JPH04114904A

JPH04114904A - 高品質酸化物超電導薄膜の作製方法

Info

Publication number: JPH04114904A
Application number: JP2230218A
Authority: JP
Inventors: Ryuki Nagaishi; 竜起永石; Yukihiro Ota; 進啓太田; Naoharu Fujimori; 直治藤森
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1990-08-31
Filing date: 1990-08-31
Publication date: 1992-04-15

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、酸化物超電導薄膜の作製方法に関する。より
詳細には、レーザアブレーション法を用いて、高品質な
酸化物超電導体の薄膜を作製する方法に関する。

従来の技術薄膜の作製には、各種の方法が使用されるが、レーザア
ブレーション法は、−切の電磁場を必要としないので、
高品質の薄膜を作製するのに適した方法と考えられてい
る。

特に、エキシマレーザをレーザ光源に使用するエキシマ
レーザアブレーション法は、２０Ｏｎｍ付近の短波長領
域の高エネルギレーザ光を使用するので、薄膜を高速且
つ低い基板温度で作製できる。

また、下記の利点があり、多元系の化合物である酸化物
超電導体の薄膜化に適した技術きして注目されている。

■　ターゲットとの組成のずれの無い薄膜が得られる。

■　雰囲気の圧力がｌ　Ｔｏｒｒ付近までの広い領域て
成膜ができる。

■　成長速度を極めて速くすることができる。

■　高エネルギ光による非熱平衡過程である。

しかしながら、エキシマレーザはパルス発振のレーザて
あり、通常その発光時間は１０数ナノ秒程度の極めて短
い。

上記のエキシマレーザを光源に使用したレーザアブレー
ンコン法で、酸化物超電導薄膜を作製する場合には、成
膜室内に０２を１００〜数百ｍＴｏｒｒ導入し、ターゲ
ットには焼結体を使用していた。

そして、ターゲットの焼結体にはパルスレーザ光が断続
的に照射されていた。

一般にレーザアブレーション法では、ターゲットがレー
ザに照射されている間のみ、ターゲットから粒子または
蒸気が飛散する。ターゲットから飛散した粒子または蒸
気は、基板表面における反応により基板表面で薄膜とな
って堆積する。パルス幅の極めて短くエネルギの高いエ
キシマレーザでは、１パルスのレーザ光で多量の粒子ま
たは蒸気を発生させることができる。従って、パルス数
により成長速度を非常に速くすることができるが、その
場合には、結晶化が充分行われず膜質が悪化することが
ある。

一方、酸化物超電導薄膜を形成する際の成膜温度（通常
は基板温度を指す）は一般に約７００℃以上と高く、薄
膜を形成する基板、基材等の熱による劣化あるいは反応
を防ぐために、成膜温度の低温化が望まれている。特に
、酸化物超電導薄膜を電子工学の分野に応用する場合に
は必須の技術である。しかしながら、通常成膜温度を低
温にすると、酸化物超電導薄膜の性能が低下して実用性
が失われる。

発明が解決しようとする課題上記従来のレーザアブレーション法で作製された酸化物
超電導薄膜は、酸化物超電導体結晶中の酸素が過少にな
り易く、特に、低い基板温度て成膜を行った場合にはそ
の傾向が強い。また、酸化物超電導体の結晶性も悪くな
り易いので、高性能、高品質の酸化物超電導薄膜のを作
製する条件は非常に限られていた。

そこで本発明の目的は、上記従来技術の問題点を解決し
た優れた超電導特性の高品質な酸化物超電導薄膜をレー
ザアブレーンコン法で作製可能な酸化物超電導薄膜の作
製方法を提供することにある。

課題を解決するための手段本発明に従うと、ターゲットにレーザ光を照射して、前
記ターゲットに対向して配置した基板上に薄膜を堆積さ
せて作製するレーザアブレーション法により酸化物超電
導体の薄膜を作製する方法において、前記ターゲットに
レーザ光を照射する際に、前記基板に酸素イオンを照射
することを特徴とする酸化物超電導薄膜の作製方法が提
供される。

作用本発明の方法は、レーザアブレーション法で基板上に酸
化物超電導薄膜を作製する場合に、ターゲットにレーザ
光を照射し、基板に酸素イオンを照射するところに主要
な特徴がある。成膜時に基板に酸素イオン照射を行うと
、基板上に形成される薄膜の酸化物超電導体結晶に酸素
が供給されるだけでなく、成膜反応が進行している表面
にイオンの運動エネルギが供給される。そのため、基板
温度が低くても、基板から供給される熱振動にこの運動
エネルギが加わるので、基板に達した原子、分子には十
分なエネルギが与えられる。従って、成長表面で成膜中
の原子、分子のマイグレーションが促進され、且つ薄膜
の酸化を充分なものにすることができる。従って、本発
明の方法に従って作製された酸化物超電導薄膜は、成膜
時の基板温度が低くても、酸化物超電導体結晶中に十分
な酸素が含まれ、且つ結晶性がよい高品質なものになる
。

本発明の方法では、イオン銃またはイオン源を用いて基
板に酸素イオンを照射することが好ましい。これは、基
板に照射する酸素イオンの照射エネルギを制御すること
が容易であるからである。

一方、エキシマレーザアブレーション法では、パルスレ
ーザ光がターゲットに照射され、ターゲット表面から飛
散した粒子または蒸気が基板上に供給されている間のみ
成膜が行われる。従って、上記の酸素イオンを基板に照
射する方法では、し−ザ光が照射されない間は、単に成
長表面が酸素イオン照射に曝されることになる。

このた必、酸素イオン照射エネルギを高めると、生成膜
がエツチングを受け、損傷を受けることがある。従って
、酸素イオン照射エネルギはある程度より大きくできな
いので、成膜温度を十分下げることができない場合があ
る。

このような場合には、ターゲットに実際にレーザ光があ
たっているときのみ基板に酸素イオン照射を行う方法が
好ましい。この方法では、ターゲットにレーザ光が照射
され、ターゲットから飛散した成長に関わる元素が成長
面に供給されている時のみ、酸素イオンが基板に照射さ
れる。従って、高いエネルギで酸素イオン照射を行うこ
とができ、成膜温度をより低温にすることができる。

以下、本発明を実施例により、さらに詳しく説明するが
、以下の開示は本発明の単なる実施例に過ぎず、本発明
の技術的範囲をなんら制限するものではない。

実施例第１図に、本発明の方法を実施するレーザアブレーショ
ン装置の一例の概略図を示す。第１図のレーザアブレー
ション装置は、レーザ入射窓１２および酸素イオン源８
を具備するチャンバ３と、チャンバ３内に配置された、
内部にヒータ５１を備え、絶縁碍子２４によりチャンバ
３から電気的に絶縁され、且つバイアス電源５２により
バイアス電圧が印加可能な基板ホルダ５とを具備する。

チャンバ３の外部には、レーザ装置１およびレーザ光を
集光する集光レンズ２が配置されている。

レーザ装置１で発生されたレーザ光は、集光レンズ２で
集光され、チャンバ３のレーザ入射窓１２に入射し、チ
ャンバ３内の原料ターゲット６を照射する。酸素イオン
源８は、酸素導入口１３から供給された０２ガスを、マ
イクロ波導波管２１から導入されたマイクロ波と電磁石
２２で発生した磁界によりＥＣＲ条件（電子サイクロト
ロン共鳴の）下で高密度酸素プラズマを生成した後、引
出電極２３と加速用電極２５により酸素イオンを加速さ
せ、基板４へ照射する。このとき、加速された高エネル
ギ酸素イオンは、成長した薄膜にエツチングなどのダメ
ージを与えるので基板ホルダ５には、加速用電極２５と
反対極性の電圧をバイアス電源５２により印加しておく
。

チャンバ３の内部は高真空に排気可能で、基板ホルダ５
に基板４がターゲット６に対向するように固定されてい
る。基板ホルダ５内には、基板４を加熱するヒータ５１
が備えられている。

第２図に、レーザ光がターゲットに照射されているとき
のみ基板に酸素イオン照射を行うレーザアブレーション
装置の一例の概略図を示す。第２図のレーザアブレーシ
ョン装置は、レーザ入射窓１２および酸素イオン源８を
具備する排気口１０から内部を高真空に排気可能なチャ
ンバ３と、チャンバ３内に配置された内部に基板加熱用
のヒータを備える基板ホルダ５と、モータ１６て回転さ
れるターゲットホルダ７とを具備する。酸素イオン源８
の開口部には、モータ１５で回転される、平面形が一部
切り欠き円のシャッタ９が設けられている。

チャンバ３の外部には、エキシマレーザ装置１およびレ
ーザ光を集光する集光レンズ２が配置されている。

レーザ装置１で発生されたレーザ光は、集光レンズ２で
集光され、チャンバ３のレーザ入射窓１２に入射し、タ
ーゲットホルダ７に固定された原料ターゲット６を照射
する。レーザ光はターゲット６の中心からやや外れた位
置を照射するようになされている。ターゲット６は、モ
ータ１６により回転されるので、この装置においては、
ターゲット６の一部だけがレーザ光に照射されることが
ない。

一方、酸素イオン源８は、酸素導入口１３から供給され
た０２ガスを高電圧放電によりイオン化し、基板ホルダ
５に保持された基板４へ照射する。シャック９は、エキ
シマレーザのパルスと同期して酸素イオンが照射される
ようモータ１５て回転される。

実施例１第１図の装置を使用して、本発明の方法により、Ｙ、Ｂ
ａ２Ｃｕ３０７−８酸化物超電導薄膜を作製した。ター
ゲット６には、ＹＢａ２Ｃｕ３Ｏ７−Ｘの焼結体を用い
た。チャンバ３の内部をＩ　Ｘｌ０−６Ｔｏｒｒに排気
した後、酸素イオン源８に０２ガスを導入してｌ　ｍＴ
ｏｒｒにし、以下の条件で成膜を行った。

基　　　板　　　　　　Ｍｇ　Ｏ（１００）レーザ光エ
ネルギ　１．５Ｊ／ｃｎ！酸素ガス圧　　　　１　　ｍＴｏｒｒ基板温度　　　　６００　　℃ 成膜時間　　　　　１５分間酸素イオン源放電電圧　　　２，３　　　ｋＶ加速電圧　　１００Ｖレーザは、波長１９３　ｎｍのエキシマレーザを使用し
た。

成膜後、得られた酸化物超電導薄膜の断面を透過型電子
顕微鏡で観察し、また、超電導特性を測定した。

本発明の方法に従って作製された酸化物超電導薄膜は、
膜厚２００　ｎｍに亘って−様な結晶で構成され、結晶
の乱れはなかった。

以下に薄膜の超電導特性を示す。

本発明従来法基板温度（℃）臨界温度（Ｋ）臨界電流密度（Ａ／ｃｍ）１、５　Ｘｌ０６１．０Ｘ１０６従って、本発明の方法により、成膜時の基板温度を従来
より７０℃低下させて、さらに酸化物超電導薄膜の特性
を向上させることが可能になった。

実施例２第２図の装置を使用して、本発明の方法によりＹＩＢａ
２Ｃｕ＋　Ｃｈ−ｘ酸化物超電導薄膜を作製した。基板
４としてはＭｇＯ単結晶を使用し、ターゲット６にＹＢ
ａ２Ｃｕ３Ｏ７粉末の成形体を使用した。基板ホルダ５
とターゲット６との間隔を４０＋ｎ＋＋＋にした。基板
温度は６００℃に設定した。温度の測定は、通常の熱電
対で更正したシース熱電対を使用した。

チャンバ３内をＩ　ＸＩＯ’Ｔｏｒｒまで真空引きした
後、酸素イオン源８より酸素ガスを導入して０．１ｍＴ
ｏｒｒにした。この時、シャッタ９は閉じた状態とした
。

次に、エキシマレーザを２Ｊ／ｃＭ、５七でターゲツト
面上に照射した。その周期に合わせてシャッタ９の開閉
を行い、１０分間、成膜した。その後、２０℃／分の冷
却速度で徐冷した。

得られた薄膜の電気抵抗の温度変化を測定したが、電気
抵抗が零になる温度、すなわちキュウリ−温度（Ｔｃ　
）が９０にであった。

また、７７にでの臨界電流密度（Ｊｃ　）を測定したと
ころ、１．７Ｘ１０６Ａ／ｃｎ（であった。

走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）による観察では、薄膜表面
は極めて滑らかな面をしており、面粗さ計測定による面
粗さは１０ｎｍ程度であった。

さらに、得られた薄膜の膜厚は触針式の膜厚測定計で測
定したが、膜厚は０．２０μｍであった。本実施例では
、成膜速度が１．２０μｍ／時になっており、他の方法
と比較して一桁高い速度で上記高品質膜が合成されたこ
とが判明した。

実施例３第２図の装置を使用して、本発明の方法によりＹ　）　
Ｂａ２Ｃｕ３０７−Ｘ酸化物超電導薄膜を作製した。基
板４としては５ｒＴｉ○３単結晶を使用し、ターゲット
６にＹＢａ２Ｃｕ３Ｏ７粉末の成形体を使用した。実施
例１と同様基板ホルダ５とタニゲット６との間隔を４０
ｍｍにし、基板温度を６００℃に設定した。その後、実
施例２と同様の条件および手順で１０分間成膜し、２０
℃／分で徐冷した。

得られた薄膜の電気抵抗の温度変化を測定したところ、
電気抵抗が零になる温度、すなわちキュウリ−温度（Ｔ
ｃ　）は９０にであった。

また、７７にでの臨界電流密度（Ｊｃ　）は、１．９Ｘ
ＩＯ６Ａ／７であった。

さらに、ＳＥＭ観察では、実施例２で作製した薄膜と同
様表面が極めて滑らかな面をしており、面粗さ計測定に
よる面粗さは１０ｎｍ程度であった。

また、薄膜の膜厚は触針式の膜厚測定計での測定の結果
、膜厚は０．２０μｍであった。本実施例においても、
成膜速度は１．２０μｍ／時であり、他の方法と比較し
て一桁高い速度で高品質の酸化物超電導薄膜が作製され
たことが判明した。

発明の詳細な説明したように、本発明の方法に従うと、レーザアブ
レーション法により、高品質の薄膜を作製することがで
きる。本発明の方法により作製される酸化物超電導薄膜
は、ジョセフソン素子、超電導トランジスタ等の電子デ
バイスに応用するのに最適である。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図は、本発明の方法を実施するレーザ
アブレーション装置の一例の概略図である。〔主な参照番号〕１・・・エキシマレーザ、２・・・レンズ、　　３・・・チャンバ、４・・・基板
、　　　５・・・基板ホルダ、６・　・　・ターゲット
、７・・・ターゲットホルダ、８・・・酸素イオン源、９・・・シャッタ、１０・・・排気口、１２・・・レーザ入射窓、１３・・・酸素導入口、１５．１６・・・モーフ２１・・・マイクロ波導波管、２２・・・電磁石、２３・・・イオン引出電極、２４・・・絶縁碍子、２５・・・イオン加速用電極特許出願人　、住友電気工業株式会社

Claims

【特許請求の範囲】

ターゲットにレーザ光を照射して、前記ターゲットに対
向して配置した基板上に薄膜を堆積させて作製するレー
ザアブレーション法により酸化物超電導体の薄膜を作製
する方法において、前記ターゲットにレーザ光を照射す
る際に、前記基板に酸素イオンを照射することを特徴と
する酸化物超電導薄膜の作製方法。