JP2994190B2 - 高温超電導薄膜構造およびその作製方法 - Google Patents
高温超電導薄膜構造およびその作製方法Info
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Landscapes
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、高温超電導薄膜の大電
流応用に関し、特に段差を有する基板上に堆積された超
電導体が、段差の角部で粒界を生じることがないように
する技術に関するものである。
流応用に関し、特に段差を有する基板上に堆積された超
電導体が、段差の角部で粒界を生じることがないように
する技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】超電導薄膜デバイスを作製する際には、
電極形成や接合形成のために、エッチングにより基板に
段差を設け、この段差上に超電導薄膜を堆積することが
行われてきた。
電極形成や接合形成のために、エッチングにより基板に
段差を設け、この段差上に超電導薄膜を堆積することが
行われてきた。
【０００３】基板の段差の上にＹＢＣＯ（ＹＢa2Ｃｕ3
Ｏ7-δ）などの高温超電導体を成膜した場合、段差の角
部に粒界が生じることがすでに知られている（例えば、
フィジカ Ｃ 第１９６巻 ２１１頁 １９９２）。こ
の粒界があるところは弱結合を生じ易く、例えばＹＢＣ
Ｏならば９０Ｋ以下の低温でジョセフソン接合となる。
したがって粒界があると臨界電流が下がり、大電流を取
ることができず、高周波素子などを作製する場合には低
抵抗とならずに問題となる。そこで、このような大電流
を必要とする場合には、単結晶薄膜が必要となり、平坦
な基板が要求される。
Ｏ7-δ）などの高温超電導体を成膜した場合、段差の角
部に粒界が生じることがすでに知られている（例えば、
フィジカ Ｃ 第１９６巻 ２１１頁 １９９２）。こ
の粒界があるところは弱結合を生じ易く、例えばＹＢＣ
Ｏならば９０Ｋ以下の低温でジョセフソン接合となる。
したがって粒界があると臨界電流が下がり、大電流を取
ることができず、高周波素子などを作製する場合には低
抵抗とならずに問題となる。そこで、このような大電流
を必要とする場合には、単結晶薄膜が必要となり、平坦
な基板が要求される。
【０００４】一方、超電導薄膜を磁気シールドあるいは
マイクロ波キャビティ等の高周波素子に応用する場合に
は、素子が立体構造を取らなければならない。しかし、
立体構造を取るために基板に一個以上の段差を設けなけ
ればならないが、前述したように段差の角部で粒界が発
生することを防ぐことがこれまではできなかった。
マイクロ波キャビティ等の高周波素子に応用する場合に
は、素子が立体構造を取らなければならない。しかし、
立体構造を取るために基板に一個以上の段差を設けなけ
ればならないが、前述したように段差の角部で粒界が発
生することを防ぐことがこれまではできなかった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】段差のある基板上に超
電導薄膜を堆積した場合、段差の角部に粒界を生じるた
め、これまでは大電流高温超電導デバイス応用に制限が
生じていた。
電導薄膜を堆積した場合、段差の角部に粒界を生じるた
め、これまでは大電流高温超電導デバイス応用に制限が
生じていた。
【０００６】大電流高温超電導薄膜デバイスを実現する
ためには、この段差の角部の粒界をなくす技術を開発し
デバイスの制御を行う必要がある。
ためには、この段差の角部の粒界をなくす技術を開発し
デバイスの制御を行う必要がある。
【０００７】したがって本発明の目的は、この段差の角
部の粒界をなくし、大電流高温超電導デバイスの制御を
容易に行うことを可能にすることにある。
部の粒界をなくし、大電流高温超電導デバイスの制御を
容易に行うことを可能にすることにある。
【０００８】本発明の他の目的は、段差の角部に粒界の
存在しない高温超電導薄膜構造を提供することにある。
存在しない高温超電導薄膜構造を提供することにある。
【０００９】本発明のさらに他の目的は、段差の角部に
粒界の存在しない高温超電導薄膜構造を作製する方法を
提供することにある。
粒界の存在しない高温超電導薄膜構造を作製する方法を
提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明による高温超電導薄膜構造においては、少な
くとも１箇所以上の段差を有する基板の前記段差による
全ての角部の曲率半径を５０ｎｍ以上とし、段差の全て
の角部の超電導体が粒界を生じることなく形成させるこ
とを可能にしたものである。
に、本発明による高温超電導薄膜構造においては、少な
くとも１箇所以上の段差を有する基板の前記段差による
全ての角部の曲率半径を５０ｎｍ以上とし、段差の全て
の角部の超電導体が粒界を生じることなく形成させるこ
とを可能にしたものである。
【００１１】このような高温超電導薄膜構造は、基板上
にレジストを形成して、エッチングにより角部の曲率半
径が５０ｎｍ以上である段差を形成し、前記段差の形成
された基板上に高温超電導薄膜を堆積することにより作
製される。
にレジストを形成して、エッチングにより角部の曲率半
径が５０ｎｍ以上である段差を形成し、前記段差の形成
された基板上に高温超電導薄膜を堆積することにより作
製される。
【００１２】高温超電導薄膜には、ＬｎＢａ2 Ｃｕ3 Ｏ
7-δ系（Ｌｎ：Ｙ，Ｌａ，Ｅｒ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｄｙ，Ｈ
ｏ）あるいはＴｌx Ｂａy Ｃａz Ｃｕu Ｏv （ｘ：ｙ：
ｚ：ｕ：ｖの組合せは２：２：２：３：１０，１：２：
２：３：９，１：２：３：４：１１の３種のうちのいず
れか）系を用いることができる。
7-δ系（Ｌｎ：Ｙ，Ｌａ，Ｅｒ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｄｙ，Ｈ
ｏ）あるいはＴｌx Ｂａy Ｃａz Ｃｕu Ｏv （ｘ：ｙ：
ｚ：ｕ：ｖの組合せは２：２：２：３：１０，１：２：
２：３：９，１：２：３：４：１１の３種のうちのいず
れか）系を用いることができる。
【００１３】また基板は、ＭｇＯ，ＳｒＴｉＯ3 ，Ｌａ
ＡｌＯ3 などを用いることができる。
ＡｌＯ3 などを用いることができる。
【００１４】
【作用】図１は、段差を有する基板１上に高温超電導薄
膜２を堆積した高温超電導薄膜構造の断面模式図であ
る。この構造は、次のようにして作製した。基板として
ＭｇＯ基板を用い、このＭｇＯ基板上の半面にレジスト
を形成し、Ａｒイオンビームエッチング（ビーム電圧４
５０Ｖ，ビーム電流５０ｍＶ）により、段差角１７°，
深さ３５０ｎｍの段差を作製した。そして、その上にパ
ルスレーザーデポジション法により高温超電導薄膜とし
てＹＢＣＯ膜を２００ｎｍ堆積した。
膜２を堆積した高温超電導薄膜構造の断面模式図であ
る。この構造は、次のようにして作製した。基板として
ＭｇＯ基板を用い、このＭｇＯ基板上の半面にレジスト
を形成し、Ａｒイオンビームエッチング（ビーム電圧４
５０Ｖ，ビーム電流５０ｍＶ）により、段差角１７°，
深さ３５０ｎｍの段差を作製した。そして、その上にパ
ルスレーザーデポジション法により高温超電導薄膜とし
てＹＢＣＯ膜を２００ｎｍ堆積した。
【００１５】図１において、３ａは段差上部の角部を、
３ｂは段差下部の角部を示している。両端矢印４は角部
３ａの曲率半径を、５は段差角を示している。
３ｂは段差下部の角部を示している。両端矢印４は角部
３ａの曲率半径を、５は段差角を示している。
【００１６】図２および図３が、このようにして作製し
た高温超電導薄膜の断面透過電子顕微鏡（断面ＴＥＭ）
写真である。倍率は８００万倍である。
た高温超電導薄膜の断面透過電子顕微鏡（断面ＴＥＭ）
写真である。倍率は８００万倍である。
【００１７】図４は、図２および図３の顕微鏡写真の位
置を示す模式図である。６が図２の写真の位置、７が図
３の写真の位置を示す。
置を示す模式図である。６が図２の写真の位置、７が図
３の写真の位置を示す。
【００１８】上記のようにして段差を作製すると、一般
に段差上部の角部３ａの曲率半径は小さく、段差下部の
角部３ｂの曲率半径は大きくなる。図２および図３の顕
微鏡写真によれば、段差下部の角部の曲率半径は５００
ｎｍ、段差上部の角部の曲率半径は１５ｎｍであった。
に段差上部の角部３ａの曲率半径は小さく、段差下部の
角部３ｂの曲率半径は大きくなる。図２および図３の顕
微鏡写真によれば、段差下部の角部の曲率半径は５００
ｎｍ、段差上部の角部の曲率半径は１５ｎｍであった。
【００１９】図２の顕微鏡写真からわかるように、段差
下部の角部３ｂでは高温超電導体であるＹＢＣＯ膜には
粒界は生じていない。しかし、図３の顕微鏡写真からわ
かるように、段差上部の角部３ａでは矢印で示す部分に
粒界がはっきり観察される。
下部の角部３ｂでは高温超電導体であるＹＢＣＯ膜には
粒界は生じていない。しかし、図３の顕微鏡写真からわ
かるように、段差上部の角部３ａでは矢印で示す部分に
粒界がはっきり観察される。
【００２０】そこで、曲率半径を１５ｎｍから５０００
ｎｍまで人工的に変化させ、どの値の曲率半径を越える
と粒界が生じるかを調べた。曲率半径の制御は前述した
段差上部の角部３ａのみ、ビーム電圧４５０Ｖ，ビーム
電流５０ｍＶでＡｒイオンビームを照射し、その照射時
間を調節することで制御できる。５０００ｎｍまでとし
たのは段差深さ３５０ｎｍの場合、この手法で作製でき
る滑らかな曲面は５０００ｎｍが限界であったからであ
る。この手法では、照射時間と曲率半径は次の関係にあ
る。
ｎｍまで人工的に変化させ、どの値の曲率半径を越える
と粒界が生じるかを調べた。曲率半径の制御は前述した
段差上部の角部３ａのみ、ビーム電圧４５０Ｖ，ビーム
電流５０ｍＶでＡｒイオンビームを照射し、その照射時
間を調節することで制御できる。５０００ｎｍまでとし
たのは段差深さ３５０ｎｍの場合、この手法で作製でき
る滑らかな曲面は５０００ｎｍが限界であったからであ
る。この手法では、照射時間と曲率半径は次の関係にあ
る。
【００２１】曲率半径（ｎｍ）＝照射時間（分）×１７ 粒界ができているかどうかは臨界電流値を調べることに
より知ることができる。
より知ることができる。
【００２２】図５に曲率半径と臨界電流値の関係を示
す。図から明らかなように、基板の曲率半径が５０ｎｍ
以上で臨界電流値は１０4 Ａ／ｃｍ2 台から１０6 Ａ／
ｃｍ2台へと１００倍程度上昇し、粒界が無くなったこ
とを示した。したがって、段差の角部の曲率半径を５０
ｎｍ以上とすることで高温超電導薄膜の大電流応用に利
用できることが明らかとなった。
す。図から明らかなように、基板の曲率半径が５０ｎｍ
以上で臨界電流値は１０4 Ａ／ｃｍ2 台から１０6 Ａ／
ｃｍ2台へと１００倍程度上昇し、粒界が無くなったこ
とを示した。したがって、段差の角部の曲率半径を５０
ｎｍ以上とすることで高温超電導薄膜の大電流応用に利
用できることが明らかとなった。
【００２３】これらの実験では１７°の段差の角部のみ
示したが、基板の段差角を３°〜９０°まで変化させた
がどの角度でも同様の結果が得られ、重要なのは段差角
ではなく角部の曲率半径であることが明らかになった。
また、基板はＳｒＴｉＯ3 でもＬａＡｌＯ3 でも結果は
同様であった。
示したが、基板の段差角を３°〜９０°まで変化させた
がどの角度でも同様の結果が得られ、重要なのは段差角
ではなく角部の曲率半径であることが明らかになった。
また、基板はＳｒＴｉＯ3 でもＬａＡｌＯ3 でも結果は
同様であった。
【００２４】
【実施例】以下、本発明を実施例に基づいてさらに詳細
に説明する。
に説明する。
【００２５】図６および図７は本発明による高温超電導
薄膜構造の断面模式図である。
薄膜構造の断面模式図である。
【００２６】図６では、段差の角部の曲率半径を５０ｎ
ｍ以上とした基板１上に高温超電導薄膜２が堆積されて
いる。３で示す二箇所が段差の角部である。
ｍ以上とした基板１上に高温超電導薄膜２が堆積されて
いる。３で示す二箇所が段差の角部である。
【００２７】また、図７では、四箇所の角部の曲率半径
を５０ｎｍ以上とした溝を設けた基板１１上に高温超電
導薄膜１２が堆積されている。角部を１３で示す。
を５０ｎｍ以上とした溝を設けた基板１１上に高温超電
導薄膜１２が堆積されている。角部を１３で示す。
【００２８】図６および図７の超電導薄膜構造は、次の
ようにして作製した。基板としてＭｇＯ基板を用い、こ
のＭｇＯ基板上にレジストを形成し、Ａｒイオンビーム
エッチング（ビーム電圧４５０Ｖ，ビーム電流５０ｍ
Ｖ）により、深さ３５０ｎｍの段差を作製した。そし
て、その上にパルスレーザーデポジション法により高温
超電導薄膜としてＹＢＣＯ膜を２００ｎｍ堆積した。
ようにして作製した。基板としてＭｇＯ基板を用い、こ
のＭｇＯ基板上にレジストを形成し、Ａｒイオンビーム
エッチング（ビーム電圧４５０Ｖ，ビーム電流５０ｍ
Ｖ）により、深さ３５０ｎｍの段差を作製した。そし
て、その上にパルスレーザーデポジション法により高温
超電導薄膜としてＹＢＣＯ膜を２００ｎｍ堆積した。
【００２９】図６および図７の構造とも、段差の角部に
おけるＹＢＣＯ膜には粒界は生じなかった。
おけるＹＢＣＯ膜には粒界は生じなかった。
【００３０】以上の実施例では、超電導薄膜材料として
ＹＢＣＯを用いた場合を説明したが、Ｙの代わりにＬ
ａ，Ｅｒ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｄｙ，Ｈｏの元素を用いても、
あるいはＹＢＣＯの代わりにＴｌ2 Ｂａ2 Ｃａ2 Ｃｕ3
Ｏ10，ＴｌＢａ2 Ｃａ2 Ｃｕ3Ｏ9 ，ＴｌＢａ2 Ｃａ3
Ｃｕ4 Ｏ11のいずれかを用いても、上記実施例と同様の
効果が得られる。
ＹＢＣＯを用いた場合を説明したが、Ｙの代わりにＬ
ａ，Ｅｒ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｄｙ，Ｈｏの元素を用いても、
あるいはＹＢＣＯの代わりにＴｌ2 Ｂａ2 Ｃａ2 Ｃｕ3
Ｏ10，ＴｌＢａ2 Ｃａ2 Ｃｕ3Ｏ9 ，ＴｌＢａ2 Ｃａ3
Ｃｕ4 Ｏ11のいずれかを用いても、上記実施例と同様の
効果が得られる。
【００３１】
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、高
温超電導薄膜において段差の角部で超電導体が粒界を生
ずることなく形成させることが可能となる。
温超電導薄膜において段差の角部で超電導体が粒界を生
ずることなく形成させることが可能となる。
【図１】本発明による高温超電導薄膜構造の模式図であ
る。
る。
【図２】ＭｇＯ段差基板上のＹＢＣＯ薄膜の断面ＴＥＭ
写真である。
写真である。
【図３】ＭｇＯ段差基板上のＹＢＣＯ薄膜の断面ＴＥＭ
写真である。
写真である。
【図４】図２および図３の写真の図１における位置を示
す図である。
す図である。
【図５】ＹＢＣＯ膜を堆積した場合の曲率半径と臨界電
流値の関係を示す図である。
流値の関係を示す図である。
【図６】本発明の実施例による高温超電導薄膜構造の模
式図である。
式図である。
【図７】本発明の実施例による高温超電導薄膜構造の模
式図である。
式図である。
１，１１ 基板 ２，１２ ＹＢＣＯなどの高温超電導薄膜 ３，１３ 角部 ４ 曲率半径 ５ 段差角
フロントページの続き (72)発明者 山口 恵一 東京都江東区東雲１−14−３ 財団法人 国際超電導 産業技術研究センター 超電導工学研究所内 (72)発明者 榎本 陽一 東京都江東区東雲１−14−３ 財団法人 国際超電導 産業技術研究センター 超電導工学研究所内 (72)発明者 三塚 勉 東京都港区芝五丁目７番１号 日本電気 株式会社内 (72)発明者 吉川 修一 大阪府守口市京阪本通２丁目18番地 三 洋電機株式会 社内 (56)参考文献 特開 平４−32276（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−251769（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−160448（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) H01L 39/22 H01L 39/24 H01L 39/00
Claims (4)
- 【請求項１】少なくとも１箇所以上の段差を有し、前記
段差による全ての角部の曲率半径が５０ｎｍ以上である
基板と、この基板上に堆積された高温超電導薄膜とから
なり、前記高温超電導薄膜内には粒界を有していないこ
とを特徴とする高温超電導薄膜構造。 - 【請求項２】前記高温超電導薄膜が、ＬｎＢａ2 Ｃｕ3
Ｏ7-δ系（Ｌｎ：Ｙ，Ｌａ，Ｅｒ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｄｙ，
Ｈｏ）あるいはＴｌx Ｂａy Ｃａz Ｃｕu Ｏv （ｘ：
ｙ：ｚ：ｕ：ｖの組合せは２：２：２：３：１０，１：
２：２：３：９，１：２：３：４：１１の３種のうちの
いずれか）系であることを特徴とする請求項１記載の高
温超電導薄膜構造。 - 【請求項３】基板上にレジストを形成する工程と、 エッチングにより少なくとも１箇所以上の段差を形成
し、前記段差による全ての角部を、その曲率半径が５０
ｎｍ以上となるように加工する工程と、 前記段差の形成された基板上に高温超電導薄膜を堆積さ
せる工程と、を含み、粒界のない高温超電導薄膜を形成
することを特徴とする高温超電導薄膜構造の作製方法。 - 【請求項４】前記高温超電導薄膜が、ＬｎＢａ2 Ｃｕ3
Ｏ7-δ系（Ｌｎ：Ｙ，Ｌａ，Ｅｒ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｄｙ，
Ｈｏ）あるいはＴｌx Ｂａy Ｃａz Ｃｕu Ｏv （ｘ：
ｙ：ｚ：ｕ：ｖの組合せは２：２：２：３：１０，１：
２：２：３：９，１：２：３：４：１１の３種のうちの
いずれか）系であることを特徴とする請求項３記載の高
温超電導薄膜構造の作製方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5256284A JP2994190B2 (ja) | 1993-09-21 | 1993-09-21 | 高温超電導薄膜構造およびその作製方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5256284A JP2994190B2 (ja) | 1993-09-21 | 1993-09-21 | 高温超電導薄膜構造およびその作製方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0794791A JPH0794791A (ja) | 1995-04-07 |
| JP2994190B2 true JP2994190B2 (ja) | 1999-12-27 |
Family
ID=17290516
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP5256284A Expired - Fee Related JP2994190B2 (ja) | 1993-09-21 | 1993-09-21 | 高温超電導薄膜構造およびその作製方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2994190B2 (ja) |
-
1993
- 1993-09-21 JP JP5256284A patent/JP2994190B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0794791A (ja) | 1995-04-07 |
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