JPH03183601A - 酸化物超伝導膜の製造方法 - 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〕 本発明は小型にして超高感度、超高速、高効率な超伝導
デバイスの基本構成要素である酸化物超伝導膜の製造方
法に関するものである。

（従来の技術） 超伝導性を利用したデバイスには、（１）キャビティ、
フィルタ等に代表される超伝導高周波部品、（２）ＳＱ
υＩ［）等に代表される超伝導センサー、等がある。例
えば、フィルタ、コイルなどの２次元的な薄膜デバイス
では面内等方向な超伝導特性が要求され、同時に信号線
接続領域では厚さ方向にも同等の超伝導特性が望ましい
。また、超伝導センサーに用いられるトンネル接合領域
では厚さ方向に長いコヒーレンス長が要求される。第５
図はＢｉ２５ｒ２Ｃａ２Ｃｕ３０ｘ超伝導膜における結
晶の単位格子と結晶方位の関係を示した図である。酸化
物超伝導膜は金属系超伝導膜に比べ、臨界温度は著しく
高いという利点を有するものの、第５図のような層状構
造をとるため結晶方位によってその超伝導特性は大きく
異なるという問題がある。例えば、層面内（ａ、ｂ軸方
向）はコヒーレンス長も３３−４ｎと長く超伝導電流も
流れやすい、反面、層に鉛直方向（Ｃ軸方向）は０．２
−０．５ｎｍと短く超伝導電流も流れにくい。そのため
、面内等方法が要求される薄膜デバイスでは膜厚方向を
Ｃ軸とする結晶配向膜（Ｃ軸配向膜と称する）がベース
となるが、信号線接続、並びにトンネル接合等を考慮す
れば、膜厚方向をａ、ｂ軸とする微少な結晶が一定の割
合で混在し、膜面内並びに膜厚方向にも等方向な電気的
特性を有する酸化物超伝導膜が望ましい。従って、超伝
導薄膜デバイスを製造する上で結晶配向を制御できる酸
化物超伝導膜の製造方法が重要となる。

超伝導デバイスを構成する酸化物超伝導膜の製造方法に
は、真空蒸着、スパッタリング法に代表される物理的気
相成長、並びにＭＯ−ＣＶＤ法に代表される化学分解を
利用した化学的気相成長方法がある。また、これらの方
法により成長させた酸化物膜の超伝導特性を発現させる
ためには、（１）成長させた膜を堆積後に熱処理する方
法、（２）基板温度を上げながら成長させることによっ
て熱処理無しに超伝導特性を発現させる方法、がある。

現在、結晶配向を制御するためには、主に基板温度を上
げながら膜を成長させる方法が取られており、配向性の
制御には基板材料とその結晶面方位、並びに基板温度が
重要である。この方法は高周波信号領域で誘電損失が大
きい５ｒＴｉ０３単結晶基板とＹ−Ｂａ−Ｃｕ−０系超
伝導膜の組合せでは有効である。しかし、誘電損失は小
さいもののＹ−Ｂａ−Ｃｕ−０やＢ　１−３ｒ−Ｃａ−
Ｃｕ−０系超伝導膜に対して格子整合性が悪いＭｇＯ単
結晶基板には適用出来ないという問題があった。また、
基板温度を上げながら膜成長させる結晶配向制御方法は
、エピタキシャルに近い膜成長であるため、膜厚方向を
ａ軸、あるいはｂ＠とじた配向膜では膜面内の特定方向
がＣ軸となり、強い異方性が膜面内に生じる。これによ
り、薄膜デバイスに要求される面内等方性が保証出来な
いという問題があった。一方、堆積後の熱処理では特殊
なアニール［特願平１−２０６７２６１を行うことによ
り、ＭｇＯ車結晶基板上に極めて強いＣ軸配向のＢ１−
５ｒ−Ｃａ−Ｃｕ−０系超伝導膜が得られるものの、Ｃ
軸以外の配向制御は困難であるという問題があった。

（発明が解決しようとする課題） 以上のようじ、結晶方位によって特性の異なる酸化物超
伝導膜を主な構成要素とする超伝導薄膜デバイスは２次
元デバイスであるため、面内等方性を保証できる超伝導
膜、即ちＣ軸配向膜がベースとなる。さらに、デバイス
部品の信号線接続領域やトンネル接合領域では膜厚方向
にも面内とほぼ同程度の超伝導特性が要求される。従っ
て、これらの領域に比べ十分に小さく、同時に膜厚方向
にａ軸、あるいはｂ軸を含む結晶を一定の割合で含んだ
Ｃ軸配向膜が望ましい。従来、Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ−０系超
伝導膜では５ｒＴｉ（ｈの面方位と基板温度によって配
向制御が行われてきたが、Ｂ　１−５ｒ−Ｃａ−Ｃｕ−
０系超伝導膜とＭｇＯ基板の組合せでは制御できないと
いう問題があった。

本発明は、酸化物超伝導膜を基本要素とする超伝導デバ
イスにおいて、面内並びに膜厚方向にも等方向な超伝導
特性を有する酸化物超伝導膜を実現することによって、
酸化物超伝導膜の利点を損なうことなく高性能な超伝導
デバイスを実現・提供することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

本発明はＭｇＯ単結晶の（１１０）結晶面上にＢｉ、Ｓ
ｒ。

Ｃａ、Ｃｕ，Ｏから成る酸化物膜を堆積させ、その表面
をＭｇＯ単結晶の（１００）結晶面で被覆しつつ熱処理
することによって、該酸化物膜に超伝導性を付与するこ
とを特徴とする。

（作　用） 本発明においては、超伝導デバイスを構成するＢ　１−
５ｒ−（：ａ−Ｃｕ−０系酸化物膜をＭｇ０（１１０）
単結晶基板上に形威し、その表面をＭｇＯ（１００）単
結晶で被覆しながら熱処理することにより、膜厚方向を
Ｃ軸とする結晶と膜厚方向をａ、ｂ軸とする結晶とを一
定の割合で混在させることを主要な特徴とする。従来の
技術では、高性能超伝導デバイスに必要な面内、並びに
膜厚方向に等方的な超伝導特性を得ること、即ちＢ１−
５ｒ−Ｃａ−Ｃｕ−０系超伝導膜の結晶配向制御は困難
であった。本発明では、膜厚方向をＣ軸とする結晶と膜
厚方向をａ、ｂ軸とする結晶とを一定の割合で混在でき
るため、面内、並びに膜厚方向に等方的な超伝導特性が
得られることが従来の技術とは大きく異なる。

〔実施例〕

第１図は本発明の実施例を示す。第１図（ａ）はＭｇ０
（１１０）基板にｌｌ　１−５ｒ−Ｃａ−Ｃｕ−０系の
膜を堆積させた断面図、第１図（ｂ）はＢ　１−５ｒ−
Ｃａ−Ｃｕ−０系膜の最表面をＭｇ０（１００）単結晶
板で被覆した状態の断面図である。１はＭｇｏ（ｎｏ）
基板、２はスパッタ等の気相成長法で形成した［１ｉ−
５「−Ｃａ−Ｃｕ−０系酸化物膜、３は熱処理時に使用
する表面被覆用ＭｇＯ（１００）単結晶板である。第１
図（ａ）のように、鏡面研磨したＭｇＯ（１１０）単結
晶基板１の上に、気相成長法等により酸化物薄膜２を堆
積させる。次に、第１図（ｂ）のように、酸化物薄膜の
最表面を鏡面研磨したＭｇＯ（１００）単結晶板３で被
覆し酸素雰囲気下で熱処理を行う。熱処理後、被覆した
ＭｇＯ（１００）単結晶板を除去することにより、超伝
導デバイス用の酸化物超伝導膜とする。

第２図は上記のようにして形成したＢ１−５ｒ−Ｃａ−
Ｃｕ−０系酸化物超伝導膜表面の模式図である。４は平
板の鉛直方向をＣ軸とする平板状結晶、５は平板状結晶
が立った状態の４−５μｍ長の針状結晶である。第１図
で説明した方法でＢ１−５ｒ−Ｃａ−ｆ：ｕ−０系酸化
物膜を形成することにより、平板状結晶４と多くの針状
結晶５が混在した膜状態を実現できる。

ＭｇＯ（１００１単結晶基板上にＢ　１−５ｒ−Ｃａ−
Ｃｕ−０系の膜を堆積させ、ＭｇＯ（１００）単結晶板
で被覆し熱処理した場合、平板状結晶４のみから構成さ
れた超伝導膜が得られる。ＭｇＯ（１１０）！−結晶板
で被覆し熱処理した場合、平板状結晶４に加えて小数の
針状結晶５が混在する。一方、Ｍｇ０（１１０）単結晶
基板上にＢ１−５ｒ−Ｃａ−Ｃｕ−０系の膜を堆積させ
、ＭｇＯ（１００）単結晶板で被覆し熱処理した場合、
並びに被覆を行わない熱処理の場合には、平板状結晶４
に加え小数の針状結晶５が混在する。なかでも、針状結
晶５の割合を増すには、Ｍｇ０（１１０）単結晶基板上
にＢ　１−５ｒ−ｆ；ａ−Ｃｕ−０系の膜を堆積させ、
Ｍｇ０（１００）！＃結晶板で被覆し熱処理する方法が
最も効果的であった。

第３図に一例として、Ｍｇ０（１１０）単結晶基板上に
堆積させ、その後熱処理したＢｉ２５ｒ２ＣａＣｕ２０
ｘ膜のＸ線回折パターンを示す。（ａ）はＭｇＯ（１０
０）単結晶板で被覆し熱処理した膜、（ｂ）はＭｇＯ（
１１０）１１結晶板て被覆熱処理した膜、（ｃ）は表面
被覆を行わずに熱処理した膜のＸ線回折パターンである
。

すべての試料はほぼ１μｍの膜厚である。（ａ）。

（ｂ）、および（Ｃ）とともに典型的なＣ軸配向の回折
パターンを示しているが、被覆熱処理を行うことにより
Ｃ軸配向性はより強調される。ここで、ＭｇＯ（ｔｏｏ
）単結晶板で被覆し熱処理したＢｉ２５ｒ２ＣａＣｕ２
０ｘ膜［第３図（ａ）］では、典型的なＣ軸配向パター
ンに加えて強い（２２００）　Ｘ線回折ピークが混在し
ている。即ち、平板状結晶が立った状態の針状結晶５は
（２２００）結晶面より構成されており、このことは針
状結晶が膜厚方向にａ、ｂ軸を含む配向結晶であること
を意味している。

本発明は、Ｂｉ２５ｒ２ＣａＣｕ２０．以外のＢ　１−
５ｒ−Ｃａ−Ｃｕ−０系超伝導酸化膜にも適用できる。

本発明を用いてＢ　１−５ｒ−Ｃａ−Ｃｕ−０膜を形成
することにより実現できる配向結晶を第４図に模式的に
示す。６はＭｇ０（１１０）単結晶基板、７はａ、ｂ軸
配向に相当する結晶、８はＣ軸配向に相当する結晶であ
る。

以上のように、Ｍｇ０（１１０）単結晶基板上にＢ１−
５ｒ−Ｃａ−Ｃｕ−０系膜を堆積し、ＭｇＯ（１００）
結晶板で被覆し熱処理を行うことにより、Ｃ軸配向した
平板状結晶と、ａ、ｂ軸配向した多数の針状結晶が混在
した酸化物超伝導膜を実現できる。従って、Ｃ軸配向結
晶によって面内等方法を確保でき、しかも多数のａ、ｂ
　＠配向結晶によって十数μｍ以上の大きさを有する信
号線接続、並びにトンネル接合領域における膜厚方向の
超伝導特性も面内の特性に近づけることができ、酸化物
超伝導膜の長所を損なうことなく高性能な超伝導デバイ
スを実現できるという特徴がある。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明による熱処理を行うことに
よって、超伝導デバイスの基本構成要素である酸化物超
伝導膜の配向性を制御することができ、それにより、膜
面内、並びに膜厚方向にも等方向な超伝導特性を保証で
きる。従って、酸化物超伝導膜の長所を活かした高性能
な超伝導デバイスが可能となるという利点がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の詳細な説明する図、 第２図は本発明によって形成した超伝導膜表面の模式図
、 第３図はＢｉ２５ｒ２ＣａＣｕ２０．膜の熱処理後のＸ
線回折パターン、 第４図はＭｇ０（１１０）基板上に成長した超伝導結晶
の模式図、 第５図はＢｉ２５ｒ２Ｃａ２Ｃｕ、、ＯＸ超伝導膜にお
ける結晶の単位格子と結晶方位の関係を示す図である。 ・・・Ｍｇ０（ｌｔｏ）単結晶基板、 ・−Ｂｉ−５ｒ−Ｃａ−Ｃｕ−０系酸化物薄膜、・・・
表面被覆用単結晶板、 ・・・平板状結晶、 ・・・針状結晶、 ・・・Ｍｇ０（１１０）基板の最表面、・・・ａ、ｂ　
＠配向結晶、 ・・・Ｃ軸配向結晶。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １）ＭｇＯ単結晶の（１１０）結晶面上にＢｉ，Ｓｒ，
   Ｃａ，Ｃｕ，Ｏから成る酸化物膜を堆積させ、その表面
   をＭｇＯ単結晶の（１００）結晶面で被覆しつつ熱処理
   することによって、該酸化物膜に超伝導性を付与するこ
   とを特徴とする酸化物超伝導膜の製造方法。