JPH01115899A - 酸化物超伝導体膜の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は酸化物超伝導体膜の製造方法に関し、特にエレ
クトロニクスへの応用に重要な単結晶薄膜の製造方法に
関するものである。

（従来の技術） 酸化物超伝導体をエレクトロニクス分野に応用するため
には、この薄膜化が不可欠である。現在までに、真空蒸
着法やスパッタ法を用いて酸化物超伝導体膜をマ゛グネ
シア（ＭｇＯ）やサファイヤ（Ａ１２０３）基板上に厚
さｌｐｍ程度被着し、引き続き酸素雰囲気中８０００Ｃ
〜１０００°Ｃで数時間熱処理することにより、液体窒
素温度（７７Ｋ）以上の高い超伝導転移温度を示す薄膜
が得られている。しかしながら、これらの薄膜は通常多
結晶であるため、各結晶粒が結晶粒界によって分離され
た構造をとる。この結晶粒界は超伝導性をもたない半導
体的あるいは絶縁体的性質の相で構成されるため、たと
え結晶粒が高温超伝導性を有する相であっても、結晶粒
界が弱結合領域となって超伝導臨界電流が抑制される。

一般に、超伝導体薄膜のエレクトロニクスデバイスへの
応用には１０５Ａ／ｃｍ２以上の大きな臨界電流が要求
されるため、結晶粒界の存在は非常に大きな問題である
。また、高温超伝導性を示す多結晶膜では結晶粒の成長
が著しく、膜厚に匹敵する凹凸を生じる。この表面荒れ
は、デバイス作製に必要なりソグラフィやドライエツチ
ングなどの微細加工技術の適用を困難にする。

従来、こうした多結晶膜の問題点を解決する単結晶化の
手段とし方うピー・チャダリ（Ｐ、　Ｃｈａｕｄｈａｒ
ｉ）らによって１９８７年にフィジカル・レビュー・レ
ターズ（Ｐｈｙｓｉｃａｌ　Ｒｅｖｉｅｗ　Ｌｅｔｔｅ
ｒｓ）第５８巻、２６８４〜２６８６ページで提案され
た方法がある。この方法を第２図（ａ）〜（ｂ）を用い
て工程順に説明する。まず、チタン酸ストロンチウム（
ＳｒＴｉＯ３）　（１００）単結晶からなる基板２１上
に、１０’〜１Ｏ−３Ｔｏｒｒの酸素雰囲気中で３連真
空蒸着装置を用いてイツトリウム（Ｙ）、バリウム（Ｂ
ａ）、銅（Ｃｕ）を同時蒸着し、ＹＢａ２Ｃｕ２Ｏ７−
ｘからなる酸化物超伝導体膜２２を形成する（第２図（
ａ））。蒸着時の基板温度は約４００’Ｃである。引き
続き、この酸化Ｉ　物超伝導体膜２２を酸素雰囲気巾約
９００°Ｃで熱処理して単結晶化し高温超伝導性の酸化
物超伝導体膜２３を形成する（第２図（ｂ））。基板２
１として用いたＳｒＴｉＯ３単結晶は格子定数３．９０
人の豆方晶であり、高温超伝導性を示す酸素欠損型ペロ
ブスカイト構造のＹＢａ２Ｃｕ３０□−、の格子定数ａ
＝３．８２人、ｂ＝３０羽入に近い。そのため、ＹＢａ
２Ｃｕ３０７−、単結晶膜２３を５ｒＴｉＯａ単結菖上
にエピタキシャル成長させることが可能である。

（発明が解決しようとする問題点） この方法では、酸化物超伝導体膜は単結晶基板上へのエ
ピタキシャル成長によって単結晶化が図られる。そのた
め、基板は成長させようとする酸化物超伝導体膜と格子
整合性がよく、しかも高温でも酸化物超伝導体との界面
で安定なものでなければならない。さらに、酸化物超伝
導体膜の応用が期待される実際のデバイスでは多層構造
を必要とするものが多いが、従来のエピタキシャル成長
技術では、基板と直接接することのない上層に酸化物超
伝導体の単結晶を成長させることは難かしい。

本発明の目的は、このような従来技術の欠点を取り除い
た酸化物超伝導体膜の製造方法を提供することにある。

（問題点を解決２するための手段） 本発明は、基板上に被着した酸化物超伝導体膜に電子ビ
ームを照射し、ビームか基板の少なくとも一方を走査す
ることによって前記酸化物超伝導体膜を順次溶融、冷却
して結晶化することを特徴とする酸化物超伝導体膜の製
造方法である。

（作用） 本発明では、酸化物超伝導体膜面内を電子ビームで走査
しながらビーム照射部を溶融、反応させ結晶化を図る。

そのため、最初の電子ビーム照射部が一度結晶化される
と、ビームの走査方向に結晶成長が進行し単結晶膜が得
られる。しかし、このままではビーム照射部の酸化物超
伝導体膜はクエンチされるため、その結晶は不規則な酸
素配列や大幅な酸素欠損により超伝導性を示さない。

従って、引き続き酸化物超伝導体膜を酸素雰囲気中で熱
処理、徐冷して結晶中に酸素を補給し、高温超伝導性を
示す膜を形成する。この方法では、基板はエピタキシャ
ル成長用の単結晶体である必要はなく、スパッタ法やＣ
ＶＤ法などで被着した絶縁膜を表面に備えた通常のもの
でよい。そのため、酸化物超伝導体膜を多層に配置する
ことが可能となりこのデバイスへの応用分野が拡大する
。

さらに、超伝導臨界電流には結晶方位による異方性があ
るが、下地の一領域にシードを設けることにより結晶方
位の制御も可能となる。

（実施例） 次に本発明の一実施例を示す。

まず、Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ−０系ターゲツトを用いたスパッ
タ法により、表面を熱酸化二酸化ケイ素（８１０２）で
被覆したシリコン（Ｓｉ）基板１１上に、ＹＢａ２Ｃｕ
３０□に近い組成をもつ酸化物超伝導体膜１２を約０，
５１１ｍ被着する（第１図（ａ））。スパッタはアルゴ
ン（Ａｒ）と酸素（０２）との混合ガス雰囲気中で、基
板温度室温〜８００°Ｃで行なう。この段階では、酸化
物超伝導体膜１２はアモルファスかアモルファスに近い
多結晶体で超伝導性は示さない。次に、基板温度６００
°Ｃで、酸化物超伝導体膜１２表面に電子ビームを照射
して、ビーム照射部を溶融、反応させ結晶化領域１３を
形成する（第１図（ｂ））。酸化物超伝導体膜１２面内
で電子ビームを走査して、この走査方向に結晶成長させ
単結晶化した酸化物超伝導体膜１４を作製する（第１図
（Ｃ））。電子ビームアニール条件はビーム寸法 ０．３ｍｍＸ３ｍｍの矩形、加速電圧１５ｋＶ、ビーム
電流５ｍＡ、走査速度ｉｏａｍ／ｓｅｃである。この酸
化物超伝導体膜１４は多結晶膜に比べ滑らかな表面をも
つが、不規則な酸素配列や大幅な酸素欠損を含む正方晶
系の結晶であるため高温超伝導性は示さない。そこで引
き続き、単結晶化した酸化物超伝導体膜１４を酸素をフ
ローしながら融点（約１０５０°Ｃ）以下の温度で数時
間熱処理した後、徐冷する。この結果、酸素の組成がＹ
Ｂａ２Ｃｕ３０□を満足する値に近づき、結晶構造が規
則的な酸素配列をもつ斜方晶系になるため、第１図（ｄ
）に示すような高温超伝導性の酸化物超伝導体膜１５が
得られる。この膜は８０に以上で完全に超伝導となる。

実施例で示したように、本発明による方法を用いれば、
酸化物超伝導体に対しても基板に直接エピタキシャル成
長させることなく高温超伝導性を有する単結晶膜が得ら
れる。また、この膜はアモルファス状の５ｉＯＺ上にも
作製可能なことから、多層構造にも適用でき広くデバイ
スへの応用が期待される。

本実施例では、酸化物超伝導体膜にスパッタ法により被
着したＹ−Ｂａ−Ｃｕ−０系薄膜を用いたが、蒸着法や
ＣＶＤ法など他の成膜技術や、前記のＹの代わりに他の
希土類元素を用いた酸化物超伝導体やＬａ−８ｒ−Ｃｕ
−０系などのその他の酸化物超伝導体を用いることもで
きる。また、基板には表面を８１０２で被覆したＳｉ基
板を使用したが、ＭｇＯや５ｒＴｔ０３など他の物質で
なる基板を用いてもよい。特に酸化物超伝導体と格子整
合性のよい単結晶基板を電子ビームアニールのシードと
して用いれば、基板の結晶面の選択により酸化物超伝導
体膜の結晶方位を制御することができる。また前記実施
例では電子ビームを走査したが基板を走査してもよいし
、両方を走査してもよい。さらに、本実施例の電子ビー
ムアニールを酸素雰囲気中で行なってもよい。これは電
子ビームを発生させる部分と基板を置くチャンバの間に
オリフィスを設は酸素をチャンバ内に流し差動排気する
ことで実現できる。

（発明の効果） 本発明によれば、単結晶基板にエピタキシャル成長させ
ることなく、スパッタ法やＣＶＤ法などで被着された通
常の絶縁膜上にも高温超伝導性の酸化物超伝導体単結晶
膜を作製することができる。

従って、本発明による方法は多層の酸化物超伝導体膜を
必要とする多くのエレクトロニクスデバイスに適用する
ことが可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）〜（ｄ）は本発明の酸化物超伝導体膜の製
造方法を工程順に示す断面図、第２図（ａ）〜（ｂ）は
従来の酸化物超伝導体膜の製造方、法を示す断面図であ
る。 図において、１１．２１は基板、１２．２２は酸化物超
伝導体膜、１３は単結晶化領域、１４は単結晶化した酸
化物超伝導体膜、１５．２３は高温超伝導性の酸化物超
伝導体膜である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　基板上に被着した酸化物超伝導体膜に電子ビームを照
   射し、ビームか基板の少なくとも一方を走査することに
   よって前記酸化物超伝導体膜を順次溶融、冷却して結晶
   化することを特徴とする酸化物超伝導体膜の製造方法。