JPH02212307A - 酸化物超伝導薄膜 - Google Patents

酸化物超伝導薄膜

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JPH02212307A
JPH02212307A JP1034147A JP3414789A JPH02212307A JP H02212307 A JPH02212307 A JP H02212307A JP 1034147 A JP1034147 A JP 1034147A JP 3414789 A JP3414789 A JP 3414789A JP H02212307 A JPH02212307 A JP H02212307A
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  • Superconductors And Manufacturing Methods Therefor (AREA)
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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5QUID、ジョセフソン素子、超伝導トラン
ジスタ、電磁波センサー 素子配線、電極等に用いる超
伝導薄膜に関する。
〔従来の技術〕
現在話題の酸化物超伝導物質は結晶構造に起因して興方
正が強い、例えば臨界電流密度を見るとC軸方向はa、
  b軸方向の115〜1/7となっている。故に高臨
界電流密度を要求する薄膜デバイスに酸化物超伝導物質
を応用するにはエピタキシャル成長をさせることが必要
不可欠といえる。
エピタキシャル成長をさせるには基板との格子定数をマ
ツチングさせる必要があり一般的には応用物理第57巻
第2号(1988)p227−231や公開特許公報昭
63−270395に述べられているように基板に5r
Ti03を初めとしたペロブスカイト型酸化物の単結晶
を用いていた。
またJapanpse  Journal  Of  
Applied Physics  Vol、27  
No。
6 1988  ppL1068−1070に述べられ
ている様にシリコンウェハー上にZrO2層を形成した
後酸化物超伝導層を形成する方法も検討されている。
〔発明が解決しようとする課題〕
しかしながら従来の酸化物超伝導薄膜の形成に用いるペ
ロブスカイト型酸化物の単結晶基板はベルヌーイ法で作
製されており、結晶の直径が約2cmφ前後以下のもの
に限られていた。そのため大口径化は、不可能であり、
用途が限定される(小型素子しか応用できない)、量産
性が無い、基板のコストが高い(例えば5rTi03の
2cmφ単結晶基板は約2万円/枚である)等の問題を
有していた。
また大口径化の可能な単結晶シリコンウェハーを用いZ
rO2層を形成した後酸化物超伝導薄膜を付ける場合は
ZrO2と酸化物超伝導物質の格子定数に大きな差があ
りエピタキシャル成長性が悪いとゆう問題を有していた
本発明はこの様な問題を解決するものであり、その目的
とするところは大口径、高臨界電流密度で用途の限定が
無く量産性に優れた酸化物超伝導薄膜を低コストで得ん
とするものである。
〔課題を解決するための手段〕
上記の問題を解決するため本発明の酸化物超伝導薄膜は
1)単結晶シリコンウェハー基板上に形成する酸化物超
伝導薄膜に於て単結晶シリコンウェハー基板と酸化物超
伝導薄膜の中間部にZrO2、Al2O3、MgO,S
rO,CaOの白河れかの酸化物層と組成式をAxTi
yQz(ここでAは希土類元素を示す)と表したとき0
.9≦x≦1゜1.0.85≦y≦1.15である酸化
物層を形成して成る事2)酸化物超伝導物質がLn1B
a2Cu3Oy系(ここでLnはYを含み4価元素を除
く希土類元素)で有ることを特徴とする。x、  yの
値が上記組成範囲を外れると酸化物層は安定した結晶構
造をとらなくなる。それは酸化物超伝導薄膜のエピタキ
シャル成長を阻害する原因となる。
また値は共に1に近いほど好ましい。2は薄膜では測定
が困難なため確認できていないがバルクでは最適組成に
おいて3となっている。
〔実施例〕
以下実施例に従い本発明を説明する。
実施例−1 先ず最初に100配向の単結晶シリコンウェハー基板上
にZr02(Y安定化)酸化物層を反応蒸着法(電子ビ
ーム)により形成する。成膜条件は蒸発源にZrとYペ
レットを用い、基板温度620℃、真空度2〜8110
−’Torr、成膜速度7nm/minであり基板への
酸素供給は成膜中に基板周辺に酸素を吹き付けて行なう
。得られた酸化物層の組成は(Y2O2) 0.09 
(Z r02) 0.91でありX線回折とRHEED
分析によるとC軸配向した極めて単結晶に近い膜であり
格子定数は5゜15〜5− 32 A (a @s  
b @)であった0次に第1表に示した組成の酸化物層
をRFマグネトロンスパッタ法により形成する。
使用ターゲットは第1表の組成に近い組成(最終的に第
1表になるよう補正したもの)の酸化物焼結ターゲット
である。成膜条件は基板温度450℃〜800℃、真空
度3〜8*1O−2Torr、使用ガス02:Ar比3
:  l、Power  denS i t 73− 
9 (W/ Cmす、成膜速度は7〜15nm/min
である。また膜厚は500〜550nmである0次に酸
化物層の結晶構造を安定化させるため750’C酸素雲
囲気中で1時間アニール処理を行う。得られた酸化物膜
はX線回折とRHEEDにより分析したところエピタキ
シャル成長した膜であった。また格子定数は3.89〜
3.94A(as)でありLn−Ba−Cu−0(Ln
は4価元素を除く希土類元素)系酸化物超伝導物質に近
いものであった。
次に反応蒸着法により前記酸化物膜上にEu−Ba−C
u−0超伝導薄膜(1: 2: 3組成)を150nm
形成した。成膜条件は蒸発源にEu、Ba、Cuの金属
を用い、真空度3〜6*1O−5Torr、基板温度6
50°C1成膜速度20〜35nm/minであり、酸
素の供給はマイクロ波で活性化した酸素プラズマを基板
部に成膜中に照射して行った。
次にas−depo、  状態で良好な膜が得られる場
合もあるが必要に応じ500’C酸素♂囲気中において
アニール処理を行い不足している酸素を補給すると共に
(酸素不足は低臨界温度相の発生を招く)結晶構造を安
定化させ酸化物超伝導薄膜を得る。酸化物超伝導薄膜を
X線回折、RHEEDにより分析したところエピタキシ
ャル成長した膜であった。
第1表 実施例−2 実施例−1と同様な条件で単結晶シリコンウェハー基板
上に酸化物層をMgO酸化物層、Eu−Ti−0酸化物
層の順に形成する。膜厚はそれぞれ200nm、400
nmである0次にEu−Ba−Cu−0薄膜を1100
n形成し酸化物超伝導薄膜を得る。
実施例−3 実施例−1と同様な条件で単結晶シリコンウェハー基板
上に酸化物層をAl2O3酸化物層、Eu−Ti−0酸
化物層の順にそれぞれ200nm、500nm形成する
。次にEu−Ba−Cu−0薄膜を1100n形成し酸
化物超伝導薄膜を得る。
実施例−4 実施例−1と同様な条件で単結晶シリコンウェハー基板
上に酸化物層をSrO酸化物層、La−Ti−0酸化物
層の順にそれぞれ350nm、400nm形成する。次
にYb=Ba−Cu−0薄膜を1100n形成し酸化物
超伝導薄膜を得る。
実施例−5 実施例−1と同様な条件で単結晶シリコンウェハー基板
上に酸化物層をBaO酸化物層、CaO酸化物層、Eu
−Ti−〇酸化物層の順にそれぞれ150nm、200
nm、400nm形成する。
この時の酸化物の格子定数はBa>Ca>Euである8
次にEu−Ba−Cu−0薄膜を1100n形成し酸化
物超伝導薄膜を得る。
第2表 上記得られた酸化物超伝導薄膜の臨界温度と臨界電流密
度を4端子法により測定した。測定温度は77K(ダイ
キン工業製極低温冷凍機T、TV204SR使用)で測
定雰囲気はヘリウムガス中である。
結果を第2表(実施例−1)と第3表(実施例−2、実
施例−3、実施例−4、実施例−5)に比較例と共に示
した。比較例は単結晶シリコンウェハー基板上に直接E
u−Ba−Cu−0薄膜を1100n形成した場合(G
)、 ZrO3酸化物層のみの場合(H)、 Eu−T
i−0酸化物層のみの場合(I)と基板にS r T 
i 03単結晶を用いた場合(J:応用物理第57巻第
2号1988p227−231  NTTデータによる
)である。
表より判るように本発明の酸化物超伝導薄膜は基板に単
結晶シリコンウェハーを用いても高い臨界電流密度を得
ることが出来る。比較例G、  H1工の特性の悪いの
は、 (G): シリコンウェハーと酸化物超伝導物質
が反応して酸化物超伝導の結島構造を壊しているため、
 (H):  zr02酸化物層は単結晶に近いもので
あるがZrO2酸化物層と酸化物超伝導物質には格子定
数に大きな差がありマツチングが悪く酸化物超伝導膜の
エピタキシャル成長が阻害されているため、 (1):
シリコンウエハーと酸化物層のマツチングが悪く酸化物
層の構造が安定していないためその上に形成される酸化
物超伝導膜も安定したエピタキシャル成長膜にならない
ためである。これらの点を纏めると本発明は基板と酸化
物超伝導層の間に酸化物超伝導物質よりエピタキシャル
成長させ易い酸化物層を格子定数が少しずつ変化するよ
う多段に配したことにより反応がなく且エピタキシャル
性の良い酸化物超伝導膜が出来るようになったといえる
。更に酸化物元素に酸化物超伝導物質と同じ希土類元素
を用いているため界面でミキシングがあっても影響が少
ない事も良い一因といえる。
また実施例の中でBとEが他に比べ臨界電流密度が高い
のは酸化物超伝導側の酸化物層が最適組成に近いことに
より最適結晶構造をとり、それが酸化物超伝導膜のエピ
タキシャル成長を促しているためである。故に酸化物の
組成はAxTiyOz(ここでAは希土類元素を示す)
と表したとき0゜9≦x≦1.1.0.85≦y≦1.
15の範囲内である必要があり、外れると臨界電流密度
は急激に低下する。
これら実施例の値は第3表の比較例に示す5rTi03
単結晶基板を用いた値(比較例J: NTTデータ)に
近いものであり十分デバイス等に応用できる値である。
第4表に単結晶シリコンウェハー基板と従来よく用いら
れていた5rTi03単結晶基板の1枚の値段を示した
。単結晶シリコンウェハー基板は4インチ(約10cm
φ)と5rTi03単結晶基板の約5倍と大口径である
にも関わらず値段は約1/10であり大幅な低コスト化
が可能となる。
尚本実施例では基板と酸化物超伝導層の間に2種類の酸
化物層を1層ずつ形成するものが多いが各層とも多層構
造になっても何等差し支えない。
第3表 第4表 °〔発明の効果〕 以上述べたように本発明によれば大口径化の可能な単結
晶シリコンウェハーを基板に用いても酸化物超伝導薄膜
のエピタキシャル成長が可能となり、なお且基板との反
応を抑制できるため高い臨界電流密度をえられる。さら
に大口径で有るにも関わらず基板の値段が格段に安い。
即ち形状や臨界電流密度による用途の限定が無く、量産
性に優れた酸化物超伝導薄膜を低コストで得ることが出
来る。
本発明により得られた酸化物超伝導薄膜はそのままで用
いたり微細加工、保護膜形成、他物質の積層等を施した
後5QUID、ジョセフソン素子、超伝導トランジスタ
、電磁波センサー 磁気センサー 素子配線、電流制御
素子、磁束量子メモリ、光スイツチ素子、磁気シールド
等に応用することが出来る。
以上 出願人 セイコーエプソン株式会社 代理人弁理士 上柳雅誉 他1名

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)単結晶シリコンウェハー基板上に形成する酸化物
    超伝導薄膜に於て単結晶シリコンウェハー基板と酸化物
    超伝導薄膜の中間部にZrO2、Al2O3、MgO、
    SrO、CaOの内何れかの酸化物層と組成式をAxT
    iyOz(ここでAは希土類元素を示す)と表したとき
    0.9≦x≦1.1、0.85≦y≦1.15である酸
    化物層を形成して成る事を特徴とする酸化物超伝導薄膜
  2. (2)酸化物超伝導物質がLn1Ba2Cu3Oy系(
    ここでLnはYを含み4価元素を除く希土類元素)で有
    ることを特徴とする請求項1記載の酸化物超伝導薄膜。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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EP1858091A1 (en) * 2006-05-18 2007-11-21 Nexans Conductor coated with a polycrystalline film useful for the production of high temperatures superconductor layers

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APPLIED.PHYSICS.LETTERS=V53 *

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