JPH06305891A - 酸化物超電導体薄膜の作製方法およびその方法に使用するターゲット - Google Patents
酸化物超電導体薄膜の作製方法およびその方法に使用するターゲットInfo
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Abstract
製する際に、超電導特性を劣化させることなく、パーテ
ィクルの発生密度を減少させて、薄膜表面を平滑にす
る。 【構成】アモルファス粉末の成形体を部分溶融した後徐
冷して得られた見掛け密度95%以上の実質的にY
1±αBa2±βCu3±γO7-δの組成を有する酸化
物材料をターゲットとしてパルスレーザ照射し、基板上
にY1±αBa2±βCu3±γO7-δの酸化物超電導
体薄膜を製造する。
Description
物超電導薄膜の作製方法に関する。
薄膜作製方法の研究が大幅に進展している。このなかで
酸化物材料のターゲットにレーザ光を照射し、その際蒸
発する物質を基板に堆積し、基板上に酸化物薄膜を形成
する方法が広く用いられるようになってきた。この方法
は、酸素分圧が高い状態でも薄膜が作製でき、このた
め、酸素を充分薄膜に取り込め、かつターゲット組成に
近い組成の膜を簡便に実現でき、そのままで超電導膜を
形成できる利点を持っている。しかし、この方法は、高
い照射パワー密度を必要とするため、ターゲットの劣化
が起きやすい。加えて、他の薄膜形成法、スパッタ法あ
るいは真空蒸着法により作製された膜に比べ、表面上に
パーティクルと呼ばれる粒径1μm程度の粒が多数観測
され、表面のモホロジーを著しく悪くしていた。これら
の粒は、膜上に膜を形成する多層膜あるいは積層型接合
を作成する場合には、界面を不均質とし、このため特性
評価を困難とした。このようなことから、これらの粒を
減少させる試みが多くなされている。しかし、パーティ
クルの発生密度を減少させると、その膜は超電導特性が
劣化してしまい、超電導特性を劣化させることなく表面
を平滑にする方法はいまだ提案されていない。
クルが生じる原因を調査、研究した結果、ターゲットに
問題があることを見出だした。従来のターゲットは、微
細な粒径の原料粉末を焼結して製造されるため、空隙が
多数あり(見掛け密度、90%程度)かつ結晶粒子径が
極めて小さい(10μm程度)。このため、従来のター
ゲットにレーザ光を照射すると、レーザ光のビーム径よ
りも結晶粒径が小さく、このためレーザ光は空隙内部や
結晶粒界に照射される。この結果、ターゲットの温度が
急激に上昇してターゲットが溶融する前後にターゲット
から微細粉末が飛び散り、これがパーティクルの原因に
なると推定した。
ーゲットの見掛け密度を高めて、レーザ光が空隙内部に
照射されないようにし、かつターゲットの機械強度を低
下させることなく、結晶粒度をレーザ光のビーム径より
も大きくすることにより、従来方法によるパーティクル
の問題を解消すべく鋭意研究を行った結果、本発明を完
成するに至った。
的は、超電導特性を劣化させることなく、パーティクル
の発生密度を減少させて、薄膜表面を平滑にする酸化物
超電導体薄膜の作製方法およびその方法に使用するター
ゲットを提供することにある。
に、本発明は、アモルファス粉末の成形体を部分溶融し
た後徐冷して得られた見掛け密度95%以上の実質的に
Y1±αBa2±βCu3±γO7-δ(α≦0.8 、β≦
0.4 、γ≦0.4 、−2≦δ≦1)の組成を有するターゲ
ットを用意する工程と、このターゲットにパルスレーザ
を照射して基板上に実質的にY1±αBa2±βCu
3±γO7-δ(α≦0.8 、β≦0.4 、γ≦0.4 、−2≦
δ≦1)の組成を有する薄膜を作製する工程とを備えた
酸化物超電導体薄膜の作製方法およびこの方法に使用す
るターゲットである。
理由は、この範囲の組成が酸化物超電導体の特性を有す
るためである。また、本発明では、ターゲットの強度を
持たせるために、ターゲットの結晶粒にY2 BaCuO
5 相を分散する場合は、析出粒子径が1μm以下で、タ
ーゲットの結晶粒中に40%以下含まれるのが望まし
い。
平4−119968号公開公報に記載された方法により
得られる。この公報に開示された方法の一例を簡単に述
べれば、Y−Ba−Cu−O系酸化物超電導体を生成す
るための原料粉あるいは通常の焼結法で作製した材料
を、部分的に液相を呈するように高温に加熱し、ついで
加熱された材料を冷却して凝固させ、凝固した材料を粉
砕し混合して組織を均一に分散させる。そして、この粉
砕混合粉所定の形状に成形し、この成形体を部分的に液
相を呈するように再加熱して超電導体を成長させること
によりターゲットとして使用可能なバルクを得ることが
できる(以下この方法をMPMG法と称する)。
て、見掛密度95%以上、結晶粒子径が1mm以上とす
ることができる。さらに、結晶粒中に粒径が1μm以下
のY2BaCuO5 相を40%以下分散して含有させる
ことができる。そして、このようにして得られるバルク
の機械強度は、Y2 BaCuO5 相を結晶粒中に分散さ
せているので、破壊靫性値Kcで1.6−2.1MPa
m1/2 の値とし、ビッカース硬度Hvを7GPaまたは
それ以上の値とすることができる。
0%の単結晶のターゲットを得ることができる。
ルスレーザを照射し、飛散したターゲットの酸化物材料
を基板上に蒸着させる。照射するパルスレーザの種類
は、例えば、KrFエキシマ,ArFエキシマ,YAG
レーザーで、好適な光量は3J/cm2 〜8J/c
m2 、好適なビーム径は0.5 ×0.5 mm〜4.0 ×4.0 mmで
ある。特に、ビーム径、およびその領域を結晶粒度より
も小さくすることにより、実質的に単結晶のバルク(タ
ーゲット)に対してビームを照射するのと同様の働きを
する。基板の材質は、例えばMgO、SrTiO5 、L
aAlO3 などである。基板に蒸着される薄膜の厚さ
は、通常50nm〜1μmが好適である。この薄膜は、そ
のままで、超電導体としての特性を有する。
Cu3±γO7-δ、60mol%+Y2 BaCuO5 、
40mol%;α=0.05、β=0.1 、γ=0.05、δ=0.
05、見掛密度95%、最小結晶粒径1mm、結晶粒中に粒径
1μm以下のY2 BaCuO5 相が40%分散してい
る)に5J/cm2 の光量、ビーム径1×2mmのKr−
Fエキシマレーザ(λ=248nm)を5Hz程度の割
合で照射して、MgO(100)基板上に膜厚200n
mの薄膜を作製した。酸素圧力は40Pa、基板温度は
750℃とした。比較のため、ホットプレス法で作製し
た従来ターゲットを用いて同一条件で薄膜を作製した。
実施例の薄膜と比較例の薄膜とを光学顕微鏡により表面
を観測すると、実施例の薄膜のパーティクルの数は、従
来の薄膜に比べ、1桁以上少ない104 個/mm2 とな
っていた。また、この実施例により得られた薄膜の固有
抵抗および臨界電流密度の温度依存性を調べ、その結果
を図1および図2に示す。これらの結果から、この実施
例の薄膜は、良好な表面状態をもち、充分の超電導特性
が実現していることがわかる。
Cu3±γO7-δ;α=0.05、β=0.1 、γ=0.05、δ
=0.05、見掛密度95%、最小結晶粒径1mm、結晶粒
中に平均粒径1μmのY2 BaCuO5 相が40%分散
している)を用いて、実施例1と同様の条件で薄膜を作
成した。光学顕微鏡により表面を観測すると、従来のタ
ーゲットを用いて作製した薄膜に比べ、パーティクルの
数は1桁以上少なくなっている。但し、c軸配向領域に
加えて、ab軸配向領域の成長が1部観測された。ま
た、本発明により得られた薄膜の固有抵抗および臨界電
流密度の温度依存性は実施例1と同程度であり、いずれ
の特性も充分の超電導特性を示していることがわかっ
た。
密度を変えて、基板上に薄膜を形成した。そして、えら
れた薄膜のTc及びパーティクル数を測定した。その結
果を表1に示す。また、比較のため、本発明の範囲から
外れるものについても同様の実験を行い、その結果を比
較例、従来例として表1に併記する。なお、成膜条件
は、レーザ波長248nm、出力5J/cm2、ビーム
径1.0 mm×1.0 mm、領域 5mm× 5mmと、ビーム径1.5 mm
×2.5 mm、領域50mm×50mmである。実施例3-2 ,3-6
は、結晶粒径が5mmであるのに対して、ビーム径1.0 mm
×1.0mm、領域 5mm× 5mmであるので、照射時にターゲ
ットが実質的に単結晶として働く。
ことにより、特に、結晶粒子径を1mm以上とすること
により、パーティクル数を少なくするできる。さらに、
結晶粒子径をビーム径よりも格段に大きくすることによ
り、実質的に単結晶にビームを照射するようにしたこと
により、パーティクル数を顕著に少なくすることができ
る。
7-δ単結晶(α=0.05、β=0.1 、γ=0.05、δ=0.0
5、見掛密度100%)をターゲットとし、5J/cm
2 の光量のビーム径1×2mmのKr−Fエキシマレーザ
(λ=248nm)を10Hz程度の速度で照射して、
MgO(100)基板上に膜厚20nmの薄膜を作製し
た。酸素圧力は20Pa、基板温度は750℃とした。
光学顕微鏡により表面を観測すると、従来のターゲット
を用いて作製した薄膜膜に比べ、パーティクルの数は1
桁以上少なくなっている。また、実施例3で得られた薄
膜の固有抵抗および臨界電流密度の温度依存性は実施例
1と同程度であり、いずれの特性も良好な表面状態をも
つ薄膜で充分の超電導特性を示していることがわかっ
た。
物薄膜作製方法によれば、見掛け密度が高く、また好ま
しくはレーザのビーム径に対して実質的に単結晶として
働き得る結晶粒度のターゲットを使用することにより、
さらに単結晶のターゲットを使用することにより、表面
にパーティクルを持たないきれいな薄膜を作成すること
ができ、もって積層型のトンネル接合、多層膜等を簡便
に実現することができる。
度依存性を示す図。
Jcの温度依存性を示す図。
Claims (12)
- 【請求項1】 アモルファス粉末の成形体を部分溶融し
た後徐冷して得られた見掛け密度95%以上の実質的に
Y1±αBa2±βCu3±γO7-δ(α≦0.8 、β≦
0.4 、γ≦0.4 、−2≦δ≦1)の組成を有するターゲ
ットを用意する工程と、このターゲットにパルスレーザ
を照射して基板上に実質的にY1±αBa2±βCu
3±γO7-δ(α≦0.8 、β≦0.4 、γ≦0.4 、−2≦
δ≦1)の組成を有する薄膜を作製する工程とを備えた
酸化物超電導体薄膜の作製方法。 - 【請求項2】 ターゲットは、結晶粒子径が少なくとも
1mm以上である請求項1に記載の酸化物超電導体薄膜
の作製方法。 - 【請求項3】 ターゲットは、パルスレーザのビーム径
に関して実質的に単結晶である請求項1又は2に記載の
酸化物超電導体薄膜の作製方法。 - 【請求項4】 ターゲットの結晶粒は、Y2 BaCuO
5 相を析出分散し、その析出粒子径が1μm以下で、タ
ーゲットの結晶粒中に40%以下含まれている請求項1
乃至3のいずれかに記載の酸化物超電導体薄膜の作製方
法。 - 【請求項5】 アモルファス粉末の成形体を部分溶融し
た後徐冷して得られた見掛け密度95%以上の実質的に
Y1±αBa2±βCu3±γO7-δ(α≦0.8 、β≦
0.4 、γ≦0.4 、−2≦δ≦1)の組成を有する酸化物
超電導体薄膜作製用ターゲット。 - 【請求項6】 ターゲットは、結晶粒子径が少なくとも
1mm以上である請求項5に記載の酸化物超電導体薄膜
の作製方法。 - 【請求項7】 ターゲットは、パルスレーザのビーム径
に関して実質的に単結晶である請求項5又は6に記載の
酸化物超電導体薄膜の作製方法。 - 【請求項8】 ターゲットの結晶粒は、Y2 BaCuO
5 相を分散し、その析出粒子径が1μm以下で、ターゲ
ットの結晶粒中に40%以下含まれる請求項5乃至7の
いずれかに記載の酸化物超電導体薄膜の作製方法。 - 【請求項9】 Y1±αBa2±βCu3±γO
7-δ(α≦0.8 、β≦0.4、γ≦0.4 、−2≦δ≦1)
の組成を有する単結晶ターゲットを用意する工程と、こ
のターゲットにパルスレーザを照射して基板上に実質的
にY1±αBa2± βCu3±γO7-δ(α≦0.8 、β
≦0.4 、γ≦0.4 、−2≦δ≦1)の組成を有する薄膜
を作製する工程とを備えた酸化物超電導体薄膜の作製方
法。 - 【請求項10】 ターゲットは、結晶中に分散析出相を
含んでいない請求項9に記載の酸化物超電導体薄膜の作
製方法。 - 【請求項11】 Y1±αBa2±βCu3±γO7-δ
(α≦0.8 、β≦0.4 、γ≦0.4 、−2≦δ≦1)の組
成を有する単結晶の酸化物超電導体薄膜作製用ターゲッ
ト。 - 【請求項12】 ターゲットは、結晶中に析出分散粒子
を含んでいない請求項11に記載の酸化物超電導体薄膜
の作製方法。
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