JPH04219301A - 酸化物超伝導薄膜の作製方法 - Google Patents

酸化物超伝導薄膜の作製方法

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JPH04219301A
JPH04219301A JP2196868A JP19686890A JPH04219301A JP H04219301 A JPH04219301 A JP H04219301A JP 2196868 A JP2196868 A JP 2196868A JP 19686890 A JP19686890 A JP 19686890A JP H04219301 A JPH04219301 A JP H04219301A
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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】 (a)発明の利用分野 本発明は酸化物超伝導薄膜の作製方法に関する。
(b)従来の技術 現在、デバイス応用等の重要性から酸化物超伝導薄膜の
作製が盛んに行われている。その製法としてはCVD法
、スパッタリング法、蒸着法、イオンクラスタービーム
法、分子線エピタキシー法、レーザーアブレーション法
等が行われており、いずれも甲乙つけがたい状況である
。前述のいずれの方法においても、現在は成膜後に酸素
アニール等の後処理することなしに(以下、本明細書で
はアズデポと呼ぶこととする)超伝導性を示すことが求
められており、その為に酸化方法にも様々な工夫が試み
られている。現在行なわれている酸化方法としては最も
基本的には酸素ガスを供給したり、他により効果的な酸
化源としてオゾンや窒素酸化物、またはプラズマを用い
た活性化酸素の供給等が行われている。
(c)従来技術の問題点 前述の様に様々な酸化方法が試みられているのには、酸
化物超伝導材料特有の理由が有る。その理由とは、酸化
物超伝導材料が材料中の酸素量に非常に敏感で、酸素量
がある一定の値でないと超伝導性を示さないのである。
そのため、微妙な酸素量を制御しなければならず、従来
の方法では完全に必要十分な酸素を供給することが不可
能であり、試行錯誤の結果から酸素の供給量を決定して
いるのが現状である。また良質かつ均一な薄膜を得るた
めには、平均自由工程を大きくし、かつ不純物濃度を低
くする意味合いからも成膜の際の真空度は高い方が良い
。しかし現状の様にガス等を供給しながら成膜を行った
場合、成膜時の真空度は原理的に低くならざるを得ず、
膜質に悪影響を与えてしまうという問題点があった。
(d)発明の目的 本発明は上記の様な従来の成膜法における問題点を解消
し、アズデポで超伝導性を示す良好な薄膜を作製するこ
とを目的とする。
(e)発明の構成 本発明は、基板上に酸化物超伝導薄膜を作製する工程に
おいて、基板に酸素イオン電導体を接触させて酸素を供
給しながら成膜することを特徴とする。また上記酸化物
超伝導薄膜への酸素供給は酸素イオン電導体に電流を流
すことによって行なうことを特徴とする。基板と酸素イ
オン電導体との接触は、接触面において酸素イオンのや
りとりが可能なような接触を意味する。唯単純に触れて
いるだけでは、界面において酸素イオンが酸素ガスとな
ってしまい本発明の目的と反するからである。尚、本発
明における酸素イオン電導体は固体電解質を用いたもの
で、電解質溶液等は含まない。
安定化ジルコニア等の酸素イオン電導体を用いて酸素イ
オンを直接導入する利点としては大きく分けて3つある
。1つは気相を経由せずに酸素を供給できるためチャン
バー内の真空度に影響を与えず、それ故に平均自由行程
を大きくして成膜速度を高め尚かつ不純物の少ない良好
な薄膜が得られること。2つめは酸素イオンの供給を電
流を流すことによって制御するため、原理的には酸素1
分子まで厳密に制御することが可能であり、超伝導材料
の様に酸素量に敏感な材料には好適であると考えられる
こと。3つめとして電流を流す方向を変えることにより
、酸素を薄膜から抜くことも可能であり、このことも酸
素量を厳密に制御するのに適していると考えられること
である。これらはいずれも、本発明によって新たに得ら
れた利点であり、従来の方法では決して得られなかった
ものである。
本発明の構成を第1図に示し、以下それを元に説明を加
える。成膜源1は酸化物超伝導材料の構成金属の供給源
であり、本発明においてはCVD法、スパッタリング法
、蒸着法、イオンクラスタービーム法、分子線エピタキ
シー法、レーザーアブレーション法のいずれでも構わな
い。成膜源1より供給された金属等は基板2上に堆積し
、薄膜となる。この際に白金電極4、5の間に電流を流
すことにより、外部より酸素イオンが安定化ジルコニア
板3によって取り込まれ、それが基板2を透過して薄膜
に直接注入される。その結果薄膜は酸化されアズデポの
状態で超伝導性を示す。正確には上部白金電極4の近傍
に酸素イオンが引きつけられるため、基板上で酸素イオ
ン濃度の偏りが生じるが、酸化物超伝導材料はそれ自身
が酸素イオンの良好な導伝材料として機能するため、拡
散等によって薄膜全体に酸素イオンが供給されるため問
題とはならない。上記に工程において、注意すべき点が
2つある。1つは基板材料についてで、これは酸素イオ
ンを透過する材料、例えばチタン酸ストロンチウム等を
使用することが必要だという点である。もう1つは安定
化ジルコニアは常温ではイオン電導と電子電導の両方の
性質を持つ混合電導体であり、イオン輸率を1とするた
めに、約700℃以上で使用しなければならないという
点である。しかしながらこの温度に関する注意は、現在
の成膜時の基板温度が800℃程度であることから問題
にはならないと考えられる。尚、イオン輸率を1とする
のは、安定化ジルコニアに流す電流と、電流により供給
される酸素イオンとを完全に一致させ、酸素供給量を厳
密に制御する必要からである。
以下に実施例を示し、より詳細に本発明を説明する。
(f)実施例1 以下の実施例1、2、3において、超伝導材料としては
いずれもイットリウム系の超伝導材料(Y1Ba2Cu
3O7−y)を用いた。
本実施例ではMOCVD法に本発明を応用した例を示す
。まず最も重要な基板付近の構造を第2図に示す。基板
6は約20mm角のイットリウム安定化ジルコニア板7
の〔100〕面上に、スパッタリング法によって約1μ
mの厚さにチタン酸ストロンチウムの〔100〕面を成
膜したものを使用した。そして基板上に上部白金電極8
を第3図に示す様に形成した。この上部白金電極8は、
白金ペーストを基板上に約1mm巾で塗り、加熱して溶
媒を蒸発させることによって形成した。また下部白金電
極9は、白金網をイットリウム安定化ジルコニア板7の
下部に押しつけることにより形成した。上部及び下部白
金電極は白金リード線を介して定電流発生装置11と接
続し、電流を流せる構造とした。
これら基板部分は、メタルOリング10を使用して高真
空に耐えられる構造としてチャンバーに取りつけた。ま
た、チャンバーと基板部分の接合面には絶縁層12を設
けた。
次に本実施例で使用したMOCVD法による薄膜製造装
置の概略を第4図に示す。MO原料としてはβ−ジケト
ン金属錯体を使用した。各MO原料は石英セル20に入
れて、それぞれ別のヒーター17により加熱して蒸発さ
せた。蒸発温度は試料に応じて120〜240℃の範囲
で調節して成膜を行なった。蒸発した各MO原料はキャ
リアーガス19により基板18上に運び、堆積、成膜を
行なった。尚、キャリアーガスとしてはヘリウムを使用
した。また上記MO原料の基板上への堆積速度に合わせ
て、白金電極間に電流を流し酸素イオンを基板上に供給
した。
この時の電流の大きさは、1〜10mA例えば5mAで
あった。尚上記の工程はチャンバー21内を5〜10T
orrに真空引きして行なった。最終的に得られた薄膜
は、膜厚が約7000Åで、アズデポで超伝導性を示し
た。臨界温度Tcは約92Kで、O磁場における臨界電
流密度Jcは約3×106A/cm2とかなり良好な特
性を示した。XRD測定の結果、c軸配向していること
が分かった。同一装置により追試実験をしてみたところ
再現性は非常に良かった。
(g)実施例2 本実施例では多元同時スパッタリング法に本発明を応用
した例を示す。本実施例で使用した装置の概略を第5図
に示す。基板23付近の詳細な構造は実施例1と同様で
、第2図に示されている様な構成とした。ターゲット2
2は3種類の金属(イットリウム、バリウム、銅)を用
いた。チャンバー25内はロータリーポンプ及びターボ
分子ポンプを用いて真空引きし、その後アルゴンガスを
流して成膜を行なった。成膜時のチャンバー内の圧力は
0.1〜0.01Torrであった。スパッタリングの
方法としてはRFスパッタ法を用い、13.56MHz
のラジオ周波数交流電圧をターゲットに印可し、アルゴ
ンイオン24によってスパッタリングを行なった。また
成膜レートに合わせて1〜10mA例えば5mAの電流
を流すことによって薄膜に酸素イオンを供給し、酸化を
行なった。上記の製法により最終的に膜厚が約5000
Åのアズデポの薄膜が得られた。臨界温度Tcは約88
Kで、O磁場における臨界電流密度Jcは約105A/
cm2であった。また、XRD測定の結果、c軸配向し
ていることが分かった。また、同一装置により追試実験
をしてみたところ再現性は良かった。
(h)実施例3 本実施例ではレーザーアブレーション法に本発明を応用
した例を示す。本実施例で使用した装置の概略を第6図
に示す。基板30付近の詳細な構造は実施例1と同様で
、第2図に示されている様な構成とした。ターゲット2
9は粉末法により作成したイットリウム系の超伝導材料
をペレット状に固めたもので、超伝導性を示すことを予
め確認しておいた。レーザー26はエキシマレーザーを
使用し、レーザー光27を石英窓28よりチャンバー3
1内に導入した。チャンバー内はロータリーポンプ及び
油拡散ポンプによって約10−6Torrまで真空引き
して成膜を行なった。まず予備実験として酸素を供給す
ることなしに成膜を行なってみたが、アズデポでは超伝
導性を示さなかった。上記の超伝導とならなかった薄膜
を分析した結果、酸素量が不足していることが分かった
。そこで不足した分の酸素量を求め、それより小過剰の
酸素イオンを成膜速度に合わせて注入しながら成膜を行
なった。得られた薄膜はアズデポで超伝導性を示した。
膜厚は約5000Åでc軸配向の膜であった。
(i)発明の効果 本発明により、再現性良く良質な酸化物超伝導薄膜がア
ズデポで得られるようになった。成膜の条件出しも、従
来の様に試行錯誤の結果から決定するのではなく、計算
から必要な酸素量を求め、その分だけ供給するというこ
とが可能となり、また供給量の制御も、必要な酸素量に
対応する電流を安定化ジルコニアの上部と下部に設けた
電極間に流すことにより行なうことが可能であった。ま
た気相から酸素を供給しないため、ガス中の不純物が薄
膜に混入することがなく、良質な薄膜が得られた。2次
的な効果としては大気中から酸素を取り出して使用する
ため、酸素ボンベ等が必要ないという利点もあった。
よって本発明は、超伝導デバイス等の作製に必要不可欠
な酸化物超伝導薄膜の均質かつ大量生産に非常に大きな
効果を有すると考えられる。
【図面の簡単な説明】 第1図は、本発明による薄膜の製造方法を模式的に示し
たものである。 第2図は、本発明による薄膜製造装置の基板部分を説明
したものである。 第3図は、基板上の電極の形成方法を示したものである
。 第4図は、MOCVD法による薄膜製造装置の概略を示
したものである。 第5図は、多元同時スパッタリング法による薄膜製造装
置の概略を示したものである。 第6図は、レーザーアブレーション法による薄膜製造装
置の概略を示したものである。 1…成膜源 2…基板 3…安定化ジルコニア板 4…上部白金電極 5…下部白金電極 6…基板 7…安定化ジルコニア板 8…上部白金電極 9…下部白金電極 10…メタルOリング 11…定電流発生装置12…絶
縁層 13…ヒーター 17…ヒーター 18…基板 19…キャリアーガス 20…石英セル 21…チャンバー 22…ターゲット 23…基板 24…アルゴンイオン 25…チャンバー26…レーザ
ー 27…レーザー光 28…石英窓 29…ターゲット 30…基板 31…チャンバー

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】基板上に酸化物超伝導薄膜を作製する工程
    において、基板に酸素イオン電導体を接触させて酸素を
    供給しながら成膜することを特徴とする酸化物超伝導薄
    膜の作製方法。
  2. 【請求項2】特許請求の範囲第1項において、成膜は、
    CVD法、スパッタリング法、蒸着法、イオンクラスタ
    ービーム法、分子線エピタキシー法、レーザーアブレー
    ション法を含む。
  3. 【請求項3】特許請求の範囲第1項において、酸化物超
    伝導薄膜への酸素供給は酸素イオン電導体に電流を流す
    ことによって行なうことを特徴とする。
JP2196868A 1990-07-25 1990-07-25 酸化物超伝導薄膜の作製方法 Pending JPH04219301A (ja)

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US07/735,348 US5225396A (en) 1990-07-25 1991-07-24 Method for forming an oxide superconducting film
US08/027,794 US5322818A (en) 1990-07-25 1993-03-08 Method for forming an oxide superconducting material

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