JP3020518B2 - 酸化物超電導体薄膜 - Google Patents

酸化物超電導体薄膜

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JP3020518B2 JP1224796A JP22479689A JP3020518B2 JP 3020518 B2 JP3020518 B2 JP 3020518B2 JP 1224796 A JP1224796 A JP 1224796A JP 22479689 A JP22479689 A JP 22479689A JP 3020518 B2 JP3020518 B2 JP 3020518B2
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Description

【発明の詳細な説明】 [発明の目的] (産業上の利用分野) 本発明は、酸化物超電導体薄膜に関する。
(従来の技術) 1986年にLa−Ba−Cu−O系の層状ペロブスカイト型の
酸化物が40K以上の高い臨界温度を有することが発表さ
れて以来、酸化物系の超電導体が注目を集め、新材料探
索の研究が活発に行われている。その中でも、液体窒素
温度以上の高い臨界温度を有するY−Ba−Cu−O系で代
表される擬ペロブスカイト型の酸化物超電導体や、Bi−
Sr−Ca−Cu−O系およびTl−Ba−Ca−Cu−O系の酸化物
超電導体は、冷媒として高価な液体ヘリウムに代えて、
安価な液体窒素を利用できるため、工業的にも重要な価
値を有している。
このような酸化物超電導体を電子デバイスに応用する
ことを考えた場合、まず薄膜化することが必要となるた
め、スパッタ法や蒸着法などを利用して酸化物超電導体
薄膜を作製することが盛んに試みられている。
ところで、現状の酸化物超電導体薄膜の形成は、臨界
電流密度のような超電導特性を向上させるために、結晶
配向性を揃えた成長やエピタキシャル成長を主願として
行われている。たとえばMgOやSrTiO3の単結晶基板上に
Y−Ba−Ca−O系酸化物超電導体の薄膜を形成する場
合、基板面に対して[001]方向を優先成長方向とする
試みがなされている。
これは、上述したような酸化物超電導体は結晶のc面
方向に対して超電導電流を流しやすいため、基板面に対
して結晶のc面を平行に配向させることによって、臨界
電流密度の向上を図ろうとするものである。
(発明が解決しようとする課題) しかしながら、上述したように酸化物超電導体は、結
晶のc面方向には超電導電流を流しやすい半面、それ以
外の面内では超電導電流値が極端に小さいという、電気
的性質における異方性を有するため、基板面に対してc
面を配向させた酸化物超電導体薄膜を三次元的な素子に
応用する場合には、電流方向に対して異方性を有するこ
とから、明らかに基板面に対してc面配向させたことが
障害となってしまう。
本発明は、このような課題に対処するためになされた
もので、酸化物超電導体薄膜の電気的性質における異方
性を緩和し、薄膜内の各種方向に対して良好に超電導電
流を流すことを可能にした酸化物超電導体薄膜を提供す
ることを目的とするものである。
[発明の構成] (課題を解決するための手段) すなわち本発明の酸化物超電導体薄膜は、基体上に形
成された少なくともCuを含みペロブスカイト型斜方晶結
晶構造を有する酸化物超電導体の薄膜であって、前記基
板の薄膜形成面に対し、優先成長方位が[001]方向で
ある前記酸化物超電導体の結晶と、優先成長方位が[10
0]方向である前記酸化物超電導体の結晶とが、同一の
薄膜内に混在していることを特徴とするものである。
本発明における酸化物超導電体は、斜方晶のペロブス
カイト型結晶構造を有し、かつ少なくともCuを含む酸化
物からなるものであり、希土類元素含有のペロブスカイ
ト型構造を有する酸化物超電導体や、Bi系やTl系の酸化
物超電導体などが適用される。
希土類元素を含有しペロブスカイト型構造を有する酸
化物超電導体は、超電導状態を実現できるものであれば
よく、たとえばRE M2Cu3O7−δ系(REは、Y、La、S
c、Nd、Sm、Eu、Gd、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Luなどの希
土類元素から選ばれた少なくとも1種の元素を、MはB
a、Sr、Caから選ばれた少なくとも1種の元素を、δは
酸素欠陥を表し通常1以下の数、Cuの一部はTi、V、C
r、Mn、Fe、Co、Ni、Znなどで置換可能。以下同じ。)
の酸化物などが例示される。
ただし、上記RE−M−Cu−O系の酸化物超電導体を本
発明に適用する場合には、薄膜全体としての組成を下記
の一般式で表される組成とすることが好ましい。
一般式:RE1MxCuyOz (式中、x、yおよびzは下記の式を満足する数であ
る。
1.5≦x≦2.5 2.5≦y≦7.0 6.0≦z≦7.0) また、Bi−Sr−Ca−Cu−O系の酸化物超電導体は、 化学式:Bi2Sr2Ca2Cu3Ox Bi2(Sr,Ca3)Cu3Ox (式中、Biの一部はPbなどで置換可能。)などで表され
るものであり、Tl−Ba−Ca−Cu−O系酸化物超電導体
は、 化学式:Tl2Ba2Ca2Cu3Ox Tl2(Ba,Ca)3Cu3Ox などで表されるものである。
本発明の酸化物超電導体薄膜は、たとえば以下のよう
にして作製することができる。
まず、成膜時の被着基体を用意する。この被着基体と
しては、少なくとも膜形成面がSrTiO3結晶の(100)面
によって構成されたものが好ましく、膜形成面の面方位
を(100)面としたSrTiO3単結晶基体、あるいは他の絶
縁性基体や金属基体上にSrTiO3をその(100)面が膜形
成面を構成するよう被覆したものなどを使用する。
次いで、上記被着基体を600℃〜700℃の温度に加熱
し、その状態の被着基体上に、スパッタ法、反応性蒸着
法、レーザ蒸着法、反応性イオンクラスタービーム蒸着
法などの各種薄膜形成法によって、上述したような酸化
物の各構成元素を堆積させる。ここで、成膜時の基体温
度が600℃未満では、成膜時に充分に結晶化させること
ができず、また700℃を越えると酸素の離脱が激しくな
って正方晶が出現したり、また[001]方向を優先成長
方位とする結晶が出現しやすくなり、良好な混晶状態が
得られがたくなる。
また、その他の成膜条件、たとえば薄膜形成雰囲気や
雰囲気圧、さらには蒸発源やスパッタターゲットなど出
発原料などは、適用する薄膜形成方法や得ようとする酸
化物超電導体薄膜に応じて適宜設定するものとする。
このようにして酸化物超電導体の薄膜を成膜した後
は、常温まで徐冷するのみとし、高温でのアニール処理
を施さないことが重要である。これは、高温でのアニー
ル処理によって配向しやすくなり、成膜後の良好な混晶
状態が崩されるためである。
そして、このようにして酸化物超電導体の薄膜を形成
することにより、たとえば第1図に示すように、少なく
とも表面がSrTiO3結晶の(100)面1aで構成された被着
基体1上に、このSrTiO3結晶の(100)面1aに対して[0
01]方向を優先成長方位とする酸化物超電導体結晶2a
と、[100]方向を優先成長方位とする酸化物超電導体
結晶2bとが混在した薄膜が得られる。
これら[001]方向を優先成長方位とする酸化物超電
導体結晶2aと、[100]方向を優先成長方位とする酸化
物超電導体結晶2bとの存在比率は、体積比で4:6〜6:4程
度とすることが好ましい。この比率を決定する重要な因
子は、成膜時の基体温度である。
このように、[001]方向を優先成長方位とする結晶2
aと、[100]方向を優先成長方位とする結晶2bとが混在
する上記薄膜形成条件を選択することによって、成膜後
にアニール処理を施さなくとも成膜直後に臨界温度80K
以上を確保することができる。
なお、[001]方向および[100]方向を優先成長方位
とする酸化物超電導体薄膜中には、少量たとえば体積比
で数%程度の多結晶領域が混在していてもよく、特に特
性に影響を与えるものではない。
(作 用) 本発明の酸化物超電導体薄膜においては、基体面に対
して[001]方向を優先成長方位とする結晶と、[100]
方向を優先成長方位とする結晶とが充分に結晶化された
状態で混在している。したがって、基体面に対して平行
な方向への超電導電流は[001]方向を優先成長方位と
する結晶が担い、基体面に対して垂直な方向への超電導
電流は[100]方向を優先成長方位とする結晶が担うた
め、各種方向に対して良好に超電導電流を流すことが可
能となる。
(実施例) 次に、本発明の実施例について説明する。
実施例 第2図は、この実施例において用いたスパッタ装置を
模式的に示した図である。同図において、11はスパッタ
室であり、このスパッタ室11内には、スパッタ用のター
ゲット12、13、14と基体ホルダ15とがほぼ対向して設置
されており、基板ホルダ15の後方には基板加熱用ヒータ
16が設けられている。また、ターゲット12、13、14に
は、それぞれスパッタ用電源17、18、19が接続されてお
り、各ターゲット12、13、14前方にはシャッタ20がそれ
ぞれ設けられている。スパッタ室11には、スパッタガス
を導入するための2系統のガス供給系、すなわちArガス
供給系21およびO2ガス供給系22と、排気系 23とが接続され、スパッタ装置が構成されている。
また、このスパッタ装置のスパッタ室11内には、反射
高速電子線回析(RHEED)用の電子銃24とスクリーン25
とが配置されており、成膜後直ちに膜の評価を行うこと
を可能としている。なお、これらRHEED用の電子銃24と
スクリーン25の前方にはそれぞれシャッタ26が配置され
ており、スパッタ粒子の被着を防止している。
このような構成のスパッタ装置を用いて、以下の手順
によりY−Ba−Cu−O系酸化物超電導体薄膜を作製し
た。
まず、着膜基板27としてSrTiO3単結晶基板を用い、こ
れの(100)結晶面がターゲット方向に面するよう基板
ホルダ15にセットし、基板加熱用ヒータ16によって680
℃に加熱した後、スパッタガスとしてArガス供給系21と
O2ガス供給系22から、O2ガスの体積比が50%となるよう
に混合ガスを供給すると共に、スパッタ室11内のガス圧
を0.65Paに調整した。
また、ターゲット12、13、14としては、金属Y、Ba2C
uO3焼結体、金属Cuを用い、金属YおよびBa2CuO3焼結体
にはスパッタ用電源17、18から高周波電力を、金属Cuに
はスパッタ用電源19からDC電力を供給し、3元同時スパ
ッタリングによってY−Ba−Cu−o系酸化物超電導体薄
膜を形成した。なお3種のターゲット12、13、14に対す
る投入電力比は、形成される薄膜結晶の組成がY:Ba:Cu
=1:2:3となるように調整し、膜厚は3000Åとした。
この後、常温まで徐冷して酸化物超電導体薄膜を得
た。
このようにして得た徐冷直後のY−Ba−Cu−O系酸化
物超電導体薄膜の結晶優先成長方位を、スパッタ装置内
に配置した電子銃24とスクリーン25とを用いてRHEED法
により評価した。
その結果、被着基板27の[100]方向から電子ビーム
を入射した際の回析パターンから、得られた酸化物超電
導体薄膜内に優先成長方位が[001]方向の斜方晶結晶
と、優先成長方位が[100]方向の斜方晶結晶とが混在
していることを確認した。また、得られた回析パターン
がストリーク状であることから、薄膜表面の平坦性も良
好であることを確認した。さらに、これら結晶の存在比
率をX線ディフラクトメータにより測定したところ、
[001]方向の優先成長方位を有する斜方晶結晶が60体
積%存在していた。
次に、この成膜直後の酸化物超電導体薄膜の超電導特
性を評価するために、4端子法によって臨界温度を測定
したところ、82Kであった。また、成膜面に対して平行
な方向に対する臨界電流密度と、成膜面に対して垂直な
方向に対する臨界電流密度をそれぞれ測定したころ、双
方共に良好な値を示し、超電導電流に対する異方性が緩
和されていることを確認した。
なお、RHEEDによる回析結果から数体積%の多結晶領
域が存在していることが確認できたが、臨界温度が82K
であることから、数体積%程度の多結晶領域が混在して
いても、超電導特性に特に悪影響を与えないことが判明
した。
また、被着基板27の加熱温度を600℃〜700℃の範囲内
で変化させる以外は、上記実施例と同一条件で酸化物超
電導体薄膜を作製したところ、いずれにおいても成膜直
後(アニール処理なし)に臨界温度80K以上を満足し
た。
なお、前述したスパッタ装置は、RHEEDを実施するた
めの電子銃とスクリーンとをシャッタを介してスパッタ
室内に配置しているため、結晶配向性をスパッタ後直ち
に評価することができ、かつ膜表面の平坦性の評価も同
時に実施できるものであり、本発明の酸化物超電導体薄
膜の製造に好適したものである。
[発明の効果] 以上説明したように本発明の酸化物超電導体薄膜によ
れば、基体面に対して[001]方向を優先成長方位とす
る結晶と、[100]方向を優先成長方位とする結晶とが
充分に結晶化された状態で混在しているため、電気的性
質における異方性が緩和され、各種方向に対して良好に
超電導電流を流すことが可能となる。したがって、三次
元的な素子に適した酸化物超電導体薄膜を提供すること
が可能となる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の酸化物超電導体薄膜の結晶配向性を模
式的に示す図、第2図は本発明の一実施例で使用したス
パッタ装置の構成を示す図である。 1……被着基体、1a…SrTiO3結晶の(100)面、2a……
優先成長方位が[001]方向の酸化物超電導体結晶、2b
……優先成長方位が[100]方向の酸化物超電導体結
晶。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 三浦 忠男 神奈川県川崎市幸区小向東芝町1番地 株式会社東芝総合研究所内 (56)参考文献 特開 平3−8799(JP,A) 特開 平3−193625(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) C01G 1/00 - 23/08

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】基体上に形成された少なくともCuを含みペ
    ロブスカイト型斜方晶結晶構造を有する酸化物超電導体
    の薄膜であって、 前記基体の薄膜形成面に対し、優先成長方位が[001]
    方向である前記酸化物超電導体の結晶と、優先成長方位
    が[100]方向である前記酸化物超電導体の結晶とが、
    同一の薄膜内に混在していることを特徴とする酸化物超
    電導体薄膜。
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