JPH06500669A - 高温超伝導体膜の結晶粒界結合 - 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】 高温超伝導体膜の結晶粒界結合 他の特許出願との関連 本出願は、米国特許出願番号０７／６７２，６６４の部分継続出願である。

技術分野 本発明は、高温超伝導体の結晶粒界弱リンク結合とその組み立て方法とに関する 。

発明の背景 高温超伝導体くＨＴＳ）から製作された素子は、広く使用可能でありまた貯蔵、 取扱、及び輸送が容易である廉価な冷却剤の液体窒素の沸点（７７Ｋ）において 、またはその付近において動作する。７７に付近で動作する超伝導体量子干渉素 子（ＳＱＵＩＤ、）は、非破壊試験、地球物理的測量、医療画像、及び地震検知 を含む多くの応用に望ましいものである。

ＨＴＳ材は、異方性層状結晶構造を基礎にしている。日常用語で言うと、ＨＴＳ 材の各セル単体は、はぼ靴箱の形状をなしており、これは、三次元（ａ、ｂ。

及びＣ）か異なる矩形の固体であって、ａとｂは同じような値を存し、Ｃはそれ らの約３倍の大きさである。ａとｂ次元の超伝導特性は類似しているが、Ｃ次元 の超伝導特性は著しく劣る。参考に説明すると、その箱がテーブルに直立してい るとすると、いわゆる“ａ−ｂ面”はテーブルと平行であり、”Ｃ軸”はテーブ ルに垂直である。ａ−ｂ面は、優れた超伝導特性を備えた銅と酸素の平行な板を 存する。Ｃ軸に沿い、面に垂直に、超伝導特性は劣る。はら材のＨＴＳの多結晶 サンプルの場合、臨界電流密度（超伝導体か伝導出来る電流量の尺度）は、二つ の理由で低い。第一に、材料の結晶粒子は不規則な方向に方位している。結果と して、ある結晶粒子では、電流が、超伝導特性が優れた次元に沿って流れ、他の 粒子では、超伝導特性か劣る次元に沿って流る。第二に、“高角度結晶粒界“が 存在する場合、即ち、隣接する結晶粒子が５°から９０°だけ方位がずれている 場合、結晶粒界は“弱リンク”として挙動し、これは低品位の超伝導特性を有す る。

弱リンクを含まない高温超伝導体の薄膜を生長することは、可能である。この膜 は、一般に基板に垂直なＣ軸と基板に平行な銅−酸素の薄板とにより、高度に指 向した状態で生長する。この薄膜は真の単結晶ではなく、実質的には、高品質の 薄膜は、すべて多（の低角度結晶粒界と一対の粒界とを含んでいる。幸いなこと に、低角度結晶粒界（隣接する結晶粒子の方位が約５°より小さい角度だけ異な る）と一対の粒界（結晶粒子の方位が約９０°だけ異なる）とは、超伝導の電流 伝導特性を低下しない。従って、約５°より大きいか、または約９０°より小さ い結晶粒界を含んでいない高度に指向した薄膜は、事実、弱リンクを有せず、単 結晶と同時の性能を呈する。このような薄膜は、高性能な素子の可能性を備えて いる。

弱リンク結合 ばら材と高品質薄膜についての前述の説明の文脈において、“弱リンク”は、不 規則に発生し、低い超伝導性の制御されない領域があり、望ましいものではない とされた。しかし、多くのＨＴＳ回路応用は、実際には、一つのタイプか、また は他のタイプの弱リンクを必要とする。１弱すンク結合”は、ジョセフソン結合 の一つのタイプであり、これは二つの弱く接続した超伝導体として広く定義され ている。本明細書では、臨界電流密度が少なくとも１０の係数だけ低い材料によ り分離された、与えられた臨界電流密度を有する超伝導体膜の二つの領域として 弱リンク結合を定義する。

弱リンク結合は、磁界、電圧、電流を測定する非常に高感度の計器の形成を可能 にする。弱リンク結合を特定の位置に制御された方法で形成する能力は、ＨＴＳ 回路技術の本質的特徴である。いくつかの回路応用に関して、多重弱リンク結合 を配列して組み立てることは望ましいことである。

結晶粒界弱リンク結合 上述のように、Ｃ軸方位に指向したＹＢａ２Ｃｕ＝　Ｏ−（ＹＢＣＯ）の薄膜内 不規ＩＩＩに分布した高角度結晶粒界は、膜の超電流伝導性を低下する。しかし 、これらの結晶粒界の低臨界電流密度は、その結晶粒界が弱リンク結合として働 くことを示唆している。結晶粒界弱リンクの電流−電圧特性は、素子の目的にた いしては非常に望ましく（それは、抵抗により遮断されたジジセフソン結合によ りモデル化することが出来る）、その特有の電圧（その臨界電流と定常状態の抵 抗との積、即ち、“ＩｃＲ”により決定される）は、５ＱＵＩＤ素子の用途に滴 定出来るものである。

結晶粒界の弱リンク結合に関して、多様な従来技術がある。一つの方法では、Ｈ ＴＳ材に格子整合した、単結晶の基板が切断され、再結合されて、その結晶方位 の間で５６より大きい面内の角度が得られる。ＨＴＳの膜がこの多結晶に成長す ると、基板の結晶粒界が膜内に復元される。低ノイズの、８７Ｋまで動作する高 品質結合と高Ｔｃ５ＱＵＩＤ、は、この方法により組み立てられてきた。しかし 、この方法は三つの主要な欠点がある。第一に、多結晶基板の組み立ては、複雑 で難しい手順による。第二に、弱リンク結合は、再結合された線に沿ってのみ配 置される。第三に、結合と５ＱＵＩＤ、との大きな配列は、この方法では非常に 困難である。

第二の方法は、不規則に分布された高角度結晶粒界を有する、多結晶粒状膜に依 存している。素子構造をパターン化し、弱リンク結合結晶粒界がたまたま正しい 位置に発生することを期待することにより、いくつかの研究グループが、５ＱＵ ＩＤ、を組み立てた。しかし、結晶粒界の位置の不正確な制御は、低い歩留りに 終わった。その上、多結晶粒状膜は、裏全体に発生する高角度結晶粒界の結果と して、全体的に低い超伝導特性を有する。さらに、不規則に配置された弱リンク 内のフラックス運動によるノイズが、一般に見られる。

第三の方法は、単結晶基板に切り込まれた鋭い段に依存している。これらの段の それぞれは、その上に生長する超伝導薄膜内に二つの結晶粒界（段の基部と上部 に）繁殖する。この方法は、いくつかの幾何学的変数と段の処理との非常に正確 な制御を必要とする。組み立て工程の制御を行うために、段の大きさと傾斜とを 精密に制御することが必要であり、これは、ウェーハの尺度に関して、手応えの ある困難な工程である。この構造の本質的に非平面な性質は、多層回路を形成す るために、形態と処理の問題をさらに提起する。この方法によれば、液体窒素の 温度以上において望ましい電気的特性を有する弱リンクを組み立てることは、困 難である。

先行技術では、任意に指定された位置に、同じように、高度に再現性のある電流 −電圧特性を有する多結晶粒状膜リンク結合を内在し、高い超伝導遷移温度と高 い臨界電流密度（即ち、４．２ＫにおいてｌＸｌ０’アンペア／ｃｉより大きい ）を超伝導膜に保持するＨＴＳ多層薄膜集積回路を組み立てる方法はない。

発明の要約 本発明は、一様に平坦な基板の二つの部分に超伝導膜を堆積して、結晶粒界弱リ ンク結合を所定の位置に形成する、新しいかつ有用な方法を述べている（一様に 平坦な基板とは、切断されず、再結合されていない基板を意味しており、その表 面の形態と結晶構造は、それに堆積された素材に結晶粒界を増殖しない。大抵の 場合、基板は単結晶であるが、多結晶またはアモルファスであってもよい）。

この新しい方法により、結晶粒界弱リンク以外のすべての位置において超伝導材 の特性を低下することなく、指定された位置に結合の配列を形成することが可能 である。また、本発明は、これらの方法を具現化する多くの有用な高温超伝導体 素子も説明する。

本明細書は、多結晶として（結晶格子が、５°より太きく９０’より小さい角度 だけ、面内または面外において、相互に対して回転している超伝導膜の二つの全 く別な領域において）超伝導膜を成長させる方法を述べている。この二つの領域 の間の結晶粒界は、隣接する膜より１０倍以上低い臨界電流密度を有するので、 それは、リンク結合に望ましい電気特性をすべて示す。

超伝導膜を多結晶として成長させる一つの方法は、基板の全面または一部を被覆 している素材の中間層を堆積することである。中間層には二つの層がある。即ち 、シード層とバッファ層である。中間層は、一般に非超伝導であるが、超伝導で もよい。

シード層は、それを覆っている層の結晶方位を決定するテンプレートとして働（ 。シード層は、非常に薄く、厚さが一つの単層よりも薄い。数例では、例えば、 シード層が基板の一部だけを被覆している場合、基板の角度と、シード層が４５ ゜より小さい角度、さらに１０°より小さい角度も有するように、シード層を傾 斜させることが望ましい。シード層は、一つの単層の厚さより薄く、即ち、数マ イクロメータの厚さまで薄くてよく、シード層は普通ｌＯナノメータの厚さであ る。

バッファ層には四つの機能がある。即ち、上下の層の間の化学的相互作用を防止 し、下層を処理段階から保護し、上下層の間の中間格子整合を行い、または、清 浄な結晶粒界を形成する。バッファ層は、一般に、必ずしもシード層よりも厚く はない。その厚さは、１０ナノメータから数マイクロメータの範囲であり、普通 数百ナノメータである。

シード層、バッファ層、及び超伝導膜の結晶方位を、堆積中に成長条件、例えば 、基板温度、堆積室内の酸素の分圧、堆積室内の全ガス圧、膜の組成、及び基板 におけるプラズマの密度を変更することにより、制御することが出来る。酸化物 である超伝導体の方位を制御するこれらの変数を変更する方法は、超伝導薄膜堆 積の技術の専門家達には周知である。

シード層、バッファ層、及び超伝導膜の結晶方位を制御する他の方法は、基礎領 域の表面を、例えば、表面の物理的磨耗、表面の化学的腐食または処理、化学的 組成の変更、またはグラフオエピタキシーにより修正することである。面内また は面外回転を発生するために、時には、低格子整合（約５％より大きい）のシー ド層または基板が使用される。ＹＢＣＯなどの高温超伝導体を成長させる基板と して普通使用される材料の格子定数は次の通りである。

材　料　方　位　格子定数 （オングストローム） ＡＩｔｏ３　ｒ面　３．４８ ＬａＡ１０．　１００　３．７９ ＣａＴｉＯ＊　１００　３．８９ ＹＢＣＯＩｆ）０　３．８６ ＳｒＴｉＯｉ　１００　３．９１ Ｍｇ０　１００　３．２１ ＹＳ２　１００　３．１４ ＣｅＯｚ　ｔｏｏ　３．４２ 上記の多様な方法を組み合わせることにより、歩留りが高く、予測可能で制御さ れた方法で、結晶粒界弱リンク結合とこのような結合の配列とを製作することが 出来る。この方法は、遷移温度が１５により高い、混合金属・銅酸塩とビスマス 酸塩の超伝導体のすべてに実施可能である。本発明の多くの実施態様は、以下に 説明する図面に示されている。

図面の簡単な説明 図１は、面内弱リンク結晶粒界結合の概略側面図である。

図２は、面内弱リンク結晶粒界結合の概略平面図である。

図３は、基板、第一領域の基板に堆積しているシード層、及び第一と第二領域と に堆積している超伝導膜を有する構造体の概略斜視図である。

図４は、基板、第一領域の基板に堆積しているシード層、第一と第二領域とに堆 積しているバッファ層、及び第一と第二領域とに堆積している超伝導膜を有する 構造体の概略斜視図である。

図５は、基板、第一領域の基板に堆積しているシード層、第一のシード層に堆積 しているバッファ層、第一と第二領域に堆積している第二バッファ層、及び両方 の領域に堆積している超伝導膜を有する構造体の概略斜視図である。

図６は、基板、シード層、第一領域の基板に堆積しているシード層、及び第一と 第二領域とに堆積している超伝導膜を有する構造体の概略斜視図である。

図７は、基板、バッファ層、第一領域に堆積している傾斜したシード層、第一と 第二領域に堆積しているバッファ層、及び第一と第二領域とに堆積している超伝 導膜を有する構造体の概略斜視図である。

図８は、基板、第一領域に堆積しているシード層、第二領域に堆積している第二 シード層、及び第一と第二領域とに堆積している超伝導膜を有する構造体の概略 斜視図である。

図９は、基板、第一領域に堆積しているシード層、第二領域に堆積している第二 シード層、第一と第二領域に堆積しているバッファ層、及び第一と第二領域とに 堆積している超伝導膜を有する構造体の概略斜視図である。

図１０は、基板、バッファ層、第一領域に堆積しているシード層、第二層に堆積 しているもう一つのシード層、第一と第二領域に堆積しているほかのバッファ層 、及び第一と第二領域とに堆積している超伝導膜を有する構造体の概略斜視図で ある。

図１１は、結晶方位−ＹＳＺ基板に成長したＹＢＣＯの膜成長温度の関係プロッ ト図であり、結晶方位に対する処理条件の影響を示している。

図１２は、図４に示されたタイプの弱リンク結晶粒界結合の電流−電圧（１−■ ）プロットずである。

図１３は、図４に示された構造のＸ線φ走査結果である。

図１４は、本明細書に説明されているタイプの弱リンク結晶粒界結合を使用して いる５ＱＵＩＤの概要図である。

図１５は、５ＱＵＩＤの電圧−磁界（Ｖ−ｐｈｉ）のプロット図であり、図１４ で説明されている素子からの出力を示している。φ。は磁界の単一フラックソン （ｆｌｕｘｏｎ）に相当する。

図面の簡単な説明 図１と２ 図１　（断面図）と図２（平面図）は、弱リンク結晶粒界結合を示す。一様に平 坦な基板（１０）は、二つの領域（２２，２４）を有する超伝導体（２ｏ）の層 を支えている。これらの領域は、いずれも高温結晶粒界を、従って、弱リンクも 含んでいない。それらは単結晶であってもよい。

本実施態様の一つの変形では、第一領域（２２）の超伝導膜の結晶格子と第二領 域（２４）の超伝導膜の結晶格子は、互いに５°より大きく、９０’より小さく 面内て回転している。

本実施態様のもう一つの変形では、第一領域（２２）の超伝導膜の結晶格子と第 二領域（２４）の超伝導膜の結晶格子は、互いに５°より大きく、９０’より小 さく面外で回転している。

これらの変形のどちらにおいても、第一と第二領域の間の接合部には、超伝導膜 の結晶粒界弱リンク結合（３ｏ）がある。

最も一般的意味では、この構造を生成する方法は、一様に平坦な基板の二つの隣 接する領域に超伝導膜を堆積し、第一領域と第二領域との間の接合部に弱リンク 結晶粒界結合を形成することがら成っている。詳細に言えば、この方法は、第二 領域（２４）の超伝導膜と比較して異なる結晶方位の超伝導膜を第一領域に形成 することから成っている。

この方法の説明には、五つの細部の重要な点が明記されなければならない。

ｉ）　超伝導膜が基板の一部だけを被膜するように、超伝導膜を第一領域に限定 する方法。これは、基板の他の部分をマスキングするが、または、基板全体を被 膜し次ぎに不要な素材を除去するなどの、超伝導工業における多くの工程標準に より達成される。選択されたこの方法は、任意であり、本発明の重要な部分を構 成していない。

ｉｉ）　第一領域（２２）の超伝導膜に一つの方位を持たし、第二領域（２４） の超伝導膜に異なる方位を持つようにする方法。そのための一つの方法は、基板 の表面を修正することにより異なる方法を制御することである。例えば、超伝導 材の第一領域を覆っている表面は、物理的に擦り減らされ、化学的に腐食され、 化学的に処理され、化学組成が変更され、または、グラフオエピタキシにより修 正される。この方法は基板に制限されない。原理的に、この方法は、基板に堆積 する層の方位を制御する手段として、多層構造の全ての基板層に適応することが 出来る。（図１は、超伝導膜の一つか、または両方の領域の下にある基板の表面 が、物理的に擦り減らされ、化学的に腐食され、化学的に処理され、化学組成が 変更され、またはグラフオエピタキシにより修正された構造として理解されるも のである。）その第二の方法は、異なる成長条件の下で、例えば、基板の温度、 基板のプラズマ密度、堆積室内ガスの全圧、または、室内の酸素の分圧を修正す ることにより、第一領域の超伝導膜と第二領域の超伝導膜を堆積することである 。超伝導膜の異なる方位を得るためにこれらの堆積変数を変化させる方法は、Ｈ ＴＳ膜堆積技術に習熟した人にはよく知られている。

耐　堆積工程の種類。スパッタリング、レーザ磨耗、気相成長法、有機金属気相 成長法、及び液相エピタキシーから成る堆積工程は、すべて使用することが出来 る。

ｉｖ）　超伝導材の選択。超伝導材は、１５により高い超伝導遷移温度の酸化物 である。ＨＴＳ材は、四つの族の一つに属する混合金属の銅酸塩または混合金属 のビスマス酸塩である。即ち、希土類銅酸塩、タリウム基銅酸塩、ビスマス基銅 酸塩、及びアルカリ土類ビスマス酸塩である。本開示に説明されている構造と方 法は、すべての既知の超伝導材、及び将来発見されるであろう類似した特性を備 えたすべての超伝導材性により実施することが出来る。

■）　基板材料。材料が適切な品質の材料の成長を支える限り、基板（１ｏ）が 選択される材料に制限はない。普通の基板には、５ｒＴｉＯｘ　、ＣａＴｉ０＋ 、及びＬａＡｌＯｓなどの超伝導材との接近した格子整合を有するもの、及びＡ ｌｔｏｒ、ＭｇＯ１及び安定化イツトリウム・酸化ジルコニウム（ＹＳＺ）など の超伝導材との接近した格子整合を持たないものがある。

第二領域の超伝導膜と比較して異なる結晶方位を有する、第一領域の超伝導膜を 成長させるほかの方法は、基板と超伝導膜との間の材料から成る一つ以上の層を 成長させることである。この中間層は、シード層またはバッファ層のいずれでも よい。

シード層は、それを被覆する層の結晶方位を決定するテンプレートとして働く。

それは非常に薄く、厚さが一つの単層よりさらに薄い。数例では、例えば、シー ド層が基板の一部だけを覆っている場合、シード層が、基板の角度と、４５°よ り小さい角度、さらにｌＯｏより小さい角度も有するように、シードを傾斜する ことが望ましい。

バッファ層には四つの機能がある。即ち、上下の層の間の化学的相互作用を防止 し、下層を処理段階から保護し、上下層の間の中間格子整合を行い、または、清 浄な結晶粒界を形成する。

これらの中間層の厚さは、任意に小さく、さらに一つの原子の単層よりも小さく てよい。（この厚さが“一つの単層より薄い”層は、明らかに原子の断片を含有 することは出来ない。それは一つの単層より薄い平均、即ち、一つの単層のサブ 層と原子が少しもないサブ領域を含有する。）中間層を使用している８種類の異 なる一般的な考察する。これらには、それぞれの数例の実施態様とその製作方法 がある。

図３ 第二領域超伝導膜と比較して異なる結晶方位を有する第−領域超伝導膜を成長す る第１の一般的方法は、次の段階から構成している。即ち、基板の一部に一つ以 上のシード層を成長して第一領域に伸張し、第一領域と第二領域の画境に超伝導 膜を成長する。この方法は、図３に示された構造を生成する。

図３は、一つの中間層がシード層である構造を示す。最下層は基板（１０）であ る。次の層は、基板の一部に伸張している一つ以上のシード層（４ｏ）である。

シード（４２）の上下の範囲は、“第一領域”として定義され、その構造の残り の部分は、“第二領域”として定義される。最」は、第一領域と第二領域の両域 に伸張している超伝導膜（２０）である。超伝導膜は、シード層上で一つの方位 （２２）に合わせて成長し、基板上で異なる方位（２４）に合わせて成長してい る。その結果、弱リンク結晶粒界結合（３０）が、第一領域と第二領域との間の 接合部の超伝導膜に存在する。

図３に示されたシード層などのシード層を傾斜させることは、常に可能である。

われわれのデータのあるものは、中間層の表面が基板の表面と４５°より小さい 角度を有するように、明確に境界づけられた弱リンク結晶粒界結合を達成する一 つの方法は、中間層の角張った肩を物理的に除去することであることを示唆して いる。あるデータは、さらに、それらが基板の表面と１０’より小さい角度を有 するように、中間層を傾斜することが望ましいことを示唆している。

図３に示された構造が製作出来る、豊富に多様な材料を示すために、構造とその 製作法の四つの異なる実施態様を説明する。図３の次の全ての実施態様において 、超伝導膜材は、ＹＢＣＯであるように任意に選択される。ＹＢＣＯは、二つの 異なる方位に合わせて成長し、“ＨＴＳ”と“ＨＴＳ、”に表示される。７種類 の構造ｃｉ、ｉｉ、　＝、　ｉｖ、ｖ、　ｖｉ、及びｖｉ）において、４５″面 内弱リンク結合粒界結合（３０）が第一領域と第二領域との間の接合部の超伝導 膜に存在する。

構造の一つ（ｉｉｉ）の場合、弱リンク結晶粒界結合（３０）は、面外結晶粒界 結合である。構造の言葉遣いと方法の言葉遣いは、重複しているようにかなり同 一に見えるが、特許法は、本発明のすべての面を詳細に間違いなく明快に開示す ることを要求しているので、両方について説明する。

ｉ）　基板材（ｌＯ）はＹＳＺ　［：１００）（００１）であり、シード材（４ ２）はＹＢＣＯ（１００）（００１）であり、超伝導膜材（２０）は第一領域（ ２２）において（１００）（００１）へ、第二領域（２４）において［１１０） （００１）へ配向したＹＢＣＯである。

この構造を組み立てる方法は、ＹＳＺ　（１００）（００１）の基板の第一領域 にＹＢＣＯ（１００）　（００１）のシード層を成長し、次ぎに、ＹＢＣＯの超 伝導膜を成長することから成っており、この超伝導膜は、第一領域において（１ ００３（００１）へ配向し、第二領域において（１１（１）（００１）へ配向し ている。

この場合、同−ＹＳＺ基板に接触してＹＢＣＯの二つの異なる結晶方位を得るた めに、−組の成長条件のもとてＹＢＣＯのシード層を、かつ、異なる成長条件の 下でＹＢＣＯの超伝導膜を成長することが必要である。成長条件を調節する方法 は、ＨＴＳ薄膜堆積の技術に精通している専門家には知られている。ＹＢＣＯの 第二の層がその上部に成長すると、その第二の層は、実際のすべての成長条件の 下で第一層として同じ結晶方位を取り入れるので、ＹＢＣＯは有用なシード材で ある。

ｉｉ）　基板材（１０）はＹＳＺ［１００）（００１）であり、シード材（４２ ）はＹＢＣＯ［１００〕　（ＯＯ１）であり、超伝導膜材（２０）は第一領域（ ２２）において（１１０）（ＯＱＩ）へ、第二領域（２４）において（１００） 　（００１）へ配向したＹＢＣＯである。

この構造を組み立てる方法は、ＹＳＺ（１００）（００１）の基板の第一領域に ＹＢＣＯ（１００）　（ＯＯｌ）のシード層を成長し、次ぎに、ＹＢＣＯの超伝 導膜を成長することから成っており、この超伝導膜は、第一領域において（１１ ０）（００１）へ配向し、第二領域において（１００）（００１）へ配向してい る。

この構造は、ある意味で、前記構造の逆である。前述のように、同−ＹＳＺ基板 にＹＢＣＯの二つの異なる方位を得るために、異なる成長条件の下でＹＢＣＯの 異なる層を成長することが必要である。

這）　基板材（ｌＯ）はＹＳＺ［１００）（００１）であり、シード材（４２） はＳ　ｒＴ　ｉ　Ｏｓ　（１１０）であり、超伝導膜材（２０）は第一領域（２ ２）において（１１０）、（１０３）　、またはその混合へ、第二領域（２４） において（ｌｏＯ〕　（００１）へ配向したＹＢＣＯである。

この構造の場合、面外弱リンク結晶粒界結合（３０）が、第一と第二領域の間の 接合部の超伝導膜に存在する。（この明細書に明記された図３の他のすべての実 施態様において、この結合は面内弱リンク結晶粒界結合である。） この構造を組み立てる方法は、ＹＳＺ［１００］（００１）の基板の第一領域に ５ｒＴｉＯ＋　（１１０）のシード層を成長し、次ぎに、ＹＢＣＯの超伝導膜を 成長することから成っており、この超伝導膜は第一領域（２２）において（１１ ０）、（１０３）　、またはその混合へ、第二領域（２４）において（１１０） （，００１）へ配向している。

ｉｖ）　基板材（１０）は、５ｒＴｉＯｓ　（１００）（００１）、ＣａＴｉ０ ３（ｔｏｏ）（００１）、及びＬａＡｌＯｓ　（１００）（００１）から選択さ レテオリ、シード材（２０）　ハＹＳＺ　ｃｌ　ＯＯ）　（ＯＯｌ）　テあッテ 、超伝導膜材（２０）は第一領域（２２）において（１００３（００１）へ、第 二領域（２４）において［１００〕　（００１）へ配向したＹＢＣＯである。

この構造を組み立てる方法はその材料が５ｒＴｉＯｔ　［１００）（００１）、 ＣａＴ　ｉｏｚ　（１００）　（ＯＯ１）　、及びＬａＡ　１０３　［１００Ｆ 　（ＯＯ１）から選択された基板の第一領域にＹＳＺ［１００）（００１）のシ ード層を成長し、次ぎに、ＹＢＣＯの超伝導膜を成長することからなっており、 その超伝導膜は、第一領域（２２）において（１００）（００１）へ、第二領域 （２４）において（１００）（００１）へ配向している。

図４ 第二領域の超伝導膜と比較して異なる結晶方位を有する、第一領域の超伝導膜を 成長する方法は、次の段階から成っている。即ち、第一領域に伸張している基板 の一部に一つ以上のシード層を成長し、第一領域と第二領域の両方に一つ以上の バッファ層を成長し、さらに、第一領域と第二領域の両方に超伝導膜を成長する 。この方法は、図４に示された構造を生成する。

図４において、最下層は基板（１０）である。次の層は、第一領域の基板の一部 に伸張している一つ以上のシード層から成っている。その次の層は、一つ以上の バッファ層（５０）（“バッファ”　（５２）及び“バッファ”　（５４）と表 示〕から成っており、これは第一領域において一つの方位（５２）を有し、第二 領域（５４）において異なる方位を有する。最上層は超伝導膜であり、これは第 一領域と第二領域のいずれにも伸張している。超伝導膜は、第一領域において一 つの方位（２２）と、第二領域においてもう一つの方位（２４）で成長している 。その結果、弱リンク結晶粒界結合（３０）が、第一領域と第二領域との間の接 合部の超伝導膜に存在している。

バッファ層（５０）は、上下の層の間の中間格子整合を形成する材料から構成す ることが出来る。この方法の目的は、弱リンク結晶粒界結合または超伝導膜の応 力、亀裂、及び欠陥のある構造を最小にすることである。

図４に示された構造とその製作方法の五つの異なる実施態様を説明する。これら のすべての実施態様において、超伝導膜材は、ＹＢＣＯであるように任意に選択 されている。ＹＢＣＯは二つの異なる方位を有して成長し、４５°の弱リンク結 晶粒界結合が第一領域と第二領域との間の接合部の超伝導膜に存在している。

１）　基板（１０）の材料は、ｒ面ＡＩ２０１　（２０２１）（１１０２）であ る。シード層（４０）の材料は、ＭｇＯ［１ＯＯ）　（００１）である。バッフ ァ層（５０）の材料は、第一領域（５２）ｌ：おｔ、ｖて［１００）（００１） へ、第二領域（５４）において（１００〕　（００１）へ配向したＳｒＴｉＯ３ である。超伝導膜（２０）の材料は、第一領域（２２）において（ｌ　ｌ　０３ （００１）へ、第二領域（２４）にといて（１００〕　（００１）へ配向したＹ ＢＣＯである。

この構造の組み立て方法は、ｒ面Ａｌ２Ｏ，（２０２１）（１１０２）の基板の 第一領域にＭｇＯ［１１０）　（００１）のシード層を成長し、第一領域におい て（１１０）（００１）へ、第二領域において〔Ｉｏｏ〕（ＯＯｌ）へ配向して いる５ｒＴｉＯｓのバッファ層を成長し、次ぎに、第一領域において（１１０） （００１）へ、第二領域において（１００）（００１）へ配向しているＹＢＣＯ の超伝導膜を成長することから構成している。

ｉｉ）　基板（１０）の材料は、１面Ａ１２０１　（２０２１）（１１０２）で ある。シード層（４０）の材料は、５ｒＴｉＯｓ　（１００）　（００１）であ る。バッファ層（５０）の材料は、第一領域（５２）において（１１０１（００ １）へ、第二領域（５４）において（１００３（００１）へ配向したＭｇＯであ り、また、第一領域において（１１０）（００１）へ、第二領域において〔１０ ０〕　（００１）へ配向した５ｒＴｉＯｉ　（明確に示されていない）の層があ る。超伝導膜（２０）の材料は、第一領域（２２）において（ｔｏｏ）（００１ ）へ、第二領域（２４）において（１１０）（００１）へ配向しているＹＢＣＯ である。

この構造の組み立て方法は、ｒ面ＡＩ！　Ｃｈ　〔２０２１）（１１０２）の基 板の第一領域に５ｒＴｉＯｉ　［１００１（００１）のシード層を成長し、第一 領域において［１００１（００１）へ、第二領域において［１１０１（００１） へ配向したＭｇＯ層を成長し、次ぎに、第一領域において［１００）（００１） へ、第二領域において（１１０１（００１）へ配向したＳｒＴｉＯ２の層を成長 し、次ぎに、第一領域（２２）において［１００）（００１）へ、第二領域（２ ４）において（１１０）（００１）へと配向しているＹＢＣＯの超伝導膜を成長 することからなっている。

這）　基板（１０）の材料は、ｒ面ＡＩｔｏ３　（２０２１）（１１０２）であ る。シード層（４０）の材料は、ＭｇＯ［１００）（００１）である。バッファ 層（５０）の材料は、第一領域（５２）において（１００〕　（００１）へ、第 二領域（５４）において〔１００〕　（００１）へ配向したＬａＡｌＯｘ　、５ ｒＴｉＯｚ及びＣａＴｉ０．から選択される。超伝導膜（２０）の材料は、第一 領域（２２）において（１１０）（００１）へ、第二領域（２４）　１．ｍオｌ 、１テ（ｌ　ＯＯ）　（ＯＯ１）　ヘ配向したＹＢＣｏである。

この構造の組み立て方法は、ｒ面ＡＩｔｏｓ　［２０２１）（１１０２）の基板 の第一領域にＭｇ０（１００）（００１）のシード層を成長し、第一領域におい て（１１０）（００１）へ、第二領域においてＣＩ　Ｏ０）（００１）へ配向し たＬａＡｌＯｘ　、５ｒＴｉＯ＊　、及びＣａＴｉ０ａから選択された一つ以上 のバッファ層を成長し、次ぎに、第一領域において（１１０）（００１）へ、第 二領域において（ｔｏｏ）（００１）へ配向した５ｒＴｉＯ！の層を成長し、次 ぎに、第一領域（２２）において［１００）（００１）へ、第二領域（２４）に おいて（１１０）（００１）へ配向しているＹＢＣＯの超伝導膜を成長すること から成っている。

ｉｖ）　基板（１０）の材料は、ｒ面ＡＬＯｓ　（２０２１）（１１０２）であ る。シード層（４０）の材料は、５ｒＴｉＯ＋　（１００）　（００１）と、Ｃ ａＴｉＯｓ　（１００）（００１）とから選択される。バッファ層（５０）の材 料は、第一領域において（１００）（００１）へ、第二領域において［１１０〕 　（００１）へ配向しているＭｇＯである。超伝導膜（２０）の材料は、第一領 域（２２）においてＹＢＣＯである。

この構造の組み立て方法は、ｒ面ＡＩ、Ｏ，［２０２１１（１１０２）の基板の 第一領域に、材料が５ｒＴｉＯ＋　（１００）（００１）とＣａＴｉ０１　［１ ００）　（００１）とから選択されるシード層を成長し、第一領域において［１ ００）（００１）へ、第二領域において（１１０３（００１）へ配向しているＭ ｇＯのバッファ層を成長し、次ぎに、第一領域（２２）において（１００）（０ ０１）へ、第二領域（２４）において（ｌ　ｌ　０）（００１）へ配向している ＹＢＣＯの超伝導膜を成長することから成っている。

■）　基板（ｌＯ）の材料は、ｒ面ＡＬＯ２（２０２１）（１１０２）である。

シード層（４０）の材料は、ＹＳＺ　（００１）である。バッファ層（５０）の 材料は、第一領域（５２）において（１１０）へ、第二領域（５４）において（ ００１）へ配向している５ｒＴｉＯ＊である。超伝導膜（２０）の材料は、第一 領域（２２）において（１１０）、（１０３）、またはその混合のいずれかへ、 第二領域（２４）において（ＯＯｌ）へ配向しているＹＢＣＯである。

この構造の組み立て方法は、１面Ａｌ２Ｏ３（２０２１）（１１０２）の基板の 第一領域にＹＳＺ　（００１）のシード層を成長し、第一領域（５２）において （１１０）へ、第二領域（５４）において（ＯＯｌ）へ配向している５ｒＴｉＣ ｈのバッファ層を成長し、第一領域（２２）において（１１０）、（１０３）　 、またはその混合のいずれかへ、第二領域（２４）において（００１）へ配向し ているＹＢＣＯの超伝導膜を成長することである。

図５ 第二領域の超伝導膜と比較して異なる結晶方位を有する、第一領域の超伝導膜を 成長させるさらに他の一般的な方法は、次ぎの段階から構成している。即ち、第 一領域に伸張している基板の一部に、一つ以上のシード層と一つ以上のバッファ 層とを成長し、次ぎに、第一領域と第二領域のいずれにも一つ以上のバッファ層 を成長し、最後に、第一領域と第二領域のいずれにも超伝導膜を成長することか ら構成している。この方法により、図５に示された構造が生成する。

図５において、最下層は基板（ｌＯ）である。次の層は、第一領域（５２）の基 板の一部に伸張している一つ以上のシード層（４０）と一つ以上のバッファ層（ ５０）とから成っている。（このバッファ層（５０）は、処理中にシード層を保 護するのに有用である。）次の層は、第一領域（６２）において一つの方位を、 第二領域（６４）において異なる方位を有して成長する一つ以上のバッファ層（ ６０）から成っている。最上層は、超伝導膜（２０）であり、第一領域と第二領 域のいずれにも伸張している。超伝導膜は、第一領域において一つ方位（２２） を、第二領域においてもう一つの方位（２４）を有して成長する。その結果、弱 リンク結晶粒界結合が、第一領域と第二領域との間の結合部の超伝導膜に存在す る。

図５に示された構造とその製作法の二つの異なる実施態様を説明する。再度説明 するが、図５のこれらのすべての実施態様において、超伝導膜の材料は、ＹＢＣ Ｏであるように任意に選択され、ＹＢＣＯは二つの異なる方位を有して成長し、 ４５°の弱リンク結晶粒界結合が第一領域と第二領域との間の結合部の超伝導膜 に存在する。

ｉ）　基板（ｌＯ）の材料は、１面Ａｌ２Ｏ３［２０２１）（１１０２）である 。シート層（４０）　０）材料は、Ｍｇ０（１１０３（００１）である。最初の バッファ層（５０）の材料は、５ｒＴｉＣｈ　（１１０）（００１）である。次 のバッファ層（６０）の材料は、第一領域（６２）において（１１０）（００１ ）へ、第二領域（６４）において（１００）（００１）へ配向した５ｒＴｉＯｈ である。超伝導膜（２０）の材料は、第一領域（２２）において（１１０）（’ ００１）へ、第二領域（２４）において［１００）　（００１）へ配向したＹＢ ＣＯである。

この構造の組み立て方法は、ｒ面Ａ　Ｉｚ　Ｏ！（２０２１）　（１１０２）の 基板の第一領域に、Ｍｇ０（１１０３（００１）のシード層と５ｒＴｉＯ，（１ １０）（００１）のバッファ層とを成長し、第一領域において［１１０）（００ １）へ、第二領域（において、（１００）（００１）へ配向しているＳｒＴｉＯ ３のバッファ層を成長し、第一領域において（１１０）（００１）へ、第二領域 （において［１００）（００１）へ配向しているＹＢＣＯの超伝導膜を成長する ことより成っている。

ｉｉ）　基板（ｌＯ）の材料は、ｒ面ＡＬ　０３　（２０２１１（１１０２）で ある。シード層（４０）の材料は、ＭｇＯ（１１０）　（ＯＯ１）である。バッ ファ層（５０）の材料は、５ｒＴｉＯｚ　（１１０）（００１）である。

バッファ層（６０）の材料は、第一領域（６２）において〔ｌｌＯ〕（００１） へ、第二領域（６４）においてｌ：１１０）（００１）へ配向した、ＬａＡｌ０ ＋　、５ｒＴｔＯ＋　、及びＣａ　Ｔ　ｉ　Ｏ３の中から選択される。

超伝導膜（２０）の材料は、第一領域（２２）において（１１０）（００１）へ 、第二領域（２４）において（１００１（００１）へ配向したＹＢＣＯである。

この構造の組み立て方法は、１面Ａ１２０ｓ　〔２０２１）（１１０２）の基板 の第一領域に、ＭｇＯ〔１ｌｏ）（００１）のシード層と５ｒＴｉＯ，［１１０ ）（００１）のバッファ層とを成長し、第一領域において（１１０）（００１） へ、第二領域（において（１００）（００１）へ配向しているＬａＡＩＣＬ　、 ５ｒＴｉＯｓ　、及びＣａ　Ｔ　ｉ　Ｏ３の中から選択され一つ以上のバッファ 層を成長し、第一領域において（１１０１（００１）へ、第二領域（において（ １００）（００１）へ配向しているＹＢＣＯの超伝導膜を成長ずことより成って いる。

図６ 第二領域の超伝導膜と比較して異なる結晶方位を有する、第一領域の超伝導膜を 成長させるさらに他の一般的な方法は、次ぎの段階から構成している。即ち、基 板の第一領域と第二領域のいずれにも伸張している一つ以上のバッファ層を成長 し、第一領域にのみに伸張している一つ以上のシード層を成長し、第一領域と第 二領域のいずれにも超伝導膜を成長することより成っている。この方法は、図６ に示された構造を生成する。この方法は、化学的に反応する基板には特に有用で ある。

図６において、最下層は基板（１０）である。次の層は、第一領域と第二領域の 両方に伸張している一つ以上のバッファ層（５０）から成る。次の層は、第一領 域に伸張している一つ以上のシード層（４０）から成る。最上層は、超伝導膜（ ２０）から成り、第一領域と第二領域のいずれにも伸張している。超伝導膜は、 第一領域（２２）において一つの方法を、第二領域（２４）においてもう一つの 方位を有して成長している。最終的に、弱リンク結晶粒界結合（３０）が、第一 領域と第二領域との間の接合部の超伝導膜に存在する。

第二領域の超伝導膜と比較して異なる結晶方位を有する、第一領域の超伝導膜を 成長させるさらに他の一般的な方法は、次ぎの段階から構成している。即ち、基 板の第一領域と第二領域のいずれにも伸張している一つ以上のバッファ層を成長 し、第一領域にのみに伸張している一つ以上のシード層を成長し、第一領域と第 二領域のいずれにも超伝導膜を成長することより成っている。この方法により、 図７に示された構造が生成する。

図７において、最下層は基板（ｌＯ）である。次の層は、第一領域と第二領域の 両方に伸張している一つ以上のバッファ層（５０）から成っている。次の層は、 第一領域に伸張している一つ以上のシード層（４０）から成っている。次の層は 、第一領域と第二領域とに伸張し、第一領域（６２）に一つの方位を、第二領域 （６４）にもう一つの方位を取り入れている一つ以上のバッファ層（６０）から 成っている。最上層（２０）は、第一領域と第二領域とに伸張している超伝導膜 である。超伝導膜は、第一領域（２２）において一つの方位を、第二領域（２４ ）においてもう一つの方位を有して成長している。その結果、弱リンク結晶粒界 結合（３０）が、第一領域と第二領域との間の接合部の超伝導膜に存在する。

図８ 第二領域の超伝導膜と比較して異なる結晶方位を有する、第一領域の超伝導膜を 成長させるさらに他の一般的な方法は、次ぎの段階から構成している。即ち、第 一領域に伸張している一つ以上のシード層と、第二領域に伸張している一つ以上 のシード層とを基板に成長し、第一領域と第二領域のいずれにも超伝導膜を成長 することから成っている。この方法により、図８に示された構造が生成する。

図８において、最下層は基板（１０）である。次の層は、合成層（４０）であり 、そこには、一つ以上のシード層（４２）が第一領域に伸張し、一つ以上のシー ド層（４４）が第二領域に伸張している。最上層は、第一領域と第二領域とに伸 張している超伝導膜（２０）である。超伝導膜は、第一領域（２２）において一 つの方位を、第二領域（２４）においてもう一つの方位を有して成長している。

その結果、弱リンク結晶粒界結合（３０）が、第一領域と第二領域との間の接合 部の超伝導膜に存在する。

図８に示された構造の一つの特性の実施態様を引用する。基板材（１０）はＹＳ Ｚ　（１００）（００１）である。次の層は、第一領域に伸張しているシード層 （４２）の材料がＹＢＣＯ（１００３（００１）であり、第二領域に伸張してい るシード層（４４）の材料がＹＢＣＯ［１１０］　（ＯＯ１）である合成層（４ ０）である。超伝導膜（２０）の材料は、第一領域（２２）において［：１１０ ）（００１）へ、第二領域（２４）において［１００）（００１）へ配向したＹ ＢＣＯである。４５°面内弱リンク結晶粒界結合（３０）が、第一領域と第二領 域との間の接合部の超伝導膜に存在する。

この構造を組み立てる方法は、次の段階から構成している。即ち、ＹＳＺ［１０ ０）（００１）の基板に第一領域に伸張しているＹＢＣＯ［１００］（００１） のシード層と、第二領域に伸張しているＹＢＣＯ（１１０１（ＯＯ１）のシード 層とを成長し、次ぎに、第一領域において［１１０］　（００１）へ、第二領域 において［１００〕　（００１）へ配向しているＹＢＣＯの超伝導膜を成長する ことから成っている。

図９ 第二領域の超伝導膜と比較して異なる結晶方位を有する、第一領域の超伝導膜を 成長させるさらに他の一般的な方法は、次ぎの段階から構成している。即ち、第 一領域に伸張している一つ以上のシード層と、第二領域に伸張している一つ以上 のシード層とを基板に成長し、第一領域と第二領域のいずれにも伸張している一 つ以上のバッファ層を成長し、第一領域と第二領域のいずれもに伸張している超 伝導膜を成長することから成っている。この方法は、図９に示された構造を生成 する。

図９において、最下層は基板（ｌＯ）である。次の層は、一つ以上のシード層（ ４２）が第一領域に伸張しており、一つ以上のシード層（４４）が第二領域に伸 張している合成層である。次の層は、第一領域と第二領域とに伸張している一つ 以上のバッファ層（５０）から成っている。最」は、第一領域と第二領域とに伸 張している超伝導膜（２０）である。弱リンク結晶粒界結合（３０）が、第一領 域と第二領域との間の接合部の超伝導膜に存在する。

図９に示された構造の一つの特定の実施態様を引用する。基板材（Ｉ　Ｏ）はＹ ＳＺ（１００Ｆ　（００１）である。第一領域に伸張しているシード層（４２） の材料は、ＹＢＣＯ［１００］　（ＯＯｌ）である。第二領域に伸張しているシ ード層（４４）の材料は、ＹＢＣＯ［１１０）　（００１）である。、（・ソフ ァ層（５０）の材料は、第一領域（５２）において（１００３（００１）へ、第 二領域（５４）において［１１０：ｌ　（００１）へ配向した５ｉＴｉＯｚであ る。超伝導膜（２０）の材料は、第一領域において（１００）（００１）へ、第 二領域において（１１０Ｆが、第一領域（２２）と第二領域（２４）の間の結合 部の超伝導膜に存在する。

この構造の組み立て方法は、次の段階から構成している。即ち、第一領域に伸張 しているＹＢＣＯＣＩ　０Ｏ）（ＯＯ１）のシード層と、第二領域に伸張して（ するＹＢＣＯ（１１０）　（ＯＯ１）のシード層とを基板に成長し、次ぎに、第 一領域において（ｔｏｏ）（００１）へ、第二領域において（１１０）（００１ ）へ配向した５ｉＴｉＯ＋のバッファ層を成長し、最後に、第一領域にお０て（ １００３（００１）へ、第二領域において［１１０）（００１）へ配向したＹＢ ＣＯの超伝導膜を成長することから成っている。

図１０ 第二領域の超伝導膜と比較して異なる結晶方位を有する、第一領域の超伝導膜を 成長させるさらに他の一般的な方法を示す。即ち、第一領域と第二領域の両方に 伸張している一つ以上のバッファ層を基板に成長し、第一領域に伸張して０る一 つ以上のシード層と第一領域に伸張している一つ以上のシード層とを成長し、第 一領域と第二領域の両方に伸張している一つ以上のノ＜・ソファ層を成長し、第 一領域と第二領域の両方に超伝導膜を成長することから成っている。この方法に より、図１Ｏに示された構造が生成する。

図１Ｏにおいて、最下層は基板（１０）である。次の層は、第一領域と第二領域 の両方に伸張している一つ以上のＩく・ソファ層（５０）から成って０る。次の 層は、一つ以上のシード層（４２）が第一領域に伸張し、一つ以上のシード層（ ４４）が第二領域に伸張している合成層（４０）である。次ぎの層は、第一領域 と第二領域の両方に伸張している一つ以上のバッファ層（６０）から成っている 。最上層は、第一領域と第二領域の両方に伸張している超伝導膜（２０）である 。４５゜弱リンク結晶粒界結合は第一領域と第二領域との間の接合部に存在する 。

シード層とバッファ層との組み合わせにより成長することが出来る構造の数例を 列記した。弱リンク結晶粒界結合を生成する可能な構造の数は、明らかに非常に 大きい。引用した実例は、包括しているというよりも例証するものである。

電気的特性 これらの構造のい（つかを組み立てるためには、処理条件がどの様に結晶の方位 に影響を与えるかを理解することが必要である。上述の材料の性能を開発し、そ の結果から、膜成長温度がどの様にＹＳＺの基板に成長したＹＢＣＯの膜に影響 を与えるかを示す事例を示す。図１１は、膜成長温度の４０℃の変化が、ＹＳＺ 基板に関して二つの全く異なる面内結晶方位をどの様に誘起するかを示している 。

図１２は、パターン化されたＹＢＣＯ線の電流−電圧特性を示しており、ＹＢＣ Ｏは、サブセクションｉ）で詳細に述べた材料について図４に示されたタイプの 結晶粒界結合を内在している。この図は、弱リンク結晶粒界結合が望ましい電流 −電圧特性を有することを示している。

図１３は、サブセクションｉ）で詳細に述べた材料について図４に示された構造 のＸ線φ走査（ＹＢＣＯ（１０３）ピーク）を示す。Ｂビークは、ＹＢＣＯ／５ ｒＴｉ０３　／ＡＩ２０ｓの多層領域の面内エピタキシーによるものである。

“Ａ″と表示された四つのピークは、Ｂピークに対し４５°回転している多結晶 のＹＢＣＯ／ＳｒＴ　ｉＯｓ　／ＭｇＯ／Ａｌｔ　Ｏ＋の領域による。このＸ線 走査は、４５°面内弱リンク結晶粒界結合が標準的リソグラフィ技術により生成 されていることを示している。

図１４は、この技術により組み立てることが出来る、多くの超伝導素子の構造の 一つであるｄｃＳＱＵＩＤを示す。それは、二つの弱リンク結晶粒界結合を含ん でいるＹＢＣＯの超伝導膜から組み立てられた、スクエア・ウオシャー形状のｄ ｃｓＱＵＩＤを示している。領域（３１０，３１２）の間に結晶粒界を形成して いる線（３１４）は、複数の５ＱＵＩＤをこの線に沿って転倒化するために使用 されている。さらに、最初のに平行または垂直な他の線は、成長とりソグラフィ 段階を組み合わせることにより、境界と（７て形成することが出来る。、５ＱＵ ＩＤｓは、配列に相互接続される。解像度と充填密度は、かなり高く、従来技術 に基づく技術により組み立てられるすべての弱リンク構造よりも非常に容易に得 られる。

図１５は、印加された磁界の関数として、５ＱＵＩＤにかかる電圧の変閏を示す 。この変調は、弱リンク結合が４Ｋから７７にの範囲の温度において５ＱＵＩＯ Ｄ内で正確に動作することを確認する。

これらの構造を組み立てるために、半導体と超半導体の処理において一般に使用 される標準的結晶成長技術が採用されている。中間層と超伝導層の成長は、高品 質な複合材料の膜を生成するすべての標準的結晶成長技術により達成される。

レーザ融除、スパッター、有機金属ＣＶＤ　（ＭＯＣＶＤ）は、すべて、基板上 の絶縁体、半導体、及び超伝導体の層、または、同一またはほかの材料の事前に 成長した層を成長するのに使用できる。これらの技術は、どれも上述の構造を生 成する。

基板の第一領域だけを被覆するシード層を得るために、基板または基底層のすべ ての領域にわたりシード層を堆積し、次ぎに、パターン化段階で堆積を行うこと は、現在量も有効である。パターン段階を通して、シード層は第二領域領域とな る領域から除去される。シード材が残る領域とシード材が除去された領域との間 の境界は、弱リンク・ジョセフソン結合として機能する二つの領域の間の結晶粒 界である。

シード層が成長した後、基板は成長室から取り出され、ホトリソグラフィ法によ りパターンが形成される。リソグラフィにより保護層に形成されたパターンは、 ウェットエツチング、ドライエツチング、または、イオン注入及び直接書き込み から成るほかの方法により、シード層へ転写される。

湿式化学処理、すなわち、ウェットエツチングには、基板またはその後成長した 層の不保護領域共に形成したパターン化保護皮膜を、不保護領域の表面に影響す る液に当てる工程がある。これらの液は、材料の表面の化学的特性を接触により パターンが形成されるように変える酸、塩基、有機用材である。

乾式処理、即ち、エツチングには、材料の表面の化学的特性をパターン形成され るように変える工程がある。これは、反応性イオンエツチング、スパッタリング 、プラズマ・エロージョン、または、表面の化学的または物理的性質を腐食によ り変え、その表面を液に接触しないようにするすべての他の物理的または化学的 手段により達成される。

基板、またはその後成長した材料が露出されたか、または保護されていない領域 へ所要のパターンを転写する他の方法には、一層または複数の層内の材料と異質 の種類のイオンをパターン形成されるようにサンプルに注入するか、一層または 複数の層内の材料に本来具備されているイオンをパターン形成されるようにサン プルに注入するか、露出した領域内の材料に異質または本来具備された物質を拡 散するか、または、揮発性物質が一層または複数の層から拡散するようにする方 法がある。このような段階が本発明の形成に必要であるが、望まれるパターンを 材料に転写するこれらの方法のすべては周知であり、本発明の一部を形成してい ない。

上記段階の目的は、シード層が所望の基板領域にのみ残っている構造を形成する ことである。従って、当然のこととして、シード層材を適切な領域に堆積しまた 除去し、あるいは、所望の領域にのみシード層材の堆積を行う、現在において既 知でありまたは将来発見される他の技術が、これらの処理段階の実行に使用され る。

第一領域のシード層により、成長が第二領域に見られるシード層と異なる結晶学 的方位で進行する限り、超伝導膜の二つの全く別の領域の成長は、高温超伝導体 処理と共通な幾つかの技術により再度行う口とが出来る。これらの技術には、限 定されないが、レーザ融除、スパッタリング、電子ビーム蒸着、及びＣＶＤがあ る。

最良モード 本発明者が、その発明の実施について現在構想している最良なモードは、下記の 通りである。この事例に使用された材料、堆積とスパッタリングの方法、処理変 数のその選択は、本発明の適用可能性と有用性を限定するものではないことが確 認されなければならない。また、これは現在考えられている最良のモードである が、操作のほかのモードが今後の実験の後に見いだされ、改良された結果を得る ことが出来ると確認されることも必要である。

安定酸化イツトリウム・酸化ジルコニウムの（１００）方位単結晶基板は、有機 溶剤で清浄化され、乾燥窒素により乾燥ブローされる。基板は、制御可能な厚さ 、一般にｌθ〜３０ミル、２５０〜７５０ミクロンである。次ぎに、基板は、基 板ヒーターと基板との間の薄い層へ平らになった銀ペーストにより、基板ヒータ ーへ設置される。基板はいくつかの市場で入手出来るモデルの一つであり、高温 超伝導体の成長過程で慣習的に遭遇する、高温で、高度に酸化状態の環境と両立 性のために選択される。

基板と基板ヒーターは、緩やかに華氏の数百度へ加熱され、これにより、銀ペー ストの有機結合剤は分解して、基板と基板ヒーターとの間の領域からゆっくりと 放出される。基板と基板ヒーターとの間の良好な熱接触は、成長中の基板表面に 一様な環境を維持するために重要である。緩やかな加熱により、有機材は穏当に 放出され、大きなガスの泡が基板と基板ヒーターとの間に形成する可能性を低減 する。このような泡は、基板と基板ヒーターとの間の熱接触に有害な影響を与え 、基板の剥離の原因にもなる。

基板が銀により強固に固定されている基板ヒーターが、成長室の中へ装荷され、 ヒーター取り付はブロックへ設置される。ヒーターリード線は、電源へ電気的に 接続し、熱電対が基板ヒーターの近くに配置されている。われわれの実験室にお ける現在の形態では、これは、その表面の真下の基板ヒーターの中心に向かって 伸長しいる基板ヒーターの側面の穴に、熱電対を配置することにより達成されて いる。

その全体は、室温で４５０℃へ加熱される。次ぎに、成長室は排気され、約１０ ０＋ａＴｏｒｒの圧力へ酸素により充填される。次ぎに、基板は７８０℃へ加熱 され、Ｃｅ０１のバッファ層がレザー・デポジッションにより堆積される。規準 エネルギー密度２Ｊ／ｃｍ”で毎秒１０回パルスを発する、ランブダ・フィシツ クＫｒＦのエキシマ・レーザの２４８ｎＷＪＪＩＡが約１０ｎｍのＣｅｎｔ基板 に堆積するために、本質的に化学量論的ターゲットから材料を約２０秒間融除す るために使用される。

圧力は、ほかのバッファ層を堆積するために約４０　ＱｍＴｏｒｒへ昇圧される 。

約１０ｎｍのＰ　ｒ　Ｂ　ａ　Ｃｕｓ　Ｏｔが、そのレーザを２Ｊ／ｅｍ２のエ ネルギーでＰｒＢａＣｕｘＣ）＋へ２０秒間指向させることにより堆積する。こ の堆積後、圧力は約１００ｍＴｏ汀へ下げられる。約１１００ｎの５ｒＴｉＯｚ のバッファ層が、化学量論的ターゲットから２　Ｊ　／ｃｍ”のレーザエネルギ ーと２分間の堆積時間で堆積される。

次ぎに、シード層が成長される。シード材ＭｇＯが、５００℃、５　ｍＴｏｒｒ の０２．３Ｊ／ｅが、及び３分間の堆積時間で堆積され、約１０ｒｕｎの厚さの 層を生成する。Ｃｅ０ｔの保護層が、８００℃、１０　ＱｍＴｏｒｒの０２．２ 　Ｊ／ｃ＋ｎ”　、及び２０秒間の堆積時間でシード層の上面に堆積され、約１ ０ｎｍの厚さの層を生成する。この構造体は、約６００　ｍＴｏｒｒの酸素の雰 囲気において毎分的４５℃の速度で室温へ冷却される。図７に見られるように、 これにより、基板（ｌＯ）の表面に層５０．４０．６０の形成が完了する。

構造体は、室温とほぼ同じの制御可能な温度へ冷却された後、成長室から取り出 される。それは、ポジ形ホトレジストと標準のホトリゾグラフィ法によりパター ンが形成される。シード層と上塗りのバッファ層は、イオンミーリングにより所 望の領域（４４と６４）から除去される。本発明者は、構造の回転面に対し４５ ″で入射する、約０．５　ｍＡ／ｃｍ２の電流密度を使用し、約７５秒間切削す る。

構造体はイオンミルから取り外され、アセトンにより清浄化されて、ホトレジス トを取り除き、その後の成長のために表面を前処理する。取り付は手順は、基板 と基板ヒーターとの間に良好な熱接触を保持するため繰り返さＬその構造の全体 が、再度成長室内に取り付けられる。

次の一連の堆積は、最後に堆積された保護層と整合するバッファ層で始まる。

約１０　ｗｖｃ　ｅ　Ｏｔが、８１０℃で、ｌ　Ｑ　ＱｍＴｏｒｒの酸素の雰囲 気中において、２０秒間の堆積時間で前処理された層の表面に堆積される。

最後に、高温超伝導体が堆積される。化学量論的ターゲットにより、Ｙ　Ｂ　ａ 　ｔＣｕ＊　Ｏｔが、７８０℃で、４００　ｍＴｏｒｒの酸素の雰囲気中におい て、２Ｊ／ａｍ”のエネルギーにより、約１５ｒ＋ｍ／ｗｉｎの堆積速度で堆積 される。ＹＢＣＯの堆積は、所望の厚さ、一般に３０から３００　ｎｄｙ（得ら れるまで続く。堆積された後、サンプルは、６００　ｍＴｏｒｒの酸素の雰囲気 中において毎分的４５℃の速度で室温に冷却される。図７に見られるように、こ れは層６０．２０の形成を完了する。

この結晶粒界（３０）は、パターン化（４２と６２）中に保護された領域の間に 形成する４５℃結晶粒界であり、前記領域は、（４４と６４）のパターン化中に 保護されたものではない。言い換えれば、シード材（この場合、Ｍｇ０）の層を 内在している領域の表面に成長した連続層の領域は、シード層がパターン化によ り除去された領域の表面に成長した連続層の領域と４５°だけ方位が狂っている 。

上記の説明には、多くの特殊性があるが、これらは、本発明の範囲を限定するも のとして解釈されるべきでなく、本発明の実施態様を単に示すものとして解釈さ れるべきである。疑いなく、他の実験は、同じ発明をもたらすほかの一連の堆積 と処理変数を見だすであろう。従って、個々の処理変数、一連の堆積、及び材料 の選択は、本発明の範囲を限定するものではない。本発明の範囲は、与えられた 事例によるよりむしろ、添付請求の範囲とその法的等傷物により決定されるべき である。

ＦＩＧ、　Ｉ ＦＩＧ、　２ ＦＩＧ、Ｉｊ 堆積温度（’Ｃ１ ＦＩＧ、１３ 特表十６−５００６６９　（１２） 質 手続補正書 ５、９．２、

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．第一領域と第二領域、及び前記第一領域と前記第二領域との間の境界と；前 記領域のいずれにも伸張している基板と：前記基板の上に堆積している一つ以上 の中間層にして、前記第一領域においてのみ前記基板の上に堆積しているシード 層を含んでいる少なくとも一つの前記中間層と； 前記基板と前記中間層との上に堆積している超伝導層にして、前記第二領域の前 記超伝導層と異なる結晶方位を有する前記第一領域内の前記超伝導層と：前記第 一領域内の前記超伝導層と前記第二領域内の前記超伝導層との境界に沿って方位 の不整合により前記超伝導層内に形成された弱リンク結合とを含んでいることを 特徴とする構造。 ２．前記第一領域内の前記シード層が、前記第一領域内の前記超伝導層の結晶方 位を前記第二領域内の前記超伝導層の結晶方位と異なしめるのに有効であること を特徴とする請求の範囲第１項に記載の構造。 ８．前記中間層が、前記第一領域内の前記基板の上に堆積している一つ以上のシ ード層と前記第一領域内の前記シード層の上に堆積しかつ前記第二領域内の前記 基板の上に堆積している一つ以上のバッファ層とを含み、前記超伝導層が前記第 一領域内と前記第二領域内との前記バッファ展の上に堆積していることを特徴と する請求の範囲第２項に記載の構造。 １９．前記中間層が、前記第一領域内の前記基板の上に堆積している一つ以上の シード層と前記第二領域内の前記基板の上に堆積している一つ以上のシード層と を含み、前記超伝導層が前記第一領域内の前記シード層と前記第二領域内の前記 シード層との上に堆積していることを特徴とする請求の範囲第２項に記載の構造 。 ３１．前記第一領域と、前記第二領域と、前記第一領域と前記第二領域との間の 境界とを有する基板上に弱リンク結晶粒界結合を組み立てる方法にして：（ａ） 前記基板上に一つ以上の中間層の材料を堆積し、前記層の少なくとも一つが前記 第一領域の上にのみ堆積している第一堆積段階と；（ｂ）超伝導性材料の層を前 記基板と前記中間層をとに堆積する第二堆積段階とを含み； これにより、弱リンク結晶粒界結合が、前記第一領域と前記第二領域との間の前 記境界に形成されることを特徴とする方法。 ３６．前記第一堆積段階が、少なくとも一つのバッファ層を堆積することを有す ることを特徴とする請求の範囲第３１項に記載の方法。 ５２．前記第一堆積段階が、少なくとも一つのシード層を前記第一領域内のみ堆 積し、少なくとも一つのシード層を前記第二領域内にのみ堆積することを含んで いることを特徴とする請求の範囲第３１項に記載の方法。 ６１．前記第二堆積段階が、前記第二領域内の結晶格子の方位に関し５°より大 きくかつ９０°より小さいだけ面内で回転されている前記第一領域内の結晶格子 の方位を有する超伝導層を堆積する段階を含んでいることを特徴とする請求の範 囲第３１項に記載の方法。