JPH07172994A - 薄膜超伝導体の製造方法 - Google Patents

薄膜超伝導体の製造方法

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JPH07172994A
JPH07172994A JP5316191A JP31619193A JPH07172994A JP H07172994 A JPH07172994 A JP H07172994A JP 5316191 A JP5316191 A JP 5316191A JP 31619193 A JP31619193 A JP 31619193A JP H07172994 A JPH07172994 A JP H07172994A
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秀明 足立
Koichi Mizuno
紘一 水野
Kentaro Setsune
謙太郎 瀬恒
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 加熱した基体上に「その場成長」させる方法
により、結晶粒界を含まない高品質で優れた超伝導特性
を示す水銀系超伝導体からなる薄膜超伝導体を得る。 【構成】 Ba2 CuO3 及びHgOの粉末を組成H
g:Ba:Cu=2.5:2:1となるように混合し円
盤状に成形したものをターゲットとして用いる。1×1
-1気圧以下のアルゴンと酸素の混合ガス中でプラズマ
放電によるスパッタリングを行うことにより、550℃
に加熱したチタン酸ストロンチウムSrTiO3 単結晶
(100)面基体上に水銀系超伝導体HgBa2 CuO
4 の薄膜を「その場成長」させる。被膜を堆積させる際
の酸素分圧は0.2Pa以下にする。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、最近新しく発見された
水銀を含む銅酸化物超伝導体からなる薄膜超伝導体の製
造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】高温超伝導体としては、ミューラー(Mu
ller)等によってペロブスカイト類型構造の酸化物超伝
導体が発見されて以来、種々の化学組成を有するペロブ
スカイト類型構造の酸化物系で超伝導性の確認がなされ
た。その後、最近になって、主体成分に水銀を含むペロ
ブスカイト類型構造の物質が高温で超伝導を示すことが
発見された。この水銀系超伝導体において、HgBa2
CuO4 化合物が臨界温度94ケルビン、HgBa2
aCu2 6 とHgBa2 Ca2 Cu3 8 が臨界温度
130ケルビン程度を示すことが報告されている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】この水銀を含む超伝導
体を電子デバイスに応用するに当たっては、薄膜の形態
に加工することが必須となる。しかし、この系の物質は
蒸気圧の高い水銀元素を含んでいるため、400℃以上
の加熱基体上に薄膜として作製することは困難であっ
た。これまでに作製が成功した方法としては、加熱を行
わない基体上に構成元素の被膜をアモルファス状態で付
着させ、任意雰囲気中で熱処理を施すという方法がある
(足立ほか、特願平5−11284号)。この方法で作
製した薄膜は、熱処理によって結晶化されるために完全
な単結晶薄膜とはなり得ず、本質的に結晶粒界を含んだ
ものとなる。このため、薄膜中を流れる超伝導電流が粒
界に阻害され、臨界電流密度などの超伝導特性には限界
があった。また、デバイスへの応用に際しては積層構造
を作る必要があるが、熱処理によって作る方法では上部
層に水銀系超伝導薄膜を使用することができないため、
用途が限定されたものとなっていた。従って、水銀を含
む超伝導体についても、従来のYBa2 Cu3 7 超伝
導体と同様に加熱した基体上に成膜し、作製した時点で
結晶構造が構築される「その場成長」を実現することが
望まれていた。
【0004】本発明は、前記従来技術の課題を解決する
ため、加熱した基体上に「その場成長」させる方法によ
り、結晶粒界を含まない高品質で優れた超伝導特性を示
す水銀系超伝導体からなる薄膜超伝導体の製造方法を提
供することを目的とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、本発明に係る薄膜超伝導体の製造方法は、1×10
-1気圧以下の真空中で、400〜650℃の範囲に加熱
した基体上に、水銀、アルカリ土類元素、銅からなる酸
素物被膜を堆積させることを特徴とする。
【0006】また、前記本発明方法の構成においては、
加熱する基体の温度が500〜600℃の範囲にあるの
が好ましい。また、前記本発明方法の構成においては、
被膜を堆積させる際の酸素分圧が0.2Pa以下である
のが好ましい。
【0007】また、前記本発明方法の構成においては、
被膜の堆積手段がスパッタリング蒸着法であるのが好ま
しい。また、前記本発明方法の構成においては、被膜を
堆積した後、酸素を含むガス中で熱処理を施すのが好ま
しい。
【0008】また、前記本発明方法の構成においては、
被膜中の、水銀(Hg)、アルカリ土類元素(A)、銅
(Cu)の組成比がHg:A:Cu=1−x:2:1+
xで表記され、かつ、xが0から0.7の範囲内の値で
あるのが好ましい。
【0009】また、前記本発明方法の構成においては、
アルカリ土類元素(A)がバリウム元素であるのが好ま
しい。
【0010】
【作用】前記本発明方法の構成によれば、水銀系超伝導
体の薄膜を加熱した基体上に「その場成長」させること
ができるので、結晶粒界を含まない単結晶薄膜を作製す
ることが可能となり、その結果、超伝導特性を飛躍的に
向上させることができる。
【0011】また、前記本発明方法の構成において、加
熱する基体の温度が500〜600℃の範囲にあるとい
う好ましい構成によれば、超伝導転移温度が90ケルビ
ン以上の薄膜超伝導体を得ることができる。
【0012】また、前記本発明方法の構成において、被
膜の堆積手段がスパッタリング蒸着法であるという好ま
しい構成によれば、取り扱いの困難な水銀元素の供給を
容易に行うことができる。
【0013】また、前記本発明方法の構成において、被
膜を堆積した後、酸素を含むガス中で熱処理を施すとい
う好ましい構成によれば、超伝導特性の再現性を向上さ
せることができる。
【0014】また、前記本発明方法の構成において、被
膜中の、水銀(Hg)、アルカリ土類元素(A)、銅
(Cu)の組成比がHg:A:Cu=1−x:2:1+
xで表記され、かつ、xが0から0.7の範囲内の値で
あるという好ましい構成によれば、水銀元素の欠損があ
っても銅元素で補う形になるので、元素の相互拡散がな
く、超伝導特性が劣化することはない。
【0015】
【実施例】以下、実施例を用いて本発明をさらに具体的
に説明する。水銀系超伝導体HgBa2 CuO4 の薄膜
を、チタン酸ストロンチウムSrTiO3 単結晶(10
0)面基体上に「その場成長」させる試みを行った。B
2CuO3 及びHgOの粉末を組成Hg:Ba:Cu
=2.5:2:1となるように混合し円盤状に成形した
ものをターゲットとし、1×10-1気圧以下のアルゴン
と酸素との混合ガス中でプラズマ放電によるスパッタリ
ングを行った。そして、チタン酸ストロンチウム基体の
加熱温度及びスパッタガスを変化させて、作製される薄
膜の分析を行った。
【0016】図1に、基体を550℃に加熱したときに
形成される薄膜の水銀含有量(Hg/Ba)とスパッタ
ガス中の酸素分圧との関係を示す。図1から明らかなよ
うに、基体が加熱されているにもかかわらず、酸素分圧
が0.2Pa以下のときに膜中に水銀元素が取り込ま
れ、水銀系超伝導体のHgBa2 CuO4 構造ができて
いることが分かる。この点、通常のYBa2 Cu3 7
等の超伝導薄膜の作製においては酸素量を多くして酸化
を促進させているのと異なる。尚、上記のようにして得
られた水銀系薄膜超伝導体の厳密な化学組成は、金属元
素比がHg:Ba:Cu=1−x:2:1+x(0<x
<0.7)となっており、水銀元素の欠損があっても銅
元素が補う形になっている。このため、元素の相互拡散
がなく、超伝導特性が劣化することはない。
【0017】図2に、上記のようにして得られた水銀系
薄膜超伝導体のX線回折パターンを示す。図2から明ら
かなように、HgBa2 CuO4 構造のc軸が基体に垂
直に配向しているのが分る。薄膜はチタン酸ストロンチ
ウム基体の結晶方位を反映して単結晶的に成長してお
り、熱処理によって結晶化させた場合に問題となってい
た結晶粒界はほとんど認められなかった。基体の加熱温
度が400℃以上で作製された薄膜において超伝導体の
結晶構造が現われたが、高温の650℃以上では水銀元
素が膜中から再蒸発して取り込まれないことも併せて確
認した。このように、基体温度としては400〜650
℃の範囲にあるのが好ましいが、さらには500〜60
0℃の範囲にあるのが好ましく、この基体温度において
は超伝導転移温度が90ケルビン以上の薄膜を得ること
ができる。
【0018】また、上記のように「その場成長」させる
方法によって作製した薄膜に、さらに酸素中で500℃
程度の低温熱処理を施したところ、超伝導特性の再現性
の向上が見られた。この方法によって作製された薄膜に
おいて、液体窒素温度(77ケルビン)での臨界電流密
度は1×105 A/cm2 と大きな値を示し、従来の熱
処理で結晶化させる方法によって得られる薄膜の10倍
にも達した。
【0019】尚、本実施例においては、被膜の堆積手段
としてプラズマ放電を用いたスパッタリングを例に挙げ
て説明したが、必ずしもこの方法に限定されるものでは
なく、例えばイオンビームスパッタやレーザースパッタ
であっても同様の効果を得ることができる。また、反応
性蒸着法等のスパッタリング以外の一般の薄膜作製法を
採用した場合にも、膜中の水銀元素量と酸素分圧との間
には同様の関係が成立すると推察される。
【0020】また、本実施例においては、アルカリ土類
元素としてバリウム(Ba)を用いた場合を例に挙げて
説明したが、必ずしもこれに限定されるものではなく、
ストロンチウム(Sr)やカルシウム(Ca)、あるい
はこれらの複数の組合せを用いた場合であっても同様の
効果を得ることができる。
【0021】
【発明の効果】以上説明したように、本発明に係る薄膜
超伝導体の製造方法によれば、水銀系超伝導体の薄膜を
加熱した基体上に「その場成長」させることができるの
で、結晶粒界を含まない単結晶薄膜を作製することが可
能となり、その結果、超伝導特性を飛躍的に向上させる
ことができる。また、水銀系超伝導体を用いた積層構造
も、本発明方法を採用することによって初めて可能とな
り、この系の物質の電子デバイスへの応用を促進するこ
とができるので、本発明の工業的価値は大きい。
【0022】また、前記本発明方法の構成において、加
熱する基体の温度が500〜600℃の範囲にあるとい
う好ましい構成によれば、超伝導転移温度が90ケルビ
ン以上の薄膜超伝導体を得ることができる。
【0023】また、前記本発明方法の構成において、被
膜の堆積手段がスパッタリング蒸着法であるという好ま
しい構成によれば、取り扱いの困難な水銀元素の供給を
容易に行うことができる。
【0024】また、前記本発明方法の構成において、被
膜を堆積した後、酸素を含むガス中で熱処理を施すとい
う好ましい構成によれば、超伝導特性の再現性を向上さ
せることができる。
【0025】また、前記本発明方法の構成において、被
膜中の、水銀(Hg)、アルカリ土類元素(A)、銅
(Cu)の組成比がHg:A:Cu=1−x:2:1+
xで表記され、かつ、xが0から0.7の範囲内の値で
あるという好ましい構成によれば、水銀元素の欠損があ
っても銅元素で補う形になるので、元素の相互拡散がな
く、超伝導特性が劣化することはない。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例で得られた薄膜超伝導体の水
銀含有量とスパッタガス中の酸素分圧との関係を示す図
である。
【図2】本発明の一実施例で得られた薄膜超伝導体のX
線回折パターン図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 H01L 39/24 ZAA B // H01B 12/06 ZAA

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 1×10-1気圧以下の真空中で、400
    〜650℃の範囲に加熱した基体上に、水銀、アルカリ
    土類元素、銅からなる酸素物被膜を堆積させることを特
    徴とする薄膜超伝導体の製造方法。
  2. 【請求項2】 加熱する基体の温度が500〜600℃
    の範囲にある請求項1に記載の薄膜超伝導体の製造方
    法。
  3. 【請求項3】 被膜を堆積させる際の酸素分圧が0.2
    Pa以下である請求項1に記載の薄膜超伝導体の製造方
    法。
  4. 【請求項4】 被膜の堆積手段がスパッタリング蒸着法
    である請求項1に記載の薄膜超伝導体の製造方法。
  5. 【請求項5】 被膜を堆積した後、酸素を含むガス中で
    熱処理を施す請求項1に記載の薄膜超伝導体の製造方
    法。
  6. 【請求項6】 被膜中の、水銀(Hg)、アルカリ土類
    元素(A)、銅(Cu)の組成比がHg:A:Cu=1
    −x:2:1+xで表記され、かつ、xが0から0.7
    の範囲内の値である請求項1に記載の薄膜超伝導体の製
    造方法。
  7. 【請求項7】 アルカリ土類元素(A)がバリウム元素
    である請求項1に記載の薄膜超伝導体の製造方法。
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DE69404214T DE69404214T2 (de) 1993-05-14 1994-05-13 Verfahren zur Herstellung einer supraleitenden dünnen Schicht vom Hg-Typ

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