZrO2層を形成した後酸化物超伝導薄膜を付ける場合はZr
O2と酸化物超伝導物質の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とゆう問題を有していた。
ZrO2層を形成した後酸化物超伝導薄膜を付ける場合はZr
O2と酸化物超伝導物質の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とゆう問題を有していた。
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、高度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、高度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。
上記の問題を解決するため本発明によれば、１）基板
に単結晶シリコンウエハを用い酸化物超伝導薄膜を備え
た酸化物超伝導薄膜構造体において、該単結晶シリコン
ウエハ基板と該酸化物超伝導薄膜との中間部に、少なく
ともZrO2、Al2O3、MgO、SrO及びCaOのうちいずれかの酸
化物層と、組成式AxAlyOz（ここでＡは希土類元素を示
し、0.9≦ｘ≦1.1、0.85≦ｙ≦1.15、０＜ｚである）の
酸化物層の１層以上とを有する酸化物超伝導薄膜構造
体、２）酸化物超伝導薄膜がLn1Ba2Cu3Oy系材料（LnはS
c、Ｙを含む希土類元素）からなることを特徴とする上
記の酸化物超伝導薄膜構造体、が提供される。ｘ、ｙの
値が上記組成範囲を外れると酸化物層は安定した結晶構
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。
に単結晶シリコンウエハを用い酸化物超伝導薄膜を備え
た酸化物超伝導薄膜構造体において、該単結晶シリコン
ウエハ基板と該酸化物超伝導薄膜との中間部に、少なく
ともZrO2、Al2O3、MgO、SrO及びCaOのうちいずれかの酸
化物層と、組成式AxAlyOz（ここでＡは希土類元素を示
し、0.9≦ｘ≦1.1、0.85≦ｙ≦1.15、０＜ｚである）の
酸化物層の１層以上とを有する酸化物超伝導薄膜構造
体、２）酸化物超伝導薄膜がLn1Ba2Cu3Oy系材料（LnはS
c、Ｙを含む希土類元素）からなることを特徴とする上
記の酸化物超伝導薄膜構造体、が提供される。ｘ、ｙの
値が上記組成範囲を外れると酸化物層は安定した結晶構
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。
〔実施例〕 実施例−１ 先ず最初に100配向の単結晶シリコンウエハ−基板上
にZrO2（Ｙ安定化）酸化物層を反応蒸着法（電子ビー
ム）により形成する。成膜条件は蒸発源にZrとＹペレッ
トを用い、基板温度620℃、真空度２〜６＊10-4Torr、
成膜速度7nm/minであり基板への酸素供給は成膜中に基
板周辺に酸素を吹き付けて行なう。得られた酸化物層の
組成は（Y2O3）0.09（ZrO2）0.91でありＸ線回折とRHEE
D分析によるとＣ軸配向した極めて単結晶に近い膜であ
り格子定数は5.15〜5.32Å（ａθ,bθ）であった。次に
第１表に示した組成の酸化物層をRFマグネトロンスパッ
タ法により形成する。
にZrO2（Ｙ安定化）酸化物層を反応蒸着法（電子ビー
ム）により形成する。成膜条件は蒸発源にZrとＹペレッ
トを用い、基板温度620℃、真空度２〜６＊10-4Torr、
成膜速度7nm/minであり基板への酸素供給は成膜中に基
板周辺に酸素を吹き付けて行なう。得られた酸化物層の
組成は（Y2O3）0.09（ZrO2）0.91でありＸ線回折とRHEE
D分析によるとＣ軸配向した極めて単結晶に近い膜であ
り格子定数は5.15〜5.32Å（ａθ,bθ）であった。次に
第１表に示した組成の酸化物層を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450℃〜800℃、真空度３
〜６＊10-2Torr、使用ガスO2:Ar比3:1、Power density
3.9（W/cm2）、成膜速度は７〜15nm/minである。また膜
厚は500〜550nmである。次に酸化物層の結晶構造を安定
化させるため750℃酸素雰囲気中で１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3.81〜3.86Å（ａθ）でありLn−Ba−Cu−Ｏ
（LnはＹを含む希土類元素）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450℃〜800℃、真空度３
〜６＊10-2Torr、使用ガスO2:Ar比3:1、Power density
3.9（W/cm2）、成膜速度は７〜15nm/minである。また膜
厚は500〜550nmである。次に酸化物層の結晶構造を安定
化させるため750℃酸素雰囲気中で１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3.81〜3.86Å（ａθ）でありLn−Ba−Cu−Ｏ
（LnはＹを含む希土類元素）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（1:2:3組成）を150nm形成した。成膜条件
は蒸発源にNd、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（1:2:3組成）を150nm形成した。成膜条件
は蒸発源にNd、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as−depo.状態で良好な膜が得られる場合もある
が必要に応じ500℃酸素雰囲気中においてアニール処理
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。得られた酸化物超伝導薄膜をＸ線
回折、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。
が必要に応じ500℃酸素雰囲気中においてアニール処理
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。得られた酸化物超伝導薄膜をＸ線
回折、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。
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
板上に酸化物層をMgO酸化物層、Nd−Al−ｏ酸化物層の
順に形成する。膜厚はそれぞれ200nm、400nmである。次
にNd−Ba−Cu−Ｏ薄膜を100nm形成し酸化物超伝導薄膜
を得る。
板上に酸化物層をMgO酸化物層、Nd−Al−ｏ酸化物層の
順に形成する。膜厚はそれぞれ200nm、400nmである。次
にNd−Ba−Cu−Ｏ薄膜を100nm形成し酸化物超伝導薄膜
を得る。
実施例−３ 実施例−１と同様な条件で単結晶シリコンウエハー基
板上に酸化物層をAl2O3酸化物層、Nd−Al−Ｏ酸化物層
の順にそれぞれ200nm、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る。
板上に酸化物層をAl2O3酸化物層、Nd−Al−Ｏ酸化物層
の順にそれぞれ200nm、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る。
実施例−４ 実施例１と同様な条件で単結晶シリコンウエハー基板
上に酸化物層をSrO酸化物層、La−Al−Ｏ酸化物層の順
にそれぞれ350nm、400nm形成する。次にYb−Ba−Cu−Ｏ
薄膜を100nm形成し酸化物超伝導薄膜を得る。
上に酸化物層をSrO酸化物層、La−Al−Ｏ酸化物層の順
にそれぞれ350nm、400nm形成する。次にYb−Ba−Cu−Ｏ
薄膜を100nm形成し酸化物超伝導薄膜を得る。
実施例−５ 実施例−１と同様な条件で単結晶シリコンウエハー基
板上に酸化物層をBaO酸化物層、CaO酸化物層、Nd−Al−
Ｏ酸化物層の順にそれぞれ150nm、200nm、400nm形成す
る。この時の酸化物の格子定数はBa＞Ca＞Ndである。次
にNd−Ba−Cu−Ｏ薄膜を100nm形成し酸化物超伝導薄膜
を得る。
板上に酸化物層をBaO酸化物層、CaO酸化物層、Nd−Al−
Ｏ酸化物層の順にそれぞれ150nm、200nm、400nm形成す
る。この時の酸化物の格子定数はBa＞Ca＞Ndである。次
にNd−Ba−Cu−Ｏ薄膜を100nm形成し酸化物超伝導薄膜
を得る。
上記のように得られた酸化物超伝導薄膜を備えた構造
体における当該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。測定温度は77K（ダイキン工
業製極低温冷凍機UV204SR使用）で測定雰囲気はヘリウ
ム中である。
体における当該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。測定温度は77K（ダイキン工
業製極低温冷凍機UV204SR使用）で測定雰囲気はヘリウ
ム中である。
結果を第２表（実施例−１）と第３表（実施例−２、
実施例−３、実施例−４、実施例−５）に比較例と共に
示した。比較例は単結晶シリコンウエハー基板上に直接
Nd−Ba−Cu−Ｏ薄膜を100nm形成した場合（Ｇ）、ZrO3
酸化物層のみの場合（Ｈ）、Nd−Al−Ｏ酸化物層のみの
場合（Ｉ）と基板にSrTiO3単結晶を用いた場合（J:応用
物理第57巻第２号1988 p227−231 NTTデータによる）で
ある。
実施例−３、実施例−４、実施例−５）に比較例と共に
示した。比較例は単結晶シリコンウエハー基板上に直接
Nd−Ba−Cu−Ｏ薄膜を100nm形成した場合（Ｇ）、ZrO3
酸化物層のみの場合（Ｈ）、Nd−Al−Ｏ酸化物層のみの
場合（Ｉ）と基板にSrTiO3単結晶を用いた場合（J:応用
物理第57巻第２号1988 p227−231 NTTデータによる）で
ある。
表より判るように本発明の酸化物超伝導薄膜は基板に
単結晶シリコンウエハーを用いても高い臨界電流密度を
得ることが出来る。比較例Ｇ、Ｈ、Ｉの特性の悪いの
は、（Ｇ）：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、
（Ｈ）:ZrO2酸化物層は単結晶に近いものであるがZrO2
酸化物層と酸化物超伝導物質には格子定数に大きな差が
ありマッチングが悪く酸化物超伝導膜のエピタキシャル
成長が阻害されているため、（Ｉ）：シリコンウエハー
と酸化物層のマッチングが悪く酸化物層の構造が安定し
ていないためその上に形成される酸化物超伝導膜も安定
したエピタキシャル成長膜にならないためである。これ
らの纏めると本発明は基板と酸化物超伝導層の間に酸化
物超伝導物質よりエピタキシャル成長させ易い酸化物層
を格子定数が少しずつ変化するよう多段に配したことに
より反応がなく且エピタキシャル性の良い酸化物超伝導
膜が出来るようになったといえる。
単結晶シリコンウエハーを用いても高い臨界電流密度を
得ることが出来る。比較例Ｇ、Ｈ、Ｉの特性の悪いの
は、（Ｇ）：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、
（Ｈ）:ZrO2酸化物層は単結晶に近いものであるがZrO2
酸化物層と酸化物超伝導物質には格子定数に大きな差が
ありマッチングが悪く酸化物超伝導膜のエピタキシャル
成長が阻害されているため、（Ｉ）：シリコンウエハー
と酸化物層のマッチングが悪く酸化物層の構造が安定し
ていないためその上に形成される酸化物超伝導膜も安定
したエピタキシャル成長膜にならないためである。これ
らの纏めると本発明は基板と酸化物超伝導層の間に酸化
物超伝導物質よりエピタキシャル成長させ易い酸化物層
を格子定数が少しずつ変化するよう多段に配したことに
より反応がなく且エピタキシャル性の良い酸化物超伝導
膜が出来るようになったといえる。
また実施例の中でＢとＥが他に比べ臨界電流密度が高
いのは酸化物超伝導側の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、それが酸化物超伝導膜のエ
ピタキシャル成長を促しているためである。故に酸化物
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。
いのは酸化物超伝導側の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、それが酸化物超伝導膜のエ
ピタキシャル成長を促しているためである。故に酸化物
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。
これら実施例の値は第３表の比較例に示すSrTiO3単結
晶基板を用いた値（比較例J:NTTデータ）に近いもので
あり十分デバイス等に応用できる値である。
晶基板を用いた値（比較例J:NTTデータ）に近いもので
あり十分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であり大幅な低コスト化が可能となる。
〔発明の効果〕 以上述べたように本発明によれば大口径化の可能な単
結晶シリコンウエハーを基板に用いても酸化物超伝導薄
膜のエピタキシャル成長が可能となり、なお且基板との
反応を抑制できるため高い臨界電流密度をえられる。さ
らに大口径で有るにも関わらず基板の値段が格段に安
い。即ち形状や臨界電流密度による用途の限定が無く、
量産性に優れた酸化物超伝導薄膜を低コストで得ること
が出来る。
結晶シリコンウエハーを基板に用いても酸化物超伝導薄
膜のエピタキシャル成長が可能となり、なお且基板との
反応を抑制できるため高い臨界電流密度をえられる。さ
らに大口径で有るにも関わらず基板の値段が格段に安
い。即ち形状や臨界電流密度による用途の限定が無く、
量産性に優れた酸化物超伝導薄膜を低コストで得ること
が出来る。
本発明により得られた酸化物超伝導薄膜はそのままで
用いたり微細加工、保護膜形成、他物質の積層等を施し
た後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、磁気センサー、素子配線、電流制御素
子、磁束量子メモリ、光スイッチ素子、磁気シールド等
に応用することが出来る。
用いたり微細加工、保護膜形成、他物質の積層等を施し
た後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、磁気センサー、素子配線、電流制御素
子、磁束量子メモリ、光スイッチ素子、磁気シールド等
に応用することが出来る。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭63−270395（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−301424（ＪＰ，Ａ) Ｈｉｒｏａｋｉ Ｍｙｏｒｅｎ ｅｔ ａｌ．，”Ｅｐｉｔａｘｉａｌ Ｇｒ ｏｗｔｈ ｏｆ Ｂａ▲下２▼ＹＣｕ▲ 下３▼Ｏ▲下Ｘ▼Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍ ｏｎ Ｅｐｉｔａｘｉａｌ Ｚｒｏ▲下 ２▼／Ｓｉ（100）”，Ｊａｐａｎｅｓ ｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉ ｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ，（1988）Ｖｏ ｌ．27，Ｎｏ．６，ｐ．1068−1070 (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) C23C 14/00 - 14/58 H01L 39/02 H01B 12/06 C04B 41/89 C30B 29/22
Claims (2)
- 【請求項１】基板に単結晶シリコンウエハを用い酸化物
超伝導薄膜を備えた酸化物超伝導薄膜構造体において、
該単結晶シリコンウエハ基板と該酸化物超伝導薄膜との
中間部に、少なくともZrO2、Al2O3、MgO、SrO及びCaOの
うちいずれかの酸化物層と、組成式AxAlyOz（ここでＡ
は希土類元素を示し、0.9≦ｘ≦1.1、0.85≦ｙ≦1.15、
０＜ｚである）の酸化物層の１層以上とを有する酸化物
超伝導薄膜構造体。 - 【請求項２】前記酸化物超伝導薄膜がLn1Ba2Cu3Oy系材
料（LnはSc、Ｙを含む希土類元素）からなることを特徴
とする請求項１記載の酸化物超伝導薄膜構造体。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1034148A JP2913653B2 (ja) | 1989-02-14 | 1989-02-14 | 酸化物超伝導薄膜構造体 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1034148A JP2913653B2 (ja) | 1989-02-14 | 1989-02-14 | 酸化物超伝導薄膜構造体 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH02213464A JPH02213464A (ja) | 1990-08-24 |
| JP2913653B2 true JP2913653B2 (ja) | 1999-06-28 |
Family
ID=12406115
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP1034148A Expired - Lifetime JP2913653B2 (ja) | 1989-02-14 | 1989-02-14 | 酸化物超伝導薄膜構造体 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2913653B2 (ja) |
-
1989
- 1989-02-14 JP JP1034148A patent/JP2913653B2/ja not_active Expired - Lifetime
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Ｈｉｒｏａｋｉ Ｍｙｏｒｅｎ ｅｔ ａｌ．，"Ｅｐｉｔａｘｉａｌ Ｇｒｏｗｔｈ ｏｆ Ｂａ▲下２▼ＹＣｕ▲下３▼Ｏ▲下Ｘ▼Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍ ｏｎ Ｅｐｉｔａｘｉａｌ Ｚｒｏ▲下２▼／Ｓｉ（１００）"，Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ，（１９８８）Ｖｏｌ．２７，Ｎｏ．６，ｐ．１０６８−１０７０ |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH02213464A (ja) | 1990-08-24 |
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