(57)【要約】【課題】  良好な配向性を持った多結晶配向中間薄膜とその形成方法、該多結晶配向中間薄膜を中間層として用いた酸化物超電導導体とその製造方法の提供。【解決手段】  本発明の多結晶配向中間薄膜の形成方法は、金属製の基材３上にイオンビームアシスト法により第一の多結晶薄膜４を形成し、該第一の多結晶薄膜上に、Ａｒイオンを照射しながら、パルスレーザ蒸着法により第一の多結晶薄膜と同じ材料からなる第二の多結晶薄膜５を形成して多結晶配向中間薄膜を形成して多結晶配向中間薄膜１を形成することを特徴とする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属製の基材上にイオンビームアシスト法により第一の多結晶薄膜を形成し、該第一の多結晶薄膜上に、Ａｒイオンを照射しながら、パルスレーザ蒸着法により第一の多結晶薄膜と同じ材料からなる第二の多結晶薄膜を形成して多結晶配向中間薄膜を形成することを特徴とする多結晶配向中間薄膜の形成方法。
【請求項２】
前記第二の多結晶薄膜上に、反応抑止膜として第三の多結晶薄膜を形成して多結晶配向中間薄膜を形成することを特徴とする請求項１に記載の多結晶配向中間薄膜の形成方法。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の多結晶配向中間薄膜の形成方法により形成された多結晶配向中間薄膜。
【請求項４】
金属製の基材上にイオンビームアシスト法により第一の多結晶薄膜を形成し、該第一の多結晶薄膜上に、Ａｒイオンを照射しながら、パルスレーザ蒸着法により第一の多結晶薄膜と同じ材料からなる第二の多結晶薄膜を形成して多結晶配向中間薄膜を形成し、次いで該多結晶配向中間薄膜上に酸化物超電導薄膜を形成して酸化物超電導導体を製造することを特徴とする酸化物超電導導体の製造方法。
【請求項５】
前記第二の多結晶薄膜上に、反応抑止膜として第三の多結晶薄膜を形成して多結晶配向中間薄膜を形成し、次いで該多結晶配向中間薄膜上に酸化物超電導薄膜を形成して酸化物超電導導体を製造することを特徴とする請求項４に記載の酸化物超電導導体の製造方法。
【請求項６】
請求項４又は５に記載の酸化物超電導導体の製造方法により製造された酸化物超電導導体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基材上に酸化物超電導薄膜を有する酸化物超電導導体の中間層として好適な多結晶配向中間薄膜とその製造方法及び該多結晶配向中間薄膜を中間層として用いた酸化物超電導導体とその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年になって発見された酸化物超電導体は、液体窒素温度を超える臨界温度を示す優れた超電導体である。このような酸化物超電導体を超電導導体として実用化するためには、金属製のテープ基材（以下、「金属テープ基材」とも言う。）上に、結晶配向性の良好な酸化物超電導薄膜を形成する必要がある。
一般に金属テープ基材は多結晶質であり、その結晶構造が酸化物超電導体と大きく異なっている。そのため、金属テープ基材上に、結晶配向性の良好な酸化物超電導薄膜を直に形成することは難しい。
そこで、ハステロイテープなどの金属テープ基材上に、中間層として結晶配向性に優れたＧｄ２Ｚｒ２Ｏ７などの多結晶薄膜を形成した後、この多結晶薄膜上にＹ１Ｂａ２Ｃｕ３Ｏｘ系の酸化物超電導薄膜を形成した酸化物超電導導体が開発されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
この多結晶薄膜は、その結晶が予めｃ軸配向し、ａ軸およびｂ軸においても配向するように、イオンビームアシスト（Ion Beam Assisted Deposition：略称ＩＢＡＤ。）法により形成される。
Ｙ１Ｂａ２Ｃｕ３Ｏｘ系の酸化物超電導薄膜を形成するには、多結晶薄膜上に均質に薄膜を形成することができるパルスレーザ蒸着（Pulsed Laser Deposition：略称ＰＬＤ。）法などが用いられる。
そして、この多結晶薄膜上にＹ１Ｂａ２Ｃｕ３Ｏｘ系の酸化物超電導薄膜を形成すると、その結晶のｃ軸，ａ軸およびｂ軸が多結晶薄膜の結晶に整合するようにエピタキシャル成長して結晶化し、これにより結晶配向性の良好なＹ１Ｂａ２Ｃｕ３Ｏｘ系の酸化物超電導薄膜が得られる。
【０００４】
このように、酸化物超電導導体の作製において、基材上に結晶配向性を制御した多結晶薄膜を形成し、この上に結晶配向性の良好なＹ１Ｂａ２Ｃｕ３Ｏｘ系の酸化物超電導薄膜を形成することで、超電導導体の超電導特性（臨界電流（Ｉｃ）、臨界電流密度（Ｊｃ）など）を改善することができる。
【０００５】
さらに、本発明者らが研究を重ねた結果、ＩＢＡＤ法により形成された多結晶薄膜上に、ＰＬＤ法などにより同一材料からなる第二の多結晶薄膜を形成すると、ＩＢＡＤ法により形成された多結晶薄膜の結晶配向性が改善されることが分かった。また、基材上に第一の多結晶薄膜と第二の多結晶薄膜とからなる多結晶配向中間薄膜を形成し、この第二の多結晶薄膜上にＹ１Ｂａ２Ｃｕ３Ｏｘ系の酸化物超電導薄膜を形成することによって、得られる超電導導体の超電導特性を更に向上させることが可能である。
【特許文献１】特開平１１−８６６４７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
前述したように、ＩＢＡＤ法により形成された第一の多結晶薄膜上に、ＰＬＤ法により同一材質からなる第二の多結晶薄膜を形成する際に、金属テープ基材をリールやボビンに巻き取りながら各薄膜を積層すると、基材の裏面と第一の多結晶薄膜とが接触することになる。これにより第一の多結晶薄膜表面に不純物が付着し、積層界面において結晶中に欠陥が生じてしまい、第二の多結晶薄膜の形成による結晶配向性の改善効果が低下してしまう問題がある。
【０００７】
本発明は前記事情に鑑みてなされ、良好な配向性を持った多結晶配向中間薄膜の形成方法とそれを含む酸化物超電導導体を製造する方法の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記目的を達成するため、本発明は、金属製の基材上にイオンビームアシスト法により第一の多結晶薄膜を形成し、該第一の多結晶薄膜上に、Ａｒイオンを照射しながら、パルスレーザ蒸着法により第一の多結晶薄膜と同じ材料からなる第二の多結晶薄膜を形成して多結晶配向中間薄膜を形成することを特徴とする多結晶配向中間薄膜の形成方法を提供する。
本発明の多結晶配向中間薄膜の形成方法において、前記第二の多結晶薄膜上に、反応抑止膜として第三の多結晶薄膜を形成して多結晶配向中間薄膜を形成することが好ましい。
【０００９】
また本発明は、前記本発明に係る多結晶配向中間薄膜の形成方法により形成された多結晶配向中間薄膜を提供する。
【００１０】
また本発明は、金属製の基材上にイオンビームアシスト法により第一の多結晶薄膜を形成し、該第一の多結晶薄膜上に、Ａｒイオンを照射しながら、パルスレーザ蒸着法により第一の多結晶薄膜と同じ材料からなる第二の多結晶薄膜を形成して多結晶配向中間薄膜を形成し、次いで該多結晶配向中間薄膜上に酸化物超電導薄膜を形成して酸化物超電導導体を製造することを特徴とする酸化物超電導導体の製造方法を提供する。
本発明の酸化物超電導導体の製造方法において、前記第二の多結晶薄膜上に、反応抑止膜として第三の多結晶薄膜を形成して多結晶配向中間薄膜を形成し、次いで該多結晶配向中間薄膜上に酸化物超電導薄膜を形成して酸化物超電導導体を製造することが好ましい。
【００１１】
また本発明は、前記本発明に係る酸化物超電導導体の製造方法により製造された酸化物超電導導体を提供する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明は、ＩＢＡＤ法により金属製の基材上に形成されたＧｄ２Ｚｒ２Ｏ７等からなる第一の多結晶薄膜上に、同一材料をＰＬＤ法によりホモエピタキシャル成長させる際に、Ａｒイオンを照射しながら成膜を行うことにより、第一の多結晶薄膜の表面にある不純物を除去し、清浄な第一の多結晶薄膜上に第二の多結晶薄膜を成膜することで、結晶配向性の良好な第二の多結晶薄膜を形成することが可能となる。
また、結晶配向性の良好な第二の多結晶薄膜上に酸化物超電導薄膜を形成することによって、超電導特性が良好な酸化物超電導導体を製造することができる。
また、第二の多結晶薄膜上に、反応抑止膜として第三の多結晶薄膜を形成して多結晶配向中間薄膜を形成することによって、多結晶配向中間薄膜上に形成される酸化物超電導薄膜の臨界電流密度などの超電導特性を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の多結晶配向中間薄膜とその製造方法、並びに酸化物超電導導体とその製造方法について、図面を参照して説明する。
図１は、本発明の酸化物超電導導体２の第１実施形態を示す断面図である。図１中、符号１は多結晶配向中間薄膜、２は酸化物超電導導体、３は基材、４は第一の多結晶薄膜、５は第二の多結晶薄膜、６は酸化物超電導薄膜をそれぞれ示している。
本実施形態の酸化物超電導導体２は、金属製の基材３上に設けられた多結晶配向中間薄膜１と、この多結晶配向中間薄膜１上に設けられた酸化物超電導薄膜６とから構成されている。
まず、多結晶配向中間薄膜１について、以下に説明する。
【００１４】
本実施形態の多結晶配向中間薄膜１は、金属製の基材３上にＩＢＡＤ法によって成膜された第一の多結晶薄膜４と、この第一の多結晶薄膜４と同じ組成からなりＰＬＤ法により成膜された第二の多結晶薄膜５とを備えて構成されている。
前記基材３としては、例えば、銀、白金、ステンレス鋼、銅、ハステロイなどのニッケル合金などの金属材料からなる板材、線材、テープ材などの種々の形状のものを用いることができる。
【００１５】
第一の多結晶薄膜４は、ＩＢＡＤ法により形成され、Ｇｄ２Ｚｒ２Ｏ７などの組成式で示される立方晶系の結晶構造を有する微細な結晶の集合体の結晶粒が、多数、相互に結晶粒界を介し接合一体化されてなり、各結晶粒の結晶軸のｃ軸は基材３の上面（被成膜面）に対して直角に向けられ、各結晶粒の結晶軸のａ軸同士およびｂ軸同士は、互いに同一方向に向けられて面内配向されている。第一の多結晶薄膜４の厚さは限定されないが、通常は０．５〜２．０μｍの範囲、好ましくは０．５〜１．５μｍ程度とされる。
【００１６】
第一の多結晶薄膜４を構成する複合酸化物としては、Ｇｄ２Ｚｒ２Ｏ７の他に、Ｓｍ２Ｚｒ２Ｏ７、Ｌａ２Ｚｒ２Ｏ７、Ｃｅ２Ｚｒ２Ｏ７、Ｐｒ２Ｚｒ２Ｏ７、Ｇｄ２Ｈｆ２Ｏ７、Ｓｍ２Ｈｆ２Ｏ７、Ｌａ２Ｈｆ２Ｏ７、Ｙ２Ｚｒ２Ｏ７、Ｙｂ２Ｚｒ２Ｏ７、Ｔｍ２Ｚｒ２Ｏ７、Ｅｒ２Ｚｒ２Ｏ７、Ｈｏ２Ｚｒ２Ｏ７、Ｄｙ２Ｚｒ２Ｏ７、Ｅｕ２Ｚｒ２Ｏ７、Ｎｄ２Ｚｒ２Ｏ７、Ｙ２Ｚｒ２Ｏ７、Ｙ２Ｈｆ２Ｏ７、Ｙｂ２Ｈｆ２Ｏ７、Ｔｍ２Ｈｆ２Ｏ７、Ｅｒ２Ｈｆ２Ｏ７、Ｈｏ２Ｈｆ２Ｏ７、Ｄｙ２Ｈｆ２Ｏ７、Ｅｕ２Ｈｆ２Ｏ７、Ｎｄ２Ｈｆ２Ｏ７、Ｐｒ２Ｈｆ２Ｏ７、Ｃｅ２Ｈｆ２Ｏ７の組成のＡＺｒＯあるいはＡＨｆＯのいずれかの組成式（ただし、前記組成式においてＡは、Ｙ、Ｙｂ、Ｔｍ、Ｅｒ、Ｈｏ、Ｄｙ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｓｍ、Ｎｄ、Ｐｒ、Ｃｅ、Ｌａの中から選択される１種を示す。）で示される複合酸化物や、イットリア安定化ジルコニア（以下、ＹＳＺと略記。）などを適用することができる。
なお、前記組成（ＡＺｒＯあるいはＡＨｆＯ）の希土類元素どうしの相対比が１：１のものに限らず、０.１：０.９〜０.９：０.１の範囲で任意の相対比のものも採用することができる。
【００１７】
第一の多結晶薄膜４の各結晶粒のａ軸（あるいはｂ軸）同士は、それらのなす角度（粒界傾角）を１０度以内にして接合一体化されていることが好ましい。これにより、第一の多結晶薄膜４上に第二の多結晶薄膜５を形成すると、非常に結晶配向性の良好な第二の多結晶薄膜５を得ることができる。
【００１８】
第二の多結晶薄膜５は、第一の多結晶薄膜４の表面上に、第一の多結晶薄膜４と同一材料をＰＬＤ法によりＡｒイオンを照射しながらエピタキシャル成長させて形成されたものである。第二の多結晶薄膜５は、第一の多結晶薄膜４と同一の材質からなり、Ｇｄ２Ｚｒ２Ｏ７などの組成式で示される立方晶系の結晶構造を有する微細な結晶の集合体の結晶粒が、多数、相互に結晶粒界を介し接合一体化されてなり、各結晶粒の結晶軸のｃ軸は第一の多結晶薄膜４の上面（被成膜面）に対してほぼ直角に向けられ、各結晶粒の結晶軸のａ軸同士およびｂ軸同士は、互いに同一方向に向けられて面内配向されている。この第二の多結晶薄膜５の厚さは限定されないが、通常は０．５〜５μｍの範囲、好ましくは０．５〜２μｍ程度とされる。
【００１９】
この多結晶配向中間薄膜１は、第一の多結晶薄膜４と第二の多結晶薄膜５とが、上述したＡＺｒＯ、あるいはＡＨｆＯのいずれかの組成式（ただし、前記組成式においてＡは、Ｙ、Ｙｂ、Ｔｍ、Ｅｒ、Ｈｏ、Ｄｙ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｓｍ、Ｎｄ、Ｐｒ、Ｃｅ、Ｌａの中から選択される１種を示す。）で示される複合酸化物、又はＹＳＺなどから構成されており、複合酸化物の最近接原子間距離は、例えばＧｄ２Ｚｒ２Ｏ７では３.７２Å、Ｌａ２Ｚｒ２Ｏ７では３.８１Å、Ｃｅ２Ｚｒ２Ｏ７では３.７８Å、Ｐｒ２Ｚｒ２Ｏ７では３.７８Å、Ｇｄ２Ｈｆ２Ｏ７では３.７２Å、Ｓｍ２Ｈｆ２Ｏ７では３.７４Å、Ｌａ２Ｈｆ２Ｏ７では３.８１Åであり、Ｙ１Ｂａ２Ｃｕ３Ｏｘなる組成の酸化物超電導体の最近接原子間距離の３.８１Åに近い値となる。このため、前記複合酸化物とＹ１Ｂａ２Ｃｕ３Ｏｘ系の酸化物超電導体とは結晶の整合性に優れ、この多結晶配向中間薄膜１上にＹ１Ｂａ２Ｃｕ３Ｏｘ系の酸化物超電導薄膜６を形成すると、その結晶のｃ軸，ａ軸およびｂ軸が多結晶配向中間薄膜１の結晶に整合するようにエピタキシャル成長して結晶化し、これにより結晶配向性の良好なＹ１Ｂａ２Ｃｕ３Ｏｘ系の酸化物超電導薄膜６が得られる。
【００２０】
次に、酸化物超電導薄膜６について説明する。
酸化物超電導薄膜６は、その結晶粒のｃ軸が、前記多結晶配向中間薄膜１の最上層の上面に対して直角に配向され、その結晶粒のａ軸およびｂ軸は、前述した第一、第二の多結晶薄膜４，５と同様に、基材３の上面と平行な面に沿って面内配向されている。
【００２１】
酸化物超電導薄膜６を構成する酸化物超電導体としては、Ｙ１Ｂａ２Ｃｕ３Ｏｘ、Ｙ２Ｂａ４Ｃｕ８Ｏｘ、Ｙ３Ｂａ３Ｃｕ６Ｏｘなる組成、あるいは（Ｂｉ，Ｐｂ）２Ｃａ２Ｓｒ２Ｃｕ３Ｏｘ、（Ｂｉ,Ｐｂ）２Ｃａ２Ｓｒ３Ｃｕ４Ｏｘなる組成、あるいは、Ｔｌ２Ｂａ２Ｃａ２Ｃｕ３Ｏｘ、Ｔｌ１Ｂａ２Ｃａ２Ｃｕ３Ｏｘ、Ｔｌ１Ｂａ２Ｃａ３Ｃｕ４Ｏｘなる組成などに代表される臨界温度の高い酸化物超電導体が挙げられるが、これら以外の酸化物系の超電導体を用いてもよい。
【００２２】
本実施形態の酸化物超電導導体２は、前述した多結晶配向中間薄膜１上に、Ｙ１Ｂａ２Ｃｕ３Ｏｘ系等の酸化物超電導薄膜６が設けられた構造なので、優れた結晶配向性を有する酸化物超電導薄膜６が形成可能となり、これにより、この酸化物超電導導体２は優れた超電導特性が得られ、強磁場発生用のコイルなど種々の超電導応用機器に適用することで、それらの性能向上を図ることができる。
【００２３】
次に、図２および図３を用いて、本実施形態の多結晶配向中間薄膜１の製造方法及び酸化物超電導導体２の製造方法について説明する。
図２は、前記第一の多結晶薄膜４を形成するために用いられるＩＢＡＤ装置の一例を示す構成図である。
このＩＢＡＤ装置は、テープ状の基材３を支持するとともに所望の温度に加熱することができる基材ホルダ１０と、基材ホルダ１０の斜め上方に所定間隔をおいて対向配置された板状のターゲット２０と、ターゲット２０の斜め上方においてターゲット２０の下面に対向して配置されたスパッタビーム照射装置２２と、基材ホルダ１０の側方に所定間隔をおいて対向され、かつ、ターゲット２０と離間して配置されたイオンソース２３とが真空排気可能な成膜処理容器２５内に収容された概略構成となっている。
【００２４】
前記ターゲット２０としては、目的とする組成の第一の多結晶薄膜４と同一組成あるいは近似組成のものなどを用いる。具体的には、前記第一の多結晶薄膜４を構成する複合酸化物と同一組成あるいは近似組成の複合酸化物が用いられる。
【００２５】
まず、基材３として、ハステロイなどの金属からなるテープ状の基材３を用意する。
次いで、図２に示すＩＢＡＤ装置を用い、ＩＢＡＤ法によりテープ状の基材３上に第一の多結晶薄膜４を形成する。
基材３上に第一の多結晶薄膜４を形成するには、ターゲット２０を用い、基材３を収納している成膜処理容器２５内部を真空引きして減圧雰囲気とするとともに、基材送出ボビン１１から基材ホルダ１０に基材３を所定の速度で送り出し、さらにイオンソース２３とスパッタビーム照射装置２２を作動させる。
【００２６】
スパッタビーム照射装置２２からターゲット２０に、所定の照射角度でイオンのビームを照射すると、ターゲット２０の構成粒子が叩き出されて基材３上に飛来する。そして、基材ホルダ１０上に送り出された基材３上にターゲット２０から叩き出した構成粒子を成膜速度数ｎｍ／ｍｉｎで堆積させると同時にイオンソース２３からアシストイオンビームとして、例えば、Ａｒ＋イオンのイオンビーム、Ｋｒ＋イオンのイオンビーム、Ｘｅ＋イオンのイオンビーム、あるいは、Ｋｒ＋イオンとＸｅ＋イオンの混合イオンビームを照射して、所望の厚みの第一の多結晶薄膜２を成膜し、成膜後の基材３を基材巻取ボビン１２に巻き取る。
【００２７】
また、第一の多結晶薄膜４の成膜の際、基材３を適切な温度に加熱し、イオンソース２３から照射されるアシストイオンビームのエネルギーを適切な範囲内に設定することが望ましい。このように、基材３の温度およびアシストイオンビームのエネルギーを適切な範囲に設定することにより、望ましい結晶配向性を持った第一の多結晶薄膜４を成膜することができる。
【００２８】
次いで、図３に示すようなパルスレーザ蒸着装置を用いて、ＰＬＤ法により、第一の多結晶薄膜４上に第二の多結晶薄膜５を形成する。
図３は、第二の多結晶薄膜５を形成するために使用されるパルスレーザ蒸着装置の一例を示す構成図である。このパルスレーザ蒸着装置は、パルスレーザ光を入射するためのウィンドウ３６を備えた処理容器３０と、この処理容器３０の内部の蒸着処理室３１に設置されたターゲット支持部３２と、第１の多結晶薄膜を形成済みの基材を水平状態に設置できる基台３３と、真空排気装置３４と、レーザ発光装置３５と、基材３上にＡｒイオンのビームを照射するイオンビーム照射装置３７とから概略構成されている。
【００２９】
前記レーザ発光装置３５は、ターゲット支持部３２に取り付けられたターゲットから構成粒子を叩き出すことが可能なパルスレーザ光を出力できればよく、特に限定されないが、例えばＹＡＧレーザ、ＣＯ２レーザ、エキシマレーザなどのレーザ発振手段を備えた装置が好ましい。
前記ターゲット支持部３２としては、２種以上のターゲットを固定でき、かつ回転機構が設けられ、レーザ発光装置３５からのレーザビームの照射位置に、目的とするターゲットがくるように位置調節できるものが適用できる。
【００３０】
ターゲット支持部３２に設置するターゲットとしては、第二の多結晶薄膜５形成用のターゲットと、酸化物超電導薄膜６形成用のターゲットが用いられる。
具体的には、第二の多結晶薄膜５形成用のターゲットとしては、上述の第二の多結晶薄膜５を構成する複合酸化物と同一組成あるいは近似組成の複合酸化物が用いられる。また酸化物超電導薄膜６形成用のターゲットとしては、酸化物超電導薄膜６を構成する酸化物超電導体と同一組成あるいは近似組成の複合酸化物が用いられる。
【００３１】
また前記イオンビーム照射装置３７は、Ａｒガスをイオン化し、基材３上にＡｒイオン（Ａｒ＋イオン）ビームを所望のエネルギーで照射するように構成されている。このＡｒイオンビームのエネルギーは、基材３上に成膜された第一の多結晶薄膜４上に付着している不純物を除去し、第一の多結晶薄膜４の表面を清浄化することができるように調整される。ここで、第一の多結晶薄膜４上の不純物とは、第一の多結晶薄膜４を成膜した基材３を巻き取った際に、金属の素材が露出している基材３の裏面と第一の多結晶薄膜４とが接触することにより基材３から第一の多結晶薄膜４表面に付着する不純物である。第一の多結晶薄膜４表面に不純物があると、その上に第二の多結晶薄膜５を成膜した際に積層界面において結晶中に欠陥が生じてしまい、第二の多結晶薄膜５の形成による結晶配向性の改善効果が低下してしまう。
【００３２】
このパルスレーザ蒸着装置を用いて第一の多結晶薄膜４上に第二の多結晶薄膜５を形成するには、まず、第一の多結晶薄膜４が形成された基材３を、このレーザ蒸着装置の基台３３上に設置する。
次いで、蒸着処理室３１内を真空ポンプで減圧する。また、蒸着を開始するまでに、基台３３に設けられた加熱ヒータを作動させ、基材３を所定の温度に加熱しておく。
次いで、イオンビーム照射装置３７を作動させ、基板３の表面へのＡｒイオンビーム照射を開始する。
【００３３】
次いで、レーザ発光装置３５から発生させたレーザビームを、ウィンドウ３６を通して蒸着処理室３１に導入し、該室内の第二の多結晶薄膜形成用のターゲットに集光照射する。これにより、ターゲットの構成粒子がえぐり出されるか蒸発されて、その粒子が第一の多結晶薄膜４上に堆積し、第二の多結晶薄膜５が形成される。
この際、レーザビームの射出強度は１００ｍＪ〜４００ｍＪ、パルス周波数は１０Ｈｚ〜２５０Ｈｚの範囲とすることが好ましい。また、基材３の温度は、５００〜１０００℃程度とするのが好ましく、基材３の線速を１ｍ／ｈ〜１０ｍ／ｈとして、基材３を移動させながら数回堆積し、所望の膜厚の第二の多結晶薄膜５を形成することが好ましい。
【００３４】
この第二の多結晶薄膜５の形成において、その構成粒子の堆積の際に、Ｇｄ２Ｚｒ２Ｏ７等からなる第一の多結晶薄膜４が予めｃ軸配向し、ａ軸とｂ軸でも配向しているので、第一の多結晶薄膜４上に形成される第二の多結晶薄膜５の結晶のｃ軸とａ軸とｂ軸も、第一の多結晶薄膜４に整合するようにエピタキシャル成長して結晶化する。
【００３５】
以上により、金属製の基材３上に、本発明に係る多結晶配向中間薄膜１を形成することができる。
通常、ＩＢＡＤ法により多結晶薄膜を形成する場合、その成膜速度は数ｎｍ／ｍｉｎ程度である。これに対して、ＰＬＤ法により多結晶薄膜を形成する場合、その成膜速度は数１００ｎｍ／ｍｉｎ程度と格段に大きい。このため、本発明の多結晶配向中間薄膜１の製造方法によると、ＰＬＤ法により第二の多結晶薄膜５を形成することによって、従来のＩＢＡＤ法のみにより多結晶薄膜を形成する場合に比べて、成膜時間を大幅に短縮でき、生産効率に優れ、かつ優れた結晶配向性を有する多結晶配向中間薄膜１を製造できる。
【００３６】
本発明の多結晶配向中間薄膜の製造方法は、ＩＢＡＤ法により金属製の基材３上に形成されたＧｄ２Ｚｒ２Ｏ７等からなる第一の多結晶薄膜４上に、同一材料をＰＬＤ法によりホモエピタキシャル成長させる際に、基材３上に成膜された第一の多結晶薄膜４の上にＡｒイオンを照射しながら成膜を行うことにより、第一の多結晶薄膜４の表面にある不純物を除去し、清浄な第一の多結晶薄膜４上に第二の多結晶薄膜５を成膜することで、結晶配向性の良好な第二の多結晶薄膜５を形成することができる。
また、結晶配向性の良好な第二の多結晶薄膜５上に酸化物超電導薄膜６を形成することによって、超電導特性が良好な酸化物超電導導体２を製造することができる。
【００３７】
次に、本発明の多結晶配向中間薄膜１上に酸化物超電導薄膜６を形成する方法について説明する。
図３に示すパルスレーザ蒸着装置を用い、ターゲットを変更し、ＰＬＤ法によって前記多結晶配向中間薄膜１上に酸化物超電導薄膜６を形成する。
酸化物超電導薄膜６の形成においては、ターゲットとして、酸化物超電導薄膜６を構成する酸化物超電導体と同一組成あるいは近似組成の酸化物超電導体が用いられる。
【００３８】
酸化物超電導薄膜６を形成するには、まず、上述した本発明の多結晶配向中間薄膜１が形成された基材３を、このパルスレーザ蒸着装置の基台３３上に設置する。
次いで、蒸着処理室３１を一旦減圧排気した後、酸素ガスを導入し、蒸着処理室３１を適当な圧力の酸素ガス雰囲気とする。また、基台３３に設けられた加熱ヒータを作動させて基材３を所定の温度に加熱する。
【００３９】
次いで、レーザ発光装置３５から発生させたレーザビームを、蒸着処理室３１のターゲットに集光照射する。これにより、ターゲットの構成粒子がえぐり出されるか蒸発されて、その粒子が第三の多結晶薄膜６上に堆積し、酸化物超電導薄膜６が形成されて、酸化物超電導導体２が得られる。
【００４０】
酸化物超電導体の構成粒子が前記多結晶配向中間薄膜１上に堆積する際、Ｇｄ２Ｚｒ２Ｏ７等からなる第二の多結晶薄膜５が予めｃ軸配向し、ａ軸とｂ軸でも配向しているので、第二の多結晶薄膜５上に形成される酸化物超電導薄膜６の結晶のｃ軸とａ軸とｂ軸も、第二の多結晶薄膜５に整合するようにエピタキシャル成長して結晶化する。
【００４１】
Ｙ１Ｂａ２Ｃｕ３Ｏｘからなる酸化物超電導薄膜６を形成する場合、数百ｍＴｏｒｒ程度の圧力の酸素雰囲気にすることで、ターゲットから蒸発した粒子の酸化を促進させることができる。これにより、酸素欠陥のないＹ１Ｂａ２Ｃｕ３Ｏｘ系酸化物超電導薄膜を形成することができる。
【００４２】
図４は、本発明の酸化物超電導導体の第２実施形態を示す模式図である。図４において、前述した第１実施形態による酸化物超電導導体２と同一の構成要素には同一符号を付してある。図４中、符号７は多結晶配向中間薄膜、８は第三の多結晶薄膜、９は酸化物超電導導体をそれぞれ示している。
【００４３】
本実施形態の酸化物超電導導体９は、金属製の基材３上に設けられた多結晶配向中間薄膜７と、この多結晶配向中間薄膜７上に設けられた酸化物超電導薄膜６とから構成されている。この結晶配向中間薄膜７は、基材３上に形成された第一の多結晶薄膜４と、該第一の多結晶薄膜４上に形成された第二の多結晶薄膜５と、該第二の多結晶薄膜５上に形成された反応抑止膜としての第３の多結晶薄膜８とから構成されている。基材３、第一の多結晶薄膜４、第二の多結晶薄膜５及び酸化物超電導薄膜６の各層は、前述した第１実施形態において記載したそれぞれの層と同様である。
【００４４】
前記第三の多結晶薄膜８は、特開平１１−８６６４７号公報にて開示された拡散防止膜（反応抑止膜）であり、第二の多結晶薄膜５上に、第二の多結晶薄膜５と同様にエピタキシャル成長されてなるものである。
前記反応抑止膜、すなわち第三の多結晶薄膜８を構成する酸化物としては、Ｙ２Ｏ３、ＣｅＯ２などが挙げられる。
第三の多結晶薄膜８は、第二の多結晶薄膜５上にエピタキシャル成長されて形成されるため、第二の多結晶薄膜５の結晶配向性と同等の結晶配向性を有することになる。
【００４５】
第三の多結晶薄膜８は、第二の多結晶薄膜５の形成に用いられる図３に示すパルスレーザ蒸着装置を用い、ターゲットをＹ２Ｏ３、ＣｅＯ２などの第三の多結晶薄膜８の材料に切り替えて、ＰＬＤ法によって形成することが好ましい。第二の多結晶薄膜５の形成と同じく、レーザ発光装置３５から発生させたレーザビームを、ウィンドウ３６を通して蒸着処理室３１に導入し、該室内の第三の多結晶薄膜形成用のターゲットに集光照射する。これにより、ターゲットの構成粒子がえぐり出されるか蒸発されて、その粒子が第二の多結晶薄膜５上に堆積し、第三の多結晶薄膜８が形成される。
【００４６】
前記第三の多結晶薄膜８の膜厚は、第二の多結晶薄膜５の膜厚と同等かそれ以下であることが好ましい。第二の多結晶薄膜５の結晶配向性は、第三の多結晶薄膜８の結晶配向性に比べて、膜厚依存性が大きいため、多結晶薄膜の全体の膜厚に対して、第二の多結晶薄膜５の膜厚の比率を第三の多結晶薄膜８の膜厚の比率と同等かそれ以上とすることによって、効率良く結晶配向性を高めることができる。
前記第三の多結晶薄膜８の膜厚は、具体的には０．１μｍ〜０．３μｍが好ましく、これにより第二の多結晶薄膜５の結晶配向性と同等の結晶配向性を有する第三の多結晶薄膜８が実現できる。
第三の多結晶薄膜８の膜厚が０．１μｍ未満の場合、結晶がほとんど成長せず、良好な結晶配向性が得られず、好ましくない。第三の多結晶薄膜８の膜厚が０．３μｍよりも厚い場合、成膜に長時間を要するため非効率的であり、結果として製造コストが嵩むため、好ましくない。
【００４７】
本実施形態の酸化物超電導導体９は、前述した第１実施形態と同様に、図３に示すパルスレーザ蒸着装置を用い、ターゲットを変更し、ＰＬＤ法によって前記多結晶配向中間薄膜７上に酸化物超電導薄膜６を形成することにより製造される。
酸化物超電導薄膜６の形成においては、ターゲットとして、酸化物超電導薄膜６を構成する酸化物超電導体と同一組成あるいは近似組成の酸化物超電導体が用いられる。
【００４８】
酸化物超電導薄膜６を形成するには、まず、前記多結晶配向中間薄膜７が形成された基材３を、このパルスレーザ蒸着装置の基台３３上に設置する。
次いで、蒸着処理室３１を一旦減圧排気した後、酸素ガス又は酸素ガスとＡｒガスの混合ガスを導入し、蒸着処理室３１を適当な圧力の酸素ガス雰囲気とする。また、基台３３に設けられた加熱ヒータを作動させて基材３を所定の温度に加熱する。
【００４９】
次いで、レーザ発光装置３５から発生させたレーザビームを、蒸着処理室３１のターゲットに集光照射する。これにより、ターゲットの構成粒子がえぐり出されるか蒸発されて、その粒子が第三の多結晶薄膜８上に堆積し、酸化物超電導薄膜６が形成されて、酸化物超電導導体９が得られる。ここで、第三の多結晶薄膜８は、第二の多結晶薄膜５上にエピタキシャル成長されて形成されるため、第二の多結晶薄膜５の結晶配向性と同等の結晶配向性を有することから、酸化物超電導体の構成粒子が前記多結晶配向中間薄膜７上に堆積する際、第三の多結晶薄膜８上に形成される酸化物超電導薄膜６の結晶のｃ軸とａ軸とｂ軸も、第三の多結晶薄膜８に整合するようにエピタキシャル成長して結晶化する。
【００５０】
本実施形態の酸化物超電導導体９は、前記多結晶配向中間薄膜７上に、Ｙ１Ｂａ２Ｃｕ３Ｏｘ系等の酸化物超電導薄膜６が設けられた構造なので、優れた結晶配向性を有する酸化物超電導薄膜６が形成可能となり、これにより、この酸化物超電導導体９は優れた超電導特性が得られ、強磁場発生用のコイルなど種々の超電導応用機器に適用することで、それらの性能向上を図ることができる。
また、第三の多結晶薄膜８が反応抑止膜として作用し、多結晶配向中間薄膜７上に形成される酸化物超電導薄膜６の臨界電流密度などの超電導特性を向上させることができる。
【実施例】
【００５１】
［比較例］
ハステロイテープ基材上にＩＢＡＤ法により膜厚１μｍ、面内配向性１０度のＧｄ２Ｚｒ２Ｏ７からなる第一の多結晶薄膜を形成し、この第一の多結晶薄膜上にＰＬＤ法により膜厚１μｍのＧｄ２Ｚｒ２Ｏ７からなる第二の多結晶薄膜を形成した。第二の多結晶薄膜の成膜に用いたＰＬＤ法の蒸着条件は、エキシマレーザパルス光の射出強度１００〜３００ｍＪ、パルス周波数１０〜２５０Ｈｚ、酸素雰囲気圧力１０ｍＴｏｒｒ、基材加熱温度６００〜１０００℃、テープ基材の線速４ｍ／ｈとし、この条件で１μｍの厚さまで第二の多結晶薄膜を積層成膜した。ＰＬＤ法により形成した第二の多結晶薄膜の面内配向性は約６度であった。
第二の多結晶薄膜の形成後、蒸着処理室内のターゲットを変更し、第二の多結晶薄膜上に、ＰＬＤ法によってＹ１Ｂａ２Ｃｕ３Ｏｘからなる酸化物超電導薄膜を形成し酸化物超電導導体を形成した。その結果、酸化物超電導薄膜の膜厚が０．４μｍで臨界電流密度（Ｊｃ）値が１．５ＭＡ／ｃｍ２の酸化物超電導導体が得られた。
なお、前記「面内配向性」とは、Ｘ線回折法により各多結晶薄膜の極点計測により極図形を測定し、その半値幅［単位：度］である。
【００５２】
［実施例］
ハステロイテープ基材上にＩＢＡＤ法により膜厚１μｍ、面内配向性１０度のＧｄ２Ｚｒ２Ｏ７からなる第一の多結晶薄膜を形成し、この第一の多結晶薄膜上に、Ａｒイオンを照射して表面を清浄にしながら、ＰＬＤ法により膜厚１μｍのＧｄ２Ｚｒ２Ｏ７からなる第二の多結晶薄膜を形成した。第二の多結晶薄膜の成膜に用いたＰＬＤ法の蒸着条件は、エキシマレーザパルス光の射出強度１００〜３００ｍＪ、パルス周波数１０〜２５０Ｈｚ、雰囲気圧力１０ｍＴｏｒｒ、基材加熱温度６００〜１０００℃、テープ基材の線速４ｍ／ｈとし、この条件で１μｍの厚さまで第二の多結晶薄膜を積層成膜した。ＰＬＤ法により形成した第二の多結晶薄膜の面内配向性は約５度であった。
第二の多結晶薄膜の形成後、蒸着処理室内のターゲットを変更し、第二の多結晶薄膜上に、ＰＬＤ法によってＹ１Ｂａ２Ｃｕ３Ｏｘからなる酸化物超電導薄膜を形成し酸化物超電導導体を形成した。その結果、酸化物超電導薄膜の膜厚が０．４μｍで臨界電流密度（Ｊｃ）値が１．７ＭＡ／ｃｍ２の酸化物超電導導体が得られた。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明に係る酸化物超電導導体の第１実施形態を示す断面図である。
【図２】本発明の方法において使用されるＩＢＡＤ装置の一例を示す構成図である。
【図３】本発明の方法において使用されるＰＬＤ装置の一例を示す構成図である。
【図４】本発明に係る酸化物超電導導体の第２実施形態を示す断面図である。
【符号の説明】
【００５４】
１，７…多結晶配向中間薄膜、２，９…酸化物超電導導体、３…基材、４…第一の多結晶薄膜、５…第二の多結晶薄膜、６…酸化物超電導薄膜、８…第三の多結晶薄膜。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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