JPH0817253B2 - 酸化物超伝導膜形成方法 - Google Patents
酸化物超伝導膜形成方法Info
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- JPH0817253B2 JPH0817253B2 JP62231884A JP23188487A JPH0817253B2 JP H0817253 B2 JPH0817253 B2 JP H0817253B2 JP 62231884 A JP62231884 A JP 62231884A JP 23188487 A JP23188487 A JP 23188487A JP H0817253 B2 JPH0817253 B2 JP H0817253B2
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Description
【発明の詳細な説明】 「発明の利用分野」 本発明は、酸化物セラミック系超伝導(超電動ともい
うが、ここでは超伝導と記す)材料膜を形成する際、反
応性気体または反応性微粒子と酸化物気体とを導入し、
プラズマ酸化反応をせしめ、この反応をさせつつ同時に
被形成面に磁界を加えることによりその結晶を被形成面
に垂直または平行に配向せしめ、酸化物超伝導材料の結
晶異方性を用いたディバイスの製造を容易にしやすくせ
しめるとともに、大きな臨界電流密度を得んとするもの
である。
うが、ここでは超伝導と記す)材料膜を形成する際、反
応性気体または反応性微粒子と酸化物気体とを導入し、
プラズマ酸化反応をせしめ、この反応をさせつつ同時に
被形成面に磁界を加えることによりその結晶を被形成面
に垂直または平行に配向せしめ、酸化物超伝導材料の結
晶異方性を用いたディバイスの製造を容易にしやすくせ
しめるとともに、大きな臨界電流密度を得んとするもの
である。
「従来の技術」 近年、セラミック系の超伝導材料が注目されている。
この材料は最初IBMのチューリッヒ研究所よりBa−La−C
u−O(バラクオ)系酸化物高温超伝導体として報告さ
れ、さらにYBCO(YBa2CuO6〜8)系が知られてきた。し
かしこれらはそれぞれの酸化物粉末を混合し焼成してタ
ブレットにするのみであるため、Tcオンセットが90Kが
得られても薄膜にすることが十分にはできなかった。さ
らに被形成面に対して所定の方向に配向させた結晶粒を
有する膜をより低い温度で作ることはまったく知られて
いなかった。
この材料は最初IBMのチューリッヒ研究所よりBa−La−C
u−O(バラクオ)系酸化物高温超伝導体として報告さ
れ、さらにYBCO(YBa2CuO6〜8)系が知られてきた。し
かしこれらはそれぞれの酸化物粉末を混合し焼成してタ
ブレットにするのみであるため、Tcオンセットが90Kが
得られても薄膜にすることが十分にはできなかった。さ
らに被形成面に対して所定の方向に配向させた結晶粒を
有する膜をより低い温度で作ることはまったく知られて
いなかった。
「従来の問題点」 これら酸化物多結晶構造の超伝導材料はその臨界電流
密度が小さい。これを解決するためには、すべての結晶
粒のab面(C面ともいいc軸方向に垂直な面)を互いに
配向させることが求められている。また基板との熱膨張
係数の差が大きいため、650℃以上特に900〜950℃の高
温で作ると、液体窒素温度に冷やした際クラックを誘発
し、電気伝導を妨げてしまう欠点を有する。このため、
成膜またはその後のアニールに際し、特に温度を500℃
以下の処理とすることにより、基板の種類の選択自由度
を得ることが強く求められていた。さらに酸化物超伝導
材料のTco(抵抗が零となる温度)をより高くし、望む
べくは液体窒素温度(77K)またはそれ以上の温度で動
作せしめ、ひいては薄膜構造で90K以上の温度のTcoを有
することが強く求められていた。
密度が小さい。これを解決するためには、すべての結晶
粒のab面(C面ともいいc軸方向に垂直な面)を互いに
配向させることが求められている。また基板との熱膨張
係数の差が大きいため、650℃以上特に900〜950℃の高
温で作ると、液体窒素温度に冷やした際クラックを誘発
し、電気伝導を妨げてしまう欠点を有する。このため、
成膜またはその後のアニールに際し、特に温度を500℃
以下の処理とすることにより、基板の種類の選択自由度
を得ることが強く求められていた。さらに酸化物超伝導
材料のTco(抵抗が零となる温度)をより高くし、望む
べくは液体窒素温度(77K)またはそれ以上の温度で動
作せしめ、ひいては薄膜構造で90K以上の温度のTcoを有
することが強く求められていた。
かかる目的のために、本発明人により加熱処理中に磁
界を加えて超伝導材料を作製する『超伝導材料の作製方
法』(昭和62年3月27日特願昭62−75205)がある。
界を加えて超伝導材料を作製する『超伝導材料の作製方
法』(昭和62年3月27日特願昭62−75205)がある。
「問題を解決すべき手段」 本発明はかかる発明をさらに発展させ、酸化物超伝導
材料の薄膜を作る際、反応性気体または反応性微粒子を
磁界を用いたプラズマ中で互いに反応せしめるととも
に、その磁界を同時に被形成面上に加え、成膜中の結晶
配向をせしめんとしたものである。
材料の薄膜を作る際、反応性気体または反応性微粒子を
磁界を用いたプラズマ中で互いに反応せしめるととも
に、その磁界を同時に被形成面上に加え、成膜中の結晶
配向をせしめんとしたものである。
本発明は、動作温度に冷却保持しても基板との熱膨張
係数の差でクラック等を発生させないため、薄膜の形成
温度それ自体を200〜500℃の低い温度とし、かかる温度
でも結晶軸を所定の方向に配向せしめた多結晶または単
結晶を作製する。そしてより高い臨界電流密度を得るた
め、薄膜の作製をマイクロ波プラズマできわめて高い効
率で作られた0,03等の活性酸素を反応性気体として用い
る。加えて被形成面をスパッタ(損傷)させ酸化物超伝
導材料と被形成面を構成材料との混合相を作ることを防
ぐため、その成膜方法に関しスパッタ法または1KHz〜1M
Hzの低周波のプラズマCVD法を用いず、周波数を高くし
たマイクロ波(500MHz〜10GHz)代表的には2.45GHzの周
波数とし、プラズマを作る際のエネルギが反応性気体ま
たは粒子に運動エネルギを与えないようにする。さらに
酸化物超伝導材料の薄膜を作製するに際し、第1図に示
した如き、変形ペロブスカイト構造を有する結晶のa,b
またはc軸を用途に合わせて有すべき方向に平行または
概略平行にプラズマ発生用に用いた磁界を同時に用い、
その磁界により、結晶の生成面を一定方向に配設して、
マグネティック・アキシアル成長をさせんとしたもので
ある。さらに単結晶を成長させる場合はマグネティック
・エピタキシァル成長をさせるものである。その結果、
薄膜の形成中0.1T以上のプラズマ発生に用いた磁界を同
時に被形成面上に印加することにより、より低温、好ま
しくは200〜500℃の被形成面での配向成膜が可能となっ
た。それは同時にマイクロ波により作られた活性酸素ま
たは活性酸素を含む気体中で反応性気体または反応性微
粒子を互いにプラズマ反応せしめつつ、被形成面上にて
反応生成物の酸化物超伝導材料を結晶軸を互いに一致さ
せつつ膜形成をさせる。かくすることにより、例えばc
面(ab軸に平行の面即ちab面)方向での臨界電流度を1
×105A/cm2以上(この場合基板の面に平行方向にab面が
できる)にまで向上させんとするものである。
係数の差でクラック等を発生させないため、薄膜の形成
温度それ自体を200〜500℃の低い温度とし、かかる温度
でも結晶軸を所定の方向に配向せしめた多結晶または単
結晶を作製する。そしてより高い臨界電流密度を得るた
め、薄膜の作製をマイクロ波プラズマできわめて高い効
率で作られた0,03等の活性酸素を反応性気体として用い
る。加えて被形成面をスパッタ(損傷)させ酸化物超伝
導材料と被形成面を構成材料との混合相を作ることを防
ぐため、その成膜方法に関しスパッタ法または1KHz〜1M
Hzの低周波のプラズマCVD法を用いず、周波数を高くし
たマイクロ波(500MHz〜10GHz)代表的には2.45GHzの周
波数とし、プラズマを作る際のエネルギが反応性気体ま
たは粒子に運動エネルギを与えないようにする。さらに
酸化物超伝導材料の薄膜を作製するに際し、第1図に示
した如き、変形ペロブスカイト構造を有する結晶のa,b
またはc軸を用途に合わせて有すべき方向に平行または
概略平行にプラズマ発生用に用いた磁界を同時に用い、
その磁界により、結晶の生成面を一定方向に配設して、
マグネティック・アキシアル成長をさせんとしたもので
ある。さらに単結晶を成長させる場合はマグネティック
・エピタキシァル成長をさせるものである。その結果、
薄膜の形成中0.1T以上のプラズマ発生に用いた磁界を同
時に被形成面上に印加することにより、より低温、好ま
しくは200〜500℃の被形成面での配向成膜が可能となっ
た。それは同時にマイクロ波により作られた活性酸素ま
たは活性酸素を含む気体中で反応性気体または反応性微
粒子を互いにプラズマ反応せしめつつ、被形成面上にて
反応生成物の酸化物超伝導材料を結晶軸を互いに一致さ
せつつ膜形成をさせる。かくすることにより、例えばc
面(ab軸に平行の面即ちab面)方向での臨界電流度を1
×105A/cm2以上(この場合基板の面に平行方向にab面が
できる)にまで向上させんとするものである。
本発明に用いる代表的な超伝導材料は元素周期表IIIa
族およびIIa族の元素および銅を用いた酸化物である。
族およびIIa族の元素および銅を用いた酸化物である。
本発明の超伝導性材料は(A1-XBx)yCuzOw X=0.1〜
1,y=2.0〜4.0好ましくは2.5〜3.5,z=1.0〜4.0好まし
くは1.5〜3.5,w=4.0〜10.0好ましくは6〜8で一般的
に示し得るものである。その代表例はAB2Cu3O6〜8)で
示される変形ペルブスカイト構造を有する材料である。
Aはイットリウム族より選ばれた元素およびその他のラ
ンタノイドより選ばれた元素のうちの1種類または複数
種類を用いている。イットリウム族とは、理化学辞典
(岩波書店 1963年4月1日発行)によればY(イット
リウム),Gd(ガドリニウム),Yb(イッテルビウム),E
u(ユーロピウム),Tb(テルビウム),Dy(ジスプロシ
ウム),Ho(ホルミウム),Er(エルビウム),Tm(デリ
ウム),Lu(ルテチウム),Sc(スカンジウム)およびそ
の他のランタノイドを用いる。
1,y=2.0〜4.0好ましくは2.5〜3.5,z=1.0〜4.0好まし
くは1.5〜3.5,w=4.0〜10.0好ましくは6〜8で一般的
に示し得るものである。その代表例はAB2Cu3O6〜8)で
示される変形ペルブスカイト構造を有する材料である。
Aはイットリウム族より選ばれた元素およびその他のラ
ンタノイドより選ばれた元素のうちの1種類または複数
種類を用いている。イットリウム族とは、理化学辞典
(岩波書店 1963年4月1日発行)によればY(イット
リウム),Gd(ガドリニウム),Yb(イッテルビウム),E
u(ユーロピウム),Tb(テルビウム),Dy(ジスプロシ
ウム),Ho(ホルミウム),Er(エルビウム),Tm(デリ
ウム),Lu(ルテチウム),Sc(スカンジウム)およびそ
の他のランタノイドを用いる。
またBはBa(バリウム),Sr(ストロンチウム),Ca
(カルシウム)より選ばれた元素のうち1種類または複
数種類を用いている。
(カルシウム)より選ばれた元素のうち1種類または複
数種類を用いている。
本発明に示される酸化物超伝導材料は、第1図にその
結晶構造が示されているが、変形ペルブスカイト構造を
有する。そして銅(2)とその周辺の酸素(5)とによ
る平面と、その他の銅(3)とその周辺に位置する酸素
(6),酸素ベイカンシ(7)と銅(2′)と酸素
(5′)とによる他の平面を有する。元素周期用IIIa族
の元素(1)例えばY,元素周期表IIa族の元素例えばBa
(4)とを有する。
結晶構造が示されているが、変形ペルブスカイト構造を
有する。そして銅(2)とその周辺の酸素(5)とによ
る平面と、その他の銅(3)とその周辺に位置する酸素
(6),酸素ベイカンシ(7)と銅(2′)と酸素
(5′)とによる他の平面を有する。元素周期用IIIa族
の元素(1)例えばY,元素周期表IIa族の元素例えばBa
(4)とを有する。
尚、本明細書における元素周期表は理化学辞典(岩波
書店 1963年4月1日発行)によるものである。
書店 1963年4月1日発行)によるものである。
本発明人は、超伝導を発生するメカニズムとして、層
構造を有する酸素(5),(5′)とその中心にある銅
(2),(2′)との相互作用により、対をなす電子
(電子対)がその面(ab軸で作られる面即ちc面と平行
の面)を移動するとしている。さらにその対をなす電子
が生成される原因として、これまではBCS理論に基づき
フォノンとの相互作用とされていた。しかし、本発明人
はかかる理由として、この層構造を挟む上下の酸素ベイ
カンシ(7)同士(他方は図面の上または下側に位置す
る分子中に存在する)の相互作用またはこれらとスクリ
ュー磁性体である希土類元素(1)との相互作用による
マグノンという準粒子を仲立ちとして、スピンが反対向
きの電子を対を構成して形成することができることを仮
定している。即ち図面におけるc軸方向にマグノンのゆ
らぎがあり(ab面に垂直方向でありマグノンのゆらぎを
最もよく電子対に反映させやすい)このマグノンはスピ
ンの向きの互いに反対の電子対の一方を引き寄せんとす
ると他方と反発する。かかる力が働き、電子対がそれぞ
れの方向に働かんとすると、このマグノンは酸素ベイカ
ンシ(7)のゆらぎにより逆方向にゆらぐ。このためこ
のゆらぎにより1対の電子のそれぞれに逆向きの力が働
く。これを繰り返すことにより、マグノンがまったく表
舞台にでることなく影武者的働きをして層構造を有する
面((2),(5)で作られる面と(2′),(5′)
で作られる面)でのそれぞれの電子対のa軸−b軸に平
行方向に電子対の移動をさせ超伝導をさせるものと考え
ることができる。また酸素ベイカンシのゆらぎはフォノ
ンのゆらぎであるとともとらえることができ、これまで
のBCS理論を補完する形でフォノンがマグノンを介して
間接的に電子対を構成させていると考えることができ
る。
構造を有する酸素(5),(5′)とその中心にある銅
(2),(2′)との相互作用により、対をなす電子
(電子対)がその面(ab軸で作られる面即ちc面と平行
の面)を移動するとしている。さらにその対をなす電子
が生成される原因として、これまではBCS理論に基づき
フォノンとの相互作用とされていた。しかし、本発明人
はかかる理由として、この層構造を挟む上下の酸素ベイ
カンシ(7)同士(他方は図面の上または下側に位置す
る分子中に存在する)の相互作用またはこれらとスクリ
ュー磁性体である希土類元素(1)との相互作用による
マグノンという準粒子を仲立ちとして、スピンが反対向
きの電子を対を構成して形成することができることを仮
定している。即ち図面におけるc軸方向にマグノンのゆ
らぎがあり(ab面に垂直方向でありマグノンのゆらぎを
最もよく電子対に反映させやすい)このマグノンはスピ
ンの向きの互いに反対の電子対の一方を引き寄せんとす
ると他方と反発する。かかる力が働き、電子対がそれぞ
れの方向に働かんとすると、このマグノンは酸素ベイカ
ンシ(7)のゆらぎにより逆方向にゆらぐ。このためこ
のゆらぎにより1対の電子のそれぞれに逆向きの力が働
く。これを繰り返すことにより、マグノンがまったく表
舞台にでることなく影武者的働きをして層構造を有する
面((2),(5)で作られる面と(2′),(5′)
で作られる面)でのそれぞれの電子対のa軸−b軸に平
行方向に電子対の移動をさせ超伝導をさせるものと考え
ることができる。また酸素ベイカンシのゆらぎはフォノ
ンのゆらぎであるとともとらえることができ、これまで
のBCS理論を補完する形でフォノンがマグノンを介して
間接的に電子対を構成させていると考えることができ
る。
この動作原理で示す磁界が大きな効果を及ぼすのであ
るから、成膜中に外部よりこのプラズマ雰囲気中に磁界
を特に反応性気体または反応性微粒子を磁界と電界の相
互作用によりプラズマ化せしめて互いに反応せしめ、さ
らにそのプラズマ発生に用いられた磁界を用い、その強
度の強い領域でこの磁界に平行または垂直に被形成面を
配設し、すべての結晶を所定の方向に成膜時に配設させ
る。
るから、成膜中に外部よりこのプラズマ雰囲気中に磁界
を特に反応性気体または反応性微粒子を磁界と電界の相
互作用によりプラズマ化せしめて互いに反応せしめ、さ
らにそのプラズマ発生に用いられた磁界を用い、その強
度の強い領域でこの磁界に平行または垂直に被形成面を
配設し、すべての結晶を所定の方向に成膜時に配設させ
る。
さらにこの磁界に垂直方向即ち電流が超伝導の際流れ
るab面方向にマイクロ波電界を加えることにより、その
配向のしやすさを助長させ得る。特に電界、磁界とその
相互作用を積極的にさせることにより、その反応圧力を
一般に知られるプラズマCVD法、ECR法(電子サイクロト
ロン共鳴)法での10-3〜0.1torrの低圧ではなく、プラ
ズマ密度の高い1〜800torrのきわめて高い圧力でのプ
ラズマ発生が可能な混成共鳴領域とし、ここで反応性気
体または反応性粒子と活性酸素とを互いにより完全な反
応をさせることにより、反応生成物が磁界にそってc軸
配向をする。本明細書における「混成共鳴」とは、「多
くの電子、イオン等がエネルギーのやり取りをしながら
全体としてサイクロトロン運動を行なうこと」の意味と
して用いた。このため、被形成面で磁界の向きにそって
反応生成物のc軸が配向しつつ蓄積される。ひいては基
板の種類の制限をより少なくして膜作りを可能とし得
る。さらに好ましくは、加熱しつつ磁界を加えることに
より、多結晶のそれぞれの結晶軸を互いに一致または概
略一致せしめた多結晶膜を成膜することができる。好ま
しくはこの成長する面とその配向軸が一致すべき結晶方
位を有する基板を用いることにより、低温でマグネティ
ック・エピタキシァル成長即ち単結晶薄膜の形成をさせ
る。
るab面方向にマイクロ波電界を加えることにより、その
配向のしやすさを助長させ得る。特に電界、磁界とその
相互作用を積極的にさせることにより、その反応圧力を
一般に知られるプラズマCVD法、ECR法(電子サイクロト
ロン共鳴)法での10-3〜0.1torrの低圧ではなく、プラ
ズマ密度の高い1〜800torrのきわめて高い圧力でのプ
ラズマ発生が可能な混成共鳴領域とし、ここで反応性気
体または反応性粒子と活性酸素とを互いにより完全な反
応をさせることにより、反応生成物が磁界にそってc軸
配向をする。本明細書における「混成共鳴」とは、「多
くの電子、イオン等がエネルギーのやり取りをしながら
全体としてサイクロトロン運動を行なうこと」の意味と
して用いた。このため、被形成面で磁界の向きにそって
反応生成物のc軸が配向しつつ蓄積される。ひいては基
板の種類の制限をより少なくして膜作りを可能とし得
る。さらに好ましくは、加熱しつつ磁界を加えることに
より、多結晶のそれぞれの結晶軸を互いに一致または概
略一致せしめた多結晶膜を成膜することができる。好ま
しくはこの成長する面とその配向軸が一致すべき結晶方
位を有する基板を用いることにより、低温でマグネティ
ック・エピタキシァル成長即ち単結晶薄膜の形成をさせ
る。
すると本発明に用いられる酸化物超伝導材料は単結晶
をより低い温度で作り得る。第1図のC面(ab軸と平行
の面)に対し、電流がそれと垂直方向(c軸方向)に比
べて2桁以上も流れやすい。このため、多結晶であって
も結晶方位がバラバラな多結晶を一方向に結晶軸を配設
することが高い臨界電流密度を得るためにきわめて重要
である。
をより低い温度で作り得る。第1図のC面(ab軸と平行
の面)に対し、電流がそれと垂直方向(c軸方向)に比
べて2桁以上も流れやすい。このため、多結晶であって
も結晶方位がバラバラな多結晶を一方向に結晶軸を配設
することが高い臨界電流密度を得るためにきわめて重要
である。
本発明は、出発材料元素の有機反応性気体、またはか
かる元素を用いた出発材料を仮焼成した酸化物超伝導材
料を微粉末化した微粒子または出発材料元素の塩の微粒
子を活性酸素が充満したプラズマ中に導入または吹きつ
け、大気圧下または減圧下で酸化物超伝導材料を成膜す
る薄膜形成方法である。
かる元素を用いた出発材料を仮焼成した酸化物超伝導材
料を微粉末化した微粒子または出発材料元素の塩の微粒
子を活性酸素が充満したプラズマ中に導入または吹きつ
け、大気圧下または減圧下で酸化物超伝導材料を成膜す
る薄膜形成方法である。
「作用」 かくすることにより、多結晶を呈する1つの結晶粒を
大きくでき、ひいては隣同志の結晶が互いに同一結晶軸
を有するため、その結晶粒界でのバリア(障壁)をより
消失させ、単結晶とし得る構成とせしめた。そしてそれ
ぞれの結晶をすべてab面(C軸に垂直な面)に合わせる
ことが可能とする。その結果、臨界電流密度をこれまで
の結晶方位がバラバラの場合の102A/cm2(77K)より、
本発明方法によってab面に平行に電流を流すと104〜106
A/cm2(77Kにて測定)にまで増し、単結晶と同等また
は約1/5程度にまで近づけることが可能となった。そし
て酸化物超伝導材料の理想である大面積の単結晶構造の
薄膜をより作りやすくせしめた。
大きくでき、ひいては隣同志の結晶が互いに同一結晶軸
を有するため、その結晶粒界でのバリア(障壁)をより
消失させ、単結晶とし得る構成とせしめた。そしてそれ
ぞれの結晶をすべてab面(C軸に垂直な面)に合わせる
ことが可能とする。その結果、臨界電流密度をこれまで
の結晶方位がバラバラの場合の102A/cm2(77K)より、
本発明方法によってab面に平行に電流を流すと104〜106
A/cm2(77Kにて測定)にまで増し、単結晶と同等また
は約1/5程度にまで近づけることが可能となった。そし
て酸化物超伝導材料の理想である大面積の単結晶構造の
薄膜をより作りやすくせしめた。
本発明においては、かかる軸配列をした超伝導薄膜を
作るのに、この薄膜が作られるべき面に対して垂直また
は水平方向に磁界を加えたが、さらにこれに加えて活性
酸素を発生させるマイクロ波電界を磁界と垂直に加える
ことにより成膜温度をより下げるために有効である。
作るのに、この薄膜が作られるべき面に対して垂直また
は水平方向に磁界を加えたが、さらにこれに加えて活性
酸素を発生させるマイクロ波電界を磁界と垂直に加える
ことにより成膜温度をより下げるために有効である。
また、この磁界による結晶の配列方向に合わせて被形
成面を構成する基板の結晶軸を合わせることも有効であ
る。例えばMgO(酸化マグネシウム),SrTiO3(チタン
酸ストロチウム),YSZ(イットリウム・スタビライズト
・ジルコン)において(100)の結晶基板を用い、かつ
被形成面に垂直方向に磁界を加えて成膜し、ab面を被形
成面に平行に形成することができる。また(110)を有
するこれらの結晶基板に用い、被形成面に平行に磁界を
加えて形成すると、ab面を被形成面に垂直方向に成膜ま
たは成膜後の熱・磁界アニールで得ることができる。そ
して、単結晶または多結晶を含むより単結晶に近い薄膜
を得ることができる。
成面を構成する基板の結晶軸を合わせることも有効であ
る。例えばMgO(酸化マグネシウム),SrTiO3(チタン
酸ストロチウム),YSZ(イットリウム・スタビライズト
・ジルコン)において(100)の結晶基板を用い、かつ
被形成面に垂直方向に磁界を加えて成膜し、ab面を被形
成面に平行に形成することができる。また(110)を有
するこれらの結晶基板に用い、被形成面に平行に磁界を
加えて形成すると、ab面を被形成面に垂直方向に成膜ま
たは成膜後の熱・磁界アニールで得ることができる。そ
して、単結晶または多結晶を含むより単結晶に近い薄膜
を得ることができる。
以下に実施例を示し、さらに本発明を説明する。
「実施例1」 第2図に本発明にて用いた磁場印加式マイクロ波プラ
ズマCVD装置を示す。
ズマCVD装置を示す。
同図において、この装置は、大気圧または減圧状態に
保持可能なプラズマ発生室(31),補助空間(12),磁
場を発生する円筒状の電磁石(15),およびその電源
(35),マイクロ波発振器(14),排気系を構成する真
空ポンプ(26),ロータリポンプ(24),圧力調整バル
ブ(19),基板ホルダ(10′),被膜形成用基板(1
0),マイクロ波導入窓(39),ガス系(16),(1
7),水冷系(28),(28′),基板および基板ホルダ
取り出し用棒(29),この棒内を介しての被形成面の温
度を適温に保つべく冷却する水冷系(27),(27′)よ
り構成している。
保持可能なプラズマ発生室(31),補助空間(12),磁
場を発生する円筒状の電磁石(15),およびその電源
(35),マイクロ波発振器(14),排気系を構成する真
空ポンプ(26),ロータリポンプ(24),圧力調整バル
ブ(19),基板ホルダ(10′),被膜形成用基板(1
0),マイクロ波導入窓(39),ガス系(16),(1
7),水冷系(28),(28′),基板および基板ホルダ
取り出し用棒(29),この棒内を介しての被形成面の温
度を適温に保つべく冷却する水冷系(27),(27′)よ
り構成している。
基板ホルダ(10′)は、プラズマ空間(31)内のプラ
ズマにより基板表面が加熱されすぎるため、その適温化
をバッファ層(21),(21′)と冷却層(22)とにより
はかり、所定の温度例えば200〜500℃に保持させてい
る。このとき冷却層(22)は強磁性材料である鉄、ニッ
ケルまたはコバルトにより構成せしめ、この中を一部中
空として水冷(27),(27′)の水を循環せしめた。バ
ッファ層(21),(21′)は非磁性耐熱材料であるセラ
ミックス、ステンレスまたはガラスとした。強磁性体の
冷却層(22)は基板表面での磁界の強さをよい強くせし
め、かつ加熱されすぎて常磁性になることを防ぐため、
バッファ層(21),(21′)で熱遮蔽して設けた。
ズマにより基板表面が加熱されすぎるため、その適温化
をバッファ層(21),(21′)と冷却層(22)とにより
はかり、所定の温度例えば200〜500℃に保持させてい
る。このとき冷却層(22)は強磁性材料である鉄、ニッ
ケルまたはコバルトにより構成せしめ、この中を一部中
空として水冷(27),(27′)の水を循環せしめた。バ
ッファ層(21),(21′)は非磁性耐熱材料であるセラ
ミックス、ステンレスまたはガラスとした。強磁性体の
冷却層(22)は基板表面での磁界の強さをよい強くせし
め、かつ加熱されすぎて常磁性になることを防ぐため、
バッファ層(21),(21′)で熱遮蔽して設けた。
まず薄膜形成用基体(10)を基板ホルダ(10′)上に
設置し、ゲート弁(11)よりプラズマ発生空間(31)に
配設する。この実施例では基板は(100)または(110)
面を有するMgO,SrTiO3またはYSZ基板またはIC要に用い
るための一部上面に絶縁膜が形成された珪素ウエハを用
いた。
設置し、ゲート弁(11)よりプラズマ発生空間(31)に
配設する。この実施例では基板は(100)または(110)
面を有するMgO,SrTiO3またはYSZ基板またはIC要に用い
るための一部上面に絶縁膜が形成された珪素ウエハを用
いた。
大気圧で動作させる場合はバルブ(19)を閉としバル
ブ(23)を開とすればよい。また減圧下で動作させる場
合は、バルブ(19),(25)を開とし、バルブ(23)を
閉として真空ポンプ(26),(24)を動作させればよ
い。
ブ(23)を開とすればよい。また減圧下で動作させる場
合は、バルブ(19),(25)を開とし、バルブ(23)を
閉として真空ポンプ(26),(24)を動作させればよ
い。
反応性気体または微粒子の混入した液体(32)はバブ
ラ(33)に混合して封入されている。気相法で行う場合
は、この液体(32)を酸素(17)でバブルし酸素ととも
に先端(34)より反応空間(31)に放出すればよい。
ラ(33)に混合して封入されている。気相法で行う場合
は、この液体(32)を酸素(17)でバブルし酸素ととも
に先端(34)より反応空間(31)に放出すればよい。
またスプレー法を用いる場合は、先端(34)をスプレ
ー用ノズルとし、酸素または大気を(16)より高圧で導
入し、かつ(32)より溶液を(32)を先端に(17)に加
圧して出せばよい。
ー用ノズルとし、酸素または大気を(16)より高圧で導
入し、かつ(32)より溶液を(32)を先端に(17)に加
圧して出せばよい。
作製工程として、まずこれら全体をメカニカルブース
タポンプ(26),ロータリーポンプ(14)により、1×1
0-4torr以下に真空排気する。次に非生成物気体(それ
自体は分解反応後固体を構成しない気体の酸化性気
体),N2O,NO,NO2,空気または酸素例えば酸素(6)を
2000SCCMガス系(16)を通してプラズマ発生室(30)に
導入し、この圧力を30torrとする。外部より500MHz以上
のマイクロ波例えば2.45GHzの周波数のマイクロ波(30
−2)を0.5〜5KW、例えば1.5KWの強さでマイクロ波発
振器(14)より加える。さらにマグネット(15)を水冷
(18),(18′)しつつ磁界(30−1)を約1Tの臨界強
度が基板(10)表面で発生すべく磁石(15)に電流を流
して印加し、混成共鳴を有する高密度プラズマをプラズ
マ発生空間(31)にて発生させる。この際磁界(30−
1)と電界(30−2)とは互いに直交する。図面では磁
界(30−1)が被形成面に垂直に印加されている。この
高密度プラズマによりほぼ100%イオン化した活性酸素
イオンを作ることができる。
タポンプ(26),ロータリーポンプ(14)により、1×1
0-4torr以下に真空排気する。次に非生成物気体(それ
自体は分解反応後固体を構成しない気体の酸化性気
体),N2O,NO,NO2,空気または酸素例えば酸素(6)を
2000SCCMガス系(16)を通してプラズマ発生室(30)に
導入し、この圧力を30torrとする。外部より500MHz以上
のマイクロ波例えば2.45GHzの周波数のマイクロ波(30
−2)を0.5〜5KW、例えば1.5KWの強さでマイクロ波発
振器(14)より加える。さらにマグネット(15)を水冷
(18),(18′)しつつ磁界(30−1)を約1Tの臨界強
度が基板(10)表面で発生すべく磁石(15)に電流を流
して印加し、混成共鳴を有する高密度プラズマをプラズ
マ発生空間(31)にて発生させる。この際磁界(30−
1)と電界(30−2)とは互いに直交する。図面では磁
界(30−1)が被形成面に垂直に印加されている。この
高密度プラズマによりほぼ100%イオン化した活性酸素
イオンを作ることができる。
次に、この反応系に超伝導材料を構成する元素の有機
溶液、例えばY(OC2H5)3(トリエトキシイットリウ
ム),CuBr2(臭化第2銅)等のアルキル化合物または
ハロゲン化合物をベンゼン、アルコール等の有機溶液ま
たは水溶液中にY:Ba:Cuが成膜後1:2:3になるようにとか
した。これらの混合溶液を酸素でバブリングして酸素と
共にプラズマ中に導入した。また他の方法として、YB
r3,BaBr2,CuBr2またはY(NO3)3,Ba(NO3)2,Cu(NO3)3等を
アンモニアで中和して塩とした生成物を水または有機溶
液にとかし、この溶液を酸素または空気により高圧でふ
きつけるスプレー法等を用いて磁界を有する反応空間に
導入した。(キャリアガスの酸素)/反応性気体=3000
〜1(この場合は100)とした。
溶液、例えばY(OC2H5)3(トリエトキシイットリウ
ム),CuBr2(臭化第2銅)等のアルキル化合物または
ハロゲン化合物をベンゼン、アルコール等の有機溶液ま
たは水溶液中にY:Ba:Cuが成膜後1:2:3になるようにとか
した。これらの混合溶液を酸素でバブリングして酸素と
共にプラズマ中に導入した。また他の方法として、YB
r3,BaBr2,CuBr2またはY(NO3)3,Ba(NO3)2,Cu(NO3)3等を
アンモニアで中和して塩とした生成物を水または有機溶
液にとかし、この溶液を酸素または空気により高圧でふ
きつけるスプレー法等を用いて磁界を有する反応空間に
導入した。(キャリアガスの酸素)/反応性気体=3000
〜1(この場合は100)とした。
また、他の方法として、元素周期表IIIa族元素、IIa
元素および銅よりなる予め合成された酸素物超伝導材料
を微粉末化し、それを溶液中に混ぜ、この混合溶液をス
プレーまたはバブラ(33)をバブルして反応空間(31)
中に放出して酸化反応を磁場空間で行って成就させても
よい。
元素および銅よりなる予め合成された酸素物超伝導材料
を微粉末化し、それを溶液中に混ぜ、この混合溶液をス
プレーまたはバブラ(33)をバブルして反応空間(31)
中に放出して酸化反応を磁場空間で行って成就させても
よい。
かくしてマイクロ波エネルギと磁界との相互作用によ
る混成共鳴させると、そこでのプラズマ温度が1150℃
(酸化物超伝導材料の溶融温度)よりもはるかに高い30
00〜10000℃にもなるため、かかる高エネルギに励起さ
れた反応性原子が十分活性化し、本来あるべき結晶構成
に被形成面上で生成され、基板温度それ自体は200〜500
℃の低温に冷却層(22)により低温化された基板ホルダ
(10′)上の基体(10)の被形成面上にこの酸化物超伝
導材料の薄膜を堆積させることができる。
る混成共鳴させると、そこでのプラズマ温度が1150℃
(酸化物超伝導材料の溶融温度)よりもはるかに高い30
00〜10000℃にもなるため、かかる高エネルギに励起さ
れた反応性原子が十分活性化し、本来あるべき結晶構成
に被形成面上で生成され、基板温度それ自体は200〜500
℃の低温に冷却層(22)により低温化された基板ホルダ
(10′)上の基体(10)の被形成面上にこの酸化物超伝
導材料の薄膜を堆積させることができる。
そして膜形成後も400℃でアニールすることにより、
第1図に示した如き、1μm〜1mmの厚さの斜方晶形の
変形ペルブスカイト構造を有する酸化物超伝導薄膜を形
成させることができた。
第1図に示した如き、1μm〜1mmの厚さの斜方晶形の
変形ペルブスカイト構造を有する酸化物超伝導薄膜を形
成させることができた。
第2図において、(30−1)の磁界発生用には1つの
リング状の磁石(15)を用いた。
リング状の磁石(15)を用いた。
すると、反応性空間(31)内には電界・磁界の相互作
用を有する領域(875ガウス±185ガウス以内)をも有
し、かつそれ以上の強磁界の領域をより多く有する。
用を有する領域(875ガウス±185ガウス以内)をも有
し、かつそれ以上の強磁界の領域をより多く有する。
そして、磁界の最大となる領域(ここでは磁石(15)
の中心部)に基板(10)を配設した。すると第1図に示
された配置の場合、基板の被形成表面に垂直に磁界(30
−1)が加わり、この表面と平行に電界(30−2)が加
わる。そして磁石の強度により混成共鳴条件を満たす87
5ガウスの領域は、このプラズマ空間(31)における被
形成面と気体の導入用ノズル(34)との間に作ることが
できる。
の中心部)に基板(10)を配設した。すると第1図に示
された配置の場合、基板の被形成表面に垂直に磁界(30
−1)が加わり、この表面と平行に電界(30−2)が加
わる。そして磁石の強度により混成共鳴条件を満たす87
5ガウスの領域は、このプラズマ空間(31)における被
形成面と気体の導入用ノズル(34)との間に作ることが
できる。
酸化物超伝導膜を作製するための材料は、この混成共
鳴領域にて活性分離反応をし、活性化して磁界を有する
基板(10)の被形成面上に磁界(磁場面に垂直方向)に
c軸をそって成膜させることができた。
鳴領域にて活性分離反応をし、活性化して磁界を有する
基板(10)の被形成面上に磁界(磁場面に垂直方向)に
c軸をそって成膜させることができた。
またこの時作られた酸化物超伝導膜の臨界電流密度は
8.8×104A/cm2を基板表面と平行方向に測定して得た。
8.8×104A/cm2を基板表面と平行方向に測定して得た。
即ち第1図に示す如き結晶構造が成膜時およびその後
の熱アニールにて十分形成され、そのc軸方向も磁界と
平行の方向即ち被形成面に垂直方向に作製されたことが
X線回析の結果より明らかになった。
の熱アニールにて十分形成され、そのc軸方向も磁界と
平行の方向即ち被形成面に垂直方向に作製されたことが
X線回析の結果より明らかになった。
「実施例2」 成分材料としてY0.5Yb0.5BaSrCu3O6〜8となるように
用いた。即ち、第2図の装置における基板(10)、ホル
ダ(10′)を第2図に対し直角(図面で表面が左右方向
となる面)とし、500℃に基板を保持した。かくして被
形成面上にそってc軸を有し、かつ酸化物超伝導薄膜の
ab面を垂直方向に作ることができた。その結果、基板例
えばガラス、アルミナ、ZrO2等の多結晶またはアモルフ
ァス構造の被形成面上に形成された超伝導材料薄膜に対
し、臨界電流密度は3.6×104A/cm2を得た。Tcoとして9
3Kを得た。
用いた。即ち、第2図の装置における基板(10)、ホル
ダ(10′)を第2図に対し直角(図面で表面が左右方向
となる面)とし、500℃に基板を保持した。かくして被
形成面上にそってc軸を有し、かつ酸化物超伝導薄膜の
ab面を垂直方向に作ることができた。その結果、基板例
えばガラス、アルミナ、ZrO2等の多結晶またはアモルフ
ァス構造の被形成面上に形成された超伝導材料薄膜に対
し、臨界電流密度は3.6×104A/cm2を得た。Tcoとして9
3Kを得た。
「実施例3」 実施例1において、基板を単結晶のMgO(100)または
SrTiO3(100)とした。そして成膜中磁場を被形成面上
にて2Tとなるように加え、基板温度を450℃とした。す
るとこの基板上には1cm2以上の単結晶薄膜を厚さが3.5
μmでも得ることができた。臨界電流密度として2.3×1
06A/cm2(77K)を得、Tcoは97Kであった。
SrTiO3(100)とした。そして成膜中磁場を被形成面上
にて2Tとなるように加え、基板温度を450℃とした。す
るとこの基板上には1cm2以上の単結晶薄膜を厚さが3.5
μmでも得ることができた。臨界電流密度として2.3×1
06A/cm2(77K)を得、Tcoは97Kであった。
「実施例4」 実施例2において、基板を単結晶MgO(110),SrTiO3
(110)とした。そして磁界を被形成面上で2Tとなるよ
うに加え基板温度を450℃とした。するとこの基板上に5
mm2に近い単結晶薄膜を3μmの厚さにて得ることがで
きた。このab面と平行な面方向で1.7×106A/cm2を得
た。Tcoは95Kであった。
(110)とした。そして磁界を被形成面上で2Tとなるよ
うに加え基板温度を450℃とした。するとこの基板上に5
mm2に近い単結晶薄膜を3μmの厚さにて得ることがで
きた。このab面と平行な面方向で1.7×106A/cm2を得
た。Tcoは95Kであった。
「効果」 本発明により、これまでまったく不可能とされていた
液体窒素温度以上の温度で動作する酸化物超伝導材料の
薄膜をその結晶軸を合わせて作ることができるようにな
った。基板がガラス、酸化珪素、窒化珪素等のアモルフ
ァス構造の表面に対しても配向した多結晶の酸化物超伝
導薄膜を作ることができた。そして基板結晶軸と一致し
た方向に結晶面を成長させる場合は、その温度が200〜5
00℃の基板温度でも配向した成膜が可能となったため、
半導体集積回路の電極部で半導体と直接酸化反応を行わ
せることなくコンタクトが可能となり、リード線として
の使用が初めて可能となった。
液体窒素温度以上の温度で動作する酸化物超伝導材料の
薄膜をその結晶軸を合わせて作ることができるようにな
った。基板がガラス、酸化珪素、窒化珪素等のアモルフ
ァス構造の表面に対しても配向した多結晶の酸化物超伝
導薄膜を作ることができた。そして基板結晶軸と一致し
た方向に結晶面を成長させる場合は、その温度が200〜5
00℃の基板温度でも配向した成膜が可能となったため、
半導体集積回路の電極部で半導体と直接酸化反応を行わ
せることなくコンタクトが可能となり、リード線として
の使用が初めて可能となった。
さらにこの到達材料の化合物における多結晶構造間で
層構造をより一致させやすくするため、元素周期表にお
けるIIa、IIIa族の元素を複数個混合させ得る。本発明
に示す如く、加熱中に磁界を加えて分子配列をより統一
化することにより、最終完成化合物中に、ボイドおよび
結晶粒界の障壁等の存在をより除去することができ、ひ
いてはTcオンセット、Tcoをより高温化できるものと推
定される。
層構造をより一致させやすくするため、元素周期表にお
けるIIa、IIIa族の元素を複数個混合させ得る。本発明
に示す如く、加熱中に磁界を加えて分子配列をより統一
化することにより、最終完成化合物中に、ボイドおよび
結晶粒界の障壁等の存在をより除去することができ、ひ
いてはTcオンセット、Tcoをより高温化できるものと推
定される。
第1図は本発明に用いられる酸化物超伝導材料の結晶構
造の1例を示す。 第2図は本発明に用いられた磁場印加マイクロ波プラズ
マ反応装置の概要を示す。
造の1例を示す。 第2図は本発明に用いられた磁場印加マイクロ波プラズ
マ反応装置の概要を示す。
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 H01B 12/06 ZAA
Claims (4)
- 【請求項1】プラズマ発生室に磁界を加えるための磁界
発生手段と、前記プラズマ発生室にマイクロ波を供給す
る手段とにより前記プラズマ発生室に導入された酸素ま
たは酸化物気体と反応性気体または反応性微粒子とをプ
ラズマ化せしめるとともに、前記プラズマ発生室におけ
る磁界の強さが最大の領域に配設された被形成面上に前
記磁界を印加しつつ酸化物超伝導材料の膜形成を行うこ
とにより、前記被形成面上に酸化物超伝導材料を配向さ
せて形成することを特徴とする酸化物超伝導膜形成方
法。 - 【請求項2】特許請求の範囲第1項において、被形成面
に垂直または平行にプラズマ発生用の磁界を印加したこ
とを特徴とする酸化物超伝導膜形成方法。 - 【請求項3】特許請求の範囲第1項において、超伝導材
料は(A1-XBx)yCuzOw,X=0.1〜1,y=2.0〜4.0,z=1.0
〜4.0,W=4.0〜10.0を有し、AはY(イットリウム),G
d(ガドリニウム),Yb(イッテルビウム),Eu(ユーロ
ピウム),Tb(テルビウム),Dy(ジスプロシウム),Ho
(ホルミウム),Er(エルビウム),Tm(ツリウム),Lu
(ルテチウム),Sc(スカンジウム)およびその他のラ
ンタノイドより選ばれた1種または複数種の元素よりな
り、BはBa(バリウム),Sr(ストロンチウム),Ca(カ
ルシウム)より選ばれた1種または複数種の元素を有す
ることを特徴とする酸化物超伝導膜形成方法。 - 【請求項4】特許請求の範囲第1項において、被形成面
上の温度は200〜500℃であることを特徴とする酸化物超
伝導膜形成方法。
Priority Applications (6)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62231884A JPH0817253B2 (ja) | 1987-09-16 | 1987-09-16 | 酸化物超伝導膜形成方法 |
| KR1019880011900A KR910007384B1 (ko) | 1987-09-16 | 1988-09-15 | 초전도 산화물 형성방법 및 장치 |
| EP88308627A EP0308266A3 (en) | 1987-09-16 | 1988-09-16 | Method and apparatus for forming superconducting materials |
| CN88107276A CN1016388B (zh) | 1987-09-16 | 1988-09-16 | 形成超导氧化物材料的方法和装置 |
| US07/535,302 US5162296A (en) | 1987-09-16 | 1990-06-08 | Plasma-enhanced CVD of oxide superconducting films by utilizing a magnetic field |
| US07/882,525 US5262396A (en) | 1987-09-16 | 1992-05-13 | Plasma-enhanced CVD of oxide superconducting films by utilizing a magnetic field |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62231884A JPH0817253B2 (ja) | 1987-09-16 | 1987-09-16 | 酸化物超伝導膜形成方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS6473776A JPS6473776A (en) | 1989-03-20 |
| JPH0817253B2 true JPH0817253B2 (ja) | 1996-02-21 |
Family
ID=16930537
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP62231884A Expired - Fee Related JPH0817253B2 (ja) | 1987-09-16 | 1987-09-16 | 酸化物超伝導膜形成方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0817253B2 (ja) |
Families Citing this family (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6677001B1 (en) * | 1986-11-10 | 2004-01-13 | Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. | Microwave enhanced CVD method and apparatus |
| JPH0672306B2 (ja) | 1987-04-27 | 1994-09-14 | 株式会社半導体エネルギー研究所 | プラズマ処理装置およびプラズマ処理方法 |
| JPH0288408A (ja) * | 1988-05-31 | 1990-03-28 | Mitsubishi Metal Corp | 超電導セラミックス膜の製造法 |
| US5527767A (en) * | 1989-04-11 | 1996-06-18 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Method for annealing thin film superconductors |
| JPH0365501A (ja) * | 1989-07-31 | 1991-03-20 | Sumitomo Electric Ind Ltd | 酸化物薄膜の作製方法 |
| US5032568A (en) * | 1989-09-01 | 1991-07-16 | Regents Of The University Of Minnesota | Deposition of superconducting thick films by spray inductively coupled plasma method |
| KR930011413B1 (ko) | 1990-09-25 | 1993-12-06 | 가부시키가이샤 한도오따이 에네루기 겐큐쇼 | 펄스형 전자파를 사용한 플라즈마 cvd 법 |
Family Cites Families (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS5386687A (en) * | 1977-01-10 | 1978-07-31 | Sumitomo Electric Ind Ltd | Preparation of nb3ge crystal |
| JPS56116869A (en) * | 1980-02-18 | 1981-09-12 | Shunpei Yamazaki | Inductive reduced pressure gaseous phase method |
| US4351712A (en) * | 1980-12-10 | 1982-09-28 | International Business Machines Corporation | Low energy ion beam oxidation process |
| JPS6029235B2 (ja) * | 1982-10-26 | 1985-07-09 | 日本電信電話株式会社 | 超伝導回路装置の製法 |
-
1987
- 1987-09-16 JP JP62231884A patent/JPH0817253B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS6473776A (en) | 1989-03-20 |
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