JPH0616496A - 超伝導体膜の成長方法と成長装置 - Google Patents

超伝導体膜の成長方法と成長装置

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JPH0616496A
JPH0616496A JP4172113A JP17211392A JPH0616496A JP H0616496 A JPH0616496 A JP H0616496A JP 4172113 A JP4172113 A JP 4172113A JP 17211392 A JP17211392 A JP 17211392A JP H0616496 A JPH0616496 A JP H0616496A
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JP
Japan
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superconductor
superconductor film
film
mgo
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JP4172113A
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Hiroshi Nakao
宏 中尾
Masaru Ihara
賢 井原
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Fujitsu Ltd
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Fujitsu Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 誘電体基板の表裏両面への超伝導体膜の成長
方法に関し、誘電体基板表面上に超伝導体膜を成長した
後、誘電体基板裏面への超伝導体膜成長時に既成長超伝
導体膜の特性が劣化しない超伝導体膜の成長方法と成長
装置を提供することである。 【構成】 誘電体基板の表面上に第1の超伝導体膜を気
相成長させる第1成長工程と、該第1の超伝導体膜と反
応しない表面を有するサセプタの表面に第1の超伝導体
膜の表面を伏せて支持し、前記誘電体基板裏面上に第2
の超伝導体膜を気相成長させる第2の成長工程とを含
む。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は超伝導体膜の成長技術に
関し、特に誘電体基板の表裏両面への超伝導体膜の成長
方法および成長装置に関する。
【0002】最近、Cu−O結合を超伝導面とする酸化
物高温超伝導体がいくつかの材料系で研究開発されてい
る。これら高温超伝導体は液体窒素温度(77K)以上
の温度で超伝導特性を示すため、エネルギ伝送路(電
線)以外にもジョセフソン素子やIC用半導体デバイス
の回路基盤の配線等広い範囲への応用が期待されてい
る。
【0003】これら固体回路用部品は、誘電体基板上の
超伝導体薄膜を用いて構成されるが、特に高周波用の導
波路(受動素子)に適用すると、極めて低損失で高性能
な部品が得られる。
【0004】
【従来の技術】高温超伝導体薄膜を高周波導波路に利用
する場合、形状によって導波路構造は図2に示す3つの
タイプに分かれる。
【0005】図2(A)に示すように、超伝導体膜のグ
ランドプレーン(接地面)が超伝導体導波路を上下で挟
むストリップライン型、図2(B)に示すように、超伝
導体導波路の上下一方の側に超伝導体のグランドプレー
ンが配置されたマイクロストリップライン型および図2
(C)に示すように同一面上で超伝導体導波路を超伝導
体のグランドプレーンが左右で挟むコプレーナライン型
である。
【0006】ストリップライン型は、信号伝送を行なう
超伝導体導波路の上下両面を、絶縁物(誘電体)を挟ん
で超伝導体アースラインでシールドした構造となってい
る。このため、伝送信号の空間へのエネルギ輻射が最も
少なく、低損失高性能である。
【0007】これに対して、マイクロストリップライン
型では、図の上面からの輻射エネルギ損失がかなり大き
い。さらに、コプレーナライン型では、導波路側面はシ
ールドされているが、上下両面への輻射ロスを生ずる。
図は模式的に各要素を描いているが、実際には導波路の
膜厚はその幅に比べて桁違いに薄い。
【0008】このため、導波路特性は、図2(A)のス
トリップライン型が最も優れ、図2(B)のマイクロス
トリップライン型、図2(C)のコプレーナライン型の
順に特性は低下する。
【0009】したがって、実用上ストリップライン型で
導波路を作ることが望まれている。しかし、そのために
は製造時まず誘電体基板上に高温超伝導体薄膜を形成
後、誘電体基板を裏返してその裏面にまた高温超伝導体
薄膜を形成するプロセスが必要である。なぜならば、酸
化物超伝導体は複雑な組成を有し、気相から基板の上下
両面に同時に均一に酸化物超伝導体膜を堆積することは
事実上極めて困難なためである。
【0010】このために、図2(A)のストリップライ
ン構造を得ようとすれば、図2(D)のように3層に分
けて製作した部品を接着するような構造となる。また、
図2(B)のマイクロストリップライン構造を得ようと
すれば、図2(E)のように2層に分けて製作した部品
を接着するような構造となる。
【0011】すなわち、従来技術では、超伝導体/誘電
体構造を単位として複数の単位を貼り合わせて使用せざ
るを得なかった。
【0012】
【発明が解決しようとする課題】勿論、貼り合わせを行
なわずに、一旦誘電体基板上に超伝導体薄膜を堆積後、
裏返して基板裏面上に超伝導体薄膜を堆積した構造がで
きれば、より簡便に図2(A)または(B)のものが得
られるはずである。
【0013】しかし、従来、基板を裏返して超伝導体薄
膜を堆積しようとすると、サセプタに接触した既成長超
伝導体薄膜がサセプタと固相反応を起こして超伝導体特
性が失われるという問題があった。それ故、図2(D)
または(E)の貼り合わせ構造が現実的であった。
【0014】図2(D)においては、接着はP1とP2
の2ヶ所で行なわれ、図2(E)においては、接着はP
3の1ヶ所で行なわれる。図2(D)または(E)の貼
り合わせ構造においては、素子が大型化するという問題
の他、超伝導体薄膜表面のラフネスや接着剤層の厚み不
均一のため、大面積に亘って均一なインピーダンス特性
を得ることが難しく、伝送特性が低下するという問題が
あった。
【0015】したがって、特性の優れたストリップライ
ン型またはマイクロストリップライン型の導波路素子を
得るには、両面研磨した1枚の誘電体基板の両面に均質
な特性を有する超伝導体薄膜を形成する技術の開発が必
要である。
【0016】本発明の目的は、誘電体基板表面上に超伝
導体膜を成長した後、誘電体基板裏面への超伝導体膜成
長時に既成長超伝導体膜の特性が劣化しない超伝導体膜
の成長方法と成長装置を提供することである。
【0017】
【課題を解決するための手段】図1(A)に本発明の原
理説明図を示す。本発明の超伝導体膜の成長方法は、誘
電体基板2の表面上に第1の超伝導体膜3を気相成長さ
せる第1成長工程と、該第1の超伝導体膜3と反応しな
い表面6を有するサセプタ5の表面に第1の超伝導体膜
3の表面を伏せて支持し、前記誘電体基板2裏面上に第
2の超伝導体膜1を気相成長させる第2の成長工程とを
含む。
【0018】前記サセプタ5の表面6は、MgO、サフ
ァイア、アルミナ、MgO・Al23 、Y2 3 、C
eO3 およびYSZから選択することが好ましい。ま
た、本発明の超伝導体膜の気相成長装置は、これら材料
を表面にスパッタコートしたサセプタ5を反応室内に配
置する。
【0019】
【作用】図1(A)に示した本発明の場合、誘電体基板
2上に最初に成長した第1の超伝導体膜3は、直接サセ
プタ5の非反応性の表面6と接触している。
【0020】サセプタ5のバルク部は、通常用いられて
いる石英やSiCで表面被覆したカーボン等で構成でき
る。これらの材料は高温でも安定(酸素雰囲気)な上に
加工しやすく、均熱性にも優れている。このため、広く
気相成長でサセプタ材料に用いられている。SiC被覆
カーボンは、高周波加熱によって直接加熱することもで
きる。
【0021】図1(B)は、図1(A)に示す本発明の
両面成長技術と比較した従来の両面成長技術を示す。図
1(B)に示した従来例のように、石英やSiCコート
カーボンからなるサセプタ5を直接超伝導体膜3に接触
させると、昇温時、両者は激しく固相反応を起こして反
応層4が形成される。
【0022】反応層4は、極めて高抵抗となり、そのた
め超伝導特性は失われる。これは、超伝導体の主要構成
成分であるBi酸化物やY酸化物、Ba酸化物、Sr酸
化物等がSiO2 やSiCと高温で極めて化学反応性に
富むためである。
【0023】ところが、図1(A)で示した非反応性の
表面6、たとえばMgO、サファイア、アルミナ、Mg
O・Al2 3 、Y2 3 、CeO3 、YSZ等は、た
とえサセプタ5のバルク部が従来同様の材料で形成され
ていても、サセプタ5のバルクと超伝導体膜3との反応
を阻止する。これら素材は加工性が悪いので板状あるい
は被膜状でサセプタ5上に配置すれば、簡便であり、か
つ昇温時の化学反応をほぼ完全に阻止することができ
る。
【0024】また、第2の超伝導体膜1を成長させるた
めの昇温工程で、酸素および/または水蒸気を供給し、
さらに降温工程でも同様の雰囲気を与えることが好まし
い。最初に気相成長した第1の超伝導体膜3の表面から
酸素が脱離して膜の特性劣化を引き起こすことが防止さ
れる。
【0025】以下、本発明を実施例に基づいてより詳し
く述べる。
【0026】
【実施例】図3は、本発明の実施例による高温超伝導体
膜の気相成長装置と得られた超伝導体膜の特性を示して
いる。
【0027】図3(A)は、常圧CVD法による成長装
置の主要構成の断面を示す。図において、横型反応炉1
0に挿入された石英反応管11は、ガス導入孔14、1
6およびガス排出孔21を有している。
【0028】本実施例はBi系超伝導体Bi2 Sr2
2 Cu3 x を成長させるものであり、ガス導入孔1
4から導入されたキャリアガスHeは、石英反応管11
内部で4ヶ所に分流されてほぼ同じ流量で第1ソースS
rI2 17、第2ソースCaI2 18、第3ソースCu
I19および第4ソースBiCl3 20上に流れるよう
になっている。
【0029】一方、ガス導入孔16より導入される稀釈
ガスHeと酸化性ガスO2 、H2 OはMgO基板12の
近傍で細管から放射される。MgO基板12は、表面に
MgOスパッタ膜9を被覆された石英製サセプタ15上
に載置されている。
【0030】前記MgO基板12上には、超伝導体膜を
成長させる場合を除き、昇温、降温過程でMgO基板1
2上への堆積を避けるために、シャッタ13が図のよう
に配置されている。
【0031】シャッタ13は、図示したように排気孔2
1を通じて外部から回転操作できるようになっており、
成長中はMgO基板12上から取外しできる。なお、シ
ャッタ13は回転の代わりに平行移動によって取り外し
てもよい。
【0032】さて、MgO基板12をサセプタ15のM
gOスパッタ膜9上に載置後、ガス置換を行い、ガス導
入孔16より酸素、水蒸気を供給しつつ、成長温度まで
昇温する。成長温度は750〜850℃が好ましい。
【0033】次に、シャッタ13を開き、ガス導入孔1
4からHeキャリアガスを送って各ソースから高温超伝
導体構成成分を基板上に移送する。たとえば、各ソース
のHeの流量は1〜10slmとほぼ一定とし、SrI
2 17を750〜850℃、CaI2 18を700〜8
00℃、CuI19を450〜600℃、BiCl3
0を150〜250℃とした。
【0034】各ソース成分は、MgO基板12近傍で酸
素と化合して、酸化物として基板上に堆積する。O2
量は10〜1000sccmである。この時の成長速度
は3〜4nm/minである。MgO基板12の片面に
約100nmの厚みのBi2Sr2 Ca2 Cu3 x
伝導体膜を成長した後、一旦成長を停止し、降温後Mg
O基板12を裏返してサセプタ15のMgOスパッタ膜
9上に載置した。
【0035】次に、裏面にも同じ厚さの膜を成長させ
た。ここで、昇温時(成長開始まで)の約1時間および
降温時の約30分間は前記したようにシャッタ13を基
板上にかぶせ、酸化剤を供給しながら表面層の保護を行
なった。
【0036】比較のために、上記と全く同じ成長条件下
で表面にMgOスパッタ膜9を有しない石英サセプタ1
5を用いて、MgO基板12の表裏両面に超伝導体膜成
長を行なった。
【0037】このようにして得られた超伝導体膜の温度
特性を、図3(B)に示す。図示したように、実施例に
よれば、MgO基板12の両面に成長したBi系超伝導
体膜はほとんど同じ特性を示し、劣化はみられない。
【0038】これに対して、MgOスパッタ膜9を有し
ない石英サセプタ15を用いてMgO基板12の両面上
にBi系超伝導体膜を成長させた場合、最初にMgO基
板12の表面に成長させた超伝導体膜が、裏面上の成長
時に石英と激しく反応し、電気特性は低温から高温に至
るまで比抵抗MΩcm以上の絶縁物化していることが判
った。
【0039】前記実施例では、石英サセプタ15の表面
をMgOスパッタ膜9で被覆したが、勿論MgO板を載
置しても同じ効果が得られることは自明である。また、
サセプタ全体をMgO板で作成してもよい。
【0040】図4は、本発明の別の実施例を示す。図4
(A)は、減圧プラズマCVD装置の構成概略を示し、
図4(B)は得られた超伝導体膜の温度特性を示す。反
応容器30の中央部には、回転軸29と一体化され、S
iCコートのカーボンで形成された基板サセプタ26が
設けられ、該基板サセプタ26の直下にはヒータ28が
設けられている。基板サセプタ26上には、非反応性保
護体としてAl2 3 板(図示せず)が載置され、その
上にMgOまたはサファイアからなる基板27が載置さ
れる。
【0041】基板サセプタ26の上方にはRF電極25
が設けられ、基板サセプタ26(アース)との間にプラ
ズマ用電力を供給する。RF電極25は中空で基板サセ
プタ26の対向面はメッシュとなっており、この中をO
2 やH2 Oが供給される。
【0042】一方、ソースは反応容器30の側壁に設け
られた必要な個数だけのソースセル41内にそれぞれ独
立して載置される。図4(A)の場合、左右2ヶ所のソ
ースセルのみが図示される。
【0043】ソースセル41内にはHeガス導入管が設
けられ、該Heガス導入管の周囲にはヒータ22が設け
られている。また、Heガス導入管内部には、ボート2
3内にソース24が載置されている。ソースセル41の
反応容器30内開口部にはシャッタ31が設けられてお
り、高温超伝導体膜成長時以外には、ソースセルは閉じ
られている。
【0044】この反応容器30内でBi2 Sr2 CaC
2 x 系超伝導体膜を成長する場合を述べる。サファ
イア基板27を基板サセプタ26上に載置されたAl2
3 板上に載置し、真空排気しながら酸素を数百scc
m流して昇温する。成長温度(550〜700℃)に達
した時、各ソースセル41内のソース24も所定温度に
加熱されており、シャッタ31を開いてHeキャリアガ
スと共に各ソース成分を基板領域に送る。
【0045】代表的なソース移送条件は、BiCl3
30〜170℃、SrI2 800〜840℃、CaI2
770〜810℃、CuI460〜500℃であり、H
eガス流量はいずれも100〜1000sccmであ
る。この時、成長速度は約0.2nm/minである。
【0046】このような条件で、サファイア基板27の
両面に厚さ約100nmの超伝導体膜を成長させた。比
較のためにAl2 3 板を取り除き、表面をSiCで被
覆したカーボン板の基板サセプタ26上に直接サファイ
ア基板27を載置した場合についても高温超伝導体膜の
成長を行なった。
【0047】なお、高温超伝導体膜の成長中はRF電力
を投入して基板領域に酸素プラズマをたて、酸化反応を
促進すると同時に、回路軸29によってサファイア基板
27を回転させ、面内膜厚の均一性向上を計っている。
【0048】また、昇降過程にあたっては、シャッタ3
1を閉じてHeキャリアガスをストップすると同時に、
RF電極25のメッシュ板から基板27上に酸素だけを
供給した。
【0049】以上の工程でサファイア基板27の表裏両
面に成長したBi系高温超伝導体膜の抵抗の温度依存性
を測定した結果を図4(B)に示す。アルミナ板で表面
を保護されたサセプタ上で成長した超伝導体膜の特性が
昇降温時における酸素分圧の効果もあって、成長直後
(アズグロウン)の超伝導体膜と遜色ない特性を有して
いることが判る。
【0050】これに対して、SiC被覆カーボン板上に
接触させた超伝導体膜はSiCと激しく反応し、絶縁物
化しているのが確認された。以上の実施例では、基板サ
セプタ表面の非反応性保護体としてMgOおよびAl2
3 を用いた場合を述べた。しかし、この他にサファイ
ア、MgO・Al23 、Y2 3 、CeO3 およびY
SZでも同様の優れた保護効果がある。これら以外にも
高温酸化性雰囲気で安定であり、超伝導体と反応しない
材料ならば、保護体に用いうることは明らかである。
【0051】また、本発明は、当然Bi系以外の酸化物
超伝導体膜の形成、たとえばY系やTl系にも適用でき
ることは自明である。その他、種々の変更、改良、組み
合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。
【0052】
【発明の効果】以上述べたように本発明によって、誘電
体基板の両面に特性の優れた超伝導体膜を形成すること
が可能となった。この両面成長技術を用いれば、特性良
好なストリップライン型やマイクロストリップライン型
の導波路等を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】原理説明図である。従来例(図1(B))と対
比して示した。
【図2】高温超伝導体の高周波用導波路への応用形態を
示す断面図である。
【図3】実施例を示す概略断面図および超伝導特性を示
すグラフである。
【図4】別の実施例を示す概略断面図および超伝導特性
を示すグラフである。
【符号の説明】
1 第2の超伝導体膜 2 誘電体基板 3 第1の超伝導体膜 4 反応層 5 (基板)サセプタ 6 非反応性の表面 9 MgOスパッタ膜 10 横型反応炉 11 石英反応管 12 MgO基板 13 シャッタ 14、16 ガス導入孔 15 石英製(基板)サセプタ 17 第1ソース(SrI2 ) 18 第2ソース(CaI2 ) 19 第3ソース(CuI) 20 第4ソース(BiCl3 ) 21 排気孔 22 ヒータ 23 ボート 24 ソース 25 RF電極 26 基板サセプタ 27 MgOまたはサファイア基板 28 ヒータ 29 回転軸 30 反応容器 31 シャッタ 41 ソースセル
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.5 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 H01P 3/08 11/00 ZAA G

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 誘電体基板(2)の表面上に第1の超伝
    導体膜(3)を気相成長させる第1成長工程と、 該第1の超伝導体膜(3)と反応しない表面を有するサ
    セプタ(5)の表面に第1の超伝導体膜(3)の表面を
    伏せて支持し、前記誘電体基板(2)裏面上に第2の超
    伝導体膜(1)を気相成長させる第2の成長工程とを含
    む超伝導体膜の成長方法。
  2. 【請求項2】 前記サセプタの表面がMgO、サファイ
    ア、アルミナ、MgO・Al2 3 、Y2 3 、CeO
    3 およびイットリウムスタビライズドジルコニア(YS
    Z)からなる群より選ばれた少なくとも1種類の材料で
    構成されている請求項1記載の超伝導体膜の成長方法。
  3. 【請求項3】 反応室と、 反応室内に配置され、表面にMgO、サファイア、アル
    ミナ、MgO・Al23 、Y2 3 、CeO3 、イッ
    トリウムスタビライズドジルコニア(YSZ)からなる
    群より選ばれた少なくとも1種類の材料をスパッタコー
    トしたサセプタ(5)とを含む超伝導体膜の気相成長装
    置。
JP4172113A 1992-06-30 1992-06-30 超伝導体膜の成長方法と成長装置 Withdrawn JPH0616496A (ja)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007521397A (ja) * 2003-12-01 2007-08-02 スーパーコンダクター・テクノロジーズ・インコーポレイテッド 反応性蒸発による現場での薄膜の生長

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007521397A (ja) * 2003-12-01 2007-08-02 スーパーコンダクター・テクノロジーズ・インコーポレイテッド 反応性蒸発による現場での薄膜の生長

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