HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur
Herstellung einer dünnen Schicht aus oxidischem Supraleiter
durch eine Gasphasenmethode, wie beispielsweise
Laser-Ablation.
Beschreibung des Standes der Technik
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Bei einem typischen Beispiel eines Produktes, welches
aus einem oxidischen supraleitenden Material hergestellt
wird, wie zum Beispiel ein oxidischer Supraleiterdraht,
wird eine dünne Schicht aus oxidischem Supraleiter auf
einem geeigneten Substrat gebildet, so daß das oxidische
supraleitende Material durch das Substrat gehalten und in
eine gewünschte Anordnung geformt wird.
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Um eine solche dünne Schicht aus oxidischem Supraleiter
wie oben beschrieben auf einem Substrat zu bilden, wird
beispielsweise eine Gasphasenmethode angewendet.
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M.R. Beasley: proceedings of the IEEE 77 (1989), Nr. 8,
Seiten 1155 - 1163 offenbart ein Beispiel eines Verfahrens
zur Bildung einer dünnen Schicht eines
Hochtemperatursupraleiters aus Kupferoxidsupraleitern auf einem Substrat durch
eine Gasphasenmethode.
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Ein weiteres Verfahren ist bei J.H. Magerlein et al.
beschrieben: IBM Technical Disclosure Bulletin, Band 24,
Nr. 4, Seiten 1974 - 1975 (1981), welches eine Technik
vorschlägt, um Schichten mit gleichmäßigen feinen Körnern
unter Verwendung von lithographischen Verfahren
herzustellen.
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Unter verschiedenen Gasphasenmethoden ist die Laser-
Ablation besonders in den vergangenen Jahren mit Interesse
betrachtet worden, aufgrund ihrer Fähigkeit, bei einer
niedrigen Temperatur mit einer hohen Geschwindigkeit dünne
Schichten aus oxidischem Supraleiter zu bilden.
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Fig. 3 stellt ein Kristallgitter einer dünnen Schicht
aus oxidischem Supraleiter 2 dar, welche durch eine
Gasphasenmethode auf einem Substrat 1 gebildet wurde. Wie in
Figur 3 gezeigt, ist es relativ leicht, die c-Achsen in dem
Kristallgitter der dünnen Schicht aus dem oxidischen
Supraleiter 2 bezogen auf das Substrat 1 senkrecht zu
orientieren. Eine solche Orientierung der c-Achsen wird besonders
durch Laser-Ablation leicht erreicht.
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Auf der anderen Seite sind die Figuren 4 und 5
Draufsichten von oben, welche Kristallgitter der dünnen Schicht
aus dem oxidischen Supraleiter 2, welcher in Fig. 3 gezeigt
ist, darstellen.
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Was eine solche dünne Schicht aus oxidischem
Supraleiter 2 betrifft, ist es bekannt, daß Strom in den a-b-Ebenen
fließt, welche parallel zu der Oberfläche des Substrates 1
sind. Um ein Zuführen eines großen Stroms in die dünne
Schicht aus dem oxidischen Supraleiter 2 zu ermöglichen,
können daher die Richtungen der a-Achsen und der b-Achsen
wie in Fig. 4 gezeigt reguliert werden. Im allgemeinen sind
solche a-Achsen und b-Achsen, wie in Fig. 5 gezeigt,
beliebig geneigt.
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In Bezug auf eine solche dünne Schicht aus oxidischem
Supraleiter, wie sie in Fig. 5 gezeigt ist, wurde erkannt,
daß die kritische Stromdichte Jc in einem Nullfeld wie auch
die kritische Stromdichte Jc-B unter einem Magnetfeld
vermindert
werden, wenn die Neigung 3 zwischen den a-Achsen
von benachbarten Kristallgittern in einen Bereich von 0º
bis 45º vergrößert wird.
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Wenn das Substrat 1 aus einem polykristallinen Material
gebildet ist, werden die Richtungen der a-Achsen und der b-
Achsen leicht unregelmäßig angeordnet, verglichen mit jenen
eines Einkristallsubstrates. Darauf bezogen ist es
notwendig, ein längliches Substrat mit einer geeigneten
Flexibilität zu verwenden, um einen oxidischen supraleitenden
Draht durch Bilden einer dünnen Schicht aus oxidischem
Supraleiter auf einem solchen Substrat zu erhalten. Im
allgemeinen ist es schwierig, ein längliches flexibles
Substrat über ein Einkristallmaterial zur Verfügung zu
stellen. Um ein längliches flexibles Substrat zu erhalten,
muß im allgemeinen ein polykristallines Material verwendet
werden.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Demgemäß ist es eine Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung einer dünnen Schicht
aus oxidischem Supraleiter zur Verfügung zu stellen,
welches die Richtungen der a-Achsen und b-Achsen auf einem
polykristallinen Substrat auf ein Maximum regulieren kann,
wodurch eine hohe kritische Stromdichte erreicht wird.
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Die vorliegende Erfindung ist dadurch gekennzeichnet,
daß in einem Verfahren zur Herstellung einer dünnen Schicht
aus oxidischem Supraleiter durch Bilden einer solchen
dünnen Schicht aus oxidischem Supraleiter auf einem Substrat
durch eine Gasphasenmethode, das Substrat, wie es verwendet
wird, mit einer Vielzahl von Rillen in derselben Richtung
auf einer Oberfläche, auf welcher die dünne Schicht aus dem
oxidischen Supraleiter gebildet werden soll, versehen ist,
wobei der durchschnittliche Abstand von Rille zu Rille so
ausgewählt ist, daß er ≤ 10 um beträgt, um das oben
erwähnte technische Problem zu lösen.
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Die Verwendung eines Substrates mit parallelen Rillen,
um die Kristallkorngrenzen zu vermindern, ist für
metallische Leiter bekannt, wie in der JP-A-63-114144 offenbart
ist, wo eine Al-Schicht auf dem oben erwähnten Substrat
gebildet wird.
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Wenn ein längliches Substrat verwendet wird, werden die
Rillen vorzugsweise so gebildet, daß sie sich entlang der
Längsrichtung des Substrates ausdehnen.
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Vorzugsweise wird eine Laser-Ablation als die
Gasphasenmethode ausgewählt.
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Während es möglich ist, die Rillen durch Einkerben der
Oberfläche des Substrates mit einer Messerkante zu bilden,
werden solche Rillen vorzugsweise insbesondere durch
Photolithographie oder durch Anwendung von Strahlung gebildet.
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Wenn eine dünne Schicht aus oxidischem Supraleiter
gemäß der vorliegenden Erfindung auf einem solchen Substrat
gebildet wird, werden seine Kristalle parallel zu den
Rillen gezüchtet, wodurch die Richtungen der a-Achsen und c-
Achsen in einem gewissen Ausmaß reguliert werden.
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Somit ist es gemäß der vorliegenden Erfindung möglich,
die Richtungen der a-Achsen und b-Achsen in einem gewissen
Ausmaß zu regulieren, selbst wenn das Substrat aus einem
polykristallinen Material gebildet ist, wodurch der Strom,
welcher in den a-b-Ebenen fließt, vergrößert werden kann.
Daher ist es möglich, eine dünne Schicht aus oxidischem
Supraleiter zu erhalten, welche eine hohe kritische
Stromdichte Jc in einem Nullfeld wie auch eine hohe kritische
Stromdichte Jc-B unter einem Magnetfeld zeigt.
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Wenn ein längliches Substrat verwendet wird und die
Rillen so gebildet sind, daß sie sich entlang der
Längsrichtung eines solchen Substrates ausdehnen, ist es
möglich, einen oxidischen supraleitenden Draht zu erhalten,
der ausgezeichnete supraleitende Eigenschaften aufweist,
welcher eine dünne Schicht aus oxidischem Supraleiter,
welche auf dem länglichen Substrat gebildet ist, umfaßt.
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Es ist bevorzugt, die Rillen dicht in der schmalsten
möglichen Breite zu bilden. Daher wird ein
durchschnittlicher Abstand von Rille zu Rille so ausgewählt, daß er nicht
mehr als 10 um beträgt.
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Die Gasphasenmethode, welche zur Bildung der dünnen
Schicht aus oxidischem Supraleiter verwendet wird, wird
vorzugsweise durch Laser-Ablation durchgeführt. Gemäß einer
solchen Laser-Ablation wird nicht nur eine Orientierung der
c-Achsen leicht erreicht, sondern die Schicht kann mit
einer höheren Geschwindigkeit gebildet werden. Daher ist
es, wenn eine dünne Schicht aus oxidischem Supraleiter
kontinuierlich auf einem länglichen Substrat gebildet werden
muß, um beispielsweise einen oxidischen supraleitenden
Draht zu erhalten, möglich, die dünne Schicht aus dem
oxidischen Supraleiter vorteilhaft auf eine effiziente Weise
zu bilden.
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Wenn die Rillen durch Photolithographie oder Anwendung
von Strahlung gebildet werden, ist es möglich, scharfe
innere Winkel an den unteren Teilen der Rillen zu definieren.
Solche scharfen inneren Winkel fördern die Regulierung der
Richtungen der a-Achsen und der b-Achsen beim
Kristallwachstum der dünnen Schicht aus dem oxidischen Supraleiter.
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Diese und andere Aufgaben, Merkmale, Aspekte und
Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden
detaillierten Beschreibung der vorliegenden Erfindung
deutlicher
werden, wenn sie im Zusammenhang mit den
begleitenden Zeichnungen gesehen wird.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Fig. 1 ist eine vergrößerte Schnittansicht, welche
einen Wachstumszustand von Kristallkörnern 13 in einer dünnen
Schicht aus oxidischem Supraleiter 12, welche gemäß der
vorliegenden Erfindung auf einem Substrat 11 gebildet ist,
in einer modellhaften Weise zeigt;
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Fig. 2 ist eine Schnittansicht entlang der
Linie II - II in Fig. 1;
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Fig. 3 ist eine Schnittansicht, welche ein
Kristallgitter einer dünnen Schicht aus oxidischem Supraleiter 2
darstellt, welche auf einem Substrat 1 gebildet ist;
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Fig. 4 ist eine Draufsicht von oben, welche das
Kristallgitter der dünnen Schicht aus dem oxidischen
Supraleiter 2 darstellt, welche in Fig. 3 gezeigt ist; und
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Fig. 5 ist eine Draufsicht von oben, welche Fig. 4
entspricht, die typische Beispiele von benachbarten
Kristallgittern, deren a-Achsen und b-Achsen in einer a-b-Ebene
unregelmäßig angeordnet sind, darstellt.
BESCHREIBUNG VON EXPERIMENTELLEN BEISPIELEN
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Beispiele von dünnen Schichten aus oxidischem
Supraleiter, welche durch Laser-Ablation hergestellt wurden, werden
nun beschrieben. Das experimentelle Beispiel 2 ist gemäß
der vorliegenden Erfindung.
Experimentelles Beispiel 1
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Eine dünne Schicht aus oxidischem Supraleiter aus
Y&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-δ wurde durch Laser-Ablation auf einem Substrat
aus YSZ (mit Yttriumoxid stabilisiertes Zirconiumdioxid; Y:
6%) mit einer Partikelgröße von 0,1 um gebildet. Die
Bildungsbedingungen der Schicht waren wie folgt:
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Laser: KrF (248 nm)
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Energiedichte: 2,3 J/cm²
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Wiederholungsgeschwindigkeit: 5 Hz
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Sauerstoffdruck: 40 Pa (300 mTorr)
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Substrattemperatur: 750ºC
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Abstand von Target zum Substrat: 45 mm
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Schichtbildungsgeschwindigkeit: 3,3 nm/min (33 Å/min)
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Einfallswinkel des Laserstrahls: 45º
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Die Schicht wurde unter den obigen Bedingungen 4
Stunden lang gebildet. Die so gebildete dünne Schicht aus
oxidischem Supraleiter zeigte eine kritische Stromdichte von
3400 A/cm² in einem Null-Magnetfeld.
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Auf der anderen Seite wurden Rillen mit 10 bis 100 um
in der Breite und 10 bis 100 um in der Tiefe auf einem
ähnlichem Substrat mit einem durchschnittlichen Abstand von
Rille zu Rille von 100 um mit einem Diamantschneider zur
Verfügung gestellt, und eine dünne Schicht aus oxidischem
Supraleiter wurde unter denselben
Schichtbildungsbedingungen auf diesem Substrat gebildet. Diese Schicht zeigte eine
kritische Stromdichte von 15000 A/cm² in einem
Null-Magnetfeld.
Experimentelles Beispiel 2
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Rillen mit unterschiedlichen Größen und Richtungen
wurden durch Photolithographie oder Anwendung von Strahlung
auf länglichen Substraten gebildet. Dann wurden auf solchen
Substraten unter Schichtbildungsbedingungen, welche ähnlich
zu jenen im experimentellen Beispiel 1 waren, dünne
Schichten aus oxidischem Supraleiter gebildet. Die folgende
Tabelle zeigt Werte der kritischen Stromdichte Jc der so
gebildeten dünnen Schichten aus oxidischem Supraleiter in
Null-Magnetfeldern.
Verfahren der Rillenbildung
Richtung
Abstand
Breite
Tiefe
Reaktives Ionenätzen
Ionenstrahlätzen
längs
quer
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Es ist vorstellbar, daß in Bezug auf die Substrate,
welche mit den Rillen gemäß der vorliegenden Erfindung zur
Verfügung gestellt wurden, hohe kritische Stromdichte-Werte
aus den folgenden Gründen erhalten wurden:
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Fig. 1 ist eine vergrößerte Schnittansicht, welche
einen Wachstumszustand von Kristallkörnern 13 in einer dünnen
Schicht aus oxidischem Supraleiter 12, welche gemäß der
vorliegenden Erfindung auf einem Substrat 11 gebildet ist,
auf eine modellhafte Weise zeigt. Fig. 2 ist eine
Schnittansicht entlang der Linie II - II in Fig. 1.
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Auf einer Oberfläche des Substrates 11, auf welcher die
dünne Schicht aus oxidischem Supraleiter 12 gebildet werden
soll, wird eine Vielzahl von Rillen 14, in der Form von
Streifen, in derselben Richtung zur Verfügung gestellt.
Während solche Rillen 14 durch Einritzen der Oberfläche des
Substrates 11 mit einer Messerkante gebildet werden können,
ist es möglich, schärfere innere Winkelbereiche 15 durch
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Bilden der Rillen 14 durch Photolithographie oder durch
Anwendung von Strahlung zu definieren.
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Wenn die dünne Schicht aus oxidischem Supraleiter 12
auf einem solchen Substrat 11 gebildet wird, werden die
Kristallkörner 13 durch die Rillen 14 in einen Anfangs
zustand des Kristallwachstums gezwungen, um bezogen auf die
Rillen 14 ausgerichtet zu werden. Daher erreichen die
Richtungen der a-Achsen und der b-Achsen im wesentlichen jene
des idealen Kristallgitters, welches in Fig. 4 gezeigt ist.
Somit werden die Kristallkörner 13 danach entlang solcher
Anfangszustände gezüchtet, wodurch die dünne Schicht aus
oxidischem Supraleiter 12 ausgezeichnete
Kristallorientierungseigenschaften in den a-b-Ebenen zur Verfügung stellen
kann. Es ist vorstellbar, daß die Werte des Stromflußes in
den a-b-Ebenen somit in den oben erwähnten Proben erhöht
wurden, wodurch es möglich war, die kritischen
Stromdichtewerte wie vorstehend beschrieben zu vergrößern.