JPH083968B2 - 超電導体の作製方法 - Google Patents

超電導体の作製方法

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JPH083968B2
JPH083968B2 JP62173605A JP17360587A JPH083968B2 JP H083968 B2 JPH083968 B2 JP H083968B2 JP 62173605 A JP62173605 A JP 62173605A JP 17360587 A JP17360587 A JP 17360587A JP H083968 B2 JPH083968 B2 JP H083968B2
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保彦 竹村
秀臣 鯉沼
舜平 山崎
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株式会社半導体エネルギ−研究所
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  • Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
  • Physical Vapour Deposition (AREA)
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  • Superconductors And Manufacturing Methods Therefor (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 「発明の利用分野」 本発明は薄膜のセラミック系超電導(超伝導ともい
う)材料の作製方法に関する。本発明は、基体上に薄膜
化して形成された材料に対し、レーザ光を選択的に照射
して超電導を用いた電子装置またはディバイスを作らん
とするものである。
「従来の技術」 従来、超電導材料はNb-Ge(例えばNb3Ge)の金属材料
が用いられている。この材料は金属であるため延性、展
性を高く有し、超電導マグネット用のコイル巻を行うこ
とが可能であった。
しかし、これらの金属材料を用いた超電導材料はTc
(超電導臨界温度を以下単にTcという)が小さく23Kま
たはそれ以下しかない。これに対し、工業上の応用を考
えるならば、このTcが77K好ましくは室温またはそれ以
上であるとさらに有効である。
「従来の問題点」 このため、Tcの高い材料として金属ではなくセラミッ
ク系材料、特に酸化物セラミック系材料が注目されてい
る。しかしこの注目されているセラミック系超電導材料
はTcが高いにもかかわらず、曲げ性、延性、展性にとぼ
しく、少し曲げてもわれてしまう。いわんや0.1〜30μ
mといった厚さの薄膜を基板上に形成し、この薄膜の一
部または全部を選択的に除去することはまったく不可能
であるとされていた。特にこれを半導体集積回路と同様
のフォトリソグラフィ技術を用い多層配線を行ったり、
この薄膜超電導を用いて新しい電子ディバイスを作るこ
とはまったく不可能であった。
「問題を解決すべき手段」 本発明はかかる薄膜状とし、この薄膜を用いて電子デ
ィバイスを作らんとしたものである。
本発明は予め所望の形状を有する基体、例えば円筒状
または板状の基体に対し、薄膜状にセラミック材料、特
に酸化物セラミック材料または酸化雰囲気でアニール
後、超電導酸化物セラミックとなる出発材料を電子ビー
ム蒸着法、スパッタ法、印刷法例えばスクリーン印刷法
またはその他の方法により形成する。
この薄膜を形成すると、初期においてはこの薄膜はア
モルファス構造または格子歪および格子欠陥を多量に有
する微結晶を有する多結晶構造を呈する。この構造では
一般に半導体性または超電導性を有さない導電性または
絶縁性である。
このためかかる状態の膜に対し、930〜950℃での熱酸
化または焼成を行い、その後徐冷することにより、斜方
晶形のペルブスカイト構造を有する超電導材料に変成さ
せることができる。本発明はかかる超電導セラミックス
をレーザ光またはそれと同様の強光により1000℃以上の
高温にし、かつ急冷すると、その照射された領域は正方
晶形のペルブスカイト構造またはアモルファス構造に変
成し、非超電導材料となることを実験的に発見した。こ
のため本発明はかかるセラミックスに対して焼成して超
電導材料にした後、選択的にレーザ光を照射、さらに必
要に応じ走査(スキャン)を加え、一定の領域、例えば
一定の巾を有する帯状にセラミック材料を非超電導材料
に変成する。
するとこのレーザ照射により正方晶形の結晶構造を有
する多結晶またはアモルファス構造に変成し、この領域
以外の部分のみ一定のTcを有する超電導材料とすること
ができる。このスパッタ法等で形成される膜はターゲッ
トを調整し、セラミック超電導材料例えば(A1-XBx)yC
uzOwXv但しx=0.1〜1好ましくは0.6〜0.7,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,v=0〜3.0であって、A
は元素周期表IIIa族特にイットリウム(Y)またはラン
タノイドより選ばれた1種類または複数種類の元素、B
は元素周期表IIa族より選ばれた1種類または複数種類
の元素、例えばバリウム(Ba)である。またXは元素周
期表VIIa族またはVIIb族より選ばれた元素であり、前者
の代表例はマンガン(Mn)である。また後者の代表例は
弗素(F)または塩素(Cl)である。
本発明のレーザ光源は例えばYAGレーザ(波長1.06μ
m),エキシマレーザ(KrF,KrCl等),炭酸ガスレーザ
または窒素レーザを用いた。YAGレーザは円状のレーザ
ビームを0.5〜100KHzの周波数で繰り返して照射するこ
とができ、そしてこの照射された部分のみセラミックス
を昇温して急冷させることができる。このセラミックス
は熱伝導係数が比較的小さく、かつ急冷によりアモルフ
ァスまたは正方晶形のペルブスカイト構造を有する多結
晶になるため、レーザ光の照射された部分のみを選択的
に非超電導性の材料とすることができる。
またエキシマレーザを用いる場合は、矩形面例えば20
×30mm2に対してパルス照射をすることが可能となる。
本発明はこれを光学系でしぼることにより円(直径10〜
100μm)また帯状(巾5〜100μm長さ10〜40cm)のレ
ーザビームを作ることができ、このレーザビームをセラ
ミック膜に照射しつつ基板またはレーザ光ビームを移動
する。この時所望の照射領域のセラミックスを非超電導
材料とすることができる。
本発明はかくの如く基板の表面に形成されたセラミッ
ク材料に対し選択的にレーザ光を照射しつつ、また必要
に応じて走査してその部分のみ酸化物の超電導材料を非
超電導材料に変成させることを特徴としている。すると
この周辺部のレーザ光を照射しない領域は実質的に超電
導セラミックスとして残存させ得る。
本発明において、基板材料としてアルミナ、YSZ(イ
ットリア・スタビライズド・ジルコン)、窒化珪素、窒
化アルミニウム、ジルコニア、イットリア、チタン酸ス
トロンチウムを用いた。銅または銅合金等の金属を用い
てもよい。しかし熱膨張係数の最も類似したYSZ,チタン
酸ストロンチウムがレーザ照射を行っていない領域のTc
を高く出し得た。
「作用」 これまでの金属超電導材料を用いる場合、その工程と
してまず線材とする。そしてこれを所定の基体にまいて
ゆくことによりコイルを構成せしめた。
しかし、本発明のセラミック超電導体に関しては、最
終形状の基体を設け、この基体上に結晶化熱処理の後、
斜方晶形のペルブスカイト構造を有し、超電導特性を有
する材料を膜状(そのままでは超電導を呈さない)に形
成する。そしてこの膜に熱処理を施し全面を超電導セラ
ミックスとした後、この膜に対し選択的にレーザ照射お
よび急冷(クィンチ)を行うことにより、照射した部分
のみ正方晶またはアモルファス構造とさせる。そしてこ
のレーザ光を任意に走査することにより、その表面領域
にのみ任意の線、帯または面の非超電導特性を有する領
域を導出させることができる。そしてこの照射領域以外
のセラミックスのみを超電導特性を有するセラミックス
とし、Tco(電気抵抗が零になる温度)またはそれ以下
の温度では抵抗は「0」またはそれに近い状態を生ぜし
め得る。
以下に実施例に従って本発明を説明する。
「実施例1」 第1図は本発明の実施例を示す。
第1図において基体(1)はセラミック材料例えばYS
Zを用いた。金属を用いてもよい。これらの場合、セラ
ミック膜と同程度(±50%以内)の熱膨張係数の差であ
ることが好ましい。この差が大きすぎると予め作られた
超電導セラミックス薄膜(2)は応力歪を有し、超電導
を呈する温度が小さく、また膜に生ずるクラックにより
超電導が観察されなくなってしまう。この実施例では板
状を有する基体上に、電子ビーム蒸着法、スパッタ法ま
たは印刷法例えばスクリーン印刷法により0.1〜50μm
例えば20μmの厚さにセラミックス(2)を形成した。
その材料は(A1-XBx)yCuzOwXvにおいて、x=0.67、
y=3,z=3,w=6〜8,v=0〜3とし、AとしてY、B
としてBa、XとしてMnを用いた。
それを酸化性雰囲気で加熱処理を行った。500〜1000
℃例えば950℃で15時間行った。かくして超電導セラミ
ック膜を形成させた。さらにここではYAGレーザ(波長
1.06μm)(4)をレーザ処理を行うために照射した。
このレーザ光を基板を室温に保持し第1図では左端より
右端に走査し、領域(3)を作製した。YAGレーザ光
(4)はピーク出力は106〜107W/秒であった。このた
め、この領域(3)は一度溶融し、その後急冷により一
部アモルファス、一部正方晶形のペルブスカイト構造を
有する多結晶体となり、非超電導領域を構成させること
ができた。これを強くしすぎると基板(1)をも損傷さ
せてしまうため注意を要する。
またこのレーザ光をエキシマレーザを用いて行うこと
も可である。かかる場合エキシマレーザ光(波長0.25μ
m)を照射しつつ連続的に走査する。これはパルス光で
あるため、そのパルスが帯上に走査するために1つの長
方形スポットに次の長方形ビームの80〜98%が重なるよ
うにした。即ちレーザ光の走査速度は2cm/分とし、周波
数10KHz、ビーム径50μm×10cmとした。
「実施例2」 第2図は本発明の他の実施例を示す。
図面において基体(1)は円筒状を有する。ここに実
施例1と同様に膜状にセラミック材料(2)を形成す
る。
この作製は印刷装置でこの円筒基体(1)を矢印(1
2)に示す如くに回転しつつコーティングすればよい。
次にこれら膜を乾燥させた後、これを950℃の酸素中
に15時間熱処理をした。そしてこの薄膜のすべてを超電
導材料に変成した。この超電導材料をX線解析装置で調
べると、斜方晶形のペルブスカイト構造の多結晶を有し
ていることが判明した。
次にこの膜にYAGレーザ(4)ビーム(径50μm)を
室温にて照射しつつ、このレーザ光を(11)の方向に徐
々に移す。同時に円筒(1)を矢印(12)の方向に回転
させる。するとこの円筒状基体に対し一本の連続した帯
状の照射領域(3)を構成させることができる。これを
X線解析装置で調べると、正方晶形を有するペルブスカ
イト構造の微結晶とアモルファス構造とが混在してい
た。そして電気的には非超電導特性を有する半絶縁性で
あった。この領域によりそれぞれの超電導特性を有する
セラミックス(5−1),(5−2)は電気的に分離さ
れて超電導領域を構成させ得る。ここではこの超電導領
域はコイル状を有し、実質的に超電導マグネットコイル
を構成させることができた。
本発明において、レーザ光の照射された領域を急冷す
るため、この照射時における雰囲気は100℃以下好まし
くは室温にせしめ、パルス光はお互いが20%以下の重な
りとなるようにレーザ光の走査スピードを速めて用い
た。
かくして超電導マグネットを作ることができた。
このコイルの始点と終点とを超電導線で連結すること
により、エネルギ蓄積装置とすることが可能である。
その他は実施例1と同様である。
「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セ
ラミック超電導体を実質的にコイル状、その他の形状に
基板上に選択的に残存させることが可能となった。
本発明においてエネルギー源としてレーザ光を用い
た。しかしこの部分に対して電子ビーム光を照射しても
よい。しかしかかる場合は真空中に被照射面を保持する
ため、急冷させにくいという欠点を有する。
かくして、曲げるとすぐわれてしまうセラミックス超
電導材料をして導線、電極または超電導素子を構成させ
るためのアイソレイションとして膜状または線状に作る
ことができた。
本発明において超電導膜を形成した後、公知のフォト
リソグラフィ技術を用い、所定のパターニンイグをし超
電導素子または超電導配線とすることはその工業的応力
を考えると重要である。
本発明の超電導材料はセラミック材料であればなんで
もよい。
【図面の簡単な説明】
第1図、第2図は本発明の超電導セラミックスの実施例
を示す。 1……基板 2……超電導セラミック材料 3……超電導を呈さない領域 4……レーザ光 5……超電導を呈する領域

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】基体上に超電導状態を呈する超電導材料を
    形成する工程と、該材料の所定の領域に対し選択的にレ
    ーザ光またはそれと同等の強光を照射し、急冷せしめる
    ことにより非超電導材料に変成せしめることを特徴とす
    る超電導体の作製方法。
  2. 【請求項2】特許請求の範囲第1項において、超電導材
    料は斜方晶形ペルブスカイト構造を有し、かつ所定の領
    域は正方晶形のペルブスカイト構造またはアモルファス
    構造を有することを特徴とする超電導体の作製方法。
  3. 【請求項3】特許請求の範囲第1項において、セラミッ
    ク材料の熱膨張係数の±50%以内に概略一致した熱膨張
    係数を有する基板が用いられたことを特徴とした超電導
    体の作製方法。
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