JPH01266773A - セラミックス超伝導体薄膜の作成方法 - 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】 （イ）産業上の利用分野 この発明は、シリコン基板上にセラミックス超伝導体の
薄膜の回路配線や電子素子（例えばジョセフソン素子）
を作成するためのセラミックス超伝導体薄膜の作成方法
に関する。

（ロ）従来の技術 セラミックス超伝導体は近年開発されたもので、臨界温
度の高い点が注目されている。このセラミックス超伝導
体としては、イットリウム・バリウム・銅・酸素系（以
下ＹＢＣＯ系と略記する）が代表的なものである。

従来、ＹＢＣＯ系超伝導体を基板上に成膜するにあたっ
ては、基板としてＭｇＯ、Ａ　ｌ　２０３．５ｒＴｉ（
）＋　、ＹＳＺ等が適用される。そして、これらの材質
よりなる基板に、下記のようなターゲットを用いて、酸
素（０□）を含むアルゴン（Ａｒ）ガス中でスパッタリ
ングを行い、ＹＢＣＯ系セラミックスを着膜する。この
スパッタリングの際には、ターゲットとして、薄膜の各
成分が化学的晴論比（ＹＩＢａ２Ｃｕ、Ｏ？）になるよ
うな、Ｙ２Ｏ３、ＢａＣ０ｚ　、ＣｕＯの混合粉末の焼
結体（その比率は、予め試行錯誤により決定される）が
使用される。また、必要に応じて、適当な成分比の補償
用ペレットやＣｏ板もターゲット上に併置される。

こうして着膜したＹＢＣＯ系セラミックスは、非晶質状
態であるので、９００℃前後の温度で、０□ガスを少量
流しながら数時間アニールし、結晶化する。

（ハ）発明が解決しようとする課題 上記、従来のセラミックス超伝導体薄膜の製造方法では
、基板はこの材料の結晶格子とよくフィツトする格子間
隔をもち、且つ両者の界面で化学反応を起こさない、上
記のような結晶基板に限られていて、本願で対象として
いるシリコン基板では、上記の方法では、ＹＢＣＯ系の
超伝導体の薄膜作成は不可能であるとされていた。その
理由は、前記のようにスパッタリングで基板に着膜後、
超伝導を示す結晶が形成されるよう、０□ガスを流しな
がら、これまでの実験的検討によって必要とされている
９００℃前後の高温で数時間アニールすると、その過程
において、シリコンがＹＢＣＯ系セラミックス薄膜を構
成する元素と化学反応を起こして種々の化合物を作り、
この薄膜の結晶化を妨げるからである。

このような化学反応は、アニール温度が高いほど激しく
なる。これを防止するには、アニール温度を低くする必
要があるが、この温度があまり、低いとこの薄膜の結晶
化が進まない。

また、ＹＢＣＯ系セラミックスとシリコン基板の熱膨張
係数はかなり異なるので、あまり高温でアニールすると
、この薄膜に亀裂が生じる。このような関係で現在まで
、シリコン基板上にＹＢＣＯ系の超伝導体Ｆｌｆ膜を製
作した報告は見当たらない。

この発明は上記に鑑みなされたもので、シリコン基板上
にＹＢＣＯ系の超伝導体薄膜を作成する方法の提供を目
的としている。

（ニ）課題を解決するための手段及び作用上記課題を解
決するため、この発明のセラミックス超伝導体薄膜の作
成方法は、（１００）を基板面とする、表面を熱酸化し
たシリコン基板上に、ＹＢＣＯ系のセラミックス超伝導
体の薄膜を、このセラミックスのバルクをターゲットと
してスパッタリング法により形成し、６５０℃以上７０
０℃以下の温度でアニールし、前記セラミックス薄膜を
結晶化するものである。

この際、基板の（１００）面のＳｉの格子間隔とＹＢＣ
Ｏ系セラミックスの（１１０）面のＹの格子間隔とのミ
スフィツトは数％の程度であるから、このセラミックス
のスパッタ着膜はアニールの過程において、（１１０）
面が優先配向する。また、上記６５０℃以上７００℃以
下の温度でのアニールでは、熱酸化シリコンの介在と相
まって、シリコン基板とＹＢＣＯ系セラミックスとの化
学反応が抑えられるし　また、両者の熱膨張係数の相違
に起因する、ＹＢＣＯ系セラミックス薄膜の亀裂を防止
できる。

（ホ）実施例 この発明の一実施例を図面に基づいて以下に説明する。

シリコン基板は、基板面を（１００）に選び、その表面
に酸化ｒＩｉ、（ＳｉＯ□、厚さ５０００人）を形成す
る。

この酸化膜は、シリコン基板表面を絶縁性にするための
ものであり、また、基板とセラミックス薄膜との間のバ
ッファ層の役目をする。

このシリコン基板は、基板面を（１００）面とすると、
原子間隔は第１図に示されるようになっている。またＸ
線回折像を第２図に示す。

次に、シリコン基板表面に、マグネトロン・スパッタリ
ング法を適用して、ＹＢＣＯ系セラミックス薄膜を形成
する。スパッタリングのターゲットとしては、化学的量
論比をもつ薄膜が得られるように、成分組成比が（Ｙ＋
ＢａｚＣｕ＋、ｂＯｙ）の焼結体のターゲット上に、Ｂ
ａとＣｕの不足を補うような補償ペレットとＣｕ板を併
置した複合ターゲットを用いた。スパッタガスには、Ａ
ｒ　　（７９，７％）＋０２　（２０，３％）を用い、
その圧力は、６×１０”’Ｔｏｒｒである。また、高周
波電力は２００Ｗ、前記シリコン基板の温度は、５００
℃である。この条件下での着膜速度は３０人／　ｍ　ｉ
　ｎであり、膜厚が約１μｍに達するまで成膜を行った
。

シリコン基板表面には、例えば第５図に示すようなマス
ク１をおいて、その上からこのマスク１のパターン状に
薄膜が形成されるように、スパッタリングを行う。マス
ク１のパターン部の、１ａは電流端子部、１ｂは電圧端
子部、１ｃはＸ線回折部である。この成膜後の薄膜は、
高抵抗で超伝導性は示さなかった。この薄膜のＸ１回折
像が第３図に示されているが、薄膜のピークは見られず
、非晶質であることが確認できる。

次に０□ガスを流しながら、高温でアニールして、薄膜
を結晶化させるわけであるが、そのアニール条件は、第
６図に示す通りである。この実施例では室温より徐々に
加熱を行ない、６５０℃に達すれば、この温度で約１５
時間おかれて、結晶化が進行する。この温度は、６５０
℃以上７００℃以下とし、温度に応じて、適宜時間を調
節すればよい。

次に、温度の急変による超伝導体薄膜の亀裂を防止する
ため、１７℃／ｈｒの低速で冷却し、５５０℃になれば
、この温度で５時間保持する。これは、熱処理の間に失
われた酸素を、薄膜に補給するためである。その後室温
まで、２５℃／ｈｒの速度で冷却される。

ＹＢＣＯ系のセラミックスの（１１０）面の原子間隔を
、基板（１００）の原子間隔に重ねて示すと（第１図参
照）、Ｙ原子とＳｉ原子のミスフィツトは、第１図中に
示される％以内であるから、アニールの過程において、
前記薄膜を構成するセラミックスの（１１０）面が優先
配向すると予想される。実際にＸ線回折像（第４図参照
）には、２θ＝３２．７９３（ｄｅｇ）の所に鋭いピー
クがあり、初めに予想したように（１１０）面が優先配
向していることが示されている。

この薄膜の電気抵抗率の温度依存性を第７図に示す。図
に示すようにオンセット温度’ｒ３．ｓＫ、ｃ＝界温度
１８．ＯＫの超伝導膜となっている。

（へ）発明の効果 この発明によれば、シリコン基板（１００）面を熱酸化
し、その上にスパッタリング法でＹＢＣＯ系のセラミッ
クスを着膜し、それを６５０℃以上７００℃以下の比較
的低温で長時間アニールすることにより、これまで不可
能とされていたシリコン基板上へのＹＢＣＯ系超伝導体
薄膜の製作が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、シリコン（１００）面とＹＢＣＯ系セラミッ
クス超伝導体（１１０）面との格子間隔のミスフィツト
を示す図、第２図は、シリコン（１００）面のＸ線回折
結果を示す図、第３図は、ＹＢＣＯ系セラミックス薄膜
を着膜した状態におけるＸ線回折結果を示す図、第４図
は、同薄膜を実施例に示した熱処理条件でアニールを行
った後のＸ線回折結果を示す図、第５図は、この実施例
に使用されるマスクを示す図、第６図は、この実施例の
熱処理における温度の時間変化を示す図、第７図は、こ
の実施例におけるアニール後のＹＢＣＯ系セラミックス
薄膜の電気抵抗率の温度依存性を示す図である。 特許出願人　　　　　釜屋電機株式会社代理人　　弁理
士　　中　村　茂　信 第１図 ミスフィツト　（０，３９Ｚ） Ｉ２６　図 Ｔｉｍｅ　（ｈｏｕｒｓ） 第７図 ｒｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　（Ｋ　）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）（１００）を基板面とする、表面を熱酸化したシ
   リコン基板に、イットリウム・バリウム・銅・酸素系の
   セラミックス薄膜を、このセラミックスのバルクをター
   ゲットとしてスパッタリング法により形成し、６５０℃
   以上７００℃以下の温度でアニールし、前記セラミック
   ス薄膜を結晶化するセラミックス超伝導体薄膜の作成方
   法。