JPH07138091A - 超電導薄膜の製造方法 - Google Patents
超電導薄膜の製造方法Info
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- JPH07138091A JPH07138091A JP5334140A JP33414093A JPH07138091A JP H07138091 A JPH07138091 A JP H07138091A JP 5334140 A JP5334140 A JP 5334140A JP 33414093 A JP33414093 A JP 33414093A JP H07138091 A JPH07138091 A JP H07138091A
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- Y—GENERAL 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
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- Superconductor Devices And Manufacturing Methods Thereof (AREA)
- Superconductors And Manufacturing Methods Therefor (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【目的】 良好な結晶性並びに良好な平坦性を備えた、
ａ軸配向でしかも単結晶構造で形成された超電導薄膜の
成膜技術を提供する。また、ジョセフソン接合素子の特
性を向上できる、超電導薄膜の成膜技術を提供する。 【構成】 超電導薄膜の製造方法において、基板面内の
格子定数に異方性を有する結晶構造で形成される基板１
を準備し、この基板１にオフアクシスＲＦスパッタ法を
使用してａ軸配向でしかも単結晶構造で形成された超電
導薄膜を成膜する。基板１及び結晶面はＮｄＧａＯ3 基
板の（１１０）結晶面、ＬａＧａＯ3 基板の（１００）
結晶面又は（００１）結晶面、ＬａＳｒＧａＯ4 基板の
（１００）結晶面のいずれかを使用する。超電導薄膜は
ＹＢＣＯ系超電導薄膜を成膜する。成膜の条件は、入射
角度０〜３０度、基板温度５００〜６１０℃、スパッタ
ガスＡｒ：Ｏ2 が１：２の比率で３０〜１００ｍtorr、
ＲＦ出力３０〜１３０Ｗである。
ａ軸配向でしかも単結晶構造で形成された超電導薄膜の
成膜技術を提供する。また、ジョセフソン接合素子の特
性を向上できる、超電導薄膜の成膜技術を提供する。 【構成】 超電導薄膜の製造方法において、基板面内の
格子定数に異方性を有する結晶構造で形成される基板１
を準備し、この基板１にオフアクシスＲＦスパッタ法を
使用してａ軸配向でしかも単結晶構造で形成された超電
導薄膜を成膜する。基板１及び結晶面はＮｄＧａＯ3 基
板の（１１０）結晶面、ＬａＧａＯ3 基板の（１００）
結晶面又は（００１）結晶面、ＬａＳｒＧａＯ4 基板の
（１００）結晶面のいずれかを使用する。超電導薄膜は
ＹＢＣＯ系超電導薄膜を成膜する。成膜の条件は、入射
角度０〜３０度、基板温度５００〜６１０℃、スパッタ
ガスＡｒ：Ｏ2 が１：２の比率で３０〜１００ｍtorr、
ＲＦ出力３０〜１３０Ｗである。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、超電導薄膜の成膜技術
に関し、特に、積層型接合デバイスの超電導薄膜の成膜
技術に適用して有効な技術に関する。
に関し、特に、積層型接合デバイスの超電導薄膜の成膜
技術に適用して有効な技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】超電導薄膜を利用した積層型接合デバイ
スとして、ジョセフソン接合素子が知られている。ジョ
セフソン接合素子は、基板上に超電導薄膜(super condu
ctor)、トンネル絶縁体(insulator) 、超電導薄膜(supe
r conductor) の夫々の薄膜を順次積層した、所謂ＳＩ
Ｓ構造で構成される。このジョセフソン接合素子は、非
常に単純な構造ではあるが、極低温度領域、つまり超電
導状態で動作した場合、高速性能並びに低消費電力性能
はシリコンデバイスよりも優れている。
スとして、ジョセフソン接合素子が知られている。ジョ
セフソン接合素子は、基板上に超電導薄膜(super condu
ctor)、トンネル絶縁体(insulator) 、超電導薄膜(supe
r conductor) の夫々の薄膜を順次積層した、所謂ＳＩ
Ｓ構造で構成される。このジョセフソン接合素子は、非
常に単純な構造ではあるが、極低温度領域、つまり超電
導状態で動作した場合、高速性能並びに低消費電力性能
はシリコンデバイスよりも優れている。
【０００３】図９（結晶モデル図）に示すように、前記
ジョセフソン接合素子で使用される超電導薄膜１２０
は、基板１１の表面上に超電導体の結晶ユニット１２を
堆積することにより形成される。基板１１としては一般
的に酸化マグネシウム（ＭｇＯ）基板が使用される。超
電導薄膜１２０としてはａ軸配向ＹＢＣＯ薄膜が使用さ
れ、このＹＢＣＯ薄膜はスパッタ法で堆積される。
ジョセフソン接合素子で使用される超電導薄膜１２０
は、基板１１の表面上に超電導体の結晶ユニット１２を
堆積することにより形成される。基板１１としては一般
的に酸化マグネシウム（ＭｇＯ）基板が使用される。超
電導薄膜１２０としてはａ軸配向ＹＢＣＯ薄膜が使用さ
れ、このＹＢＣＯ薄膜はスパッタ法で堆積される。
【０００４】前記ａ軸配向ＹＢＣＯ薄膜は、液体窒素温
度で超電導状態を示す高温酸化物超電導材料の一種であ
るが、ＢＳＣＣＯ薄膜などとは異なり、結晶ユニット１
２のＣｕＯ平面が基板の表面に対して垂直な構造を有す
る。ａ軸配向ＹＢＣＯ薄膜は、ｃ軸配向の構造に比べ
て、基板の表面に対して垂直方向においてコヒーレンス
長が長い。つまり、ジョセフソン接合素子において、絶
縁体の膜厚が厚くてもトンネル電流が充分に流れるの
で、ヒステリシス特性を向上できる特徴がある。
度で超電導状態を示す高温酸化物超電導材料の一種であ
るが、ＢＳＣＣＯ薄膜などとは異なり、結晶ユニット１
２のＣｕＯ平面が基板の表面に対して垂直な構造を有す
る。ａ軸配向ＹＢＣＯ薄膜は、ｃ軸配向の構造に比べ
て、基板の表面に対して垂直方向においてコヒーレンス
長が長い。つまり、ジョセフソン接合素子において、絶
縁体の膜厚が厚くてもトンネル電流が充分に流れるの
で、ヒステリシス特性を向上できる特徴がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前述の
成膜技術で形成される実際の超電導薄膜１２０は、前記
図９に示すように、基板１１の表面において、一結晶軸
が互いに異なる方向を向いた２種類の結晶ユニット１２
ａ、１２ｃの夫々が混在する多結晶構造で形成される。
このため、実際の超電導薄膜１２０は、結晶欠陥が多数
存在するので良好な結晶性が得られず、また結晶ユニッ
ト１２の不揃いに起因し、良好な平坦性が得られない。
成膜技術で形成される実際の超電導薄膜１２０は、前記
図９に示すように、基板１１の表面において、一結晶軸
が互いに異なる方向を向いた２種類の結晶ユニット１２
ａ、１２ｃの夫々が混在する多結晶構造で形成される。
このため、実際の超電導薄膜１２０は、結晶欠陥が多数
存在するので良好な結晶性が得られず、また結晶ユニッ
ト１２の不揃いに起因し、良好な平坦性が得られない。
【０００６】このような超電導薄膜１２０をジョセフソ
ン接合素子に利用すれば、当然のことながら、ジョセフ
ソン接合素子の特性が劣化する。
ン接合素子に利用すれば、当然のことながら、ジョセフ
ソン接合素子の特性が劣化する。
【０００７】本発明は、このような問題点を解決するこ
とを課題としてなされたものであり、良好な結晶性並び
に良好な平坦性を備えた、単結晶構造でしかもａ軸配向
した超電導薄膜の成膜技術を提供することを目的とす
る。
とを課題としてなされたものであり、良好な結晶性並び
に良好な平坦性を備えた、単結晶構造でしかもａ軸配向
した超電導薄膜の成膜技術を提供することを目的とす
る。
【０００８】また、本発明は、前記目的を達成するとと
もに、ジョセフソン接合素子の特性を向上できる、超電
導薄膜の成膜技術を提供することを目的とする。
もに、ジョセフソン接合素子の特性を向上できる、超電
導薄膜の成膜技術を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
るために、本発明は、超電導薄膜の製造方法において、
下記工程（１）乃至工程（２）を具備したことを特徴と
する。 （１）基板面内の格子定数に異方性を有する結晶構造で
形成される基板を準備する工程。 （２）酸化物系超電導材料で形成されるターゲットを準
備し、スパッタ法の使用により、前記基板の表面にター
ゲットから叩きだされる粒子を堆積し、単結晶構造でし
かもａ軸配向した酸化物系超電導薄膜を成膜する工程。 前記スパッタ法は、ターゲットから叩きだされる粒子の
入射角度が前記基板の表面に対して傾斜する、オフアク
シススパッタ法を使用する。このオフアクシススパッタ
法は、酸化物系超電導薄膜の結晶ユニットのｂ軸又はｃ
軸が前記基板面内の特定の一結晶軸に一致し、この酸化
物系超電導薄膜の結晶ユニットのａ軸が前記基板面内に
対して実質的に垂直になる条件において、行われる。
るために、本発明は、超電導薄膜の製造方法において、
下記工程（１）乃至工程（２）を具備したことを特徴と
する。 （１）基板面内の格子定数に異方性を有する結晶構造で
形成される基板を準備する工程。 （２）酸化物系超電導材料で形成されるターゲットを準
備し、スパッタ法の使用により、前記基板の表面にター
ゲットから叩きだされる粒子を堆積し、単結晶構造でし
かもａ軸配向した酸化物系超電導薄膜を成膜する工程。 前記スパッタ法は、ターゲットから叩きだされる粒子の
入射角度が前記基板の表面に対して傾斜する、オフアク
シススパッタ法を使用する。このオフアクシススパッタ
法は、酸化物系超電導薄膜の結晶ユニットのｂ軸又はｃ
軸が前記基板面内の特定の一結晶軸に一致し、この酸化
物系超電導薄膜の結晶ユニットのａ軸が前記基板面内に
対して実質的に垂直になる条件において、行われる。
【００１０】また、本発明は、ＮｄＧａＯ3 基板、Ｌａ
ＧａＯ3 基板、ＬａＳｒＧａＯ4 基板のいずれかの基板
が使用され、前記ＮｄＧａＯ3 基板は（１１０）結晶
面、ＬａＧａＯ3 基板は（１００）結晶面若しくは（０
０１）結晶面、又はＬａＳｒＧａＯ4 基板は（１００）
結晶面に、単結晶構造でしかもａ軸配向した酸化物系超
電導薄膜を成膜することを特徴とする。
ＧａＯ3 基板、ＬａＳｒＧａＯ4 基板のいずれかの基板
が使用され、前記ＮｄＧａＯ3 基板は（１１０）結晶
面、ＬａＧａＯ3 基板は（１００）結晶面若しくは（０
０１）結晶面、又はＬａＳｒＧａＯ4 基板は（１００）
結晶面に、単結晶構造でしかもａ軸配向した酸化物系超
電導薄膜を成膜することを特徴とする。
【００１１】また、本発明は、前記酸化物系超電導薄膜
がＹＢＣＯ系超電導薄膜であることを特徴とする。
がＹＢＣＯ系超電導薄膜であることを特徴とする。
【００１２】また、本発明は、前記オフアクシススパッ
タ法が、ターゲットから基板へ入射する粒子の入射角度
を前記基板表面に対して０度以上３０度以下の範囲に設
定し、前記オフアクシススパッタ法の条件が、ＮｄＧａ
Ｏ3 基板の（１１０）結晶面にＹＢＣＯ系超電導薄膜を
成膜する場合、下記条件（１）乃至条件（３）に設定さ
れることを特徴とする。（１）基板温度は５００〜６１
０℃の範囲。（２）スパッタガスは、Ａｒが１に対して
Ｏ2 が２の比率において、全圧で３０〜１００ｍtorrの
範囲。（３）高周波を印加し、この高周波の実効出力は
３０〜１３０Ｗの範囲。
タ法が、ターゲットから基板へ入射する粒子の入射角度
を前記基板表面に対して０度以上３０度以下の範囲に設
定し、前記オフアクシススパッタ法の条件が、ＮｄＧａ
Ｏ3 基板の（１１０）結晶面にＹＢＣＯ系超電導薄膜を
成膜する場合、下記条件（１）乃至条件（３）に設定さ
れることを特徴とする。（１）基板温度は５００〜６１
０℃の範囲。（２）スパッタガスは、Ａｒが１に対して
Ｏ2 が２の比率において、全圧で３０〜１００ｍtorrの
範囲。（３）高周波を印加し、この高周波の実効出力は
３０〜１３０Ｗの範囲。
【００１３】また、本発明は、基礎基板、及びこの基礎
基板上に積層され、かつ表面内の格子定数に異方性を有
する結晶構造で形成された薄膜で前記基板を形成したこ
とを特徴とする。
基板上に積層され、かつ表面内の格子定数に異方性を有
する結晶構造で形成された薄膜で前記基板を形成したこ
とを特徴とする。
【００１４】
（１）本発明は、前記超電導薄膜を成膜する基板（又は
基礎基板上に積層した薄膜）として、基板面内の格子定
数に異方性を有する結晶構造で形成される基板を選定し
たので、酸化物系超電導薄膜において、結晶ユニットを
面内配向させやすくできる。
基礎基板上に積層した薄膜）として、基板面内の格子定
数に異方性を有する結晶構造で形成される基板を選定し
たので、酸化物系超電導薄膜において、結晶ユニットを
面内配向させやすくできる。
【００１５】（２）本発明は、前記ターゲットから叩き
だされた粒子の入射角度を傾斜させたオフアクシススパ
ッタ法を採用したので、基板の表面に到達した粒子の面
内拡散運動を活発化できる。
だされた粒子の入射角度を傾斜させたオフアクシススパ
ッタ法を採用したので、基板の表面に到達した粒子の面
内拡散運動を活発化できる。
【００１６】（３）本発明は、前記オフアクシススパッ
タ法において、前記粒子が堆積される温度を適正に制御
したので、前記粒子が基板の面内に堆積されてから結晶
構造を生成する（安定な配列になる）までの間に、結晶
ユニットが面内配向するまでの運動エネルギを前記粒子
に与えることができる。
タ法において、前記粒子が堆積される温度を適正に制御
したので、前記粒子が基板の面内に堆積されてから結晶
構造を生成する（安定な配列になる）までの間に、結晶
ユニットが面内配向するまでの運動エネルギを前記粒子
に与えることができる。
【００１７】（４）本発明は、前記オフアクシススパッ
タ法において、前記粒子が堆積されるガス圧力、高周波
出力の夫々を適正に制御したので、超電導薄膜の成長速
度を抑え、結晶ユニットが面内配向するまでの運動エネ
ルギを粒子に与えることができる。
タ法において、前記粒子が堆積されるガス圧力、高周波
出力の夫々を適正に制御したので、超電導薄膜の成長速
度を抑え、結晶ユニットが面内配向するまでの運動エネ
ルギを粒子に与えることができる。
【００１８】（５）前記作用（１）乃至作用（４）によ
って、前記酸化物系超電導薄膜の結晶ユニットが面内配
向した、単結晶構造の超電導薄膜を成膜できる。
って、前記酸化物系超電導薄膜の結晶ユニットが面内配
向した、単結晶構造の超電導薄膜を成膜できる。
【００１９】（６）前記作用（５）によって、前記超電
導薄膜は結晶欠陥が減少した良好な結晶性、又結晶ユニ
ットの配列方向が整列されて良好な平坦性が得られる。
導薄膜は結晶欠陥が減少した良好な結晶性、又結晶ユニ
ットの配列方向が整列されて良好な平坦性が得られる。
【００２０】
【実施例】以下、本発明の好適な実施例について、図面
に基づき説明する。
に基づき説明する。
【００２１】本発明の一実施例である超電導薄膜の結晶
構造を図１（拡大結晶モデル図）及び図２（結晶モデル
図）に示す。
構造を図１（拡大結晶モデル図）及び図２（結晶モデル
図）に示す。
【００２２】図２（Ａ）に示すように、超電導薄膜２０
は基板１の特定結晶面上に成膜される。この超電導薄膜
２０は超電導粒子の結晶ユニット２が特定方向に整列さ
れた単結晶構造で構成される。
は基板１の特定結晶面上に成膜される。この超電導薄膜
２０は超電導粒子の結晶ユニット２が特定方向に整列さ
れた単結晶構造で構成される。
【００２３】前記基板１は、本実施例において、ＮｄＧ
ａＯ3 基板が使用される。図１（Ａ）に示すように、前
記ＮｄＧａＯ3 基板は基板面内の格子定数に異方性を有
する斜方晶構造で構成される。超電導薄膜２０はＮｄＧ
ａＯ3 基板の（１１０）結晶面上に成膜される。
ａＯ3 基板が使用される。図１（Ａ）に示すように、前
記ＮｄＧａＯ3 基板は基板面内の格子定数に異方性を有
する斜方晶構造で構成される。超電導薄膜２０はＮｄＧ
ａＯ3 基板の（１１０）結晶面上に成膜される。
【００２４】また、本発明は、前記基板１として、斜方
晶構造を有するＬａＧａＯ3 基板、正方晶構造を有する
ＬａＳｒＧａＯ4 基板のいずれかを使用してもよい。前
記ＬａＧａＯ3 基板の場合、（１００）結晶面若しくは
（００１）結晶面のいずれかの表面上に超電導薄膜２０
が成膜される。ＬａＳｒＧａＯ4 基板の場合、（１０
０）結晶面の表面上に超電導薄膜２０が成膜される。
晶構造を有するＬａＧａＯ3 基板、正方晶構造を有する
ＬａＳｒＧａＯ4 基板のいずれかを使用してもよい。前
記ＬａＧａＯ3 基板の場合、（１００）結晶面若しくは
（００１）結晶面のいずれかの表面上に超電導薄膜２０
が成膜される。ＬａＳｒＧａＯ4 基板の場合、（１０
０）結晶面の表面上に超電導薄膜２０が成膜される。
【００２５】前記超電導薄膜２０はＹＢＣＯ薄膜が使用
される。このＹＢＣＯ薄膜である超電導薄膜２０は、図
１（Ｂ）に示すように、結晶ユニット２で形成される。
この結晶ユニット２は、ａ軸（［１００］結晶軸）方向
つまり基板１の表面に対して実質的に垂直方向にＣｕＯ
平面が存在し、コヒーレンス長が長くなる。コヒーレン
ス長は、ａ軸配向したとき１０〜１５Å、ｃ軸配向した
とき３〜５Åのそれぞれの長さを有する。
される。このＹＢＣＯ薄膜である超電導薄膜２０は、図
１（Ｂ）に示すように、結晶ユニット２で形成される。
この結晶ユニット２は、ａ軸（［１００］結晶軸）方向
つまり基板１の表面に対して実質的に垂直方向にＣｕＯ
平面が存在し、コヒーレンス長が長くなる。コヒーレン
ス長は、ａ軸配向したとき１０〜１５Å、ｃ軸配向した
とき３〜５Åのそれぞれの長さを有する。
【００２６】前記結晶ユニット２は、基板１としてＮｄ
ＧａＯ3 基板（又は前述のＬａＧａＯ3 基板、ＬａＳｒ
ＧａＯ4 基板のいずれか）を使用し、このＮｄＧａＯ3
基板の（１１０）結晶面上に形成されるので、面内配向
しやすい。つまり、結晶ユニット２のｃ軸（［００１］
結晶軸）は、ＮｄＧａＯ3 基板の［- １１０］結晶軸方
向に一致し配列される。換言すれば、結晶ユニット２の
ｂ軸（［０１０］結晶軸）はＮｄＧａＯ3 基板のｃ軸に
一致し配列される。
ＧａＯ3 基板（又は前述のＬａＧａＯ3 基板、ＬａＳｒ
ＧａＯ4 基板のいずれか）を使用し、このＮｄＧａＯ3
基板の（１１０）結晶面上に形成されるので、面内配向
しやすい。つまり、結晶ユニット２のｃ軸（［００１］
結晶軸）は、ＮｄＧａＯ3 基板の［- １１０］結晶軸方
向に一致し配列される。換言すれば、結晶ユニット２の
ｂ軸（［０１０］結晶軸）はＮｄＧａＯ3 基板のｃ軸に
一致し配列される。
【００２７】つまり、本実施例の超電導薄膜２０は、図
２（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、基板１の面内におい
てａ軸配向を有する単結晶構造で構成される。
２（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、基板１の面内におい
てａ軸配向を有する単結晶構造で構成される。
【００２８】このような超電導薄膜２０は、図３（概略
構成図）に示すスパッタ装置３で成膜される。
構成図）に示すスパッタ装置３で成膜される。
【００２９】スパッタ装置３は、真空チャンバ３０、基
板ホルダ３１、上部電極３２、マグネット３３、マッチ
ングボックス３４、高周波電源３５、ゲージ３６、スパ
ッタリングガス供給源３７、ガス供給管３８Ｐ、バルブ
３８Ｖ及び排気系３９を主体に構成される。
板ホルダ３１、上部電極３２、マグネット３３、マッチ
ングボックス３４、高周波電源３５、ゲージ３６、スパ
ッタリングガス供給源３７、ガス供給管３８Ｐ、バルブ
３８Ｖ及び排気系３９を主体に構成される。
【００３０】前記スパッタ装置３の基板ホルダ３１には
基板１が取り付けられる。基板ホルダ３１においては基
板１を加熱するヒータ３１Ｈが装備される。このスパッ
タ装置３０はオフアクシスＲＦ（高周波）スパッタ法に
おいて超電導薄膜２０を成膜するので、この超電導薄膜
２０を成膜する粒子の平均の入射方向は前記基板ホルダ
３１に取り付けた基板１の搭載面（基板１の表面）に対
して傾斜した角度θを有する。
基板１が取り付けられる。基板ホルダ３１においては基
板１を加熱するヒータ３１Ｈが装備される。このスパッ
タ装置３０はオフアクシスＲＦ（高周波）スパッタ法に
おいて超電導薄膜２０を成膜するので、この超電導薄膜
２０を成膜する粒子の平均の入射方向は前記基板ホルダ
３１に取り付けた基板１の搭載面（基板１の表面）に対
して傾斜した角度θを有する。
【００３１】前記上部電極３２はマッチングボックス３
４を通して高周波電源３５に接続される。上部電極３２
にはターゲット２１が取り付けられる。ターゲット２１
としては、高温度酸化物超電導材料、例えばＹ1 Ｂａ
1.6 Ｃｕ2.5 Ｏx 材料が使用される。
４を通して高周波電源３５に接続される。上部電極３２
にはターゲット２１が取り付けられる。ターゲット２１
としては、高温度酸化物超電導材料、例えばＹ1 Ｂａ
1.6 Ｃｕ2.5 Ｏx 材料が使用される。
【００３２】前記スパッタリングガス供給源３７から
は、Ａｒが１に対してＯ2 が２の比率のＡｒとＯ2 との
混合ガスが供給される。この混合ガスは、スパッタリン
グガス供給源３７からガス供給管３８Ｐ及びバルブ３８
Ｖを通して真空チャンバ３０に供給される。
は、Ａｒが１に対してＯ2 が２の比率のＡｒとＯ2 との
混合ガスが供給される。この混合ガスは、スパッタリン
グガス供給源３７からガス供給管３８Ｐ及びバルブ３８
Ｖを通して真空チャンバ３０に供給される。
【００３３】次に、前述の超電導薄膜２の成膜方法につ
いて説明する。
いて説明する。
【００３４】まず、基板１つまりＮｄＧａＯ3 基板を準
備し、前記基板１を基板ホルダ１に取り付ける。前記Ｎ
ｄＧａＯ3 基板の（１１０）結晶面と超電導薄膜２０を
成膜する粒子の入射方向とがなす角度は傾斜角θに設定
される。オフアクシスＲＦスパッタにおいて、傾斜角θ
の角度が大きすぎると、粒子の横方向の運動エネルギ
（横方向運動ベクトル）を充分に確保できないので、面
内配向の発生率が低下する。逆に、傾斜角θの角度が小
さすぎると、超電導薄膜２０の堆積速度が低下し、量産
性が図れない。本実施例において、角度θは０度以上３
０度以下の範囲で設定される。
備し、前記基板１を基板ホルダ１に取り付ける。前記Ｎ
ｄＧａＯ3 基板の（１１０）結晶面と超電導薄膜２０を
成膜する粒子の入射方向とがなす角度は傾斜角θに設定
される。オフアクシスＲＦスパッタにおいて、傾斜角θ
の角度が大きすぎると、粒子の横方向の運動エネルギ
（横方向運動ベクトル）を充分に確保できないので、面
内配向の発生率が低下する。逆に、傾斜角θの角度が小
さすぎると、超電導薄膜２０の堆積速度が低下し、量産
性が図れない。本実施例において、角度θは０度以上３
０度以下の範囲で設定される。
【００３５】次に、オフアクシスＲＦスパッタ法を使用
し、前記基板１の表面に超電導薄膜２０を成膜する。こ
のオフアクシスＲＦスパッタ法は、基板温度が５００〜
６１０℃の範囲、スパッタガスが全圧で３０〜１００ｍ
torrの範囲、高周波の実効出力が３０〜１３０Ｗの範囲
の夫々の条件下において、行われる。
し、前記基板１の表面に超電導薄膜２０を成膜する。こ
のオフアクシスＲＦスパッタ法は、基板温度が５００〜
６１０℃の範囲、スパッタガスが全圧で３０〜１００ｍ
torrの範囲、高周波の実効出力が３０〜１３０Ｗの範囲
の夫々の条件下において、行われる。
【００３６】前記オフアクシスＲＦスパッタの際の下限
の基板温度は、５００℃以上の基板温度に設定される。
５００℃の基板温度の条件下で成膜された超電導薄膜２
０の物理的特性について、Ｘ線回折を行った結果を図４
（面内配向性評価図）に示す。図４（Ａ）は超電導薄膜
２０の結晶ユニット２の（２０１）ピークを示し、結晶
ユニット２のｃ軸が基板１の［- １１０］方向と一致し
ていることを示す。図４（Ｂ）は超電導薄膜２０の結晶
ユニット２のｃ軸が基板１の［００１］方向を向いてい
る結晶ユニット２が存在しないことを示す。すなわち、
５００℃の基板温度の条件下において超電導薄膜２０の
結晶ユニット２が面内配向していることになる。なお、
５００℃未満の基板温度の条件下においては、データが
得られていないので現在のところ超電導薄膜２０の結晶
ユニット２が面内配向するか否か不明であり、また超電
導薄膜２０の結晶ができないと推定される。
の基板温度は、５００℃以上の基板温度に設定される。
５００℃の基板温度の条件下で成膜された超電導薄膜２
０の物理的特性について、Ｘ線回折を行った結果を図４
（面内配向性評価図）に示す。図４（Ａ）は超電導薄膜
２０の結晶ユニット２の（２０１）ピークを示し、結晶
ユニット２のｃ軸が基板１の［- １１０］方向と一致し
ていることを示す。図４（Ｂ）は超電導薄膜２０の結晶
ユニット２のｃ軸が基板１の［００１］方向を向いてい
る結晶ユニット２が存在しないことを示す。すなわち、
５００℃の基板温度の条件下において超電導薄膜２０の
結晶ユニット２が面内配向していることになる。なお、
５００℃未満の基板温度の条件下においては、データが
得られていないので現在のところ超電導薄膜２０の結晶
ユニット２が面内配向するか否か不明であり、また超電
導薄膜２０の結晶ができないと推定される。
【００３７】また、基板温度は、６１０℃を越えると、
図５（基板温度とｃ軸の発生率との関係図）に示すよう
に、結晶ユニット２がｃ軸配向する割合が急激に増加す
るので、６１０℃以下の基板温度に設定される。上述の
基板温度の範囲内においては、温度が高い方が結晶ユニ
ット２のａ軸配向を促進する運動エネルギを多く与えら
れるので、好ましくは基板温度を５９０〜６１０℃の範
囲に設定する。
図５（基板温度とｃ軸の発生率との関係図）に示すよう
に、結晶ユニット２がｃ軸配向する割合が急激に増加す
るので、６１０℃以下の基板温度に設定される。上述の
基板温度の範囲内においては、温度が高い方が結晶ユニ
ット２のａ軸配向を促進する運動エネルギを多く与えら
れるので、好ましくは基板温度を５９０〜６１０℃の範
囲に設定する。
【００３８】前記スパッタガスは、圧力が３０ｍtorr未
満の場合、超電導薄膜２０の堆積速度が速くなり、粒子
が基板１の表面に到達してすぐに結晶化されるので、良
好な結晶性が得られず、又良好な平坦性が得られない。
一方、スパッタガスの圧力が１００ｍtorrを越えた場
合、超電導薄膜２０の堆積速度が著しく低下する。つま
り、スパッタガスの圧力は前述の範囲に設定される。
満の場合、超電導薄膜２０の堆積速度が速くなり、粒子
が基板１の表面に到達してすぐに結晶化されるので、良
好な結晶性が得られず、又良好な平坦性が得られない。
一方、スパッタガスの圧力が１００ｍtorrを越えた場
合、超電導薄膜２０の堆積速度が著しく低下する。つま
り、スパッタガスの圧力は前述の範囲に設定される。
【００３９】前記高周波の実効出力は、３０Ｗ未満の場
合、前記スパッタガスの圧力と同様の関係で、超電導薄
膜２０の堆積速度が低下する。高周波の実効出力が１３
０Ｗを越えた場合、超電導薄膜２０の堆積速度が速くな
り、良好な結晶性が得られず、又良好な平坦性が得られ
ない。つまり、高周波の実効出力は前述の範囲に設定さ
れる。
合、前記スパッタガスの圧力と同様の関係で、超電導薄
膜２０の堆積速度が低下する。高周波の実効出力が１３
０Ｗを越えた場合、超電導薄膜２０の堆積速度が速くな
り、良好な結晶性が得られず、又良好な平坦性が得られ
ない。つまり、高周波の実効出力は前述の範囲に設定さ
れる。
【００４０】図６に基板温度、ａ軸配向の発生割合及び
高周波の実効出力の関係を示す。図６に示すように、基
板温度の増加に伴い面内配向の割合が増加し、併せて高
周波の実効出力の減少に伴い面内配向の割合が増加す
る。つまり、オフアクシスＲＦスパッタの際、可能な範
囲において、基板温度は高い方が面内配向がしやすく、
又高周波の実効出力は小さい方が面内配向しやすい。
高周波の実効出力の関係を示す。図６に示すように、基
板温度の増加に伴い面内配向の割合が増加し、併せて高
周波の実効出力の減少に伴い面内配向の割合が増加す
る。つまり、オフアクシスＲＦスパッタの際、可能な範
囲において、基板温度は高い方が面内配向がしやすく、
又高周波の実効出力は小さい方が面内配向しやすい。
【００４１】このような条件下（基板温度は５９０〜６
１０℃の範囲）で成膜された超電導薄膜２０の物理的特
性について、Ｘ線回折を行った結果を図７（面内配向性
評価図）及び図８（ロッキングカーブ図）に示す。
１０℃の範囲）で成膜された超電導薄膜２０の物理的特
性について、Ｘ線回折を行った結果を図７（面内配向性
評価図）及び図８（ロッキングカーブ図）に示す。
【００４２】図７（Ａ）は、超電導薄膜２０の結晶ユニ
ット２の（２０１）ピークを示し、結晶ユニット２のｃ
軸が基板１の［- １１０］方向と一致していることを示
す。この図７（Ａ）に示すピークは図４（Ａ）に示すピ
ークに比べて急峻な特性を有する。図７（Ｂ）は、超電
導薄膜２０の結晶ユニット２のｃ軸が基板１の［００
１］方向を向いている結晶ユニット２が存在しないこと
を示す。すなわち、超電導薄膜２０の結晶ユニット２が
面内配向していることになる。
ット２の（２０１）ピークを示し、結晶ユニット２のｃ
軸が基板１の［- １１０］方向と一致していることを示
す。この図７（Ａ）に示すピークは図４（Ａ）に示すピ
ークに比べて急峻な特性を有する。図７（Ｂ）は、超電
導薄膜２０の結晶ユニット２のｃ軸が基板１の［００
１］方向を向いている結晶ユニット２が存在しないこと
を示す。すなわち、超電導薄膜２０の結晶ユニット２が
面内配向していることになる。
【００４３】図８（Ａ）は前述の条件下で形成された超
電導薄膜２０のＸ線回折の結果を示し、図８（Ｂ）は従
来の超電導薄膜のＸ線回折の結果を示す。図８（Ａ）に
示す本発明によって得られた超電導薄膜２０は、従来の
超電導薄膜に比較して、ロッキングカーブが狭い。つま
り、本発明の超電導薄膜２０は、結晶欠陥数が著しく低
減された良好な結晶性が得られたことを示している。
電導薄膜２０のＸ線回折の結果を示し、図８（Ｂ）は従
来の超電導薄膜のＸ線回折の結果を示す。図８（Ａ）に
示す本発明によって得られた超電導薄膜２０は、従来の
超電導薄膜に比較して、ロッキングカーブが狭い。つま
り、本発明の超電導薄膜２０は、結晶欠陥数が著しく低
減された良好な結晶性が得られたことを示している。
【００４４】以上説明したように、本発明は、以下の作
用効果が得られる。
用効果が得られる。
【００４５】（１）超電導薄膜２０を成膜する基板とし
て、基板面内の格子定数に異方性を有する結晶構造で形
成される基板１を選定したので、超電導薄膜２０の結晶
ユニット２を面内配向しやすくできる。
て、基板面内の格子定数に異方性を有する結晶構造で形
成される基板１を選定したので、超電導薄膜２０の結晶
ユニット２を面内配向しやすくできる。
【００４６】（２）ターゲット２１から叩きだされた超
電導薄膜２０を成膜する粒子の入射角度を傾斜させたオ
フアクシスＲＦスパッタ法を採用したので、基板１の表
面に到達した粒子の面内拡散運動を活発化できる。
電導薄膜２０を成膜する粒子の入射角度を傾斜させたオ
フアクシスＲＦスパッタ法を採用したので、基板１の表
面に到達した粒子の面内拡散運動を活発化できる。
【００４７】（３）前記オフアクシスＲＦスパッタ法に
おいて、超電導薄膜２０を成膜する粒子が堆積される温
度を適正に制御したので、前記粒子が基板１の表面に堆
積されてから結晶構造を生成するまでの間に、結晶ユニ
ット２が面内配向するまでの運動エネルギを粒子に与え
ることができる。
おいて、超電導薄膜２０を成膜する粒子が堆積される温
度を適正に制御したので、前記粒子が基板１の表面に堆
積されてから結晶構造を生成するまでの間に、結晶ユニ
ット２が面内配向するまでの運動エネルギを粒子に与え
ることができる。
【００４８】（４）前記オフアクシスＲＦスパッタ法に
おいて、超電導薄膜２０を成膜する粒子が堆積されるガ
ス圧力、高周波出力の夫々を適正に制御したので、超電
導薄膜２０の成長速度を抑え、結晶ユニット２が面内配
向するまでの運動エネルギを粒子に与えることができ
る。
おいて、超電導薄膜２０を成膜する粒子が堆積されるガ
ス圧力、高周波出力の夫々を適正に制御したので、超電
導薄膜２０の成長速度を抑え、結晶ユニット２が面内配
向するまでの運動エネルギを粒子に与えることができ
る。
【００４９】（５）前記作用効果（１）乃至作用効果
（４）によって、前記超電導薄膜２０の結晶ユニット２
が面内配向した単結晶構造の超電導薄膜２０を成膜でき
る。
（４）によって、前記超電導薄膜２０の結晶ユニット２
が面内配向した単結晶構造の超電導薄膜２０を成膜でき
る。
【００５０】（６）前記作用効果（５）によって、前記
超電導薄膜２０は結晶欠陥が減少した良好な結晶性、又
結晶ユニット２の配列方向が整列されて良好な平坦性が
得られる。
超電導薄膜２０は結晶欠陥が減少した良好な結晶性、又
結晶ユニット２の配列方向が整列されて良好な平坦性が
得られる。
【００５１】（７）前記作用効果（６）によって、前記
超電導薄膜２０を利用したジョセフソン接合素子の特性
を向上できる。
超電導薄膜２０を利用したジョセフソン接合素子の特性
を向上できる。
【００５２】なお、本発明は、前記実施例に限定される
ものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において、種
々変更できる。例えば、本発明は、基礎基板、及びこの
基礎基板上に積層され、かつ表面内の格子定数に異方性
を有する結晶構造で形成された薄膜で基板自体を形成
し、この基板の薄膜の表面に面内配向した単結晶構造の
超電導薄膜を成膜してもよい。
ものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において、種
々変更できる。例えば、本発明は、基礎基板、及びこの
基礎基板上に積層され、かつ表面内の格子定数に異方性
を有する結晶構造で形成された薄膜で基板自体を形成
し、この基板の薄膜の表面に面内配向した単結晶構造の
超電導薄膜を成膜してもよい。
【００５３】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
良好な結晶性並びに良好な平坦性を備えた、単結晶構造
を有する超電導薄膜の成膜技術を提供できる。
良好な結晶性並びに良好な平坦性を備えた、単結晶構造
を有する超電導薄膜の成膜技術を提供できる。
【００５４】また、本発明は、ジョセフソン接合素子の
特性を向上できる、超電導薄膜の成膜技術を提供でき
る。
特性を向上できる、超電導薄膜の成膜技術を提供でき
る。
【図１】（Ａ）は本発明の一実施例である超電導薄膜の
拡大結晶モデル図、（Ｂ）は超電導薄膜の結晶ユニット
の拡大結晶モデル図である。
拡大結晶モデル図、（Ｂ）は超電導薄膜の結晶ユニット
の拡大結晶モデル図である。
【図２】（Ａ）は前記超電導薄膜の結晶モデル図、
（Ｂ）は前記結晶ユニットの結晶モデル図である。
（Ｂ）は前記結晶ユニットの結晶モデル図である。
【図３】スパッタ装置の概略構成図である。
【図４】超電導薄膜のＸ線回折を行った結果を示す面内
配向性評価図である。
配向性評価図である。
【図５】スパッタの際の基板温度とｃ軸配向の割合との
関係図である。
関係図である。
【図６】スパッタの際の基板温度、高周波出力及び面内
配向の割合の関係図である。
配向の割合の関係図である。
【図７】超電導薄膜のＸ線回折を行った結果を示す面内
配向性評価図である。
配向性評価図である。
【図８】超電導薄膜のＸ線回折を行った結果を示すロッ
キングカーブ図である。
キングカーブ図である。
【図９】従来の超電導薄膜の結晶モデル図である。
１ 基板 ２ 結晶ユニット ３ スパッタ装置 ２０ 超電導薄膜 ２１ ターゲット ３０ 真空チャンバ ３１ 基板ホルダ ３２ 上部電極 ３３ マグネット ３５ 高周波電源 ３７ スパッタガス供給源 ３９ 排気系
─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成６年２月１５日
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４１
【補正方法】変更
【補正内容】
【００４１】このような条件下（基板温度は５９０〜６
１０℃の範囲）で成膜された超電導薄膜２０の物理的特
性について、Ｘ線回折を行った結果を図７（ロッキング
カーブ図）及び図８（面内配向性評価図）に示す。
１０℃の範囲）で成膜された超電導薄膜２０の物理的特
性について、Ｘ線回折を行った結果を図７（ロッキング
カーブ図）及び図８（面内配向性評価図）に示す。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４２
【補正方法】変更
【補正内容】
【００４２】図８（Ａ）は、超電導薄膜２０の結晶ユニ
ット２の（２０１）ピークを示し、結晶ユニット２のｃ
軸が基板１の［- １１０］方向と一致していることを示
す。この図８（Ａ）に示すピークは図４（Ａ）に示すピ
ークに比べて急峻な特性を有する。図８（Ｂ）は、超電
導薄膜２０の結晶ユニット２のｃ軸が基板１の［００
１］方向を向いている結晶ユニット２が存在しないこと
を示す。すなわち、超電導薄膜２０の結晶ユニット２が
面内配向していることになる。
ット２の（２０１）ピークを示し、結晶ユニット２のｃ
軸が基板１の［- １１０］方向と一致していることを示
す。この図８（Ａ）に示すピークは図４（Ａ）に示すピ
ークに比べて急峻な特性を有する。図８（Ｂ）は、超電
導薄膜２０の結晶ユニット２のｃ軸が基板１の［００
１］方向を向いている結晶ユニット２が存在しないこと
を示す。すなわち、超電導薄膜２０の結晶ユニット２が
面内配向していることになる。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４３
【補正方法】変更
【補正内容】
【００４３】図７（Ａ）は前述の条件下で形成された超
電導薄膜２０のＸ線回折の結果を示し、図７（Ｂ）は従
来の超電導薄膜のＸ線回折の結果を示す。図７（Ａ）に
示す本発明によって得られた超電導薄膜２０は、従来の
超電導薄膜に比較して、ロッキングカーブが狭い。つま
り、本発明の超電導薄膜２０は、結晶欠陥数が著しく低
減された良好な結晶性が得られたことを示している。
電導薄膜２０のＸ線回折の結果を示し、図７（Ｂ）は従
来の超電導薄膜のＸ線回折の結果を示す。図７（Ａ）に
示す本発明によって得られた超電導薄膜２０は、従来の
超電導薄膜に比較して、ロッキングカーブが狭い。つま
り、本発明の超電導薄膜２０は、結晶欠陥数が著しく低
減された良好な結晶性が得られたことを示している。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】図面の簡単な説明
【補正方法】変更
【補正内容】
【図面の簡単な説明】
【図１】（Ａ）は本発明の一実施例である超電導薄膜の
拡大結晶モデル図、（Ｂ）は超電導薄膜の結晶ユニット
の拡大結晶モデル図である。
拡大結晶モデル図、（Ｂ）は超電導薄膜の結晶ユニット
の拡大結晶モデル図である。
【図２】（Ａ）は前記超電導薄膜の結晶モデル図、
（Ｂ）は前記結晶ユニットの結晶モデル図である。
（Ｂ）は前記結晶ユニットの結晶モデル図である。
【図３】スパッタ装置の概略構成図である。
【図４】超電導薄膜のＸ線回折を行った結果を示す面内
配向性評価図である。
配向性評価図である。
【図５】スパッタの際の基板温度とｃ軸配向の割合との
関係図である。
関係図である。
【図６】スパッタの際の基板温度、高周波出力及び面内
配向の割合の関係図である。
配向の割合の関係図である。
【図７】超電導薄膜のＸ線回折を行った結果を示すロッ
キングカーブ図である。
キングカーブ図である。
【図８】超電導薄膜のＸ線回折を行った結果を示す面内
配向性評価図である。
配向性評価図である。
【図９】従来の超電導薄膜の結晶モデル図である。
【符号の説明】 １ 基板 ２ 結晶ユニット ３ スパッタ装置 ２０ 超電導薄膜 ２１ ターゲット ３０ 真空チャンバ ３１ 基板ホルダ ３２ 上部電極 ３３ マグネット ３５ 高周波電源 ３７ スパッタガス供給源 ３９ 排気系
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｈ０１Ｌ 39/24 ＺＡＡ Ｃ 9276−4Ｍ // Ｈ０１Ｂ 12/06 ＺＡＡ 7244−5Ｇ
Claims (5)
- 【請求項１】 下記工程（１）乃至工程（２）を具備し
たことを特徴とする、超電導薄膜の製造方法。 （１）基板面内の格子定数に異方性を有する結晶構造で
形成される基板を準備する工程。 （２）酸化物系超電導材料で形成されるターゲットを準
備し、スパッタ法の使用により、前記基板の表面にター
ゲットから叩きだされる酸化物系超電導粒子を堆積し、
単結晶構造でしかもａ軸配向した酸化物系超電導薄膜を
成膜する工程。 前記スパッタ法は、ターゲットから叩きだされる粒子の
入射角度が前記基板の表面に対して傾斜する、オフアク
シススパッタ法を使用する。このオフアクシススパッタ
法は、酸化物系超電導薄膜の結晶ユニットのｂ軸又はｃ
軸が前記基板面内の特定の一結晶軸に一致し、この酸化
物系超電導薄膜の結晶ユニットのａ軸が前記基板面内に
対して実質的に垂直になる条件において、行われる。 - 【請求項２】 前記請求項１に記載される、 基板は、ＮｄＧａＯ3 基板、ＬａＧａＯ3 基板、ＬａＳ
ｒＧａＯ4 基板のいずれかの基板を使用し、 前記ＮｄＧａＯ3 基板は（１１０）結晶面、ＬａＧａＯ
3 基板は（１００）結晶面若しくは（００１）結晶面、
又はＬａＳｒＧａＯ4 基板は（１００）結晶面に、単結
晶構造でしかもａ軸配向した酸化物系超電導薄膜を成膜
することを特徴とする超電導薄膜の製造方法。 - 【請求項３】 前記請求項２に記載される、 酸化物系超電導薄膜は、ＹＢＣＯ系超電導薄膜であるこ
とを特徴とする超電導薄膜の製造方法。 - 【請求項４】 前記請求項３に記載される、 オフアクシススパッタ法は、酸化物系超電導薄膜を成膜
する粒子の入射角度が前記基板表面に対して０度以上３
０度以下の範囲に設定され、 前記オフアクシススパッタ法の条件は、ＮｄＧａＯ3 基
板の（１１０）結晶面にＹＢＣＯ系超電導薄膜を成膜す
る場合、下記条件（１）乃至条件（３）に設定されるこ
とを特徴とする超電導薄膜の製造方法。 （１）基板温度は５００〜６１０℃の範囲。 （２）スパッタガスは、Ａｒが１に対してＯ2 が２の比
率において、全圧で３０〜１００ｍtorrの範囲。 （３）高周波を印加し、この高周波の実効出力は３０〜
１３０Ｗの範囲。 - 【請求項５】 前記請求項１乃至請求項４のいずれかに
記載される、 基板は、基礎基板、及びこの基礎基板上に積層され、か
つ表面内の格子定数に異方性を有する結晶構造で形成さ
れた薄膜で形成されることを特徴とする超電導薄膜の製
造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5334140A JPH07138091A (ja) | 1993-09-24 | 1993-12-28 | 超電導薄膜の製造方法 |
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP23840093 | 1993-09-24 | ||
| JP5-238400 | 1993-09-24 | ||
| JP5334140A JPH07138091A (ja) | 1993-09-24 | 1993-12-28 | 超電導薄膜の製造方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07138091A true JPH07138091A (ja) | 1995-05-30 |
Family
ID=26533673
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP5334140A Pending JPH07138091A (ja) | 1993-09-24 | 1993-12-28 | 超電導薄膜の製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH07138091A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2025025272A1 (zh) * | 2023-08-02 | 2025-02-06 | 江苏鲁汶仪器股份有限公司 | 一种约瑟夫森结薄膜及其制备方法、半导体结构 |
-
1993
- 1993-12-28 JP JP5334140A patent/JPH07138091A/ja active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2025025272A1 (zh) * | 2023-08-02 | 2025-02-06 | 江苏鲁汶仪器股份有限公司 | 一种约瑟夫森结薄膜及其制备方法、半导体结构 |
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