JPH04302506A - 超電導基板の製造方法 - 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、超電導基板の製造方法
に関する。より詳細には、本発明は、サファイア基板上
搭載された酸化物超電導薄膜を含み、超電導マイクロ波
デバイス等の製造基材として使用することができる超電
導基板の新規な製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】数十ｃｍから数ｍｍまでの波長を有し、
マイクロ波あるいはミリ波等と呼ばれる電磁波は、理論
的には電磁波スペクトルの一部の範囲に過ぎないが、工
学的にはこれを取り扱うための独特の手法やデバイスが
開発されていることから、特に独立して検討される場合
が多い。尚、この帯域の電磁波を誘導するマイクロ波線
路は誘電体を介して配置され一方が接地された１対の線
路により形成される。

【０００３】一方、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，Ｂａ）
２ＣｕＯ４　が報告され、続いて、１９８７年にはチュ
ー等によって９０Ｋ台の超電導臨界温度Ｔｃ　を有する
ＹＢａ２Ｃｕ３Ｏｙ　が報告され、更に、１９８８年に
は前田等によって１００　Ｋ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報告された。 これらの一連の複合酸化物系超電導材料では、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た。

【０００４】超電導特有の現象が有利に作用するという
点ではマイクロ波デバイスも例外ではない。即ち、一般
に、ストリップ線路では、周波数の平方根に比例して、
導体の抵抗による減衰定数が増大する。また、周波数の
増大に比例して誘電体損も増加するが、近年のストリッ
プ線路では、誘電体材料の改良により、特に１０ＧＨｚ
以下の領域では、ストリップ線路の損失は、専ら導体層
の抵抗に起因するものが大部分を占めている。従って、
ストリップ線路における導体層の抵抗を低減することは
、ストリップ線路の性能を著しく向上することになる。

【０００５】また、ストリップ線路は、単純な伝送路と
しての用途の他に、適切なパターニングを行うことによ
って、インダクタンス素子、フィルタ、共振器、遅延線
、方向性結合器、ハイブリッド等のマイクロ波デバイス
を構成することができる。従って、ストリップ線路の改
良は、そのまま、これらのマイクロ波デバイスの特性改
善となる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、従来の金属
導体を使用したマイクロ波用ストリップ線路では、前述
のように、誘電体損失は既に充分低減されているものと
考えられていた。ところが、導体材料が超電導体となり
導体損失が極限まで低減されると、改めて誘電体損失の
低減が解決すべき課題となる。そこで、超電導マイクロ
波デバイスにおいては、誘電正接　ｔａｎδの最も小さ
い誘電体材料であるサファイアを使用することが求めら
れている。また、サファイアを基板材料にして酸化物超
電導薄膜を搭載した超電導基板が提供されることによっ
て、種々の超電導マイクロ波デバイスを容易に作製する
ことができるようになると考えられている。

【０００７】一方、複合酸化物系超電導材料は当初固相
反応法による焼結体として合成されていたが、その後の
研究の進捗により、今日では薄膜として作製することに
より極めて品質の高いものが得られるようになっている
。ただし、酸化物超電導薄膜は、特定の基板上に成膜し
た場合にのみ有効な超電導特性を発揮する相を形成する
ことが知られている。この点、サファイア基板は、酸化
物超電導薄膜を成膜するには適していないと考えられて
いた。

【０００８】そこで、本発明は、上記従来技術の問題点
を解決し、有効な特性を発揮する酸化物超電導薄膜をサ
ファイア基板上に搭載した超電導基板を製造する新規な
方法を提供することをその目的としている。

【０００９】

【課題を解決するための手段】即ち、本発明に従うと、
サファイア基板と、該サファイア基板上に搭載された酸
化物超電導薄膜とを具備する超電導基板を製造する方法
において、酸化物超電導薄膜の結晶成長のための下地と
なる第１バッファ層をサファイア基板上に成膜する工程
と、成膜面と平行な面内の２次元結晶性に富んだ第２バ
ッファ層を該第１バッファ層上に成膜する工程と、酸化
物超電導薄膜を該第２バッファ層上に成膜する工程とを
含むことを特徴とする超電導基板の製造方法が提供され
る。

【００１０】

【作用】本発明に係る超電導基板の製造方法は、独自の
２層構造のバッファ層を採用することにより、サファイ
ア基板上に酸化物超電導薄膜を成膜する点にその主要な
特徴がある。

【００１１】本発明に係る方法においては、サファイア
基板上に酸化物超電導薄膜を成膜するに先立って、サフ
ァイア基板の直上に第１バッファ層を成膜する工程と、
この第１バッファ層上に第２バッファ層を成膜する工程
とを含んでいる。

【００１２】ここで、第１バッファ層は、元来結晶構造
が異なっているサファイア基板上で酸化物超電導薄膜を
結晶成長させるための下地を形成する層である。具体的
にはＭｇＯ、ＺｒＯ２　、ＹＡｌＯ３　等の薄膜であり
、スパッタリング法、蒸着法等の種々の方法により成膜
することができる。

【００１３】一方、第２バッファ層は、上記第１バッフ
ァ層の表面性状を改善する目的で成膜される。即ち、マ
イクロ波は、導体の表面を流れる電流により伝播される
。従って、超電導薄膜と誘電体との界面の性状が悪いと
マイクロ波線路の伝播損失が著しく増加する。このため
、超電導マイクロ波デバイスを製造するための基材とし
て使用される超電導基板では、酸化物超電導薄膜と直下
の層との間の界面の性状を良好に維持する必要がある。

【００１４】このような機能に鑑みて、第２バッファ層
は、成膜面と平行な面内での２次元結晶性に富んだ薄膜
であることが必要である。具体的には、Ｙ２Ｏ３　等の
金属酸化物を好ましい材料として挙げることができ、や
はり、スパッタリング法、蒸着法等の種々の方法により
成膜することができる。

【００１５】以上のような２層構造のバッファ層上に成
膜する酸化物超電導薄膜は、Ｙ系の複合酸化物の他、Ｔ
ｌおよび／またはＢｉを含む複合酸化物を、特に超電導
臨界温度が高く液体窒素による冷却で超電導化する酸化
物超電導材料として例示することができる。また、これ
らの酸化物超電導薄膜の成膜方法は、公知の方法をいず
れも適用することができる。

【００１６】以上のような方法で製造された超電導基板
はその酸化物超電導薄膜の界面性状が良好で、マイクロ
波デバイスの基材として好ましく使用することができる
。

【００１７】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。

【００１８】

【実施例】基板として、厚さ１ｍｍの４０ｍｍ平方のサ
ファイア基板（Ｒ面）を使用して、超電導基板を作製し
た。

【００１９】まず、第１バッファ層として、下記の表１
に示す成膜条件で、ＺｒＯ２　薄膜をＭＢＥ法により基
板上に成膜した。

【００２０】

【表１】

【００２１】続いて、第２バッファ層として、下記の表
２に示す成膜条件で、Ｙ２　Ｏ３　薄膜を基板上に成膜
した。

【００２２】

【表２】

【００２３】更に、上述のように形成したバッファ層上
に、Ｙ−Ｂａ−Ｃｕの複合酸化物薄膜を成膜して超電導
基板とした。尚、酸化物超電導薄膜の成膜条件は下記の
表３に示す通りである。

【００２４】

【表３】

【００２５】尚、上記酸化物超電導薄膜の成膜に際して
は、成膜面近傍に配置したリング状ノズルによって成膜
面に対してＯ３　ガスの吹きつけを行った。吹きつけた
Ｏ３　ガスは、液体窒素によって冷却した液体オゾンを
気化させたもので、実質的に純粋なＯ３　ガスである。 Ｏ３　ガスの供給量は１０ｃｃ／分とした。

【００２６】また、比較のために、同じサファイア基板
上に同じ成膜条件で第１バッファ層のみを成膜した後に
酸化物超電導薄膜を成膜した比較試料を作製した。

【００２７】上述のような実施例および比較例の２種の
超電導基板を使用して、図１および図２に示すような超
電導マイクロ波共振器を作製した。

【００２８】即ち、図１は、誘電体基板上に酸化物超電
導薄膜を搭載した超電導基板を使用して作製することが
できる超電導マイクロ波共振器の典型的な構造を示す図
である。

【００２９】図１に示すように、このマイクロ波共振器
は、図２に示すようなパターンの酸化物超電導薄膜によ
り形成された超電導導体線路１０を搭載した第１基板２
０と、やはり酸化物超電導薄膜により形成された超電導
接地導体３０を全面に搭載した第２基板４０とを、パッ
ケージ５０ａ内に重ねて収容した後、カバー５０ｂによ
って固定された構造となっている。

【００３０】ここで、第１基板２０は、その周辺部を加
工して除去することにより第２基板４０よりも各辺で１
ｍｍ小さく形成されている。これに対応してパッケージ
５０ａの内面に段差５１、５２が形成されており、第２
基板４０上に搭載された超電導接地導体３０は、その周
縁部でパッケージ５０ａの段差と接触している。

【００３１】尚、図２に示す超電導導体線路パターンは
、共振器となる長さ１２ｍｍの長方形の超電導導体線路
１１と、この超電導導体線路１１に対してマイクロ波を
導入あるいは導出するための１対の超電導導体線路１２
、１３とを備えている。各超電導導体線路１２、１３は
、幅　０．５ｍｍ、長さ１１．８ｍｍとした。また、各
超電導導体線路１２、１３と共振器１１との間隔は、最
も近いところで　１．２ｍｍとした。

【００３２】表４は、試料としての超電導マイクロ波共
振器の試料番号と、使用した超電導基板の種類との組合
せを示す。

【００３３】

【表４】

【００３４】表５は、上述のような４個の超電導マイク
ロ波共振器のＱ値と伝播損失との測定結果を示す表であ
る。尚、測定は、７７Ｋで行った。

【００３５】

【表５】

【００３６】上記の測定結果から判るように、本発明に
従って製造された超電導基板を使用して作製した超電導
マイクロ波共振器は、顕著に優れた特性を示している。

【００３７】

【発明の効果】以上詳述のように、本発明によれば、サ
ファイア基板上に酸化物超電導薄膜を搭載した酸化物超
電導基板であって、特にマイクロ波デバイスの製造基材
として優れた特性を有する超電導基板が製造できるよう
になる。酸化物超電導薄膜を搭載した超電導基板により
作製されたマイクロ波デバイスは、廉価な液体窒素によ
る冷却で、その接地導体並びに導体線路が超電導体とな
り、導体損失が極限まで低減される。従って、マイクロ
波デバイスとしての特性が著しく向上されると共に、適
用可能な周波数帯域が高周波数側に拡張される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に従って製造された超電導基板を使用し
て構成することができる超電導マイクロ波共振器の構造
を示す図である。

【図２】図１に示したマイクロ波共振器における導体パ
ターンを示す図である。

【符号の説明】

１０、１１、１２、１３　　　　超電導導体線路、２０
　　　　第１基板、 ３０　　　　超電導接地導体、 ４０　　　　第２基板、 ５０ａ　　　　パッケージ、 ５０ｂ　　　　カバー、 ５１、５２　　　　段差

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】サファイア基板と、該サファイア基板上に
   搭載された酸化物超電導薄膜とを具備する超電導基板を
   製造する方法において、酸化物超電導薄膜の結晶成長の
   ための下地となる第１バッファ層をサファイア基板上に
   成膜する工程と、成膜面と平行な面内の２次元結晶性に
   富んだ第２バッファ層を該第１バッファ層上に成膜する
   工程と、酸化物超電導薄膜を該第２バッファ層上に成膜
   する工程とを含むことを特徴とする超電導基板の製造方
   法。