JPS6252029B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

＜産業上の利用分野＞ この発明は超伝導ベリリウム薄膜の製造方法に
係り、更に詳しくは超伝導ベリリウム薄膜の温度
を室温に昇温させても、超伝導ベリリウム薄膜の
結晶状態が非晶質化又は微結晶化状態が変らない
超伝導ベリリウム薄膜の製造方法に関する。 超伝導ベリリウム薄膜は高速コンピユータ用ジ
ヨセフソン素子の超伝導電極材料としてあるいは
超伝導量子干渉素子（いわゆるSQU1D：Super
−Conducting Quantum Interference Device）
などの薄膜回路素子材料として注目されている。 しかし、このような超伝導薄膜素子材料のうち
超伝導鉛薄膜は酸化されやすく、経時変化が大き
くかつ強度が小さいなどの欠点がある。また、超
伝導ニオブ薄膜は酸化されやすいだけではなく、
酸化が内部まで進み、特性も経時変化する。これ
に反し、超伝導ベリリウム薄膜は上述のニオブ薄
膜や鉛薄膜の場合に比べて酸化しにくく、経時変
化が少くかつ誘電率はニオブの1/5にすぎないか
ら、高速スイツチングが可能であるため、超伝導
薄膜素子として広い利用が期待されている。 ＜従来の技術＞ 超伝導ベリリウム薄膜の製造方法として、従来
から真空蒸着法が行われていた。真空蒸着法によ
り超伝導ベリリウム薄膜を製造するときは、真空
中において、ベリリウムを抵抗加熱あるいは電子
ビーム加熱などの方法で溶融蒸発し、低温装置で
約−270℃に保持した基板上に被着し、超伝導ベ
リリウム薄膜を製造するものである。 真空蒸着法で基板上に成膜した超伝導ベリリウ
ム薄膜は、西ドイツ物理学会発行の学術雑誌「ツ
アイトシユリフト・デア・フイジーク
（Zeitschrift der Physik）」Bd 20（1975年）、
pp.13〜20に、ジ−・ジ−・グランクヴイスト氏
（G.G.Granqvist）他等により報告された論文
「ベーパー・クエンツド・ベリリウムおよびベリ
リウム基合金の超伝導（原文：
Superconductivity of Vapour Quenched
Beryllium and Berilliumbased Alloys）」中で開
示しているように、その超伝導転移温度は8K−
10Kである。しかも、その超伝導特性は低温度
（−270℃）の基板上に堆積するためベリリウム薄
膜の結晶が非晶質ないし微結晶状態になるために
生じるものであるとされている。 ＜発明が解決しようとする問題点＞ しかし、前記方法で成膜した超伝導ベリリウム
薄膜は、温度を室温まで上げると、薄膜の結晶構
造は六方晶系（hexagonal）に変るため、前記超
伝導特性が喪失してしまう難点があつた。また、
ベリリウム薄膜成膜時に基板温度を約−270℃の
極低温に保持するため、特別の低温装置を必要と
し、超電導ベリリウム薄膜の製造コストが高くな
る難点もあつた。 この発明は、従来の超伝導ベリリウム薄膜の製
造方法の難点を除去するためになされたものであ
つて、成膜した超伝導ベリリウム薄膜を室温に放
置しても、結晶構造が六方晶系へ変化せず、超伝
導転移温度以下にすると再び超伝導特性を示す超
伝導ベリリウム薄膜の製造方法を提供しようとす
るものである。 また、この発明は、超伝導ベリリウム薄膜を製
造する際に、基板温度を特に、極低温に保持しな
くとも非晶質又は微結晶状態の超伝導ベリリウム
薄膜を成膜できる超伝導ベリリウム薄膜の製造方
法を提供しようとするものである。 ＜問題点を解決するための手段＞ 前記目的を達成するため、この発明は超伝導ベ
リリウム薄膜の製造に当り、真空中において不活
性物質のイオンビーム又は中性粒子線でベリリウ
ムターゲツトをスパツタリングし、基板に非晶質
化又は微結晶化したベリリウム薄膜を形成するこ
とを特徴とするものである。 この発明の超伝導ベリリウム薄膜の製造方法に
おいてベリリウムターゲツトをスパツタリングす
る不活性物質はアルゴン、ヘリウム、クリプト
ン、キセノンなどベリリウムと化学反応しない希
元素が使用される。 また、ベリリウムターゲツトをスパツタリング
する不活性物質の中性粒子線ビームは、前記アル
ゴン、ヘリウム、クリプトン、キセノンなどのイ
オンを中性化したものであつても、また原子線ビ
ームであつてもよい。 また、この発明の超伝導ベリリウム薄膜の製造
方法に使用する基板材料は、シリカ、アルミナ等
の絶縁性基板や他の導電性基板材料であつてもよ
い。 また、この発明の超伝導ベリリウム薄膜を製造
する場合に、基板に形成するベリリウム薄膜に対
しさらに別の不活性物質のイオンビーム源又は中
性粒子線源から放射されるビームを照射し当該ベ
リリウム膜を均一に非晶質化又は微結晶化しても
よい。 また、この発明の超伝導ベリリウム薄膜の製造
する場合に、基板温度を極低温に保持した状態で
ベリリウムのスパツタリング膜を形成してもよ
い。 ＜作用＞ このようにして、基板にベリリウムのスパツタ
リング薄膜を形成すると、 ○イ ベリリウムターゲツトからスパツタリングさ
れたベリリウム原子若しくは分子は真空蒸着法
の場合より大きな運動エネルギーで基板に衝突
し、基板に熱エネルギーを与えながら動き回
り、他のものと原子対や原子集団を作りながら
表面の捕獲中心に捕獲されベリリング膜を形成
する。 しかし、ベリリウムターゲツト面に放射され
た高速の不活性物質のイオンビーム又は中性粒
子線の一部はターゲツト面で反射され、その中
の一部は大きい運動エネルギー（最大5KeV）
を保持して、基板に堆積しているベリリウム膜
に入射し結晶方位が定まるのを阻害し、当該ベ
リリウム膜を非晶質化又は微結晶化するものと
考えられる。 ○ロ また、基板を極低温に保持しながらベリリウ
ムのスパツタリング膜を成膜するときは、ベリ
リウム膜の非晶質化又は微結晶化が一層促進さ
れるものと考えられる。 ○ハ さらに、ベリリウムターゲツトへの不活性物
質のイオンビーム又は中性粒子線のスパツタリ
ングとは別に、基板上の堆積中のベリリウム膜
に、不活性物質のイオンビーム又は中性粒子線
を照射するときは生成中のベリリウム薄膜の非
晶質化又は微結晶化を一層促進させることがで
きるものと考えられる。 ＜実施例＞ 次に、この発明の代表的な実施例と比較例に基
づいて本発明の内容を具体的に説明する。 実施例 １ 第１図は、本発明の超伝導ベリリウム薄膜の製
造に用いるスパツタリング装置１０の断面図を示
す。図示のスパツタリング装置１０は、真空槽１
内に、二極直流スパツタ方式で配置したイオンビ
ーム発生器２とイオンビーム発生器２のイオンビ
ーム放射路中にベリリウム板（純度99.9％）３と
ベリリウム板３上方にベリリウム板３と対向した
位置にSiO₂基板４を配置した構造になつてい
る。 そして、真空槽１はアルゴンガス供給源５から
パイプ６を通してストツプ・バルブ７およびバリ
アブル・リーク・バルブ８によつてイオンビーム
発生器２内へ送給できるように接続されている。 また、真空槽１に連結された排気系９によつて
槽内ガスを排気できるように構成されている。 スパツタリング装置１０を使用して、基板４上
に超伝導ベリリウム薄膜を成膜するには、排気系
９を作動して真空槽１内を１×10^-6Torr程度に
排気してからストツプ・バルブ７およびバリアブ
ル・リーク・バルブ８を操作してガス供給源５か
らアルゴンガスをイオンビーム発生器２内に導き
アルゴンガス圧を２×10^-4Torr程度にしてから
イオンビーム発生器２を作動してアルゴンのイオ
ンビーム又はアルゴンガス原子線でベリリウム板
３の表面を衝撃する。前記のアルゴンイオンビー
ム又はアルゴン原子線は通常１〜10KeVの運動エ
ネルギーを与えられるため、ベリリウム板３の表
面のベリリウム原子は、高速のアルゴンイオンビ
ーム又は原子線によつてはじき出され、その一部
は基板４の上面に被着し、ベリリウム薄膜を形成
する。 具体的なベリリウム薄膜作製の例として、排気
系９の排気速度を200／sec、イオンビーム発生
器２へのアルゴンガス供給量を4SCCMとする
と、イオンビーム発生器２からアルゴンガスの漏
洩のため、真空槽内部の圧力は３×10^-4Torrに
まで上昇した。 また、イオンビーム発生器２に供給する電力
と、イオンビーム発生器２とベリリウム板３間に
適当な電位差を与えることにより、ベリリウム板
３の表面上約２cm×１cmの面積にわたり、5KeV
の運動エネルギーを有するアルゴンイオンビーム
を５×10¹⁴個／秒の割合で放射した。 また、基板４はベリリウム板３から４cm隔てた
位置に、互いの面が平行に向い合うように配置し
た。このときの基板４の温度は30℃以上70℃以下
の温度に保持した。 このような条件の下で、アルゴンイオンビーム
放射を60分継続して、基板４上に、膜厚が20ナノ
メータ（ｎｍ）のベリリウム薄膜を形成させるこ
とができた。 以上のようにして基板上に成膜した超伝導ベリ
リウム薄膜を実施例試料１とする。 実施例 ２ スパツタリング装置１０として第２図に示すご
とく真空槽１内に、二極直流スパツタ方式で配置
したイオンビーム発生器２ａとイオンビーム発生
器２ａのイオンビーム放射路中にベリリウム板
（純度99.9％）３とベリリウム板３の上方にベリ
リウム板３と対向するように設けたSiO₂基板４
と、さらに基板４と対向した位置に、当該基板４
のスパツタリングベリリウム膜形成面に向けてイ
オンビーム又は原子線を放射面を配置され、同一
のアルゴンガス供給源５からストツプ・バルブ
７、バリアブル・リーク・バルブ８およびパイプ
６を介してアルゴンガスを導入する第２のイオン
ビーム発生器２ｂを用いた他は実施例１と同様の
方法で、それぞれベリリウムターゲツト３および
基板４にアルゴンのイオンビーム又は原子線を照
射し、基板４上に非晶質化又は微結晶化されたベ
リリウム薄膜を成膜した。 このようにして基板４上に成膜した超伝導ベリ
リウム薄膜を実施例試料２とした。 実施例 ３ スパツタリング装置１０として、第３図に示す
ごとく真空槽１内に、二極直流スパツタ方式で配
置したイオンビーム発生器２とイオンビーム発生
器２のイオンビーム放射路中にベリリウム板（純
度99.9％）３と、ベリリウム板３の上方にベリリ
ウム板３と対向するように配置したSiO₂基板４
と、SiO₂基板４を極低温（−270℃）に冷却する
低温装置１１とが設けられている以外は、実施例
１と同様の方法でベリリウムターゲツト４をイオ
ンビーム発生器２からアルゴンイオンビーム又は
アルゴン原子線で照射し、基板４上に20nｍ厚に
ベリリウム薄膜を形成させた。ただし、上述の低
温装置１１は、液体ベリリウム槽１１ｂとその外
側に設けた液体窒素槽１１ａとからなつている。
かくして基板４上に得られたベリリウム薄膜を実
施例試料３とした。 比較例 実施例３の場合と同様の真空槽１内に第４図の
ごとく、スパツタリング装置１０の代りに、電子
ビーム発生器１２を設置すると共に、ベリリウム
ターゲツト３の代りに真空槽の底部にるつぼ１３
を前記電子ビーム１２から放射した電子ビームを
受けうるように配置し、るつぼ１３内にはベリリ
ウム粉末１４を入れ、さらに実施例３の場合と同
じ配置で、るつぼ１３の上方に基板１４を設け
る。 基板１４は低温装置１１で、極低温に冷却保持
できるようにした構造の真空蒸着装置２０を準備
しておく。ただし、低温装置１１は外側を液体窒
素槽１１ａ、内側を液体ヘリウム槽１１ｂで基板
１４を約−270℃に維持される。 このような真空蒸着装置２０で基板１４上に超
伝導ベリリウム薄膜を成膜するには、電子ビーム
発生器１２を作動し、るつぼ１３内のベリリウム
粉末に電子ビームを照射し、加熱蒸発させると、
極低温に冷却された基板４上に非晶質化又は微結
晶化された超伝導ベリリウム薄膜が成膜される。 このようにして基板４上に成膜された超伝導ベ
リリウム薄膜を比較例試料と名付けることとす
る。 実施例１、２、３および比較例により得られた
それぞれの実施例試料１、２、３および比較例試
料の熱特性および超伝導特性について測定した結
果を表−１に示す。

【表】 表−１の結果から、室温に保持された基板にベ
リリウムをスパツタ蒸着した成膜は、極低温に保
持した基板に成膜したベリリウム薄膜に比べて超
伝導特性はやや劣るが、一旦成膜後は極めて熱安
定に優れていることが判る。特にベリリウム薄膜
を成膜中の基板に、ベリリウムターゲツトへ放射
する不活性物質イオンビーム又は原子線源とは別
のイオンビーム又は原子線源を照射したものは、
ベリリウム薄膜全面が均一に非晶質化又は微結晶
化され、優れた薄膜素子となることが判つた。 また、成膜時の基板温度を約−270℃にする
と、得られるベリリウム薄膜の超伝導特性が極め
て優れた（超伝導転移温度が高い）ものが得られ
るかが、熱的特性の点でやや不安定であることも
判つた。 ただし、上述したベリリウム薄膜の超伝導特性
は、当該ベリリウム薄膜の電気抵抗値の温度依存
性から判定した。 この際測定した電気抵抗値は、直流４端子法に
より測定した。 すなわち、基板温度が室温で成膜した試料のベ
リリウム薄膜は第５図に示すごとく試料温度
5.8Kにおいて電気抵抗値（Ω）が急激に変化
し、この温度点において超伝導状態から常伝導状
態へ転移することを示している。ただし、用いた
試料のベリリウム薄膜は長さ２cm、幅0.5cm、厚
さ20nｍのものを用いた。 本実施例における超伝導ベリリウム薄膜の製造
方法が従来の真空蒸着法によるものと異なつてい
る点は、 基板上に被着させるベリリウム原子もしくは
分子が１〜100eVという大きな運動エネルギー
が与えられていること、 ベリリウムターゲツトに放射される高速アル
ゴン原子もしくは原子の一部がターゲツト面で
反射され、さらにその一部が大きな運動エネル
ギー（最大5KeV）を保ちつつ基板面に入射
し、堆積中のベリリウム薄膜を照射し、その結
晶構造を非晶質ないし微結晶状のものにするも
のと考えられる。これが、成膜時に基板温度が
室温であるにかかわらず、ベリリウム薄膜の結
晶構造を非晶質ないし微結晶にする理由と考え
られる。しかも、このようにして生成した非晶
質化ないし微結晶化した状態は極めて安定で、
室温で６ケ月間放置しても、再結晶の兆候は全
くなかつた。 なお、本実施例では、基板としてSiO₂基板
を用いたものを例示しているが、他種の基板た
とえばシリコン基板、アルミナ基板などを用い
ても同様の効果が得られるものである。また本
実施例において、アルゴンイオンビームによる
ベリリウムターゲツトのスパツタリングにより
膜形成をおこなつているが、このアルゴンイオ
ンを中性化しても同様の効果が得られる。 さらに、本実施例において基板上にベリリウ
ム薄膜成膜する際は、ベリリウム板からのベリ
リウム原子もしくは分子と、ベリリウム板から
反射される高速アルゴン原子もしくはアルゴン
イオンビームの入射により結晶構造を制御する
方法を採用しているが、ベリリウム板スパツタ
リング用のアルゴンイオンビーム発生器の他
に、別に基板面を照射するイオンビーム放射装
置又は原子線発生装置からのイオンビーム照射
又は原子線照射によつてベリリウム薄膜の結晶
構造を制御してもよい。 さらに、本発明による超伝導ベリリウム薄膜
の製造方法では、高速イオンあるいは中性高速
粒子によるスパツタリング効果を用いて薄膜形
成をおこなつているのであるから、前記実施例
で使用したアルゴンガスのかわりに他種の不活
性物質たとえばヘリユウム、ネオン、クリプト
ン、キセノンなどベリリウムと化学的に不活性
の物質を用いることができる。 ＜発明の効果＞ 以上の説明から明らかなように、 真空蒸着法により超伝導ベリリウム薄膜を成
膜した場合は、一旦基板にベリリウム薄膜を非
晶化又は微結晶化した状態で成膜しても電気リ
ード線の接続、デバイスの構成などの工作過程
で室温に曝らされると結晶化して超伝導特性が
失われ、再降温してももとの超伝導特性が回復
しなくなる。これに反し、本発明による製造方
法にしたがつて成膜したベリリウム薄膜は、室
温になつてもベリリウム薄膜の非晶質化又は微
結晶化が失われないので、電気リード線の接
続、デバイスの構成などの作業を行うことがで
きる。 また、本発明の製造方法により成膜したベリ
リウム薄膜の熱的安定性がよいので、安定した
薄膜回路素子として使用できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の超伝導ベリリウム薄膜の製造
方法の一実施例に使用するスパツタリング装置の
構成を示す要部断面図、第２図は本発明の超伝導
ベリリウム薄膜の製造方法の他の実施例に使用す
るスパツタリング装置の構成を示す要部断面図、
第３図は本発明の超伝導ベリリウム薄膜の製造方
法の他の実施例に使用するスパツタリング装置の
構成を示す要部断面図、第４図は従来の超伝導ベ
リリウム薄膜の製造方法に使用する真空蒸着装置
の構成を示す要部断面図、第５図は本発明の超伝
導ベリリウム薄膜の製造方法により成膜された超
伝導ベリリウム薄膜の電気抵抗の温度依存性を示
す特性図である。 図面中、１……真空槽、２，２ａ……ベリリウ
ムターゲツトスパツタリング用の不活性物質のイ
オンビーム又は原子線発生装置、２ｂ……基板照
射用不活性物質イオンビーム又は原子線発生装
置、３……ベリリウムターゲツト、４……基板、
５……不活性ガス源、１１……低温装置。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 真空中において、不活性物質のイオンビーム
   又は中性粒子線でベリリウムターゲツトをスパツ
   タリングし、基板に非晶質化又は微結晶化したベ
   リリウム薄膜を形成することを特徴とする超伝導
   ベリリウム薄膜の製造方法。 ２ ベリリウムターゲツトをスパツタリングする
   不活性物質のイオンビーム又は中性粒子線とは別
   の不活性物質のイオンビーム又は中性粒子線源か
   らのビームを基板に形成しているベリリウム薄膜
   に照射することを特徴とする特許請求の範囲第１
   項記載の超伝導ベリリウム薄膜の製造方法。 ３ 基板を極低温に保持しながらベリリウムター
   ゲツトのスパツタリングにより基板に非晶質化又
   は微結晶化したベリリウム薄膜を形成することを
   特徴とする特許請求の範囲第１項又は第２項の超
   伝導ベリリウム薄膜の製造方法。