JPS63261627A - 超電導薄膜の製造方法 - 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】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、イオン蒸着法を用いて基板の表面にＩＩａ
族−ｍａ族−銅・酸化物の積層体からなる超電導薄膜を
形成する超電導薄膜の製造方法に関するものである。

〔従来の技術］ 超電導材料は、たとえばジョセフソン素子や５ＱＵＩＤ
センサなどの各種クライオエレクトロニクス材料として
きわめて有望である。

かかる超電導材料としては、従来より種々の酸化物セラ
ミックスが焼結により作成されていた。

これらの酸化物セラミックスの例を超電導開始温度とと
もに以下に示す。

（セラミックス）　　　　　（超電導開始温度）Ｓｃ−
Ｂａ−Ｃｕ酸化物　　　　　　　１７５ＫＹ　−Ｂａ−
Ｃｕ酸化物　　　　　　　１２３ＫＬａ−３ｒ−Ｃｕ酸
化物　　　　　　　　５４ＫＬａ−Ｂａ−Ｃｕ酸化物　
　　　　　　　３０Ｋ〔発明が解決しようとする問題点
〕 ジョセフソン素子や５ＱＵＩＤセンサなどのクライオエ
レクトロニクス材料として、超電導材料を利用する場合
には、その薄膜化が必要であった。

しかしながら、従来の超電導材料は、焼結によって酸化
セラミックスを作成していたため、その薄膜化が困難で
あった。

したがって、この発明の目的は、超電導薄膜を作成する
ことができる超電導薄膜の製造方法を提供することであ
る。

・　　〔問題点を解決するための手段〕この発明の超電
導薄膜の製造方法は、ＩＩａ族金属および／またはその
酸化物と、ｍａ族金属および／またはその酸化物と、銅
および／またはその酸化物とを、順次または銅および／
まなはその酸化物を他の２種の金属および／またはその
酸化物と交互に蒸発させて基板上に積層させ、さらにこ
れらの蒸着中に酸素二ュートラルビームを前記基板上に
照射してＩＩａ族−ｍａ族−銅・酸化物の積層体からな
る薄膜を作成することを特徴とするものである。

〔作用〕

この発明によれば、蒸発した各金属または金属酸化物の
蒸発物はそれぞれ基板上にゆっくりと舞い降り、蒸着積
層されるが、これらの蒸着過程の間、酸素二ュートラル
ビームが基板に向かうで照射されるため、この酸素二ュ
ートラルビームによって金属または金属酸化物は基板内
または基板上にすでに付着した他の蒸着物内にたたき込
まれそれらの界面にミキシング層を形成して基板との間
および層閘を強固に結合し、剥離強度が向上する。

また、金属は酸素二ュートラルビームによって酸化され
金ＷＡ酸化物となって基板上に蒸着し、一方、金属酸化
物では蒸着時に分離した酸素が酸素二ュートラルビーム
によって補充される。

これにより、基板上にＩＩａ族−ｍａ族−銅・酸化物の
積層体からなる超電導薄膜が形成される。

この超電導薄膜は、結晶構造が均一化されることから、
超電導が起こりやすいものになる。

〔実施例〕

第１図はこの発明を実施するための薄膜形成装置の一例
を示す説明図である。この薄膜形成装置はイオン蒸着法
（ＩＶＤ）を利用して薄膜を形成するものであって、真
空チャンバ１内に蒸発源となる各原料金属を入れた３個
の蒸発るつぼ２．３゜４と、酸素イオン源５と、基板ホ
ルダ６とを備える。

前記蒸発るつぼ２，３．４はそれぞれにＵａ族金属Ｃ３
ｒｒ　Ｂａ等）および／またはその酸化物、ｍａ族金属
（Ｓｃ、　ｖ＋　Ｌａ等）および／またはその酸化物、
銅および／またはその酸化物を入れたものである。また
、各るつぼ２．３．４には電子線源７．８．９から電子
線ａ、ｂ、ｃがそれぞれ照射されて各金属またはその酸
化物を蒸発させる。さらに、各るつぼ２．３．４と各電
子線源７．８゜９とは一対ずつがそれぞれの蒸発室１４
．１５゜１６内に収容されるとともに、各蒸発室１４，
１５゜１６に設けたシャッタ１７，１８．１９を開閉可
能にする。

酸素イオン源５は酸素イオンを真空チャンバｌ内に放出
する。このＮＩ稟イオン源５の近傍にはニュートラライ
ザ１０が配置され、酸素イオンを中性化して酸素二ュー
トラルビームｈとする。これは、基板ホルダ６に保持さ
れた基板１１に向かって酸素イオンをそのまま照射する
と、薄膜の表面がチャージアップし、後続する酸素イオ
ンをはね返したり、絶縁破壊するためである。前記ニュ
ートラライザ１０は、たとえばタンタル、タングステン
等からなる中性化フィラメントが使用可能であって、こ
れから発生された電子により酸素イオンを中性化する。

酸素二ュートラルビームｈの照射量は、金属を酸化する
のに必要な量よりもやや多くするのが好ましい。

前記基板ホルダ６は、内部にヒータ１２が設けられたも
のであって、その表面にサファイア、ジルコニア等から
なる絶縁性の基板１１が取付けられる。

各るつぼ２，３．４内の金属またはその酸化物は電子線
源７．８．９からの電子線ａ、ｂ、ｃによって蒸発する
。このとき、各蒸発室のシャッタ１７．１８．１９のい
ずれかを開き他を閉じる操作を一定時間毎に順次行えば
、基板１１の表面には各の蒸発物を所定量ずつ順次積層
させることができるる（第１図では蒸発室１５のシャッ
タ１８のみが開いてそこから符号ｄで示す蒸発物が蒸発
している状態を示している）、各蒸発室１４〜１６から
の蒸発物の積Ｆｉｌｌは、電子線の照射量、したがって
電子線源のフィラメント温度の制御およびシャッタ１７
〜１９の開閉時間の制御により適宜決定することができ
、好ましくは基板１１の面上でＩＩａ族金属またはその
酸化物とｕｌａ族金属またはその酸化物との総量：銅の
配合量が約１＝１となるように積層する。また、積層順
序はシャッタ１７〜１９の開き順序により決定される。

蒸着と同時に、酸素イオン源より照射さた酸素イオンビ
ームをニュートラライザ１０で中性化した酸素二ュート
ラルビームｈが基板１１に向かって照射され、順次積層
される蒸発物を酸化して酸化物にするとともに、蒸発物
を順次基板１１内または積層面内に打ち込み、各層の界
面で両方が混ざり合ったミキシング層が形成されるよう
にする。

かくして、基板１１の表面にＩ［ａ族金属の酸化物層と
、［［［ａ族金属の酸化物層と、銅の酸化物層とが順次
積層され相互に強固に結合してなる超電導薄膜１３が形
成される。この場合、基板１１として線状のものを使用
し、これにＩＩａ族−ｍａ族−銅・酸化物からなる層状
の超電導薄膜をこの発明にしたがって被覆することもで
き、これをコイルとして使用すれば超電導コイルを得る
ことができる。

なお、蒸着金属を結晶化させるために、基板１１は基板
ホルダ６に内蔵したヒータ１２によって加熱された状ａ
（約８００°Ｃ）で蒸着されるが、基板１１を加熱せず
にまたは２００°Ｃ程度に加熱して蒸着し、ついでアニ
ールして結晶化させるようにしてもよい。

また、上述の実施例では３つの蒸発室１４，１５゜１６
より順に各金属またはその酸化物を蒸発させるため、そ
れらの金属またはその酸化物の割合の調整が容易になし
うるという利点があるが、要すれ（ｆＩＩａ族金属およ
び／またはその酸化物を蒸発させる蒸発室とｍａ族金属
および／またはその酸化物を蒸発させる蒸発室とのそれ
ぞれのシャッタを同時に開いてそれらの混合酸化物層を
銅の酸化物層と交互に積層蒸着するようにしてもよい、
これは、超電導は主として銅の酸化物層において行われ
ると考えられるからである。

さらに、蒸発室を２つにし、一方にＵａ族金属および／
またはその酸化物とｍａ族金属および／またはその酸化
物とを収容し、他方に銅および／またはその酸化物を収
容し、２つの蒸発室のシャッタを交互に開くようにして
もよい、この場合、一方の蒸発室内に収容されるＵａ族
金属および／またはその酸化物とｍａ族金属および／ま
たはその酸化物とは独立してまたは混合して収容されて
いてもよ（、あるいは合金またはその酸化物の形態で収
容されていてもよい、この発明はこれらの態様をも包含
するものである。

次に本発明者が行った成膜実験について説明する。

実験１：　３つのの蒸発室内にそれぞれ収容したＹ、　
Ｂａ、　Ｃｕを下記蒸着速度で蒸発させながら、各蒸発
室のシャッタを、Ｃｕの蒸発室閉→Ｃｕの蒸発室閉、Ｙ
およびＢａの蒸発室閉→ＹおよびＢａの蒸発室閉、Ｃｕ
の蒸発室閉→Ｃｕの蒸発室閉、ＹおよびＢａの蒸発室閉
→・・・の順にそれぞれの蒸発室を３秒間ずつ開く操作
を繰り返した。

（金属）　　　　　　（蒸着速度） Ｙ　　　　　　１．　ＯＸ　１０　”ａｔｏｍ／ｃｍ”
　・５ｅｃＢａ　　　　　１．４　Ｘ　１０１Ｓａｔｏ
ｎｅ／ｃｍ”−５ｅｅＣｕ　　　　　２．４　Ｘ　１０
１ＳａｔｏｌＩ／Ｃｍ”　・ｓｅｃまた、この薄着過程
の間、基板に向かって酸素ニュートラルビームを照射さ
せた。この酸素二ュートラルビームは、酸素イオンビー
ムを用い、そのビームエネルギを１００ｅＶ、　　０．
７ｎ＋＾／ｃｄ　（基手反面上）とし、これをニュート
ラライブで中性化したものである。

使用した基板はサファイア基板（０面）であり、これを
ｓ　ｏ　ｏ　’ｃで加熱して積層蒸着させた。

これによってサファイア基手反の表面に厚さ５０００人
のＹ−Ｂａ−Ｃｕ酸化物の積層体からなる超電導薄膜が
得られた。この超電導薄膜の両端に金電極をスパッタ成
膜により形成し、液体窒素中でこの超電導薄膜の電気抵
抗を測定したところ、電極間の電気抵抗は０であった。

また、前記Ｙ、　Ｂａ、　Ｃｕの蒸着順序を逆にしたり
、あるいはこれらの金属に代えてこれらの酸化物を用い
て前記と同様にしてサファイア基板にイオン蒸着して成
膜した場合も同様の結果が得られた。

実験２：　シャッタの開閉を、Ｃｕの蒸発室閉→Ｃｕの
蒸発室閉、Ｙの蒸発室閉→Ｙの蒸発室閉、Ｃｕの蒸発室
閉→Ｃｕの蒸発室閉、Ｂａの蒸発室閉→Ｂａの蒸発室閉
、Ｃｕの蒸発室閉→・・・の順にそれぞれの蒸発室を３
秒間ずつ開く操作を繰り返し、かっＣｕの蒸着速度を１
．２　Ｘ　１０　ＩＳａｔｏｍ／ｃｍ”　・ｓｅｃとし
、酸素イオンビームを０．３５　ｍＡ　／Ｃ４としたほ
かは、前述の実験ｌと同様してサファイア基板の表面に
厚さ５０００人のＹ−Ｂａ−Ｃｕ酸化物の積層体からな
る超電導薄膜を得た。この超電導薄膜も実験ｌと同様に
電極間の電気抵抗は０であった。

なお、実験ｌおよび２において、サファイア基板を蒸着
時に加熱せずにまたは２００°Ｃ程度に加熱して、蒸着
後、アニールして結晶化させた場合も同様の結果が得ら
れた。

〔発明の効果〕

この発明によれば、ＩＩａ族−１１１ａ族−銅・酸化物
９積層体からなる超電導薄膜の生成が可能になるという
効果がある。

【図面の簡単な説明】 第１図はこの発明の実施に使用する薄膜形成装置の一例
を示す概略図である。 ｌ・・・真空チャンバ、２，３．４−るつぼ、５−酸素
イオン源、６・・・基板ホルダ、１０−　ニュートララ
イザ、１１一基板、１３−超電導薄膜、１４゜１５．１
６・−蒸発室

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. IIａ族金属および／またはその酸化物と、IIIａ族金属
   および／またはその酸化物と、銅および／またはその酸
   化物とを、順次または銅および／またはその酸化物を他
   の２種の金属および／またはその酸化物と交互に蒸発さ
   せて基板上に積層させ、さらにこれらの蒸着中に酸素二
   ュートラルビームを前記基板上に照射してIIａ族−III
   ａ族−銅・酸化物の積層体からなる薄膜を作成すること
   を特徴とする超電導薄膜の製造方法。