JPH04214097A - 超電導薄膜の作製方法 - 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】

【０００１】

【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、本発明は、Ｙ系等のＣ
ｕ複合酸化物による超電導薄膜の成膜にあたって、特に
Ｓｉウェハを基板として所望する結晶配向性を制御性良
く形成するための新規な方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】超電導現象は、液体ヘリウムによる冷却
が必須な極低温における固有の現象であると考えられて
いた。しかしながら、１９８６年にベドノーツ、ミュー
ラー等によって３０Ｋで超電導状態を示す（Ｌａ，　Ｂ
ａ）２　ＣｕＯ４　が発見されて以来、１９８７年には
９０Ｋ台の超電導臨界温度Ｔｃ　を有するＹＢａ２　Ｃ
ｕ３　Ｏｙ　がチュー等により発見され、続いて１９８
８年には　１００Ｋ以上の臨界温度を示す所謂Ｂｉ系の
複合酸化物系超電導材料が前田等により発見された。

【０００３】これらの一連の複合酸化物系超電導材料は
、廉価な液体窒素による冷却で超電導現象を実現するこ
とができるので、超電導技術の実用的な応用の可能性が
俄に取り沙汰されるようになってきた。一方、当初は固
相反応法により焼結体として合成されていた複合酸化物
系超電導材料は、今日では薄膜として合成することで極
めて品質の高いものが得られるようになっている。

【０００４】酸化物超電導薄膜のエレクトロニクスへの
応用を考えた場合、結晶方位のそろった薄膜を成膜する
ことが求められる。即ち、酸化物超電導材料は、その超
電導特性に顕著な結晶異方性を有していることから知ら
れており、目的とする用途に応じて、成膜時にその結晶
配向性を制御する必要がある。即ち、酸化物超電導薄膜
においては、その結晶ｃ軸と直角な方向に、より大きな
電流を流すことができる。

【０００５】従って、例えば、酸化物超電導薄膜を超電
導配線として利用する場合は、超電導電流を基板の成膜
面と平行に流す必要がある。従って、結晶ｃ軸が基板の
成膜面と直角になるように酸化物超電導薄膜を成膜する
必要がある。即ち、このような用途で求められる酸化物
超電導薄膜は（００１）配向膜である。

【０００６】一方、積層型ＳＩＳ素子等への応用におい
ては、超電導電流を基板の成膜面と垂直に流す必要があ
る。従って、この場合は、超電導薄膜の結晶ｃ軸が基板
の成膜面と平行になるように、即ち、（１００）配向膜
または（１１０）配向膜となるように酸化物超電導薄膜
を成膜する必要がある。

【０００７】尚、成膜時に酸化物超電導薄膜の結晶方位
を制御する方法としては、ＪＪＡＰ２６（１９８７）Ｌ
１２４８やＪＪＡＰ２８（１９８９）Ｌ９８１　等に報
告されているように、使用する基板の結晶方位を換えた
り、成膜時の条件、殊に基板温度を適切に選択すること
等が提案されている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ところで、複合酸化物
超電導体は、一般に複雑な結晶構造を有し、特定の基板
上に特定の条件で成膜した場合にのみその結晶配向性を
制御して形成することが可能であることが知られている
。

【０００９】そこで、酸化物超電導薄膜を成膜する際に
使用する基板材料としては、酸化物超電導材料と格子マ
ッチングがとれ、且つ、酸化物超電導材料との元素の相
互拡散が少ない材料を選択する必要がある。具体的には
、ＭｇＯ単結晶の（１００）面や、ＳｒＴｉＯ３　単結
晶の（１００）面または（１１０）面等が使用されてい
る。

【００１０】しかしながら、上述のような酸化物単結晶
基板は、一般に高価な上に供給が少なく、酸化物超電導
体の実用化を考えた場合に極めて不利な要件のひとつで
あると考えられている。また、酸化物単結晶基板は大径
のものが入手し難く、酸化物超電導薄膜が今後大面積化
していくことを考えた場合に適切な材料とは考え難い。 そこで、廉価且つ高品質な基板材料として現在最も安定
に供給されているＳｉウェハを下地基板として酸化物超
電導薄膜を作製することが提案されている。

【００１１】ところが、酸化物超電導薄膜の成膜のため
にＳｉ基板を使用した場合には、酸化物超電導薄膜と基
板材料であるＳｉとの反応により、得られる薄膜の超電
導特性が著しく劣化または消失する場合がある。

【００１２】また、基板材料との反応を防止する目的で
、基板の成膜面上にバッファ層を形成した上で酸化物超
電導薄膜を成膜する方法も提案されているが、酸化物超
電導薄膜の結晶方位を制御できるほど高品質なバッファ
層はまだ知られていない。

【００１３】そこで、本発明は、上記従来技術の問題点
を解決し、結晶配向性を自在に制御しつつ、Ｓｉ基板上
で酸化物超電導薄膜を成膜することができる新規な超電
導薄膜の作成方法を提供することをその目的としている
。

【００１４】

【課題を解決するための手段】即ち、本発明に従うと、
Ｓｉウェハを基板として酸化物超電導薄膜を作製する方
法において、（１００）配向または（１１０）配向した
Ｌｎ２　Ｏ３　（但し、Ｌｎはランタニド族元素を表す
）化合物によりバッファ層を成膜する第１工程と、該バ
ッファ層上に、酸化物超電導薄膜を成膜する第２工程と
を含むことを特徴とする超電導薄膜の作製方法が提供さ
れる。

【００１５】また、本発明の好ましい一実施態様に従う
と、上記本発明に係る超電導薄膜の作製方法において、
前記第１工程に先立って、前記Ｓｉウェハの成膜面を充
分に清浄化する工程を含むことを特徴とする方法が提供
される。

【００１６】

【作用】本発明に係る酸化物超電導薄膜の作製方法は、
酸化物超電導薄膜の成膜に先立って、Ｓｉ基板上に独自
の構成を有する積層構造のバッファ層を形成する工程を
含むことをその主要な特徴としている。

【００１７】ここで、バッファ層とは、その直上に酸化
物超電導薄膜を成膜し得る特定の材料層を指している。 即ち、酸化物超電導薄膜は、特定の結晶構造を有する下
地上にのみ形成されることが知られている。また、酸化
物超電導薄膜中にＳｉが拡散すると、酸化物超電導薄膜
の超電導特性が劣化あるいは消失することが知られてい
る。

【００１８】そこで、酸化物超電導薄膜の下地となる結
晶構造を有し、且つ、Ｓｉの拡散に対して障壁となるよ
うな材料によってバッファ層を形成することが既に提案
されている。しかしながら、既に提案されている構成の
バッファ層は、Ｓｉの拡散を防止するためには有効でも
、直上に形成される酸化物超電導薄膜の結晶成長への寄
与は少なかった。

【００１９】これに対して、本発明に係る方法において
は、酸化物超電導薄膜の直接の下地として、酸化物超電
導体結晶と極めて良く格子整合し、且つ、酸化物超電導
材料との反応が小さい材料によるバッファ層を形成し、
且つ、その結晶配向性を規定している。従って、このバ
ッファ層からのヘテロエピタキシャル成長により結晶配
向を良く制御された酸化物超電導薄膜を成長させること
ができる。尚、ここで好適に使用できるバッファ層材料
としては、Ｌｎ２　Ｏ３　（但し、ＬｎはＹ、Ｌａ、Ｅ
ｒ等のランタニド族元素を表す）を挙げることができる
。

【００２０】ところで、薄膜成長の下地基板としてＳｉ
ウェハを使用する場合、主に格子整合とコストとの観点
から、一般に（１００）面方位のものが使用されている
。 この（１００）面方位のＳｉウェハ上にバッファ層とし
て好適なＬｎ２　Ｏ３　薄膜を成膜した場合、本来格子
整合している（１００）面は得られずに（１１１）面が
形成されてしまうことが知られている〔ＡＰＬ５５（１
９８９）Ｌ３６０　〕しかしながら、この面方位は、そ
の上に形成する超電導薄膜をエピタキシャル成長させる
ためには不都合であり、（１００）面方位または（１１
０）面方位の成長が望まれる。

【００２１】そこで、本発明に係る方法においては、酸
化物超電導薄膜を成膜の下地として望ましい（１００）
面または（１１０）面を得るために、以下のような工程
を採用している。

【００２２】第１の方法は、使用するＳｉウェハの成膜
面を充分に清浄化することである。具体的には、表面分
析手段である高エネルギ反射電子線回折法（以下、ＲＨ
ＥＥＤと記載する）を用いて表面の分析を行い、Ｓｉウ
ェハの成膜面が清浄表面であることを示す２×１構造が
確認されるまで、例えば高真空中での加熱処理により清
浄化を行う。尚、加熱による清浄化処理は、１×１０−
６Ｔｏｒｒ以下の真空度で、　９００℃以上の加熱温度
で実施することが好ましい。

【００２３】第２の方法は、酸化物超電導薄膜の直接の
下地となるＬｎ２　Ｏ３　バッファ層とＳｉウェハとの
間に、更に、もうひとつのバッファ層を形成し、全体と
してバッファ層を２層構造とすることである。この方法
により付加される下層側（基板側）のバッファ層材料と
しては、Ｓｉ（１００）面方位に対して格子整合し、か
つ、所望の方位である（１００）または（１１０）面が
得られるものを選択する。具体的には、ＺｒＯ２　、Ｙ
ＳＺ、Ｙ、Ｅｒ、Ｐｒ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｙｂ、Ｇｄ、Ｓｍ
等を挙げることができる。

【００２４】以上のような第１および第２の方法を、何
れか一方または両方実施することにより、酸化物超電導
薄膜の直下の層となるバッファ層の上層側の結晶配向性
を制御することが可能になる。

【００２５】以下、実施例を挙げて本発明をより具体的
に説明するが、以下の開示はあくまでも本発明の一実施
例に過ぎず、本発明の技術的範囲を何ら限定するもので
はない。

【００２６】

【実施例】〔実施例１〕 直径３インチのＳｉ（１００）単結晶基板を６枚用意し
、そのうちの３枚に対して清浄化処理を行った。清浄化
処理は、５×１０−７Ｔｏｒｒの真空中で、　９００℃
にて１０分間行い、Ｓｉ基板の表面に２×１構造が現れ
ていることをＲＨＥＥＤにより確認した。

【００２７】更に、清浄化処理を行わなかった３枚のＳ
ｉ基板のうちの２枚と、清浄化処理を行った３枚のＳｉ
基板のうちの２枚とに対して、ＺｒＯ２　またはＹによ
りバッファ層（下層側バッファ層）を形成した。

【００２８】尚、このバッファ層は蒸着法により成膜し
、また、特に清浄化処理を行ったＳｉ基板に対しては、
清浄化処理後のＳｉ基板を大気に曝すことなく、同一の
チャンバ内で連続して成膜処理を行った。各材料による
バッファ層の成膜条件は、下記の表１に示す通りである
。

【００２９】

【表１】

【００３０】以上のような処理の結果、下記の表２に示
すような６枚のＳｉ基板が得られた。尚、バッファ層を
備えたＳｉ基板については、その成長面を併せて示す。

【００３１】

【表２】

【００３２】上述のような６枚のＳｉ基板に対して、Ｙ
２　Ｏ３　により、上層側バッファ層を成膜した。成膜
法は蒸着法とし、Ｙ２　Ｏ３　バッファ層の成膜条件を
表３に示す。

【００３３】

【表３】

【００３４】上記の条件で成膜されたＹ２　Ｏ３　によ
る上層側バッファ層表面の結晶配向性をＸ線回折法によ
り検査した。検査結果を表４に示す。

【００３５】

【表４】

【００３６】更に、上記上層側バッファ層上に、Ｙ−Ｂ
ａ−Ｃｕ複合酸化物超電導薄膜を成膜した。成膜法はス
パッタリング法とし、各成膜条件は、下記の表５に示す
通りとした。

【００３７】

【表５】

【００３８】以上のようにして作成した６個の試料につ
いて、各々の超電導特性と、結晶配向性とを評価した。 評価結果を表６に示す。尚、下記の評価において、臨界
電流密度Ｊｃ　は、酸化物超電導薄膜の結晶ｃ軸に直角
な方向に流れる電流について測定している。また、測定
温度は液体窒素の沸点とした。

【００３９】

【表６】

【００４０】〔実施例２〕実施例１と同じＳｉ単結晶（
１００）基板を使用して酸化物超電導薄膜を作製した。

【００４１】まず、使用する基板の成膜面を、実施例１
と同じ条件で清浄化処理した後、ＹＳＺを材料とする下
層側バッファ層を成膜した。成膜法は蒸着法とし、各成
膜条件は、下記の表７に示す通りとした。また、得られ
たＹＳＺによる下層側バッファ層の結晶配向性も表７に
併せて示す。

【００４２】

【表７】

【００４３】続いて、上述のようにして下層側バッファ
層を成膜されたＳｉ基板上にＥｒ２　Ｏ３　バッファ層
を成膜した。成膜法は蒸着法とし、各成膜条件は下記の
表８に示す通りとした。

【００４４】

【表８】

【００４５】尚、Ｘ線回折法により調べたところ、得ら
れたＥｒ２　Ｏ３　バッファ層は、（１００）面が配向
していることが確認された。

【００４６】次に、上記Ｅｒ２　Ｏ３　バッファ層上に
、Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ複合酸化物超電導薄膜を成膜した。成
膜法はスパッタリング法とし、各成膜条件は、下記の表
９に示す通りとした。尚、この実施例では、成膜時の基
板温度を　７００℃とした試料■と、基板温度を　６０
０℃とした試料■とを作製した。

【００４７】

【表９】

【００４８】以上のようにして作成した試料について、
各々の超電導特性と、結晶配向性とを評価した。評価結
果を表１０に示す。尚、下記の評価において、臨界電流
密度Ｊｃ　は、酸化物超電導薄膜の結晶ｃ軸に直角な方
向に流れる電流について測定している。また、測定温度
は液体窒素の沸点とした。

【００４９】

【表１０】

【００５０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明に係る方法
によれば、Ｓｉウェハを基板として酸化物超電導薄膜を
、その結晶配向性を制御して成膜することができる。こ
こで、本発明に従って成膜された酸化物超電導薄膜は、
直接の下地となるバッファ層の直上から超電導体として
有効な結晶構造を形成しており、特に、臨界電流密度等
の点で優れた特性を示す。

【００５１】酸化物超電導薄膜作製におけるＳｉウェハ
の使用は、基板が廉価で供給が安定していることだけで
はなく、微細加工技術等についての膨大な技術的蓄積に
より、種々のデバイスの作製にも有利に作用する。また
、Ｓｉウェハは、相当大径のものが供給されており、酸
化物超電導薄膜の大面積化にも充分対応できる。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】Ｓｉウェハを基板として酸化物超電導薄膜
   を作製する方法において、（１００）配向または（１１
   ０）配向したＬｎ２　Ｏ３（但し、Ｌｎはランタニド族
   元素を表す）化合物によりバッファ層を成膜する第１工
   程と、該バッファ層上に、酸化物超電導薄膜を成膜する
   第２工程とを含むことを特徴とする超電導薄膜の作製方
   法。
2. 【請求項２】請求項１に記載された作製方法において、
   前記第１工程に先立って、前記Ｓｉウェハの成膜面を充
   分に清浄化する工程を含むことを特徴とする超電導薄膜
   の作製方法。