JPH02267121A - 酸化物超伝導薄膜 - 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、アンテナ等
に用いる超伝導薄膜に関する。

［従来の技術］ 臨界温度が液体窒素温度７７Ｋを大幅に越え一般社会へ
の応用が期待される酸化物超伝導物質は周知のようにＰ
　ｂ、　　Ｎ　ｂ　３３　ｎ等従来の超伝導物質に比ベ
コヒレンス長さが短い。また結晶構造に起因して異方圧
が強い例えばコヒーレンス長さを見るとＣ軸方向はａ、
　　ｂ軸方向の１／３〜１／１０となっている。故に高
臨界電流密度を必要としたり粒界のようなポテンシャル
障壁を抑制する必要のあ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
基板と超伝導物質の格子をマツチングさせる必要があり
一般的にはＰＨＹＳＩＣＡＬ　ＲＥＶＩＥＷＢ　ＶＯＬ
、３８　　Ｎｏ、１　　（１９８８）７６５−７６７、
ＡＰＰＬ工ＥＤ　　ＦＨＹＳ工Ｃ８ＬＥＴＴＥＲ３ＶＯ
Ｌ、５３　　Ｎｏ、１７　　（１９８８）１６５４−１
６５６に述べられているようにＭｇＯを初めとした単結
晶基板が用いられていた。

［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酸
化物の単結晶基板は比較的大口径化の可能なＭｇＯでも
結晶の直径が約５ｃｍφ前後以下のものに限られていた
。またその製造には複雑な制御と長時間を要した。その
ため半導体の様に効率の良い生産が出来ない、素子の形
状が限定される、製造コストが高い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ぐちなみ
に約２０ｃｍφまでに得られる）を用い直接酸化物超伝
導薄膜を付ける場合はシリコンウェハーと反応し低臨界
温度相になったり酷いものは超伝導相が壊れ半導体相や
絶縁体相になってしまった。超伝導体相が得られても結
晶は当然良いエピタキシャル成長にはならない。

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化、高臨界電流密度化、粒界の障
壁の抑制を可能にし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
単結晶シリコンウェハー基板上に形成せしめて成るＢｉ
−Ｍ−Ｃｕ−０系又はＢｉ−Ｐｂ−Ｍ−Ｃｕ−０系酸化
物超伝導薄膜（ここでＭはアルカリ土類を示す）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
部に組成をＣａｏｘＦｙと表したときｘ＜０．　２．１
．６≦ｙ≦２である中間層を形成して成る事を特徴とす
る。

ｘ、　　ｙの値はこの範囲を外れると中間層は良い結晶
構造を採らないためその上に形成する酸化物超伝導薄膜
も良いエピタキシャル成長膜に成らない。

更に組成範囲はより好ましくはＸはＯ〜０．０５、ｙは
１．９〜２である。

［実施例］ 以下実施例に従い本発明を説明する。

実施例−１ 先ず最初に単結晶シリコンウェハー基板上にＣａｏｘＦ
ｙ膜を反応蒸着法より４００〜５００ｎｍ形成する。以
下この膜を中間層と呼ぶ。

成膜条件は蒸発源にＣａ金属を用い基板温度４８０°Ｃ
１初期真空度２＊１Ｏ−６Ｔｏｒｒ、成膜速度１７〜２
０　ｎ　ｍ　／　ｍ　ｉ　ｎである。膜へのフッ素の供
給はＣＦ４ガスをプラズマ化しチャンバー内に導入し行
う。　（導入後の真空度は１０−’Ｔｏｒｒ台） 得られた中間層は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ＥＳＣ
ＡとＳＩＭＳ　（ＣＳイオン使用）の分析によると意識
的に導入した訳ではないが膜中には極微量の酸素が見ら
れた。

次にＭＢＥ　（分子線エピタキシ）法により前記中間層
上にＢ　ｉ　１．９７Ｐ　ｂ　０．２Ｓ　ｒ　２．ＯＣ
ａ　２．０３Ｃｕ３．０５ＣＩ超伝導膜を１’５０ｎｍ
形成した。成膜条件は蒸発源にＢ１−Ｐｂ合金、Ｓｒ、
Ｃａ、Ｃｕの金属を用い（蒸発はＢ１−Ｐｂ合金は電子
ビームにより他の金属はＫｎｕｄｓｅｎセルにより行な
った）、真空度３〜６＊１Ｏ−５Ｔｏｒｒ、基板温度６
８０°Ｃ１成膜速度２０〜３５　ｎ　ｍ　／　ｍ　ｉ　
ｎ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う。

次に５００°Ｃ酸素雰囲気中において１５時間アニール
処理を行い酸化物超伝導薄膜を得る。但しａｓ−ｇｒｏ
ｗｎでよい超伝導膜となる場合もありアニール処理は必
要に応じて行う。

得られた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。

実施例−２ 第１表 実施例−１の条件に於て膜中の酸素量を変えるためチャ
ンバー内に酸素も導入しＣａＯｘＦｙ膜を形成した。但
し酸素の供給はプラズマ化したものではない。第１表は
導入酸素量の異なる条件により得られた中間層の組成を
ＥＳＣＡ、ＡＥＳ、Ｓ工ＭＳ分析（試料数ｎ−７）等に
より推定した値である。次にＢｉ２５ｒ２Ｃａ２Ｃｕ３
０ｙ膜をＭＢＥ法により１１００ｎ形成する成膜条件は
蒸発源にＢｉ、Ｓｒ、Ｃａ、Ｃｕの金属を用い真空度３
〜６＊１Ｏ−５Ｔｏｒｒ（成膜中）、基板温度６００〜
６８０℃、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う。

次に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、測定
雰囲気はへリニウムガス中である。

尚冷却にはダイキン工業製極低温冷凍機ＵＶ２０４ＳＲ
を使用した。

結果を第２表（実施例−１）と第３表（実施例２）に示
した。ａ、　　ｂ、　　ｃ、　　ｄは比較例でありａ：
単結晶シリコンウェハー基板上に直接Ｂ１−３　ｒ−Ｃ
ａ−Ｃｕ−０薄膜を形成した場合、ｂ＝基板にＭｇＯ単
結晶を用いた場合、ｃ：　　ｄ：　　中間層の組成範囲
が本発明条件より外れた場合を示す。

第２表 表より判るように本発明による酸化物超伝導薄膜は大口
径化の可能なシリコンウェハーを基板として用いてもＭ
ｇＯ単結晶基板を用いたときに近い高い臨界電流密度と
なる。比較例ａが超伝導にならないのは膜全域にわたり
蒸着物質がシリコンウェハーと反応して超伝導物質の結
晶構造を採っていないためである。本発明ではこの反応
を抑制出来るため１１００ｎと薄く形成しても良い超伝
導特性を得ることが出来る。

第３表 酸化物超伝導物質との格子のマツチングが図れなくなる
ためである。つまり中間層の組成はＣａＯｘＦｙと表し
たときｘ＜０．２．１．６≦ｙ≦２である必要がある。

更に好ましくは実施例の中でＢが最も臨界電流密度が高
い事から判るようにＣａＦ２に僅か酸素が入ったものが
よい。酸素導入効果は他に膜のクラック発生の抑制もあ
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ＭｇＯ単結晶基板の１枚の値段を示した。

第４表 また中間層の組成が本発明の範囲を外れると第３表に示
すように臨界電流密度は急激に減少する。

これは組成が適正範囲から外れる事により中間層の結晶
構造が安定しなくなりその上に形成する単結晶シリコン
ウェハー基板は４インチ（約１Ｏｃｍφ）とＭｇＯ単結
晶基板の約２倍と大口径であるにも関わらず値段は約１
／２０となっている。この様に単結晶シリコンウェハー
基板を採用することにより大口径化だけでなく大幅な低
コスト化が可能となる。

［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。

そのため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
、アンテナ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 代理人弁理土鈴木喜三部　他１名

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 単結晶シリコンウェハー基板上に形成せしめて成るＢｉ
   −Ｍ−Ｃｕ−Ｏ系又はＢｉ−Ｐｂ−Ｍ−Ｃｕ−Ｏ系酸化
   物超伝導薄膜（ここでＭはアルカリ土類を示す）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
   部に組成をＣａＯ＿ｘＦ＿ｙと表したときｘ＜０．２、
   １．６≦ｙ≦２である中間層を形成して成る事を特徴と
   する酸化物超伝導薄膜。