JP2979422B2 - Method of manufacturing insulator and insulating thin film, and method of manufacturing superconducting thin film and superconducting thin film - Google Patents

Method of manufacturing insulator and insulating thin film, and method of manufacturing superconducting thin film and superconducting thin film

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JP2979422B2 JP2105931A JP10593190A JP2979422B2 JP 2979422 B2 JP2979422 B2 JP 2979422B2 JP 2105931 A JP2105931 A JP 2105931A JP 10593190 A JP10593190 A JP 10593190A JP 2979422 B2 JP2979422 B2 JP 2979422B2
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    • Y02E40/60Superconducting electric elements or equipment; Power systems integrating superconducting elements or equipment

Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は、酸化物高温超伝導体等の600〜900℃の比較
的高い生成過程を経る材料をデバイス化する際に不可欠
な絶縁体、および絶縁薄膜の製造方法と、また、より高
性能な超伝導薄膜、および超伝導薄膜の製造方法に関す
るものである。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION (Industrial Application Field) The present invention relates to an insulator which is indispensable when a material such as an oxide high-temperature superconductor that undergoes a relatively high production process at 600 to 900 ° C. is made into a device. More specifically, the present invention relates to a superconducting thin film having higher performance and a method for producing a superconducting thin film.

(従来の技術) 現在、最も応用が急がれている材料の1つに酸化物高
温超伝導体がある。このペロブスカイト系化合物は、金
属化合物超伝導体よりさらに高い転移温度が期待され、
Ba−La−Cu−O系の高温超伝導体が提案された[J.G.Be
dnorz and K.A.Muller,ツァイトシュリフト・フュア・
フィジーク(Zetshrift Fur Physik B)−Condensed Ma
tter,Vol.64,189−193(1986)]。さらに、Bi−Sr−Ca
−Cu−O系の材料が100゜K以上の転移温度を示すことも
発見された[H.Maeda,Y.Tanaka,M.Fukutomi and T.Asan
o,ジャパニーズ・ジャーナル・オブ・アプライド・フィ
ジックス(Japanese Journal of Applied Physics)Vo
l.27,L209−210(1988)]。この種の材料の超伝導機構
の詳細は明らかではないが、転移温度が室温以上に高く
なる可能性があり、高温超伝導体として従来の2元系化
合物より、電子デバイス分野での応用が期待されてい
る。
(Prior Art) At present, one of the most urgently applied materials is an oxide high-temperature superconductor. This perovskite compound is expected to have a higher transition temperature than the metal compound superconductor,
Ba-La-Cu-O high-temperature superconductors have been proposed [JGBe
dnorz and KAMuller, Zeitschrift Fur
Fijik (Zetshrift Fur Physik B)-Condensed Ma
tter, Vol. 64, 189-193 (1986)]. Further, Bi-Sr-Ca
H-Maeda, Y.Tanaka, M.Fukutomi and T.Asan have also discovered that -Cu-O-based materials exhibit a transition temperature of 100 ° K or more.
o, Japanese Journal of Applied Physics Vo
l.27, L209-210 (1988)]. Although the details of the superconducting mechanism of this type of material are not clear, the transition temperature may be higher than room temperature, and it is expected to be applied in the field of electronic devices as a high-temperature superconductor compared to conventional binary compounds. Have been.

そして、これらの酸化物超伝導体の開発と相俟って、
この材料を電子デバイスへの応用を考え、酸化物超伝導
体を作製する際に経る高熱過程に対しても安定な絶縁体
および絶縁薄膜の開発が行われている[Y.Ichikawa,H.A
dachi,T.Mitsuyu and K.Wasa,ジャパニーズ・ジャーナ
ル・オブ・アプライド・フィジックス(Japanese Journ
al of Applied Physics)Vol.27,L381−383(198
8)]。
And, coupled with the development of these oxide superconductors,
Considering the application of this material to electronic devices, development of insulators and insulating thin films that are stable against the high heat process that occurs when fabricating oxide superconductors is being conducted [Y. Ichikawa, HA
dachi, T.Mitsuyu and K.Wasa, Japanese Journal of Applied Physics (Japanese Journ
al of Applied Physics) Vol.27, L381-383 (198
8)].

さらに超伝導体と絶縁体とを交互に積層することによ
り、より高い超伝導転移温度が従来から期待されていた
[M.H.Cohen and D.H.Douglass,Jr.,フィジカル・レビ
ュー・レターズ(Physical Review Letters)Vol.19,L1
18−121(1967)]。
Furthermore, a higher superconducting transition temperature has been conventionally expected by alternately laminating a superconductor and an insulator [MHCohen and DHDouglass, Jr., Physical Review Letters Vol.19 , L1
18-121 (1967)].

(発明が解決しようとする課題) しかしながら、酸化物超伝導体の材料は、良好な超伝
導特性を得るためには少なくとも600℃以上の熱処理あ
るいは形成時の加熱が必要であり、そのため絶縁体の結
晶性が崩れ、絶縁体および絶縁薄膜と超伝導体との間で
各元素の相互拡散が起こり、超伝導体の特性劣化並びに
絶縁体の特性劣化が起こり、特に高温酸化物超伝導体と
絶縁膜との周期的な積層構造を得ることは極めて困難で
あり、ジョセフソンデバイスが代表応用例としてあげら
れるこの構造を利用した集積化デバイスを構成不可能に
近いものとしていた。
(Problems to be Solved by the Invention) However, the material of the oxide superconductor requires heat treatment of at least 600 ° C. or heating during formation in order to obtain good superconducting properties. Crystallinity collapses, interdiffusion of each element occurs between the insulator and the insulating thin film and the superconductor, and the properties of the superconductor and the insulator deteriorate. It is extremely difficult to obtain a periodic laminated structure with a film, and an integrated device using this structure, a typical example of which is the Josephson device, has been made almost impossible to configure.

さらに、高温超伝導体および薄膜にとって最適な絶縁
薄膜が得られていないため、超伝導体と絶縁体との有効
な積層構造が達成されないために、超伝導材料そのもの
の超伝導転移温度の上昇は望めないのが現状であった。
In addition, because the optimum insulating thin film for high-temperature superconductors and thin films has not been obtained, an effective laminated structure of superconductor and insulator cannot be achieved. It was the present situation that we could not hope for.

本発明の目的は、従来の欠点を解消し、酸化物高温超
伝導体等の比較的高い生成過程を経る材料をデバイス化
する際に不可欠な絶縁体、および絶縁薄膜の製造方法
と、また、より高性能な超伝導薄膜、および超伝導薄膜
の製造方法を提供することである。
An object of the present invention is to solve the conventional drawbacks, an insulator that is indispensable when converting a material that undergoes a relatively high production process such as an oxide high-temperature superconductor into a device, and a method for manufacturing an insulating thin film, An object of the present invention is to provide a superconducting thin film with higher performance and a method for producing the superconducting thin film.

(課題を解決するための手段) 第1の発明の絶縁体は、主体成分が少なくともビスマ
ス(Bi)、銅(Cu)、カルシウム(Ca)、アルカリ土類
(II a族)、およびYとランタン系列にある元素を少な
くとも一種以上から成り、前記元素の比率が Bi:A:Ca:Ln:Cu=2:2:1−y:y:2(0.5≦y≦0.75) であることを特徴とするものである(ここでAはアルカ
リ土類であり、II a族元素のうちの少なくとも一種ある
いは二種以上の元素を示す。LnはYもしくはランタン系
列にある元素の少なくとも一種以上の元素を示す)。
(Means for Solving the Problems) The insulator according to the first invention is characterized in that the main components are at least bismuth (Bi), copper (Cu), calcium (Ca), alkaline earth (Group IIa), and Y and lanthanum. A series of at least one element, wherein the ratio of the elements is Bi: A: Ca: Ln: Cu = 2: 2: 1−y: y: 2 (0.5 ≦ y ≦ 0.75), (Where A is an alkaline earth and represents at least one or two or more elements of group IIa elements. Ln represents at least one element of Y or a lanthanide series element) ).

さらに第2の発明の絶縁薄膜の製造方法は、第1の発
明の絶縁体の薄膜化に関するものであり、基体上に、少
なくともBiを含む酸化物、少なくとも銅およびアルカリ
土類(II a族)を含む酸化物、少なくとも銅およびLnを
含む酸化物を周期的に積層させて形成させて得るもので
ある。
Further, the method for producing an insulating thin film according to the second invention relates to thinning of the insulator according to the first invention, wherein an oxide containing at least Bi, at least copper and alkaline earth (Group IIa) is formed on a substrate. , And an oxide containing at least copper and Ln.

さらに第3の発明の超伝導薄膜は、基体上に、主体成
分が少なくともBi,Cu,アルカリ土類(II a族)から成る
層状酸化物超伝導薄膜と、主体成分が少なくともBi,Cu,
アルカリ土類(II a族),Lnから成る層状酸化物絶縁体
薄膜が交互に積層された構造を持つものである。
Further, the superconducting thin film of the third invention comprises a layered oxide superconducting thin film having a main component of at least Bi, Cu and an alkaline earth (Group IIa) on a substrate, and a superconducting thin film having a main component of at least Bi, Cu,
It has a structure in which layered oxide insulator thin films composed of alkaline earth (IIa group) and Ln are alternately laminated.

さらに第4の発明の超伝導薄膜の製造方法は、基体上
に、少なくともBiを含む酸化物と少なくともCuおよびア
ルカリ土類(II a族)を含む酸化物とを周期的に積層さ
せて形成する酸化物薄膜と、少なくともBiを含む酸化物
と少なくともCuおよびアルカリ土類(II a族),Lnを含
む酸化物とを周期的に積層させて形成する酸化物薄膜と
を、交互に積層させて得るものである。
Further, in the method for producing a superconducting thin film according to the fourth invention, the superconducting thin film is formed by periodically laminating an oxide containing at least Bi and an oxide containing at least Cu and an alkaline earth (Group IIa) on a substrate. An oxide thin film and an oxide thin film formed by periodically stacking an oxide containing at least Bi and an oxide containing at least Cu and alkaline earth (IIa group) and Ln are alternately stacked. What you get.

ここでAはアルカリ土類であり、II a族元素のうちの
少なくとも一種あるいは二種以上の元素、LnはYもしく
はランタン系列にある元素の少なくとも一種以上の元素
を示す。
Here, A is an alkaline earth, and at least one or two or more elements of Group IIa elements, and Ln represents at least one element of Y or elements in the lanthanum series.

(作 用) 第1の発明による絶縁体は、熱的にも極めて安定なBi
2O2酸化膜層またはこれを主体とした層により覆われた
結晶構造を有しており、酸化物超伝導体とほぼ等しい生
成温度であることから、特に酸化物高温超伝導体と接触
させても高温熱処理等の過程を経ても本発明による絶縁
体、酸化物超伝導体の結晶性および特性が互いに劣化さ
せあうことがない。さらに第1の発明による絶縁体の結
晶構造は酸化物超伝導体のそれと同じペロブスカイト構
造であり、特にaおよびb軸の長さがほぼ等しいことか
らも酸化物超伝導体と絶縁体の安定な連続積層が可能で
ある。
(Operation) The insulator according to the first aspect of the present invention is an extremely thermally stable Bi
It has a crystal structure covered by a 2 O 2 oxide film layer or a layer mainly composed of this, and has a formation temperature almost equal to that of an oxide superconductor. In addition, the crystallinity and properties of the insulator and the oxide superconductor according to the present invention do not deteriorate with each other even after a process such as a high-temperature heat treatment. Further, the crystal structure of the insulator according to the first invention is the same perovskite structure as that of the oxide superconductor, and particularly, since the lengths of the a and b axes are substantially equal, the oxide superconductor and the insulator have a stable structure. Continuous lamination is possible.

さらに第2の発明においては上記構造を達成するた
め、少なくともBIを含む酸化物と、少なくとも銅および
アルカリ土類(II a族)を含む酸化物あるいはYとラン
タン系にある元素を少なくとも一種以上含む酸化物と
を、周期的に積層させて分子レベルの制御による薄膜の
作製を行うことによって、再現性良くBi系超伝導薄膜と
絶縁膜との積層が得られ、またジョセフソンデバイス設
計に必要とされる厚さ数百Å以下の層間絶縁膜の安定形
成を可能にするものである。
Further, in the second invention, in order to achieve the above structure, at least one oxide containing at least BI and at least one oxide containing copper and an alkaline earth (Group IIa) or Y and a lanthanum element are contained. By periodically laminating oxides and producing thin films by controlling at the molecular level, a Bi-based superconducting thin film and an insulating film can be laminated with good reproducibility, which is also necessary for Josephson device design. This enables stable formation of an interlayer insulating film having a thickness of several hundreds mm or less.

さらに第3の発明においては、Bi2O2酸化膜層または
これを主体とした層によりともに覆われた結晶構造とな
っているところの、Bi系超伝導薄膜と第1の発明による
絶縁体の薄膜とが、交互に積層された構造をとることに
よって、超伝導薄膜と絶縁膜との間での元素の相互拡散
の積層が可能になり、その結果Bi系超伝導薄膜における
超伝導転移温度が安定に再現性よく実現されたものであ
る。
Further, in the third invention, the Bi-based superconducting thin film and the insulator according to the first invention, which have a crystal structure covered by a Bi 2 O 2 oxide film layer or a layer mainly composed of the same, are used. By adopting a structure in which thin films are alternately stacked, it becomes possible to stack the interdiffusion of elements between the superconducting thin film and the insulating film, and as a result, the superconducting transition temperature of the Bi-based superconducting thin film is reduced. It is realized stably and with good reproducibility.

さらに第4の発明においては第3の発明の極めて安定
に、しかも微細スケールでの構造を達成するため、少な
くともBiを含む酸化物と、少なくとも銅およびアルカリ
土類(II a族)を含む酸化物あるいは、少なくとも銅お
よびアルカリ土類(II a族)とLnを含む酸化物とを、周
期的に積層させて分子レベルの制御による薄膜の作製を
行うことによって、再現性よくBi系超伝導薄膜と絶縁膜
との積層を実現させるものである。
Further, in the fourth invention, an oxide containing at least Bi and an oxide containing at least copper and an alkaline earth (Group IIa) in order to achieve the structure of the third invention extremely stably and on a fine scale. Alternatively, a Bi-based superconducting thin film can be produced with good reproducibility by periodically stacking at least copper and an alkaline earth (IIa group) and an oxide containing Ln to form a thin film by controlling the molecular level. This realizes lamination with an insulating film.

(実施例) 通常、Bi−Sr−Ca−Cu−O系等の酸化物超伝導薄膜は
600〜700℃に加熱した基体上に蒸着して得る。蒸着後、
そのままでも薄膜は超伝導特性を示すが、そののち700
〜950℃の熱処理を施し、超伝導特性を向上させる。
(Example) Usually, Bi-Sr-Ca-Cu-O based oxide superconducting thin film is
Obtained by vapor deposition on a substrate heated to 600 to 700 ° C. After deposition,
Although the thin film shows superconducting properties as it is,
Heat treatment up to 950 ° C to improve superconductivity.

しかしながら、基体温度が高いときに絶縁膜を酸化物
超伝導薄膜に続いて積層したり、絶縁膜を形成後熱処理
を行った場合、超伝導膜と絶縁膜との間で、元素の相互
拡散が起こり超伝導特性が大きく劣化することが判明し
た。相互拡散を起こさないためには、超伝導膜,絶縁膜
の結晶性が優れていること、超伝導膜,絶縁膜間での格
子の整合性が優れていること、絶縁膜が700〜950℃の熱
処理に対して安定であることが不可欠と考えられる。
However, when the insulating film is laminated next to the oxide superconducting thin film when the substrate temperature is high, or when heat treatment is performed after forming the insulating film, mutual diffusion of elements between the superconducting film and the insulating film may occur. It has been found that the superconductivity is greatly deteriorated. In order to prevent mutual diffusion, the superconducting film and the insulating film must have excellent crystallinity, the lattice matching between the superconducting film and the insulating film must be excellent, and the insulating film must be at 700 to 950 ° C. It is considered essential to be stable to the heat treatment.

まず、Bi2O2酸化物層に挟まれた構造を持つBi系超伝
導体が高温の熱処理に対して、極めて安定であるため、
Bi−Sr−Ca−Cu−Oを構成する各元素を他の元素と部分
置換していった場合に超伝導体の電気特性がどのように
変化していくかを調べ、その結果、Bi2Sr2Ca2Cu2Oxにお
いてCaの一部をLn置換していくとき、置換量にしたがっ
て、試料を抵抗率が室温において、上昇することを見い
出した。ここでLnはYとランタン系列にある元素とす
る。
First, Bi-based superconductors with a structure sandwiched between Bi 2 O 2 oxide layers are extremely stable to high-temperature heat treatment,
It was investigated how the electrical properties of the superconductor change when each element constituting Bi-Sr-Ca-Cu-O is partially replaced by another element. As a result, Bi 2 When a part of Ca was replaced with Ln in Sr 2 Ca 2 Cu 2 O x , the resistivity of the sample was found to increase at room temperature according to the amount of substitution. Here, Ln is an element belonging to Y and a lanthanum series.

第1〜第4の発明をより明確に理解するために、以下
の実施例1から4に具体的に示す。
In order to more clearly understand the first to fourth inventions, Examples 1 to 4 below are specifically described.

(実施例1) ここでは、バルク焼成体についてLn=Ndを用いた場合
の発明の実施例を示す。まず、Bi2O3,SrCO3,CaCO3,Nd2O
3,CuOの酸化物粉体を混ぜ合わせる。続いてこの混合粉
体の炭素分子を取り除くために、空気中で700℃で5時
間の熱処理を施した。さらに熱処理後の前記混合粉体を
直径8mm,厚さ2mmのディスクにプレス加工する。このプ
レスを酸素雰囲気中において、900℃で5時間熱処理を
施した。Bi2Sr2Ca1-yNdyCu2Oxの材料を作成するため
に、上記酸化物粉体混合の段階でBi:Sr:Ca:Nd:Cu=2:2:
1−y:y:2になるように秤量する。さらに電気特性を測定
するために、前記熱処理後のディスク上の白金(Pt)電
極をパターニングして高周波マグネトロンスパッタ法に
より蒸着させる。Bi2Sr2Ca1-yNdyCu2Oxの抵抗率の温度
特性を第1図に示す。yを増やすにしたがって、電気的
特性は半導体的になり、y≧0.5のときに超伝導現象が
消滅し、yは1にすると完全な絶縁体になることがわか
った。しかし、完全な絶縁体にすることは電子デバイス
にする場合の応用範囲を狭めることになってしまい、さ
らにyを1に近付ける程、結晶内の歪量が多くなるた
め、yを1に近付けることは実際上得策でなく、総合的
に考察するとy≦0.75であるとよい。このBi2Sr2LnCu2O
xの結晶構造をBi2Sr2Ca2Cu2Oxのそれと比較して第2図
に示す。
(Example 1) Here, an example of the invention when Ln = Nd is used for a bulk fired body will be described. First, Bi 2 O 3 , SrCO 3 , CaCO 3 , Nd 2 O
3. Mix the CuO oxide powder. Subsequently, in order to remove carbon molecules of this mixed powder, a heat treatment was performed at 700 ° C. for 5 hours in air. Further, the heat-treated mixed powder is pressed into a disk having a diameter of 8 mm and a thickness of 2 mm. This press was subjected to a heat treatment at 900 ° C. for 5 hours in an oxygen atmosphere. In order to produce a material of Bi 2 Sr 2 Ca 1-y Nd y Cu 2 O x , Bi: Sr: Ca: Nd: Cu = 2: 2:
Weigh to 1-y: y: 2. Further, in order to measure electric characteristics, the platinum (Pt) electrode on the disk after the heat treatment is patterned and deposited by a high-frequency magnetron sputtering method. FIG. 1 shows the temperature characteristics of the resistivity of Bi 2 Sr 2 Ca 1-y Nd y Cu 2 O x . It was found that as y was increased, the electrical characteristics became semiconductive, the superconductivity phenomenon disappeared when y ≧ 0.5, and that when y was 1, a complete insulator was obtained. However, making a perfect insulator narrows the range of application when making an electronic device. Further, as y approaches 1, the amount of strain in the crystal increases, so that y approaches 1. Is practically not a good idea, and it is preferable that y ≦ 0.75 be considered comprehensively. This Bi 2 Sr 2 LnCu 2 O
The crystal structure of x shown in FIG. 2 compared to that of Bi 2 Sr 2 Ca 2 Cu 2 O x.

Bi2Sr2Ca2Cu2Oxは2つのピミッド型Cu−OがSr−O、
Ca−OとともにBi2O2層に挟まれたペロブスカイト構造
をしている(第2図(a))。一方、Bi2Sr2LnCu2Ox
X線回折等の分析からBi2Sr2Ca2Cu2OxのCaがLnに完全置
換したものであることがわかった(第2図(b))。
Bi 2 Sr 2 Ca 2 Cu 2 O x is composed of two pyramid-shaped Cu-Os, Sr-O,
It has a perovskite structure sandwiched between Bi 2 O 2 layers together with Ca—O (FIG. 2 (a)). On the other hand, Bi 2 Sr 2 LnCu 2 O x was analyzed from X-ray diffraction and the like to find that Ca of Bi 2 Sr 2 Ca 2 Cu 2 O x was completely substituted with Ln (FIG. 2 (b)). ).

Bi2Sr2LnCu2OxがBi2Sr2Ca2Cu2Oxに比べてはるかに高
い抵抗率を示す原因は今のところよくわかっていない
が、および次のように解釈される。すなわち電気伝導は
Cu−Oのネットワークで行われるが、Ca2+があるBi2Sr2
CaCu2OxのときにはCu−Oネットワークにホールが供給
され、Ca2+を価数の異なるLn3+に置換することによって
ホールの供給はなくなり、Bi2Sr2LnCu2Oxは絶縁体とな
るもの考えられる。さらに、Bi−Sr−Ln−Cu−Oの材料
をBi2Sr3-yLnyCu2Oxと記述した場合、y≠1のときには
電気伝導性が現れることがわかった。y<1のときに
は、その結晶構造はBi2Sr2CaCu2Oxと同じであり、CaをS
rとLnで置き換えたかたちとなっている。一方、y>1
のときには、その結晶構造が電気伝導性を持つBi2Sr2Cu
O2に変化することがわかった。
The reason why Bi 2 Sr 2 LnCu 2 O x exhibits much higher resistivity than Bi 2 Sr 2 Ca 2 Cu 2 O x is not well understood at present, but is interpreted as follows. That is, electric conduction
Bi 2 Sr 2 with Cu 2+ but with Ca 2+
In the case of CaCu 2 O x , holes are supplied to the Cu-O network.By replacing Ca 2+ with Ln 3+ having a different valence, the supply of holes is eliminated, and Bi 2 Sr 2 LnCu 2 O x becomes an insulator. It is possible. Furthermore, if the material of the Bi-Sr-Ln-Cu- O was described as Bi 2 Sr 3-y Ln y Cu 2 O x, it was found that the electric conductivity appears when the y ≠ 1. When y <1, the crystal structure is the same as Bi 2 Sr 2 CaCu 2 O x ,
It is replaced by r and Ln. On the other hand, y> 1
In the case of Bi 2 Sr 2 Cu whose crystal structure has electrical conductivity
It was found that the change in O 2.

なお、Bi−Sr−Ln−Cu−Oにおいて、絶縁性を得るた
めには正確にBi2Sr2LnCu2Oxとなる組成は調整が必要で
あるが、通常、超伝導転移が発現するのはおよそ120゜K
以下であることから、Bi2Sr2Ca1-yNdyCu2Oxにおいて0.5
≦y≦0.75の範囲であれば好適な絶縁体として機能する
ことになる。
In Bi-Sr-Ln-Cu-O, the composition of Bi 2 Sr 2 LnCu 2 O x needs to be adjusted accurately in order to obtain insulating properties, but usually, a superconducting transition occurs. Is about 120 ゜ K
From the following, 0.5 in Bi 2 Sr 2 Ca 1-y Nd y Cu 2 O x
If it is in the range of ≦ y ≦ 0.75, it will function as a suitable insulator.

なお、絶縁体として適用できるLnに種類について検討
を行った。その結果、Ln=Ce,Y,Pr,Nd,Pm,Sm,Eu,Gd,Tb,
Dy,Ho,Tm,Yb,LuについてBi2Sr2LnCu2Oxは絶縁体になる
ことを見いだした。
The type of Ln that can be used as an insulator was examined. As a result, Ln = Ce, Y, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb,
Bi 2 Sr 2 LnCu 2 O x was found to be an insulator for Dy, Ho, Tm, Yb, and Lu.

種々の検討を行った結果、上記Bi2Sr2LnCu2Oxが絶縁
体として優れていることを見いだした。この理由とし
て、この材料はBi2O2酸化物層がSr,Ln,Cuおよび酸素等
の元素からなる構造体を挟み込んだ層状ペロブスカイト
を示し、このBi2O2層は同種の結晶構造の物質の界面に
対して高温の熱処理においても非常に安定であり、一連
の酸化物超伝導体とのその結晶におけるa軸,b軸の長さ
がほぼ等しいことから、格子の整合性がきわめて優れて
おり、この材料を薄膜化した場合、酸化物超伝導体上へ
Bi2Sr2LnCu2Ox、さらにBi2Sr2LnCu2Ox上への酸化物超伝
導体の連続エピタキシャル成長が可能であることがあげ
られる。そこでBi2Sr2LnCu2Oxの薄膜化を試み、薄膜化
には高周波マグネトロンスパッタリング法を用いた。ス
パッタリングターゲットとして、空気中において850
℃、5時間焼成した混合酸化物を用い、ArとO2混合ガス
雰囲気中でスパッタリングを行うことによって、Bi2Sr2
LnCu2Oxの薄膜化が可能であることがわかった。しか
し、酸化物高温超伝導体を電子デバイスに応用する場
合、絶縁膜の厚みは数百Å程度であることが要求される
こと、またこの絶縁体の結晶構造は第2図(b)に示す
ような構造を持ち、結晶はBi−O,Sr−Cr−O,Ln−Cu−O
の各部分を順次積層した形となっていることから、第2
の発明に至った。
As a result of various studies, it was found that the above Bi 2 Sr 2 LnCu 2 O x was excellent as an insulator. For this reason, this material shows a layered perovskite in which a Bi 2 O 2 oxide layer sandwiches a structure composed of elements such as Sr, Ln, Cu and oxygen, and this Bi 2 O 2 layer is a substance having the same kind of crystal structure. Is very stable to high temperature heat treatment with respect to the interface, and since the lengths of the a-axis and b-axis in the crystal with a series of oxide superconductors are almost equal, the lattice matching is extremely excellent. When this material is thinned, it is deposited on the oxide superconductor.
It is mentioned that continuous epitaxial growth of oxide superconductor on Bi 2 Sr 2 LnCu 2 O x and further on Bi 2 Sr 2 LnCu 2 O x is possible. Therefore, Bi 2 Sr 2 LnCu 2 O x was attempted to be thinned, and a high-frequency magnetron sputtering method was used for the thinning. 850 in air as a sputtering target
Bi 2 Sr 2 was obtained by performing sputtering in a mixed gas atmosphere of Ar and O 2 using a mixed oxide fired at 5 ° C. for 5 hours.
It has been found that LnCu 2 O x can be made thinner. However, when the oxide high-temperature superconductor is applied to an electronic device, the thickness of the insulating film is required to be about several hundreds of mm, and the crystal structure of the insulator is shown in FIG. 2 (b). It has a similar structure, and the crystals are Bi-O, Sr-Cr-O, Ln-Cu-O
Since each part is sequentially laminated, the second
Invention.

第2の発明の実施例を以下の実施例2に示す。 An embodiment of the second invention is shown in the following embodiment 2.

(実施例2) 第3図に本実施例で用いた3元マグネトロンスパッタ
装置の概略図を示す。第3図において、11はBiターゲッ
ト、12はSrCu合金ターゲット、13はNdCu合金ターゲッ
ト、14はシャッター、15はスリット、16は基体、17は基
体加熱用ヒーターを示す。計3個のターゲット11,12,13
は第3図に示すように配置される。すなわち、MgO(10
0)基体17に焦点を結ぶように各ターゲットが約30゜傾
いて設置されている。ターゲットの前方には回転するシ
ャッター14があり、パルスモータで駆動することにより
その中に設けられたスリット15の回転が制御され、各タ
ーゲットのサイクルおよびスパッタ時間を設定すること
ができる。基体16のヒーター17で約600℃に加熱し、ア
ルゴン・酸素(5:1)混合雰囲気3Paのガス中で各ターゲ
ットのスパッタリングを行なった。各ターゲットのスパ
ッタ電流を、Bi:30mA,SrCu:80mA,NdCu:300mAにして実験
を行った。Bi→SrCu→NdCu→Biのサイクルでスパッタ
し、Bi−Sr−Nd−Cu−O膜の元素の組成比率がBi:Sr:N
d:Cu=2:2:1:2となるように各ターゲットのスパッタ時
間を調整し、上記サイクルを7周期行った。このままの
状態でもこのBi−Sr−Nd−Cu−O薄膜はc軸配向膜とな
り、安定な絶縁膜の形成が可能となったが、さらに酸素
中で650℃、1時間の熱処理を行うと非常に結晶性のよ
い膜となった。
Embodiment 2 FIG. 3 shows a schematic diagram of a ternary magnetron sputtering apparatus used in this embodiment. In FIG. 3, reference numeral 11 denotes a Bi target, 12 denotes an SrCu alloy target, 13 denotes an NdCu alloy target, 14 denotes a shutter, 15 denotes a slit, 16 denotes a substrate, and 17 denotes a substrate heating heater. Three targets 11, 12, 13
Are arranged as shown in FIG. That is, MgO (10
0) Each target is installed at an angle of about 30 ° so as to focus on the base 17. A rotating shutter 14 is provided in front of the target, and when driven by a pulse motor, the rotation of a slit 15 provided therein is controlled, so that the cycle and sputtering time of each target can be set. The target 16 was heated to about 600 ° C. by the heater 17 of the base 16, and each target was sputtered in a gas of a mixed atmosphere of argon and oxygen (5: 1) 3 Pa. The experiment was performed with the sputtering current of each target set to Bi: 30 mA, SrCu: 80 mA, and NdCu: 300 mA. Sputtering in the cycle of Bi → SrCu → NdCu → Bi, the composition ratio of the elements of the Bi-Sr-Nd-Cu-O film is Bi: Sr: N
The sputtering time of each target was adjusted so that d: Cu = 2: 2: 1: 2, and the above cycle was performed for 7 cycles. Even in this state, the Bi-Sr-Nd-Cu-O thin film becomes a c-axis oriented film, and a stable insulating film can be formed. A film with good crystallinity was obtained.

なお、Bi−Sr−Nd−Cu−Oの絶縁膜薄は、単一蒸発源
を用いた蒸着法によっても得ることは可能であるが、こ
の種の材料からの場合組成の調節が極めて困難であるこ
とから、第2の発明の方法が有効である。
It should be noted that a Bi-Sr-Nd-Cu-O insulating film thin film can be obtained by a vapor deposition method using a single evaporation source. Therefore, the method of the second invention is effective.

さらに、絶縁薄膜と超伝導薄膜との有効な積層を試
み、第3の発明に至った。
Further, effective lamination of an insulating thin film and a superconducting thin film was attempted, and the third invention was achieved.

第3の発明の具体的実施例を実施例3として以下に示
す。
A specific example of the third invention is shown below as Example 3.

(実施例3) 第4図に本発明で作製した薄膜の断面図を模式的に表
す。第4図において、基体上にBi−Sr−Ca−Cu−O膜と
Bi−Sr−Nd−Cu−O膜を交互に積層した。積層の方法と
しては、Bi−Sr−Ca−Cu−O膜は単一ターゲットの高周
波マグネトロンスパッタ法で蒸着し、さらに実施例2で
示した方法でBi−Sr−Nd−Cu−O膜を蒸着した。Bi−Sr
−Ca−Cu−O膜の膜厚は約1000Åであり、Bi−Sr−Nd−
Cu−O膜の膜厚すなわち実施例2で用いた第3図の実験
装置における積層の周期の数を変化させ、薄膜の抵抗率
の変化を調べ、結果を第5図に示す。ここで周期数をm
とする。m=6のとき、最も高い超伝導転移温度および
ゼロ抵抗温度、すなわち特性32が得られる。特性32の超
伝導転移温度、ゼロ抵抗温度はBi−Sr−Ca−Cu−O膜本
来のそれらの値よりも約8゜K高いものであった。この
結果の詳細な理由については未だ不明であるが、第4図
に示すように、Bi−Sr−Ca−Cu−O膜とBi−Sr−Nd−Cu
−O膜とを周期的に積層することによって、Bi−Sr−Ca
−Cu−O膜とBi−Sr−Nd−Cu−O膜が互いにBi2O2層を
介してエピタキシャル成長していることにより積層界面
での元素の相互拡散の影響がなく、かつ結晶性に優れた
薄いBi−Sr−Nd−Cu−O膜を介して同じく結晶性に優れ
たBi−Sr−Ca−Cu−O膜を積層することによりBi−Sr−
Ca−Cu−O膜において超伝導機構になんらかの変化が引
き起こされたことが考えられるが、機構はまだあきらか
にできない。
Example 3 FIG. 4 schematically shows a cross-sectional view of a thin film produced by the present invention. In FIG. 4, a Bi—Sr—Ca—Cu—O film was formed on a substrate.
Bi-Sr-Nd-Cu-O films were alternately laminated. As a lamination method, a Bi-Sr-Ca-Cu-O film is deposited by a single target high-frequency magnetron sputtering method, and a Bi-Sr-Nd-Cu-O film is further deposited by the method described in Example 2. did. Bi-Sr
-The thickness of the Ca-Cu-O film is about 1000Å, and Bi-Sr-Nd-
The thickness of the Cu—O film, that is, the number of lamination cycles in the experimental apparatus of FIG. 3 used in Example 2 was changed to examine the change in the resistivity of the thin film. The results are shown in FIG. Here, the number of cycles is m
And When m = 6, the highest superconducting transition temperature and zero resistance temperature, that is, characteristic 32, are obtained. The superconducting transition temperature and zero resistance temperature of characteristic 32 were about 8 K higher than those of the Bi-Sr-Ca-Cu-O film. Although the detailed reason for this result is still unknown, as shown in FIG. 4, the Bi—Sr—Ca—Cu—O film and the Bi—Sr—Nd—Cu
-O film is periodically laminated to form Bi-Sr-Ca
-Cu-O film and the Bi-Sr-Nd-Cu- O film without elemental influence of interdiffusion at the interface between the stacked layers by the epitaxially grown via a Bi 2 O 2 layer to each other, and excellent crystallinity By stacking a Bi-Sr-Ca-Cu-O film also having excellent crystallinity via a thin Bi-Sr-Nd-Cu-O film, Bi-Sr-
It is possible that some change in the superconducting mechanism was caused in the Ca-Cu-O film, but the mechanism cannot be clarified yet.

なお、超伝導転移温度が上昇する効果は、Bi→SrCu→
NdCu→Biのサイクルが4〜10の範囲でとくに有効である
ことを、本発明者らは確認した。
Note that the effect of increasing the superconducting transition temperature is Bi → SrCu →
The present inventors have confirmed that the cycle of NdCu → Bi is particularly effective in the range of 4 to 10.

なお、Bi−Sr−Nd−Cu−O膜の代わりに、Bi−Sr−Ln
−Cu−O(Ln=Ce,Y,Pr,Nd,Pm,Sm,Eu,Gd,Tb,Dy,Ho,Tm,Y
b,Lu)膜を用いたときも第3の発明が有効であることを
確認した。また、Bi:Sr:Ln:Cu=2:2:1:2のとき、最も絶
縁性が高く、その組成を用いた第3の発明の超伝導体
が、最も超伝導特性の向上、安定性を示した。
Note that, instead of the Bi-Sr-Nd-Cu-O film, Bi-Sr-Ln
-Cu-O (Ln = Ce, Y, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Tm, Y
It was confirmed that the third invention was also effective when a (b, Lu) film was used. Also, when Bi: Sr: Ln: Cu = 2: 2: 1: 2, the superconductor having the highest insulating property and the composition of the third invention using the composition has the most improved superconductivity and stability. showed that.

第4の発明の実施例を以下実施例4に示す。 Embodiment 4 Embodiment 4 of the present invention will be described below.

(実施例4) 第6図は、本実施例で用いた四元マグネトロンスパッ
タ装置内部の概略図であり、41はBiターゲット、42はSr
Cuターゲット、43はCaCuターゲット、44はNdCuターゲッ
ト、45はシャッター、46はスリット、47は基体、48は基
体加熱用ヒーターを示す。ターゲット41は金属のターゲ
ット、ターゲット42,43,44は元素比率Sr(もしくはCa、
もしくはNd):Cu=1:1の合金ターゲットであり、第6図
に示すように配置させた。すなわち、MgO(100)基体47
に焦点を結ぶように各ターゲットが約30゜傾いて設置さ
れている。ターゲットの前方には回転するシャッター45
があり、その中に設けられたスリット46の回転をパルス
モーターで制御することにより、(Bi→SrCu→NdCu→Sr
Cu→Bi)のサイクルと(Bi→SrCu→CaCu→SrCu→Bi)の
サイクルでスパッタ蒸着を行うことができる。積層の様
子を概念的に第7図に示したが、ターゲット41,42,43,4
4への入力電力、それぞれのターゲットのスパッタ時間
を制御することにより、基体47上に蒸着するBi−Sr−Nd
−Cu−O膜,Bi−Sr−Ca−Cu−O膜の膜厚を変えること
ができる。基体47をヒーター48で約700℃に加熱し、ア
ルゴン・酸素(1:1)混合雰囲気0.5Paのガス中で各ター
ゲットのスパッタリングを行なった。薄膜作製後は酸素
雰囲気中において、850℃の熱処理を5時間施した。
(Example 4) FIG. 6 is a schematic view of the inside of a quaternary magnetron sputtering apparatus used in this example, where 41 is a Bi target and 42 is Sr.
A Cu target, 43 is a CaCu target, 44 is an NdCu target, 45 is a shutter, 46 is a slit, 47 is a substrate, and 48 is a substrate heating heater. The target 41 is a metal target, and the targets 42, 43, and 44 are element ratios Sr (or Ca,
Or Nd): Cu = 1: 1 alloy target, which was arranged as shown in FIG. That is, the MgO (100) substrate 47
Each target is installed at an angle of about 30 ° to focus on the target. A rotating shutter 45 in front of the target
By controlling the rotation of the slit 46 provided therein with a pulse motor, (Bi → SrCu → NdCu → Sr
Sputter deposition can be performed in a cycle of (Cu → Bi) and a cycle of (Bi → SrCu → CaCu → SrCu → Bi). FIG. 7 conceptually shows the state of lamination, and the targets 41, 42, 43, 4
By controlling the input power to 4 and the sputtering time of each target, Bi-Sr-Nd
-The thickness of the Cu-O film and the Bi-Sr-Ca-Cu-O film can be changed. The substrate 47 was heated to about 700 ° C. by a heater 48, and each target was sputtered in a gas of 0.5 Pa in a mixed atmosphere of argon and oxygen (1: 1). After forming the thin film, a heat treatment at 850 ° C. was performed for 5 hours in an oxygen atmosphere.

本実施例では、Bi−Sr−Ca−Cu−O膜の元素の組成比
率がBi:Sr:Ca:Cu=2:2:2:3,Bi−Sr−Nd−Cu−O膜の元
素の組成比率がBi:Sr:Nd:Cu=2:2:1:2になるよう、スパ
ッタ時間スパッタ電流を調節した。さらに、結晶性を維
持したまま、薄くできる膜厚の限界は数十Åであると思
われる。絶縁膜はできるだけ薄い方が好ましいので、k
・(Bi→SrCu→CaCu→SrCu→Bi)→l・(Bi→SrCu→Nd
Cu→SrCu→Bi)と書き表せる周期を20周期行なった。な
お、良好な結晶構造を保ったまま作製できるBi−Sr−Nd
−Cu−O膜の膜厚はl=2が限度であった。そこで、l
=2のとき、゜Kを変化させできあがった薄膜の抵抗率
の温度変化を調べ、そのときの結果を第8図に示す。第
8図において、81は゜K=2、82は゜K=6、83は゜K=1
0のときの結果を示す。この図からわかるように、゜K=
6のとき最も超伝導転移温度並びにゼロ抵抗温度が絶縁
膜Bi−Sr−Nd−Cu−Oと積層しない場合に比べ上昇する
ことがわかった。この物理的な原因はよくわからない
が、第4の発明により、Bi−Sr−Ca−Cu−O薄膜とBi−
Sr−Nd−Cu−O薄膜の両方をきわめて制御性よく積層で
きたことによるものと考えられる。
In this embodiment, the composition ratio of the elements of the Bi-Sr-Ca-Cu-O film is Bi: Sr: Ca: Cu = 2: 2: 2: 3, and the element ratio of the Bi-Sr-Nd-Cu-O film. The sputtering current was adjusted so that the composition ratio became Bi: Sr: Nd: Cu = 2: 2: 1: 2. Further, it is considered that the limit of the film thickness that can be reduced while maintaining the crystallinity is several tens of mm. Since the insulating film is preferably as thin as possible,
・ (Bi → SrCu → CaCu → SrCu → Bi) → l ・ (Bi → SrCu → Nd
The cycle that can be expressed as Cu → SrCu → Bi) was performed 20 times. Note that Bi-Sr-Nd can be manufactured while maintaining a favorable crystal structure.
The film thickness of the -Cu-O film was limited to l = 2. Then, l
When = 2, the temperature change of the resistivity of the thin film completed by changing ΔK was examined, and the result at that time is shown in FIG. In FIG. 8, 81 is ΔK = 2, 82 is ΔK = 6, 83 is ΔK = 1.
The result at the time of 0 is shown. As can be seen from this figure, ゜ K =
6, it was found that the superconducting transition temperature and the zero resistance temperature rose most as compared with the case where the insulating film was not laminated with Bi-Sr-Nd-Cu-O. Although the physical cause of this is not well understood, according to the fourth invention, the Bi-Sr-Ca-Cu-O thin film and the Bi-
It is considered that both of the Sr-Nd-Cu-O thin films could be laminated with extremely controllability.

さらに第2,第4の発明においてスパッタリング法を用
いなくても、Biの酸化物と、Sr,Ca,Cu,Ndの酸化物を異
なる蒸発源から真空中で別々に蒸発させ、同様の構造を
周期的に積層させた場合、(実施例4)に示したスパッ
タリングを用い、積層構造作製方法と同じく制御性良
く、安定した膜質の、薄膜をうることが可能である。Bi
−O,Sr−Cu−O,Ca−Cu−O,Nd−Oを周期的に積層させる
方法としては、いくつか考えられる。一般的に、MBE装
置あるいは多元のEB蒸着装置で蒸発源の前を開閉シャッ
ターで制御したり、気相成長法で作製する際にガスの種
類を切り替えたりすることにより、周期的積層を達成す
ることができる。しかしこの種の非常に薄い層の積層に
は従来スパッタリング蒸着は不向きとされていた。この
理由は、成膜中のガス圧の高さに起因する不純物の混入
およびエネルギーの高い粒子によるダメージと考えられ
ている。しかしながら、このBi系酸化物超伝導体,絶縁
薄膜に対して、スパッタリングにより異なる薄い層の積
層を形成したところ、意外にも良好な積層膜作製が可能
であることを発見した。スパッタ中の高い酸素ガス圧お
よびスパッタ放電により、膜内への酸素導入がより促進
され、超伝導特性の再現性、安定化が図られ、Bi系の10
0゜K以上の臨界温度を持つ相の形成、および絶縁薄膜の
形成に都合がよいためではなかろうかと考えられる。
Further, the Bi oxide and the Sr, Ca, Cu, Nd oxides are separately evaporated from different evaporation sources in vacuum without using the sputtering method in the second and fourth inventions, and the same structure is obtained. When the layers are periodically stacked, it is possible to obtain a thin film of stable film quality with the same controllability as in the method of manufacturing a stacked structure by using the sputtering shown in (Example 4). Bi
There are several possible methods for periodically stacking -O, Sr-Cu-O, Ca-Cu-O, and Nd-O. In general, periodic lamination is achieved by controlling the front of the evaporation source with an opening / closing shutter using an MBE device or a multi-source EB evaporation device, or by switching the type of gas when manufacturing by vapor phase growth. be able to. However, sputtering deposition has heretofore been unsuitable for stacking very thin layers of this type. It is considered that the reason for this is that impurities are mixed due to the high gas pressure during the film formation and damage is caused by high energy particles. However, when different thin layers were formed by sputtering on the Bi-based oxide superconductor and the insulating thin film, it was found that a surprisingly good laminated film could be produced. Due to the high oxygen gas pressure and sputtering discharge during sputtering, the introduction of oxygen into the film is further promoted, and the reproducibility and stabilization of the superconducting characteristics are achieved.
This is probably because it is convenient for forming a phase having a critical temperature of 0 ° K or more and for forming an insulating thin film.

スパッタ蒸着で異なる物質を積層させる方法として
は、組成分布を設けた1個のスパッタリングターゲット
の放電位置を周期的に制御するという方法があるが、組
成の異なる複数個のターゲットのスパッタリングという
方法を用いると比較的簡単に達成することができる。こ
の場合、複数個のターゲットの各々のスパッタ量を周期
的に制御したり、あるいはターゲットの前にシャッター
を設けて周期的に開閉したりして、周期的積層膜を作製
することができる。また基板を周期的運動させて各々タ
ーゲットの上を移動させる方法でも作製が可能である。
レーザースパッタあるいはイオンビームスパッタを用い
た場合には、複数個のターゲットを周期運動させてビー
ムの照射するターゲットを周期的に変えれば、周期的積
層膜が実現される。このように複数個のターゲットを用
いたスパッタリングによる比較的簡単にBi系酸化物の周
期的積層が作製可能となる。(実施例2,4)で示したよ
うにBi−O,Sr−Cu−O,Ca−Cu−O,Nd−Oを別々の蒸発源
から蒸発させ、Bi−Sr−Ca−Cu−O超伝導薄膜とBi−Sr
−Nd−O絶縁膜を周期的に積層したとき、極めて制御性
良くm(Bi−Sr−Ca−Cu−O)・n(Bi−Sr−Nd−O)
の周期構造を持つ薄膜を形成できることを見いだした。
ここで、m,nは正の整数を示す。また、蒸発源としてBi
−Sr−Ca−Cu−O,Bi−Sr−Nd−Oの複合酸化物を用いて
も、簡単な方法で薄膜を作製できる。別々の蒸発源を用
いると、より結晶性が優れ、組成制御性がきわめて良
い、作製方法となる。超伝導転移温度,臨界電流密度等
の特性に勝っていることも併せて見いだした。さらに、
上記の方法で作製したBi−Sr−Ca−Cu−O超伝導薄膜と
Bi−Sr−Nd−Cu−O絶縁膜はともに薄膜表面が極めて平
坦であることを見いだした。これは、それぞれ層状構造
を構成する異なる元素を別々に順次積層していくことに
より、基体表面に対し平行な面内だけで積層された蒸着
元素が動くだけで、基体表面に対し垂直方向への元素の
移動がないことによるものと考えられる。さらに、この
組成の絶縁薄膜は層状ペロブスカイト構造の結晶であ
り、a軸の長さは、Bi−Sr−Ca−Cu−Oのそれとほぼ等
しく、連続的にエピタキシャル成長が可能であることに
よるものと考えられる。
As a method of laminating different materials by sputter deposition, there is a method of periodically controlling the discharge position of one sputtering target having a composition distribution, but a method of sputtering a plurality of targets having different compositions is used. And can be achieved relatively easily. In this case, a periodic laminated film can be manufactured by periodically controlling the amount of sputtering of each of the plurality of targets, or by providing a shutter in front of the targets and periodically opening and closing them. Further, it can also be manufactured by a method in which the substrate is moved periodically over the target by periodically moving the substrate.
In the case of using laser sputtering or ion beam sputtering, a periodic laminated film can be realized by periodically moving a plurality of targets to change the target to be irradiated with a beam periodically. Thus, the periodic lamination of the Bi-based oxide can be relatively easily produced by sputtering using a plurality of targets. As shown in (Examples 2 and 4), Bi-O, Sr-Cu-O, Ca-Cu-O, and Nd-O were evaporated from separate evaporation sources, and Bi-Sr-Ca-Cu-O Conductive thin film and Bi-Sr
-N (Bi-Sr-Ca-Cu-O) .n (Bi-Sr-Nd-O) with very controllability when -Nd-O insulating film is periodically laminated
It has been found that a thin film having a periodic structure can be formed.
Here, m and n indicate positive integers. In addition, Bi
Even if a composite oxide of -Sr-Ca-Cu-O or Bi-Sr-Nd-O is used, a thin film can be formed by a simple method. When separate evaporation sources are used, a production method with more excellent crystallinity and excellent composition controllability can be obtained. It has also been found that it has superior properties such as superconducting transition temperature and critical current density. further,
Bi-Sr-Ca-Cu-O superconducting thin film produced by the above method and
The Bi-Sr-Nd-Cu-O insulating film was found to have an extremely flat thin film surface. This is because, by sequentially and sequentially laminating the different elements constituting the layered structure separately, the deposited elements only move in a plane parallel to the substrate surface, and the vapor deposition elements move in a direction perpendicular to the substrate surface. It is considered that there is no element movement. Furthermore, the insulating thin film of this composition is a crystal having a layered perovskite structure, and the length of the a-axis is almost equal to that of Bi-Sr-Ca-Cu-O, which is considered to be due to the fact that continuous epitaxial growth is possible. Can be

さらに以外にも、良好な超伝導特性を得ることに必要
な基体の温度,熱処理温度も、従来より低いことを見い
だした。
In addition, the present inventors have also found that the temperature of the substrate and the heat treatment temperature necessary for obtaining good superconducting properties are lower than before.

(発明の効果) 以上のように第1の発明の絶縁体は、酸化物超伝導薄
膜のデバイス構成にかかせない要素部を提供するもので
あり、第2の発明の絶縁薄膜の製造方法は第1の発明を
より効果的に実現し、デバイス等の応用には必須の低温
でのプロセス確立したものであり、第3の発明の超伝導
薄膜は、酸化物超伝導薄膜の高性能化を実現し、提供す
るものであり、第4の発明の超伝導薄膜の製造方法は第
3の発明をより効果的に実現し、デバイス等の応用には
必須の低温でのプロセス確立したものであり、本発明の
工業的価値は大きい。
(Effect of the Invention) As described above, the insulator of the first invention provides an element part indispensable for the device configuration of the oxide superconducting thin film, and the method of manufacturing the insulating thin film of the second invention is as follows. The first invention has been more effectively realized, and a low-temperature process essential for application of devices and the like has been established. The superconducting thin film of the third invention is intended to improve the performance of oxide superconducting thin films. The method for manufacturing a superconducting thin film according to the fourth aspect of the present invention realizes the third aspect of the invention more effectively, and establishes a low-temperature process essential for application of devices and the like. The industrial value of the present invention is great.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

第1図は第1の発明の実施例における絶縁体の抵抗率の
温度特性図、第2図は第1の発明の実施例における構造
概念図、第3図は第2の発明の実施例における絶縁薄膜
の製造方法に用いた装置の概略図、第4図は第3の発明
で作製した薄膜の断面図、第5図は第3の実施例におけ
る超伝導薄膜の抵抗の温度依存性を示す図、第6図は第
4の発明の実施例における超伝導薄膜の製造方法にもち
いた装置の概略図、第7図は第4の発明の薄膜作製の構
造概念図、第8図は第4の発明実施例で得られた薄膜の
抵抗率の温度特性図である。 11,12,13,41,42,43,44……スパッタリングターゲット、
14,45……シャッター、15,46……スリット、17,47……M
gO基体、17,48……ヒーター、31,32,33,81,82,83……薄
膜の抵抗の温度特性。
FIG. 1 is a temperature characteristic diagram of the resistivity of an insulator according to the embodiment of the first invention, FIG. 2 is a conceptual diagram of the structure according to the embodiment of the first invention, and FIG. FIG. 4 is a schematic view of an apparatus used for the method of manufacturing an insulating thin film, FIG. 4 is a cross-sectional view of the thin film manufactured according to the third invention, and FIG. 5 shows the temperature dependence of the resistance of the superconducting thin film in the third embodiment. FIG. 6, FIG. 6 is a schematic view of an apparatus used for the method of manufacturing a superconducting thin film in the embodiment of the fourth invention, FIG. 7 is a conceptual diagram of the structure of the thin film production of the fourth invention, and FIG. FIG. 4 is a temperature characteristic diagram of resistivity of a thin film obtained in an example of the invention. 11,12,13,41,42,43,44 …… sputtering target,
14,45 …… Shutter, 15,46 …… Slit, 17,47 …… M
gO base, 17,48… heater, 31, 32, 33, 81, 82, 83… temperature characteristics of thin film resistance.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 FI H01L 39/24 ZAA H01L 39/24 ZAAB (72)発明者 足立 秀明 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電 器産業株式会社内 (72)発明者 瀬恒 謙太郎 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電 器産業株式会社内 (56)参考文献 特開 平3−50122(JP,A)──────────────────────────────────────────────────の Continued on the front page (51) Int.Cl. 6 Identification symbol FI H01L 39/24 ZAA H01L 39/24 ZAAB (72) Inventor Hideaki Adachi 1006 Odakadoma, Kadoma-shi, Osaka Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. (72) Inventor Kentaro Seto 1006 Kazuma Kadoma, Kadoma, Osaka Prefecture Inside Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. (56) References JP-A-3-50122 (JP, A)

Claims (13)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】主体成分が少なくともビスマス(Bi)、銅
(Cu)、カルシウム(Ca)、アルカリ土類(II a族)、
およびYとランタン系列にある元素を少なくとも一種以
上から成り、前記元素の比率が Bi:A:Ca:Ln:Cu=2:2:1−y:y:2(0.5≦y≦0.75) であることを特徴とする絶縁体(ここでAはアルカリ土
類であり、II a族元素のうちの少なくとも一種あるいは
二種以上の元素を示す。LnはYもしくはランタン系列に
ある元素の少なくとも一種以上の元素を示す)。
(1) The main component is at least bismuth (Bi), copper (Cu), calcium (Ca), alkaline earth (Group IIa),
And Y and at least one element in the lanthanum series, and the ratio of the elements is Bi: A: Ca: Ln: Cu = 2: 2: 1−y: y: 2 (0.5 ≦ y ≦ 0.75) An insulator (here, A is an alkaline earth, and represents at least one or two or more elements of Group IIa elements; Ln is at least one of Y or elements in the lanthanum series) Element).
【請求項2】基体上に、少なくともBiを含む酸化物、少
なくとも銅およびアルカリ土類(II a族)を含む酸化
物、少なくとも銅およびLnを含む酸化物を周期的に積層
させて得ることを特徴とする絶縁薄膜の製造方法(ここ
でアルカリ土類は、II a族元素のうちの少なくとも一種
あるいは二種以上の元素を示す。LnはYもしくはランタ
ン系列にある元素の少なくとも一種以上の元素を示
す)。
2. The method according to claim 1, wherein an oxide containing at least Bi, an oxide containing at least copper and an alkaline earth (Group IIa), and an oxide containing at least copper and Ln are periodically laminated on a substrate. Characteristic method for producing an insulating thin film (where the alkaline earth is at least one or more of the Group IIa elements. Ln is at least one element of Y or a lanthanum series element) Shown).
【請求項3】主体成分を構成する元素の比率が Bi:A:B:Ln:Cu=2:2:1−y:y:2(0.5≦y≦0.75) であることを特徴とする請求項(2)記載の絶縁薄膜の
製造方法(ここで、A、Bはアルカリ土類であり、II a
族元素のうちの少なくとも一種あるいは二種以上の元素
を示す。LnはYもしくはランタン系列にある元素の少な
くとも一種以上の元素を示す)。
3. The method according to claim 1, wherein the ratio of the elements constituting the main component is Bi: A: B: Ln: Cu = 2: 2: 1−y: y: 2 (0.5 ≦ y ≦ 0.75). Item (2): A method for producing an insulating thin film (where A and B are alkaline earths and IIa
It represents at least one element or two or more elements among group elements. Ln represents at least one element of Y or a lanthanide element).
【請求項4】積層物質の蒸発を少なくとも二種以上の蒸
発源で行うことを特徴とする請求項(2)記載の絶縁薄
膜の製造方法。
4. The method for producing an insulating thin film according to claim 2, wherein the evaporation of the laminated material is performed by at least two or more types of evaporation sources.
【請求項5】積層物質の蒸発をスパッタリングで行うこ
とを特徴とする請求項(2)記載の絶縁薄膜の製造方
法。
5. The method according to claim 2, wherein the evaporation of the laminated material is performed by sputtering.
【請求項6】基体上に、主体成分が少なくともBi,Cu,ア
ルカリ土類(II a族)から成る層状酸化物超伝導薄膜
と、主体成分が少なくともBi,Cu,アルカリ土類(II a
族)、Lnから成る層状酸化物絶縁体薄膜が交互に積層さ
れた構造を持つことを特徴とする超伝導薄膜(ここでア
ルカリ土類は、II a族元素のうちの少なくとも一種ある
いは二種以上の元素である。LnはYもしくはランタン系
列にある元素の少なくとも一種以上の元素を示す)。
6. A layered oxide superconducting thin film whose main component is at least Bi, Cu and alkaline earth (Group IIa), and a main component is at least Bi, Cu and alkaline earth (IIa)
Group), a superconducting thin film having a structure in which layered oxide insulator thin films composed of Ln are alternately laminated (where the alkaline earth is at least one or more of the group IIa elements) Ln represents at least one element of Y or an element belonging to the lanthanum series).
【請求項7】酸化物絶縁薄膜において主体成分を構成す
る元素の比率が Bi:A:B:Ln:Cu=2:2:1−y:y:2(0.5≦y≦0.75) であることを特徴とする請求項(6)記載の超伝導薄膜
(ここで、A、Bはアルカリ土類であり、II a族元素の
うちの少なくとも一種あるいは二種以上の元素を示す。
LnはYもしくはランタン系列にある元素の少なくとも一
種以上の元素を示す)。
7. The oxide insulating thin film, wherein the ratio of elements constituting a main component is Bi: A: B: Ln: Cu = 2: 2: 1−y: y: 2 (0.5 ≦ y ≦ 0.75) The superconducting thin film according to claim (6), wherein A and B are alkaline earths and represent at least one element or two or more elements of Group IIa elements.
Ln represents at least one element of Y or a lanthanide element).
【請求項8】一層あたりの酸化物薄膜において主体成分
を構成する元素の比率が Bi:A:B:Ln:Cu=2:2:1−y:y:2(0.5≦y≦0.75) であることを特徴とする請求項(6)記載の超伝導薄膜
(ここでA、Bはアルカリ土類であり、II a族元素のう
ちの少なくとも一種あるいは二種以上の元素を示す。Ln
はYもしくはランタン系列にある元素の少なくとも一種
以上の元素を示す)。
8. The ratio of elements constituting the main component in one oxide thin film is Bi: A: B: Ln: Cu = 2: 2: 1−y: y: 2 (0.5 ≦ y ≦ 0.75). The superconducting thin film according to claim 6, wherein A and B are alkaline earths and represent at least one element or two or more elements of Group IIa elements. Ln
Represents at least one element of Y or a lanthanide series element).
【請求項9】積層物質の蒸発を少なくとも二種以上の蒸
発源で行うことを特徴とする請求項(6)記載の超伝導
薄膜。
9. The superconducting thin film according to claim 6, wherein the evaporation of the laminated material is performed by at least two or more evaporation sources.
【請求項10】積層物質の蒸発をスパッタリングで行う
ことを特徴とする請求項(6)記載の超伝導薄膜。
10. The superconducting thin film according to claim 6, wherein the evaporation of the laminated material is performed by sputtering.
【請求項11】基体上に、少なくともBiを含む酸化物
と,少なくともCuおよびアルカリ土類(II a族)を含む
酸化物とを周期的に積層させて形成する酸化物薄膜と、
少なくともBiを含む酸化物と少なくともCuおよびアルカ
リ土類(II a族)、Lnを含む酸化物とを周期的に積層さ
せて形成する酸化物薄膜とを、交互に積層させて得るこ
とを特徴とする超伝導薄膜の製造方法(ここでアルカリ
土類は、II a族元素のうちの少なくとも一種あるいは二
種以上の元素を示す。LnはYもしくはランタン系列にあ
る元素の少なくとも一種以上の元素を示す)。
11. An oxide thin film formed by periodically stacking an oxide containing at least Bi and an oxide containing at least Cu and an alkaline earth (Group IIa) on a substrate;
An oxide thin film formed by periodically stacking an oxide containing at least Bi and an oxide containing at least Cu and alkaline earth (IIa group) and Ln is obtained by alternately stacking. (Where the alkaline earth is at least one or more of the Group IIa elements. Ln is at least one of the elements in the Y or lanthanum series) ).
【請求項12】積層物質の蒸発を少なくとも二種以上の
蒸発源で行うことを特徴とする請求項(11)記載の超伝
導薄膜の製造方法。
12. The method for producing a superconducting thin film according to claim 11, wherein the evaporation of the laminated material is performed by at least two or more evaporation sources.
【請求項13】積層物質の蒸発をスパッタリングで行う
ことを特徴とする請求項(11)記載の超伝導薄膜の製造
方法。
13. The method for producing a superconducting thin film according to claim 11, wherein the evaporation of the laminated material is performed by sputtering.
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