JPH04297003A

JPH04297003A - 超電導装置作製用基板

Info

Publication number: JPH04297003A
Application number: JP3094818A
Authority: JP
Inventors: Shunpei Yamazaki; 舜平山崎
Original assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Current assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Priority date: 1991-04-01
Filing date: 1991-04-01
Publication date: 1992-10-21

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】本発明は薄膜のセラミック系超電
導（　超伝導ともいう）　材料の薄膜を形成する際に使
用する基板に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、超電導材料はＮｂ−Ｇｅ（例えば
Ｎｂ３Ｇｅ）の金属材料が用いられている。この材料は
金属であるため延性、展性を高く有し、そのため薄膜等
を作製する際にも特に基板材料との熱膨張係数に注意す
る必要はなかった。

【０００３】しかし、これらの金属材料を用いた超電導
材料はＴｃ（　超電導臨界温度を以下単にＴｃという）
　が小さく２３Ｋ　またはそれ以下しかない。これに対
し、工業上の応用を考えるならば、このＴｃが７７Ｋ　
好ましくは室温またはそれ以上であるとさらに有効であ
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】このため、Ｔｃの高い
材料として、金属ではなくセラミック系材料、特に酸化
物セラミック系材料が注目されている。しかしこの注目
されているセラミック系超電導材料はＴｃが高いにもか
かわらず、曲げ性、延性、展性にとぼしく、少し曲げて
もわれてしまう。いわんや０．１　〜３０μｍといった
厚さの薄膜を基板上に形成し、この超電導薄膜を用いて
新しい電子ディバイスを作ることはまったく不可能であ
った。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明はかかる酸化物超
電導材料の薄膜を、該酸化物超電導材料と熱膨張係数が
±５０％以内に概略一致した熱膨張係数を有する基板上
に作製することにより、信頼性の高い超伝導薄膜を得よ
うというものである。また、それらを用いて電子ディバ
イス好ましくは超電導コイルを作らんとしたものである
。

【０００６】本発明は、アルミナ、ＹＳＺ　（　イット
リア・スタビライズド・ジルコン）　、酸化マグネシウ
ム（ＭｇＯ）　、窒化珪素、窒化アルミニウム、ジルコ
ニア、イットリア、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉ
Ｏ３）、石英ガラスより選ばれた材料よりなる基板、ま
たは前記材料及びその他の材料の上に酸化物超伝導体と
同一主成分よりなる酸化物非超電導薄膜を形成した複合
基板上に、薄膜状に酸化物超電導材料または酸化雰囲気
でアニ−ル後、超電導特性を有する出発材料（これらを
合わせて以下酸化物超電導材料または単に超電導材料と
いう）をスパッタ法、印刷法例えばスクリ−ン印刷法、
スプレ−法、電子ビ−ム蒸着法、その他の方法により形
成する。

【０００７】例えばマグネトロンスパッタ法で基板温度
６５０　℃、Ａｒ（酸素を２０％混入）雰囲気で形成す
る。この時被形成面上に酸化物超電導材料のａｂ面（ｃ
面即ちｃ軸に垂直な面）が平行になるように形成する。このため、基板上に被膜を形成する際、この被形成面に
垂直方向に磁界を加える。すると本発明に用いる変形ペ
ロブスカイト構造の酸化物超電導材料は電流の特に流れ
やすいａｂ面に平行な面が被形成面に平行に構成される
。この磁界はスパッタ法で形成された膜を酸素中で８５
０　℃，８時間、４℃／分の速度で徐冷中、４００　℃
，２時間のアニ−ルの間も加える。

【０００８】スパッタ法等で形成される膜は、タ−ゲッ
トを調整し、形成後の酸化物超電導材料が例えば、（Ａ
１−Ｘ　Ｂｘ）ｙＣｕｚＯｗ　但しｘ＝０〜１好ましく
は０．６　〜０．７，ｙ＝２．０　〜４．０　好ましく
は２．５　〜３．５，ｚ＝１．０　〜４．０　好ましく
は１．５　〜３．５，ｗ＝４．０　〜１０．０好ましく
は６〜８であって、Ａは元素周期表３ａ族特にイットリ
ウム（Ｙ）　またはランタノイドより選ばれた１種類ま
たは複数種類の元素、Ｂは元素周期表２ａ族より選ばれ
た１種類または複数種類の元素、例えばバリウム（Ｂａ
）となるようにする。

【０００９】本発明の基板を使用すると、超電導材料と
の熱膨張係数の差が小さい為、局所的に加熱等を行って
も、超電導薄膜が基板より剥離したり、該薄膜にクラッ
クが入ったりすることを防ぐ事ができる。そのため、こ
の超電導薄膜にレーザー等を使用したパターニングを施
して、新しい電子ディバイス、例えば超電導コイルを作
ることが可能であった。

【００１０】レ−ザ光源は例えばＹＡＧレ−ザ（波長１
．０６μｍ），　エキシマレ−ザ（ＫｒＦ，ＫｒＣｌ等
），アルゴンガスレ−ザまたは窒素レ−ザを用いた。Ｙ
ＡＧ　レ−ザは円状のレ−ザビ−ムを５〜１００ＫＨｚ
の周波数で繰り返して照射することができ、そしてこの
照射された部分のみの超電導材料を昇華して除去させる
ことができる。このレ−ザは寿命が長く、工業的に低コ
ストで使用できるが、赤外波長でありパルス巾が５０ｎ
秒以上あるため、深さ方向の制御がしにくい。

【００１１】またエキシマレ−ザを用いる場合は、パル
ス巾が２０ｎ秒と小さいため、除去する領域の深さ方向
の制御がより容易となる。本発明はエキシマレ−ザを光
学系でしぼることにより円（直径１０〜１００　μｍ）
のレ−ザビ−ムを作ることができ、このレ−ザビ−ムを
酸化物超電導膜に照射しつつ基体またはおよびレ−ザ光
ビ−ムを移動する。この時所望の位置の酸化物超電導薄
膜を昇華または飛翔化して除去する。

【００１２】この酸化物超電導薄膜は熱伝導係数が比較
的小さく、かつ昇華性であるため、レ−ザ光の照射され
た部分のみを選択的にかかる薄膜を完全に除去すること
ができる。そしてその端面の近傍においてすら銅および
酸素原子の層構造を有する分子配列を有する超電導材料
とし得ることが特徴である。

【００１３】本発明はかくの如く基板の表面に形成され
たセラミック材料に対し選択的にレ−ザ光を照射しつつ
、また必要に応じて走査してその部分のみ酸化物の超電
導材料を除去すること、およびその前後、この上面にこ
の酸化物超電導材料と概略同一の熱膨張係数を有する酸
化物非超電導材料を電気的分離用の層間膜とするため、
酸化物超電導材料と同一元素を有する材料であって非超
電導特性を有する材料を積層した。そしてさらにこの後
、第２の酸化物超電導薄膜を積層し、再び第１の酸化物
超電導材料と同様にレ−ザスクライブを行った。これを
繰り返して多層に捲かれたコイルを構成せしめた。

【００１４】

【作用】従来、酸化物超電導体を用いて薄膜を作製し、
電子ディバイス、例えば超電導コイルを作製しようとし
ても、基板との熱膨張係数の差が大きい為、超電導薄膜
が基板より剥離したり、該薄膜にクラックが入ったりし
て信頼性がなかった。また、パターニングに関してもウ
ェットエッチングに頼らざるを得ず、再現性に乏しかっ
た。しかし、本発明の基板を用い、この上に超電導を呈
すべき酸化物超電導材料を膜状に形成する。そしてこの
膜に対し選択的にレ−ザスクライブ等のパターニングを
行うことにより他部の残存した領域により、電子ディバ
イス、例えば帯状のコイルを構成せしめる。

【００１５】以下に実施例に従って本発明を説明する。

【００１６】

【実施例】「実施例１　」図１は本発明をパンケーキ型
コイルに応用した実施例を示す。

【００１７】図１（Ａ）　において、基体（１）　はセ
ラミック材料（１）　上に酸化物非超電導薄膜（１’）
を形成したものを用いた。するとその上面には酸化物超
電導薄膜と同程度（　±５０％　以内）　の熱膨張係数
の差を作ることができ、本発明に合致した。この差が大
きすぎるとアニ−ル後応力歪を有し、超電導を呈する温
度が小さく、また膜に生ずるクラックにより超電導が観
察されなくなってしまう。この実施例では円板状を有する基体（１）　上に、スパ
ッタ法または印刷法例えばスクリ−ン印刷法により０．
１　〜５０μｍ　例えば２０μｍの厚さに酸化物超電導
薄膜（２）　を形成した。

【００１８】それを酸素雰囲気で加熱処理を行った。５
００　〜１０００℃例えば９００　℃で１５時間行った
。かくして超電導セラミック膜を形成させた。さらにこ
の後、エキシマレ−ザ（２５４ｎｍ）（４）をレ−ザス
クライブを行うために照射した。このレ−ザ光を第１図
では左端より中央部に走査（１１）し、かつ円板状基体
を回転（１２）した。かくして開溝（３）　を作製した
。レ−ザ光はピ−ク出力は１０６　〜１０８Ｗ／秒であ
った。これを強くしすぎると基体（１）　をも損傷させ
てしまうため注意を要する。

【００１９】図１（Ｂ）　は図１（Ａ）　の１層配線の
後、これらの全面に酸化物非超電導薄膜（６）　を形成
し、さらに第２の酸化物超電導薄膜（７）　を積層した
。図１（Ａ）　のＡ−Ａ’の断面に対応する。

【００２０】図面より明らかな如く、第１の酸化物超電
導薄膜は帯状に（５−１），（５−２）　・・・として
残存してコイルを構成する。そして連結部（８）　にて
第２の酸化物超電導薄膜をレ−ザスクライブしたコイル
（７−１），（７−２）　・・・に連結している。

【００２１】かくして円板状に帯状線を配線し、かつそ
の多層巻きが可能となった。

【００２２】第１、第２の帯状の超電導薄膜の上または
下に銀等の金属を設けた多層膜としてもよい。

【００２３】「実施例２」図２は円筒状（ボビン形状）
コイルの作製に本発明を応用した実施例を示す。

【００２４】図面において基体（１）　は円筒状（ボビ
ン形状）を有する。ここに実施例１と同様に膜状に酸化
物超電導材料（２）　を形成して、基体表面近傍におけ
る熱膨張係数が、超伝導材料と±５０％　以内の差とな
るようにせしめた。

【００２５】この作製はスパッタ装置でこの円筒基体（
１）　を矢印（１２）に示す如くに回転しつつディポジ
ッションすればよい。

【００２６】次にこれら膜を熱アニ−ルさせた後、この
膜にＹＡＧ　レ−ザ（３）　ビ−ム（　径５０μｍ）を
照射しつつ、このレ−ザ光を（１１）の方向に徐々に移
す。同時に円筒状基体（１）　を矢印（１２）の方向に
回転させる。するとこの円筒状基体に対し一本の連続し
た帯状のスクライブライン（３）　を構成させることが
できる。この開溝によりそれぞれの酸化物超電導材料が
帯状に（５−１），（５−２）　として形成され、それ
ぞれは電気的に分離されて、超電導領域を構成させ得る
。ここではこの超電導領域はコイル状を有し、実質的に
超電導マグネットコイルを構成させることができた。

【００２７】この実施例はかかる工程の後これら全体を
酸素中で焼成し、（Ａ１−Ｘ　Ｂｘ）ｙＣｕｚＯｗ　の
一般式で示される酸化物超電導材料に変成した。そして
超電導マグネットとさせることができた。このコイルの
始点と終点とを超電導線で連結することにより、エネル
ギ蓄積装置とすることが可能である。

【００２８】図２（Ｂ）　は図２（Ａ）　のＡ−Ａ’の
断面図に対応する。図２（Ａ）　は図面の複雑化を避け
るため１層目のみを示した。本発明はこれを多層化せし
めたものである。図２（Ｂ）　において、酸化物非超電導薄膜（１’）を
有する基体（１９　上に、図２（Ａ）に示した如くにし
て酸化物超電導材料を帯状に形成する。さらにこれら全
体を同一元素を有する酸化物非超電導薄膜を同じスパッ
タ法で形成する。連結部（８）　で開穴を行った後、こ
れら全体に第２の酸化物超電導薄膜を形成する。さらに
第１の超電導薄膜と同様にレ−ザスクライブをして帯状
に（７−１），（７−２）　・・・を作る。さらに第２
の酸化物超電導薄膜（６’）を形成し、さらに第３の酸
化物超電導材料を（８’）にて連結し、帯状に形成した
。外部取り出しは（１０），（１１）　で行っている。これを繰り返し行うことにより、３層だけではなく任意
の多層とすることができる。

【００２９】その他は実施例１と同様である。

【００３０】

【発明の効果】本発明の超伝導装置作製用基板を使用す
ることにより、これまでまったく不可能とされていた酸
化物超電導材料を用いた電子デバイスの作製が可能にな
った。

【００３１】本発明において超電導薄膜を形成した後、
公知のフォトリソグラフィ技術を用い、所定のパタ−ニ
ンイグをし、超電導素子または超電導配線としてもよい
。

【００３２】尚、本発明に用いる超電導材料は、それぞ
れ若干の熱膨張係数の差は当然ある。しかしながら、ア
ルミナ、ＹＳＺ　（　イットリア・スタビライズド・ジ
ルコン）　、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）　、窒化珪素
、窒化アルミニウム、ジルコニア、イットリア、チタン
酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ３）、石英ガラスは、そ
のいずれとも熱膨張係数が±５０％以内に概略一致した
熱膨張係数を有することが我々の実験結果より明らかと
なった。また、他の材料を使用しなくてはならない場合
には、その上に、前記チタン酸ストロンチウム等の材料
よりなる薄膜、または酸化物超伝導体と同一主成分より
なる酸化物非超電導薄膜を形成した複合基板とすること
によっても本発明と同様の効果が得られる。発明の超導
電材料はセラミック材料であればなんでもよい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の超電導コイルへの応用例

【図２】本発
明の超電導コイルへの応用例

【符号の説明】

１・・・基板２・・・酸化物超電導材料３・・・開溝４・・・レ−ザ光５・・・超電導を呈する領域６，９・層間分離膜７・・・第２の酸化物超電導材料

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】酸化物超電導材料の薄膜を形成する際に使
用する基板であって、該酸化物超電導材料と熱膨張係数
が±５０％以内に概略一致した熱膨張係数を有すること
を特徴とする超電導装置作製用基板。
【請求項２】請求項１において、酸化物超電導材料は（
Ａ１−Ｘ　Ｂｘ）ｙＣｕｚＯｗ　但しｘ＝０〜１好まし
くは０．６　〜０．７，ｙ＝２．０　〜４．０　好まし
くは２．５　〜３．５，ｚ＝１．０〜４．０　好ましく
は１．５　〜３．５，ｗ＝４．０　〜１０．０好ましく
は６〜８であって、Ａは元素周期表３ａ族特にイットリ
ウム（Ｙ）　またはランタノイドより選ばれた１種類ま
たは複数種類の元素、Ｂは元素周期表２ａ族より選ばれ
た１種類または複数種類の元素よりなることを特徴とす
る超電導装置作製用基板。
【請求項３】請求項１おいて、超電導装置作製用基板の
材料は、アルミナ、ＹＳＺ　（　イットリア・スタビラ
イズド・ジルコン）　、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）　
、窒化珪素、窒化アルミニウム、ジルコニア、イットリ
ア、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ３）、石英ガ
ラスより選ばれた材料よりなる基板、または前記材料及
びその他の材料の上に前記酸化物超伝導体と同一主成分
よりなる酸化物非超電導薄膜を形成した複合基板よりな
ることを特徴とする超電導装置作製用基板。