JP3439901B2 - 超伝導薄膜の作製方法 - Google Patents
超伝導薄膜の作製方法Info
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は超伝導薄膜の作製方
法に関するものである。超伝導体は直流電流を抵抗なし
に流せるという特徴がある。一方、超伝導体は表面イン
ピーダンスが低く高周波電流の損失を小さくすることが
できる。そこで、超伝導体の薄膜を用いてマイクロ波帯
での受動素子を作製すると、小型の素子で、従来の銅薄
膜等を用いた素子と比べて、同程度もしくはそれ以上の
性能を有するものが得られる。また、酸化物の超伝導体
は、従来の合金系超伝導体に比べて、動作温度を７０〜
１００Ｋ高い温度に設定することが可能であるので、簡
易な冷凍装置または冷媒（例えば液体窒素等）を用いて
高周波素子動作を実現することができる。このように、
表面インピーダンスの低い超伝導薄膜を用いた受動素子
は、今後ますます需要の増加が予想されている携帯電話
用狭帯域フィルタ、衛星搭載素子、基地局用アンテナ等
の情報および通信産業分野において有効に利用されるも
のと考えられる。
法に関するものである。超伝導体は直流電流を抵抗なし
に流せるという特徴がある。一方、超伝導体は表面イン
ピーダンスが低く高周波電流の損失を小さくすることが
できる。そこで、超伝導体の薄膜を用いてマイクロ波帯
での受動素子を作製すると、小型の素子で、従来の銅薄
膜等を用いた素子と比べて、同程度もしくはそれ以上の
性能を有するものが得られる。また、酸化物の超伝導体
は、従来の合金系超伝導体に比べて、動作温度を７０〜
１００Ｋ高い温度に設定することが可能であるので、簡
易な冷凍装置または冷媒（例えば液体窒素等）を用いて
高周波素子動作を実現することができる。このように、
表面インピーダンスの低い超伝導薄膜を用いた受動素子
は、今後ますます需要の増加が予想されている携帯電話
用狭帯域フィルタ、衛星搭載素子、基地局用アンテナ等
の情報および通信産業分野において有効に利用されるも
のと考えられる。
【０００２】
【従来の技術】ミリ波・サブミリ波領域は、光通信に利
用される光の周波数領域と、いわゆる電波の周波数領域
とに挾まれた比較的利用されていない周波数帯である。
近年、周波数資源の枯渇による、より高い周波数帯の利
用や、短距離で減衰の大きな電磁波を利用したＬＡＮ
（ローカル・エリア・ネットワーク）、追突防止用車載
レーダ等により、ミリ波・サブミリ波の利用が検討され
始めている。超伝導体は、数１００ＧＨｚ以下の周波数
帯域で、現在最も多く用いられている銅よりも高周波の
表面インピーダンスが低く、受動素子の作製に有効であ
る。しかし、金属・合金系超伝導薄膜は、臨界温度が低
く、素子を作製しても高価な液体ヘリウムや冷凍機を用
いて冷却する必要があるため、設備費および維持費が高
くなり、実用性に乏しかった。一方、酸化物超伝導体
は、従来の金属・合金系超伝導体に比べて７０〜１２０
Ｋ程度、臨界温度が高いという特徴を持つため、簡易な
冷凍機や安価な液体窒素を用いることで、実用化可能な
素子としての検討が行われている。しかし、酸化物超伝
導薄膜は、多元素系の複酸化物であるため、超伝導薄膜
の作製が困難であり、表面が平滑な薄膜を得ることは難
しい。表面インピーダンスは、材料固有の物性の他に、
表面の凹凸、空孔、不純物の有無等による影響を受け
る。そこで、エピタキシャル成長を促進し表面平滑性に
優れた薄膜を作製するために、酸化物超伝導薄膜と格子
定数が近いＳｒＴｉＯ3やＬａＳｒＧａＯ4などの基板を
用いた薄膜の作製が行われている。しかし、これらの基
板は、エピタキシャル成長しやすい基板であるが、基板
の誘電率やｔａｎδが大きく、受動素子を作製したとき
の損失が大きくなるという欠点があった。一方、ＭｇＯ
やサファイアなどの基板は、誘電率が低く高周波素子の
作製に適しているが、 格子定数の不整合が５〜１０％
と大きく、作製された薄膜にブロック状のスクリューデ
ィスロケーションが発生して表面が粗くなるという問題
があった。また、酸化物超伝導体を用いた積層型の能動
素子を作製する場合においても、成膜する薄膜の表面平
滑化の技術が求められている。
用される光の周波数領域と、いわゆる電波の周波数領域
とに挾まれた比較的利用されていない周波数帯である。
近年、周波数資源の枯渇による、より高い周波数帯の利
用や、短距離で減衰の大きな電磁波を利用したＬＡＮ
（ローカル・エリア・ネットワーク）、追突防止用車載
レーダ等により、ミリ波・サブミリ波の利用が検討され
始めている。超伝導体は、数１００ＧＨｚ以下の周波数
帯域で、現在最も多く用いられている銅よりも高周波の
表面インピーダンスが低く、受動素子の作製に有効であ
る。しかし、金属・合金系超伝導薄膜は、臨界温度が低
く、素子を作製しても高価な液体ヘリウムや冷凍機を用
いて冷却する必要があるため、設備費および維持費が高
くなり、実用性に乏しかった。一方、酸化物超伝導体
は、従来の金属・合金系超伝導体に比べて７０〜１２０
Ｋ程度、臨界温度が高いという特徴を持つため、簡易な
冷凍機や安価な液体窒素を用いることで、実用化可能な
素子としての検討が行われている。しかし、酸化物超伝
導薄膜は、多元素系の複酸化物であるため、超伝導薄膜
の作製が困難であり、表面が平滑な薄膜を得ることは難
しい。表面インピーダンスは、材料固有の物性の他に、
表面の凹凸、空孔、不純物の有無等による影響を受け
る。そこで、エピタキシャル成長を促進し表面平滑性に
優れた薄膜を作製するために、酸化物超伝導薄膜と格子
定数が近いＳｒＴｉＯ3やＬａＳｒＧａＯ4などの基板を
用いた薄膜の作製が行われている。しかし、これらの基
板は、エピタキシャル成長しやすい基板であるが、基板
の誘電率やｔａｎδが大きく、受動素子を作製したとき
の損失が大きくなるという欠点があった。一方、ＭｇＯ
やサファイアなどの基板は、誘電率が低く高周波素子の
作製に適しているが、 格子定数の不整合が５〜１０％
と大きく、作製された薄膜にブロック状のスクリューデ
ィスロケーションが発生して表面が粗くなるという問題
があった。また、酸化物超伝導体を用いた積層型の能動
素子を作製する場合においても、成膜する薄膜の表面平
滑化の技術が求められている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】超伝導薄膜の作製にお
いて、液体窒素温度で使用し、ミリ波・サブミリ波損失
が小さく、表面インピーダンスの小さい薄膜が求められ
ている。表面インピーダンスは、材料の固有の特性で決
まる部分と、表面の粗さ（凹凸）によっても制約を受け
る。酸化物超伝導薄膜においても同様で、同じ直流臨界
温度を持つ薄膜であっても、表面形状（粗さ）の違いに
よって表面インピーダンスは違ってくる。そこで、高周
波受動素子等において、臨界温度が高く、表面平滑性に
優れた表面インピーダンスの小さい薄膜が求められてい
る。
いて、液体窒素温度で使用し、ミリ波・サブミリ波損失
が小さく、表面インピーダンスの小さい薄膜が求められ
ている。表面インピーダンスは、材料の固有の特性で決
まる部分と、表面の粗さ（凹凸）によっても制約を受け
る。酸化物超伝導薄膜においても同様で、同じ直流臨界
温度を持つ薄膜であっても、表面形状（粗さ）の違いに
よって表面インピーダンスは違ってくる。そこで、高周
波受動素子等において、臨界温度が高く、表面平滑性に
優れた表面インピーダンスの小さい薄膜が求められてい
る。
【０００４】本発明の目的は、上記従来技術における問
題点を解消するものであって、比誘電率が低く、超伝導
薄膜との格子不整合が大きな基板上に、表面平滑性に優
れ、高い動作温度と、小さい表面インピーダンスを有す
る高周波受動素子用または積層能動素子用に好適な酸化
物超伝導薄膜の作製方法を提供することにある。
題点を解消するものであって、比誘電率が低く、超伝導
薄膜との格子不整合が大きな基板上に、表面平滑性に優
れ、高い動作温度と、小さい表面インピーダンスを有す
る高周波受動素子用または積層能動素子用に好適な酸化
物超伝導薄膜の作製方法を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】上記本発明の目的を達成
するために、本発明は特許請求の範囲に記載のような構
成とするものである。すなわち、本発明は請求項１に記
載のように、真空装置中に配設された基板上に、酸化物
超伝導薄膜を所定の厚さに成膜する工程と、成膜を一定
時間中断して、上記成膜した酸化物超伝導薄膜を真空成
膜装置中において、減圧アルゴンもしくは減圧アルゴン
と酸素の混合ガス雰囲気中で、上記成膜時の基板温度よ
りも高い温度でアニールすることにより格子不整合緩和
層を１５〜２５ｎｍの厚さに形成する工程と、引き続
き、上記格子不整合緩和層上に、上記酸化物超伝導膜を
成膜して、低い表面抵抗を有し、表面平滑性に優れた酸
化物超伝導膜を形成する工程を含む超伝導薄膜の作製方
法とするものである。また、本発明は請求項２に記載の
ように、請求項１に記載の超伝導薄膜の作製方法におい
て、上記酸化物超伝導薄膜を成膜する基板温度は６４０
〜６６０℃の範囲である超伝導薄膜の作製方法とするも
のである。 また、本発明は請求項３に記載のように、請
求項１に記載の超伝導薄膜の作製方法において、上記格
子不整合緩和層のアニールは、成膜時の基板温度である
６４０〜６６０℃よりも高い温度で、３０分以上アニー
ルする超伝導薄膜の作製方法とするものである。また、
本発明は請求項４に記載のように、請求項１に記載の超
伝導薄膜の作製方法において、上記酸化物超伝導薄膜
は、ＬｎＢａ２Ｃｕ３Ｏ７〔Ｌｎ＝Ｙ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｎ
ｄ、Ｄｙ、Ｔｂ、ＥｒおよびＹｂのうちから選択された
少なくとも１種類以上の元素〕、Ｂｉ２Ｓｒ２Ｃａ１Ｃ
ｕ２Ｏ８、Ｂｉ２Ｓｒ２Ｃａ２Ｃｕ３Ｏ１０またはＴｌ
２Ｓｒ２Ｃａ２Ｃｕ３Ｏ１０の組成を有する超伝導薄膜
の作製方法とするものである。また、本発明は請求項５
に記載のように、請求項１に記載の超伝導薄膜の作製方
法において、上記基板は、ＭｇＯ（１００）、α−Ａｌ
２Ｏ３、ＹＳＺ（イットリウム安定化立方晶ジルコニ
ア）、Ｓｉ、ＬａＡｌＯ３、またはＬｎＧａＯ３〔Ｌｎ
＝Ｌａ、Ｎｄ、Ｐｒのうちの少なくとも１種類以上から
なる元素〕からなり、酸化物超伝導薄膜との格子不整合
が９〜４０％である基板を用いる超伝導薄膜の作製方法
とするものである。
するために、本発明は特許請求の範囲に記載のような構
成とするものである。すなわち、本発明は請求項１に記
載のように、真空装置中に配設された基板上に、酸化物
超伝導薄膜を所定の厚さに成膜する工程と、成膜を一定
時間中断して、上記成膜した酸化物超伝導薄膜を真空成
膜装置中において、減圧アルゴンもしくは減圧アルゴン
と酸素の混合ガス雰囲気中で、上記成膜時の基板温度よ
りも高い温度でアニールすることにより格子不整合緩和
層を１５〜２５ｎｍの厚さに形成する工程と、引き続
き、上記格子不整合緩和層上に、上記酸化物超伝導膜を
成膜して、低い表面抵抗を有し、表面平滑性に優れた酸
化物超伝導膜を形成する工程を含む超伝導薄膜の作製方
法とするものである。また、本発明は請求項２に記載の
ように、請求項１に記載の超伝導薄膜の作製方法におい
て、上記酸化物超伝導薄膜を成膜する基板温度は６４０
〜６６０℃の範囲である超伝導薄膜の作製方法とするも
のである。 また、本発明は請求項３に記載のように、請
求項１に記載の超伝導薄膜の作製方法において、上記格
子不整合緩和層のアニールは、成膜時の基板温度である
６４０〜６６０℃よりも高い温度で、３０分以上アニー
ルする超伝導薄膜の作製方法とするものである。また、
本発明は請求項４に記載のように、請求項１に記載の超
伝導薄膜の作製方法において、上記酸化物超伝導薄膜
は、ＬｎＢａ２Ｃｕ３Ｏ７〔Ｌｎ＝Ｙ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｎ
ｄ、Ｄｙ、Ｔｂ、ＥｒおよびＹｂのうちから選択された
少なくとも１種類以上の元素〕、Ｂｉ２Ｓｒ２Ｃａ１Ｃ
ｕ２Ｏ８、Ｂｉ２Ｓｒ２Ｃａ２Ｃｕ３Ｏ１０またはＴｌ
２Ｓｒ２Ｃａ２Ｃｕ３Ｏ１０の組成を有する超伝導薄膜
の作製方法とするものである。また、本発明は請求項５
に記載のように、請求項１に記載の超伝導薄膜の作製方
法において、上記基板は、ＭｇＯ（１００）、α−Ａｌ
２Ｏ３、ＹＳＺ（イットリウム安定化立方晶ジルコニ
ア）、Ｓｉ、ＬａＡｌＯ３、またはＬｎＧａＯ３〔Ｌｎ
＝Ｌａ、Ｎｄ、Ｐｒのうちの少なくとも１種類以上から
なる元素〕からなり、酸化物超伝導薄膜との格子不整合
が９〜４０％である基板を用いる超伝導薄膜の作製方法
とするものである。
【０００６】本発明は、比誘電率は低いが、超伝導薄膜
との格子不整合が大きい誘電導体基板（例えばＭｇＯな
ど）上に酸化物超伝導薄膜を形成する際に、格子不整合
緩和層を形成した後、真空成膜装置中において、高い基
板温度のままで、一定時間成膜を中断し、減圧アルゴン
もしくは減圧アルゴンと酸素との混合ガス雰囲気中で、
上記格子不整合緩和層を短時間アニールして表面を平滑
にし、この上に、上記酸化物超伝導薄膜を、初期成長速
度と同等もしくはさらに遅い薄膜形成速度で成膜を再開
することにより、上記基板表面に酸化物超伝導薄膜でで
きた非常に薄い格子不整合緩和層（厚さ約１５〜２５ｎ
ｍ）によって、島状結晶の成長によるスクリューディス
ロケーションが抑制され、結晶の２次元成長が促進され
て、酸化物超伝導薄膜の表面の平滑性を改善した超伝導
薄膜の作製方法である。本発明は、請求項１に記載のよ
うに、比誘電率が低く格子不整合の大きな基板上に、成
膜後いったん短時間アニールすることによって、酸化物
超伝導薄膜による格子不整合緩和層を形成し、薄膜の３
次元成長を抑制して、表面平滑性に優れた酸化物超伝導
薄膜を作製する。このようにして作製した酸化物超伝導
薄膜は、臨界温度が高く、また液体窒素温度においても
表面インピーダンスが小さい。また、格子不整合緩和層
の超伝導特性は低いと考えられるが、薄膜の厚さが磁場
侵入長以上あれば表面インピーダンスに与える影響はな
い。そのため、ミリ波・サブミリ波領域を上限とする高
周波受動素子を作製できる。また、表面インピーダンス
が小さく短縮率を上げることができるため、同じ性能を
有する銅薄膜を用いた高周波受動素子よりも小型化が可
能となり、素子の集積度を上げる効果がある。また、本
発明は請求項２に記載のように、請求項１に記載の超伝
導薄膜の作製方法において、上記酸化物超伝導薄膜を成
膜する基板温度は６４０〜６６０℃の範囲とするもの
で、最も薄膜の欠陥が少ない表面平滑性のよい薄膜が得
られるものである。 また、本発明は請求項３に記載のよ
うに、請求項１に記載の超伝導薄膜の作製方法におい
て、上記格子不整合緩和層のアニールは、成膜時の基板
温度である６４０〜６６０℃よりも高い温度で、約３０
分以上アニールすることにより明確に 表面平滑化の効果
が得られるものである。また、請求項４に記載のよう
に、本発明の酸化物超伝導薄膜の作製方法は、ＬｎＢａ
２Ｃｕ３Ｏ７〔Ｌｎ＝Ｙ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｎｄ、Ｄｙ、Ｔ
ｂ、ＥｒおよびＹｂのうちから選択された少なくとも１
種類以上の元素〕、Ｂｉ２Ｓｒ２Ｃａ１Ｃｕ２Ｏ８、Ｂ
ｉ２Ｓｒ２Ｃａ２Ｃｕ３Ｏ１０またはＴｌ２Ｓｒ２Ｃａ
２Ｃｕ３Ｏ１０の組成を有するペロブスカイト構造の酸
化物超伝導体の薄膜の形成に有効であり、従来の基板材
料と超伝導薄膜の格子整合によるエピタキシャル薄膜の
形成の場合よりも容易に表面平滑性に優れた酸化物超伝
導薄膜を作製できる効果がある。また、請求項５に記載
のように、基板として、ＭｇＯ（１００）、α−Ａｌ２
Ｏ３、ＹＳＺ（イットリウム安定化立方晶ジルコニ
ア）、Ｓｉ、ＬａＡｌＯ３またはＬｎＧａＯ３〔Ｌｎ＝
Ｌａ、Ｎｄ、Ｐｒのうちの少なくとも１種類以上からな
る元素〕からなり、超伝導薄膜との格子不整合が９〜４
０％のものを用いることができ、誘電体基板の格子定数
を選択することなく表面平滑性に優れた酸化物超伝導薄
膜を形成することができるため、比誘電率が低く、ｔａ
ｎδも小さく、費用対効果の高い基板を用いて高周波受
動素子を作製できる効果がある。
との格子不整合が大きい誘電導体基板（例えばＭｇＯな
ど）上に酸化物超伝導薄膜を形成する際に、格子不整合
緩和層を形成した後、真空成膜装置中において、高い基
板温度のままで、一定時間成膜を中断し、減圧アルゴン
もしくは減圧アルゴンと酸素との混合ガス雰囲気中で、
上記格子不整合緩和層を短時間アニールして表面を平滑
にし、この上に、上記酸化物超伝導薄膜を、初期成長速
度と同等もしくはさらに遅い薄膜形成速度で成膜を再開
することにより、上記基板表面に酸化物超伝導薄膜でで
きた非常に薄い格子不整合緩和層（厚さ約１５〜２５ｎ
ｍ）によって、島状結晶の成長によるスクリューディス
ロケーションが抑制され、結晶の２次元成長が促進され
て、酸化物超伝導薄膜の表面の平滑性を改善した超伝導
薄膜の作製方法である。本発明は、請求項１に記載のよ
うに、比誘電率が低く格子不整合の大きな基板上に、成
膜後いったん短時間アニールすることによって、酸化物
超伝導薄膜による格子不整合緩和層を形成し、薄膜の３
次元成長を抑制して、表面平滑性に優れた酸化物超伝導
薄膜を作製する。このようにして作製した酸化物超伝導
薄膜は、臨界温度が高く、また液体窒素温度においても
表面インピーダンスが小さい。また、格子不整合緩和層
の超伝導特性は低いと考えられるが、薄膜の厚さが磁場
侵入長以上あれば表面インピーダンスに与える影響はな
い。そのため、ミリ波・サブミリ波領域を上限とする高
周波受動素子を作製できる。また、表面インピーダンス
が小さく短縮率を上げることができるため、同じ性能を
有する銅薄膜を用いた高周波受動素子よりも小型化が可
能となり、素子の集積度を上げる効果がある。また、本
発明は請求項２に記載のように、請求項１に記載の超伝
導薄膜の作製方法において、上記酸化物超伝導薄膜を成
膜する基板温度は６４０〜６６０℃の範囲とするもの
で、最も薄膜の欠陥が少ない表面平滑性のよい薄膜が得
られるものである。 また、本発明は請求項３に記載のよ
うに、請求項１に記載の超伝導薄膜の作製方法におい
て、上記格子不整合緩和層のアニールは、成膜時の基板
温度である６４０〜６６０℃よりも高い温度で、約３０
分以上アニールすることにより明確に 表面平滑化の効果
が得られるものである。また、請求項４に記載のよう
に、本発明の酸化物超伝導薄膜の作製方法は、ＬｎＢａ
２Ｃｕ３Ｏ７〔Ｌｎ＝Ｙ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｎｄ、Ｄｙ、Ｔ
ｂ、ＥｒおよびＹｂのうちから選択された少なくとも１
種類以上の元素〕、Ｂｉ２Ｓｒ２Ｃａ１Ｃｕ２Ｏ８、Ｂ
ｉ２Ｓｒ２Ｃａ２Ｃｕ３Ｏ１０またはＴｌ２Ｓｒ２Ｃａ
２Ｃｕ３Ｏ１０の組成を有するペロブスカイト構造の酸
化物超伝導体の薄膜の形成に有効であり、従来の基板材
料と超伝導薄膜の格子整合によるエピタキシャル薄膜の
形成の場合よりも容易に表面平滑性に優れた酸化物超伝
導薄膜を作製できる効果がある。また、請求項５に記載
のように、基板として、ＭｇＯ（１００）、α−Ａｌ２
Ｏ３、ＹＳＺ（イットリウム安定化立方晶ジルコニ
ア）、Ｓｉ、ＬａＡｌＯ３またはＬｎＧａＯ３〔Ｌｎ＝
Ｌａ、Ｎｄ、Ｐｒのうちの少なくとも１種類以上からな
る元素〕からなり、超伝導薄膜との格子不整合が９〜４
０％のものを用いることができ、誘電体基板の格子定数
を選択することなく表面平滑性に優れた酸化物超伝導薄
膜を形成することができるため、比誘電率が低く、ｔａ
ｎδも小さく、費用対効果の高い基板を用いて高周波受
動素子を作製できる効果がある。
【０００７】
〈第１の実施の形態〉酸化物超伝導薄膜を単結晶薄膜と
してエピタキシャル成長させるためには、超伝導基板と
超伝導薄膜の格子定数を揃えることが必要であるが、そ
の成膜方法が高温（７００℃近傍）中での成膜であるた
め使用できる基板が限られている。また、高周波応用を
考えた場合、基板の比誘電率やｔａｎδも重要となり選
択の幅が狭くなる。その中でも有望な基板として、酸化
マグネシウム（ＭｇＯ）、ＬａＡｌＯ3等がある。しか
し、これらの基板は格子定数が超伝導体と異なり、通常
の成膜方法ではスクリューディスロケーションによる表
面の粗さを抑えることはできず、１００〜２００ｎｍの
大きさのブロック上の結晶構造が観測される。そこで、
これらの粗さを抑える成膜方法として、新たな間欠成膜
法を用いた。まず、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）からな
る基板１を、１０００℃以上の高温で、酸素中で熱処理
を行って表面の不純物を除去した後、図１に示すよう
に、成膜用の低圧の酸素（分圧０.１Ｐ）とアルゴンガ
スで充満されている真空チャンバ２を有するスパッタ成
膜装置内に装着した。このスパッタ成膜装置は、スパッ
タ装置３の超伝導ターゲット４から蒸発した原子が、右
上のヒータ１１で加熱された基板（酸化マグネシウム）
１上に飛来し、酸化物超伝導結晶薄膜を形成するもので
ある。スパッタ装置３にはＥｕ1Ｂａ2Ｃｕ3Ｏ7-xの組成
を有する超伝導ターゲット４を用い、成膜物質を蒸発さ
せて基板１の上に堆積させる。この時、基板１の上に飛
来した原子は自身の運動エネルギーと基板加熱による熱
エネルギーによって基板上をマイグレーション（移動）
して島状の結晶粒５が形成される。島状の結晶粒５の堆
積層の厚さを時間で制御し、一定の厚さ（２０ｎｍ程
度）になったときに、成膜をいったん停止する。このと
き、ＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）やＡＦＭ（原子間力顕
微鏡）を用いた観察から基板上に成長した結晶は、図２
（ａ）のようになる。通常、このまま成長させると、薄
膜表面には、起伏を伴った１００〜２００ｎｍの大きさ
のブロック状のスクリューディスロケーションによる薄
膜表面６が観測されるが〔図２（ｂ）〕、途中でいった
ん成膜を中断し、このまま、アルゴンと酸素の雰囲気中
で、通常の成膜時の基板温度よりも高い温度でアニール
すると、薄膜表面における結晶の再構築が行われ、格子
不整合緩和層７が形成される〔図２（ｃ）〕。この格子
不整合緩和層７の上に、酸化物超伝導薄膜の成膜を行う
と、スクリューディスロケーションが抑制され、表面平
滑性に優れた酸化物超伝導薄膜８が得られる〔図２
（ｄ）〕。このように、アニールすることによって２次
元結晶成長を向上させることができ、表面平滑性に優れ
た酸化物超伝導薄膜を作製することができる。また、直
流的には同等の臨界温度を有する薄膜において、超伝導
薄膜の表面平滑度の大きさ（ａ＜ｂ＜ｃ＜ｄ）の違いに
よる表面インピーダンス（ｍΩ）を共振法により測定し
た結果を図３に示す。表面の平滑な薄膜（ｄ）ほど表面
インピーダンスが測定限界に達する温度（Ｋ）が高くな
る。また、表面平滑性に優れた酸化物超伝導薄膜ほど液
体窒素温度での表面インピーダンスが小さいことを確認
した。本実施の形態では、酸化物超伝導薄膜として、Ｅ
ｕ1Ｂａ2Ｃｕ3Ｏ7-x組成のものを用いたが、これと同じ
ペロブスカイト型の結晶構造をもつ物理的性質が類似す
る複酸化物、例えば、ＬｎＢａ2Ｃｕ3Ｏ7〔Ｌｎ＝Ｙ、
Ｅｕ、Ｇｄ、Ｎｄ、Ｄｙ、Ｔｂ、ＥｒおよびＹｂのうち
から選択された少なくとも１種類以上の元素〕、Ｂｉ2
Ｓｒ2Ｃａ1Ｃｕ2Ｏ8、Ｂｉ2Ｓｒ2Ｃａ2Ｃｕ3Ｏ10または
Ｔｌ2Ｓｒ2Ｃａ2Ｃｕ3Ｏ10の組成を有する酸化物超伝導
薄膜においても本実施の形態と同様の効果が得られる。
また、酸化物超伝導薄膜を成長させる基板として、本実
施の形態では酸化マグネシウム（ＭｇＯ）を用いたが、
その他、酸化物超伝導薄膜との格子不整合が９〜４０％
程度ある基板、例えば、α−Ａｌ2Ｏ3、ＹＳＺ（イット
リウム安定化立方晶ジルコニア）、Ｓｉ、ＬａＡｌＯ3
またはＬｎＧａＯ3〔Ｌｎ＝Ｌａ、Ｎｄ、Ｐｒのうちの
少なくとも１種類以上からなる元素〕においても本実施
の形態と同様の効果が得られる。
してエピタキシャル成長させるためには、超伝導基板と
超伝導薄膜の格子定数を揃えることが必要であるが、そ
の成膜方法が高温（７００℃近傍）中での成膜であるた
め使用できる基板が限られている。また、高周波応用を
考えた場合、基板の比誘電率やｔａｎδも重要となり選
択の幅が狭くなる。その中でも有望な基板として、酸化
マグネシウム（ＭｇＯ）、ＬａＡｌＯ3等がある。しか
し、これらの基板は格子定数が超伝導体と異なり、通常
の成膜方法ではスクリューディスロケーションによる表
面の粗さを抑えることはできず、１００〜２００ｎｍの
大きさのブロック上の結晶構造が観測される。そこで、
これらの粗さを抑える成膜方法として、新たな間欠成膜
法を用いた。まず、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）からな
る基板１を、１０００℃以上の高温で、酸素中で熱処理
を行って表面の不純物を除去した後、図１に示すよう
に、成膜用の低圧の酸素（分圧０.１Ｐ）とアルゴンガ
スで充満されている真空チャンバ２を有するスパッタ成
膜装置内に装着した。このスパッタ成膜装置は、スパッ
タ装置３の超伝導ターゲット４から蒸発した原子が、右
上のヒータ１１で加熱された基板（酸化マグネシウム）
１上に飛来し、酸化物超伝導結晶薄膜を形成するもので
ある。スパッタ装置３にはＥｕ1Ｂａ2Ｃｕ3Ｏ7-xの組成
を有する超伝導ターゲット４を用い、成膜物質を蒸発さ
せて基板１の上に堆積させる。この時、基板１の上に飛
来した原子は自身の運動エネルギーと基板加熱による熱
エネルギーによって基板上をマイグレーション（移動）
して島状の結晶粒５が形成される。島状の結晶粒５の堆
積層の厚さを時間で制御し、一定の厚さ（２０ｎｍ程
度）になったときに、成膜をいったん停止する。このと
き、ＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）やＡＦＭ（原子間力顕
微鏡）を用いた観察から基板上に成長した結晶は、図２
（ａ）のようになる。通常、このまま成長させると、薄
膜表面には、起伏を伴った１００〜２００ｎｍの大きさ
のブロック状のスクリューディスロケーションによる薄
膜表面６が観測されるが〔図２（ｂ）〕、途中でいった
ん成膜を中断し、このまま、アルゴンと酸素の雰囲気中
で、通常の成膜時の基板温度よりも高い温度でアニール
すると、薄膜表面における結晶の再構築が行われ、格子
不整合緩和層７が形成される〔図２（ｃ）〕。この格子
不整合緩和層７の上に、酸化物超伝導薄膜の成膜を行う
と、スクリューディスロケーションが抑制され、表面平
滑性に優れた酸化物超伝導薄膜８が得られる〔図２
（ｄ）〕。このように、アニールすることによって２次
元結晶成長を向上させることができ、表面平滑性に優れ
た酸化物超伝導薄膜を作製することができる。また、直
流的には同等の臨界温度を有する薄膜において、超伝導
薄膜の表面平滑度の大きさ（ａ＜ｂ＜ｃ＜ｄ）の違いに
よる表面インピーダンス（ｍΩ）を共振法により測定し
た結果を図３に示す。表面の平滑な薄膜（ｄ）ほど表面
インピーダンスが測定限界に達する温度（Ｋ）が高くな
る。また、表面平滑性に優れた酸化物超伝導薄膜ほど液
体窒素温度での表面インピーダンスが小さいことを確認
した。本実施の形態では、酸化物超伝導薄膜として、Ｅ
ｕ1Ｂａ2Ｃｕ3Ｏ7-x組成のものを用いたが、これと同じ
ペロブスカイト型の結晶構造をもつ物理的性質が類似す
る複酸化物、例えば、ＬｎＢａ2Ｃｕ3Ｏ7〔Ｌｎ＝Ｙ、
Ｅｕ、Ｇｄ、Ｎｄ、Ｄｙ、Ｔｂ、ＥｒおよびＹｂのうち
から選択された少なくとも１種類以上の元素〕、Ｂｉ2
Ｓｒ2Ｃａ1Ｃｕ2Ｏ8、Ｂｉ2Ｓｒ2Ｃａ2Ｃｕ3Ｏ10または
Ｔｌ2Ｓｒ2Ｃａ2Ｃｕ3Ｏ10の組成を有する酸化物超伝導
薄膜においても本実施の形態と同様の効果が得られる。
また、酸化物超伝導薄膜を成長させる基板として、本実
施の形態では酸化マグネシウム（ＭｇＯ）を用いたが、
その他、酸化物超伝導薄膜との格子不整合が９〜４０％
程度ある基板、例えば、α−Ａｌ2Ｏ3、ＹＳＺ（イット
リウム安定化立方晶ジルコニア）、Ｓｉ、ＬａＡｌＯ3
またはＬｎＧａＯ3〔Ｌｎ＝Ｌａ、Ｎｄ、Ｐｒのうちの
少なくとも１種類以上からなる元素〕においても本実施
の形態と同様の効果が得られる。
【０００８】〈第２の実施の形態〉酸化物超伝導薄膜表
面の平滑性を最適化するために、薄膜の作製条件を変え
て成膜を行った。薄膜の平滑性には、格子不整合緩和層
の厚さ、成膜速度、基板温度、ガス雰囲気およびガス圧
などが重要な要件となる。この中で格子不整合緩和層の
厚さを変えた場合の成長した超伝導薄膜の表面状態（Ｓ
ＥＭ像）を図４に示す。図において、初期成長層（格子
不整合緩和層）が薄くなるほど表面平滑性は向上する
が、薄膜表面に空孔（ボイド）９が多く発生する。この
結果、格子不整合緩和層が１５〜２５ｎｍ（１５０〜２
５０Å）の厚さの時に、最も平滑性に優れた酸化物超伝
導薄膜が得られた。
面の平滑性を最適化するために、薄膜の作製条件を変え
て成膜を行った。薄膜の平滑性には、格子不整合緩和層
の厚さ、成膜速度、基板温度、ガス雰囲気およびガス圧
などが重要な要件となる。この中で格子不整合緩和層の
厚さを変えた場合の成長した超伝導薄膜の表面状態（Ｓ
ＥＭ像）を図４に示す。図において、初期成長層（格子
不整合緩和層）が薄くなるほど表面平滑性は向上する
が、薄膜表面に空孔（ボイド）９が多く発生する。この
結果、格子不整合緩和層が１５〜２５ｎｍ（１５０〜２
５０Å）の厚さの時に、最も平滑性に優れた酸化物超伝
導薄膜が得られた。
【０００９】〈第３の実施の形態〉平滑性に優れた酸化
物超伝導薄膜を形成するために、基板温度の影響につい
て調べた。基板温度を高くすると、基板表面での原子の
マイグレーションを活発にすることに相当し、薄膜の平
滑化には有効であるが、図５に成膜時の基板温度と成長
した超伝導薄膜の表面状態（ＳＥＭ像）を示すように、
薄膜表面に絶縁性のＣｕＯ析出物１０が数多く発生し、
基板温度が６４０〜６６０℃の時に、最も薄膜の欠陥が
少ない表面平滑性のよい薄膜が得られることが判った。
また、上記の温度範囲から外れると超伝導薄膜の臨界温
度は９０Ｋから低下した。
物超伝導薄膜を形成するために、基板温度の影響につい
て調べた。基板温度を高くすると、基板表面での原子の
マイグレーションを活発にすることに相当し、薄膜の平
滑化には有効であるが、図５に成膜時の基板温度と成長
した超伝導薄膜の表面状態（ＳＥＭ像）を示すように、
薄膜表面に絶縁性のＣｕＯ析出物１０が数多く発生し、
基板温度が６４０〜６６０℃の時に、最も薄膜の欠陥が
少ない表面平滑性のよい薄膜が得られることが判った。
また、上記の温度範囲から外れると超伝導薄膜の臨界温
度は９０Ｋから低下した。
【００１０】〈第４の実施の形態〉格子不整合緩和層の
アニール時間と薄膜の表面平滑性の関係について調べ
た。成膜後のアニール時間が１０分以下では表面平滑化
の明確な効果は得られなかったが、３０分以上のアニー
ルでは表面平滑化の改善に有効であった。
アニール時間と薄膜の表面平滑性の関係について調べ
た。成膜後のアニール時間が１０分以下では表面平滑化
の明確な効果は得られなかったが、３０分以上のアニー
ルでは表面平滑化の改善に有効であった。
【００１１】
【発明の効果】以上詳細に説明したごとく、本発明の超
伝導薄膜の作製方法によれば、格子定数のずれの大きい
酸化物超伝導薄膜の作製用基板上においても、高周波受
動素子等に使用可能な低表面インピーダンスを有する表
面平滑性に優れた薄膜を再現性良く作製することができ
る。
伝導薄膜の作製方法によれば、格子定数のずれの大きい
酸化物超伝導薄膜の作製用基板上においても、高周波受
動素子等に使用可能な低表面インピーダンスを有する表
面平滑性に優れた薄膜を再現性良く作製することができ
る。
【図１】本発明の第１の実施の形態で例示した成膜装置
の構成を示す模式図。
の構成を示す模式図。
【図２】本発明の第１の実施の形態で例示した間欠成膜
による表面平滑性に優れた薄膜の形成過程を示す説明
図。
による表面平滑性に優れた薄膜の形成過程を示す説明
図。
【図３】本発明の第１の実施の形態で例示した表面平滑
度の大きさと表面インピーダンスの関係を示すグラフ。
度の大きさと表面インピーダンスの関係を示すグラフ。
【図４】本発明の第２の実施の形態で例示した格子不整
合緩和層の厚さと成長した超伝導薄膜の表面状態（ＳＥ
Ｍ像）を示すスケッチ図。
合緩和層の厚さと成長した超伝導薄膜の表面状態（ＳＥ
Ｍ像）を示すスケッチ図。
【図５】本発明の第３の実施の形態で例示した成膜時の
基板温度と成長した超伝導薄膜の表面状態（ＳＥＭ像）
を示すスケッチ図。
基板温度と成長した超伝導薄膜の表面状態（ＳＥＭ像）
を示すスケッチ図。
１…基板（酸化マグネシウム）
２…真空チャンバ
３…スパッタ装置
４…超伝導ターゲット（Ｅｕ1Ｂａ2Ｃｕ3Ｏ7-x）
５…島状の結晶粒
６…スクリューディスロケーションによるブロック状の
結晶構造 ７…格子不整合緩和層 ８…表面平滑性に優れた超伝導薄膜 ９…空孔（ボイド） １０…ＣｕＯ析出物 １１…ヒータ １２…ブロック状の結晶成長
結晶構造 ７…格子不整合緩和層 ８…表面平滑性に優れた超伝導薄膜 ９…空孔（ボイド） １０…ＣｕＯ析出物 １１…ヒータ １２…ブロック状の結晶成長
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フロントページの続き
(72)発明者 鈴木 実
東京都新宿区西新宿三丁目19番２号 日
本電信電話株式会社内
(56)参考文献 特開 平２−311398（ＪＰ，Ａ)
特開 平２−212303（ＪＰ，Ａ)
特開 平２−212304（ＪＰ，Ａ)
特開 昭64−57528（ＪＰ，Ａ)
特開 平２−194184（ＪＰ，Ａ)
特開 平３−237005（ＪＰ，Ａ)
特開 平４−170389（ＪＰ，Ａ)
特開 平４−342497（ＪＰ，Ａ)
特開 平５−279192（ＪＰ，Ａ)
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
C30B 1/00 - 35/00
C01G 1/00
C01G 3/00
Claims (5)
- 【請求項１】真空装置中に配設された基板上に、酸化物
超伝導薄膜を所定の厚さに成膜する工程と、成膜を一定
時間中断して、上記成膜した酸化物超伝導薄膜を真空成
膜装置中において、減圧アルゴンもしくは減圧アルゴン
と酸素の混合ガス雰囲気中で、上記成膜時の基板温度よ
りも高い温度でアニールすることにより格子不整合緩和
層を１５〜２５ｎｍの厚さに形成する工程と、引き続
き、上記格子不整合緩和層上に、上記酸化物超伝導膜を
成膜して、低い表面抵抗を有し、表面平滑性に優れた酸
化物超伝導膜を形成する工程を含むことを特徴とする超
伝導薄膜の作製方法。 - 【請求項２】請求項１に記載の超伝導薄膜の作製方法に
おいて、上記酸化物超伝導薄膜を成膜する基板温度は６
４０〜６６０℃の範囲であることを特徴とする超伝導薄
膜の作製方法。 - 【請求項３】請求項１に記載の超伝導薄膜の作製方法に
おいて、上記格子不整合緩和層のアニールは、成膜時の
基板温度である６４０〜６６０℃よりも高い温度で、３
０分以上アニールすることを特徴とする超伝導薄膜の作
製方法。 - 【請求項４】請求項１に記載の超伝導薄膜の作製方法に
おいて、上記酸化物超伝導薄膜は、ＬｎＢａ２Ｃｕ３Ｏ
７〔Ｌｎ＝Ｙ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｎｄ、Ｄｙ、Ｔｂ、Ｅｒお
よびＹｂのうちから選択された少なくとも１種類以上の
元素〕、Ｂｉ２Ｓｒ２Ｃａ１Ｃｕ２Ｏ８、Ｂｉ２Ｓｒ２
Ｃａ２Ｃｕ３Ｏ１０またはＴｌ２Ｓｒ２Ｃａ２Ｃｕ３Ｏ
１０の組成を有することを特徴とする超伝導薄膜の作製
方法。 - 【請求項５】請求項１に記載の超伝導薄膜の作製方法に
おいて、上記基板は、ＭｇＯ（１００）、α−Ａｌ２Ｏ
３、ＹＳＺ（イットリウム安定化立方晶ジルコニア）、
Ｓｉ、ＬａＡｌＯ３、またはＬｎＧａＯ３〔Ｌｎ＝Ｌ
ａ、Ｎｄ、Ｐｒのうちの少なくとも１種類以上からなる
元素〕からなり、酸化物超伝導薄膜との格子不整合が９
〜４０％である基板を用いることを特徴とする超伝導薄
膜の作製方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP02098996A JP3439901B2 (ja) | 1996-02-07 | 1996-02-07 | 超伝導薄膜の作製方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP02098996A JP3439901B2 (ja) | 1996-02-07 | 1996-02-07 | 超伝導薄膜の作製方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH09208391A JPH09208391A (ja) | 1997-08-12 |
| JP3439901B2 true JP3439901B2 (ja) | 2003-08-25 |
Family
ID=12042552
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP02098996A Expired - Fee Related JP3439901B2 (ja) | 1996-02-07 | 1996-02-07 | 超伝導薄膜の作製方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3439901B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE102009053624A1 (de) * | 2009-11-17 | 2011-05-19 | Siemens Aktiengesellschaft | HF-Kavität sowie Beschleuniger mit einer derartigen HF-Kavität |
-
1996
- 1996-02-07 JP JP02098996A patent/JP3439901B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH09208391A (ja) | 1997-08-12 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |