JPH0645443B2 - Method for manufacturing structure having superconducting thin film - Google Patents

Method for manufacturing structure having superconducting thin film

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JPH0645443B2
JPH0645443B2 JP63208501A JP20850188A JPH0645443B2 JP H0645443 B2 JPH0645443 B2 JP H0645443B2 JP 63208501 A JP63208501 A JP 63208501A JP 20850188 A JP20850188 A JP 20850188A JP H0645443 B2 JPH0645443 B2 JP H0645443B2
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Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は、超伝導体材料に係り、特に酸化物超伝導材料
の製造方法に関する。
Description: TECHNICAL FIELD The present invention relates to a superconductor material, and more particularly to a method for producing an oxide superconductor material.

[従来技術] 最近、40K以上の温度で本質的に電気抵抗がゼロとな
る超伝導材料が注目を集めている。これらの材料は、少
なくとも1つの希土類元素、少なくとも1つのIIA族元
素及び銅からなる酸化物であり、その代表例としてはY
Ba2Cu37,Y3Ba3Cu614,及びYSr2Cu3
7がある(これらの構造式は一般的な化学量論比を表
わしているが、これらは酸素格子で生じるような単に近
似した公称空格子点である。)。これらの酸化物材料
は、電子部品における又はそれらの相互接続における電
力分配線のような用途が代表的なものとして考えられて
いる。電子部品にとって必ずしも必要と言うわけではな
いが、本質的ゼロ抵抗が液体窒素の沸点以上で、即ち7
7K以上の温度でTcが達成されることは、電子部品の
ような応用例にとっては望ましいことである。ここで、
本質的ゼロ抵抗とは約10-9Ω−cm以下の抵抗をいう。
[Prior Art] Recently, superconducting materials having essentially zero electric resistance at temperatures of 40 K or higher have been attracting attention. These materials are oxides composed of at least one rare earth element, at least one Group IIA element and copper, and a typical example thereof is Y.
Ba 2 Cu 3 O 7 , Y 3 Ba 3 Cu 6 O 14 , and YSr 2 Cu 3
There is O 7 (these structural formulas represent general stoichiometric ratios, but these are merely approximate nominal vacancies as occur in the oxygen lattice). These oxide materials are typically considered for applications such as power distribution in electronic components or in their interconnections. Although not necessarily required for electronic components, the essentially zero resistance is above the boiling point of liquid nitrogen, that is, 7
Achieving Tc at temperatures above 7K is desirable for applications such as electronic components. here,
Essentially zero resistance is a resistance of about 10 -9 Ω-cm or less.

酸化物超伝導体は酸化物又は炭化物の粉末を焼結するこ
とによって製造されるのが代表的である。例えばYBa
2Cu37の場合では、酸化イットリウム、炭化バリウ
ム及び酸化銅を適当な割合で混合し、700℃から10
00℃の範囲の温度で酸素雰囲気中で焼結させる。こう
して得られた材料は65〜98Kの範囲の温度で本質的
ゼロ抵抗となることが報告されている。また、特異な報
告もいくつかある。例えば、フィジカルレビューレター
ズ(Physical Review Letters,58,2579,1987)にお
いてオブシンスキー(Ovshinsky)等の報告によれば、フ
ッ化バリウムを金属イットリウム及び酸化銅と共に焼結
することによって、155Kで例外的に低抵抗性を獲得
する材料が得られたという。但し、再現されたという報
告はまだ無い。
Oxide superconductors are typically manufactured by sintering oxide or carbide powders. For example YBa
In the case of 2 Cu 3 O 7 , yttrium oxide, barium carbide and copper oxide are mixed in an appropriate ratio, and the temperature is adjusted to 700 ° C. to 10 ° C.
Sintering is performed in an oxygen atmosphere at a temperature in the range of 00 ° C. The material thus obtained is reported to have essentially zero resistance at temperatures in the range 65-98K. There are also some unique reports. For example, in Physical Review Letters (58, 2579, 1987), Ovshinsky et al. Reported that barium fluoride was exceptionally sintered at 155 K by sintering it with yttrium metal and copper oxide. It is said that a material that obtains low resistance was obtained. However, there is no report that it was reproduced.

超伝導体材料試料の大部分はバルク状であるが、基板上
に薄膜を形成する試みも幾つか成されている。厚さ5μ
m以下の薄膜(フィルム)は、バルク状材料を使用でき
ない電子部品のような応用例に特に適している。
Most superconducting material samples are bulky, but some attempts have been made to form thin films on substrates. Thickness 5μ
Thin films of m or less are particularly suitable for applications such as electronic components where bulk materials cannot be used.

これらの薄膜形成方法は、カリフォルニア アナハイム
での材料研究学会(Materials Research Society)の1
987年春期会合の会議録における81ページのエクス
テンディド アブストラクツ ハイ テンペラチュア
スーパーコンダクタズにR.H.コッホ(Koch)等
により、同じく169ページにR.H.ハモンド(Hammo
nd)等により、またフィジカル レビュー レターズ,
58,2684(1987)でP.ショーハリ(Chaudha
ri)等により報告されており、このような薄膜形成方法
は、酸素雰囲気中でイットリウム、バリウム及び銅を蒸
着し、これによって形成されたフィルムを850〜91
0℃の範囲の温度でアニールする工程を含んでいる。
R.E.ソメク(Somekh)等は、ネイチュア(Nature),3
26,857(1987)において、1050℃のサフ
ァイア基板上にCu,BaO及びY23源からのスパッ
タリングを行い、続いて500℃、酸素中でアニールを
行う薄膜形成方法を報告している。なお、スパッタリン
グによるフィルムの形成は、M.モリワキ等により上記
会議録の85ページにも記載されているが、プロセスの
詳細は記載されていない。
These thin film formation methods are described in the Materials Research Society of Anaheim, California.
81 pages of Extended Abstracts High Temperature in the Proceedings of the Spring 987 Spring Meeting
R. Superconductors. H. Also on page 169 by R. Koch and others. H. Hammond
nd), etc., as well as physical review letters,
58, 2684 (1987); Chaudha
ri) et al., such a thin film forming method is a method in which yttrium, barium and copper are vapor-deposited in an oxygen atmosphere, and a film formed by this is deposited at 850 to 91.
It includes a step of annealing at a temperature in the range of 0 ° C.
R. E. Somekh et al., Nature, 3
26,857 (1987), a thin film forming method is reported in which sputtering from Cu, BaO and Y 2 O 3 sources is performed on a sapphire substrate at 1050 ° C., followed by annealing at 500 ° C. in oxygen. The formation of the film by sputtering is described in M. It is also described on page 85 of the conference proceedings by Moriwaki et al., But the details of the process are not described.

このようにして得られた薄膜は大部分が有望なものであ
るが、そのフィルム自体は丈夫なものではない。その超
伝導性も、時間と共に、また大気に晒されることで低下
することが報告されている。更に、所望の超伝導性を常
に再現することは非常に困難である。これは、フィルム
の性質が蒸着速度やアニール時間等のプロセスパラメー
タに非常に敏感であることによる。
The thin films thus obtained are mostly promising, but the films themselves are not strong. Its superconductivity has also been reported to decrease over time and upon exposure to the atmosphere. Moreover, it is very difficult to always reproduce the desired superconductivity. This is because the properties of the film are very sensitive to process parameters such as deposition rate and annealing time.

[発明の概要] 上記従来の薄膜の問題点を解決し、所望の電気的性質と
機械的耐久性とを合せ持つ酸化物超伝導体材料は、蒸着
技術を使用し、最終材料に含まれるIIA族元素のソース
としてIIA族元素のフッ化物を用いることによって得ら
れる。例えば、YBa2Cu37を製造する場合は、フ
ッ化バリウムが金属銅のような適当な銅ソース及び酸化
イットリウムのような適当なイットリウムソースと共に
用いられる。これをアニールして得られたフィルムは、
92Kという高温で本質的ゼロ抵抗を示し、しかも従来
より十分に長い期間それらの性質を維持することができ
る。また、その材料は従来より機械的耐久性に優れ、大
気中の水分に対しても比較的影響されない。
[Summary of the Invention] An oxide superconductor material that solves the problems of the conventional thin film described above and has desired electrical properties and mechanical durability is obtained by using a vapor deposition technique and is contained in the final material IIA. It is obtained by using a Group IIA element fluoride as a source of a Group element. For example, when making YBa 2 Cu 3 O 7 , barium fluoride is used with a suitable copper source such as metallic copper and a suitable yttrium source such as yttrium oxide. The film obtained by annealing this is
It exhibits essentially zero resistance at a temperature as high as 92K, and can maintain those properties for a sufficiently longer period than before. Further, the material is superior in mechanical durability to the conventional one and is relatively unaffected by moisture in the atmosphere.

[実施例] 以下、本発明による実施例について詳細に説明する。EXAMPLES Examples according to the present invention will be described in detail below.

基板上に薄膜を堆積するのが代表的であり、これによっ
て機械的に優れた構造が得られる。更に、化学反応や拡
散による超伝導材料の実質的な劣化を防止する基板を用
いるべきである。ここで、実質的な劣化とは、Tcが4
0Kより低下すること又は臨界電流が1×103 amp/c
m2より低下することをいう。
A thin film is typically deposited on the substrate, which results in a mechanically superior structure. In addition, a substrate should be used that prevents substantial degradation of the superconducting material due to chemical reactions and diffusion. Here, the substantial deterioration means that Tc is 4
Lower than 0K or critical current is 1 × 10 3 amp / c
It is lower than m 2 .

要するに、基板の選択基準は、基板及び超伝導材料間の
化学反応と同様に、超伝導材料から基板への又は基板か
ら超伝導材料への望ましくない拡散をも実質的に防止す
ることにある。例えば、本発明の超伝導フィルムをシリ
コン上に直接堆積させると、超伝導フィルムとシリコン
とが反応して劣化が生じる。この場合には、反応性の基
板と超伝導フィルムとの間に保護膜を設ければ良い。
In summary, the substrate selection criterion is to substantially prevent undesired diffusion from the superconducting material to the substrate or from the substrate to the superconducting material as well as the chemical reaction between the substrate and the superconducting material. For example, when the superconducting film of the present invention is directly deposited on silicon, the superconducting film reacts with silicon to cause deterioration. In this case, a protective film may be provided between the reactive substrate and the superconducting film.

適切な基板材料としては、SrTiO4又は酸化ジ
ルコニウム膜でコートされたサファイアなどがある。ス
トロンチウムチタン酸塩は超伝導材料を過度に劣化させ
ずに、二酸化ジルコニウムは超伝導材料とサファイア間
の反応を防止する。バルク状材料の場合とは異なり、金
フィルムは反応バリアとしては好ましくない。金は超伝
導材料へ急速に拡散し、保護機能が急速に低下するから
である。
Suitable substrate materials include sapphire coated with SrTiO 4 or zirconium oxide film. Strontium titanate does not excessively degrade the superconducting material, and zirconium dioxide prevents the reaction between the superconducting material and sapphire. Unlike the bulk materials, gold films are not preferred as reaction barriers. This is because gold diffuses rapidly into the superconducting material, and the protective function rapidly declines.

本発明によって、広範囲の材料を製造することができ
る。一般に、それらの材料は酸化物超伝導材料として分
類され、次に示す〜の酸化物である。
A wide range of materials can be manufactured by the present invention. Generally, those materials are classified as oxide superconducting materials and are oxides of

テルビウム以外の少なくとも1つの非放射性希土類元
素(プラセオジム及びセリウムは超伝導特性を劣化させ
る傾向があるが、低濃度ならば厳しくない応用例には適
用可能であり排除されない。)と、 カルシウム、バリウム又はストロンチウムのような少
なくとも1つのIIA族元素と、 銅。
At least one non-radioactive rare earth element other than terbium (praseodymium and cerium tend to degrade superconducting properties, but at low concentrations it is applicable and not excluded for less demanding applications) and calcium, barium or At least one Group IIA element such as strontium, and copper.

なお、代表的材料は米国特許出願第001,682号,第021,2
29号,第024,046号,及び第027,371号に一般的に記載さ
れている。本発明にとっては、希土類元素としてイット
リウム、ランタン及びスカンジウムを含む。
Typical materials are US patent application No. 001,682, No. 021,2
No. 29, No. 024,046, and No. 027,371. For the present invention, yttrium, lanthanum and scandium are included as rare earth elements.

この様な材料としては、例えば公称式YBa2Cu
37,Y3Ba3Cu614,及びYSr2Cu37で表現
されるものがある。一般に、公称式は化学量論比を近似
的に表現し、酸素欠陥及び/又は意図の有無にかかわら
ず導入される不均一性等の効果として生じる公称偏差(n
ominal deviations)もありうる。
Such materials include, for example, the nominal formula YBa 2 Cu.
Some are represented by 3 O 7 , Y 3 Ba 3 Cu 6 O 14 , and YSr 2 Cu 3 O 7 . In general, the nominal formula approximates the stoichiometric ratio, and is the nominal deviation (n) that occurs as a result of oxygen vacancies and / or inhomogeneities introduced with or without intention.
ominal deviations) are also possible.

超伝導酸化物の種類に関係なく、本発明は、希土類材
料、銅、及びIIA族元素のフッ化物(フッ化バリウム、
フッ化ストロンチウム、及び/又はフッ化カルシウム)
の同時蒸着又は順次蒸着工程を含むものである。なお、
本発明における「蒸着」には材料を蒸気相から堆積させ
る全ての技術が含まれる。即ち、抵抗加熱又は電子ビー
ム加熱による熱蒸着、dc又はrfプラズマスパッタリ
ング、更に二次イオンビームスパッタリング等のような
技術が包含される。
Regardless of the type of superconducting oxide, the present invention is directed to rare earth materials, copper, and Group IIA element fluorides (barium fluoride,
(Strontium fluoride and / or calcium fluoride)
Of the simultaneous vapor deposition or sequential vapor deposition. In addition,
“Vapor deposition” according to the present invention includes all techniques for depositing a material from the vapor phase. That is, techniques such as thermal evaporation by resistance heating or electron beam heating, dc or rf plasma sputtering, and secondary ion beam sputtering are included.

希土類元素のソースが必要と言うわけではない。希土類
元素の蒸着は金属単体又は金属酸化物を用いて行われる
のが一般的である。しかし、これらの材料は、るつぼを
抵抗加熱して得られる温度では実質的な蒸気圧を持たな
いために、蒸着に抵抗加熱を用いるのは望ましくない。
従って、希土類組成物の蒸着には、電子ビーム蒸着のよ
うな技術が好ましい。但し、他の技術を排除するもので
はない。蒸着技術により生じた希土類材料(例えばイッ
トリウム)のフラックスは、一般的に毎秒1〜10オン
グストロームである。
It does not mean that a source of rare earth elements is needed. The rare earth element is generally vapor-deposited using a simple metal or a metal oxide. However, these materials do not have a substantial vapor pressure at the temperatures obtained by resistively heating the crucible, so it is not desirable to use resistive heating for vapor deposition.
Therefore, a technique such as electron beam vapor deposition is preferable for vapor deposition of the rare earth composition. However, this does not exclude other technologies. The flux of rare earth materials (eg, yttrium) produced by vapor deposition techniques is typically 1-10 Angstroms per second.

銅の蒸着を行うには抵抗加熱が好都合である。一般に、
銅又は酸化銅のような銅のソースは、タングステン船型
皿のような熱分解船型皿内に載置され、抵抗加熱により
毎秒1〜10オングストロームの範囲内で蒸着フラック
スを生成する。なお、抵抗加熱が好都合であるといって
も、他の技術を排除するものではない。
Resistance heating is convenient for depositing copper. In general,
A source of copper, such as copper or copper oxide, is placed in a pyrolysis boat such as a tungsten boat and resistively heated to produce a vapor deposition flux in the range of 1-10 Angstroms per second. Although resistance heating is convenient, it does not exclude other techniques.

本発明における材料の所望の性質を得るために、IIA族
元素のソースはフッ化物から供給されるべきである。こ
の様な材料の蒸着は抵抗加熱により容易に行うことがで
きる。フッ化バリウムのフラックスは毎秒3〜30オン
グストロームが実用的である。相対比率をある程度維持
できれば、より低いフラックスレートが全ての蒸着材料
にとって実用的である。なお、フラックスレート(オン
グストローム/秒)は、結晶クオーツ速度モニタ上のフ
ラックスの堆積量を測定し、全体がバルク密度とする基
板上での堆積速度を計算することにより得られる。但
し、単一の係数を仮定し、速度モニタとソースの基板と
の距離と角度の相違を勘案して修正する。この修正方法
は「薄膜技術ハンドブック」(マイセルとグラング著
マグローヒル社発行 1970年)の「真空蒸発」の項目に
記載されている。のぞまいし特性はIIA族元素のフッ化
物から得られるが、超伝導特性に影響を与えずに、IIA
族金属のような他のソースを少量用いることも可能であ
る。ついでながら、フッ化バリウム粉末のような粉末ソ
ースは特性を低下させるが、これは粉末は周囲の水分を
吸着する傾向にあるからである。この様なわけで、バル
ク状の無水材料が好ましいが、無水粉末を除外するもの
ではない。
To obtain the desired properties of the materials in the present invention, the source of the Group IIA element should be supplied from fluoride. The vapor deposition of such a material can be easily performed by resistance heating. Practically, the flux of barium fluoride is 3 to 30 angstroms per second. Lower flux rates are practical for all vapor deposition materials if the relative proportions can be maintained to some extent. The flux rate (angstrom / sec) is obtained by measuring the amount of flux deposited on the crystal quartz velocity monitor and calculating the deposition rate on the substrate having the bulk density as a whole. However, assuming a single coefficient, the correction is performed by taking into consideration the difference in distance and angle between the speed monitor and the substrate of the source. This correction method is described in "Thin Film Technology Handbook" (by Meissel and Grang
It is described in the item "Vacuum evaporation" of McGraw-Hill Inc. 1970). The desired property is obtained from the fluoride of the IIA group element, but it does not affect the superconducting property.
It is also possible to use small amounts of other sources such as group metals. Incidentally, a powder source such as barium fluoride powder degrades properties because the powder tends to adsorb ambient moisture. For this reason, bulk anhydrous materials are preferred, but anhydrous powders are not excluded.

超伝導材料を形成する各元素の相対フラックスはこれら
の材料の最終的な化学量論的組成を決定する。特に、優
れた導電特性は前記のフラックスに関連する広い範囲の
化学量論的組成で達成できるが、有効な材料はこの範囲
外でも得られる。調整サンプルを用いて、望ましい特性
を得るための適当なフラックスレートを決定出来る。
The relative flux of each element forming superconducting materials determines the final stoichiometric composition of these materials. In particular, excellent conductive properties can be achieved with a wide range of stoichiometric compositions associated with the above-mentioned fluxes, but effective materials are also obtained outside this range. The adjusted sample can be used to determine the appropriate flux rate to obtain the desired properties.

超伝導材料を形成するのに必要な酸素は、蒸着の工程、
アニールの過程のいずれか、あるいは両方の工程で加え
られる。例えば、化学量論的に過剰な酸素が蒸着の仮定
で、導管を通した酸素流のような従来技術により、堆積
基板に加えられる。一般的には純酸素流を用いるのが便
利であるが、アルゴンや他の貴ガスの様な不活性ガスで
純酸素流を薄めてもよい。同様に、アニールの工程で加
えられる酸素も、純酸素である必要はない。かなり高圧
の酸素も不便であるが、アニールの工程で大気圧より遥
かに低圧の酸素は超伝導材料中の酸素欠損を引き起こ
し、超伝導特性を低下させることになる。
The oxygen needed to form the superconducting material is the process of vapor deposition,
It is added in either or both of the annealing steps. For example, a stoichiometric excess of oxygen is added to the deposition substrate by conventional techniques such as oxygen flow through a conduit under the assumption of vapor deposition. Generally, it is convenient to use a pure oxygen stream, but the pure oxygen stream may be diluted with an inert gas such as argon or another noble gas. Similarly, the oxygen added in the annealing process does not have to be pure oxygen. Oxygen at a considerably high pressure is also inconvenient, but oxygen at a pressure much lower than atmospheric pressure in the annealing process causes oxygen deficiency in the superconducting material, resulting in deterioration of superconducting properties.

蒸着フィルムは酸素含有雰囲気で、800〜920℃で
アニールされる。このアニール工程でペロブスカイト様
結晶構造が形成される。一般に低温は結晶構造に必要な
変化を発生させないが、高温を長い間かけると、超伝導
特性を低下させるが、これは相分離と、基板との反応に
起因する。アニールする時間は好ましい温度範囲の温度
で、3ないし6時間である。(このアニール時間はある
程度フィルム厚さに依存し、この温度範囲は1000ないし
2000オングストローム厚のフィルム用で、フィルムが厚
くなれば、より長いアニール時間を必要とする。調整サ
ンプルを用いて、ある組成である厚さのフィルムのアニ
ール時間とアニール温度を決定できる。) 一般的に、超伝導フィルムの抵抗は方向によって異な
る。例えば、c結晶軸方向の抵抗はab平面のそれより
も3桁程大きい。ほとんどの応用例において、c結晶軸
方向が基板の主平面に直行するのが好ましい。一般的
に、厚いフィルムは表面ににそってc結晶軸方向を有す
る材料を多く含む。この様なわけで、薄いフィルムがT
c以上で低抵抗になる。
The vapor-deposited film is annealed at 800 to 920 ° C. in an oxygen-containing atmosphere. A perovskite-like crystal structure is formed in this annealing step. In general, low temperatures do not cause the necessary changes in the crystal structure, but long periods of high temperatures reduce the superconducting properties due to phase separation and reaction with the substrate. Annealing time is 3 to 6 hours at a temperature in the preferred temperature range. (This annealing time depends to some extent on the film thickness, and this temperature range is 1000 to
For 2000 Å thick films, thicker films require longer anneal times. The conditioned sample can be used to determine the anneal time and temperature of a film of a certain thickness. ) Generally, the resistance of a superconducting film varies depending on the direction. For example, the resistance in the c crystal axis direction is about three orders of magnitude higher than that in the ab plane. For most applications, it is preferred that the c-crystal axis direction be orthogonal to the major plane of the substrate. In general, thick films are rich in material that has a c-axis along the surface. Because of this, the thin film is T
It becomes low resistance when it is more than c.

本発明の超伝導材料を従来のリソグラフィ技術、リフト
オフやエッチングを用いてパターン形成することができ
る。例えば、堆積基板を従来のレジスト材料AZ411
0(アメリカ・ヘキスト社の製品)でパターン形成し
て、基板上の超伝導材料が必要とされる場所をレジスト
材料に開口を設けることにより、あける。開口部を除い
てレジスト材料を塗布された基板に蒸着工程が実行され
る。そしてレジスト材料が除去された後、アニールさ
れ、必要な形状に蒸着フィルムが残される。この次工程
のアニールにより、このフィルム部分を必要な位置がパ
ターン形成された超伝導材料に変える。本発明の超伝導
材料は水に対して不安定ではないので、このレジスト材
料はアセトンのような通常の除去剤(これらは混合物と
して水を含む)で取り除かれる。あるいは、アニール工
程の前後を問わず、レジスト材料が堆積され、このレジ
スト材料が描画され、超伝導材料の部分が露出される。
その後、この構成物は水と塩化水素酸が10対1の割合
ののエッチング溶液に浸される。この描画技術は電子部
品のような応用において、必要なパターンを描くのに用
いられる。
The superconducting material of the present invention can be patterned using conventional lithographic techniques, lift-off and etching. For example, the deposition substrate may be a conventional resist material AZ411.
0 (a product of Hoechst, USA) is patterned to open the resist material at an area on the substrate where a superconducting material is required. A vapor deposition process is performed on the substrate coated with the resist material except the openings. Then, after the resist material is removed, it is annealed to leave the vapor deposition film in the required shape. This subsequent step of annealing transforms the film portion into a superconducting material that is patterned at the required locations. Since the superconducting materials of the present invention are not water labile, the resist material is stripped with a conventional stripper such as acetone, which contains water as a mixture. Alternatively, the resist material is deposited before and after the annealing step, the resist material is drawn, and the portion of the superconducting material is exposed.
The composition is then immersed in an etching solution of water and hydrochloric acid in a ratio of 10: 1. This drawing technique is used to draw the required patterns in applications such as electronic components.

以下の具体的実施例は本発明の超伝導材料を製造するの
に適した条件を例示するものである。
The following specific examples illustrate conditions suitable for making the superconducting materials of the present invention.

実施例1 超伝導フィルムがストロンチュウム・チタン酸塩の基板
上に生成される。この基板は1/2mmの厚さで、約1cm
の直径を有し、その主表面は[100]結晶軸方向と直
交している。製造業者から納入されたままの基板の表面
は機械的にも、化学的にも研磨されている。この基板は
トリクロロエタン、アセトン、メタノールに浸すことに
より洗浄される。その後、基板は乾燥窒素中で吹きつけ
乾燥され、真空容器中のサンプルホルダー上に載置され
て、基板の主表面がさらされる。このサンプルホルダー
は550℃に加熱される。
Example 1 A superconducting film is produced on a strontium titanate substrate. This board is 1 / 2mm thick and about 1cm
, And the main surface is orthogonal to the [100] crystal axis direction. The surface of the substrate as delivered by the manufacturer has been mechanically and chemically polished. The substrate is washed by dipping it in trichloroethane, acetone, methanol. The substrate is then blown dry in dry nitrogen and placed on a sample holder in a vacuum container to expose the main surface of the substrate. The sample holder is heated to 550 ° C.

真空容器には3個の蒸着源が在り、第1のものは従来か
ら市販されている電子ビーム蒸着器であり、この蒸着器
はイットリウム・ターゲットを用いている。第2、第3
のものは抵抗加熱タングステン船型皿を用いている。一
方の船型皿は銅金属で、他方の船型皿は99.9%の純
フッ化バリウムで充填されている。またこの真空容器に
は3個の結晶クォーツ速度モニターがあり、それらは各
蒸着源からのフラックスを測定できる位置におかれてい
る。
There are three vapor deposition sources in the vacuum vessel, the first one is a conventionally commercially available electron beam vapor deposition apparatus, and this vapor deposition apparatus uses an yttrium target. 2nd, 3rd
The thing uses the resistance heating tungsten ship type dish. One hull is filled with copper metal and the other hull is filled with 99.9% pure barium fluoride. The vacuum chamber also has three crystal quartz velocity monitors located at positions where the flux from each evaporation source can be measured.

真空容器は最初に約1×10-6トール(7.5×10-9
パスカル)まで真空引きされる。電子ビーム蒸着器の電
子ビームフラックスと2個の船型皿の温度は調節され
て、それぞれ、2.2オングストローム/秒のイットリ
ュウムの蒸着フラックスと、2.0オングストローム/
秒の銅の蒸発フラックスと、6.5オングストローム/
秒のフッ化バリウムの蒸発フラックスを発生する。
The vacuum vessel is initially about 1 x 10 -6 torr (7.5 x 10 -9
Pascal) is evacuated. The electron beam flux of the electron beam evaporator and the temperature of the two hulls were adjusted to give an evaporation flux of yttrium of 2.2 Å / sec and 2.0 Å / sec respectively.
Second copper evaporative flux and 6.5 Å /
Generates an evaporative flux of barium fluoride in seconds.

酸素は直径1/8インチ(0.32mm)ステンレスチュ
ーブから吹き込まれる。このチューブのオリフィスは基
板の表面から約3cmで、チューブは蒸発フラックスを横
切らないような角度におかれる。十分な量の酸素流がス
テンレスチューブから吹き込まれ、真空室の圧力を約5
×10-5トール(37.5×10-8パスカル)に維持す
る。初めに蒸発源と基板との間におかれていたシャッタ
ーはその後解放される。蒸着は1/2ミクロンの厚さが
得られるまで継続される。シャッターはその後フラック
を遮蔽する。蒸着は完了し、酸素流は止められ、真空室
は酸素で100mmトールまで酸素で充填され、基板は冷
却され、真空室は乾燥窒素で置換される。
Oxygen is blown through a 1/8 inch (0.32 mm) diameter stainless steel tube. The orifice of this tube is about 3 cm from the surface of the substrate and the tube is angled so that it does not traverse the evaporative flux. A sufficient amount of oxygen flow is blown from the stainless tube to increase the pressure in the vacuum chamber to about 5
Maintain at × 10 −5 Torr (37.5 × 10 −8 Pascal). The shutter originally placed between the evaporation source and the substrate is then released. Deposition is continued until a thickness of 1/2 micron is obtained. The shutter then blocks the flack. The vapor deposition is complete, the oxygen flow is stopped, the vacuum chamber is filled with oxygen to 100 mmTorr, the substrate is cooled, and the vacuum chamber is replaced with dry nitrogen.

サンプルは真空室から取り出され、縦型石英製管炉内に
載置される。この縦型石英製管炉は外形2.4cmで、1
mmの壁厚の石英製管である。このサンプルは炉内に置か
れ、酸素が石英製管を通して流れる。この酸素流の速度
は約1cc/秒である。その後炉内温度は室温から30℃
/分の割合で、910℃まで上げられる。炉内温度は9
10℃で2時間維持される。その後炉内温度は5℃/分
の割合で約550℃まで降下される。この温度で30分
維持され、その後加熱は中止され、サンプルは炉内温度
が200℃になった点で取り出される。
The sample is taken out of the vacuum chamber and placed in a vertical quartz tube furnace. This vertical quartz tube furnace has an outer diameter of 2.4 cm and 1
A quartz tube with a wall thickness of mm. The sample is placed in a furnace and oxygen flows through a quartz tube. The velocity of this oxygen stream is about 1 cc / sec. After that, the temperature in the furnace is from room temperature to 30 ° C
The temperature can be increased to 910 ° C. at a rate of / minute. The furnace temperature is 9
Hold at 10 ° C for 2 hours. After that, the temperature in the furnace is lowered to about 550 ° C at a rate of 5 ° C / minute. This temperature is maintained for 30 minutes, after which the heating is stopped and the sample is taken out when the temperature inside the furnace reaches 200 ° C.

4個のバネ圧接点がフィルムの表面に約0.24mmの間
隔で取り付けられる。基板はその裏側が銅製のブロック
上にあるようにおかれ、このブロックは抵抗加熱器と、
シリコンダイオード温度計が埋め込まれている。基板の
載ったブロックはフェノール製のカン内におかれ、この
全体がヘリウムガスの充溝した液体ヘリウムデュワー容
器内の液面レベル上におかれる。抵抗測定が1μAの交
流電流を用いて行われた。この結果は図に示してある。
Four spring contacts are attached to the surface of the film with a spacing of about 0.24 mm. The board is placed so that its backside is on a copper block, which has a resistance heater and
A silicon diode thermometer is embedded. The block on which the substrate is placed is placed in a can made of phenol, and this whole is placed on the liquid level in a liquid helium dewar container filled with helium gas. Resistance measurements were made with an alternating current of 1 μA. The results are shown in the figure.

実施例2 実施例2においても実施例1の製法が行われるが、ただ
し、0.2μm厚さのフィルムが室温状態におかれた基
板上に蒸着される点が異なる。)次に、ピーク温度85
0℃で3時間アニールされ、基板は室温まで冷却され、
このアニール工程が繰り返される。このフィルムのTc
は90Kで、その最大電流密度は77ないし82Kの間
の温度で、約1×106 amp/cm2である。ただし、こ
の最大電流密度とは、フィルムが超伝導性を保持してい
る単位断面積当りの最大電流である。この測定は、実施
例1に記載されたのと同様な方法でなされたが、ただ
し、2本の傷をフィルムにつけ、電流が狭い領域を通る
ようにし、圧接電極が超伝導性フィルム上に蒸着された
4個の金製の点に接続された。
Example 2 The method of Example 1 is also performed in Example 2, except that a film having a thickness of 0.2 μm is vapor-deposited on the substrate kept at room temperature. ) Then the peak temperature 85
Annealed at 0 ° C. for 3 hours, cooled the substrate to room temperature,
This annealing process is repeated. Tc of this film
Is 90 K and its maximum current density is about 1 × 10 6 amp / cm 2 at temperatures between 77 and 82 K. However, this maximum current density is the maximum current per unit cross-sectional area where the film retains superconductivity. This measurement was made in the same manner as described in Example 1, except that two scratches were made on the film so that the current passed through a narrow area and the insulation displacement electrode was deposited on the superconducting film. Connected to the four gold dots that were made.

実施例3 実施例3においても実施例1の製法が行われたが、ただ
し、フッ化バリウムの蒸着が6オングストローム/秒の
割合で行われ、アニール工程がピーク温度920℃で3
0分行われた。堆積厚さは約4000オングストローム
で、Tcは84Kであった。
Example 3 The manufacturing method of Example 1 was also performed in Example 3, except that barium fluoride was vapor-deposited at a rate of 6 Å / sec and the annealing step was performed at a peak temperature of 920 ° C. for 3 hours.
It was done in 0 minutes. The deposited thickness was about 4000 Å and the Tc was 84K.

実施例4 実施例4においても実施例2の製法が行われるが、ただ
し、フッ化バリウムの蒸着が7オングストローム/秒の
割合で行われ、堆積厚さは0.5μmで、最初の600
オングストローム分の堆積はフッ化バリウムからのみ行
われた。アニールはピーク温度910℃で両サイクルと
も行われた。他の蒸着は実施例2に記載の方法で行われ
た。このTcは80Kであった。
Example 4 The process of Example 2 is also carried out in Example 4, except that barium fluoride is vapor-deposited at a rate of 7 Å / sec and the deposition thickness is 0.5 μm and the initial 600
The Angstrom deposition was done only from barium fluoride. Annealing was performed in both cycles at a peak temperature of 910 ° C. Other vapor depositions were performed as described in Example 2. This Tc was 80K.

実施例5 実施例5においても実施例2の製法が行われるが、ただ
し、フッ化バリウムの蒸着が6.5オングストローム/
秒の割合で行われ、銅の蒸着が1.8オングストローム
/秒の割合で行われ、全堆積厚さは約4000オングス
トロームであった。各アニール工程は920℃で6時間
行われた。このTcは85Kであった。
Example 5 The process of Example 2 is performed in Example 5 as well, except that the deposition of barium fluoride is 6.5 angstroms /
The copper deposition was performed at a rate of 1.8 Å / sec with a total deposition thickness of about 4000 Å. Each annealing step was performed at 920 ° C. for 6 hours. This Tc was 85K.

実施例6 実施例6においても実施例5の製法が行われるが、ただ
し、全堆積厚さは約4000オングストロームで、アニ
ール工程が920℃で6時間で一回行われた。更に、洗
浄後、蒸発工程前の基板には1μm厚のAN4110レ
ジスト材料が塗布された。このレジスト材料層は波長3
65ナノメータの紫外線に従来のマスクを介して露光
し、脱イオン水に4対1の割合で希釈した現像液で現像
した後、対向端末を形成する。蒸発器からの蒸発フィル
ムを除去した後で、アニール工程前に、レジスト材料は
アセトンを用いて除去される。残ったフィルムはアニー
ル工程の前後にわたり、所望のパターンを形成する。同
様な基板上に2μmのワイヤが相当する技術を用いて形
成された。このフィルムのTcは92Kであった。
Example 6 The process of Example 5 is also performed in Example 6, except that the total deposition thickness is about 4000 Å and the annealing step is performed once at 920 ° C. for 6 hours. Further, after cleaning, the substrate before the evaporation process was coated with a 1 μm thick AN4110 resist material. This resist material layer has a wavelength of 3
After exposing to 65 nanometer UV through a conventional mask and developing with a developer diluted with deionized water at a ratio of 4: 1, opposite terminals are formed. After removing the evaporated film from the evaporator and before the annealing step, the resist material is removed with acetone. The remaining film forms the desired pattern before and after the annealing step. A 2 μm wire was formed on a similar substrate using the corresponding technique. The Tc of this film was 92K.

この測定を行った後、同一のフィルムにAZ4110の
レジスト材料でパターン(1μm厚さ)が形成され、基
板全体は描写後、基板全体にわたる1mm幅の線(150
μmの長さの中間範囲を除く)を除いてカバーされる。
この基板は5秒間、水10に対し塩酸1の割合(体積
で)の溶液に浸される。このレジスト材料はアセトンに
約5分間浸すことにより取り除かれる。このサンプルは
乾燥窒素で乾燥された。広範囲にわたりTcは90K
で、ある部分は82Kであった。
After performing this measurement, a pattern (1 μm thick) was formed on the same film with the resist material of AZ4110, and the entire substrate was drawn, and then a 1 mm wide line (150 mm) was formed over the entire substrate.
(except for the mid range of μm length).
The substrate is immersed for 5 seconds in a solution of 10 hydrochloric acid to 1 hydrochloric acid (by volume). The resist material is removed by soaking in acetone for about 5 minutes. The sample was dried with dry nitrogen. Wide range Tc of 90K
And, the part was 82K.

実施例7 材料の水中抵抗を測定するために、実施例5の蒸発プロ
セスが3000オングストロームの全厚さに就いて行な
われ、アニール工程の前にフィルムは5分間水中に浸さ
れた。920℃で6時間のアニール工程を1回実施した
後のフィルムのTcは83Kであった。
Example 7 To measure the underwater resistance of the material, the evaporation process of Example 5 was performed for a total thickness of 3000 Å and the film was immersed in water for 5 minutes before the annealing step. The Tc of the film after performing the annealing step once at 920 ° C. for 6 hours was 83K.

実施例8 実施例8においても実施例4の製法が行われるが、ただ
し、フッ化バリウムの蒸着が6.5オングストローム/
秒の割合で行われ、銅の蒸着が1.8オングストローム
/秒の割合で行われ、基板が酸化ジルコニュウムの被覆
を有する単結晶サファイアに代えられた。この酸化ジル
コニュウムの被覆はジルコニュウムの電子ビーム蒸発に
より酸素雰囲気中(5×10-5トール)で蒸着され、約
1000オングストロームの厚さを有する。得られたも
のは約80KのTcを有する。
Example 8 The process of Example 4 is performed in Example 8 as well, except that the deposition of barium fluoride is 6.5 Å /
The deposition of copper was performed at a rate of 1.8 Å / sec and the substrate was replaced with single crystal sapphire with a zirconium oxide coating. The zirconium oxide coating is deposited in an oxygen atmosphere (5 × 10 −5 Torr) by electron beam evaporation of zirconium and has a thickness of about 1000 Å. The one obtained has a Tc of about 80K.

実施例9 実施例9においても実施例2の製法が行われるが、ただ
し、全堆積厚さは約1000オングストロームであっ
た。ピーク温度800℃で6時間のアニール工程を1回
実施した。得られたフィルムのTcは91Kであった。
Example 9 The process of Example 2 is performed in Example 9 as well, except that the total deposited thickness is about 1000 Å. An annealing process was performed once at a peak temperature of 800 ° C. for 6 hours. The Tc of the obtained film was 91K.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

図は本発明により得られた超伝導物体の特性を示す図で
ある。
The figure is a diagram showing the characteristics of the superconducting object obtained by the present invention.

───────────────────────────────────────────────────── 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 H01B 13/00 HCU Z 7244−5G H01L 39/24 ZAA B 9276−4M (72)発明者 ジョン ヘンリー スコフィールド アメリカ合衆国,44074 オハイオ オバ ーリン,ノースプロフェッサー 250 (72)発明者 ウイリアム ジョン スコックポル アメリカ合衆国,08520 ニュージャージ ー イーストウインザー,オーバートン ロード 21 (56)参考文献 特開 昭63−274027(JP,A) 特開 昭63−297217(JP,A) 特開 昭63−225528(JP,A)─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (51) Int.Cl. 5 Identification number Office reference number FI Technical indication location H01B 13/00 HCU Z 7244-5G H01L 39/24 ZAA B 9276-4M (72) Inventor John Henry Scofield United States, 44074 Ohio Oberlin, North Professor 250 (72) Inventor William John Scockpol United States, 08520 New Jersey East Windsor, Overton Road 21 (56) Reference Japanese Patent Laid-Open No. 63-274027 (JP, A) Kai 63-297217 (JP, A) JP 63-225528 (JP, A)

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】超伝導薄膜領域を有する構造を製造する方
法において、 材料を基板上に蒸着するステップと、蒸着されたこの材
料を酸素雰囲気内でアニールするステップとを有し、 前記蒸着ステップは、イットリウムからなるソースと、
銅組成物から成るソースと、フッ化バリウムからなるソ
ースとを用いて実行される ことを特徴とする超伝導薄膜を有する構造体の製造方
法。
1. A method of manufacturing a structure having a superconducting thin film region, comprising: depositing a material on a substrate; and annealing the deposited material in an oxygen atmosphere, the vapor depositing step comprising: , A source made of yttrium,
A method for producing a structure having a superconducting thin film, which is carried out using a source made of a copper composition and a source made of barium fluoride.
【請求項2】上記アニールは、約800℃から920℃
の範囲の温度で行われる ことを特徴とする請求項1記載の製造方法。
2. The annealing is performed at about 800 ° C. to 920 ° C.
The manufacturing method according to claim 1, wherein the temperature is in the range.
【請求項3】上記基板は、ストロンチウムチタン酸塩か
らなる ことを特徴とする請求項1記載の製造方法。
3. The manufacturing method according to claim 1, wherein the substrate is made of strontium titanate.
JP63208501A 1987-08-25 1988-08-24 Method for manufacturing structure having superconducting thin film Expired - Lifetime JPH0645443B2 (en)

Applications Claiming Priority (2)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS63225528A (en) * 1987-03-13 1988-09-20 Toa Nenryo Kogyo Kk Production of superconductive compound oxide
JPS63274027A (en) * 1987-05-01 1988-11-11 Sumitomo Electric Ind Ltd Manufacture of superconductive material
JPS63297217A (en) * 1987-05-29 1988-12-05 Toshiba Corp Production of oxide superconductor

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