JP4771632B2

JP4771632B2 - 高温超伝導体膜の形成方法

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Publication number: JP4771632B2
Application number: JP2001315681A
Authority: JP
Inventors: 章彦赤瀬川; 一典山中; 輝中西
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2001-10-12
Filing date: 2001-10-12
Publication date: 2011-09-14
Anticipated expiration: 2021-10-12
Also published as: JP2003124534A; US20030073584A1; US6690957B2

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高温超伝導体膜及びその形成方法並びにその高温超伝導体膜を用いた超伝導素子に係り、特に、Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系の高温超伝導体膜及びその形成方法並びにその高温超伝導体膜を用いた超電導素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
酸化物高温超伝導体は、銅などの電気良導体と比較して高周波における表面抵抗が極めて小さいことが知られている。例えば、Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系の高温超伝導体膜（以下、「ＹＢＣＯ系高温超伝導体膜」ともいう。）では、例えば２ＧＨｚにおいて、銅より２桁以上小さい表面抵抗が得られる。
【０００３】
このため、ＹＢＣＯ系高温超伝導体膜を回路パターンとして用いて、挿入損失が小さく、かつ周波数遮断特性が急峻な高無負荷Ｑの超伝導フィルタを提供することが期待されている。なお、無負荷Ｑ値とは、損失の逆数のことである。
【０００４】
挿入損失が小さく、かつ周波数遮断特性が急峻な高無負荷Ｑの超伝導フィルタを、移動体通信の基地局の通信機器に用いれば、周波数利用効率の向上を図ることが可能となる（参考文献：応用物理、70 [1] (2001) 野島俊雄、佐藤圭）。
【０００５】
従来のＹＢＣＯ系高温超伝導体膜の形成方法を図６を用いて説明する。図６（ａ）は、従来のＹＢＣＯ系高温超伝導体膜を示す断面図（その１）である。図６（ｂ）は、従来のＹＢＣＯ系高温超伝導体膜を示す断面図（その２）である。
【０００６】
まず、パルスレーザ蒸着（Pulsed Laser Deposition、ＰＬＤ）装置の成膜室内に、例えばＭｇＯ単結晶より成る誘電体基板１１０を載置する。
【０００７】
次に、パルスレーザ蒸着法により、誘電体基板１１０上の全面に、ＹＢＣＯ系高温超伝導体膜１１２を成長する。ターゲットとしては、ＹＢＣＯ系高温超伝導体膜の化学量論的組成（Ｙ：Ｂａ：Ｃｕ＝１：２：３）にできる限り近い組成のターゲット、具体的には、例えばＹ₁Ｂａ₂Ｃｕ₃Ｏ_Xより成る焼結体を用いる。
【０００８】
このようにしてＹＢＣＯ系高温超伝導体膜１１２を成長すると、誘電体基板１１０の面に対してｃ軸方向、即ち結晶格子の長軸方向に配向されたＹＢＣＯ系高温超伝導体膜１１２が形成される。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のＹＢＣＯ系高温超伝導体膜１１２は、膜質が良好ではなかった。即ち、図６（ａ）に示す従来のＹＢＣＯ系高温超伝導体膜１１２では、膜内に、結晶欠陥（結晶転位）１１３や結晶歪み（図示せず）等が生じてしまっていた。また、図６（ｂ）に示す従来のＹＢＣＯ系高温超伝導体膜１１２では、膜内に、Ｙ₂Ｏ₃やＹ₂Ｂａ₁Ｃｕ₁Ｏ₅等のＹ（イットリウム）酸化物１１５が生成されてしまっており、Ｙ酸化物１１５の近傍に孔隙（Pore）１１７が発生してしまっていた。
【００１０】
超伝導体フィルタの回路パターンは、高温超伝導体膜を所定の形状にパターニングすることにより形成される。このため、図６に示すような高温超伝導体膜１１２をパターニングして回路パターンを構成した場合には、回路パターンの側面に、結晶欠陥１１３や凹凸が現れたり、Ｙ酸化物１１２等の非超伝導相が現れたりしてしまう。高温超伝導体膜を用いてフィルタの回路パターンを構成した場合、高周波信号は回路パターンの側面を伝わる傾向がある。このため、回路パターンの側面に、結晶欠陥１１３や凹凸が現れていたり、Ｙ酸化物１１２等の非超伝導相が現れていたりすると、高周波における表面抵抗が大きくなってしまう。
【００１１】
従って、図６（ａ）や図６（ｂ）に示すような従来のＹＢＣＯ系高温超伝導体膜１１２を用いて回路パターンを構成した場合には、挿入損失が小さく、かつ周波数遮断特性が急峻な高無負荷Ｑの超伝導フィルタを得ることは困難であった。
【００１２】
本発明の目的は、膜質の良好なＹＢＣＯ系の高温超伝導体膜及びその製造方法、並びにそのＹＢＣＯ系の高温超伝導体膜を用いた良好な電気的特性を有する超伝導素子を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、ＭｇＯより成る誘電体基板上に、Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系の高温超伝導体膜を成長する工程を有し、前記高温超伝導体膜を成長する工程では、前記誘電体基板の温度を７００℃とし、膜の上面近傍におけるＢａに対するＣｕの組成比を、膜の内部におけるＢａに対するＣｕの組成比より大きく保ちつつ、７ｎｍ／ｍｉｎ以下の成膜速度で、成長時において前記膜の内部が化学量論的組成である前記高温超伝導体膜を前記誘電体基板上に直接成長することを特徴とする高温超伝導体膜の形成方法により達成される。
【００１６】
【発明の実施の形態】
［本発明の原理］
パルスレーザ蒸着法やスパッタ法等により、誘電体基板上にＹＢＣＯ系高温超伝導体膜を成長すると、ＹＢＣＯ系高温超伝導体膜の成長過程でＹ₂Ｏ₃、Ｙ₂Ｂａ₁Ｃｕ₁Ｏ₅等のＹ酸化物が生成されたり、ＣｕＯやＢａＣｕＯ₂などのＣｕ酸化物が生成される。
【００１７】
Ｙ酸化物は、ＹＢＣＯ系高温超伝導体膜の膜中に残留しやすい性質を有している。また、Ｙ酸化物の成長速度は、ＹＢＣＯ結晶の成長速度より遅い。このため、ＹＢＣＯ系高温超伝導体膜の成長中にＹ酸化物が成長した場合、Ｙ酸化物が生成された部分の上方に孔隙（Pore）等が生じてしまう。従って、ＹＢＣＯ系高温超伝導体膜の成長中にＹ酸化物が成長すると、良好な膜質のＹＢＣＯ系高温超伝導体膜を得ることが困難となる。
【００１８】
一方、Ｃｕ酸化物は、ＹＢＣＯ系高温超伝導体膜の成長中に膜中に残留しにくく、膜の表面に析出されやすい性質を有している。従って、ＹＢＣＯ系高温超伝導体膜の成長中にＣｕ酸化物が生成されたとしても、Ｃｕ酸化物の生成に起因して膜中に孔隙（Pore）や結晶歪が生じてしまうことはない。むしろ、Ｃｕ酸化物は、ＹＢＣＯ系高温超伝導体膜の結晶成長を促すフラックスとして作用する。
【００１９】
本願発明者らは、鋭意検討した結果、膜の表面近傍において化学量論的組成に対してＣｕ組成を大きく保ちつつ、ＹＢＣＯ系高温超伝導体膜を成長することに想到した。膜の表面近傍において化学量論的組成に対してＣｕ組成を大きく保ちつつＹＢＣＯ系高温超伝導体膜を成長すれば、Ｃｕ酸化物が生成されやすくなる一方、Ｙ酸化物は生成されにくくなる。Ｃｕ酸化物は、上述したように、ＹＢＣＯ系高温超伝導体膜の結晶成長を促すフラックスとして作用するため、結晶欠陥や結晶歪のない、ほぼ単結晶状態の良質なＹＢＣＯ系高温超伝導体膜の形成に寄与し得る。しかも、Ｃｕ酸化物は、上述したように、ＹＢＣＯ系高温超伝導体膜の表面に析出されやすい性質を有しているため、膜中の組成が化学量論的組成からずれてしまうこともない。
【００２０】
従って、膜の表面近傍において化学量論的組成に対してＣｕ組成を大きく保ちつつ、ＹＢＣＯ系高温超伝導体膜を成長すれば、良好な膜質を有するほぼ単結晶状態のＹＢＣＯ系高温超伝導体膜を提供することが可能となる。
【００２１】
なお、ＹＢＣＯ系高温超伝導体膜は、所定の形状にパターニングされて、例えば超伝導フィルタの回路パターン等として用いられる。高周波信号は回路パターンの側面を伝わる傾向があるため、ＹＢＣＯ系高温超伝導体膜の上面にＣｕ酸化物が析出されていても、特段の問題はない。
【００２２】
［第１実施形態］
本発明の第１実施形態によるＹＢＣＯ系高温超伝導体膜及びその形成方法を図１を用いて説明する。図１は、本実施形態によるＹＢＣＯ系高温超伝導体膜を示す断面図である。図２は、本実施形態によるＹＢＣＯ系高温超伝導体膜の形成方法を示す工程断面図である。
【００２３】
まず、本実施形態によるＹＢＣＯ系高温超伝導体膜を図１を用いて説明する。
【００２４】
図１に示すように、例えばＭｇＯ単結晶より成る誘電体基板１０上には、例えば膜厚０．９μｍのＹＢＣＯ系高温超伝導体膜１２が形成されている。ＹＢＣＯ系高温超伝導体膜１２の表面近傍を除く部分、即ち上面近傍を除く部分の組成は、化学量論的組成であるＹ₁Ｂａ₂Ｃｕ₃Ｏ_Xにほぼ等しい組成になっている。Ｂａに対するＣｕの組成比は、ほぼ１．５になっている。
【００２５】
なお、ここでは、ＹＢＣＯ系高温超伝導体膜１２の膜厚を０．９μｍとしたが、ＹＢＣＯ系高温超伝導体膜１２の膜厚は、０．９μｍに限定されるものではない。ＹＢＣＯ系高温超伝導体膜１２を、例えばフィルタの回路パターンとして用いる場合には、例えば０．５〜１．２μｍの範囲で適宜膜厚を設定すればよい。
【００２６】
ＹＢＣＯ系高温超伝導体膜１２の表面近傍では、ＹＢＣＯ系高温超伝導体の化学量論的組成（Ｙ：Ｂａ：Ｃｕ＝１：２：３）に対してＣｕ組成が大きくなっている。具体的には、ＹＢＣＯ系高温超伝導体膜１２の表面近傍では、Ｂａ組成に対するＣｕ組成が、例えば１．５１以上となっている。
【００２７】
なお、後述するように、膜の表面近傍におけるＢａ組成に対するＣｕ組成を例えば１．５５以上に保ちつつＹＢＣＯ系高温超伝導体膜１２を成長すれば、Ｃｕ酸化物がより生成されやすくなる一方、Ｙ酸化物がより生成されにくくなる。従って、ＹＢＣＯ系高温超伝導体膜１２の表面近傍におけるＢａ組成に対するＣｕ組成が、例えば１．５５以上となっていれば、より良好な膜質のＹＢＣＯ系高温超伝導体膜１２が得られていることとなる。
【００２８】
また、ＹＢＣＯ系高温超伝導体の化学量論的組成に対してＣｕ組成が大きくなっている部分の厚さは、ＹＢＣＯ系高温超伝導体膜１２の膜厚の例えば３０％以下となっている。
【００２９】
ＹＢＣＯ系高温超伝導体膜１２の表面には、ＣｕＯ又はＢａＣｕＯ₂等のＣｕ酸化物１４が析出されている。Ｃｕ酸化物１４の径は、例えば２μｍ以下になっている。Ｃｕ酸化物１４の析出量は、膜厚１μｍ当たり例えば３×１０⁷個／ｃｍ²以上となっている。
【００３０】
こうして、本実施形態によるＹＢＣＯ系高温超伝導体膜が構成されている。
【００３１】
（ＹＢＣＯ系高温超伝導体膜の形成方法）
次に、本実施形態によるＹＢＣＯ系高温超伝導体膜の形成方法を図２を用いて説明する。図２は、本実施形態によるＹＢＣＯ系高温超伝導体膜の形成方法を示す工程断面図である。
【００３２】
まず、図２（ａ）に示すように、例えばパルスレーザ蒸着装置の成膜室内に、ＭｇＯ単結晶より成る誘電体基板１０を載置する。ＹＢＣＯ系高温超伝導体膜１２が成長される誘電体基板１０の面は、例えば（１００）面とする。
【００３３】
次に、図２（ｂ）に示すように、全面に、例えばパルスレーザ蒸着法により、膜厚が例えば０．９μｍになるまで、ＹＢＣＯ系高温超伝導体膜１２を成長する。この際、ＹＢＣＯ系高温超伝導体膜１２の表面近傍において化学量論的組成に対してＣｕ組成を大きく保ちつつ、ＹＢＣＯ系高温超伝導体膜１２を成長する。例えば、膜の表面近傍においてＢａ組成に対するＣｕ組成を１．５１以上に保ちつつ、ＹＢＣＯ系高温超伝導体膜１２を成長する。表面近傍においてＢａ組成に対するＣｕ組成を１．５１以上に保ちつつＹＢＣＯ系高温超伝導体膜１２を成長すれば、ＹＢＣＯ系高温超伝導体膜１２の表面にＣｕ酸化物１４が生成されやすくなる一方、Ｙ酸化物の生成が抑制される。Ｃｕ酸化物はＹＢＣＯ系高温超伝導体膜１２の結晶成長を促進するフラックスとして作用し、孔隙の発生や結晶歪みの発生を抑制する。Ｃｕ酸化物は、膜の外側に析出される性質を有しているため、ＹＢＣＯ系高温超伝導体膜１２の膜中にＣｕ酸化物１４が残留してしまうことはない。ＹＢＣＯ系高温超伝導体膜１２の表面近傍を除く部分の膜中の組成は、化学量論的組成であるＹ₁Ｂａ₂Ｃｕ₃Ｏ_Xとなる。
【００３４】
ＹＢＣＯ系高温超伝導体膜１２を成長する際に用いるターゲットとしては、ＹＢＣＯ系高温超伝導体膜１２の化学量論的組成であるＹ₁Ｂａ₂Ｃｕ₃Ｏ_XよりＣｕ組成が大きいターゲットを用いる。具体的には、例えばＹ₁Ｂａ₂Ｃｕ_3.6Ｏ_Xより成る焼結体のターゲットを用いる。化学量論的組成に対してＣｕ組成が大きいターゲットを用いてＹＢＣＯ系高温超伝導体膜１２を成長するため、ＹＢＣＯ系高温超伝導体膜１２の表面にＣｕ酸化物が生成されやすくなる一方、Ｙ酸化物の生成が抑制される。
【００３５】
なお、誘電体基板１０とターゲットとの間の距離は、例えば１０５ｍｍとする。基板温度は、例えば７００℃とする。基板温度を７００℃にするためには、例えばランプヒータを用いて、６０℃／ｍｉｎで７００℃まで上昇すればよい。成膜室内の酸素分圧は、例えば２４０ｍＴｏｒｒとする。ターゲットをアブレートするためのレーザとしては、例えばＫｒＦレーザを用いる。
【００３６】
また、ＹＢＣＯ系高温超伝導体膜１２を成長する際の成長速度は、例えば６ｎｍ／ｍｉｎとする。なお、ＹＢＣＯ系高温超伝導体膜１２の成長速度は６ｎｍ／ｍｉｎに限定されるものではない。比較的遅い速度で成長した方が良好な膜質のＹＢＣＯ系高温超伝導体膜１２を形成し得る傾向があるため、成長速度は例えば７ｎｍ／ｍｉｎ以下の範囲内で適宜設定することが望ましい。
【００３７】
また、ここでは、膜の表面近傍におけるＢａ組成に対するＣｕ組成を１．５１以上に保ちつつＹＢＣＯ系高温超伝導体膜１２を成長するとしたが、膜の表面近傍におけるＢａ組成に対するＣｕ組成は例えば１．５５以上にすることがより望ましい。膜表面近傍におけるＢａ組成に対するＣｕ組成を、例えば１．５５以上に保ちつつＹＢＣＯ系高温超伝導体膜１２を成長すれば、Ｃｕ酸化物１４の生成をより促進しつつ、Ｙ酸化物の生成をより抑制することができ、より膜質の良好なＹＢＣＯ系高温超伝導体膜１２を形成することができる。
【００３８】
ＹＢＣＯ系高温超伝導体膜１２を成膜する際における膜の表面近傍におけるＢａに対するＣｕの組成比が十分に大きくない場合には、Ｃｕ酸化物の生成が必ずしも十分に促進されず、Ｙ酸化物の生成が必ずしも十分に抑制されない場合もあり得る。この場合、膜の内部に孔隙が生じることもあり得るが、たとえ膜の内部に孔隙が生じたとしても、孔隙の径は０．０５μｍ以下、大きい場合でも０．１μｍ以下であり、少なくとも従来のＹＢＣＯ系高温超伝導体膜に生じていた孔隙よりは小さくなる。
【００３９】
この後、成膜室内の圧力が例えば２００Ｔｏｒｒになるまで酸素を導入し、誘電体基板１０を冷却する。
【００４０】
こうして、本実施形態によるＹＢＣＯ系高温超伝導体膜が形成される。
【００４１】
このように、本実施形態によれば、膜表面において化学量論的組成に対してＣｕ組成を大きく保ちつつＹＢＣＯ系高温超伝導体膜を生成するため、Ｃｕ酸化物が生成されやすくなる一方、Ｙ酸化物の生成が抑制される。本実施形態によれば、Ｙ酸化物が生成されにくいため、孔隙や結晶歪が発生しにくくなる一方、Ｃｕ酸化物が結晶成長を促すフラックスとして作用するため、良好な膜質のほぼ単結晶状態のＹＢＣＯ系高温超伝導体膜を形成することができる。
【００４２】
（評価結果）
次に、本実施形態によるＹＢＣＯ系高温超伝導体膜の評価結果を表１を用いて説明する。
【００４３】
【表１】

【００４４】
（ａ）表面析出量
まず、表面析出量、即ち、ＹＢＣＯ系高温超伝導体膜の表面に析出されたＣｕ酸化物の量について説明する。
【００４５】
表１に示すように、比較例、即ち、従来のＹＢＣＯ系高温超伝導体膜では、表面に析出されたＣｕ酸化物の数は、１．６×１０⁷個／ｃｍ²程度であった。
【００４６】
これに対し、実施例、即ち、本実施形態によるＹＢＣＯ系高温超伝導体膜では、表面に析出されたＣｕ酸化物の数は、３．２×１０⁷個／ｃｍ²程度となった。
【００４７】
このことから、本実施形態では、従来のＹＢＣＯ系高温超伝導体膜と比較して、膜表面に析出されるＣｕ酸化物の数が多くなっていることが分かる。
【００４８】
（ｂ）結晶粒のサイズ
次に、結晶粒のサイズ、即ち、ＹＢＣＯ系高温超伝導体膜を構成する結晶の粒径について説明する。
【００４９】
表１に示すように、比較例、即ち、従来のＹＢＣＯ系高温超伝導体膜では、結晶粒径は０．５μｍ程度であった。
【００５０】
これに対し、実施例、即ち、本実施形態によるＹＢＣＯ系高温超伝導体膜では、結晶粒径は３μｍ程度となっている。
【００５１】
このことから、本実施形態によれば、結晶粒径の大きな良好な膜質のＹＢＣＯ系高温超伝導体膜を形成し得ることが分かる。
【００５２】
（ｃ）表面抵抗値
次に、表面抵抗値について説明する。
【００５３】
まず、表面抵抗値の評価に用いられた超伝導共振器を図３を用いて説明する。図３は、評価に用いられた超伝導共振器を示す斜視図である。
【００５４】
図３に示すように、ＭｇＯ単結晶より成る厚さ０．５ｍｍの誘電体基板１０上には、膜厚０．９μｍ、幅０．５ｍｍのＹＢＣＯ系高温超伝導体膜より成るヘアピン型パターン１６が形成されている。ヘアピン型パターン１６の両側の誘電体基板１０上には、膜厚０．９μｍ、幅０．５ｍｍの酸化物高温超伝導体膜より成るフィーダラインパターン１８ａ、１８ｂが形成されている。フィーダラインパターン１８ａ、１８ｂの端部には、電極２０が形成されている。誘電体基板１０の下面には、ＹＢＣＯ系高温超伝導体膜より成るグランドプレーン２２が形成されている。こうして超伝導共振器２４が構成されている。
【００５５】
なお、表面抵抗値の測定条件は、共振周波数を約２ＧＨｚ、周囲温度を７０Ｋとした。
【００５６】
表１に示すように、比較例、即ち、従来のＹＢＣＯ系高温超伝導体膜を用いて超伝導共振器２４のヘアピン型パターン１６及びフィーダラインパターン１８ａ、１８ｂを構成した場合には、表面抵抗値は３３μΩ程度であった。
【００５７】
これに対し、実施例、即ち、本実施形態によるＹＢＣＯ系高温超伝導体膜を用いて超伝導共振器２４のヘアピン型パターン１６及びフィーダラインパターン１８ａ、１８ｂを構成した場合には、表面抵抗値は１９μΩ程度となった。
【００５８】
このことから、本実施形態によれば、表面抵抗値の小さくし得ることが分かる。
【００５９】
（ｄ）入力電力依存性
次に、入力電力依存性（Power Handling Capability）について説明する。
【００６０】
入力電力依存性とは、入力電力を増加したときに生じる高周波特性の変化の程度、一般的には高周波特性の劣化の程度のことをいい、共振器においては共振周波数が変化する。入力電力依存性が小さいほど入力電力の変化に影響を受けない安定した超伝導素子が得られる。
【００６１】
−３４．４ｄＢｍを基準電力とし、基準電力の入力信号を超伝導共振器２４に入力したときの共振周波数をｆ_B、基準電力より３．１４ｄＢｍ大きい入力信号を超伝導共振器２４に入力したときの共振周波数をｆ_Aとすると、入力電力依存性は、（ｆ_A−ｆ_B）／ｆ_Bで表される。
【００６２】
入力電力依存性の測定条件は、表面抵抗値の測定条件と同様に、共振周波数を約２ＧＨｚ、周囲温度を７０Ｋとした。
【００６３】
表１に示すように、比較例、即ち、従来のＹＢＣＯ系高温超伝導体膜を用いて超伝導共振器２４のヘアピン型パターン１６及びフィーダラインパターン１８ａ、１８ｂを構成した場合には、入力電力依存性は、−６．３５×１０^-5程度であった。
【００６４】
これに対し、実施例、即ち、本実施形態によるＹＢＣＯ系高温超伝導体膜を用いて超伝導共振器２４のヘアピン型パターン１６及びフィーダラインパターン１８ａ、１８ｂを構成した場合には、入力電力依存性は、−１．３２×１０^-5程度と小さくなっている。
【００６５】
このことから、本実施形態によれば、入力電力依存性の小さい安定した超電導素子を提供しうることが分かる。
【００６６】
（ｅ）透過電子顕微鏡写真
次に、ＹＢＣＯ系高温超伝導体膜の透過電子顕微鏡写真を図４を用いて説明する。図４は、ＹＢＣＯ系高温超伝導体膜の断面を示す透過電子顕微鏡写真である。図４（ａ）は、従来のＹＢＣＯ系高温超伝導体膜の断面を示す透過電子顕微鏡写真であり、図４（ｂ）は、本実施形態によるＹＢＣＯ系高温超伝導体膜の断面を示す透過電子顕微鏡写真である。
【００６７】
図４（ａ）に示すように、従来のＹＢＣＯ系高温超伝導体膜では、Ｙ酸化物１１５が生成されており、Ｙ酸化物１１５の近傍に孔隙１１７が生じている。
【００６８】
これに対し、図４（ｂ）に示すように、本実施形態によるＹＢＣＯ系高温超伝導体膜では、Ｙ酸化物が生成されておらず、孔隙も発生していない。
【００６９】
このことから、本実施形態によれば、極めて良好な膜質のほぼ単結晶状態のＹＢＣＯ系高温超伝導体膜が得られることが分かる。
【００７０】
［第２実施形態］
本発明の第２実施形態による超電導素子を図５を用いて説明する。図５は、本実施形態による超電導素子を示す斜視図である。図１乃至図４に示す第１実施形態による高温超伝導体膜及びその製造方法と同一の構成要素には、同一の符号を付して説明を省略または簡潔にする。
【００７１】
本実施形態による超伝導素子は、第１実施形態によるＹＢＣＯ系高温超伝導体膜が用いられた超伝導フィルタであることに主な特徴がある。
【００７２】
なお、本実施形態では、超伝導フィルタを例に説明するが、第１実施形態によるＹＢＣＯ系高温超伝導体膜は、超伝導フィルタのみならず、超伝導共振器や超伝導アンテナ等、あらゆる超伝導素子に用いることができる。
【００７３】
図５に示すように、誘電体基板１０上には、ＹＢＣＯ系高温超伝導体膜より成る１／２波長型のヘアピン型パターン２６ａ、２６ｂが交互に形成されている。ヘアピン型パターン２６ａとヘアピンパターン２６ｂは、全体として一列に配置されている。一列に配置されたヘアピン型パターン２６ａ、２６ｂの両側の誘電体基板１０上には、ＹＢＣＯ系高温超伝導体膜より成る１／４波長型のフィーダラインパターン２８ａ、２８ｂが形成されている。
【００７４】
ヘアピン型パターン２６ａ、２６ｂ及びフィーダラインパターン２８ａ、２８ｂは、第１実施形態によるＹＢＣＯ系高温超伝導体膜１２を、フォトリソグラフィ技術を用いてパターニングすることにより構成されている。ＹＢＣＯ系高温超伝導体膜１２は、ウエットエッチングによりパターニングすることができる。
【００７５】
フィーダラインパターン２８ａ、２８ｂの端部には、それぞれ電極３０が形成されている。
【００７６】
誘電体基板１０の下面には、ＹＢＣＯ系高温超伝導体膜より成るグランドプレーン２２が形成されている。
【００７７】
こうして、本実施形態による超電導素子が構成されている。
【００７８】
こうして構成された超電導素子は、金属製容器（図示せず）内に実装され、冷凍機（図示せず）により冷却されて用いられる。
【００７９】
［変形実施形態］
本発明は上記実施形態に限らず種々の変形が可能である。
【００８０】
例えば、上記実施形態では、誘電体基板１０の材料としてＭｇＯを用いたが、誘電体基板１０の材料はＭｇＯに限定されるものではなく、例えば、ＬａＡｌＯ₃やサファイアを用いてもよい。但し、誘電体基板の材料としてサファイアを用いる場合には、サファイアより成る誘電体基板上に、ＣｅＯ₂等より成る緩和層を形成し、緩和層上にＹＢＣＯ系高温超伝導体膜１２を形成することを要する。
【００８１】
また、第２実施形態では、第１実施形態によるＹＢＣＯ系高温超伝導体膜を用いて超伝導フィルタを構成する場合を例に説明したが、第１実施形態によるＹＢＣＯ系高温超伝導体膜は、上述したように、超伝導フィルタのみならず、超伝導共振器や超伝導アンテナ等あらゆる超電導素子に用いることができる。
【００８２】
また、上記実施形態では、パルスレーザ蒸着法によりＹＢＣＯ系高温超伝導体膜１２を成長する場合を例に説明したが、ＹＢＣＯ系高温超伝導体膜１２の成長方法はパルスレーザ蒸着法に限定されるものではなく、スパッタ法等他の成長方法を用いてもよい。
【００８３】
（付記１）誘電体基板上に形成されたＹ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系の高温超伝導体膜であって、膜の上面近傍におけるＢａに対するＣｕの組成比が、膜の内部におけるＢａに対するＣｕの組成比より大きくなっていることを特徴とする高温超伝導体膜。
【００８４】
（付記２）付記１記載の高温超伝導体膜において、前記膜の上面近傍におけるＢａに対するＣｕの組成比が、１．５１以上になっていることを特徴とする高温超伝導体膜。
【００８５】
（付記３）付記１記載の高温超伝導体膜において、前記膜の上面近傍におけるＢａに対するＣｕの組成比が、１．５５以上になっていることを特徴とする高温超伝導体膜。
【００８６】
（付記４）付記１乃至３のいずれかに記載の高温超伝導体膜において、前記膜の内部におけるＢａに対するＣｕの組成比が、ほぼ１．５になっていることを特徴とする高温超伝導体膜。
【００８７】
（付記５）付記１乃至４のいずれかに記載の高温超伝導体膜において、上面にＣｕ酸化物が析出されていることを特徴とする高温超伝導体膜。
【００８８】
（付記６）付記５記載の高温超伝導体膜において、前記Ｃｕ酸化物は、ＣｕＯ又はＢａＣｕＯ₂より成ることを特徴とする高温超伝導体膜。
【００８９】
（付記７）付記１乃至６のいずれかに記載の高温超伝導体膜において、前記Ｃｕ酸化物の径が２μｍ以下であることを特徴とする高温超伝導体膜。
【００９０】
（付記８）付記５乃至７のいずれかに記載の高温超伝導体膜において、膜厚１μｍ当たりの前記Ｃｕ酸化物の析出量が、３×１０⁷個／ｃｍ²以上であることを特徴とする高温超伝導体膜。
【００９１】
（付記９）付記１乃至８のいずれかに記載の高温超伝導体膜において、結晶粒径の平均が３μｍ以上であることを特徴とする高温超伝導体膜。
【００９２】
（付記１０）付記１乃至９のいずれかに記載の高温超伝導体膜において、ほぼ単結晶状態になっていることを特徴とする高温超伝導体膜。
【００９３】
（付記１１）付記１乃至１０のいずれかに記載の高温超伝導体膜において、前記膜の内部に存在する孔隙の径が、０．１μｍ以下であることを特徴とする高温超伝導体膜。
【００９４】
（付記１２）付記１乃至１１のいずれかに記載の高温超伝導体膜において、前記誘電体基板は、ＭｇＯ、ＬａＡｌＯ₃、又はサファイアより成ることを特徴とする高温超伝導体膜。
【００９５】
（付記１３）付記１乃至１２のいずれかに記載の高温超伝導体膜において、膜厚が０．５〜１．２μｍであることを特徴とする高温超伝導体膜。
【００９６】
（付記１４）付記１乃至１３のいずれかに記載の高温超伝導体膜において、Ｂａに対するＣｕの組成比が、前記膜の内部におけるＢａに対するＣｕの組成比より大きくなっている部分の厚さは、膜厚の３０％以下であることを特徴とする高温超伝導体膜。
【００９７】
（付記１５）誘電体基板上に、Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系の高温超伝導体膜を成長する工程を有し、前記高温超伝導体膜を成長する工程では、膜の上面近傍におけるＢａに対するＣｕの組成比を、膜の内部におけるＢａに対するＣｕの組成比より大きく保ちつつ、前記高温超伝導体膜を成長することを特徴とする高温超伝導体膜の形成方法。
【００９８】
（付記１６）付記１５記載の高温超伝導体膜の形成方法において、前記高温超伝導体膜を成長する工程では、前記膜の上面近傍におけるＢａに対するＣｕの組成比を１．５１以上に保ちつつ、前記高温超伝導体膜を成長することを特徴とする高温超伝導体膜の形成方法。
【００９９】
（付記１７）付記１５記載の高温超伝導体膜の形成方法において、前記高温超伝導体膜を成長する工程では、前記膜の上面近傍におけるＢａに対するＣｕの組成比を１．５５以上に保ちつつ、前記高温超伝導体膜を成長することを特徴とする高温超伝導体膜の形成方法。
【０１００】
（付記１８）付記１５乃至１７のいずれかに記載の高温超伝導体膜の形成方法において、前記高温超伝導体膜を成長する工程では、前記膜の内部におけるＢａに対するＣｕの組成比がほぼ１．５の前記高温超伝導体膜を成長することを特徴とする高温超伝導体膜の形成方法。
【０１０１】
（付記１９）付記１５乃至１８のいずれかに記載の高温超伝導体膜の形成方法において、前記高温超伝導体膜を成長する工程では、蒸着法又はスパッタ法により前記高温超伝導体膜を成長することを特徴とする高温超伝導体膜の形成方法。
【０１０２】
（付記２０）付記１５乃至１９のいずれかに記載の高温超伝導体膜の形成方法において、前記高温超伝導体膜を成長する工程では、７ｎｍ／ｍｉｎ以下の速度で前記高温超伝導体膜を成長することを特徴とする高温超伝導体膜の形成方法。
【０１０３】
（付記２１）誘電体基板上に形成されたＹ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系の高温超伝導体膜を有する超伝導素子であって、膜の上面近傍におけるＢａに対するＣｕの組成比が、膜の内部におけるＢａに対するＣｕの組成比より大きくなっていることを特徴とする超電導素子。
【０１０４】
（付記２２）付記２１記載の超電導素子において、前記膜の上面近傍におけるＢａに対するＣｕの組成比が、１．５１以上になっていることを特徴とする超電導素子。
【０１０５】
（付記２３）付記２１記載の超電導素子において、前記膜の上面近傍におけるＢａに対するＣｕの組成比が、１．５５以上になっていることを特徴とする超電導素子。
【０１０６】
（付記２４）付記２１乃至２３のいずれかに記載の超電導素子において、前記膜の内部に存在する孔隙の径が、０．１μｍ以下であることを特徴とする超電導素子。
【０１０７】
（付記２５）付記２１乃至２４のいずれかに記載の超電導素子において、前記膜の内部に存在する孔隙の径が、０．０５μｍ以下であることを特徴とする超電導素子。
【０１０８】
【発明の効果】
以上の通り、本発明によれば、膜表面において化学量論的組成に対してＣｕ組成を大きく保ちつつＹＢＣＯ系高温超伝導体膜を生成するため、Ｃｕ酸化物が生成されやすくなる一方、Ｙ酸化物の生成が抑制される。本発明によれば、Ｙ酸化物が生成されにくいため、孔隙や結晶歪が発生しにくくなる一方、Ｃｕ酸化物が結晶成長を促すフラックスとして作用するため、良好な膜質のほぼ単結晶状態のＹＢＣＯ系高温超伝導体膜を提供することができる。そして、本発明によれば、このような良好な膜質のＹＢＣＯ系高温超伝導体膜を用いて、良好な電気的特性を有する超伝導素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態によるＹＢＣＯ系高温超伝導体膜を示す断面図である。
【図２】本発明の第１実施形態によるＹＢＣＯ系高温超伝導体膜の形成方法を示す工程断面図である。
【図３】評価に用いられた超伝導共振器を示す斜視図である。
【図４】ＹＢＣＯ系高温超伝導体膜の断面を示す透過電子顕微鏡写真である。
【図５】本発明の第２実施形態による超電導素子を示す斜視図である。
【図６】従来のＹＢＣＯ系高温超伝導体膜を示す断面図である。
【符号の説明】
１０…誘電体基板
１２…ＹＢＣＯ系高温超伝導体膜
１４…Ｃｕ酸化物
１６…ヘアピン型パターン
１８ａ、１８ｂ…フィーダラインパターン
２０…電極
２２…グランドプレーン
２４…超伝導共振器
２６ａ、２６ｂ…ヘアピン型パターン
２８ａ、２８ｂ…フィーダラインパターン
３０…電極
１１０…誘電体基板
１１２…ＹＢＣＯ系高温超伝導体膜
１１３…結晶欠陥
１１５…Ｙ酸化物
１１７…孔隙

Claims

ＭｇＯより成る誘電体基板上に、Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系の高温超伝導体膜を成長する工程を有し、
前記高温超伝導体膜を成長する工程では、前記誘電体基板の温度を７００℃とし、膜の上面近傍におけるＢａに対するＣｕの組成比を、膜の内部におけるＢａに対するＣｕの組成比より大きく保ちつつ、７ｎｍ／ｍｉｎ以下の成膜速度で、成長時において前記膜の内部が化学量論的組成である前記高温超伝導体膜を前記誘電体基板上に直接成長する
ことを特徴とする高温超伝導体膜の形成方法。
請求項１記載の高温超伝導体膜の形成方法において、
前記高温超伝導体膜を成長する工程では、前記膜の上面近傍におけるＢａに対するＣｕの組成比を１．５１以上に保ちつつ、前記高温超伝導体膜を成長する
ことを特徴とする高温超伝導体膜の形成方法。