JPH08306977A - 薄膜超伝導体およびその製造方法 - Google Patents
薄膜超伝導体およびその製造方法Info
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- JPH08306977A JPH08306977A JP7110427A JP11042795A JPH08306977A JP H08306977 A JPH08306977 A JP H08306977A JP 7110427 A JP7110427 A JP 7110427A JP 11042795 A JP11042795 A JP 11042795A JP H08306977 A JPH08306977 A JP H08306977A
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- Japan
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- film
- coating
- heat treatment
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- Superconductor Devices And Manufacturing Methods Thereof (AREA)
- Containers, Films, And Cooling For Superconductive Devices (AREA)
- Inorganic Compounds Of Heavy Metals (AREA)
- Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
- Physical Vapour Deposition (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【目的】 熱処理で簡単に製造可能で、熱処理時に微細
組織や表面構造の劣化がなく臨界電流密度特性に優れ
た、酸化物超伝導薄膜の構造および製造方法を提供す
る。 【構成】 基体上に付着した、定められた位置に孔の分
散した被膜からなる。またあらかじめ孔をあけておいた
被膜を、熱処理して得る方法。孔以外の部分の構造は密
なままで、熱処理時に膜の盛り上がりに起因する周囲の
構造の劣化が抑えられる。
組織や表面構造の劣化がなく臨界電流密度特性に優れ
た、酸化物超伝導薄膜の構造および製造方法を提供す
る。 【構成】 基体上に付着した、定められた位置に孔の分
散した被膜からなる。またあらかじめ孔をあけておいた
被膜を、熱処理して得る方法。孔以外の部分の構造は密
なままで、熱処理時に膜の盛り上がりに起因する周囲の
構造の劣化が抑えられる。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、超伝導エレクトロニク
ス素子等に応用する上で有望な新構造の薄膜超伝導体と
その製造方法に関するものである。
ス素子等に応用する上で有望な新構造の薄膜超伝導体と
その製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】１９８６年以降続々と発見された一連の
酸化物超伝導体をエレクトロニクス素子に応用するため
には、材料を良質な薄膜に加工することが必須となる。
最も簡単な薄膜の作製法は、室温程度の低温で堆積させ
たアモルファス状の被膜を高温で熱処理して結晶化させ
るというものである。しかし一般に、酸化物超伝導体は
多種の元素で構成される酸化物であるので、出現する結
晶相の制御が容易ではない。例えば、少なくともビスマ
ス元素, 一種以上のアルカリ土類元素, 銅, 酸素よりな
るビスマス系超伝導体は、超伝導臨界温度２０〜１１０
Ｋを示す物質で液体窒素温度での使用が期待されるが、
臨界温度の異なる多数の結晶相が存在する。これに鉛元
素を添加すると、臨界温度が高い１１０Ｋの相が安定し
て得られることが知られている。この理由は、鉛を加え
たことにより物質の融点が若干下がり、この状態で蒸気
圧の高い鉛が蒸発する際に臨界温度の高い結晶相を出現
させるためであると考えられている。薄膜においても高
い臨界温度を実現するため、鉛を加えたビスマス系超伝
導体の薄膜作製が行われている。例えば、ビスマス,ス
トロンチウム, カルシウム, 銅および鉛の各元素の混在
したアモルファス酸化物薄膜を、８５０℃程度で熱処理
して高い臨界温度の相の形成を行うことにより、臨界温
度１００Ｋ以上を安定に得ることに成功している［田中
他，アプライド・フィジックス・レターズ (Applied
Physics Letters), Vol.55, 1252-1254(1989)］。
酸化物超伝導体をエレクトロニクス素子に応用するため
には、材料を良質な薄膜に加工することが必須となる。
最も簡単な薄膜の作製法は、室温程度の低温で堆積させ
たアモルファス状の被膜を高温で熱処理して結晶化させ
るというものである。しかし一般に、酸化物超伝導体は
多種の元素で構成される酸化物であるので、出現する結
晶相の制御が容易ではない。例えば、少なくともビスマ
ス元素, 一種以上のアルカリ土類元素, 銅, 酸素よりな
るビスマス系超伝導体は、超伝導臨界温度２０〜１１０
Ｋを示す物質で液体窒素温度での使用が期待されるが、
臨界温度の異なる多数の結晶相が存在する。これに鉛元
素を添加すると、臨界温度が高い１１０Ｋの相が安定し
て得られることが知られている。この理由は、鉛を加え
たことにより物質の融点が若干下がり、この状態で蒸気
圧の高い鉛が蒸発する際に臨界温度の高い結晶相を出現
させるためであると考えられている。薄膜においても高
い臨界温度を実現するため、鉛を加えたビスマス系超伝
導体の薄膜作製が行われている。例えば、ビスマス,ス
トロンチウム, カルシウム, 銅および鉛の各元素の混在
したアモルファス酸化物薄膜を、８５０℃程度で熱処理
して高い臨界温度の相の形成を行うことにより、臨界温
度１００Ｋ以上を安定に得ることに成功している［田中
他，アプライド・フィジックス・レターズ (Applied
Physics Letters), Vol.55, 1252-1254(1989)］。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかしアモルファス状
の被膜を高温で熱処理して作製した薄膜は、蒸気圧の高
い元素を含む場合その元素の抜け道のため薄膜の微細組
織は乱れ、表面構造は起伏の激しいものとなる。従って
臨界温度は高いものの臨界電流に関しては高い値を得る
のが困難であった。鉛添加のビスマス系超伝導薄膜の場
合、臨界温度１００Ｋ以上は得られるが、液体窒素温度
（７７Ｋ）で高々数万Ａ／ｃｍ2あるいはそれ以下の低
い値であり、実用上の障害になっていた。
の被膜を高温で熱処理して作製した薄膜は、蒸気圧の高
い元素を含む場合その元素の抜け道のため薄膜の微細組
織は乱れ、表面構造は起伏の激しいものとなる。従って
臨界温度は高いものの臨界電流に関しては高い値を得る
のが困難であった。鉛添加のビスマス系超伝導薄膜の場
合、臨界温度１００Ｋ以上は得られるが、液体窒素温度
（７７Ｋ）で高々数万Ａ／ｃｍ2あるいはそれ以下の低
い値であり、実用上の障害になっていた。
【０００４】
【課題を解決するための手段】上記問題点を解決する本
発明の薄膜超伝導体は、基体上に付着した超伝導被膜
と、被膜の面内の定められた位置に分散させて形成した
孔とで構成されるというものである。特に被膜の結晶方
位が、一定方向に揃っている場合に望ましい。その製造
方法は、面内のあらかじめ所定の位置に孔を分散させた
被膜を、熱処理して得るというものである。
発明の薄膜超伝導体は、基体上に付着した超伝導被膜
と、被膜の面内の定められた位置に分散させて形成した
孔とで構成されるというものである。特に被膜の結晶方
位が、一定方向に揃っている場合に望ましい。その製造
方法は、面内のあらかじめ所定の位置に孔を分散させた
被膜を、熱処理して得るというものである。
【０００５】
【作用】本構成の薄膜超伝導体では、蒸気圧の高い元素
が熱処理中に蒸発する際に、新たな抜け道を作ることな
く所定の孔より放出される。従って薄膜の微細構造の劣
化が抑えられ、孔以外の部分は密のままの構造で熱処理
が行われる。すなわち従来のような熱処理時に膜の盛り
上がりに起因する微細組織の乱れ・表面構造の起伏のな
い膜が作製でき、その結果臨界電流密度の向上が実現さ
れた。
が熱処理中に蒸発する際に、新たな抜け道を作ることな
く所定の孔より放出される。従って薄膜の微細構造の劣
化が抑えられ、孔以外の部分は密のままの構造で熱処理
が行われる。すなわち従来のような熱処理時に膜の盛り
上がりに起因する微細組織の乱れ・表面構造の起伏のな
い膜が作製でき、その結果臨界電流密度の向上が実現さ
れた。
【０００６】
【実施例】本発明のより詳しい理解のために、詳細な実
施例により以下に説明を行う。
施例により以下に説明を行う。
【０００７】（実施例１）ビスマス系超伝導体の薄膜の
作製を、スパッタ法によりBi-Pb-Sr-Ca-Cu-Oアモルファ
ス被膜を堆積させ、熱処理により結晶化させる方法で行
った。スパッタターゲットの組成は Bi:Pb:Sr:Ca:Cu=1.
9:1.3:2:2:3 の比率の酸化物で、アルゴン１ Pa のガス
圧下で５０Ｗの高周波放電を行い、室温のＭｇＯ（１０
０）面基体上に約１μmの被膜を形成した。この条件の
下では被膜の組成はほぼターゲット組成と同じであっ
た。この被膜に、微細加工技術で孔を形成した。図１は
その工程を示す。ＭｇＯ基体11上にBi-Pb-Sr-Ca-Cu-O被
膜12を堆積させた基板に対して、（ａ）の様にフォトレ
ジスト13をスピナーで塗布したのち、フォトリソグラフ
ィで孔のパターンを形成し（ｂ）、これをマスクとして
イオンエッチングにかけて孔14を形成した（ｃ）。フォ
トレジストを除去した後、最後に空気中８５０℃の温度
で１時間熱処理して結晶化させた（ｄ）。この結果図２
に示すように、被膜の所定の位置に孔が構築された薄膜
超伝導体が作製された。被膜の結晶方位は、孔以外の部
分のｃ軸が基体に垂直に立っているｃ軸配向であること
を確認した。電気抵抗の測定の結果、超伝導臨界温度は
１０５Ｋと高い値を示した。孔を設けていない被膜につ
いても同様の熱処理を行うとやはり１０５Ｋ程度の臨界
温度を示したが、臨界電流密度はこの両者の膜でかなり
違いがあることを本発明者らは確認した。すなわち液体
窒素温度（７７Ｋ）で臨界電流密度を測ったところ、孔
を設けていない膜では数千Ａ/ｃｍ2程度であったが、あ
らかじめ孔を設けた膜では数万〜百万Ａ/ｃｍ2と十倍以
上の向上をみせた。膜の分析の結果、この相違は膜の微
細組織に起因すると考えられる。被膜の鉛元素の量は、
熱処理により1.3から0.2に減少しており、あらかじめ孔
を設けなかった膜では強制的に任意の密度で鉛の抜け道
が出来、その部分の被膜が盛り上がって乱れた微細組織
となり表面構造の劣化がみられた。これに対して孔を設
けた膜では鉛の抜け道が最初からあるので膜の微細組織
の劣化がなく、密の状態を保ったままであった。このよ
うな簡単な構造により、臨界電流密度のような重要な超
伝導特性が改善することが確認された。
作製を、スパッタ法によりBi-Pb-Sr-Ca-Cu-Oアモルファ
ス被膜を堆積させ、熱処理により結晶化させる方法で行
った。スパッタターゲットの組成は Bi:Pb:Sr:Ca:Cu=1.
9:1.3:2:2:3 の比率の酸化物で、アルゴン１ Pa のガス
圧下で５０Ｗの高周波放電を行い、室温のＭｇＯ（１０
０）面基体上に約１μmの被膜を形成した。この条件の
下では被膜の組成はほぼターゲット組成と同じであっ
た。この被膜に、微細加工技術で孔を形成した。図１は
その工程を示す。ＭｇＯ基体11上にBi-Pb-Sr-Ca-Cu-O被
膜12を堆積させた基板に対して、（ａ）の様にフォトレ
ジスト13をスピナーで塗布したのち、フォトリソグラフ
ィで孔のパターンを形成し（ｂ）、これをマスクとして
イオンエッチングにかけて孔14を形成した（ｃ）。フォ
トレジストを除去した後、最後に空気中８５０℃の温度
で１時間熱処理して結晶化させた（ｄ）。この結果図２
に示すように、被膜の所定の位置に孔が構築された薄膜
超伝導体が作製された。被膜の結晶方位は、孔以外の部
分のｃ軸が基体に垂直に立っているｃ軸配向であること
を確認した。電気抵抗の測定の結果、超伝導臨界温度は
１０５Ｋと高い値を示した。孔を設けていない被膜につ
いても同様の熱処理を行うとやはり１０５Ｋ程度の臨界
温度を示したが、臨界電流密度はこの両者の膜でかなり
違いがあることを本発明者らは確認した。すなわち液体
窒素温度（７７Ｋ）で臨界電流密度を測ったところ、孔
を設けていない膜では数千Ａ/ｃｍ2程度であったが、あ
らかじめ孔を設けた膜では数万〜百万Ａ/ｃｍ2と十倍以
上の向上をみせた。膜の分析の結果、この相違は膜の微
細組織に起因すると考えられる。被膜の鉛元素の量は、
熱処理により1.3から0.2に減少しており、あらかじめ孔
を設けなかった膜では強制的に任意の密度で鉛の抜け道
が出来、その部分の被膜が盛り上がって乱れた微細組織
となり表面構造の劣化がみられた。これに対して孔を設
けた膜では鉛の抜け道が最初からあるので膜の微細組織
の劣化がなく、密の状態を保ったままであった。このよ
うな簡単な構造により、臨界電流密度のような重要な超
伝導特性が改善することが確認された。
【０００８】孔の密度については鋭意研究の結果、１ｃ
ｍ2 当たり１００個から５０００個程度であれば、臨界
電流密度が十万Ａ/ｃｍ2以上であり好ましいことが判っ
た。孔の形状および大きさについては、０.５μｍから
３００μｍの径をもつ円形であれば好ましいことを確認
した。孔の平均直径の膜厚比ａ／ｄに換算すると、０.
５＜ａ／ｄ＜３００の範囲にあればよいことになる。こ
こでａは孔の平均直径、ｄは膜厚を示す。孔に角がある
場合、被膜の断層の起点になるので円形に近い方がよい
と考えられる。被膜への孔の形成は、熱処理後では臨界
電流密度への影響はなかった。このことは、孔の役目が
膜を貫く磁束量子のピニングセンターとして働いて臨界
電流密度が向上したのではなく、蒸発元素の抜け道とし
て有効に働いて特性を向上させたと理解できる。なお被
膜に孔を設ける方法としてはエッチング以外にも、基体
にあらかじめ加工を施して被膜の堆積を抑制する方法
等、種々の方法が考えられる。
ｍ2 当たり１００個から５０００個程度であれば、臨界
電流密度が十万Ａ/ｃｍ2以上であり好ましいことが判っ
た。孔の形状および大きさについては、０.５μｍから
３００μｍの径をもつ円形であれば好ましいことを確認
した。孔の平均直径の膜厚比ａ／ｄに換算すると、０.
５＜ａ／ｄ＜３００の範囲にあればよいことになる。こ
こでａは孔の平均直径、ｄは膜厚を示す。孔に角がある
場合、被膜の断層の起点になるので円形に近い方がよい
と考えられる。被膜への孔の形成は、熱処理後では臨界
電流密度への影響はなかった。このことは、孔の役目が
膜を貫く磁束量子のピニングセンターとして働いて臨界
電流密度が向上したのではなく、蒸発元素の抜け道とし
て有効に働いて特性を向上させたと理解できる。なお被
膜に孔を設ける方法としてはエッチング以外にも、基体
にあらかじめ加工を施して被膜の堆積を抑制する方法
等、種々の方法が考えられる。
【０００９】（実施例２）ビスマスの代わりにタリウム
を含むTl-Pb-Sr-Ca-Cu-O組成の薄膜作製を、同様にスパ
ッタ被膜を熱処理により結晶化させる方法で行った。化
学組成 Tl:Pb:Sr:Ca:Cu=0.9:0.8:2:2:3 の被膜を１μｍ
堆積させた後、微細加工技術により直径５０μｍの孔を
１ｃｍ2当たり１０００個形成した後、タリウム蒸気の
供給下で８７０℃、２０分の熱処理を行った。この膜の
臨界温度は１０８Ｋと高く、臨界電流密度も液体窒素温
度で数十万Ａ/ｃｍ2となり、孔を設けていない膜の５倍
に達した。なお、これらの実施例では鉛添加のビスマス
系およびタリウム系超伝導薄膜について説明したが、本
発明の構造および方法は、他の蒸気圧の高い元素を含む
超伝導薄膜の作製の際にも同様に有効であること勿論で
ある。
を含むTl-Pb-Sr-Ca-Cu-O組成の薄膜作製を、同様にスパ
ッタ被膜を熱処理により結晶化させる方法で行った。化
学組成 Tl:Pb:Sr:Ca:Cu=0.9:0.8:2:2:3 の被膜を１μｍ
堆積させた後、微細加工技術により直径５０μｍの孔を
１ｃｍ2当たり１０００個形成した後、タリウム蒸気の
供給下で８７０℃、２０分の熱処理を行った。この膜の
臨界温度は１０８Ｋと高く、臨界電流密度も液体窒素温
度で数十万Ａ/ｃｍ2となり、孔を設けていない膜の５倍
に達した。なお、これらの実施例では鉛添加のビスマス
系およびタリウム系超伝導薄膜について説明したが、本
発明の構造および方法は、他の蒸気圧の高い元素を含む
超伝導薄膜の作製の際にも同様に有効であること勿論で
ある。
【００１０】
【発明の効果】以上のように本発明の薄膜超伝導体およ
び製造方法は、アモルファス被膜を熱処理するという簡
単な工程で作製された超伝導薄膜に対して、微細組織の
劣化を改善し臨界電流密度特性を飛躍的に向上させると
いうものである。本発明を用いると実用に足る超伝導薄
膜が再現性よく合成できるようになり、液体窒素温度で
のデバイス応用を可能にするもので、本発明の工業的価
値は大きい。
び製造方法は、アモルファス被膜を熱処理するという簡
単な工程で作製された超伝導薄膜に対して、微細組織の
劣化を改善し臨界電流密度特性を飛躍的に向上させると
いうものである。本発明を用いると実用に足る超伝導薄
膜が再現性よく合成できるようになり、液体窒素温度で
のデバイス応用を可能にするもので、本発明の工業的価
値は大きい。
【図１】本発明の一実施例における薄膜超伝導体の製造
工程を示す図
工程を示す図
【図２】本発明の一実施例で作製された薄膜超伝導体の
構造図
構造図
１１ ＭｇＯ基体 １２ Bi-Pb-Sr-Ca-Cu-O 被膜 １３ フォトレジスト １４ 孔
───────────────────────────────────────────────────── 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 39/02 ＺＡＡ Ｈ０１Ｌ 39/02 ＺＡＡＢ
Claims (7)
- 【請求項１】基体上に付着した超伝導被膜と、前記被膜
の面内の定められた位置に分散させて形成した孔とで構
成されたことを特徴とする薄膜超伝導体。 - 【請求項２】被膜の結晶方位が、一定方向に揃っている
ことを特徴とする請求項１記載の薄膜超伝導体。 - 【請求項３】被膜の主成分が、ビスマス、鉛、アルカリ
土類元素、銅の酸化物であることを特徴とする請求項１
記載の薄膜超伝導体。 - 【請求項４】分散させた孔の密度が、１ｃｍ2 当たり１
００個から５０００個の範囲にあることを特徴とする請
求項１記載の薄膜超伝導体。 - 【請求項５】孔の平均直径ａの膜厚ｄ比が、 ０.５＜ａ／ｄ＜３００ の範囲にある円形であることを特徴とする請求項１記載
の薄膜超伝導体。 - 【請求項６】基体上に付着し、かつ面内に孔が分散した
被膜を、熱処理して得ることを特徴とする薄膜超伝導体
の製造方法。 - 【請求項７】被膜の主成分が、ビスマス、鉛、アルカリ
土類元素、銅の酸化物であることを特徴とする請求項６
記載の薄膜超伝導体の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7110427A JPH08306977A (ja) | 1995-05-09 | 1995-05-09 | 薄膜超伝導体およびその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7110427A JPH08306977A (ja) | 1995-05-09 | 1995-05-09 | 薄膜超伝導体およびその製造方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH08306977A true JPH08306977A (ja) | 1996-11-22 |
Family
ID=14535482
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP7110427A Pending JPH08306977A (ja) | 1995-05-09 | 1995-05-09 | 薄膜超伝導体およびその製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH08306977A (ja) |
-
1995
- 1995-05-09 JP JP7110427A patent/JPH08306977A/ja active Pending
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