JPH02233595A - Ｔｉ系酸化物超伝導薄膜 - 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Ｓ　Ｑ　Ｕ　Ｉ　Ｄ，　　ジョセフソン素子、
超伝導トランジスタ、電磁波センサー　素子配線、電極
等に用いる超伝導薄膜に関する． ［従来の技術］ Ｔｌ系は現在再現性のある超伝導物質の中で最も臨界温
度の高い超伝導材料であり注目されている．このＴｌ系
も側の高臨界温度酸化物超伝導物質と同様に結晶構造に
起因して異方正が強い例えばコヒーレンス長さで見ると
Ｃ軸方向はＣ軸面内方向の１／３〜１／１０となってい
る，故に高臨界電流密度を必要する薄膜デバイスにＴｌ
系酸化物超伝導物質を応用するにはエビタキシャル成長
をさせることが必要不可欠といえる。エビタキシャル成
長をさせるには基板と超伝導物質の格子をマッチングさ
せる必要があり一般的には「粉体および粉末冶金Ｊ　　
Ｖｏｌ，３５　　Ｎｏ９　（１９８８）２９−３４に述
べられているようにＭｇＯを初めとした単結晶基板が用
いられていた。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら従来の酸化物超伝導薄膜の形成に用いる酸
化物の単結晶基板は比較的大口径化の可能なＭｇＯでも
結晶の直径が約５ｃｍφ前後以下のものに限られていた
．またその製造条件は複雑であると共に完成には長時間
を要した．そのため大口径化は不可能であり、小型の素
子しか応用できず用途が限定される、半導体の様に量産
性が良くない、値段が高い等の問題を有していた．また
約２０ｃｍφまで大口径化の可能な単結晶シリコンウェ
ハーを用い直接酸化物超伝導薄膜を付ける場合はシリコ
ンウェハーと反応し、膜厚が薄い（２００ｎｍ以下）と
低臨界温度相になったり酷いものは超伝導相が壊れ半導
体相になってしまった． 本発明はこの様な問題を解決するものであり、その目的
とするところは大口径、高臨界電流密度で用途の限定が
無く量産性に優れた酸化物超伝導薄膜を低コストで得ん
とするものである。

［課題を解決するための手段］ 上記の問題を解決するため本発明のＴｌ系酸化物超伝導
薄膜は１）単結晶シリコンウェハー基板上に形成するＴ
ｌ−Ｍ−Ｃｕ−０系（ここでＭはアルカリ土類を示す）
酸化物超伝導薄膜に於て単結晶シリコンウェハー基板と
酸化物超伝導薄膜の中間部に組成式をＡｘＡｌｙＯｚ（
ここでＡはアルカリ土類を示す）と表したときＯ。９≦
ｘ≦１．１、１１．７≦ｙ≦１２．３である酸化物層を
形成して成る事を特徴とする。ｘ，　　ｙの値が上記組
成範囲を外れると酸化物層は安定した結晶構造をとらな
くなる。それは格子のミスマッチの増加を意味し酸化物
超伝導薄膜のエビタキシャル成長を阻害する原因となる
．また値はそれぞれ１．１２に近いほど好ましい．２は
薄膜では測定が困難なため確認できていないがバルクで
は最適組成において１９となっている。

［実施例］ 以下実施例に従い本発明を説明する。

先ず最初に単結晶シリコンウェハー基板上に第１表に示
した組成の酸化物膜を反応蒸着法より５００ｎｍ形成す
る． 成膜条件は蒸発源にアルカリ土類とＡ１の金属を用い、
基板温度６００℃〜８００℃、真空度４〜６＊１０”’
Ｔｏｒｒ，　　成膜速度は１８〜２３ｎｍ　／　ｍ　ｉ
　ｎである。また膜への酸素の供給は基板周辺に駿常を
吹き付け行う（この時の基板部の真空度は１０−２Ｔｏ
ｒｒ台と推定される）更に蒸発源を基板に到達する前に
ＲＦプラズマにより活性化させる．得られた酸化物膜は
Ｘ線回折とＲＨＥＥＤにより分析したところエビタキシ
ャル成長した膜であった．尚ここで用いた酸化物は比較
的シリコンウェハー上にエビタキシャル成長させ易い物
質といえる． 次にＭＢＥ　（分子線エビタキシ）法により前記酸化物
膜上にＴｌ２Ｂａ２Ｃａ２Ｃｕ３０ｙ（この値は目標値
であり僅かバラツキがある）超伝導膜を１００〜１５０
ｎｍ形成した．成膜条件は蒸発源にＴ１、Ｂａ，Ｃａ，
Ｃｕの金属を用い（蒸発はＫｎｕｄｓ　ｅｎセルにより
行なった）、真空度４〜６＊１０−’Ｔｏｒｒ，　　基
板温度３５０　〜４４０℃、成膜速度２３〜３７ｎｍ／
ｍｉｎであり、酸素の供給はマイクロ波で活性化した酸
素プラズマを基板部に成腹中に照射して行う．基板温度
は本酸化物超伝導物質の構成元素の中に蒸気圧の高いも
のがあるためＹ系、Ｂｉ系に比べ低い．そのためａｓ−
ｇｒｏｗｎではよい超伝導膜になりずらく、次に８００
〜８７０℃酸素雰囲気中において２時間アニール処理を
行い酸化物超伝導薄膜を慢る。

得られた酸化物超伝導薄膜をＸ線回折、ＲＨＥＥＤによ
り分析したところエビタキシャル成長した膜であった． 第１表 実施例−２ 実施例−１と同様な条件で単結晶シリコンウェハー基板
上にＳ　ｒ　１．ＯＩＡ　ｌ　１２．００　Ｖ酸化物層
を５００ｎｍ形成、次にＴ　ｌ　１．９Ｂ　ａ２．Ｏｃ
　ａ　ｌ．２Ｃ　ｕ２．１０ｙ薄膜をｌｏｏｎｍ形成し
酸化物超伝導薄膜を得た． 向上記実施例に於ける組成分析にはＩＣＰ法、蛍光Ｘ線
法等を用いた。

次に得られた酸化物超伝導薄膜の臨界温度と臨界電流密
度を４端子法により測定した．測定温度は７７Ｋであり
測定雰囲気はへリュウムガス中である．尚冷却にはダイ
キン工業製極低温冷凍機ＵＶ２０４ＳＲを使用した． 結果を第２表く実施例−１）と第３表（実施例−２）に
比較例と共に示した．比較例は単結晶シリコンウェハー
基板上に直接Ｔｌ−Ｂａ−Ｃａ−Ｃｕ−０薄膜を形成し
た場合（Ｈ，Ｉはそれぞれ膜厚１００ｎｍ，７００ｎｍ
）と基板にＭｇＯ単結晶を用いた場合で（Ｊ，Ｋ）ある
． 表より判るように本発明による酸化物超伝導薄腹は大口
径化の可能なシリコンウェハーを基板として用いてもＭ
ｇＯ単結晶基板を用いたときに近い高い臨界電流密度と
なる．比較例Ｈが超伝導にならないのは膜全域にわたり
蒸着物質がシリコンウェハーと反応して超伝導物質の結
晶構造を採っていないためである．．本発明ではこの反
応を抑制出来るため１００ｎｍと薄く形成しても良い超
伝第２表 導特性を得ることが出来る．比較例工（膜厚７００ｎｍ
）の臨界温度は１０５Ｋと比較的良い値であるにも関わ
らず臨界電流密度は低い、これは比較例Ｈからも推察で
きるように基板との界面部が反応により結晶が崩れてい
るためその上の酸化物超伝導薄膜もエビタキシャル成長
していないためでる．また実施例の中でＢ，　　Ｅ，　
　Ｇが他に比べ臨界電流密度が高いのは酸化物層が最適
組成に近いことにより最適結晶構造をとり格子のマッチ
ングが良くなり酸化物超伝導膜のエビタキシャル成長に
良い影響を与えているためである。すなわち酸化物の組
成はＡｘＡｌｙＯｚ（ここでＡはアルカリ土類元素を示
す）と表したとき０．　　９≦ｘ≦１．１、１１．７≦
ｙ≦１２．３の範囲内である必要があり、外れると臨界
電流密度は急激に低下する．第３表はＴ　１２Ｂ　ａ２
Ｃ　ａｌｃｕ２０ｙ系組成の超伝導薄膜、いわゆる実施
例−１より１ユニットセル間のべロブスカイト層が１層
少ない低臨界温度相膜の例であるが実施例−１と同様に
ＭｇＯ単結晶基板を用いたときとほぼ同じ臨界電流密度
となっている． 第３表 第４表に単結晶シリコンウェハー基板と従来よく用いら
れていたＭｇＯ単結晶基板の１枚の値段を示した。単結
晶シリコンウェハー基板は４インチ（約１０ｃｍφ）と
ＭｇＯ単結晶基板の約２倍と大口径であるにも関わらず
値段は約１／２。０となっている．この様に単結晶シリ
コンウェハー基板を採用することにより大口径化だけで
なく大幅な低コスト化が可能となる。また酸化物の単結
晶と異なり供給量が多いため不足する事態になる確率が
少ないこともメリットといえる． 第４表 や臨界電流密度による用途の限定が無く、ｊｌ産性に優
れた酸化物超伝導薄膜を低コストで得ることが出来る． 本発明により得られた酸化物超伝導薄膜はそのままで用
いたり微細加工、保護膜形成、他物質の積層等を施した
後ＳＱＵＩＤ、ジョセフソン素子、超伝導トランジスタ
、電磁波センサー　磁気センサー　素子配線、電流制御
素子、磁束量子メモリ、光スイッチ素子、磁気シールド
等に応用することが出来る． 以上 ［発明の効果］ 以上述べたように本発明によれば大口径化の可能な単結
晶シリコンウェハーを基板に用いても酸化物超伝導薄膜
のエビタキシャル成長が可能となり、なお且基板との反
応を抑制できるため高い臨界電流密度をえられる．さら
に大口径で有るにも関わらず基板の値段が格段に安い。

そのため形状出願人　セイコーエプソン株式会社 代理人弁理士　鈴木喜三郎　他１名

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １）単結晶シリコンウェハー基板上に形成するＴｌ−Ｍ
   −Ｃｕ−Ｏ系（ここでＭはアルカリ土類を示す）酸化物
   超伝導薄膜に於て単結晶シリコンウェハー基板と酸化物
   超伝導薄膜の中間部に組成式をＡ＿ｘＡｌ＿ｙＯ＿ｚ（
   ここでＡはアルカリ土類を示す）と表したとき０．９≦
   ｘ≦１．１、１１．７≦ｙ≦１２．３である酸化物層を
   形成して成る事を特徴とするＴｌ系酸化物超伝導薄膜。