JPH01183496A - 単結晶酸化物超伝導薄膜の製造方法 - 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） 本発明は酸化物超伝導薄膜の製造方法に関するものであ
る。

（従来技術） 超伝導性薄膜はジョセフソン接合を形成する事でジョセ
フソン素子や量子磁気干渉計を製造するためには欠かせ
ない物で、従来様々な種類の超伝導薄膜が作られた。当
初鉛などを用いたジョセフソン素子では単純なスパッタ
リングもしくは真空蒸着法により製造された。鉛系薄膜
は冷却剤として液体ヘリウムを用いるが、この沸点４．
２ｋに対し薄膜の臨界温度７．２にと温度マージンが小
さい事、接合のばらつきが多く安定゛な動作が得られて
いないなどの欠点があった。このため鉛よりも高い超伝
導臨界温度を持つニオブ（Ｎｂ）系薄膜が用いられるよ
うになった。ニオブ薄膜もしくは窒化ニオブ薄膜はそれ
ぞれ９．２３に、１５．７にの超伝導臨界温度を持つ、
このニオブまたは窒化ニオブ薄膜は、超高真空蒸着、ま
たは反応性スパッタリングなどによって良質膜が得られ
た０以上はすべて冷却剤として液体Ｈｅを用いなければ
ならない超伝導薄膜であったが１９８７年２月米国ヒユ
ーストン大学ポルチュー（ｐａｕｌ　Ｃｈｕ＞等により
発見されｒＱ−Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ系酸化物超伝導体は超伝
導臨界温度９３ｋを持ち、液体窒素を冷却剤として超伝
導が実現された物質として大いに注目された。この酸化
物超伝導体を薄膜化する事はジョセフソン接合素子を用
いた超高速コンピューター、量子磁気干渉計、超伝導し
ＳＩ配線もしくは量子効果デバイスなど液体窒素温度で
実現し、その応用は広く利用され得る。

さて、この超伝導薄膜は、従来、基本的に次の２つの方
法において製造されてきた。第一の方法は、例えばフィ
ジカル　レビュー　レター（Ｐｈｙｓ。

ＲｅＶ、Ｌｅｔｔ、）５８巻２６８４頁またはアプライ
ド　フィジクス　レター（Ａｐｐｌ、Ｐｈｙｓ、１ｅｔ
Ｌ、）　５１巻６９４頁などでは、５００’Ｃ程度に加
熱された基板を用い、Ｒｆスパッタリング、三元真空蒸
着などの方法を用いてＹ　−Ｂ　ａ　−Ｃｕ　−０系ア
モルファス膜を堆積させ、これを後に、酸素雰囲気中８
００＠〜９５０℃程度でアニールをする事により、超伝
導特性を得る方法である。第二の方法としては、例えば
、ジャパン　ジャーナル　オブ　アプライドフィジック
ス（Ｊｐｎ、Ｊ、Ａｐｐｌ、Ｐｈｙｓ、）　２６巻ＬＬ
２４Ｂ頁にあるように、６００〜７００℃程度の高温基
板を用い酸素ガス雰囲気中でスパッタリングを行い基板
上に直接結晶性薄膜を堆積させる方法であるが、この場
合も堆積直後の膜は超伝導性を示さず、最終的に９００
℃程度の酸素中のアニールが必要となる。いずれの場合
も良好な超伝導性を得るためには、９００℃程度の酸素
中の最終熱処理が必要であるが、このプロセスは、薄膜
デバイス等へ応用する上で大きな障害となる。

（発明が解決しようとする問題点） さらに、デバイスなどでは、超伝導体膜の結晶方位など
がそろっている事が重要であるが、アモルファス膜を高
温酸素熱処理した場合などにおいて、多結晶基板を用い
た場合に膜は多結晶になるか、Ｃ軸配向性多結晶膜とな
り、結晶方位の一義位がなくなり、また粒界が多数存在
する事になる。これに対し、比較的格子定数が同じで同
じペロブスカイト型格子構造を持つ５ｒＴｉ０３単結晶
面を基板として用いると、例えばその＜１００）面に対
しては、ａ軸配向かまたはＣ軸配向の固相エピタキシャ
ル膜が得られるが、そのａ軸もしくはａ軸の配向性を任
意に作り分ける事は非常に困難であった。

従来の超伝導性薄膜製造方法では、いずれの場合も最終
熱処理として、酸素雰囲気中８００〜９（１０℃程度の
熱処理が必要であり、このプロセスに起因する粒界の発
生や粒成長などは、デバイス応用を困難にしている。ま
た、ジョセフソンジャンクションの均質性を高めるため
には、単結晶膜である事が望ましい。本発明の目的は、
この酸化物超伝導体薄膜をａ軸配向単結晶膜として低温
で合成する方法を提供することにある。

（問題を解決するための手段） 本発明はイオンビームを中性化し、該中性化ビームによ
り組成範囲のＹ　ｌ　＋　ｘ　Ｂ　ａ　２＋　ｙ　ＣＩ
Ｉ　３　＋　ｚＯ？−δ（ただし−０，２≦ｘ≦０．２
．−０．４≦ｙ≦０．４．−０．６≦ｚ≦０．６）のタ
ーゲットをスパッタし、該ターゲットに対向して配置さ
れた基板温度が５７５℃から７００℃のチタン酸ストロ
ンチウム単結晶の（１００）基板上に、該ターゲット組
成の酸化物超伝導薄膜を形成する方法において、該チタ
ン酸ストロンチウム基板に向かって、加速電圧が５Ｖか
ら６０Ｖでイオン電流密度が０．３ｍ　Ａ　／　ａｙｓ
２以上の酸素イオンを照射しながら成膜を行なうことを
特徴とする単結晶酸化物超伝導薄膜の製造方法である。

基板として５ｒＴｉ０３（１００＞面を使うのは５ｒＴ
ｉ０３が本酸化物超伝導体と結晶系が同じ事及び格子定
数がきわめて近くエピタキシャル成長が可能となるから
である。イオンのエネルギーが６０ｅ　Ｖを超えると基
板上の膜がスパッタされるようになり、特に銅の組成ず
れを起こし、成膜上実用的でなくなる。また５Ｖより下
では、膜の酸素の取り込みが少なくなり、良好な超伝導
特性が得られなくなる。単結晶膜は、基板温度５５０℃
〜７００”　Ｃの範囲において得られるが、５７５℃よ
り下では、結晶構造が不完全であり、良好な超伝導特性
は得られない。また、７００℃より上では、膜の組成ず
れが大きくなるとともに、異相が大きく成長し、同様に
良好な超伝導特性が得られなくなる。さらに、 酸素イオンのイオン電流密度は、少なくとも０．１ｍＡ
／Ｃｍ２程度以上必要であり、０．３　ｍ　Ａ　／　ｃ
ｔａ２以上が望ましい。これ以下では結晶に取り込れる
酸素量が少なくなり、超伝導特性が得られる。

（実施例） 以下、゛本発明の実施例を図面を用いて説明する。第１
図は、本発明に用いたイオンビームスパッタ装置の概略
図である。真空槽１は、クライオポンプまたはターボ分
子ポンプのような真空排気ポンプ３により排気される。

カウフマン型イオンビーム源４は、ボンベ５から減圧弁
６、マスフローコントローラー７、電磁弁８を経て導か
れたアルゴンなどの不活性ガスでプラズマをイオンビー
ム源４の内部に形成し、これよりイオンビーム９が引き
出される。イオンビームは、イオンビーム源４の横前方
に設置された電子源（図示せず）より、電子シャワーが
あびせられて中性化し、中性イオンビーム９′を形成す
る。この中性化イオンビームの前方にビーム入射角が調
整可能なターゲットホルダー１０とそれに固定された粉
末ターゲット１１かある。さらに、このターゲツト面と
対向する位置に基板１２が設置されている。また、この
基板に向かって酸素イオン源１３が設置されている。こ
の酸素イオン源には、プラズマ発生用のアルゴンガスボ
ンベ５と酸素イオン用の酸素ガスボンベ１５から来たガ
スが、減圧弁、流量調整器を通して導入され、アルゴン
と酸素の混合プラズマが発生して、酸素イオンビーム１
４が形成される。

次に上述したイオンビームスパッタ装置を用いた単結晶
酸化物超伝導薄膜の製造方法について説明する。

まず、真空槽内の真空度が１０−’ｔｏｒｒ台になるま
で真空排気ポンプにより排気した後、基板温度を所定の
温度まで上げる。一定の時間を経て、基板温度が安定し
た所で、スパッター−用イオン源４とアシスト用酸素イ
オン源１３を動作させ、成膜を行う。この場合、アルゴ
ンと酸素の混合比率は、実質的にに３程度として成膜を
行う。所定の膜厚を成膜後、スパッタ用イオン源及び酸
素イオン源を止め、真空槽内の酸素分圧を約１ｍｔｏｒ
ｒにして、除冷する事により、単結晶超伝導薄膜が得ら
れる。本実施例では、スパッター用イオン源をビーム加
速電圧を１２００Ｖとし、ビーム電流密度が、１０ｍＡ
／ｃｍ２となるように設定した。

以下に、ターゲットとして組成ＹＩＢａ２．２Ｃｕ３．
２０７−δの酸化物を用い、基板として５ｒＴｉ０３（
１００）単結晶面を用いた場合の結果について述べる。

まず、基板温度を６４０’　Ｃ１酸素イオン電流密度を
５ｍＡ／ｃｉ＋２、膜厚を４０００Ａとして酸素イオン
加速電圧を変化させた場合の膜の超伝導特性は、第１表
のようになった。

第　　１　　表 この場合、酸素イオンの加速電圧としては、５■〜６０
Ｖが最適である。

次に、基板温度６４０℃１酸素イオン加速電圧３０Ｖと
し、酸素イオン電流密度を変化させた場合について、結
果を第２表に示す。

第　　２　　表 この場合、酸素イオン電流密度としては、０．３　ｍＡ
　／　Ｃ１１２以上あれば良い。

さらに、酸素イオンの加速電圧を３０Ｖ、イオン電流密
度５　ｍ　Ａ　／　ｃｒａ　２とした時の超伝導特性の
基板温度依存について第３表に示す。

第　　３　　表 基板温度としては、５７５℃〜７００℃において良好な
超伝導特性が得られる。また、これらの膜は、５ｒＴｉ
０３（１００）単結晶基板面上に成膜したもので、いず
れもａ軸配向のエピタキシャル膜となっている事をＸ線
回折及び高速電子線回折により確認した。Ｘ線回折パタ
ーンを第２図に示す。

この実施例においては、ターゲット組成をＹ１＋８Ｂａ
２＋ｖＣｕ３＋ｚ［１７−δにおいて、−０，２≦ｘ≦
０．２、−〇、４≦ｙ≦０．４、−０．６≦ｚ≦０．６
の範囲にした場合に良好な超伝導特性を示した。またδ
はおよそ０．１〜０．８くらいまで可能である。

（発明の効果） 以上のように本発明によれば、容易に高い超伝導転移温
度特性を持つ配向単結晶超伝導膜を得る事が可能となり
、これを用いたジョセフソン素子、量子磁気干渉計など
の作製と性能向上がはかれるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に用いた単結晶酸化物超伝導薄膜を製
造するためのイオンビームスパッタリング装置の概略図
である。第２図は本発明によって製造したａ軸配向単結
晶薄膜のＸ線回折図である。 １　・・・真空槽　　　　　　　２　・・・ゲートバル
ブ３　・・・真空排気ポンプ ４　・・・イオンビーム源 ５−・・アルゴンガスボンベ　６　・・・減圧弁７　・
・・マスフローコントローラー ８　・・・電磁弁　　　　　　　９　・・・イオンビー
ム９′・・・中性イオンビーム １０・・・ターゲットホルダー １１・・・ターゲット　　　　　１２・・・基板１３・
・・酸素イオン源 １４・・・酸素イオンビーム １５・・・酸素ガスボンベ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　イオンビームを中性化し、該中性化ビームにより組成
   範囲がＹ＿１＿＋＿ｘＢａ＿２＿＋＿ｙＣｕ＿３＿＋＿
   ｚＯ＿７＿−＿δ（ただし−０．２≦ｘ≦０．２、−０
   ．４≦ｙ≦０．４、−０．６≦ｚ≦０．６）のターゲッ
   トをスパッタし、該ターゲットに対向して配置された基
   板温度が５７５℃から７００℃のチタン酸ストロンチウ
   ム単結晶の（１００）基板上に、該ターゲット組成の酸
   化物超伝導薄膜を形成する方法において、該チタン酸ス
   トロンチウム基板に向かって、加速電圧が５Ｖから６０
   Ｖでイオン電流密度が０．３ｍＡ／ｃｍ＾２以上の酸素
   イオンを照射しながら成膜を行なうことを特徴とする単
   結晶酸化物超伝導薄膜の製造方法。