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明細書 :結晶軸の面内回転高臨界電流超伝導配線

発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 特許公報(B2)
特許番号 特許第4523249号 (P4523249)
公開番号 特開2005-079351 (P2005-079351A)
登録日 平成22年6月4日(2010.6.4)
発行日 平成22年8月11日(2010.8.11)
公開日 平成17年3月24日(2005.3.24)
発明の名称または考案の名称 結晶軸の面内回転高臨界電流超伝導配線
国際特許分類 H01L  39/24        (2006.01)
H01B  12/06        (2006.01)
H01B  13/00        (2006.01)
H01L  39/06        (2006.01)
FI H01L 39/24 B
H01B 12/06 ZAA
H01B 13/00 565D
H01L 39/06
請求項の数または発明の数 10
全頁数 13
出願番号 特願2003-308021 (P2003-308021)
出願日 平成15年8月29日(2003.8.29)
審査請求日 平成18年7月20日(2006.7.20)
特許権者または実用新案権者 【識別番号】503360115
【氏名又は名称】独立行政法人科学技術振興機構
【識別番号】000173809
【氏名又は名称】財団法人電力中央研究所
発明者または考案者 【氏名】向田 昌志
【氏名】松本 要
【氏名】吉田 隆
【氏名】一瀬 中
【氏名】堀井 滋
個別代理人の代理人 【識別番号】100077481、【弁理士】、【氏名又は名称】谷 義一
【識別番号】100077481、【弁理士】、【氏名又は名称】谷 義一
【識別番号】100088915、【弁理士】、【氏名又は名称】阿部 和夫
審査官 【審査官】後谷 陽一
参考文献・文献 特開平04-154604(JP,A)
特開平05-013831(JP,A)
調査した分野 H01L 39/00~39/24
H01B 12/00~13/00
特許請求の範囲 【請求項1】
基板と、
基板上に設けられ、LnBaCu(式中、Lnは、Yあるいはランタニド元素の中で左記構造が超伝導体となる元素を表し、6.5<x<7.1である)なる組成を有して電流を流す超伝導膜と
を含み、
前記超伝導膜は、c軸が基板表面に垂直に配向しており、かつ第1の面内配向を有する第1配向部分と、c軸が基板表面に垂直に配向しており、かつ第1の面内配向とは異なる第2の面内配向を有する第2配向部分とを有し、
前記第2配向部分は、前記電流の流れる方向に沿って延在する複数の部分から構成され、該複数の部分の側面は前記基板に対して垂直であることを特徴とする超伝導配線。
【請求項2】
前記第1配向部分の面内配向方位と前記第2配向部分の面内配向方位との差が35°以上45゜以下であることを特徴とする請求項1に記載の超伝導配線。
【請求項3】
前記基板と前記超伝導膜の前記第2配向部分との間に第1バッファ層が設けられていることを特徴とする請求項1に記載の超伝導配線。
【請求項4】
前記基板がMgO、および他の基板にMgO層を積層したものからなる群から選択されることを特徴とする請求項1に記載の超伝導配線。
【請求項5】
基板と、
前記基板上に設けられた複数の部分からなる第2バッファ層と、
前記基板および前記第2バッファ層を覆って設けられた第3バッファ層と
前記第3バッファ層の上に設けられ、LnBaCu(式中、Lnは、Yあるいはランタニド元素の中で左記構造が超伝導体となる元素を表し、6.5<x<7.1である)なる組成を有して電流を流す超伝導膜と
を含み、
前記超伝導膜は、c軸が基板表面に垂直に配向しており、かつ第1の面内配向を有する第1配向部分と、前記第2バッファ層の上方に位置し、c軸が基板表面に垂直に配向しており、かつ第1の面内配向とは異なる第2の面内配向を有する第2配向部分とを有し、
前記第2配向部分は、前記電流の流れる方向に沿って延在する複数の部分から構成され、該複数の部分の側面は前記基板に対して垂直であることを特徴とする超伝導配線。
【請求項6】
前記第1配向部分の面内配向方位と前記第2配向部分の面内配向方位との差が35°以上45゜以下であることを特徴とする請求項5に記載の超伝導配線。
【請求項7】
前記基板がMgO;R面サファイア;A面サファイア;および他の基板にMgO層、R面サファイア層、もしくはA面サファイア層を積層したものからなる群から選択されることを特徴とする請求項5に記載の超伝導配線。
【請求項8】
基板と、
前記基板を覆って設けられた第4バッファ層と
前記第4バッファ層上に設けられた複数の部分からなる第2バッファ層と、
前記第2バッファ層および第4バッファ層の上に設けられ、LnBaCu(式中、Lnは、Yあるいはランタニド元素の中で左記構造が超伝導体となる元素を表し、6.5<x<7.1である)なる組成を有して電流を流す超伝導膜と
を含み、
前記超伝導膜は、c軸が基板表面に垂直に配向しており、かつ第1の面内配向を有する第1配向部分と、前記第2バッファ層の上方に位置し、c軸が基板表面に垂直に配向しており、かつ第1の面内配向とは異なる第2の面内配向を有する第2配向部分とを有し、
前記第2配向部分は、前記電流の流れる方向に沿って延在する複数の部分から構成され、該複数の部分の側面は前記基板に対して垂直であることを特徴とする超伝導配線。
【請求項9】
前記第1配向部分の面内配向方位と前記第2配向部分の面内配向方位との差が35°以上45゜以下であることを特徴とする請求項8に記載の超伝導配線。
【請求項10】
前記基板がMgO;R面サファイア;A面サファイア;および他の基板にMgO層、R面サファイア層、もしくはA面サファイア層を積層したものからなる群から選択されることを特徴とする請求項8に記載の超伝導配線。
発明の詳細な説明 【技術分野】
【0001】
本技術は酸化物超伝導膜の高臨界電流密度化に関する。
【背景技術】
【0002】
超電導体に下部臨界磁場Hcl以上の磁場がかかると量子化磁束(φ=2.07×10-15Wb)が形成され超電導体中に侵入し、この状態で電流を流すと量子化磁束にローレンツ力が働き、これらが動き出すと電圧が発生して超電導状態が壊れることが知られている。
【0003】
超電導体、たとえば酸化物高温超電導体LnBaCu(Lnはランタニド元素を表す)からなる超電導膜中の欠陥、たとえば酸素欠損、微細な不純物などの点状欠陥、転位などの線状欠陥、結晶粒界などの面状欠陥は、前記量子化磁束の移動を制限するピン止めセンターとして作用することが知られており、LnBaCu膜では前記結晶欠陥が膜面に垂直に、すなわち、LnBaCu結晶のc-軸に平行に入っているとき、磁場が膜面に垂直に印加された場合に臨界電流密度Jが向上する。
【0004】
LnBaCu成膜時の成膜条件を種々変えることにより自然に導入される転位の単位面積当りの密度が10/μm~100/μmであったこと、膜が基板上で成長する過程で微細析出物が存在すると、そこで膜成長の連続性が崩れ、結晶欠陥、転位、結晶粒界などが生じること、およびLnBaCu膜の臨界電流密度Jが膜中の転位密度とともに増大することが報告されている(非特許文献1参照)。このことは転位が量子化磁束のピン止めセンターとして作用することを教示するが、成膜時に成膜条件を変えるだけで自然に導入される転位の密度を制御することは極めて困難である。
【0005】
一方、結晶粒界はピン止めセンターとしても作用するが、超電導電流の障壁としても作用することが知られている。LnBaCuなどの高温超電導膜では傾角の大きな結晶粒界におけるJは大変小さいが、傾角の小さな結晶粒界では大きなJが維持されるので小傾角粒界は転位列とみなすことができる。転位は絶縁体であるので、転位の間隔が大きい小傾角粒界では転移間に強い超電導部分が存在し電流が流れるが、結晶粒界の傾角が大きくなって転移の歪みが重なりだすと電流が流れ難くなる。これらの結晶粒界面が超電導膜の膜面に垂直であれば、極めて有効なピン止めセンターになる。しかしながら、一般には結晶粒界はランダムに存在するため結晶粒界の傾角を制御することによってJを制御するのは極めて難しい。
【0006】
超電導バルクマグネットでは、LnBaCuに高融点材料であるLnBaCuOを微細に粉砕して混合し、LnBaCuOを融解させない条件で超伝導体を作製することにより、LnBaCu中にピン止めセンターを導入している(非特許文献2参照)。一方、蒸着法によってLnBaCu膜を形成する場合、膜内の一部のみの組成が異なり、他の部分は超電導体組成であるLn:Ba:Cu比率を1:2:3に維持することは極めて困難である。たとえば、膜内の一部に高融点材料であるLnBaCuOを導入するように、成膜材料の組成を超電導YBCO組成からずらすと、膜全体の組成が膜内の一部にLnBaCuOが導入されることはなく、膜全体の組成が超電導体組成からずれてしまい超電導特性が劣化する。
【0007】

【非特許文献1】D. Shi et al., Supercond. Sci. Technol., vol.3, no.9, pp457-463, 1990
【非特許文献2】T. Mochida et al., Physica C, vol.366, no.4, pp229-237, 2002
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
前述のように、超電導膜の表面に垂直な結晶粒界面が超電導膜の電流の流れる方向に沿って存在すれば、ピン止めセンターとして最も有効と考えられている。しかしながら、蒸着法によって超電導膜を形成する際に、該超伝導膜中にピン止めセンターとして作用し得る転移、結晶粒界、結晶欠陥を制御して導入することは極めて困難である。特に超電導膜のマトリックス部分の組成を維持しながら、組成の全く異なる材料を膜内に分散させることは、実質的に不可能である。
【0009】
したがって、超電導膜中に電流通電方向に沿って存在する人工ピン止めセンターが導入された超伝導配線、および該超伝導配線を形成する方法が求められている。
【課題を解決するための手段】
【0010】
本発明の第1の実施形態の超伝導配線は、基板と、基板上に設けられ、LnBaCu(式中、Lnは、Yあるいはランタニド元素の中で左記構造が超伝導体となる元素を表し、6.5<x<7.1である)なる組成を有して電流を流す超伝導膜とを含み、前記超伝導膜は、c軸が基板表面に垂直に配向しており、かつ第1の面内配向を有する第1配向部分と、c軸が基板表面に垂直に配向しており、かつ第1の面内配向とは異なる第2の面内配向を有する第2配向部分とを有し、前記第2配向部分は、前記電流の流れる方向に沿って延在する複数の部分から構成され、該複数の部分の側面は前記基板に対して垂直であることを特徴とする。前記第1配向部分の面内配向方位と前記第2配向部分の面内配向方位との差が35°以上45゜以下であることが望ましい。また、前記基板と前記超伝導膜の前記第2配向部分との間に第1バッファ層が設けられていてもよい。前記基板は、MgO、または他の基板にMgO層を積層したものであってもよい。
【0011】
本発明の第2の実施形態の超伝導配線は、基板と、前記基板上に設けられた複数の部分からなる第2バッファ層と、前記基板および前記第2バッファ層を覆って設けられた第3バッファ層と、前記第3バッファ層の上に設けられ、LnBaCu(式中、Lnは、Yあるいはランタニド元素の中で左記構造が超伝導体となる元素を表し、6.5<x<7.1である)なる組成を有して電流を流す超伝導膜とを含み、前記超伝導膜は、c軸が基板表面に垂直に配向しており、かつ第1の面内配向を有する第1配向部分と、前記第2バッファ層の上方に位置し、c軸が基板表面に垂直に配向しており、かつ第1の面内配向とは異なる第2の面内配向を有する第2配向部分とを有し、前記第2配向部分は、前記電流の流れる方向に沿って延在する複数の部分から構成され、該複数の部分の側面は前記基板に対して垂直であることを特徴とする。前記第1配向部分の面内配向方位と前記第2配向部分の面内配向方位との差が35°以上45゜以下であることが望ましい。また、前記基板と前記超伝導膜の前記第2配向部分との間に第1バッファ層が設けられていてもよい。前記基板は、MgO;R面サファイア;A面サファイア;あるいは、他の基板にMgO層、R面サファイア層、もしくはA面サファイア層を積層したものであってもよい。
【0012】
本発明の第3の実施形態の超伝導配線は、基板と、前記基板を覆って設けられた第4バッファ層と、前記第4バッファ層上に設けられた複数の部分からなる第2バッファ層と、前記第2バッファ層および第4バッファ層の上に設けられ、LnBaCu(式中、Lnは、Yあるいはランタニド元素の中で左記構造が超伝導体となる元素を表し、6.5<x<7.1である)なる組成を有して電流を流す超伝導膜とを含み、前記超伝導膜は、c軸が基板表面に垂直に配向しており、かつ第1の面内配向を有する第1配向部分と、前記第2バッファ層の上方に位置し、c軸が基板表面に垂直に配向しており、かつ第1の面内配向とは異なる第2の面内配向を有する第2配向部分とを有し、前記第2配向部分は、前記電流の流れる方向に沿って延在する複数の部分から構成され、該複数の部分の側面は前記基板に対して垂直であることを特徴とする。前記第1配向部分の面内配向方位と前記第2配向部分の面内配向方位との差が35°以上45゜以下であることが望ましい。また、前記基板と前記超伝導膜の前記第2配向部分との間に第1バッファ層が設けられていてもよい。前記基板は、MgO;R面サファイア;A面サファイア;あるいは、他の基板にMgO層、R面サファイア層、もしくはA面サファイア層を積層したものであってもよい。
【発明の効果】
【0013】
本発明の超伝導配線においては,超伝導膜が異なる面内配向を有する部分から構成され、異なる面内配向を有する部分の間の界面が人工的に導入される。する。該界面は電流通電方向に沿って配列されるので、電流を流した時に発生するローレンツ力により量子化磁束が電流に垂直方向に移動することを阻止するピン止めセンターとして機能し、量子化磁束を移動させることなく従来よりも大きな電流を流すことを可能とする。すなわち、換言すれば、本発明の超伝導配線は、従来よりもゼロ抵抗で流せる電流密度を向上させることができるという効果を奏するものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【0014】
本発明においては、酸化物超伝導体の異方性を利用して、同一組成の酸化物超伝導体間にピン止めセンターを作製する。すなわち、酸化物超伝導体の対称性が結晶方位により異なるという異方性を用いて、酸化物超伝導体の対称性の急激な変化を起こす界面をピン止めセンターに用いるものである。具体的には、酸化物超伝導体のab-面内の対称性の変化を用いる。酸化物超伝導体LnBaCuのab-面内は超伝導の対称性がdx2-y2となっており、45°の方向にノードがある。そのため、ある超伝導体のa-もしくはb-軸方向と他の超伝導体の<110>方向の界面では45°の位相回転を余儀なくされ、その界面では大きな超伝導体の対称性の壁が形成される。本発明は、この対称性の壁をピン止めセンターとする構造を与えるものである。
【0015】
本発明の第1の実施形態の超伝導配線を図1に示す。図1の超伝導配線は、基板1の上に、電流通電方向8に沿って延在する複数の第1バッファ層2と、超伝導膜は、基板1に接触している第1配向部分7と、第1バッファ層2の上に設けられた第2配向部分6とで構成されている。第1配向部分7および第2配向部分6の両方において、超伝導体のc-軸は、基板1の表面に対して垂直に配向している。しかし、第1配向部分7および第2配向部分6は、それぞれ第1の面内配向および第2の面内配向を有し、第1の面内配向と第2の面内配向とは異なる面内配向方位を有する。本明細書における面内配向方位とは、超伝導体の<110>方向を意味する。第1の面内配向および第2の面内配向の配向方位は、35゜以上45゜以下、好ましくは40゜以上45゜以下の差を有する。
【0016】
本発明の超伝導膜を形成するのに用いることができる超伝導体材料は、化学式LnBaCuを有する酸化物超伝導体であり、式中、LnはYまたは前記化学式を超伝導体とするランタニド元素を表し、6.5<x<7.1である。好ましい酸化物超伝導体は、YBaCuである。また、LnBaCu以外のBi系(BiSrCan-1Cuなど),Tl系(TlSrCaCu、TlSrCan-1Cuなど),Hg系(HgSrCan-1Cuなど)の酸化物超伝導体においても、同様に面内配向を35°以上45゜以下回転させるバッファ層があれば,同じ効果が得られることはいうまでもない。
【0017】
基板1は、超伝導体材料のc-軸を基板面に対して垂直に配向させ、かつ<110>軸を特定の方向(第1面内配向)に配向させることができる材料から形成される。望ましい基板材料は、MgOである。あるいはまた、他の基板(酸化物基板、窒化物基板、半導体基板、純Ni、Ni-Cr、Ni-WなどのNi基合金基板、純Cu、Cu-NiなどのCu基合金基板、またはFe-Si、ステンレスなどのFe基合金基板など)の上にMgO層を積層したものを基板1として用いてもよい。
【0018】
第1バッファ層2は、基板1上に形成された際に、超伝導体材料のc-軸を基板面に対して垂直に配向させ、かつ<110>軸を第1面内配向とは異なる特定の方向(第2面内配向)に配向させること、すなわち面内配向を回転させることができる材料から形成される。第1バッファ層2として用いることができる材料は、CeO、ZrO等のような蛍石構造を有する材料、またはGdZr等のようなパイロクロア構造を有する材料を含む。第1バッファ層2が0.4nm以上、好ましくは10nmの膜厚を有することにより、その上に形成される超伝導膜の面内配向を制御することが可能となる。
【0019】
本実施形態において、基板1と第1バッファ層2とは、その上に配向される超伝導体材料の面内配向を、35゜以上45゜以下、好ましくは40゜以上45゜以下の面内配向方位差を有するように制御できる組合せで用いることが重要である。基板1/第1バッファ層2の好ましい組合せは、MgO/CeO、MgO/ZrOを含む。
【0020】
第1バッファ層2は、PLD(パルスレーザ蒸着法)、蒸着法、スパッタ法、CVD(化学気相蒸着法)、MBE(分子ビームエピタキシー法)または金属有機物堆積法(MOD)を用いて、材料を基板上にエピタキシャル成長させることにより形成することができる。第1バッファ層2を、電流通電方向8に沿って延在する複数の部分に分割するためには、ナノリソグラフィ法、積層時にマスクを用いる方法、またはリフトオフ法などを用いることができる。第1バッファ層の分割された複数の部分のそれぞれの幅(電流通電方向8に直交する方向の寸法)は、印加される磁界の磁束密度Bにおける量子化磁束格子定数a(a=1.07×(φ/B)1/2の式で計算される)以下であることが望ましい。第1バッファ層2の複数に分割された部分それぞれの幅は通常100nm以下、好ましくは5nm~50nmであることが望ましい。さらに、第1バッファ層の隣接する2つの部分の間隔もまた、印加される磁界の磁束密度Bにおける量子化磁束格子定数a以下であることが望ましい。第1バッファ層の隣接する2つの部分の間隔は、通常100nm以下、好ましくは5nm~50nmであることが望ましい。
【0021】
そして、複数の部分に分割された第1バッファ層2を形成した基板1の上に、PLD、蒸着法、スパッタ法、CVD、MBEまたはMODを用いて超伝導体材料を積層することにより、第1配向部分7および第2配向部分6で構成される超伝導体膜を形成する。本実施形態においては、第2配向部分6が電流通電方向8に沿って延在する複数の部分からなる第1バッファ層上に設けられるため、第1配向部分7もまた、電流通電方向8に沿って延在する複数の部分に分割される(図2を参照されたい)。したがって、第1配向部分7と第2配向部分との界面9は、電流通電方向8に平行である。本発明においては、界面9が電流通電方向に対して垂直でなければ、その構造は超伝導配線として機能し得る。なお、本発明において、第1配向部分7および第2配向部分6の面内配向方位は、前述の面内配向方位差を有することを条件として、任意の方向であってもよい。
【0022】
超伝導膜の第1配向部分7および第2配向部分6は、いずれもそのc-軸が基板表面に対して垂直に配向しており、基板表面に平行にab-面(いわゆる、超伝導面である)が存在する。したがって、方向8に沿って流れる電流は、第1配向部分7および第2配向部分6のab-面内を流れることが可能であるので、その電流密度を向上させることができる。そして、界面9では、その面内配向が大きく異なり、波動関数の対称性に大きな差が生じている。したがって、電流通電時に超伝導膜内の量子化磁束が電流通電方向8と直交する方向にローレンツ力を受けたとしても、界面9を越えて移動することができない。すなわち界面9が、量子化磁束の移動に対する有効なピン止めセンターとして機能し、臨界電流密度Jcを上昇させることを可能とする。
【0023】
本発明の第2の実施形態の超伝導配線を、図3に示す。図3の超伝導配線は、基板1上に、電流通電方向8に沿って延在する複数の部分からなる第2バッファ層3と、基板1および第2バッファ層を覆って存在する第3バッファ層4と、第3バッファ層4の上に設けられた超伝導膜とを有する。超伝導膜は、第2バッファ層3の上方に位置し、第2の面内配向を有する第2配向部分6と、基板1と第3バッファ層4とが直接接触している部分の上方に位置し、第1の面内配向を有する第1配向部分7とで構成される。本実施形態においても、第1の面内配向の配向方位と、第2の面内配向の配向方位との差は、35゜以上45゜以下、好ましくは40゜以上45゜以下であることが望ましい。
【0024】
基板1の材料としては、MgO、R面サファイアおよびA面サファイアを用いることができる。あるいはまた、他の基板(酸化物基板、窒化物基板、半導体基板、純Ni、Ni-Cr、Ni-WなどのNi基合金基板、純Cu、Cu-NiなどのCu基合金基板、またはFe-Si、ステンレスなどのFe基合金基板など)の上にMgO層、R面サファイア層、またはA面サファイア層を積層したものを基板1として用いてもよい。
【0025】
第2バッファ層3は、その上に第3バッファ層4が形成された際に、超伝導体材料のc-軸を基板面に対して垂直に配向させ、かつ<110>軸を特定の方向(第2面内配向)に配向させること、すなわち面内配向を回転させることができる材料から形成される。第2バッファ層3として用いることができる材料は、II-IV族ペロブスカイト構造を有するBaSnO、BaZrO、SrSnO、SrTiO、SrZrO、BaTiOを含む。第2バッファ層3が0.4nm以上、好ましくは10nmの膜厚を有することにより、その上に形成される超伝導膜の面内配向を制御することが可能となる。
【0026】
第2バッファ層3は、PLD(パルスレーザ蒸着法)、蒸着法、スパッタ法、CVD(化学気相蒸着法)またはMBE(分子ビームエピタキシー法)を用いて、材料を基板1上に積層することにより形成することができる。第2バッファ層3を、電流通電方向8に沿って延在する複数の部分に分割するためには、ナノリソグラフィ法、積層時にマスクを用いる方法、またはリフトオフ法などを用いることができる。第2バッファ層の分割された複数の部分のそれぞれの幅(電流通電方向8に直交する方向の寸法)は、印加される磁界の磁束密度Bにおける量子化磁束格子定数a以下であることが望ましい。第2バッファ層3の複数に分割された部分それぞれの幅は通常100nm以下、好ましくは5nm~50nmであることが望ましい。さらに、第2バッファ層の隣接する2つの部分の間隔もまた、印加される磁界の磁束密度Bにおける量子化磁束格子定数a以下であることが望ましい。第2バッファ層の隣接する2つの部分の間隔は、通常100nm以下、好ましくは5nm~50nmであることが望ましい。
【0027】
第3バッファ層4は、超伝導膜を形成する超伝導体材料との相互拡散を起こすことがなく、超伝導膜を構成する超伝導体材料のc-軸を基板面に対して垂直方向に配向させることができ、かつその下に基板1が存在するか、第2バッファ層3が存在するかによって、上に形成される超伝導膜材料の面内配向方位を変化させることができる材料から形成される。基板1と第3バッファ層4とが直接接触している部分においては、超伝導体材料の<110>軸は特定の方向(第1面内配向)に配向される。そして、第3バッファ層4を設けることによって、基板1の材料とLnBaCu等の超伝導体材料との相互拡散を防止することができる。第3バッファ層4は、基板1および第2バッファ層3を覆うように、前面に均一に形成される。第3バッファ層4として用いることができる材料は、CeO、ZrO等のような蛍石構造を有する材料、またはGdZr等のようなパイロクロア構造を有する材料を含む。第3バッファ層4が0.4nm以上、好ましくは10nmの膜厚を有することにより、下にある層の種類によって、その上に形成される超伝導膜の面内配向を制御することが可能となる。
【0028】
本実施形態において、基板1、第2バッファ層3、および第3バッファ層4は、その上に配向される超伝導体の面内配向を、35゜以上45゜以下、好ましくは40゜以上45゜以下の面内配向方位差を有するように制御できる組合せで用いることが重要である。第2バッファ層3/第2バッファ層4の好ましい組合せは、BaSnO/CeO、BaZrO/CeO、SrSnO/CeO、SrTiO/CeO、SrZrO/CeO、BaTiO/ZrOを含む。
【0029】
そして、第3バッファ層4の上に、PLD、蒸着法、スパッタ法、CVD、MBEまたはMOBを用いて超伝導体材料を積層することにより、第1配向部分7および第2配向部分6で構成される超伝導体膜を形成する。本実施形態においては、第2配向部分6が電流通電方向8に沿って延在する複数の部分からなる第2バッファ層の上方に設けられるため、第1配向部分7もまた、電流通電方向8に沿って延在する複数の部分に分割される。したがって、本実施形態の超伝導膜は、第1の実施形態の超伝導膜と同様の形状を有する(図2を参照されたい)。本実施形態においても、第1配向部分7および第2配向部分6の面内配向方位は、前述の面内配向方位差を有することを条件として、任意の方向であってもよい。
【0030】
本実施形態においても、電流通電方向8に沿って流れる電流は、第1配向部分7および第2配向部分6のab-面内を流れることが可能であるので、その電流密度を向上させることができる。そして、第1配向部分7と第2配向部分6との界面9が、量子化磁束の移動に対する有効なピン止めセンターとして機能し、臨界電流密度Jcを上昇させることを可能とする。
【0031】
本発明の第3の実施形態の超伝導配線を、図4に示す。図4の超伝導配線は、基板1上に、電流通電方向8に沿って延在する複数の部分からなる第2バッファ層3と、電流通電方向8に沿って延在する複数の部分からなる第3バッファ層4と、第3バッファ層4および第2バッファ層3の上に設けられた超伝導膜とを有する。本実施形態は、第3バッファ層4を基板1および第2バッファ層3の全面を覆うように設けるのではなく、第2バッファ層3の2つの隣接する部分の間のみに設けるという点において、第2の実施形態と異なるものである。したがって、本実施形態において、第3バッファ層4は複数の部分から構成され、該部分のそれぞれは第2バッファ層3の2つの隣接する部分に挟持されている。超伝導膜は、第2バッファ層3上の第2の面内配向を有する第2配向部分6と、第3バッファ層4上の第1の面内配向を有する第1配向部分7とで構成される。本実施形態においても、第1の面内配向の配向方位と、第2の面内配向の配向方位との差は、35゜以上45゜以下、好ましくは40゜以上45゜以下であることが望ましい。
【0032】
基板1の材料としては、第2の実施形態と同様に、MgO、R面サファイアおよびA面サファイアを用いることができる。あるいはまた、他の基板(酸化物基板、窒化物基板、半導体基板、純Ni、Ni-Cr、Ni-WなどのNi基合金基板、純Cu、Cu-NiなどのCu基合金基板、またはFe-Si、ステンレスなどのFe基合金基板など)の上にMgO層、R面サファイア層、またはA面サファイア層を積層したものを基板1として用いてもよい。
【0033】
本実施形態の第2バッファ層3は、本実施形態の第2バッファ層3は、第2の実施形態同様に、ペロブスカイト構造を有するBaSnO、BaZrO、SrSnO、SrTiO、SrZrO、BaTiOから形成される。第2バッファ層3は、電流通電方向8に沿って延在する複数の部分で構成される。第2バッファ層3の2つの隣接する部分は、第3バッファ層4の構成部分により離隔される。第2バッファ層3を構成する複数の部分のそれぞれは、印加される磁界の磁束密度Bにおける量子化磁束格子定数a以下であることが望ましい。それぞれの部分の幅は、通常100nm以下、好ましくは5nm~50nmであることが望ましい。さらに、第2バッファ層3の隣接する2つの部分の間隔(すなわち第3バッファ層4を構成する部分のそれぞれの幅に相当する)もまた、印加される磁界の磁束密度Bにおける量子化磁束格子定数a以下であることが望ましい。第2バッファ層の隣接する2つの部分の間隔は、通常100nm以下、好ましくは5nm~50nmであることが望ましい。
【0034】
第3バッファ層4は、超伝導膜を形成するLnBaCu等の超伝導体材料との相互拡散を起こすことがなく、その上に形成される超伝導体材料のc-軸を基板面に対して垂直方向に配向させることができ、かつその該超伝導膜材料を第1の面内配向方位に配向させることができる材料から形成される。第3バッファ層4は、電流通電方向8に沿って延在する複数の部分で構成され、第3バッファ層4の2つの隣接する部分は、第2バッファ層3の構成部分の1つにより離隔される。前述のように、第2バッファ層3を構成する複数の部分のそれぞれの幅および隣接する2つの部分の間隔は、印加される磁界の磁束密度Bにおける量子化磁束格子定数a以下であることが望ましい。それぞれの部分の幅は、通常100nm以下、好ましくは5nm~50nmであることが望ましい。第3バッファ層4の隣接する2つの部分の間隔は、通常100nm以下、好ましくは5nm~50nmであることが望ましい。第3バッファ層4として用いることができる材料は、CeO、ZrO等のような蛍石構造を有する材料、またはGdZr等のようなパイロクロア構造を有する材料を含む。第3バッファ層4が0.4nm以上、好ましくは10nmの膜厚を有することにより、その上に形成される超伝導膜の面内配向を制御することが可能となる。
【0035】
本実施形態において、第2バッファ層3と第3バッファ層4とは、その上に配向される超伝導体の面内配向を、35゜以上45゜以下、好ましくは40゜以上45゜以下の面内配向方位差を有するように制御できる組合せで用いることが重要である。第2バッファ層3/第2バッファ層4の好ましい組合せは、BaSnO/CeO、BaZrO/CeO、SrSnO/CeO、SrTiO/CeO、SrZrO/CeO、BaTiO/ZrOを含む。
【0036】
本実施形態における第2バッファ層3および第3バッファ層4は、例えば以下のように形成することができる。最初に基板1上の全面に第3バッファ層4を形成する。次にフォトレジストを塗布し、所望の形状の第3バッファ層4を与えるように露光、現像を行い、エッチングマスクを形成する。そして、該エッチングマスクを用いて、第3バッファ層4をエッチングし、基板1の表面を露出させる。次に、前述のエッチングマスクをリフトオフレジストとして用いて、第2バッファ層3を形成する。最後に、エッチングマスクおよびその上に形成された第2バッファ層3を除去することによって、それぞれ複数の部分からなり、かつ交互に配列された第2バッファ層3および第3バッファ層4が得られる。適用可能な加工条件が存在するならば、最初に第2バッファ層3を積層し、次に第3バッファ層4をリフトオフしてもよい。ここで、エッチングは、ウェットエッチング、RIE、プラズマエッチングなど当該技術において知られている任意の手段を用いて実施することができる。
【0037】
そして、第2バッファ層3および第3バッファ層4の上に、PLD、蒸着法、スパッタ法、CVD、MBEまたはMOBを用いて超伝導体材料を積層することにより、第1配向部分7および第2配向部分6で構成される超伝導体膜を形成する。本実施形態においては、第2配向部分6が電流通電方向8に沿って延在する複数の部分からなる第2バッファ層3の上方に設けられるため、第1配向部分7もまた、電流通電方向8に沿って延在する複数の部分に分割される。したがって、本実施形態の超伝導膜は、第1の実施形態の超伝導膜と同様の形状を有する(図2を参照されたい)。本実施形態においても、第1配向部分7および第2配向部分6の面内配向方位は、前述の面内配向方位差を有することを条件として、任意の方向であってもよい。
【0038】
本実施形態においても、電流通電方向8に沿って流れる電流は、第1配向部分7および第2配向部分6のab-面内を流れることが可能であるので、その電流密度を向上させることができる。そして、第1配向部分7と第2配向部分6との界面9が、量子化磁束の移動に対する有効なピン止めセンターとして機能し、臨界電流密度Jcを上昇させることを可能とする。
【0039】
上記の第1~第3の実施形態においては、超伝導膜の第2配向部分6が電流通電方向8に連続している例について説明したが、図5に示すように第2配向部分6が不連続であってもよい。この場合には、電流通電方向8において隣接する2つの第2配向部分の間隔が、印加される磁界の磁束密度Bにおける量子化磁束格子定数a以下であることが望ましい。通常の場合には、電流通電方向8において隣接する2つの第2配向部分の間隔は、500nm以下、好ましくは15nm~300nm、より好ましくは20nm~200nmであることが望ましい。このような間隔とすることによって、該不連続部分を通して量子化磁束が移動することを防止して、臨界電流密度Jcを向上させることが可能となる。
【0040】
なお、このような不連続の第2配向部分6を形成するためには、第1の実施形態においては第1バッファ層2を、所望される不連続形状に相当する形状に形成すればよい。また、第2の実施形態においては第2バッファ層3を、所望される不連続形状に相当する形状に形成すればよい。第3の実施形態においては、最初に積層するバッファ層を、所望される不連続形状に相当する形状に形成すればよい。
【0041】
さらに、上記第1~第3の実施形態においては、基板1の前面に超伝導膜を形成する例について説明したが、第1配向部分および第2配向部分を有する超伝導膜を基板上の一部分のみに形成して超伝導配線を形成してもよい。さらに、図6に示すように、直角に屈曲した超伝導配線を形成することもできるし、図7に示すように、曲線に屈曲した超伝導配線を形成することもできる。これらの屈曲した配線においても、その超伝導膜が電流通電方向に沿って配列される複数の部分からなる第1および第2配向部分を有するので、臨界電流密度の低下を招くことはない。
【実施例1】
【0042】
MgO基板1上に,750℃の温度においてCeOを蒸着させ、膜厚10nmの第1バッファ層2を基板全面に形成した。次にレジストを塗布し、1つの方向に延在する幅100nmの複数の部分からなるパターンを形成した。隣接する2つの部分の間隔は、100nmとした。そして、前述の複数の部分からなるレジストをマスクとしてエッチングを行い、レジストが覆っていない部分の第1バッファ層2を除去した。レジストを除去した後に、700℃の温度において、ErBaCuを蒸着して、膜厚500nmの超伝導膜を形成して、図1に示す超伝導配線を得た。基板1に直接接触して形成された超伝導膜は、基板の格子に沿って蒸着されて第1配向部分7となり、第1バッファ層2の上に位置する超伝導膜は異なる面内配向を有する第2配向部分6となった。第1配向部分7と第2配向部分6との面内配向方位差は45゜であった。
【実施例2】
【0043】
R面サファイア基板1上に,750℃の温度においてBaSnOを蒸着させ、膜厚10nmの第2バッファ層3を基板全面に形成した。次にレジストを塗布し、1つの方向に延在する幅100nmの複数の部分からなるパターンを形成した。隣接する2つの部分の間隔は、100nmとした。そして、前述の複数の部分からなるレジストをマスクとしてエッチングを行い、レジストが覆っていない部分の第2バッファ層3を除去した。レジストを除去した後に、750℃の温度においてCeOを蒸着させ、膜厚10nmの第3バッファ層4を基板1および第2バッファ層3を覆うように形成した。次いで、700℃の温度において、ErBaCuを蒸着して、膜厚500nmの超伝導膜を形成して、図2に示す超伝導配線を得た。基板1/第3バッファ層4の積層構造を有する部分に形成された超伝導膜は第1配向部分7となり、基板1/第2バッファ層3/第3バッファ層4の積層構造を有する部分に形成された超伝導膜は、異なる面内配向を有する第2配向部分6となった。第1配向部分7と第2配向部分6との面内配向方位差は45゜であった。
【実施例3】
【0044】
R面サファイア基板1上に,750℃の温度においてCeOを蒸着させ、膜厚10nmの第3バッファ層4を基板全面に形成した。次にレジストを塗布し、1つの方向に延在する幅100nmの複数の部分からなるパターンを形成した。隣接する2つの部分の間隔は、100nmとした。そして、前述の複数の部分からなるレジストをマスクとしてエッチングを行い、レジストが覆っていない部分の第4バッファ層4を除去した。次に、750℃の温度において膜厚10nmのBaSnOを蒸着させた。最後に、レジストおよびレジスト上部に形成されたBaSnO膜を除去して、複数の部分からなる第2バッファ層3を形成した。第2バッファ層3および第3バッファ層4は交互に配列され、それらのそれぞれの部分は100nmの幅を有した。
【0045】
次に、700℃の温度において、ErBaCuを蒸着して、膜厚500nmの超伝導膜を形成して、図3に示す超伝導配線を得た。基板1/第3バッファ層4の積層構造を有する部分に形成された超伝導膜は第1配向部分7となり、基板1/第2バッファ層3の積層構造を有する部分に形成された超伝導膜は異なる面内配向を有する第2配向部分6となった。第1配向部分7と第2配向部分6との面内配向方位差は45゜であった。
【図面の簡単な説明】
【0046】
【図1】本発明の第1の実施形態の超伝導配線を示す斜視断面図である。
【図2】本発明の第1の実施形態の超伝導配線を示す上面図である。
【図3】本発明の第2の実施形態の超伝導配線を示す斜視断面図である。
【図4】本発明の第3の実施形態の超伝導配線を示す斜視断面図である。
【図5】不連続の第2配向部分を含む超伝導配線を示す上面図である。
【図6】直角に屈曲した超伝導配線を示す上面図である。
【図7】曲線に沿って屈曲した超伝導配線を示す上面図である。
【符号の説明】
【0047】
1 基板
2 第1バッファ層
3 第2バッファ層
4 第3バッファ層
6 超伝導膜の第2配向部分
7 超伝導膜の第1配向部分
8 電流通電方向
9 第1配向部分と第2配向部分との界面
図面
【図1】
0
【図2】
1
【図3】
2
【図4】
3
【図5】
4
【図6】
5
【図7】
6