JPH04292496A - 単結晶超伝導薄膜の製造方法 - Google Patents
単結晶超伝導薄膜の製造方法Info
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- JPH04292496A JPH04292496A JP3057120A JP5712091A JPH04292496A JP H04292496 A JPH04292496 A JP H04292496A JP 3057120 A JP3057120 A JP 3057120A JP 5712091 A JP5712091 A JP 5712091A JP H04292496 A JPH04292496 A JP H04292496A
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-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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- Y02E40/60—Superconducting electric elements or equipment; Power systems integrating superconducting elements or equipment
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- Inorganic Compounds Of Heavy Metals (AREA)
- Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
- Superconductors And Manufacturing Methods Therefor (AREA)
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。
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は単結晶超伝導薄膜の製造
方法に関し、さらに詳しく述べると、酸化物超伝導体の
構成元素を順次基板上に供給してｌａｙｅｒ−ｂｙ−ｌ
ａｙｅｒ成長法で蒸着することによって、単結晶超伝導
薄膜を製造する方法に関する。本発明により得られる超
伝導薄膜は、超伝導配線や超伝導トランジスタ等のデバ
イスにおいて有利に利用することができる。
方法に関し、さらに詳しく述べると、酸化物超伝導体の
構成元素を順次基板上に供給してｌａｙｅｒ−ｂｙ−ｌ
ａｙｅｒ成長法で蒸着することによって、単結晶超伝導
薄膜を製造する方法に関する。本発明により得られる超
伝導薄膜は、超伝導配線や超伝導トランジスタ等のデバ
イスにおいて有利に利用することができる。
【０００２】
【従来の技術】酸化物超伝導体（ビスマス系など）を超
伝導配線、超伝導トランジスタなどに応用する場合、そ
れを薄膜化することが必須である。加えて、かかる薄膜
を配線として用いるには、液体窒素温度をこえる高い超
伝導転移温度（以下、Ｔｃ）と高い臨界電流密度とが要
求される。また、かかる薄膜をデバイスに応用するには
、薄膜を単結晶化すること、及び薄膜の表面を平坦化す
ることが必要である。
伝導配線、超伝導トランジスタなどに応用する場合、そ
れを薄膜化することが必須である。加えて、かかる薄膜
を配線として用いるには、液体窒素温度をこえる高い超
伝導転移温度（以下、Ｔｃ）と高い臨界電流密度とが要
求される。また、かかる薄膜をデバイスに応用するには
、薄膜を単結晶化すること、及び薄膜の表面を平坦化す
ることが必要である。
【０００３】このような要求を満たした高品質の高温超
伝導体薄膜を形成する方法として、ｌａｙｅｒ−ｂｙ−
ｌａｙｅｒ成長法が提案されている。これは、高温超伝
導体を構成する物質を、一度にではなく各成分を順次基
板に付着させることで、原子レベルに整った層状構造を
アズ・デポで実現しようというものである。この技術に
よれば、設計通りの層構造を作成することが出来る。ま
た、単結晶化にも有利である。さらに成膜後の熱処理を
必要としないので、平坦な表面を有する膜が得られる。
伝導体薄膜を形成する方法として、ｌａｙｅｒ−ｂｙ−
ｌａｙｅｒ成長法が提案されている。これは、高温超伝
導体を構成する物質を、一度にではなく各成分を順次基
板に付着させることで、原子レベルに整った層状構造を
アズ・デポで実現しようというものである。この技術に
よれば、設計通りの層構造を作成することが出来る。ま
た、単結晶化にも有利である。さらに成膜後の熱処理を
必要としないので、平坦な表面を有する膜が得られる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】上記から理解されるよ
うに、ｌａｙｅｒ−ｂｙ−ｌａｙｅｒ成長法は単結晶超
伝導薄膜を製造するのに有用な技術である。しかし、構
成成分を同時に基板に付着させる場合にはほとんど問題
とならないけれども、各成分を順次基板に付着させるｌ
ａｙｅｒ−ｂｙ−ｌａｙｅｒ成長法では、発生する歪の
緩和の問題がでてくる。例えば酸化物超伝導体の典型で
あるビスマス系酸化物超伝導体Ｂｉ−Ｓｒ−Ｃａ−Ｃｕ
−Ｏ の場合、直接基板上ににｌａｙｅｒ−ｂｙ−ｌａ
ｙｅｒ成長させようとすると最初の層であるＢｉ−Ｏ
層がモジュレートして歪んでいるためその上に成長した
格子も歪んでしまう。これは、ｌａｙｅｒ−ｂｙ−ｌａ
ｙｅｒ法では層状に各元素を積み上げていくためにこの
歪みを緩和しにくいためである。従って、この歪みを緩
和し、ｌａｙｅｒ−ｂｙ−ｌａｙｅｒ法により高品質の
薄膜を形成できることが望ましい。
うに、ｌａｙｅｒ−ｂｙ−ｌａｙｅｒ成長法は単結晶超
伝導薄膜を製造するのに有用な技術である。しかし、構
成成分を同時に基板に付着させる場合にはほとんど問題
とならないけれども、各成分を順次基板に付着させるｌ
ａｙｅｒ−ｂｙ−ｌａｙｅｒ成長法では、発生する歪の
緩和の問題がでてくる。例えば酸化物超伝導体の典型で
あるビスマス系酸化物超伝導体Ｂｉ−Ｓｒ−Ｃａ−Ｃｕ
−Ｏ の場合、直接基板上ににｌａｙｅｒ−ｂｙ−ｌａ
ｙｅｒ成長させようとすると最初の層であるＢｉ−Ｏ
層がモジュレートして歪んでいるためその上に成長した
格子も歪んでしまう。これは、ｌａｙｅｒ−ｂｙ−ｌａ
ｙｅｒ法では層状に各元素を積み上げていくためにこの
歪みを緩和しにくいためである。従って、この歪みを緩
和し、ｌａｙｅｒ−ｂｙ−ｌａｙｅｒ法により高品質の
薄膜を形成できることが望ましい。
【０００５】本発明の目的は、したがって、歪の緩和が
容易で、しかもｌａｙｅｒ−ｂｙ−ｌａｙｅｒ成長法で
成膜が可能な、改良された単結晶超伝導薄膜の製造方法
を提供することにある。
容易で、しかもｌａｙｅｒ−ｂｙ−ｌａｙｅｒ成長法で
成膜が可能な、改良された単結晶超伝導薄膜の製造方法
を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】上記した目的は、本発明
によれば、酸化物超伝導薄膜からなる単結晶超伝導薄膜
を製造するに当り、酸化物超伝導体を構成する元素を同
時に基板上に供給して多結晶状態の下地薄膜を予め形成
した後、個々の元素を所定の順序で順次基板上に供給し
て原子レベルに整った層状構造で超伝導薄膜を積層する
ことを特徴とする単結晶超伝導薄膜の製造方法によって
達成することができる。
によれば、酸化物超伝導薄膜からなる単結晶超伝導薄膜
を製造するに当り、酸化物超伝導体を構成する元素を同
時に基板上に供給して多結晶状態の下地薄膜を予め形成
した後、個々の元素を所定の順序で順次基板上に供給し
て原子レベルに整った層状構造で超伝導薄膜を積層する
ことを特徴とする単結晶超伝導薄膜の製造方法によって
達成することができる。
【０００７】本発明方法は、次式：Ｂｉ２Ｓｒ２Ｃａｎ
−１Ｃｕ ｎ Ｏ ｙ （ 式中のｎ及びｙは整数であ
る）により表されるビスマス系酸化物超伝導体をはじめ
とした各種の酸化物超伝導体からの薄膜の形成に適用す
ることができる。例えば、ビスマス系酸化物超伝導体の
場合には、基板上に先ずＢｉ， Ｓｒ， Ｃａ， Ｃｕ
の元素を同時に供給する方法でＢｉ−Ｓｒ−Ｃａ−Ｃｕ
−Ｏ 下地薄膜を形成する。この膜は勿論この状態でＢ
ｉ−Ｓｒ−Ｃａ−Ｃｕ−Ｏの結晶格子を形成している。 そして次に、ｌａｙｅｒ−ｂｙ−ｌａｙｅｒ法により、
Ｂｉ， Ｓｒ， Ｃａ， Ｃｕを順次供給して目的の結
晶格子を作成する。なお、上式において、ｎが１の場合
にはＢｉ２Ｓｒ２Ｃｕ１（Ｃａなし）となるので、Ｂｉ
， Ｓｒ， Ｃｕ， Ｓｒ， Ｂｉを順次供給し、また
、ｎが２の場合にはＢｉ２Ｓｒ２Ｃａ１Ｃｕ２となるの
で、Ｂｉ， Ｓｒ， Ｃｕ， Ｃａ， Ｃｕ， Ｓｒ，
Ｂｉを順次供給する。
−１Ｃｕ ｎ Ｏ ｙ （ 式中のｎ及びｙは整数であ
る）により表されるビスマス系酸化物超伝導体をはじめ
とした各種の酸化物超伝導体からの薄膜の形成に適用す
ることができる。例えば、ビスマス系酸化物超伝導体の
場合には、基板上に先ずＢｉ， Ｓｒ， Ｃａ， Ｃｕ
の元素を同時に供給する方法でＢｉ−Ｓｒ−Ｃａ−Ｃｕ
−Ｏ 下地薄膜を形成する。この膜は勿論この状態でＢ
ｉ−Ｓｒ−Ｃａ−Ｃｕ−Ｏの結晶格子を形成している。 そして次に、ｌａｙｅｒ−ｂｙ−ｌａｙｅｒ法により、
Ｂｉ， Ｓｒ， Ｃａ， Ｃｕを順次供給して目的の結
晶格子を作成する。なお、上式において、ｎが１の場合
にはＢｉ２Ｓｒ２Ｃｕ１（Ｃａなし）となるので、Ｂｉ
， Ｓｒ， Ｃｕ， Ｓｒ， Ｂｉを順次供給し、また
、ｎが２の場合にはＢｉ２Ｓｒ２Ｃａ１Ｃｕ２となるの
で、Ｂｉ， Ｓｒ， Ｃｕ， Ｃａ， Ｃｕ， Ｓｒ，
Ｂｉを順次供給する。
【０００８】ｌａｙｅｒ−ｂｙ−ｌａｙｅｒ成長法は、
この技術分野において一般的に用いられている手法に従
って、例えば以下の実施例で図３を参照して説明するＭ
ＢＥ法やＭＯＭＢＥ 法などを用いて実施することがで
きる。
この技術分野において一般的に用いられている手法に従
って、例えば以下の実施例で図３を参照して説明するＭ
ＢＥ法やＭＯＭＢＥ 法などを用いて実施することがで
きる。
【０００９】
【作用】図１は、従来の方法に従って得られた超伝導薄
膜を模式的に示した断面図である。従来の方法では、基
板１上にＢｉ−Ｓｒ−Ｃａ−Ｃｕ−Ｏ 超伝導薄膜を形
成するために基板１の上に直接Ｂｉ−Ｏ から始めて、
ｌａｙｅｒ−ｂｙ−ｌａｙｅｒ法で薄膜の積層を行うた
め、Ｂｉ−Ｏ 層が生み出す歪の緩和ができない。図中
の領域２は、歪によりアモルファス化した部分を指す。
膜を模式的に示した断面図である。従来の方法では、基
板１上にＢｉ−Ｓｒ−Ｃａ−Ｃｕ−Ｏ 超伝導薄膜を形
成するために基板１の上に直接Ｂｉ−Ｏ から始めて、
ｌａｙｅｒ−ｂｙ−ｌａｙｅｒ法で薄膜の積層を行うた
め、Ｂｉ−Ｏ 層が生み出す歪の緩和ができない。図中
の領域２は、歪によりアモルファス化した部分を指す。
【００１０】図２は、本発明方法によって得られた超伝
導薄膜を模式的に示した断面図である。本発明方法にお
けるように、基板１の上にＢｉ−Ｓｒ−Ｃａ−Ｃｕ−Ｏ
を各元素を同時供給する方法で作成すると、この時点
では多結晶状態で結晶が形成され（同時蒸着により形成
されたバッファ層３を参照）、このために部分的に存在
する結晶粒界、アモルファス領域６がＢｉ−Ｏ 層の歪
を緩和することができる。したがって、この上にさらに
形成される格子も歪をもつことなく層状に形成されてい
く。ｌａｙｅｒ−ｂｙ−ｌａｙｅｒ法により形成された
層４を参照されたい（領域５はＢｉ２Ｓｒ２Ｃａｎ−１
Ｃｕ ｎ Ｏ ｙ の半格子を指す） 。よって、この
方法により、Ｂｉ２Ｓｒ２Ｃａｎ−１Ｃｕ ｎ Ｏ ｙ
の各層の単結晶化が可能となり、また、ｌａｙｅｒ−
ｂｙ−ｌａｙｅｒ法であるので、Ｂｉ２Ｓｒ２Ｃａｎ−
１Ｃｕ ｎ Ｏ ｙ の各層の作り分けが容易にできる
。
導薄膜を模式的に示した断面図である。本発明方法にお
けるように、基板１の上にＢｉ−Ｓｒ−Ｃａ−Ｃｕ−Ｏ
を各元素を同時供給する方法で作成すると、この時点
では多結晶状態で結晶が形成され（同時蒸着により形成
されたバッファ層３を参照）、このために部分的に存在
する結晶粒界、アモルファス領域６がＢｉ−Ｏ 層の歪
を緩和することができる。したがって、この上にさらに
形成される格子も歪をもつことなく層状に形成されてい
く。ｌａｙｅｒ−ｂｙ−ｌａｙｅｒ法により形成された
層４を参照されたい（領域５はＢｉ２Ｓｒ２Ｃａｎ−１
Ｃｕ ｎ Ｏ ｙ の半格子を指す） 。よって、この
方法により、Ｂｉ２Ｓｒ２Ｃａｎ−１Ｃｕ ｎ Ｏ ｙ
の各層の単結晶化が可能となり、また、ｌａｙｅｒ−
ｂｙ−ｌａｙｅｒ法であるので、Ｂｉ２Ｓｒ２Ｃａｎ−
１Ｃｕ ｎ Ｏ ｙ の各層の作り分けが容易にできる
。
【００１１】
【実施例】図３に略示するＭＢＥ装置を使用してＢｉ−
Ｓｒ−Ｃａ−Ｃｕ−Ｏ 超伝導薄膜を製造した。本例で
使用したＭＢＥ装置は、真空チャンバ１０からなり、蒸
発源のためのＫセル１１（シャッタ１２付き）、オゾン
導入管１４、電子銃１５、真空ポンプ１６、ＲＨＥＥＤ
スクリーン１７、基板ホルダ１８、オゾナイザ１９、そ
してメカニカルポンプ２０を装備したものである。基板
１３は基板ホルダ１８によって支承可能である。
Ｓｒ−Ｃａ−Ｃｕ−Ｏ 超伝導薄膜を製造した。本例で
使用したＭＢＥ装置は、真空チャンバ１０からなり、蒸
発源のためのＫセル１１（シャッタ１２付き）、オゾン
導入管１４、電子銃１５、真空ポンプ１６、ＲＨＥＥＤ
スクリーン１７、基板ホルダ１８、オゾナイザ１９、そ
してメカニカルポンプ２０を装備したものである。基板
１３は基板ホルダ１８によって支承可能である。
【００１２】７００℃に加熱したＳｒＴｉＯ３基板上に
、ＭＢＥ法により、Ｂｉ，Ｓｒ，Ｃａ及びＣｕの各元素
をＫセルから同時に蒸発させた。酸素は、真空チャンバ
に導入する前に、オゾナイザにより８％オゾン化させた
。成長時の圧力は１×１０−４Ｔｏｒｒであった。この
ような成長条件下に膜厚 １００Åで成長した薄膜は、
Ｂｉ２Ｓｒ２Ｃａｎ−１Ｃｕ ｎ Ｏ ｙ のｎ＝２に
相当する結晶構造をもつことが、Ｘ線回折により確かめ
られた。また、この薄膜は多結晶状態にあることが反射
高速電子線回折（ＲＨＥＥＤ） により観察された。
、ＭＢＥ法により、Ｂｉ，Ｓｒ，Ｃａ及びＣｕの各元素
をＫセルから同時に蒸発させた。酸素は、真空チャンバ
に導入する前に、オゾナイザにより８％オゾン化させた
。成長時の圧力は１×１０−４Ｔｏｒｒであった。この
ような成長条件下に膜厚 １００Åで成長した薄膜は、
Ｂｉ２Ｓｒ２Ｃａｎ−１Ｃｕ ｎ Ｏ ｙ のｎ＝２に
相当する結晶構造をもつことが、Ｘ線回折により確かめ
られた。また、この薄膜は多結晶状態にあることが反射
高速電子線回折（ＲＨＥＥＤ） により観察された。
【００１３】Ｂｉ−Ｓｒ−Ｃａ−Ｃｕ−Ｏ の多結晶薄
膜を形成した後、この薄膜の上に、ｌａｙｅｒ−ｂｙ−
ｌａｙｅｒ法により、ＲＨＥＥＤ により観察しながら
１原子層ずつＢｉ，Ｓｒ，Ｃａ，Ｃｕの各層を成長させ
た。具体的には、Ｂｉ／Ｓｒ／Ｃｕ／Ｃａ／Ｃｕ／Ｓｒ
／Ｂｉの順に３０回積層を行った。成長の完了後、成長
中と同じ酸素分圧で室温まで基板を冷却し、真空チャン
バから取り出した。このような成長条件下に膜厚 ４５
０Åで成長した結晶は、Ｂｉ２Ｓｒ２Ｃａｎ−１Ｃｕ
ｎ Ｏ ｙ のｎ＝２相であることがＸ線回折により確
かめられた。また、この結晶は単結晶状態にあることが
ＲＨＥＥＤ により観察された。この単結晶超伝導薄膜
の超伝導転移温度（Ｔｃ）は８５Ｋであり、かつ５０Ｋ
での臨界電流密度は２×１０６ Ａ／ｃｍ２ であった
。
膜を形成した後、この薄膜の上に、ｌａｙｅｒ−ｂｙ−
ｌａｙｅｒ法により、ＲＨＥＥＤ により観察しながら
１原子層ずつＢｉ，Ｓｒ，Ｃａ，Ｃｕの各層を成長させ
た。具体的には、Ｂｉ／Ｓｒ／Ｃｕ／Ｃａ／Ｃｕ／Ｓｒ
／Ｂｉの順に３０回積層を行った。成長の完了後、成長
中と同じ酸素分圧で室温まで基板を冷却し、真空チャン
バから取り出した。このような成長条件下に膜厚 ４５
０Åで成長した結晶は、Ｂｉ２Ｓｒ２Ｃａｎ−１Ｃｕ
ｎ Ｏ ｙ のｎ＝２相であることがＸ線回折により確
かめられた。また、この結晶は単結晶状態にあることが
ＲＨＥＥＤ により観察された。この単結晶超伝導薄膜
の超伝導転移温度（Ｔｃ）は８５Ｋであり、かつ５０Ｋ
での臨界電流密度は２×１０６ Ａ／ｃｍ２ であった
。
【００１４】比較のため、Ｂｉ−Ｓｒ−Ｃａ−Ｃｕ−Ｏ
の多結晶薄膜（バッファ層）を介在させないで上記の
実施例を繰り返したところ、得られた薄膜のＴｃ は６
５Ｋであり、かつ５０Ｋでの臨界電流密度は２×１０３
Ａ／ｃｍ２ であった。
の多結晶薄膜（バッファ層）を介在させないで上記の
実施例を繰り返したところ、得られた薄膜のＴｃ は６
５Ｋであり、かつ５０Ｋでの臨界電流密度は２×１０３
Ａ／ｃｍ２ であった。
【００１５】
【発明の効果】本発明によれば、高品質の単結晶超伝導
薄膜を歪を緩和した形で製造することができる。
薄膜を歪を緩和した形で製造することができる。
【図１】従来の方法によって得られる超伝導薄膜を模式
的に示した断面図である。
的に示した断面図である。
【図２】本発明方法によって得られる超伝導薄膜を模式
的に示した断面図である。
的に示した断面図である。
【図３】本発明の実施において用いられるＭＢＥ装置の
構成を模式的に示す断面図である。
構成を模式的に示す断面図である。
１０…真空チャンバ
１１…Ｋセル
１２…シャッタ
１３…基板
１４…オゾン導入管
１５…電子銃
１６…真空ポンプ
１７…ＲＨＥＥスクリーン
１８…基板ホルダ
Claims (2)
- 【請求項１】 酸化物超伝導体からなる単結晶超伝導
薄膜を製造するに当り、酸化物超伝導体を構成する元素
を同時に基板上に供給して多結晶状態の下地薄膜を予め
形成した後、個々の元素を所定の順序で順次基板上に供
給して原子レベルに整った層状構造で超伝導薄膜を積層
することを特徴とする単結晶超伝導薄膜の製造方法。 - 【請求項２】 前記酸化物超伝導体が式：Ｂｉ２Ｓｒ
２Ｃａｎ−１Ｃｕ ｎ Ｏ ｙ （ 式中のｎ及びｙは
整数である）により表されるビスマス系酸化物超伝導体
であることを特徴とする請求項１に記載の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3057120A JPH04292496A (ja) | 1991-03-20 | 1991-03-20 | 単結晶超伝導薄膜の製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3057120A JPH04292496A (ja) | 1991-03-20 | 1991-03-20 | 単結晶超伝導薄膜の製造方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04292496A true JPH04292496A (ja) | 1992-10-16 |
Family
ID=13046693
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3057120A Withdrawn JPH04292496A (ja) | 1991-03-20 | 1991-03-20 | 単結晶超伝導薄膜の製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH04292496A (ja) |
-
1991
- 1991-03-20 JP JP3057120A patent/JPH04292496A/ja not_active Withdrawn
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