JPH06507024A - 単一超伝導膜の品質測定方法とこの方法を実行する装置 - 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】 単一超伝導膜の品質測定方法とこの方法を実行する装置この発明は、特に円筒条 内部空間を有する特に金属性の空胴共振器を用いて、基板上に超伝導、特に高温 超伝導材料から形成された単一膜の品質の測定、特にマイクロ波表面抵抗を測定 する方法に関する。更に、この発明はこのような方法を実行する装置にも関する 。

１９８６年にセラミックス高温超伝導体を発見して以来、今日この新規な材料の 応用に対して初めて示唆が行われた。これ等は、例えば受動的なマイクロ波部品 の分野や、所謂ジョセフソン素子の分野である。高温超伝導材料から成るこのよ うな受動的なマイクロ波素子は取り分は衛星通信で重要である。その場合、この 種の殆ど全ての応用が、全世界の多くの実験室で行われているように、高温超伝 導材料のエピタキシャル薄膜に基づいている。このような薄膜の品質に対する重 要な判定基準の一つはマイクロ波表面抵抗である。この抵抗はそのような部品に 未だ存在しているマイクロ波損失に対する直接の目安を表す。

従来の技術によれば、超伝導膜のマイクロ波抵抗を測定できる異なった二つの可 能性が基本的にある。

例えば、Ｄ、　Ｅ、　Ａｎｄｅｒｓｏｎ、　ａｎｄ　Ｐ、　Ｍ、　Ｍａｎｋｉｅ ｗｉｃｈ、　Ｊ、　５ｕｐｅｒｃｏｎｄ、　３．２５２゜１９９１によれば、光 リソグラフィー技術を用いて調べたい膜から平坦な共振器を作製することが知ら れている。このような測定方法は経費がかかり、それ故に薄膜の急速品質管理に 適していない。

このような薄膜の品質を測定する他の測定方法は、Ａ、　Ｍ、　Ｐｏｒｔｉｓ、 　Ｄ、　Ｗ。

Ｃｏｏｋｅ、　ａｎｄ　Ｆ、　Ｒ，Ｇｒａ、ｙ、　Ｊ、　５ｕｐｅｒｃｏｎｄ、 　３．２９７．１９９１の仕事にまとめである。

この測定方法ては、金属性の空胴共振器の一つの壁を検査すべき薄膜で形成して いる。この場合、上記方法は各試料の前処理を必要としないので、品質管理には 適さない。この方法は５０　ＧＨｚ以上の周波数にしか適していない。その外、 Ｒ，ＣＴａｂｅｒ、　Ｒｅｖ、　Ｓｃｉ、　Ｉｎａｔｒｕｍ、　６１．２２００ ．１９９０により、互いに並べて２枚の超伝導膜が平行板共振器を形成する方法 が知られている。しかし、二つの膜の表面抵抗の平均値を常時測定すると言う難 点がある。更に、全温度変化を表面抵抗の飛躍温度まで測定できない。

この発明の課題は、特に超伝導材料の単一薄膜の品質管理を高感度で、しかも従 来技術の難点を伴うことなく行える方法、およびこの方法を実行する装置を提供 することにある。

上記の課題は、超伝導膜を空胴共振器の壁の一部としてこの共振器の壁に固定す る方法によって解決されている。この超伝導膜には誘電体が平坦な状態で固定さ れている。この場合、特に円筒状の壁に連結する入射アンテナがマイクロ波を空 胴共振器の内部空間に導き、特にこの入射アンテナに対向し、共振器に連結する 他の出射アンテナが共振器の内部空間から信号を取り出す。このように取り出し た信号は周知の方法で特に超伝導膜のマイクロ波表面抵抗を測定するために処理 される。超伝導膜の品質測定は、取り出したマイクロ波信号が磁場の侵入深さを 測定するために処理される点にもある。この方法は、高温超伝導材料から成る、 超伝導膜の品質測定で特に有利である。

周知の空胴共振器による方法に対して、この発明による方法は、中空空間に一部 誘電体を充填し、これが中空空間の寸法を短縮し、より低い周波数での測定を可 能にすると言う利点を提示している。この発明による方法の他の利点は、誘電体 が超伝導膜に面状に接触しているため、膜表面での電磁場を増幅する点にある。

そのため、この電磁場が共振器の他の壁で十分に減衰する。

この発明による方法の有利な実施態様は請求の範囲第２項の特徴部分によって指 定される。超伝導膜が共振器の下壁の一部を形成する場合には、電磁場を超伝導 膜に入れるため、誘電体を超伝導膜に面状にして固定し、この誘電体をこの膜に 緩く載置すると十分である。この処置により、超伝導膜のばらつきのない品質測 定ができる。上記の処置の他の利点は、誘電体を簡単に移動することにより、検 査すべき超伝導膜の種々の場所の品質測定を行える点にある。

請求の範囲第３項に提唱する方法で、誘電体としてサファイヤあるいはランタン アルミナ（ＬａＡｌＯｓ）を選択すると特に有利である。もちろん、他の材料も 誘電体として選択できる。例えばここに述べたサファイヤのような材料は高い誘 電率であるが誘電損失の少ない誘電体のクラスに属する。高い誘電率の材料を選 択すると、電磁場が超伝導膜の表面へ集中することが有利に高まり、それに伴い このような電磁場が空胴共振器の残りの壁で減衰する。

この発明による方法の誘電体の幾何学形状としては、請求の範囲第４項のように 円筒を選ぶと有利である。

出射アンテナから放射されたマイクロ波信号を処理し、超伝導膜の表面抵抗Ｒ□ 、、（Ｔ）を測定するには、共振周波数ｆの空胴共振器の場合、ＱファクタＱ。

膜の表面抵抗ＲＰＩＩ”（Ｔ）、共振器の材料、特に銅の表面抵抗Ｒ’″（Ｔ） および二つの幾何学係数Ｇ１０．とＧ５．、。１．１゜、の間に以下の関係が与 えられる。

超伝導膜の表面抵抗Ｒ□、、（Ｔ）を測定するには、この値をめる前に、二つの 参照測定を介して幾何学係数Ｇｌ＊＋ｅ＊ｍ＋。、と空胴共振器の表面抵抗Ｒｃ ″の温度に依存する変化をめる必要がある。

第一の参照測定では、先ずＲ’″（Ｔ）をＧ８１．。１．１゜、で割った項をめ る。これに対する有利な方法では、ニオブ膜の基板を使用できる。ニオブの外に 、Ｔ＝　２にの温度の場合、材料の表面抵抗がこの温度で検査すべき膜の抵抗に 比べて少ない限り、他のものも使用できる。

第二の他の参照測定では、今度はＲ”（Ｔ）をＧ３０．。ｗａｔｏｒで割った項 の温度浮性を測定するので、検査すべき膜の幾何学形状係数Ｇ１１．をめること ができる。

関係式 から、測定した共鳴曲線の半値幅δｆｌ／ｌをめて温度に応じたＱファクタＱ（ Ｔ）を測定できる。

更に、この発明による課題は、請求の範囲第５項の特徴部分の構成を有する冒頭 に述べた種類の装置によって解決される。

この装置の他の効果的で有利な実施態様は請求の範囲第６〜９項に規定されてい る。この発明による装置の特に有利な実施態様は空胴共振器を形成する材料とし てニオブを使用する場合である。例えば銅で形成された空胴共振器に反して、ニ オブの空胴共振器の内壁はマイクロ波損失が空胴共振器の内壁で更に低減するこ とに寄与している。

この発明による装置を更に詳しく説明するため、第１図にこのような装置を断面 にして模式的に示す。

銅の空胴共振器２の内部空間ｌには、入射アンテナ３と出射アンテナ４が挿入さ れている。空胴共振器２の内部空間ｌの壁の開口５上には、基板６に連結する検 査すべき超伝導膜７が内部空間の外から開口５に向けて導入されている。

品質測定の間、膜を局在化させておくためバネを使用すると効果的である。検査 すべき超伝導膜７の上に、サファイヤの円筒状誘電体９をこの検査すべき超伝導 膜７に対して面状に載置する。第１図の図面に示すように、膜の上に載置され、 適当に成形された石英のホルダー１０を有する誘電体ｌＯがその端面で検査すべ き膜に対して横方向を定めて位置決めできると効果的である。

それ自体周知の方法で、マイクロ波の導入は入射アンテナ３で行われる。マイク ロ波信号は出射アンテナ４により信号処理のため内部空間から取り出される。

１８．７ＧＨｚの共振周波数では、検査すべき膜のマイクロ波表面抵抗測定での 感度が±５Ｘ　１０”　Ｏｈｍになった。この発明による方法およびこの方法を 実行するこの発明による装置によって、直径が０．５ＣＤ１〜３　ｃｔｎ、例え ばｌ　ｃｔｎまたは２ｃｍの値を有する単一膜の特性評価が行える。この方法を 使用すると、２０ｈｍの値までの表面抵抗を有する超伝導膜を測定できる。

この発明の内容はクライオスタット中に配置した超伝導膜を２に〜３００にの温 度範囲でマイクロ波表面抵抗を測定可能にする。当然、このような装置は上記の 温度範囲に限定されるものではない。サファイヤの円筒状誘電体は６Ｍの直径と ３ｍｍの高さである。第１図の空胴共振器の内部空間は、高さ力り１．５ｃｍで 直径が２．０ｃｍである。その外、表面抵抗、温度および寸法に関する記載した 極値には制限がない。むしろ、ここに提示した値以外の場合でも、この方法を採 用できる。

フロントページの続き （７２）発明者　デーネ・ウルリッヒ ドイツ連邦共和国、デー−５２０６２アーヘン、マリアヒルフ・ストラーセ、８ （７２）発明者　チルマン・ノルベルトドイツ連邦共和国、デー−４２８５３レ ムシャイト、ブリューダーストラーセ、２１

Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. １．特に円筒状の内部空間を有する金属性の空胴共振器を用いて、基板上に形成 された単一超伝導膜の品質測定、特にマイクロ波表面抵抗を測定する方法におい て、 −超伝導膜をこの空胴共振器の壁の少なくとも一部として共振器の壁に連結し、 −その場合、誘電体を超伝導膜に面状に連結し、−特に円筒状の壁に連結する入 射アンテナがマイクロ波を空胴共振器の内部空間に導き、この共振器に連結する 他の出射アンテナが処理のため、特に超伝導膜のマイクロ波表面抵抗を測定する ため、共振器の内部空間に導入される、 ことを特徴とする方法。
2. ２．超伝導膜が共振器の下壁の一部を形成している場合、誘電体がこの膜の上に 脱着可能に載置されていることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の方法。
3. ３．誘電体としては、サファイヤあるいはＬａＡｌＯ３が選択されることを特徴 とする請求の範囲第１項または第２項に記載の方法。
4. ４．誘電体の形状としては、円筒形が選択されることを特徴とする請求の範囲第 １〜３項のいずれか１項に記載の方法。
5. ５．入射アンテナは出射アンテナに対向して設置されていることを特徴とする請 求の範囲第１〜４項のいずれか１項に記載の方法。
6. ６．超伝導膜の材料としては、高温超伝導体が選択されることを特徴とする請求 の範囲第１〜５項のいずれか１項に記載の方法。
7. ７．超伝導膜の材料としては、ＹＢａＣｕＯが選択されることを特徴とする請求 の範囲第１〜６項のいずれか１項に記載の方法。
8. ８．基板上に形成された単一超伝導膜の品質測定方法を実行する装置において、 円筒状の内部空間を有する金属性の空胴共振器を設け、この内部空間の特に円筒 状の壁に共振器にマイクロ波を導入するため第一アンテナと、処理のため、特に 超伝導膜のマイクロ波表面抵抗を測定するため、マイクロ波を共振器から取り出 す他のアンテナを備え、空胴共振器がこの共振器の内部空間を仕切る他の壁の一 つに、特に円筒状の内部空間の端面に開口を有し、この閉口の上に超伝導膜に連 結する基板を載置し、この膜が開口の内部空間の外で共振器の壁を形成し、基板 の膜を被せて側が共振器の内部空間に対向し、基板の超伝導膜を少なくとも部分 的に被覆する誘電体を有することを特徴とする装置。
9. ９．超伝導膜の上に底面で面状に載置された円筒状の誘電体を使用していること を特徴とする請求の範囲第８項に記載の装置。
10. １０．サファイヤあるいはＬａＡｌＯ３の誘電体を使用していることを特徴とす る請求の範囲第８項または第９項に記載の装置。
11. １１．空胴共振器を形成する材料としてニオブが使用されていることを特徴とす る請求の範囲第８〜１０項のいずれか１項に記載の装置。
12. １２．超伝導膜の材料としては、高温超伝導体が使用されていることを特徴とす る請求の範囲第８〜１１項のいずれか１項に記載の装置。
13. １３．入射アンテナは出射アンテナに対向させて設置してあることを特徴とする 請求の範囲第８〜１２項のいずれか１項に記載の装置。