(57)【要約】【課題】  超電導膜中に電流通電方向に沿って存在する人工ピン止めセンターが導入され、ゼロ抵抗においてより大きな電流密度の電流を流すことができる超伝導配線の提供。【解決手段】  基板と、基板上に設けられ、ＬｎＢａ２Ｃｕ３Ｏｘ（式中、Ｌｎは、Ｙあるいはランタニド元素の中で左記構造が超伝導体となる元素を表し、６．５＜ｘ＜７．１である）なる組成を有して電流を流す超伝導膜とを含み、超伝導膜は、ｃ軸が基板表面に垂直に配向しており、かつ第１の面内配向を有する第１配向部分と、ｃ軸が基板表面に垂直に配向しており、かつ第１の面内配向とは異なる第２の面内配向を有する第２配向部分とを有し、第２配向部分は、電流の流れる方向に沿って延在する複数の部分から構成され、該複数の部分の側面は基板に対して垂直であることを特徴とする超伝導配線。【選択図】  図１
2005079351.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
基板上に設けられ、ＬｎＢａ２Ｃｕ３Ｏｘ（式中、Ｌｎは、Ｙあるいはランタニド元素の中で左記構造が超伝導体となる元素を表し、６．５＜ｘ＜７．１である）なる組成を有して電流を流す超伝導膜と
を含み、
前記超伝導膜は、ｃ軸が基板表面に垂直に配向しており、かつ第１の面内配向を有する第１配向部分と、ｃ軸が基板表面に垂直に配向しており、かつ第１の面内配向とは異なる第２の面内配向を有する第２配向部分とを有し、
前記第２配向部分は、前記電流の流れる方向に沿って延在する複数の部分から構成され、該複数の部分の側面は前記基板に対して垂直であることを特徴とする超伝導配線。
【請求項２】
前記第１配向部分の面内配向方位と前記第２配向部分の面内配向方位との差が３５°以上４５゜以下であることを特徴とする請求項１に記載の超伝導配線。
【請求項３】
前記基板と前記超伝導膜の前記第２配向部分との間に第１バッファ層が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の超伝導配線。
【請求項４】
前記基板がＭｇＯ、および他の基板にＭｇＯ層を積層したものからなる群から選択されることを特徴とする請求項１に記載の超伝導配線。
【請求項５】
基板と、
前記基板上に設けられた複数の部分からなる第２バッファ層と、
前記基板および前記第２バッファ層を覆って設けられた第３バッファ層と
前記第３バッファ層の上に設けられ、ＬｎＢａ２Ｃｕ３Ｏｘ（式中、Ｌｎは、Ｙあるいはランタニド元素の中で左記構造が超伝導体となる元素を表し、６．５＜ｘ＜７．１である）なる組成を有して電流を流す超伝導膜と
を含み、
前記超伝導膜は、ｃ軸が基板表面に垂直に配向しており、かつ第１の面内配向を有する第１配向部分と、前記第２バッファ層の上方に位置し、ｃ軸が基板表面に垂直に配向しており、かつ第１の面内配向とは異なる第２の面内配向を有する第２配向部分とを有し、
前記第２配向部分は、前記電流の流れる方向に沿って延在する複数の部分から構成され、該複数の部分の側面は前記基板に対して垂直であることを特徴とする超伝導配線。
【請求項６】
前記第１配向部分の面内配向方位と前記第２配向部分の面内配向方位との差が３５°以上４５゜以下であることを特徴とする請求項５に記載の超伝導配線。
【請求項７】
前記基板がＭｇＯ；Ｒ面サファイア；Ａ面サファイア；および他の基板にＭｇＯ層、Ｒ面サファイア層、もしくはＡ面サファイア層を積層したものからなる群から選択されることを特徴とする請求項５に記載の超伝導配線。
【請求項８】
基板と、
前記基板を覆って設けられた第４バッファ層と
前記第４バッファ層上に設けられた複数の部分からなる第２バッファ層と、
前記第２バッファ層および第４バッファ層の上に設けられ、ＬｎＢａ２Ｃｕ３Ｏｘ（式中、Ｌｎは、Ｙあるいはランタニド元素の中で左記構造が超伝導体となる元素を表し、６．５＜ｘ＜７．１である）なる組成を有して電流を流す超伝導膜と
を含み、
前記超伝導膜は、ｃ軸が基板表面に垂直に配向しており、かつ第１の面内配向を有する第１配向部分と、前記第２バッファ層の上方に位置し、ｃ軸が基板表面に垂直に配向しており、かつ第１の面内配向とは異なる第２の面内配向を有する第２配向部分とを有し、
前記第２配向部分は、前記電流の流れる方向に沿って延在する複数の部分から構成され、該複数の部分の側面は前記基板に対して垂直であることを特徴とする超伝導配線。
【請求項９】
前記第１配向部分の面内配向方位と前記第２配向部分の面内配向方位との差が３５°以上４５゜以下であることを特徴とする請求項８に記載の超伝導配線。
【請求項１０】
前記基板がＭｇＯ；Ｒ面サファイア；Ａ面サファイア；および他の基板にＭｇＯ層、Ｒ面サファイア層、もしくはＡ面サファイア層を積層したものからなる群から選択されることを特徴とする請求項８に記載の超伝導配線。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本技術は酸化物超伝導膜の高臨界電流密度化に関する。
【背景技術】
【０００２】
超電導体に下部臨界磁場Ｈｃｌ以上の磁場がかかると量子化磁束（φ０＝２．０７×１０−１５Ｗｂ）が形成され超電導体中に侵入し、この状態で電流を流すと量子化磁束にローレンツ力が働き、これらが動き出すと電圧が発生して超電導状態が壊れることが知られている。
【０００３】
超電導体、たとえば酸化物高温超電導体ＬｎＢａ２Ｃｕ３ＯＸ（Ｌｎはランタニド元素を表す）からなる超電導膜中の欠陥、たとえば酸素欠損、微細な不純物などの点状欠陥、転位などの線状欠陥、結晶粒界などの面状欠陥は、前記量子化磁束の移動を制限するピン止めセンターとして作用することが知られており、ＬｎＢａ２Ｃｕ３ＯＸ膜では前記結晶欠陥が膜面に垂直に、すなわち、ＬｎＢａ２Ｃｕ３ＯＸ結晶のｃ−軸に平行に入っているとき、磁場が膜面に垂直に印加された場合に臨界電流密度Ｊｃが向上する。
【０００４】
ＬｎＢａ２Ｃｕ３ＯＸ成膜時の成膜条件を種々変えることにより自然に導入される転位の単位面積当りの密度が１０／μｍ２〜１００／μｍ２であったこと、膜が基板上で成長する過程で微細析出物が存在すると、そこで膜成長の連続性が崩れ、結晶欠陥、転位、結晶粒界などが生じること、およびＬｎＢａ２Ｃｕ３ＯＸ膜の臨界電流密度Ｊｃが膜中の転位密度とともに増大することが報告されている（非特許文献１参照）。このことは転位が量子化磁束のピン止めセンターとして作用することを教示するが、成膜時に成膜条件を変えるだけで自然に導入される転位の密度を制御することは極めて困難である。
【０００５】
一方、結晶粒界はピン止めセンターとしても作用するが、超電導電流の障壁としても作用することが知られている。ＬｎＢａ２Ｃｕ３ＯＸなどの高温超電導膜では傾角の大きな結晶粒界におけるＪｃは大変小さいが、傾角の小さな結晶粒界では大きなＪｃが維持されるので小傾角粒界は転位列とみなすことができる。転位は絶縁体であるので、転位の間隔が大きい小傾角粒界では転移間に強い超電導部分が存在し電流が流れるが、結晶粒界の傾角が大きくなって転移の歪みが重なりだすと電流が流れ難くなる。これらの結晶粒界面が超電導膜の膜面に垂直であれば、極めて有効なピン止めセンターになる。しかしながら、一般には結晶粒界はランダムに存在するため結晶粒界の傾角を制御することによってＪｃを制御するのは極めて難しい。
【０００６】
超電導バルクマグネットでは、ＬｎＢａ２Ｃｕ３ＯＸに高融点材料であるＬｎ２ＢａＣｕＯＸを微細に粉砕して混合し、Ｌｎ２ＢａＣｕＯＸを融解させない条件で超伝導体を作製することにより、ＬｎＢａ２Ｃｕ３ＯＸ中にピン止めセンターを導入している（非特許文献２参照）。一方、蒸着法によってＬｎＢａ２Ｃｕ３ＯＸ膜を形成する場合、膜内の一部のみの組成が異なり、他の部分は超電導体組成であるＬｎ：Ｂａ：Ｃｕ比率を１：２：３に維持することは極めて困難である。たとえば、膜内の一部に高融点材料であるＬｎ２ＢａＣｕＯＸを導入するように、成膜材料の組成を超電導ＹＢＣＯ組成からずらすと、膜全体の組成が膜内の一部にＬｎ２ＢａＣｕＯＸが導入されることはなく、膜全体の組成が超電導体組成からずれてしまい超電導特性が劣化する。
【０００７】
【非特許文献１】D. Shi et al., Supercond. Sci. Technol., vol.3, no.9, pp457-463, 1990
【非特許文献２】T. Mochida et al., Physica C, vol.366, no.4, pp229-237, 2002
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
前述のように、超電導膜の表面に垂直な結晶粒界面が超電導膜の電流の流れる方向に沿って存在すれば、ピン止めセンターとして最も有効と考えられている。しかしながら、蒸着法によって超電導膜を形成する際に、該超伝導膜中にピン止めセンターとして作用し得る転移、結晶粒界、結晶欠陥を制御して導入することは極めて困難である。特に超電導膜のマトリックス部分の組成を維持しながら、組成の全く異なる材料を膜内に分散させることは、実質的に不可能である。
【０００９】
したがって、超電導膜中に電流通電方向に沿って存在する人工ピン止めセンターが導入された超伝導配線、および該超伝導配線を形成する方法が求められている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の第１の実施形態の超伝導配線は、基板と、基板上に設けられ、ＬｎＢａ２Ｃｕ３Ｏｘ（式中、Ｌｎは、Ｙあるいはランタニド元素の中で左記構造が超伝導体となる元素を表し、６．５＜ｘ＜７．１である）なる組成を有して電流を流す超伝導膜とを含み、前記超伝導膜は、ｃ軸が基板表面に垂直に配向しており、かつ第１の面内配向を有する第１配向部分と、ｃ軸が基板表面に垂直に配向しており、かつ第１の面内配向とは異なる第２の面内配向を有する第２配向部分とを有し、前記第２配向部分は、前記電流の流れる方向に沿って延在する複数の部分から構成され、該複数の部分の側面は前記基板に対して垂直であることを特徴とする。前記第１配向部分の面内配向方位と前記第２配向部分の面内配向方位との差が３５°以上４５゜以下であることが望ましい。また、前記基板と前記超伝導膜の前記第２配向部分との間に第１バッファ層が設けられていてもよい。前記基板は、ＭｇＯ、または他の基板にＭｇＯ層を積層したものであってもよい。
【００１１】
本発明の第２の実施形態の超伝導配線は、基板と、前記基板上に設けられた複数の部分からなる第２バッファ層と、前記基板および前記第２バッファ層を覆って設けられた第３バッファ層と、前記第３バッファ層の上に設けられ、ＬｎＢａ２Ｃｕ３Ｏｘ（式中、Ｌｎは、Ｙあるいはランタニド元素の中で左記構造が超伝導体となる元素を表し、６．５＜ｘ＜７．１である）なる組成を有して電流を流す超伝導膜とを含み、前記超伝導膜は、ｃ軸が基板表面に垂直に配向しており、かつ第１の面内配向を有する第１配向部分と、前記第２バッファ層の上方に位置し、ｃ軸が基板表面に垂直に配向しており、かつ第１の面内配向とは異なる第２の面内配向を有する第２配向部分とを有し、前記第２配向部分は、前記電流の流れる方向に沿って延在する複数の部分から構成され、該複数の部分の側面は前記基板に対して垂直であることを特徴とする。前記第１配向部分の面内配向方位と前記第２配向部分の面内配向方位との差が３５°以上４５゜以下であることが望ましい。また、前記基板と前記超伝導膜の前記第２配向部分との間に第１バッファ層が設けられていてもよい。前記基板は、ＭｇＯ；Ｒ面サファイア；Ａ面サファイア；あるいは、他の基板にＭｇＯ層、Ｒ面サファイア層、もしくはＡ面サファイア層を積層したものであってもよい。
【００１２】
本発明の第３の実施形態の超伝導配線は、基板と、前記基板を覆って設けられた第４バッファ層と、前記第４バッファ層上に設けられた複数の部分からなる第２バッファ層と、前記第２バッファ層および第４バッファ層の上に設けられ、ＬｎＢａ２Ｃｕ３Ｏｘ（式中、Ｌｎは、Ｙあるいはランタニド元素の中で左記構造が超伝導体となる元素を表し、６．５＜ｘ＜７．１である）なる組成を有して電流を流す超伝導膜とを含み、前記超伝導膜は、ｃ軸が基板表面に垂直に配向しており、かつ第１の面内配向を有する第１配向部分と、前記第２バッファ層の上方に位置し、ｃ軸が基板表面に垂直に配向しており、かつ第１の面内配向とは異なる第２の面内配向を有する第２配向部分とを有し、前記第２配向部分は、前記電流の流れる方向に沿って延在する複数の部分から構成され、該複数の部分の側面は前記基板に対して垂直であることを特徴とする。前記第１配向部分の面内配向方位と前記第２配向部分の面内配向方位との差が３５°以上４５゜以下であることが望ましい。また、前記基板と前記超伝導膜の前記第２配向部分との間に第１バッファ層が設けられていてもよい。前記基板は、ＭｇＯ；Ｒ面サファイア；Ａ面サファイア；あるいは、他の基板にＭｇＯ層、Ｒ面サファイア層、もしくはＡ面サファイア層を積層したものであってもよい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の超伝導配線においては，超伝導膜が異なる面内配向を有する部分から構成され、異なる面内配向を有する部分の間の界面が人工的に導入される。する。該界面は電流通電方向に沿って配列されるので、電流を流した時に発生するローレンツ力により量子化磁束が電流に垂直方向に移動することを阻止するピン止めセンターとして機能し、量子化磁束を移動させることなく従来よりも大きな電流を流すことを可能とする。すなわち、換言すれば、本発明の超伝導配線は、従来よりもゼロ抵抗で流せる電流密度を向上させることができるという効果を奏するものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明においては、酸化物超伝導体の異方性を利用して、同一組成の酸化物超伝導体間にピン止めセンターを作製する。すなわち、酸化物超伝導体の対称性が結晶方位により異なるという異方性を用いて、酸化物超伝導体の対称性の急激な変化を起こす界面をピン止めセンターに用いるものである。具体的には、酸化物超伝導体のａｂ−面内の対称性の変化を用いる。酸化物超伝導体ＬｎＢａ２Ｃｕ３Ｏｘのａｂ−面内は超伝導の対称性がｄｘ２−ｙ２となっており、４５°の方向にノードがある。そのため、ある超伝導体のａ−もしくはｂ−軸方向と他の超伝導体の＜１１０＞方向の界面では４５°の位相回転を余儀なくされ、その界面では大きな超伝導体の対称性の壁が形成される。本発明は、この対称性の壁をピン止めセンターとする構造を与えるものである。
【００１５】
本発明の第１の実施形態の超伝導配線を図１に示す。図１の超伝導配線は、基板１の上に、電流通電方向８に沿って延在する複数の第１バッファ層２と、超伝導膜は、基板１に接触している第１配向部分７と、第１バッファ層２の上に設けられた第２配向部分６とで構成されている。第１配向部分７および第２配向部分６の両方において、超伝導体のｃ−軸は、基板１の表面に対して垂直に配向している。しかし、第１配向部分７および第２配向部分６は、それぞれ第１の面内配向および第２の面内配向を有し、第１の面内配向と第２の面内配向とは異なる面内配向方位を有する。本明細書における面内配向方位とは、超伝導体の＜１１０＞方向を意味する。第１の面内配向および第２の面内配向の配向方位は、３５゜以上４５゜以下、好ましくは４０゜以上４５゜以下の差を有する。
【００１６】
本発明の超伝導膜を形成するのに用いることができる超伝導体材料は、化学式ＬｎＢａ２Ｃｕ３Ｏｘを有する酸化物超伝導体であり、式中、ＬｎはＹまたは前記化学式を超伝導体とするランタニド元素を表し、６．５＜ｘ＜７．１である。好ましい酸化物超伝導体は、ＹＢａ２Ｃｕ３Ｏｘである。また、ＬｎＢａ２Ｃｕ３Ｏｘ以外のＢｉ系（Ｂｉ２Ｓｒ２Ｃａｎ−１ＣｕｎＯｘなど），Ｔｌ系（ＴｌＳｒ２Ｃａ２Ｃｕ３Ｏｘ、ＴｌＳｒ２Ｃａｎ−１ＣｕｎＯｘなど），Ｈｇ系（ＨｇＳｒ２Ｃａｎ−１ＣｕｎＯｘなど）の酸化物超伝導体においても、同様に面内配向を３５°以上４５゜以下回転させるバッファ層があれば，同じ効果が得られることはいうまでもない。
【００１７】
基板１は、超伝導体材料のｃ−軸を基板面に対して垂直に配向させ、かつ＜１１０＞軸を特定の方向（第１面内配向）に配向させることができる材料から形成される。望ましい基板材料は、ＭｇＯである。あるいはまた、他の基板（酸化物基板、窒化物基板、半導体基板、純Ｎｉ、Ｎｉ−Ｃｒ、Ｎｉ−ＷなどのＮｉ基合金基板、純Ｃｕ、Ｃｕ−ＮｉなどのＣｕ基合金基板、またはＦｅ−Ｓｉ、ステンレスなどのＦｅ基合金基板など）の上にＭｇＯ層を積層したものを基板１として用いてもよい。
【００１８】
第１バッファ層２は、基板１上に形成された際に、超伝導体材料のｃ−軸を基板面に対して垂直に配向させ、かつ＜１１０＞軸を第１面内配向とは異なる特定の方向（第２面内配向）に配向させること、すなわち面内配向を回転させることができる材料から形成される。第１バッファ層２として用いることができる材料は、ＣｅＯ２、ＺｒＯ２等のような蛍石構造を有する材料、またはＧｄ２Ｚｒ２Ｏ７等のようなパイロクロア構造を有する材料を含む。第１バッファ層２が０．４ｎｍ以上、好ましくは１０ｎｍの膜厚を有することにより、その上に形成される超伝導膜の面内配向を制御することが可能となる。
【００１９】
本実施形態において、基板１と第１バッファ層２とは、その上に配向される超伝導体材料の面内配向を、３５゜以上４５゜以下、好ましくは４０゜以上４５゜以下の面内配向方位差を有するように制御できる組合せで用いることが重要である。基板１／第１バッファ層２の好ましい組合せは、ＭｇＯ／ＣｅＯ２、ＭｇＯ／ＺｒＯ２を含む。
【００２０】
第１バッファ層２は、ＰＬＤ（パルスレーザ蒸着法）、蒸着法、スパッタ法、ＣＶＤ（化学気相蒸着法）、ＭＢＥ（分子ビームエピタキシー法）または金属有機物堆積法（ＭＯＤ）を用いて、材料を基板上にエピタキシャル成長させることにより形成することができる。第１バッファ層２を、電流通電方向８に沿って延在する複数の部分に分割するためには、ナノリソグラフィ法、積層時にマスクを用いる方法、またはリフトオフ法などを用いることができる。第１バッファ層の分割された複数の部分のそれぞれの幅（電流通電方向８に直交する方向の寸法）は、印加される磁界の磁束密度Ｂにおける量子化磁束格子定数ａｆ（ａｆ＝１．０７×（φ０／Ｂ）１／２の式で計算される）以下であることが望ましい。第１バッファ層２の複数に分割された部分それぞれの幅は通常１００ｎｍ以下、好ましくは５ｎｍ〜５０ｎｍであることが望ましい。さらに、第１バッファ層の隣接する２つの部分の間隔もまた、印加される磁界の磁束密度Ｂにおける量子化磁束格子定数ａｆ以下であることが望ましい。第１バッファ層の隣接する２つの部分の間隔は、通常１００ｎｍ以下、好ましくは５ｎｍ〜５０ｎｍであることが望ましい。
【００２１】
そして、複数の部分に分割された第１バッファ層２を形成した基板１の上に、ＰＬＤ、蒸着法、スパッタ法、ＣＶＤ、ＭＢＥまたはＭＯＤを用いて超伝導体材料を積層することにより、第１配向部分７および第２配向部分６で構成される超伝導体膜を形成する。本実施形態においては、第２配向部分６が電流通電方向８に沿って延在する複数の部分からなる第１バッファ層上に設けられるため、第１配向部分７もまた、電流通電方向８に沿って延在する複数の部分に分割される（図２を参照されたい）。したがって、第１配向部分７と第２配向部分との界面９は、電流通電方向８に平行である。本発明においては、界面９が電流通電方向に対して垂直でなければ、その構造は超伝導配線として機能し得る。なお、本発明において、第１配向部分７および第２配向部分６の面内配向方位は、前述の面内配向方位差を有することを条件として、任意の方向であってもよい。
【００２２】
超伝導膜の第１配向部分７および第２配向部分６は、いずれもそのｃ−軸が基板表面に対して垂直に配向しており、基板表面に平行にａｂ−面（いわゆる、超伝導面である）が存在する。したがって、方向８に沿って流れる電流は、第１配向部分７および第２配向部分６のａｂ−面内を流れることが可能であるので、その電流密度を向上させることができる。そして、界面９では、その面内配向が大きく異なり、波動関数の対称性に大きな差が生じている。したがって、電流通電時に超伝導膜内の量子化磁束が電流通電方向８と直交する方向にローレンツ力を受けたとしても、界面９を越えて移動することができない。すなわち界面９が、量子化磁束の移動に対する有効なピン止めセンターとして機能し、臨界電流密度Ｊｃを上昇させることを可能とする。
【００２３】
本発明の第２の実施形態の超伝導配線を、図３に示す。図３の超伝導配線は、基板１上に、電流通電方向８に沿って延在する複数の部分からなる第２バッファ層３と、基板１および第２バッファ層を覆って存在する第３バッファ層４と、第３バッファ層４の上に設けられた超伝導膜とを有する。超伝導膜は、第２バッファ層３の上方に位置し、第２の面内配向を有する第２配向部分６と、基板１と第３バッファ層４とが直接接触している部分の上方に位置し、第１の面内配向を有する第１配向部分７とで構成される。本実施形態においても、第１の面内配向の配向方位と、第２の面内配向の配向方位との差は、３５゜以上４５゜以下、好ましくは４０゜以上４５゜以下であることが望ましい。
【００２４】
基板１の材料としては、ＭｇＯ、Ｒ面サファイアおよびＡ面サファイアを用いることができる。あるいはまた、他の基板（酸化物基板、窒化物基板、半導体基板、純Ｎｉ、Ｎｉ−Ｃｒ、Ｎｉ−ＷなどのＮｉ基合金基板、純Ｃｕ、Ｃｕ−ＮｉなどのＣｕ基合金基板、またはＦｅ−Ｓｉ、ステンレスなどのＦｅ基合金基板など）の上にＭｇＯ層、Ｒ面サファイア層、またはＡ面サファイア層を積層したものを基板１として用いてもよい。
【００２５】
第２バッファ層３は、その上に第３バッファ層４が形成された際に、超伝導体材料のｃ−軸を基板面に対して垂直に配向させ、かつ＜１１０＞軸を特定の方向（第２面内配向）に配向させること、すなわち面内配向を回転させることができる材料から形成される。第２バッファ層３として用いることができる材料は、II−IV族ペロブスカイト構造を有するＢａＳｎＯ３、ＢａＺｒＯ３、ＳｒＳｎＯ３、ＳｒＴｉＯ３、ＳｒＺｒＯ３、ＢａＴｉＯ３を含む。第２バッファ層３が０．４ｎｍ以上、好ましくは１０ｎｍの膜厚を有することにより、その上に形成される超伝導膜の面内配向を制御することが可能となる。
【００２６】
第２バッファ層３は、ＰＬＤ（パルスレーザ蒸着法）、蒸着法、スパッタ法、ＣＶＤ（化学気相蒸着法）またはＭＢＥ（分子ビームエピタキシー法）を用いて、材料を基板１上に積層することにより形成することができる。第２バッファ層３を、電流通電方向８に沿って延在する複数の部分に分割するためには、ナノリソグラフィ法、積層時にマスクを用いる方法、またはリフトオフ法などを用いることができる。第２バッファ層の分割された複数の部分のそれぞれの幅（電流通電方向８に直交する方向の寸法）は、印加される磁界の磁束密度Ｂにおける量子化磁束格子定数ａｆ以下であることが望ましい。第２バッファ層３の複数に分割された部分それぞれの幅は通常１００ｎｍ以下、好ましくは５ｎｍ〜５０ｎｍであることが望ましい。さらに、第２バッファ層の隣接する２つの部分の間隔もまた、印加される磁界の磁束密度Ｂにおける量子化磁束格子定数ａｆ以下であることが望ましい。第２バッファ層の隣接する２つの部分の間隔は、通常１００ｎｍ以下、好ましくは５ｎｍ〜５０ｎｍであることが望ましい。
【００２７】
第３バッファ層４は、超伝導膜を形成する超伝導体材料との相互拡散を起こすことがなく、超伝導膜を構成する超伝導体材料のｃ−軸を基板面に対して垂直方向に配向させることができ、かつその下に基板１が存在するか、第２バッファ層３が存在するかによって、上に形成される超伝導膜材料の面内配向方位を変化させることができる材料から形成される。基板１と第３バッファ層４とが直接接触している部分においては、超伝導体材料の＜１１０＞軸は特定の方向（第１面内配向）に配向される。そして、第３バッファ層４を設けることによって、基板１の材料とＬｎＢａ２Ｃｕ３Ｏｘ等の超伝導体材料との相互拡散を防止することができる。第３バッファ層４は、基板１および第２バッファ層３を覆うように、前面に均一に形成される。第３バッファ層４として用いることができる材料は、ＣｅＯ２、ＺｒＯ２等のような蛍石構造を有する材料、またはＧｄ２Ｚｒ２Ｏ７等のようなパイロクロア構造を有する材料を含む。第３バッファ層４が０．４ｎｍ以上、好ましくは１０ｎｍの膜厚を有することにより、下にある層の種類によって、その上に形成される超伝導膜の面内配向を制御することが可能となる。
【００２８】
本実施形態において、基板１、第２バッファ層３、および第３バッファ層４は、その上に配向される超伝導体の面内配向を、３５゜以上４５゜以下、好ましくは４０゜以上４５゜以下の面内配向方位差を有するように制御できる組合せで用いることが重要である。第２バッファ層３／第２バッファ層４の好ましい組合せは、ＢａＳｎＯ３／ＣｅＯ２、ＢａＺｒＯ３／ＣｅＯ２、ＳｒＳｎＯ３／ＣｅＯ２、ＳｒＴｉＯ３／ＣｅＯ２、ＳｒＺｒＯ３／ＣｅＯ２、ＢａＴｉＯ３／ＺｒＯ２を含む。
【００２９】
そして、第３バッファ層４の上に、ＰＬＤ、蒸着法、スパッタ法、ＣＶＤ、ＭＢＥまたはＭＯＢを用いて超伝導体材料を積層することにより、第１配向部分７および第２配向部分６で構成される超伝導体膜を形成する。本実施形態においては、第２配向部分６が電流通電方向８に沿って延在する複数の部分からなる第２バッファ層の上方に設けられるため、第１配向部分７もまた、電流通電方向８に沿って延在する複数の部分に分割される。したがって、本実施形態の超伝導膜は、第１の実施形態の超伝導膜と同様の形状を有する（図２を参照されたい）。本実施形態においても、第１配向部分７および第２配向部分６の面内配向方位は、前述の面内配向方位差を有することを条件として、任意の方向であってもよい。
【００３０】
本実施形態においても、電流通電方向８に沿って流れる電流は、第１配向部分７および第２配向部分６のａｂ−面内を流れることが可能であるので、その電流密度を向上させることができる。そして、第１配向部分７と第２配向部分６との界面９が、量子化磁束の移動に対する有効なピン止めセンターとして機能し、臨界電流密度Ｊｃを上昇させることを可能とする。
【００３１】
本発明の第３の実施形態の超伝導配線を、図４に示す。図４の超伝導配線は、基板１上に、電流通電方向８に沿って延在する複数の部分からなる第２バッファ層３と、電流通電方向８に沿って延在する複数の部分からなる第３バッファ層４と、第３バッファ層４および第２バッファ層３の上に設けられた超伝導膜とを有する。本実施形態は、第３バッファ層４を基板１および第２バッファ層３の全面を覆うように設けるのではなく、第２バッファ層３の２つの隣接する部分の間のみに設けるという点において、第２の実施形態と異なるものである。したがって、本実施形態において、第３バッファ層４は複数の部分から構成され、該部分のそれぞれは第２バッファ層３の２つの隣接する部分に挟持されている。超伝導膜は、第２バッファ層３上の第２の面内配向を有する第２配向部分６と、第３バッファ層４上の第１の面内配向を有する第１配向部分７とで構成される。本実施形態においても、第１の面内配向の配向方位と、第２の面内配向の配向方位との差は、３５゜以上４５゜以下、好ましくは４０゜以上４５゜以下であることが望ましい。
【００３２】
基板１の材料としては、第２の実施形態と同様に、ＭｇＯ、Ｒ面サファイアおよびＡ面サファイアを用いることができる。あるいはまた、他の基板（酸化物基板、窒化物基板、半導体基板、純Ｎｉ、Ｎｉ−Ｃｒ、Ｎｉ−ＷなどのＮｉ基合金基板、純Ｃｕ、Ｃｕ−ＮｉなどのＣｕ基合金基板、またはＦｅ−Ｓｉ、ステンレスなどのＦｅ基合金基板など）の上にＭｇＯ層、Ｒ面サファイア層、またはＡ面サファイア層を積層したものを基板１として用いてもよい。
【００３３】
本実施形態の第２バッファ層３は、本実施形態の第２バッファ層３は、第２の実施形態同様に、ペロブスカイト構造を有するＢａＳｎＯ３、ＢａＺｒＯ３、ＳｒＳｎＯ３、ＳｒＴｉＯ３、ＳｒＺｒＯ３、ＢａＴｉＯ３から形成される。第２バッファ層３は、電流通電方向８に沿って延在する複数の部分で構成される。第２バッファ層３の２つの隣接する部分は、第３バッファ層４の構成部分により離隔される。第２バッファ層３を構成する複数の部分のそれぞれは、印加される磁界の磁束密度Ｂにおける量子化磁束格子定数ａｆ以下であることが望ましい。それぞれの部分の幅は、通常１００ｎｍ以下、好ましくは５ｎｍ〜５０ｎｍであることが望ましい。さらに、第２バッファ層３の隣接する２つの部分の間隔（すなわち第３バッファ層４を構成する部分のそれぞれの幅に相当する）もまた、印加される磁界の磁束密度Ｂにおける量子化磁束格子定数ａｆ以下であることが望ましい。第２バッファ層の隣接する２つの部分の間隔は、通常１００ｎｍ以下、好ましくは５ｎｍ〜５０ｎｍであることが望ましい。
【００３４】
第３バッファ層４は、超伝導膜を形成するＬｎＢａ２Ｃｕ３Ｏｘ等の超伝導体材料との相互拡散を起こすことがなく、その上に形成される超伝導体材料のｃ−軸を基板面に対して垂直方向に配向させることができ、かつその該超伝導膜材料を第１の面内配向方位に配向させることができる材料から形成される。第３バッファ層４は、電流通電方向８に沿って延在する複数の部分で構成され、第３バッファ層４の２つの隣接する部分は、第２バッファ層３の構成部分の１つにより離隔される。前述のように、第２バッファ層３を構成する複数の部分のそれぞれの幅および隣接する２つの部分の間隔は、印加される磁界の磁束密度Ｂにおける量子化磁束格子定数ａｆ以下であることが望ましい。それぞれの部分の幅は、通常１００ｎｍ以下、好ましくは５ｎｍ〜５０ｎｍであることが望ましい。第３バッファ層４の隣接する２つの部分の間隔は、通常１００ｎｍ以下、好ましくは５ｎｍ〜５０ｎｍであることが望ましい。第３バッファ層４として用いることができる材料は、ＣｅＯ２、ＺｒＯ２等のような蛍石構造を有する材料、またはＧｄ２Ｚｒ２Ｏ７等のようなパイロクロア構造を有する材料を含む。第３バッファ層４が０．４ｎｍ以上、好ましくは１０ｎｍの膜厚を有することにより、その上に形成される超伝導膜の面内配向を制御することが可能となる。
【００３５】
本実施形態において、第２バッファ層３と第３バッファ層４とは、その上に配向される超伝導体の面内配向を、３５゜以上４５゜以下、好ましくは４０゜以上４５゜以下の面内配向方位差を有するように制御できる組合せで用いることが重要である。第２バッファ層３／第２バッファ層４の好ましい組合せは、ＢａＳｎＯ３／ＣｅＯ２、ＢａＺｒＯ３／ＣｅＯ２、ＳｒＳｎＯ３／ＣｅＯ２、ＳｒＴｉＯ３／ＣｅＯ２、ＳｒＺｒＯ３／ＣｅＯ２、ＢａＴｉＯ３／ＺｒＯ２を含む。
【００３６】
本実施形態における第２バッファ層３および第３バッファ層４は、例えば以下のように形成することができる。最初に基板１上の全面に第３バッファ層４を形成する。次にフォトレジストを塗布し、所望の形状の第３バッファ層４を与えるように露光、現像を行い、エッチングマスクを形成する。そして、該エッチングマスクを用いて、第３バッファ層４をエッチングし、基板１の表面を露出させる。次に、前述のエッチングマスクをリフトオフレジストとして用いて、第２バッファ層３を形成する。最後に、エッチングマスクおよびその上に形成された第２バッファ層３を除去することによって、それぞれ複数の部分からなり、かつ交互に配列された第２バッファ層３および第３バッファ層４が得られる。適用可能な加工条件が存在するならば、最初に第２バッファ層３を積層し、次に第３バッファ層４をリフトオフしてもよい。ここで、エッチングは、ウェットエッチング、ＲＩＥ、プラズマエッチングなど当該技術において知られている任意の手段を用いて実施することができる。
【００３７】
そして、第２バッファ層３および第３バッファ層４の上に、ＰＬＤ、蒸着法、スパッタ法、ＣＶＤ、ＭＢＥまたはＭＯＢを用いて超伝導体材料を積層することにより、第１配向部分７および第２配向部分６で構成される超伝導体膜を形成する。本実施形態においては、第２配向部分６が電流通電方向８に沿って延在する複数の部分からなる第２バッファ層３の上方に設けられるため、第１配向部分７もまた、電流通電方向８に沿って延在する複数の部分に分割される。したがって、本実施形態の超伝導膜は、第１の実施形態の超伝導膜と同様の形状を有する（図２を参照されたい）。本実施形態においても、第１配向部分７および第２配向部分６の面内配向方位は、前述の面内配向方位差を有することを条件として、任意の方向であってもよい。
【００３８】
本実施形態においても、電流通電方向８に沿って流れる電流は、第１配向部分７および第２配向部分６のａｂ−面内を流れることが可能であるので、その電流密度を向上させることができる。そして、第１配向部分７と第２配向部分６との界面９が、量子化磁束の移動に対する有効なピン止めセンターとして機能し、臨界電流密度Ｊｃを上昇させることを可能とする。
【００３９】
上記の第１〜第３の実施形態においては、超伝導膜の第２配向部分６が電流通電方向８に連続している例について説明したが、図５に示すように第２配向部分６が不連続であってもよい。この場合には、電流通電方向８において隣接する２つの第２配向部分の間隔が、印加される磁界の磁束密度Ｂにおける量子化磁束格子定数ａｆ以下であることが望ましい。通常の場合には、電流通電方向８において隣接する２つの第２配向部分の間隔は、５００ｎｍ以下、好ましくは１５ｎｍ〜３００ｎｍ、より好ましくは２０ｎｍ〜２００ｎｍであることが望ましい。このような間隔とすることによって、該不連続部分を通して量子化磁束が移動することを防止して、臨界電流密度Ｊｃを向上させることが可能となる。
【００４０】
なお、このような不連続の第２配向部分６を形成するためには、第１の実施形態においては第１バッファ層２を、所望される不連続形状に相当する形状に形成すればよい。また、第２の実施形態においては第２バッファ層３を、所望される不連続形状に相当する形状に形成すればよい。第３の実施形態においては、最初に積層するバッファ層を、所望される不連続形状に相当する形状に形成すればよい。
【００４１】
さらに、上記第１〜第３の実施形態においては、基板１の前面に超伝導膜を形成する例について説明したが、第１配向部分および第２配向部分を有する超伝導膜を基板上の一部分のみに形成して超伝導配線を形成してもよい。さらに、図６に示すように、直角に屈曲した超伝導配線を形成することもできるし、図７に示すように、曲線に屈曲した超伝導配線を形成することもできる。これらの屈曲した配線においても、その超伝導膜が電流通電方向に沿って配列される複数の部分からなる第１および第２配向部分を有するので、臨界電流密度の低下を招くことはない。
【実施例１】
【００４２】
ＭｇＯ基板１上に，７５０℃の温度においてＣｅＯ２を蒸着させ、膜厚１０ｎｍの第１バッファ層２を基板全面に形成した。次にレジストを塗布し、１つの方向に延在する幅１００ｎｍの複数の部分からなるパターンを形成した。隣接する２つの部分の間隔は、１００ｎｍとした。そして、前述の複数の部分からなるレジストをマスクとしてエッチングを行い、レジストが覆っていない部分の第１バッファ層２を除去した。レジストを除去した後に、７００℃の温度において、ＥｒＢａ２Ｃｕ３Ｏｘを蒸着して、膜厚５００ｎｍの超伝導膜を形成して、図１に示す超伝導配線を得た。基板１に直接接触して形成された超伝導膜は、基板の格子に沿って蒸着されて第１配向部分７となり、第１バッファ層２の上に位置する超伝導膜は異なる面内配向を有する第２配向部分６となった。第１配向部分７と第２配向部分６との面内配向方位差は４５゜であった。
【実施例２】
【００４３】
Ｒ面サファイア基板１上に，７５０℃の温度においてＢａＳｎＯ３を蒸着させ、膜厚１０ｎｍの第２バッファ層３を基板全面に形成した。次にレジストを塗布し、１つの方向に延在する幅１００ｎｍの複数の部分からなるパターンを形成した。隣接する２つの部分の間隔は、１００ｎｍとした。そして、前述の複数の部分からなるレジストをマスクとしてエッチングを行い、レジストが覆っていない部分の第２バッファ層３を除去した。レジストを除去した後に、７５０℃の温度においてＣｅＯ２を蒸着させ、膜厚１０ｎｍの第３バッファ層４を基板１および第２バッファ層３を覆うように形成した。次いで、７００℃の温度において、ＥｒＢａ２Ｃｕ３Ｏｘを蒸着して、膜厚５００ｎｍの超伝導膜を形成して、図２に示す超伝導配線を得た。基板１／第３バッファ層４の積層構造を有する部分に形成された超伝導膜は第１配向部分７となり、基板１／第２バッファ層３／第３バッファ層４の積層構造を有する部分に形成された超伝導膜は、異なる面内配向を有する第２配向部分６となった。第１配向部分７と第２配向部分６との面内配向方位差は４５゜であった。
【実施例３】
【００４４】
Ｒ面サファイア基板１上に，７５０℃の温度においてＣｅＯ２を蒸着させ、膜厚１０ｎｍの第３バッファ層４を基板全面に形成した。次にレジストを塗布し、１つの方向に延在する幅１００ｎｍの複数の部分からなるパターンを形成した。隣接する２つの部分の間隔は、１００ｎｍとした。そして、前述の複数の部分からなるレジストをマスクとしてエッチングを行い、レジストが覆っていない部分の第４バッファ層４を除去した。次に、７５０℃の温度において膜厚１０ｎｍのＢａＳｎＯ３を蒸着させた。最後に、レジストおよびレジスト上部に形成されたＢａＳｎＯ３膜を除去して、複数の部分からなる第２バッファ層３を形成した。第２バッファ層３および第３バッファ層４は交互に配列され、それらのそれぞれの部分は１００ｎｍの幅を有した。
【００４５】
次に、７００℃の温度において、ＥｒＢａ２Ｃｕ３Ｏｘを蒸着して、膜厚５００ｎｍの超伝導膜を形成して、図３に示す超伝導配線を得た。基板１／第３バッファ層４の積層構造を有する部分に形成された超伝導膜は第１配向部分７となり、基板１／第２バッファ層３の積層構造を有する部分に形成された超伝導膜は異なる面内配向を有する第２配向部分６となった。第１配向部分７と第２配向部分６との面内配向方位差は４５゜であった。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の第１の実施形態の超伝導配線を示す斜視断面図である。
【図２】本発明の第１の実施形態の超伝導配線を示す上面図である。
【図３】本発明の第２の実施形態の超伝導配線を示す斜視断面図である。
【図４】本発明の第３の実施形態の超伝導配線を示す斜視断面図である。
【図５】不連続の第２配向部分を含む超伝導配線を示す上面図である。
【図６】直角に屈曲した超伝導配線を示す上面図である。
【図７】曲線に沿って屈曲した超伝導配線を示す上面図である。
【符号の説明】
【００４７】
１  基板
２  第１バッファ層
３  第２バッファ層
４  第３バッファ層
６  超伝導膜の第２配向部分
７  超伝導膜の第１配向部分
８  電流通電方向
９  第１配向部分と第２配向部分との界面
【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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