(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
サファイア基板への酸化物超伝導薄膜の製造方法において、
（ａ）Ｒ面サファイア基板上に（００１）配向を示すＣｅＯ2 バッファ層を形成し、
（ｂ）該ＣｅＯ2 バッファ層上にＬａＡｌＯ3 、ＮｄＧａＯ3 、ＰｒＧａＯ3 、ＹＡｌＯ3 、ＬａＧａＯ3 、ＳｒＴｉＯ3 、Ｙ2 Ｏ3 、ＹＳＺからなるＹ系ｃ軸配向超伝導体薄膜との格子ミスマッチを緩和する単一の材料からなり、（００１）配向を示す傾斜層を形成し、
（ｃ）該傾斜層上にＹ系ｃ軸配向超伝導薄膜を形成することを特徴とするサファイア基板への酸化物超伝導薄膜の製造方法。
【請求項２】
サファイア基板への酸化物超伝導薄膜の製造方法において、
（ａ）Ｒ面サファイア基板上に（００１）配向を示すＣｅＯ2 バッファ層を形成し、
（ｂ）該ＣｅＯ2 バッファ層上にＬａＡｌＯ3 、ＮｄＧａＯ3 、ＰｒＧａＯ3 、ＹＡｌＯ3 、ＬａＧａＯ3 、ＳｒＴｉＯ3 の中から選択されたＹ系ｃ軸配向超伝導体薄膜との格子ミスマッチを緩和する複数の材料からなり、（００１）配向を示す複合傾斜層、Ｙ2 Ｏ3 、ＹＳＺのＹ系ｃ軸配向超伝導体薄膜との格子ミスマッチを緩和する複数の材料からなり、（００１）配向を示す複合傾斜層、或いはＬａＡｌＯ3 、ＮｄＧａＯ3 、ＰｒＧａＯ3 、ＹＡｌＯ3 、ＬａＧａＯ3 、ＳｒＴｉＯ3 の中から選択されたＹ系ｃ軸配向超伝導体薄膜との格子ミスマッチを緩和する単一の材料の上に、Ｙ2 Ｏ3 、ＹＳＺから選択されたＹ系ｃ軸配向超伝導体薄膜との格子ミスマッチを緩和する単一の材料を形成した、（００１）配向を示す複合傾斜層のいずれかを形成し、
（ｃ）該複合傾斜層上にＹ系ｃ軸配向超伝導薄膜を形成することを特徴とするサファイア基板への酸化物超伝導薄膜の製造方法。
【請求項３】
請求項１又は２記載のサファイア基板への酸化物超伝導薄膜の製造方法において、前記ＣｅＯ2 バッファ層の厚さが２０〜４００Åであることを特徴とするサファイア基板への酸化物超伝導薄膜の製造方法。
【請求項４】
請求項１、２又は３記載のサファイア基板への酸化物超伝導薄膜の製造方法において、前記Ｙ系ｃ軸配向超伝導薄膜はＹＢＣＯ薄膜であることを特徴とするサファイア基板への酸化物超伝導薄膜の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、サファイア基板への酸化物超伝導薄膜の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
サファイア基板（Ｒ面）は、低誘電率（ε＝９）で大型基板が低価格で得られるため、酸化物超伝導体の高周波応用の基板として有望である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、サファイアは、薄膜形成温度で超伝導体と反応すること、また、Ｙ系酸化物超伝導の底面（底面：３．８８Å×３．８２Å）との格子整合性が比較的悪いことの２つの欠点があった。そこで、ＣｅＯ2 をバッファ層として付与したサファイア基板が開発された。
【０００４】
また、格子定数５．４１Åの立方晶のＣｅＯ2 のバッファ層は、３０Åから反応防止層として機能するが、非常に薄層であるため、下地のサファイアの単位面（５．３８Å×４．７６Å）の影響を受けて歪んだ正方形の面を呈し、その上に成長させたＹ系酸化物超伝導薄膜のｃ軸配向膜（底面：３．８８Å×３．８２Å）は歪んだ形状の結晶粒となるので、粒界の乱れた薄膜層となってしまう。このような粒界を持つ超伝導薄膜の高周波表面抵抗は大きいものとなる。
【０００５】
そこで、サファイアの影響を抑制するために、ＣｅＯ2 の膜厚を増加させることが考えられるが、膜厚の増加とともにＣｅＯ2 の表面はカマボコ状になり、その上では、Ｙ系薄膜は、高品質なエピタキシャル薄膜として配向しなくなる。
【０００６】
以上のことから、ＣｅＯ2 バッファ層付サファイア基板では、高品質のｃ軸配向Ｙ系超伝導薄膜の作製には問題があった。
【０００７】
本発明は、上記状況に鑑みて、酸化物超伝導体薄膜との格子ミスマッチを緩和し、膜特性向上を図ることができるサファイア基板への酸化物超伝導薄膜の製造方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕サファイア基板への酸化物超伝導薄膜の製造方法において、Ｒ面サファイア基板上に（００１）配向を示すＣｅＯ2 バッファ層を形成し、このＣｅＯ2 バッファ層上にＬａＡｌＯ3 、ＮｄＧａＯ3 、ＰｒＧａＯ3 、ＹＡｌＯ3 、ＬａＧａＯ3 、ＳｒＴｉＯ3 、Ｙ2 Ｏ3 、ＹＳＺからなるＹ系ｃ軸配向超伝導体薄膜との格子ミスマッチを緩和する単一の材料からなり、（００１）配向を示す傾斜層を形成し、この傾斜層上にＹ系ｃ軸配向超伝導薄膜を形成することを特徴とする。
【０００９】
〔２〕サファイア基板への酸化物超伝導薄膜の製造方法において、Ｒ面サファイア基板上に（００１）配向を示すＣｅＯ2 バッファ層を形成し、このＣｅＯ2 バッファ層上にＬａＡｌＯ3 、ＮｄＧａＯ3 、ＰｒＧａＯ3 、ＹＡｌＯ3 、ＬａＧａＯ3 、ＳｒＴｉＯ3 の中から選択されたＹ系ｃ軸配向超伝導体薄膜との格子ミスマッチを緩和する複数の材料からなり、（００１）配向を示す複合傾斜層、Ｙ2 Ｏ3 、ＹＳＺのＹ系ｃ軸配向超伝導体薄膜との格子ミスマッチを緩和する複数の材料からなり、（００１）配向を示す複合傾斜層、或いはＬａＡｌＯ3 、ＮｄＧａＯ3 、ＰｒＧａＯ3 、ＹＡｌＯ3 、ＬａＧａＯ3 、ＳｒＴｉＯ3 の中から選択されたＹ系ｃ軸配向超伝導体薄膜との格子ミスマッチを緩和する単一の材料の上に、Ｙ2 Ｏ3 、ＹＳＺから選択されたＹ系ｃ軸配向超伝導体薄膜との格子ミスマッチを緩和する単一の材料を形成した、（００１）配向を示す複合傾斜層のいずれかを形成し、この複合傾斜層上にＹ系ｃ軸配向超伝導薄膜を形成することを特徴とする。
【００１０】
〔３〕上記〔１〕又は〔２〕記載のサファイア基板への酸化物超伝導薄膜の製造方法において、前記ＣｅＯ2 バッファ層の厚さが２０〜４００Åであることを特徴とする。
【００１２】
〔４〕上記〔１〕、〔２〕又は〔３〕記載のサファイア基板への酸化物超伝導薄膜の製造方法において、前記Ｙ系ｃ軸配向超伝導薄膜はＹＢＣＯ薄膜であることを特徴とする。
【００１３】
本発明によれば、下地のサファイア基板の格子間隔とＹ系酸化物超伝導薄膜のｃ面の格子間隔とを整合させるため、ＣｅＯ2 バッファ層上に低誘電率の第２層を積層する。これは所謂傾斜層としての役割を果たすものであり、次の２つの方法（材料系）がある。
【００１４】
第１の方法は、ＡＢＯ3 型のペロブスカイトの柔構造を利用する方法である。ペロブスカイトは、酸素量によって格子間隔を変えることができるという特徴を有する。この傾斜材料としては、低誘電率のＹＡｌＯ3 （ε＝１６）、ＬａＧａＯ3 （ε＝２６）、ＬａＡｌＯ3 （ε＝２６）、ＮｄＧａＯ3 （ε＝２５）、ＰｒＧａＯ3 （ε＝２５）を使用することができる。結晶性のみに注目するならば、ＳｒＴｉＯ3 も傾斜材料として有力な材料となる。
【００１５】
第２の方法は、ＣｅＯ2 のカマボコ状成長を防止する方法であるが、そのためにＣｅＯ2 より格子定数が小さく、低誘電率の材料を用いる。この傾斜材料としては、ＹＳＺ（ε＝１６、ａ0 ＝５．１２Å）、Ｙ2 Ｏ3 （ε＝１６、ａ0 ＝５．３Å）がある。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００１７】
まず、本発明の第１実施例について説明する。
【００１８】
図１は本発明の第１実施例を示す酸化物超伝導薄膜付きサファイア基板の製造工程断面図、図２はサファイア基板上のＥＢＣＯ超伝導薄膜の結晶粒の表面形態を示すＡＦＭ像を示す図である。
【００１９】
（１）まず、図１（ａ）に示すように、Ｒ面サファイア基板１にＲＦマグネトロンスパッタ法（Ａｒ＋２０％Ｏ2 、２００Ｗ）により、ＣｅＯ2 焼結ターゲットを使用して、５０ÅのＣｅＯ2 バッファ層２を６２０℃の温度で堆積した。
【００２０】
（２）次に、図１（ｂ）に示すように、ＬａＡｌＯ3 焼結ターゲットにより、６５０℃の温度でスパッタ（Ａｒ＋１０％Ｏ2 、２００Ｗ）し、傾斜層としてのＬａＡｌＯ3 薄膜３を２００Å堆積した。Ｘ線回折の結果、ＣｅＯ2 バッファ層２及びＬａＡｌＯ3 薄膜３は共に（００１）配向のエピタキシャル薄膜であった。
【００２１】
（３）次いで、図１（ｃ）に示すように、そのＬａＡｌＯ3 薄膜３上にＤＣマグネトロンスパッタ法（Ａｒ＋７％Ｏ2 、１６０Ｖ）により、ＥｕＢａ2 Ｃｕ3 Ｏ7 （ＥＢＣＯ）焼結ターゲットを用いて、６４０℃で６０００ÅのＥＢＣＯ薄膜４を堆積し、ｃ軸配向のエピタキシャル膜を形成した。
【００２２】
原子間力顕微鏡観察では、図２に示すように、矩形状の結晶粒が観察された。
【００２３】
一方、この実験で、図３に示すように、Ｒ面サファイア基板１上のＣｅＯ2 バッファ層２上に直接ＥＢＣＯ薄膜４を６０００Å堆積した薄膜（ＬａＡｌＯ3 傾斜層の無い状態）は、図４に示すように、歪んだ矩形状（菱形状）の結晶粒を呈し、乱れた粒界を示した。
【００２４】
次に、本発明の第２実施例について説明する。
【００２５】
図５は本発明の第２実施例を示す酸化物超伝導薄膜付きサファイア基板の製造工程断面図である。
【００２６】
第１実施例と同様の条件で、図５（ａ）に示すように、Ｒ面サファイア基板１１に３０ÅのＣｅＯ2 バッファ層１２を堆積した。そして、図５（ｂ）に示すように、５００〜７００℃の温度で、傾斜層としてのＬａＡｌＯ3 薄膜１３を８０Å堆積し、エピタキシャル成長の条件を調べた。その結果、（００１）配向を示す温度は、５８０℃以上であった。
【００２７】
次に、図５（ｃ）に示すように、各堆積温度で形成した傾斜層１３上に、焼結ターゲットを用いてＥＢＣＯ薄膜と同じ条件で５０００ÅのＹＢａ2 Ｃｕ3 Ｏ7 （ＹＢＣＯ）薄膜１４を堆積した結果、６００℃以上のＬａＡｌＯ3 薄膜１３上で矩形状のＹＢＣＯの結晶粒が観察された。６３０℃から６６０℃で堆積したＬａＡｌＯ3 薄膜１３上のＹＢＣＯ薄膜１４が、５０ＧＨｚの空洞共振器法で測定した表面抵抗は、約０．１ｍΩという非常に小さな値を示した。
【００２８】
次に、本発明の第３実施例について説明する。
【００２９】
図６は本発明の第３実施例を示す酸化物超伝導薄膜付きサファイア基板の製造工程断面図である。
【００３０】
まず、図６（ａ）に示すように、第１実施例と同様の条件で２０ÅのＣｅＯ2 バッファ層２２を堆積したＲ面サファイア基板２１に、図６（ｂ）に示すように、ＬａＧａＯ3 焼結ターゲットを使用してＬａＡｌＯ3 と同様の条件で２００Åの傾斜層としてのＬａＡｌＯ3 薄膜２３をエピタキシャル成長させた。
【００３１】
次に、図６（ｃ）に示すように、このＬａＡｌＯ3 薄膜２３上に、ＥＢＣＯ薄膜２４を５０００Å、第１実施例と同様の条件でｃ軸配向薄膜を堆積させた。このＥＢＣＯ超伝導薄膜の臨界温度は、Ｔce＝９１．５Ｋを示し、５０ＧＨｚでの表面抵抗は０．１２ｍΩであった。また、ＥＢＣＯの結晶粒は、サファイア基板の原子配列の影響が十分無視できるほどの表面性状を呈し、矩形状を示した。
【００３２】
次に、本発明の第４実施例について説明する。
【００３３】
図７は本発明の第４実施例を示す酸化物超伝導薄膜付きサファイア基板の製造工程断面図である。
【００３４】
まず、図７（ａ）に示すように、第１実施例と同じ方法で１００ÅのＣｅＯ2 バッファ層３２をＲ面サファイア基板３１上に堆積させた後、図７（ｂ）に示すように、ＮｄＧａＯ3 、ＰｒＧａＯ3 、ＹＡｌＯ3 、ＳｒＴｉＯ3 の４つの傾斜層３３を、それぞれの焼結ターゲットを用いて６４０℃で２００Å形成した４つの試料の単層の傾斜層を作製した。
【００３５】
Ｘ線回折の結果、上記した４つの試料からなる傾斜層３３は、（００１）配向したエピタキシャル成長していることが確かめられた。次に、図７（ｃ）に示すように、これら傾斜層３３上に、６０００ÅのＹＢＣＯ薄膜３４を６５０℃で成長させた。
【００３６】
ＹＢＣＯ表面を原子間力顕微鏡で観察した結果、何れも矩形状の結晶粒を示した。これら薄膜の臨界温度は９１Ｋ以上を示し、５０ＧＨｚでの高周波表面抵抗は、約０．１ｍΩであった。なお、傾斜層３３は、ＮｄＧａＯ3 、ＰｒＧａＯ3 、ＹＡｌＯ3 、ＳｒＴｉＯ3 の複合層として形成するようにしてもよい。
【００３７】
次に、本発明の第５実施例について説明する。
【００３８】
図８は本発明の第５実施例を示す酸化物超伝導薄膜付きサファイア基板の製造工程断面図である。
【００３９】
まず、図８（ａ）に示すように、第１実施例と同じ方法で３０ÅのＣｅＯ2 バッファ層４２を堆積したＲ面サファイア基板４１上に、図８（ｂ）に示すように、Ｙ2 Ｏ3 とＹＳＺをそれぞれ別々に、複合傾斜層４３として６３０℃で２００Å形成した。Ｘ線回折パターンは、それぞれ（００１）配向を示した。
【００４０】
次に、図８（ｃ）に示すように、これら複合傾斜層４３上に第１実施例の作製条件で、ＥＢＣＯ薄膜４４を３０００Åエピタキシャル成長させた。これらの超伝導薄膜は、約Ｔce＝９１Ｋを示し、矩形状の結晶粒を形成していた。
【００４１】
また、この実験において、３０ÅのＣｅＯ2 のバッファ層４２上に、最初１００ÅのＹ2 Ｏ3 、次いで１００ÅのＹＳＺを堆積した複合傾斜層４３を形成する。なお、その順序を逆にした複合傾斜層を形成するようにしてもよい。その後、上記同様のＥＢＣＯ薄膜を成長させた。これらの超伝導薄膜は、Ｙ2 Ｏ3 とＹＳＺの単一傾斜層と殆ど同様の超伝導特性及び結晶粒の成長を示していた。
【００４２】
次に、本発明の第６実施例について説明する。
【００４３】
図９は本発明の第６実施例を示す酸化物超伝導薄膜付きサファイア基板の製造工程断面図である。
【００４４】
まず、図９（ａ）に示すように、第１実施例と同じ方法で７０ÅのＣｅＯ2 バッファ層５２を堆積したＲ面サファイア基板５１上に、図９（ｂ）に示すように、傾斜層５３としてＬａＡｌＯ3 、ＮｄＧａＯ3 、ＰｒＧａＯ3 を別々に、６５０℃で１５０Å堆積させた。何れもこの傾斜層５３は、（００１）配向を示した。また、これらの材料を２つ、または３つを積層して１５０Åの傾斜層も同様に（００１）配向を示した。
【００４５】
次に、図９（ｃ）に示すように、その上に堆積したエピタキシャルＥＢＣＯ薄膜５４（６０００Å）は、９０Ｋ以上のＴceを示し、矩形状の結晶粒が観測された。
【００４６】
次に、本発明の第７実施例について説明する。
【００４７】
図１０は本発明の第７実施例を示す酸化物超伝導薄膜付きサファイア基板の製造工程断面図である。
【００４８】
まず、図１０（ａ）に示すように、第１実施例と同様のＲ面サファイア基板６１上の３０ÅのＣｅＯ2 バッファ層６２上に、図１０（ｂ）に示すように、ペロブスカイト系のＬａＡｌＯ3 、ＮｄＧａＯ3 、ＰｒＧａＯ3 、ＳｒＴｉＯ3 をそれぞれ第１層６３Ａとして１００Å堆積し、その上に、Ｙ2 Ｏ3 またはＹＳＺを１００Å、第２層６３Ｂとしてエピタキシャル成長させた。この第１層６３Ａ、第２層６３Ｂからなる複合傾斜層６３上に、図１０（ｃ）に示すように、ＹＢＣＯ薄膜６４を３０００Å堆積した超伝導薄膜は、何れも９１ＫのＴceを示し、整然とした結晶粒界であった。
【００４９】
本発明によれば、上記したように、
（１）傾斜構造としてＬａＡｌＯ3 などのＡＢＯ3 型ペロブスカイト物質を、酸素量を制御してＣｅＯ2 バッファ層の上に形成する。
【００５０】
（２）ＣｅＯ2 バッファ層上にＹＳＺ等のＣｅＯ2 の格子定数より小さな物質を積層することを基本とし、または、これらの組み合わせなどの処理をした薄膜形成用基板を形成する。
【００５１】
したがって、酸化物超伝導体薄膜のモフオロジーもよく、良好な高周波表面抵抗を与えることができるサファイア基板への酸化物超伝導薄膜を形成することができる。
【００５２】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【００５３】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、酸化物超伝導体薄膜との格子ミスマッチを緩和し、膜特性向上を図ることができる。
【００５４】
具体的には、
（１）傾斜構造をＬａＡｌＯ3 などのＡＢＯ3 型ペロブスカイト物質を酸素量を制御してＣｅＯ2 バッファ層の上に形成する。
【００５５】
（２）ＣｅＯ2 バッファ層上にＹＳＺ等のＣｅＯ2 の格子定数より小さな物質を積層することを基本とし、またはこれらの組み合わせなどの処理をした薄膜形成用基板を形成する。
【００５６】
したがって、酸化物超伝導体薄膜のモフオロジーもよく良好な高周波表面抵抗を与えることができる。すなわち、ＣｅＯ2 ＋傾斜層の膜厚をサファイア基板上に成長させた表面は、平滑で、格子の間隔は傾斜層のバルクの状態を呈し、その上に成長させたＹ系ｃ軸配向超伝導薄膜の結晶は、整然とした矩形をなし、理想的な粒界を有する。このため、高周波表面抵抗を著しく小さな値にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例を示す酸化物超伝導薄膜付きサファイア基板の製造工程断面図である。
【図２】本発明の第１実施例を示すサファイア基板上のＥＢＣＯ超伝導薄膜の結晶粒の表面形態を示すＡＦＭ像を示す図である。
【図３】比較例を示す酸化物超伝導薄膜付きサファイア基板の製造工程断面図である。
【図４】比較例を示すサファイア基板上のＥＢＣＯ超伝導薄膜の結晶粒の表面形態を示すＡＦＭ像を示す図である。
【図５】本発明の第２実施例を示す酸化物超伝導薄膜付きサファイア基板の製造工程断面図である。
【図６】本発明の第３実施例を示す酸化物超伝導薄膜付きサファイア基板の製造工程断面図である。
【図７】本発明の第４実施例を示す酸化物超伝導薄膜付きサファイア基板の製造工程断面図である。
【図８】本発明の第５実施例を示す酸化物超伝導薄膜付きサファイア基板の製造工程断面図である。
【図９】本発明の第６実施例を示す酸化物超伝導薄膜付きサファイア基板の製造工程断面図である。
【図１０】本発明の第７実施例を示す酸化物超伝導薄膜付きサファイア基板の製造工程断面図である。
【符号の説明】
１，１１，２１，３１，４１，５１，６１    Ｒ面サファイア基板
２，１２，２２，３２，４２，５２，６２    ＣｅＯ2 バッファ層
３，１３，２３    傾斜層：ＬａＡｌＯ3 薄膜
４，２４，４４，５４    ＥＢＣＯ薄膜
１４，３４，６４    ＹＢＣＯ薄膜
３３    傾斜層：ＮｄＧａＯ3 ，ＰｒＧａＯ3 ，ＹＡｌＯ3 ，ＳｒＴｉＯ3 
４３    複合傾斜層：Ｙ2 Ｏ3 ，ＹＳＺ
５３    傾斜層：ＬａＡｌＯ3 ，ＮｄＧａＯ3 ，ＰｒＧａＯ3 
６３    複合傾斜層
６３Ａ    第１層：ペロブスカイト系のＬａＡｌＯ3 ，ＮｄＧａＯ3 ，ＰｒＧａＯ3 ，ＳｒＴｉＯ3 
６３Ｂ    第２層：Ｙ2 Ｏ3 またはＹＳＺ
【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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【図９】
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【図１０】
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