JPH07267791A - 酸化物超電導体薄膜の製造方法及び酸化物超電導体薄膜積層体 - Google Patents

酸化物超電導体薄膜の製造方法及び酸化物超電導体薄膜積層体

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Abstract

(57)【要約】 【目的】 結晶方位の異なる１２３型銅酸化物超導電体
薄膜の積層を可能する製造方法を提供し、また優れた超
電導特性を示す１２３型銅酸化物超導電体薄膜積層体及
びジョセフソン接合用配線を提供する。 【構成】 単結晶基板上に、Ｙ：Ｂａ：Ｃｕの原子比が
実質上１：２：３である酸化物超導電体から成り且つ温
度２０℃及び酸素分圧１６０Torrにおいて、11.60オン
グストローム≦ｃ≦11.70オングストロームの格子定数
を示すｃ軸配向単結晶薄膜を成膜し、その積層膜の上に
スパッタ堆積法を用いて上記酸化物超導電体のａ軸配向
単結晶薄膜を積層する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、電子素子等の用途に有
用な酸化物超電導体薄膜の製造方法及び酸化物超導電体
薄膜積層体に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来、酸化物超導電体の１種として、
Ｙ：Ｂａ：Ｃｕの原子比が実質上１：２：３である銅酸
化物超導電体（一般に１２３型超導電体と呼ぶ）、ＹＢ
ａ2 Ｃｕ 3 Ｏ7-X が知られている。この酸化物超電導体
は層状結晶構造であるので、強い電気電導特性の異方性
を有しており、結晶の方位を揃える技術の開発が要請さ
れていた。
【０００３】しかし、接合を作製する場合には、酸化物
超電導体薄膜の全ての結晶方位を揃えてしまうと界面が
なくなり、その薄膜単体では２端子素子や３端子素子は
できない。そこで、２端子素子や３端子素子を作製する
には、他の物質の薄膜を積層する必要があった。この積
層では、異種原子の拡散により積層界面の電気電導性が
大きく変化しやすいため、理想的な２端子素子や３端子
素子の作製は困難であった。
【０００４】そこで、１２３型銅酸化物超電導体の強い
電気電導特性の異方性を利用し、図１に示しているよう
に方位の異なる１２３型銅酸化物超電導体薄膜を積層す
ることにより積層界面を作り、異種原子の拡散による積
層界面の変化のない２端子素子や３端子素子を作製する
ことが考えられる。
【０００５】このような方位の異なる１２３型銅酸化物
超電導体薄膜の積層構造の提案は、すでに財団法人国際
超電導産業技術研究センターにより、「高電流・高磁界
超電導材料の研究開発成果報告書」Ｐ３３１〜Ｐ３３３
で述べられているが、積層を可能にするための酸化物超
電導体薄膜の格子定数の条件と最適な成膜方法が分かっ
ていないため、前記の２端子素子や３端子素子を作製す
ることはできなかった。
【０００６】また、このような方位の異なる１２３型銅
酸化物超電導体薄膜の積層構造はジョセフソンコンピュ
ーターの集積化にも求められる。現在研究されている１
２３型銅酸化物超電導ジョセフソン素子において集積度
の高い構造は積層型構造であり、この積層型構造の素子
においてジョセフソン接合の良好なものはａ軸配向単結
晶薄膜を積層したものであることが、高田 進により応
用物理、第６巻、第５号（１９９３年）、Ｐ４４３〜Ｐ
４５４で述べられている。しかし、ａ軸配向単結晶薄膜
をジョセフソン素子として用いると、今までの技術では
同じ方位の膜を積層する技術しかないために、臨界電流
Ｉｃの低いａ軸配向単結晶薄膜で配線も作らねばなら
ず、配線が太くなり集積度を高くできないという問題が
あった。この問題を解決するには、ａ軸配向単結晶薄膜
＋ｃ軸配向単結晶薄膜の積層技術を確立し、高集積化の
可能なａ軸配向膜の素子と、臨界電流Ｉｃが高く高集積
化が可能なｃ軸配向単結晶薄膜の配線を積層することが
必要となるのである。
【０００７】
【発明が解決しようとする問題点】結晶方位の異なる１
２３型銅酸化物超電導体薄膜を積層することができない
のは以下の理由による。薄膜の結晶方位を決定するの
は、基板表面の結晶構造である。結晶方位の異なるＹＢ
ａ2 Ｃｕ3 Ｏ7-X の酸化物超電導体薄膜を積層するため
には、基板は単結晶である必要がある。基板表面の結晶
が多結晶である場合、１２３型銅酸化物超電導体薄膜は
結晶成長がａ−ｂ面に添って速いため、ｃ軸配向多結晶
膜しか配向膜を得ることができない。この薄膜は多結晶
であるために、この上に積層する１２３型銅酸化物超電
導体薄膜においても、ｃ軸配向多結晶膜しか配向膜を得
ることができない。そのために、同じ方位の積層膜しか
作製することができない。
【０００８】基板表面の結晶構造が単結晶であった場合
は、その上に１２３型銅酸化物超導電体の単結晶薄膜
（下部層）を作製することができる。この上に、１２３
型銅酸化物超電導体薄膜（上部層）を積層する場合、成
膜時における上部層と下部層の格子定数が異なると、結
晶方位の異なる１２３型銅酸化物超導電体の単結晶薄膜
を作製することが可能となる。しかし、現実には上部層
と下部層の格子定数とその格子定数を実現させるための
成膜方法が分からないため、下部層と同じ結晶方位を有
する上部層が形成されて、結晶方位の異なる層状結晶構
造を有する酸化物薄膜の積層に成功していない。
【０００９】従って、本発明の目的は、結晶方位の異な
る１２３型銅酸化物超導電体薄膜の積層を可能とする製
造方法を提供することにある。本発明の他の目的は、優
れた超電導特性を示す１２３型銅酸化物超導電体薄膜積
層体及びジョセフソン接合用配線を提供するにある。
【００１０】
【問題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に、本発明は下記の方法を特徴とする。単結晶基板上
に、Ｙ：Ｂａ：Ｃｕの原子比が実質上１：２：３である
酸化物超導電体から成り且つ温度２０℃及び酸素分圧１
６０Torrにおいて11.60 オングストローム≦ｃ≦11.70
オングストロームの格子定数を示すｃ軸配向単結晶薄膜
を成膜し、その積層膜の上にスパッタ堆積法を用いて上
記酸化物超導電体のａ軸配向単結晶薄膜を積層する。
【００１１】好適には、前記酸化物超導電体のａ軸配向
単結晶薄膜を積層するに先だって、酸化物超導電体のｃ
軸配向単結晶薄膜を温度６００℃〜８５０℃、酸素分圧
0.1mTorr〜100mTorrで熱処理する。
【００１２】前記ｃ軸配向単結晶薄膜の成膜方法とし
て、好適にはパルスレーザ堆積法を用いる。
【００１３】前記基板として、単結晶基板上にバッファ
層をエピタキシャル成長させた基板や、ＳｒＴｉＯ
3 （１００）単結晶基板を使用する。
【００１４】好適な一方法では、ＳｒＴｉＯ3 （１０
０）単結晶を基板として用い、基板温度を６００℃〜８
５０℃に維持して、この基板の上に、パルスレーザ堆積
法により、式ＹＢａ2 Ｃｕ3 Ｏ7-x （ｘはゼロ乃至１の
数である）の酸化物超導電体から成り且つ温度２０℃及
び酸素分圧１６０Torrにおいて11.60 オングストローム
≦ｃ≦11.70 オングストロームの格子定数を示すｃ軸配
向単結晶薄膜を成膜し、その薄膜の上に、基板温度を５
００℃〜８００℃に維持して、スパッタ堆積法により、
前記酸化物超導電体のａ軸配向単結晶薄膜を積層する。
【００１５】好適な他の方法では、ＳｒＴｉＯ3 （１０
０）単結晶を基板として用い、基板温度を６００℃〜８
５０℃に維持して、この基板の上に、パルスレーザ堆積
法により、式ＹＢａ2 Ｃｕ3 Ｏ7-X （ｘはゼロ乃至１の
数である）の酸化物超導電体から成り且つ温度２０℃及
び酸素分圧１６０Torrにおいて11.60 オングストローム
≦ｃ≦11.70 オングストロームの格子定数を示すｃ軸配
向単結晶薄膜を成膜し、この薄膜を温度６００℃〜８５
０℃に維持して酸素分圧0.1mTorr〜100mTorrで熱処理
し、その後、その薄膜の上に、基板温度を５００℃〜８
００℃に維持して、スパッタ堆積法により、上記酸化物
超導電体のａ軸配向単結晶薄膜を積層する。
【００１６】本発明の酸化物超導電体薄膜積層体は、単
結晶基板と、該基板上に形成された式ＹＢａ2 Ｃｕ3 Ｏ
7-X （ｘはゼロ乃至１の数である）の酸化物超導電体の
ｃ軸配向単結晶薄膜と、該ｃ軸配向単結晶薄膜上に形成
された上記酸化物超導電体のａ軸配向単結晶薄膜とから
成り且つｃ軸配向単結晶薄膜が温度２０℃及び酸素分圧
１６０Torrにおいて11.60 オングストローム≦ｃ≦11.7
0 オングストロームの格子定数を有する単結晶薄膜であ
る。
【００１７】ｃ軸配向単結晶薄膜が１乃至１０００ｎ
ｍ、特に１０乃至５００ｎｍの厚みを有し且つａ軸配向
単結晶薄膜が１乃至１０００ｎｍ、特に１０乃至５００
ｎｍの厚みを有する。
【００１８】
【作用】結晶方位の異なる１２３型銅酸化物超導電体を
積層するためには、結晶方位の揃った単結晶基板が要求
される。この単結晶基板上に酸化物薄膜を積層すると
き、その結晶方位を決定するのは、基板の格子定数と酸
化物薄膜の格子定数の整合性である。格子定数に異方性
のある１２３型銅酸化物超電導体薄膜では、基板の格子
定数と整合性のよい結晶方位に揃って結晶が成長する。
このように単結晶基板上に１２３型銅酸化物超電導体薄
膜を積層した下部層上に、同じ１２３型銅酸化物超電導
体薄膜を上部層として積層する場合、下部層と上部層の
格子定数が同じであれば、下部層と上部層は必ず同じ方
位に積層されることになる。
【００１９】それに対し、本発明では、下部層の１２３
型銅酸化物超導電体のｃ軸の格子定数を11.60 オングス
トローム≦ｃ≦11.70 オングストロームの一定の範囲に
限定し、しかも上部層の成膜方法としてスパッタ堆積法
を選択することにより、同じ結晶構造でも下部層と上部
層のｃ軸の格子定数を変えて、下部層と違う結晶方位を
有する薄膜が下部層と同じ結晶方位を有する薄膜よりも
格子定数の整合性が合うようになり、下部層と違う結晶
方位を有する上部層を積層することができる。
【００２０】即ち、後述する比較例１に示すとおり、１
２３型銅酸化物超導電体の上部層が上記範囲よりも大き
いｃ軸格子定数を有する場合、製膜法としてたとえスパ
ッタ堆積法を用いたとしても、ａ軸配向単結晶薄膜の上
部層を形成することができない。
【００２１】また、１２３型銅酸化物超導電体の上部層
が上記範囲のｃ軸格子定数を有する場合でも、製膜法と
してスパッタ堆積法以外の製膜法を用いた場合には、ｃ
軸配向単結晶薄膜が形成されるにすぎず、やはりａ軸配
向単結晶薄膜の上部層を形成することができない。
【００２２】これに対して、本発明では、同じ１２３型
銅酸化物超導電体でありながら、下部層をｃ軸格子定数
が特定の範囲にあるｃ軸配向単結晶薄膜とし、上部層を
スパッタ堆積法で形成することにより、ｃ軸配向単結晶
薄膜上にａ軸配向単結晶薄膜が積層された酸化物超導電
体薄膜積層体を製造することが可能となったものであ
る。
【００２３】しかも、本発明によるｃ軸配向単結晶薄膜
＋ａ軸配向単結晶薄膜積層体は、両薄膜間の電気的な接
続が極めて良好で、臨界電流も高いという利点をも与え
るものであり、ジョセフソン接合用配線として有用であ
る。
【００２４】添付図面の図９を参照されたい。図９は、
本発明のｃ軸配向単結晶薄膜＋ａ軸配向単結晶薄膜積層
体及びａ軸配向単結晶薄膜について、絶対温度Ｔを横軸
とし、臨界電流Ｉｃを縦軸とし、両者の関係をプロット
したものであり、本発明の積層体では、著しく大きいＩ
ｃを示すばかりでなく、両薄膜間の電気的な接続が極め
て良好で、ｃ軸配向単結晶薄膜を通る電流の寄与も大き
いことが明らかである。
【００２５】一般に酸化物薄膜の格子定数は酸素分圧と
温度によって左右される。本発明において、ｃ軸配向単
結晶薄膜の格子定数ｃを、２０℃で１６０Torrと規定し
ているのは、この測定条件を、室温大気圧条件に特定し
ているからである。
【００２６】本発明において、上部層の形成にスパッタ
堆積法を用いることの意義は次の通りである。１２３型
銅酸化物超導電体の場合、例えばパルスレーザ堆積法等
のスパッタ堆積法以外の堆積方法では、理想の格子定数
の薄膜を得ることができるが、スパッタ堆積法では、プ
ラズマによる非平衡な熱力学条件の影響を受けやすく、
薄膜の格子定数が理想値からずれることがある。例え
ば、A. P. Shapovalov等によるSuperconductor Science
& Technology Volume 5 1992年 P283〜P289には、ス
パッタ堆積法による１２３型銅酸化物超電導体薄膜で
は、臨界温度をほとんど低下させることなく、ｃ軸の格
子定数が、温度２０℃及び酸素分圧１６０Torrにおいて
測定して、理想値である11.60オングストローム≦ｃ≦1
1.70オングストロームよりも大きくなることが報告され
ている。本発明では、スパッタ堆積法では、このｃ軸の
格子定数が理想値よりも大きくなるという現象を利用す
ることにより、ｃ軸配向単結晶薄膜上に、これと格子定
数の違う層を形成することが可能となるのである。
【００２７】また、上部層を積層するまえに、特定条件
下での熱処理、即ち温度６００℃〜８５０℃及び酸素分
圧0.1mTorr〜100mTorrでの熱処理を行って、下部層の格
子定数を変化させることにより、結晶軸の方位の異なる
上部層を容易に積層することができる。
【００２８】一方、１２３型銅酸化物超電導体の下部層
は、スパッタ堆積法以外の堆積方法で形成できるが、こ
れらの堆積法の中でもパルスレーザ堆積法は理想の格子
定数の得られ易い成膜方法であるから、下部層の形成に
パルスレーザ堆積法を用いて、温度２０℃及び酸素分圧
１６０Torrの測定条件において11.60 オングストローム
≦ｃ≦11.70 オングストロームの格子定数を有するＹＢ
ａ2 Ｃｕ3 Ｏ7-X （ｘはゼロ乃至１の数である）のｃ軸
配向単結晶薄膜を成膜し、次いでスパッタ堆積法で上記
ＹＢａ2 Ｃｕ3 Ｏ7-X のａ軸配向単結晶薄膜を上部層と
して積層するのがよく、これにより、同じ結晶構造で
も、下部層と上部層の格子定数を大きく変化させ、下部
層と上部層を違う結晶方位にしやすいという利点が得ら
れる。
【００２９】
【発明の好適態様】本発明の１２３型銅酸化物超導電体
薄膜積層体の構造の一例を示す図１において、この積層
体２０は、単結晶基板２１と、この基板２１の表面に形
成された１２３型銅酸化物超電導体のｃ軸配向単結晶薄
膜の下部層２２と、その上に形成された１２３型銅酸化
物超電導体のａ軸配向単結晶薄膜の上部層２３とから成
る。
【００３０】本発明で用いる単結晶基板は、単結晶であ
りしかも１２３型銅酸化物超電導体（ＹＢＣＯ）薄膜の
格子定数と格子の整合性のよい基板であれば何れをも使
用できる。ＳｒＴｉＯ3 （１００）単結晶が特に好まし
いものであるが、現在ＹＢＣＯ膜がエピタキシャル成長
することがわかっているＭｇＯ，ＬａＡｌＯ3 ，Ｙ2Ｏ
3 ，ＹＢａ2 Ｃｕ3 Ｏ7 ，Ｙ2 Ｏ3 安定化ＺｒＯ2 （Ｙ
ＳＺ）等の単結晶基板は何れも使用することができる。
【００３１】また、成膜温度において元素が拡散しやす
い基板や格子定数の整合性の悪い基板においても、基板
表面に、元素の拡散が小さく格子定数の整合性のよいバ
ッファ層をエピタキシャル成長させることにより、拡散
による影響を防いだり、格子定数の整合性をよくしたり
して、基板として使用することが可能である。このよう
なバッファ層としては、例えばＳｒＴｉＯ3 ，ＬａＡｌ
Ｏ3 ，Ｙ2 Ｏ3 ，ＣｅＯ2 ，Ｙ2 Ｏ3 安定化ＺｒＯ
2 （ＹＳＺ）等を用いることができる。
【００３２】１２３型銅酸化物超電導体としては、組成
式がＹＢａ2 Ｃｕ3 Ｏ7-X （ｘはゼロ乃至１の数であ
る）で表されるもの、特にｘがゼロ乃至０．５であるも
のがよい。
【００３３】本発明の酸化物超電導体薄膜積層体におい
て、ｃ軸配向単結晶薄膜の下部層は、格子定数が11.60
オングストローム≦ｃ≦11.70 オングストロームの範囲
にあるものであり、ＳｒＴｉＯ3 （１００）単結晶基板
上にこのｃ軸配向単結晶薄膜を設けたもののＸ線解折像
は一例として図３で示される。この下部層の厚みは、特
に制限がないが、一般に１乃至１０００ｎｍの範囲にあ
るのがよい。
【００３４】このｃ軸配向単結晶薄膜の上に、ａ軸配向
単結晶薄膜の上部層が設けられる。このｃ軸配向単結晶
薄膜を設けた積層体のＸ線解折像は一例として図５で示
され、ａ軸配向単結晶薄膜による特有のピークの存在が
確認される（後述する実施例１参照）。この下部層の厚
みは、特に制限がないが、一般に１乃至１０００ｎｍの
範囲にあるのがよい。
【００３５】本発明による積層体では、ａ軸配向単結晶
薄膜とｃ軸配向単結晶薄膜との境界面における電気的接
合が特に良好である（後述する実施例３参照）
【００３６】本発明の製造方法では、先ず単結晶基板
に、パルスレーザ堆積法等、スパッタ堆積法以外の方法
を用いて、単結晶基板上に１２３型銅酸化物超電導体の
ｃ軸配向単結晶薄膜を形成させる。
【００３７】パルスレーザ堆積法に用いる装置を説明す
る図２において、チャンバ１は真空に引くことのできる
容器である。チャンバ１の内部上方にホルダ２によって
単結晶基板３を下向きに支持する。これをヒーター４で
加熱している。チャンバ１の下方にはターゲット６を置
き、チャンバ１の外のＫｒＦレーザ７によりターゲット
６をレーザ照射し、ターゲット６の表面を蒸発させる。
ターゲットの蒸気が基板３まで上昇し、加熱された基板
３の下面に堆積する。チャンバ１には酸素ガス（Ｏ2 ）
の入り口５が設けられており、チャンバ１内の酸素分圧
を調節できるようになっている。これがパルスレーザ堆
積法である。
【００３８】ターゲット６として使用する１２３型銅酸
化物としては、上記組成の複合酸化物の多結晶体が使用
され、この多結晶体は、Ｙ、Ｂａ及びＣｕのアルコキシ
ド或いはキレート化合物及び酸素を用いて、それ自体公
知の方法で製造される。
【００３９】パルスレーザ堆積に際して、基板温度は６
００乃至８５０℃、特に７００乃至８２０℃の範囲にあ
るのがよく、また酸素分圧は５０乃至４００ｍｔｏｒ
ｒ、特に８０乃至３００ｍｔｏｒｒの範囲にあるのがよ
い。レーザとしては波長１６０乃至３５０ｎｍのものを
使用でき、その入射エネルギー密度は、特に制限がない
が、１乃至６Ｊ／ｃｍ2 の範囲が適当である。
【００４０】上記薄膜を形成させた後、この薄膜を冷却
させる。この薄膜の冷却条件は、特に制限がない。一般
に、この薄膜作製後の冷却過程では、温度２０℃及び酸
素分圧１６０TorrにおけるＹＢａ2 Ｃｕ3 Ｏ7-X のｃ軸
配向単結晶薄膜の熱力学的熱平衡状態における所定の格
子定数を得るために、酸素分圧の比較的高い１乃至７６
０Ｔｏｒｒという酸化雰囲気中で冷却を行うことが好ま
しい。しかしながら、冷却過程で酸素をほとんど導入せ
ずに還元雰囲気中で冷却することにより、たとえｃ＞1
1.70 の格子定数のＹＢａ2 Ｃｕ3 Ｏ7-X のｃ軸配向単
結晶薄膜を得る場合があっても、スパッタ堆積法で成膜
する直前の格子定数を、加熱によりスパッタ条件での熱
力学的平衡状態の格子定数にすることができるので、結
果として、格子定数が11.60 オングストローム≦ｃ≦1
1.70 オングストロームのｃ軸配向単結晶薄膜の上に薄
膜形成を行うことと同じである。
【００４１】この意味において、薄膜形成及び冷却後の
ｃ軸配向単結晶薄膜の格子定数が本発明で規定した範囲
となっていない場合には、ａ軸配向単結晶薄膜の形成に
先立って、形成されるｃ軸配向単結晶薄膜を温度６００
℃〜８５０℃、酸素分圧0.1mTorr〜100mTorrで熱処理す
ることが好ましい。
【００４２】本発明によれば、かくして形成されたｃ軸
配向単結晶薄膜の上にスパッタ堆積法により、ａ軸配向
単結晶薄膜を形成させる。
【００４３】本発明のスパッタ堆積法に用いる装置の一
例を示す図４において、この装置はＲＦマグネトロンス
パッタ堆積装置である。図４において、チャンバ１１は
真空に引くことのできる容器である。チャンバ１１の内
部上方にホルダ１２によってｃ軸配向単結晶薄膜が既に
形成されている基板１３を下向きに支持する。これをヒ
ーター１４で加熱している。チャンバ１１内には基板温
度を上げる前にあらかじめＡｒガスとＯ2 ガスを流して
おく。チャンバ１１の側壁にはターゲット１６があり、
その横にはマグネット１７がある。ターゲット１６とチ
ャンバ１１の間にＲＦ（高周波）電力を加えることによ
り、Ａｒイオンがマグネット１７によりターゲット１６
に収束して衝突し、その衝撃でターゲット物質がはじき
出される。その物質が基板１３に到達し、加熱された基
板の下面に堆積する。これがスパッタ（ＲＦマグネトロ
ンスパッタ）堆積法である。
【００４４】このスパッタ堆積法において、基板温度は
５００乃至８００℃、特に６００乃至７２０℃の範囲に
維持するのがよく、また酸素分圧は４乃至１００ｍｔｏ
ｒｒの範囲、アルゴン分圧は１０乃至５００ｍｔｏｒｒ
の範囲に維持して、スパッタ堆積を行うのがよい。ま
た、高周波としては、１３Ｍ乃至９５ＭＨｚの周波数の
ものを使用し、ＲＦ出力としては、４０乃至２００Ｗ程
度のものが適当である。
【００４５】所定のａ軸配向単結晶薄膜が形成された積
層体を冷却して、本発明による製品とする。成膜後の冷
却時の酸素分圧は、酸化性雰囲気、例えば１乃至７６０
ｔｏｒｒの範囲にあるのがよく、成膜後の冷却速度は１
００乃至１０，０００℃／ｈｒの範囲が適当である。
【００４６】本発明の１２３型銅酸化物超電導体薄膜積
層体には、それ自体公知の手段により、接続端子の取り
付けを行い、或いは保護被覆を設けることができる。
【００４７】
【実施例】以下に実施例によって本発明を更に詳細に説
明する。本実施例においては、基板としてＳｒＴｉＯ3
（１００）単結晶基板を用いているが、基板はこれに限
定されるものでない。
【００４８】実施例１ まず、この実施例１では、ＹＢａ2 Ｃｕ3 Ｏ7-X のｃ軸
配向単結晶薄膜を成膜するために、成膜方法としてパル
スレーザ堆積法を用いた。薄膜作製は図２に示す装置を
用いて行なった。 薄膜作製条件は次の通りである。 基板 ＳｒＴｉＯ3 （１００）単結晶基板 ターゲット ＹＢａ2 Ｃｕ3 Ｏ7-X 多結晶体 基板温度 ７９０℃ 酸素分圧 １００ｍｔｏｒｒ 成膜時間 １５分 膜厚 １５０ｎｍ ＫｒＦレーザ エネルギー密度 ５Ｊ／ｃｍ2 波
長 ２４８ｎｍ 成膜後の冷却時の酸素分圧 ５００Ｔｏｒｒ 成膜後の冷却速度 ８００℃／ｈ 冷却温度 ２０℃ 薄膜作製後、薄膜を２０℃に冷却する。
【００４９】図３はこの方法で成長させた薄膜の温度２
０℃、酸素分圧１６０TorrにおけるＸ線回折パターン
（Ｘ線源：ＣｕＫα）を示す。横軸は回折角２θであ
り、縦軸は回折強度である。ここで、２２．８°、４
６．５°、７２．６°のピークはＳｒＴｉＯ3 単結晶基
板のピークである。７．６°、１５．２°、３０．７
°、３８．６°、５５．０°に強いピークがあり、この
膜はＹＢａ2 Ｃｕ3 Ｏ7-X のｃ軸配向単結晶薄膜で、温
度２０℃、酸素分圧１６０Torrにおいてｃ＝11.67 オン
グストロームの格子定数を有していることが分かる。
【００５０】次に、このｃ軸配向単結晶薄膜の上にａ軸
配向のＹＢａ2 Ｃｕ3 Ｏ7-X の単結晶薄膜をスパッタ堆
積法で成膜した。このとき、パルスレーザ堆積装置から
スパッタ堆積装置に薄膜を移動するにあたり、薄膜表面
に不純物を吸着させないために、薄膜を大気にさらさな
いようにした。この実施例では、パルスレーザ堆積装置
からスパッタ堆積装置に薄膜を移動するにあたり薄膜の
温度を一旦２０℃、酸素分圧１６０Torrにしているが、
移動時における温度と酸素分圧は薄膜が分解しない限り
どの条件でもよい。
【００５１】薄膜作製は、図４に示すようなＲＦマグネ
トロンスパッタ堆積装置を用いた。薄膜作製条件は次の
通りである。 基板 温度２０℃、酸素分圧１６０Torrにおい
てｃ＝11.67 オングストロームの格子定数を有するＹＢ
ａ2 Ｃｕ3 Ｏ7-X のｃ軸配向単結晶薄膜を積層したＳｒ
ＴｉＯ3 （１００）単結晶基板 ターゲット ＹＢａ2 Ｃｕ3 Ｏ7-X 多結晶体 基板温度 ６４０℃ 酸素分圧 ３２ｍｔｏｒｒ アルゴン分圧 １２８ｍｔｏｒｒ ＲＦ出力 １２０Ｗ 成膜時間 ９０分 膜厚 ２００ｎｍ 成膜後の冷却時の酸素分圧 ５００Ｔｏｒｒ 成膜後の冷却速度 ８００℃／ｈ 冷却温度 ２０℃ 薄膜作製後、薄膜を２０℃に冷却する。
【００５２】図５はこの方法で成長させた薄膜の温度２
０℃、酸素分圧１６０TorrにおけるＸ線回折パターン
（Ｘ線源：ＣｕＫα）を示す。横軸は回折角２θであ
り、縦軸は回折強度である。図５で示したＳｒＴｉＯ3
（１００）単結晶基板のピークとＹＢａ2 Ｃｕ3 Ｏ7-X
のｃ軸配向単結晶薄膜のピークの他に、２３．３°、４
７．５°に強いピークがあり、この薄膜にはＹＢａ2 Ｃ
ｕ3 Ｏ7-X のａ軸配向単結晶薄膜が積層されていること
が分かる。これらの結果により、ＹＢａ2 Ｃｕ3 Ｏ7-X
のｃ軸配向単結晶薄膜の上に、ＹＢａ2 Ｃｕ3 Ｏ7-X の
ａ軸配向単結晶薄膜が積層できたことが分かる。
【００５３】実施例２ 実施例１と全く同様な方法によりＳｒＴｉＯ3 （１０
０）単結晶基板の表面に格子定数がｃ＝11.67 オングス
トロームの図３と同様なＸ線回折パターンを有するＹＢ
ａ2 Ｃｕ3 Ｏ7-X のｃ軸配向単結晶薄膜を作製した。
【００５４】次に、この薄膜をスパッタ堆積装置内で熱
処理を行なった。このとき、パルスレーザ堆積装置から
スパッタ堆積装置に薄膜を移動するにあたり、 薄膜表
面に不純物を吸着させないために薄膜を大気にさらされ
ないようにした。また、この実施例では、パルスレーザ
堆積装置からスパッタ堆積装置に薄膜を移動するにあた
り薄膜の温度を一旦２０℃、酸素分圧１６０Torrにして
いるが、移動時における温度と酸素分圧は薄膜が分解し
ない限りどの条件でもよい。熱処理条件は次の通りであ
る。 基板温度 ６４０℃ 酸素分圧 １．１ｍｔｏｒｒ 熱処理時間 ６０分
【００５５】パルスレーザ堆積時やスパッタ堆積時に発
生する活性酸素のない熱処理行程を行うことにより、Ｙ
Ｂａ2 Ｃｕ3 Ｏ7-X の格子定数を成膜時の格子定数より
大きく変化させることができる。
【００５６】この熱処理を行なった直後に、ｃ軸配向単
結晶薄膜の上にａ軸配向のＹＢａ2Ｃｕ3 Ｏ7-X 単結晶
薄膜を、実施例１と同じ成膜方法であるスパッタ堆積法
により、実施例１と全く同一の成膜条件下で作製した。
【００５７】図６は、この方法で成長させた薄膜の温度
２０℃、酸素分圧１６０TorrにおけるＸ線回折パターン
（Ｘ線源：ＣｕＫα）を示す。横軸は回折角２θであ
り、縦軸は回折強度である。図３で示したＳｒＴｉＯ3
（１００）単結晶基板のピークとＹＢａ2 Ｃｕ3 Ｏ7-X
のｃ軸配向単結晶薄膜のピークの他に、２３．３°、４
７．６°に強いピークがあり、この薄膜にはＹＢａ2 Ｃ
ｕ3 Ｏ7-X のａ軸配向単結晶薄膜が積層されていること
が分かる。
【００５８】また、熱処理を行なっていない実施例１の
結果である図５と比較すると、図５ではａ軸配向のピー
クである４７．６°のピークとｃ軸配向のピークである
３８．６°のピークの強度比がａ／ｃ＝１であるのに対
し、熱処理を行なった図６ではａ／ｃ＝９となり、熱処
理を行なう方が上部層のａ軸配向の体積が増加している
ことが分かる。このようなａ軸配向の体積を増加させる
最適な熱処理条件は温度６００℃〜８５０℃、酸素分圧
0.１mTorr〜１００mTorrである。温度８５０℃より高い
と薄膜が分解し、温度６００℃より低いと熱処理してい
ないものと変わらない。酸素分圧0.１mTorr 未満では薄
膜が分解し、酸素分圧１００mTorrを超えると熱処理し
ていないものと変わらない。
【００５９】比較例１ この比較例では、下部層の格子定数を11.60 オングスト
ローム≦ｃ≦11.70 オングストロームの範囲とすること
の重要性を説明する。この例では、下部層薄膜を成膜す
るための成膜方法としてスパッタ堆積法を用いた。薄膜
作製は、上記で説明した図４に示すＲＦマグネトロンス
パッタ堆積装置を用いた。 薄膜作製条件は次の通りである。 基板 ＳｒＴｉＯ3 （１００）単結晶基板 ターゲット ＹＢａ2 Ｃｕ3 Ｏ7-X 多結晶体 基板温度 ７４０℃ 酸素分圧 ４ｍｔｏｒｒ アルゴン分圧 ７６ｍｔｏｒｒ ＲＦ出力 ８０Ｗ 成膜時間 ６０分 膜厚 ２００ｎｍ 成膜後の冷却時の酸素分圧 ５００Ｔｏｒｒ 成膜後の冷却速度 ８００℃／ｈ 冷却温度 ２０℃ 薄膜作製後、薄膜を２０℃に冷却する。
【００６０】図７は、この方法で成長させた薄膜の温度
２０℃、酸素分圧１６０TorrにおけるＸ線回折パターン
（Ｘ線源：ＣｕＫα）を示す。横軸は回折角２θであ
り、縦軸は回折強度である。ここで、２２．８°、４
６．５°、７２．６°のピークはＳｒＴｉＯ3 （１０
０）単結晶基板のピークである。７．６°、１５．１
°、３０．５°、３８．４°、５４．８°に強いピーク
があり、この膜はＹＢａ2 Ｃｕ 3 Ｏ7-X のｃ軸配向単結
晶薄膜で、温度２０℃、酸素分圧１６０Torrにおいてｃ
＝11.72 オングストロームの格子定数を有していること
が分かる。
【００６１】次に、このｃ軸配向単結晶薄膜の上にａ軸
配向のＹＢａ2 Ｃｕ3 Ｏ7-X 単結晶薄膜をスパッタ堆積
法で成膜することを試みた。薄膜作製条件は、実施例１
におけるａ軸配向のＹＢａ2 Ｃｕ3 Ｏ7-X 単結晶薄膜の
作製条件と同じである。
【００６２】図８は、この方法で成長させた薄膜の温度
２０℃、酸素分圧１６０TorrにおけるＸ線回折パターン
（Ｘ線源：ＣｕＫα）を示す。横軸は回折角２θであ
り、縦軸は回折強度である。ここで、２２．８°、４
６．５°、７２．６°のピークはＳｒＴｉＯ3 （１０
０）単結晶基板のピークである。７．６°、１５．１
°、３０．５°、３８．４°、５４．８°に強いピーク
があり、この膜はＹＢａ2 Ｃｕ 3 Ｏ7-X のｃ軸配向単結
晶薄膜で温度２０℃、酸素分圧１６０Torrにおいてｃ＝
11.72 オングストロームの格子定数を有しており、ＹＢ
ａ2 Ｃｕ3 Ｏ7-X のａ軸配向単結晶薄膜は積層できない
ことが分かる。
【００６３】以上の結果より、温度２０℃、酸素分圧１
６０Torrにおいて11.60 オングストローム≦ｃ≦11.70
オングストロームの格子定数を有するＹＢａ2 Ｃｕ3 Ｏ
7-X のｃ軸配向単結晶薄膜でなければ、その積層膜の上
にスパッタ堆積法を用いても、ＹＢａ2 Ｃｕ3 Ｏ7-X の
ａ軸配向単結晶薄膜を積層することはできないことが分
かる。
【００６４】実施例３ 実施例２で作製した１２３型銅酸化物超電導体のａ軸配
向単結晶薄膜とｃ軸配向単結晶薄膜の積層膜と、ａ軸配
向単結晶薄膜の臨界電流Ｉｃを測定し、ａ軸配向単結晶
薄膜とｃ軸配向単結晶薄膜の積層膜の積層界面が電気的
に良好な接合を形成しているか調べた。図１０に示すよ
うに、電流端子はａ軸配向単結晶薄膜上に接続している
ので、ａ軸配向単結晶薄膜とｃ軸配向単結晶薄膜の積層
膜の積層界面が電気的に良好な接合をしていなければ、
ｃ軸配向単結晶薄膜部分に超電導電流は流れず、Ｉｃは
小さくなる。尚、ここで比較するａ軸配向単結晶薄膜の
作製条件は、実施例１ないし２におけるａ軸配向単結晶
薄膜とｃ軸配向単結晶薄膜の積層膜のａ軸配向単結晶薄
膜の作製条件と同じであり、膜厚のみａ軸配向単結晶薄
膜とｃ軸配向単結晶薄膜の積層膜と同じ３５０ｎｍであ
る。また、Ｉｃの測定にあたり薄膜に５μｍのブリッジ
を作製し、直流４端子法でブリッジのＩｃを測定した。
図９にＩｃの測定結果を示す。
【００６５】図９により、ａ軸配向単結晶薄膜とｃ軸配
向単結晶薄膜の積層膜はａ軸配向単結晶薄膜よりもＩｃ
が非常に高く、積層膜のｃ軸配向単結晶薄膜部分にも電
流が流れていると考えられる。この結果より、ａ軸配向
単結晶薄膜とｃ軸配向単結晶薄膜の積層膜の積層界面が
電気的に良好な接合を形成していると考えられる。
【００６６】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
１２３型銅酸化物超電導体のｃ軸配向単結晶薄膜下部層
の格子定数を特定の範囲に限定し、上部層の成膜方法と
してスパッタ堆積法を選択することにより、基板上に成
膜されている１２３型銅酸化物超電導体のｃ軸配向単結
晶薄膜（下部層）上に、結晶方位の異なる酸化物超電導
体のａ軸配向単結晶薄膜（上部層）を成膜することが可
能となった。
【００６７】本発明によるａ軸配向単結晶薄膜とｃ軸配
向単結晶薄膜の積層膜はＩｃが非常に高く、超電導ジョ
セフソン接合の配線、特にジョセフソンコンピューター
用配線として役立つ他に、１２３型銅酸化物超電導体薄
膜の強い電気的特性の異方性を利用した２端子素子や３
端子素子の作製が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は本発明の１２３型銅酸化物超電導体薄膜
積層体の構造を示す斜視図である。
【図２】本発明の実施例で用いたパルスレーザ堆積法を
実施するための装置の概略断面図である。
【図３】ＳｒＴｉＯ3 （１００）単結晶基板上にパルス
レーザ堆積法を用いて成膜した温度２０℃、酸素分圧１
６０Torrにおいてｃ＝11.67 オングストロームの格子定
数を有するＹＢａ2 Ｃｕ3 Ｏ7-X のｃ軸配向単結晶薄膜
のＸ線回折パターンを示す。
【図４】本発明の実施例で用いたＲＦマグネトロンスパ
ッタ堆積法を実施するための装置の概略断面図である。
【図５】ＳｒＴｉＯ3 （１００）単結晶基板上に成膜し
た温度２０℃、酸素分圧１６０Torrにおいてｃ＝11.67
オングストロームの格子定数を有するＹＢａ2 Ｃｕ3 Ｏ
7-X のｃ軸配向単結晶薄膜の上にＲＦマグネトロンスパ
ッタ堆積法を用いて成膜したＹＢａ2 Ｃｕ3 Ｏ7-X のａ
軸配向単結晶薄膜のＸ線回折パターンを示す。
【図６】ＳｒＴｉＯ3 （１００）単結晶基板上に成膜し
た温度２０℃、酸素分圧１６０Torrにおいてｃ＝11.67
オングストロームの格子定数を有するＹＢａ2 Ｃｕ3 Ｏ
7-X のｃ軸配向単結晶薄膜を温度６４０℃、酸素分圧1.
1mTorrで熱処理した後にＲＦマグネトロンスパッタ堆積
法を用いて成膜したＹＢａ2 Ｃｕ3 Ｏ7-X のａ軸配向単
結晶薄膜のＸ線回折パターンを示す。
【図７】ＳｒＴｉＯ3 （１００）単結晶基板上にパルス
レーザ堆積法を用いて成膜した温度２０℃、酸素分圧１
６０Torrにおいてｃ＝11.72 オングストロームの格子定
数を有するＹＢａ2 Ｃｕ3 Ｏ7-X のｃ軸配向単結晶薄膜
のＸ線回折パターンを示す。
【図８】ＳｒＴｉＯ3 （１００）単結晶基板上に成膜し
た温度２０℃、酸素分圧１６０Torrにおいてｃ＝11.72
オングストロームの格子定数を有するＹＢａ2 Ｃｕ3 Ｏ
7-X のｃ軸配向単結晶薄膜の上にＲＦマグネトロンスパ
ッタ堆積法を用いて成膜したＹＢａ2 Ｃｕ3 Ｏ7-X のｃ
軸配向単結晶薄膜のX線回折パターンを示す。
【図９】本発明のｃ軸配向単結晶薄膜＋ａ軸配向単結晶
薄膜積層体及びａ軸配向単結晶薄膜について、絶対温度
Ｔを横軸とし、臨界電流Ｉｃを縦軸とし、両者の関係を
プロットしたグラフである。
【図１０】実施例３で使用した薄膜積層体の電流端子と
の接続及び電流の流れ方を示す説明図である。
【符号の説明】
１ チャンバ ２ ホルダ ３ 単結晶基板 ４ ヒーター ５ ガス入り口 ６ ターゲット ７ ＫｒＦレーザ １１ チャンバ １２ ホルダ １３ ｃ軸配向単結晶薄膜が形成されている基板 １４ ヒーター １６ ターゲット １７ マグネット ２０ 積層体 ２１ 単結晶基板 ２２ １２３型銅酸化物超電導体のｃ軸配向単結晶薄膜
の下部層 ２３ ２２の上に形成された１２３型銅酸化物超電導体
のａ軸配向単結晶薄膜の上部層。
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 Ｃ３０Ｂ 25/06 25/18 Ｈ０１Ｌ 39/02 ＺＡＡ Ｄ 39/24 ＺＡＡ Ｄ (71)出願人 000005821 松下電器産業株式会社 大阪府門真市大字門真1006番地 (72)発明者 松永 佳典 東京都江東区東雲１丁目14番３ 財団法人 国際超電導産業技術研究センター 超電導 工学研究所内 (72)発明者 藤野 修一 東京都江東区東雲１丁目14番３ 財団法人 国際超電導産業技術研究センター 超電導 工学研究所内 (72)発明者 小田川 明弘 東京都江東区東雲１丁目14番３ 財団法人 国際超電導産業技術研究センター 超電導 工学研究所内 (72)発明者 榎本 陽一 東京都江東区東雲１丁目14番３ 財団法人 国際超電導産業技術研究センター 超電導 工学研究所内

Claims (11)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 単結晶基板上に、Ｙ：Ｂａ：Ｃｕの原子
    比が実質上１：２：３である酸化物超導電体から成り且
    つ温度２０℃及び酸素分圧１６０Torrにおいて11.60オ
    ングストローム≦ｃ≦11.70オングストロームの格子定
    数を示すｃ軸配向単結晶薄膜を成膜し、その積層膜の上
    にスパッタ堆積法を用いて上記酸化物超導電体のａ軸配
    向単結晶薄膜を積層することを特徴とする酸化物超電導
    体薄膜の製造方法。
  2. 【請求項２】 前記酸化物超導電体のａ軸配向単結晶薄
    膜を積層するに先だって、酸化物超導電体のｃ軸配向単
    結晶薄膜を温度６００℃〜８５０℃、酸素分圧0.1mTorr
    〜100mTorrで熱処理することを特徴とする請求項１に記
    載の酸化物超電導体薄膜の製造方法。
  3. 【請求項３】 前記ｃ軸配向単結晶薄膜の成膜方法とし
    て、パルスレーザ堆積法を用いることを特徴とする請求
    項１または２に記載の酸化物超電導体薄膜の製造方法。
  4. 【請求項４】 前記基板は、単結晶基板上にバッファ層
    をエピタキシャル成長させた基板であることを特徴とす
    る請求項１、２または３に記載の酸化物超電導体薄膜の
    製造方法。
  5. 【請求項５】 前記単結晶基板として、ＳｒＴｉＯ
    3 （１００）単結晶を基板として用いることを特徴とす
    る請求項１乃至４のいずれかに記載の酸化物超電導体薄
    膜の製造方法。
  6. 【請求項６】 ＳｒＴｉＯ3 （１００）単結晶を基板と
    して用い、基板温度を６００℃〜８５０℃に維持して、
    この基板の上に、パルスレーザ堆積法により、式ＹＢａ
    2 Ｃｕ3 Ｏ7-x （ｘはゼロ乃至１の数である）の酸化物
    超導電体から成り且つ温度２０℃及び酸素分圧１６０To
    rrにおいて11.60 オングストローム≦ｃ≦11.70 オング
    ストロームの格子定数を示すｃ軸配向単結晶薄膜を成膜
    し、その薄膜の上に、基板温度を５００℃〜８００℃に
    維持して、スパッタ堆積法により、前記酸化物超導電体
    のａ軸配向単結晶薄膜を積層することを特徴とする酸化
    物超電導体薄膜の製造方法。
  7. 【請求項７】 ＳｒＴｉＯ3 （１００）単結晶を基板と
    して用い、基板温度を６００℃〜８５０℃に維持して、
    この基板の上に、パルスレーザ堆積法により、式ＹＢａ
    2 Ｃｕ3 Ｏ7-X （ｘはゼロ乃至１の数である）の酸化物
    超導電体から成り且つ温度２０℃及び酸素分圧１６０To
    rrにおいて11.60 オングストローム≦ｃ≦11.70 オング
    ストロームの格子定数を示すｃ軸配向単結晶薄膜を成膜
    し、この薄膜を温度６００℃〜８５０℃に維持して酸素
    分圧0.1mTorr〜100mTorrで熱処理し、その後、その薄膜
    の上に、基板温度を５００℃〜８００℃に維持して、ス
    パッタ堆積法により、上記酸化物超導電体のａ軸配向単
    結晶薄膜を積層することを特徴とする酸化物超電導体薄
    膜の製造方法。
  8. 【請求項８】 単結晶基板と、該基板上に形成された式
    ＹＢａ2 Ｃｕ3 Ｏ7- X （ｘはゼロ乃至１の数である）の
    酸化物超導電体のｃ軸配向単結晶薄膜と、該ｃ軸配向単
    結晶薄膜上に形成された上記酸化物超導電体のａ軸配向
    単結晶薄膜とから成り且つｃ軸配向単結晶薄膜が温度２
    ０℃及び酸素分圧１６０Torrにおいて11.60オングスト
    ローム≦ｃ≦11.70オングストロームの格子定数を有す
    る単結晶薄膜であることを特徴とする酸化物超導電体薄
    膜積層体。
  9. 【請求項９】 ｃ軸配向単結晶薄膜が１乃至１０００ｎ
    ｍの厚みを有し且つａ軸配向単結晶薄膜が１乃至１００
    ０ｎｍの厚みを有する請求項８記載の酸化物超導電体薄
    膜積層体。
  10. 【請求項１０】 前記単結晶基板がＳｒＴｉＯ3 （１０
    ０）単結晶基板である請求項８記載の酸化物超電導体薄
    膜積層体。
  11. 【請求項１１】 請求項８乃至１０の何れかに記載の酸
    化物超導電体薄膜積層体から成るジョセフソン接合用配
    線。
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