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JP5739726B2 - Superconducting thin film substrate manufacturing method, superconducting thin film substrate, and superconducting thin film - Google Patents
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Description

本発明は、超電導ケーブルや超電導マグネットなどの超電導機器に用いられる超電導薄膜用の基材の製造方法、超電導薄膜用基材及び超電導薄膜に関し、特に、金属基板上に形成される中間層の成膜技術に関する。   The present invention relates to a method of manufacturing a base material for a superconducting thin film used for superconducting equipment such as a superconducting cable and a superconducting magnet, a base material for a superconducting thin film, and a superconducting thin film. Regarding technology.

従来、液体窒素温度(77K)以上で超電導を示す高温超電導体の一種として、RE系超電導体(RE:希土類元素)が知られている。特に、化学式YBaCu7−yで表されるイットリウム系超電導体(以下、Y系超電導体又はYBCO)が代表的である。なお、Y系超電導体には、イットリアの一部をガドリニウム(Gd)で置換した超電導体(例えば(Y+Gd)BCOと表記される)等も含まれる。
Y系超電導体を用いた超電導薄膜(以下、Y系超電導薄膜)は、一般に、金属基板上に中間層、Y系超電導体からなる層(以下、Y系超電導層)、保護層が順に形成された積層構造を有している。
このY系超電導薄膜は、例えば、低磁性の無配向金属基板(例えば、ニッケル基の耐熱・耐食合金であるハステロイ(登録商標、ヘインズ社製))上に配向層を含む中間層を形成し、この配向層上に、パルスレーザ蒸着法(PLD:Pulsed Laser Deposition)や有機金属気相成長法(MOCVD:Metal Organic Chemical Vapor Deposition)等によりY系超電導層を成膜することにより製造される。
Conventionally, RE-based superconductors (RE: rare earth elements) are known as a type of high-temperature superconductor exhibiting superconductivity at a liquid nitrogen temperature (77 K) or higher. In particular, an yttrium-based superconductor represented by the chemical formula YBa 2 Cu 3 O 7-y (hereinafter, Y-based superconductor or YBCO) is representative. Note that the Y-based superconductor includes a superconductor in which a part of yttria is replaced with gadolinium (Gd) (for example, expressed as (Y + Gd) BCO).
A superconducting thin film using a Y-based superconductor (hereinafter referred to as a Y-based superconducting thin film) is generally formed by sequentially forming an intermediate layer, a layer composed of a Y-based superconductor (hereinafter referred to as a Y-based superconducting layer), and a protective layer on a metal substrate. Have a laminated structure.
This Y-based superconducting thin film forms, for example, an intermediate layer including an alignment layer on a low-magnetic non-oriented metal substrate (for example, Hastelloy (registered trademark, manufactured by Haynes) which is a nickel-based heat-resistant and corrosion-resistant alloy) On the alignment layer, a Y-based superconducting layer is formed by pulsed laser deposition (PLD), metal organic chemical vapor deposition (MOCVD), or the like.

このような高温超電導薄膜における臨界電流特性(Ic特性)は、その超電導体の結晶方位、特に2軸配向性に大きく依存することが知られている。したがって、高い2軸配向性を有する超電導層を得るためには、下地となる中間層の結晶性を向上させる必要がある。その方法の一つとして、イオンビームアシスト蒸着法(IBAD:Ion Beam Assisted Deposition)がある(例えば特許文献1)。IBAD法とは、成膜面に対して斜め方向からイオンビームを照射しながら、蒸着源からの蒸着粒子を成膜面に堆積させて配向層を成膜する方法である。IBAD法においては、薄膜で高い2軸配向性が得られることから、岩塩型であるMgOが蒸着源として用いられ、開発の主流となっている。以下において、IBAD法により成膜したMgO層をIBAD−MgO層と称する。   It is known that the critical current characteristic (Ic characteristic) in such a high-temperature superconducting thin film greatly depends on the crystal orientation of the superconductor, particularly biaxial orientation. Therefore, in order to obtain a superconducting layer having high biaxial orientation, it is necessary to improve the crystallinity of the intermediate layer serving as a base. As one of the methods, there is an ion beam assisted deposition (IBAD) (for example, Patent Document 1). The IBAD method is a method in which an alignment layer is formed by depositing vapor deposition particles from a vapor deposition source on a film formation surface while irradiating an ion beam from an oblique direction with respect to the film formation surface. In the IBAD method, since high biaxial orientation is obtained with a thin film, MgO, which is a rock salt type, is used as a vapor deposition source and has become the mainstream of development. Hereinafter, the MgO layer formed by the IBAD method is referred to as an IBAD-MgO layer.

また、IBAD−MgO層上にCeOからなるキャップ層を成膜し、CeOの自己配向効果により面内配向性をさらに向上させる技術が提案されている(例えば特許文献2、非特許文献1)。特許文献2、非特許文献1では、IBAD法により成膜された配向層の上にPLD法によりCeOキャップ層を成膜し、その上に超電導層を成膜する技術が開示されている。 Further, a technique has been proposed in which a cap layer made of CeO 2 is formed on an IBAD-MgO layer, and the in-plane orientation is further improved by the self-alignment effect of CeO 2 (for example, Patent Document 2 and Non-Patent Document 1). ). Patent Document 2 and Non-Patent Document 1 disclose a technique in which a CeO 2 cap layer is formed by a PLD method on an alignment layer formed by an IBAD method, and a superconducting layer is formed thereon.

特開2003−96563号公報JP 2003-96563 A 特開2009−70926号公報JP 2009-70926 A

フジクラ技報 第116号、2009年7月、p38−42Fujikura Technical Review No. 116, July 2009, p38-42

しかしながら、CeOキャップ層をPLD法により成膜する場合、有毒なFガスを用いることとなるため、安全上の取扱いに注意が必要となる。また、KrやNeといった高価な希ガスを用いるため、低コスト化が困難となる。さらに、PLD法によりCeOキャップ層を成膜した場合、CeOキャップ層の表面に直径約1μm、高さ20〜40nm程度のドロップレット呼ばれる突起物が発生しやすい。この突起物は、周囲の結晶とは無関係に形成されるため配向していない。そして、このようなCeOキャップ層上に超電導層を形成した場合、超電導層中に超電導電流の電流パスを阻害する結晶が形成されるため、超電導薄膜の超電導特性(例えばIc特性)が低下してしまう。 However, when the CeO 2 cap layer is formed by the PLD method, since toxic F 2 gas is used, care is required for safe handling. Further, since expensive noble gases such as Kr and Ne are used, it is difficult to reduce the cost. Furthermore, when forming a CeO 2 cap layer by PLD, about the diameter on the surface of CeO 2 cap layer 1 [mu] m, projections are likely to occur called droplets height of about 20 to 40 nm. These protrusions are not oriented because they are formed independently of the surrounding crystal. When a superconducting layer is formed on such a CeO 2 cap layer, a crystal that inhibits the current path of the superconducting current is formed in the superconducting layer, so that the superconducting characteristics (eg, Ic characteristics) of the superconducting thin film are reduced. End up.

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、CeOキャップ層の成膜工程における安全性を向上させるとともに、超電導薄膜の低コスト化と通電特性の向上を図ることができる技術を提供することを目的とする。 The present invention has been made in order to solve the above-mentioned problems, and it is possible to improve the safety of the CeO 2 cap layer in the film formation process, and to reduce the cost of the superconducting thin film and improve the current-carrying characteristics. The purpose is to provide.

請求項1に記載の発明は、
金属基板上にベッド層を成膜する工程と、
前記ベッド層上にイオンビームアシスト蒸着法により配向層を形成する工程と、
不活性ガスと酸素の混合ガス雰囲気中で前記配向層上にスパッタ法によりCeOからなるキャップ層を形成する工程と、
を備え
前記キャップ層を形成する工程における前記混合ガス雰囲気は、酸素分圧が4.0×10 −2 〜1.8×10 −1 Paであることを特徴とする超電導薄膜用基材の製造方法である。
The invention described in claim 1
Forming a bed layer on a metal substrate;
Forming an alignment layer on the bed layer by ion beam assisted deposition;
Forming a cap layer made of CeO 2 by sputtering on the alignment layer in a mixed gas atmosphere of an inert gas and oxygen;
Equipped with a,
In the method for producing a substrate for a superconducting thin film , the mixed gas atmosphere in the step of forming the cap layer has an oxygen partial pressure of 4.0 × 10 −2 to 1.8 × 10 −1 Pa. is there.

請求項に記載の発明は、請求項に記載の超電導薄膜用基材の製造方法において、
前記配向層上にLaMnOからなる格子整合層を形成する工程を有することを特徴とする。
Invention of Claim 2 in the manufacturing method of the base material for superconducting thin films of Claim 1 ,
The method includes a step of forming a lattice matching layer made of LaMnO 3 on the alignment layer.

請求項に記載の発明は、請求項に記載の超電導薄膜用基材の製造方法において、
前記キャップ層を形成する工程における前記混合ガス雰囲気は、酸素分圧が2.0×10−2〜1.3×10−1Paであることを特徴とする。
Invention of Claim 3 in the manufacturing method of the base material for superconducting thin films of Claim 2 ,
The mixed gas atmosphere in the step of forming the cap layer has an oxygen partial pressure of 2.0 × 10 −2 to 1.3 × 10 −1 Pa.

請求項に記載の発明は、請求項1〜の何れか一項に記載の超電導薄膜用基材の製造方法において、
前記キャップ層を形成する工程における前記混合ガス雰囲気は、全圧が3×10−1〜7×10−1Paであることを特徴とする。
Invention of Claim 4 in the manufacturing method of the base material for superconducting thin films as described in any one of Claims 1-3 ,
The mixed gas atmosphere in the step of forming the cap layer is characterized in that the total pressure is 3 × 10 −1 to 7 × 10 −1 Pa.

請求項に記載の発明は、請求項1〜の何れか一項に記載の超電導薄膜用基材の製造方法において、
前記ベッド層が、GZOで構成されていることを特徴とする。
Invention of Claim 5 in the manufacturing method of the base material for superconducting thin films as described in any one of Claims 1-4 ,
The bed layer is made of GZO.

請求項に記載の発明は、請求項1〜の何れか一項に記載の超電導薄膜用基材の製造方法において、
前記ベッド層が、Y/Alの2層で構成されていることを特徴とする。
Invention of Claim 6 in the manufacturing method of the base material for superconducting thin films as described in any one of Claims 1-4 ,
The bed layer is composed of two layers of Y 2 O 3 / Al 2 O 3 .

請求項に記載の発明は、請求項1〜の何れか一項に記載の製造方法により得られる超電導薄膜用基材であって、
前記キャップ層のX線回折によるCeO(200)のピーク位置が32.93°以上であることを特徴とする。
The invention of claim 7 is a superconducting thin film forming substrate obtained by the production method according to any one of claim 1 to 6
The peak position of CeO 2 (200) by X-ray diffraction of the cap layer is 32.93 ° or more.

請求項に記載の発明は、請求項1〜の何れか一項に記載の製造方法により得られる超電導薄膜用基材又は請求項に記載の超電導薄膜用基材の表面に、超電導層を形成してなる超電導薄膜である。 According to an eighth aspect of the present invention, there is provided a superconducting layer on the surface of the superconducting thin film substrate obtained by the manufacturing method according to any one of the first to sixth aspects or the superconducting thin film substrate according to the seventh aspect. Is a superconducting thin film.

以下に、本発明を完成するに至った経緯について説明する。
本発明者は、CeOキャップ層の成膜方法として、有毒ガスであるFや、Kr,Ne等の高価な希ガスを用いる必要のないスパッタ法に着目した。一般に、スパッタ法はAr雰囲気中で行われ、プラズマ放電により発生したArイオンを蒸着源に衝突させることにより、蒸着源からはじき出された蒸着粒子を成膜面に堆積させて成膜する。
しかしながら、一般的なAr雰囲気中でCeOキャップ層を成膜したところ、CeOキャップ層において良好な面内配向性が得られなかった。また、一般的なArを用いたスパッタ法により成膜されたCeOキャップ層には、c軸が基板の垂直方向を向いた結晶(c軸配向結晶)だけでなく、c軸が基板の垂直方向から傾いた結晶(異方位結晶)が存在することがわかった。CeOキャップ層中に異方位結晶が存在すると、この上に超電導層を形成した際に、超電導電流の電流パスを阻害する結晶が形成されるため、超電導薄膜のIc特性が低下することとなる。
Below, the background that led to the completion of the present invention will be described.
The inventor of the present invention paid attention to a sputtering method that does not require the use of an expensive noble gas such as F 2 that is a toxic gas, Kr, or Ne as a method for forming a CeO 2 cap layer. In general, the sputtering method is performed in an Ar atmosphere, and Ar ions generated by plasma discharge collide with a vapor deposition source, thereby depositing vapor deposition particles ejected from the vapor deposition source on the film formation surface.
However, when depositing the CeO 2 cap layer in a typical Ar atmosphere, good in-plane orientation in the CeO 2 cap layer was not obtained. In addition, in the CeO 2 cap layer formed by sputtering using a general Ar, not only the crystal in which the c-axis is oriented in the vertical direction of the substrate (c-axis oriented crystal), but also the c-axis is perpendicular to the substrate. It was found that there was a crystal tilted from the direction (different orientation crystal). When a different orientation crystal is present in the CeO 2 cap layer, when the superconducting layer is formed on the CeO 2 cap layer, a crystal that obstructs the current path of the superconducting current is formed, so that the Ic characteristic of the superconducting thin film is deteriorated. .

そこで、スパッタ法によりCeOキャップ層を成膜する際の成膜条件について検討した。そして、スパッタ法によりCeOキャップ層を成膜する際に、酸素分圧を徐々に増加させていくとある値でCeOキャップ層の面内配向度Δφが最小となり、さらに増加させると面内配向度Δφが増大することを突き止めた。これより、酸素分圧を適正な範囲に制御したアルゴンと酸素の混合ガス雰囲気中でCeOキャップ層を成膜することが、良好な面内配向性を有し、異方位結晶の少ないキャップ層を実現する上で、非常に有効であるという知見を得た。 We investigated the deposition conditions for forming the CeO 2 cap layer by sputtering. When the CeO 2 cap layer is formed by sputtering, the in-plane orientation degree Δφ of the CeO 2 cap layer is minimized at a certain value when the oxygen partial pressure is gradually increased. It was found that the degree of orientation Δφ increases. Thus, forming a CeO 2 cap layer in a mixed gas atmosphere of argon and oxygen in which the oxygen partial pressure is controlled to an appropriate range has a good in-plane orientation and a cap layer with few different orientation crystals. We obtained the knowledge that it is very effective in realizing.

本発明は、上記知見に基づいて完成されたものであり、さらなる実験により、スパッタ法でCeOキャップ層を成膜するときの酸素分圧の範囲を規定している。 The present invention has been completed based on the above findings, and further experiments define the range of the oxygen partial pressure when the CeO 2 cap layer is formed by sputtering.

本発明によれば、スパッタ法によりCeOキャップ層を成膜するので、Fガスなどの有毒ガスを用いる必要がない。したがって、CeOキャップ層の成膜工程における安全性が向上する。また、KrやNeなどの高価な希ガスを用いないので、低コスト化を図ることができる。
さらに、CeOキャップ層の表面にドロップレットが発生しないので、良好な表面平坦性及び面内配向性を有するキャップ層を実現できる。したがって、超電導層中に超電導電流の電流パスを阻害する結晶が形成されなくなり、超電導薄膜の通電特性の向上を図ることができる。
According to the present invention, since the CeO 2 cap layer is formed by sputtering, it is not necessary to use a toxic gas such as F 2 gas. Therefore, the safety in the CeO 2 cap layer deposition process is improved. In addition, since no expensive rare gas such as Kr or Ne is used, the cost can be reduced.
Furthermore, since no droplet is generated on the surface of the CeO 2 cap layer, a cap layer having good surface flatness and in-plane orientation can be realized. Therefore, crystals that inhibit the current path of the superconducting current are not formed in the superconducting layer, and the current-carrying characteristics of the superconducting thin film can be improved.

実施形態に係る超電導薄膜の積層構造を示す図である。It is a figure which shows the laminated structure of the superconducting thin film which concerns on embodiment. 実施形態に係る超電導薄膜用基材の構造を示す図である。It is a figure which shows the structure of the base material for superconducting thin films which concerns on embodiment. 実施形態に係る超電導薄膜用基材の製造工程を示す図である。It is a figure which shows the manufacturing process of the base material for superconducting thin films which concerns on embodiment. 実施形態に係る格子整合層を有した超電導薄膜用基材の構造を示す図である。It is a figure which shows the structure of the base material for superconducting thin films which has the lattice matching layer which concerns on embodiment. 実施形態に係る格子整合層を有した超電導薄膜用基材の製造工程を示す図である。It is a figure which shows the manufacturing process of the base material for superconducting thin films which has the lattice matching layer which concerns on embodiment. キャップ層の面内配向度と酸素分圧の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the in-plane orientation degree of a cap layer, and oxygen partial pressure. キャップ層についてX線回折(銅のKα線)によるθ−2θを測定したときのCeO(200)のピーク位置と酸素分圧の関係を示す図である。It is a diagram showing the relationship between the peak position and the oxygen partial pressure of the X-ray diffraction for the cap layer CeO 2 (200) when the measured theta-2 [Theta] by (K [alpha line of copper). 格子整合層を有した超電導薄膜用基材のキャップ層の面内配向度と酸素分圧の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the in-plane orientation degree of the cap layer of the base material for superconducting thin films which has a lattice matching layer, and oxygen partial pressure.

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
図1は、本実施形態に係る超電導薄膜1の積層構造を示す図である。
図1に示すように、Y系超電導薄膜1は、金属基板10上に中間層20、超電導層30、安定化層40が順に形成された積層構造を有している。図1における金属基板10と中間層20が、本発明に係る超電導薄膜用基材2を構成する。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail.
FIG. 1 is a view showing a laminated structure of a superconducting thin film 1 according to this embodiment.
As shown in FIG. 1, the Y-based superconducting thin film 1 has a laminated structure in which an intermediate layer 20, a superconducting layer 30, and a stabilization layer 40 are formed in this order on a metal substrate 10. The metal substrate 10 and the intermediate layer 20 in FIG. 1 constitute the superconducting thin film substrate 2 according to the present invention.

本実施形態において、金属基板10は、低磁性の無配向金属基板(例えばハステロイC276(登録商標))である。中間層20は、ベッド層及び配向層を有し、超電導層30において高い面内配向性を実現するために形成される。超電導層30は、Y系超電導体からなるY系超電導層であり、例えばMOCVD法により成膜される。超電導層30の上面には、例えばスパッタ法により銀からなる安定化層40が成膜されている。   In the present embodiment, the metal substrate 10 is a low-magnetic non-oriented metal substrate (for example, Hastelloy C276 (registered trademark)). The intermediate layer 20 has a bed layer and an alignment layer, and is formed in order to achieve high in-plane alignment in the superconducting layer 30. The superconducting layer 30 is a Y-based superconducting layer made of a Y-based superconductor, and is formed by, for example, the MOCVD method. On the upper surface of the superconducting layer 30, a stabilizing layer 40 made of silver is formed by sputtering, for example.

図2は、本実施形態に係る超電導薄膜用基材2の構造を示す図である。また、超電導薄膜用基材2の成膜工程を図3に示す。
図2に示すように、中間層20は、ベッド層21、配向層22、キャップ層23を備えて構成されている。
FIG. 2 is a view showing the structure of the superconducting thin film substrate 2 according to this embodiment. Moreover, the film-forming process of the base material 2 for superconducting thin films is shown in FIG.
As shown in FIG. 2, the intermediate layer 20 includes a bed layer 21, an alignment layer 22, and a cap layer 23.

ベッド層21は、配向層22の配向を促すとともに、金属基板10の構成元素が拡散するのを防止するためのGZO(GdZr)からなる層であり、膜厚は20〜200nmである。
ベッド層21は、例えばアルゴン雰囲気中でRFスパッタ法により成膜される(図3のステップS101)。RFスパッタ法では、プラズマ放電で発生した不活性ガスイオン(例えばAr)を蒸着源(GZO)に衝突させ、はじき出された蒸着粒子を成膜面に堆積させて成膜する。このときの成膜条件は、ベッド層21の膜厚等によって適宜設定されるが、例えば、RFスパッタ出力:100〜500W、搬送速度:10〜100m/h、成膜温度:20〜500℃とされる。
なお、ベッド層21の成膜には、イオン発生器(イオン銃)で発生させたイオンを蒸着源に衝突させるイオンビームスパッタ法を利用することもできる。
The bed layer 21 is a layer made of GZO (Gd 2 Zr 2 O 7 ) for promoting the orientation of the orientation layer 22 and preventing the constituent elements of the metal substrate 10 from diffusing, and has a thickness of 20 to 200 nm. It is.
The bed layer 21 is formed, for example, by RF sputtering in an argon atmosphere (step S101 in FIG. 3). In the RF sputtering method, an inert gas ion (for example, Ar + ) generated by plasma discharge is caused to collide with a vapor deposition source (GZO), and the ejected vapor deposition particles are deposited on a film formation surface to form a film. The film formation conditions at this time are appropriately set depending on the film thickness of the bed layer 21 and the like. For example, RF sputtering output: 100 to 500 W, transfer speed: 10 to 100 m / h, film formation temperature: 20 to 500 ° C. Is done.
The bed layer 21 can be formed by ion beam sputtering in which ions generated by an ion generator (ion gun) collide with a vapor deposition source.

配向層22は、超電導層30の結晶を一定の方向に配向させるためのMgOからなる多結晶薄膜であり、膜厚は1〜20nmである。配向層22は、アルゴン、酸素、又はアルゴンと酸素の混合ガス雰囲気中でIBAD法により成膜される(図3のステップS102)。IBAD法では、アシストイオンビームを成膜面に対して斜め方向から照射しながら、RFスパッタ(又はイオンビームスパッタ)により蒸着源(MgO)からはじき出された蒸着粒子を成膜面に堆積させて成膜する。このときの成膜条件は、配向層22の膜厚等によって適宜設定されるが、例えば、アシストイオンビーム電圧:800〜1500V、アシストイオンビーム電流:80〜350mA、アシストイオンビーム加速電圧:200V、RFスパッタ出力:800〜1500W、搬送速度:80〜500m/h、成膜温度:5〜250℃とされる。
なお、配向層22の成膜には、蒸着源をMgとして、アルゴンと酸素の混合ガス雰囲気中でスパッタすることにより、はじき出されたMgと酸素を反応させてMgOを成膜させる反応性スパッタを利用することもできる。
The alignment layer 22 is a polycrystalline thin film made of MgO for aligning the crystals of the superconducting layer 30 in a certain direction, and has a film thickness of 1 to 20 nm. The alignment layer 22 is formed by the IBAD method in an atmosphere of argon, oxygen, or a mixed gas of argon and oxygen (step S102 in FIG. 3). In the IBAD method, an assist ion beam is irradiated from an oblique direction with respect to a film formation surface, and vapor deposition particles ejected from a vapor deposition source (MgO) by RF sputtering (or ion beam sputtering) are deposited on the film formation surface. Film. The film formation conditions at this time are appropriately set depending on the film thickness of the alignment layer 22 and the like. For example, assist ion beam voltage: 800 to 1500 V, assist ion beam current: 80 to 350 mA, assist ion beam acceleration voltage: 200 V, RF sputtering output: 800 to 1500 W, transport speed: 80 to 500 m / h, film forming temperature: 5 to 250 ° C.
The alignment layer 22 is formed by reactive sputtering, in which Mg is formed by reacting the Mg and oxygen that is sputtered out by sputtering in a mixed gas atmosphere of argon and oxygen with the deposition source being Mg. It can also be used.

キャップ層23は、配向層22を保護するとともに超電導層30との格子整合性を高めるためのCeOからなる層で、膜厚は200〜400nmである。キャップ層23は、RFスパッタ法により成膜される(図3のステップS103)。このときの成膜条件は、キャップ層23の膜厚等によって適宜設定されるが、例えば、RFスパッタ出力:400〜1000W、搬送速度:2〜50m/h、成膜温度:450〜800℃とされる。
本実施形態では、キャップ層23の成膜工程を、酸素分圧が2.0×10−2〜2.9×10−1Paであるアルゴンと酸素の混合ガス雰囲気中で行う。これにより、良好な表面平坦性及び面内配向性を有するキャップ層23を実現できる。
The cap layer 23 is a layer made of CeO 2 for protecting the alignment layer 22 and improving the lattice matching with the superconducting layer 30 and has a film thickness of 200 to 400 nm. The cap layer 23 is formed by RF sputtering (step S103 in FIG. 3). The film formation conditions at this time are set as appropriate depending on the film thickness of the cap layer 23 and the like. For example, RF sputtering output: 400 to 1000 W, transfer speed: 2 to 50 m / h, film formation temperature: 450 to 800 ° C. Is done.
In the present embodiment, the cap layer 23 is formed in a mixed gas atmosphere of argon and oxygen having an oxygen partial pressure of 2.0 × 10 −2 to 2.9 × 10 −1 Pa. Thereby, the cap layer 23 having good surface flatness and in-plane orientation can be realized.

図4は、本実施形態に係る超電導薄膜用基材3の構造を示す図である。また、超電導薄膜用基材3の成膜工程を図5に示す。
図4に示すように、中間層20は、ベッド層21、配向層22、格子整合層24、キャップ層23を備えて構成されている。
FIG. 4 is a view showing the structure of the superconducting thin film substrate 3 according to this embodiment. Moreover, the film-forming process of the base material 3 for superconducting thin films is shown in FIG.
As shown in FIG. 4, the intermediate layer 20 includes a bed layer 21, an alignment layer 22, a lattice matching layer 24, and a cap layer 23.

ベッド層21、配向層22、キャップ層23は図2と同様の構成であり、図3と同様の成膜工程で成膜される。
格子整合層24は、MgOからなる配向層22とCeOからなるキャップ層23との不整合度を緩和するためのLMO(LaMnO)からなる層であり、膜厚は20〜80nmである。
格子整合層24は、RFスパッタ法により成膜される(図5のステップS104)。このときの成膜条件は、キャップ層23の膜厚等によって適宜設定されるが、例えば、RFスパッタ出力:100〜300W、搬送速度:20〜90m/h、成膜温度:550℃〜950℃とされる。
The bed layer 21, the alignment layer 22, and the cap layer 23 have the same configuration as in FIG. 2, and are formed by the same film forming process as in FIG.
The lattice matching layer 24 is a layer made of LMO (LaMnO 3 ) for relaxing the mismatch between the alignment layer 22 made of MgO and the cap layer 23 made of CeO 2 , and has a film thickness of 20 to 80 nm.
The lattice matching layer 24 is formed by RF sputtering (step S104 in FIG. 5). The film formation conditions at this time are appropriately set depending on the film thickness of the cap layer 23 and the like. For example, RF sputtering output: 100 to 300 W, transfer speed: 20 to 90 m / h, film formation temperature: 550 ° C. to 950 ° C. It is said.

[実施例1]
実施例1では、ハステロイ基板10をRFスパッタ成膜装置に導入し、1×10−3Paまで真空引きした。そして、GZOを蒸着源として、RFスパッタ法によりGZOからなるベッド層21を、室温において、膜厚100nm、搬送速度30m/hで成膜した。
[Example 1]
In Example 1, the Hastelloy substrate 10 was introduced into an RF sputtering film forming apparatus and evacuated to 1 × 10 −3 Pa. Then, the bed layer 21 made of GZO was formed at room temperature at a film thickness of 100 nm and a conveyance speed of 30 m / h by RF sputtering using GZO as an evaporation source.

次に、ベッド層21を成膜した基材をIBAD装置に導入し、1×10−4Paまで真空引きした。そして、MgOを蒸着源として、IBAD法によりMgOからなる配向層22を、室温において、膜厚5nm、搬送速度80m/hで成膜した。 Next, the base material on which the bed layer 21 was formed was introduced into an IBAD apparatus and evacuated to 1 × 10 −4 Pa. Then, the alignment layer 22 made of MgO was deposited at room temperature at a film thickness of 5 nm and a transport speed of 80 m / h by using the IBAD method using MgO as a deposition source.

次に、配向層22を成膜した基材をRFスパッタ成膜装置に導入し、1×10−3Paまで真空引きした。そして、基材温度(成膜温度)が500℃になるまで昇温した後、3.0×10−3Paまで真空引きした。
その後、アルゴンと酸素の混合ガスを導入して全圧を4.4×10−1Paとした。そして、CeOを蒸着源として、RFスパッタ法によりCeOからなるキャップ層23を、膜厚400nmで成膜した。成膜条件は、RFスパッタ出力:800W、搬送速度:4m/hとした。この際、酸素分圧によるキャップ層23の性状の変化を調べるために、酸素分圧を0〜2.9×10−1Paの範囲で変化させた。
そして、得られた超電導薄膜用基材2に超電導層30及び安定化層40を成膜し、超電導薄膜1を作製した。
Next, the base material on which the alignment layer 22 was formed was introduced into an RF sputtering film forming apparatus and evacuated to 1 × 10 −3 Pa. And it heated up until base-material temperature (film-forming temperature) became 500 degreeC, Then, it vacuumed to 3.0 * 10 < -3 > Pa.
Thereafter, a mixed gas of argon and oxygen was introduced to make the total pressure 4.4 × 10 −1 Pa. Then, the CeO 2 as an evaporation source, a cap layer 23 made of CeO 2 by RF sputtering, was formed in a thickness of 400 nm. The film formation conditions were RF sputter output: 800 W and transfer speed: 4 m / h. At this time, the oxygen partial pressure was changed in the range of 0 to 2.9 × 10 −1 Pa in order to examine the change in the properties of the cap layer 23 due to the oxygen partial pressure.
And the superconducting layer 30 and the stabilization layer 40 were formed into the film | membrane 2 for obtained superconducting thin films, and the superconducting thin film 1 was produced.

[実施例2]
実施例2では、キャップ層23の成膜工程において、搬送速度を8m/hとして、CeOからなるキャップ層23を膜厚200nmで成膜した。この際、酸素分圧によるキャップ層23の性状を調べるために、酸素分圧を0〜2.9×10−1Paの範囲で変化させた。その他の成膜条件は実施例1と同様とした。
そして、得られた超電導薄膜用基材2に超電導層30及び安定化層40を成膜し、超電導薄膜1を作製した。
[Example 2]
In Example 2, in the film forming process of the cap layer 23, the cap layer 23 made of CeO 2 was formed with a film thickness of 200 nm at a conveyance speed of 8 m / h. At this time, the oxygen partial pressure was changed in the range of 0 to 2.9 × 10 −1 Pa in order to examine the properties of the cap layer 23 due to the oxygen partial pressure. Other film forming conditions were the same as in Example 1.
And the superconducting layer 30 and the stabilization layer 40 were formed into the film | membrane 2 for obtained superconducting thin films, and the superconducting thin film 1 was produced.

図6は、実施例1,2で得られた超電導薄膜用基材2のキャップ層23の面内配向度と酸素分圧の関係を示す図である。また、図7は、実施例1,2で得られた超電導薄膜用基材2のキャップ層23について、X線回折(銅のKα線)によるθ−2θを測定したときのCeO(200)のピーク位置と酸素分圧の関係を示す図である。 FIG. 6 is a graph showing the relationship between the in-plane orientation degree of the cap layer 23 of the superconducting thin film substrate 2 obtained in Examples 1 and 2 and the oxygen partial pressure. FIG. 7 shows CeO 2 (200) when θ-2θ is measured by X-ray diffraction (copper Kα ray) for the cap layer 23 of the superconducting thin film substrate 2 obtained in Examples 1 and 2. It is a figure which shows the relationship between the peak position of and oxygen partial pressure.

[実施例3]
実施例3では、ハステロイ基板10をRFスパッタ成膜装置に導入し、1×10−3Paまで真空引きした。そして、GZOを蒸着源として、RFスパッタ法によりGZOからなるベッド層21を、室温において、膜厚100nm、搬送速度30m/hで成膜した。
[Example 3]
In Example 3, the Hastelloy substrate 10 was introduced into an RF sputtering film forming apparatus and evacuated to 1 × 10 −3 Pa. Then, the bed layer 21 made of GZO was formed at room temperature at a film thickness of 100 nm and a conveyance speed of 30 m / h by RF sputtering using GZO as an evaporation source.

次に、ベッド層21を成膜した基材をIBAD装置に導入し、1×10−4Paまで真空引きした。そして、MgOを蒸着源として、IBAD法によりMgOからなる配向層22を、室温において、膜厚5nm、搬送速度80m/hで成膜した。 Next, the base material on which the bed layer 21 was formed was introduced into an IBAD apparatus and evacuated to 1 × 10 −4 Pa. Then, the alignment layer 22 made of MgO was deposited at room temperature at a film thickness of 5 nm and a transport speed of 80 m / h by using the IBAD method using MgO as a deposition source.

次に、配向層22を成膜した基材をRFスパッタ成膜装置に導入し、1×10−3Paまで真空引きした。そして、基材温度(成膜温度)が800℃になるまで昇温した後、3.0×10−3Paまで真空引きした。そして、LaMnOを蒸着源として、RFスパッタ法によりLaMnOからなる格子整合層24を、膜厚30nm、搬送速度60m/hで成膜した。 Next, the base material on which the alignment layer 22 was formed was introduced into an RF sputtering film forming apparatus and evacuated to 1 × 10 −3 Pa. And it heated up until the substrate temperature (film-forming temperature) became 800 degreeC, Then, it vacuumed to 3.0 * 10 < -3 > Pa. Then, using LaMnO 3 as an evaporation source, the lattice matching layer 24 made of LaMnO 3 was formed by RF sputtering at a film thickness of 30 nm and a conveyance speed of 60 m / h.

次に、格子整合層24を成膜した基材をRFスパッタ成膜装置に導入し、1×10−3Paまで真空引きした。そして、基材温度(成膜温度)が700℃になるまで昇温した後、3.0×10−3Paまで真空引きした。
その後、アルゴンと酸素の混合ガスを導入して全圧を4.4×10−1Paとした。そして、CeOを蒸着源として、RFスパッタ法によりCeOからなるキャップ層23を、膜厚200nmで成膜した。成膜条件は、RFスパッタ出力:800W、搬送速度:4m/hとした。この際、酸素分圧によるキャップ層23の性状の変化を調べるために、酸素分圧を0〜2.9×10−1Paの範囲で変化させた。
そして、得られた超電導薄膜用基材3に超電導層30及び安定化層40を成膜し、超電導薄膜1を作製した。
図8は、実施例3で得られた超電導薄膜用基材3のキャップ層23の面内配向度と酸素分圧の関係を示す図である。
Next, the base material on which the lattice matching layer 24 was formed was introduced into an RF sputtering film forming apparatus and evacuated to 1 × 10 −3 Pa. And it heated up until the substrate temperature (film-forming temperature) became 700 degreeC, Then, it vacuumed to 3.0 * 10 < -3 > Pa.
Thereafter, a mixed gas of argon and oxygen was introduced to make the total pressure 4.4 × 10 −1 Pa. Then, the CeO 2 as an evaporation source, a cap layer 23 made of CeO 2 by RF sputtering, was formed in a thickness of 200 nm. The film formation conditions were RF sputter output: 800 W and transfer speed: 4 m / h. At this time, the oxygen partial pressure was changed in the range of 0 to 2.9 × 10 −1 Pa in order to examine the change in the properties of the cap layer 23 due to the oxygen partial pressure.
And the superconducting layer 30 and the stabilization layer 40 were formed into the film | membrane 3 for obtained superconducting thin films, and the superconducting thin film 1 was produced.
FIG. 8 is a graph showing the relationship between the in-plane orientation degree of the cap layer 23 of the superconducting thin film substrate 3 obtained in Example 3 and the oxygen partial pressure.

実施例1(キャップ層23の膜厚が400nm)の場合は、図6に示すように、酸素分圧が2.0×10−2〜2.9×10−1Paのときに、キャップ層23の面内配向度Δφが6°以下となり、良好な面内配向性を有することが確認された。また、酸素分圧が4.0×10−2〜1.8×10−1Paのときには、キャップ層23の面内配向度Δφが5°以下となり、さらに良好な面内配向性を有することが確認された。また、酸素分圧が5.5×10−2〜1.4×10−1Paのときには、キャップ層23の面内配向度Δφが4.5°以下となり、さらに良好な面内配向性を有することが確認された。 In the case of Example 1 (the thickness of the cap layer 23 is 400 nm), as shown in FIG. 6, when the oxygen partial pressure is 2.0 × 10 −2 to 2.9 × 10 −1 Pa, the cap layer The in-plane orientation degree Δφ of No. 23 was 6 ° or less, and it was confirmed that the film had good in-plane orientation. Further, when the oxygen partial pressure is 4.0 × 10 −2 to 1.8 × 10 −1 Pa, the in-plane orientation degree Δφ of the cap layer 23 is 5 ° or less, and it has a better in-plane orientation. Was confirmed. Further, when the oxygen partial pressure is 5.5 × 10 −2 to 1.4 × 10 −1 Pa, the in-plane orientation degree Δφ of the cap layer 23 is 4.5 ° or less, and a better in-plane orientation is obtained. It was confirmed to have.

酸素分圧が2.0×10−2Pa未満と低い場合、CeOが酸素欠損の状態であり、CeOの立方晶の結晶構造が歪み、完全な結晶構造である立方体から結晶構造にずれが生じる。そのため、結晶の方位のばらつきが大きく、Δφが大きくなってしまったと考えられる。
一方、酸素分圧を大きくしていくとCeOの結晶構造が、完全な結晶構造である立方体に近づくため、結晶の方位がそろいやすく、Δφが小さくなったと考えられる。
When the oxygen partial pressure is as low as less than 2.0 × 10 −2 Pa, CeO 2 is in an oxygen-deficient state, and the crystal structure of the cubic crystal of CeO 2 is distorted, shifting from a cubic structure that is a complete crystal structure to a crystal structure. Occurs. For this reason, it is considered that the variation in crystal orientation is large and Δφ has increased.
On the other hand, when the oxygen partial pressure is increased, the crystal structure of CeO 2 approaches a cube having a complete crystal structure, so that the crystal orientation is likely to be aligned and Δφ is considered to have decreased.

また、図7に示すように、酸素分圧が2.0×10−2Pa以上のときは、CeO(200)のピーク位置が32.93°〜32.96°であった。CeO(200)のピーク位置が高いことから、CeOキャップ層23の格子定数が小さく、MgO配向層22との格子不整合度が小さくなったため、面内配向度Δφが6°以下になったと考えられる。
一方、酸素分圧が2.0×10−2Pa未満のときは、CeO(200)のピーク位置が低いことから、CeOキャップ層23の格子定数が大きく、MgO配向層22との格子不整合度が大きいために、面内配向度Δφが6°より大きくなったと考えられる。
また、酸素分圧が2.9×10−1Paよりも大きいときは、CeO(200)のピーク位置が高いことから、MgO配向層22との格子不整合度は小さいと考えられるが、酸素イオンが蒸着源をスパッタリングする量が多くなり、蒸着源からはじき出されたCeのエネルギーが減少したために面内配向度Δφが6°より大きくなったと考えられる。
なお、CeO(200)におけるピーク位置は、CeOの組成上、最大で33.10°となることから、CeO(200)のピーク位置は、32.93°以上であって、33.10°以下となることが好ましい。
Further, as shown in FIG. 7, when the oxygen partial pressure was 2.0 × 10 −2 Pa or more, the peak position of CeO 2 (200) was 32.93 ° to 32.96 °. Since the CeO 2 (200) peak position is high, the lattice constant of the CeO 2 cap layer 23 is small and the degree of lattice mismatch with the MgO orientation layer 22 is small, so that the in-plane orientation degree Δφ is 6 ° or less. It is thought.
On the other hand, when the oxygen partial pressure is less than 2.0 × 10 −2 Pa, since the peak position of CeO 2 (200) is low, the lattice constant of the CeO 2 cap layer 23 is large, and the lattice with the MgO alignment layer 22 is large. It is considered that the in-plane orientation degree Δφ is larger than 6 ° due to the large degree of mismatch.
Further, when the oxygen partial pressure is larger than 2.9 × 10 −1 Pa, since the peak position of CeO 2 (200) is high, it is considered that the degree of lattice mismatch with the MgO alignment layer 22 is small. It is considered that the in-plane orientation degree Δφ is larger than 6 ° because the amount of oxygen ions sputtering the deposition source is increased and the energy of Ce ejected from the deposition source is reduced.
Since the peak position of CeO 2 (200) is 33.10 ° at the maximum due to the composition of CeO 2 , the peak position of CeO 2 (200) is 32.93 ° or more, and The angle is preferably 10 ° or less.

実施例2(キャップ層23の膜厚が200nm)の場合は、図6に示すように、酸素分圧が3.0×10−2〜1.8×10−1Paのときに、キャップ層23の面内配向度Δφが6°以下となり、良好な面内配向性を有することが確認された。 In the case of Example 2 (the thickness of the cap layer 23 is 200 nm), as shown in FIG. 6, when the oxygen partial pressure is 3.0 × 10 −2 to 1.8 × 10 −1 Pa, the cap layer The in-plane orientation degree Δφ of No. 23 was 6 ° or less, and it was confirmed that the film had good in-plane orientation.

実施例1と同様に、酸素分圧が3.0×10−2Pa未満と低い場合、CeOが酸素欠損の状態であり、CeOの立方晶の結晶構造が歪み、完全な結晶構造である立方体から結晶構造にずれが生じる。そのため、結晶の方位のばらつきが大きく、Δφが大きくなってしまったと考えられる。
一方、酸素分圧を大きくしていくとCeOの結晶構造が、完全な結晶構造である立方体に近づくため、結晶の方位がそろいやすく、Δφが小さくなったと考えられる。
As in Example 1, when the oxygen partial pressure is as low as less than 3.0 × 10 −2 Pa, CeO 2 is in an oxygen deficient state, and the cubic crystal structure of CeO 2 is distorted, resulting in a complete crystal structure. A crystal structure shifts from a certain cube. For this reason, it is considered that the variation in crystal orientation is large and Δφ has increased.
On the other hand, when the oxygen partial pressure is increased, the crystal structure of CeO 2 approaches a cube having a complete crystal structure, so that the crystal orientation is likely to be aligned and Δφ is considered to have decreased.

また、図7に示すように、酸素分圧が3.0×10−2Pa以上のときは、CeO(200)のピーク位置が32.95°以上であった。CeO(200)のピーク位置が高いことから、CeOキャップ層23の格子定数が小さく、MgO配向層22との格子不整合度が小さくなったため、面内配向度Δφが6°以下になったと考えられる。
一方、酸素分圧が3.0×10−2Pa未満のときは、CeO(200)のピーク位置が低いことから、CeOキャップ層23の格子定数が大きく、MgO配向層22との格子不整合度が大きいために、面内配向度Δφが6°より大きくなったと考えられる。
また、酸素分圧が1.8×10−1Paよりも大きいときは、CeO(200)のピーク位置が高いことから、MgO配向層22との格子不整合度は小さいと考えられるが、酸素イオンが蒸着源をスパッタリングする量が多くなり、蒸着源からはじき出されたCeのエネルギーが減少したために面内配向度Δφが6°より大きくなったと考えられる。
Further, as shown in FIG. 7, when the oxygen partial pressure was 3.0 × 10 −2 Pa or more, the peak position of CeO 2 (200) was 32.95 ° or more. Since the CeO 2 (200) peak position is high, the lattice constant of the CeO 2 cap layer 23 is small and the degree of lattice mismatch with the MgO orientation layer 22 is small, so that the in-plane orientation degree Δφ is 6 ° or less. It is thought.
On the other hand, when the oxygen partial pressure is less than 3.0 × 10 −2 Pa, since the peak position of CeO 2 (200) is low, the lattice constant of the CeO 2 cap layer 23 is large, and the lattice with the MgO alignment layer 22 is large. It is considered that the in-plane orientation degree Δφ is larger than 6 ° due to the large degree of mismatch.
Further, when the oxygen partial pressure is larger than 1.8 × 10 −1 Pa, since the peak position of CeO 2 (200) is high, it is considered that the degree of lattice mismatch with the MgO alignment layer 22 is small. It is considered that the in-plane orientation degree Δφ is larger than 6 ° because the amount of oxygen ions sputtering the deposition source is increased and the energy of Ce ejected from the deposition source is reduced.

実施例3(LaMnO層(格子整合層24)をキャップ層23と配向層22の間に導入した場合、キャップ層23の膜厚は200nm)の場合は、図8に示すように、酸素分圧が2.0×10−2〜1.3×10−1Paのときに、キャップ層23の面内配向度Δφが6.5°以下となり、良好な面内配向性を有することが確認された。 In the case of Example 3 (when the LaMnO 3 layer (lattice matching layer 24) is introduced between the cap layer 23 and the alignment layer 22, the thickness of the cap layer 23 is 200 nm), as shown in FIG. When the pressure is 2.0 × 10 −2 to 1.3 × 10 −1 Pa, the in-plane orientation degree Δφ of the cap layer 23 is 6.5 ° or less, and it is confirmed that the in-plane orientation is good. It was done.

実施例1、2と同様に、酸素分圧が2.0×10−2Pa未満と低い場合、CeOが酸素欠損の状態であり、CeOの立方晶の結晶構造が歪み、完全な結晶構造である立方体から結晶構造にずれが生じる。そのため、結晶の方位のばらつきが大きく、Δφが大きくなってしまったと考えられる。
一方、酸素分圧を大きくしていくとCeOの結晶構造が、完全な結晶構造である立方体に近づくため、結晶の方位がそろいやすく、Δφが小さくなったと考えられる。
また、酸素分圧が1.3×10−1Paよりも大きいときは、CeO(200)のピーク位置が高いことから、MgO配向層22との格子不整合度は小さいと考えられるが、酸素イオンが蒸着源をスパッタリングする量が多くなり、蒸着源からはじき出されたCeのエネルギーが減少したために面内配向度Δφが6.5°より大きくなったと考えられる。
As in Examples 1 and 2, when the oxygen partial pressure is as low as less than 2.0 × 10 −2 Pa, CeO 2 is in an oxygen deficient state, and the crystal structure of the cubic crystal of CeO 2 is distorted, resulting in a complete crystal The crystal structure is deviated from the cubic structure. For this reason, it is considered that the variation in crystal orientation is large and Δφ has increased.
On the other hand, when the oxygen partial pressure is increased, the crystal structure of CeO 2 approaches a cube having a complete crystal structure, so that the crystal orientation is likely to be aligned and Δφ is considered to have decreased.
Further, when the oxygen partial pressure is larger than 1.3 × 10 −1 Pa, since the peak position of CeO 2 (200) is high, the degree of lattice mismatch with the MgO alignment layer 22 is considered to be small. It is considered that the in-plane orientation degree Δφ is larger than 6.5 ° because the amount of oxygen ions that sputter the deposition source increases and the energy of Ce ejected from the deposition source decreases.

実施例1〜3のキャップ層23表面の突起物の中で直径が3μm以下のものは、高さが20nmよりも小さいことを確認した。   Among the protrusions on the surface of the cap layer 23 in Examples 1 to 3, it was confirmed that those having a diameter of 3 μm or less had a height smaller than 20 nm.

また、実施例1〜3で得られた超電導薄膜(幅1cm)について、液体窒素中における臨界電流を、4端子法により電圧定義1μV/cmとして測定したところ、キャップ層23の面内配向度Δφが小さいほどIc特性が良好になる傾向が見られた。具体的には、キャップ層23の面内配向度Δφが6.5°以下の場合は臨界電流値が150A以上、6°以下の場合は200A以上、5°以下の場合は250A以上、4.5°以下の場合は300A以上となった。   Moreover, when the critical current in liquid nitrogen was measured as a voltage definition of 1 μV / cm by the four-terminal method for the superconducting thin films (width 1 cm) obtained in Examples 1 to 3, the in-plane orientation degree Δφ of the cap layer 23 was measured. There was a tendency for Ic characteristics to be better as the value was smaller. Specifically, when the in-plane orientation degree Δφ of the cap layer 23 is 6.5 ° or less, the critical current value is 150 A or more, when it is 6 ° or less, 200 A or more, and when it is 5 ° or less, 250 A or more. In the case of 5 degrees or less, it was 300 A or more.

このように、本実施形態では、金属基板10上にベッド層21を成膜し(図3、5のステップS101)と、ベッド層21上にイオンビームアシスト蒸着法により配向層22を形成し(図3、5のステップS102)、アルゴンと酸素の混合ガス雰囲気中で配向層22上にスパッタ法によりCeOからなるキャップ層23を形成する(図3、5のステップS103)。また、CeOからなるキャップ層23を形成する工程を、酸素分圧が2.0×10−2〜2.9×10−1Paであるアルゴンと酸素の混合ガス雰囲気中で行う。 Thus, in this embodiment, the bed layer 21 is formed on the metal substrate 10 (step S101 in FIGS. 3 and 5), and the alignment layer 22 is formed on the bed layer 21 by ion beam assisted deposition ( step S102 in FIG. 3 and 5), forming a cap layer 23 made of CeO 2 by sputtering on the alignment layer 22 in a mixed gas atmosphere of argon and oxygen (the step S103 in FIG. 3 and 5). Further, the step of forming a cap layer 23 made of CeO 2, carried out at an oxygen partial pressure of 2.0 × 10 -2 ~2.9 × 10 -1 Pa at a argon and oxygen mixed gas atmosphere of.

これにより、PLD法のようにFガスなどの有毒ガスを用いる必要がないので、CeOキャップ層23の成膜工程における安全性が向上する。また、KrやNeなどの高価な希ガスを用いないので、低コスト化を図ることができる。
さらに、CeOキャップ層23の表面にドロップレットが発生しないので、良好な表面平坦性及び面内配向性を有するキャップ層を実現できる(例えば、膜厚400μmのときに面内配向度Δφが6.5°以下)。したがって、超電導層中に超電導電流の電流パスを阻害する結晶が形成されなくなり、超電導薄膜の通電特性の向上を図ることができる。
また、酸素分圧の範囲を最適化することにより、CeOキャップ層23の面内配向性をさらに向上させ、CeOキャップ層23の薄膜化を図ることができる。
なお、CeOキャップ層23の薄膜化の際には、面内配向度Δφが6.5°以下であることが望まれるため、キャップ層23の膜厚は好ましくは150nm以上である。また、面内配向度は、キャップ層23を厚くすることにより向上するが、800nmを超えると、面内配向度の向上は飽和してくるため、キャップ層23の膜厚は好ましくは800nm以下である。
Thereby, since it is not necessary to use a toxic gas such as F 2 gas as in the PLD method, safety in the film forming process of the CeO 2 cap layer 23 is improved. In addition, since no expensive rare gas such as Kr or Ne is used, the cost can be reduced.
Further, since no droplets are generated on the surface of the CeO 2 cap layer 23, a cap layer having good surface flatness and in-plane orientation can be realized (for example, when the film thickness is 400 μm, the in-plane orientation degree Δφ is 6). .5 ° or less). Therefore, crystals that inhibit the current path of the superconducting current are not formed in the superconducting layer, and the current-carrying characteristics of the superconducting thin film can be improved.
Further, by optimizing the range of oxygen partial pressure, further increase the plane orientation of the CeO 2 cap layer 23 can be thinned in the CeO 2 cap layer 23.
Note that when the CeO 2 cap layer 23 is thinned, it is desired that the in-plane orientation degree Δφ is 6.5 ° or less, and therefore the thickness of the cap layer 23 is preferably 150 nm or more. Further, the in-plane orientation degree is improved by increasing the thickness of the cap layer 23. However, since the improvement in the in-plane orientation degree is saturated when the thickness exceeds 800 nm, the film thickness of the cap layer 23 is preferably 800 nm or less. is there.

なお、混合ガス雰囲気は、全圧が3×10−1〜7×10−1Paであることが好ましい。全圧が7×10−1Paを超えると、不活性ガス量が増えるために、不活性ガスイオンの密度が増え、一つ一つの不活性ガスイオンのもつエネルギーが減少し、その不活性ガスイオンが蒸着減をスパッタリングするため、蒸着源からはじき出されたCeのエネルギーが減少してしまうため好ましくない。また、全圧が3×10−1Pa未満の場合には、不活性ガス量が少ないために、蒸着減をスパッタリングする量が減少し、蒸着源からはじき出されるCeの量が減少するため好ましくない。 The mixed gas atmosphere preferably has a total pressure of 3 × 10 −1 to 7 × 10 −1 Pa. When the total pressure exceeds 7 × 10 −1 Pa, the amount of inert gas increases, so the density of inert gas ions increases, the energy of each inert gas ion decreases, and the inert gas Since ions are sputtered to reduce evaporation, the energy of Ce ejected from the evaporation source is reduced, which is not preferable. In addition, when the total pressure is less than 3 × 10 −1 Pa, the amount of inert gas is small, so the amount of sputtering to reduce the deposition is reduced, and the amount of Ce ejected from the deposition source is reduced, which is not preferable. .

以上、本発明者によってなされた発明を実施形態に基づいて具体的に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で変更可能である。
例えば、上記実施形態では、ベッド層21をGZOで構成した場合について説明したが、Y/Alの2層でベッド層21を構成するようにしてもよい。この場合、Y層が配向層22の配向を促し、Al層が金属基板10からのカチオンの拡散を抑制する。
また例えば、金属基板10には、ハステロイ以外の無配向の金属基板、例えば、SUS304を適用することができる。
As mentioned above, although the invention made by this inventor was concretely demonstrated based on embodiment, this invention is not limited to the said embodiment, It can change in the range which does not deviate from the summary.
For example, although the case where the bed layer 21 is made of GZO has been described in the above embodiment, the bed layer 21 may be made up of two layers of Y 2 O 3 / Al 2 O 3 . In this case, the Y 2 O 3 layer promotes the orientation of the alignment layer 22, and the Al 2 O 3 layer suppresses cation diffusion from the metal substrate 10.
Further, for example, a non-oriented metal substrate other than Hastelloy, such as SUS304, can be applied to the metal substrate 10.

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。   The embodiment disclosed this time should be considered as illustrative in all points and not restrictive. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.

1 超電導薄膜
2 超電導薄膜用基材
3 超電導薄膜用基材
10 金属基板(ハステロイ)
20 中間層
21 ベッド層(GZO)
22 二軸配向層(IBAD−MgO)
23 キャップ層(CeO
24 格子整合層(LaMnO
30 超電導層(YBCO)
40 安定化層
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Superconducting thin film 2 Base material for superconducting thin film 3 Base material for superconducting thin film 10 Metal substrate (Hastelloy)
20 Intermediate layer 21 Bed layer (GZO)
22 Biaxial orientation layer (IBAD-MgO)
23 Cap layer (CeO 2 )
24 Lattice matching layer (LaMnO 3 )
30 Superconducting layer (YBCO)
40 Stabilization layer

Claims (8)

金属基板上にベッド層を成膜する工程と、
前記ベッド層上にイオンビームアシスト蒸着法により配向層を形成する工程と、
不活性ガスと酸素の混合ガス雰囲気中で前記配向層上にスパッタ法によりCeOからなるキャップ層を形成する工程と、
を備え
前記キャップ層を形成する工程における前記混合ガス雰囲気は、酸素分圧が4.0×10 −2 〜1.8×10 −1 Paであることを特徴とする超電導薄膜用基材の製造方法。
Forming a bed layer on a metal substrate;
Forming an alignment layer on the bed layer by ion beam assisted deposition;
Forming a cap layer made of CeO 2 by sputtering on the alignment layer in a mixed gas atmosphere of an inert gas and oxygen;
Equipped with a,
The mixed gas atmosphere in the step of forming the cap layer has an oxygen partial pressure of 4.0 × 10 −2 to 1.8 × 10 −1 Pa .
前記配向層上にLaMnOからなる格子整合層を形成する工程を有することを特徴とする請求項に記載の超電導薄膜用基材の製造方法。 The method for producing a substrate for a superconducting thin film according to claim 1 , further comprising a step of forming a lattice matching layer made of LaMnO 3 on the alignment layer. 前記キャップ層を形成する工程における前記混合ガス雰囲気は、酸素分圧が2.0×10−2〜1.3×10−1Paであることを特徴とする請求項に記載の超電導薄膜用基材の製造方法。 3. The superconducting thin film according to claim 2 , wherein the mixed gas atmosphere in the step of forming the cap layer has an oxygen partial pressure of 2.0 × 10 −2 to 1.3 × 10 −1 Pa. A method for producing a substrate. 前記キャップ層を形成する工程における前記混合ガス雰囲気は、全圧が3×10−1〜7×10−1Paであることを特徴とする請求項1〜の何れか一項に記載の超電導薄膜用基材の製造方法。 The mixed gas atmosphere in the step of forming said cap layer, a superconducting according to any one of claim 1 to 3, wherein the total pressure is 3 × 10 -1 ~7 × 10 -1 Pa A method for producing a thin film substrate. 前記ベッド層が、GZOで構成されていることを特徴とする請求項1〜の何れか一項に記載の超電導薄膜用基材の製造方法。 The said bed layer is comprised with GZO, The manufacturing method of the base material for superconducting thin films as described in any one of Claims 1-4 characterized by the above-mentioned. 前記ベッド層が、Y/Alの2層で構成されていることを特徴とする請求項1〜の何れか一項に記載の超電導薄膜用基材の製造方法。 The bed layer is, Y 2 O 3 / Al 2 superconducting method of manufacturing the thin-film base material according to any one of claim 1 to 4, characterized in that O 3 of which is composed of two layers. 請求項1〜の何れか一項に記載の製造方法により得られる超電導薄膜用基材であって、
前記キャップ層のX線回折によるCeO(200)のピーク位置が32.93°以上であることを特徴とする超電導薄膜用基材。
A substrate for a superconducting thin film obtained by the production method according to any one of claims 1 to 6 ,
A base material for a superconducting thin film, wherein a peak position of CeO 2 (200) by X-ray diffraction of the cap layer is 32.93 ° or more.
請求項1〜の何れか一項に記載の製造方法により得られる超電導薄膜用基材又は請求項に記載の超電導薄膜用基材の表面に、超電導層を形成してなる超電導薄膜。 A superconducting thin film obtained by forming a superconducting layer on the surface of the superconducting thin film substrate obtained by the production method according to any one of claims 1 to 6 or the superconducting thin film substrate according to claim 7 .
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