JPH07223818A - Insulation material, production thereof, supreconductor thin film and production thereof - Google Patents

Insulation material, production thereof, supreconductor thin film and production thereof

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JPH07223818A
JPH07223818A JP6016187A JP1618794A JPH07223818A JP H07223818 A JPH07223818 A JP H07223818A JP 6016187 A JP6016187 A JP 6016187A JP 1618794 A JP1618794 A JP 1618794A JP H07223818 A JPH07223818 A JP H07223818A
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JP
Japan
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thin film
superconductor
film
substrate
oxide layer
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Application number
JP6016187A
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Japanese (ja)
Inventor
Hiroshi Ichikawa
洋 市川
Hideaki Adachi
秀明 足立
Kentaro Setsune
謙太郎 瀬恒
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Panasonic Holdings Corp
Original Assignee
Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Publication date
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    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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  • Compositions Of Oxide Ceramics (AREA)
  • Superconductor Devices And Manufacturing Methods Thereof (AREA)
  • Inorganic Insulating Materials (AREA)
  • Superconductors And Manufacturing Methods Therefor (AREA)

Abstract

PURPOSE:To obtain an insulation material compensating the characteristics even at a film thickness of about several tens nm and to provide its production process and a process for producing a stable superconductor thin film. CONSTITUTION:A Bi metal disk target and a Bi-Pb-Ti-O baked disk target are used as sputtering targets and a Bi-Sr-Ca-Cu-O superconductor thin film formed on MgO (100) beforehand is used as a substrate. Each target is sputtered in a gaseous mixture of argon and oxygen (4:1) under a pressure of 1.0 Pa by a (Bi-O) (Bi-Pb-Ti-O) (Bi-O) cycle to form a Bi-Pb-Ti-O dielectric thin film on the substrate heated at 650 deg.C.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、酸化物高温超電導体等
の600〜900℃の比較的高い生成過程を経る材料を
デバイス化する際に有用な絶縁体とその製造方法及び超
電導体薄膜とその製造方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an insulator, a method for producing the same, and a superconductor thin film, which are useful in converting a material such as an oxide high temperature superconductor, which undergoes a relatively high generation process at 600 to 900 ° C. The manufacturing method is related.

【0002】[0002]

【従来の技術】現在、応用が急がれている材料の一つに
酸化物高温超電導体がある。このペロブスカイト系化合
物は、金属化合物超電導体よりもさらに高い転移温度が
期待され、Ba−La−Cu−O系の高温超電導体が提
案された[J.G.Bednorz and K.A.Muller,ツァイトシュ
リフト・フュア・フィジーク(Zeitshrift Fur Physik
B)-Condensed Matter Vol.64,189-193(1986)]。さら
に、Bi−Sr−Ca−Cu−O系の材料が100ケル
ビン以上の転移温度を示すことも発見された[H.Maeda,
Y.Tanaka,M.Fukutomi and T.Asano,ジャパニーズ・ジャ
ーナル・オブ・アプライド・フィジックス(Japanese Jo
urnal of Applied Physics)Vol.27,L209-L210(198
8)]。この種の材料の超電導機構の詳細は明らかでな
いが、転移温度が室温以上に高くなる可能性もあり、高
温超電導体として従来の2元系化合物よりも電子デバイ
ス分野での応用が期待されている。
2. Description of the Related Art Oxide high-temperature superconductors are one of the materials for which application is urgently required at present. This perovskite compound is expected to have a higher transition temperature than that of a metal compound superconductor, and a Ba-La-Cu-O-based high-temperature superconductor has been proposed [JGBednorz and KAMuller, Zeitshrift Für-Fijik (Zeitshrift Fur Physik
B) -Condensed Matter Vol.64, 189-193 (1986)]. Further, it was also discovered that the Bi-Sr-Ca-Cu-O-based material exhibits a transition temperature of 100 Kelvin or more [H. Maeda,
Y. Tanaka, M. Fukutomi and T. Asano, Japanese Journal of Applied Physics (Japanese Jo
urnal of Applied Physics) Vol.27, L209-L210 (198
8)]. Although the details of the superconducting mechanism of this type of material are not clear, the transition temperature may rise above room temperature, and it is expected to be applied as a high-temperature superconductor in the field of electronic devices rather than conventional binary compounds. .

【0003】そして、これらの酸化物超電導体の開発と
相俟って、この材料の電子デバイスへの応用を考え、酸
化物超電導体を作製する際に経る高熱過程に対しても安
定な絶縁体及び絶縁薄膜の開発が行われている[Y.Ichi
kawa,H.Adachi,T.Mitsuyu and K.Wasa,ジャパニーズ・
ジャーナル・オブ:アプライド・フィジックス(Japane
se Journal of Applied Physics)Vol.27,L381-L383(198
8)]。
Considering the application of this material to an electronic device in combination with the development of these oxide superconductors, an insulator which is stable even in the high heat process that occurs during the production of oxide superconductors. And the development of insulating thin film [Y.Ichi
kawa, H.Adachi, T.Mitsuyu and K.Wasa, Japanese
Journal of Applied Physics (Japane
se Journal of Applied Physics) Vol.27, L381-L383 (198
8)].

【0004】また、超電導体と絶縁体とを交互に積層す
ることにより、さらに高い超電導転移温度が従来から期
待されていた[M.H.Cohen and D.H.Douglass,Jr.,フィ
ジカル・レビュー・レターズ(Physical Review Letter
s)Vol.19,118-121(1967)]。
Further, a higher superconducting transition temperature has been conventionally expected by alternately stacking superconductors and insulators [MH Cohen and DHDouglass, Jr., Physical Review Letters].
s) Vol. 19, 118-121 (1967)].

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】しかし、酸化物超電導
体の材料は、良好な超電導特性を得るためには少なくと
も600℃以上の熱処理又は形成時の加熱を必要とす
る。このため、絶縁体の結晶性が崩れ、絶縁体及び絶縁
薄膜と超電導体との間で各元素の相互拡散が起こり、ま
た、超電導体並びに絶縁体の特性が劣化し、特に高温酸
化物超電導体と絶縁膜との周期的な積層構造を得ること
は極めて困難であり、ジョセフソンデバイスが代表応用
例として挙げられるこの構造を利用した集積化デバイス
の構成を不可能なものとしていた。
However, in order to obtain good superconducting properties, the material of the oxide superconductor requires at least 600 ° C. or higher heat treatment or heating during formation. Therefore, the crystallinity of the insulator collapses, mutual diffusion of each element occurs between the insulator and the insulating thin film, and the superconductor, and the characteristics of the superconductor and the insulator deteriorate. It is extremely difficult to obtain a periodic laminated structure of the insulating film and the insulating film, and it has been impossible to construct an integrated device using this structure, which is a typical application example of the Josephson device.

【0006】さらに、高温超電導体及び薄膜にとって最
適な絶縁薄膜が得られていないために、超電導体と絶縁
体との有効な積層構造が実現されておらず、超電導材料
そのものの超電導転移温度の上昇は望めないのが現状で
あった。
Further, since the optimum insulating thin film for the high temperature superconductor and the thin film has not been obtained, an effective laminated structure of the superconductor and the insulator has not been realized, and the superconducting transition temperature of the superconducting material itself rises. It was the current situation that I couldn't hope.

【0007】本発明は、前記従来技術の課題を解決する
ため、膜厚数10nm程度でも特性を補償する絶縁体と
その製造方法及び安定な超電導体薄膜とその製造方法を
提供することを目的とする。
In order to solve the above-mentioned problems of the prior art, it is an object of the present invention to provide an insulator that compensates the characteristics even when the film thickness is about 10 nm, a method for manufacturing the same, and a stable superconductor thin film and a method for manufacturing the same. To do.

【0008】[0008]

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、本発明に係る絶縁体は、主体成分として少なくとも
ビスマス(Bi)、鉛(Pb)、チタン(Ti)及び酸
素(O)を含む薄膜の積層体からなるという構成を備え
たものである。
In order to achieve the above object, the insulator according to the present invention is a thin film containing at least bismuth (Bi), lead (Pb), titanium (Ti) and oxygen (O) as main components. It is provided with a structure of being composed of a laminated body of.

【0009】また、本発明に係る絶縁体の製造方法は、
基体上に少なくともBiを含む酸化物層と、少なくとも
Bi、Pb及びTiを含む酸化物層とを交互に積層する
という構成を備えたものである。
Further, the method for manufacturing an insulator according to the present invention is
The structure is such that an oxide layer containing at least Bi and an oxide layer containing at least Bi, Pb, and Ti are alternately laminated on a substrate.

【0010】また、本発明に係る超電導体薄膜は、基体
上に主体成分として少なくともBi、Cu及びアルカリ
土類(IIa族)を含む酸化物層と、少なくともBi、
Ti及びPbを含む絶縁体酸化物層とが周期的に積層さ
れた構造を有するものである(ここで、アルカリ土類
は、IIa族元素のうちの少なくとも一種又は二種以上
の元素を示す。)。
Further, the superconductor thin film according to the present invention comprises an oxide layer containing at least Bi, Cu and alkaline earth (IIa group) as main components on a substrate, and at least Bi,
It has a structure in which an insulator oxide layer containing Ti and Pb is periodically laminated (here, the alkaline earth represents at least one element or two or more elements of the group IIa elements. ).

【0011】また、本発明に係る超電導体薄膜の製造方
法は、基体上に主体成分として少なくともBiを含む酸
化物層と、少なくともCu及びアルカリ土類(IIa
族)を含む酸化物層と、少なくともBi、Ti及びPb
を含む酸化物層とを周期的に積層堆積するという構成を
備えたものである(ここで、アルカリ土類は、IIa族
元素のうちの少なくとも一種又は二種以上の元素を示
す。)。
Further, the method for producing a superconductor thin film according to the present invention comprises an oxide layer containing at least Bi as a main component on a substrate, at least Cu and an alkaline earth (IIa).
Group) and an oxide layer containing at least Bi, Ti and Pb
And a structure in which an oxide layer containing is periodically stacked and deposited (here, the alkaline earth represents at least one element or two or more elements of the group IIa elements).

【0012】また、前記構成においては、元素の比率
が、Bi:Pb:Ti=4:(n−1):(2+n)で
表記されるのが好ましい(ここで、nは1以上の整数を
示す。)。
In the above structure, the ratio of elements is preferably expressed by Bi: Pb: Ti = 4: (n-1) :( 2 + n) (where n is an integer of 1 or more). Show.).

【0013】[0013]

【作用】前記本発明の絶縁体の構成によれば、熱的にも
極めて安定なBi2 2 酸化膜層又はこれを主体とした
層によって覆われた結晶構造を有し、酸化物超電導体と
ほぼ等しい形成温度であることから、特に酸化物高温超
電導体と接触させても高温熱処理等の過程を経ても、本
発明による絶縁体、超電導体薄膜の結晶性並びに特性が
互いに劣化することはない。さらに、本発明の絶縁体の
結晶構造は酸化物超電導体のそれと同じペロブスカイト
構造であり、特にa軸及びb軸の長さがほぼ等しいこと
から、酸化物超電導体と絶縁体の安定な連続積層が可能
となる。
According to the structure of the insulator of the present invention, the oxide superconductor has a crystal structure covered with a Bi 2 O 2 oxide film layer which is also extremely thermally stable or a layer mainly containing the Bi 2 O 2 oxide film layer. Since the formation temperature is almost equal to that of the oxide high temperature superconductor, the crystallinity and characteristics of the insulator and the superconductor thin film according to the present invention are not deteriorated with each other, even if they are brought into contact with the oxide high temperature superconductor or undergo a process such as high temperature heat treatment. Absent. Furthermore, the crystal structure of the insulator of the present invention is the same perovskite structure as that of the oxide superconductor, and in particular, since the lengths of the a-axis and the b-axis are almost equal, a stable continuous lamination of the oxide superconductor and the insulator is achieved. Is possible.

【0014】また、本発明の絶縁体の製造方法の構成に
よれば、上記絶縁体の構成を達成するために、基体上に
少なくともBiを含む酸化物層と、少なくともBi、P
b及びTiを含む酸化物層とを交互に積層することによ
り、Bi系超電導体薄膜と絶縁膜との積層構造を再現性
良く実現することができ、また、ジョセフソンデバイス
の設計に必要とされる厚さ数10nm以下の層間絶縁膜
を安定に形成することが可能となる。
Further, according to the structure of the method for producing an insulator of the present invention, in order to achieve the structure of the insulator, an oxide layer containing at least Bi and at least Bi and P are formed on the substrate.
By alternately laminating the oxide layers containing b and Ti, it is possible to realize the laminated structure of the Bi-based superconductor thin film and the insulating film with good reproducibility, and it is necessary for the design of the Josephson device. It is possible to stably form an interlayer insulating film having a thickness of several 10 nm or less.

【0015】また、本発明の超電導体薄膜の構成によれ
ば、Bi2 2 酸化膜層又はこれを主体とした層によっ
て共に覆われた結晶構造となっているBi系超電導体薄
膜と第1の発明に係る絶縁体の薄膜とが、交互に積層さ
れた構造を採ることにより、超電導体薄膜と絶縁膜との
間における元素の相互拡散のない積層構造を実現するこ
とができ、その結果、Bi系超電導体薄膜における超電
導転移温度を安定に再現性良く実現することができる。
Further, according to the structure of the superconductor thin film of the present invention, the Bi-based superconductor thin film having the crystal structure covered with the Bi 2 O 2 oxide film layer or the layer mainly containing the Bi 2 O 2 oxide film layer and the first The thin film of the insulator according to the invention, by adopting a structure of alternately laminated, it is possible to realize a laminated structure without mutual diffusion of elements between the superconductor thin film and the insulating film, as a result, The superconducting transition temperature in the Bi-based superconductor thin film can be stably realized with good reproducibility.

【0016】また、本発明の超電導体薄膜の製造方法の
構成によれば、第3の発明に係る超電導体薄膜を極めて
安定に、しかも微細スケールで実現するために、基体上
に主体成分として少なくともBiを含む酸化物層と、少
なくともCu及びアルカリ土類(IIa族)を含む酸化
物層と、少なくともBi、Ti及びPbを含む酸化物層
とを周期的に積層堆積することにより、Bi系超電導体
薄膜と絶縁膜との積層を再現性良く実現することができ
る。
Further, according to the structure of the method for producing a superconductor thin film of the present invention, in order to realize the superconductor thin film according to the third invention in an extremely stable manner and on a fine scale, at least as a main component on the substrate. Bi-based superconductivity is obtained by periodically stacking and depositing an oxide layer containing Bi, an oxide layer containing at least Cu and alkaline earth (group IIa), and an oxide layer containing at least Bi, Ti, and Pb. The lamination of the body thin film and the insulating film can be realized with good reproducibility.

【0017】[0017]

【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。酸化物高温超電導体の中で、安定性、超電
導転移温度の高さの観点からBi系超電導体が実用化に
最も有望な材料であると考えられる。また、この種の材
料の素子化を考えた場合、ジョセフソン接合等に用いら
れる層間絶縁膜の作製が問題となってくる。そこで、本
発明者らは、まず、Bi系超電導体薄膜についての層間
絶縁膜として種々の絶縁膜について検討した。
EXAMPLES The present invention will be described in more detail below with reference to examples. Among the oxide high-temperature superconductors, the Bi-based superconductors are considered to be the most promising materials for practical use from the viewpoint of stability and high superconducting transition temperature. Further, when considering the use of this type of material as an element, the production of an interlayer insulating film used for Josephson junction or the like becomes a problem. Therefore, the present inventors first examined various insulating films as the interlayer insulating film for the Bi-based superconductor thin film.

【0018】Bi−Sr−Ca−Cu−O系の酸化物超
電導体薄膜は、通常、600〜700℃に加熱した基体
上に蒸着することによって得られる。蒸着後そのままで
も、この薄膜は超電導特性を示すが、蒸着後に700〜
950℃の温度で熱処理を施せば超電導特性をさらに向
上させることができる。しかし、基体温度が高い時に絶
縁膜を超電導体薄膜に連続して積層したり、絶縁膜を形
成した後に熱処理を施すと、超電導体薄膜と絶縁膜との
間で元素の相互拡散が起こり、超電導特性が大きく劣化
することが判明した。元素の相互拡散を起こさないため
には、超電導体薄膜及び絶縁膜の結晶性が優れているこ
と、超電導体薄膜・絶縁膜間での格子の整合性が優れて
いること、絶縁膜が700〜950℃の熱処理に対して
安定であることが不可欠であると考えられる。
The Bi-Sr-Ca-Cu-O-based oxide superconductor thin film is usually obtained by vapor deposition on a substrate heated to 600 to 700 ° C. This thin film shows superconducting properties even after vapor deposition as it is.
If the heat treatment is performed at a temperature of 950 ° C., the superconducting property can be further improved. However, when the insulating film is continuously stacked on the superconductor thin film when the substrate temperature is high, or when heat treatment is performed after the insulating film is formed, mutual diffusion of elements occurs between the superconductor thin film and the insulating film, and It was found that the characteristics were significantly deteriorated. In order to prevent mutual diffusion of elements, the crystallinity of the superconductor thin film and the insulating film is excellent, the lattice matching between the superconductor thin film and the insulating film is excellent, It is considered essential to be stable to the heat treatment at 950 ° C.

【0019】まず、本発明者らは、Bi系層状強誘電体
の結晶の基本構造がBi2 2 酸化物層とTiを含むペ
ロブスカイト状酸化物層とからなり、Bi系超電導体と
極めて似通っていることに着目し、絶縁材料として検討
を行った。また、超電導体と誘電体とを組合せてデバイ
ス化を図る場合、真空中での加熱状態は避けて通れない
工程であることから、Bi系超電導体薄膜の上に誘電体
薄膜を成長させて評価を行った。
First, the inventors of the present invention have a basic crystal structure of a Bi-based layered ferroelectric substance consisting of a Bi 2 O 2 oxide layer and a perovskite-like oxide layer containing Ti, which is very similar to a Bi-based superconductor. We paid attention to the fact that it is an insulating material. In addition, when a device is made by combining a superconductor and a dielectric, a heating state in a vacuum is an unavoidable process. Therefore, a dielectric thin film is grown on a Bi-based superconductor thin film for evaluation. I went.

【0020】図1に、Bi系超電導体薄膜の上にBi−
Ti−O誘電体薄膜を成長させたときのX線回折スペク
トルの変化を示す。図1(a)、(b)、(c)はそれ
ぞれBi−Ti−O誘電体薄膜、Bi−Sr−Ca−C
u−O超電導体薄膜、Bi−Ti−O/Bi−Sr−C
a−Cu−O薄膜のX線回折スペクトルである。基体と
してSrTiO3 (100)を用い、焼成されたBi−
Ti−Oターゲット、Bi−Sr−Ca−Cu−Oター
ゲットからなる2元の高周波マグネトロンスパッタ装置
を用いて薄膜を作製した。この場合、基体の温度は65
0℃とした。また、Bi−Ti−O誘電体薄膜、Bi−
Sr−Ca−Cu−O超電導体薄膜の膜厚はそれぞれ5
0nm、150nmとした。図1(a)、(b)に示す
ように、Bi−Ti−O誘電体薄膜、Bi−Sr−Ca
−Cu−O超電導体薄膜はそれぞれ結晶性に優れたc軸
配向の誘電体Bi4 Ti3 12、超電導体Bi2 Sr2
CaCu2 8 となっていることが分かる。しかし、B
i−Sr−Ca−Cu−O超電導体薄膜を作製した後、
その上に直ちにBi−Ti−O誘電体薄膜を堆積した場
合には、Bi4 Ti3 12、Bi2 Sr2 CaCu2
8 のいずれの結晶相も現れず、図1(c)に示すよう
に、Bi−Sr−Oの固溶体結晶が出来てしまうことが
分かった。また、Bi−Ti−Oは本来絶縁体である
が、導通が確認された。この現象は、例えば、Bi−S
r−Ca−Cu−O超電導体薄膜を作製した後に基体温
度を室温まで下げ、再び基体の温度をBi−Ti−O誘
電体薄膜の作製温度まで上げてBi−Ti−O誘電体薄
膜を堆積した場合や、Bi−Sr−Ca−Cu−O超電
導体薄膜を作製した後に酸素ガスを含む雰囲気中でBi
2 Sr2 CaCu2 8 結晶を成長させるための熱処理
を十分に施した後、その上にBi−Ti−O誘電体薄膜
を堆積した場合にも同様に観察された。この原因は正確
には未だ不明であるが、およそ次のように考えることが
できる。すなわち、少なくともBi4 Ti3 12の結晶
化に必要な状態に加熱されたBi−Sr−Ca−Cu−
O超電導体薄膜中においては、Bi、Sr、Ca、C
u、Oは結合が弱く、その上に飛来したBi、Ti、O
の中でも最も活性力の強いTiの影響を受け、特にTi
はOと結合し易いことから、Bi、Sr、Ca、Cuが
必ず何らかの形態で結合しているOとの結合を切ってし
まい、Bi−Sr−Ca−Cu−O超電導体薄膜とBi
−Ti−O誘電体薄膜の界面からBi2 Sr2 CaCu
2 8 の元素比率がBi:Sr:Ca:Cu=2:2:
1:2から崩れてしまい、界面からBi−Sr−Oの固
溶体結晶が出来てしまうのではないかと考えられる。
In FIG. 1, Bi-on a Bi-based superconductor thin film,
X-ray diffraction spectrum of Ti-O dielectric thin film grown
Shows the change in tor. 1 (a), (b) and (c) are
Bi-Ti-O dielectric thin film, Bi-Sr-Ca-C, respectively
u-O superconductor thin film, Bi-Ti-O / Bi-Sr-C
It is an X-ray diffraction spectrum of an a-Cu-O thin film. Base
Then SrTiO3(100) was used and baked Bi-
Ti-O target, Bi-Sr-Ca-Cu-O target
Dual high-frequency magnetron sputtering system consisting of a get
A thin film was prepared using. In this case, the temperature of the substrate is 65
It was set to 0 ° C. In addition, Bi-Ti-O dielectric thin film, Bi-
The film thickness of each Sr-Ca-Cu-O superconductor thin film is 5
It was set to 0 nm and 150 nm. Shown in FIGS. 1 (a) and 1 (b)
, Bi-Ti-O dielectric thin film, Bi-Sr-Ca
-Cu-O superconductor thin films are c-axis with excellent crystallinity.
Oriented dielectric BiFourTi3O12, Superconductor Bi2Sr2
CaCu2O8You can see that it has become. But B
After producing the i-Sr-Ca-Cu-O superconductor thin film,
If a Bi-Ti-O dielectric thin film is immediately deposited on it,
In the case of BiFourTi3O12, Bi2Sr2CaCu2O
8None of the crystal phases appeared, as shown in Fig. 1 (c).
In addition, Bi-Sr-O solid solution crystals may be formed.
Do you get it. Bi-Ti-O is essentially an insulator.
However, continuity was confirmed. This phenomenon is caused by, for example, Bi-S.
After producing the r-Ca-Cu-O superconductor thin film, the substrate temperature was
Temperature to room temperature, and then the temperature of the substrate is again induced by Bi-Ti-O.
Bi-Ti-O dielectric thin
When a film is deposited, or Bi-Sr-Ca-Cu-O supercurrent
After forming the conductor thin film, Bi is formed in an atmosphere containing oxygen gas.
2Sr2CaCu2O8Heat treatment to grow crystals
Fully applied, and then a Bi-Ti-O dielectric thin film is formed thereon.
Was also observed in the case of depositing. The cause is accurate
Is still unknown, but it can be thought about as follows.
it can. That is, at least BiFourTi3O12Crystal of
Bi-Sr-Ca-Cu- heated to the state required for
In the O superconductor thin film, Bi, Sr, Ca, C
u and O have weak bonds, and Bi, Ti and O fly over them.
Of Ti, which has the strongest activity,
Is easily bonded to O, Bi, Sr, Ca, Cu
Be sure to break the bond with O which is bound in some form
Mai, Bi-Sr-Ca-Cu-O superconductor thin film and Bi
From the interface of the -Ti-O dielectric thin film to Bi2Sr2CaCu
2O 8Element ratio of Bi: Sr: Ca: Cu = 2: 2:
It collapses from 1: 2, and Bi-Sr-O solid
It is thought that a solution crystal will be formed.

【0021】そこで、本発明者らは、Tiを活性力の低
い粒子の状態でBi−Sr−Ca−Cu−O超電導体薄
膜の上に飛来させるための実験及び検討を行った。その
結果、Bi系強誘電体結晶を構成するBi2 2 酸化物
層とTiを含むペロブスカイト状酸化物層の中で、ペロ
ブスカイト状酸化物層にTiとPbを添加していくこと
により、Bi−Sr−Ca−Cu−O超電導体薄膜の結
晶構造は保持されたままBi系誘電体が成長すること、
及び強誘電体としても優れた特性を示す可能性があるこ
とを見い出し、一連の発明をするに至った。
Therefore, the present inventors have conducted experiments and studies for causing Ti to fly onto the Bi-Sr-Ca-Cu-O superconductor thin film in the form of particles having low activity. As a result, by adding Ti and Pb to the perovskite-like oxide layer among the Bi 2 O 2 oxide layer and the perovskite-like oxide layer containing Ti constituting the Bi-based ferroelectric crystal, Bi That the Bi-based dielectric grows while maintaining the crystal structure of the —Sr—Ca—Cu—O superconductor thin film;
Further, they have found that they may exhibit excellent properties as a ferroelectric, and have made a series of inventions.

【0022】以下、具体的実施例を挙げて本発明をさら
に詳細に説明する。 (実施例1)図2に、本実施例1で用いた薄膜作製装置
の概略図を示す。本実施例1においては、Bi−Sr−
Ca−Cu−O超電導体薄膜とBi−Ti−O誘電体薄
膜とを連続的に積層するために、2元ターゲットの高周
波マグネトロンスパッタ法によってそれぞれの膜を蒸着
した。基体としてはMgO(100)基体5を用い、ス
パッタリングターゲットとしては、空気中において90
0℃の温度で5時間焼成した混合酸化物のBi2 Sr2
Ca2 Cu3 10+xディスクターゲット1とBi4 Ti
3 12+yディスクターゲット2を用いた。また、スパッ
タリングガスとしてはArとO2 の混合ガス(Ar:O
2 =1:9、0.5Pa)を用いた。各ターゲット1、
2は、MgO(100)基体5に焦点を結ぶように約3
0°傾けて設置されている。ターゲット1、2の前方に
はそれぞれシャッター3、4が設けられており、Bi−
Sr−Ca−Cu−O超電導体薄膜とBi−Ti−O誘
電体薄膜とを連続的に基体5の上に積層することができ
るようにされている。尚、図2中、6は基体加熱用のヒ
ーターである。
The present invention will be described in more detail below with reference to specific examples. (Embodiment 1) FIG. 2 shows a schematic view of the thin film forming apparatus used in the present embodiment 1. In the first embodiment, Bi-Sr-
In order to continuously stack the Ca-Cu-O superconductor thin film and the Bi-Ti-O dielectric thin film, the respective films were vapor-deposited by a high-frequency magnetron sputtering method using a binary target. The MgO (100) substrate 5 is used as the substrate, and the sputtering target in air is 90%.
Bi 2 Sr 2 of mixed oxides calcined at 0 ° C. for 5 hours
Ca 2 Cu 3 O 10 + x disk target 1 and Bi 4 Ti
3 O 12 + y disk target 2 was used. As the sputtering gas, a mixed gas of Ar and O 2 (Ar: O
2 = 1: 9, 0.5 Pa) was used. Each target 1,
2 is about 3 so as to focus on the MgO (100) substrate 5.
It is installed at an angle of 0 °. Shutters 3 and 4 are provided in front of the targets 1 and 2, respectively.
The Sr-Ca-Cu-O superconductor thin film and the Bi-Ti-O dielectric thin film can be continuously laminated on the substrate 5. In FIG. 2, 6 is a heater for heating the substrate.

【0023】ターゲット1、2にそれぞれ80W、40
Wのスパッタ電力を注入してターゲット1、2をスパッ
タし、ヒーター6によって650℃に加熱した基体5の
上にまずBi−Sr−Ca−Cu−O超電導体薄膜を1
50nmの膜厚で堆積し、続いてその上にBi−Ti−
O誘電体薄膜を50nmの膜厚で積層堆積した。Bi−
Ti−O誘電体薄膜を堆積した後の薄膜の結晶構造は図
1(c)に示すとおりであり、薄膜の最表面は絶縁性を
示さなかった。
Targets 1 and 2 are 80 W and 40, respectively
Targets 1 and 2 are sputtered by injecting a sputtering power of W, and a Bi-Sr-Ca-Cu-O superconductor thin film is first formed on the substrate 5 heated to 650 ° C. by the heater 6.
Deposited to a film thickness of 50 nm, and then Bi-Ti-
An O dielectric thin film was laminated and deposited to a film thickness of 50 nm. Bi-
The crystal structure of the thin film after depositing the Ti—O dielectric thin film is as shown in FIG. 1 (c), and the outermost surface of the thin film did not show insulation.

【0024】本発明者らは、Bi−Ti−Oターゲット
にBiとPbを添加していくと絶縁性が向上することを
見い出した。すなわち、Bi4 Ti3 12+yディスクタ
ーゲットを粉砕し、TiO2 粉体とPbO粉体を加えて
再度焼成したものをターゲット2として使用し、Bi−
Pb−Ti−O誘電体薄膜をBi−Sr−Ca−Cu−
O超電導体薄膜の上に堆積すれば、Bi−Pb−Ti−
O誘電体薄膜はBi−Sr−Ca−Cu−O超電導体薄
膜の上であっても絶縁性を示すことを見い出した。尚、
TiO2 粉体とPbO粉体はTi:Pb=1:1の割合
で加えた。Bi−Sr−Ca−Cu−O超電導体薄膜上
のBi−Pb−Ti−O誘電体薄膜の上に、スパッタ法
を用いて直径0.3mm、膜厚約50nmのPt電極を
1.5mm間隔で2個蒸着し、100Hzから1MHz
の周波数を有する振幅5Vの電圧に対するインピーダン
ス変化からBi−Pb−Ti−O誘電体薄膜の誘電率、
抵抗率、リーク(漏れ)電流を測定した。この中で絶縁
性を最も的確に表現するパラメーターはリーク電流であ
った。
The inventors of the present invention have found that the insulating property is improved by adding Bi and Pb to the Bi-Ti-O target. That is, a Bi 4 Ti 3 O 12 + y disk target was crushed, TiO 2 powder and PbO powder were added, and the mixture was fired again.
The Pb-Ti-O dielectric thin film was Bi-Sr-Ca-Cu-
If it is deposited on the O superconductor thin film, Bi-Pb-Ti-
It has been found that the O-dielectric thin film exhibits insulating properties even on the Bi-Sr-Ca-Cu-O superconductor thin film. still,
The TiO 2 powder and PbO powder were added at a ratio of Ti: Pb = 1: 1. On the Bi-Pb-Ti-O dielectric thin film on the Bi-Sr-Ca-Cu-O superconductor thin film, a Pt electrode having a diameter of 0.3 mm and a film thickness of about 50 nm was spaced by 1.5 mm using a sputtering method. Two vapor deposition at 100Hz to 1MHz
Of the Bi-Pb-Ti-O dielectric thin film from the impedance change with respect to the voltage of amplitude 5V having the frequency of
The resistivity and leak current were measured. The parameter that most accurately expresses the insulating property was the leak current.

【0025】図3に、Bi−Ti−O誘電体薄膜に添加
したTi+Pbの量に対するリーク電流の変化を示す。
Ti+Pbの量は、添加したTiとPbの比率が1:1
であることから、Bi4 Pbz Ti3+z 12+yのzで表
記した。z>0でリーク電流は減少し、z≧5で再び増
加することが分かった。また、本発明者らは、z=2の
とき添加するTiとPbの比率について同様にリーク電
流の変化を調べた。図4に、添加するTiとPbの比率
(Pb/Ti)に対するBi−Pb−Ca−Cu−O超
電導体薄膜上のBi−Pb−Ti−O誘電体薄膜のリー
ク電流の変化を示す。図4から明らかなように、Ti:
Pb=1:1のときに、リーク電流が最も小さく、絶縁
性に優れていることが分かる。すなわち、Bi−Pb−
Ti−O誘電体薄膜中の元素の比率がBi:Pb:Ti
=4:(n−1):(2+n)で表記されるときに、絶
縁性に最も優れていることが分かる。ここで、nは1以
上の整数である。
FIG. 3 shows the change in leak current with respect to the amount of Ti + Pb added to the Bi-Ti-O dielectric thin film.
As for the amount of Ti + Pb, the ratio of added Ti and Pb is 1: 1.
Therefore, it is represented by z of Bi 4 Pb z Ti 3 + z O 12 + y . It was found that the leakage current decreased when z> 0 and increased again when z ≧ 5. Further, the present inventors also examined the change in leak current for the ratio of Ti and Pb added when z = 2. FIG. 4 shows a change in the leak current of the Bi-Pb-Ti-O dielectric thin film on the Bi-Pb-Ca-Cu-O superconductor thin film with respect to the ratio of added Ti and Pb (Pb / Ti). As is clear from FIG. 4, Ti:
It can be seen that when Pb = 1: 1, the leak current is the smallest and the insulation is excellent. That is, Bi-Pb-
The ratio of elements in the Ti—O dielectric thin film is Bi: Pb: Ti.
= 4: (n-1) :( 2 + n), it can be seen that the insulating property is the best. Here, n is an integer of 1 or more.

【0026】このように良好な絶縁体が得られた原因は
未だ不明確であるが、およそ次のように考えることがで
きる。すなわち、Tiは、比率1:1のPbとPb−T
i−Oの単位でBi−Pb−Ti−O誘電体薄膜を作製
する時にBi−Sr−Ca−Cu−O超電導体薄膜の上
に飛来し、既にエネルギー的に安定した状態にあるた
め、他の元素に影響を及ぼすことがなく、Bi−Sr−
Ca−Cu−O超電導体薄膜との界面で固溶体の結晶を
作ることがないことによるものと考えられる。
The reason why such a good insulator is obtained is still unclear, but it can be considered as follows. That is, Ti is Pb and Pb-T with a ratio of 1: 1.
When a Bi-Pb-Ti-O dielectric thin film is produced in units of i-O, it jumps onto the Bi-Sr-Ca-Cu-O superconductor thin film and is already in an energy stable state. Bi-Sr-
It is considered that this is because no solid solution crystal is formed at the interface with the Ca-Cu-O superconductor thin film.

【0027】さらに本発明者らは、本実施例1に示した
Bi−Pb−Ti−O誘電体薄膜が強誘電体として優れ
ていることも併せて見い出した。すなわち、Ti、Pb
を添加しないBi−Ti−O誘電体薄膜に比べて誘電率
が大きくなることを見い出した。図5に、Bi−Ti−
O誘電体薄膜に添加したTi+Pbの量に対する室温で
のBi−Pb−Ti−O誘電体薄膜の比誘電率の変化を
示す。尚、本発明者らは添加したTiとPbの比率が
1:1のときに比誘電率が最も高いことを併せて見い出
した。
Furthermore, the present inventors have also found that the Bi-Pb-Ti-O dielectric thin film shown in this Example 1 is excellent as a ferroelectric. That is, Ti, Pb
It has been found that the dielectric constant is higher than that of the Bi-Ti-O dielectric thin film in which is not added. In FIG. 5, Bi-Ti-
3 shows changes in the relative permittivity of a Bi-Pb-Ti-O dielectric thin film at room temperature with respect to the amount of Ti + Pb added to the O dielectric thin film. The inventors also found that the relative permittivity was highest when the ratio of added Ti and Pb was 1: 1.

【0028】さらに本発明者らは、Bi系層状強誘電体
が(Bi2 2 2+(Bi2 Pbn- 1 Ti2+n 3n+7
2-の組成式で表記されることに着目し、Bi−O層と仮
相ペロブスカイト層であるBi−Pb−Ti−O層とを
原子オーダーで周期的に積層したときにBi系層状強誘
電体薄膜の結晶性及び特性が向上することを見い出し
た。そして、この方法によって第1の発明の絶縁体を作
製すれば、本実施例1に示した作製方法よりも格段に制
御性良く、安定した膜質の、しかも膜表面が極めて平坦
な絶縁膜を得ることができることを見い出した。
Furthermore, the present inventors have found that the Bi-based layered ferroelectric substance is (Bi 2 O 2 ) 2+ (Bi 2 Pb n- 1 Ti 2 + n O 3n + 7 )
Paying attention to the fact that it is represented by a composition formula of 2- , when a Bi-O layer and a Bi-Pb-Ti-O layer that is a temporary perovskite layer are periodically laminated in atomic order, a Bi-based layered ferroelectric It has been found that the crystallinity and characteristics of the body thin film are improved. When the insulator of the first invention is manufactured by this method, an insulating film having much better controllability, stable film quality, and extremely flat film surface than the manufacturing method shown in the first embodiment is obtained. I found that I could do it.

【0029】Bi4 Pbn-1 Ti2+n 3n+9結晶は、c
軸方向に(Bi2 2 2+層と(Bi2 Pbn-1 Ti
2+n 3n+72-層とからなる積層構造を有していると考
えられる。これは、それぞれ層状構造を構成する異なる
元素又は単位層を別々に順次積層していくことにより、
基体表面に対し平行な面内だけで積層された蒸着元素が
動くだけで、基体表面に対し垂直方向への元素の移動が
ないと考えられるからである。
Bi 4 Pb n-1 Ti 2 + n O 3n + 9 crystals are c
Axial direction of (Bi 2 O 2 ) 2+ layer and (Bi 2 Pb n-1 Ti)
It is considered to have a laminated structure composed of 2 + n O 3n + 7 ) 2− layers. This is because by sequentially laminating different elements or unit layers that respectively form a layered structure,
This is because it is considered that the deposited vapor deposition elements move only in the plane parallel to the substrate surface, and that the elements do not move in the direction perpendicular to the substrate surface.

【0030】さらに、良好な超電導特性を得るために必
要な基体温度、熱処理温度も従来より低いことを見い出
した。Bi−Pb−Ti−O誘電体薄膜を作製する方法
として、Bi−O→(Bi−Pb−Ti−O)→Bi−
Oのサイクルで積層する方法が考えられる。一般に、M
BE装置又は多元のEB蒸着装置で蒸発源の前を開閉シ
ャッターで制御したり、気相成長法で作製する際にガス
の種類を切り替えることにより、周期的積層構造を実現
することができる。しかし、従来、この種の非常に薄い
層を積層するにはスパッタリング蒸着は不向きとされて
いた。その理由は、成膜中のガス圧の高さに起因する不
純物の混入及びエネルギーの高い粒子によるダメージが
あるからと考えられている。しかし、本発明者らは、こ
のBi−Ti−O誘電体薄膜に対しスパッタリング蒸着
によって異なる薄い層を積層したところ、良好な積層膜
を作製することが可能であることを見い出した。
Further, it has been found that the substrate temperature and the heat treatment temperature necessary for obtaining good superconducting properties are lower than those in the conventional case. As a method for producing a Bi-Pb-Ti-O dielectric thin film, Bi-O->(Bi-Pb-Ti-O)-> Bi-
A method of stacking in an O cycle can be considered. Generally, M
A periodic stacking structure can be realized by controlling the opening and closing shutter in front of the evaporation source with a BE apparatus or a multi-source EB vapor deposition apparatus, or by switching the type of gas when the vapor phase growth method is used. However, conventionally, sputtering deposition has been unsuitable for stacking such a very thin layer. It is considered that the reason is that there is contamination by impurities due to high gas pressure during film formation and damage by particles having high energy. However, the present inventors have found that when a different thin layer is laminated on this Bi-Ti-O dielectric thin film by sputtering vapor deposition, a good laminated film can be produced.

【0031】スパッタリング蒸着によって異なる物質を
積層する方法としては、組成分布を設けた1個のスパッ
タリングターゲットの放電位置を周期的に制御するとい
う方法があるが、組成の異なる複数個のターゲットをス
パッタするという方法を用いれば比較的簡単に実現する
ことができる。この場合、複数個のターゲットの各々の
スパッタ量を周期的に制御したり、あるいはターゲット
の前にシャッターを設けて周期的に開閉することによ
り、周期的積層膜を作製することができる。また、基板
を周期運動させて各ターゲットの上を移動させるという
方法を採用しても、同様に周期的積層膜を作製すること
ができる。レーザースパッタやイオンビームスパッタを
用いた場合には、複数個のターゲットを周期運動させ
て、ビームを照射するターゲットを周期的に変えること
により、周期的積層膜を実現することができる。このよ
うに複数個のターゲットを用いたスパッタリング蒸着を
採用すれば、比較的簡単にBi−Pb−Ti−O系酸化
物の周期的積層膜を作製することが可能となる。
As a method of laminating different substances by sputtering vapor deposition, there is a method of periodically controlling the discharge position of one sputtering target having a composition distribution, but a plurality of targets having different compositions are sputtered. This can be achieved relatively easily by using this method. In this case, the periodic laminated film can be manufactured by periodically controlling the sputtering amount of each of the plurality of targets, or by providing a shutter in front of the target and periodically opening and closing it. Also, a periodic laminated film can be similarly produced by adopting a method of moving the substrate over each target by periodically moving the substrate. When laser sputtering or ion beam sputtering is used, a periodic laminated film can be realized by periodically moving a plurality of targets and periodically changing the targets for beam irradiation. By adopting sputtering deposition using a plurality of targets in this way, it becomes possible to relatively easily form a periodic laminated film of Bi—Pb—Ti—O-based oxide.

【0032】(実施例2)本実施例2においても、実施
例1と同様に図2に示す装置を用いた。図2中、1はB
iメタルディスクターゲット、2はBi−Pb−Ti−
O焼成ディスクターゲットである。基体5としては、既
にMgO(100)上に形成されたBi−Sr−Ca−
Cu−O超電導体薄膜を用いた。ターゲット1、2の前
方にはそれぞれシャッター3、4が設けられており、各
ターゲット1、2のサイクル及びスパッタ時間を設定す
ることができるようにされている。尚、スパッタリング
ガスとしてはArとO2 の混合ガス(Ar:O2 =4:
1、1.0Pa)を用いた。
(Embodiment 2) In Embodiment 2 as well, the apparatus shown in FIG. 2 was used as in Embodiment 1. In FIG. 2, 1 is B
i metal disk target, 2 is Bi-Pb-Ti-
O burning disc target. As the substrate 5, Bi-Sr-Ca- which was already formed on MgO (100) was used.
A Cu-O superconductor thin film was used. Shutters 3 and 4 are provided in front of the targets 1 and 2, respectively, so that the cycle and sputtering time of each target 1 and 2 can be set. As the sputtering gas, a mixed gas of Ar and O 2 (Ar: O 2 = 4:
1, 1.0 Pa) was used.

【0033】ターゲット1、2にそれぞれ60W、20
0Wのスパッタ電力を注入してターゲット1、2をスパ
ッタし、650℃に加熱した基体5の上に、(Bi−
O)→(Bi−Pb−Ti−O)→(Bi−O)のサイ
クルでBi−Pb−Ti−O誘電体薄膜を作製した。
Targets 1 and 2 are 60 W and 20 respectively
Targets 1 and 2 were sputtered by injecting 0 W of sputter power, and (Bi-
A Bi-Pb-Ti-O dielectric thin film was produced by a cycle of (O)->(Bi-Pb-Ti-O)-> (Bi-O).

【0034】このようにして作製したBi−Pb−Ti
−O誘電体薄膜のリーク電流を実施例1と同様にして測
定した。その結果を図6に示す。図6に示すように、絶
縁膜の作製方法として上記のような方法を採用すること
により、リーク電流が約1桁下がることが分かった(図
4参照)。このようにリーク電流が下がったのは、(B
i−O)層と(Bi−Pb−Ti−O)層とを順次積層
したことにより、層状結晶本来の特性が向上したことに
よるものと考えられる。
Bi-Pb-Ti produced in this way
The leak current of the -O dielectric thin film was measured in the same manner as in Example 1. The result is shown in FIG. As shown in FIG. 6, it was found that the leak current is reduced by about one digit by adopting the above method as a method for forming the insulating film (see FIG. 4). The reason why the leak current is reduced is (B
It is considered that the original characteristics of the layered crystal were improved by sequentially stacking the (i-O) layer and the (Bi-Pb-Ti-O) layer.

【0035】(実施例3)図7に、本実施例3で作製し
た薄膜の断面図を模式的に示す。図7に示すように、基
体上にBi−Sr−Ca−Cu−O超電導体薄膜とBi
−Pb−Ti−O誘電体薄膜とを交互に積層した。積層
方法としては、実施例1と同様に2元高周波マグネトロ
ンスパッタ法を用いた。ターゲット1として焼成Bi−
Sr−Ca−Cu−O、ターゲット2としてBi−Pb
−Ti−Oを用い、Bi−Sr−Ca−Cu−O超電導
体薄膜100nmとBi−Pb−Ti−O誘電体薄膜と
を5周期交互にスパッタし、Bi−Pb−Ti−O誘電
体薄膜の膜厚を変えて薄膜の抵抗率の変化を調べた。そ
の結果を図8に示す。図8に示すように、Bi−Pb−
Ti−O誘電体薄膜が20nmのときに最も高い超電導
転移温度及びゼロ抵抗温度、すなわち特性8を得ること
ができた。特性8の超電導転移温度、ゼロ抵抗温度はB
i−Sr−Ca−Cu−O超電導体薄膜本来のそれらの
値よりも約8ケルビン高いものであった。この効果の詳
細な理由は未だ不明であるが、図7に示すように、Bi
−Sr−Ca−Cu−O超電導体薄膜とBi−Pb−T
i−O誘電体薄膜とを周期的に積層することにより、B
i−Sr−Ca−Cu−O超電導体薄膜とBi−Pb−
Ti−O誘電体薄膜とが互いにBi2 2 層を介してエ
ピタキシャル成長するために積層界面での元素の相互拡
散の影響がなく、かつ、結晶性に優れた薄いBi−Pb
−Ti−O誘電体薄膜を介して同じく結晶性に優れたB
i−Sr−Ca−Cu−O超電導体薄膜を積層すること
により、Bi−Sr−Ca−Cu−O超電導体薄膜にお
いて超電導機構に何らかの変化が引き起こされたことに
よるものと考えられるが、機構は未だ明らかではない。
(Embodiment 3) FIG. 7 schematically shows a cross-sectional view of the thin film produced in this Embodiment 3. As shown in FIG. 7, a Bi-Sr-Ca-Cu-O superconductor thin film and Bi were formed on the substrate.
-Pb-Ti-O dielectric thin films were alternately laminated. As a laminating method, a binary high frequency magnetron sputtering method was used as in Example 1. Firing Bi- as target 1
Sr-Ca-Cu-O, Bi-Pb as the target 2
-Ti-O, Bi-Sr-Ca-Cu-O superconductor thin film 100 nm and Bi-Pb-Ti-O dielectric thin film were alternately sputtered for 5 cycles to obtain Bi-Pb-Ti-O dielectric thin film. The change in the resistivity of the thin film was investigated by changing the film thickness of. The result is shown in FIG. As shown in FIG. 8, Bi-Pb-
It was possible to obtain the highest superconducting transition temperature and zero resistance temperature, that is, characteristic 8, when the Ti—O dielectric thin film had a thickness of 20 nm. The superconducting transition temperature and zero resistance temperature of characteristic 8 are B
It was about 8 Kelvin higher than the original values of the i-Sr-Ca-Cu-O superconductor thin film. Although the detailed reason for this effect is still unknown, as shown in FIG.
-Sr-Ca-Cu-O superconductor thin film and Bi-Pb-T
By periodically laminating an i-O dielectric thin film, B
i-Sr-Ca-Cu-O superconductor thin film and Bi-Pb-
Since the Ti—O dielectric thin film and the Ti—O dielectric thin film are epitaxially grown on each other through the Bi 2 O 2 layer, there is no influence of mutual diffusion of elements at the stacking interface, and the thin Bi—Pb is excellent in crystallinity.
B, which is also excellent in crystallinity via a -Ti-O dielectric thin film
It is considered that by laminating the i-Sr-Ca-Cu-O superconductor thin film, some change was caused in the superconducting mechanism in the Bi-Sr-Ca-Cu-O superconductor thin film, but the mechanism is Not clear yet.

【0036】(実施例4)図9に、本実施例4で用いた
薄膜作製装置の概略図を示す。本実施例4においては、
Bi−Sr−Ca−Cu−O超電導体薄膜とBi−Pb
−Ti−O誘電体薄膜とを連続的に積層するために、3
元ターゲットの高周波マグネトロンスパッタ法によって
それぞれの膜を蒸着した。基体としてはMgO(10
0)基体16を用い、スパッタリングターゲットとして
は、Biディスクターゲット10、焼成Sr−Ca−C
u−Oディスクターゲット11及び焼成Bi−Pb−T
i−Oディスクターゲット12を用いた。ここで、ター
ゲット11の元素比率はSr:Ca:Cu=2:2:
3、ターゲット12の元素比率はBi:Pb:Ti=
2:2:5である。各ターゲット10、11、12は、
MgO(100)基体16に焦点を結ぶように約30°
傾けて設置されている。ターゲット10、11、12の
前方にはそれぞれシャッター13、14、15が設けら
れており、ターゲット10、11、12から基体16の
上に別々に膜を蒸着させることができるようにされてい
る。そして、シャッター13、14、15の開閉を制御
することにより、(Bi−O)→(Sr−Ca−Cu−
O)→(Bi−O)のサイクルと(Bi−O)→(Bi
−Pb−Ti−O)→(Bi−O)のサイクルでスパッ
タ蒸着を行うことができる。尚、図9中、17は基体加
熱用のヒーターである。積層の様子を概念的に図7に示
したが、ターゲット10、11、12への入力電力及び
各ターゲット10、11、12のスパッタ時間を制御す
ることにより、基体16の上に蒸着するBi−Sr−C
a−Cu−O超電導体薄膜とBi−Pb−Ti−O誘電
体薄膜の膜厚を変えることができる。
(Embodiment 4) FIG. 9 shows a schematic view of a thin film forming apparatus used in this Embodiment 4. In the fourth embodiment,
Bi-Sr-Ca-Cu-O superconductor thin film and Bi-Pb
In order to continuously stack the —Ti—O dielectric thin film, 3
Each film was vapor-deposited by the high frequency magnetron sputtering method of the original target. MgO (10
0) The substrate 16 is used, and the sputtering target is a Bi disk target 10 or a calcined Sr-Ca-C.
u-O disk target 11 and fired Bi-Pb-T
The i-O disk target 12 was used. Here, the element ratio of the target 11 is Sr: Ca: Cu = 2: 2:
3, the element ratio of the target 12 is Bi: Pb: Ti =
It is 2: 2: 5. Each target 10, 11, 12
Approximately 30 ° to focus on the MgO (100) substrate 16.
It is installed at an angle. Shutters 13, 14 and 15 are provided in front of the targets 10, 11 and 12, respectively, so that films can be separately deposited from the targets 10, 11 and 12 onto the substrate 16. Then, by controlling opening / closing of the shutters 13, 14, 15, (Bi-O) → (Sr-Ca-Cu-
O) → (Bi−O) cycle and (Bi−O) → (Bi
Sputter deposition can be performed in the cycle of -Pb-Ti-O)-> (Bi-O). In FIG. 9, 17 is a heater for heating the substrate. The state of stacking is conceptually shown in FIG. 7, but by controlling the input power to the targets 10, 11, 12 and the sputtering time of each target 10, 11, 12 to deposit Bi on the substrate 16, Sr-C
The film thickness of the a-Cu-O superconductor thin film and the Bi-Pb-Ti-O dielectric thin film can be changed.

【0037】基体16をヒーター17によって約700
℃に加熱し、アルゴン・酸素(1:1)混合雰囲気0.
5Paのガス中で各ターゲット10、11、12のスパ
ッタリングを行った。そして、薄膜を作製した後、酸素
雰囲気中において850℃の熱処理を5時間施した。本
実施例4では、Bi−Sr−Ca−Cu−O超電導体薄
膜の元素の組成比率がBi:Sr:Ca:Cu=2:
2:2:3、Bi−Pb−Ti−O誘電体薄膜の元素の
組成比率がBi:Pb:Ti=4:2:5となるよう
に、スパッタ時間及びスパッタ電流を調節した。尚、本
発明者らによれば、結晶性を維持したまま薄くできる膜
厚の限界は数nmであると思われる。絶縁膜はできるだ
け薄い方が好ましいので、本発明者らはh・[(Bi−
O)→(Sr−Ca−Cu−O)→(Bi−O)]→i
・[(Bi−O)→(Bi−Pb−Ti−O)→(Bi
−O)]と書き表せる周期を20周期行った。その結
果、良好な結晶構造を保ったまま作製できるBi−Pb
−Ti−O誘電体薄膜の膜厚はi=2が限度であった。
そこで、本発明者らはi=2のとき、hを変化させて作
製した薄膜の抵抗率の温度変化を調べた。その結果を図
10に示す。図10において、18はh=2、19はh
=6、20はh=10のときの結果である。図10から
明らかなように、h=6のとき超電導転移温度並びにゼ
ロ抵抗温度が絶縁膜Bi−Pb−Ti−O誘電体薄膜と
積層しない場合に比べ最も上昇することが分かった。こ
の物理的な原因は明らかでないが、Bi−Sr−Ca−
Cu−O超電導体薄膜とBi−Pb−Ti−O誘電体薄
膜の両方を極めて制御性良く積層することができたこと
によるものと考えられる。
The substrate 16 is heated to about 700 by the heater 17.
Heated to 0 ° C. and mixed with argon / oxygen (1: 1) atmosphere of 0.
The targets 10, 11 and 12 were sputtered in a gas of 5 Pa. Then, after forming the thin film, heat treatment was performed at 850 ° C. for 5 hours in an oxygen atmosphere. In Example 4, the composition ratio of elements of the Bi-Sr-Ca-Cu-O superconductor thin film was Bi: Sr: Ca: Cu = 2 :.
The sputtering time and sputtering current were adjusted so that the composition ratio of the elements of the Bi-Pb-Ti-O dielectric thin film was 2: 2: 3, Bi: Pb: Ti = 4: 2: 5. According to the present inventors, it seems that the limit of the film thickness that can be reduced while maintaining the crystallinity is several nm. Since it is preferable that the insulating film be as thin as possible, the present inventors have found that h · [(Bi−
O)->(Sr-Ca-Cu-O)->(Bi-O)]-> i
-[(Bi-O)->(Bi-Pb-Ti-O)-> (Bi
-O)] was performed for 20 cycles. As a result, Bi-Pb that can be produced while maintaining a good crystal structure
The film thickness of the —Ti—O dielectric thin film was limited to i = 2.
Therefore, the present inventors investigated the temperature change of the resistivity of the thin films produced by changing h when i = 2. The result is shown in FIG. In FIG. 10, 18 is h = 2, 19 is h
= 6 and 20 are the results when h = 10. As is apparent from FIG. 10, it was found that when h = 6, the superconducting transition temperature and the zero resistance temperature were the highest compared with the case where the insulating film Bi-Pb-Ti-O dielectric thin film was not laminated. The physical cause of this is not clear, but Bi-Sr-Ca-
This is probably because both the Cu-O superconductor thin film and the Bi-Pb-Ti-O dielectric thin film could be laminated with extremely good controllability.

【0038】さらに本発明者らは、スパッタリング法を
用いなくても、Biの酸化物と、Sr、Ca、Cu、T
i、Pbの酸化物を異なる蒸発源から真空中で別々に蒸
発させ、同様の構造を周期的に積層させた場合、実施例
2、4に示したスパッタリングを用いた積層構造作製方
法と同様に制御性良く、安定した膜質の薄膜を得ること
が可能であることも併せて見い出した。Bi−O、Sr
−Ca−Cu−O、Bi−Pb−Ti−Oを周期的に積
層させる方法としては、いくつか考えられる。一般に
は、MBE装置又は多元のEB蒸着装置で蒸発源の前を
開閉シャッターで制御したり、気相成長法で作製する際
にガスの種類を切り替えることにより、周期的積層構造
を実現することができる。しかし、従来、この種の非常
に薄い層を積層するにはスパッタリング蒸着は不向きと
されていた。その理由は、成膜中のガス圧の高さに起因
する不純物の混入及びエネルギーの高い粒子によるダメ
ージがあるからと考えられている。しかし、本発明者ら
は、このBi系酸化物超電導体又は絶縁薄膜に対しスパ
ッタリング蒸着によって異なる薄い層を積層したとこ
ろ、良好な積層膜を作製することが可能であることを見
い出した。スパッタ中の高い酸素ガス圧及びスパッタ放
電により、膜内への酸素導入が促進され、超電導特性の
再現性、安定化が図られ、Bi系の100ケルビン以上
の臨界温度を有する相の形成及び絶縁薄膜の形成に都合
がよいためではないかと考えられる。
Further, the inventors of the present invention have confirmed that Bi oxide, Sr, Ca, Cu and T may be used without using the sputtering method.
When the oxides of i and Pb are separately evaporated in a vacuum from different evaporation sources and the same structure is periodically stacked, the stacked structure manufacturing method using sputtering shown in Examples 2 and 4 is performed. It was also found that it is possible to obtain a thin film with good controllability and stable film quality. Bi-O, Sr
There are several possible methods for periodically stacking -Ca-Cu-O and Bi-Pb-Ti-O. In general, a periodic stacking structure can be realized by controlling the opening and closing shutter in front of the evaporation source with an MBE apparatus or a multi-source EB vapor deposition apparatus, or by switching the gas type when manufacturing by the vapor phase growth method. it can. However, conventionally, sputtering deposition has been unsuitable for stacking such a very thin layer. It is considered that the reason is that there is contamination by impurities due to high gas pressure during film formation and damage by particles having high energy. However, the present inventors have found that a good laminated film can be produced by laminating different thin layers on the Bi-based oxide superconductor or the insulating thin film by sputtering deposition. Due to the high oxygen gas pressure during sputtering and sputter discharge, introduction of oxygen into the film is promoted, reproducibility and stabilization of superconducting characteristics are achieved, and formation and insulation of a Bi-based phase having a critical temperature of 100 Kelvin or higher. This is probably because it is convenient for forming a thin film.

【0039】スパッタリング蒸着によって異なる物質を
積層させる方法としては、組成分布を設けた1個のスパ
ッタリングターゲットの放電位置を周期的に制御すると
いう方法があるが、組成の異なる複数個のターゲットを
スパッタするという方法を用いれば比較的簡単に実現す
ることができる。この場合、複数個のターゲットの各々
のスパッタ量を周期的に制御したり、あるいはターゲッ
トの前にシャッターを設けて周期的に開閉することによ
り、周期的積層膜を作製することができる。また、基板
を周期的に運動させて各ターゲットの上を移動させると
いう方法を採用しても、同様に周期的積層膜を作製する
ことができる。レーザースパッタやイオンビームスパッ
タを用いた場合には、複数個のターゲットを周期運動さ
せて、ビームを照射するターゲットを周期的に変えるこ
とにより、周期的積層膜を実現することができる。この
ように複数個のターゲットを用いたスパッタリング蒸着
を採用すれば、比較的簡単にBi系酸化物の周期的積層
膜を作製することが可能となる。
As a method of laminating different substances by sputtering vapor deposition, there is a method of periodically controlling the discharge position of one sputtering target having a composition distribution, but a plurality of targets having different compositions are sputtered. This can be achieved relatively easily by using this method. In this case, the periodic laminated film can be manufactured by periodically controlling the sputtering amount of each of the plurality of targets, or by providing a shutter in front of the target and periodically opening and closing it. Further, even if a method of moving the substrate periodically to move it over each target is adopted, the periodic laminated film can be similarly produced. When laser sputtering or ion beam sputtering is used, a periodic laminated film can be realized by periodically moving a plurality of targets and periodically changing the targets for beam irradiation. By adopting the sputtering deposition using a plurality of targets in this way, it becomes possible to relatively easily form the periodic stacking film of the Bi-based oxide.

【0040】[0040]

【発明の効果】以上説明したように、本発明に係る絶縁
体によれば、熱的にも極めて安定なBi2 2 酸化膜層
又はこれを主体とした層によって覆われた結晶構造を有
し、酸化物超電導体とほぼ等しい形成温度であることか
ら、特に酸化物高温超電導体と接触させても高温熱処理
等の過程を経ても、本発明による絶縁体、超電導体薄膜
の結晶性並びに特性が互いに劣化することはない。さら
に、本発明の絶縁体の結晶構造は酸化物超電導体のそれ
と同じペロブスカイト構造であり、特にa軸及びb軸の
長さがほぼ等しいことから、酸化物超電導体と絶縁体の
安定な連続積層が可能となる。
As described above, the insulator according to the present invention has a crystal structure covered with a Bi 2 O 2 oxide film layer which is extremely stable in terms of heat or a layer mainly containing the Bi 2 O 2 oxide film layer. However, since the formation temperature is almost the same as that of the oxide superconductor, the crystallinity and characteristics of the insulator and the superconductor thin film according to the present invention are maintained even if the oxide high temperature superconductor is brought into contact with the oxide superconductor and the high temperature heat treatment is performed. Do not deteriorate each other. Furthermore, the crystal structure of the insulator of the present invention is the same perovskite structure as that of the oxide superconductor, and in particular, since the lengths of the a-axis and the b-axis are almost equal, a stable continuous lamination of the oxide superconductor and the insulator is achieved. Is possible.

【0041】また、本発明に係る絶縁体の製造方法によ
れば、上記絶縁体の構成を達成するために、基体上に少
なくともBiを含む酸化物層と、少なくともBi、Pb
及びTiを含む酸化物層とを交互に積層することによ
り、Bi系超電導体薄膜と絶縁膜との積層構造を再現性
良く実現することができ、また、ジョセフソンデバイス
の設計に必要とされる厚さ数10nm以下の層間絶縁膜
を安定に形成することが可能となる。
Further, according to the method for producing an insulator of the present invention, in order to achieve the above-mentioned constitution of the insulator, an oxide layer containing at least Bi and at least Bi and Pb are formed on the substrate.
By alternately stacking Ti and an oxide layer containing Ti, a stacked structure of a Bi-based superconductor thin film and an insulating film can be realized with good reproducibility, and it is necessary for the design of Josephson devices. It is possible to stably form an interlayer insulating film having a thickness of several 10 nm or less.

【0042】また、本発明に係る超電導体薄膜によれ
ば、Bi2 2 酸化膜層又はこれを主体とした層によっ
て共に覆われた結晶構造となっているBi系超電導体薄
膜と第1の発明に係る絶縁体の薄膜とが、交互に積層さ
れた構造を採ることにより、超電導体薄膜と絶縁膜との
間における元素の相互拡散のない積層構造を実現するこ
とができ、その結果、Bi系超電導体薄膜における超電
導転移温度を安定に再現性良く実現することができる。
According to the superconducting thin film of the present invention, the Bi-based superconducting thin film having the crystal structure covered with the Bi 2 O 2 oxide film layer or the layer mainly composed of the Bi 2 O 2 oxide film layer and the first superconducting thin film. By adopting a structure in which the thin film of the insulator according to the invention is alternately laminated, it is possible to realize a laminated structure without mutual diffusion of elements between the superconductor thin film and the insulating film, and as a result, Bi The superconducting transition temperature in the system superconductor thin film can be stably realized with good reproducibility.

【0043】また、本発明に係る超電導体薄膜の製造方
法によれば、第3の発明に係る超電導体薄膜を極めて安
定に、しかも微細スケールで実現するために、基体上に
主体成分として少なくともBiを含む酸化物層と、少な
くともCu及びアルカリ土類(IIa族)を含む酸化物
層と、少なくともBi、Ti及びPbを含む酸化物層と
を周期的に積層堆積して作製することにより、Bi系超
電導体薄膜と絶縁膜との積層を再現性良く実現すること
ができる。
According to the method for producing a superconductor thin film according to the present invention, in order to realize the superconductor thin film according to the third invention extremely stably and on a fine scale, at least Bi as a main component on the substrate. And an oxide layer containing at least Cu and an alkaline earth (group IIa), and an oxide layer containing at least Bi, Ti, and Pb are periodically laminated and deposited. It is possible to realize the lamination of the superconducting system thin film and the insulating film with good reproducibility.

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

【図1】本発明の一実施例のBi−Ti−O誘電体薄
膜、Bi−Sr−Ca−Cu−O超電導体薄膜、Bi−
Ti−O/Bi−Sr−Ca−Cu−O積層薄膜のX線
回折スペクトルを示す図である。
FIG. 1 is a Bi-Ti-O dielectric thin film, a Bi-Sr-Ca-Cu-O superconductor thin film, and a Bi-Ti-O dielectric thin film according to an embodiment of the present invention.
It is a figure which shows the X-ray-diffraction spectrum of a Ti-O / Bi-Sr-Ca-Cu-O laminated thin film.

【図2】本発明の実施例1で用いた薄膜作製装置の概略
図である。
FIG. 2 is a schematic view of a thin film forming apparatus used in Example 1 of the present invention.

【図3】本発明の実施例1のBi−Ti−O誘電体薄膜
に添加したTi+Pbの量に対するリーク電流の変化を
示す図である。
FIG. 3 is a diagram showing changes in leak current with respect to the amount of Ti + Pb added to the Bi—Ti—O dielectric thin film of Example 1 of the present invention.

【図4】本発明の実施例1のBi−Pb−Ti−O誘電
体薄膜の添加したTiとPbの比率に対するリーク電流
の変化を示す図である。
FIG. 4 is a graph showing changes in leak current with respect to the ratio of added Ti and Pb in the Bi-Pb-Ti-O dielectric thin film of Example 1 of the present invention.

【図5】本発明の実施例1のBi−Ti−O誘電体薄膜
に添加したTi+Pbの量に対する室温でのBi−Pb
−Ti−O誘電体薄膜の比誘電率の変化を示す図であ
る。
FIG. 5: Bi-Pb at room temperature with respect to the amount of Ti + Pb added to the Bi-Ti-O dielectric thin film of Example 1 of the present invention.
It is a figure which shows the change of the relative dielectric constant of a -Ti-O dielectric thin film.

【図6】本発明の実施例2のBi−Pb−Ti−O誘電
体薄膜に添加したTi+Pbの量に対するリーク電流の
変化を示す図である。
FIG. 6 is a diagram showing changes in leak current with respect to the amount of Ti + Pb added to the Bi—Pb—Ti—O dielectric thin film of Example 2 of the present invention.

【図7】本発明の実施例3で作製したBi−Pb−Ti
−O強誘電体/Bi−Sr−Ca−Cu−O超電導体の
積層構造結晶を示す概略図である。
FIG. 7: Bi-Pb-Ti produced in Example 3 of the present invention
It is a schematic diagram showing a laminated structure crystal of a -O ferroelectric / Bi-Sr-Ca-Cu-O superconductor.

【図8】本発明の実施例3で作製したBi−Sr−Ca
−Cu−O超電導体薄膜の抵抗率の温度変化を示す図で
ある。
FIG. 8: Bi-Sr-Ca produced in Example 3 of the present invention
It is a figure which shows the temperature change of the resistivity of a -Cu-O superconductor thin film.

【図9】本発明の実施例4で用いた薄膜作製装置の概略
図である。
FIG. 9 is a schematic view of a thin film forming apparatus used in Example 4 of the present invention.

【図10】本発明の実施例4のBi−Sr−Ca−Cu
−O超電導体薄膜の抵抗率の温度変化を示す図である。
FIG. 10: Bi-Sr-Ca-Cu of Example 4 of the present invention
It is a figure which shows the temperature change of the resistivity of a -O superconductor thin film.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1、2、10、11、12 スパッタリングターゲット 3、4、13、14、15 シャッター 5、16 基体 6、17 基体加熱用のヒーター 1, 2, 10, 11, 12 Sputtering target 3, 4, 13, 14, 15 Shutter 5, 16 Substrate 6, 17 Heater for heating the substrate

───────────────────────────────────────────────────── 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 H01B 12/06 ZAA 13/00 565 D H01L 39/24 ZAA D ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (51) Int.Cl. 6 Identification code Office reference number FI Technical display location H01B 12/06 ZAA 13/00 565 D H01L 39/24 ZAA D

Claims (5)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 主体成分として少なくともビスマス(B
i)、鉛(Pb)、チタン(Ti)及び酸素(O)を含
む薄膜の積層体からなる絶縁体。
1. At least bismuth (B) as a main component
An insulator made of a laminate of thin films containing i), lead (Pb), titanium (Ti) and oxygen (O).
【請求項2】 基体上に少なくともBiを含む酸化物層
と、少なくともBi、Pb及びTiを含む酸化物層とを
交互に積層する絶縁体の製造方法。
2. A method for producing an insulator, wherein an oxide layer containing at least Bi and an oxide layer containing at least Bi, Pb and Ti are alternately laminated on a substrate.
【請求項3】 基体上に主体成分として少なくともB
i、Cu及びアルカリ土類(IIa族)を含む酸化物層
と、少なくともBi、Ti及びPbを含む絶縁体酸化物
層とが周期的に積層された構造を有する超電導体薄膜。
ここで、アルカリ土類は、IIa族元素のうちの少なく
とも一種又は二種以上の元素を示す。
3. At least B as a main component on the substrate.
A superconductor thin film having a structure in which an oxide layer containing i, Cu and an alkaline earth (Group IIa) and an insulating oxide layer containing at least Bi, Ti and Pb are periodically laminated.
Here, the alkaline earth refers to at least one element or two or more elements of the IIa group elements.
【請求項4】 基体上に主体成分として少なくともBi
を含む酸化物層と、少なくともCu及びアルカリ土類
(IIa族)を含む酸化物層と、少なくともBi、Ti
及びPbを含む酸化物層とを周期的に積層堆積する超電
導体薄膜の製造方法。ここで、アルカリ土類は、IIa
族元素のうちの少なくとも一種又は二種以上の元素を示
す。
4. At least Bi as a main component on the substrate.
An oxide layer containing at least Cu, an oxide layer containing at least Cu and an alkaline earth (Group IIa), and at least Bi, Ti
And a method of manufacturing a superconductor thin film, which comprises periodically stacking and depositing an oxide layer containing Pb. Here, the alkaline earth is IIa.
At least one element or two or more elements of the group elements are shown.
【請求項5】 元素の比率が、Bi:Pb:Ti=4:
(n−1):(2+n)で表記される請求項1に記載の
絶縁体、又は請求項2に記載の絶縁体の製造方法、又は
請求項3に記載の超電導体薄膜、又は請求項4に記載の
超電導体薄膜の製造方法。ここで、nは1以上の整数を
示す。
5. The ratio of elements is Bi: Pb: Ti = 4 :.
(N-1): The insulator according to claim 1 represented by (2 + n), the method for producing the insulator according to claim 2, or the superconductor thin film according to claim 3, or claim 4. The method for producing a superconductor thin film according to [4]. Here, n represents an integer of 1 or more.
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