JPH04268718A - Bicrystal substrate - Google Patents

Bicrystal substrate

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JPH04268718A
JPH04268718A JP3050094A JP5009491A JPH04268718A JP H04268718 A JPH04268718 A JP H04268718A JP 3050094 A JP3050094 A JP 3050094A JP 5009491 A JP5009491 A JP 5009491A JP H04268718 A JPH04268718 A JP H04268718A
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JP
Japan
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single crystal
bicrystal
phase
block
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Application number
JP3050094A
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Japanese (ja)
Inventor
Tsutomu Yamashita
山下努
Mutsuharu Muto
武藤睦治
Yukio Osaka
大坂之雄
Hiroaki Miyouren
明連広昭
Hajime Suzuki
鈴木一
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Riken Corp
Japan Science and Technology Agency
Original Assignee
Riken Corp
Research Development Corp of Japan
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Publication date
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  • Containers, Films, And Cooling For Superconductive Devices (AREA)

Abstract

PURPOSE:To improve reproducibility and stability of characteristics at low noise by providing a second phase on the surface of a bicrystal substrate consisting of at least two or more Si single crystals. CONSTITUTION:Using two single crystal blocks 1 and 2 as substrate material, a surface (001) is formed in parallel with the surface of paper. Square blocks are cut so that the axes (100) and (010) on the above-mentioned plane rotate at an angle of 24 deg. on the blocks 1 and 2, and the junction surface 3 of each block is flatly mirror-polished. Using a pyrania solution and cleaning fluid of acetone and ethyl alcohol, the blocks are connected in a hot-press furnace. Then, pressure is removed, the furnace is cooled down, and a bicrystal block is manufactured. This bicrystal block is cut into the prescribed shape, substrate surface is mirror-polished, and an Si bicrystal substrate is obtained.

Description

【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention]

【0001】0001

【産業上の利用分野】本発明は、酸化物超伝導薄膜の合
成に用いられる基板およびその製造方法に関するもので
ある。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a substrate used in the synthesis of oxide superconducting thin films and a method for manufacturing the same.

【0002】0002

【従来の技術】液体窒素温度以上で超伝導特性を示すY
系、Bi系、Ti系などの酸化物超伝導液体が発見され
、CVD法やスパッタ法や真空蒸着法などの様々な方法
によって薄膜作製技術の研究が行われている。また、こ
れらの酸化物超伝導薄膜を用いた超伝導応用製品の実用
化に関する研究も多くの研究機関で進められている。
[Prior art] Y exhibiting superconducting properties above liquid nitrogen temperature
Oxide superconducting liquids such as oxide, Bi, Ti, etc. have been discovered, and research is being conducted on thin film production techniques using various methods such as CVD, sputtering, and vacuum evaporation. Furthermore, research on the practical application of superconducting applied products using these oxide superconducting thin films is also underway at many research institutions.

【0003】酸化物超伝導体は、その二次元的な構造に
よって超伝導特性に異方性を有すること、また結晶粒界
が超伝導特性に影響することがすでに知られている。こ
のことから超伝導特性に優れた薄膜を形成するためには
、酸化物超伝導体のc軸を基板面に対して垂直な方向に
配向した膜、またさらには面内においても一定の方向に
配向しているエピタキシャル成長膜が必要とされ、酸化
物超伝導体の格子定数と整合性の良い単結晶基板の検討
が行われている。エピタキシャル成長させやすいY系酸
化物超伝導(以下YBCOと略す)薄膜の形成には、S
rTiO3 、LaAIO3 などの単結晶基板、Si
の単結晶基板上にイットリアで安定化したジルコニアや
さらにその上にイットリアを形成した基板などが用いら
れている。またBa系酸化物超伝導(以下BSCCOと
略す)薄膜の形成にはMgO、LaAIO3 などの単
結晶基板、TI系酸化物超伝導(以下TBCCOと略す
)薄膜の形成にはMgO単結晶基板が多く用いられてい
る。
It is already known that oxide superconductors have anisotropic superconducting properties due to their two-dimensional structure, and that crystal grain boundaries affect superconducting properties. Therefore, in order to form a thin film with excellent superconducting properties, it is necessary to create a film in which the c-axis of the oxide superconductor is oriented in a direction perpendicular to the substrate surface, or even in a constant direction within the plane. Oriented epitaxially grown films are required, and single-crystal substrates that have good lattice constant matching with the lattice constant of oxide superconductors are being investigated. S
Single crystal substrates such as rTiO3 and LaAIO3, Si
Zirconia stabilized with yttria on a single-crystal substrate, or a substrate with yttria formed thereon, etc., are used. In addition, single crystal substrates such as MgO or LaAIO3 are often used for forming Ba-based oxide superconducting (hereinafter abbreviated as BSCCO) thin films, and MgO single crystal substrates are often used for forming TI-based oxide superconducting (hereinafter abbreviated as TBCCO) thin films. It is used.

【0004】このような基板上の酸化物超伝導薄膜は、
YBCO薄膜で90K、BSCCO薄膜で105K、T
BCCO薄膜では120K付近でゼロ抵抗を示し、いず
れの膜も77Kで105 A/cm2 以上の臨界電流
密度が得られている。超伝導特性に優れた薄膜は、スク
イドやミクサー、ジョセフソンFFTなどのジョセフソ
ン素子への適応が期待され、ジョセフソン接合に関する
研究が行われている。しかし、酸化物超伝導体のコヒー
レント長が従来材料の金属系超伝導体に比べて短いため
積層型のトンネルバリアーや薄膜型の弱接合などの従来
の接合作製技術では課題が多いのが現状である。
[0004] Such an oxide superconducting thin film on a substrate is
90K for YBCO thin film, 105K for BSCCO thin film, T
The BCCO thin film shows zero resistance near 120K, and all films have a critical current density of 105 A/cm2 or more at 77K. Thin films with excellent superconducting properties are expected to be applied to Josephson devices such as SQUIDs, mixers, and Josephson FFTs, and research on Josephson junctions is being conducted. However, because the coherent length of oxide superconductors is shorter than that of metal-based superconductors, which are conventional materials, there are currently many problems with conventional junction fabrication techniques such as stacked tunnel barriers and thin-film weak junctions. be.

【0005】現在までに酸化物超伝導薄膜によるジョセ
フソン接合でジョセフソン効果の観測が報告されている
接合の多くは、薄膜にブリッジを形成してブリッジ部に
存在する薄膜の結晶粒界を弱接合とした粒界接合型であ
る。粒界接合型のほとんどは、自然形成の結晶粒界を用
いたものであり、結晶粒界の分布がランダムであるため
再現性よく粒界上にブリッジを形成することが困難であ
った。また、成膜条件により結晶粒サイズや粒界の構造
なども変化するために特性の再現性や安定性に問題があ
った。さらに結晶粒界がブリッジ部以外にも存在するの
で、粒界に磁束が補足され易く、77K動作では磁束の
運動により発生する雑音によってエネルギー分解能など
の特性が低下してしまうという問題があった。
To date, in most of the Josephson junctions made of oxide superconducting thin films in which the Josephson effect has been observed, bridges are formed in the thin film to weaken the crystal grain boundaries of the thin film existing at the bridge portion. The bond is a grain boundary bonding type. Most grain boundary bonding types use naturally formed grain boundaries, and because the distribution of grain boundaries is random, it is difficult to form bridges on grain boundaries with good reproducibility. Furthermore, since the crystal grain size and grain boundary structure vary depending on the film forming conditions, there are problems with the reproducibility and stability of characteristics. Furthermore, since grain boundaries exist outside the bridge portion, magnetic flux is likely to be captured by the grain boundaries, and in 77K operation there is a problem in that characteristics such as energy resolution are degraded due to noise generated by the movement of magnetic flux.

【0006】近年、結晶粒界を用いた接合の一つとして
人工的に結晶粒界を形成する研究がIBMのGross
 ら(to be published Appl.P
hys.Lett)によって報告されている。Gros
s らは、SrTiO3 単結晶を用い、それぞれの基
板表面の面方位が(001)で、基板の接合部をはさむ
二つの結晶の〔100〕軸方向が20°異なるバイクリ
スタル基板を作製し、この基板上に薄膜を形成している
。それぞれの単結晶基板上のYBCO薄膜は、エピタキ
シャル成長によって結晶粒界は形成されないが、基板の
接合界面上には基板と同じ角度の面内ローテイションを
持った結晶粒界(傾角粒界)が形成される。 この人工的な傾角粒界をジョセフソン接合としてdc−
SQUIDを作製して特性の再現性と雑音特性の向上を
得ている。
In recent years, IBM's Gross
(to be published Appl.P
hys. Lett). Gross
S et al. fabricated a bicrystal substrate using SrTiO3 single crystal, in which the plane orientation of each substrate surface was (001), and the [100] axis direction of the two crystals sandwiching the bonding part of the substrates differed by 20 degrees, and this A thin film is formed on the substrate. In the YBCO thin film on each single-crystal substrate, no grain boundaries are formed due to epitaxial growth, but grain boundaries (angle grain boundaries) with in-plane rotation at the same angle as the substrate are formed on the bonding interface of the substrates. Ru. This artificially tilted grain boundary is used as a Josephson junction as a dc-
By fabricating a SQUID, we have obtained improved reproducibility of characteristics and improved noise characteristics.

【0007】しかし、SrTiO3 をバイクリスタル
基板の材料として用いた場合、ミクサーや電圧標準など
のマイクロ波応用では、SrTiO3 の高い誘電率(
80Kで1875)と損失正接(80K、1GHzで1
00)のために誘電損失が大きく実用的でなく、さらに
基板が限定されるために現在非常に高度に発展している
半導体技術を駆使して、酸化物超伝導体によるジョセフ
ソン接合と半導体とを一体化したデバイスの構築が難し
いという問題があった。
However, when SrTiO3 is used as a material for a bicrystal substrate, SrTiO3's high dielectric constant (
1875 at 80K) and loss tangent (1 at 80K, 1GHz)
00), which makes it impractical due to the large dielectric loss, and furthermore, the substrate is limited. Therefore, using semiconductor technology, which is currently very highly developed, we have developed Josephson junctions using oxide superconductors and semiconductors. The problem was that it was difficult to construct a device that integrated the two.

【0008】[0008]

【発明が解決しようとする課題】本発明は、前記した従
来技術の問題点に着目してなされたもので、低雑音で特
性の再現性や安定性に優れたジョセフソン接合を作製す
ることができ、さらに、ミクサーや電圧標準などのマイ
クロ波応用デバイスにも適用できるとともに半導体とジ
ョセフソン接合とを一体化したデバイスの構築が可能な
基板およびその製造方法を提供することを目的としてい
る。
[Problems to be Solved by the Invention] The present invention has been made by focusing on the problems of the prior art described above, and it is possible to fabricate a Josephson junction with low noise and excellent reproducibility and stability of characteristics. The present invention aims to provide a substrate and a method for manufacturing the same, which can be applied to microwave application devices such as mixers and voltage standards, and which can also construct devices that integrate semiconductors and Josephson junctions.

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】本発明は、前記した課題
を解決するために、少なくとも2個以上のSi単結晶か
らなるバイクリスタル基板であり、またさらには基板表
面上に第二相を有したバイクリスタル基板およびその製
造方法である。
[Means for Solving the Problems] In order to solve the above problems, the present invention provides a bicrystal substrate made of at least two or more Si single crystals, and further has a second phase on the surface of the substrate. A bicrystal substrate and a method for manufacturing the same.

【0010】より具体的な本発明のバイクリスタル基板
は、Siの単結晶を基板材料として採用し、少なくとも
2個以上のSi単結晶を接合し、基板表面上のいずれか
に接合界部を有するバイクリスタル基板とする。バイク
リスタル基板におけるそれぞれの単結晶の方位は、1つ
の結晶軸を整合させ、他の結晶軸は任意の角度で回転し
ている。整合させるそれぞれの単結晶の結晶軸は、それ
ぞれのSi単結晶で必要とされる超伝導薄膜の結晶方位
やSi単結晶上に形成される半導体デバイスで必要とさ
れる結晶方位に合わせた任意の結晶軸である。基板面に
c軸が垂直なc軸配向した酸化物超伝導薄膜やエピタキ
シャル成長した酸化物超伝導薄膜をバイクリスタル基板
上に形成するには、基板表面を(001)面とするか、
あるいは(001)面に垂直な〔001〕軸の方位のず
れを数度以内とし、〔100〕軸および〔010〕軸の
方位は任意の角度とするのが好ましい。基板材料である
Siは、室温、1MHzでの誘電率が約12でMgOと
同程度の値を有することから、基板に起因する誘電損失
を小さくすることができる。
More specifically, the bicrystal substrate of the present invention employs a Si single crystal as the substrate material, has at least two Si single crystals bonded together, and has a bonding boundary on either of the substrate surfaces. Use a bicrystal substrate. The orientation of each single crystal in the bicrystal substrate aligns one crystal axis, and the other crystal axes are rotated at arbitrary angles. The crystal axes of each single crystal to be matched can be adjusted according to the crystal orientation of the superconducting thin film required for each Si single crystal and the crystal orientation required for the semiconductor device formed on the Si single crystal. It is the crystal axis. In order to form a c-axis oriented oxide superconducting thin film or epitaxially grown oxide superconducting thin film on a bicrystal substrate, the substrate surface should be a (001) plane, or
Alternatively, it is preferable that the deviation in the orientation of the [001] axis perpendicular to the (001) plane be within several degrees, and the orientations of the [100] and [010] axes be at arbitrary angles. Si, which is the substrate material, has a dielectric constant of about 12 at room temperature and 1 MHz, which is about the same value as MgO, so that the dielectric loss caused by the substrate can be reduced.

【0011】またさらにはバイクリスタル基板表面上に
第二相を有し、第二相は、少なくとも酸化物である。こ
の第二相は、バイクリスタル基板上の酸化物超伝導薄膜
によるジョセフソン接合において、マイクロ波応用では
接合の高電圧側の特性を利用することから、接合とSi
との間を絶縁する働きのものであり、バイクリスタル基
板上で半導体デバイスが形成される部分においては特に
限定されるものではない。また基板接合部に沿った酸化
物超伝導薄膜の結晶粒界を接合とするため、それぞれの
Si単結晶の接合界面に沿って第二相の結晶粒界が形成
されている第二相とする。またさらには、バイクリスタ
ル基板上にジルコニア、イットリアやカルシアなどで安
定化されたジルコニア、イットリア、マクネシア、ラン
タンアルミネートの少なくとも一つかあるいは二つ以上
を順次積層した層からなる第二相を形成する。
[0011] Furthermore, the bicrystal substrate has a second phase on its surface, and the second phase is at least an oxide. In a Josephson junction made of an oxide superconducting thin film on a bicrystal substrate, this second phase is generated between the junction and Si because microwave applications utilize the high voltage side characteristics of the junction.
There are no particular limitations on the portion where semiconductor devices are formed on the bicrystal substrate. In addition, in order to make the grain boundaries of the oxide superconducting thin film along the substrate joint part the joint, the second phase grain boundaries are formed along the joint interface of each Si single crystal. . Furthermore, a second phase is formed on a bicrystal substrate by sequentially laminating at least one or two or more of zirconia, yttria, macnesia, and lanthanum aluminate stabilized with zirconia, yttria, calcia, etc. .

【0012】これらの第二相を設けることにより、酸化
物超伝導薄膜形成時の基板加熱によって生じるSiと酸
化物超伝導薄膜との相互拡散を防止するとともに、基板
と酸化物超伝導薄膜との熱膨張係数の違いに起因する応
力を緩和する。またSiと酸化物超伝導薄膜との間を絶
縁する働きもある。さらにSi単結晶と酸化物超伝導薄
膜との格子定数の整合性を改善し、それぞれのSi単結
晶基板上の酸化物超伝導薄膜のエピタキシャル成長を促
進させる働きがある。二つ以上の層の組み合わせはにん
いであり、少なくとも相互拡散防止や応力緩和、エピタ
キシャル成長の促進、絶縁の働きを助長するものであれ
ば良い。
[0012] By providing these second phases, mutual diffusion between Si and the oxide superconducting thin film caused by substrate heating during formation of the oxide superconducting thin film is prevented, and the bonding between the substrate and the oxide superconducting thin film is prevented. Relieves stress caused by differences in thermal expansion coefficients. It also has the function of insulating between Si and the oxide superconducting thin film. Furthermore, it has the function of improving the lattice constant matching between the Si single crystal and the oxide superconducting thin film, and promoting the epitaxial growth of the oxide superconducting thin film on each Si single crystal substrate. The combination of two or more layers is good as long as it can at least prevent mutual diffusion, relieve stress, promote epitaxial growth, and promote insulation.

【0013】より具体的な本発明のバイクリスタル基板
の製造方法は、少なくともそれぞれのSiの単結晶ブロ
ックの接合面を平坦かつ鏡面に研磨加工し、過酸化水素
水と硫酸の混合溶液(ピラニア溶液)あるいはメターノ
ルやエタノール、アセトンなどの有機溶剤により表面の
有機物を取り除き、さらにフッ化水素溶液などで表面の
酸化物を取り除く。次にそれぞれのSiの単結晶ブロッ
クを前記のような方位関係に張り合わせて加熱炉内に置
き、真空中または還元性雰囲気中あるいは不活性ガス雰
囲気中などのSiの単結晶ブロック表面に酸化物が形成
されない雰囲気中で加熱する。加熱温度は、少なくとも
Siの融点以下の温度であり、好ましくは、1000℃
から1300℃の範囲である。またさらに、それぞれの
Siの単結晶ブロックの接合面に垂直な方向に圧力が加
わるように加圧する。以上のような方法によって接合し
たSiの単結晶ブロックを目的とする基板の面方位およ
び寸法になるように切断、研磨してバイクリスタル基板
を製造する。
A more specific method of manufacturing a bicrystal substrate according to the present invention involves polishing at least the bonding surfaces of each Si single crystal block to a flat and mirror surface, and polishing the joint surface with a mixed solution of hydrogen peroxide and sulfuric acid (a piranha solution). ) Alternatively, remove organic matter from the surface using an organic solvent such as methanol, ethanol, or acetone, and then remove oxides from the surface using a hydrogen fluoride solution. Next, each Si single crystal block is pasted together in the above-mentioned orientation and placed in a heating furnace, and oxides are formed on the surface of the Si single crystal block in a vacuum, reducing atmosphere, or inert gas atmosphere. Heating in a non-forming atmosphere. The heating temperature is at least below the melting point of Si, preferably 1000°C.
to 1300°C. Further, pressure is applied in a direction perpendicular to the joint surfaces of the respective Si single crystal blocks. A bicrystalline substrate is manufactured by cutting and polishing the Si single crystal block bonded by the method described above so as to have the desired surface orientation and size of the substrate.

【0014】バイクリスタル基板上への第二相の形成は
、少なくともバイクリスタル基板上に第二相に形成され
る方法であればよく、スパッタ法や真空蒸着法、化学気
相析出法などの方法でよい。またそれぞれのSi単結晶
上の酸化物超伝導薄膜の結晶粒界をできるだけ少なくす
るため、エピタキシャル成長させることのできる方法が
好ましい。
[0014] The second phase may be formed on the bicrystal substrate by any method that forms the second phase on the bicrystal substrate, such as sputtering, vacuum evaporation, or chemical vapor deposition. That's fine. Furthermore, in order to minimize the grain boundaries of the oxide superconducting thin film on each Si single crystal, a method that allows epitaxial growth is preferred.

【0015】Si単結晶を接合したバイクリスタル基板
は、基板上に酸化物超伝導体によるジョセフソン接合の
形成が可能であり、またジョセフソン結合を再現性よく
安定に形成することも可能である。さらに、この基板上
に絶縁、応力緩和、相互拡散防止およびエピタキシャル
成長を促進させる第二相を形成することで、より良好な
酸化物超伝導薄膜をエピタキシャル成長させる基板とな
る。
[0015] A bicrystal substrate bonded with Si single crystals allows the formation of a Josephson junction using an oxide superconductor on the substrate, and it is also possible to form a Josephson bond stably with good reproducibility. . Furthermore, by forming a second phase on this substrate that provides insulation, stress relaxation, interdiffusion prevention, and promotes epitaxial growth, the substrate becomes a substrate on which a better oxide superconducting thin film can be epitaxially grown.

【0016】[0016]

【実施例】以下図1から図8を参照して本発明を説明す
る。図1から図3にバイクリスタル基板の製造工程を示
す。基板材料として2個のSi単結晶ブロックを用いた
。2個のSi単結晶ブロックは、図1に示すように、紙
面に平行に(001)面がでており、この面内での〔1
00〕軸および〔010〕軸はブロック1、2でそれぞ
れ24°の角度で回転するように角ブロックを切り出し
て各ブロックの接合面3を平坦に鏡面研磨し、ピラニア
溶液およびアセトンとエチルアルコールにより洗浄後、
ホットプレス炉内にて接合した。接合は、加熱温度12
00℃、真空度10−5Torrの雰囲気中において、
加圧力1kg/mm2 で1時間保持してた。その後圧
力を除き、炉冷して図2に示すバイクリスタルブロック
を製造した。このバイクリスタルブロックを図3に示す
形状の基板に切断し、基板表面4を鏡面研磨してSiに
よるバイクリスタル基板を製造した。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The present invention will be described below with reference to FIGS. 1 to 8. 1 to 3 show the manufacturing process of a bicrystal substrate. Two Si single crystal blocks were used as the substrate material. As shown in Fig. 1, the two Si single crystal blocks have a (001) plane parallel to the plane of the paper, and the [1
For the 00] and [010] axes, block 1 and 2 are each cut into square blocks so that they rotate at an angle of 24°, and the joint surfaces 3 of each block are mirror-polished to a flat surface, and polished with piranha solution, acetone, and ethyl alcohol. After washing,
Bonding was carried out in a hot press furnace. Bonding is performed at a heating temperature of 12
In an atmosphere of 00°C and vacuum level of 10-5 Torr,
The pressure was maintained at 1 kg/mm2 for 1 hour. Thereafter, the pressure was removed and the mixture was cooled in a furnace to produce the bicrystal block shown in FIG. 2. This bicrystal block was cut into a substrate having the shape shown in FIG. 3, and the surface 4 of the substrate was mirror polished to produce a bicrystal substrate made of Si.

【0017】上記バイクリスタル基板上に、9mo I
%のイットリアで安定化したジルコニア(YSZ)の相
を電子ビーム蒸着法により基板温度800℃、5×10
−5Torrの圧力下で80nmの厚さに形成した。ま
た、YSZの相の上にイットリアの相をYSZの相と同
様な方法によって20nmの厚さに形成した。図4、図
5、図6にそれぞれSiの(111)回折ピーク、YS
Zの(111)回折ピーク、イットリアの(404)回
折ピークについてSchulzの反射法により測定した
X線回折図形を示す。バイクリスタル基板の面内配向と
同一な方向でYSZの相とイットリアの相が形成されて
いることから、それぞれの相においても基板と同じ結晶
粒界が形成されていることがわかる。
[0017] On the above bicrystal substrate, 9mo I
% of yttria-stabilized zirconia (YSZ) phase was deposited using electron beam evaporation at a substrate temperature of 800°C and 5 × 10
It was formed to a thickness of 80 nm under a pressure of -5 Torr. Further, an yttria phase was formed to a thickness of 20 nm on the YSZ phase by the same method as the YSZ phase. Figures 4, 5, and 6 show the (111) diffraction peak of Si and YS, respectively.
The X-ray diffraction patterns measured by the Schulz reflection method are shown for the (111) diffraction peak of Z and the (404) diffraction peak of yttria. Since the YSZ phase and the yttria phase are formed in the same direction as the in-plane orientation of the bicrystal substrate, it can be seen that the same crystal grain boundaries as the substrate are formed in each phase.

【0018】本実施例による基板上にrf−スパッタ法
によってYBCO薄膜を100nmの厚さに形成した。 図7に本実施例の基板上のYBCO薄膜を2θ−θ法に
よって測定したX線回折図形を示す。YSZの相および
イットリアの相、YBCO薄膜は、いずれも基板面に垂
直にc軸が配向していることがわかる。形成したYBC
O薄膜の抵抗の温度依存性を4端子法により測定した結
果を図8に示す。薄膜は、89Kでゼロ抵抗を示した。 また、電圧端子間に基板の接合界面が存在するようにし
て薄膜の粒界電流密度を測定した。薄膜は、77Kで5
×104 A/cm2 の値を示した。
A YBCO thin film with a thickness of 100 nm was formed on the substrate according to this example by RF-sputtering. FIG. 7 shows an X-ray diffraction pattern of the YBCO thin film on the substrate of this example measured by the 2θ-θ method. It can be seen that the c-axes of the YSZ phase, the yttria phase, and the YBCO thin film are all oriented perpendicular to the substrate surface. YBC formed
FIG. 8 shows the results of measuring the temperature dependence of the resistance of the O thin film using the four-terminal method. The thin film showed zero resistance at 89K. In addition, the grain boundary current density of the thin film was measured with the bonding interface of the substrate existing between the voltage terminals. The thin film is 5 at 77K.
The value was 104 A/cm2.

【0019】[0019]

【発明の効果】本発明によるバイクリスタル基板および
その製造方法によれば、基板に誘電損失の小さいSi単
結晶を用いていることからマイクロ波分野へも応用でき
る基板であり、またSi単結晶上に形成した半導体デバ
イスと酸化物超伝導薄膜によるジョセフソンデバイスと
を一体化したデバイスの構築が可能な基板である。さら
に酸化物超伝導薄膜以外の薄膜の形成も可能であること
から、Si薄膜の形成によって結晶粒界を障壁としたト
ンネルダイオードなどへも応用することができる基板で
ある。
Effects of the Invention According to the bicrystal substrate and the manufacturing method thereof according to the present invention, the substrate is made of Si single crystal with low dielectric loss, so it can be applied to the microwave field. This is a substrate that allows the construction of a device that integrates a semiconductor device formed in the above-mentioned method and a Josephson device made of an oxide superconducting thin film. Furthermore, since it is possible to form thin films other than oxide superconducting thin films, this substrate can also be applied to tunnel diodes with crystal grain boundaries as barriers by forming a Si thin film.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

【図1】2個のSi単結晶ブロックを示す図である。FIG. 1 is a diagram showing two Si single crystal blocks.

【図2】バイクリスタルブロックを示す図である。FIG. 2 is a diagram showing a bicrystal block.

【図3】バイクリスタル基板を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing a bicrystal substrate.

【図4】バイクリスタル基板のSchulzの反射法に
よるX線回折図である。
FIG. 4 is an X-ray diffraction diagram of a bicrystal substrate obtained by Schulz reflection method.

【図5】YSZ相のSchulzの反射法によるX線回
折図形の図である。
FIG. 5 is a diagram of an X-ray diffraction pattern of the YSZ phase obtained by the Schulz reflection method.

【図6】イットリア相のSchulzの反射法によるX
線回折図形の図である。
[Figure 6] X by Schulz reflection method of yttria phase
It is a diagram of a line diffraction pattern.

【図7】実施例によるバイクリスタル基板のYBCO薄
膜のX線回折図形の図である。
FIG. 7 is a diagram of an X-ray diffraction pattern of a YBCO thin film on a bicrystal substrate according to an example.

【図8】バイクリスタル基板上のYBCO薄膜の抵抗の
温度依存性を示す図である。
FIG. 8 is a diagram showing the temperature dependence of the resistance of a YBCO thin film on a bicrystal substrate.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1  Si単結晶 2  Si単結晶 3  接合面 4  基板表面 1 Si single crystal 2 Si single crystal 3 Joint surface 4 Substrate surface

Claims (8)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】  少なくとも2個以上のSi単結晶から
なる基板であり、それぞれの単結晶が1つの結晶軸を整
合させ、整合させた結晶軸を中心に他の結晶軸が任意の
角度で回転していることを特徴とするバイクリスタル基
板。
Claim 1: A substrate consisting of at least two or more Si single crystals, each single crystal having one crystal axis aligned, and other crystal axes rotating at an arbitrary angle around the aligned crystal axis. A bicrystal substrate characterized by:
【請求項2】  整合させるそれぞれの単結晶の1つの
結晶軸が〔001〕軸である請求項1記載のバイクリス
タル基板。
2. The bicrystal substrate according to claim 1, wherein one crystal axis of each single crystal to be aligned is the [001] axis.
【請求項3】  基板表面上に第二相を有し、第二相が
酸化物からなり、絶縁層として働くことを特徴とする請
求項1記載のバイクリスタル基板。
3. The bicrystal substrate according to claim 1, having a second phase on the surface of the substrate, the second phase being made of an oxide and functioning as an insulating layer.
【請求項4】  基板表面上に形成される第二相におい
て、それぞれのSi単結晶の接合界面に沿って第二相の
結晶粒界が形成されていることを特徴とする請求項1記
載のバイクリスタル基板。
4. The method according to claim 1, wherein in the second phase formed on the substrate surface, grain boundaries of the second phase are formed along the bonding interface of each Si single crystal. bicrystal substrate.
【請求項5】  基板表面上に形成される第二相が、ジ
ルコニア、安定化ジルコニア、イットリア、マグネシア
、ランタンアルミネートの少なくとも一つ以上の相から
構成されていることを特徴とする請求項1記載のバイク
リスタル基板。
5. Claim 1, wherein the second phase formed on the substrate surface is composed of at least one phase of zirconia, stabilized zirconia, yttria, magnesia, and lanthanum aluminate. Bicrystal substrate as described.
【請求項6】  真空中または還元雰囲気中、あるいは
不活性雰囲気中においてSiの融点温度以下に加熱し、
圧力を加えて接合したSiの単結晶を有する請求項1記
載のバイクリスタル基板。
6. Heating to a temperature below the melting point of Si in a vacuum, a reducing atmosphere, or an inert atmosphere,
The bicrystal substrate according to claim 1, comprising a single crystal of Si bonded by applying pressure.
【請求項7】  それぞれのSi単結晶の接合界面に接
合相を介していないことを特徴とする請求項1記載のバ
イクリスタル基板。
7. The bicrystal substrate according to claim 1, wherein no bonding phase is present at the bonding interface of each Si single crystal.
【請求項8】  少なくともそれぞれのSi単結晶ブロ
ックの接合面を平坦かつ鏡面に研磨加工すること、表面
の有機物および表面の酸化物を取り除くこと、次にそれ
ぞれのSiの単結晶ブロックを張り合わせて加熱炉内に
置き、真空中または還元性雰囲気中あるいは不活性ガス
雰囲気中などのSiの単結晶ブロック表面に酸化物が形
成されない雰囲気中で加熱すること、またさらに、それ
ぞれのSiの単結晶ブロックの接合面に垂直な方向に圧
力が加わるように加圧すること、接合したSiの単結晶
ブロックを目的とする基板の面方位および寸法になるよ
うに切断、研磨すること、よりなるバイクリスタル基板
の製造方法。
8. Polishing at least the bonding surface of each Si single crystal block to a flat and mirror surface, removing surface organic substances and surface oxides, and then bonding and heating each Si single crystal block. Place the block in a furnace and heat it in an atmosphere where no oxide is formed on the surface of the Si single crystal block, such as in a vacuum, in a reducing atmosphere, or in an inert gas atmosphere. Manufacture of a bicrystal substrate, which consists of applying pressure in a direction perpendicular to the bonding surface, cutting and polishing the bonded Si single crystal block to the desired plane orientation and dimensions of the substrate. Method.
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