JPH02107597A - 酸化物超伝導体を基板に付着させる方法 - 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、基板上に酸化物超伝導体を付着させる方法に
関する。

〈従来の技術〉 超伝導体集積回路にモリブデン抵抗を製造する方法及び
その構造は、米国特許出願第２３４．４３６号（出願臼
：　１９８８年８月１９日）に記載されている。

この関連出願では、抵抗中にパターンを形成するようモ
リブデン薄膜を設ける前に超伝導性導体上にアルミニウ
ム薄膜が被覆されている。アルミニウム薄膜は、アルミ
ニウム・モリブデンのエッチ止め界面を形成する（モリ
ブデン抵抗の下部以外のエツチングによって露出する界
面部及びアルミニウム薄膜は、その酸化されて非電導性
にされる）。アルミニウム・モリブデンのエッチ止め界
面は、パターン状超伝導体フィルム及びその他の下部層
を保護し、エツチング時間の許容範囲を増す。

低電圧ジョセフソン（Ｊｏｓｅｐｈｓｏｎ）接合論理回
路と高電圧半導体回路の入力とのインターフェイスを形
成する超伝導デジタル論理増幅器は、１９８８年５月１
６日付出願の係属中の米国特許出願第１９４．６８８号
に記載されている。この増幅器では、人力ジョセフソン
接合とそれと直列接続されて直列接続部を形成する少な
くとも３つの低臨界電流出力端子に接続された並列接続
列を形成する少なくとも４つの高臨界電流ジョセフソン
接合から成る第二の直列接続列とが使用されている。並
列接続列において適当な数の接合を用いることにより、
ジョセフソン論理回路からの低出力信号は論理増幅器に
より従来型の半導体回路の駆動に適する出力にまで上昇
される。　超伝導体集積回路を製造する方法は、１９８
８年８月２２日付出願の米国特許出願第２３４，９９２
号に記載されている。この関連出願は、超伝導集積回路
製造に当たり超伝導体に接続するための接点パッド領域
を露出させる複数の開口を形成した枠＃二酸化シリコン
をつくる改良法に関する。この改良法は、５０〜９５体
積％の三弗化窒素と５〜５０体積％の稀ガスとから成る
（好ましくは約７７体積％の三弗化窒素と稀ガスとして
アルゴン若しくはネオン又はこれらの混合物から成る）
エツチング・ガスを使用して二酸化シリコン薄膜の露出
部分を反応性イオン・エツチングすることを特徴とする
。従って炭素含有エツチング剤は使用しないためエツチ
ング・プロセスの副生成物として重合体の生成を実質的
に完全に防止で診る。

古い型の低温超伝導体の配列層は、単結晶基板上に成長
させたものであった。米国特許第３．８１６，１１４５
号［発明者：クオモ等（Ｃｕｏｍｏ　ｅｔ　ａｌ）］は
種々の基板（たとえばサファイア）上に成長させた単結
晶超伝導電極（たとえばニオブ）を開示している。米国
特許第４，７６８，０６９号［発明者：タルバラチオ等
（Ｔａｌｖａｃｃｈｉｏｅｔ　ａｌ）］は、ＭｇＯ−Ｃ
ａＯ固溶体基板上に成長させたエピタキシャルＮｂＮを
開示している。

単結晶上に酸化物超伝導体の配列薄膜を成長させること
も行なわれている。高臨界温度酸化物超伝導体薄膜の集
合組織を成長させる「最上の」基板は、Ｓ、Ｔ１０３の
結晶方位（１００）又は（１１０）の単結晶であり、次
によいのはＭｇＯの結晶方位（１００）の単結晶である
。しかしながら、これらの材料物質はマイクロ波周波数
における話電損失が大きく、全く不合格（Ｓ、Ｔｌ０３
）か、不合格すれすれ（ＭｇＯ）である。マイクロ波領
域での大抵の用途にとって最も望ましい低損失基板材料
はサファイア（単結晶ａ−Ａ１２０ａ　）であるが、酸
化物超伝導体はサファイアとの反応性が強く、高損失の
界面層を形成して、超電導性薄膜の品質を劣化させる。

本発明方法によりサファイア上に成長させたたとえば淳
す１１００ｎの単結晶ＭｇＯエピタキシャル・バッファ
層は、低損失で実質的に非反応性の基板を提供する。

高臨界温度酸化物超伝導体の特性は、９２に超伝導体Ｙ
８□Ｃｕ、Ｏア（ＹＢＣＯ）の特性によって代表される
。１９８８年に発見されたＢｉ系及びＴｌ系の超伝導体
は稀土類−Ｂ−ｚＣｕ３０フ型の化合物はど深く研究さ
れていないが、これらの薄膜を例えはＹＢＧＯで処理す
る際高い処理温度（５００℃）及び反応性成分（Ｂ、、
　Ｓ、、　Ｃ，）が存在する。

配列薄膜は一般に単結晶基板を必要とし、最良の配列Ｙ
ＢＣＯ薄膜が５ｒＴ１０３　（１００）又は（１１０）
単結晶上に成長させられている。他の基板材料と比較し
てｓ、Ｔ、ｏ３は以下のような利点を持つ。

（１）結晶薄膜の形成に必要な高温度処理時における基
板とＹＢＧＯ薄膜との間の反応が少なく、従って薄膜の
超電導性を損ない、たとえばサファイア基板と比べて基
板の誕電特性を損なう可能性のある基板薄膜間反応及び
相互拡散が少ない。

（２）　ＹＢＣＯとの格子がよく一致しており（０，５
％の相違）、類似したペロブスカイト構造を持っていて
、薄膜のエピタキシャル成長が促進される。ＹＢＣＯの
エピタキシャル成長が得られると、特に（０１１）の結
晶方位が得られた場合には薄膜の電流搬送能力が高くな
る。

同じ理由から、しかしながら好ましい度合は落ちるけれ
ども、次に良い基板はＭｇ（１００）である。

ＭｇＯの格子定数はＹＢＧＯよりも約７％大きい。主と
して薄膜と基板の反応のためにサファイアは配列薄膜を
成長させる基板としては劣るものではあるが、安価で入
手し易いために多くの実験室で使用されている。直接サ
ファイア上に成長させた薄膜の特徴は、超伝導温度が低
いこと、電流密度が低いこと及び基板に隣接して厚い品
質劣化層があることである。

しかしながら、以下の話電体損正接（ｔａｎ）の表Ｉに
示すように、５ｒＴＩ０３及びＭｇＯは何れもマイクロ
波領域での用途において誘電損失が大きい。この点、ｊ
ａｎの値から言って、サファイアは理想的な基板である
。

表　　１ 〈発明が解決しようとする問題点及びその解決手段〉 従って、本発明は、酸化物超伝導体を基板に付着させる
方法であって、単結晶サファイア基板上に厚さ０．０５
乃至２．０ミクロンのマグネシア又はジルコニアの単結
晶バッファ層をエピタキシャル成長させ、前記バッファ
層上に配列酸化物超伝導体を成長させることを特徴とす
る方法に関する。

く作用〉 薄いバッファ層を持つサファイア基板は誘電損失が少な
く、酸化物超伝導体は所望方向に配列させて電流搬送能
力を高めることができ、サファイア基板と酸化物超伝導
体との間の反応は最小限にとどまる。好ましくは、バッ
ファ層は厚さ０．１〜１．０ミクロンであり、バッファ
層は単結晶マグネシアであり、酸化物超伝導体はＣ軸が
基板表面に直角になるよう配列しており、サファイア基
板の厚みは０．１〜１．０　ｍｍであり、マグネシアの
結晶方位は（１１１）、　（１００）又は（１１０）で
ある。

〈実施例〉 下表に示すように、種々の配列のサファイア基板上に１
１００ｎ厚の単結晶ＭｇＯ薄膜を成長させた。

まだ同定されていないＭｇＯの配列は、技術的には有用
性がなさそうな高指数配列である。ＭｇＯの（１００）
及び（１１０）の配列が最も重要である。ＭｇＯは、超
高真空（１０−９Ｔｏｒｒ）中で電子銃を用いて酸化物
源から付着させた。付着時のサファイア基板の温度は８
００℃とした。付着速度は０．１ｎｍ／秒であった。

バッファ層を通りＹＢＣＯ薄膜に拡散出来るＡｔの量を
最小限に抑えるためにＭｇＯの厚さを約１〜２ミクロン
にすることができる。実験はスタンフォード（Ｓｔａｎ
ｆｏｒｄ）において行なわれ、エム・ナイト−（Ｍ、Ｎ
ａ１ｔｏ）等による「電子ビーム共蒸着（ｃｏｄｅｐｏ
ｓｉｔｉｏｎ）による高Ｔ酸化物超伝導体ＹＢａ２Ｃｕ
、０７の薄膜の合成Ｊと題するＪｏｕｒｎａｌ　ｏｆＭ
ａｔｅｒｉａｌ　Ｒｅ５ｅａｒｃｈ、第２巻（６）　、
７１３〜７２５頁（１９８７年）に収載の論文に記載さ
れたように多結晶ＭｇＯと多結晶立方晶ジルコニア・バ
ッファ層とを使用して、サファイア基板が「パウダー・
パターンＪ　　（ｐｏｗｄｅｒ　ｐａｔｔｅｒｎ；未配
列）　ＹＢＣＯ薄膜と接触しないように分離した。上記
実験の２００オングストロームの厚さのバッファ層は露
出したサファイア上に成長させた薄膜と比べて良好な薄
膜特性を持つが、ＡＩがＹＢＣＯ薄膜へ相互拡散するの
を完全には防止しなかった。本発明のＭｇＯバッファ層
の単結晶微細構造により、ＹＢＣＯ薄膜のエピタキシャ
ル成長が促進されるだけでなく、多結晶薄膜と比較して
拡散が顕著に減少する（これは多分、粒界に沿ったＡｌ
が拡散し易い通路がなくなることによるものと思われる
）ことは重要である。従って、サファイア基板のマイク
ロ波特性を著しく劣化させることがない、比較的薄いバ
ッファ層を使用することができる。

７７にで作動させることができる低損失、高電流密度の
超伝導体薄膜構造を用いて多数のマイクロ波装置を構成
出来る。この種の装置としては、ストリップライン共振
器フィルタ、遅延ライン、方向性カップラー、ピコ秒パ
ルス回路の相互接続手段、及びアンテナがある。

表■かられかるように、厚さ０．１〜１　ｍｍの代表的
な基板の場合、Ｍｇｏ基板の損失は合格すれすれである
。しかしながら、サファイア上のＭｇＯバッファ層の厚
みが少なくとも基板の厚さの少なくとも１００分の１以
下であれば（たとえば１ミクロン未満であれば）、サフ
ァイアからの損失と比較してＭｇＯからの損失は無視で
きる。５ｒＴＩ０３バッファ層については、同様のこと
が言えない、このバッファ層はＹＢＣＯ中へのＡＩの相
互拡散を妨げるには薄きに過ぎ、しかも損失が無視でき
る程小さいという基準を満たさなければならないだろう
。

表Ｉには、Ｙ２Ｏ３で安定化した立方晶ＺｒＯ２（ＹＳ
Ｚ）のデータを示しである。単結晶ＹＳＺ基板上に成長
させた薄膜はＭｇＯ（１００）上に成長させた薄膜と同
様の特性を持つ。従って、ＹＳＺはＭｇＯ同様にサファ
イア上のバッファ層として有望ではあるが、これまでの
ところ満足すべきＹＳＺ層をエピタキシャル成長により
形成できていない。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. （１）酸化物超伝導体を基板に付着させる方法であって
   、単結晶サファイア基板上に厚さ０．０５乃至２．０ミ
   クロンのマグネシア又はジルコニアの単結晶バッファ層
   をエピタキシャル成長させ、前記バッファ層上に酸化物
   超伝導体の配列層を 成長させることを特徴とする方法。
2. （２）バッファ層の厚さが、０．１乃至１．０ミクロン
   であることを特徴とする請求項第（１）項に記載の方法
   。
3. （３）バッファ層が単結晶マグネシアであることを特徴
   とする請求項第（１）項又は第（２）項に記載の方法。
4. （４）マグネシアの結晶方位が（１１１）又は（１００
   ）又は（１１０）であることを特徴とする請求項第（３
   ）項に記載の方法。
5. （５）酸化物超伝導体のＣ軸が基板表面に直角に配向し
   ていることを特徴とする請求項第（１）項、第（２）項
   、第（３）項又は第（４）項に記載の方法。
6. （６）サファイア基板の厚さが０．１乃至１．０ｍｍで
   あることを特徴とする請求項第（１）項乃至第（５）項
   の何れかに記載の方法。