JP4059963B2 - Manufacturing method of oxide superconductor - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は結晶方位の整った多結晶薄膜の製造方法と酸化物超電導導体の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年になって発見された酸化物超電導体は、液体窒素温度を超える臨界温度を示す優れた超電導体であるが、現在、この種の酸化物超電導体を実用的な超電導体として使用するためには、種々の解決するべき問題点が存在している。その問題点の1つが、酸化物超電導体の臨界電流密度が低いという問題である。
【0003】
前記酸化物超電導体の臨界電流密度が低いという問題は、酸化物超電導体の結晶自体に電気的な異方性が存在することが大きな原因となっており、特に酸化物超電導体はその結晶軸のa軸方向とb軸方向には電気を流し易いが、c軸方向には電気を流しにくいことが知られている。このような観点から酸化物超電導体を基材上に形成してこれを超電導導体として使用するためには、基材上に結晶配向性の良好な状態の酸化物超電導層を形成し、しかも、電気を流そうとする方向に酸化物超電導層の結晶のa軸あるいはb軸を配向させ、その他の方向に酸化物超電導体のc軸を配向させる必要がある。
【0004】
従来、基板や金属テープ等の基材上に結晶配向性の良好な酸化物超電導層を形成するために種々の手段が試みられてきた。その1つの方法として、酸化物超電導体と結晶構造の類似したMgOあるいはSrTiO3などの単結晶基材を用い、これらの単結晶基材上にスパッタリングなどの成膜法により酸化物超電導層を形成する方法が実施されている。
前記MgOやSrTiO3の単結晶基板を用いてスパッタリングなどの成膜法 を行なえば、酸化物超電導層の結晶が単結晶基板の結晶を基に結晶成長するために、その結晶配向性を良好にすることが可能であり、これらの単結晶基板上に形成された酸化物超電導層は、数10万A/cm2程度の十分に高い臨界電流密度 を発揮することが知られている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、酸化物超電導体を導電体として使用するためには、テープ状などの長尺の基材上に結晶配向性の良好な酸化物超電導層を形成する必要がある。ところが、金属テープなどの基材上に酸化物超電導層を直接形成すると、金属テープ自体が多結晶体でその結晶構造も酸化物超電導体と大きく異なるために、結晶配向性の良好な酸化物超電導層は到底形成できないものである。しかも、酸化物超電導層を形成する際に行なう熱処理によって金属テープと酸化物超電導層との間で拡散反応が生じて酸化物超電導層の結晶構造が崩れ、超電導特性が劣化する問題がある。
【0006】
そこで従来、金属テープなどの基材上に、スパッタ装置を用いてMgOやSrTiO3などの中間層を被覆し、この中間層上に酸化物超電導層を形成すること が行なわれている。ところがこの種の中間層上にスパッタ装置により形成した酸化物超電導層は、単結晶基材上に形成された酸化物超電導層よりもかなり低い臨界電流密度(例えば数1000〜10000A/cm2程度)しか示さないとい う問題があった。これは、以下に説明する理由によるものと考えられる。
【0007】
図14は、金属テープなどの基材1の上にスパッタ装置により中間層2を形成し、この中間層2上にスパッタ装置により酸化物超電導層3を形成した酸化物超電導導体の断面構造を示すものである。図14に示す構造において、酸化物超電導層3は多結晶状態であり、多数の結晶粒4が無秩序に結合した状態となっている。これらの結晶粒4の1つ1つを個々に見ると各結晶粒4の結晶のc軸は基材表面に対して垂直に配向しているものの、a軸とb軸は無秩序な方向を向いているものと考えられる。
【0008】
このように酸化物超電導層の結晶粒毎にa軸とb軸の向きが無秩序になると、結晶配向性の乱れた結晶粒界において超電導状態の量子的結合性が失なわれる結果、超電導特性、特に臨界電流密度の低下を引き起こすものと思われる。
また、前記酸化物超電導体がa軸およびb軸配向していない多結晶状態となるのは、その下に形成された中間層2がa軸およびb軸配向していない多結晶状態であるために、酸化物超電導層3を成膜する場合に、中間層2の結晶に整合するように酸化物超電導層3が成長するためであると思われる。
【0009】
ところで、前記酸化物超電導体の応用分野以外において、多結晶体の基材上に各種の配向膜を形成する技術が利用されている。例えば光学薄膜の分野、光磁気ディスクの分野、配線基板の分野、高周波導波路や高周波フィルタ、空洞共振器などの分野であるが、いずれの技術においても基材上に膜質の安定した配向性の良好な多結晶薄膜を形成することが課題となっている。即ち、多結晶薄膜の結晶配向性が良好であるならば、その上に形成される光学薄膜、磁性薄膜、配線用薄膜などの質が向上するわけであり、更に基材上に結晶配向性の良好な光学薄膜、磁性薄膜、配線用薄膜などを直接形成できるならば、なお好ましい。
【0010】
そこで本発明者らは、金属テープの基材上にイットリウム安定化ジルコニア(以下、YSZと略称する)の多結晶薄膜を形成し、この多結晶薄膜上に酸化物超電導層を形成することで、超電導特性の優れた酸化物超電導導体を製造する試みを種々行っている。
そして、このような試みの中から本発明者らは先に、特開平4−329865号(特願平3−126836号)、特開平4−331795号(特願平3−126837号)、特開平4−90025号(特願平2−205551号)、特開平6−39368号(特願平4−13443号)、特開平6−145977号(特願平4−293464号)などにおいて、結晶配向性に優れた多結晶薄膜、およびそれを利用した酸化物超電導導体の特許出願を行っている。
【0011】
これらの特許出願に記載された技術によれば、基材上にYSZの粒子を堆積させる際に、基材の斜め方向からイオンビームを照射すると、結晶配向性に優れた多結晶薄膜を形成することができるものである。
また、前記の特許出願に並行して本発明者らは、長尺または大面積の多結晶薄膜および酸化物超電導導体を製造するための研究を行なっているが、結晶配向性において更に優れた多結晶薄膜を製造する方法、および、多結晶薄膜上に超電導層を形成した場合に従来よりも更に優れた超電導特性を得ることを課題として研究を進めた結果本願発明に到達した。
【0012】
本発明は前記の背景に基づき、前記特許出願の技術を発展させるとともに、前記課題を有効に解決するためになされたもので、基材の成膜面に対して直角向きに結晶軸のc軸を配向させることができると同時に、成膜面と平行な面に沿って結晶粒の結晶軸のa軸およびb軸をも揃えることができ、結晶配向性に優れた多結晶薄膜を提供すること、および、結晶配向性に優れた臨界電流密度の高い酸化物超電導層を備えた酸化物超電導導体を提供することを目的とする。
また、本発明は、結晶配向性に優れた多結晶薄膜を製造するための装置の提供を目的とする。
【0013】
【課題を解決するための手段】
本発明は前記課題を解決するために、ターゲットから発生させた粒子を基材上に堆積させ、基材上にターゲットの構成元素からなる多結晶薄膜を形成し、次いでこの多結晶薄膜上に酸化物超電導層を形成する酸化物超電導導体の製造方法において、ターゲットの粒子を基材上に堆積させる際に、イオンソースが発生させたイオンビームを基材の成膜面の法線に対して50〜60度の範囲の入射角度で斜め方向から照射しながら前記粒子を堆積させて多結晶薄膜を形成させるとともに、成膜時の温度を300℃以下に設定し、多結晶薄膜形成後にその上に酸化物超電導層を形成することを特徴とする。
【0015】
本発明は前記課題を解決するために、前記においてイットリウム安定化ジルコニアのターゲットを用いるものである。本発明は前記課題を解決するために、前記において基材上に生成させる多結晶薄膜の厚さを200nm以上とするものである。
【0018】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
図1は本発明方法を実施してYSZ(イットリウム安定化ジルコニア)の多結晶薄膜を基材上に形成したものの一構造例を示すものであり、図1において、Aはテープ状の基材、Bは基材Aの上面に形成された多結晶薄膜を示している。
前記基材Aは、この例ではテープ状のものを用いているが、例えば、板材、線材、条体などの種々の形状のものを用いることができ、基材Aは、銀、白金、ステンレス鋼、銅、ハステロイ等のニッケル合金などの各種金属材料、もしくは、各種ガラスまたは各種セラミックスなどからなるものである。
【0019】
前記多結晶薄膜Bは、立方晶系の結晶構造を有するYSZ、あるいは、CeO2などの微細な結晶粒20が、多数、相互に結晶粒界を介して接合一体化されてなり、各結晶粒20の結晶軸のc軸は基材Aの上面(成膜面)に対して直角に向けられ、各結晶粒20の結晶軸のa軸どうしおよびb軸どうしは、互いに同一方向に向けられて面内配向されている。そして、各結晶粒20のa軸(またはb軸)どうしは、それらのなす角度(図2に示す粒界傾角K)を35度以内にして接合一体化されている。なお、この粒界傾角Kの値は後述する多結晶薄膜Bの製造方法において成膜時の温度を制御することで調整することが可能であり、成膜時の温度制御により35度よりも小さな値まで調整することができる。
【0020】
図3は、本発明の多結晶薄膜の製造方法の実施に好適に用いられる多結晶薄膜の製造装置の一例を示す図である。
この例の多結晶薄膜の製造装置は、テープ状の基材Aを支持するとともに所望温度に加熱または冷却することができるブロック状の基材ホルダ23と、基材ホルダ23上にテープ状の基材Aを送り出すための基材送出ボビン(送出装置)24と、多結晶薄膜が形成されたテープ状の基材Aを巻き取るための基材巻取ボビン(巻取装置)25と、前記基材ホルダ23の斜め上方に所定間隔をもって対向配置された板状のターゲット36と、このターゲット36の斜め上方においてターゲット36の下面に向けて配置されたスパッタビーム照射装置(スパッタ手段)38と、前記基材ホルダ23の側方に所定間隔をもって対向され、かつ、前記ターゲット36と離間して配置されたイオンソース39と、冷却装置Rが、真空排気可能な真空チャンバ(成膜処理容器)40に設けられた構成とされている。
【0021】
前記基材ホルダ23は、通電により抵抗発熱する金属線等からなる加熱ヒータ23aを内蔵して構成され、基材ホルダ23の上に送り出されたテープ状の基材Aを必要に応じて所望の温度に加熱できるようになっている。このような基材ホルダ23は、成膜処理容器40内のイオンソース39から照射されるイオンビームの最適照射領域に配設されている。また、この基材ホルダ23が側面三角型の基台60に装着されて設けられ、この基台60が成膜処理容器40の外壁40aを貫通して設けられた冷媒導入管61により成膜処理容器40の中央部に支持され、基台60と冷媒導入管61を主体として冷却装置Rが構成されている。
【0022】
この形態の基台60は、図5に示すように断面三角型の中空の金属ブロック製とされ、その上面60aは後述するイオンビームの基材に対する入射角度を50〜60度の範囲にできるように傾斜面とされている。また、基台60の背面60bに冷媒導入管61が接続されるとともに、冷媒導入管61は、内部の往管62とその外部を覆う戻管63とからなる2重構造とされていて、往管62と戻管63がいずれもチャンバ内部で基台60の内部空間に連通されているとともに、これらがいずれもほぼ水平に延出されて成膜処理容器40の外壁40aを貫通して外部に導出され、外部において両管が上方に湾曲されているとともに、往管62の先端部に戻管63の先端部よりも若干上方に突出した注入部64が形成されていて、更に注入部64に漏斗状の注入部材65が装着されて構成されている。
【0023】
そして、往管62の基台60側の先端部と戻管63の基台60側の先端部はいずれも基台60の背面60bの接続孔に気密に接合されているので、成膜処理容器40の内部を減圧した場合においても基台60の内部を成膜処理容器外部の大気圧状態とすることができ、前述の注入部材65の内部に液体窒素などの液体冷媒、あるいは冷却空気などの気体冷媒等を送り込み、基台60の内部を冷媒で満たすことができるように構成されている。
【0024】
また、往管62と戻管63を設けたのは、往管62のみで冷媒導入管61を構成すると注入部材65に液体窒素を投入して往管62から基台60に液体窒素を送入しようとしても、先に送入している液体窒素または蒸発した窒素ガスが基台60の内部に滞留し、新たな液体窒素を基台60に供給できなくなることを防止するためである。この点において戻管63を設けてあるならば、基台60内に滞留している古い液体窒素や気化した窒素ガスを戻管63を介して大気中に排出することが容易にできるので、基台60に常に新鮮な液体窒素を供給して基台60を十分に冷却することができ、冷却能力を高めることができる。更に、往管62の外部を戻管63で覆う2重構造を採用するならば、戻管63を通過している冷媒や窒素ガスで往管62を覆うことができる構成であるので、戻管63の内部の冷媒で往管62を冷却することができ、往管62の内部において冷媒の温度を不要に高めてしまうことを防止できる。
【0025】
更に、冷媒供給管61はフランジ板66を貫通して設けられ、このフランジ板66は成膜処理容器40の外壁40aに形成された取付孔40bを塞いで外壁40aにネジ止め等の固定手段により着脱自在に固定されている。また、前記フランジ板66には、基台60の温度計測用の温度計測装置67が冷媒供給管61に隣接するように装着され、この温度計測装置67に接続された温度センサ68により基材ホルダ23の温度を計測できるように構成されている。即ち、基台60の上面60a上に図5の2点鎖線の如く基材ホルダ23をセットした場合にこの温度センサ68を基材ホルダ23に接触させておくことで基材ホルダ23の温度を計測できるように構成されている。
【0026】
以上のことから、前記加熱ヒータ23aにより常温よりも高い温度に基材ホルダ23を加熱して基材Aを加熱するか、基台60により基材Aを冷却することにより、基材Aを所望の温度、例えば+500℃〜−196℃の範囲の温度に調節できるように構成されている。即ち、ヒータ加熱により、常温〜500℃程度までは容易に加熱調整することができ、更に、ヒータを停止して冷却用の媒体として液体窒素などの冷媒を用いて上述の冷却装置により77K(約−196℃)程度まで容易に冷却することができる。
【0027】
なお、ここで用いる冷却装置Rは図5に示す構成のものに限らないので、クーラー等の通常の冷却装置に用いられるフロン等のフッ素系ガスやアンモニアを用いた冷却装置で−30℃程度に冷却できる装置を設けても良いのは勿論である。また、成膜の際に基材にはターゲットからの高熱粒子の飛来により自然加熱されるので、例えば、常温で成膜して基材ホルダに一切加熱や冷却を行わない場合に基材は100℃程度に加熱されることになる。また、液体窒素で冷却しながら成膜する場合、基材を供給する基材ホルダ23の材質や厚さを調節することで、基台60から基材Aを冷却する能力を調整できる。例えば、薄く、熱伝導性に優れた基材ホルダ23を用い、冷媒導入管61からの液体窒素の供給量を充分に確保した場合は成膜時の発熱を差し引いても−150℃程度まで容易に冷却することができ、逆に基材ホルダ23を厚い金属材料で形成することで基台60からの冷却能力を低く抑えることができ、このようにした場合に液体窒素冷媒を用いても基材Aの温度を−150〜−50℃程度まで容易に調整することができる。
【0028】
この例の多結晶薄膜Bの製造装置においては、前記基材送出ボビン24から基材ホルダ23上にテープ状の基材Aを連続的に送り出し、前記最適照射領域を通過させた後に基材Aを基材巻取ボビン25で巻き取ることで基材A上に多結晶薄膜Bを連続成膜することができるようになっている。
【0029】
前記ターゲット36は、目的とする多結晶薄膜を形成するためのものであり、目的の組成の多結晶薄膜と同一組成あるいは近似組成のものなどを用いることができる。ターゲット36として具体的には、MgOあるいはY23で安定化したジルコニア(YSZ)、CeO2、MgO、SrTiO3などを用いるがこれに限るものではなく、形成しようとする多結晶薄膜に見合うターゲットを適宜用いれば良い。このようなターゲット36は、ピン等によりターゲット支持体36aに回動自在に取り付けられており、傾斜角度を調整できるようになっている。
前記スパッタビーム照射装置(スパッタ手段)38は、容器の内部に、蒸発源を収納し、蒸発源の近傍に引き出し電圧をかけるためのグリッドを備えて構成されているものであり、ターゲット36に対してイオンビームを照射してターゲット36の構成粒子を基材Aに向けて叩き出すことができるものである。
【0030】
前記イオンソース39は、スパッタビーム照射装置38と略同様の構成のものであり、容器の内部に蒸発源を収納し、蒸発源の近傍に引き出し電圧をかけるためのグリッドを備えて構成されている。そして、前記蒸発源から発生した原子または分子の一部をイオン化し、そのイオン化した粒子をグリッドで発生させた電界で制御してイオンビームとして照射する装置である。粒子をイオン化するには直流放電方式、高周波励起方式、フィラメント式、クラスタイオンビーム方式などの種々のものがある。フィラメント式はタングステン製のフィラメントに通電加熱して熱電子を発生させ、高真空中で蒸発粒子と衝突させてイオン化する方法である。また、クラスタイオンビーム方式は、原料を入れたるつぼの開口部に設けられたノズルから真空中に出てくる集合分子のクラスタを熱電子で衝撃してイオン化して放射するものである。
【0031】
この形態の多結晶薄膜の製造装置においては、図4に示す構成の内部構造のイオンソース39を用いる。このイオンソース39は、筒状のイオン室45の内部にグリッド46とフィラメント47とArガスなどの導入管48とを備えて構成され、イオン室45の先端のビーム口49からイオンをビーム状に略平行に放射できるものである。このイオンソース39の設置位置は、変更できるようになっており、また、ビーム口49の口径dも変更できるようになっている。
【0032】
前記イオンソース39は、図3に示すようにその中心軸線Sを基材Aの成膜面に対して入射角度θ(基材Aの垂線(法線)Hと中心線Sとのなす角度)でもって傾斜させて対向されている。この入射角度θは50〜60度の範囲が好ましいが、より好ましくは55〜60度の範囲、最も好ましくは55度である。従ってイオンソース39は基材Aの成膜面の法線Hに対してある入射角度θでもってイオンビームを照射できるように配置されている。
【0033】
また、前記イオンソース39は、これから放射されるイオンビームの広がり角度Δθが下記式(I)
Δθ≦2tan-1(d/2L) ・・・(I)
(式中、Δθはイオンビームの広がり角度、dはイオンソース39のビーム口径(cm)、Lはイオンソース39のビーム口49と基材Aとの距離であるイオンビームの搬送距離(cm)を表す。)により計算できるため、目的とする多結晶薄膜の結晶配向性に応じてイオンビームの搬送距離Lとビーム口径dが設定されている。このイオンビームの広がり角度Δθは5度以下が好ましく、より好ましくは3度以下の範囲である。例えば、L=40cmの場合、d≦3.49cmとすればΔθ≦5゜に制御することができ、d≦2.09cmとすればΔθ≦3゜に制御することができる。
【0034】
なお、前記のイオンソース39によって基材Aに照射するイオンビームは、YSZの中間層を形成する場合にHe+、Ne+、Ar+、Xe+、Kr+などの希ガスのイオンビーム、あるいは、それらと酸素イオンの混合イオンビームなどで良いが、特にCeO2の中間層を形成する場合には、Kr+のイオンビーム、あるいはKr+とXe+の混合イオンビームを用いる。
【0035】
また、前記成膜処理容器40には、この成膜処理容器40内を真空などの低圧状態にするためのロータリーポンプ51およびクライオポンプ52と、ガスボンベなどの雰囲気ガス供給源がそれぞれ接続されていて、成膜処理容器40の内部を真空などの低圧状態で、かつ、アルゴンガスあるいはその他の不活性ガス雰囲気または酸素を含む不活性ガス雰囲気にすることができるようになっている。
さらに、前記成膜処理容器40には、この成膜処理容器40内のイオンビームの電流密度を測定するための電流密度計測装置54と、前記容器40内の圧力を測定するための圧力計55が取り付けられている。
なお、この形態の多結晶薄膜の製造装置において、イオンソース39の支持部分に角度調整機構を取り付けてイオンソース39の傾斜角度を調整し、イオンビームの入射角度を調整するようにしても良く、角度調整機構は種々の構成のものを採用することができるのは勿論である。また、イオンソース39の設置位置を変更することにより、イオンビームの搬送距離Lを変更できるようにしたが、基材ホルダ23の支持体23aの長さを調整できるようにして、イオンビームの搬送距離Lを変更できるようにしても良い。
【0036】
次に前記構成の製造装置を用いてテープ状の基材A上にYSZの多結晶薄膜を形成する場合について説明する。
テープ状の基材A上に多結晶薄膜を形成するには、YSZあるいはCeO2などからなるターゲット36を用い、基材Aを収納している成膜処理容器40の内部を真空引きして減圧雰囲気とするとともに、基材送出ボビン24から基材ホルダ23に基材Aを所定の速度で送り出し、さらにイオンソース39とスパッタビーム照射装置38を作動させる。
【0037】
また、基材ホルダ23に付設した加熱ヒータあるいは冷却装置を作動させて基材ホルダ23に接する基材Aの温度を300℃以下の所望の温度に調節する。基材Aの設定温度は、後述するYSZの結晶配向性の結果と、後述する超電導層の臨界電流密度のデータから、300℃以下の範囲でもできるだけ低い温度に設定することが好ましい。300℃以下に成膜温度を設定する場合、常温において基材Aを基材ホルダ23で特に加熱しない場合の基材温度を示す100℃以下の温度範囲が好ましく、冷媒として安価に多用できる液体窒素により容易に冷却できる−150℃以上の温度範囲がより好ましい設定温度となる。
【0038】
ところで、液体窒素を注入部材65に投入し、ここから往管62を介して基台60の内部空間に液体窒素を満たす場合に、堆積する粒子による加熱状態あるいは成膜処理容器40に設けた他の装置からの熱輻射等により、液体窒素を用いてできるだけ薄い基材ホルダを採用しても基材Aの温度は−150℃程度に冷却することが限界であるので、これ以上低温に冷却する場合は、液体ヘリウム等の他の冷媒を用いることになる。
【0039】
スパッタビーム照射装置38からターゲット36に対してイオンビームを照射すると、ターゲット36の構成粒子が叩き出されて基材A上に飛来する。
そして、基材ホルダ23上に送り出された基材A上にターゲット36から叩き出した構成粒子を堆積させると同時にイオンソース39から、例えば、Ar+イオンと酸素イオンの混合イオンビームを照射して所望の厚みの多結晶薄膜Bを成膜し、成膜後のテープ状の基材Aを基材巻取ボビン25に巻き取る。
【0040】
ここでイオンビームを照射する際の入射角度θは、50〜60度の範囲が好ましく、より好ましくは55〜60度の範囲、最も好ましくは55度である。ここでθを90度とすると、多結晶薄膜のc軸は基材A上の成膜面に対して直角に配向するものの、基材Aの成膜面上に(111)面が立つので好ましくない。
また、θを30度とすると、多結晶薄膜はc軸配向すらしなくなる。前記のような好ましい範囲の入射角度でイオンビーム照射するならば多結晶薄膜の結晶の(100)面が立つようになる。このような入射角度でイオンビーム照射を行ないながらスパッタリングを行なうことで、基材A上に形成されるYSZの多結晶薄膜の結晶軸のa軸どうしおよびb軸どうしは互いに同一方向に向けられて基材Aの上面(成膜面)と平行な面に沿って面内配向する。
【0041】
この実施形態の多結晶薄膜の製造方法にあっては、前述のように真空排気可能な成膜処理容器40内に設けたターゲット36の構成粒子をスパッタリングにより叩き出して基材A上に堆積させる際に、イオンソース39から発生させたイオンビームを基材Aの成膜面の法線Hに対して入射角度50〜60度で照射しつつ堆積させ、基材A上に多結晶薄膜を成膜する方法において、基材Aの温度を所望の温度に制御することによって、より結晶配向性の良好なものを得ることができる。なお、イオンビームの入射角度の調整は、基台60の上面60aの傾斜角度の異なるものを複数用意しておき、適宜所望角度のものを交換してから成膜処理を行うことで実現できる。
【0042】
ここで、後述する実施例で明らかにされる如く、基材温度を300℃に設定することで粒界傾角35度のYSZの多結晶薄膜を得ることができ、200℃に設定することで粒界傾角25度のYSZの多結晶薄膜を得ることができ、100℃に設定することで粒界傾角18度のYSZの多結晶薄膜を得ることができ、0℃に設定することで粒界傾角13度のYSZの多結晶薄膜を得ることができ、−100℃に設定することで、粒界傾角10度のYSZの多結晶薄膜を得ることができ、−150℃に設定することで、粒界傾角8度のYSZの多結晶薄膜を得ることができる。
【0043】
そして、前述のようにして形成された多結晶薄膜上にスパッタリングやレーザ蒸着法などの成膜法により酸化物超電導層Cを積層することで図5に示す構造の酸化物超電導導体22を得ることができる。
この酸化物超電導層Cは、多結晶薄膜Bの上面に被覆されたものであり、その結晶粒23のc軸は多結晶薄膜Bの上面に対して直角に配向され、その結晶粒23…のa軸とb軸は先に説明した多結晶薄膜Bと同様に基材上面と平行な面に沿って面内配向し、結晶粒23どうしが形成する粒界傾角が小さな値に形成されている。
【0044】
この酸化物超電導層を構成する酸化物超電導体は、Y1Ba2Cu37-x、Y2Ba4Cu8y、Y3Ba3Cu6yなる組成、あるいは(Bi,Pb)2Ca2Sr2Cu3y、(Bi,Pb)2Ca2Sr3Cu4yなる組成、あるいは、Tl2Ba2Ca2Cu3y、Tl1Ba2Ca2Cu3y、Tl1Ba2Ca3Cu4yなる組成などに代表される臨界温度の高い酸化物超電導体である。
【0045】
ここで前述のようにして粒界傾角が35〜8度程度に精度良く揃えられた多結晶薄膜上にスパッタリングやレーザ蒸着法などの成膜法により酸化物超電導層Cを形成するならば、この多結晶薄膜上に積層される酸化物超電導層Cも多結晶薄膜の配向性に整合するようにエピタキシャル成長して結晶化する。
よって前記多結晶薄膜B上に形成された酸化物超電導層Cは、結晶配向性に乱れが殆どなく、この酸化物超電導層Cを構成する結晶粒の1つ1つにおいては、基材Aの厚さ方向に電気を流しにくいc軸が配向し、基材Aの長さ方向にa軸どうしあるいはb軸どうしが配向している。従って得られた酸化物超電導層Cは、結晶粒界における量子的結合性に優れ、結晶粒界における超電導特性の劣化が殆どないので、基材Aの長さ方向に電気を流し易くなり、MgOやSrTO3の単結晶基板上に形成して得られる酸化物超電導層と同じ程度の十分に高い臨界電流密度が得られる。
【0046】
なお、基材温度を300℃に設定し、粒界傾角35度のYSZの多結晶薄膜を得たものにおいては酸化物超電導層の臨界電流密度として55000A/cm2を得ることができ、基材温度を200℃に、粒界傾角25度のYSZの多結晶薄膜を得たものは酸化物超電導層の臨界電流密度として180000A/cm2を得ることができ、基材温度を100℃、粒界傾角18度のYSZの多結晶薄膜を得たものは酸化物超電導層の臨界電流密度として550000A/cm2を得ることができる。また、基材温度を0℃に、粒界傾角13度のYSZの多結晶薄膜を得たものにおいては酸化物超電導層の臨界電流密度として800000A/cm2を得ることができ、基材温度を−100℃に、粒界傾角10度のYSZの多結晶薄膜を得たものにおいては酸化物超電導層の臨界電流密度として1300000A/cm2を得ることができ、基材温度を−150℃に、粒界傾角8度のYSZの多結晶薄膜を得たものにおいては酸化物超電導層の臨界電流密度として2500000A/cm2を得ることができる。
【0047】
以上説明の如く基材温度を300℃以下の適宜の温度に維持しつつイオンビーム照射を行って成膜することにより、YSZ多結晶薄膜Bの結晶配向性に優れ、臨界電流特性に優れた酸化物超電導導体22を得ることができる。
また、この例で得られる酸化物超電導導体はフレキシブル性に優れた長尺のテープ状とすることが容易であり、超電導マグネットの巻線等への応用が期待できる。
【0048】
なお、前述の多結晶薄膜Bの結晶配向性が整う要因として本発明らは、以下のことを想定している。
YSZの多結晶薄膜Bの結晶の単位格子は、立方晶であり、この結晶格子においては、基板法線方向が<100>軸であり、他の<010>軸と<001>軸はいずれも他の方向となる。これらの方向に対し、基板法線に対して斜め方向から入射するイオンビームを考慮すると、単位格子の原点に対して単位格子の対角線方向、即ち、<111>軸に沿って入射する場合に、基板法線に対する入射角度は54.7度となる。
【0049】
先に本願発明者らが特許出願している技術によれば、図14に示すようにイオンビームの入射角度に応じて得られるYSZの多結晶薄膜の結晶配向性を示す半値全幅の値はイオンビーム入射角度が55〜60度の範囲で極小値を示す。
ここで前記のように入射角度50〜60度の範囲で良好な結晶配向性を示すことは、イオンビームの入射角度が前記54.7度と一致するかその前後になった 場合、イオンチャンネリングが最も効果的に起こり、基材A上に堆積している結晶において、基材Aの上面で前記角度に一致する配置関係になった原子のみが選択的に残り易くなり、その他の乱れた原子配列のものはイオンビームのスパッタ効果によりスパッタされて除去される結果、配向性の良好な原子の集合した結晶のみが選択的に残って堆積してゆくものと推定している。
【0050】
なおこの際に、イオンビーム のYSZに対する照射効果として、基材に垂直にYSZの(100)面を立てる効果と面内方位を整える効果の2つを奏するが、本発明者としては、基材に垂直に正確に(100)面を立てる効果が主要であるものと推定している。それは、基材に垂直にYSZの(100)を立てる効果が不十分であると、必然的に面内配向性も乱れるためである。
【0051】
次に、イオンビームを成膜面の法線に対して50〜60度の入射角度で照射しながら成膜する場合に温度制御を行うと多結晶薄膜Bの粒界傾角Kの値が良好になる理由、換言すると、多結晶薄膜Bの結晶配向性が良好になる理由について本願発明者は以下のように推定している。
通常のスパッタ、レーザ蒸着等の成膜法において結晶性の良好な薄膜を得るためには、成膜雰囲気を高温度、例えば400〜600℃程度、あるいはそれ以上の温度に加熱しながら成膜することが常識的な知見である。このような高温度に加熱しつつ成膜することで一般的に結晶性の高い膜を得ていることは、成膜温度と結晶化との間に密接な関係が存在することを意味し、薄膜の製造分野において成膜温度が低い場合はアモルファス性に富む膜が生成し易いものと理解されている。
【0052】
しかしながら、本願発明に係る技術であるイオンビーム照射に伴う成膜技術を用いる場合は、イオンビームにより結晶を整える効果が極めて大きいために、成膜温度は逆にできるだけ低い温度が好ましい。これは、低い温度の方が結晶を構成する原子の運動や振動がそれだけ少なくなり、イオンビーム照射に伴う結晶を揃える効果がより効果的に発揮される結果として、結晶配向性に優れた多結晶薄膜Bが生成し易くなるものと推定している。
【0053】
即ち、本発明の技術によれば、低温になるほど[100]軸が安定した多結晶薄膜を得ることができ、それに伴って[111]軸の角度が一意的に決まること、および、結晶を構成する原子の熱振動によりディチャネリング(dechanneeling)が起こらなくなり、[111]軸に沿ったイオンの衝突断面積が減少して効果的な配向制御が可能になることによって結晶配向性が良くなるものと思われる。
なお、成膜温度が低温になるほど結晶配向性の高い多結晶薄膜Bを得ることができ、100℃以下の温度で多結晶薄膜Bを成膜した場合により優れた結晶配向性の多結晶薄膜Bが得られるという事実は、一般の成膜技術において高温度に加熱しながら成膜しなくては結晶性の高い膜を得ることが難しいという知見とは相反するものであり、この点においてイオンビームを斜めから照射しながら成膜する技術の特異性を知ることができる。
【0054】
【実施例】
(実施例1)
図3〜図5に示す構成の装置を使用し、イオンビーム照射を伴うスパッタリングを行ってYSZの多結晶薄膜を金属テープ上に成膜した。図3に示す装置を収納した真空容器内を真空ポンプで真空引きして3.0×10-4Torrに減圧するとともに、真空容器内にAr+O2のガスをArにおいては16.0sccm、O2ガスにおいては8.0sccmの割合で供給した。
基材として、表面を鏡面加工した幅10mm、厚さ0.5mm、長さ数mのハステロイC276テープを使用した。ターゲットはYSZ(Y23:8モル%)製のものを用い、Ar+イオンをイオンガンからターゲットに照射してスパッタするとともに、イオンガンからのイオンビームの入射角度を基材ホルダ上の基材テープの成膜面の法線に対して入射角55度に設定し、Kr++O2のイオンビームのエネルギーを300eV、イオン電流密度を100μA/cm2に設定して基材上にレーザ蒸着と同時にイオンビーム照射を行ない、基材テープを基材ホルダに沿って一定速度で移動させながら基材テープ上に厚さ1100nmのYSZ層を形成した。
【0055】
なお、前記の成膜の際に、基材ホルダの加熱ヒータを作動させ、成膜時の基材および多結晶薄膜の温度を500℃、400℃、300℃、200℃にそれぞれ制御した。また、加熱ヒータを作動させないで常温で成膜した場合、基材および多結晶薄膜の温度はイオンビーム照射効果および装置内部の他の部分からの発熱等により100℃の温度に維持された。更に比較のために、図5に示す冷却装置を用いて液体窒素で冷却し、用いる基材ホルダの厚さを変えて冷却することにより、基材および多結晶薄膜の温度を0℃、−100℃、−150℃にそれぞれ制御して多結晶薄膜をテープ状の基材上に形成した。
【0056】
得られた各試料におけるX線による(111)極点図と(100)極点図を求めた結果を図8〜図12と図18に示す。図8〜図12と図18とに示す結果から、前記の成膜時において、成膜温度を300℃以下の低い温度にする方が配向性が優れた状態([100]配向状態)になることを確認することができた。また、逆に、300℃よりも高い温度(400℃あるいは500℃)にすると[100]配向しなくなり、[111]配向となってしまうことも確認できた。
【0057】
次に、前記のようにc軸配向された各試料において、YSZ多結晶薄膜のa軸あるいはb軸が配向しているか否かを測定した。
その測定のためには、図7に示すように、基材A上に形成されたYSZの多結晶薄膜にX線を角度θで照射するとともに、入射X線を含む鉛直面において、入射X線に対して2θ(58.7度)の角度の位置にX線カウンター58を設置し、入射X線を含む鉛直面に対する水平角度φの値を適宜変更して、即ち、基材Aを図7において矢印に示すように回転角φだけ回転させることにより得られる回折強さを測定することにより多結晶薄膜Bのa軸どうしまたはb軸どうしの配向性を計測した。
【0058】
さらに、得られたYSZの多結晶薄膜の各結晶粒における結晶配向性を試験した。この試験では図7を基に先に説明した方法でX線回折を行なう場合、φの角度を−20度〜20度まで1度刻みの値に設定した際の回折ピークを測定した。そして、そのピーク値が±何度の範囲で現れ、±何度の範囲では消失しているか否かにより面内配向性を求めた。
【0059】
更にこれらの多結晶薄膜上にイオンビームスパッタ装置を用いて酸化物超電導層を形成した。ターゲットとして、Y0.7Ba1.7Cu3.07-xなる組成の酸化物超電導体からなるターゲットを用いた。また、蒸着処理室の内部を1×10-6トールに減圧し、スパッタリングを行なった。その後、400゜Cで60分間、酸素雰囲気中において熱処理した。得られた酸化物超電導テープ導体は、幅10.0mm、長さ1mのものである。
この酸化物超電導テープ導体を液体窒素により冷却し、中央部の幅10mm、長さ10mmの部分について4端子法により臨界温度と臨界電流密度の測定を行なった結果を求めた。
以上の測定結果において、成膜温度と面内配向性と臨界電流密度の関係を以下に示す。
【0060】

Figure 0004059963
【0061】
この結果から、400℃以上の成膜温度では多結晶薄膜が[111]配向となってしまい、超電導層の臨界電流密度として良好な値が得られなかった。更に、300℃以下において成膜するならば、多結晶薄膜の結晶配向性も良好になり、臨界電流密度も高いものが得られた。そしてこの傾向は、成膜温度が低くなるほど顕著になり、このデータから、180000A/cm2以上の臨界電流密度を得るためには200℃以下の温度とすることが好ましく、550000A/cm2以上の臨界電流密度を得るためには100℃以下の温度とすることが好ましいことも判明した。以上のことから、高い臨界電流密度を得るための成膜温度範囲は、300℃〜−150℃の範囲内であっても、100℃〜−150℃の範囲がより好ましい。
【0062】
次に図13は、基材テープ上に形成した多結晶薄膜の半値全幅に対する膜厚依存性を示すものである。図13は100℃に基材テープを保持して前記と同じ条件で成膜した場合の結果である。
この結果から[100]軸の配向は、200nmを超える膜厚から安定し始めている。このことから、イオンビームを50〜60度の入射角度で斜め方向から照射しながら成膜する場合に、膜が堆積する初期の段階では結晶配向性が整っていない結晶が多少生じても、厚さが増加するにつれて結晶配向性が良好となり、[100]軸の配向状態から見て200nm以上の膜厚であれば結晶配向性に優れたものを得ることができることが明らかである。
【0063】
次に、図16は前述と同じ条件で製造したYSZの多結晶薄膜の蒸着時間と半値全幅の関係において、成膜温度100℃と200℃での値の比較を示し、図17は同YSZの多結晶薄膜の膜厚と半値全幅の関係において、成膜温度100℃と200℃での値の比較を示す。
いずれの図においても、200℃よりも低温の100℃で成膜した方が優秀な結晶配向性を示す多結晶薄膜を得られていることが示されている。
これらの試験結果から、より低い温度で成膜した方がより結晶配向性に優れた多結晶薄膜を得られることが明らかになった。
また、いずれの成膜温度においても、蒸着時間がある程度長くなくては、換言すると、膜厚がある程度厚くならなくては、良好な結晶配向性の多結晶薄膜を得にくいことも判明した。
【0064】
【発明の効果】
以上説明したように本発明方法によれば、ターゲットから発生させた粒子を基材に堆積させる際に、基材成膜面の法線に対して50度〜60度の入射角度でイオンビームを照射し、成膜温度を300℃以下にするので、基材の成膜面に対してc軸配向性に加えてa軸配向性とb軸配向性をも向上させた粒界傾角35度以下のYSZの多結晶薄膜を確実に得ることができる。
これは、基材上に堆積する構成原子において、規定の向きから外れた向きに配置された不安定な原子をイオンビームのイオンがスパッタ効果を発揮させて除去するので、規定の位置に配置された安定性の高い原子のみが選択的に残り易くなり、この結果として配向性の良好な粒子の堆積が主体的になされて配向性の良好な多結晶薄膜が得られたものと思われる。
また、成膜時の温度を300℃以下に制御することで、結晶を構成する原子の振動や運動を少なくすることができ、これらの影響力よりもイオンビームによる結晶配向性制御効果を大きくすることができる結果として配向性の良好な多結晶薄膜を得ることができる。また、イオンビームによる配向制御効果は、多結晶薄膜の特定の面を基材成膜面に垂直に正確に立てる作用を促進するものでもあるので、特定の面を基材成膜面に対して正確に位置決めできる結果として他の面の方向制御効果も向上させることができ、結果として膜全体としての結晶配向性に優れた結晶粒の集合体としての多結晶薄膜を得ることができる。
【0065】
そして、前述の温度で形成した配向性の良好な多結晶薄膜上に酸化物超電導層を形成するならば、結晶配向性の良好な酸化物超電導層を生成させることができ、これにより臨界電流密度の高い超電導特性の良好な酸化物超電導導体を得ることができる。
また、ターゲットから発生させて基材上に堆積させるものとして具体的にイットリウム安定化ジルコニアを用いることができ、結晶配向性に優れたイットリウム安定化ジルコニアの多結晶薄膜を得ることができる。
更に、得られる多結晶薄膜の厚さを200nm以上とするならば、十分に結晶配向性に優れた多結晶薄膜を確実に得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 図1は、本発明方法により形成されたYSZの多結晶薄膜を示す断面図である。
【図2】 図2は、図1に示すYSZ多結晶薄膜の結晶粒とその結晶軸方向および粒界傾角を示す拡大平面図である。
【図3】 図3は、本発明方法を実施して基材上に多結晶薄膜を製造するための装置の一例を示す構成図である。
【図4】 図4は、図3に示す装置に設けられるイオンガンの一例を示す断面図である。
【図5】 図5は、図3に示す装置に設けられる冷却装置の一例を示す断面図である。
【図6】 図6は、図1に示すYSZ多結晶薄膜の上に形成された酸化物超電導層を示す断面図である。
【図7】 図7は、多結晶薄膜の結晶配向性を測定するためのX線装置の配置図である。
【図8】 図8は、イオンビーム入射角度55度、イオンビームエネルギー300evで100℃で成膜した多結晶薄膜の極点図である。
【図9】 図9は、イオンビーム入射角度55度、イオンビームエネルギー300evで200℃で成膜した多結晶薄膜の極点図である。
【図10】 図10は、イオンビーム入射角度55度、イオンビームエネルギー300evで300℃で成膜した多結晶薄膜の極点図である。
【図11】 図11は、イオンビーム入射角度55度、イオンビームエネルギー300evで400℃で成膜した多結晶薄膜の極点図である。
【図12】 図12は、イオンビーム入射角度55度、イオン ビームエネルギー300evで500℃で成膜した多結晶薄膜の極点図である。
【図13】 基材上に形成した多結晶薄膜の厚さと半値全幅の関係を示す図である。
【図14】 図14は、イオンビームの入射角度と得られた多結晶薄膜の半値全幅との関係を示すグラフである。
【図15】 図15は、従来方法で基材上に成膜された多結晶薄膜と酸化物超電導層を示す構成図である。
【図16】 図16は、本発明方法で得られた多結晶薄膜の半値全幅と蒸着時間の関係を示す図である。
【図17】 図17は、本発明方法で得られた多結晶薄膜の半値全幅と膜厚の関係を示す図である。
【図18】 図18は、イオンビーム入射角度55度、イオンビ ームエネルギー300evで0℃で成膜した多結晶薄膜の極点図である。
【符号の説明】
A…基材、B…多結晶薄膜、C…酸化物超電導層、K…粒界傾角、θ…入射角度、φ…回転角、20、21…結晶粒、22…酸化物超電導導体、23…基材ホルダ、24・・・基材送出ボビン(送出装置)、25・・・基材巻取ボビン(巻取装置)、36…ターゲット、38…イオンガン、39・・・イオンソース、40…成膜処理容器、R・・・冷却装置、60・・・基台、61・・・冷媒導入管、62・・・往管、63・・・戻管。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for producing a polycrystalline thin film having a uniform crystal orientation and a method for producing an oxide superconducting conductor.
[0002]
[Prior art]
The oxide superconductor discovered in recent years is an excellent superconductor exhibiting a critical temperature exceeding the liquid nitrogen temperature, but at present, to use this kind of oxide superconductor as a practical superconductor. There are various problems to be solved. One of the problems is that the critical current density of the oxide superconductor is low.
[0003]
The problem that the critical current density of the oxide superconductor is low is largely due to the presence of electrical anisotropy in the oxide superconductor crystal itself. In particular, the oxide superconductor has its crystal axis. It is known that electricity can easily flow in the a-axis direction and b-axis direction, but it is difficult to flow electricity in the c-axis direction. From this point of view, in order to form an oxide superconductor on a substrate and use it as a superconducting conductor, an oxide superconducting layer having a good crystal orientation is formed on the substrate, It is necessary to orient the a-axis or b-axis of the crystal of the oxide superconducting layer in the direction in which electricity flows, and to orient the c-axis of the oxide superconductor in the other direction.
[0004]
Conventionally, various means have been tried to form an oxide superconducting layer with good crystal orientation on a substrate such as a substrate or a metal tape. As one of the methods, MgO or SrTiO having a crystal structure similar to that of the oxide superconductor is used.ThreeA method of forming an oxide superconducting layer on such a single crystal substrate by a film forming method such as sputtering is performed.
MgO or SrTiOThreeWhen a film formation method such as sputtering is performed using a single crystal substrate, the crystal of the oxide superconducting layer grows based on the crystal of the single crystal substrate, so that the crystal orientation can be improved. The oxide superconducting layer formed on these single crystal substrates has several hundred thousand A / cm.2It is known to exhibit a sufficiently high critical current density.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, in order to use an oxide superconductor as a conductor, it is necessary to form an oxide superconducting layer with good crystal orientation on a long substrate such as a tape. However, when an oxide superconducting layer is formed directly on a base material such as a metal tape, the metal tape itself is polycrystalline and its crystal structure is significantly different from that of an oxide superconductor. The layer cannot be formed at all. Moreover, there is a problem that a diffusion reaction occurs between the metal tape and the oxide superconducting layer due to the heat treatment performed when forming the oxide superconducting layer, the crystal structure of the oxide superconducting layer is destroyed, and the superconducting characteristics are deteriorated.
[0006]
Therefore, conventionally, MgO or SrTiO is used on a base material such as a metal tape by using a sputtering apparatus.ThreeAn oxide superconducting layer is formed on this intermediate layer. However, the oxide superconducting layer formed on this kind of intermediate layer by a sputtering apparatus has a significantly lower critical current density (for example, several thousand to 10,000 A / cm) than the oxide superconducting layer formed on the single crystal substrate.2There was a problem that it only showed. This is considered to be due to the reason explained below.
[0007]
FIG. 14 shows a cross-sectional structure of an oxide superconducting conductor in which an intermediate layer 2 is formed on a base material 1 such as a metal tape by a sputtering apparatus, and an oxide superconducting layer 3 is formed on the intermediate layer 2 by a sputtering apparatus. Is. In the structure shown in FIG. 14, the oxide superconducting layer 3 is in a polycrystalline state, and a large number of crystal grains 4 are randomly coupled. Looking at each of these crystal grains 4 individually, the c-axis of the crystal of each crystal grain 4 is oriented perpendicular to the substrate surface, but the a-axis and b-axis are in random directions. It is thought that.
[0008]
Thus, when the orientation of the a-axis and b-axis becomes disordered for each crystal grain of the oxide superconducting layer, the quantum conductivity of the superconducting state is lost at the grain boundary where the crystal orientation is disordered. In particular, it seems to cause a decrease in critical current density.
The reason why the oxide superconductor is in a polycrystalline state in which the a-axis and b-axis are not oriented is that the intermediate layer 2 formed thereunder is in a polycrystalline state in which the a-axis and b-axis are not oriented. In addition, when the oxide superconducting layer 3 is formed, it is considered that the oxide superconducting layer 3 grows so as to match the crystal of the intermediate layer 2.
[0009]
By the way, other than the application field of the oxide superconductor, techniques for forming various alignment films on a polycrystalline base material are used. For example, the field of optical thin film, the field of magneto-optical disk, the field of wiring board, the field of high-frequency waveguides, high-frequency filters, and cavity resonators. The formation of a good polycrystalline thin film is a problem. In other words, if the crystal orientation of the polycrystalline thin film is good, the quality of the optical thin film, magnetic thin film, thin film for wiring, etc. formed on the polycrystalline thin film is improved. It is more preferable if a good optical thin film, magnetic thin film, wiring thin film, etc. can be directly formed.
[0010]
Therefore, the present inventors formed a polycrystalline thin film of yttrium-stabilized zirconia (hereinafter abbreviated as YSZ) on the base material of the metal tape, and formed an oxide superconducting layer on the polycrystalline thin film. Various attempts have been made to produce oxide superconductors with excellent superconducting properties.
From such attempts, the present inventors have first disclosed Japanese Patent Application Laid-Open No. 4-329865 (Japanese Patent Application No. 3-126636), Japanese Patent Application Laid-Open No. 4-331957 (Japanese Patent Application No. 3-126937), In Kaihei 4-90025 (Japanese Patent Application No. 2-205551), Japanese Patent Application Laid-Open No. 6-39368 (Japanese Patent Application No. 4-13443), Japanese Patent Application Laid-Open No. 6-145777 (Japanese Patent Application No. 4-293464), etc. A patent application has been filed for a polycrystalline thin film excellent in orientation and an oxide superconducting conductor using the same.
[0011]
According to the techniques described in these patent applications, when depositing YSZ particles on a substrate, a polycrystalline thin film having excellent crystal orientation is formed by irradiating an ion beam from an oblique direction of the substrate. It is something that can be done.
In parallel with the above-mentioned patent application, the present inventors have conducted research for producing a long or large-area polycrystalline thin film and an oxide superconducting conductor. As a result of research on a method for producing a crystalline thin film and obtaining superconducting properties even better than conventional methods when a superconducting layer is formed on a polycrystalline thin film, the present invention has been achieved.
[0012]
The present invention has been made in order to develop the technology of the above-mentioned patent application and to effectively solve the above problems based on the above background. The c-axis of the crystal axis is perpendicular to the film-forming surface of the substrate. A polycrystalline thin film having excellent crystal orientation, in which the a-axis and b-axis of the crystal grains can be aligned along a plane parallel to the film-forming surface. Another object of the present invention is to provide an oxide superconducting conductor having an oxide superconducting layer having an excellent crystal orientation and a high critical current density.
Another object of the present invention is to provide an apparatus for producing a polycrystalline thin film having excellent crystal orientation.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
  In order to solve the above-mentioned problems, the present invention deposits particles generated from a target on a base material, and forms a polycrystalline thin film composed of constituent elements of the target on the base material.And then forming an oxide superconducting layer on the polycrystalline thin film.In order to deposit the target particles on the substrate, the ion beam generated by the ion source is irradiated from an oblique direction at an incident angle in the range of 50 to 60 degrees with respect to the normal of the film formation surface of the substrate. While depositing the particles to form a polycrystalline thin film, the temperature during film formation is 300 ° C. or lower.And after forming the polycrystalline thin film, an oxide superconducting layer is formed thereon.
[0015]
  In order to solve the above problems, the present inventionSaid1 uses a yttrium-stabilized zirconia target. In order to solve the above problems, the present inventionSaidThe thickness of the polycrystalline thin film formed on the substrate is 200 nm or more.
[0018]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
FIG. 1 shows an example of a structure in which a polycrystalline thin film of YSZ (yttrium stabilized zirconia) is formed on a substrate by carrying out the method of the present invention. In FIG. 1, A is a tape-shaped substrate, B shows a polycrystalline thin film formed on the upper surface of the substrate A.
The base material A is in the form of a tape in this example, but various shapes such as a plate material, a wire material, and a strip can be used, and the base material A is made of silver, platinum, stainless steel, or the like. It consists of various metal materials such as nickel alloys such as steel, copper and hastelloy, or various glasses or various ceramics.
[0019]
The polycrystalline thin film B is made of YSZ having a cubic crystal structure or CeO.2A large number of such fine crystal grains 20 are joined and integrated with each other via crystal grain boundaries, and the c-axis of the crystal axis of each crystal grain 20 is relative to the upper surface (film formation surface) of the substrate A. The a-axis and the b-axis of the crystal axes of each crystal grain 20 are oriented in a right angle and are oriented in the same direction in the same direction. The a-axes (or b-axes) of the crystal grains 20 are joined and integrated with an angle formed between them (grain boundary inclination angle K shown in FIG. 2) within 35 degrees. Note that the value of the grain boundary tilt angle K can be adjusted by controlling the temperature during film formation in the method of manufacturing the polycrystalline thin film B described later, and is smaller than 35 degrees by controlling the temperature during film formation. Can be adjusted up to the value.
[0020]
FIG. 3 is a diagram showing an example of an apparatus for manufacturing a polycrystalline thin film suitably used for carrying out the method for manufacturing a polycrystalline thin film of the present invention.
In this example, the polycrystalline thin film manufacturing apparatus supports a tape-shaped substrate A and can be heated or cooled to a desired temperature, and a block-shaped substrate holder 23 on the substrate holder 23. A substrate delivery bobbin (delivery device) 24 for delivering the material A, a substrate take-up bobbin (winding device) 25 for winding up the tape-like substrate A on which the polycrystalline thin film is formed, and the base A plate-like target 36 disposed diagonally above the material holder 23 with a predetermined interval; a sputtering beam irradiation device (sputtering means) 38 disposed toward the lower surface of the target 36 diagonally above the target 36; An ion source 39 facing the side of the substrate holder 23 with a predetermined interval and spaced apart from the target 36, and the cooling device R can be evacuated. It has a configuration provided (film deposition process chamber) 40.
[0021]
The base material holder 23 includes a heater 23a made of a metal wire or the like that generates resistance when energized, and a tape-shaped base material A fed onto the base material holder 23 is formed as desired. It can be heated to temperature. Such a substrate holder 23 is disposed in an optimum irradiation region of the ion beam irradiated from the ion source 39 in the film formation processing container 40. Further, the base material holder 23 is provided by being mounted on a side triangular base 60, and the base 60 is formed by a refrigerant introduction pipe 61 provided through the outer wall 40 a of the film formation processing container 40. A cooling device R is configured by being mainly supported by a base 60 and a refrigerant introduction pipe 61 supported by the central portion of the container 40.
[0022]
The base 60 in this form is made of a hollow metal block having a triangular cross section as shown in FIG. 5, and its upper surface 60a can make the incident angle of the ion beam with respect to the base material to be described later in the range of 50 to 60 degrees. The surface is inclined. In addition, a refrigerant introduction pipe 61 is connected to the back surface 60b of the base 60, and the refrigerant introduction pipe 61 has a double structure including an internal forward pipe 62 and a return pipe 63 covering the outside. Both the pipe 62 and the return pipe 63 communicate with the internal space of the base 60 inside the chamber, and both of them extend substantially horizontally and pass through the outer wall 40a of the film formation processing vessel 40 to the outside. Both pipes are led out and are curved upward, and an injection part 64 is formed at the distal end of the forward pipe 62 so as to protrude slightly above the distal end of the return pipe 63. A funnel-shaped injection member 65 is mounted.
[0023]
The distal end portion of the outgoing pipe 62 on the base 60 side and the distal end portion of the return pipe 63 on the base 60 side are both hermetically joined to the connection holes on the back surface 60b of the base 60, so that the film forming process container Even when the inside of the base 40 is depressurized, the inside of the base 60 can be brought into an atmospheric pressure state outside the film formation processing container, and a liquid refrigerant such as liquid nitrogen or cooling air can be placed inside the above-described injection member 65. A gas refrigerant or the like is fed in so that the interior of the base 60 can be filled with the refrigerant.
[0024]
Further, when the forward pipe 62 and the return pipe 63 are provided, if the refrigerant introduction pipe 61 is constituted only by the forward pipe 62, liquid nitrogen is introduced into the injection member 65 and liquid nitrogen is fed from the forward pipe 62 into the base 60. This is to prevent liquid nitrogen or vaporized nitrogen gas that has been previously fed from staying inside the base 60 and preventing new liquid nitrogen from being supplied to the base 60 even if trying to do so. If the return pipe 63 is provided at this point, the old liquid nitrogen or vaporized nitrogen gas staying in the base 60 can be easily discharged into the atmosphere through the return pipe 63. The base 60 can be sufficiently cooled by always supplying fresh liquid nitrogen to the base 60, and the cooling capacity can be increased. Further, if a double structure in which the outside of the forward pipe 62 is covered with the return pipe 63 is adopted, the forward pipe 62 can be covered with the refrigerant or nitrogen gas passing through the return pipe 63. The outgoing pipe 62 can be cooled by the refrigerant inside 63, and the temperature of the refrigerant can be prevented from being unnecessarily increased inside the outgoing pipe 62.
[0025]
Further, the refrigerant supply pipe 61 is provided through the flange plate 66, and the flange plate 66 closes the mounting hole 40b formed in the outer wall 40a of the film formation processing container 40, and is fixed to the outer wall 40a by screws or the like. It is detachably fixed. In addition, a temperature measuring device 67 for measuring the temperature of the base 60 is mounted on the flange plate 66 so as to be adjacent to the refrigerant supply pipe 61, and a substrate holder is mounted by a temperature sensor 68 connected to the temperature measuring device 67. It is comprised so that the temperature of 23 can be measured. That is, when the base material holder 23 is set on the upper surface 60a of the base 60 as shown by a two-dot chain line in FIG. 5, the temperature of the base material holder 23 is controlled by keeping the temperature sensor 68 in contact with the base material holder 23. It is configured so that it can be measured.
[0026]
From the above, the base material A is desired by heating the base material holder 23 by heating the base material holder 23 to a temperature higher than normal temperature by the heater 23a or by cooling the base material A by the base 60. For example, a temperature in the range of + 500 ° C. to −196 ° C. That is, the heating can be easily adjusted from room temperature to about 500 ° C. by heating the heater, and further, the heater is stopped and a cooling medium such as liquid nitrogen is used as a cooling medium, and the above cooling device is used for 77K (about It can be easily cooled to about −196 ° C.).
[0027]
Since the cooling device R used here is not limited to the one shown in FIG. 5, it is a cooling device using fluorine gas such as chlorofluorocarbon or ammonia used in a normal cooling device such as a cooler, and is about −30 ° C. Of course, an apparatus capable of cooling may be provided. Further, since the substrate is naturally heated by the arrival of hot particles from the target during film formation, for example, the substrate is 100 when the film is formed at room temperature and the substrate holder is not heated or cooled at all. It will be heated to about ℃. Moreover, when forming into a film, cooling with liquid nitrogen, the capability to cool the base material A from the base 60 can be adjusted by adjusting the material and thickness of the base material holder 23 which supplies a base material. For example, when the substrate holder 23 that is thin and excellent in thermal conductivity is used and the supply amount of liquid nitrogen from the refrigerant introduction pipe 61 is sufficiently secured, it can be easily reduced to about −150 ° C. even if the heat generated during film formation is subtracted. In contrast, by forming the substrate holder 23 with a thick metal material, the cooling capacity from the base 60 can be kept low. In this case, even if liquid nitrogen refrigerant is used, The temperature of the material A can be easily adjusted to about −150 to −50 ° C.
[0028]
In the manufacturing apparatus for the polycrystalline thin film B of this example, the tape-like base material A is continuously sent out from the base material delivery bobbin 24 onto the base material holder 23, and after passing through the optimum irradiation region, the base material A The polycrystalline thin film B can be continuously formed on the substrate A by winding the substrate with the substrate winding bobbin 25.
[0029]
The target 36 is used to form a target polycrystalline thin film, and a target having the same or approximate composition as the polycrystalline thin film having the target composition can be used. Specifically, the target 36 is MgO or Y2OThreeStabilized zirconia (YSZ), CeO2, MgO, SrTiOThreeHowever, the present invention is not limited to this, and a target suitable for the polycrystalline thin film to be formed may be used as appropriate. Such a target 36 is rotatably attached to the target support 36a by a pin or the like so that the inclination angle can be adjusted.
The sputtering beam irradiation device (sputtering means) 38 is configured to contain an evaporation source in a container and a grid for applying a drawing voltage in the vicinity of the evaporation source. By irradiating the ion beam, the constituent particles of the target 36 can be knocked out toward the base material A.
[0030]
The ion source 39 has substantially the same configuration as that of the sputter beam irradiation device 38, and includes a grid for storing an evaporation source in the container and applying a drawing voltage in the vicinity of the evaporation source. . And it is an apparatus which ionizes the atom or a part of molecule | numerator generated from the said evaporation source, and irradiates it as an ion beam by controlling the ionized particle | grain with the electric field generated in the grid. There are various types of ionization of particles such as a direct current discharge method, a high frequency excitation method, a filament method, and a cluster ion beam method. The filament type is a method in which a tungsten filament is energized and heated to generate thermoelectrons and collide with evaporated particles in a high vacuum to be ionized. In the cluster ion beam system, clusters of aggregate molecules coming out in a vacuum from a nozzle provided in an opening of a crucible containing raw materials are bombarded with thermal electrons and ionized to be emitted.
[0031]
In the polycrystalline thin film manufacturing apparatus of this embodiment, the ion source 39 having the internal structure shown in FIG. 4 is used. The ion source 39 includes a cylindrical ion chamber 45 having a grid 46, a filament 47, and an introduction tube 48 such as Ar gas. The ion source 39 forms a beam from a beam port 49 at the tip of the ion chamber 45. It can radiate substantially in parallel. The installation position of the ion source 39 can be changed, and the diameter d of the beam port 49 can also be changed.
[0032]
As shown in FIG. 3, the ion source 39 has its central axis S with respect to the film-forming surface of the substrate A and an incident angle θ (an angle formed between the normal (normal) H of the substrate A and the center line S). So they are inclined and face each other. The incident angle θ is preferably in the range of 50 to 60 degrees, more preferably in the range of 55 to 60 degrees, and most preferably 55 degrees. Therefore, the ion source 39 is arranged so that the ion beam can be irradiated at a certain incident angle θ with respect to the normal H of the film formation surface of the substrate A.
[0033]
In addition, the ion source 39 has a spread angle Δθ of an ion beam radiated from the following formula (I)
Δθ ≦ 2tan-1(D / 2L) (I)
(Where Δθ is the divergence angle of the ion beam, d is the beam aperture (cm) of the ion source 39, and L is the distance between the beam aperture 49 of the ion source 39 and the substrate A (cm). Therefore, the ion beam transport distance L and the beam aperture d are set according to the crystal orientation of the target polycrystalline thin film. The ion beam spread angle Δθ is preferably 5 degrees or less, and more preferably 3 degrees or less. For example, in the case of L = 40 cm, Δθ ≦ 5 ° can be controlled when d ≦ 3.49 cm, and Δθ ≦ 3 ° can be controlled when d ≦ 2.09 cm.
[0034]
The ion beam applied to the substrate A by the ion source 39 is He when an intermediate layer of YSZ is formed.+, Ne+, Ar+, Xe+, Kr+An ion beam of a rare gas such as, or a mixed ion beam of these and oxygen ions may be used.2In the case of forming an intermediate layer of+Ion beam or Kr+And Xe+The mixed ion beam is used.
[0035]
In addition, the film forming container 40 is connected to a rotary pump 51 and a cryopump 52 for bringing the inside of the film forming container 40 into a low pressure state such as a vacuum, and an atmospheric gas supply source such as a gas cylinder. In addition, the inside of the film formation processing vessel 40 can be in a low pressure state such as a vacuum and an argon gas or other inert gas atmosphere or an inert gas atmosphere containing oxygen.
Further, the film forming container 40 includes a current density measuring device 54 for measuring the current density of the ion beam in the film forming container 40 and a pressure gauge 55 for measuring the pressure in the container 40. Is attached.
In the polycrystalline thin film manufacturing apparatus of this embodiment, an angle adjustment mechanism may be attached to the support portion of the ion source 39 to adjust the tilt angle of the ion source 39, thereby adjusting the incident angle of the ion beam. Needless to say, the angle adjusting mechanism may have various configurations. Further, the ion beam transport distance L can be changed by changing the installation position of the ion source 39. However, the ion beam transport can be performed by adjusting the length of the support 23a of the substrate holder 23. The distance L may be changed.
[0036]
Next, the case where a polycrystalline thin film of YSZ is formed on the tape-shaped substrate A using the manufacturing apparatus having the above-described configuration will be described.
To form a polycrystalline thin film on a tape-shaped substrate A, YSZ or CeO2Using a target 36 made of the like, the inside of the film formation processing container 40 containing the base material A is evacuated to form a reduced-pressure atmosphere, and the base material A is transferred from the base material delivery bobbin 24 to the base material holder 23. Then, the ion source 39 and the sputter beam irradiation device 38 are operated.
[0037]
Moreover, the temperature of the base material A in contact with the base material holder 23 is adjusted to a desired temperature of 300 ° C. or less by operating a heater or a cooling device attached to the base material holder 23. The set temperature of the substrate A is preferably set as low as possible even within a range of 300 ° C. or less, based on the result of the crystal orientation of YSZ described later and the data on the critical current density of the superconducting layer described later. When the film forming temperature is set to 300 ° C. or lower, a temperature range of 100 ° C. or lower, which indicates the substrate temperature when the substrate A is not particularly heated by the substrate holder 23 at normal temperature, is preferable, and liquid nitrogen that can be widely used as a refrigerant at low cost A temperature range of −150 ° C. or higher that can be easily cooled is a more preferable set temperature.
[0038]
By the way, when liquid nitrogen is introduced into the injection member 65 and liquid nitrogen is filled into the internal space of the base 60 through the outgoing pipe 62 from here, the heated state by the deposited particles or the other provided in the film formation processing container 40 Even if a substrate holder that is as thin as possible using liquid nitrogen is adopted due to thermal radiation from the above apparatus, the temperature of the substrate A is limited to cooling to about −150 ° C., so it is further cooled to a lower temperature. In this case, other refrigerant such as liquid helium is used.
[0039]
When the target 36 is irradiated with an ion beam from the sputtering beam irradiation device 38, the constituent particles of the target 36 are knocked out and fly onto the base material A.
Then, the constituent particles knocked out from the target 36 are deposited on the base material A sent out onto the base material holder 23, and at the same time, from the ion source 39, for example, Ar+A polycrystalline thin film B having a desired thickness is formed by irradiation with a mixed ion beam of ions and oxygen ions, and the tape-shaped substrate A after the film formation is wound around the substrate take-up bobbin 25.
[0040]
Here, the incident angle θ when irradiating the ion beam is preferably in the range of 50 to 60 degrees, more preferably in the range of 55 to 60 degrees, and most preferably 55 degrees. Here, when θ is 90 degrees, the c-axis of the polycrystalline thin film is preferably oriented because the (111) plane stands on the film-forming surface of the substrate A, although it is oriented at right angles to the film-forming surface on the substrate A. Absent.
When θ is 30 degrees, the polycrystalline thin film does not even have c-axis orientation. If the ion beam is irradiated at an incident angle in a preferable range as described above, the (100) plane of the polycrystalline thin film will stand. By performing sputtering while irradiating an ion beam at such an incident angle, the a-axis and the b-axis of the polycrystalline thin film of YSZ formed on the substrate A are directed in the same direction. In-plane orientation is performed along a plane parallel to the upper surface (film formation surface) of the substrate A.
[0041]
In the method for producing a polycrystalline thin film according to this embodiment, the constituent particles of the target 36 provided in the film-forming treatment container 40 that can be evacuated as described above are knocked out by sputtering and deposited on the substrate A. At this time, an ion beam generated from the ion source 39 is deposited while being irradiated at an incident angle of 50 to 60 degrees with respect to the normal line H of the film formation surface of the substrate A to form a polycrystalline thin film on the substrate A. In the film forming method, by controlling the temperature of the substrate A to a desired temperature, a material having better crystal orientation can be obtained. The adjustment of the ion beam incident angle can be realized by preparing a plurality of materials having different inclination angles of the upper surface 60a of the base 60, and performing film formation after appropriately replacing the ones having the desired angles.
[0042]
Here, as will be clarified in Examples described later, a polycrystalline thin film of YSZ having a grain boundary tilt angle of 35 degrees can be obtained by setting the substrate temperature to 300 ° C., and by setting it to 200 ° C. A YSZ polycrystalline thin film with a field inclination angle of 25 degrees can be obtained, and a YSZ polycrystalline thin film with a grain boundary inclination angle of 18 degrees can be obtained by setting to 100 ° C., and a grain boundary inclination angle by setting to 0 ° C. A 13 degree YSZ polycrystalline thin film can be obtained. By setting the temperature to −100 ° C., a YSZ polycrystalline thin film having a grain boundary tilt angle of 10 degrees can be obtained. A polycrystalline thin film of YSZ having a field inclination angle of 8 degrees can be obtained.
[0043]
Then, the oxide superconducting layer 22 having the structure shown in FIG. 5 is obtained by laminating the oxide superconducting layer C on the polycrystalline thin film formed as described above by a film forming method such as sputtering or laser deposition. Can do.
The oxide superconducting layer C is coated on the upper surface of the polycrystalline thin film B, and the c-axis of the crystal grain 23 is oriented at right angles to the upper surface of the polycrystalline thin film B. The a-axis and b-axis are in-plane oriented along a plane parallel to the upper surface of the base material in the same manner as the polycrystalline thin film B described above, and the grain boundary inclination angle formed between the crystal grains 23 is formed to a small value. .
[0044]
The oxide superconductor constituting this oxide superconducting layer is Y1Ba2CuThreeO7-x, Y2BaFourCu8Oy, YThreeBaThreeCu6OyOr (Bi, Pb)2Ca2Sr2CuThreeOy, (Bi, Pb)2Ca2SrThreeCuFourOyThe composition or Tl2Ba2Ca2CuThreeOy, Tl1Ba2Ca2CuThreeOy, Tl1Ba2CaThreeCuFourOyIt is an oxide superconductor with a high critical temperature typified by such a composition.
[0045]
Here, if the oxide superconducting layer C is formed by a film forming method such as sputtering or laser vapor deposition on a polycrystalline thin film in which the grain boundary inclination angle is accurately aligned to about 35 to 8 degrees as described above, The oxide superconducting layer C laminated on the polycrystalline thin film is also epitaxially grown and crystallized so as to match the orientation of the polycrystalline thin film.
Therefore, the oxide superconducting layer C formed on the polycrystalline thin film B is hardly disturbed in crystal orientation, and in each of the crystal grains constituting the oxide superconducting layer C, the base material A In the thickness direction, the c-axis that hardly allows electricity to flow is oriented, and in the length direction of the substrate A, the a-axes or the b-axes are oriented. Therefore, the obtained oxide superconducting layer C is excellent in quantum connectivity at the grain boundaries and has almost no deterioration of the superconducting characteristics at the grain boundaries. And SrTOThreeA sufficiently high critical current density of the same level as that of the oxide superconducting layer obtained on the single crystal substrate can be obtained.
[0046]
In addition, in the case where the substrate temperature was set to 300 ° C. and a polycrystalline thin film of YSZ having a grain boundary tilt angle of 35 degrees was obtained, the critical current density of the oxide superconducting layer was 55000 A / cm.2A YSZ polycrystalline thin film having a substrate temperature of 200 ° C. and a grain boundary tilt angle of 25 ° is obtained as a critical current density of an oxide superconducting layer of 180000 A / cm.2A YSZ polycrystalline thin film having a substrate temperature of 100 ° C. and a grain boundary tilt angle of 18 degrees is obtained as the critical current density of the oxide superconducting layer is 550000 A / cm.2Can be obtained. Further, in the case of obtaining a YSZ polycrystalline thin film having a substrate temperature of 0 ° C. and a grain boundary tilt angle of 13 degrees, the critical current density of the oxide superconducting layer is 800000 A / cm.2In the case of obtaining a YSZ polycrystalline thin film having a substrate temperature of −100 ° C. and a grain boundary tilt angle of 10 °, the critical current density of the oxide superconducting layer is 1300000 A / cm.2In the case of obtaining a YSZ polycrystalline thin film having a substrate temperature of −150 ° C. and a grain boundary tilt angle of 8 degrees, the critical current density of the oxide superconducting layer is 2500000 A / cm.2Can be obtained.
[0047]
As described above, film formation is performed by ion beam irradiation while maintaining the substrate temperature at an appropriate temperature of 300 ° C. or less, so that the YSZ polycrystalline thin film B has excellent crystal orientation and excellent critical current characteristics. The physical superconductor 22 can be obtained.
In addition, the oxide superconducting conductor obtained in this example can be easily formed into a long tape having excellent flexibility, and application to a winding of a superconducting magnet can be expected.
[0048]
Note that the present inventors assume the following as a factor for adjusting the crystal orientation of the polycrystalline thin film B described above.
The unit lattice of the crystal of the YSZ polycrystalline thin film B is a cubic crystal. In this crystal lattice, the substrate normal direction is the <100> axis, and the other <010> axis and the <001> axis are both The other direction. Considering an ion beam incident from an oblique direction with respect to the substrate normal with respect to these directions, when entering the diagonal direction of the unit cell relative to the origin of the unit cell, that is, along the <111> axis, The incident angle with respect to the substrate normal is 54.7 degrees.
[0049]
According to the technology previously filed by the inventors of the present application, as shown in FIG. 14, the value of the full width at half maximum indicating the crystal orientation of the polycrystalline thin film of YSZ obtained according to the incident angle of the ion beam is The minimum value is shown when the beam incident angle is in the range of 55 to 60 degrees.
Here, as described above, good crystal orientation is exhibited in the incident angle range of 50 to 60 degrees. When the incident angle of the ion beam coincides with or is around 54.7 degrees, the ion channeling is performed. In the crystal deposited on the base material A, only the atoms in the arrangement relationship corresponding to the angle on the upper surface of the base material A are likely to remain selectively, and other disordered atoms It is presumed that the arrayed elements are removed by being sputtered by the sputtering effect of the ion beam, so that only crystals with a good orientation of atoms are selectively left and deposited.
[0050]
At this time, the irradiation effect of the ion beam on YSZ has two effects, that is, the effect of raising the (100) plane of YSZ perpendicular to the substrate and the effect of adjusting the in-plane orientation. It is presumed that the effect of raising the (100) plane perpendicularly to the main is the main. This is because if the effect of raising YSZ (100) perpendicular to the substrate is insufficient, the in-plane orientation is inevitably disturbed.
[0051]
Next, when film formation is performed while irradiating an ion beam at an incident angle of 50 to 60 degrees with respect to the normal of the film formation surface, the value of the grain boundary tilt angle K of the polycrystalline thin film B is improved when temperature control is performed. The inventor of the present application presumes the reason why the crystal orientation of the polycrystalline thin film B is improved as follows.
In order to obtain a thin film with good crystallinity in a film formation method such as normal sputtering or laser vapor deposition, film formation is performed while heating the film formation atmosphere to a high temperature, for example, about 400 to 600 ° C. or higher. That is common knowledge. Obtaining a film with high crystallinity by forming a film while heating to such a high temperature means that there is a close relationship between the film formation temperature and crystallization, In the field of thin film production, it is understood that when the film formation temperature is low, a film rich in amorphousness is easily generated.
[0052]
However, in the case of using a film forming technique accompanying ion beam irradiation, which is a technique related to the present invention, the film forming temperature is preferably as low as possible because the effect of adjusting the crystal by the ion beam is extremely large. This is because the lower the temperature, the less the movement and vibration of the atoms that make up the crystal, and the more effective the effect of aligning the crystal with ion beam irradiation is. It is estimated that the thin film B is easily generated.
[0053]
That is, according to the technique of the present invention, a polycrystalline thin film having a stable [100] axis can be obtained as the temperature is lowered, and the angle of the [111] axis is uniquely determined accordingly, and the crystal is formed. The crystal orientation is improved because dechanneeling does not occur due to the thermal vibration of the atoms and the collision cross section of ions along the [111] axis is reduced to enable effective orientation control. Seem.
Note that the polycrystalline thin film B having higher crystal orientation can be obtained as the film forming temperature is lowered, and the polycrystalline thin film B having better crystal orientation is obtained when the polycrystalline thin film B is formed at a temperature of 100 ° C. or lower. The fact that the film can be obtained is contrary to the knowledge that it is difficult to obtain a film with high crystallinity without film formation while heating at a high temperature in general film formation technology. It is possible to know the peculiarity of the technology for forming a film while irradiating the film obliquely.
[0054]
【Example】
Example 1
3 to 5 was used to perform sputtering with ion beam irradiation to form a YSZ polycrystalline thin film on a metal tape. The inside of the vacuum vessel containing the apparatus shown in FIG. 3 is evacuated with a vacuum pump to 3.0 × 10-FourWhile reducing the pressure to Torr, Ar + O in the vacuum vessel2The gas of Ar is 16.0 sccm, O2The gas was supplied at a rate of 8.0 sccm.
As the substrate, Hastelloy C276 tape having a mirror-finished surface of 10 mm in width, 0.5 mm in thickness, and several m in length was used. The target is YSZ (Y2OThree: 8 mol%), Ar+The target is irradiated with ions from the ion gun and sputtered, and the incident angle of the ion beam from the ion gun is set to an incident angle of 55 degrees with respect to the normal of the film forming surface of the base tape on the base holder.++ O2The ion beam energy is 300 eV and the ion current density is 100 μA / cm.2Then, ion beam irradiation was performed simultaneously with laser deposition on the substrate, and a YSZ layer having a thickness of 1100 nm was formed on the substrate tape while moving the substrate tape along the substrate holder at a constant speed.
[0055]
During the film formation, the heater of the base material holder was operated, and the temperatures of the base material and the polycrystalline thin film during film formation were controlled to 500 ° C., 400 ° C., 300 ° C., and 200 ° C., respectively. Further, when the film was formed at room temperature without operating the heater, the temperature of the base material and the polycrystalline thin film was maintained at a temperature of 100 ° C. due to the ion beam irradiation effect and heat generation from other parts inside the apparatus. For further comparison, the substrate is cooled with liquid nitrogen using the cooling device shown in FIG. 5, and the substrate holder and the polycrystalline thin film are cooled at temperatures of 0 ° C. and −100 by changing the thickness of the substrate holder used. A polycrystalline thin film was formed on a tape-shaped substrate by controlling the temperature at ℃ and −150 ℃, respectively.
[0056]
The results of obtaining the (111) pole figure and the (100) pole figure by X-ray in each of the obtained samples are shown in FIGS. From the results shown in FIG. 8 to FIG. 12 and FIG. 18, when the film is formed, it is in a state in which the orientation is excellent ([100] orientation state) when the film forming temperature is set to a lower temperature of 300 ° C. or lower. I was able to confirm that. Conversely, it was confirmed that when the temperature was higher than 300 ° C. (400 ° C. or 500 ° C.), the [100] orientation was lost and the [111] orientation was obtained.
[0057]
Next, whether or not the a-axis or b-axis of the YSZ polycrystalline thin film was oriented in each c-axis oriented sample as described above was measured.
For the measurement, as shown in FIG. 7, the YSZ polycrystalline thin film formed on the substrate A is irradiated with X-rays at an angle θ, and incident X-rays are incident on a vertical plane including incident X-rays. The X-ray counter 58 is installed at an angle of 2θ (58.7 degrees) with respect to the vertical angle, and the value of the horizontal angle φ with respect to the vertical plane including the incident X-rays is appropriately changed. The orientation of the a-axis or b-axis of the polycrystalline thin film B was measured by measuring the diffraction intensity obtained by rotating it by the rotation angle φ as indicated by the arrows in FIG.
[0058]
Furthermore, the crystal orientation in each crystal grain of the obtained YSZ polycrystalline thin film was tested. In this test, when performing X-ray diffraction by the method described above with reference to FIG. 7, the diffraction peak was measured when the angle of φ was set to a value in increments of 1 degree from −20 degrees to 20 degrees. And the in-plane orientation was calculated | required by whether the peak value appeared in the range of ± times, and disappeared in the range of ± times.
[0059]
Further, an oxide superconducting layer was formed on these polycrystalline thin films using an ion beam sputtering apparatus. Y as target0.7Ba1.7Cu3.0O7-xA target made of an oxide superconductor having the following composition was used. The inside of the vapor deposition chamber is 1 × 10-6The pressure was reduced to tall and sputtering was performed. Thereafter, heat treatment was performed at 400 ° C. for 60 minutes in an oxygen atmosphere. The obtained oxide superconducting tape conductor has a width of 10.0 mm and a length of 1 m.
The oxide superconducting tape conductor was cooled with liquid nitrogen, and the results of measuring the critical temperature and the critical current density by a four-terminal method for the central portion having a width of 10 mm and a length of 10 mm were obtained.
In the above measurement results, the relationship between the film formation temperature, the in-plane orientation, and the critical current density is shown below.
[0060]
Figure 0004059963
[0061]
From this result, the polycrystalline thin film was [111] oriented at a deposition temperature of 400 ° C. or higher, and a good value was not obtained as the critical current density of the superconducting layer. Furthermore, if the film was formed at 300 ° C. or lower, the polycrystalline thin film had good crystal orientation and a high critical current density. This tendency becomes more prominent as the film formation temperature becomes lower. From this data, 180000 A / cm2In order to obtain the above critical current density, the temperature is preferably 200 ° C. or lower, preferably 550000 A / cm.2It has also been found that a temperature of 100 ° C. or lower is preferable in order to obtain the above critical current density. From the above, the film forming temperature range for obtaining a high critical current density is more preferably in the range of 100 ° C. to −150 ° C. even in the range of 300 ° C. to −150 ° C.
[0062]
Next, FIG. 13 shows the film thickness dependence with respect to the full width at half maximum of the polycrystalline thin film formed on the base tape. FIG. 13 shows the results when the base tape was held at 100 ° C. and the film was formed under the same conditions as described above.
From this result, the orientation of the [100] axis starts to stabilize from a film thickness exceeding 200 nm. Therefore, in the case of forming a film while irradiating an ion beam with an incident angle of 50 to 60 degrees from an oblique direction, even if a crystal with poor crystal orientation is formed at the initial stage of film deposition, As the thickness increases, the crystal orientation becomes better, and it is clear that a film having an excellent crystal orientation can be obtained if the film thickness is 200 nm or more when viewed from the [100] axis orientation state.
[0063]
Next, FIG. 16 shows a comparison of values at deposition temperatures of 100 ° C. and 200 ° C. in the relationship between the deposition time and full width at half maximum of the YSZ polycrystalline thin film manufactured under the same conditions as described above, and FIG. In the relationship between the film thickness of the polycrystalline thin film and the full width at half maximum, a comparison of values at film forming temperatures of 100 ° C. and 200 ° C. is shown.
In any of the figures, it is shown that a polycrystalline thin film exhibiting excellent crystal orientation is obtained when the film is formed at 100 ° C. lower than 200 ° C.
From these test results, it was found that a polycrystalline thin film having better crystal orientation can be obtained by forming a film at a lower temperature.
It has also been found that at any film formation temperature, it is difficult to obtain a polycrystalline thin film with good crystal orientation unless the vapor deposition time is long, in other words, the film thickness must be somewhat thick.
[0064]
【The invention's effect】
As described above, according to the method of the present invention, when particles generated from a target are deposited on a base material, an ion beam is applied at an incident angle of 50 degrees to 60 degrees with respect to the normal of the base film forming surface. Irradiation makes the film forming temperature 300 ° C. or lower, so that the grain boundary inclination angle is 35 ° or lower which improves the a-axis orientation and the b-axis orientation in addition to the c-axis orientation with respect to the film forming surface of the substrate. A YSZ polycrystalline thin film can be obtained reliably.
This is because, in the constituent atoms deposited on the substrate, the ions in the ion beam remove the unstable atoms arranged in a direction deviating from the specified direction by exerting the sputtering effect, so that they are arranged in the specified position. It is likely that only highly stable atoms are likely to remain selectively, and as a result, particles having good orientation are mainly deposited, and a polycrystalline thin film having good orientation is obtained.
In addition, by controlling the temperature during film formation to 300 ° C. or less, the vibration and movement of atoms constituting the crystal can be reduced, and the crystal orientation control effect by the ion beam is made larger than these influences. As a result, a polycrystalline thin film having good orientation can be obtained. In addition, the orientation control effect by the ion beam also promotes the action of accurately setting a specific surface of the polycrystalline thin film perpendicularly to the substrate film formation surface. As a result of accurate positioning, the direction control effect of other surfaces can also be improved, and as a result, a polycrystalline thin film as an aggregate of crystal grains excellent in crystal orientation as the whole film can be obtained.
[0065]
  Then, if an oxide superconducting layer is formed on the polycrystalline thin film having good orientation formed at the above-mentioned temperature, an oxide superconducting layer having good crystalline orientation can be formed, and thereby the critical current density can be generated. An oxide superconducting conductor having a high superconducting property can be obtained.
  Further, yttrium-stabilized zirconia can be specifically used as a material generated from a target and deposited on a substrate, and a polycrystalline thin film of yttrium-stabilized zirconia having excellent crystal orientation can be obtained.
  Furthermore, if the thickness of the obtained polycrystalline thin film is 200 nm or more, a polycrystalline thin film having sufficiently excellent crystal orientation can be obtained with certainty.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a polycrystalline thin film of YSZ formed by the method of the present invention.
FIG. 2 is an enlarged plan view showing crystal grains of the YSZ polycrystalline thin film shown in FIG. 1, its crystal axis direction, and grain boundary tilt angle.
FIG. 3 is a block diagram showing an example of an apparatus for producing a polycrystalline thin film on a substrate by carrying out the method of the present invention.
FIG. 4 is a cross-sectional view showing an example of an ion gun provided in the apparatus shown in FIG.
FIG. 5 is a cross-sectional view showing an example of a cooling device provided in the apparatus shown in FIG. 3;
FIG. 6 is a cross-sectional view showing an oxide superconducting layer formed on the YSZ polycrystalline thin film shown in FIG.
FIG. 7 is a layout diagram of an X-ray apparatus for measuring the crystal orientation of a polycrystalline thin film.
FIG. 8 is a pole figure of a polycrystalline thin film formed at 100 ° C. with an ion beam incident angle of 55 degrees and an ion beam energy of 300 ev.
FIG. 9 is a pole figure of a polycrystalline thin film formed at 200 ° C. with an ion beam incident angle of 55 degrees and an ion beam energy of 300 ev.
FIG. 10 is a pole figure of a polycrystalline thin film formed at 300 ° C. with an ion beam incident angle of 55 degrees and an ion beam energy of 300 ev.
FIG. 11 is a pole figure of a polycrystalline thin film formed at 400 ° C. with an ion beam incident angle of 55 degrees and an ion beam energy of 300 ev.
FIG. 12 is a pole figure of a polycrystalline thin film formed at 500 ° C. with an ion beam incident angle of 55 degrees and an ion beam energy of 300 ev.
FIG. 13 is a diagram showing the relationship between the thickness of a polycrystalline thin film formed on a substrate and the full width at half maximum.
FIG. 14 is a graph showing the relationship between the incident angle of an ion beam and the full width at half maximum of the obtained polycrystalline thin film.
FIG. 15 is a configuration diagram showing a polycrystalline thin film and an oxide superconducting layer formed on a substrate by a conventional method.
FIG. 16 is a diagram showing the relationship between the full width at half maximum of a polycrystalline thin film obtained by the method of the present invention and the deposition time.
FIG. 17 is a diagram showing the relationship between the full width at half maximum and the film thickness of a polycrystalline thin film obtained by the method of the present invention.
FIG. 18 is a pole figure of a polycrystalline thin film formed at 0 ° C. with an ion beam incident angle of 55 degrees and an ion beam energy of 300 ev.
[Explanation of symbols]
A ... Base material, B ... Polycrystalline thin film, C ... Oxide superconducting layer, K ... Grain boundary tilt angle, θ ... Incident angle, φ ... Rotation angle, 20, 21 ... Crystal grain, 22 ... Oxide superconducting conductor, 23 ... Substrate holder, 24 ... Substrate delivery bobbin (delivery device), 25 ... Substrate take-up bobbin (take-up device), 36 ... Target, 38 ... Ion gun, 39 ... Ion source, 40 ... Make Membrane processing vessel, R ... cooling device, 60 ... base, 61 ... refrigerant introduction pipe, 62 ... outward pipe, 63 ... return pipe.

Claims (3)

ターゲットから発生させた粒子を基材上に堆積させ、基材上にターゲットの構成元素からなる多結晶薄膜を形成し、次いでこの多結晶薄膜上に酸化物超電導層を形成する酸化物超電導導体の製造方法において、ターゲットの粒子を基材上に堆積させる際に、イオンソースが発生させたイオンビームを基材の成膜面の法線に対して50〜60度の範囲の入射角度で斜め方向から照射しながら前記粒子を基材上に堆積させて多結晶薄膜を成膜するとともに、成膜時の温度を300℃以下に設定し、多結晶薄膜形成後にその上に酸化物超電導層を形成することを特徴とする酸化物超電導導体の製造方法。 Particles generated from a target are deposited on a base material, a polycrystalline thin film made of constituent elements of the target is formed on the base material , and then an oxide superconducting layer is formed on the polycrystalline thin film. In the manufacturing method, when depositing the target particles on the substrate, the ion beam generated by the ion source is obliquely incident at an incident angle in the range of 50 to 60 degrees with respect to the normal of the film formation surface of the substrate. The polycrystalline thin film is formed by depositing the particles on the base material while irradiating from above, and the temperature during the film formation is set to 300 ° C. or lower , and after forming the polycrystalline thin film, an oxide superconducting layer is formed thereon A method for producing an oxide superconducting conductor. イットリウム安定化ジルコニアのターゲットを用いることを特徴とする請求項記載の酸化物超電導導体の製造方法。The method for producing an oxide superconducting conductor according to claim 1 , wherein a target of yttrium-stabilized zirconia is used. 基材上に生成させる多結晶薄膜の厚さを200nm以上とすることを特徴とする請求項または記載の酸化物超電導導体の製造方法。Method of manufacturing an oxide superconductor according to claim 1 or 2, wherein the setting the thickness of the polycrystalline thin film to be produced on the substrate and above 200 nm.
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