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JP2768066B2 - 酸化物超電導薄膜上に上層の薄膜を積層する方法 - Google Patents
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JP2768066B2 - 酸化物超電導薄膜上に上層の薄膜を積層する方法 - Google Patents

酸化物超電導薄膜上に上層の薄膜を積層する方法

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JP2768066B2
JP2768066B2 JP3198641A JP19864191A JP2768066B2 JP 2768066 B2 JP2768066 B2 JP 2768066B2 JP 3198641 A JP3198641 A JP 3198641A JP 19864191 A JP19864191 A JP 19864191A JP 2768066 B2 JP2768066 B2 JP 2768066B2
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oxide superconducting
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oxide
superconducting thin
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  • Inorganic Compounds Of Heavy Metals (AREA)
  • Superconductor Devices And Manufacturing Methods Thereof (AREA)
  • Superconductors And Manufacturing Methods Therefor (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は基板上に予め成膜した酸
化物超電導薄膜上に他の薄膜を積層する方法に関するも
のであり、特に、上層の薄膜をエピタキシャル成長させ
るのに適した状態にするために下層の酸化物超電導薄膜
の表面の結晶性を改善する方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】酸化物超電導体を各種電子デバイス等に
応用する場合には、酸化物超電導体を薄膜化して積層す
る必要がある。特に、トンネル型ジョセフソン接合とい
われる超電導体−非超電導体−超電導体接合を酸化物超
電導体を用して実現する場合には、第1の酸化物超電導
薄膜/非超電導体薄膜/第2の酸化物超電導薄膜をこの
順番で順次積層しなければならない。トンネル型ジョセ
フソン接合では、非超電導体層の厚さは超電導体のコヒ
ーレンス長によって決まる。しかし、酸化物超電導体は
コヒーレンス長が数nmと非常に短いため、酸化物超電
導体を使用したトンネル型ジョセフソン接合では、非超
電導体薄膜の厚さを数nm程度にしなければならない。
換言すれば、このような極めて薄い薄膜を作ることが要
求される。一方、この非超電導体薄膜には高い品質も要
求される。すなわち、超電導電子素子としての特性を考
慮した場合には、上記の各薄膜は結晶性が良くなければ
ならず、全ての薄膜が単結晶であることが好ましい。い
ずれかの薄膜が多結晶またはアモルファスである場合に
は、ジョセフソン素子の性能が悪化またはジョセフソン
素子として動作しない場合もある。こうした結晶性が良
く、しかも、超電導特性にも優れた薄膜が要求されるの
はトンネル型ジョセフソン素子に限らず、酸化物超電導
体と半導体を組み合わせた超電導トランジスタ等の素子
でも同様である。
【0003】しかし、全ての薄膜層が優れた結晶性を有
するような超電導体−非超電導体−超電導体接合の積層
構造を、酸化物超電導薄膜の超電導特性を低下させずに
作るのは従来方法では困難である。事実、酸化物超電導
薄膜は空気に触れると、表面から約1nm程度の部分の
超電導性および結晶性はともに消失する。通常、酸化物
超電導薄膜の成膜と、その上に積層する上層の成膜は互
いに異なる成膜装置で行われるため、一方のチャンバー
から他方のチャンバーへ基板を搬送する際に酸化物超電
導薄膜が空気に触れるのは避けられない。そのため、従
来法では、酸化物超電導薄膜上に他の薄膜を積層する前
に、酸化物超電導薄膜を1×10-9Torr程度の超高真空中
で約700 ℃まで加熱する熱処理を行っていた。上記の熱
処理を行った酸化物超電導薄膜は表面の結晶性が改善さ
れ、その上に積層される薄膜はエピタキシャル成長する
が、上記のような超高真空中で酸化物超電導薄膜を加熱
した場合には、薄膜を構成している酸化物超電導体結晶
中の酸素が失われるため、薄膜の超電導特性が悪化した
り、薄膜が超電導性を示さなくなる。上記の熱処理を酸
素中で行えば、薄膜の超電導特性に問題が生じることは
ないが、薄膜表面の結晶性は改善されない。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は従来技
術の問題点を解決して、酸化物超電導薄膜の表面の結晶
性を超電導特性を損なわずに改善する方法を提供するこ
とにある。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明は、基板上に予め
成膜された酸化物超電導薄膜上に上層の薄膜を積層する
方法において、上層の薄膜を成膜する前に圧力1×10-6
Torr以下の高真空中、好ましくは1×10-8Torr以下の超
高真空中で上記酸化物超電導薄膜表面にパルスレーザ光
を照射し、上記酸化物超電導薄膜表面を結晶性表面とす
工程を含むことを特徴とする。
【0006】
【作用】本発明方法で使用するパルスレーザ光は1回の
発光時間が非常に短い、高出力のレーザ光、例えばエキ
シマレーザ等のパルスが好ましい。本発明方法では、こ
のような高出力のパルスレーザ光を表面に照射すること
によって、酸化物超電導薄膜を極めて短い時間で瞬間的
に加熱し、極めて短い時間で冷却する。「加熱」とは広
い意味で、何らかの形でエネルギが加えられることを意
味する。
【0007】本発明方法では、高真空中で上記処理を行
う従来の加熱処理と同様に、結晶性が改善される。しか
し、従来法とは違って、加熱で非常に短時間であるた
め、薄膜内部の酸化物超電導体結晶の酸素が拡散して表
面から失われることはない。従って、上記処理を行った
酸化物超電導薄膜は超電導特性に優れ、しかも、表面の
結晶性も良くなる。その結果、この酸化物超電導薄膜表
面上に成膜する他の薄膜はエピタキシャル成長する。
【0008】本発明方法で使用するレーザはエキシマレ
ーザに代表されるパルス発振の高出力レーザが好まし
く、照射される酸化物超電導薄膜表面上での1パルス当
たりのエネルギ密度は0.01〜0.1 J/cm2 にするのが好
ましい。レーザ光の1パルス当たりのエネルギ密度が0.
01J/cm2 未満ではエネルギが小さすぎて薄膜表面の結
晶性を改善することができず、エネルギ密度が1パルス
当たり0.1 J/cm2 を超えるレーザ光を照射すると、薄
膜表面が損傷を受ける。また、酸化物超電導薄膜の同一
箇所に照射するパルスの数はレーザ光のエネルギー密
度、レーザ光の入射角度、被処理薄膜の表面状態を含む
種々のファクターによって決まる。上記のエネルギ密度
の範囲内では、1〜100 パルスのレーザ光を照射するこ
とが好ましい。実際には、RHEED、LEED等で照
射部分の結晶状態をモニタしながらレーザ光を照射する
のが好ましい。また、同一箇所にパルスレーザ光を複数
回照射する場合には、短時間に連続して複数のパルスを
照射するのは好ましくない。これは、薄膜の照射部分の
温度が高温になって、結晶中の酸素が失われるためであ
る。
【0009】本発明方法は任意の酸化物超電導体に適用
できるが、YBCO系超電導材料、例えばY1Ba2Cu3
7-X 、Bi系複合酸化物、例えばBi2Sr2Ca2Cu3x 、Tl系
複合酸化物、例えばTl2Ba2Ca2Cu3x にすることができ
る。Y1Ba2Cu37-X は高品質の結晶性のよい薄膜を安
定に成膜できるので好ましく、また、Bi系複合酸化物超
電導体は超電導臨界温度Tc が高いので好ましい。これ
らの複合酸化物の薄膜はスパッタリング、レーザ蒸着
法、真空蒸着法で成膜することができる。これらの成膜
法の操作条件自体は公知である。
【0010】酸化物超電導体上に成膜される他の薄膜は
非超電導体の薄膜であるのが好ましく、特に、酸化物超
電導体に類似した結晶構造または格子定数を有する非超
電導材料であるのが好ましい。例としては、BaF2 やMg
O、SrTiO3 等の酸化物を挙げることができる。この非
超電導体薄膜の膜厚は用いる酸化物超電導体のコヒーレ
ンス長さによって決まり、一般には数nmである。
【0011】本発明方法を用いてジョセフソン接合を作
る場合には、上記非超電導体薄膜の上に第2の酸化物超
電導体の薄膜を成膜する。この第2の酸化物超電導体の
薄膜は上記の酸化物超電導薄膜と同じような方法で成膜
することができる。本発明では、下地の非超電導体薄膜
が優れた結晶性を有しているので、その上に成膜される
第2の酸化物超電導体はエピタキシャル成長して優れた
品質の薄膜となる。以下、本発明の実施例を説明する
が、本発明が下記実施例に限定されるものではない。
【0012】
【実施例】実施例1 本発明方法で、MgO基板上に第1の酸化物超電導薄膜、
非超電導体層としてのBaF2 薄膜、第2の酸化物超電導
薄膜をこの順番で積層してジョセフソン接合を作製し
た。先ず、スパッタリング法でMgO(100) 基板 (寸法:
8×10 mm)上に第1の超電導体層となるc軸配向の単結
晶に似たY1Ba2Cu37-X超電導薄膜を成膜した。 主な成膜条件は下記の通り: ターゲット組成 : Y:Ba:Cu=1:2:3 基板温度 : 700 ℃ スパッタリングガス: Ar 90% + O2 10% 圧力 : 3×10-2Torr 膜厚 : 300 nm 次に、この酸化物超電導薄膜を形成したMgO基板を真空
蒸着装置に移動して下記の条件でレーザ光を照射して表
面を処理した: 圧力(真空度) : 1×10-9Torr レーザ光 : KrFエキシマレーザ 波長 : 248 nm エネルギ密度 : 0.02 J/cm2 (薄膜表面上) 1箇所に照射したパルス数: 3〜5パルス(LEED
で観察して決定) この表面処理時には、レーザ光のパルスが酸化物超電導
薄膜上の異なる位置に照射されるようにレーザ光を走査
した。1箇所に照射するパルスの数は、酸化物超電導体
薄膜の表面の状態が良くなるように、LEEDで酸化物
超電導体薄膜を観察しながら決定した。上記の処理の
後、基板温度が200 ℃になるまで加熱し、酸化物超電導
薄膜上にBaF2 薄膜を真空蒸着法で形成した。主な成膜
条件を以下に示す。 基板温度 : 200 ℃ 圧力(真空度) : 1×10-9Torr 膜厚 : 5nm その場のLEED観察で、BaF2 薄膜の結晶状態を確認
したところ、ほぼ単結晶の良好な結晶状態であった。酸
化物超電導体薄膜の臨界温度 Tc を求めるために、BaF
2 薄膜の一部を取り除き、酸化物超電導体薄膜上に電極
を銀ペーストで固定した。通常の4端子法で測定した下
地のY1Ba2Cu37-X薄膜の超電導臨界温度は85Kであっ
た。
【0013】実施例2 実施例1を繰り返したが、下地のY1Ba2Cu37-X薄膜の
膜厚を300nmから200nmに変え、非超電導体のBaF2
薄膜の膜厚を5nmから3nmに変え、さらに、下記の
操作を追加した。BaF2 薄膜を成膜した後に、同じチャ
ンバー内で、このBaF2 薄膜上に第2の酸化物超電導体
薄膜層としてのY1Ba2Cu37-X超電導薄膜をエキシマレ
ーザを用いたレーザ蒸着法で成膜した。成膜条件は下記
の通り: 基板温度 : 700 ℃ 圧力(真空度) : 3×10-9Torr 膜厚 : 200 nm 他の条件は実施例1と同じにした。実施例1と同じ方法
で測定したこの第2の酸化物超電導体Y1Ba2Cu37-X
膜の超電導臨界温度は80Kであった。
【0014】
【発明の効果】本発明方法を用いることによって、酸化
物超電導薄膜上に結晶性の良い薄膜を成膜することがで
きる。従って、この薄膜上に成膜される他の酸化物超電
導薄膜層は優れた結晶性を有し、従って、優れた超電導
特性を示すので、本発明方法は高性能なトンネル型のジ
ョセフソン接合を酸化物超電導体で作る場合に有利であ
る。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) H01L 39/00 ZAA H01L 39/22 - 39/24 ZAA C01B 13/14 ZAA C01G 1/00 H01B 13/00 565 H01B 12/06 ZAA

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 基板上に予め成膜した酸化物超電導薄膜
    上に上層の薄膜を積層する方法において、上層の薄膜を
    成膜する前に、圧力1×10-6Torr以下の高真空中で上記
    酸化物超電導薄膜表面にパルスレーザ光を照射し、上記
    酸化物超電導薄膜表面を結晶性表面とする工程を含むこ
    とを特徴とする方法。
  2. 【請求項2】 上記圧力が、1×10 -8 Torr以下であるこ
    とを特徴とする請求項1に記載の方法。
JP3198641A 1990-07-12 1991-07-12 酸化物超電導薄膜上に上層の薄膜を積層する方法 Expired - Lifetime JP2768066B2 (ja)

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JPH01203203A (ja) * 1988-02-08 1989-08-16 Fujitsu Ltd 超伝導材料層の形成方法
JPH01205579A (ja) * 1988-02-12 1989-08-17 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> 超伝導薄膜および超伝導薄膜素子の形成法

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