JPH02188426A - 配向度の高い超伝導酸化物薄膜の製造方法 - Google Patents

配向度の高い超伝導酸化物薄膜の製造方法

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JPH02188426A
JPH02188426A JP1006723A JP672389A JPH02188426A JP H02188426 A JPH02188426 A JP H02188426A JP 1006723 A JP1006723 A JP 1006723A JP 672389 A JP672389 A JP 672389A JP H02188426 A JPH02188426 A JP H02188426A
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JP
Japan
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substrate
thin film
magnetic field
superconducting oxide
oxide film
Prior art date
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Pending
Application number
JP1006723A
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English (en)
Inventor
Seiichi Watanabe
征一 渡辺
Toshiro Tanaka
俊郎 田中
Kensuke Fukushima
謙輔 福島
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Nippon Steel Corp
Original Assignee
Sumitomo Metal Industries Ltd
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    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E40/00Technologies for an efficient electrical power generation, transmission or distribution
    • Y02E40/60Superconducting electric elements or equipment; Power systems integrating superconducting elements or equipment

Landscapes

  • Inorganic Compounds Of Heavy Metals (AREA)
  • Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
  • Physical Vapour Deposition (AREA)
  • Chemical Vapour Deposition (AREA)
  • Superconductor Devices And Manufacturing Methods Thereof (AREA)
  • Superconductors And Manufacturing Methods Therefor (AREA)

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) この発明は、LSI基板配線、磁気センサー磁気シール
ド材、高速演算素子など、エレクトロニクス分野で使用
される各種の素子に用いられるペロブスカイト型酸化物
超伝導物質の薄膜を製造する方法に関する。
(従来の技術) ペロブスカイト型酸化物の超伝導物質が大きな注目を集
めているが、この物質には電子の流れに異方性があり、
結晶のC軸方向(Cu−0の網目面に垂直の方向、ペロ
ブスカイト型酸化物が通常とる正方品あるいは斜方晶で
は、Cu−0面をa−b軸で張られる面でとるので、そ
の垂直方法はC軸方向となる。)には電流が流れにくく
、C軸と直角の方向、即ち、Cu−0原子結合が網目状
になった面内(a−b面)には電流が流れやすいことが
知られている。(例えば、Japanese Jour
nal of^pplied Physics、 Vo
l、26 (1987) L726参照)薄膜として酸
化物超伝導物質を使う場合にも、前記のa−b面にのみ
高い電流が流れ、それと直角方向(C軸方向)にはわず
かな電流しか流れないという、異方性が問題になる。こ
れを解決する方法としては、a−b面が基板面に平行に
なるように結晶格子を積み上げてゆく方法が唯一の方法
である。このため、薄膜をつける基板材料及び薄膜作成
条件には厳しい条件が必要となる0例えば、基板は単結
晶Mg0(100)面など数種類に限定される。
また、YBaICusO7jなどの薄膜をスパッタリン
グや真空蒸着法で積み上げる際の基板温度は600°C
以上に保たなければならない、(例えば、日本金属学会
報、第26S第10号(1987) 971〜976頁
)エレクトロニクス分野のデバイスに組み込んで使用す
る場合、最大の問題は基板温度が高すぎてSiとの接続
が難しい点が挙げられる。600″C以上にするとSi
と超伝導物質とが反応を起こしたり、それまでSiに施
したエツチング、ドーピング、酸化などで細工した層が
破壊される可能性が高い、基板温度をできる限り低くす
ることはエレクトロニクス分野での超伝導薄膜の実用化
に大きな意味を持つ。
超伝導物質の薄膜作製方法としては、スパッタリング法
、真空蒸着法、分子線エピタキシィ法、イオンクラスタ
ビーム法などがあるが、基板温度600°C以下でa−
b面が基板面に平行になった薄膜を製造した例はない。
なお、基板材料としては以下のものが適切な条件下(た
だし、基板温度はいずれも600℃以上)で製造すると
酸化物超伝導材料のa−b面が基板面に平行になるもの
として知られている。
■単結晶Mgo(100)面、 ■単結晶5rTiOs
 (100)■pt、   ■Zr0(100) これらの中、ZrOはSiとも整合性が良く、Siと酸
化物超伝導材料が接して反応するのを防止するために間
に入れるバッファー材として使うことが多い、しかしこ
の場合も、600℃以上の加熱が必要とされている。
(発明が解決しようとする課題) 本発明は、Cu原子と0原子とが近接して2次元的に結
合した面を基板面に平行となるように結晶配向性を高め
た超伝導酸化物Fit膜を製造することを課題とし、特
にその目的は、基板配線などのためにエレクトロニクス
・デバイス中に酸化物超伝導材料を組み込む場合、Cu
原子とO原子とが近接して接合してできるCu−0面(
a−b面)が基板面と平行になるように結晶配向を制御
するにあたり、基板加熱温度が600”C以下ですむよ
うな薄膜の製造方法を従供することにある。
(課題を解決するための手段) 酸化物系超伝導材料は常温では常磁性体でしかも強い磁
気異方性を持ち、C軸方向の帯磁率が大きい。これは単
結晶のサイズにまで小さく微粉化した粉末を磁場中に置
くと磁場の方向にC軸が配向することを意味する。
一般に、薄膜製造装置はスパッタリング法にしろ、真空
蒸着法にしろ、あるいは化学気相蒸着法にしろ、物質源
はいろいろの方式があるが、薄膜製造は基板の上で行わ
れる。基板上で薄膜に積み重なる直前に元素はイオン化
した孤立状態にあると考えられる。基板上に達し、結晶
構造を組み始める初期の状態において、上記のように磁
場が基板面に垂直に付加されているとC軸もその方向に
配向し易くなり、その結果、臨界電流密度の高いa−b
面が基板面に平行となる。
本発明は、上記の原理を利用したもので、その要旨は下
記の薄膜製造方法にある。
r超伝導酸化物薄膜を基板上で気相成長させるに際し、
基板面に垂直に0.5〜50テスラの磁束密度の磁場を
付加しつつ薄膜を成長させることを特徴とする単位胞の
中のCu原子と0(酸素)原子が近接して2次元的に結
合した面が基板面に平行な配向度の高い超伝導酸化物薄
膜の製造方法j(作用) 本発明の対象となる超伝導物質は、「その単位胞の中に
Cu原子と0原子が近接して2次元的に結合した面を含
むペロプスカイト状酸化物超伝導物質」である、このよ
うな金属酸化物結晶において、Cu原子は不対電子を持
っており、従って、磁気モーメントを持っていて、それ
らは常温ではオーダーリングせずばらばらの向きにあり
、常磁性体状態にあるが、外から磁場をかけるとその方
向に磁気モーメントを平均的にある程度向けられる。こ
の磁化の程度を表すのが常磁性磁化率であるが、常磁性
磁化率は結晶異方性を持ち、単結晶の場合、磁場中に置
かれたとき磁化率が大きい結晶方位が磁場に平行に配向
した方が磁気エネルギーが低くなり安定となる。2次元
的にCu−0が結合した結晶構造でCu1イオンの持つ
磁気モーメントをある方向に平均的に揃えようとする場
合、Cu−0の結合した2次元面に垂直な方向に磁場を
かけたとき最も磁化率が高いことが解っている。これは
Cuイオンの磁気モーメントがC軸方向に平均的に最も
周囲から邪魔されることな(歳差運動を行い易いことに
起因していると考えられる。このようなCu−〇が網目
に2次元的に組んだ結晶構造において、それに垂直な方
向の常磁性磁化率が最も高くなることは、他に不対電子
を持った、すなわち、磁気モーメントを持った原子が存
在しても変わらない。
従って、Cu−0の網目外の単位胞内にCu以外の遷移
元素イオン、例えばHo(ホロミウム) 、Eu (ユ
ーロピウム)等を含んでも、網目のCuイオンがペロブ
スカイト酸化物の常磁性を圧倒的に決するので、単結晶
ならばそのC軸方向が磁場方向に向いた方が安定となる
上記のような酸化物の薄膜を基板上に生成させるに際し
、基板面に垂直に磁場を付加する。そうすることによっ
て、基板温度が600°C以下であっても、臨界電流密
度の高いCu−0の網目が基板に平1行に配列する。こ
れはすなわち、C軸が基板面に垂直になることを意味す
る。
その際、磁場の強さくMi重密度)を0.1〜50テス
ラにするのは、0.1テスラ未満では充分な配向度を得
られないからであり、また、50テスラを超えるような
磁束密度は工業的に容易に得られないからである。
気相成長の方法は、前記のスパッタリング法、真空蒸着
法、あるいは化学気相蒸着法など、その方式を問わない
、基板の種類も先に述べた■〜■のいずれでも使用でき
る。基板温度は、600°C以上が望ましいが、600
°C以下の基板温度でも、配向度の高い11119を製
造できるのが、本発明方法の大きな特徴である。
いずれにしても、基板温度の上限は950″Cまでにと
どめるべきである。950 ”Cを超えて基板温度を高
くすることは、基板材料と酸化物超伝導材料との反応を
促進することになり、避けるべきである。
(実施例) 第1表に示す各種の酸化物系超伝導材料の薄膜を第1表
の種々の条件で作製した。本発明の実施例では、全て基
板面に垂直に4.5テスラの磁場を、かけて成膜した。
得られた薄膜の結晶配向性と77にでの臨界電流密度の
測定結果を第1表に併記する。
なお、配向性は、X線解析の結果からC軸配向単結晶の
(004)ピーク高さを100として、各試料の実測(
004)ピーク高さの比で表した。
第1表に示すように、成膜時に磁場をかけた本発明の例
では、基板温度600°Cでは勿論、450°Cおよび
350°Cでも超伝導状態となり、基板温度が450°
Cで充分に実用性のあるR界電流密度(Jc)が得られ
ている。
これに対し、磁場をかけない従来方法の例では、Y系、
Bi系、TI系のいずれでも基板温度450″Cでは超
伝導状態は得られていない。基板温度600°Cでも、
本発明の例に比較すると臨界電流密度は低い。
これらの結果から、本発明方法が結晶配向性の高い超伝
導薄膜を製造する優れた方法であることがわかる。
(発明の効果) 本発明の方法によれば、Cu−0が2次元的に結合した
網目状の層を基板面に平行に配列した薄膜を得ることが
でき、この薄膜面内に高い臨界電流密度で電流を流すこ
とができる。このような薄膜は、600 ’C以下の低
い基板温度でも作製することができるから、基板そのも
のであるStを含む製造途上のデバイスの変質を防ぎ、
さらに温度が低くなった結果、Siとの反応を防止する
ためにSiと酸化物超伝導薄膜との間に挿入するZrO
などのバッファー材を不要とするか、あるいはその必要
厚さを減することができる。
本発明は、酸化物超伝導物質の薄膜をエレクトロニクス
・デバイス用に実用化する上で大きく寄与できるもので
ある。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 超伝導酸化物薄膜を基板上で気相成長させるに際し、基
    板面に垂直に0.5〜50テスラの磁束密度の磁場を付
    加しつつ薄膜を成長させることを特徴とする単位胞の中
    のCu原子とO(酸素)原子が近接して2次元的に結合
    した面が基板面に平行な配向度の高い超伝導酸化物薄膜
    の製造方法。
JP1006723A 1989-01-13 1989-01-13 配向度の高い超伝導酸化物薄膜の製造方法 Pending JPH02188426A (ja)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH06239614A (ja) * 1993-02-16 1994-08-30 Chodendo Hatsuden Kanren Kiki Zairyo Gijutsu Kenkyu Kumiai Tl酸化物超電導体とその製法

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH06239614A (ja) * 1993-02-16 1994-08-30 Chodendo Hatsuden Kanren Kiki Zairyo Gijutsu Kenkyu Kumiai Tl酸化物超電導体とその製法

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