JPH03271119A - Ybco系酸化物高温超電導薄膜の製造方法 - Google Patents

Ybco系酸化物高温超電導薄膜の製造方法

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JPH03271119A
JPH03271119A JP2067187A JP6718790A JPH03271119A JP H03271119 A JPH03271119 A JP H03271119A JP 2067187 A JP2067187 A JP 2067187A JP 6718790 A JP6718790 A JP 6718790A JP H03271119 A JPH03271119 A JP H03271119A
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JP
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layer
substrate
thin film
film
oxygen
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JP2067187A
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English (en)
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Wataru Ito
渉 伊藤
Toru Ito
叡 伊藤
Haruo Shimada
島田 春男
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Nippon Steel Corp
Original Assignee
Nippon Steel Corp
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Publication date
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    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E40/00Technologies for an efficient electrical power generation, transmission or distribution
    • Y02E40/60Superconducting electric elements or equipment; Power systems integrating superconducting elements or equipment

Landscapes

  • Inorganic Compounds Of Heavy Metals (AREA)
  • Physical Vapour Deposition (AREA)
  • Superconductor Devices And Manufacturing Methods Thereof (AREA)
  • Superconductors And Manufacturing Methods Therefor (AREA)

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、YBCO系酸化物高温超電導薄膜を製造する
方法に関する。本発明による薄膜は、エレクトロニクス
分野、電力分野、輸送分野なとその通用分野はきわめて
広いものである。
[従来の技術] 酸化物高温超電導薄膜の作製法は数多く試みられており
、特に気相から作製するものては単結晶を熱処理なしで
得、特性として非常に優れたものが得られるようになっ
てきた(例えば、特開昭62−236792 、同62
−236793 )。しかしながら、酸化物高温超電導
物質は構成元素の化学量論組成の微妙な違いが特性に大
きく左右されるため、特性の良い試料を得ようとすると
その試料の大きさはきわめて限られたものとなってしま
い、現在工業化への問題点となっている。また、液相か
ら作製するものでも局所的な組成比のずれか大きく単一
相のものができないため、臨界電流密度において満足な
ものが得られていない。
最近、広い面積にわたって均一な高温超電導薄膜を得、
また装置の初期投資の少ない簡易法として、構成元素を
別々に積層し後で熱処理する方法か考え出されてきた(
例えば、C,X、Qui and I。
5hih、 Appl、 Phys、 Lett、 5
2(1988)、 587 、Masaaki Fut
amoto and Yukio Honda、 Jp
n、 J、 Appl。
Phys、 27(1988)、 173 )。この方
法はさらに、超電導の構成元素が更に増えた場合でも応
用が簡単であるというメリットをあわせもち、工業化に
は有望な方法である。
しかしながら、エレクトロニクスデバイスへの応用で重
要となる表面平滑性について考えたとき、本方法では超
電導薄膜とするには後の熱処理が必要であり、表面平滑
性がこの段階で失われ易いという問題点があった。
[発明が解決しようとする課題] 本発明は、基板を加熱しながらBa、YJ:uを積層す
ることにより、上記問題点を解決し、高い表面平滑性と
高い特性の超電導薄膜を大面積で製造する方法を提供す
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、YBCO系酸化物高温超電導薄膜を反応蒸着
で製造する方法において、酸素あるいは酸素と希カス(
He、Ne、Ar、Kr、Xe)の混合雰囲気下、基板
の温度を550〜650℃に加熱し、該基板上に、基板
に隣合う第一層としてY、Ba、Cuから選ばれる1種
を成膜し、第一層に隣合う第二層としてY。
Ba、Cuから選ばれる第一層とは違う1種を成膜し、
第二層に隣合う第三層としてY、Ba、Cuから選ばれ
る第一層及び第二層とは違う1種を成膜し、該3層の合
計膜厚が100Å〜1000λとなるように連続的に積
層し、更に該3積層膜を連続的に繰り返し積層し全膜厚
を100OÅ〜2μmとすることにより、後の熱処理な
しでYBCO系酸化物高温超電導薄膜を得ることを特徴
としたY、Ba、Cu 81層膜によるYBCO系酸化
物高温超電導薄膜の製造方法を提供するものである。
本発明で開示している、高い表面平滑性、高い超電導特
性を大面積で製造する方法は、基板を加熱しながらY、
Ba、Cuを積層することによって初めて可能になった
。以下にその理由と本発明の詳細な説明を述べる。
スパッタリングて超電導WIMを作製する場合、ターゲ
ット組成と蒸着膜の組成は一致せず、そのずれは基板の
位置により異なるため、通常基板の位置を工夫したりタ
ーゲット組成を初めからずらすという手法がとられる。
このことは大面積の超電導r4膜の作製には手法的に向
いていないことを意味する。また、多元同時蒸着で超電
導薄膜を作製する場合では、蒸着物質の基板までのフラ
ックスがお互いに影響を及ぼしあい、化学量論組成のあ
った領域は1 cm2程度できわめて小さい。これに対
し積層膜の場合、各層の厚みは全てコサイン則に従って
堆積するため、大きな領域にわたって膜厚の分布は多少
不均一となるが化学量論組成はずれずに作製することが
できる。このことは同時に、作製する上で特性のそろっ
た膜が歩留まりよく作製できるというメリットも生ずる
本発明の場合、基板を加熱しながら積層するか、こうす
ることにより基板上で堆積した物質が次々と拡散を起こ
し、3層か堆積した段階で超電導構造を晶出しながら膜
厚を増していく。この時、3層の合計膜厚か100〜1
00oスと非常に薄いため表面から酸素か効率よく取り
込まれる。また、各層が薄いことにより拡散長も短くて
すみ、基板温度も低温に抑えられ表面平滑性も実現され
る。
基板温度は500〜650℃が望ましい。なぜならば、
 500℃未満では超電導構造か晶出しないからであり
、 650℃超では表面平滑性が保たれないからである
。また、 650℃起ては基板表面で再蒸発が起きるた
めと考えられるが組成比のずれか起きるため、特性上か
らも650℃が最高基板温度を規定している。
積層の順番は本発明の場合問わない。すなわち、Y、B
a、Cuの順番がどのようであっても生成される超電導
薄膜の特性には変化がない。重要なのは各元素の膜厚て
あり、これにより全体の組成比か決定される。我々は、
各元素の膜厚を、基板上堆積する物質が全て金属であり
その密度かバルクの値であるという仮定のもとて積層膜
全体でY。
Ba、Cuの原子比が1:2:3となるように計算によ
り算出して積層したところ、高い特性の超電導薄膜の作
製に成功し、この仮定の正しさを証明した。
Y、Ba、にuの3層合計の膜厚は 100〜1000
λでなければならない。なぜならば、 100λ未満だ
と1層の膜厚が薄くなりすぎて膜状構造とはなり得す島
状構造となって積層するが為に局所的に組成ずれが起き
てしまうからである。また、1000人超だε1各層の
拡散距離が長くなりすぎてしまい超電導構造の晶出が充
分でなくなるからである。
全膜厚は、100OÅ〜2μmの範囲でなければならな
い。1000人より薄いと超電導薄膜は全体に均一な膜
とならず島状の超電導物質が散在したものとなってしま
うからであり、また2μmより厚いと基板と超電導薄膜
との間の熱膨張率の違いから膜の剥離か起きるためであ
る。
この3層の繰り返し周期は5〜100周期が望ましいか
、この周期は単位3層の厚みと全膜厚とから自動的に決
定されるものてあり、特に限定するものではない。
本発明で用いられる基板としては、MgO,5rTi0
3゜ZrO2、5in2.イツトリア安定化ジルコニア
、Al2O3゜BaTiO3,NdGaO3の単結晶か
高配向性超電導薄膜の作製にa通であるが、電磁シール
ドあるいは電磁波ミラーに応用する場合など高い臨界電
流密度を要求されない分野では無配向超電導薄膜が金属
など各種基板上に作製できる。
本発明で超電導薄膜を作製する場合、通常酸素ガスとア
ルゴンガスを真空チャンバー内に導入して行われる。ア
ルゴンガスを導入する理由は、蒸発手段として用いてい
る電子ビームによりアルゴンガスをイオン化し、ペニン
グ効果により酸素をイオン化することにより活性酸素を
生じやすくするためで、酸素の取り込みを容易ならしめ
るためである。但し、アルゴンがなく酸素単独の場合に
は酸素は容易に膜中に取り込まれないが、酸素分圧を高
くすることにより超電導薄膜の作製が可能である。この
ように、酸素をイオン化させて活性酸素を利用する場合
、用いられる手段としてはアルゴンのような希ガスを混
合することによってペニング効果を期待するのが最も容
易である。我々は、アルゴン以外の希ガスについても検
討を加えたところ、同様の効果が認められ本発明の実施
に充分用いられることを確認した。活性酸素を利用する
他の手段としては、酸素と希ガスの混合ガスを利用する
以外に、オゾンや亜酸化窒素(N20 )等の活性酸素
を発生するガスを用いることも考えられる。
なお、酸素と混合するガスとしては上述したようにペニ
ング効果が期待されるガスに限られ、例えば窒素のよう
な不活性ガスは本発明では用いられない。
以下に本発明で述べている基板加熱しながら積層し超電
導薄膜を製造する方法に関し、実施例をもとに装置の説
明と製造手順についてその詳細を述へる。
[実施例コ 用いた装置の概略図を第1図に示す。装置は連続的に堆
積できるように、3つの蒸発源が入れられるタイプのシ
ングルビーム/トリプルハース・電子ビームを用いた。
膜厚モニターとして水晶発振式膜厚計を用い、このモニ
ターと電子ビーム銃とシャッターをパソコンにつなげて
、各蒸発源の堆積する速度を一定とするような電子ビー
ム出力の制御、各層の目標膜厚に連動したシャッター開
閉、及びビーム照射位置の切り替えを全て自動で行える
ようにしである。
実験では各蒸発源の堆積する速度をI A / sに固
定した。この時の電子ビーム出力は、バリウムで20〜
25[OA、イッ)・リウムで200〜250mA 、
銅で500〜700mAであった。雰囲気は、油拡散ポ
ンプて1 x 1(1”Torrまでひいた後、酸素ガ
スを20CCM、アルゴンカスをIOCCM導入した。
その時の真空度は2 X 10−’Torrであった。
基板にMgO(100)単結晶を用い、その上にBa3
26 A、Y 85λ、Cu 89 A堆積し、これを
20周期積層した。1周期の各層の膜厚は、Y、Ba、
Cuの原子数の比が1+2:3となるように予め計算に
より決定した。
基板加熱には、第2図に示すようなビートブロックを作
製し、基板表面の温度を熱電対て測定して校正を行った
ものを用いた。このヒートブロックは基板表面付近の酸
素分圧を高めるための工夫がなされている。実験では、
基板温度を600℃とした。
得られた薄膜の超電導特性を測定したところ、Tc=8
1K  (電気抵抗0 ) 、 Jc= 2x 105
A/cm2であった。表面平滑度を触針式の表面粗さ計
で調べたところ、Ra=45λであった。 EDX分析
による組成では、Y:Ba:Cu = 1:1.96:
3.06であり、組成ずれはほとんど認められなかった
。X線回折プロファイルからはきれいなC軸配向膜がで
きていることがわかった。
基板温度、導入ガス量、1周期膜厚を変えたときに得ら
れる膜の超電導特性を第1表にまとめる。
第1表 [比較例コ 基板を加熱せずに、他の条件を実施例で述べた条件に固
定して超電導薄膜の作製を試みた。できた薄膜をX線回
折で調べたところ、Y、Ba、Cuの酸化物に基づくピ
ークの他に同定不可能なピークが観測されたのみで、超
電導構造は認められなかった。この薄膜を、酸素1気圧
雰囲気下で熱処理を行った。昇温速度を100℃/時間
とし、最高温度を種々変えて行ったところ、Tcが最も
高い熱処理温度は900℃、熱処理時間は2時間である
ことかわかった。これほどの熱処理条件では容易に想像
されたことではあったが、表面の平滑性はほとんど失わ
れており、Raで304λてあった。
[発明の効果] 本発明により、高い表面平滑性を持ち特性の優れた超電
導薄膜が広い面積で再現性よく得ることか可能となった
。これにより、エレクトロニクス分野で考えられている
デバイスへの応用が可能となった。
【図面の簡単な説明】
第1図は、本発明を実施するのに用いた真空蒸着装置の
概略図である。 第2図は、本発明を実施するのに用いたヒートブロック
の模式図である。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 1.Y−Ba−Cu−O(以下、TBCOという)系酸
    化物高温超電導薄膜を反応蒸着で製造する方法において
    、酸素あるいは酸素と希ガスの混合雰囲気下、基板の温
    度を550〜650℃に加熱し、該基板上に基板に隣合
    う第一層としてY,Ba,Cuから選ばれる1種を成膜
    し、第一層に隣合う第二層としてY,Ba,Cuから選
    ばれる第一層とは違う1種を成膜し、第二層に隣合う第
    三層としてY,Ba,Cuから選ばれる第一層及び第二
    層とは違う1種を成膜し該3層の合計膜厚が100Å〜
    1000Åとなるように連続的に積層し、更に該3積層
    膜を連続的に繰り返し積層し全膜厚を1000Å〜2μ
    mとすることにより、後の熱処理なしでYBCO系酸化
    物高温超電導薄膜を得ることを特徴としたY,Ba,C
    u積層膜によるYBCO系酸化物高温超電導薄膜の製造
    方法。
JP2067187A 1990-03-19 1990-03-19 Ybco系酸化物高温超電導薄膜の製造方法 Pending JPH03271119A (ja)

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