JPH03257003A - 複合酸化物超電導薄膜の作製方法 - 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、複合酸化物超電導薄膜の作製方法に関する。

より詳細には、本発明は、レーザ蒸着による複合酸化物
超電導薄膜の作製方法に関する。

従来の技術 電子の相転移であるといわれる超電導現象は、長い間、
液体ヘリウムによる冷却を必要とする極低温下において
のみ観測される現象であるとされていた。しかしながら
、１９８６年にベドノーツ、ミューラー等によって、３
０にで超電導状態を示す（Ｌａ、　Ｂａ）　２ＣＬＩ　
０４が発見され、更に、１９８７年は、チュー等によっ
て、９０に台の超電導臨界温度Ｔｃを有するＹＢａ２Ｃ
ＬＩｓＯｙ発見され、続いて、１９８８年には前圧等に
よって１００Ｋ以上の臨界温度を示す所謂Ｂｉ系の複合
酸化物系超電導材料が発見された。

これらの複合酸化物系超電導材料は、廉価な液体窒素に
よる冷却でも超電導現象を実現することができるので、
超電導技術の実用的な応用の可能性が取り沙汰されるよ
うになった。

上述のような高い臨界温度を示す複合酸化物系超電導材
料は、当初粉末冶金法により焼結体として得られていた
が、焼結体材料では特に臨界電流密度等の特性について
好ましい特性が得られず、最近では薄膜として作製する
方法が広く研究されるようになっている。通常、複合酸
化物系超電導薄膜は、ＳｒＴ　ｉ○３単結晶基板、Ｍｇ
○単結晶基板等の上に、真空蒸着法、スパッタリング法
等の各種蒸着法によって成膜される。

従来から知られている各種の蒸着法によって作製された
複合酸化物薄膜は一般にはそのままでは十分な超電導特
性を示さず、有用な超電導薄膜を得るためには形成され
た複合酸化物薄膜に対してボストアニール処理を行う必
要がある。

即ち、複合酸化物超電導材料は、一般に大きな酸素不定
比性を示すことが知られており、また、一般に非化学量
論性が低い程高い超電導特性を発揮することが知られて
いる。従来法による超電導薄膜の作製においては、この
酸素不定比性による酸素の不足を補う目的でボストアニ
ール処理を実施していたものである。

しかしながら、基板上に形成された薄膜にアニール処理
を実施すると、処理時の高熱下で基板材料が薄膜中に拡
散するために薄膜の品質が低下することが知られている
。そこで、アニール処理無しに酸化物超電導薄膜を作成
する方法としてレーザ蒸着法が注目されている。

即ち、レーザ蒸着法は、大畠カレーザをターゲットに照
射して蒸発させこれを基板上に堆債させる方法であるが
、スパッタリング法のように放電を利用しないので、雰
囲気ガスの圧力を高くすることができる。また、化合物
ターゲットを使用した場合に、ターゲットの組成と薄膜
の組成との組成ずれが少ない。更に、適切な条件を選択
することによって、成膜速度を速くすることができる。

発胡が解決しようとする課題 しかしながら、実際にレーザ蒸着法によって酸化物超電
導薄膜を作製しても、実際には期待される程の超電導特
性を示すような酸化物薄膜が得られない。そこで、本発
明は、複合酸化物超電導薄膜の作製をレーザ蒸着法によ
って行う場合の条件を最適化し、レーザ蒸着法本来の特
徴を活かして、ボストアニール処理無しに高い超電導特
性を発揮する複合酸化物超電導薄膜を作製できる新規な
方法を提供することをその目的としている。

課題を解決するたｔの手段 即ち、本発明に従うと、気密に画成された成膜室内にタ
ーゲットと基板とを配置し、該ターゲットにレーザビー
ムを照射することによってターゲットの組成に対応した
組成の薄膜を基板上に形成する過程を含む酸化物超電導
薄膜の作製方法において、該成膜室内の雰囲気の圧力が
４００〜６００ｍＴｏｒｒの範囲内であり、該基板と該
ターゲットとの距離が３０〜５９ｍｍであり、成膜時の
基板表面の温度が６３０〜７４０℃であり且つターゲッ
ト表面におけるレーザパワーが０．４〜０，７Ｊ／ｃＩ
ｌｔの範囲内となるような条件で行う成膜処理を含むこ
とを特徴とする複合酸化物超電導薄膜の作製方法が提供
される。

作用 本発明に係る方法は、複合酸化物薄膜をレーザ蒸着法で
作製するにあたって、特にその成膜条件のうち、基板温
度と成膜室内のガス圧力を下記のように限定したことを
特徴としている。

即ち、レーザ蒸着法による薄膜作製における一般的な成
膜条件は、下記のようなものである。

レーザパワー：１．５〜２．０〔Ｊ／ｃｒｌ〕基板温度
　　：６６０〜７００　　Ｃ”Ｃ：］ガス圧力　　＋　
　１（１−１００〔ｍＴｏｒｒ〕基板−ターゲット間距
離：３０〜７０　Ｃｍｍ）しかしながら、前述のように
、上記の条件では満足できる特性を発揮する酸化物超電
導薄膜を作製することができなかった。そこで、それぞ
れの条件を変えて成膜を試みたところ、前記のような条
件で良質の超電導薄膜が得られた。

即ち、本発明に係る方法における成膜条件において、タ
ーゲット表面におけるレーザパワーは、０．４〜０．７
Ｊ／ｃＩＩｉとする。具体的に後述するように、この範
囲外の条件で作製された薄膜では、超電導特性が大きく
劣化している。これは、過剰なレーザパワーを注入した
場合、クラスタが多く発生し、エピタキシャルな薄膜形
成が行われなくなるものと推測される。一方、レーザパ
ワーが極端に小さい場合は、ターゲットからの蒸発物に
充分なエネルギが与えられないために、薄膜の品質が劣
化する。

また、本発明において限定される条件のひとつであるガ
ス圧力は、４００〜６００　ｍＴｏｒｒの範囲内とする
。即ち、ガス圧力がこれよりも低い場合は、薄膜中に充
分に酸素が取り込まれないた約に、得られた薄膜の超電
導特性が劣化する。一方、ガス圧力が上記範囲よりも高
い場合は、レーザ照射によってターゲットの表面から基
板に向かって発生するブルームの径が小さくなり、形成
される薄膜の面積が極端に小さくなるので実際的ではな
い。

尚、成膜時の基板の表面温度は、６３０〜７４０℃の範
囲において好ましい結果が得られた。尚、基板温度が上
記範囲よりも低い場合は、形成される薄膜の結晶性が極
端に悪くなりアモルファス質になってしまう。また、基
板温度が上記範囲よりも高い場合は、形成される薄膜か
み酸素が離脱して最終的に超電導特性が大きく劣化する
。

また、成膜時の基板とターゲットとの間の距離は、３０
〜５Ｑｍｍの範囲において好ましい結果が得られた。尚
、基板−ターゲット間距離がこの範囲よりも大きくなっ
た場合は、ターゲットから発生した成膜物質を含むブル
ームが基板に十分到達せず、薄膜中に活性酸素が取り込
まれないので、最終的に薄膜の超電導特性が劣化する。

一方、基板−ターゲット間距離が上記範囲よりも小さく
なった場合は、ターゲットから基板に飛来する成膜物質
のエネルギが高過ぎて、薄膜のエピタキシャルな成長が
阻害される。

このような本発明に係る方法によれば、レーザ蒸着法に
より、成膜後にボストアニール処理を行うことなく有効
な特性を発揮する酸化物超電導薄膜を作製することがで
きる。

本発明に係る方法が有利に適用できる薄膜材料としては
、５ｒＴｒ０３単結晶、？ＪｇＯ単結晶等の基板上に形
成する、Ｌａ−Ｂａ−Ｃｕ系あるいはＹ　−Ｂａ−Ｃｕ
系の他、Ｂｉ系やＴｌ系を含む酸化物超電導材料が挙げ
られる。

以下に実施例を挙げて、本発明をより具体的に説明する
が、以下の開示は本発明の一実施例に過ぎず、本発明の
技術的範囲を何ら限定するものではない。

まず、レーザパワー以外の条件を下記の第１表に示すよ
うに固定して、レーザパワーを変化しながら複数の試料
を作製した。作製条件と、得ちれた薄膜の超電導特性と
して臨界温度Ｔｃ並びに臨界電流密度Ｊｃを第２表に示
す。尚、臨界電流密度Ｊｃは、７７Ｋにおける測定値で
ある。

第１表 実施例ｌ ＭｇＯ単結晶基板の（１００）面および５ｒＴｉ○３単
結晶基板の（１００）面を成膜面とし、レーザ蒸着法に
より、Ｙ　１Ｂａ２Ｃｕｓ　Ｏ７−Ｘなる組成を有する
酸化物超電導薄膜を作製した。使用したターゲットは、
目的とする薄膜と同じ組成を有する焼結体ターゲットで
ある。また、レーザは、パルスレートが１　ｐｐｓのエ
キシマレーザを使用し、成膜室内は０２（ガス）で満た
した。

続いて、レーザパワーを０．６Ｊ／ｃ［［ｔ　　に固定
して、成膜室内のガス圧力を変化しながら複数の試料を
作製した。成膜条件と、得られた試料の超電導特性を第
３表に示す。

実施例３ 上記の第２表（１）、（２）および第３表（１）、（２
）に記載した試料のうち評価の高かった試料３．８．１
４．１９と同じ成膜条件で、基板温度のみを変化して、
更に試料を作成した。作製した試料の試料番号と成膜条
件との関係を第４表に示す。また、各試料の評価結果を
第５表に示す。

第５表 第６表 実施例４ 実施例３と同様に、実施例１および実施例２で作製した
試料のうち評価の高かった試料３および８と同じ成膜条
件で、基板−ターゲット間距離のみを変化して、更に試
料を作成した。作製した試料の試料番号と成膜条件との
関係を第６表に示す。

また、各試料の評価結果を第７表に示す。

発明の詳細 な説明したように、本発明によれば、レーザ蒸着法によ
って、ボストアニール処理無しに有効な超電導特性を発
揮する酸化物超電導薄膜を作製〜することができる。即
ち、ボストアニール処理を行うことなく作製された超電
導薄膜は、その作成プロセスにおいて下地基板材料の超
電導材料層への拡散が少ないので超電導現象を利用した
各種素子の作製基材として好ましい。従って、一連の薄
膜素子や超電導量子干渉計（ＳＱＵＩＤ）等の作製に利
用することができる。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 　気密に画成された成膜室内にターゲットと基板とを配
   置し、該ターゲットにレーザビームを照射することによ
   ってターゲットの組成に対応した組成の薄膜を基板上に
   形成する過程を含む酸化物超電導薄膜の作製方法におい
   て、 該成膜室内の雰囲気の圧力が４００〜６００ｍＴｏｒｒ
   の範囲内であり、該基板と該ターゲットとの距離が３０
   〜５０ｍｍであり、成膜時の基板表面の温度が６３０〜
   ７４０℃であり且つターゲット表面におけるレーザパワ
   ーが０．４〜０．７Ｊ／ｃｍ＾２の範囲内となるような
   条件で行う成膜処理を含むことを特徴とする複合酸化物
   超電導薄膜の作製方法。