JP4034151B2 - ホウ化物超伝導体薄膜の作製方法 - Google Patents
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Description
【産業上の利用分野】
本発明はジョセフソン接合、超伝導線材利用等へ応用可能なホウ化物超伝導体薄膜の作製方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、結晶性、Ｔｃ共に高いホウ化物超伝導体薄膜を作製するには、高温成膜（６００℃以上）が必要となる。たとえば、マグネシウムが揮発性が高いため、ボロンもしくはマグネシウムを含有したボロンにより構成されるボロンベースの前駆体薄膜を、マグネシウムとともに石英管等に封入し、数気圧以上のマグネシウム蒸気中で６００℃以上の高温の焼成過程を経て結晶化させる必要があった（著者名：Ｗ．Ｎ．Ｋａｎｇ，Ｈｙｅｏｎｇ−Ｊｉｎ Ｋｉｍ，Ｅｕｎ−Ｍｉ Ｃｈｏｉ，Ｃ．Ｕ．Ｊｕｎｇ，Ｓｕｎｋ−Ｉｋ Ｌｅｅ；論文名：ＭｇＢ２ ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ ｔｈｉｎ ｆｉｌｍｓ ｗｉｔｈ ａ ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｏｆ ３９ Ｋｅｌｖｉｎ；刊行物名：Ｓｃｉｅｎｃｅ；発行国：Ａｍｅｒｉｃａ；発行所：Ａｍｅｒｉｃａｎ ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｔｈｅ ａｄｖａｎｃｅｍｅｎｔ ｏｆ ｓｃｉｅｎｃｅ；発行年月日：２００１年５月２５日；巻数：２９２；号数：５５２１；ページ：１５２１−１５２３）。
【０００３】
上述の方法では、不純物として反応管の中に存在する酸素や水等の酸素源とマグネシウムが反応しやすく、マグネシウムが酸化されやすい問題もあった。このように基板温度が６００℃以上と高いので、ホウ化物薄膜中のマグネシウム蒸発による構造の変化を生じ、またマグネシウムが酸化されやすいことから、同様に構造の変化を生じるという欠点があり、超伝導デバイスの構成および線材への応用などの点に課題を生じていた。
【０００４】
また、真空容器中で直接に４００℃以下、高真空中でマグネシウム二ホウ化物（ＭｇＢ２）超伝導体薄膜を得る技術においては、低温成膜である為、結晶性、超伝導転移温度（Ｔｃ）が低い（〜３４Ｋ）という欠点があった。
【０００５】
【非特許文献１】
著者名：Ｗ．Ｎ．Ｋａｎｇ，Ｈｙｅｏｎｇ−Ｊｉｎ Ｋｉｍ，Ｅｕｎ−Ｍｉ Ｃｈｏｉ，Ｃ．Ｕ．Ｊｕｎｇ，Ｓｕｎｋ−Ｉｋ Ｌｅｅ；論文名：ＭｇＢ２ ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ ｔｈｉｎ ｆｉｌｍｓ ｗｉｔｈ ａ ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｏｆ ３９ Ｋｅｌｖｉｎ；刊行物名：Ｓｃｉｅｎｃｅ；発行国：Ａｍｅｒｉｃａ；発行所：Ａｍｅｒｉｃａｎ ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｔｈｅ ａｄｖａｎｃｅｍｅｎｔ ｏｆ ｓｃｉｅｎｃｅ；発行年月日：２００１年５月２５日；巻数：２９２；号数：５５２１；ページ：１５２１−１５２３
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上述の課題にかんがみなされたものであり、真空容器中にて低温で直接に、Ｔｃのより高い高品質ホウ化物超伝導体薄膜を得る手段を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明によるホウ化物超伝導体薄膜の作製方法は、超高真空中で、ＭｇおよびＢを蒸発させ、４００℃以下の成長温度で、ＭｇＢ２で示されるホウ化物薄膜を成膜する際、Ｈ２又はＮ２又はＨ２とＮ２混合ガスを導入することを特徴とする。
【０００８】
本発明ではＭｇとＢの反応を助長するガス（窒素、水素）を酸素、水を極力排除した超高真空中に（≦１０−８Ｔｏｒｒ）導入することにより、低合成温度で超伝導特性を向上させることが可能となり、上記問題が克服される。さらに 本発明によれば、低い成長温度で作製するため、マグネシウムが蒸発しにくく、作製されるホウ化物薄膜の構造変化を抑制でき、精度よく所望のホウ化物薄膜を作製できるという利点がある。また、前記ホウ化物薄膜の成長を超高真空中で行うので、マグネシウムの酸化を抑制することが可能で、同様に構造変化が抑制された良好なホウ化物超伝導体薄膜を作製できるという利点がある。すなわち、超高真空中で、蒸着を行うことにより、マグネシウムが真空容器の中で他の原子と衝突することなく高エネルギー状態で基板に突入するためボロンと効率的に反応するという利点を生じる。
【０００９】
本発明をさらに詳しく説明すると、本発明は、超高真空中で、ＭｇおよびＢを蒸発させ、４００℃以下の成長温度でＭｇＢ２で示されるホウ化物薄膜を成長させるものである。好ましくは、電子ビーム照射により蒸発させたＭｇおよびＢを基板上に蒸着させる（この場合、成長温度は基板温度となる）。低い成長温度で、ホウ化物薄膜を電子ビーム法により作製すれば、マグネシウムが蒸発しにくく、作製されるホウ化物薄膜の構造変化を抑制でき、精度よく所望のホウ化物薄膜を作製できるという利点がある。
【００１０】
上述の成長温度が４００℃を越えると、マグネシウムの蒸散が激しくなり所望組成のホウ化物超伝導体薄膜を作製するのが困難になる。最も好ましくは、１５０〜３２０℃の範囲である。１５０℃未満であると、ホウ化物超伝導体薄膜の作製が困難になる恐れがあり、３２０℃を越えると、Ｍｇが蒸発し、ＭｇとＢの反応が困難になる恐れがある。
【００１１】
本発明においては、前記ホウ化物薄膜の成長は、超高真空中で行う。Ｍｇの酸化を防止でき、制御性よく、良質のホウ化物超伝導体薄膜を作製できるからである。このような超高真空状態は、Ｈ２又はＮ２又はＨ２とＮ２混合ガス導入前の真空度（背圧）が１０−８Ｔｏｒｒ以下であるのがよい。１０−８Ｔｏｒｒを越えると、Ｍｇが酸化される恐れを生じ、所望の構造のホウ化物薄膜を形成するのが困難になるからである。すなわち、ＭｇとＢの反応を妨げる酸素、水を極力排除した超高真空（≦１０−８Ｔｏｒｒ）中で成膜を行うことにより、成長温度を著しく低下させることが可能となる。さらに、本発明においては、前述のような超高真空中に、ＭｇおよびＢの反応の助長するＨ２又はＮ２又はＨ２とＮ２混合ガスを導入する。ＭｇとＢの反応を助長するガス（窒素、水素）を酸素、水を極力排除した超高真空中に（≦１０−８Ｔｏｒｒ）導入することにより、低合成温度で超伝導特性を向上させた成膜を行うことが可能になるからである。前記Ｈ２又はＮ２又はＨ２とＮ２混合ガスは、好ましくは分圧で１×１０− 8〜１×１０−２Ｔｏｒｒ導入するのがよい。前記Ｈ２又はＮ２又はＨ２とＮ２混合ガスの分圧が前記範囲を外れると、一般的な装置においては成膜が困難になるからである。
【００１２】
このようなホウ化物薄膜を成長させる基板としては、４００℃、好ましくは３２０℃で溶解等の劣化を起こさない基板であれば基本的に限定されるものではない。Ｓｉ（１１１）、ＳｒＴｉＯ３（００１）、サファイアＲ、サファイアＣ面などのほかに、金属線、テープ等であってもよい。特にＭｇＢ２と格子整合の良好な基板を使用することにより、低い温度でホウ化物薄膜を成長させることができる。
【００１３】
このように、ホウ化物薄膜成長の低温化により、基板との界面反応を低減できる。また、ジョセフソン接合作製に当って、超伝導層と絶縁層もしくは金属層の界面反応を抑制できるという利点も生じる。
【００１４】
【作用】
低薄膜成長温度を保ちつつ高品質薄膜を得ることができる。これにより、ジョセフソン接合特性の改善が可能となる。
【００１５】
【実施例】
以下、本発明のマグネシウム二ホウ化物超伝導体薄膜について実施例に基づいて、具体的に説明する。
【００１６】
【実施例１】
超高真空容器内（蒸着前の真空容器の背圧は５×１０−９Ｔｏｒｒ以下）に窒素、及び酸素ガスの導入を行い、そのガス雰囲気下で、Ｍｇ及びＢを電子ビーム共蒸着法により、サファイアＣ面基板上に超伝導薄膜の成長を行った。基板温度（成長温度）は２８０℃とした。
【００１７】
図１に、（ａ）水素及び（ｂ）窒素雰囲気下で作製したＭｇＢ２薄膜の電気抵抗率の温度変化を示す（図中の数字は水素及び窒素のガス分圧を示す。０はガス導入無しの場合の結果）。ガス導入が無い場合、薄膜の電気抵抗は３４Ｋ付近でゼロとなるが、水素及び窒素ガスの導入により最高で３５．５Ｋで抵抗がゼロとなる（１．５Ｋ程度の改善）薄膜が得られた。
【００１８】
【発明の効果】
本発明によりホウ化物超伝導体薄膜を、高温焼成過程を省略し、低温（４００℃以下）で、かつ真空容器中で直接に超伝導薄膜の作製が可能となる。このため超伝導デバイス及び線材応用に画期的な進展をもたらすと考える。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明により作製された様々のガス（水素又は窒素）雰囲気下でのマグネシウム二ホウ化物超伝導体の電気抵抗率の温度変化（超伝導転移温度（Ｔｃ）付近の拡大図）を示す図。
Claims (4)
- 真空度（背圧）が１０ −８ Ｔｏｒｒ以下の超高真空中で、ＭｇおよびＢを蒸発させ、４００℃以下の成長温度で、ＭｇＢ２で示されるホウ化物薄膜を成膜する際、Ｈ２又はＮ２又はＨ２とＮ２混合ガスを導入することを特徴とするホウ化物超伝導体薄膜の作製方法。
- 前記Ｈ２又はＮ２又はＨ２とＮ２混合ガスを分圧１×１０−８〜１×１×１０−２Ｔｏｒｒ導入することを特徴とする請求項１記載のホウ化物超伝導体薄膜の作製方法。
- 前記成長温度は１５０〜３２０℃であることを特徴とする請求項１又は２のいずれか１項記載のホウ化物超伝導体薄膜の作製方法。
- 前記ＭｇおよびＢを蒸発は、電子ビーム照射により行うことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項記載のホウ化物超伝導体薄膜の作製方法。
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