二ホウ化マグネシウム超電導薄膜の作製方法および二ホウ化マグネシウム超電導薄膜
【課題】広い範囲の印加磁場角度に対して高い臨界電流密度を示す二ホウ化マグネシウム（ＭｇＢ２）超電導薄膜を提供すること。
【解決手段】高真空中において、マグネシウム（Ｍｇ）蒸気とホウ素（Ｂ）蒸気を基板法線軸に対して傾いた方向から供給することで、ＭｇＢ２の柱状結晶粒を基板法線に対して傾けて成長させる。基板に対するマグネシウム（Ｍｇ）蒸気とホウ素（Ｂ）蒸気の供給角度を制御することで、粒界の傾き角度が互いに異なるＭｇＢ２柱状結晶粒を含んだ複数の層から成るＭｇＢ２超電導薄膜を形成する。
【解決手段】高真空中において、マグネシウム（Ｍｇ）蒸気とホウ素（Ｂ）蒸気を基板法線軸に対して傾いた方向から供給することで、ＭｇＢ２の柱状結晶粒を基板法線に対して傾けて成長させる。基板に対するマグネシウム（Ｍｇ）蒸気とホウ素（Ｂ）蒸気の供給角度を制御することで、粒界の傾き角度が互いに異なるＭｇＢ２柱状結晶粒を含んだ複数の層から成るＭｇＢ２超電導薄膜を形成する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は核磁気共鳴（ＮＭＲ）計測用プローブコイルなどの磁場中で動作する超電導デバイスに応用可能な二ホウ化マグネシウム（ＭｇＢ２）超電導薄膜の構造と作製方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
超電導材料を用いた核磁気共鳴（ＮＭＲ）計測用プローブコイルなど、磁場中で動作する超電導デバイスには、磁場中において高い臨界電流密度を示す超電導薄膜が求められる。一般に、超電導薄膜の臨界電流密度は印加する磁場強度の増加に伴って低下し、さらに印加する磁場の角度にも依存する。また、超電導体は完全反磁性という性質を有し、−１／４πという大きな磁化率を有する。従って、プローブコイルの設計に際しては、静磁場を乱さないように、静磁場の均一性を保つことが必要である。
【０００３】
このため、超電導デバイスの超電導薄膜は静磁場と平行に配置して静磁場を乱さないようにする工夫がなされているが、一方では、超電導薄膜は静磁場と平行に配置する構造では超電導薄膜を形成する基板の集合体が静磁場を乱す傾向があり不都合であるとの指摘もある。これに対して、ボビン型のプローブコイルとして問題を回避することが検討されている。このタイプのプローブコイルでは、超電導薄膜は法線方向から磁場を受けることになるので、この磁場に対して高い臨界電流密度を示す超電導薄膜であることが必要となる。
【０００４】
二ホウ化マグネシウム（ＭｇＢ２）超電導薄膜の磁場中臨界電流密度は、薄膜の結晶構造と強い相関があることが知られている（非特許文献１）。所定の条件を用いて高真空中でマグネシウム（Ｍｇ）とホウ素（Ｂ）を基板上に同時蒸着すると、基板と垂直方向に成長した柱状結晶粒を含むＭｇＢ２薄膜が形成される。
【０００５】
この柱状結晶粒の粒界は磁場中において有効なピンニングセンタとして働く。すなわち、柱状結晶粒の粒界と平行方向に磁場を印加した場合に高い臨界電流密度が得られる。ＭｇＢ２薄膜の柱状結晶粒は基板平面とおおむね垂直方向に成長しているため、基板平面とおおむね垂直方向に磁場を印加した場合に、高い臨界電流密度が得られる。ただし、印加する磁場の角度が基板平面と垂直方向（柱状結晶粒の成長方向）からずれると、結晶粒界に起因するピンニング力が弱まり臨界電流密度が低下する。したがって、従来のＭｇＢ２薄膜では、柱状結晶粒の粒界ピンニングに起因した高い臨界電流密度が得られる印加磁場角度の範囲が狭いことが問題であった。
【０００６】
【非特許文献１】著者名：H.Kitaguchi et al, “MgB2 films with very high critical current densities due to strong grain boundary pinning”, Applied Physics Letters, Vol. 85, No. 14, pp. 2842-2844 (2004)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、超電導薄膜の面の法線方向から磁場を受ける場合に、広い範囲の印加磁場角度に対して高い臨界電流密度を示す二ホウ化マグネシウム（ＭｇＢ２）超電導薄膜を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明のＭｇＢ２超電導薄膜は、ＭｇＢ２の柱状結晶粒を含む層を少なくとも二層以上有するものとし、各層における柱状結晶粒の粒界が互いに異なる角度で形成されていることを特徴とする。超高真空中の蒸着法やスパッタ法などを用いて基板上に所定の条件でＭｇＢ２薄膜を形成すると、薄膜内部にはＭｇＢ２の柱状結晶粒が形成される。この柱状結晶粒の成長角度は、マグネシウム（Ｍｇ）やホウ素（Ｂ）蒸気を基板に供給する方向と相関がある。ＭｇＢ２の柱状結晶粒は、マグネシウム（Ｍｇ）やホウ素（Ｂ）蒸気が供給される方向に沿って成長する。そのため、成膜中に基板回転を行わず、マグネシウム（Ｍｇ）やホウ素（Ｂ）蒸気を基板に対して常に同じ方向から供給すると、蒸気の供給方向に傾いた柱状結晶粒を形成できる。この成膜方法を用いて、基板の法線方向に対して傾いた柱状結晶粒を有するＭｇＢ２薄膜層を、傾きの方向を変えながら複数積層する。
【０００９】
このような構造の薄膜では、それぞれの層における柱状結晶粒の傾き角度に対応した印加磁場角度において強いピンニング力がはたらく。そのため、臨界電流密度の印加磁場角度依存性において複数の臨界電流密度ピークが得られる。それら複数の臨界電流密度ピークが重ね合わされた結果として、広い範囲の印加磁場角度において高い臨界電流密度が得られる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明により、二ホウ化マグネシウム（ＭｇＢ２）超電導薄膜において、従来よりも広い範囲の印加磁場角度に対して高い臨界電流密度が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
（実施例１）
図１に、実施例１におけるＭｇＢ２超電導薄膜の模式的な断面図を示す。実施例１のＭｇＢ２超電導薄膜は、基板５上に形成された２層のＭｇＢ２薄膜１０１，１０２からなる。第１層１０１と第２層１０２のＭｇＢ２薄膜中には、ともに柱状結晶粒が形成されている。各層の柱状結晶粒は、基板５の法線方向に対して傾いて成長しており、かつ、第１層１０１と第２層１０２における柱状結晶粒の粒界２０１、２０２の傾き角度は互いに異なる。各層の膜厚はいずれも３００ｎｍである。
【００１２】
実施例１におけるＭｇＢ２超電導薄膜の作製方法について説明する。図２（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は、ＭｇＢ２超電導薄膜の成膜方法を模式的に示す図である。図２（Ａ）は成膜の第一段階、図２（Ｂ）は成膜の第二段階、図２（Ｃ）は成膜の第三段階を示す。
【００１３】
本発明は、一般的な成膜装置で実施できるものであり、超高真空の真空チャンバ３０中において、エフュージョンセル１７と電子ビーム蒸着源２７が成膜する基板５の真下方向から外れた位置に設置してあり、マグネシウム（Ｍｇ）蒸気１６とホウ素（Ｂ）蒸気２６が基板の法線に対して斜め方向から供給されるものとされる。
【００１４】
はじめに、マグネシウム（Ｍｇ）１５と、ホウ素（Ｂ）２５を超高真空の真空チャンバ３０中において、基板５の表面上に同時蒸着し、第１層のＭｇＢ２薄膜１０１を形成した。マグネシウム（Ｍｇ）の蒸発には、抵抗加熱により原料を蒸発させるエフュージョンセル１７を用い、ホウ素（Ｂ）の蒸発には電子ビーム蒸着源２７を用いた。
【００１５】
実施例１では、マグネシウム（Ｍｇ）蒸気１６を基板表面の法線軸から約４５°傾いた角度から供給し、ホウ素（Ｂ）蒸気２６を基板表面の法線軸から約１５°傾いた角度から供給した。成膜中には基板５を静止させておくことにより、マグネシウム（Ｍｇ）蒸気１６とホウ素（Ｂ）蒸気２６が常に同じ方向から基板５の表面に供給される。その結果、マグネシウム（Ｍｇ）とホウ素（Ｂ）蒸気の供給方向に傾いてＭｇＢ２の柱状結晶粒が成長する。以上のとおり、基板表面の法線方向に対して傾いた柱状結晶粒の粒界を有する第１層のＭｇＢ２超電導薄膜１０１を形成した。
【００１６】
第１層の薄膜１０１を形成後、図２（Ｂ）に示すように基板５を面内方向に１８０°回転させた。その後、図２（Ｃ）に示すように、第１層と同様の成膜方法により第１層１０１の上に第２層のＭｇＢ２超電導薄膜１０２を積層した。基板を１８０°回転させたことにより、第２層の成膜時は、第１層のマグネシウム（Ｍｇ）蒸気１６とホウ素（Ｂ）蒸気２６の供給方向の基板表面の法線軸の対称な方向からマグネシウム（Ｍｇ）蒸気１６とホウ素（Ｂ）蒸気２６が供給されることとなる。そのため、第２層の柱状結晶粒の粒界は、第１層の柱状結晶粒と基板表面の法線軸の対称に傾いて形成される。
【００１７】
以上の薄膜形成プロセスにおいて、成膜中の真空度は１×１０−８〜１×１０−７Ｔｏｒｒ、基板５の温度は３００℃、マグネシウム（Ｍｇ）とホウ素（Ｂ）の蒸着レートはそれぞれ１４Å／ｓ、０．８Å／ｓであった。
【００１８】
形成した積層構造のＭｇＢ２超電導薄膜を、フォトリソグラフィとエッチングプロセスを経て幅０．２ｍｍのブリッジパターンに加工した。液体ヘリウム中（温度４．２Ｋ）において、作製したＭｇＢ２薄膜試料に印加する磁場の角度を変化させつつ、薄膜試料の臨界電流密度を測定した。
【００１９】
図３は、実施例１におけるＭｇＢ２超電導薄膜の臨界電流密度の印加磁場角度依存性（温度４．２Ｋ、磁場強度５Ｔ）を示す図である。この図から、印加磁場角度９０°（薄膜の膜面と垂直方向）付近に二つの臨界電流密度のピークが確認できる。これらは、積層構造薄膜における第１層目１０１と第２層目１０２のそれぞれの柱状結晶粒の粒界ピンニングに対応するピークである。柱状結晶粒を有するＭｇＢ２薄膜では、結晶粒の粒界２０１、２０２と同じ方向に磁場を印加した場合にピンニング力が最も強くはたらき、高い臨界電流密度が得られる。そのため、臨界電流密度の印加磁場角度依存性において、柱状結晶粒の傾き角度に臨界電流密度のピークが現れる。
【００２０】
従来の単一層構造の薄膜では、柱状結晶粒の成長角度に対応した臨界電流のピークは一つのみ確認される。その場合、臨界電流密度の最大値から８０％の値を維持できる磁場角度の範囲は２０°程度であった。これに対し、実施例１のＭｇＢ２薄膜は、柱状結晶粒が基板表面の法線軸と対称な角度に傾いて成長した２層の薄膜から形成されているため、それぞれの傾き角度（約８０°、約１１０°）に応じた臨界電流密度のピークが得られた。その結果、臨界電流密度の最大値から８０％の値を維持できる磁場角度の範囲は、従来の単一層ＭｇＢ２薄膜（２０°）に比べ約２倍（４０°）に拡大した。
【００２１】
また、基板５にはＡｌ２Ｏ３、ＬａＡｌＯ３、ＬＳＡＴ、ＭｇＯ、ＡｌＮ、ポリイミド、ポリテトラフルオロチレンなどの材料を用いたが、いずれの基板でも同様の結果が得られた。尚、実施例１ではマグネシウム（Ｍｇ）の蒸発にエフュージョンセルを用いたが、電子ビーム蒸着源でマグネシウム（Ｍｇ）を蒸発させて薄膜形成を行った場合でも、実施例１と同様の構造を有する薄膜を形成できることは明らかである。
【００２２】
（実施例２）
実施例２のＭｇＢ２超電導薄膜の模式的な断面構造を図４に示す。実施例２におけるＭｇＢ２薄膜は、互いに異なる角度で成長したＭｇＢ２柱状結晶粒を含む３つの層からなる。第１の層１０１および第３の層１０３は、実施例１の場合と同じく、基板の法線方向に対して互いに対称な角度に傾いて成長した柱状結晶粒を含む。これら２つの層に挟まれた第２の層１０２は、基板の法線方向と平行に成長した柱状結晶粒を含む。各層の膜厚はいずれも３００ｎｍである。
【００２３】
実施例２におけるＭｇＢ２超電導薄膜の作製方法について説明する。図５（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は、ＭｇＢ２超電導薄膜の成膜方法を模式的に示す図である。図５（Ａ）は成膜の第一段階、図５（Ｂ）は成膜の第二段階、図５（Ｃ）は成膜の第三段階を示す。実施例２でも、成膜装置は実施例１と同じで良く、エフュージョンセル１７と電子ビーム蒸着源２７は、成膜する基板５の真下方向から外れた位置に設置してあり、マグネシウム（Ｍｇ）蒸気１６とホウ素（Ｂ）蒸気２６が基板５の法線に対して斜め方向から供給される。
【００２４】
はじめに、マグネシウム（Ｍｇ）と、ホウ素（Ｂ）を超高真空の真空チャンバ３０中において、基板５上に同時蒸着し、第１層のＭｇＢ２薄膜１０１を形成した。マグネシウム（Ｍｇ）１５はエフュージョンセル１７により蒸発させ、ホウ素（Ｂ）２５の蒸発には電子ビーム蒸着源２７を用いた。マグネシウム（Ｍｇ）蒸気１６を基板の法線軸から約４５°傾いた角度から供給し、ホウ素（Ｂ）蒸気２６を基板の法線軸から約１５°傾いた角度から供給した。成膜中に基板を静止させておくことにより、マグネシウム（Ｍｇ）蒸気１６とホウ素（Ｂ）蒸気２６が常に同じ方向から基板５の表面に供給される。その結果、マグネシウム（Ｍｇ）蒸気１６とホウ素（Ｂ）蒸気２６の供給方向に傾いてＭｇＢ２の柱状結晶粒が成長する。その結果、実施例１と同様、基板の法線方向に対して傾いた柱状結晶粒の粒界を有する、第１層のＭｇＢ２超電導薄膜１０１が形成された。
【００２５】
第１層の薄膜１０１を形成した後、図５（Ｂ）に示すように第１層と同様の成膜方法により、第１層１０１の上に第２層の薄膜１０２を積層した。ただし、この段階では、成膜は基板５を面内方向に回転させながら行った。これにより、基板５の表面に対してマグネシウム（Ｍｇ）蒸気１６とホウ素（Ｂ）蒸気２６の供給方向が等方的となり、ＭｇＢ２の柱状結晶粒は基板５の表面の法線方向に対して傾かず平行に成長した。
【００２６】
第２層の薄膜１０２を形成後、マグネシウム（Ｍｇ）蒸気１６とホウ素（Ｂ）蒸気２６が、基板法線に対して第１層の薄膜１０１を形成した際と逆方向から供給されるように、基板５を面内方向に１８０°回転させた。その後、図５（Ｃ）に示すように第１層と同様の成膜方法により、基板を静止させたまま、第２層１０２の上に第３層の薄膜１０３を積層した。その結果、実施例１と同様、基板５の表面の法線方向を基準として、第１層の柱状結晶粒と対称に傾いた柱状結晶粒を含む第３層の薄膜１０３が形成された。
【００２７】
以上の薄膜形成プロセスにおいて、成膜中の真空度は１×１０−８〜１×１０−７Ｔｏｒｒ、基板の温度は３００℃、マグネシウム（Ｍｇ）とホウ素（Ｂ）の蒸着レートはそれぞれ１４Å／ｓ、０．８Å／ｓであった。
【００２８】
形成した積層構造のＭｇＢ２超電導薄膜を、フォトリソグラフィとエッチングプロセスを経て幅０．２ｍｍのブリッジパターンに加工した。液体ヘリウム中（温度４．２Ｋ）において、作製したＭｇＢ２薄膜試料に印加する磁場の角度を変化させつつ、薄膜試料の臨界電流密度を測定した。
【００２９】
図６は、実施例２におけるＭｇＢ２超電導薄膜の臨界電流密度の印加磁場角度依存性（温度４．２Ｋ、磁場強度５Ｔ）を示す図である。実施例２のＭｇＢ２薄膜は、柱状結晶粒の成長角度が異なる３層の薄膜から形成されているため、基板平面方向に対するそれぞれの成長角度（約８０°、約９０°、約１１０°）に応じた臨界電流密度のピークが得られた。その結果、臨界電流密度の最大値から８０％の値を維持できる磁場角度の範囲は、従来の単一層ＭｇＢ２薄膜（２０°）に比べ約２倍（４０°）に拡大した。さらに、基板５の表面の法線方向については、より大きな臨界電流密度が観測された。
【００３０】
また、基板５にはＡｌ２Ｏ３、ＬａＡｌＯ３、ＬＳＡＴ、ＭｇＯ、ＡｌＮ、ポリイミド、ポリテトラフルオロチレンなどの材料を用いたが、いずれの基板でも同様の結果が得られた。尚、実施例２ではマグネシウム（Ｍｇ）の蒸発にエフュージョンセルを用いたが、電子ビーム蒸着源でマグネシウム（Ｍｇ）を蒸発させて薄膜形成を行った場合でも、実施例２と同様の構造を有する薄膜を形成できることは明らかである。
【００３１】
（実施例３）
実施例３のＭｇＢ２超電導薄膜の模式的な断面構造を図７に示す。実施例３におけるＭｇＢ２薄膜は、互いに異なる角度で成長したＭｇＢ２柱状結晶粒を含む４つの層１０１、１０２、１０３、１０４からなる。各層の膜厚はいずれも３００ｎｍである。
【００３２】
実施例３におけるＭｇＢ２超電導薄膜の作製方法について説明する。図８（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）、（Ｅ）は、ＭｇＢ２超電導薄膜の成膜方法を模式的に示す図である。図８（Ａ）は成膜の第一段階、図８（Ｂ）は成膜の第二段階、図８（Ｃ）は成膜の第三段階、図８（Ｄ）は成膜の第四段階、図８（Ｅ）は成膜の第五段階を示す。実施例３でも、成膜装置は実施例１と同じで良く、エフュージョンセル１７と電子ビーム蒸着源２７は、成膜する基板５の真下方向から外れた位置に設置してあり、マグネシウム（Ｍｇ）蒸気１６とホウ素（Ｂ）蒸気２６が基板５の法線に対して斜め方向から供給される。
【００３３】
はじめに、図８（Ａ）に示すように基板５の成膜面を水平方向から約１０°傾けた状態で固定した。この状態でマグネシウム（Ｍｇ）１５と、ホウ素（Ｂ）２５を基板５の表面上に同時蒸着し、第１層のＭｇＢ２薄膜１０１を形成した。マグネシウム（Ｍｇ）１５はエフュージョンセル１７により蒸発させ、ホウ素（Ｂ）２５の蒸発には電子ビーム蒸着源２７を用いた。実施例３では、基板表面を水平方向から傾ける前の状態を基準にして、マグネシウム（Ｍｇ）蒸気１６を基板表面の法線軸から約４５°傾いた角度から供給し、ホウ素（Ｂ）蒸気２６を基板の法線軸から約１５°傾いた角度から供給した。成膜中に基板を回転させないことにより、マグネシウム（Ｍｇ）蒸気１６とホウ素（Ｂ）蒸気２６が常に同じ方向から基板５に供給される。その結果、マグネシウム（Ｍｇ）蒸気１６とホウ素（Ｂ）蒸気２６の供給方向に傾いてＭｇＢ２の柱状結晶粒が成長する。以上のように、基板の法線方向に対して約２０°傾いた柱状結晶粒の粒界２０１を有する第１層のＭｇＢ２超電導薄膜１０１を形成した。
【００３４】
第１層の薄膜１０１を形成した後、傾けていた基板面を水平方向に戻して固定した。そのままの状態で、図８（Ｂ）に示すように第１層と同様の成膜方法により、第１層１０１の上に第２層の薄膜１０２を積層した。このように、第１層の薄膜１０１よりも基板表面の法線方向に対する傾きが小さい（約１０°）柱状結晶粒を含む第２層の薄膜１０２を形成した。
【００３５】
第２層の薄膜１０２を形成後、図８（Ｃ）に示すように基板を面内方向に１８０°回転させた。その後、基板を静止させたまま、第１層、第２層と同様の成膜方法により、図８（Ｄ）に示すように第２層１０２の上に第３層のＭｇＢ２超電導薄膜１０３を積層した。基板を１８０°回転させたことにより、第３層の成膜時は、基板表面の法線方向に第２層と対称の方向からマグネシウム（Ｍｇ）蒸気１６とホウ素（Ｂ）蒸気２６が供給されることとなる。そのため、第３層の柱状結晶粒の粒界２０３は、基板法線方向を基準として、第２層の柱状結晶粒の粒界２０２と対称の方向に傾いて（約−１０°）形成される。
【００３６】
続いて、第１層の薄膜１０１の形成時と同様に、基板面を水平方向から約１０°傾けた状態で固定した。その状態で、図８（Ｅ）に示すように第１〜３層の薄膜と同様の成膜方法により第３層１０３の上に第４層のＭｇＢ２超電導薄膜１０４を積層した。基板面を水平から傾けたことにより、第３層の薄膜１０３よりも基板法線方向に対する傾きが大きい（約−２０°）柱状結晶粒を含む第４層の薄膜１０４を形成した。
【００３７】
以上の薄膜形成プロセスにおいて、成膜中の真空度は１ｘ１０−８〜１ｘ１０−７Ｔｏｒｒ、基板の温度は３００℃、マグネシウム（Ｍｇ）とホウ素（Ｂ）の蒸着レートはそれぞれ１４Å／ｓ、０．８Å／ｓであった。
【００３８】
形成した積層構造のＭｇＢ２超電導薄膜を、フォトリソグラフィとエッチングプロセスを経て幅０．２ｍｍのブリッジパターンに加工した。液体ヘリウム中（温度４．２Ｋ）において、作製したＭｇＢ２薄膜試料に印加する磁場の角度を変化させつつ、薄膜試料の臨界電流密度を測定した。実施例３のＭｇＢ２薄膜は、柱状結晶粒の成長角度が異なる４層の薄膜から形成されているため、基板平面方向に対する各層の柱状結晶粒の成長角度（約７０°、約８０°、約１１０°、約１２０°）に応じた臨界電流密度のピークが得られた。その結果、臨界電流密度の最大値から８０％の値を維持できる磁場角度の範囲は、従来の単一層ＭｇＢ２薄膜（２０°）に比べ約３倍（６０°）に拡大した。
【００３９】
また、基板５にはＡｌ２Ｏ３、ＬａＡｌＯ３、ＬＳＡＴ、ＭｇＯ、ＡｌＮ、ポリイミド、ポリテトラフルオロチレンなどの材料を用いたが、いずれの基板でも同様の結果が得られた。尚、実施例３ではマグネシウム（Ｍｇ）の蒸発にエフュージョンセルを用いたが、電子ビーム蒸着源でマグネシウム（Ｍｇ）を蒸発させて薄膜形成を行った場合でも、実施例３と同様の構造を有する薄膜を形成できることは明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】実施例１のＭｇＢ２超電導薄膜の断面構造を模式的に示す図である。
【図２】実施例１のＭｇＢ２超電導薄膜の作製方法を模式的に示す図である。（Ａ）は薄膜作製の第一段階を模式的に示す図である。（Ｂ）は薄膜作製の第二段階を模式的に示す図である。（Ｃ）は薄膜作製の第三段階を模式的に示す図である。
【図３】実施例１のＭｇＢ２超電導薄膜の、温度４．２Ｋにおける臨界電流密度の印加磁場角度依存性を示す図である。
【図４】実施例２のＭｇＢ２超電導薄膜の断面構造を模式的に示す図である。
【図５】実施例２のＭｇＢ２超電導薄膜の作製方法を模式的に示す図である。（Ａ）は薄膜作製の第一段階を模式的に示す図である。（Ｂ）は薄膜作製の第二段階を模式的に示す図である。（Ｃ）は薄膜作製の第三段階を模式的に示す図である。
【図６】実施例２におけるＭｇＢ２超電導薄膜の臨界電流密度の印加磁場角度依存性（温度４．２Ｋ、磁場強度５Ｔ）を示す図である。
【図７】実施例３のＭｇＢ２超電導薄膜の断面構造を模式的に示す図である。
【図８】実施例３のＭｇＢ２超電導薄膜の作製方法を模式的に示す図である。（Ａ）は薄膜作製の第一段階を模式的に示す図である。（Ｂ）は薄膜作製の第二段階を模式的に示す図である。（Ｃ）は薄膜作製の第三段階を模式的に示す図である。（Ｄ）は薄膜作製の第四段階を模式的に示す図である。（Ｅ）は薄膜作製の第五段階を模式的に示す図である。
【符号の説明】
【００４１】
５…基板、１０１…第１層のＭｇＢ２超電導薄膜、１０２…第２層のＭｇＢ２超電導薄膜、１０３…第３層のＭｇＢ２超電導薄膜、１０４…第４層のＭｇＢ２超電導薄膜、２０１…第１層のＭｇＢ２超電導薄膜における柱状結晶粒の粒界、２０２…第２層のＭｇＢ２超電導薄膜における柱状結晶粒の粒界、２０３…第３層のＭｇＢ２超電導薄膜における柱状結晶粒の粒界、２０４…第４層のＭｇＢ２超電導薄膜における柱状結晶粒の粒界、１５…マグネシウム（Ｍｇ）原料、１６…マグネシウム（Ｍｇ）蒸気、１７…エフュージョンセル、２５…ホウ素（Ｂ）原料、２６…ホウ素（Ｂ）蒸気、２７…電子ビーム蒸着源、３０…真空チャンバ。
【技術分野】
【０００１】
本発明は核磁気共鳴（ＮＭＲ）計測用プローブコイルなどの磁場中で動作する超電導デバイスに応用可能な二ホウ化マグネシウム（ＭｇＢ２）超電導薄膜の構造と作製方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
超電導材料を用いた核磁気共鳴（ＮＭＲ）計測用プローブコイルなど、磁場中で動作する超電導デバイスには、磁場中において高い臨界電流密度を示す超電導薄膜が求められる。一般に、超電導薄膜の臨界電流密度は印加する磁場強度の増加に伴って低下し、さらに印加する磁場の角度にも依存する。また、超電導体は完全反磁性という性質を有し、−１／４πという大きな磁化率を有する。従って、プローブコイルの設計に際しては、静磁場を乱さないように、静磁場の均一性を保つことが必要である。
【０００３】
このため、超電導デバイスの超電導薄膜は静磁場と平行に配置して静磁場を乱さないようにする工夫がなされているが、一方では、超電導薄膜は静磁場と平行に配置する構造では超電導薄膜を形成する基板の集合体が静磁場を乱す傾向があり不都合であるとの指摘もある。これに対して、ボビン型のプローブコイルとして問題を回避することが検討されている。このタイプのプローブコイルでは、超電導薄膜は法線方向から磁場を受けることになるので、この磁場に対して高い臨界電流密度を示す超電導薄膜であることが必要となる。
【０００４】
二ホウ化マグネシウム（ＭｇＢ２）超電導薄膜の磁場中臨界電流密度は、薄膜の結晶構造と強い相関があることが知られている（非特許文献１）。所定の条件を用いて高真空中でマグネシウム（Ｍｇ）とホウ素（Ｂ）を基板上に同時蒸着すると、基板と垂直方向に成長した柱状結晶粒を含むＭｇＢ２薄膜が形成される。
【０００５】
この柱状結晶粒の粒界は磁場中において有効なピンニングセンタとして働く。すなわち、柱状結晶粒の粒界と平行方向に磁場を印加した場合に高い臨界電流密度が得られる。ＭｇＢ２薄膜の柱状結晶粒は基板平面とおおむね垂直方向に成長しているため、基板平面とおおむね垂直方向に磁場を印加した場合に、高い臨界電流密度が得られる。ただし、印加する磁場の角度が基板平面と垂直方向（柱状結晶粒の成長方向）からずれると、結晶粒界に起因するピンニング力が弱まり臨界電流密度が低下する。したがって、従来のＭｇＢ２薄膜では、柱状結晶粒の粒界ピンニングに起因した高い臨界電流密度が得られる印加磁場角度の範囲が狭いことが問題であった。
【０００６】
【非特許文献１】著者名：H.Kitaguchi et al, “MgB2 films with very high critical current densities due to strong grain boundary pinning”, Applied Physics Letters, Vol. 85, No. 14, pp. 2842-2844 (2004)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、超電導薄膜の面の法線方向から磁場を受ける場合に、広い範囲の印加磁場角度に対して高い臨界電流密度を示す二ホウ化マグネシウム（ＭｇＢ２）超電導薄膜を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明のＭｇＢ２超電導薄膜は、ＭｇＢ２の柱状結晶粒を含む層を少なくとも二層以上有するものとし、各層における柱状結晶粒の粒界が互いに異なる角度で形成されていることを特徴とする。超高真空中の蒸着法やスパッタ法などを用いて基板上に所定の条件でＭｇＢ２薄膜を形成すると、薄膜内部にはＭｇＢ２の柱状結晶粒が形成される。この柱状結晶粒の成長角度は、マグネシウム（Ｍｇ）やホウ素（Ｂ）蒸気を基板に供給する方向と相関がある。ＭｇＢ２の柱状結晶粒は、マグネシウム（Ｍｇ）やホウ素（Ｂ）蒸気が供給される方向に沿って成長する。そのため、成膜中に基板回転を行わず、マグネシウム（Ｍｇ）やホウ素（Ｂ）蒸気を基板に対して常に同じ方向から供給すると、蒸気の供給方向に傾いた柱状結晶粒を形成できる。この成膜方法を用いて、基板の法線方向に対して傾いた柱状結晶粒を有するＭｇＢ２薄膜層を、傾きの方向を変えながら複数積層する。
【０００９】
このような構造の薄膜では、それぞれの層における柱状結晶粒の傾き角度に対応した印加磁場角度において強いピンニング力がはたらく。そのため、臨界電流密度の印加磁場角度依存性において複数の臨界電流密度ピークが得られる。それら複数の臨界電流密度ピークが重ね合わされた結果として、広い範囲の印加磁場角度において高い臨界電流密度が得られる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明により、二ホウ化マグネシウム（ＭｇＢ２）超電導薄膜において、従来よりも広い範囲の印加磁場角度に対して高い臨界電流密度が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
（実施例１）
図１に、実施例１におけるＭｇＢ２超電導薄膜の模式的な断面図を示す。実施例１のＭｇＢ２超電導薄膜は、基板５上に形成された２層のＭｇＢ２薄膜１０１，１０２からなる。第１層１０１と第２層１０２のＭｇＢ２薄膜中には、ともに柱状結晶粒が形成されている。各層の柱状結晶粒は、基板５の法線方向に対して傾いて成長しており、かつ、第１層１０１と第２層１０２における柱状結晶粒の粒界２０１、２０２の傾き角度は互いに異なる。各層の膜厚はいずれも３００ｎｍである。
【００１２】
実施例１におけるＭｇＢ２超電導薄膜の作製方法について説明する。図２（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は、ＭｇＢ２超電導薄膜の成膜方法を模式的に示す図である。図２（Ａ）は成膜の第一段階、図２（Ｂ）は成膜の第二段階、図２（Ｃ）は成膜の第三段階を示す。
【００１３】
本発明は、一般的な成膜装置で実施できるものであり、超高真空の真空チャンバ３０中において、エフュージョンセル１７と電子ビーム蒸着源２７が成膜する基板５の真下方向から外れた位置に設置してあり、マグネシウム（Ｍｇ）蒸気１６とホウ素（Ｂ）蒸気２６が基板の法線に対して斜め方向から供給されるものとされる。
【００１４】
はじめに、マグネシウム（Ｍｇ）１５と、ホウ素（Ｂ）２５を超高真空の真空チャンバ３０中において、基板５の表面上に同時蒸着し、第１層のＭｇＢ２薄膜１０１を形成した。マグネシウム（Ｍｇ）の蒸発には、抵抗加熱により原料を蒸発させるエフュージョンセル１７を用い、ホウ素（Ｂ）の蒸発には電子ビーム蒸着源２７を用いた。
【００１５】
実施例１では、マグネシウム（Ｍｇ）蒸気１６を基板表面の法線軸から約４５°傾いた角度から供給し、ホウ素（Ｂ）蒸気２６を基板表面の法線軸から約１５°傾いた角度から供給した。成膜中には基板５を静止させておくことにより、マグネシウム（Ｍｇ）蒸気１６とホウ素（Ｂ）蒸気２６が常に同じ方向から基板５の表面に供給される。その結果、マグネシウム（Ｍｇ）とホウ素（Ｂ）蒸気の供給方向に傾いてＭｇＢ２の柱状結晶粒が成長する。以上のとおり、基板表面の法線方向に対して傾いた柱状結晶粒の粒界を有する第１層のＭｇＢ２超電導薄膜１０１を形成した。
【００１６】
第１層の薄膜１０１を形成後、図２（Ｂ）に示すように基板５を面内方向に１８０°回転させた。その後、図２（Ｃ）に示すように、第１層と同様の成膜方法により第１層１０１の上に第２層のＭｇＢ２超電導薄膜１０２を積層した。基板を１８０°回転させたことにより、第２層の成膜時は、第１層のマグネシウム（Ｍｇ）蒸気１６とホウ素（Ｂ）蒸気２６の供給方向の基板表面の法線軸の対称な方向からマグネシウム（Ｍｇ）蒸気１６とホウ素（Ｂ）蒸気２６が供給されることとなる。そのため、第２層の柱状結晶粒の粒界は、第１層の柱状結晶粒と基板表面の法線軸の対称に傾いて形成される。
【００１７】
以上の薄膜形成プロセスにおいて、成膜中の真空度は１×１０−８〜１×１０−７Ｔｏｒｒ、基板５の温度は３００℃、マグネシウム（Ｍｇ）とホウ素（Ｂ）の蒸着レートはそれぞれ１４Å／ｓ、０．８Å／ｓであった。
【００１８】
形成した積層構造のＭｇＢ２超電導薄膜を、フォトリソグラフィとエッチングプロセスを経て幅０．２ｍｍのブリッジパターンに加工した。液体ヘリウム中（温度４．２Ｋ）において、作製したＭｇＢ２薄膜試料に印加する磁場の角度を変化させつつ、薄膜試料の臨界電流密度を測定した。
【００１９】
図３は、実施例１におけるＭｇＢ２超電導薄膜の臨界電流密度の印加磁場角度依存性（温度４．２Ｋ、磁場強度５Ｔ）を示す図である。この図から、印加磁場角度９０°（薄膜の膜面と垂直方向）付近に二つの臨界電流密度のピークが確認できる。これらは、積層構造薄膜における第１層目１０１と第２層目１０２のそれぞれの柱状結晶粒の粒界ピンニングに対応するピークである。柱状結晶粒を有するＭｇＢ２薄膜では、結晶粒の粒界２０１、２０２と同じ方向に磁場を印加した場合にピンニング力が最も強くはたらき、高い臨界電流密度が得られる。そのため、臨界電流密度の印加磁場角度依存性において、柱状結晶粒の傾き角度に臨界電流密度のピークが現れる。
【００２０】
従来の単一層構造の薄膜では、柱状結晶粒の成長角度に対応した臨界電流のピークは一つのみ確認される。その場合、臨界電流密度の最大値から８０％の値を維持できる磁場角度の範囲は２０°程度であった。これに対し、実施例１のＭｇＢ２薄膜は、柱状結晶粒が基板表面の法線軸と対称な角度に傾いて成長した２層の薄膜から形成されているため、それぞれの傾き角度（約８０°、約１１０°）に応じた臨界電流密度のピークが得られた。その結果、臨界電流密度の最大値から８０％の値を維持できる磁場角度の範囲は、従来の単一層ＭｇＢ２薄膜（２０°）に比べ約２倍（４０°）に拡大した。
【００２１】
また、基板５にはＡｌ２Ｏ３、ＬａＡｌＯ３、ＬＳＡＴ、ＭｇＯ、ＡｌＮ、ポリイミド、ポリテトラフルオロチレンなどの材料を用いたが、いずれの基板でも同様の結果が得られた。尚、実施例１ではマグネシウム（Ｍｇ）の蒸発にエフュージョンセルを用いたが、電子ビーム蒸着源でマグネシウム（Ｍｇ）を蒸発させて薄膜形成を行った場合でも、実施例１と同様の構造を有する薄膜を形成できることは明らかである。
【００２２】
（実施例２）
実施例２のＭｇＢ２超電導薄膜の模式的な断面構造を図４に示す。実施例２におけるＭｇＢ２薄膜は、互いに異なる角度で成長したＭｇＢ２柱状結晶粒を含む３つの層からなる。第１の層１０１および第３の層１０３は、実施例１の場合と同じく、基板の法線方向に対して互いに対称な角度に傾いて成長した柱状結晶粒を含む。これら２つの層に挟まれた第２の層１０２は、基板の法線方向と平行に成長した柱状結晶粒を含む。各層の膜厚はいずれも３００ｎｍである。
【００２３】
実施例２におけるＭｇＢ２超電導薄膜の作製方法について説明する。図５（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は、ＭｇＢ２超電導薄膜の成膜方法を模式的に示す図である。図５（Ａ）は成膜の第一段階、図５（Ｂ）は成膜の第二段階、図５（Ｃ）は成膜の第三段階を示す。実施例２でも、成膜装置は実施例１と同じで良く、エフュージョンセル１７と電子ビーム蒸着源２７は、成膜する基板５の真下方向から外れた位置に設置してあり、マグネシウム（Ｍｇ）蒸気１６とホウ素（Ｂ）蒸気２６が基板５の法線に対して斜め方向から供給される。
【００２４】
はじめに、マグネシウム（Ｍｇ）と、ホウ素（Ｂ）を超高真空の真空チャンバ３０中において、基板５上に同時蒸着し、第１層のＭｇＢ２薄膜１０１を形成した。マグネシウム（Ｍｇ）１５はエフュージョンセル１７により蒸発させ、ホウ素（Ｂ）２５の蒸発には電子ビーム蒸着源２７を用いた。マグネシウム（Ｍｇ）蒸気１６を基板の法線軸から約４５°傾いた角度から供給し、ホウ素（Ｂ）蒸気２６を基板の法線軸から約１５°傾いた角度から供給した。成膜中に基板を静止させておくことにより、マグネシウム（Ｍｇ）蒸気１６とホウ素（Ｂ）蒸気２６が常に同じ方向から基板５の表面に供給される。その結果、マグネシウム（Ｍｇ）蒸気１６とホウ素（Ｂ）蒸気２６の供給方向に傾いてＭｇＢ２の柱状結晶粒が成長する。その結果、実施例１と同様、基板の法線方向に対して傾いた柱状結晶粒の粒界を有する、第１層のＭｇＢ２超電導薄膜１０１が形成された。
【００２５】
第１層の薄膜１０１を形成した後、図５（Ｂ）に示すように第１層と同様の成膜方法により、第１層１０１の上に第２層の薄膜１０２を積層した。ただし、この段階では、成膜は基板５を面内方向に回転させながら行った。これにより、基板５の表面に対してマグネシウム（Ｍｇ）蒸気１６とホウ素（Ｂ）蒸気２６の供給方向が等方的となり、ＭｇＢ２の柱状結晶粒は基板５の表面の法線方向に対して傾かず平行に成長した。
【００２６】
第２層の薄膜１０２を形成後、マグネシウム（Ｍｇ）蒸気１６とホウ素（Ｂ）蒸気２６が、基板法線に対して第１層の薄膜１０１を形成した際と逆方向から供給されるように、基板５を面内方向に１８０°回転させた。その後、図５（Ｃ）に示すように第１層と同様の成膜方法により、基板を静止させたまま、第２層１０２の上に第３層の薄膜１０３を積層した。その結果、実施例１と同様、基板５の表面の法線方向を基準として、第１層の柱状結晶粒と対称に傾いた柱状結晶粒を含む第３層の薄膜１０３が形成された。
【００２７】
以上の薄膜形成プロセスにおいて、成膜中の真空度は１×１０−８〜１×１０−７Ｔｏｒｒ、基板の温度は３００℃、マグネシウム（Ｍｇ）とホウ素（Ｂ）の蒸着レートはそれぞれ１４Å／ｓ、０．８Å／ｓであった。
【００２８】
形成した積層構造のＭｇＢ２超電導薄膜を、フォトリソグラフィとエッチングプロセスを経て幅０．２ｍｍのブリッジパターンに加工した。液体ヘリウム中（温度４．２Ｋ）において、作製したＭｇＢ２薄膜試料に印加する磁場の角度を変化させつつ、薄膜試料の臨界電流密度を測定した。
【００２９】
図６は、実施例２におけるＭｇＢ２超電導薄膜の臨界電流密度の印加磁場角度依存性（温度４．２Ｋ、磁場強度５Ｔ）を示す図である。実施例２のＭｇＢ２薄膜は、柱状結晶粒の成長角度が異なる３層の薄膜から形成されているため、基板平面方向に対するそれぞれの成長角度（約８０°、約９０°、約１１０°）に応じた臨界電流密度のピークが得られた。その結果、臨界電流密度の最大値から８０％の値を維持できる磁場角度の範囲は、従来の単一層ＭｇＢ２薄膜（２０°）に比べ約２倍（４０°）に拡大した。さらに、基板５の表面の法線方向については、より大きな臨界電流密度が観測された。
【００３０】
また、基板５にはＡｌ２Ｏ３、ＬａＡｌＯ３、ＬＳＡＴ、ＭｇＯ、ＡｌＮ、ポリイミド、ポリテトラフルオロチレンなどの材料を用いたが、いずれの基板でも同様の結果が得られた。尚、実施例２ではマグネシウム（Ｍｇ）の蒸発にエフュージョンセルを用いたが、電子ビーム蒸着源でマグネシウム（Ｍｇ）を蒸発させて薄膜形成を行った場合でも、実施例２と同様の構造を有する薄膜を形成できることは明らかである。
【００３１】
（実施例３）
実施例３のＭｇＢ２超電導薄膜の模式的な断面構造を図７に示す。実施例３におけるＭｇＢ２薄膜は、互いに異なる角度で成長したＭｇＢ２柱状結晶粒を含む４つの層１０１、１０２、１０３、１０４からなる。各層の膜厚はいずれも３００ｎｍである。
【００３２】
実施例３におけるＭｇＢ２超電導薄膜の作製方法について説明する。図８（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）、（Ｅ）は、ＭｇＢ２超電導薄膜の成膜方法を模式的に示す図である。図８（Ａ）は成膜の第一段階、図８（Ｂ）は成膜の第二段階、図８（Ｃ）は成膜の第三段階、図８（Ｄ）は成膜の第四段階、図８（Ｅ）は成膜の第五段階を示す。実施例３でも、成膜装置は実施例１と同じで良く、エフュージョンセル１７と電子ビーム蒸着源２７は、成膜する基板５の真下方向から外れた位置に設置してあり、マグネシウム（Ｍｇ）蒸気１６とホウ素（Ｂ）蒸気２６が基板５の法線に対して斜め方向から供給される。
【００３３】
はじめに、図８（Ａ）に示すように基板５の成膜面を水平方向から約１０°傾けた状態で固定した。この状態でマグネシウム（Ｍｇ）１５と、ホウ素（Ｂ）２５を基板５の表面上に同時蒸着し、第１層のＭｇＢ２薄膜１０１を形成した。マグネシウム（Ｍｇ）１５はエフュージョンセル１７により蒸発させ、ホウ素（Ｂ）２５の蒸発には電子ビーム蒸着源２７を用いた。実施例３では、基板表面を水平方向から傾ける前の状態を基準にして、マグネシウム（Ｍｇ）蒸気１６を基板表面の法線軸から約４５°傾いた角度から供給し、ホウ素（Ｂ）蒸気２６を基板の法線軸から約１５°傾いた角度から供給した。成膜中に基板を回転させないことにより、マグネシウム（Ｍｇ）蒸気１６とホウ素（Ｂ）蒸気２６が常に同じ方向から基板５に供給される。その結果、マグネシウム（Ｍｇ）蒸気１６とホウ素（Ｂ）蒸気２６の供給方向に傾いてＭｇＢ２の柱状結晶粒が成長する。以上のように、基板の法線方向に対して約２０°傾いた柱状結晶粒の粒界２０１を有する第１層のＭｇＢ２超電導薄膜１０１を形成した。
【００３４】
第１層の薄膜１０１を形成した後、傾けていた基板面を水平方向に戻して固定した。そのままの状態で、図８（Ｂ）に示すように第１層と同様の成膜方法により、第１層１０１の上に第２層の薄膜１０２を積層した。このように、第１層の薄膜１０１よりも基板表面の法線方向に対する傾きが小さい（約１０°）柱状結晶粒を含む第２層の薄膜１０２を形成した。
【００３５】
第２層の薄膜１０２を形成後、図８（Ｃ）に示すように基板を面内方向に１８０°回転させた。その後、基板を静止させたまま、第１層、第２層と同様の成膜方法により、図８（Ｄ）に示すように第２層１０２の上に第３層のＭｇＢ２超電導薄膜１０３を積層した。基板を１８０°回転させたことにより、第３層の成膜時は、基板表面の法線方向に第２層と対称の方向からマグネシウム（Ｍｇ）蒸気１６とホウ素（Ｂ）蒸気２６が供給されることとなる。そのため、第３層の柱状結晶粒の粒界２０３は、基板法線方向を基準として、第２層の柱状結晶粒の粒界２０２と対称の方向に傾いて（約−１０°）形成される。
【００３６】
続いて、第１層の薄膜１０１の形成時と同様に、基板面を水平方向から約１０°傾けた状態で固定した。その状態で、図８（Ｅ）に示すように第１〜３層の薄膜と同様の成膜方法により第３層１０３の上に第４層のＭｇＢ２超電導薄膜１０４を積層した。基板面を水平から傾けたことにより、第３層の薄膜１０３よりも基板法線方向に対する傾きが大きい（約−２０°）柱状結晶粒を含む第４層の薄膜１０４を形成した。
【００３７】
以上の薄膜形成プロセスにおいて、成膜中の真空度は１ｘ１０−８〜１ｘ１０−７Ｔｏｒｒ、基板の温度は３００℃、マグネシウム（Ｍｇ）とホウ素（Ｂ）の蒸着レートはそれぞれ１４Å／ｓ、０．８Å／ｓであった。
【００３８】
形成した積層構造のＭｇＢ２超電導薄膜を、フォトリソグラフィとエッチングプロセスを経て幅０．２ｍｍのブリッジパターンに加工した。液体ヘリウム中（温度４．２Ｋ）において、作製したＭｇＢ２薄膜試料に印加する磁場の角度を変化させつつ、薄膜試料の臨界電流密度を測定した。実施例３のＭｇＢ２薄膜は、柱状結晶粒の成長角度が異なる４層の薄膜から形成されているため、基板平面方向に対する各層の柱状結晶粒の成長角度（約７０°、約８０°、約１１０°、約１２０°）に応じた臨界電流密度のピークが得られた。その結果、臨界電流密度の最大値から８０％の値を維持できる磁場角度の範囲は、従来の単一層ＭｇＢ２薄膜（２０°）に比べ約３倍（６０°）に拡大した。
【００３９】
また、基板５にはＡｌ２Ｏ３、ＬａＡｌＯ３、ＬＳＡＴ、ＭｇＯ、ＡｌＮ、ポリイミド、ポリテトラフルオロチレンなどの材料を用いたが、いずれの基板でも同様の結果が得られた。尚、実施例３ではマグネシウム（Ｍｇ）の蒸発にエフュージョンセルを用いたが、電子ビーム蒸着源でマグネシウム（Ｍｇ）を蒸発させて薄膜形成を行った場合でも、実施例３と同様の構造を有する薄膜を形成できることは明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】実施例１のＭｇＢ２超電導薄膜の断面構造を模式的に示す図である。
【図２】実施例１のＭｇＢ２超電導薄膜の作製方法を模式的に示す図である。（Ａ）は薄膜作製の第一段階を模式的に示す図である。（Ｂ）は薄膜作製の第二段階を模式的に示す図である。（Ｃ）は薄膜作製の第三段階を模式的に示す図である。
【図３】実施例１のＭｇＢ２超電導薄膜の、温度４．２Ｋにおける臨界電流密度の印加磁場角度依存性を示す図である。
【図４】実施例２のＭｇＢ２超電導薄膜の断面構造を模式的に示す図である。
【図５】実施例２のＭｇＢ２超電導薄膜の作製方法を模式的に示す図である。（Ａ）は薄膜作製の第一段階を模式的に示す図である。（Ｂ）は薄膜作製の第二段階を模式的に示す図である。（Ｃ）は薄膜作製の第三段階を模式的に示す図である。
【図６】実施例２におけるＭｇＢ２超電導薄膜の臨界電流密度の印加磁場角度依存性（温度４．２Ｋ、磁場強度５Ｔ）を示す図である。
【図７】実施例３のＭｇＢ２超電導薄膜の断面構造を模式的に示す図である。
【図８】実施例３のＭｇＢ２超電導薄膜の作製方法を模式的に示す図である。（Ａ）は薄膜作製の第一段階を模式的に示す図である。（Ｂ）は薄膜作製の第二段階を模式的に示す図である。（Ｃ）は薄膜作製の第三段階を模式的に示す図である。（Ｄ）は薄膜作製の第四段階を模式的に示す図である。（Ｅ）は薄膜作製の第五段階を模式的に示す図である。
【符号の説明】
【００４１】
５…基板、１０１…第１層のＭｇＢ２超電導薄膜、１０２…第２層のＭｇＢ２超電導薄膜、１０３…第３層のＭｇＢ２超電導薄膜、１０４…第４層のＭｇＢ２超電導薄膜、２０１…第１層のＭｇＢ２超電導薄膜における柱状結晶粒の粒界、２０２…第２層のＭｇＢ２超電導薄膜における柱状結晶粒の粒界、２０３…第３層のＭｇＢ２超電導薄膜における柱状結晶粒の粒界、２０４…第４層のＭｇＢ２超電導薄膜における柱状結晶粒の粒界、１５…マグネシウム（Ｍｇ）原料、１６…マグネシウム（Ｍｇ）蒸気、１７…エフュージョンセル、２５…ホウ素（Ｂ）原料、２６…ホウ素（Ｂ）蒸気、２７…電子ビーム蒸着源、３０…真空チャンバ。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超高真空チャンバ中に基板表面が水平方向で下を向くように基板を配備する過程と、
前記超高真空チャンバ中で、前記基板表面より下方位置で前記基板表面に対して該基板表面の法線方向に対してそれぞれ所定の角度傾いた位置に配置されたマグネシウム（Ｍｇ）蒸気源とホウ素（Ｂ）蒸気源からマグネシウム（Ｍｇ）蒸気とホウ素（Ｂ）蒸気を前記基板表面に供給する第１の過程と、
前記超高真空チャンバ中で、前記基板表面より下方位置で前記基板表面に対して該基板表面の法線方向に対して前記第１の過程の傾き角度と異なる位置からマグネシウム（Ｍｇ）蒸気とホウ素（Ｂ）蒸気を前記基板表面に供給する第２の過程と、
よりなり、前記超高真空チャンバ中で前記基板表面に二ホウ化マグネシウムの柱状結晶粒が前記第１の過程と第２の過程とで前記基板表面の法線方向に対して互いに逆方向に異なる角度で成長した積層構造を形成することを特徴とする二ホウ化マグネシウム超電導薄膜の作製方法。
【請求項２】
超高真空チャンバ中に基板表面が水平方向で下を向くように基板を配備する過程と、
前記超高真空チャンバ中で、前記基板表面より下方位置で前記基板表面に対して該基板表面の法線方向に対してそれぞれ所定の角度傾いた位置に配置されたマグネシウム（Ｍｇ）蒸気源とホウ素（Ｂ）蒸気源からマグネシウム（Ｍｇ）蒸気とホウ素（Ｂ）蒸気を前記基板表面に供給する第１の過程と、
前記超高真空チャンバ中で前記基板を前記配備された位置で所定の速度で連続回転させて、前記基板表面に対して、前記マグネシウム（Ｍｇ）蒸気源とホウ素（Ｂ）蒸気源からマグネシウム（Ｍｇ）蒸気とホウ素（Ｂ）蒸気を前記基板表面に供給する第２の過程と、
前記超高真空チャンバ中で、前記基板表面より下方位置で前記基板表面に対して該基板表面の法線方向に対して前記第１の過程の傾き角度と異なる位置からマグネシウム（Ｍｇ）蒸気とホウ素（Ｂ）蒸気を前記基板表面に供給する第３の過程と、
よりなり、前記超高真空チャンバ中で前記基板表面に二ホウ化マグネシウムの柱状結晶粒が前記第１の過程と第３の過程とで前記基板表面の法線方向に対して互いに逆方向に異なる角度で成長し、前記第２の過程では前記基板表面の法線方向に柱状結晶粒が成長した積層構造を形成することを特徴とする二ホウ化マグネシウム超電導薄膜の作製方法。
【請求項３】
前記第１の過程が前記基板表面の法線方向に対して異なる二つの角度で繰り返し行われ、
前記第２の過程が前記基板表面の法線方向に対して異なる二つの角度で繰り返し行われ、
る請求項１記載の二ホウ化マグネシウム超電導薄膜の作製方法。
【請求項４】
前記第１の過程と前記第２の過程において、前記基板表面に対して、該基板表面の法線方向に対してそれぞれ傾いた角度からマグネシウム（Ｍｇ）蒸気とホウ素（Ｂ）蒸気を前記基板表面に供給する供給方向の変更は、前記第１の過程と前記第２の過程の間で前記基板をおおよそ１８０°面内回転させることにより行う請求項１記載の二ホウ化マグネシウム超電導薄膜の作製方法。
【請求項５】
前記第１の過程と前記第３の過程において、前記基板表面に対して、該基板表面の法線方向に対してそれぞれ傾いた角度からマグネシウム（Ｍｇ）蒸気とホウ素（Ｂ）蒸気を前記基板表面に供給する供給方向の変更は、前記第１の過程と前記第２の過程の間で前記基板をおおよそ１８０°面内回転させることにより行う請求項３記載の二ホウ化マグネシウム超電導薄膜の作製方法。
【請求項６】
前記第１の過程が前記基板表面の法線方向に対して異なる二つの角度で繰り返し行われ、
前記第３の過程が前記基板表面の法線方向に対して異なる二つの角度で繰り返し行われ、
る請求項２記載の二ホウ化マグネシウム超電導薄膜の作製方法。
【請求項７】
前記第１の過程と前記第３の過程において、前記基板表面に対して、該基板表面の法線方向に対してそれぞれ傾いた角度からマグネシウム（Ｍｇ）蒸気とホウ素（Ｂ）蒸気を前記基板表面に供給する供給方向の変更は、前記第１の過程と前記第３の過程の間で前記基板をおおよそ１８０°面内回転させることにより行う請求項２記載の二ホウ化マグネシウム超電導薄膜の作製方法。
【請求項８】
前記第１の過程と前記第３の過程において、前記基板表面に対して、該基板表面の法線方向に対してそれぞれ傾いた角度からマグネシウム（Ｍｇ）蒸気とホウ素（Ｂ）蒸気を前記基板表面に供給する供給方向の変更は、前記第１の過程と前記第３の過程の間で前記基板をおおよそ１８０°面内回転させることにより行う変化させる請求項６記載の二ホウ化マグネシウム超電導薄膜の作製方法。
【請求項９】
前記第１の過程と前記第２の過程におけるマグネシウム（Ｍｇ）蒸気とホウ素（Ｂ）蒸気は、前記超高真空チャンバ中に設置された独立の温度制御がなされる独立した複数の蒸着源を用いて供給する請求項１記載の二ホウ化マグネシウム超電導薄膜の作製方法。
【請求項１０】
前記第１から前記第３の過程におけるマグネシウム（Ｍｇ）蒸気とホウ素（Ｂ）蒸気は、前記超高真空チャンバ中に設置された独立の温度制御がなされる独立した複数の蒸着源を用いて供給する請求項２記載の二ホウ化マグネシウム超電導薄膜の作製方法。
【請求項１１】
前記第１の過程と前記第２の過程におけるマグネシウム（Ｍｇ）蒸気は抵抗加熱蒸着源により蒸発させ、ホウ素（Ｂ）蒸気は電子ビーム蒸着源により蒸発させる請求項１記載の二ホウ化マグネシウム超電導薄膜の作製方法。
【請求項１２】
前記第１から前記第３の過程におけるマグネシウム（Ｍｇ）蒸気は抵抗加熱蒸着源により蒸発させ、ホウ素（Ｂ）蒸気は電子ビーム蒸着源により蒸発させる請求項２記載の二ホウ化マグネシウム超電導薄膜の作製方法。
【請求項１３】
前記第１の過程と前記第２の過程におけるマグネシウム（Ｍｇ）蒸気およびホウ素（Ｂ）蒸気は、共に、電子ビーム蒸着源により蒸発させる請求項１記載の二ホウ化マグネシウム超電導薄膜の作製方法。
【請求項１４】
前記第１から前記第３の過程におけるマグネシウム（Ｍｇ）蒸気およびホウ素（Ｂ）蒸気は、共に、電子ビーム蒸着源により蒸発させる請求項２記載の二ホウ化マグネシウム超電導薄膜の作製方法。
【請求項１５】
基板と、
前記基板上に前記基板表面の法線方向に対して所定の角度傾いた角度で形成された柱状結晶粒による二ホウ化マグネシウム（ＭｇＢ２）からなる第１の超電導薄膜と、
前記第１の超電導薄膜上に前記基板表面の法線方向に対して前記角度と異なる角度で形成された柱状結晶粒による二ホウ化マグネシウム（ＭｇＢ２）からなる第２の超電導薄膜と、
よりなることを特徴とする二ホウ化マグネシウム超電導薄膜。
【請求項１６】
前記第１の超電導薄膜と前記第２の超電導薄膜との間に、前記基板表面の法線方向に形成された柱状結晶粒による二ホウ化マグネシウム（ＭｇＢ２）からなる第３の超電導薄膜が形成されている請求項１５記載の二ホウ化マグネシウム超電導薄膜。
【請求項１７】
前記所定の角度の方向で傾き角度を異にする複数の第１の超電導薄膜と、
前記異なる角度の方向で傾き角度を異にする複数の第２の超電導薄膜と、
よりなる請求項１５記載の二ホウ化マグネシウム超電導薄膜。
【請求項１８】
前記所定の角度の方向で傾き角度を異にする複数の第１の超電導薄膜と、
前記異なる角度の方向で傾き角度を異にする複数の第２の超電導薄膜と、
よりなる請求項１６記載の二ホウ化マグネシウム超電導薄膜。
【請求項１】
超高真空チャンバ中に基板表面が水平方向で下を向くように基板を配備する過程と、
前記超高真空チャンバ中で、前記基板表面より下方位置で前記基板表面に対して該基板表面の法線方向に対してそれぞれ所定の角度傾いた位置に配置されたマグネシウム（Ｍｇ）蒸気源とホウ素（Ｂ）蒸気源からマグネシウム（Ｍｇ）蒸気とホウ素（Ｂ）蒸気を前記基板表面に供給する第１の過程と、
前記超高真空チャンバ中で、前記基板表面より下方位置で前記基板表面に対して該基板表面の法線方向に対して前記第１の過程の傾き角度と異なる位置からマグネシウム（Ｍｇ）蒸気とホウ素（Ｂ）蒸気を前記基板表面に供給する第２の過程と、
よりなり、前記超高真空チャンバ中で前記基板表面に二ホウ化マグネシウムの柱状結晶粒が前記第１の過程と第２の過程とで前記基板表面の法線方向に対して互いに逆方向に異なる角度で成長した積層構造を形成することを特徴とする二ホウ化マグネシウム超電導薄膜の作製方法。
【請求項２】
超高真空チャンバ中に基板表面が水平方向で下を向くように基板を配備する過程と、
前記超高真空チャンバ中で、前記基板表面より下方位置で前記基板表面に対して該基板表面の法線方向に対してそれぞれ所定の角度傾いた位置に配置されたマグネシウム（Ｍｇ）蒸気源とホウ素（Ｂ）蒸気源からマグネシウム（Ｍｇ）蒸気とホウ素（Ｂ）蒸気を前記基板表面に供給する第１の過程と、
前記超高真空チャンバ中で前記基板を前記配備された位置で所定の速度で連続回転させて、前記基板表面に対して、前記マグネシウム（Ｍｇ）蒸気源とホウ素（Ｂ）蒸気源からマグネシウム（Ｍｇ）蒸気とホウ素（Ｂ）蒸気を前記基板表面に供給する第２の過程と、
前記超高真空チャンバ中で、前記基板表面より下方位置で前記基板表面に対して該基板表面の法線方向に対して前記第１の過程の傾き角度と異なる位置からマグネシウム（Ｍｇ）蒸気とホウ素（Ｂ）蒸気を前記基板表面に供給する第３の過程と、
よりなり、前記超高真空チャンバ中で前記基板表面に二ホウ化マグネシウムの柱状結晶粒が前記第１の過程と第３の過程とで前記基板表面の法線方向に対して互いに逆方向に異なる角度で成長し、前記第２の過程では前記基板表面の法線方向に柱状結晶粒が成長した積層構造を形成することを特徴とする二ホウ化マグネシウム超電導薄膜の作製方法。
【請求項３】
前記第１の過程が前記基板表面の法線方向に対して異なる二つの角度で繰り返し行われ、
前記第２の過程が前記基板表面の法線方向に対して異なる二つの角度で繰り返し行われ、
る請求項１記載の二ホウ化マグネシウム超電導薄膜の作製方法。
【請求項４】
前記第１の過程と前記第２の過程において、前記基板表面に対して、該基板表面の法線方向に対してそれぞれ傾いた角度からマグネシウム（Ｍｇ）蒸気とホウ素（Ｂ）蒸気を前記基板表面に供給する供給方向の変更は、前記第１の過程と前記第２の過程の間で前記基板をおおよそ１８０°面内回転させることにより行う請求項１記載の二ホウ化マグネシウム超電導薄膜の作製方法。
【請求項５】
前記第１の過程と前記第３の過程において、前記基板表面に対して、該基板表面の法線方向に対してそれぞれ傾いた角度からマグネシウム（Ｍｇ）蒸気とホウ素（Ｂ）蒸気を前記基板表面に供給する供給方向の変更は、前記第１の過程と前記第２の過程の間で前記基板をおおよそ１８０°面内回転させることにより行う請求項３記載の二ホウ化マグネシウム超電導薄膜の作製方法。
【請求項６】
前記第１の過程が前記基板表面の法線方向に対して異なる二つの角度で繰り返し行われ、
前記第３の過程が前記基板表面の法線方向に対して異なる二つの角度で繰り返し行われ、
る請求項２記載の二ホウ化マグネシウム超電導薄膜の作製方法。
【請求項７】
前記第１の過程と前記第３の過程において、前記基板表面に対して、該基板表面の法線方向に対してそれぞれ傾いた角度からマグネシウム（Ｍｇ）蒸気とホウ素（Ｂ）蒸気を前記基板表面に供給する供給方向の変更は、前記第１の過程と前記第３の過程の間で前記基板をおおよそ１８０°面内回転させることにより行う請求項２記載の二ホウ化マグネシウム超電導薄膜の作製方法。
【請求項８】
前記第１の過程と前記第３の過程において、前記基板表面に対して、該基板表面の法線方向に対してそれぞれ傾いた角度からマグネシウム（Ｍｇ）蒸気とホウ素（Ｂ）蒸気を前記基板表面に供給する供給方向の変更は、前記第１の過程と前記第３の過程の間で前記基板をおおよそ１８０°面内回転させることにより行う変化させる請求項６記載の二ホウ化マグネシウム超電導薄膜の作製方法。
【請求項９】
前記第１の過程と前記第２の過程におけるマグネシウム（Ｍｇ）蒸気とホウ素（Ｂ）蒸気は、前記超高真空チャンバ中に設置された独立の温度制御がなされる独立した複数の蒸着源を用いて供給する請求項１記載の二ホウ化マグネシウム超電導薄膜の作製方法。
【請求項１０】
前記第１から前記第３の過程におけるマグネシウム（Ｍｇ）蒸気とホウ素（Ｂ）蒸気は、前記超高真空チャンバ中に設置された独立の温度制御がなされる独立した複数の蒸着源を用いて供給する請求項２記載の二ホウ化マグネシウム超電導薄膜の作製方法。
【請求項１１】
前記第１の過程と前記第２の過程におけるマグネシウム（Ｍｇ）蒸気は抵抗加熱蒸着源により蒸発させ、ホウ素（Ｂ）蒸気は電子ビーム蒸着源により蒸発させる請求項１記載の二ホウ化マグネシウム超電導薄膜の作製方法。
【請求項１２】
前記第１から前記第３の過程におけるマグネシウム（Ｍｇ）蒸気は抵抗加熱蒸着源により蒸発させ、ホウ素（Ｂ）蒸気は電子ビーム蒸着源により蒸発させる請求項２記載の二ホウ化マグネシウム超電導薄膜の作製方法。
【請求項１３】
前記第１の過程と前記第２の過程におけるマグネシウム（Ｍｇ）蒸気およびホウ素（Ｂ）蒸気は、共に、電子ビーム蒸着源により蒸発させる請求項１記載の二ホウ化マグネシウム超電導薄膜の作製方法。
【請求項１４】
前記第１から前記第３の過程におけるマグネシウム（Ｍｇ）蒸気およびホウ素（Ｂ）蒸気は、共に、電子ビーム蒸着源により蒸発させる請求項２記載の二ホウ化マグネシウム超電導薄膜の作製方法。
【請求項１５】
基板と、
前記基板上に前記基板表面の法線方向に対して所定の角度傾いた角度で形成された柱状結晶粒による二ホウ化マグネシウム（ＭｇＢ２）からなる第１の超電導薄膜と、
前記第１の超電導薄膜上に前記基板表面の法線方向に対して前記角度と異なる角度で形成された柱状結晶粒による二ホウ化マグネシウム（ＭｇＢ２）からなる第２の超電導薄膜と、
よりなることを特徴とする二ホウ化マグネシウム超電導薄膜。
【請求項１６】
前記第１の超電導薄膜と前記第２の超電導薄膜との間に、前記基板表面の法線方向に形成された柱状結晶粒による二ホウ化マグネシウム（ＭｇＢ２）からなる第３の超電導薄膜が形成されている請求項１５記載の二ホウ化マグネシウム超電導薄膜。
【請求項１７】
前記所定の角度の方向で傾き角度を異にする複数の第１の超電導薄膜と、
前記異なる角度の方向で傾き角度を異にする複数の第２の超電導薄膜と、
よりなる請求項１５記載の二ホウ化マグネシウム超電導薄膜。
【請求項１８】
前記所定の角度の方向で傾き角度を異にする複数の第１の超電導薄膜と、
前記異なる角度の方向で傾き角度を異にする複数の第２の超電導薄膜と、
よりなる請求項１６記載の二ホウ化マグネシウム超電導薄膜。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２００７−３１４３６２（Ｐ２００７−３１４３６２Ａ）
【公開日】平成１９年１２月６日（２００７．１２．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−１４３４７２（Ｐ２００６−１４３４７２）
【出願日】平成１８年５月２４日（２００６．５．２４）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成１７年度、文部科学省、新方式ＮＭＲ分析技術の開発（新方式ＮＭＲシステム技術の開発） 委託研究、産業再生法第３０条の適用を受ける特許出願
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年１２月６日（２００７．１２．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年５月２４日（２００６．５．２４）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成１７年度、文部科学省、新方式ＮＭＲ分析技術の開発（新方式ＮＭＲシステム技術の開発） 委託研究、産業再生法第３０条の適用を受ける特許出願
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
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