JPH0196988A - 超電導性配線の形成方法 - Google Patents

超電導性配線の形成方法

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JPH0196988A
JPH0196988A JP62254966A JP25496687A JPH0196988A JP H0196988 A JPH0196988 A JP H0196988A JP 62254966 A JP62254966 A JP 62254966A JP 25496687 A JP25496687 A JP 25496687A JP H0196988 A JPH0196988 A JP H0196988A
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Tetsuya Ishida
哲也 石田
Shuji Yatsu
矢津 修示
Tetsuji Jodai
哲司 上代
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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 本発明は超電導性配線の形成方法に関する。より詳細に
は、高い超電導臨界温度並びにこの臨界温度との差が小
さい相転移の終了温度を具備する新規な超電導材料によ
って形成された配線の作製方法に関する。
尚、以下の記述においては、超電導臨界温度をTC1超
電導体の電気抵抗が全く零となる相転移の終了温度を’
l’ci、 TcとTciとの差をΔTとして表す。
従来の技術 超電導現象下で物質は完全な反磁性を示し、内部で有限
な定常電流が流れているにも関わらず電位差が現れなく
なる。そこで、超電導体は電力損失の全くない伝送媒体
とする各種の応用が提案されている。
即ち、電力分野におけるMHD発電、電力送電、電力貯
蔵等、或いは、動力分野における磁気浮上列車、電磁気
推進船舶等の動力分野、更に、医療あるいは計測の分野
における磁場、マイクロ波、放射線等の超高感度センサ
としてNMR1π中間子治療、高エネルギー物理実験装
置など極めて多くの適用を挙げることができる。
また、ジョセフソン素子に代表されるエレクトロニクス
素子の分野でも、単なる消費電力の低減のみならず、極
めて高速な動作を実現し得る技術として期待されている
ところで、従来、超電導現象は極端な低温下においての
み観測されていた。従来の超電導材料として最も高い超
電導臨界温度Tcを有すると言われていたNb3Geに
おいても23.2 K程度であった。
そこで、従来は、超電導現象を実現するために、沸点が
4.2にの液体ヘリウムを用いて超電導材料をTc以下
まで冷却していた。しかしながら、液体ヘリウムの使用
は、液化設備を含めた冷却設備による技術的負担並びに
コスト的負担が極めて大きく、超電導技術の実用化への
妨げとなっていた。
一方、近年に至ってIIa族元素あるいはI[Ia族元
素の酸化物を含む焼成体が高いTcを有する超電導体と
なり得ることが報告され、非低温超電導体による超電導
体の実用化が俄かに促進されている。
既に報告されている例では、オルソロンピック構造等の
ペロブスカイト型酸化物と類似した結晶構造を有すると
考えられるCLa、 Ba〕2CLI04あるいは(L
a、 Srl 2CUO4等の複合酸化物がある。これ
らの物質では、30乃至50にという従来のTcに比べ
て飛躍的に高いTcが観測され、更に、80に以上のT
cが報告されている。
このように、超電導材料のTcが向上すると、入手が容
易で廉価な液体窒素を冷却媒体として用いることができ
、超電導現象を産業的に利用することが可能となる。
発明が解決しようとする問題点 ところが、上述のようなペロブスカイト型または擬似ペ
ロブスカイト型酸化物はいわゆる焼成体として得られる
ので取扱が不便である。何故ならば、焼成体は一般に脆
く、僅かな機械的負荷に対しても容易に破損する。殊に
、超電導材料は、電力の伝送媒体としての利用が多いの
で細い線状の形状で用いる必要があり、上述のように機
械的負荷に対して脆弱な超電導材料は実用的に用いるこ
とができない。従って、電気抵抗が零であるという極め
て有利な特徴を有しながら、超電導材料を電力あるいは
信号の伝送媒体として実用的に利用することができな゛
かった。
そこで、本発明は、上記従来技術の問題点を解決し、高
いTc並びにTciを有する超電導材料の機械的に安定
な使用を可能とすることを目的としている。
問題点を解決するための手段 即ち、本発明に従い、周期律表[a族から選択された少
なくとも1種の元素αまたは該元素αを含む化合物と、
周期律表ma族から選択された少なくとも1種の元素β
または該元素βを含む化合物と、周期律表rb、nb、
mb、rVa、VIIIa族から選択された少なくとも
1種の元素γまたは該元素γを含む化合物と、の粉末を
原料粉末とし、該原料粉末をビヒクルと混合してペース
ト状とし、スクリーン印刷法により基板上に該ペースト
による所定のパターンを描き、該ペーストからビヒクル
を揮散・除去した後加熱して本焼成し、一般式 :αW
β8γ、δ2 (但し、元素αは周期律表IIa族から選択された1種
の元素であり、元素βは周期律表111a族から選択さ
れた1種の元素であり、元素γは周期律表ib、nb、
mb、VIIIa族から選択された1種の元素であり、
元素δはO(酸素)であり、w、xSySzはそれぞれ
1≦W≦5.1≦X≦5.1≦y≦15.1≦2≦20
を満たす数である) で表される組成の複合酸化物配線パターンを該基板上に
形成することを特徴とする超電導性配線の形成方法が提
供される。
作用 本発明に従う超電導性配線の形成方法は、優れた超電導
特性を有する超電導材料の原料粉末をペースト状に形成
し、これを用いて基板上にパターンを形成した後に焼成
して超電導性配線とすることをその主要な特徴としてい
る。
即ち、このようにして作製された超電導性配線は、基板
上に密着して形成されているので、一般的な取り扱いに
おいても破損することがない。また、一般的な配線の他
、小型のコイノペヨーク等配線以外の小部品の作製にも
応用できる。
尚、このような超電導性配線を形成する超電導材料とし
ては、 一般式 :αWI3x γアδン (但し、元素αは周期律表IIa族から選択された1種
の元素であり、元素βは周期律表IIIa族から選択さ
れた1種の元素であり、元素γは周期律表Ib、IIb
、Ib、VIIIa族から選択された1種の元素であり
、元素δは0(酸素)であり、w、xSy、zはそれぞ
れ1≦W≦5.1≦X≦5.1≦y≦15.1≦2≦2
0を満たす数である) で表される組成の複合酸化物が好ましい。この材料は液
体窒素温度以上の温度領域で有効な超電導特性を有して
いる。
このような複合酸化物配線を形成する原料としては、上
述の元素α、β並びにTを含有する化合物を粉末として
用いる。即ち具体的には上記元素の酸化物、炭酸塩、硫
酸塩または硝酸塩の粉末が人手も容易で廉価である。
また、本発明の好ましい態様に従えば、超電導配線を形
成する原料として、上記各元素の化合物粉末を焼成して
予め複合酸化物を形成したものを粉末として用いる。こ
の場合は、予め複合酸化物の形成を有効な制御下で形成
することができるので、配線として形成された後の超電
導特性が安定する。
即ち、まず、予備焼成付す原料粉末の粒径を15μm以
下、特に好ましくは5μm以下とする。これは、平均粒
径が5μmを越えると、焼成後の粉砕工程を経た後も結
晶粒径の微細化が不十分となるからである。従って、完
成後の配線内の結晶粒径の微細化を図るためには、原料
粉末の粒径が上記範囲内であることが好ましい。
また、予備焼成後の粉砕工程は、後の本焼成後の結晶粒
径に直接的な影響があり、10μmを越えると、本焼成
後の焼成体の結晶粒径が大きくなり結晶粒界面積が減少
する。前述のように、結晶粒界の減少は、高いTcの達
成に好ましくない。
尚、予備焼成→粉砕の工程は、これを複数回繰り返すこ
とによって原料粉末あるいは焼成体の均質化が一層促進
される。また、特に最後の粉砕工程後の焼成体粉末の粒
径は、特に製品の特性に密接な関係を有し、これを10
μm以下とすることが好ましい。
また、本焼成温度は、極めて重要な制御因子であり、同
相反応で焼成が進行すること、並びに、焼成されたペロ
ブスカイト型または擬似ペロブスカイト型酸化物の結晶
成長が過大とならないように制御する必要がある。一方
、有効な焼結反応が促進されなければならないことは言
うまでもなく、これらの観点を総合した結果、本焼成温
度は、原料粉末のうちで最も融点の低い原料の融点を上
限とし、この融点との温度差が100℃以内の温度範囲
で行うことが好ましい。特に、上限を融点としたのは、
原料粉末が溶融した場合に原料粉末が液相反応を起こし
、このようなプロセスを経た超電導材料の特性が大きく
劣化するからである。
更に、上述の本焼成の制御と同様の理由で、予備焼成温
度も、上記範囲に達しない場合は、固溶反応が十分に進
行せず、有効なペロブスカイト型または擬似ペロブスカ
イト型酸化物が得られない。
一方、予備焼成温度が950℃を越えると、本焼成の場
合と同様に、焼成体に固溶相が生じ、あるいは結晶粒の
粗大化が生じ、以後の工程における粉砕による微細化が
困難になる。
更に、本発明者等の知見によれば、ペロブスカイト型ま
たは擬似ペロブスカイト型酸化物による超電導体は、特
に焼成体の表面近傍において優れた特性を発揮する。こ
れは、材料の表面付近では、焼成時または熱処理時に雰
囲気との反応が超電導特性に好ましく進行し、また、表
面に近い相は歪み効果を受けるので優れた超電導特性が
出現したものと考えられる。従って、本発明の方法にお
いては、配線を形成するペーストの粘度並びに基板に対
する塗膜の厚さを慎重に制御する必要がある。
即ち、塗布したペーストの厚さが10μm未満の場合は
、厚さが均一な連続した膜の形成が困難となる。また、
厚さが50μmを越えた場合は、所謂ダレによるパター
ンの変形が生じ易く、また形成された配線、の基板近傍
と配線表面との間で特性に差異が生じ易くなる。
また、複合酸化物焼結体による超電導材料は、特に結晶
粒界すなわち結晶粒間の境界面に超電導臨界温度の高い
物質が形成され易く、本発明の方法に従って形成された
石電導配線は、その特徴的な作製方法によって、結晶が
微細組織化されており、極めて高い臨界温度を有する超
電導材料として形成される。
尚、ビヒクルとしては、テルピオネールあるいは酢酸ブ
チルカルビトール等を溶剤としたエチルセルロース樹脂
またはアクリル樹脂等を用いることができる。
また、基板材料としては、アルミナ、ペリリア、窒化ア
ルミニウム等の一般的な材料の他に、5rTi03、サ
ファイア等を特に有利な材料として挙げることができる
。これらの材料では、超電導複合酸化物と近似した結晶
構造を有する等、直上に形成された超電導性配線の特性
を向上する効果がある。
更に、本発明の好ましい態様に従うと、得られた焼成体
をさらに熱処理して実質的に均一な擬似ペロブスカイト
型酸化物とする。この熱処理により電気抵抗が完全に零
となる超電導臨界温度が著しく上昇する。この熱処理は
、500〜800℃の範囲の温度で実施することが好ま
しく、減圧下の酸素雰囲気で実施するのがさらに好まし
い。すなわち、この低酸素分圧下での熱処理によって焼
成体から酸素原子が剥奪され、酸素欠陥が発生する。
この欠陥により生ずるキャリヤによって電子のクーパ一
対ができる確率が高くなり、抵抗が完全に零となる超電
導臨界温度が著しく上昇するものと推定される。
尚、加熱温度が500℃未満の場合は、焼成体が目的と
するペロブスカイト型または擬似ペロブスカイト型酸化
物とならず、所望の超電導臨界温度が得られないか、あ
るいは、長時間の熱処理が必要となる。一方、800℃
を超える処理温度では超電導効果を有するペロブスカイ
ト型の結晶構造が消滅して臨界温度は著しく低下する。
これらの焼成後の熱処理により、ΔTは更に3〜5℃向
上する。尚、熱処理はIQ−’torr以下の酸素減圧
下で行うことが好ましい。この理由は、これ以上の酸素
分圧下では酸素欠陥の形成に長時間を要するので工業的
でないこと、および500℃未満あるいは800℃を越
える温度では、やはり酸素欠陥の形成が過小又は過大と
なり、十分に高いTciが得難いためである。
更に本発明の好ましい態様に従うと、上記焼成後、また
は焼成後に500〜800℃の範囲に再加熱してから2
0℃/分以下の冷却速度で徐冷する急冷することによっ
て、さらに超電導臨界温度を向上することができる。ま
た、これらの本発明の好ましい態様に従うことによって
、超電導材料の組成が均一化されると共に安定し、具体
的に後述するように、特性の経時劣化が少ないことも認
められた。
以下に本発明を実施例により具体的に説明するが、以下
の開示によって本発明の技術的範囲は何等制限されるも
のではない。
実施例 純度3N以上、平均粒径3μ以下のBaCO3、Y2O
3、CuOの各々の粉末を、焼成後の組成が3a、−、
Y、Cut 03としたときに、X=0.2.0.4.
0.8となるように混合した3種類の材料を用意した。
これらの粉末を、900℃で12時間大気中で焼成し、
ケーキ状に固化した粉末をアルミナ製のボールミルによ
って8時間粉砕し、平均粒径4μmの粉末を得た。この
操作を3回繰り返し、特に最後の工程においては粉末焼
成体が2〜3μmとなるように粉砕した。
■ 粉末焼成体をポリビニルブチラール及びデブチルフ
タレートと混合し、更に、イソプロピルアルコール1:
メチルエチルケトン20割合で混合したのちボールミル
で12Hr混合し、その後脱気・粘度調整を行い900
cps (at20℃)のスラリーを作成した。
■ 粉末焼成体を、テルピネオール及びブチルカルビト
ールと混合したのち3方ロールで混合した。
■ 粉末焼成体を、アクリル系バインダー及びチクソト
ロピ性付与の為シリコン系添加物を付加し、ボールミル
で混合した。
これらのペースト■、■および■を、それぞれ320メ
ツシュのステンレススクリーンを用いてSrTiO3製
の基板上に、厚さが約25μmとなるように所定のパタ
ーンで印刷し、メツシュベルト式乾燥機を用いて150
℃30分間乾燥した。この乾燥工程を経たペースト膜の
厚さは約22μmであった。
更に、この乾燥したペーストを搭載した基板を450℃
迄2℃/分で昇温し、450℃〜900℃迄3℃/mi
nで昇温した後930℃で12時間0□ガス気流中に保
持して焼成した。
尚、こうして得られた配線の臨界温度Tc並びにTci
の測定は、定法に従って試料の両端にAg導電ペースト
にて電極を付け、クライオスフ7)中で直流4点プロー
ブ法で行った。温度はキャリブレーション済みのAu 
(Fe) −Ag熱電対を用いて行った。温度を少しず
つ上昇させながら抵抗の変化を測定し、測定されたTc
並びにTciを第1表に示す。
更に、周期率表11a族並びにIIIa族の元素を、第
1表に示すような組成で、上述のものと同じ条件で配線
化し、上述の方法で各試料のTc 、 Tciの測定を
行った。また、基板材料についても第1表に示すように
幾つかの種類のものを用いた。
第1表(1) 第1表(2) 第1表〔3〕 発明の詳細 な説明した如く、本発明に従えば、電気抵抗あるいはイ
ンピーダンスが全く存在しないという理想的な特性を有
するセラミックス系超電導材料による配線パターンが形
成される。
一方、近年ジョセフソン素子を中心とするデバイスベー
スでの高速化が進められているが、これらデバイスの性
能は当然ながら回路基板や、パッケージに登載されて機
能する。換言すればデバイスでの性能が如何に向上して
もそれに見合った周辺部材としての配線等が完成しなけ
ればその性能を充分に発揮し得ない。
本回路基板はこれら超電導を利用したデバイスを登載し
、機能を引き出す為のパターンに利用すると効果的であ
る。
本発明に従って作製された配線は、極めて良好な超電導
特性を示すと共に、その優れた特性が長期間に亘って安
定している。
これは、本発明の特徴的な製造方法に従って、結晶粒の
微細化による結晶界面長の増加と、酸素欠陥濃度の均一
性が達成されて高いTciと小さな△Tが得られたもの
である。
基板上に配線として形成された超電導体は、基板によっ
て支持されているので機械的に安定しており取り扱いに
優れる。また、強度を持たせるために、超電導材料を必
要以上に使用する必要がないので経済的でもある。
この様に、本発明に従えば、高く安定したTcを有する
超電導材料が、使い易い形態で得られるため、経済的な
液体窒素を冷却媒体として用いる超電導性配線が得られ
、超電導技術の実用化が可能となる。
特許出願人  住友電気工業株式会社

Claims (34)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)周期律表IIa族から選択された少なくとも1種の
    元素αまたは該元素αを含む化合物と、周期律表IIIa
    族から選択された少なくとも1種の元素βまたは該元素
    βを含む化合物と、周期律表 I b、IIb、IIIb、IVa
    、VIIIa族から選択された少なくとも1種の元素γまた
    は該元素γを含む化合物と、の粉末を原料粉末とし、 該原料粉末をビヒクルと混合してペースト状とし、 スクリーン印刷法により基板上に該ペーストによる所定
    のパターンを描き、 該ペーストからビヒクルを揮散・除去した後加熱して本
    焼成し、 一般式:α_wβ_xγ_yδ_z (但し、元素αは周期律表IIa族から選択された1種の
    元素であり、元素βは周期律表IIIa族から選択された
    1種の元素であり、元素γは周期律表 I b、IIb、II
    Ib、VIIIa族から選択された1種の元素であり、元素
    δはO(酸素)であり、w、x、y、zはそれぞれ1≦
    w≦5、1≦x≦5、1≦y≦15、1≦z≦20を満
    たす数である) で表される組成の複合酸化物配線パターンを該基板上に
    形成することを特徴とする超電導性配線の形成方法。
  2. (2)前記原料粉末が、元素α、βおよびγのそれぞれ
    の酸化物、炭酸塩、硫酸塩または硝酸塩の粉末であるこ
    とを特徴とする特許請求の範囲第1項に記載の超電導性
    配線の形成方法。
  3. (3)前記原料粉末が、元素α、βおよびγのそれぞれ
    の酸化物、炭酸塩、硫酸塩または硝酸塩の粉末を混合し
    た粉末混合物を予備焼成し、得られた焼成体を粉砕して
    得た焼成体粉末であることを特徴とする特許請求の範囲
    第1項に記載の超電導性配線の形成方法。
  4. (4)前記予備焼成を、700〜950℃の範囲で実施
    することを特徴とする特許請求の範囲第3項に記載の超
    電導性配線の形成方法。
  5. (5)原料粉末の予備焼成並びに粉砕を含む一連の工程
    を少なくとも3回繰り返すことを特徴とする特許請求の
    範囲第3項乃至第4項の何れか1項に記載の超電導性配
    線の形成方法。
  6. (6)最後の予備焼成後の焼成体を平均粒径8μm以下
    に粉砕することを特徴とする特許請求の範囲第3項乃至
    第5項の何れか1項に記載の超電導性配線の形成方法。
  7. (7)前記粉砕をボールミルによって行うことを特徴と
    する特許請求の範囲第3項乃至第6項の何れか1項に記
    載の超電導性配線の形成方法。
  8. (8)Al_2O_3のボールを用いて少なくとも5時
    間以上粉砕を行うことを特徴とする特許請求の範囲第7
    項に記載の超電導性配線の形成方法。
  9. (9)前記粉砕をジェットミルによって行うことを特徴
    とする特許請求の範囲第3項乃至第6項の何れか1項に
    記載の超電導性配線の形成方法。
  10. (10)空気、ArまたはN_2を媒体として、Al_
    2O_3のターゲットにジェット流を衝突させることを
    特徴とする特許請求の範囲第9項に記載の高臨界温度を
    有する超電導性配線の形成方法。
  11. (11)前記原料粉末の粒径が各々15μm以下、好ま
    しくは5μm以下であることを特徴とする特許請求の範
    囲第1項乃至第10項の何れか1項に記載の超電導性配
    線の形成方法。
  12. (12)前記ビヒクルが樹脂並びに溶剤からなることを
    特徴とする特許請求の範囲第1項乃至第11項に記載の
    超電導性配線の形成方法。
  13. (13)前記樹脂がエチルセルロース樹脂またはアクリ
    ル樹脂であることを特徴とする特許請求の範囲第12項
    に記載の超電導性配線の形成方法。
  14. (14)前記溶剤が、テルピオネールあるいは酢酸ブチ
    ルカルビトールであることを特徴とする特許請求の範囲
    第12項または第13項に記載の超電導性配線の形成方
    法。
  15. (15)ペーストの粘度を100乃至1000ポアズと
    することを特徴とする特許請求の範囲第1項乃至第14
    項の何れか1項に記載の超電導性配線の形成方法。
  16. (16)前記スクリーン印刷を、100乃至325メッ
    シュのステンレスメッシュによって行うことを特徴とす
    る特許請求の範囲第1項乃至第15項の何れか1項に記
    載の超電導性配線の形成方法。
  17. (17)前記基板が、アルミナであることを特徴とする
    特許請求の範囲第1項乃至第16項の何れか1項に記載
    の超電導性配線の形成方法。
  18. (18)前記基板が、ペリリアであることを特徴とする
    特許請求の範囲第1項乃至第16項の何れか1項に記載
    の超電導性配線の形成方法。
  19. (19)前記基板が、窒化アルミニウムであることを特
    徴とする特許請求の範囲第1項乃至第16項の何れか1
    項に記載の超電導性配線の形成方法。
  20. (20)前記基板が、SrTiO_3であることを特徴
    とする特許請求の範囲第1項乃至第16項の何れか1項
    に記載の超電導性配線の形成方法。
  21. (21)前記基板が、サファイアであることを特徴とす
    る特許請求の範囲第1項乃至第16項の何れか1項に記
    載の超電導性配線の形成方法。
  22. (22)ペーストを、10乃至50μmの範囲の厚さに
    塗布することを特徴とする特許請求の範囲第1項乃至第
    21項の何れか1項に記載の超電導性配線の形成方法。
  23. (23)塗布したペーストの乾燥を、100乃至200
    ℃の範囲で行うことを特徴とする特許請求の範囲第1項
    乃至第22項の何れか1項に記載の超電導性配線の形成
    方法。
  24. (24)本焼成を、800〜1000℃の範囲で実施す
    ることを特徴とする特許請求の範囲第1項乃至第23項
    の何れか1項に記載の超電導性配線の形成方法。
  25. (25)本焼成を、O_2分圧が0.1気圧乃至0.5
    気圧の酸素含有雰囲気下で行うことを特徴とする特許請
    求の範囲第1項乃至第24項に記載の超電導性配線の形
    成方法。
  26. (26)本焼成を大気中で行うことを特徴とする特許請
    求の範囲第25項に記載の超電導性配線の形成方法。
  27. (27)5気圧乃至10気圧の酸素雰囲気下で本焼成を
    行うことを特徴とする特許請求の範囲第26項に記載の
    超電導性配線の形成方法。
  28. (28)本焼成後の焼成体を400〜700℃の範囲で
    熱処理することを特徴とする特許請求の範囲第1項乃至
    第27項に記載の超電導性配線の形成方法。
  29. (29)熱処理時のO_2分圧が10^−^1Torr
    以下であることを特徴とする特許請求の範囲第28項に
    記載の超電導性配線の形成方法。
  30. (30)上記焼成後直ちに、または焼成後500乃至8
    00℃の範囲に再加熱し、20℃/分以下の冷却速度で
    徐冷することを特徴とする特許請求の範囲第1項乃至第
    29項の何れか1項にに記載の超電導性配線の形成方法
  31. (31)前記配線を形成する複合酸化物の結晶粒径が1
    5μm以下であることを特徴とする特許請求の範囲第1
    項乃至第30項の何れか1項に記載の超電導性配線の形
    成方法。
  32. (32)前記元素αがBaであり、前記元素βがYであ
    り、前記元素γがCuであることを特徴とする特許請求
    の範囲第1項乃至第31項の何れか1項に記載の超電導
    性部材の製造方法。
  33. (33)前記元素αがBaであり、前記元素βがDyで
    あり、前記元素γがCuであることを特徴とする特許請
    求の範囲第1項乃至第31項の何れか1項に記載の超電
    導性部材の製造方法。
  34. (34)前記元素αがSrであり、前記元素βがLaで
    あり、前記元素TがCuであることを特徴とする特許請
    求の範囲第1項乃至第31項の何れか1項に記載の超電
    導性部材の製造方法。
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