JPS63274024A - Manufacture of superconductive membrane - Google Patents

Manufacture of superconductive membrane

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JPS63274024A
JPS63274024A JP62107794A JP10779487A JPS63274024A JP S63274024 A JPS63274024 A JP S63274024A JP 62107794 A JP62107794 A JP 62107794A JP 10779487 A JP10779487 A JP 10779487A JP S63274024 A JPS63274024 A JP S63274024A
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superconducting thin
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藤田 順彦
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秀夫 糸▲崎▼
Saburo Tanaka
三郎 田中
Shuji Yatsu
矢津 修示
Tetsuji Jodai
哲司 上代
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    • Y02E40/60Superconducting electric elements or equipment; Power systems integrating superconducting elements or equipment

Abstract

PURPOSE:To manufacture a superconductive material membrane of a high critical temperature and an even composition by carrying out a physical vacuum evaporation with a specific alloy as a vacuum evaporation source, together with O or O2 ion beams, to form the membrane. CONSTITUTION:An alloy including an element alpha selected from groups IIa and IIIa in the periodic table, an element beta selected from groups IIa and IIIa in the periodic table including the same element as the alpha, and an element gamma selected from groups Ib, IIb, IIIb, IVa, and VIIIa in the periodic table is used as a vacuum evaporation source, and together with O or O2 ion beams, a physical vacuum evaporation is carried out to form a membrane. An alloy made by mixing Y and Ba, and mixing Cu in an excessive amount, for example, is used, the alloy target 2 and a substrate 5 are installed in a chamber 1, the inside of the chamber 1 is evacuated to a vacuum, a current is applied to a heater 6, the substrate temperature is heated to apply a high frequency power to an RF electrode and an ion generating electrode, and the membrane is produced in a forming speed 0.3 Angstrom /sec. As a result, it is made possible to produce a membrane of a superconductive oxide with the Tc much higher than the conventional superconductor.

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は超電導薄膜の製造方法に関する。より詳細には
、高い超電導臨界温度を有し、組成の均一な超電導薄膜
の作製方法に関する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION Field of the Invention The present invention relates to a method for producing superconducting thin films. More specifically, the present invention relates to a method for producing a superconducting thin film having a high superconducting critical temperature and having a uniform composition.

従来の技術 電子の相転移であるといわれる超電導現象は、特定の条
件下で導体の電気抵抗が零の状態となり完全な反磁性を
示す現象である。即ち、超電導下では、超電導体に電流
を流しても電力損失が全く無く、密度の高い電流が永久
に流れ続ける。例えば、超電導技術を電力送電に応用す
れば、現在送電に伴って生じているといわれる約7%の
送電損失を大幅に減少できる。また、高磁場発生用電磁
石としての応用は、例えば、発電技術の分野ではMHD
発電、電動機等と共に、開発に発電量以上の電力を消費
するともいわれる核融合反応の実現を有利に促進する技
術として期待されている。また磁気浮上列車、電磁気推
進船舶等の動力として、更に、計測・医療の分野でもN
 M R1π中間子治療、高エネルギー物理実験装置な
どへの利用が期待されている。
BACKGROUND OF THE INVENTION Superconductivity, which is said to be a phase transition of electrons, is a phenomenon in which the electrical resistance of a conductor becomes zero under certain conditions and exhibits complete diamagnetic properties. That is, under superconductivity, there is no power loss at all even when current is passed through a superconductor, and a high-density current continues to flow forever. For example, if superconducting technology is applied to power transmission, it will be possible to significantly reduce the approximately 7% power transmission loss that currently occurs with power transmission. In addition, applications as electromagnets for generating high magnetic fields include, for example, MHD in the field of power generation technology.
Along with power generation and electric motors, it is expected to be a technology that advantageously promotes the realization of nuclear fusion reactions, which are said to consume more electricity than the amount of electricity generated. In addition, N
It is expected to be used in M R1 pi meson therapy, high energy physical experiment equipment, etc.

上述のような大型の装置における利用とは別に、超電導
材料の他の利用として、各種の超電導素子の作製が挙げ
られる。代表的なものとしては、超電導材料どうしを弱
く接合した場合に、印加電流によって量子効果が巨視的
に現れるジョセフソン効果を利用した素子が挙げられる
。トンネル接合型ジョセフソン素子は、超電導材料のエ
ネルギーギャップが小さいことから、極めて高速な低電
力消費のスイッチング素子として期待されている。
Apart from the use in large-scale devices as described above, other uses of superconducting materials include the production of various superconducting elements. A typical example is an element that utilizes the Josephson effect, in which a quantum effect appears macroscopically due to an applied current when superconducting materials are weakly bonded together. Tunnel junction type Josephson devices are expected to be extremely high-speed switching devices with low power consumption because the energy gap of superconducting materials is small.

また、電磁波や磁場に対するジョセフソン効果が正確な
量子現象として現れることから、ジョセフソン素子を磁
場、マイクロ波、放射線等の超高感度センサとして利用
することも期待されている。
Furthermore, since the Josephson effect on electromagnetic waves and magnetic fields appears as a precise quantum phenomenon, it is expected that Josephson elements will be used as ultra-sensitive sensors for magnetic fields, microwaves, radiation, etc.

さらに、電子回路の集債度が高くなるにつれて単位面積
当たりの消費電力が冷却能力の限界に達する。そこで超
高速計算機には超電導素子の開発が要望されている。
Furthermore, as the degree of electronic circuitry increases, the power consumption per unit area reaches the limit of cooling capacity. Therefore, there is a need for the development of superconducting elements for ultra-high-speed computers.

発明が解決しようとする問題点 一方、様々な努力にもかかわらず、超電導材料の超電導
臨界温度Tcは長期間に亘ってNb3Geの23Kを越
え・ることができなかったが、昨年未来、(La、 B
al 2Cub、または(La、 Sr〕2cu04等
のKJiF、型酸化物の焼結材が高いT。をもつ超電導
材料として発見され、非低温超電導を実現する可能性が
大きく高まっている。これらの物質では、30乃至50
にという従来に比べて飛躍的に高いT。が観測され、7
0に以上のTc も観測されている。しかしながら、こ
れらの超電導材料は焼結材であり、ミクロ的には未反応
の粒子部分が存在したり、組成、組織が不均一となりや
すく、電子素子に直接応用できるものではない。
Problems to be Solved by the Invention On the other hand, despite various efforts, the superconducting critical temperature Tc of superconducting materials has not been able to exceed 23K of Nb3Ge for a long time. , B
Sintered materials of KJiF type oxides such as al2Cub or (La, Sr]2cu04 have been discovered as superconducting materials with high T. The possibility of realizing non-low temperature superconductivity has greatly increased.These materials So, 30 to 50
This is a dramatically higher T than the conventional method. was observed, 7
Tc values above 0 have also been observed. However, these superconducting materials are sintered materials, and microscopically they tend to have unreacted particle portions or have non-uniform compositions and structures, so they cannot be directly applied to electronic devices.

また、各種電子デバイスに応用するには、薄膜構造とし
、微細な組成、組織の制御を必要とする。
In addition, in order to apply it to various electronic devices, it is necessary to have a thin film structure and finely control the composition and structure.

さらに、金属またはその他の線材またはテープ状材料に
超電導材料を蒸着して長尺の超電導材料を製造すること
が予想されるが、その製造にも超電導材料の蒸着技術が
要望される。
Furthermore, it is expected that a long superconducting material will be manufactured by vapor-depositing a superconducting material onto a metal or other wire or tape-like material, and a superconducting material vapor-deposition technique is also required for such manufacturing.

しかし、これまでのところ、単なる物理蒸着を用いたの
では所望する組成および結晶構造の薄膜を形成すること
ができなかった。
However, to date, it has not been possible to form thin films with desired compositions and crystal structures using simple physical vapor deposition.

そこで、本発明の目的は、上記従来技術の問題点を解決
し、高い臨界温度Teを有し、均一な組成および組織の
超電導材料の薄膜を作製する方法を提供することにある
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to solve the problems of the prior art described above and to provide a method for producing a thin film of a superconducting material having a high critical temperature Te and having a uniform composition and structure.

問題点を解決するための手段 上記した問題点を解決するため種々の実験、検討を繰り
返した結果、本発明は完成されたものであり、本発明に
従うと、周期律表I[a、lla族元素から選択された
1種の元素α、周期律表11a、111a族元素でαと
同じものを含む元素から選択された1種の元素βおよび
周期律表1b、I[b、llIb、I’Va、■a族元
素から選択された少なくとも1種の元素Tを含有する合
金を蒸着源とし、0または 02イオンビームを併用し
て物理蒸着を行い薄膜を形成する。
Means for Solving the Problems The present invention has been completed as a result of repeated various experiments and studies in order to solve the above-mentioned problems. One element α selected from the elements, one element β selected from the elements of group 11a and 111a of the periodic table that include the same elements as α, and one element β of the periodic table 1b, I[b, llIb, I' A thin film is formed by physical vapor deposition using an alloy containing at least one element T selected from Group Va and Group A elements as a vapor deposition source and a 0 or 02 ion beam.

作用 上記超電導薄膜は、 一般式: (αl−Xβx)r、O。action The above superconducting thin film is General formula: (αl-Xβx)r, O.

(但し、・α、β、γは、上記定義の元素であり、Xは
α+βに対するβの原子比で、0.1 ≦X≦0.9で
あり、yおよび2は(α+−xj9x)を1とした場合
に0.4≦y≦3.0.1≦2≦5となる原子比である
) で表される組成の酸化物の薄膜であるのが好ましく、上
記のような (αr−Jx)rYoZ で一般的に表され、例えばBa−Y−Cu−0系の場合
には Ba2Y+CuaOt−x  (Xは1以下)、を主体
とする混合相と考えられる。
(However, α, β, and γ are the elements defined above, X is the atomic ratio of β to α+β, and 0.1≦X≦0.9, and y and 2 are (α+−xj9x) 1, the atomic ratio is 0.4≦y≦3.0.1≦2≦5). Jx)rYoZ For example, in the case of Ba-Y-Cu-0 system, it is considered to be a mixed phase mainly consisting of Ba2Y+CuaOt-x (X is 1 or less).

上記薄膜はペロブスカイト型酸化物または擬似ペロブス
カイト型酸化物であることが好ましい。
The thin film is preferably a perovskite oxide or a pseudo-perovskite oxide.

擬似ペロブスカイトとはペロブスカイトに類似した構造
をいい、例えば酸素欠損ペロブスカイト型、オルソロン
ピック型等を含むものである。
Pseudo-perovskite refers to a structure similar to perovskite, and includes, for example, an oxygen-deficient perovskite type, an orthorhombic type, and the like.

本発明で蒸着源として使用する合金は、Ba−Y−Cu
、 Ba−La−CuまたはSr −La−Cuが好ま
しい。
The alloy used as a vapor deposition source in the present invention is Ba-Y-Cu
, Ba-La-Cu or Sr-La-Cu are preferred.

本発明の方法で使用する蒸着源のαとβの原子比原子比
は、上記α、β、Tの種類に応じて適宜選択できる。Y
 −Ba、 La−Ba5Sr−Ba系の場合にはそれ
ぞれY/ (Y+Ba)は0.06〜0.94であるこ
とが好ましく、0.1〜0.4であることがさらに好ま
しく 、Ba/ (La+Ba)は0.04〜0.96
であることが好ましく、さらに0.08〜0,45であ
ることがさらに好ましく 、Sr/ (La+Sr)は
0.03〜0.95の範囲であることが好ましく 、0
.05〜0.1であることがさらに好ましい。蒸着源の
原子比が上記の範囲からはずれた場合にはいずれも、蒸
着膜の超電導臨界温度が所望の値とならない。また、上
記蒸着源のDa、 Sr、 La5YおよびCuの原子
比は目標とする薄膜の[3aSSr、 La、 Yおよ
びCuの原子比に従って決定される。例えば、蒸着源の
Ba5YおよびCuの原。
The atomic ratio of α and β in the vapor deposition source used in the method of the present invention can be appropriately selected depending on the types of α, β, and T described above. Y
-Ba, La-Ba5Sr-Ba, Y/(Y+Ba) is preferably 0.06 to 0.94, more preferably 0.1 to 0.4, and Ba/(Y+Ba) is preferably 0.06 to 0.94, more preferably 0.1 to 0.4. La+Ba) is 0.04 to 0.96
Sr/(La+Sr) is preferably in the range of 0.03 to 0.95, more preferably 0.08 to 0.45, and Sr/(La+Sr) is preferably in the range of 0.03 to 0.95.
.. It is more preferable that it is 05-0.1. If the atomic ratio of the vapor deposition source deviates from the above range, the superconducting critical temperature of the vapor deposited film will not reach the desired value. Further, the atomic ratios of Da, Sr, La5Y, and Cu in the vapor deposition source are determined according to the atomic ratios of [3aSSr, La, Y, and Cu in the target thin film. For example, Ba5Y and Cu sources for vapor deposition.

子比は、形成すべき薄膜のBa、 YおよびCuの原子
比を基準として、Ba、 YおよびCuの蒸着効率に応
じて調整して決定する。
The ratio is determined based on the atomic ratio of Ba, Y, and Cu in the thin film to be formed, and is adjusted according to the vapor deposition efficiency of Ba, Y, and Cu.

これは、発明の薄膜の構成成分であるBa、 Sr、L
a、 YおよびCuの酸化物の融点等がそれぞれ相違し
、このため蒸着効率が相違するためである。
This is based on Ba, Sr, and L, which are the constituent components of the thin film of the invention.
This is because the melting points, etc. of the oxides of a, Y, and Cu are different, and therefore the vapor deposition efficiency is different.

すなわち・、蒸着源の元素比を適当に選択しないと薄膜
が所望の元素比にならない。また、スパッタリングの場
合、蒸着源(ターゲット)の原子比は各金属酸化物のス
パッタリング係数および基板上における蒸気圧等から計
算して決定できる。
That is, unless the elemental ratio of the vapor deposition source is appropriately selected, the thin film will not have the desired elemental ratio. Further, in the case of sputtering, the atomic ratio of the vapor deposition source (target) can be calculated and determined from the sputtering coefficient of each metal oxide, the vapor pressure on the substrate, and the like.

本発明の好ましい態様に従うと、上記物理蒸着時に0ま
たは02イオンビームが基板に向け照射される。イオン
源は差動排気可能であることが好ましく、冷陰極型であ
ることが好ましい。イオン源内には1.7 X 10−
’ 〜8.3 X 1O−3Torrの範囲の02ガス
を流すことが好ましく、イオン源の放電電圧としては0
.8〜10kVの範囲が好ましい。また、イオン源の加
速電圧は50V〜40kVの範囲が好ましい。
According to a preferred embodiment of the present invention, a 0 or 02 ion beam is directed toward the substrate during the physical vapor deposition. The ion source is preferably capable of differential pumping and is preferably of a cold cathode type. Inside the ion source is 1.7 x 10-
It is preferable to flow 02 gas in the range of ~8.3 X 1O-3 Torr, and the discharge voltage of the ion source is 0.
.. A range of 8 to 10 kV is preferred. Moreover, the acceleration voltage of the ion source is preferably in the range of 50V to 40kV.

さらに本発明の好ましい態様に従うと、上記物理蒸着雰
囲気は、Arと02とを含み、A「分圧は1、 OX 
10−5〜1. OX 10−’Torrの範囲内であ
ることが好ましく、また、02分圧は1.0X10−5
〜1.0×1O−3Torrの範囲内であることが好ま
しい。
Furthermore, according to a preferred embodiment of the present invention, the physical vapor deposition atmosphere includes Ar and 02, the partial pressure of A is 1, OX
10-5~1. It is preferable that OX is within the range of 10-'Torr, and the 02 partial pressure is 1.0X10-5
It is preferably within the range of 1.0 x 1 O-3 Torr.

さらに本発明の好ましい態様に従うと、上記物理蒸着時
には、ヒータにより基板を230〜1410℃の範囲の
温度に加熱する。基板は、MgO単結晶またはSrTi
O3単結晶が好ましいが、ガラス、石英、Si、ステン
レス鋼またはセラミックスも用いることができる。
Furthermore, according to a preferred embodiment of the present invention, during the physical vapor deposition, the substrate is heated to a temperature in the range of 230 to 1410°C using a heater. The substrate is MgO single crystal or SrTi
O3 single crystal is preferred, but glass, quartz, Si, stainless steel or ceramics can also be used.

本発明においては、物理蒸着時に0または02イオンビ
ームを基板に照射する。この照射により、蒸着膜中に含
まれる酸素濃度が適正なものとなるため、蒸着膜の結晶
構造も改善され、Tc値が向上する。イオンビームは0
2イオンビームのみであることが好ましく、このために
イオン源は冷陰極型であることが好ましい。また、イオ
ン源には、1、7 xlo−5〜8.3 XIO2To
rrの範囲の0□ガスを流すのが好ましい。すなわち、
0□ガスの流量が1、7 X 1O−5Torr以下で
は0□イオンビームが不足し、8.3X10−3Tor
r以上では逆に過剰となり、目的とする薄膜の改質効果
が見られないためである。
In the present invention, a substrate is irradiated with a 0 or 02 ion beam during physical vapor deposition. By this irradiation, the oxygen concentration contained in the vapor deposited film becomes appropriate, so that the crystal structure of the vapor deposited film is also improved and the Tc value is improved. Ion beam is 0
Preferably, there are only two ion beams, and for this purpose the ion source is preferably of the cold cathode type. In addition, in the ion source, 1,7 xlo-5 to 8.3 XIO2To
It is preferable to flow 0□ gas in the range of rr. That is,
If the 0□ gas flow rate is less than 1.7 x 10-5 Torr, the 0□ ion beam will be insufficient, and the
This is because if it exceeds r, it becomes excessive and the desired thin film modification effect is not observed.

このイオンf原の圧力はチャンバー内と圧力が異なるた
め、イオン源は差動排気が可能でなければならない。
Since the pressure of this ion f source is different from that inside the chamber, the ion source must be capable of differential pumping.

イオン源の放電電圧は0.8〜10kVの範囲が好まし
い。すな・わち、放電電圧が0.8kV未満だと、十分
なイオンが発生せず、1OkVを超えるととイオンの励
起状態が不安定となる。また、イオンの加速電圧は50
V〜40kVの範囲が好ましい。すなわち、加速電圧が
50V未満であると薄膜内に十分な量の酸素が取り込ま
れず、40kVを超えると装置の価格が高価になり、コ
ストを上昇させてしまう。
The discharge voltage of the ion source is preferably in the range of 0.8 to 10 kV. That is, if the discharge voltage is less than 0.8 kV, sufficient ions will not be generated, and if it exceeds 10 kV, the excited state of the ions will become unstable. In addition, the ion acceleration voltage is 50
A range of V to 40 kV is preferred. That is, if the accelerating voltage is less than 50 V, a sufficient amount of oxygen will not be taken into the thin film, and if it exceeds 40 kV, the price of the device will become expensive, leading to an increase in cost.

本発明の物理蒸着としては、真空蒸着法、イオン7’L
/−ティンク法あるいはイオンビームスパッタ法のいず
れもが使用可能である。蒸着雰囲気は、Arと02とを
含み、Ar分圧が1. OXl0−5〜1. OXl0
−2Torrの範囲内であり、02分圧は1.0X10
−5〜1、 OX 1O−3Torrの範囲内であるこ
とが好ましい。
The physical vapor deposition method of the present invention includes vacuum vapor deposition method, ion 7'L
/- Either the Tink method or the ion beam sputtering method can be used. The vapor deposition atmosphere contains Ar and 02, and the Ar partial pressure is 1. OXl0-5~1. OXl0
-2Torr range, 02 partial pressure is 1.0X10
-5 to 1, OX 1O-3Torr is preferable.

即ち、Ar分圧が1.0X10 ’Torr未満のとき
には放電が起こり難く、一方、1.0XIO2Torr
を超えるときにはチャンバ内の気体分子、イオン等の平
均自由行程が短くなり過ぎ、所望の超電導特性を有する
酸化物の堆積が得られない。また、0□分圧が1. O
X 1O−5Torr未満のときは、蒸着膜の結晶性が
悪く、ペロブスカイト型酸化物または擬似ペロブスカイ
ト型酸化物が得られ難く、02分圧が高くなるほど結晶
性がよくなるが、1. OX 1O−3Torrを超え
ると、堆積速度が著しく低下する。
That is, when the Ar partial pressure is less than 1.0X10' Torr, discharge is difficult to occur;
When the value exceeds 1, the mean free path of gas molecules, ions, etc. in the chamber becomes too short, making it impossible to deposit an oxide having the desired superconducting properties. Also, 0□ partial pressure is 1. O
When X is less than 1O-5 Torr, the crystallinity of the deposited film is poor and it is difficult to obtain a perovskite-type oxide or a pseudo-perovskite-type oxide.The higher the 02 partial pressure, the better the crystallinity. Above OX 1O-3 Torr, the deposition rate decreases significantly.

本発明の好ましい態様に従うと、基板としてMgO単結
晶またはSrTiO3単結晶基板を(001)面を成膜
面として用いるのが好ましい。
According to a preferred embodiment of the present invention, it is preferable to use an MgO single crystal or SrTiO3 single crystal substrate with the (001) plane as the film forming surface.

さらに本発明の好ましい態様に従うと、基板をヒータで
230〜1410℃に加熱する。この基板の加熱により
薄膜は焼結と同様な作用をうけ、適当なペロブスカイト
型酸化物または擬似ペロブスカイト型酸化物となる。し
かしながら、基板温度が高すぎると蒸着膜の組成の制御
が困難となり、目的とするペロブスカイト型酸化物また
は擬似ペロブスカイト型酸化物が得られない。
Further, according to a preferred embodiment of the present invention, the substrate is heated to 230 to 1410°C using a heater. By heating the substrate, the thin film undergoes an action similar to sintering, and becomes a suitable perovskite-type oxide or pseudo-perovskite-type oxide. However, if the substrate temperature is too high, it becomes difficult to control the composition of the deposited film, and the desired perovskite-type oxide or pseudo-perovskite-type oxide cannot be obtained.

次に本発明の方法を実施するために用いる装置について
説明する。第1図は、本発明の超電導酸化物薄膜の作製
に用いたイオンビームスパッタリング装置の概略図であ
る。
Next, the apparatus used to carry out the method of the present invention will be explained. FIG. 1 is a schematic diagram of an ion beam sputtering apparatus used for producing the superconducting oxide thin film of the present invention.

第1図に示す装置は、チャンバ1と、チャンバ1内に配
置されたターゲット(蒸着源)2およびこのクーデ・ッ
トを包み込むように配置されたマグネトロン電極3とそ
れに併置された高周波電源4と、原料ターゲット2に対
向して設けられ、表面上に薄膜が形成されることになる
基vji、5とから主に構成されている。チャンバ1は
排気孔8を介して真空ポンプ(不図示)に接続され、内
部を真空にすることができる。
The apparatus shown in FIG. 1 includes a chamber 1, a target (evaporation source) 2 placed in the chamber 1, a magnetron electrode 3 placed so as to surround this coupe, and a high-frequency power source 4 placed side by side. , a group vji, 5 which is provided facing the raw material target 2 and on whose surface a thin film is to be formed. The chamber 1 is connected to a vacuum pump (not shown) through an exhaust hole 8, so that the interior thereof can be evacuated.

チャンバ1には差動排気可能なイオン源10が基板4に
向いて取りつけられ、イオン源10は、0□ガスを取り
込む導入孔9、排気孔8、冷陰極型イオン発生電極11
、イオン引き出し電極12からなる。
An ion source 10 capable of differential pumping is installed in the chamber 1 facing the substrate 4, and the ion source 10 includes an introduction hole 9 for taking in 0□ gas, an exhaust hole 8, and a cold cathode ion generating electrode 11.
, an ion extraction electrode 12.

基板5には加熱用ヒーター6が取りつけられ、基板温度
が調整可能である。さらに、チャンバ1には、雰囲気ガ
スの導入孔9が取りつけられている。
A heating heater 6 is attached to the substrate 5, and the temperature of the substrate can be adjusted. Further, the chamber 1 is provided with an atmospheric gas introduction hole 9 .

実施例 以下に本発明を実施例により説明するが、本発明の技術
的範囲はこれらの実施例に何等制限されるものではない
ことは勿論である。
EXAMPLES The present invention will be explained below using examples, but it goes without saying that the technical scope of the present invention is not limited to these examples in any way.

第1図に示したイオンビームスパッタリンク装置を用い
て超電導薄膜を作製した。
A superconducting thin film was produced using the ion beam sputter link apparatus shown in FIG.

各実施例の成膜条件は第1表に示す通りである。The film forming conditions for each example are shown in Table 1.

実施例1 原料ターゲット2として、Y、Baをモル比1:2で混
合し、CuをY、 Ba、 Cuのモル比がl:2:3
となる量よりも10重量%過剰に混合して作製した合金
を用い、基板5にはλIgo単結晶の(001)面を成
膜面として用いた。
Example 1 As raw material target 2, Y and Ba were mixed at a molar ratio of 1:2, and Cu was mixed at a molar ratio of Y, Ba, and Cu of 1:2:3.
An alloy prepared by mixing 10% by weight in excess of the amount was used, and the (001) plane of the λIgo single crystal was used as the film-forming surface for the substrate 5.

まず、チャンバ1内に、上記合金ターゲット2と基板5
を装着した。次いでチャンバ1内を真空に排気し、4.
5 X 10−’Torrの02と6.0X10 ’T
orrのArを導入した。イオン源10内も同様に真空
に排気してから、3.0X10 ’Torrの02を導
入した。
First, the alloy target 2 and the substrate 5 are placed in the chamber 1.
was installed. Next, the inside of the chamber 1 is evacuated to a vacuum, and 4.
02 of 5 x 10-'Torr and 6.0 x 10'T
orr's Ar was introduced. The inside of the ion source 10 was similarly evacuated, and then 02 of 3.0×10' Torr was introduced.

ヒーター6に通電し、基板温度を680℃に加熱して、
RF主電極イオン発生電極に高周波電力を流した。また
、同時にイオン引き出し電極にも電圧をかけた。それぞ
れの電力、電圧はRF主電力45W / c++f 、
イオン発生電極の放電電圧が1.6kV、イオン引き出
・し電極にかけた加速電圧が620Vである。この時、
薄膜は成膜速度0.3人/秒で生成した。成膜条件を第
1表に示した。
The heater 6 is energized and the substrate temperature is heated to 680°C.
High frequency power was passed through the RF main electrode ion generating electrode. At the same time, a voltage was also applied to the ion extraction electrode. Each power and voltage is RF main power 45W/c++f,
The discharge voltage of the ion generation electrode was 1.6 kV, and the acceleration voltage applied to the ion extraction/extraction electrode was 620V. At this time,
The thin film was produced at a deposition rate of 0.3 persons/second. The film forming conditions are shown in Table 1.

実施例2 原料ターゲット2として、L’ASBaをモル比1:2
で混合し、CuをLa、 Ba、 Cuのモル比が1:
2:3となる量よりも10重量%過剰に混合して作製し
た合金を用い、基板5にはMgO単結晶の(001)面
を成膜面として用いた。成膜の手順は実施例1と同様で
あり、成膜条件は第1表に示しである。
Example 2 As raw material target 2, L'ASBa was used at a molar ratio of 1:2
The molar ratio of Cu to La, Ba, and Cu was 1:
An alloy prepared by mixing 10% by weight more than the 2:3 ratio was used, and the (001) plane of the MgO single crystal was used as the film-forming surface for the substrate 5. The film-forming procedure was the same as in Example 1, and the film-forming conditions are shown in Table 1.

実施例3 原料ターゲット2として、La、 Srをモル比1:2
で混合し、[UをLa、 Sr、 Cuのモル比が1=
2:3となる量よりも10重量%過剰に混合して作製し
た合金を用い、基板5には5rTiOa単結晶の(00
1)面を成膜面として用いた。成膜の手順は実施例1と
同様であり、成膜条件は第1表に示しである。
Example 3 As raw material target 2, La and Sr were used in a molar ratio of 1:2.
[The molar ratio of U to La, Sr, and Cu is 1=
Using an alloy prepared by mixing 10% by weight in excess of the 2:3 ratio, the substrate 5 is made of 5rTiOa single crystal (00
1) surface was used as the film-forming surface. The film-forming procedure was the same as in Example 1, and the film-forming conditions are shown in Table 1.

次いで、得られた各々の薄膜の抵抗を測定するためサン
プルを作製した。抵抗測定を行うサンプルは、基板5上
に形成された薄膜の両端部分に、さらに真空蒸着で一対
のA1電極を形成し、このAI電極にリード線をハンダ
付けした。
Next, samples were prepared to measure the resistance of each of the obtained thin films. In the sample for resistance measurement, a pair of A1 electrodes were further formed by vacuum deposition on both ends of the thin film formed on the substrate 5, and lead wires were soldered to the AI electrodes.

成膜条件と得られたTCs Tcf (電気抵抗が完全
に0になる温度)の計測結果を併せて第1表に示す。
Table 1 shows the film forming conditions and the measurement results of the obtained TCs Tcf (temperature at which the electrical resistance becomes completely zero).

この結果、本発明の方法により薄膜の結晶構造、酸素濃
度を適正に制御し、優れた特性を持つ、超電導薄膜が形
成できることがわかった。
As a result, it was found that the method of the present invention can appropriately control the crystal structure and oxygen concentration of the thin film and form a superconducting thin film with excellent properties.

発明の詳細 な説明したように、本発明により、従来の超電導体より
も遥かに高いTcをもつ超電導酸化物を薄膜化すること
が可能となる。従って、本発明を、超電導・体を薄膜素
子として応用する分野、例えばジョセフソン素子と呼ば
れるマチイソ−(Ma−tisoo)  のスイッチン
グ素子やアナツカ−(Anacker)のメモリー素子
、さらには超電導量子干渉計(SQtllD)などに利
用すると効果的である。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION As described in detail, the present invention makes it possible to form a superconducting oxide into a thin film having a much higher Tc than conventional superconductors. Therefore, the present invention is useful in the field of applying superconductors and bodies as thin film devices, such as Ma-tisoo's switching elements called Josephson devices, Anacker's memory devices, and even superconducting quantum interferometers. It is effective when used for applications such as SQtllD).

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

第1図は本発明の方法を実施するのに用いるスパッタリ
ング装置の一例の概略図である。 (主な参照番号) 1・・チャンバ、     2・・原料ターゲット、3
・・RF主電極    4・・高周波電源、5・・基板
、       6・・ヒーター、8・・排気孔、  
   10・・イオン源、12・・イオン引き出し電極
FIG. 1 is a schematic diagram of an example of a sputtering apparatus used to carry out the method of the present invention. (Main reference numbers) 1...Chamber, 2...Raw material target, 3
...RF main electrode 4..High frequency power supply, 5..Substrate, 6..Heater, 8..Exhaust hole,
10...Ion source, 12...Ion extraction electrode

Claims (26)

【特許請求の範囲】[Claims] (1)周期律表IIa、IIIa族元素から選択された1種
の元素α、周期律表IIa、IIIa族元素でαと同じもの
を含む元素から選択された1種の元素βおよび周期律表
I b、IIb、IIIb、IVa、VIIIa族元素から選択され
た少なくとも1種の元素γを含有する合金を蒸着源とし
、OまたはO_2イオンビームを併用して物理蒸着を行
い、薄膜を形成することを特徴とする超電導薄膜の作製
方法。
(1) One element α selected from the elements of groups IIa and IIIa of the periodic table, one element β selected from the elements of groups IIa and IIIa of the periodic table that include the same elements as α, and the periodic table
Forming a thin film by physical vapor deposition using an alloy containing at least one element γ selected from group Ib, IIb, IIIb, IVa, and VIIIa elements as a deposition source and using an O or O_2 ion beam in combination. A method for producing a superconducting thin film characterized by:
(2)上記酸化物超電導薄膜が、 一般式:(α_1_−_xβ_x)γ_yO_z(但し
、α、β、γは、上記定義の元素であり、xはα+βに
対するβの原子比で、0.1≦x≦0.9であり、yお
よびzは(α_1_−_xβ_x)を1とした場合に0
.4≦y≦3.0、1≦z≦5となる原子比である) で表される組成の酸化物であることを特徴とする特許請
求の範囲第1項に記載の超電導薄膜の作製方法。
(2) The oxide superconducting thin film has the general formula: (α_1_−_xβ_x)γ_yO_z (where α, β, and γ are the elements defined above, x is the atomic ratio of β to α+β, and 0.1≦ x≦0.9, and y and z are 0 when (α_1_−_xβ_x) is 1
.. 4≦y≦3.0, 1≦z≦5 atomic ratio) The method for producing a superconducting thin film according to claim 1, wherein the oxide is an oxide having a composition represented by the following. .
(3)上記蒸着源が、Ba、YおよびCuの合金である
ことを特徴とする特許請求の範囲第1項または第2項に
記載の超電導薄膜の作製方法。
(3) The method for producing a superconducting thin film according to claim 1 or 2, wherein the vapor deposition source is an alloy of Ba, Y, and Cu.
(4)上記蒸着源が、Ba、LaおよびCuの合金であ
ることを特徴とする特許請求の範囲第1項または第2項
に記載の超電導薄膜の作製方法。
(4) The method for producing a superconducting thin film according to claim 1 or 2, wherein the vapor deposition source is an alloy of Ba, La, and Cu.
(5)上記蒸着源が、Sr、LaおよびCuの合金であ
ることを特徴とする特許請求の範囲第1項または第2項
に記載の超電導薄膜の作製方法。
(5) The method for producing a superconducting thin film according to claim 1 or 2, wherein the vapor deposition source is an alloy of Sr, La, and Cu.
(6)蒸着源の原子比Y/(Y+Ba)が0.06乃至
0.94の範囲であることを特徴とする特許請求の範囲
第3項に記載の超電導薄膜の作製方法。
(6) The method for producing a superconducting thin film according to claim 3, wherein the atomic ratio Y/(Y+Ba) of the vapor deposition source is in the range of 0.06 to 0.94.
(7)蒸着源の原子比Ba/(La+Ba)が0.04
乃至0.96の範囲であることを特徴とする特許請求の
範囲第4項に記載の超電導薄膜の作製方法。
(7) The atomic ratio Ba/(La+Ba) of the vapor deposition source is 0.04
5. The method for producing a superconducting thin film according to claim 4, wherein the superconducting thin film is in the range of 0.96 to 0.96.
(8)蒸着源の原子比Sr/(La+Sr)が0.03
乃至0.95の範囲であることを特徴とする特許請求の
範囲第5項に記載の超電導薄膜の作製方法。
(8) The atomic ratio Sr/(La+Sr) of the vapor deposition source is 0.03
6. The method for producing a superconducting thin film according to claim 5, wherein the superconducting thin film is in the range of 0.95 to 0.95.
(9)蒸着源の原子比Y/(Y+Ba)が0.1乃至0
.4であることを特徴とする特許請求の範囲第6項に記
載の超電導薄膜の作製方法。
(9) Atomic ratio Y/(Y+Ba) of vapor deposition source is 0.1 to 0
.. 4. The method for producing a superconducting thin film according to claim 6, characterized in that:
(10)蒸着源の原子比Ba/(La+Ba)が0.0
8乃至0.45であることを特徴とする特許請求の範囲
第7項に記載の超電導薄膜の作製方法。
(10) The atomic ratio Ba/(La+Ba) of the vapor deposition source is 0.0
8 to 0.45, the method for producing a superconducting thin film according to claim 7.
(11)蒸着源の原子比Sr/(La+Sr)が0.0
5乃至0.1であることを特徴とする特許請求の範囲第
8項に記載の超電導薄膜の作製方法。
(11) The atomic ratio Sr/(La+Sr) of the vapor deposition source is 0.0
9. The method for producing a superconducting thin film according to claim 8, wherein the ratio is from 5 to 0.1.
(12)蒸着源のBa−Y−Cu、Ba−La−Cuま
たはSr−La−Cuの原子比が、形成される薄膜のB
a−Y−Cu、Ba−La−CuまたはSr−La−C
uの原子比を基準として、Ba−Y−Cu、Ba−La
−CuまたはSr−La−Cuの蒸着効率に応じて調整
されていることを特徴とする特許請求の範囲第1項乃至
第11項のいずれか1項に記載の超電導薄膜の作製方法
(12) The atomic ratio of Ba-Y-Cu, Ba-La-Cu, or Sr-La-Cu in the evaporation source is
a-Y-Cu, Ba-La-Cu or Sr-La-C
Based on the atomic ratio of u, Ba-Y-Cu, Ba-La
The method for producing a superconducting thin film according to any one of claims 1 to 11, wherein the method is adjusted depending on the vapor deposition efficiency of -Cu or Sr-La-Cu.
(13)上記OまたはO_2イオンビームを、基板に向
け照射することを特徴とする特許請求の範囲第1項乃至
第12項のいずれか1項に記載の超電導薄膜の作製方法
(13) The method for producing a superconducting thin film according to any one of claims 1 to 12, characterized in that the O or O_2 ion beam is irradiated toward a substrate.
(14)上記物理蒸着装置が差動排気可能なイオン源を
備えることを特徴とする特許請求の範囲第1項乃至第1
3項のいずれか1項に記載の超電導薄膜の作製方法。
(14) Claims 1 to 1, characterized in that the physical vapor deposition apparatus is equipped with an ion source capable of differential pumping.
The method for producing a superconducting thin film according to any one of Item 3.
(15)上記イオン源として、冷陰極型イオン源を用い
ることを特徴とする特許請求の範囲第1項乃至第14項
のいずれか1項に記載の超電導薄膜の作製方法。
(15) The method for producing a superconducting thin film according to any one of claims 1 to 14, characterized in that a cold cathode ion source is used as the ion source.
(16)上記イオン源内に1.7×10^−^5乃至8
.3×10^−^3Torrの範囲のO_2ガスを流す
ことを特徴とする特許請求の範囲第1項乃至第15項の
いずれか1項に記載の超電導薄膜の作製方法。
(16) 1.7×10^-^5 to 8 in the above ion source
.. 16. The method for producing a superconducting thin film according to any one of claims 1 to 15, characterized in that O_2 gas in a range of 3 x 10^-^3 Torr is flowed.
(17)上記イオン源の放電電圧を、0.8乃至10k
Vの範囲とすることを特徴とする特許請求の範囲第1項
乃至第16項のいずれか1項に記載の超電導薄膜の作製
方法。
(17) Adjust the discharge voltage of the ion source to 0.8 to 10k.
17. The method for producing a superconducting thin film according to any one of claims 1 to 16, characterized in that the voltage is in the range of V.
(18)上記イオン源の加速電圧を、50V乃至40k
Vの範囲とすることを特徴とする特許請求の範囲第1項
乃至第17項のいずれか1項に記載の超電導薄膜の作製
方法。
(18) Set the acceleration voltage of the ion source to 50V to 40k.
18. The method for producing a superconducting thin film according to any one of claims 1 to 17, characterized in that the voltage is in the range of V.
(19)蒸着雰囲気がArとO_2とを含み、Ar分圧
が、1.0×10^−^5乃至1.0×10^−^2T
orrの範囲内であることを特徴とする特許請求の範囲
第1項乃至第18項に記載の超電導薄膜の作製方法。
(19) The evaporation atmosphere contains Ar and O_2, and the Ar partial pressure is 1.0×10^-^5 to 1.0×10^-^2T
19. The method for producing a superconducting thin film according to claims 1 to 18, wherein the superconducting thin film is within the range of orr.
(20)上記蒸着雰囲気のO_2分圧が1.0×10^
−^5乃至1.0×10^−^3Torrの範囲内であ
ることを特徴とする特許請求の範囲第19項に記載の超
電導薄膜の作製方法。
(20) O_2 partial pressure of the above vapor deposition atmosphere is 1.0×10^
20. The method for producing a superconducting thin film according to claim 19, wherein the torr is within the range of -^5 to 1.0 x 10^-^3 Torr.
(21)上記物理蒸着が、真空蒸着法、イオンブレーテ
ィング法、あるいはイオンビームスパッタリング法であ
ることを特徴とする特許請求の範囲第1項乃至第20項
のいずれか1項に記載の超電導薄膜の作製方法。
(21) The superconducting thin film according to any one of claims 1 to 20, wherein the physical vapor deposition is a vacuum evaporation method, an ion blating method, or an ion beam sputtering method. How to make
(22)蒸着時に、基板をヒータにより加熱することを
特徴とする特許請求の範囲第1項乃至第21項のいずれ
か1項に記載の超電導薄膜の作製方法。
(22) The method for producing a superconducting thin film according to any one of claims 1 to 21, wherein the substrate is heated by a heater during vapor deposition.
(23)蒸着時の上記基板の加熱温度が230乃至14
10℃の範囲であることを特徴とする特許請求の範囲第
22項に記載の超電導薄膜の作製方法。
(23) The heating temperature of the substrate during vapor deposition is 230 to 14
23. The method for producing a superconducting thin film according to claim 22, wherein the temperature is in the range of 10°C.
(24)上記基板として、MgO単結晶またはSrTi
O_3単結晶を用いることを特徴とする特許請求の範囲
第1項乃至第23項のいずれか1項に記載の超電導薄膜
の作製方法。
(24) As the substrate, MgO single crystal or SrTi
24. The method for producing a superconducting thin film according to any one of claims 1 to 23, characterized in that an O_3 single crystal is used.
(25)上記MgO単結晶またはSrTiO_3単結晶
基板の成膜面を、(001)面とすることを特徴とする
特許請求の範囲第24項に記載の超電導薄膜の作製方法
(25) The method for producing a superconducting thin film according to claim 24, wherein the film-forming surface of the MgO single crystal or SrTiO_3 single crystal substrate is a (001) plane.
(26)上記基板が、ガラス、石英、Si、ステンレス
鋼およびセラミックスからなる群より選択された1種で
あることを特徴とする特許請求の範囲第1項乃至第25
項のいずれか1項に記載の超電導薄膜の作製方法。
(26) Claims 1 to 25, characterized in that the substrate is one selected from the group consisting of glass, quartz, Si, stainless steel, and ceramics.
A method for producing a superconducting thin film according to any one of the above.
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