JPH0246608A - 超伝導部材用保護膜 - 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〕 本発明は超伝導材料、特にセラミックス超伝導材料から
なる超伝導部材の保護膜に関する。また、各種超伝導デ
バイスに組込まれた超伝導部材に設けるのに好適な保護
膜に関する。

（従来の技術） 近年、セラミックス材料をある一定の組成で焼結するこ
とにより７７に以上、場合によっては室温付近で超伝導
を示す焼結体が見いだされている。しかし、これらの超
伝導材料は、例えばＹ−Ｂａ−Ｃｕ−０あるいはＢ　ｉ
　−５ｒ−Ｃａ−Ｃｕ−０系で明らかなように、水分に
対する耐久性に問題がある。そこで、従来のセラミック
ス材料を用いたデバイスでは、例えばフッ素系ポリマー
のようなプラスチックコーティングによりデバイス内部
への水分の進入を防止してきた。さらに通常無機物の保
護膜も室温付近での狭い温度範囲では実用化されている
。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかし、プラスチックコーティングおよび通常の前記の
蒸着法の場合、以下のような問題があつた。

セラミックス超伝導体の臨界温度が７７により高くはな
っているが、超伝導デバイスは熱雑音を防ぐことが必要
な場合には７７にあるいはそれ以下に冷却して使用する
ことがある。この場合、プラスチックコーティングおよ
び通常の方法では急激な温度変化により保Ｘｉ　Ｍにク
ラックが生じてしまう。また熱膨張係数もセラミックス
超伝導材料、電極等の材料とは大きく異なることが多く
、このためデバイスとの密着性も悪くなってしまう。こ
のようなりラックの発生または密着性の低下により、例
えば大気中の水分が超伝導部材中に混入し、超伝導材料
の水分との反応、粒界への水分の吸着による膨潤、さら
にはデバイス動作時による水分の電気分解によるデバイ
ス特性の変化、あるいはフッ素を含む超伝導材料を用い
た場合にはフッ化水素の発生によるデバイスの劣化など
多くの問題が生ずる。

本発明は、上記のような問題点に鑑み成されたものであ
り、その目的は、デバイスの温度が急激に変化してもク
ラックの発生がなく、密着性も良く、その結果、水分の
混入を防ぎ、かつ将来の多様な要求にも答えられる保護
膜を提供することにある。

また、種々の用途に用いられる超伝導材料からなる部分
を保護するのに好適な保護膜を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的は、超伝導材料からなる部材表面に設ける保護
膜であって、Ｓｔの酸化物及び窒化物、ＡＩの酸化物及
び窒化物、ならびに該超伝導材料に含まれる金属の酸化
物及び窒化物からなる群より選択された１種以上を含む
ことを特徴とする超伝導部材用保護膜によって達成する
ことができる。

なかでも、本発明の保護膜は、クラスターイオンビーム
蒸着法を用いて、所望の機能が保護膜に良好に得られる
ように、イオン化電流、加速電圧を制御し、かつ超伝導
材料を構成する金属成分を保護膜の金属成分とする、あ
るいはＡｆｉ、Ｓｉを金属成分とした酸化物あるいは窒
化物で形成することにより本発明の目的を達成するすぐ
れた保護膜とすることができる。

本発明の保護膜は、なかでもクラスターイオンビーム蒸
着法の蒸着法としての特徴を利用することによって、超
伝導部材と極めて密着性が高く、また急激な熱変化にも
耐える保護膜とすることができる。

しかしながら、本発明の保護膜の形成法はこれに限定さ
れるものではなく、本発明の目的を充分に達成できる各
種成膜方法が利用できる。

以下、クラスターイオンビーム蒸着法での一例を示す。

第１図にクラスターイオンビーム蒸着法の原理図を示す
。１はルツボ、２は蒸発物質、３はイオン化ユニット、
４は加速電極、５は基板、６は蒸発物質のクラスターイ
オンビームである。ルツボ１にはノズルが取り付けてあ
り、不図示の加熱装置によりルツボを加熱するが、この
ときノズル部を蒸発物質が通過し、断熱膨張により５０
０〜１０００個の原子からなるクラスターを形成するよ
うに加熱装置を制御する。具体的には、ルツボの内外で
蒸発物質の蒸気圧差が約１桁以ト程度になるようにする
。このようにして生じたクラスターにイオン化ユニット
部分で熱電子のシャワーを照射してクラスターの一部を
イオン化する。このときのイオン化率は不図示の電源に
より制御する。

４は加速電極であり、不図示の電源により基板との間に
約１０にＶあるいは一１０ＫＶ程度の加速電圧が印加出
来、これによりクラスターイオンを加速する。

ここで重要なのは、イオン化ユニットも加速電圧も電気
的に制御している点である。つまり蒸着中にこれらは連
続的にも不連続的にも自由にかつ極めて短時間に制御で
きる。この特徴を利用して保護膜を成膜するわけである
が、−膜内にはイオン化率を高く、加速電圧を高くする
ことによって、膜の密着性、バッキング密度は良くなる
が、逆にスパッタ現象も起きてしまう。したがって本発
明では、保護膜の蒸着開始後、しばらくは大きなイオン
化率、大きな加速電圧で蒸着し、その後、スパッタ現象
を防ぐためにそれらの値を小さくして保護膜を作製する
。

さらに、保護膜の構成元素は、超伝導材料の構成する金
属成分あるいはＡＩｌ、Ｓｉの酸化物、窒化物であり、
このことによりデバイスの動作時、あるいは経時変化に
よる元素の拡散が生じてもデバイス特性への影響を小さ
くすることが出来、かつ密着性が良く熱ひずみの小ざな
保護膜を得ることが出来る。

〔実施例〕

以下、実施例により本発明をより詳細に説明する。超伝
導デバイスとしては、第２図に示す超伝導トランジスタ
および超伝導体の電気抵抗を測定するための四端子法用
の金属電極を取り付けた超伝導体（第３図）の二種類を
作製した。第２図において、７は本発明の保護膜、８は
超伝導体電極、９は絶縁膜、１０はシリコン単結晶、１
１はゲート絶縁膜、１２はゲート電極である。また、第
３図において、１３は本発明の保護膜、１４は超伝導体
薄膜、１５は金属電極、１６は基板である。

［実施例１］ 超伝導体としてＹＢａ２　Ｃｕ３０ｘ　（ｘ＝６．００
〜７．００）を用いた第２図に示す超伝導デバイスを作
成した。保護膜の材料はＹ２Ｏ３である。第１図におい
て、タングステン製ルツボ１中に純度９９．９％以上の
金属イツトリウム２を入れる。超伝導デバイスは５の位
置に取り付けられており、不図示の装置により１００℃
に加熱されている。蒸着装置内を１０福Ｔｏｒｒ以下の
真空度にして基板５の位置で１〜１０人／Ｓの蒸着速度
になるように不図示の加熱装置でルツボ１を加熱する。

第１図には示していないが、酸素ガスを３ｘｌＯ＝Ｔｏ
ｒｒになるまで導入する。蒸着開始後約２０秒間はイオ
ン化ユニット４のイオン化フィラメントに１００ｍＡの
電流を流し加速電圧を４ＫＶとする。次にイオン化電流
を１００ｍＡから５０ｍＡにし、加速電圧を１にＶにす
る。この状態で蒸着を続け、約１μ程度の保護膜を形成
する。

このようにして保護膜をつけた超伝導デバイスを液体窒
素中に直接人わて室温→液体窒素温度→室６−（という
熱サイクルを１０回繰り返した。保護膜を取り付けてい
ないデバイスは１回の熱サイクルで、抵抗加熱法により
Ｙ２Ｏ３を約１μ保：Ａ膜として取り付けたデバイスは
２〜３回の熱サイクルでトランジスタ動作に異常が現わ
れたが、本発明の保Ｍ膜を取り付けたデバイスは正常な
動作を示した。

［実施例２］ 実施例１と同様にしてルツボ中にＳｉを入れ、保護膜と
して５ｉ０７を形成させた。蒸着速度。

真空度は実施例１と同様であるが、蒸着開始後約１５秒
間はイオン化電流を２００　ｍＡ、加速電圧を６ＫＶと
した。その後、イオン化電流を１５０ｍＡ、加速電圧１
にＶとして約８０００人の保護膜を蒸着した。

室温→液体窒素温度→、室温と熱サイクルをデバイスを
直接液体窒素に出し入れする方法で１０回繰り返したが
、トランジスタ動作は正常であった。

［実施例３］ 超伝導材料としてＥｒＢａ２　Ｃｕ３０ｘ　（ｘ＝１〜
７）を用いて第３図に示すデバイスを製作した。基板１
６はサファイア、電極１５はＣｒ−Ａｕである。保護膜
はＡｌ１．２０３である。蒸着速度、真空度は実施例１
と同様である。イオン化電流を２００ｍＡ、加速電圧を
３にＶで最初約３０秒間然着し、その後イオン化電流を
ｌｏｏｍＡ、加速電圧を３にＶで１５分間、さらにイオ
ン化電流ＯｍＡ、加速電圧をＯＫＶで１０分間蒸着する
。この１５分−１０分の蒸着条件を繰り返し、約１−の
保ＭｔＨｆｒ４を形成する。

この保護膜を取り付けた試料の電気抵抗を５０℃と液体
窒素温度の２つの温度で測定した。試料温度は実施例１
と同様５０℃の恒温槽から液体窒素に直接出し入れした
。この熱サイクルを２００回繰り返した。二つの温度で
の電気抵抗値は±０．５％の誤差の範囲で再現した。保
護膜を取り付けない場合には１回の熱サイクルで超伝導
を示さなくなった。つまり液体窒素温度での電気抵抗が
０ではなく、５０℃とほぼ同等であった。

［実施例４］ 第３図に示す試料において、超伝導体材料はＹ　Ｂ　Ａ
２　ＣＮ３０　Ｘ　（Ｘ　＝　２”７　）で、基板はＭ
ｇＯ単結晶、保護膜は窒化シリコンである。

Ｓｉの蒸着条件、蒸着速度は５〜１０人／Ｓ程度、Ｎ２
を５〜１２ｍ１／ｓｅｃの割合で蒸着装置に導入した。

Ｓｉ蒸着時のイオン化電流は５０ｍＡ、加速電圧は３に
Ｖである。約６０００人の厚さに蒸着した。５０℃と液
体窒素温度での電気抵抗測定を１５０回繰り返したが、
測定値の再現性は良好であった。

［実施例５］ 超伝導材料としてＢｉ２　Ｓｒ２　Ｃａ２　Ｃｕ３０ｘ
を用いて、第３図に示すデバイスを作製した。基板１６
はＭｇＯ単結晶、電極１５はＣｒ−Ａｕである。保護膜
はＡｆＬ２０３である。

ＡＩｔ、０３の成膜条件は実施例３と同様であり、約１
μの厚さの保護膜を形成した。

この試料について実施例３と同様に、５０℃と液体窒素
温度での電気抵抗測定を３００回繰り返して行ったが測
定値の再現性は良好であった。

なお、上記各実施例では、超伝導デバイスとして超伝導
トランジスタと四端子法用試料の二つだけを示したが、
本発明の保ＮＷＡの適用はこの二つのデバイスに限定さ
れるものではない。任意のデバイスでセラミックス超伝
導体を大気中の水分や炭酸ガス等より保護する場合にす
べて有効である。

また、蒸着条件も面記各実施例の範囲に限定されるもの
ではなく、超伝導材料の組成デバイスの構成などにより
蒸着温度、蒸着速度、イオン化電流、加速電圧を自由に
選択できる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、７７に以上で超
伝導を示すセラミックス超伝導体を大気中の水分、また
は炭酸ガスより保護し、安定な超伝導デバイスの動作が
１ξｌられる。これはクラスターイオンビーム蒸着法の
特徴を利用することにより、密着性の良い、バッキング
密度の高い保護膜を得ることができるからである。

【図面の簡単な説明】

第１図はクラスターイオン蒸着の概略図、第２図は保護
膜を取り付けた超伝導トランジスタの構成図、第３図は
保護膜を取り付けた四端子法用超伝導体試料の構成図で
ある。 １ニルツボ ２：蒸着物質 ３：イオン化ユニット ４：加速電極 ５：基板 ６：クラスターイオンビーム ７．１３：本発明の保護膜 ８．１４：超伝導体 ９．１１：絶縁膜 １２：電極 １６：基板 第１図 第２図 ］２ 第３図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）超伝導材料からなる部材表面に設ける保護膜であっ
   て、Ｓｉの酸化物及び窒化物、Ａｌの酸化物及び窒化物
   、ならびに該超伝導材料に含まれる金属の酸化物及び窒
   化物からなる群より選択された１種以上を含むことを特
   徴とする超伝導部材用保護膜。 ２）前記酸化物または窒化物が、クラスターイオンビー
   ム蒸着法により形成されたものである請求項１記載の保
   護膜。 ３）前記超伝導部材がセラミックス超伝導材料からなる
   請求項１または２に記載の保護膜。 ４）前記超伝導部材が化学組成Ａ−Ｂ−Ｃ−ＤまたはＢ
   −Ｃ−Ｄ（ただし、ＡはＬａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ
   、Ｓｍ、Ｓｃ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、
   Ｔｍ、Ｙｂ、ＬｕおよびＹよりなる群より選ばれた一種
   以上の元素、ＢはＢａ、Ｃａ、Ｓｒ、ＢｉおよびＰｂよ
   り成る群より選ばれた一種以上の元素、ＣはＶ、Ｔｉ、
   Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ａｇ、Ｃｄ、Ｚｒおよ
   びＣｕより成る群より選ばれた一種以上の元素、ＤはＳ
   およびＯより成る群より選ばれた一種以上の元素をそれ
   ぞれ含む）で表わされた超伝導材料からなり、前記Ａ、
   ＢおよびＣのいずれかの群より選ばれた一種以上の元素
   の酸化物あるいは窒化物からなる請求項１〜３のいずれ
   かに記載の保護膜。 ５）前記超伝導部材が、超伝導デバイスの構成要素とし
   て、該デバイスに組込まれた状態にある請求項１〜４の
   いずれかに記載の保護膜。 ６）前記クラスターイオンビーム蒸着法で蒸着する場合
   、蒸着中に連続的又は不連続的にイオン化電流、加速電
   圧を変化させる請求項２に記載の保護膜。