JPH02207589A - 酸化物超電導体配線基板 - 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、半導体ＬＳＩ等に用いられる酸化物超電導体
による配線基板に関する。

（従来の技術） 近時の高Ｔｃ（臨界温度・・・超電導状態となる温度）
超電導体の出現により、半導体ＬＳＩ用の配線基板等へ
の超電導体の応用について十分検討出来る状況になって
来た。一方、微細化技術の進歩に伴い半導体素子自体の
高速性能が向上した結果、集積線幅が減少し、それだけ
配線抵抗が増大し、常電導金属による配線の場合伝搬遅
延時間の増大を来すことが問題とされるようになった。

その為。

電気抵抗ゼロの超電導体は、このような問題点を一掃す
るものとして大きく期待されるところとなった・ （発明が解決しようとする課題） 本発明者等は、超電導体の上記配線基板への応用研究を
進めるにあたって、次のような解決すべき問題点がある
ことに着目した。即ち、雰囲気温度がオフセット温度（
Ｔｃｅ）以上になったとき、臨界電流密度（Ｊｃ）より
大きい電流が流れたとき、雰囲気の磁界が臨界磁界（Ｈ
ｅ）より大きくなったとき、いずれも超電導体に抵抗が
発生して電流の変化を生じ半導体等の作動に一時的狂い
を生じて集積回路の誤動作の原因となること、亦、高集
積化に伴い配線の線幅が小さくなる為、電流密度が増大
し超電導体自体が発熱して超電導特性が破壊されること
、である。

（発明の目的） 本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、超電導
体の一時的な特性減退・破壊（所謂クエンチ）があって
もその特性を補償し、半導体等の作動に狂いを生じさせ
ない新規な酸化物超電導体配線基板を提供せんとするも
のである。

（課題を解決する為の手段） 上記目的を達成する為の本発明の酸化物超電導体配線基
板は、酸化物超電導体層と、Ａｇ、Ａｕ及びＰｔより選
ばれた安定化層とが一体的に積層されて成ることを要旨
とするものである。

本発明を構成する酸化物超電導体としては、Ｙ−Ｂａ−
Ｃｕ−０或いはＢ　ｉ−８ｒ−Ｃａ−Ｃｕ−○等で表さ
れる複合酸化物が望ましく採用される。またこれと積層
される安定化層は、常電導金属の層でありＡｇ、Ａｕ及
びＰｔのいずれかより選ばれるが、同じ常電導金属の代
表であるＣｕは超電導体層に固溶し組成変動を起す為使
用不可である。

該安定化層と超電導体層との層構造としては、−層ずつ
を積層した場合、二層ずつを交互に積層した場合、更に
は複数層ずつを交互に積層した場合が採用され、これは
対象とする集積回路等の仕様に応じて適宜選択される。

次に、上記一体層に積層する方法についての望ましい二
つの例を略述する。

く第１の方法〉 酸化物超電導体の原料金属化合物（主に酸化物）を所定
量秤量混合し、この混合物を仮焼・粉砕処理して仮焼粉
末を得、該仮焼粉末を有機溶媒で混練してペースト状と
する。一方Ａｇ、Ｏ，Ａｇ、Ａｕ或いはＰｔの粉末を有
機溶媒で混練してペースト状となし、両ペースト状物を
ジルコニア等の基板上に印刷し、乾燥後焼成処理する。

この場合仮焼粉末ペースト層単層の厚みは、その特性が
発現される限り、対象とする配線基板の大きさ、必要性
能等に応じて適宜選択可能であるが、Ａ　ｇ　ｚ○粉末
等のペースト層単層の厚みは仮焼粉末ペースト層単層厚
みの１７１０〜２倍とすることが望ましい。１／１０倍
未満の場合、室温での比抵抗が大きくなると共に冷却作
用が十分発揮し得なくなり、また２倍を超えると臨界電
流密度（Ｊｃ）が小さくなる傾向となるからである。

〈第２の方法〉 酸化物超電導体の原料金属化合物（主に酸化物）を所定
量秤量混合し、この混合物を仮焼・粉砕処理して仮焼粉
末を得、該仮焼粉末を上記より少ない量の有機溶媒で混
練し、圧縮成形してシート状となす。一方Ａｇ、Ｏ１Ａ
ｇ、Ａｕ或いはＰｔの粉末を同有機溶媒で混練し、圧縮
成形してシート状となす。両シート状物を交互に層積し
乾燥後圧縮一体とし、更にこれを焼成処理する。この場
合、超電導体粉末成形シート層の厚みは上記同様制約は
ないが、Ａｇ、０粉末等の成形シート層単層の厚みは超
電導体粉末成形シート層の厚みの０．１〜２倍であるこ
とが望ましい、この範囲外では上記と同様の傾向となる
からである。

（作用） 上記構成の配線基板は、例えばプリント法や薄膜のエツ
チング等により適宜配線回路を形成し、所定位置に半導
体素子等を搭載し更にワイヤボンディングを施し半導体
モジュール等として構成される。そして該半導体モジュ
ール等は、超電導体のＴｃ温度以下に維持された状態で
使用に供される。この使用状態に於いては、超電導体層
の電気抵抗がゼロとなるから、半導体素子自体が高速性
能を有している場合でもこれに十分対応し得る速度で信
号電流の伝搬を行なう、また、例えば冷媒が少なくなっ
た為に雰囲気温度が一時的にオフセット温度（Ｔｅａ）
以上になった場合、臨界電流密度（Ｊｃ）より大きい電
流が流れた場合、雰囲気の磁界が臨界磁界（Ｈｅ）より
大きくなった場合には。

超電導体層がクエンチを起すが、層内に介在された安定
化層がこれにとって代り電流伝搬の機能を奏する。安定
化層の伝搬速度は超電導体層のそれよりは劣るが、−時
的なりエンチの間はこれで十分補うことが出来る。亦、
安定化層の放熱作用により電流密度の増大に伴う超電導
体層自体の発熱が抑えられ、超電導特性の破壊が未然に
防止される。従って、外的要因が原因して超電導体層が
一時的にクエンチしても、また電流密度が増大しても、
半導体素子等に対する悪影響が回避され、誤動作等の懸
念がなくなる。

（実施例） 次に実施例について述べる。

（実施例−１） （１）Ｙ２０３粉末３０．２６ｇ、ＢａＣＯ３粉末１０
５．７８ｇ、ＣｕＯ粉末１７．３４ｇを秤量・混合した
後８８０℃で５時間仮焼し、メノー乳鉢で粉砕し、更に
９２０℃で２０時間仮焼して粉砕し平均粒径１．６μｍ
の仮焼粉末を得た。

得られた仮焼粉末は、Ｘ線回折により Ｙ　Ｉ　Ｂ　ａ　２Ｃｕ　３０７−５の組成式を有する
結晶であることが確認された。

（ｉｔ）上記仮焼粉末に有機溶媒としてのエチルセルロ
ースを２０〜３５重量％添加し、よく混合してペースト
状とした。

（ｎｉ）ＡｇｚＯ粉末に有機溶媒としてのエチルセルロ
ースを１５〜２５重量％添加・混合しペースト状とした
。

（ｉｖ）ジルコニア基板上に上記Ａｇ２Ｏ粉末及び仮焼
粉末ペーストを２層ずつ交互に印刷積層した。

各層の層厚は、仮焼粉末ペースト層を８０μｍに固定し
、Ａｇ、Ｏ粉末ペースト層を４０μｍ、１６０μｍ、１
６５μｍ、８μｍ及び７．２μｍとした。これらを夫々
実施例１−１．１−２．１−３．１−４及び１−５とし
た。

（ｖ）上記積層体をよく乾燥した後、抵抗加熱管状炉に
て焼成した。焼成条件は、室温より９５０℃まで酸素ガ
スを流しながら５０℃／ｈｒの速度で昇温し、最高温度
（９５０℃）で５時間保持した後。

６００℃まで５０℃／　ｈ　ｒの速度で冷却し、５時間
保持し、室温まで５０℃／　ｈ　ｒの速度で冷却するよ
うにした。

〈比較例〉 比較例として、超電導体仮焼粉末をそのまま上記と同じ
条件で焼成したバルク体と、上記超電導体仮焼粉末ペー
スト（厚み、８０μｍ）のみを同条件で焼成したものを
準備した。これらを夫々比較例１−１．１−２とした。

（実施例−２） （ｉ）Ｂｉ、Ｏ，粉末４５．２９ｇ、５ｒＣＯ，粉末２
９．０７ｇ、ＣａＣ０，粉末９．８０ｇ、ＣｕＯ粉末１
５．８４ｇを秤量混合した後８００℃で５時間仮焼し、
メノー乳鉢で粉砕し、更に８２０℃で２０時間仮焼粉砕
して平均粒径５μｍの仮焼粉末を得た。得られた粉末は
、Ｘ線回折によりＢｉ２５ｒ２Ｃａ１Ｃｕ２０８の組成
式を有する結晶であることが確認された。

（ｉｉ）実施例−１と同様に上記仮焼粉末をペースト状
（厚み、８０μｍ）にし、またＡｇ２ｏ粉末も同様にペ
ースト状（厚み、４０μｍ）にし、これらを２層ずつジ
ルコニア基板上に交互に印刷して乾燥後焼成した。焼成
は室温から８４０℃まで大気中で５０℃／ｈｒの速度で
昇温し、最高温度（８４０℃）で５時間保持した後、室
温まで５０℃／ｈｒの速度で冷却するようにした。これ
で得た試料を実施例２−１とした。

（ｉｔ）超電導体層の組成が、Ｂｉ：Ｐｂ：Ｓｒ：Ｃａ
：Ｃｕ＝２：０．５：２：３：４となるようにし且つ上
記と同様に調製して仮焼粉末を得、これを用いて上記と
同様な方法で層積後焼成した。焼成は８４０℃まで大気
中で５０℃／ｈｒの速度で昇温し、最高温度（８４０℃
）で２００ｈｒ保持した後、室温まで５０”Ｃ／ｈｒの
速度で冷却した。

このようにして得た試料を実施例２−２とした。

なお、この時に用いた仮焼粉末はＸ線解析により１１０
に層のほぼ単層であった。

〈比較例〉 比較例として、上記実施例２−１．２−２に対応する仮
焼粉末ペースト（厚み、８０μｍ）のみを同条件で焼成
したものを準備した。これらを夫々比較例２−１．２−
２とした。

上記で得た各焼成試料について、ＳＥＭ（走査型電子顕
微鏡）にて組成観察を行なった。また、本試料を粉砕し
てＸＲＤ測定を行なった。四端子法により温度に対する
抵抗変化を調べ、オンセット温度（Ｔｅａ）、オフセッ
ト温度（Ｔｃｅ）を測定した。更に、次の要領で電流密
度を測定した。即ち、四端子法に従い、試料を液体窒素
中に浸し、温度が安定した段階で電流を流し始め、徐々
にその値を大きくし、電圧が急激に発生し１μＶの時の
電流値をＩｃとし、それを断面積で割った値を臨界電流
密度Ｊｃとした。更に、各試料について室温での比抵抗
を測定した。これらの結果を第１表に示す。

（以下余白） 実施例１−１．２．３．４．５及び実施例２−１．２に
ついてのＳＥＭ、ＸＭＡの結果から、銀の一部が拡散し
超電導体の粒間に存在していることがわかった。それら
は超電導体粒子とのぬれ性も良好であり、超電導体粒子
を覆う状態であった。

またＸＲＤの解析結果から、超電導体とＡｇのピークが
混在していることが観測され、これにより、Ａｇが超電
導体層に固溶または置換していないことが推察された。

温度に対する抵抗変化の測定結果においては、普通のバ
ルク体である比較例１−１及びその他の比較例はいずれ
も室温で１０′′〜１０１オ一ダーｍΩ／ｄであるのに
対し、実施例１−１．２，３．４及び実施例２−１．２
はいずれも室温で１０−３オ一ダーｍΩ／ｄであり、こ
れにより超電導層がクエンチしても一時的補償が十分可
能となることが示唆される。実施例１−５の比抵抗が高
くなったのは、Ａｇ層の層厚が薄遇ぎその拡散により層
として存在しきれなくなった為と考えられる。オフセッ
ト温度及びオンセット温度はいずれも大差なかった。

実施例１−１．２．４．５の臨界電流密度は、比較例１
−１．２に比べいずれも高レベルにあり、また、実施例
１−１と比較例１−２との比較からＡｇ層を積層するこ
とにより増大することが理解される。実施例２−１．２
と比較例２−１．２との比較に於いてもその傾向がうか
がえる。実施例１−３の臨界電流密度が低いのは、Ａｇ
層が厚過ぎ試料の端がＡｇ層によって覆われてしまった
からと考えられる。

（実施例−３） （ｉ）実施例−１と同様にして、組成式がＹ１Ｂａ２Ｃ
ｕ３Ｏ７，９である仮焼粉末を得た。

（ｉｉ）この仮焼粉末に有機溶媒としてアクリル系共重
合体を７重量％添加し、よく混合した。

（ｉｎ）ＡｇｚＯ粉末に有機溶媒としてアクリル系共重
合体を７重量％添加しよく混合した。

（〜）上記仮焼粉末混和物及びＡｇ２Ｏ粉末混和物を圧
縮成形して厚み８０μｍ及び４０μｍのシート状とした
。この各上記シート状物を２層ずつ交互に層積し、よく
乾燥後ロール状の連続圧縮成形機に通して相互を圧着し
た。圧着成形物を１０×２５ｍの短冊状に切り取り、抵
抗加熱管状炉内で酸素ガスを流しながら、室温から５０
Ｃ）Ｃまで２５℃／　ｈ　ｒで昇温し、５００℃から９
８０℃まで２００℃／　ｈ　ｒの速度で昇温し、最高温
度で１０分間保持した後１０℃／　ｈ　ｒの速度で室温
まで冷却した。これで得た焼成試料を実施例３−１とし
た。

（ｖ）上記仮焼粉末混和物シートの厚みを５μｍ、４．
５μｍ、Ａｇ、Ｏ粉末混和物シートの厚みを５μｍ、４
．５μｍとしたものについて上記と同様に層積し、連続
圧縮成形した後焼成処理して４種の試料を作成し、これ
らを夫々実施例−２，３，４，５とした。

上記各試料について、ＳＥＭにより組成観察を行なうと
共に粉砕試料のＸＲＤ測定を行なった。

また、前記と同要領で、温度に対する抵抗変化、オンセ
ット温度、オフセット温度を調べ、臨界電流密度を測定
した。更に、表面Ｘ線回折ピークが下記式に基づきら配
向度（ｆ値）を算出した。

ｆ＝（Ｐ−Ｐｏ）／（１−Ｐｏ） 式中 Ｐ（配向試料）＝ΣＩ（ＯＯＱ）／（Σｘ（ｈｋｕ）＋
Σ■（ｏｏＱ））Ｐ昧配胡生）＝ΣＩ’（ＯＯｆｆｉ）
／　（Σｘ′（ｈｋｕ）＋Σｘ′（ｏｏｎ））これらの
結果を第２表に示す。

（以下余白） 実施例３の試料は、いずれも上記同様ＳＥＭ、ＸＭＡの
結果から、銀の一部が拡散し超電導体の粒界に存在して
いることがわかった。それらは超電導体粒子とのぬれ性
も良好であり、超電導体粒子を覆う状態であった。また
ＸＲＤの解析結果から、超電導体とＡｇのピークが混在
していることが観測され、これにより、Ａｇが超電導体
層に固溶または置換していないことが推察された。

また、室温での比抵抗がいずれも低く、これにより超電
導層がクエンチしても一時的補償が十分可能であること
が示唆される。

ｆ値からいずれも配向性の高い組織を有していることが
理解される。臨界電流密度は、実施例３−２．３を除い
て極めて高く、優れた超電導特性を有することがわかる
。これは、上記配向性と関係し、試料調製時の圧縮作用
によって結晶の配向性が良くなり、これが電流密度を高
める原因となったもの考えられ１本実施例の特筆すべき
効果として位置付けることが出来る。実施例３−２．３
の臨界電流密度が低いのは、超電導層の層厚が薄い為に
、その超電導特性が十分に発現されなかった為と考えら
れる。

尚、上記実施例では、安定化層としてＡｇを用いた例を
示したが、Ａｕ及びＰｔでも同様の結果が得られること
が本発明者によって確認されている。この場合、Ａｕ及
びＰｔには酸化物が存在しないのでこれらを直接使用し
た。また、Ａｇは酸化物の方が化学的に安定で且つ安価
であるので経済的に有利であるが、Ａｇをそのまま使用
することも除外するものではない。

（発明の効果） 取上の如く、本発明の超電導体配線基板は、超電導体層
と、常電導金属より成る安定化層とを焼結一体に積層し
たものであって、超電導体層が何等かの原因で一時的に
クエンチしても、積層効果によって電流の伝搬機能が維
持され、従って半導体用ＬＳＩの配線基板等に応用した
場合でも半導体に対する悪影響が回避され、誤動作発生
の懸念がなくなる。また、高集積化に伴う線幅の減少を
強いられても、安定化層の冷却効果により超電導体層の
発熱が抑えられ、超電導体層の本来の特性が維持される
。

このように特筆すべき効果を有する本発明は、超電導体
の応用実用化の展望を拓くに大きく寄与するものであり
、その有用性極めて大である。

−以上−

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １．酸化物超電導体層と、Ａｇ、Ａｕ及びＰｔより選ば
   れた安定化層とが一体的に積層されて成る酸化物超電導
   体配線基板。