JP3145799B2 - 電子デバイス用基板及びその製造方法 - Google Patents

電子デバイス用基板及びその製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明はサファイア単結晶基板、
誘電体層および超伝導体層からなる電子デバイス用基板
及びその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】Y1Ba2Cu3x、Bi2(Tl)2Sr
2Ca1Cu2xおよびBi2(Tl)2Sr2Ca2Cu3
xに代表される層状ペロブスカイト構造を有する超伝
導セラミックスは、超伝導状態となる臨界温度(Tc)
が液体窒素温度以上を示す高温超伝導材料であり、工業
的実用化材料として注目されている。これら高温超伝導
材料を電子デバイスへ応用する場合には、バルク並みの
Tcを有し、かつ特性の信頼性を高めるために欠陥の少
ない膜とすることが必要であり、これらの要求を満たす
ためには、単結晶膜を作製することが望ましい。単結晶
膜を得る方法としては、適当な単結晶基板上へエピタキ
シャル成長させる方法があり、従来、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)第27巻,1号,L91〜L93
頁に約90Kのゼロ抵抗温度を有するY1Ba2Cu3x
単結晶膜を作製した報告がある。さらにこれらの単結晶
膜をサファイア基板上に作製すれば、高性能なフィル
タ、共振器等の作製が可能となり、マイクロ波素子とし
ての超伝導材料の用途が拡大される。これを可能とする
技術として、アプライド・フィジックス・レターズ(Ap
plied Physics Letters)第57巻,pp409〜411に、サフ
ァイア単結晶基板上にSrTiO3誘電体膜を形成し、
その誘電体膜上に一般式がY1Ba2Cu3xで表される
層状ペロブスカイト型結晶構造を有する超伝導薄膜を作
製した報告がある。また、フィジカ・C(Physica C)
第162〜第164巻,659〜660頁には、サファイア単結晶基
板上にMgO誘電体膜を形成し、その誘電体膜上に、一
般式がY1Ba2Cu3xで表される層状ペロブスカイト
型結晶構造を有する超伝導薄膜を作製した報告がある。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】従来、サファイア単結
晶基板上に例えばY1Ba2Cu3Ox超伝導薄膜をエピタ
キシャル成長させる場合、中間層としてSrTiO3、
MgOが検討されてきた。しかし、SrTiO3はGH
z周波数帯での誘電損失が大きいので、酸化物超伝導体
をマイクロ波の受動素子に応用しようとすると誘電損失
による性能の低下が問題となる。一方、中間層としてM
gOを用いた場合、Y1Ba2Cu3OxとMgOの結晶構
造が異なっているため、上部Y1Ba2Cu3Ox膜のエピ
タキシャル性が悪くなり、酸化物超伝導体をマイクロ波
の受動素子に応用しようとすると膜質の劣化による性能
の低下が問題となる。本発明は、上記従来技術の問題を
解決するもので、誘電損失が少なく、かつペロブスカイ
ト型結晶構造を有する中間層を介して、エピタキシャル
成長した層状ペロブスカイト型結晶構造の超伝導薄膜を
有する電子デバイス用基板及びその製造方法を提供する
ことを目的とする。
【0004】
【課題を解決するための手段】本発明は、サファイア単
結晶基板上に誘電体膜と超伝導化合物層とを順次積層形
成してなる電子デバイス用基板において、誘電体膜は一
般式がABO3(式中、AはBa,MgおよびCaから
選定される一種の元素を示し、BはNb,Mg,Ta,
Sn,Zn,TiおよびZrから選定される一種以上の
元素を示す。)で表されるペロブスカイト型結晶構造を
有する材料よりなり、超伝導化合物層は層状ペロブスカ
イト型結晶構造を有する材料よりなることを特徴とする
電子デバイス用基板である。本発明において、層状ペロ
ブスカイト型結晶構造を有する材料は、一般式がA2B2
Ca1Cu2OxあるいはA2B2Ca2Cu3Ox(式中、A
はBi及びTlから選ばれる一種の元素、BはSrおよ
びBaから選ばれる一種の元素を示す。)で表される材
料であることを好適とする。
【0005】
【作用】サファイア単結晶基板はGHz周波数での誘電
損失が低く、90Kにおいてtanδ<10-6,4.2
Kにおいてtanδ<10-8が報告されており、マイク
ロ波受動素子用基板として注目されている。本発明で
は、サファイア単結晶基板上に上部酸化物超伝導体と類
似の結晶構造を有する前述したような誘電体薄膜がエピ
タキシャル成長することを利用し、その誘電体膜を中間
層として用いる。本発明においては、サファイア単結晶
基板を用いて超伝導薄膜を形成していることから、マイ
クロ波集積回路技術、実装回路技術との融合化を図るこ
とができ、かつ中間層として低誘電損失の材料を用いて
いることから、高性能なフィルター、共振器等の開発が
可能になる等、本発明の波及効果は甚大である。
【0006】
【実施例】次に本発明の実施例について説明する。参考例 1 図1は、本発明の参考例1を示す断面図である。図にお
いて面方位がR面のサファイア単結晶基板1にBa(S
n0.1Mg0.3Ta0.6)O3膜2をスパッタ法によりエピ
タキシャル成長させ、その上にY1Ba2Cu3Ox(単結
晶)膜3を反応性蒸着法によって形成した。Ba(Sn
0.1Mg0.3Ta0.6)O3のエピタキシャル膜2は、反応
性スパッタ法により、アルゴン,酸素混合ガスを用い、
酸素分圧1×10-1(Torr),基板温度600℃で
行った。その膜厚は0.2μmとした。X線回折法およ
び電子線回折法で(100)方位のBa(Sn0.1Mg
0.3Ta0.6)O3膜2がエピタキシャル成長した良質な
結晶性の膜であることを確認した。Y1Ba2Cu3Oxエ
ピタキシャル膜3は、反応性蒸着法により基板付近の酸
素分圧1〜4×10-2(Torr),基板温度640℃
で行った。膜厚は0.5μmとした。X線回折法、電子
線回折法および走査型電子顕微鏡により(001)方位
に配向した層状ペロブスカイト構造を有する結晶性、表
面平坦性に優れた良質なエピタキシャル膜であることを
確認した。この膜の抵抗−温度特性を4端子法で測定す
ることにより、ゼロ抵抗温度が90Kであることがわか
った。また、コープラナー共振器を試作し、液体窒素温
度,4GHzでQ値を測定すると、5000であり、良
好な値を示した。
【0007】参考例参考例 1においてBa(Sn0.1Mg0.3Ta0.6)O3の
代わりにBa(Mg,Ta)O3−Ba(Zn,Ta)
O3膜をエピタキシャル成長した。成長は参考例1と同
様に反応性スパッタ法により行った。基板温度は600
℃とした。X線回折法および電子線回折法で(100)
方位のBa(Mg,Ta)O3−Ba(Zn,Ta)O3
膜がエピタキシャル成長した良質な結晶性の膜であるこ
とを確認した。さらにその上に参考例1と同様にしてY
1Ba2Cu3Ox膜を形成した。この膜はX線回折法、電
子線回折法および走査型電子顕微鏡により(001)方
位に配向した層状ペロブスカイト構造を有する結晶性、
表面平坦性に優れた良質なエピタキシャル膜であること
を確認した。この膜の抵抗−温度特性を4端子法で測定
することにより、ゼロ抵抗温度が89Kであることがわ
かった。また、Ba(Mg,Ta)O3−Ba(Zn,
Ta)O3の代わりにBa(Zn,Nb)O3−Ba(Z
n,Ta)O3,Ba(Zr,Zn,Ta)O3,MgT
iO3−CaTiO3を中間層として用いた場合も同様な
エピタキシャル成長した薄膜が得られることを確認し
た。
【0008】実施例 参考例 1においてY1Ba2Cu3Oxの代わりにBi2S
r2Ca1Cu2Ox膜をエピタキシャル成長した。成長は
参考例1と同様に反応性蒸着法により行った。基板温度
は680℃とした。X線回折法および電子線回折法によ
り(001)方向に配向した層状ペロブスカイト構造を
有する結晶性、表面平坦性に優れた良質なエピタキシャ
ル膜であることを確認した。この膜の抵抗−温度特性を
4端子法で測定することにより、ゼロ抵抗温度が85K
であることがわかった。また、Bi2Sr2Ca1Cu2O
xの代わりにTl2Ba2Ca1Cu2Oxを用いた場合も同
様なエピタキシャル成長した薄膜が得られることを確認
した。
【0009】実施例 参考例 1においてY1Ba2Cu3Oxの代わりにBi2S
r2Ca2Cu3Ox膜をエピタキシャル成長した。成長は
参考例1と同様に反応性蒸着法により行った。基板温度
は730℃とした。X線回折法および電子線回折法によ
り(001)方向に配向した層状ペロブスカイト構造を
有する結晶性、表面平坦性に優れた良質なエピタキシャ
ル膜であることを確認した。この膜の抵抗−温度特性を
4端子法で測定することにより、ゼロ抵抗温度が107
Kであることがわかった。また、Bi2Sr2Ca2Cu3
Oxの代わりにTl2Ba2Ca2Cu3Oxを用いた場合も
同様なエピタキシャル成長した薄膜が得られることを確
認した。なお、本発明における誘電体膜および超伝導化
合物層は上記実施例記載のものに限定されず、請求項に
記載の材料であればすべて同様の結果が得られる。
【0010】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば層
状ペロブスカイト構造を有する良質なエピタキシャル超
伝導薄膜を容易にサファイア単結晶基板上に形成するこ
とが可能となった。このため、超伝導機能素子と実装技
術とを一体化させることができ、本発明の工業的価値は
大きい。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の電子デバイス用基板の一参考例の断面
図である。
【符号の説明】
1 サファイア単結晶基板 2 Ba(Sn0.1Mg0.3Ta0.6)O3膜 3 Y1Ba2Cu3Ox膜

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 面方位がR面のサファイア単結晶基板表
    面にスパッタ法で形成された誘電体膜と反応性蒸着法で
    形成された超伝導化合物層とを順次積層形成してなる電
    子デバイス用基板において、誘電体膜は一般式がABO
    3(式中、AはBa,MgおよびCaから選定される一
    種の元素を示し、BはNb,Mg,Ta,Sn,Zn,
    TiおよびZrから選定される一種以上の元素を示
    す。)で表されるペロブスカイト型結晶構造を有する材
    料よりなり、超伝導化合物層は一般式がA2B2Ca1C
    u2OxあるいはA2B2Ca2Cu3Ox(式中、AはBi
    及びTlから選ばれる一種の元素、BはSrおよびBa
    から選ばれる一種の元素を示す。)で表される層状ペロ
    ブスカイト型結晶膜であることを特徴とする電子デバイ
    ス用基板。
  2. 【請求項2】 面方位がR面のサファイア単結晶基板表
    面にスパッタ法で一般式がABO3(式中、AはBa,
    MgおよびCaから選定される一種の元素を示し、Bは
    Nb,Mg,Ta,Sn,Zn,TiおよびZrから選
    定される一種以上の元素を示す。)誘電体膜を形成する
    工程と、その後、反応性蒸着法で超伝導化合物層を順次
    積層形成する工程とを有し、前記超伝導化合物層は一般
    式がA2B2Ca1Cu2OxあるいはA2B2Ca2Cu3Ox
    (式中、AはBi及びTlから選ばれる一種の元素、B
    はSrおよびBaから選ばれる一種の元素を示す。)で
    表される層状ペロブスカイト型結晶膜であることを特徴
    とする電子デバイス用基板の製造方法。
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