JPH0818915B2 - Preparation method of oxide superconducting polycrystalline thin film - Google Patents
Preparation method of oxide superconducting polycrystalline thin filmInfo
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- JPH0818915B2 JPH0818915B2 JP1096309A JP9630989A JPH0818915B2 JP H0818915 B2 JPH0818915 B2 JP H0818915B2 JP 1096309 A JP1096309 A JP 1096309A JP 9630989 A JP9630989 A JP 9630989A JP H0818915 B2 JPH0818915 B2 JP H0818915B2
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Description
【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は、酸化物超伝導多結晶薄膜の作成方法に関す
る。特に、非常に高い結晶配向度と整った結晶粒界を有
する酸化物超伝導体多結晶薄膜の作成方法に関する。The present invention relates to a method for producing an oxide superconducting polycrystalline thin film. In particular, the present invention relates to a method for producing an oxide superconductor polycrystalline thin film having a very high degree of crystal orientation and ordered crystal grain boundaries.
[従来の技術] 従来、酸化物超伝導体の多結晶薄膜を作成する場合、
該薄膜を構成する結晶粒子の配向度が問題となる。特
に、アモルファス薄膜を堆積した後に、熱処理により結
晶成長を進める工程の場合には、結晶の核生成が膜中で
ランダムに起こり、その結果、非常に配向度の低い多結
晶膜となってしまうことが多い。熱処理を必要としない
結晶成膜工程においても、成膜条件によっては配向度が
低い膜や、配向度は高いが、結晶粒径の非常に小さい膜
となってしまうことがある。[Prior Art] Conventionally, when forming a polycrystalline thin film of an oxide superconductor,
The degree of orientation of crystal grains forming the thin film becomes a problem. In particular, in the case of a process of promoting crystal growth by heat treatment after depositing an amorphous thin film, crystal nucleation occurs randomly in the film, resulting in a polycrystalline film with a very low degree of orientation. There are many. Even in the crystal film forming process that does not require heat treatment, depending on the film forming conditions, a film having a low degree of orientation or a film having a high degree of orientation but a very small crystal grain size may be formed.
酸化物超伝導物質の特徴として、基板上に堆積したア
モルファス膜或いは結晶膜を、その融点付近の高温で熱
処理すると、結果的に高い配向性の膜、多くの場合C軸
が基板に垂直に配向した膜が得られる。しかし、融点に
近い高温で熱処理した場合、基板物質と膜の間で化学反
応や相互拡散が生じ、膜の超伝導特性を劣化させてしま
う。また、得られた配向膜の結晶粒径は、不揃いとな
る。A feature of oxide superconducting materials is that when an amorphous film or a crystalline film deposited on a substrate is heat-treated at a high temperature near its melting point, a highly oriented film is obtained, and in many cases the C axis is oriented perpendicular to the substrate. The obtained film is obtained. However, when the heat treatment is performed at a high temperature close to the melting point, a chemical reaction or mutual diffusion occurs between the substrate material and the film, which deteriorates the superconducting property of the film. In addition, the crystal grain sizes of the obtained alignment film are not uniform.
結晶の配向度が低い膜や結晶粒径の不揃いな膜では、
膜表面が肉眼でも確認できる程度に粗く、積層型の素子
の作成に適さない。For a film with a low degree of crystal orientation or a film with uneven crystal grain size,
The surface of the film is so rough that it can be confirmed with the naked eye, and is not suitable for producing a laminated element.
また、多結晶膜を利用した粒界弱結合型の素子の作成
においても、結晶粒径の分布がランダムであると、トン
ネル電流の流れを妨げる欠陥の存在確率が高くなって好
ましくない。Further, also in the production of a weak grain boundary type device using a polycrystalline film, if the distribution of the crystal grain size is random, the existence probability of defects that obstruct the flow of the tunnel current becomes high, which is not preferable.
[発明が解決しようとする問題点] 本発明は、上記のような技術的課題を解決するため
に、以下の特性を有する酸化物超伝導体多結晶薄膜の作
成方法を提供することを目的にする。[Problems to be Solved by the Invention] In order to solve the above technical problems, the present invention aims to provide a method for producing an oxide superconductor polycrystalline thin film having the following characteristics. To do.
即ち、 a.酸化物多結晶薄膜中の成長結晶粒子の大きさ、形、分
布を均一なものにする。That is, a. The size, shape and distribution of grown crystal grains in the oxide polycrystalline thin film are made uniform.
b.酸化物超伝導体多結晶薄膜を構成する結晶粒子の大き
さを目的に合わせて制御する。b. The size of the crystal grains that compose the oxide superconductor polycrystalline thin film is controlled according to the purpose.
c.得られる多結晶薄膜中に形成される結晶粒界の形状、
数、位置、分布を制御する。c. The shape of the grain boundaries formed in the obtained polycrystalline thin film,
Control number, position and distribution.
d.基板上に成長する酸化物超伝導多結晶薄膜中の結晶配
向度を高くする。d. Increase the degree of crystal orientation in the oxide superconducting polycrystalline thin film grown on the substrate.
e.得られる多結晶薄膜の表面を平坦にし、表面粗さ数十
nm以下に近付ける。e. The surface of the obtained polycrystalline thin film is made flat and the surface roughness is tens of degrees.
Get closer to nm or less.
従って、本発明は、非常に高い結晶配向度と整った結
晶粒界を有する酸化物超伝導体多結晶薄膜を作成するこ
とのできる方法を提供することを目的にする。また、従
って、本発明は、高い結晶配向度と制御された結晶粒子
の大きさ、形状等を有するために、粒界弱結合を応用し
た超伝導素子、例えば、ジョセフソン素子作成に利用で
きる酸化物超伝導体多結晶薄膜を作成する方法を提供す
ることを目的にする。また、本発明は、更に、多段階結
晶成長を繰り返し、厚膜にすることができ、高い配向結
晶粒子からなる超伝導テープ状線材の作成の可能にな
り、臨界電流、臨界磁場の高い超伝導線材或いは超伝導
アンテナ等の作成ができる方法を提供することを目的に
する。Therefore, it is an object of the present invention to provide a method capable of producing an oxide superconductor polycrystalline thin film having a very high degree of crystal orientation and ordered grain boundaries. Accordingly, the present invention has a high degree of crystal orientation and a controlled size, shape, etc. of crystal grains, so that a superconducting device to which weak grain boundary coupling is applied, for example, an oxidation that can be used for the production of Josephson devices. An object of the present invention is to provide a method for producing a superconductor polycrystalline thin film. Further, the present invention further enables multi-step crystal growth to be repeated to form a thick film, and enables the production of a superconducting tape-shaped wire consisting of highly oriented crystal grains, which has a high critical current and a high critical magnetic field. It is an object to provide a method capable of producing a wire rod or a superconducting antenna.
[発明の構成] [問題点を解決するための手段] 本発明は、上記の技術的な課題を解決するために、基
板上に酸化物超伝導体多結晶薄膜を作成する方法におい
て、まず、該基板上に、所望の酸化物超伝導体と少なく
とも陽イオン組成が同じ、平均組成を有する合金或いは
アモルファス薄膜を、厚さ5nm以上20nm以下に形成し、
その形成された薄膜を、空気中或いはは不活性ガスと酸
素の混合ガス雰囲気中で、400℃〜1200℃の温度で、1
分間以上熱処理することにより、所定の微小超伝導体結
晶(以下種結晶とも称する)粒子を複数個形成してお
き、この種結晶粒子を核として該基板上に酸化物超伝導
体の結晶を成長せしめ、この微小結晶粒子の結晶の配置
及び方位に基づいて、成長した結晶粒子の粒子径及び粒
界分布が決められた単層多結晶薄膜を形成することを特
徴とする酸化物超伝導体多結晶薄膜の作成法を提供す
る。そして、更に、この種結晶粒子上への結晶成長操作
を、複数回繰り返すことにより、多層多結晶薄膜を形成
すると好適である。また、種結晶の形成のための該薄膜
の熱処理の前に、該基板の表面上に、該種結晶の形成す
べき形状に、該薄膜を予め切り離し、区画しておくこと
が好適である。更に、予め区画しておく区画領域は、直
径10μm以下の円形或いは10μm以下の短辺を有する矩
形が好適である。そして、種結晶は、所望の酸化物超伝
導体結晶組成から1種以上の陽イオン或いは陰イオン、
一部或いは全部欠如した厚さ5nm〜20nmの合金、或いは
アモルファス薄膜を、該基板上に或いは既に形成した酸
化物超伝導体多結晶薄膜上に堆積せしめ、該種結晶を形
成した個所に、欠如したイオン種を所望ドーズ量注入し
た後に、前記の熱処理による結晶化処理を行なうことに
より、所望の箇所のみ、即ち、イオン注入箇所のみに、
形成する方法が好適である。また、イオン注入箇所が、
直径10μm以下の点状或いは短辺が10μm以下の矩形で
あり、その大きさ、形状及びそれらの間隔により、形成
種結晶の大きさ、分散状態を制御することが好適であ
る。更に、種結晶上への酸化物超伝導体結晶の該成長
は、種結晶上に少なくとも所望組成と誤差10%以内の陽
イオン組成又はその後の工程での陽イオン組成のずれを
補償した陽イオン組成を有する合金薄膜、アモルファス
薄膜を10nm以上堆積し、この薄膜を空気中又は不活性ガ
スと酸素の混合ガスの雰囲気中で、400℃〜1200℃の温
度範囲で1分間以上熱処理し、続いて、成長結晶中の酸
素量を調整するため、酸素と不活性ガスの混合ガス中で
1200℃以下の温度で1分間以上熱処理することにより、
該種結晶を核として結晶成長処理を行ない、更に、所望
により、前記の種結晶上への堆積し、結晶化の工程を複
数回繰り返すことが好適である。また、種結晶上への結
晶成長のための該処理は、基板加熱の可能な薄膜堆積装
置を用い、酸素を含有する雰囲気中で該基板を300℃以
上の温度に加熱しながら、連続して、該種結晶上へ結晶
成長を進めることが好適である。[Structure of the Invention] [Means for Solving the Problems] In order to solve the above-mentioned technical problems, the present invention provides a method for forming an oxide superconductor polycrystalline thin film on a substrate. On the substrate, at least the same cation composition as the desired oxide superconductor, an alloy or amorphous thin film having an average composition is formed to a thickness of 5 nm or more and 20 nm or less,
The thin film thus formed is exposed to air or a mixed gas atmosphere of an inert gas and oxygen at a temperature of 400 ° C. to 1200 ° C.
By heat-treating for more than a minute, a plurality of predetermined fine superconductor crystal (hereinafter also referred to as seed crystal) particles are formed, and the crystal of the oxide superconductor is grown on the substrate with these seed crystal particles as nuclei. At most, based on the crystal arrangement and orientation of the fine crystal grains, a single-layer polycrystalline thin film in which the grain size and grain boundary distribution of the grown crystal grains are determined is formed. A method for producing a crystal thin film is provided. Further, it is preferable to form a multi-layered polycrystalline thin film by repeating the crystal growth operation on the seed crystal particles a plurality of times. Further, before the heat treatment of the thin film for forming the seed crystal, it is preferable that the thin film is preliminarily separated and divided into a shape to be formed by the seed crystal on the surface of the substrate. Furthermore, it is preferable that the partition area to be partitioned in advance is a circle having a diameter of 10 μm or less or a rectangle having a short side of 10 μm or less. The seed crystal is one or more kinds of cations or anions from a desired oxide superconductor crystal composition,
An alloy having a thickness of 5 nm to 20 nm, which is partially or completely absent, or an amorphous thin film is deposited on the substrate or on an oxide superconductor polycrystalline thin film that has already been formed, and is absent where the seed crystal is formed. After injecting a desired dose amount of the ion species thus prepared, by performing the crystallization treatment by the heat treatment, only a desired portion, that is, only an ion-implanted portion,
The method of forming is preferred. In addition, the ion implantation location is
It is preferable that the shape is a dot shape having a diameter of 10 μm or less or a rectangle having a short side of 10 μm or less, and the size and dispersion state of the formed seed crystal are controlled by the size and shape and the interval thereof. Further, the growth of the oxide superconductor crystal on the seed crystal is performed by cation compensation on the seed crystal with compensation of a cation composition within an error of at least 10% from the desired composition or a cation composition deviation in the subsequent step. An alloy thin film or amorphous thin film having a composition is deposited to a thickness of 10 nm or more, and the thin film is heat-treated in the temperature range of 400 ° C to 1200 ° C for 1 minute or more in air or in an atmosphere of a mixed gas of an inert gas and oxygen. , In a mixed gas of oxygen and inert gas to adjust the amount of oxygen in the grown crystal
By heat-treating at a temperature of 1200 ° C or less for 1 minute or more,
It is preferable that a crystal growth process is performed using the seed crystal as a nucleus, and if desired, the steps of depositing on the seed crystal and crystallization are repeated a plurality of times. Further, the treatment for growing the crystal on the seed crystal is performed continuously using a thin film deposition apparatus capable of heating the substrate while heating the substrate to a temperature of 300 ° C. or higher in an atmosphere containing oxygen. It is preferable to advance crystal growth on the seed crystal.
本発明は、上記の技術的な課題の解決のために、基板
上に酸化物超伝導体多結晶薄膜を作成する方法におい
て、a.予め基板上に所望の酸化物超伝導体の結晶成長の
種となる微小結晶粒子(以下種結晶とも称する)を複数
個形成しておき、b.この種結晶粒子を核として基板上に
酸化物超伝導体の結晶を成長せしめ、c.微小結晶粒子の
結晶配置及び方位に基づいて、成長した結晶粒子の粒子
径及び粒界分布が決定された単層多結晶薄膜を形成する
ことを特徴とする酸化物超伝導体多結晶薄膜の作成法で
ある。また、更に、この種結晶粒子上への結晶成長操作
を、複数回繰り返すことにより、多層多結晶薄膜を形成
することにより、酸化物超伝導体多結晶薄膜の作成する
ことが好適である。また、その種結晶は、該基板の上
に、所望の酸化物超伝導体と少なくとも陽イオン組成が
同じか近い平均組成を有する合金、アモルファス或いは
積層薄膜を、厚さ5nm以上20nm以下に形成し、その形成
された薄膜を熱処理することにより得られた微小超伝導
体結晶であるものが好適である。また、その種結晶の形
成に用いる熱処理は、該形成薄膜を空気中或いは不活性
ガスと酸素の混合ガス中で、400℃〜1200℃で1分間以
上保持することによるものが好適である。そして、その
種結晶形成のための熱処理は、レーザビーム、電子ビー
ム、収束赤外線等のエネルギービームを用いて、スポッ
ト的に、前記処理温度に相当するエネルギー条件で熱処
理することにより行なうことができる。その熱処理のた
めのエネルギービームは、径10μm以下にし、この大き
さにより形成種結晶の大きさを規定することができる。
そして、そのエネルギービームは、その走査形状を点状
或いは線状で行なうことにより、形成する種結晶の分散
状態を規定することができる。また、その種結晶の形成
の後に、又はそのための該薄膜を形成する熱処理の前
に、該基板の表面上に、該種結晶の形成すべき形状に、
予め区画しておくことが好適である。そして、その予め
区画しておく区画領域は、直径10μm以下の円形或いは
10μm以下の短辺を有する矩形であることが、制御の上
で、好適である。また種結晶は、所望の酸化物超伝導体
結晶組成から1種以上の陽イオン或いは陰イオンが、一
部或いは全部欠如した厚さ5nm〜20nm以下の合金、アモ
ルファス或いは積層薄膜を、基板上に或いは既に形成し
た酸化物超伝導体多結晶薄膜上に、堆積し、該種結晶を
形成したい箇所に、欠如したイオン種を所望ドーズ量注
入した後に、前記の熱処理による結晶化処理を行なうこ
とにより、所望の箇所のみ、即ち、イオン注入箇所のみ
に、形成されたものであることが好適である。そして、
そのイオン注入箇所が、直径10μm以下の点状又は短辺
が10μm以下の矩形であり、その大きさ、形状及びそれ
らの間隔により、形成種結晶の大きさ、分散状態を制御
することができる。また、種結晶上への酸化物超伝導体
結晶の該成長は、種結晶上に少なくとも所望組成と誤差
10%以内の陽イオン組成又はその後の工程での陽イオン
組成のずれを補償した陽イオン組成を有する合金薄膜、
アモルファス薄膜又は積層薄膜を10nm以上堆積し、この
薄膜を空気中又は不活性ガスと酸素の混合ガス中で、40
0℃〜1200℃で1分間以上熱処理し、続いて、成長結晶
中の酸素量を調整するため、酸素と不活性ガスの混合ガ
ス中で、1200℃以下の温度で1分間以上熱処理すること
により、該種結晶を核として、結晶成長処理を行ない、
更に、所望により、前記の種結晶上への堆積、結晶化の
工程を複数回繰り返すことが好適である。そして、種結
晶上への結晶成長のための該処理は、基板加熱の可能な
薄膜堆積装置を用い、酸素を含有する雰囲気中で基板を
300℃以上に加熱しながら、連続して、該種結晶上へ結
晶成長を進めることが好適である。The present invention, in order to solve the above technical problems, in a method of forming an oxide superconductor polycrystalline thin film on a substrate, a. In advance of crystal growth of a desired oxide superconductor on the substrate A plurality of fine crystal grains (hereinafter also referred to as seed crystals) to be seeds are formed, b. The seed crystal grains serve as nuclei for growing oxide superconductor crystals on the substrate, and c. A method for producing an oxide superconductor polycrystalline thin film, which comprises forming a single-layer polycrystalline thin film in which the grain size and grain boundary distribution of grown crystal grains are determined based on the crystal arrangement and orientation. Further, it is preferable to form an oxide superconductor polycrystalline thin film by forming a multilayer polycrystalline thin film by repeating the crystal growth operation on the seed crystal particles a plurality of times. In addition, the seed crystal is formed on the substrate by forming an alloy, an amorphous or laminated thin film having an average composition having at least the same cation composition as or close to that of the desired oxide superconductor, in a thickness of 5 nm or more and 20 nm or less. A fine superconductor crystal obtained by heat-treating the formed thin film is preferable. The heat treatment used for forming the seed crystal is preferably performed by holding the formed thin film in the air or a mixed gas of an inert gas and oxygen at 400 ° C. to 1200 ° C. for 1 minute or more. The heat treatment for forming the seed crystal can be performed by spotwise heat treatment using an energy beam such as a laser beam, an electron beam, or a converged infrared ray under an energy condition corresponding to the treatment temperature. The energy beam for the heat treatment has a diameter of 10 μm or less, and the size of the formed seed crystal can be defined by this size.
Then, the energy beam can define the dispersion state of the seed crystal to be formed by performing the scanning shape in a dot shape or a linear shape. Further, after the seed crystal is formed, or before the heat treatment for forming the thin film therefor, the shape of the seed crystal to be formed is formed on the surface of the substrate.
It is preferable to partition in advance. The divided area to be divided in advance is a circle with a diameter of 10 μm or less, or
A rectangular shape having a short side of 10 μm or less is preferable in terms of control. Further, the seed crystal is an alloy, amorphous or laminated thin film having a thickness of 5 nm to 20 nm or less, in which one or more kinds of cations or anions are partially or completely absent from the desired oxide superconductor crystal composition, on the substrate. Alternatively, by depositing on the already formed oxide superconductor polycrystalline thin film, injecting a desired dose of the missing ionic species into the portion where the seed crystal is to be formed, and then performing the crystallization treatment by the heat treatment described above. It is preferable that it is formed only at a desired portion, that is, only at an ion implantation portion. And
The ion-implanted portion is a dot having a diameter of 10 μm or less or a rectangle having a short side of 10 μm or less, and the size and shape of the formed seed crystal and the dispersed state can be controlled by the size and shape and the interval thereof. In addition, the growth of the oxide superconductor crystal on the seed crystal has at least a desired composition and an error on the seed crystal.
An alloy thin film having a cation composition within 10% or a cation composition that compensates for the deviation of the cation composition in the subsequent step,
Deposit an amorphous thin film or a laminated thin film with a thickness of 10 nm or more, and deposit this thin film in air or in a mixed gas of an inert gas and oxygen.
Heat treatment at 0 ℃ ~ 1200 ℃ for 1 minute or more, and then to adjust the amount of oxygen in the grown crystal, by heat treatment at a temperature of 1200 ℃ or less in the mixed gas of oxygen and inert gas for 1 minute or more. , With the seed crystal as a nucleus, a crystal growth process is performed,
Further, if desired, it is preferable to repeat the steps of depositing on the seed crystal and crystallization a plurality of times. Then, for the treatment for growing the crystal on the seed crystal, a thin film deposition apparatus capable of heating the substrate is used to deposit the substrate in an atmosphere containing oxygen.
It is preferable to continuously advance crystal growth on the seed crystal while heating at 300 ° C. or higher.
本発明は、酸化物超伝導体多結晶薄膜の作成におい
て、以上の問題を解決するために、先ず、基板上に、所
望の酸化物超伝導体の微小結晶粒を形成し、それを種と
して酸化物超伝導体の結晶を成長せしめていくものであ
る。In order to solve the above problems in the production of an oxide superconductor polycrystalline thin film, the present invention first forms fine crystal grains of a desired oxide superconductor on a substrate and uses them as seeds. This is to grow crystals of oxide superconductor.
即ち、本発明によると、基板上に酸化物超伝導体の多
結晶薄膜を作成する工程において、予め基板上に、所望
の酸化物超伝導体の結晶の成長の種となる微小種結晶を
複数個形成しておき、これらの種結晶を核として基板上
に酸化物超伝導体の結晶成長を進め、最終的に、核とな
る種結晶の配置により成長した結晶粒子の粒子径、粒界
の分布が任意に規定され、また、種結晶の結晶方位に基
づいて、個々の成長粒子の結晶方位も規定された単層多
結晶薄膜を得るものである。このとき、種結晶に、所望
の酸化物超伝導体自身を用いる。更に、以上の操作を複
数回を繰り返すことにより、粒子径、粒界分布、結晶方
位が制御された多結晶薄膜が作成でき、更に、種類の異
なる超伝導物質を多層に積層できるものである。このよ
うにして、作成した酸化物超伝導体多結晶薄膜を用い
て、結晶粒界をバリアー層としたジョセフソントンネル
接合素子を作成することができるものである。That is, according to the present invention, in the step of forming a polycrystalline thin film of an oxide superconductor on a substrate, a plurality of fine seed crystals to be seeds of desired oxide superconductor crystal growth are previously formed on the substrate. Individually formed, these seed crystals serve as nuclei to advance the crystal growth of the oxide superconductor on the substrate, and finally, the grain diameter of the grown crystal grains and the grain boundary It is intended to obtain a single-layer polycrystalline thin film in which the distribution is arbitrarily defined and the crystallographic orientation of each grown grain is also defined based on the crystallographic orientation of the seed crystal. At this time, the desired oxide superconductor itself is used as the seed crystal. Furthermore, by repeating the above operation a plurality of times, a polycrystalline thin film in which the grain size, grain boundary distribution, and crystal orientation are controlled can be prepared, and further superconducting substances of different types can be laminated in multiple layers. In this way, a Josephson tunnel junction device having a crystal grain boundary as a barrier layer can be produced by using the oxide superconductor polycrystalline thin film thus produced.
更に、以上の酸化物超伝導体多結晶薄膜の作成方法に
おいて、種結晶の作成を、先ず基板上に或いは既に形成
した酸化物超伝導体多結晶薄膜上に、所望の酸化物超伝
導体と少なくとも陽イオン組成が等しい或いは近い平均
薄膜組成を有する厚さ5nm以上20nm以下の合金或いはア
モルファス或いは積層薄を堆積し、(これを初期薄膜と
呼ぶ)、次に、この薄膜を熱処理により酸化物超伝導体
に結晶化させることにより、基板上に複数の種結晶を形
成せしめる。この結晶化のときに生じる薄膜物質の堆積
収縮を利用して、所望の酸化物超伝導微結晶を基板上に
島状に成長させることができる。Furthermore, in the above-described method for producing an oxide superconductor polycrystalline thin film, the seed crystal is first formed on the substrate or on the already formed oxide superconductor polycrystalline thin film, and the desired oxide superconductor is formed. Deposit an alloy or amorphous or laminated thin film with a thickness of 5 nm or more and 20 nm or less having an average thin film composition with at least the same cation composition (this is called the initial thin film), and then heat treat this thin film with oxide superoxide. A plurality of seed crystals are formed on the substrate by crystallizing the conductor. By utilizing the contraction of deposition of the thin film material that occurs during this crystallization, desired oxide superconducting microcrystals can be grown in an island shape on the substrate.
更に、この熱処理を空気中に或いは不活性ガスと酸素
の混合ガス(酸素0〜100%)中、400℃〜1200℃で1分
間以上保持し、これに続いて、成長結晶中の酸素量を調
整するための熱処理を、酸素と不活性ガスと混合ガス
(酸素0〜100%)中で、1200℃以下の温度で1分間以
上行ない、個々の結晶粒子は、所望の酸化物超伝導体の
結晶構造を有する独立した微結晶粒子(即ち、複数の種
結晶)を得るものである。このようにして、結晶粒子径
5μm以下の均一な分散した種結晶を得ることができ
る。Further, this heat treatment is held in air or in a mixed gas of inert gas and oxygen (0 to 100% oxygen) at 400 ° C to 1200 ° C for 1 minute or more, and subsequently, the amount of oxygen in the grown crystal is increased. The heat treatment for adjustment is carried out in a mixed gas of oxygen and an inert gas (oxygen 0 to 100%) at a temperature of 1200 ° C. or lower for 1 minute or more, and individual crystal particles are formed of a desired oxide superconductor. Independent fine crystal grains (that is, a plurality of seed crystals) having a crystal structure are obtained. In this way, a uniformly dispersed seed crystal having a crystal grain size of 5 μm or less can be obtained.
ここで、基板には、酸化物超伝導体薄膜の作成に用い
られる一般的な物質、例えば、単結晶MgO、単結晶SrTiO
3基板或いはその多結晶基板を用いることができるが、
特に、限定されるものではない。また、酸化物超伝導体
薄膜を作成する熱処理において好適な手段、例えば、熱
処理中に発生すると予想される諸現象を防止するための
手段、例えば、超伝導体薄膜と基板との間の化学反応、
相互拡散、格子定数の不一致、熱膨張係数の不一致等を
防止するために緩衝層、中間層を設けた基板を使用する
ことも可能である。Here, the substrate is a common material used for forming an oxide superconductor thin film, such as single crystal MgO or single crystal SrTiO 3.
3 substrates or their polycrystalline substrates can be used,
In particular, it is not limited. In addition, suitable means in heat treatment for forming the oxide superconductor thin film, for example, means for preventing various phenomena that are expected to occur during the heat treatment, for example, chemical reaction between the superconductor thin film and the substrate. ,
It is also possible to use a substrate provided with a buffer layer and an intermediate layer in order to prevent mutual diffusion, mismatch of lattice constants, mismatch of thermal expansion coefficients, and the like.
本発明において、第1のキイである種結晶は、基板上
に所望酸化物超伝導体、例えば、Y1Ba2Cu3O7-zの陽イオ
ン組成を有するアモルファス膜或いは合金膜或いは積層
膜を非常に薄く堆積し、これらの膜の超伝導体物質を熱
処理により結晶化せしめ、独立した非常に多数の酸化物
超伝導体(Y1Ba2Cu3O7-z)の微結晶を成長させることに
より作成できる。このとき、分散した結晶微粒子(即ち
種結晶)を得るためには、最初に堆積する薄膜の厚さを
20nm以下にすることが好適である。このための種結晶作
成のための初期薄膜は、例えば、スパッタリングのよう
な物理的蒸着(PVD)、或いは化学的蒸着(CVD)により
堆積できる。In the present invention, the seed crystal, which is the first key, is a desired oxide superconductor, for example, an amorphous film or an alloy film or a laminated film having a cation composition of Y 1 Ba 2 Cu 3 O 7-z. Was deposited very thinly, and the superconductor material of these films was crystallized by heat treatment to grow a large number of independent microcrystals of oxide superconductor (Y 1 Ba 2 Cu 3 O 7-z ). It can be created by At this time, in order to obtain dispersed crystal fine particles (that is, seed crystals), the thickness of the thin film to be deposited first is
It is preferably 20 nm or less. The initial thin film for seed crystal preparation for this purpose can be deposited, for example, by physical vapor deposition (PVD) such as sputtering, or chemical vapor deposition (CVD).
種結晶作成のための熱処理は、簡単には、電気炉加
熱、赤外線加熱により行なうことができる。これ以外の
方法、例えばレーザ照射等の方法を用いることも可能で
ある。熱処理温度或いは熱処理エネルギー、又は熱処理
時間は、所望の酸化物超伝導体の種類に合わせて調整す
る。例えば、Y1Ba2Cu3O7-zのアモルファス膜を熱処理結
晶化する場合、電気炉加熱を用いると、空気中或いは不
活性ガスと酸素の混合ガス(酸素0〜100%)中で、700
℃〜1200℃で1分間以上、そして、酸素中で400℃以下
まで徐冷することを含むことのできる熱処理により、サ
ブミクロンからミクロオーダーの粒子径を持つ均一に分
散した種結晶が得られる。その粒子径は、薄膜厚と熱処
理条件に依存し、最大5μm程度の粒径のものも得られ
る。The heat treatment for producing the seed crystal can be simply performed by electric furnace heating or infrared heating. It is also possible to use a method other than this, for example, a method such as laser irradiation. The heat treatment temperature, heat treatment energy, or heat treatment time is adjusted according to the desired type of oxide superconductor. For example, when an amorphous film of Y 1 Ba 2 Cu 3 O 7-z is crystallized by heat treatment, if electric furnace heating is used, in air or in a mixed gas of an inert gas and oxygen (oxygen 0 to 100%), 700
By heat treatment that can include slow cooling to 400 ° C. or less in oxygen at 1 ° C. to 1200 ° C. for 1 minute or more, a uniformly dispersed seed crystal having a particle size of submicron to micro order can be obtained. The particle diameter depends on the thickness of the thin film and the heat treatment conditions, and a particle diameter of up to about 5 μm can be obtained.
この初期形成の超伝導体薄膜を結晶化するための薄膜
の種結晶化が、レーザービーム、電子ビーム、収束赤外
線等のエネルギービームを用いて、スポット的に、酸化
物超伝導物質の結晶化に要する温度に相当するエネルギ
ー条件で熱処理することにより、行なうことができる。
これらの方法は、熱処理位置、領域が、薄膜面内で任意
に制御できるものである。これを利用して、基板上の種
結晶の成長位置、つまりは種結晶の分散状態を規定する
ことができる。The seed crystallization of the thin film for crystallizing the superconducting thin film of this initial formation is spot-wise for crystallizing the oxide superconducting substance by using an energy beam such as a laser beam, an electron beam, and a focused infrared ray. It can be performed by heat treatment under an energy condition corresponding to the required temperature.
In these methods, the heat treatment position and region can be arbitrarily controlled within the thin film surface. By utilizing this, the growth position of the seed crystal on the substrate, that is, the dispersed state of the seed crystal can be defined.
更に、エネルギービームの径を、10μm以下にし、こ
の大きさにより、成長する種結晶の大きさを規定するこ
とになる。また、エネルギービームの走査形状を点状或
いは線状に分散させることができる。Further, the diameter of the energy beam is set to 10 μm or less, and this size defines the size of the seed crystal to be grown. Further, the scanning shape of the energy beam can be dispersed in a dot shape or a linear shape.
更に、種結晶化する前に、初期に作成された薄膜を通
常のパターイング技術(ウエットエッチング或いはドラ
イエッチング法)により、予め必要な形状に区画化して
おき、上記の熱処理方法により、区画内の薄膜部分を結
晶化させてやることにより、種結晶の分散状態を調整す
ることができる。Further, before seed crystallization, the initially formed thin film is partitioned into a required shape in advance by a normal patterning technique (wet etching or dry etching method), and the heat treatment method described above By crystallizing the thin film portion, the dispersed state of the seed crystal can be adjusted.
形成した酸化物超伝導体薄膜を結晶化する上記の工程
において、区画領域の形状を直径10μm以下の円形或い
は矩形の長さが10μm以下で短辺の長さ以上の長さをも
つ矩形とし、この区画の大きさ、形状、区画間距離によ
り、種結晶の大きさ、分散状態を制御することができ
る。In the above step of crystallizing the formed oxide superconductor thin film, the shape of the partition region is a circle with a diameter of 10 μm or less or a rectangle with a length of 10 μm or less and a length of a short side or more, The size and dispersion state of the seed crystal can be controlled by the size and shape of the partition and the distance between the partitions.
基板表面に先ず酸化物超伝導体薄膜を形成し、それを
熱処理することにより、種結晶を作成することは、所望
の酸化物超伝導結晶組成から1種以上の陽イオン或いは
陰イオンが、一部或いは全部欠如した厚さ5nm以上20nm
以下の合金或いはアモルファス或いは積層薄膜を、基板
上或いは既に形成した酸化物超伝導体多結晶薄膜上に堆
積し、種結晶を形成したい箇所にイオンを注入法を用い
て、欠如しているイオン種を所定ドーズ量注入した後
に、熱処理による結晶化処理を行なうことにより、イオ
ン注入箇所即ち所望の箇所にのみ酸化物超伝導体物質の
種結晶を形成させるものである。このとき、イオン注入
は、薄膜堆積前の基板に直接行なっても可能である。To form a seed crystal by first forming an oxide superconductor thin film on the surface of a substrate and then heat-treating it, one or more cations or anions from the desired oxide superconducting crystal composition can be used. Part or all missing thickness 5 nm or more 20 nm
The following alloy or amorphous or laminated thin film is deposited on the substrate or on the already formed oxide superconductor polycrystalline thin film, and ions are injected into the portion where the seed crystal is to be formed by the ion implantation method. After a predetermined dose is implanted, a crystallization process by heat treatment is performed to form seed crystals of the oxide superconductor material only at the ion-implanted site, that is, at a desired site. At this time, ion implantation can be performed directly on the substrate before thin film deposition.
このようなイオン注入処理は、イオン注入される箇所
を直径10μm以下の点状、或いは矩辺の長さが、10μm
以下で、短辺の長さ以上の長さの長辺を有する矩形と
し、イオン注入箇所の大きさ、形状及びそれらの間隔に
より種結晶の大きさ、分散状態を制御してやる。In such an ion implantation process, spots having a diameter of 10 μm or less or a length of a quadrangle side of 10 μm is applied to an ion implanted portion.
In the following, a rectangle having a long side longer than the length of the short side is used, and the size of the seed crystal and the dispersion state are controlled according to the size and shape of the ion-implanted portions and their intervals.
以上により、最終的目的とする酸化物超伝導体の陽イ
オン及び陰イオン組成を誤差10%以内で、そして、所望
の結晶構造を有する種結晶を得ることができるものであ
る。As described above, the final target cation and anion composition of the oxide superconductor can be obtained within an error of 10%, and a seed crystal having a desired crystal structure can be obtained.
次に、所定の種結晶の上に、少なくとも所望の酸化物
超伝導体と誤差10%以内で等しい陽イオン組成或いはそ
の後の工程で陽イオンのずれを補償することのできる陽
イオン組成を有する合金或いはアモルファス或いは積層
薄膜を、10nm以上堆積し、この薄膜を空気中或いは不活
性ガスと酸素の混合ガス(酸素0〜100%)中で、400〜
1200℃で1分間熱処理し、これに続いて、成長結晶中の
酸素量を調整するため、酸素と不活性ガスの混合ガス
(酸素0〜100%)中で、1200℃以下の温度で1分間以
上熱処理することにより、種結晶を核とした結晶成長を
進める。更に、この種結晶への堆積、結晶化の工程を複
数回繰り返すことにより、積層された或いは厚い酸化物
多結晶薄膜を作成できる。Next, on a given seed crystal, an alloy having a cation composition which is at least equal to the desired oxide superconductor within an error of 10% or a cation composition capable of compensating for cation deviation in the subsequent step. Alternatively, deposit an amorphous or laminated thin film with a thickness of 10 nm or more, and deposit this thin film in air or in a mixed gas of inert gas and oxygen (oxygen 0-100%)
Heat-treat at 1200 ℃ for 1 minute, and then adjust the amount of oxygen in the grown crystal in a mixed gas of oxygen and inert gas (oxygen 0-100%) at a temperature of 1200 ℃ or less for 1 minute. By performing the heat treatment as described above, crystal growth with seed crystals as nuclei proceeds. Further, a stacked or thick oxide polycrystalline thin film can be prepared by repeating the steps of depositing on the seed crystal and crystallization a plurality of times.
本発明の超伝導体多結晶薄膜作成方法で第2のキイで
ある種結晶上への酸化物超伝導体結晶の成長は、種結晶
上に、所望の酸化物超伝導体、つまり、種結晶と同種の
酸化物超伝導体の陽イオン組成を有するアモルファス膜
或いは白金膜或いは積層膜を、スパッタリング等の物理
的蒸着(PVD)或いは化学的蒸着(CDV)により堆積し、
熱処理により、種結晶を核として、結晶化を進めること
により、行なうことができる。このとき、熱処理の温度
は、種結晶作成するときの処理温度と同等或いはそれ以
下であることが好適である。例えば、種結晶上に厚さ10
0nmのY1Ba2Cu3O7-zアモルファス膜を堆積した場合、700
℃〜900℃で、5分間処理することにより、粒径約1μ
mの、種結晶と同じ方位に高く配向した平板状粒子を得
ることができる。The growth of the oxide superconductor crystal on the seed crystal, which is the second key in the method for forming a polycrystalline thin film of a superconductor according to the present invention, is performed by forming a desired oxide superconductor, that is, a seed crystal on the seed crystal. An amorphous film or a platinum film or a laminated film having the same cation composition of an oxide superconductor as the above is deposited by physical vapor deposition (PVD) such as sputtering or chemical vapor deposition (CDV),
The heat treatment can be performed by promoting crystallization with the seed crystal as a nucleus. At this time, the temperature of the heat treatment is preferably equal to or lower than the treatment temperature at the time of forming the seed crystal. For example, a seed crystal with a thickness of 10
700 when deposited with a 0 nm Y 1 Ba 2 Cu 3 O 7-z amorphous film
Approximately 1μ in particle size by processing at 5 ℃ to 900 ℃ for 5 minutes
It is possible to obtain tabular grains of m having a high orientation in the same direction as the seed crystal.
即ち、種結晶上への結晶成長は、基板加熱の可能な薄
膜堆積装置を用いて、酸素含有の装置内雰囲気で、基板
を約300℃以上に加熱しながら、連続して、種結晶上
へ、種結晶を核として、結晶成長を進めることができ
る。この場合、種結晶の結晶方位を記憶して、結晶が成
長するので、種結晶の結晶成長方位が制御され、その効
果を利用して、結晶配向度並びに平坦度が非常に高い酸
化物超伝導体多結晶薄膜を作成することができる。即
ち、種結晶の結晶方位をある特定方位に揃えることによ
り、最終的に得られる多結晶薄膜の結晶方位即ち配向性
を規定することができる。That is, the crystal growth on the seed crystal is performed continuously on the seed crystal while heating the substrate to about 300 ° C. or higher in an oxygen-containing atmosphere in the apparatus using a thin film deposition apparatus capable of heating the substrate. The crystal growth can be promoted by using the seed crystal as a nucleus. In this case, the crystal growth of the seed crystal is controlled because the crystal growth of the seed crystal is memorized, and the crystal growth direction of the seed crystal is controlled. By utilizing this effect, the oxide superconductivity having extremely high crystal orientation and flatness is obtained. A polycrystal thin film can be prepared. That is, by aligning the crystal orientation of the seed crystal with a certain specific orientation, the crystal orientation, that is, the orientation of the finally obtained polycrystalline thin film can be defined.
また、種結晶を作成するときに、その粒子径、粒界の
配置、結晶の配向度を制御し、形成された粒界を用いる
粒界ジョセフソン素子の特性を向上させることができ
る。従って、多結晶薄膜の膜質制御は、種結晶の分布状
態を、所望の粒子間隔、粒子配置が得られる位置に、規
定又は制御してやることにより、達成できる。このと
き、粒子径、粒界は、種結晶即ち粒子の核の位置により
決定される。In addition, when a seed crystal is formed, its grain size, grain boundary arrangement, and crystal orientation degree can be controlled to improve the characteristics of the grain boundary Josephson device using the formed grain boundary. Therefore, the control of the film quality of the polycrystalline thin film can be achieved by defining or controlling the seed crystal distribution state at the position where the desired particle spacing and particle arrangement can be obtained. At this time, the particle diameter and the grain boundary are determined by the position of the seed crystal, that is, the nucleus of the particle.
また、本発明により得られる酸化物超伝導体は、その
結晶構造の基本に金属−酸素二次元正方格子或いは金属
−酸素二次元擬正方格子を含む単純層状或いは複合層状
化合物より構成されるものである。例えば、銅酸化物系
超伝導物質は、この結晶構造を有する物質であり、本発
明により、超伝導体多結晶薄膜が作成できるものであ
る。Further, the oxide superconductor obtained by the present invention is composed of a simple layered or composite layered compound containing a metal-oxygen two-dimensional square lattice or a metal-oxygen two-dimensional pseudo-square lattice as the basis of its crystal structure. is there. For example, a copper oxide superconducting material is a material having this crystal structure, and a superconductor polycrystalline thin film can be prepared by the present invention.
即ち、種結晶を核として結晶成長を進める方法とし
て、一度に必要とする厚さの膜を堆積して熱処理を行な
う方法以外に、何回にも分けて、堆積、熱処理を繰り返
す方法があり、種結晶に厚膜、例えば厚さ300nm以上の
膜厚を一度に堆積して熱処理を行なうと、種結晶以外の
部位にも、新たな核が生成してしまい、種結晶の効果が
得られず、配向度の低い膜となってしまう。従って、本
発明により得られる効果を厚膜で得ようとする場合、種
結晶上への結晶成長を何回にも分けて行なうことが好適
である。薄膜の場合においても、堆積、熱処理を複数回
に分けて行なった方が、得られる薄膜の結晶性及び結晶
配向性は、すぐれている。That is, as a method of promoting crystal growth using a seed crystal as a nucleus, there is a method of repeating deposition and heat treatment in several times in addition to a method of depositing a film having a required thickness at a time and performing heat treatment. If a thick film, for example, a film thickness of 300 nm or more is deposited at one time on the seed crystal and then heat-treated, new nuclei are generated in the parts other than the seed crystal, and the effect of the seed crystal cannot be obtained. However, the film has a low degree of orientation. Therefore, in order to obtain the effect obtained by the present invention with a thick film, it is preferable to carry out the crystal growth on the seed crystal in a number of times. Even in the case of a thin film, the crystallinity and the crystal orientation of the obtained thin film are better when the deposition and the heat treatment are performed plural times.
種結晶上への結晶成長の方法としては、上記のよう
に、基板加熱の可能な膜堆積装置を用い、基板加熱を行
ないながら、連続して種結晶上への結晶成長を行なうこ
とも可能である。As a method of growing a crystal on a seed crystal, it is possible to continuously grow a crystal on a seed crystal while heating the substrate using a film deposition apparatus capable of heating the substrate as described above. is there.
以上に説明した本発明による超伝導体多結晶薄膜の作
成方法を、模式的に第1図及び第2図に示した。本発明
の方法は、第1図の左に示される一連の工程により、第
1図に示されるように、基板2上に種結晶3が形成さ
れ、超伝導体多結晶薄膜5が作成されるものである。即
ち、基板2の表面上にアモルファス薄膜1が形成され、
熱処理されると、島状に微小種結晶3が複数、基板2上
に形成され、次に、その上に、アモルファス薄膜4が形
成され、熱処理されると多結晶薄膜5が生成される。こ
れに対して、従来の薄膜の作成法では、第1図の右に示
すように、基板2の上にアモルファス薄膜4が形成さ
れ、それを熱処理すると、配向性のない微結晶が図示の
ようにランダムに形成されるだけである。The method for producing the superconductor polycrystalline thin film according to the present invention described above is schematically shown in FIGS. 1 and 2. According to the method of the present invention, the seed crystal 3 is formed on the substrate 2 and the superconductor polycrystalline thin film 5 is formed by the series of steps shown on the left side of FIG. 1 as shown in FIG. It is a thing. That is, the amorphous thin film 1 is formed on the surface of the substrate 2,
When heat-treated, a plurality of island-shaped fine seed crystals 3 are formed on the substrate 2, then an amorphous thin film 4 is formed thereon, and when heat-treated, a polycrystalline thin film 5 is formed. On the other hand, in the conventional method of forming a thin film, as shown in the right side of FIG. 1, an amorphous thin film 4 is formed on the substrate 2, and when it is heat-treated, microcrystals having no orientation are shown. It is only randomly formed.
更に、第2図は、本発明により、酸化物超伝導体の結
晶成長を繰り返し行なった例をその形成断面図で示すも
のである。即ち、基板2の上にアモルファス薄膜1を形
成し、熱処理により、複数の種結晶3が得られ、その種
結晶を核にして、図示のように、結晶成長せしめ、多結
晶薄膜5を成長せしめるものである。Further, FIG. 2 is a cross-sectional view showing an example of repeated crystal growth of an oxide superconductor according to the present invention. That is, a plurality of seed crystals 3 are obtained by forming an amorphous thin film 1 on a substrate 2 and heat-treating it, and using the seed crystals as nuclei, crystal growth is performed and a polycrystalline thin film 5 is grown. It is a thing.
本発明の超伝導体多結晶薄膜の作成方法の第3のキイ
である多結晶薄膜中の各単結晶粒子の粒径制御及び粒界
制御は、以下に示す方法により行なうことができる。即
ち、これらの制御は、主に初期に形成する種結晶の分散
方法及びそれを核として粒子成長の速度調整に基づくも
のである。The grain size control and grain boundary control of each single crystal grain in the polycrystalline thin film, which is the third key of the method for producing a superconductor polycrystalline thin film of the present invention, can be carried out by the following method. That is, these controls are mainly based on a method of dispersing seed crystals that are initially formed and a particle growth rate adjustment using the method as a nucleus.
即ち、種結晶の分散状態の調整は、先ず第一に、基板
上に堆積させる膜の厚さ、結晶成長のための処理温度、
処理時間の調整により、行なうことができる。この方法
の場合、結晶化処理により種結晶は、第3図に示すよう
に、均一な粒子径、均一な粒子間隔をもって分散するこ
とができる。初期膜厚、処理条件を変えることにより、
種結晶の大きさ、間隔を調整できるが、分散状態はラン
ダムである。この方法により、作成した種結晶は、ほぼ
均一な粒子径を有する高い配向性を持つ多結晶薄膜を、
基板の広い範囲にわたって得たい場合に好適である。That is, the adjustment of the dispersed state of the seed crystal is performed by first of all, adjusting the thickness of the film deposited on the substrate, the processing temperature for crystal growth,
This can be done by adjusting the processing time. In the case of this method, the seed crystal can be dispersed with a uniform particle size and a uniform particle interval by the crystallization treatment, as shown in FIG. By changing the initial film thickness and processing conditions,
The size and spacing of the seed crystals can be adjusted, but the dispersed state is random. By this method, the seed crystal prepared is a polycrystalline thin film having a highly uniform orientation with a substantially uniform particle size,
It is suitable for obtaining a wide range of substrates.
種結晶の規則正しい配列は、初期形成膜の種結晶化
を、レーザビーム、電子ビーム、収束赤外線などのエネ
ルギービームを用いてスポット的に熱処理してやること
により、行なうことができる。この場合も、前記と同様
に、初期膜厚、ビームエネルギー、照射時間、照射径等
の処理条件により、形成される種結晶の結晶性、粒径を
決めることができる。The ordered arrangement of the seed crystals can be performed by performing seed crystallizing of the initial formation film by spot heat treatment using an energy beam such as a laser beam, an electron beam, or a converged infrared ray. Also in this case, similarly to the above, the crystallinity and the grain size of the seed crystal to be formed can be determined by the processing conditions such as the initial film thickness, the beam energy, the irradiation time and the irradiation diameter.
種結晶の分散状態の調整方法に先だって、種結晶化前
の薄膜を通常のパターニング技術(ウエット又はドライ
エッチング)により、予め必要な形状に区画しておき、
上記の分散状態調整方法により、区画内の薄膜部分を結
晶化させてより、種結晶の分散状態を調整することがで
きる。Prior to the method of adjusting the dispersed state of the seed crystal, the thin film before the seed crystallization is divided into the necessary shapes in advance by a normal patterning technique (wet or dry etching),
The dispersion state of the seed crystal can be adjusted by crystallizing the thin film portion in the compartment by the above dispersion state adjusting method.
上記の調整方法とは、逆に、形成した種結晶を、必要
な部分のみが残るようにパターニングしてやることも可
能である。Contrary to the above adjusting method, it is also possible to pattern the formed seed crystal so that only necessary portions remain.
本発明による酸化物超伝導体多結晶薄膜の多段階結晶
成長法は、種結晶物質とそれを核として成長する結晶物
質が同種であることである。従って、その条件を満たす
種結晶の作成方法として、初期膜の堆積方法を、所望の
酸化物超伝導体結晶組成から1種以上の陽イオン或いは
陰イオンの一部或いは全部が欠如しているイオン種を所
定ドーズ量注入した後に、結晶化処理を行なうことによ
り、イオン注入箇所、即ち所望の箇所のみ酸化物超伝導
体物質の種結晶を形成させることも可能である。このと
き、イオン注入は、薄膜堆積の前の基板に、直接行なっ
ても可能である。The multi-step crystal growth method of the oxide superconductor polycrystalline thin film according to the present invention is that the seed crystal material and the crystal material grown by using the seed crystal material as the nucleus are of the same kind. Therefore, as a method for producing a seed crystal that satisfies the condition, an initial film deposition method is used in which a part or all of one or more cations or anions is missing from a desired oxide superconductor crystal composition. It is also possible to form a seed crystal of an oxide superconductor material only at an ion-implanted portion, that is, a desired portion by performing a crystallization treatment after implanting a predetermined dose of the seed. At this time, ion implantation can also be performed directly on the substrate before thin film deposition.
以上のようにして、作成した規則配列を有する種結晶
を核に結晶成長を進める方法は、上記のように、基板を
加熱しながら超伝導体物質を堆積することにより、行な
うこともできる。As described above, the method of promoting crystal growth with the seed crystal having the ordered array thus prepared as a nucleus can also be performed by depositing the superconductor material while heating the substrate as described above.
本発明の酸化物超伝導体多結晶薄膜の作成方法は、ほ
ぼあらゆる種類の酸化物超伝導体の多結晶薄膜の作成に
応用が可能であり、特に、その超伝導物質を限定しない
ものである。然し乍ら、本発明による高い配向性の多結
晶薄膜を得るという効果は、結晶構造に高い異方性を有
する物質、例えば、Y−Ba−Cu−O系酸化物超伝導体の
多結晶薄膜の作成に、著しく効果的である。INDUSTRIAL APPLICABILITY The method for producing an oxide superconductor polycrystalline thin film of the present invention can be applied to the production of almost any kind of oxide superconductor polycrystalline thin film, and in particular, the superconducting substance is not limited. . However, the effect of obtaining a highly oriented polycrystalline thin film according to the present invention is to produce a substance having a high anisotropy in the crystal structure, for example, a polycrystalline thin film of a Y-Ba-Cu-O-based oxide superconductor. It is remarkably effective.
そして、本発明の酸化物超伝導薄膜の作製方法は、更
に、例えば、ジョセフソン接合、赤外線検出器、光スイ
ッチのような製品のための超伝導結晶薄膜の形成にも用
いることができる。The method for producing an oxide superconducting thin film of the present invention can be further used for forming a superconducting crystal thin film for products such as Josephson junctions, infrared detectors and optical switches.
次に、本発明の酸化物超伝導多結晶薄膜の作製方法を
具体的に実施例により説明するが、本発明はそれらによ
って限定されるものではない。Next, the method for producing the oxide superconducting polycrystalline thin film of the present invention will be specifically described with reference to Examples, but the present invention is not limited thereto.
[実施例1] MgO結晶基板の(100)面上に、Y1Ba2Cu3O7-z酸化物超
伝導体結晶の種結晶を均一に作成する条件を検討した。In Example 1 of the MgO crystal substrate (100) surface was examined Y 1 Ba 2 Cu 3 O 7 -z oxide superconductor uniformly create conditions a seed crystal of the crystal.
MgO結晶基板の(100)面上に、多元スパッタリング装
置を用いて、基板加熱なしで、Y1Ba2Cu3の陽イオン組成
を有するアモルファス膜を、各々、膜厚、5nm、10nm、1
5nm、20nm及び50nmの5種類で堆積作成し、各々、熱処
理した後、得られた結晶粒子の様子を比較した。An amorphous film having a cation composition of Y 1 Ba 2 Cu 3 was formed on the (100) plane of the MgO crystal substrate by using a multi-source sputtering device without heating the substrate, and the film thickness was 5 nm, 10 nm, 1 nm, respectively.
Five kinds of 5 nm, 20 nm, and 50 nm were deposited and prepared, and after heat treatment, the states of the obtained crystal particles were compared.
用いた多元スパッタリング装置は、イットリウム金
属、銅金属及びBaCu合金の独立した高周波マグネトロン
スパッタリングガンからなり、各々のガンへの投入電力
により、堆積膜の組成を調整した。スパッタリングガス
は、純アルゴンを用い、ガス圧を4Paとした。The multi-source sputtering system used consisted of independent high frequency magnetron sputtering guns of yttrium metal, copper metal and BaCu alloy, and the composition of the deposited film was adjusted by the power input to each gun. The sputtering gas was pure argon, and the gas pressure was 4 Pa.
得られた堆積薄膜をX線回折による観察の結果、アモ
ルファスであることを確認した。As a result of X-ray diffraction observation of the obtained deposited thin film, it was confirmed to be amorphous.
堆積したアモルファス薄膜を、水平型の管状炉で熱処
理した。雰囲気ガスとして純窒素をフローさせ、800℃
に5分間保持し、保持終了後、雰囲気ガスを純酸素に切
り換え、約2時間で200℃以下に降温し、試料を取り出
した。The deposited amorphous thin film was heat-treated in a horizontal tubular furnace. Flowing pure nitrogen as atmosphere gas, 800 ℃
After holding for 5 minutes, the atmosphere gas was switched to pure oxygen, the temperature was lowered to 200 ° C. or lower in about 2 hours, and the sample was taken out.
熱処理した後の各薄膜について、走査型電子顕微鏡に
より、結晶粒子の形状を観察した。その結果を第1表に
示す。The shape of crystal grains of each thin film after the heat treatment was observed by a scanning electron microscope. The results are shown in Table 1.
第1表から、分散した種結晶を得るには、堆積するア
モルファス薄膜の厚さを少なくとも、20nm以下にするこ
とが、好適であることが分かった。また、均一な粒径及
び分散状態を持つ種結晶を得るには、堆積厚さを10nm以
下にする必要がある。厚さ50nmの試料では、結晶粒子同
志がつながってしまい、種結晶を作成できなかった。 From Table 1, it was found that in order to obtain a dispersed seed crystal, it is preferable that the thickness of the deposited amorphous thin film is at least 20 nm or less. Further, in order to obtain a seed crystal having a uniform grain size and a dispersed state, the deposition thickness needs to be 10 nm or less. In the sample with a thickness of 50 nm, the seed crystals could not be created because the crystal grains were connected together.
従って、以後の実施例で用いる種結晶は、堆積膜厚10
nmで行なった。Therefore, the seed crystal used in the following examples has a deposited film thickness of 10
nm.
[実施例2] MgO結晶基板の(100)面上に作成したY1Ba2Cu3O7-z種
結晶の上に、Y1Ba2Cu3の割合の陽イオン組成を有するア
モルファス膜を、多元スパッタリング法により堆積し、
熱処理を行なった。試料は、堆積薄膜厚100nmと300nmの
2種類を作成した。種結晶は、実施例1で良好な結果が
得られた初期堆積薄膜厚10nmのものを使用した。In Example 2 of the MgO crystal substrate (100) on the Y 1 Ba 2 Cu 3 O 7 -z seed crystals created on the surface, the amorphous film having a cation composition ratio of Y1Ba2Cu3, the multi-source sputtering method Deposited,
Heat treatment was performed. Two types of samples were prepared, with a deposited thin film thickness of 100 nm and 300 nm. The seed crystal used was an initially deposited thin film having a thickness of 10 nm, which gave good results in Example 1.
種結晶上への堆積したアモルファス薄膜の熱処理条件
は、実施例1と同様に、純窒素フロー中で800℃、5分
間とし、冷却工程は、純酸素雰囲気中で約3時間かけて
徐冷した。The heat treatment condition of the amorphous thin film deposited on the seed crystal was set to 800 ° C. for 5 minutes in a pure nitrogen flow as in Example 1, and the cooling step was gradually cooled in a pure oxygen atmosphere for about 3 hours. .
また、比較のために、種結晶のないMgO結晶基板の(1
00)面上に、厚さ約300nmに堆積したアモルファス薄膜
を、同じ条件で熱処理した。For comparison, the MgO crystal substrate without seed crystal ((1
The amorphous thin film deposited to a thickness of about 300 nm on the (00) surface was heat-treated under the same conditions.
熱処理した後の各試料の表面状態を走査型電子顕微鏡
(SEM)により、観察した。また、X線回折(XRD)によ
り、試料膜の結晶配向性を観察した。The surface condition of each sample after the heat treatment was observed with a scanning electron microscope (SEM). Further, the crystal orientation of the sample film was observed by X-ray diffraction (XRD).
第3図は、薄膜の堆積前の種結晶のSEM写真であり、
即ち、MgO結晶基板の(100)面上に作成した厚さ10nmの
アモルファスY1Ba2Cu3O7-z薄膜を熱処理により得られた
種結晶のSEM写真である。これから、サブミクロンオー
ダーの微結晶粒子が、基板上に均一に分散している様子
が明らかである。写真中に見られるステップは、MgO単
結晶の劈開のステップである。FIG. 3 is a SEM photograph of a seed crystal before thin film deposition,
That is, it is a SEM photograph of a seed crystal obtained by heat-treating an amorphous Y 1 Ba 2 Cu 3 O 7-z thin film having a thickness of 10 nm formed on the (100) plane of an MgO crystal substrate. From this, it is clear that submicron-order microcrystalline particles are uniformly dispersed on the substrate. The step seen in the photograph is the cleavage step of MgO single crystal.
第4図は、種結晶上に堆積させた薄膜の熱処理した後
のSEM写真である。第4図は、MgO結晶基板の(100)面
上に種結晶を核にして成長させたY1Ba2Cu3O7-z多結晶薄
膜のSEM写真であり、第4図Aは、堆積薄膜厚100nmの場
合、第4図Bは、300nmの場合を示すものである。FIG. 4 is an SEM photograph of the thin film deposited on the seed crystal after heat treatment. FIG. 4 is a SEM photograph of a Y 1 Ba 2 Cu 3 O 7-z polycrystalline thin film grown with seed crystals as nuclei on the (100) plane of a MgO crystal substrate, and FIG. FIG. 4B shows the case where the thin film has a thickness of 100 nm and 300 nm.
第5図は、種結晶の作成を行なわずに、直接にMgO結
晶基板の(100)面上に、膜厚約300nmに成長させたY1Ba
2Cu3O7-z多結晶薄膜のSEM写真である。即ち、種結晶を
用いずに作成した厚さ300nmの薄膜の熱処理後のSEM写真
を示す。Fig. 5 shows Y 1 Ba grown to a thickness of about 300 nm directly on the (100) plane of a MgO crystal substrate without making a seed crystal.
2 is an SEM photograph of a 2 Cu 3 O 7-z polycrystalline thin film. That is, a SEM photograph after heat treatment of a thin film having a thickness of 300 nm prepared without using a seed crystal is shown.
即ち、本発明に従って作成された薄膜多結晶は、種結
晶上に作成した薄膜はいずれも、粒径1〜2μmの平板
状粒子が敷き詰め連なるように、並んでいるものであ
る。これらと対称的に、種結晶のない膜では、平板状粒
子は各々全くランダムな方向に成長しているものであ
る。That is, in the thin film polycrystals produced according to the present invention, all the thin films produced on the seed crystal are arranged so that tabular grains having a grain size of 1 to 2 μm are spread and lined up. In contrast to these, in a seed crystal-free film, tabular grains are grown in completely random directions.
平板状粒子の平板面は、Y1Ba2Cu3O7-z結晶のa−b面
に対応している。X線回折による観察の結果、種結晶を
用いて作成した薄膜多結晶は、強い(00n)回折ピーク
が優先的に現れるのに、対して、種結晶を用いない薄膜
では、(00n)回折ピークが弱く、それら以外のピー
ク、例えば(103)、(013)回折ピークが強く現れた。
つまり、種結晶使用の効果により、薄膜の結晶配向性が
高くなっていることが明らかである。The tabular plane of the tabular grain corresponds to the ab plane of the Y 1 Ba 2 Cu 3 O 7-z crystal. As a result of observation by X-ray diffraction, a strong (00n) diffraction peak appears preferentially in the thin-film polycrystal prepared using the seed crystal, whereas the thin film polycrystal formed using the seed crystal has a (00n) diffraction peak. Was weak, and peaks other than those, such as (103) and (013) diffraction peaks, appeared strongly.
That is, it is clear that the crystal orientation of the thin film is high due to the effect of using the seed crystal.
第4図Aの写真に見られる明るいコントラストの部分
は、基板が露出した箇所であるが、これは熱処理条件を
更に検討することにより改善できるものである。The bright contrast portion in the photograph of FIG. 4A is the exposed portion of the substrate, which can be improved by further studying the heat treatment conditions.
第6図は、MgO結晶基板の(100)面上に作成した種結
晶を核にして成長させたY1Ba2Cu3O7-z多結晶薄膜のX線
回折パターンであり、上図は、堆積薄膜厚100nmで、下
図は、堆積膜厚300nmのものである。このX線回折パタ
ーンから、形成Y1Ba2Cu3O7-z薄膜多結晶は、基板表面に
垂直に配向して成長していることが明らかである。厚10
0nmの試料では、ほぼ(00n)回折ピークのみが見られる
のに対して、厚300nmの試料では、(00n)以外に(10
3)、(013)回折ピークが見られる。この原因は、300n
mの薄膜では、あらかじめ作成した種結晶以外の場所で
新たな核形成がランダムに生じたことによる。FIG. 6 is an X-ray diffraction pattern of a Y 1 Ba 2 Cu 3 O 7-z polycrystalline thin film grown with a seed crystal formed on the (100) plane of an MgO crystal substrate as a nucleus. The thickness of the deposited thin film is 100 nm, and the figure below is for the deposited film thickness of 300 nm. From this X-ray diffraction pattern, it is clear that the formed Y 1 Ba 2 Cu 3 O 7-z thin film polycrystal grows while being oriented vertically to the substrate surface. Thickness 10
In the 0 nm sample, almost only the (00n) diffraction peak is seen, whereas in the sample with a thickness of 300 nm, other than (00n) (10
3) and (013) diffraction peaks are seen. This cause is 300n
In the thin film of m, new nucleation occurred randomly except in the seed crystal prepared in advance.
以上の結果から、本発明に従って、種結晶上にY1Ba2C
u3O7-zの結晶成長を進めることにより、高い結晶配向度
と均一な粒子径を有する多結晶薄膜が得られたことが明
らかである。これらの多結晶薄膜の超伝導臨界温度(オ
ンセット)は、約85Kであった。From the above results, according to the present invention, Y 1 Ba 2 C was formed on the seed crystal.
It is clear that by promoting the crystal growth of u 3 O 7-z , a polycrystalline thin film having a high degree of crystal orientation and a uniform grain size was obtained. The superconducting critical temperature (onset) of these polycrystalline thin films was about 85K.
[実施例3] MgO結晶基板の(100)面上に作成したY1Ba2Cu3O7-z種
結晶上に、膜厚20nmのアモルファス薄膜を堆積し、熱処
理した後に、更に膜厚20nmのアモルファス薄膜を堆積
し、熱処理することにより、種結晶の厚さ(高さ)も含
めて、薄膜厚約50nmの結晶薄膜を作成した。このアモル
ファス薄膜の堆積方法、熱処理方法は、実施例1、2と
同様であるが、熱処理の保持時間のみを30分間とした。[Example 3] An amorphous thin film having a film thickness of 20 nm was deposited on a Y 1 Ba 2 Cu 3 O 7-z seed crystal formed on the (100) plane of a MgO crystal substrate, and after heat treatment, the film thickness was further 20 nm. The amorphous thin film was deposited and heat treated to form a crystalline thin film with a thickness of about 50 nm including the thickness (height) of the seed crystal. The method of depositing this amorphous thin film and the method of heat treatment were the same as in Examples 1 and 2, but the holding time of the heat treatment was 30 minutes.
第7図は、MgO結晶基板の(100)面上に作成したY1Ba
2Cu3O7-z種結晶の上に結晶成長を複数回に分けて行なっ
て得られた多結晶薄膜のX線回折図パターンである。こ
の総薄膜厚は、約500nmである。このX線回折パターン
から、強い(00n)回折ピークが見られ、多段階成長の
効果が高いことが分かる。これらの回折ピーク強度は、
実施例2の膜厚100nm及び300nmの試料のものよりも相対
的に強いものである。しかし、この実施例では、アモル
ファス薄膜組成は、Y1Ba2Cu3O7-zからずれていたため
に、薄膜中に、Y1Ba2Cu3O7-z以外の相が生成した。即
ち、第7図中で?印で示したピークである。Figure 7 shows Y 1 Ba prepared on (100) plane of MgO crystal substrate.
2 is an X-ray diffraction pattern of a polycrystalline thin film obtained by performing crystal growth on a 2 Cu 3 O 7-z seed crystal in multiple steps. The total thin film thickness is about 500 nm. From this X-ray diffraction pattern, a strong (00n) diffraction peak is seen, indicating that the effect of multistep growth is high. These diffraction peak intensities are
It is relatively stronger than the sample of Example 2 with the film thickness of 100 nm and 300 nm. However, in this embodiment, the amorphous thin film composition in order to deviated from the Y 1 Ba 2 Cu 3 O 7 -z , in the thin film, a phase other than Y 1 Ba 2 Cu 3 O 7 -z is generated. That is, in FIG. 7? It is a peak indicated by a mark.
これらの多結晶薄膜の超伝導臨界温度(オンセット)
は、約85Kであった。Superconducting critical temperature (onset) of these polycrystalline thin films
Was about 85K.
[発明の効果] 本発明の酸化物超伝導体多結晶薄膜の作成方法によ
り、次のような顕著な技術的効果が得られた。[Advantages of the Invention] The following remarkable technical effects were obtained by the method for producing an oxide superconductor polycrystalline thin film of the present invention.
第1に、粒子径、粒界、結晶配向が制御される酸化物
超伝導体多結晶薄膜の作成方法を提供する。First, it provides a method for producing an oxide superconductor polycrystalline thin film in which the grain size, grain boundaries, and crystal orientation are controlled.
第2に、従って、各パラメータ、条件を制御して酸化
物超伝導体多結晶薄膜が得られるので、超伝導薄膜部品
への応用に適した酸化物超伝導体の多結晶膜を得ること
ができた。Secondly, therefore, since the oxide superconductor polycrystalline thin film can be obtained by controlling each parameter and condition, it is possible to obtain an oxide superconductor polycrystalline film suitable for application to a superconducting thin film component. did it.
第3に、即ち、非常に高い結晶配向度を整った結晶粒
界をもつ酸化物超伝導体多結晶薄膜を作成することによ
り、粒界弱結合を応用した超伝導素子、例えばジョセフ
ソン素子等に利用できる酸化物超伝導体の作成方法を提
供する。Third, that is, by forming an oxide superconductor polycrystalline thin film having crystal grain boundaries with a very high degree of crystal orientation, a superconducting element using weak grain boundary coupling, for example, Josephson element, etc. A method for producing an oxide superconductor that can be used for
第4に、更に、多段階結晶成長を繰り返し、厚膜にす
ることにより、高い配向性の結晶粒子からなる超伝導テ
ープ状線材の作成も可能になり、臨界電流、臨界磁場の
高い超伝導線材或いは超伝導アンテナ等が作成できる酸
化物超伝導体の作成方法を提供する。Fourthly, by repeating multi-step crystal growth to form a thick film, it becomes possible to prepare a superconducting tape-shaped wire made of highly oriented crystal particles, and a superconducting wire having a high critical current and a high critical magnetic field. Alternatively, the present invention provides a method for producing an oxide superconductor capable of producing a superconducting antenna or the like.
第1図は、本発明による酸化物超伝導体多結晶薄膜の作
成方法を順次に示す模式図である。 第2図は、本発明による種結晶上に、酸化物超伝導体の
結晶成長を繰り返し行なった場合の結晶成長を示す模式
図である。 第3図は、本発明に従う、MgO結晶基板の(100)面上に
作成したY1Ba2Cu3O7-z種結晶の結晶の構造を示すSEM写
真である。 第4図は、本発明に従って、MgO結晶基板の(100)面上
の種結晶を核にして成長させたY1Ba2Cu3O7-z多結晶薄膜
の結晶の構造を示すSEM写真である。 第5図は、種結晶の作成なしで、直接MgO結晶基板の(1
00)面上に成長させたY1Ba2Cu3O7-z多結晶薄膜の結晶の
構造を示すSEM写真である。 第6図は、MgO結晶基板の(100)面上の種結晶を核にし
て成長させたY1Ba2Cu3O7-z多結晶薄膜のX線回折パター
ンである。 第7図は、MgO結晶基板の(100)面上にY1Ba2Cu3O7-zの
結晶成長を複数回に分けて作成した多結晶薄膜のX線回
折パターンである。FIG. 1 is a schematic view sequentially showing a method for producing an oxide superconductor polycrystalline thin film according to the present invention. FIG. 2 is a schematic diagram showing the crystal growth when the crystal growth of the oxide superconductor is repeated on the seed crystal according to the present invention. FIG. 3 is a SEM photograph showing a crystal structure of a Y 1 Ba 2 Cu 3 O 7-z seed crystal formed on the (100) plane of an MgO crystal substrate according to the present invention. FIG. 4 is a SEM photograph showing a crystal structure of a Y 1 Ba 2 Cu 3 O 7-z polycrystalline thin film grown by using a seed crystal on a (100) plane of an MgO crystal substrate as a nucleus according to the present invention. is there. Fig. 5 shows (1) of MgO crystal substrate directly without seed crystal formation.
3 is a SEM photograph showing the crystal structure of a Y 1 Ba 2 Cu 3 O 7-z polycrystalline thin film grown on the (00) plane. FIG. 6 is an X-ray diffraction pattern of a Y 1 Ba 2 Cu 3 O 7-z polycrystalline thin film grown with seed crystals on the (100) plane of an MgO crystal substrate as nuclei. FIG. 7 is an X-ray diffraction pattern of a polycrystalline thin film formed by dividing the crystal growth of Y 1 Ba 2 Cu 3 O 7-z on the (100) plane of the MgO crystal substrate in plural times.
Claims (8)
する方法において、 まず、該基板上に、所望の酸化物超伝導体と少なくとも
陽イオン組成が同じ、平均組成を有する合金或いはアモ
ルファス薄膜を、厚さ5nm以上20nm以下に形成し、その
形成された薄膜を、空気中或いは不活性ガスと酸素の混
合ガス雰囲気中で、400℃〜1200℃の温度で、1分間以
上熱処理することにより、所望の微小超伝導体結晶(以
下種結晶とも称する)粒子を複数個形成しておき、 この種結晶粒子を核として該基板上に酸化物超伝導体の
結晶を成長せしめ、 微小結晶粒子の結晶の配置及び方位に基づいて、成長し
た結晶粒子の粒子径及び粒界分布が決められた単層多結
晶薄膜を形成することを特徴とする酸化物超伝導体多結
晶薄膜の作成法。1. A method of forming a polycrystalline oxide superconductor thin film on a substrate, which comprises firstly forming an alloy or an alloy having the same average cation composition as the desired oxide superconductor on the substrate. An amorphous thin film is formed with a thickness of 5 nm or more and 20 nm or less, and the formed thin film is heat-treated at a temperature of 400 ° C. to 1200 ° C. for 1 minute or more in air or a mixed gas atmosphere of an inert gas and oxygen. As a result, a plurality of desired fine superconductor crystal (hereinafter also referred to as seed crystals) particles are formed, and the seed crystal particles serve as nuclei to grow a crystal of an oxide superconductor on the substrate. A method for producing a polycrystalline thin film of an oxide superconductor characterized by forming a single-layer polycrystalline thin film in which the grain size and grain boundary distribution of grown crystalline grains are determined based on the crystal arrangement and orientation of the grains. .
を、複数回繰り返すことにより、多層多結晶薄膜を形成
することを特徴とする請求項1に記載の酸化物超伝導体
多結晶薄膜の作成法。2. The oxide superconductor polycrystal according to claim 1, further comprising repeating the crystal growth operation on the seed crystal particles a plurality of times to form a multi-layer polycrystal thin film. How to make a thin film.
の前に、該基板の表面上に、該種結晶の形成すべき形状
に、該薄膜を予め切り離し、区画しておくことを特徴と
する請求項1に記載の酸化物超伝導体多結晶薄膜の作成
法。3. Before the heat treatment of the thin film for forming the seed crystal, the thin film is preliminarily cut and divided into a shape on which the seed crystal is to be formed on the surface of the substrate. The method for producing an oxide superconductor polycrystalline thin film according to claim 1.
10μm以下の円形或いは10μm以下の短辺を有する矩形
であることを特徴とする請求項3に記載の酸化物超伝導
体多結晶薄膜の作成法。4. The partition area to be partitioned in advance has a diameter of
The method for producing a polycrystalline thin film of an oxide superconductor according to claim 3, which is a circle having a diameter of 10 µm or less or a rectangle having a short side of 10 µm or less.
組成から1種以上の陽イオン或いは陰イオンが、一部或
いは全部欠如した厚さ5nm〜20nmの合金、或いはアモル
ファス薄膜を、該基板上に或いは既に形成した酸化物超
伝導体多結晶薄膜上に堆積せしめ、該種結晶を形成した
個所に、欠如したイオン種を所望ドーズ量注入した後
に、前記の熱処理による結晶化処理を行なうことによ
り、所望の箇所のみ、即ち、イオン注入箇所のみに、形
成されたものであることを特徴とする請求項1に記載の
酸化物超伝導体多結晶薄膜の作成法。5. The seed crystal is an alloy having a thickness of 5 nm to 20 nm or an amorphous thin film in which one or more kinds of cations or anions are partially or completely absent from a desired oxide superconductor crystal composition, After depositing on the substrate or on the already formed oxide superconductor polycrystal thin film and injecting a desired dose of the missing ionic species into the portion where the seed crystal is formed, the crystallization treatment by the heat treatment is performed. The method for producing an oxide superconductor polycrystalline thin film according to claim 1, wherein the oxide superconductor polycrystalline thin film is formed only at a desired portion, that is, only at an ion-implanted portion.
の点状或いは短辺が10μm以下の矩形であり、その大き
さ、形状及びそれらの間隔により、形成種結晶の大き
さ、分散状態を制御することを特徴とする請求項5に記
載の酸化物超伝導体多結晶薄膜の作成法。6. The ion-implanted portion is a dot with a diameter of 10 μm or less or a rectangle with a short side of 10 μm or less. The size and shape of the formed seed crystal and the dispersion state can be determined depending on the size and shape and their intervals. The method for producing an oxide superconductor polycrystalline thin film according to claim 5, wherein the method is controlled.
成長は、種結晶上に少なくとも所望組成と誤差10%以内
の陽イオン組成又はその後の工程での陽イオン組成のず
れを補償した陽イオン組成を有する合金薄膜、アモルフ
ァス薄膜を10nm以上堆積し、この薄膜を空気中又は不活
性ガスと酸素の混合ガスの雰囲気中で、400℃〜1200℃
の温度範囲で1分間以上熱処理し、続いて、成長結晶中
の酸素量を調整するため、酸素と不活性ガスの混合ガス
中で1200℃以下の温度で1分間以上熱処理することによ
り、該種結晶を核として結晶成長処理を行ない、更に、
所望により、前記の種結晶上への堆積し、結晶化の工程
を複数回繰り返すことを特徴とする請求項1〜6のいず
れかに記載の酸化物超伝導体多結晶薄膜の作成法。7. The growth of the oxide superconductor crystal on the seed crystal is such that at least a desired composition and a cation composition within an error of 10% or a deviation of the cation composition in a subsequent step are caused on the seed crystal. Deposit an alloy thin film or amorphous thin film with a compensated cation composition to a thickness of 10 nm or more, and deposit this thin film in air or in a mixed gas atmosphere of inert gas and oxygen at 400 ℃ ~ 1200 ℃
In order to adjust the amount of oxygen in the grown crystal, the heat treatment is performed in a mixed gas of oxygen and an inert gas at a temperature of 1200 ° C. or less for 1 minute or more, so that the seed Crystal growth is performed using the crystals as nuclei, and
The method for producing an oxide superconductor polycrystalline thin film according to any one of claims 1 to 6, wherein the steps of depositing on the seed crystal and crystallization are repeated a plurality of times if desired.
は、基板加熱の可能な薄膜堆積装置を用い、酸素を含有
する雰囲気中で該基板を300℃以上の温度に加熱しなが
ら、連続して、該種結晶上へ結晶成長を進めることを特
徴とする請求項7に記載の酸化物超伝導体多結晶薄膜の
作成法。8. The process for growing a crystal on the seed crystal is performed by using a thin film deposition apparatus capable of heating a substrate while heating the substrate to a temperature of 300 ° C. or higher in an atmosphere containing oxygen. The method for producing an oxide superconductor polycrystalline thin film according to claim 7, wherein the crystal growth is continuously advanced on the seed crystal.
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|---|---|---|---|
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