(57)【要約】【課題】  薄膜ＳＴＯを誘電体として用い、低温で高い誘電率を有し、かつ電場依存性の小さい平行平板コンデンサを用い、残留分極特性のないキャパシタンス温度センサを提供すること。【解決手段】  キャパシタンス温度センサとして、基板上に第1のチタン酸ストロンチウム薄膜を形成し、該薄膜表面を化学的機械研磨により研磨した後、該研磨された表面上に第２のチタン酸ストロンチウム薄膜が形成されてなる高誘電率チタン酸ストロンチウム薄膜積層体を誘電体として用いた平行平板コンデンサ２と、前記平行平板コンデンサ２のキャパシタンスを測定する測定器４と、前記キャパシタンスから温度を求める測定器５とからな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】
基板上に第1のチタン酸ストロンチウム薄膜を形成し、該薄膜表面を化学的機械研磨により研磨した後、該研磨された表面上に第２のチタン酸ストロンチウム薄膜を形成してなる高誘電率チタン酸ストロンチウム薄膜積層体を誘電体として用いた平行平板コンデンサと、前記平行平板コンデンサのキャパシタンスを測定する測定器と、前記キャパシタンスから温度を求める測定器とからなることを特徴とするキャパシタンス温度センサ。
【請求項２】
前記平行平板コンデンサのキャパシタンスを測定する測定器が、キャパシタンスブリッジであることを特徴とする請求項１に記載のキャパシタンス温度センサ。
【請求項３】
温度を測定する場が磁場中であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のキャパシタンス温度センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＹＢａ２Ｃｕ３Ｏ７−δ薄膜を中心とする酸化物超伝導デバイスや低温で使用される半導体デバイス等に使用されるチタン酸ストロンチウム積層体を誘電体として用いたコンデンサを利用したキャパシタンス温度センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
バルク単結晶のチタン酸ストロンチウム（以下「ＳＴＯ」という。）は、量子常誘電体として知られ、その誘電率は、４．２Ｋで２０，０００以上の値を示す。また、その誘電率は、バイアス依存性、ストレス依存性を持ち、それらによって低下する特長を持っている。
【０００３】
ＳＴＯの格子定数は、酸化物超伝導体に非常に近い値を持つことから、該超伝導体のエピタキシャル成長下地基板として用いられ、超伝導デバイスの開発には重要な材料である。
【０００４】
米国特許第３６４９８９１号には、強誘電体材料をキャパシタンス温度センサとして用いることが記載されている。
【０００５】
【特許文献１】米国特許第３６４９８９１号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述したように、バルク単結晶ＳＴＯは、低温で高い誘電率を示すため、超伝導デバイスや低温で使用される半導体デバイスで使用した場合は、極めて有用な誘電体であるにも関わらず、薄膜化すると誘電率が低下してしまうという欠点があった。そのため、低温で高い誘電率を有する薄膜ＳＴＯを平行平板コンデンサの誘電体として利用することができなかった。
【０００７】
一方、従来技術に示すように、強誘電体材料をキャパシタンス温度センサとして用いると、温度変化によって残留分極が生じ、その結果、ヒシテリシス特性が現れるため、温度と測定されたキャパシタンス値との間に１対１の相対関係が得られなかった。
【０００８】
本発明の目的は、上記の問題点に鑑み、薄膜ＳＴＯを誘電体として用い、低温で高い誘電率を有し、かつ電場依存性の小さい平行平板コンデンサを用い、残留分極特性のないキャパシタンス温度センサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は上記の課題を解決するために以下のような手段を採用した。
第１の手段は、キャパシタンス温度センサとして、基板上に第1のチタン酸ストロンチウム薄膜を形成し、該薄膜表面を化学的機械研磨により研磨した後、該研磨された表面上に第２のチタン酸ストロンチウム薄膜を形成してなる高誘電率チタン酸ストロンチウム薄膜積層体を誘電体として用いた平行平板コンデンサと、前記平行平板コンデンサのキャパシタンスを測定する測定器と、前記キャパシタンスから温度を求める測定器とからなることを特徴とする。
【００１０】
第２の手段は、第１の手段において、前記平行平板コンデンサのキャパシタンスを測定する測定器が、キャパシタンスブリッジであることを特徴とする。
【００１１】
第３の手段は、第１の手段または第２の手段において、温度を測定する場が磁場中であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、１００ｋＨｚで温度４．２Ｋにおいて２０，０００以上の誘電率を有し、量子常誘電体を用いることによって残留分極がなく、測定したキャパシタンスと温度との間に１対１の相対関係特性を有するキャパシタンス温度センサが得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明の一実施形態を図１乃至図８を用いて説明する。
図１は本実施形態の発明に係るキャパシタンス温度センサの構成を示す図である。
同図において、１は低温容器、２は低温容器１に設けられ、図示していない被測定物に設けられる平行平板コンデンサ、３は低温プローブ、４は平行平板コンデンサ２のキャパシタンスを測定する、例えば、ＬＣＲメーターやキャパシタンスブリッジ等からなる測定器、５は、例えば、パソコン等からなる測定されたキャパシタンス値から温度値を求める測定器である。
なお、一般にキャパシタンスは、磁場の影響を受けないので、磁場中での温度計測に適している。  
【００１４】
次に、本発明に係る平行平板コンデンサの詳細について説明する。
図２は、本発明に係る平行平板コンデンサの概念図を示す図である。
同図において、基板上に平行平板コンデンの下部電極となる下部イットリウム系酸化物超伝導（以下「ＹＢＣＯ」という。）層を積層し、該下部ＹＢＣＯ層の上に、第１のＳＴＯ層を堆積する。該第１層のＳＴＯ層の表面をＣＭＰする。この後、該表面に第２のＳＴＯ層を形成し、該第２のＳＴＯ層の上に平行平板コンデンサの上部電極となるＹＢＣＯ層を形成し、平行平板コンデンサの誘電体となる高誘電率チタン酸ストロンチウム薄膜積層を構成する。
【００１５】
次に、上記平行平板コンデンサの作製プロセスを図５を用いて説明する。
なお、該作製プロセスにおけるＹＢＣＯ薄膜の成膜条件およびＳＴＯ薄膜の成膜条件をそれぞれ図３および図４に示す。
まず、工程（ａ）において、パルスレーザ成長法（以下「ＰＬＤ法」という。）を用いて、ＳＴＯ（１００）基板上に下部ＹＢＣＯ膜としてｃ軸配向ＹＢＣＯ（００ｎ）薄膜を厚さ３００ｎｍ成膜後、真空を破ることなく連続してＳＴＯ（００１）薄膜を厚さ１０ｎｍ成膜して、ＳＴＯ／ＹＢＣＯ構造を作製する。
【００１６】
この厚さ１０ｎｍのＳＴＯ薄膜は、カバーＳＴＯ薄膜とよばれ、作製プロセスでＹＢＣＯが直接、大気や純水にさらされることを防ぎ、ＹＢＣＯ本来の超伝導特性を低下させないために成膜される。
【００１７】
次に半導体技術で利用されているフォトリソグラフィー法を用いて、レジストにより下部パターンを作製し、低エネルギーイオンミリングを用いてエッチングを行い、平行平板コンデンサの下部電極となる下部ＹＢＣＯのパターンを形成する。
【００１８】
次に、工程（ｂ）において、ＰＬＤ法により、ＳＴＯ（１００）薄膜厚さ１μm成膜を行う。この成膜は、まず、基板を２００℃に保持し、真空度が１０−４Ｐａに到達した後、酸素ガス雰囲気中（酸素圧１００Ｐａ）において温度上昇を行い、８１０℃に到達した後、ＳＴＯ薄膜を成長させる。
【００１９】
次に、工程（ｃ）において、このＳＴＯ薄膜表面上に存在する突起物を除去し、下部ＹＢＣＯ薄膜の作るパターンの段差を平坦化するためにＣＭＰにより研磨する。
【００２０】
下部ＹＢＣＯ薄膜を直接研磨すると超伝導特性を劣化させる原因になるため、ＳＴＯ薄膜の研磨を行う。その後、ＣＭＰプロセスによって表面に付着したＳｉ粒子等の不純物を、アセトン中でサンプルを超音波洗浄による表面クリーニングによって取り除く。
【００２１】
ＣＭＰプロセス後、ＲＨＥＥＤ観測で観測した結果、試料表面は、アモルファス的であることが分かった。アモルファス結晶上にはエピタキシャル成長は、期待できない。このため、酸素圧１００Ｐａ雰囲気中、温度６００℃、２時間の熱処理を行った。
原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）を用いて表面構造の観察を行った結果を図６に示す。この写真に見られるように、ＣＭＰ前においては、かなり大きな突起が観察されるが、ＣＭＰ後においては、上記突起に比べるとはるかに小さな突起が見られる程度に表面が滑らかになっている。
【００２２】
典型的に、２００ｎｍ程度の高さの円錐状形状の突起物は、ＣＭＰにより、高さが１／１０以下の２０ｎｍ以下に減少し、底面の面積が０．０４μｍ２以下と１／１０以下になっていることが確認された。ＣＭＰによって突起物の形状が小さくなっていることから、超伝導マイクロショートが解消されるであろうことが期待される。
【００２３】
次に、工程（ｄ）において、熱処理後、ＰＬＤを用いて絶縁層ＳＴＯ薄膜を２００ｎｍ成膜し、真空を破ることなく連続して上部ＹＢＣＯ薄膜を２５０ｎｍ成膜する。このＳＴＯ薄膜は、ＣＭＰによって下部ＹＢＣＯ薄膜から成長している突起物の上部を切断した後、上部平面がＳＴＯ研磨表面に出現していることで生じるマイクロショートによる絶縁性の低下を防ぐためである。
【００２４】
成膜した平行平板コンデンサの上部電極となる上部ＹＢＣＯのパターンをフォトリソグラフィー法及び低エネルギーイオンミリングを用いて行い、平行平板コンデンサを作製した。ＨＦ５％を用いて、下部ＹＢＣＯに作製した電極部分のＳＴＯ膜をエッチングにより取り除いた。
【００２５】
上部ＹＢＣＯと下部ＹＢＣＯ薄膜のパターンは、クロスオーバーした構造であり、クロスした部分は、上部ＹＢＣＯ／絶縁層ＳＴＯ／ＣＭＰ-ＳＴＯ／ｃａｐｐｅｄ−ＳＴＯ／下部ＹＢＣＯの積層構造である。
【００２６】
図７は作製した平行平板コンデンサの比誘電率の温度特性を示す図である。
同図に示すように、１００ｋＨｚで温度４．２Ｋにおいて２０，０００以上の誘電率が確認された。この誘電率の温度依存性は単結晶で得られた特性と一致していることから、優れた誘電特性を持つＳＴＯ薄膜がＹＢＣＯ薄膜上に作製されていることが分かる。
また、この温度特性から明らかなように、温度とキャパシタンスとの間に１対１の相対関係が存在することが分かる。
【００２７】
図８は、図７における低温域での平行平板コンデンサの比誘電率の温度特性を拡大して示した図である。
同図に示すように、１０Ｋ以下の低温域における温度変化に対しては、キャパシタンスの変化が飽和傾向を示す。このような領域でのキャパシタンスの測定には、キャパシタンスブリッジを用いることにより正確にキャパシタンスの値を測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明に係るキャパシタンス温度センサの構成を示す図である。
【図２】本発明に係る平行平板コンデンサの概念図を示す図である。
【図３】作製プロセスにおけるＹＢＣＯ薄膜の成膜条件を示す図である。
【図４】作製プロセスにおけるＴＯ薄膜の成膜条件を示す図である。
【図５】平行平板コンデンサの作製プロセスを示す図である。
【図６】原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）を用いて表面構造の観察を行った結果を示す図である。
【図７】作製した平行平板コンデンサの比誘電率の温度特性を示す図である。
【図８】図７における低温域での平行平板コンデンサの比誘電率の温度特性を拡大して示した図である。
【符号の説明】
【００２９】
１  低温容器
２  平行平板コンデンサ
３  低温プローブ
４  キャパシタンスを測定する測定器
５  温度を測定する測定器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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