超伝導積層薄膜
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は高い臨界温度（Ｔｃ）を有するＹ系超伝導酸化物層により非超伝導酸化物中間層を挟んだ構造を持つ超伝導積層薄膜およびその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】高いＴｃを持つＹ系酸化物超伝導体の発見以来、その高いＴｃをもたらす超伝導機構の解明のための基礎研究や電子素子等への応用研究が活発に行われている。Ｙ系超伝導体は９０Ｋという高いＴｃを持つため、その使用に際しては、７７Ｋの沸点を持つ安価な液体窒素を冷媒として使用でき、またその低温の維持のための設備も簡単なものですむという長所を持っている。このため、従来の低いＴｃを持つ物質を用いて実現した超伝導磁石や超伝導電子素子等を、高いＴｃを持つＹ系超伝導体を用いて実現することは産業上大きな貢献となる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】このＹ系超伝導体を用いて超伝導電子素子を作製する際、この素子の重要な構成部分であるジョセフソントンネル接合やジョセフソン弱接合を制御性良く作製する必要がある。このための方法として、非超伝導体中間層を超伝導体で挟んだ積層構造を作製する技術が一般的である。この中間層を構成する非超伝導物質としては、Ｙ系超伝導体と結晶構造が似ていること、Ｙ系超伝導体との相互拡散が小さいこと、低温で比抵抗が充分高いことなどの条件を満足する必要がある。したがって、Ｙ系超伝導積層薄膜の中間層として、従来の低Ｔｃ超伝導積層構造で用いられていたＡｌ酸化物等の非超伝導物質をそのまま用いると、相互拡散やＹ系超伝導薄膜の結晶配向性の乱れ等の問題が発生し、超伝導積層薄膜の作製が不可能となる。本発明の目的は、Ｙ系超伝導積層薄膜で用いられる中間層としてＹ系超伝導体に良く適した物質を選択することによって、相互拡散やＹ系超伝導薄膜の結晶配向性の乱れ等のないＹ系超伝導積層薄膜およびその製造方法を提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】本発明は 、ＹaＢａbＣｕcＯx なる式で表され、ａは０．５≦ａ≦１．５，ｂは１．５≦ｂ≦２．５，ｃは２．５≦ｃ≦３．５，ｘは６．５≦ｘ≦７．０である組成の超伝導酸化物層により、ＮｄdＣｕeＯy なる式で表され、ｄは１．５≦ｄ≦２．５，ｅは０．５≦ｅ≦１．５，ｙは３．５≦ｙ≦４．５である組成の非超伝導酸化物、またはＮｄf(Ｃｕ1-RＭR)gＯZなる式（ＭはＡｌ，Ｆｅ，Ｚｎ，Ｎｉ，Ｐｔの中の少なくとも１種）で表され、Ｒは０＜Ｒ≦０．１，ｆは１．９≦ｆ≦２．２，ｇは０．８≦ｇ≦１．１，ｚは３．５≦ｚ≦４．５である組成の非超伝導酸化物、または（Ｎｄ1-sＬs）hＣｕiＯwなる式（ＬはＥｕ,Ｇｄ，Ｄｙ,Ｈｏ，Ｅｒ，Ｙの中の少なくとも１種）で表され、Ｓは０＜Ｓ≦０．２，ｈは１．８≦ｈ≦２．４，ｉは０．６≦ｉ≦１．２，ｗは３．５≦ｗ≦４．５である組成の非超伝導酸化物よりなる中間層の両側を挟んだ構造を持つことを特徴とする超伝導積層薄膜である。
【０００５】また、超伝導積層薄膜の製造にあたり、基板にオゾンを含む酸素を吹き付けながら、Ｙ系超伝導酸化膜を各成分元素を蒸発させ ＹaＢａbＣｕcＯxなる式で表され組成の超伝導酸化物層を真空蒸着により製造する事を特徴とする。
【０００６】
【作用】Ｙ系超伝導体において、ａの範囲を０．５≦ａ≦１．５、ｂの範囲を１．５≦ｂ≦２．５、ｃの範囲を２．５≦ｃ≦３．５、ｘの範囲を６．５≦ｘ≦７．０と限定したのは、この範囲をはずれると、作製された薄膜中に超伝導相以外の第２相が高い割合で生成してしまい、Ｔｃの値の著しい低下や、表面平坦性の悪化等の問題が生じるためである。
【０００７】さらに、Ｎｄ−Ｃｕ系酸化物において、ｄの範囲を１．５≦ｄ≦２．５、ｅの範囲を０．５≦ｅ≦１．５、ｆの範囲を１．９≦ｆ≦２．２、ｇの範囲を０．８≦ｇ≦１．１、ｈの範囲を１．８≦ｈ≦２．４、ｉの範囲を０．６≦ｉ≦１．２、ｙの範囲を３．５≦ｙ≦４．５、Ｒの範囲を０＜Ｒ≦０．１、Ｓの範囲を０＜Ｓ≦０．２と限定したのは、この範囲をはずれると、作製された薄膜中にＮｄ−Ｃｕ系酸化物以外の第２相が高い割合で生成してしまい、表面平坦性が悪化するためである。
【０００８】また、Ｎｄ−Ｃｕ系酸化物を中間層として用いたのは、Ｙ系超伝導体と同様にペロブスカイト構造を基本とする結晶構造を持っており、Ｙ系超伝導体層の上にＮｄ−Ｃｕ系酸化物層をエピタキシャル成長させ得ること、および逆にＮｄ−Ｃｕ系酸化物層の上にＹ系超伝導体層をエピタキシャル成長させることが可能であること、Ｙ系超伝導体層との間の相互拡散が小さいこと、低温で充分高い比抵抗を持つことが理由である。さらに、Ｎｄ−Ｃｕ系酸化物の構成元素のうち、Ａｌ等でＣｕを、またはＥｕ等でＮｄを一部置換すれば、Ｎｄ−Ｃｕ系酸化物の比抵抗をさらに高めることができ、ジョセフソントンネル接合への応用を考えるとより好ましい。
【０００９】Ｙ系超伝導積層薄膜の作製に際しては、Ｙ系酸化物に比べ、Ｎｄ−Ｃｕ系酸化物は最適作製温度が高いので、Ｙ系超伝導積層薄膜作製の際、Ｎｄ−Ｃｕ系酸化物層作製時にＹ系超伝導体層作製時より作製温度を高くすると比抵抗がより高くなり、さらにＮｄ−Ｃｕ系酸化物の結晶性が向上し、Ｙ系超伝導体との相互拡散が小さい良質の積層薄膜が作製できる。また、真空蒸着法により５００〜７５０℃の温度でＹ系超伝導積層薄膜を作製すれば、作製後の約９００℃での高温熱処理をしなくてもＹ系酸化物の超伝導性が得られ、平坦な表面を持つ超伝導積層薄膜が得られる。
【００１０】
【実施例】次に、本発明の実施例について説明する。図１R>１は本発明によるＹ系超伝導積層薄膜の概略断面図である。基板１には（００１）ＳｒＴｉＯ3単結晶基板を用いた。基板としてはＳｒＴｉＯ3基板の他の方位の結晶や、ＬａＡｌＯ3、ＭｇＯ等、他の材質を用いてもさしつかえない。基板の大きさは１５ｍｍ角で、厚さは０．５ｍｍである。基板１上に、まずＹ系超伝導体層２を堆積させ、その上にＮｄ−Ｃｕ系酸化物層３を、最後にその上にＹ系超伝導体層４を堆積させて作製する。
【００１１】図２は図１に示したＹ系超伝導積層薄膜を作製するために本実施例で用いた多元蒸着装置の概略構成図である。真空槽１１には電子線加熱装置１３，１４，１５，１６，１７，１８が備え付けられており、６種類の蒸着材料Ｙ１９，Ｎｄ２０，Ｂａ２１，Ｃｕ２２，Ａｌ等２３、Ｅｕ等２４をそれぞれ独立に加熱し、各成分原子を独立に蒸発させる。この際、加熱装置としては抵抗加熱装置等、他の加熱装置を用いてもさしつかえない。さらに蒸着材料として、例えばＢａの代わりにＢａＣＯ3、Ｙの代わりにＹ2Ｏ3を用いる等、他の組み合わせを採用してもさしつかえない。積層薄膜作製中、基板４２はヒ−タ３７によって９００℃まで加熱することができる。また積層薄膜の均一性を高めるため、積層薄膜作製中に基板を基板回転機構３８によって回転させることができる。酸素ガスをオゾン発生装置３９に導入してオゾンを含む酸素ガスを作製し、これをテフロン製チュ−ブ４０および石英管４１を通して積層薄膜作製中の基板４２に向けて吹き付けることができる。
【００１２】薄膜作製に際しては、まず真空槽１１を真空排気系１２により１０-7Torr台まで排気する。この後、真空槽１１内の真空度が４×１０-4Torr程度になるように、酸素ガスをオゾン発生装置３９、テフロン製チュ−ブ４０および石英管４１を通して真空槽１１内に導入する。この際、真空槽１１内の真空度は１０-5Torr台〜１０-3Torr台の範囲内であれば、他の真空度でもさしつかえない。オゾン発生装置３９でオゾンを発生させると、オゾンを含む酸素ガスを基板４２に向けて吹き付ける。オゾン発生装置３９を稼動させず、酸素ガスのみを基板に向けて吹き付けた場合は、良質のＹ系超伝導体が得られず、目的の超伝導積層薄膜を作製することはできない。基板４２はヒ−タ３７によって加熱され、その温度は約６００℃に保持されている。なおこの基板温度は５００〜７５０℃の範囲であれば他の温度でもさしつかえない。また積層薄膜作製中、基板４２は基板回転機構３８で約１０ｒｐｍの速度で回転している。
【００１３】この状態で電子線加熱装置１３，１４，１５，１６，１７，１８で各蒸着材料１９，２０，２１，２２，２３，２４を加熱し、各原子を蒸発させる。ただしＹ系超伝導体層を堆積させる際は、Ｎｄ用シャッタ２６、Ａｌ等用シャッタ２９およびＥｕ等用シャッタ３０を閉じて不要な原子が基板に到達しないようにし、Ｎｄ−Ｃｕ系酸化物層を堆積させる際にはＹ用シャッタ２５およびＢａ用シャッタ２７、Ａｌ等用シャッタ２９およびＥｕ等用シャッタ３０を閉じて不要な原子が基板に到達しないようにする。また例えば、Ｎｄ−Ｃｕ系酸化物層のＣｕをＡｌで一部置換したい場合は、蒸着材料２３としてＡｌを置き、Ｎｄ−Ｃｕ系酸化物層堆積時にシャッタ２９もあわせて開ければよい。
【００１４】なお、各材料の蒸発速度は蒸発速度計３１，３２，３３，３４，３５，３６で常に測定し、その測定値をもとに電子線加熱装置を制御し、蒸発速度を制御している。各材料の蒸発速度が目的組成の酸化物層を堆積するのに適した値になったことを確認してから基板シャッタ４３を開け、薄膜の堆積を開始する。なお各蒸着材料の蒸発速度、すなわち各酸化物層の組成は、Ｙ系酸化物およびＮｄ−Ｃｕ系酸化物の各単層薄膜をあらかじめ作製し、その組成をもとに決定した。単層薄膜の組成は電子線励起Ｘ線微小分析装置（ＥＰＭＡ）で決定した。各蒸発原子は酸素分子またはオゾン分子と反応し、加熱された基板上で酸化物層として堆積する。堆積速度は約０．５オングストロ―ム／ｓである。作製した積層薄膜の各層の厚さは、いずれも約３００オングストロ―ムである。
【００１５】積層薄膜作製後は、各シャッタ２５，２６，２７，２８，２９，３０および基板シャッタ４３を閉じて堆積を終了させる。次にヒ−タ３７での加熱をやめ、基板４２およびその上に作製された積層薄膜を自然冷却する。この冷却の際も、オゾンを含む酸素ガスは基板に向けて吹き付け続ける。約１時間の冷却で基板温度は約１００℃にまで下がる。ここで基板４２を大気中に取り出す。
【００１６】こうして作製したＹ系超伝導積層薄膜を２次イオン質量分析装置（ＳＩＭＳ）で分析すると、各層は相互拡散せず堆積されており、良質の積層薄膜が作製されていることが確認された。また、この積層薄膜をＸ線回折法および電子線回折法で調べると、各層ともｃ軸が基板表面に垂直で、基板の［１００］方向と各酸化物の［１００］方向とが平行なエピタキシャル成長していることが確認された。なおＸ線回折法で調べた結果、Ｙ系酸化物相およびＮｄ−Ｃｕ系酸化物相以外の相は薄膜中に存在していないことが確認された。積層薄膜の表面および同条件で作製した各単層薄膜の表面を２次電子顕微鏡で観察したところ、表面は５０オングストロ―ム以下の精度で平坦であることが確認された。４端子法でＹ系超伝導体層２，４の抵抗の温度変化を測定したところ、いずれの層ともに８５Ｋ以上のＴｃを持つことが確認され、良質のＹ系超伝導体層が作製されていることがわかった。また、室温でのＹ系酸化物層間の抵抗値は充分に高く、Ｎｄ−Ｃｕ系酸化物層３がＹ系酸化物層間に均一に存在していることが確認された。また、Ｎｄ−Ｃｕ系酸化物の比抵抗は、Ａｌ等によるＣｕの一部置換およびＥｕ等によるＮｄの一部置換により、置換無しの場合に比べて２倍以上高くすることができた。
【００１７】以上のように良質なＹ系超伝導積層薄膜が多元蒸着法で作製できたが、Ｎｄ−Ｃｕ系酸化物層３を堆積中に限って基板温度を約７００℃に高めると、Ｎｄ−Ｃｕ系酸化物の結晶性が向上し、また比抵抗も高くなり、より良質な積層薄膜を作製することができた。なおこのＮｄ−Ｃｕ系酸化物層を堆積する際の基板温度は５００〜７５０℃の範囲内であれば他の温度でも差し支えない。なお、本実施例ではオゾン発生装置を用いてオゾンを含んだ酸素ガスを基板に吹き付け、薄膜を酸化したが、酸素ガスを高周波（ＲＦ）やマイクロ波で活性化させ、薄膜の酸化を行っても同じように良質の超伝導積層薄膜を作製することができる。
【００１８】
【発明の効果】以上、詳細に説明したように、本発明によるＹ系超伝導積層薄膜は、相互拡散やＹ系超伝導薄膜の結晶配向性の乱れ等のない良質なもので、Ｙ系超伝導体の超伝導電子素子への応用上効果が大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるＹ系超伝導積層薄膜の概略断面図である。
【図２】本発明による実施例で使用した多元蒸着装置の一例の概略構成図である。
【符号の説明】
１，４２ 基板 ２，４ Ｙ系超伝導体層
３ Ｎｄ−Ｃｕ系酸化物層 １１ 真空槽
１２ 真空排気系
１３，１４，１５，１６，１７，１８ 電子線加熱装置
１９，２０，２１，２２，２３，２４ 蒸着材料
２５，２６，２７，２８，２９，３０ シャッタ
３１，３２，３３，３４，３５，３６ 蒸発速度計
３７ ヒ−タ ３８ 基板回転機構
３９ オゾン発生装置 ４０ テフロン製チュ−ブ
４１ 石英管 ４３ 基板シャッタ
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は高い臨界温度（Ｔｃ）を有するＹ系超伝導酸化物層により非超伝導酸化物中間層を挟んだ構造を持つ超伝導積層薄膜およびその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】高いＴｃを持つＹ系酸化物超伝導体の発見以来、その高いＴｃをもたらす超伝導機構の解明のための基礎研究や電子素子等への応用研究が活発に行われている。Ｙ系超伝導体は９０Ｋという高いＴｃを持つため、その使用に際しては、７７Ｋの沸点を持つ安価な液体窒素を冷媒として使用でき、またその低温の維持のための設備も簡単なものですむという長所を持っている。このため、従来の低いＴｃを持つ物質を用いて実現した超伝導磁石や超伝導電子素子等を、高いＴｃを持つＹ系超伝導体を用いて実現することは産業上大きな貢献となる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】このＹ系超伝導体を用いて超伝導電子素子を作製する際、この素子の重要な構成部分であるジョセフソントンネル接合やジョセフソン弱接合を制御性良く作製する必要がある。このための方法として、非超伝導体中間層を超伝導体で挟んだ積層構造を作製する技術が一般的である。この中間層を構成する非超伝導物質としては、Ｙ系超伝導体と結晶構造が似ていること、Ｙ系超伝導体との相互拡散が小さいこと、低温で比抵抗が充分高いことなどの条件を満足する必要がある。したがって、Ｙ系超伝導積層薄膜の中間層として、従来の低Ｔｃ超伝導積層構造で用いられていたＡｌ酸化物等の非超伝導物質をそのまま用いると、相互拡散やＹ系超伝導薄膜の結晶配向性の乱れ等の問題が発生し、超伝導積層薄膜の作製が不可能となる。本発明の目的は、Ｙ系超伝導積層薄膜で用いられる中間層としてＹ系超伝導体に良く適した物質を選択することによって、相互拡散やＹ系超伝導薄膜の結晶配向性の乱れ等のないＹ系超伝導積層薄膜およびその製造方法を提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】本発明は 、ＹaＢａbＣｕcＯx なる式で表され、ａは０．５≦ａ≦１．５，ｂは１．５≦ｂ≦２．５，ｃは２．５≦ｃ≦３．５，ｘは６．５≦ｘ≦７．０である組成の超伝導酸化物層により、ＮｄdＣｕeＯy なる式で表され、ｄは１．５≦ｄ≦２．５，ｅは０．５≦ｅ≦１．５，ｙは３．５≦ｙ≦４．５である組成の非超伝導酸化物、またはＮｄf(Ｃｕ1-RＭR)gＯZなる式（ＭはＡｌ，Ｆｅ，Ｚｎ，Ｎｉ，Ｐｔの中の少なくとも１種）で表され、Ｒは０＜Ｒ≦０．１，ｆは１．９≦ｆ≦２．２，ｇは０．８≦ｇ≦１．１，ｚは３．５≦ｚ≦４．５である組成の非超伝導酸化物、または（Ｎｄ1-sＬs）hＣｕiＯwなる式（ＬはＥｕ,Ｇｄ，Ｄｙ,Ｈｏ，Ｅｒ，Ｙの中の少なくとも１種）で表され、Ｓは０＜Ｓ≦０．２，ｈは１．８≦ｈ≦２．４，ｉは０．６≦ｉ≦１．２，ｗは３．５≦ｗ≦４．５である組成の非超伝導酸化物よりなる中間層の両側を挟んだ構造を持つことを特徴とする超伝導積層薄膜である。
【０００５】また、超伝導積層薄膜の製造にあたり、基板にオゾンを含む酸素を吹き付けながら、Ｙ系超伝導酸化膜を各成分元素を蒸発させ ＹaＢａbＣｕcＯxなる式で表され組成の超伝導酸化物層を真空蒸着により製造する事を特徴とする。
【０００６】
【作用】Ｙ系超伝導体において、ａの範囲を０．５≦ａ≦１．５、ｂの範囲を１．５≦ｂ≦２．５、ｃの範囲を２．５≦ｃ≦３．５、ｘの範囲を６．５≦ｘ≦７．０と限定したのは、この範囲をはずれると、作製された薄膜中に超伝導相以外の第２相が高い割合で生成してしまい、Ｔｃの値の著しい低下や、表面平坦性の悪化等の問題が生じるためである。
【０００７】さらに、Ｎｄ−Ｃｕ系酸化物において、ｄの範囲を１．５≦ｄ≦２．５、ｅの範囲を０．５≦ｅ≦１．５、ｆの範囲を１．９≦ｆ≦２．２、ｇの範囲を０．８≦ｇ≦１．１、ｈの範囲を１．８≦ｈ≦２．４、ｉの範囲を０．６≦ｉ≦１．２、ｙの範囲を３．５≦ｙ≦４．５、Ｒの範囲を０＜Ｒ≦０．１、Ｓの範囲を０＜Ｓ≦０．２と限定したのは、この範囲をはずれると、作製された薄膜中にＮｄ−Ｃｕ系酸化物以外の第２相が高い割合で生成してしまい、表面平坦性が悪化するためである。
【０００８】また、Ｎｄ−Ｃｕ系酸化物を中間層として用いたのは、Ｙ系超伝導体と同様にペロブスカイト構造を基本とする結晶構造を持っており、Ｙ系超伝導体層の上にＮｄ−Ｃｕ系酸化物層をエピタキシャル成長させ得ること、および逆にＮｄ−Ｃｕ系酸化物層の上にＹ系超伝導体層をエピタキシャル成長させることが可能であること、Ｙ系超伝導体層との間の相互拡散が小さいこと、低温で充分高い比抵抗を持つことが理由である。さらに、Ｎｄ−Ｃｕ系酸化物の構成元素のうち、Ａｌ等でＣｕを、またはＥｕ等でＮｄを一部置換すれば、Ｎｄ−Ｃｕ系酸化物の比抵抗をさらに高めることができ、ジョセフソントンネル接合への応用を考えるとより好ましい。
【０００９】Ｙ系超伝導積層薄膜の作製に際しては、Ｙ系酸化物に比べ、Ｎｄ−Ｃｕ系酸化物は最適作製温度が高いので、Ｙ系超伝導積層薄膜作製の際、Ｎｄ−Ｃｕ系酸化物層作製時にＹ系超伝導体層作製時より作製温度を高くすると比抵抗がより高くなり、さらにＮｄ−Ｃｕ系酸化物の結晶性が向上し、Ｙ系超伝導体との相互拡散が小さい良質の積層薄膜が作製できる。また、真空蒸着法により５００〜７５０℃の温度でＹ系超伝導積層薄膜を作製すれば、作製後の約９００℃での高温熱処理をしなくてもＹ系酸化物の超伝導性が得られ、平坦な表面を持つ超伝導積層薄膜が得られる。
【００１０】
【実施例】次に、本発明の実施例について説明する。図１R>１は本発明によるＹ系超伝導積層薄膜の概略断面図である。基板１には（００１）ＳｒＴｉＯ3単結晶基板を用いた。基板としてはＳｒＴｉＯ3基板の他の方位の結晶や、ＬａＡｌＯ3、ＭｇＯ等、他の材質を用いてもさしつかえない。基板の大きさは１５ｍｍ角で、厚さは０．５ｍｍである。基板１上に、まずＹ系超伝導体層２を堆積させ、その上にＮｄ−Ｃｕ系酸化物層３を、最後にその上にＹ系超伝導体層４を堆積させて作製する。
【００１１】図２は図１に示したＹ系超伝導積層薄膜を作製するために本実施例で用いた多元蒸着装置の概略構成図である。真空槽１１には電子線加熱装置１３，１４，１５，１６，１７，１８が備え付けられており、６種類の蒸着材料Ｙ１９，Ｎｄ２０，Ｂａ２１，Ｃｕ２２，Ａｌ等２３、Ｅｕ等２４をそれぞれ独立に加熱し、各成分原子を独立に蒸発させる。この際、加熱装置としては抵抗加熱装置等、他の加熱装置を用いてもさしつかえない。さらに蒸着材料として、例えばＢａの代わりにＢａＣＯ3、Ｙの代わりにＹ2Ｏ3を用いる等、他の組み合わせを採用してもさしつかえない。積層薄膜作製中、基板４２はヒ−タ３７によって９００℃まで加熱することができる。また積層薄膜の均一性を高めるため、積層薄膜作製中に基板を基板回転機構３８によって回転させることができる。酸素ガスをオゾン発生装置３９に導入してオゾンを含む酸素ガスを作製し、これをテフロン製チュ−ブ４０および石英管４１を通して積層薄膜作製中の基板４２に向けて吹き付けることができる。
【００１２】薄膜作製に際しては、まず真空槽１１を真空排気系１２により１０-7Torr台まで排気する。この後、真空槽１１内の真空度が４×１０-4Torr程度になるように、酸素ガスをオゾン発生装置３９、テフロン製チュ−ブ４０および石英管４１を通して真空槽１１内に導入する。この際、真空槽１１内の真空度は１０-5Torr台〜１０-3Torr台の範囲内であれば、他の真空度でもさしつかえない。オゾン発生装置３９でオゾンを発生させると、オゾンを含む酸素ガスを基板４２に向けて吹き付ける。オゾン発生装置３９を稼動させず、酸素ガスのみを基板に向けて吹き付けた場合は、良質のＹ系超伝導体が得られず、目的の超伝導積層薄膜を作製することはできない。基板４２はヒ−タ３７によって加熱され、その温度は約６００℃に保持されている。なおこの基板温度は５００〜７５０℃の範囲であれば他の温度でもさしつかえない。また積層薄膜作製中、基板４２は基板回転機構３８で約１０ｒｐｍの速度で回転している。
【００１３】この状態で電子線加熱装置１３，１４，１５，１６，１７，１８で各蒸着材料１９，２０，２１，２２，２３，２４を加熱し、各原子を蒸発させる。ただしＹ系超伝導体層を堆積させる際は、Ｎｄ用シャッタ２６、Ａｌ等用シャッタ２９およびＥｕ等用シャッタ３０を閉じて不要な原子が基板に到達しないようにし、Ｎｄ−Ｃｕ系酸化物層を堆積させる際にはＹ用シャッタ２５およびＢａ用シャッタ２７、Ａｌ等用シャッタ２９およびＥｕ等用シャッタ３０を閉じて不要な原子が基板に到達しないようにする。また例えば、Ｎｄ−Ｃｕ系酸化物層のＣｕをＡｌで一部置換したい場合は、蒸着材料２３としてＡｌを置き、Ｎｄ−Ｃｕ系酸化物層堆積時にシャッタ２９もあわせて開ければよい。
【００１４】なお、各材料の蒸発速度は蒸発速度計３１，３２，３３，３４，３５，３６で常に測定し、その測定値をもとに電子線加熱装置を制御し、蒸発速度を制御している。各材料の蒸発速度が目的組成の酸化物層を堆積するのに適した値になったことを確認してから基板シャッタ４３を開け、薄膜の堆積を開始する。なお各蒸着材料の蒸発速度、すなわち各酸化物層の組成は、Ｙ系酸化物およびＮｄ−Ｃｕ系酸化物の各単層薄膜をあらかじめ作製し、その組成をもとに決定した。単層薄膜の組成は電子線励起Ｘ線微小分析装置（ＥＰＭＡ）で決定した。各蒸発原子は酸素分子またはオゾン分子と反応し、加熱された基板上で酸化物層として堆積する。堆積速度は約０．５オングストロ―ム／ｓである。作製した積層薄膜の各層の厚さは、いずれも約３００オングストロ―ムである。
【００１５】積層薄膜作製後は、各シャッタ２５，２６，２７，２８，２９，３０および基板シャッタ４３を閉じて堆積を終了させる。次にヒ−タ３７での加熱をやめ、基板４２およびその上に作製された積層薄膜を自然冷却する。この冷却の際も、オゾンを含む酸素ガスは基板に向けて吹き付け続ける。約１時間の冷却で基板温度は約１００℃にまで下がる。ここで基板４２を大気中に取り出す。
【００１６】こうして作製したＹ系超伝導積層薄膜を２次イオン質量分析装置（ＳＩＭＳ）で分析すると、各層は相互拡散せず堆積されており、良質の積層薄膜が作製されていることが確認された。また、この積層薄膜をＸ線回折法および電子線回折法で調べると、各層ともｃ軸が基板表面に垂直で、基板の［１００］方向と各酸化物の［１００］方向とが平行なエピタキシャル成長していることが確認された。なおＸ線回折法で調べた結果、Ｙ系酸化物相およびＮｄ−Ｃｕ系酸化物相以外の相は薄膜中に存在していないことが確認された。積層薄膜の表面および同条件で作製した各単層薄膜の表面を２次電子顕微鏡で観察したところ、表面は５０オングストロ―ム以下の精度で平坦であることが確認された。４端子法でＹ系超伝導体層２，４の抵抗の温度変化を測定したところ、いずれの層ともに８５Ｋ以上のＴｃを持つことが確認され、良質のＹ系超伝導体層が作製されていることがわかった。また、室温でのＹ系酸化物層間の抵抗値は充分に高く、Ｎｄ−Ｃｕ系酸化物層３がＹ系酸化物層間に均一に存在していることが確認された。また、Ｎｄ−Ｃｕ系酸化物の比抵抗は、Ａｌ等によるＣｕの一部置換およびＥｕ等によるＮｄの一部置換により、置換無しの場合に比べて２倍以上高くすることができた。
【００１７】以上のように良質なＹ系超伝導積層薄膜が多元蒸着法で作製できたが、Ｎｄ−Ｃｕ系酸化物層３を堆積中に限って基板温度を約７００℃に高めると、Ｎｄ−Ｃｕ系酸化物の結晶性が向上し、また比抵抗も高くなり、より良質な積層薄膜を作製することができた。なおこのＮｄ−Ｃｕ系酸化物層を堆積する際の基板温度は５００〜７５０℃の範囲内であれば他の温度でも差し支えない。なお、本実施例ではオゾン発生装置を用いてオゾンを含んだ酸素ガスを基板に吹き付け、薄膜を酸化したが、酸素ガスを高周波（ＲＦ）やマイクロ波で活性化させ、薄膜の酸化を行っても同じように良質の超伝導積層薄膜を作製することができる。
【００１８】
【発明の効果】以上、詳細に説明したように、本発明によるＹ系超伝導積層薄膜は、相互拡散やＹ系超伝導薄膜の結晶配向性の乱れ等のない良質なもので、Ｙ系超伝導体の超伝導電子素子への応用上効果が大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるＹ系超伝導積層薄膜の概略断面図である。
【図２】本発明による実施例で使用した多元蒸着装置の一例の概略構成図である。
【符号の説明】
１，４２ 基板 ２，４ Ｙ系超伝導体層
３ Ｎｄ−Ｃｕ系酸化物層 １１ 真空槽
１２ 真空排気系
１３，１４，１５，１６，１７，１８ 電子線加熱装置
１９，２０，２１，２２，２３，２４ 蒸着材料
２５，２６，２７，２８，２９，３０ シャッタ
３１，３２，３３，３４，３５，３６ 蒸発速度計
３７ ヒ−タ ３８ 基板回転機構
３９ オゾン発生装置 ４０ テフロン製チュ−ブ
４１ 石英管 ４３ 基板シャッタ
【特許請求の範囲】
【請求項１】 ＹａＢａｂＣｕｃＯｘなる式で表され、ａは０．５≦ａ≦１．５、ｂは１．５≦ｂ≦２．５、ｃは２．５≦ｃ≦３．５、ｘは６．５≦ｘ≦７．０である組成の超伝導酸化物層により、ＮｄｄＣｕｅＯｙなる式で表され、ｄは１．５≦ｄ≦２．５，ｅは０．５≦ｅ≦１．５，ｙは３．５≦ｙ≦４．５である組成の非超伝導酸化物よりなる中間層の両側を挟んだ構造を持つことを特徴とする超伝導積層薄膜。
【請求項２】 ＹａＢａｂＣｕｃＯｘなる式で表され、ａは０．５≦ａ≦１．５、ｂは１．５≦ｂ≦２．５、ｃは２．５≦ｃ≦３．５、ｘは６．５≦ｘ≦７．０である組成の超伝導酸化物層により、Ｎｄｆ（Ｃｕｌ−ＲＭＲ）Ｏｚなる式（ＭはＡｌ、Ｆｅ、Ｚｎ、Ｎｉ、Ｐｔの中の少なくとも一種）で表され、Ｒは０＜Ｒ≦０．１、ｆは１．９≦ｆ≦２．２，ｇは０．８≦ｇ≦１．１、ｚは３．５≦ｚ≦４．５である組成の非超伝導酸化物よりなる中間層の両側を挟んだ構造を持つことを特徴とする超伝導積層薄膜。
【請求項３】 ＹａＢａｂＣｕｃＯｘなる式で表され、ａは０．５≦ａ≦１．５、ｂは１．５≦ｂ≦２．５、ｃは２．５≦ｃ≦３．５、ｘは６．５≦ｘ≦７．０である組成の超伝導酸化物層により、（Ｎｄ１−ＳＬｓ）ｈＣｕｉＯｗなる式（ＬはＥｕ、Ｇｄ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｙの中の少なくとも一種）で表され、Ｓは０＜Ｓ≦０．２、ｈは１．８≦ｈ≦２．４，ｉは０．６≦ｉ≦１．２、ｗは３．５≦ｗ≦４．５である組成の非超伝導酸化物よりなる中間層の両側を挟んだ構造を持つことを特徴とする超伝導積層薄膜。
【請求項１】 ＹａＢａｂＣｕｃＯｘなる式で表され、ａは０．５≦ａ≦１．５、ｂは１．５≦ｂ≦２．５、ｃは２．５≦ｃ≦３．５、ｘは６．５≦ｘ≦７．０である組成の超伝導酸化物層により、ＮｄｄＣｕｅＯｙなる式で表され、ｄは１．５≦ｄ≦２．５，ｅは０．５≦ｅ≦１．５，ｙは３．５≦ｙ≦４．５である組成の非超伝導酸化物よりなる中間層の両側を挟んだ構造を持つことを特徴とする超伝導積層薄膜。
【請求項２】 ＹａＢａｂＣｕｃＯｘなる式で表され、ａは０．５≦ａ≦１．５、ｂは１．５≦ｂ≦２．５、ｃは２．５≦ｃ≦３．５、ｘは６．５≦ｘ≦７．０である組成の超伝導酸化物層により、Ｎｄｆ（Ｃｕｌ−ＲＭＲ）Ｏｚなる式（ＭはＡｌ、Ｆｅ、Ｚｎ、Ｎｉ、Ｐｔの中の少なくとも一種）で表され、Ｒは０＜Ｒ≦０．１、ｆは１．９≦ｆ≦２．２，ｇは０．８≦ｇ≦１．１、ｚは３．５≦ｚ≦４．５である組成の非超伝導酸化物よりなる中間層の両側を挟んだ構造を持つことを特徴とする超伝導積層薄膜。
【請求項３】 ＹａＢａｂＣｕｃＯｘなる式で表され、ａは０．５≦ａ≦１．５、ｂは１．５≦ｂ≦２．５、ｃは２．５≦ｃ≦３．５、ｘは６．５≦ｘ≦７．０である組成の超伝導酸化物層により、（Ｎｄ１−ＳＬｓ）ｈＣｕｉＯｗなる式（ＬはＥｕ、Ｇｄ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｙの中の少なくとも一種）で表され、Ｓは０＜Ｓ≦０．２、ｈは１．８≦ｈ≦２．４，ｉは０．６≦ｉ≦１．２、ｗは３．５≦ｗ≦４．５である組成の非超伝導酸化物よりなる中間層の両側を挟んだ構造を持つことを特徴とする超伝導積層薄膜。
【図１】
【図２】
【図２】
【特許番号】特許第３００１２７３号（Ｐ３００１２７３）
【登録日】平成１１年１１月１２日（１９９９．１１．１２）
【発行日】平成１２年１月２４日（２０００．１．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願平３−２９０２７
【出願日】平成３年１月３１日（１９９１．１．３１）
【公開番号】特開平４−２４３９１６
【公開日】平成４年９月１日（１９９２．９．１）
【審査請求日】平成７年１０月９日（１９９５．１０．９）
【審判番号】平１１−９１４
【審判請求日】平成１１年１月１４日（１９９９．１．１４）
【出願人】（０００００４２３７）日本電気株式会社 (19,353)
【合議体】
【参考文献】
【文献】特開 昭６３−３１０７９６（ＪＰ，Ａ）
【登録日】平成１１年１１月１２日（１９９９．１１．１２）
【発行日】平成１２年１月２４日（２０００．１．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成３年１月３１日（１９９１．１．３１）
【公開番号】特開平４−２４３９１６
【公開日】平成４年９月１日（１９９２．９．１）
【審査請求日】平成７年１０月９日（１９９５．１０．９）
【審判番号】平１１−９１４
【審判請求日】平成１１年１月１４日（１９９９．１．１４）
【出願人】（０００００４２３７）日本電気株式会社 (19,353)
【合議体】
【参考文献】
【文献】特開 昭６３−３１０７９６（ＪＰ，Ａ）
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