DE60319470T2

DE60319470T2 - Herstellungsverfahren für einen polykristallinen Dünnfilm und Herstellungsverfahren für ein Oxidsupraleiter-Bauelement

Info

Publication number: DE60319470T2
Application number: DE60319470T
Authority: DE
Inventors: Yasuhiro Iijima
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 2002-08-02
Filing date: 2003-07-24
Publication date: 2009-03-26
Anticipated expiration: 2023-07-25
Also published as: US7220315B2; CN100572589C; EP1386979A3; KR20040012575A; EP1386979B1; CN1478919A; DE60319470D1; EP1386979A2; US20040023811A1; KR100545547B1

Description

STAND DER TECHNIK FÜR DIE ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer polykristallinen dünnen Schicht mit einer Seltenerdkristallstruktur vom C-Typ mit einer wohlgeordneten Kristallausrichtung und ein Verfahren zur Herstellung eines Oxidsupraleiter-Bauelements mit überlegenen supraleitenden Eigenschaften, das die polykristalline dünne Schicht und eine darauf aufgebrachte Oxidsupraleiterschicht umfasst.
Beschreibung des Standes der Technik
In den vergangenen Jahren gefundene Oxidsupraleiter-Bauelemente sind überlegene Supraleiter, die eine kritische Temperatur aufweisen, welche die Temperatur von flüssigem Stickstoff übersteigt, wobei aber die anschließend beschriebenen verschiedenen Probleme gelöst werden müssen, um diesen Typ eines Oxidsupraleiter-Bauelements als einen praktischen Supraleiter verwenden zu können. Eines dieser Probleme besteht darin, dass die kritische Stromdichte des Oxidsupraleiter-Bauelements gering ist. Das Problem der geringen kritischen Stromdichte des Oxidsupraleiter-Bauelements wird in hohem Maße von den anisotropen elektrischen Eigenschaften verursacht, die dem Kristall des Oxidsupraleiter-Bauelements eigen sind. Insbesondere ist bekannt, dass, obwohl der elektrische Strom leicht entlang der a-Achsen-Richtung und der b-Achsen-Richtung des Oxidsupraleiter-Bauelements fließt, er in c-Achsen-Richtung nicht leicht fließt. Somit ist es, um ein Oxidsupraleiter-Bauelement auf einem Substrat zu bilden und es als Supraleiter zu verwenden, erforderlich, ein Oxidsupraleiter-Bauelement zu bilden, das auf dem Substrat eine gute Kristallorientierung besitzt. Weiterhin ist es erforderlich, die a-Achse und b-Achse des Kristalls des Oxidsupraleiter-Bauelements in der Richtung auszurichten, in welcher der elektrische Strom fließen soll, und die c-Achse des Oxidsupraleiter-Bauelements in einer anderen Richtung auszurichten.
So wird herkömmlicherweise eine Sputtervorrichtung verwendet, wenn das Oxidsupraleiter-Bauelement auf einem Substrat wie einem Metallband ausgebildet wird, und wird eine Zwischenschicht, die eine gute Kristallausrichtung besitzt und aus MgO, SrTiO₃ oder dergleichen besteht, zuvor auf dem Substrat ausgebildet. Jedoch beträgt, wenn die supraleitende Oxidschicht auf einem Einkristallsubstrat ausgebildet wird, das diese Materialien umfasst, die kritische Stromdichte einige Zehntausend A/cm², während demgegenüber die supraleitende Oxidschicht, die auf der zuvor beschriebenen Zwischenschicht ausgebildet wird, nur eine kritische Stromdichte mit dem extrem niedrigen Wert von etwa 1000 bis 10000 A/cm² erreicht. Es wird angenommen, dass dies aus folgenden Gründen der Fall ist.
In 11 ist der Querschnitt eines Oxidsupraleiter-Bauelements gezeigt, wobei eine Zwischenschicht 2 auf einem Substrat 1 aus einem polykristallinen Material wie einem Metallband und eine supraleitende Oxidschicht 3 als Schicht durch ein Sputterverfahren auf dieser Zwischenschicht 2 ausgebildet ist. In der in 11 gezeigten Struktur befindet sich die supraleitende Oxidschicht 3 in einem polykristallinen Zustand, wobei zahlreiche Kristallkörner 4 zufällig gebunden sind. Einzeln gesehen weist die c-Achse jedes der Kristallkörner 4 eine senkrechte Orientierung in Bezug auf die Oberfläche des Substrats 1 auf, während die a-Achse und die b-Achse in zufälligen Richtungen orientiert sind.
Es wird angenommen, dass, wenn die a-Achse und die b-Achse jedes der Kristallkörner, die die supraleitende Oxidschicht bilden, zufällig ausgerichtet sind, die Quantenkopplung im supraleitenden Zustand an den Kristallkorngrenzen, wo die Kristallorientierungen unterbrochen worden sind, verloren geht, wobei dies eine Verschlechterung der Supraleitungseigenschaften, insbesondere der kritischen Stromdichte, verursacht. Zusätzlich tritt der Fall auf, dass, wenn sich das Oxidsupraleiter-Bauelement zu einem polykristallinen Zustand entwickelt, in welchem die a-Achse und die b-Achse nicht ausgerichtet sind, die darunter gebildete Zwischenschicht 2 sich in einem polykristallinen Zustand befindet, der entlang der a-Achse und der b-Achse zufällig orientiert ist. Anders ausgedrückt wächst die supraleitende Oxidschicht 3 in Übereinstimmung mit den Kristallen der Zwischenschicht 2, wobei als Ergebnis die supraleitende Oxidschicht, die auf der Zwischenschicht 2 gebildet wird, sich in einem solchen Zustand befindet.
Nun ist von dem Erfinder festgestellt worden, dass, wenn zunächst eine Zwischenschicht aus mit Yttriumoxid stabilisiertem Zirconiumdioxid (ZrO₂-Y₂O₃, abgekürzt mit YSZ), das eine gute Orientierung entlang der a-Achse und der b-Achse besitzt, zuvor unter Anwendung eines speziellen Verfahrens auf einem polykristallinen Substrat gebildet wird und danach auf dieser Zwischenschicht eine supraleitende Oxidschicht gebildet wird, es möglich wird, ein Oxidsupraleiter-Bauelement herzustellen, das eine gute kritische Stromdichte aufweist. Im Zusammenhang mit dieser Technologie sind von dem Erfinder Patentanmeldungen wie die japanische Patentanmeldung, Erstveröffentlichungs-Nr. Hei 06-145977 , japanische Patentanmeldung, Erstveröffentlichungs-Nr. Hei 09-120719 , und japanische Patentanmeldung, Erstveröffentlichungs-Nr. Hei 10-121239 , eingereicht worden.
In dem in diesen Patentanmeldungen offenbarten Verfahren können, wenn die YSZ-Schicht, die aus den gewünschten Bestandteilen besteht, auf einem polykristallinen Substrat durch Sputtern eines Grundmaterials (als Target bezeichnet), das aus YSZ besteht, gebildet wird, YSZ-Kristalle mit einer nachteiligen Kristallorientierung selektiv beseitigt werden, indem gleichzeitig eine Ionenstrahlunterstützung durchgeführt wird, in welcher ein Strahl aus Ionen wie Ar⁺ aus einer schrägen Richtung in Bezug auf die schichtbildende Oberfläche dieses polykristallinen Substrats geschickt wird. Die YSZ-Kristalle mit einer guten Kristallorientierung können dadurch selektiv abgeschieden werden. Somit wird es möglich, eine YSZ-Zwischenschicht mit besserer Orientierung auszubilden.
Wie zuvor beschrieben, ist es entsprechend dem von dem Erfinder in früher eingereichten Patentanmeldungen offenbarten Verfahren möglich, eine polykristalline dünne YSZ-Schicht mit vorteilhaft ausgerichteten a-Achsen und b-Achsen herzustellen, und es ist möglich nachzuweisen, dass das auf dieser polykristallinen dünnen Schicht gebildete Oxidsupraleiter-Bauelement eine hohe kritische Stromdichte aufweist. Deshalb sind vom Erfinder Untersuchungen zu dem Verfahren zur Herstellung einer Zwischenschicht, die eine vorteilhaftere polykristalline dünne Schicht aus anderen Materialien umfasst, durchgeführt worden.
In 12 ist ein Querschnitt eines Beispiels eines Oxidsupraleiter-Bauelements gezeigt, das vom Erfinder zuvor verwendet worden ist. Das Oxidsupraleiter-Bauelement D hat einen vierschichtigen Aufbau, der durch Ausbildung einer YSZ oder MgO umfassenden Zwischenschicht 6 für die Steuerung der Orientierung auf einem Metallband 5 unter Anwendung des weiter oben erläuterten Verfahrens, anschließend Bildung einer reaktionsinhibierenden Y₂O₃ umfassenden Zwischenschicht 7 und danach Bildung der supraleitenden Oxidschicht 8 darauf hergestellt worden ist.
Der Grund für die Verwendung dieses Typs eines vierschichtigen Aufbaus besteht im Verhindern der Diffusionsreaktionen, die zwischen der aus YSZ bestehenden Zwischenschicht und der supraleitenden Oxidschicht mit der Zusammensetzung YBa₂Cu₃O_7-x (0 < x < 0,5) stattfinden. Insbesondere muss, um die supraleitende Oxidschicht mit der Zusammensetzung YBa₂Cu₃O_7-x (0 < x < 0,5) zu erhalten, nach der Bildung der supraleitenden Oxidschicht mit der gewünschten Zusammensetzung durch Anwendung eines Schichtbildungsverfahrens wie Sputtern eine Temperaturbehandlung durch Erhitzen der supraleitenden Oxidschicht auf einige 100 Grad durchgeführt werden. Aufgrund der durch diese Wärmebehandlung zugeführten Wärme wird eine Diffusionsreaktion von Elementen zwischen der aus YSZ bestehenden Zwischenschicht und der supraleitenden Oxidschicht mit der Zusammensetzung YBa₂Cu₃O_7-x (0 < x < 0,5) begünstigt. Somit besteht die Befürchtung, dass sich die supraleitenden Eigenschaften verschlechtern werden. Jedoch trägt dieser vierschichtige Aufbau wirkungsvoll dazu bei, das zu verhindern.
Der YSZ-Kristall, der die Zwischenschicht 6 für die Steuerung der Orientierung bildet, hat eine Kristallstruktur im kubischen System, während die supraleitende Oxidschicht mit der Zusammensetzung YBa₂Cu₃O_7-x (0 < x < 0,5) eine Perovskit-Struktur besitzt. Obwohl beide eine flächenzentrierte kubische Struktur sind und ähnliche Kristallgitter haben, besteht eine Differenz von etwa 5° im Gitterabstand ihrer Kristallgitter. So beträgt beispielsweise bei YSZ der Abstand zwischen den nächsten Atomen, insbesondere dem Atom, das sich in einer Ecke des kubischen Gitters befindet, und dem Atom, das sich in der Mitte einer Seite des kubischen Gitters befindet, 3,65 Å (10 Å = 1 nm). Derselbe Abstand zwischen einander nächsten Atomen für Yb₂O₃ beträgt 3,69 Å und derselbe Abstand zwischen den nächsten Atomen für die supraleitende Oxidschicht mit der Zusammensetzung YBa₂Cu₃O₇ (0 < x < 0,5) beträgt 3,81 Å. Der Abstand zwischen den nächsten Atomen für Yb₂O₃ weist einen Zwischenwert zwischen den Werten für YSZ und YBa₂Cu₃O_7-x (0 < x < 0,5) auf. Somit wird angenommen, dass Yb₂O₃ zur Überbrückung der Größenunterschiede der Kristallgitter und als Zwischenschicht zum Verhindern von Reaktionen aufgrund dessen, da ihre Zusammensetzungen ähnlich sind, wirksam ist.
Jedoch wird, wie in 12 gezeigt, bei dem vierschichtigen Aufbau die Zahl der erforderlichen Schichten groß, weshalb das Problem auftritt, dass sich auch die Anzahl der Herstellungsstufen erhöht.
Deshalb ist mit dem Ziel der Bildung einer reaktionsverhindernden Zwischenschicht 7 mit einer guten Orientierung direkt auf einer polykristallinen Grundlage 5 von dem Erfinder versucht worden, eine polykristalline dünne Schicht, die als reaktionsverhindernde Zwischenschicht 7 auf der polykristallinen Grundlage 5 dient, unter Anwendung eines ionenstrahlgestützten Verfahrens, das in den früher von dem Erfinder eingereichten Patentanmeldungen offenbart ist, zu bilden. Diese polykristalline dünne Schicht umfasst Kristallkörner aus einem Oxid mit einer Seltenerdkristallstruktur vom C-Typ, das durch eine der Formeln Y₂O₃, Sc₂O₃, Nd₂O₃, Sm₂O₃, Eu₂O₃, Gd₂O₃, Tb₂O₃, Dy₂O₃, Ho₂O₃, Er₂O₃, Yb₂O₃, Lu₂O₃ und Pm₂O₃ repräsentiert wird, und welche Korngrenzenneigungswinkeln besitzen, die sich zwischen denselben Kristallachsen der Kristallkörner in der zu der schichtbildenden Oberfläche der polykristallinen Grundlage 5 parallelen Ebene gebildet haben, die auf innerhalb von 30° kontrolliert sind.
Als Ergebnis ist vom Erfinder festgestellt worden, dass, indem zunächst das in den Patentanmeldungen offenbarte ionenstrahlgestützte Verfahren angewendet wird, es möglich ist, die polykristalline dünne Schicht, die aus der Kristallstruktur eines Seltenerdmetalloxids vom C-Typ wie Y₂O₃ oder dergleichen besteht, mit einer besseren Kristallorientierung, worin der Korngrenzenneigungswinkel innerhalb von 30° oder kleiner kontrolliert ist, zu bilden. Dieses Verfahren ist in der eingereichten japanischen Patentanmeldung, Erstveröffentlichungs-Nr. 2001-114594 , erweitert unter WO 01/29293 , auf welcher der Oberbegriff des Patentanspruchs 1 beruht, offenbart.
Während in jener Patentanmeldung über eine hauptsächlich aus Y₂O₃ bestehende polykristalline dünne Schicht berichtet wird, wird die Möglichkeit polykristalliner dünner Schichten mit anderen Seltenerdkristallstrukturen vom C-Typ nur ausgesprochen. Somit ist in Bezug auf polykristalline dünne Schichten mit den weiter oben beschriebenen Seltenerdkristallstrukturen vom C-Typ weitere Forschung erforderlich, um festzustellen, welche Produktionsbedingungen einen signifikanten Einfluss auf ihre Kristallorientierungseigenschaften besitzen.
Das Verfahren zur Bildung verschiedener Typen wohlorientierter Schichten auf einem polykristallinen Substrat ist auch in breitem Umfang außerhalb des Gebiets der Verwendung der weiter oben beschriebenen Oxidsupraleiter-Bauelemente angewendet worden. So ist es beispielsweise auf den Gebieten von optischen dünnen Schichten, magnetooptischen Disks, gedruckten Schaltkreisen, Hochfrequenzwellenleitern, Hochfrequenzfiltern und Hohlraumresonatoren angewendet worden. In all diesen Technologien bleibt auch die Ausbildung wohlorientierter polykristalliner dünner Schichten mit einer stabilen Schichtqualität auf einem Substrat unter Anwendung dieser Technologien eine schwierige Aufgabe. Das heißt, noch bevorzugter wären verbesserte Kristallorientierungseigenschaften einer polykristallinen dünnen Schicht vorteilhaft, wenn diese mit der optischen dünnen Schicht, magnetischen dünnen Schicht, Leiterschicht oder dergleichen, die direkt darauf ausgebildet ist, verwendet werden würde.
Deshalb liegt der Erfindung als Aufgabe die Bereitstellung eines Verfahrens zur Herstellung einer polykristallinen dünnen Schicht zugrunde. Die Erfindung wurde als Ergebnis zahlreicher Untersuchungen vollendet, in welchen eine polykristalline dünne Schicht mit einer Seltenerdkristallstruktur vom C-Typ mit guter Kristallorientierung auf einem polykristallinen Substrat durch Anwendung der früher von dem Erfinder bereitgestellten Ionenstrahlunterstützung ausgebildet wurde. Von den weiter oben beschriebenen polykristallinen dünnen Schichten mit einer Seltenerdkristallstruktur vom C-Typ wurden insbesondere die polykristallinen dünnen Schichten mit einer Seltenerdkristallstruktur vom C-Typ, die von den Formeln für die sechs Typen Sm₂O₃, Gd₂O₃, Y₂O₃, Ho₂O₃, Er₂O₃ und Yb₂O₃ repräsentiert werden, Materialien mit guter Kristallorientierung, für die Bildung dünner Schichten ausgewählt, wobei die unterstützende Ionenstrahlenergie, die angewendet wurde, wenn die polykristalline dünne Schicht gebildet wurde, und die Temperatur des polykristallinen Substrats, auf welchem die polykristalline dünne Schicht aufgebracht wurde, variiert wurden. Von den Verfahren zur Herstellung polykristalliner dünner Schichten wird angenommen, dass Veränderungen von Ionenstrahlenergie und Temperatur die Kristallorientierungseigenschaften signifikant beeinflussen. Dadurch wurden die vorteilhaften Herstellungsbedingungen für diese ausgewählten Materialien gefunden.
Von Lee at al., Japanese Journal of Applied Physics, Bd. 38 Nr. 2B, 178–180 (1999) wurde das Wachstum von aus Yb₂O₃ hergestellten Oxidkörnern auf polykristallinen Ni-Substraten, um eine bessere Pufferschicht für die Abscheidung eines Oxidsupraleiters bereitzustellen, offenbart. Yb₂O₃ wurde durch Hochfrequenzmagnetronsputtern aufgebracht.
Eine weitere Aufgabe besteht in der Bereitstellung eines Verfahrens zur Herstellung eines Oxidsupraleiter-Bauelements, das eine polykristalline dünne Schicht liefert, die nach der Bestimmung der vorteilhaften Ionenstrahlenergie und der Temperatur für das polykristalline Substrat gebildet wird, und in der Bereitstellung einer supraleitenden Oxidschicht, die eine Oxidsupraleiter-Bauelement-Schicht mit besserer Kristallorientierung auf dieser polykristallinen dünnen Schicht ergibt.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer polykristallinen dünnen Schicht ist in Patentanspruch 1 definiert.
Weiterhin ist das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Oxidsupraleiter-Bauelements in Patentanspruch 6 definiert.
Die Bereitstellung einer supraleitenden Oxidschicht auf einer polykristallinen dünnen Schicht mit einer Seltenerdkristallstruktur vom C-Typ wie Yb₂O₃, die auf einem polykristallinen Substrat ausgebildet worden ist, ist hinsichtlich der anschließend beschriebenen Punkte vorteilhafter als eine aus herkömmlichem YSZ bestehende polykristalline dünne Schicht.
Der erste Punkt ist, dass der Unterschied zwischen dem Abstand zwischen den nächsten Atomen der supraleitenden Oxidschicht mit der Zusammensetzung YBa₂Cu₃O_7-x (0 < x < 0,5) als die obere Schicht für den Yb₂O₃-Kristall kleiner als bei dem YSZ-Kristall ist. Hier beschreibt bei einem flächenzentrierten kubischen Kristallgitter der Abstand zwischen den nächsten Atomen den Zwischenraum zwischen einem in der Mitte einer Seite positionierten Atom und einem auf der Ecke einer Seite positionierten Atom. Insbesondere bedeutet 2^1/2 (Wurzel aus 2) des Abstands zwischen den nächsten Atomen die Gitterkonstante.
Konkret beträgt die Gitterkonstante von ZrO₂, das der Hauptbestandteil des YSZ-Kristalls ist, 5,14 Å und der Abstand zwischen den nächsten Atomen 3,63 Å. In einem Yb₂O₃-Kristall beträgt die Gitterkonstante 5,22 Å und der Abstand zwischen den nächsten Atomen 3,69 Å. Im Gegensatz dazu beträgt bei der supraleitenden Oxidschicht mit der Zusammensetzung YBa₂Cu₃O_7-x (0 < x < 0,5) die Gitterkonstante 5,4 bis 5,5 Å und der Abstand zwischen den nächsten Atomen 3,90 Å.
Aus diesen drei Zahlen für den Abstand zwischen den nächsten Atomen der Schicht ist zu entnehmen, dass im Vergleich mit dem YSZ-Kristall der Yb₂O₃-Kristall der supraleitenden Oxidschicht mit der Zusammensetzung YBa₂Cu₃O₇ (0 < x < 0,5) ähnlicher ist. Deshalb kann die polykristalline dünne Yb₂O₃-Schicht als vorteilhafter als die polykristalline dünne YSZ-Schicht hinsichtlich der Konsistenz des Kristalls angesehen werden. Anders ausgedrückt wird, wenn die Atome der polykristallinen dünnen Schicht durch Durchführung des ionenstrahlgestützten Verfahrens abgeschieden werden, angenommen, dass diejenigen, deren Abstände zwischen den nächsten Atomen ähnlich sind, leicht Atome in einem regelmäßigen Muster abscheiden.
Der zweite Punkt ist, dass es möglich ist, den Wert der Halbwertsbreite (FWHM), die dem Korngrenzenneigungswinkel der polykristallinen dünnen Schicht entspricht, auf einen kleinen Wert zu begrenzen.
Da dieses Yb₂O₃ die Kristallstruktur eines Seltenerdmetalloxids vom C-Typ besitzt, sind vom Erfinder identisch polykristalline dünne Schichten mit der Kristallstruktur eines Seltenerdmetalloxids vom C-Typ, das von den fünf Formeln Sm₂O₃, Gd₂O₃, Y₂O₃, Ho₂O₃ und Er₂O₃ repräsentiert wird, anstelle von Yb₂O₃ hergestellt worden und wurde für jede der erhaltenen polykristallinen dünnen Schichten eine Röntgenbeugung durch die θ-2θ-Methode unter Verwendung einer CuKα-Linie durchgeführt und eine Polfigur erzeugt. Zusätzlich können die Werte der Halbwertsbreite (FWHM), die dem Korngrenzenneigungswinkel einer jeden polykristallinen dünnen Schicht entspricht, aus diesen Polfiguren gefunden werden. Im Ergebnis ist klar, dass von den weiter oben angegebenen sechs Elementen (Sm, Gd, Y, Ho, Er und Yb) der Wert der Halbwertsbreite (FWHM) auf 20° oder kleiner nur im Fall der polykristallinen dünnen Schicht, die aus einem Kristall aus Yb₂O₃ besteht, das die größte Atomzahl hat und ein Oxid des Elements Yb mit einer großen Gitterenergiedichte ist, gesenkt werden kann.
Insbesondere wird, wenn eine polykristalline dünne Schicht, die aus einem weiter oben beschriebenen Yb₂O₃-Kristall besteht, auf einem polykristallinen Substrat ab geschieden wird, die Temperatur des polykristallinen Substrats innerhalb eines Bereiches von 175 bis 200°C und die Ionenstrahlenergie des unterstützenden Ionenstrahls innerhalb eines Bereiches von 175 bis 225 eV eingestellt. Dadurch ist es möglich, den Wert der Halbwertsbreite (FWHM) der polykristallinen dünnen Schicht, die einen Yb₂O₃-Kristall umfasst, auf oder unter 20° stabil zu halten.
Der dritte Punkt ist, dass es möglich ist, BaZrO₃ zu vermeiden, das dazu neigt, aufgrund der Wärmeentwicklung und der Wärmeverteilung während des Verfahrens an der Grenzfläche zwischen der herkömmlichen polykristallinen dünnen YSZ-Schicht und der supraleitenden Oxidschicht mit der Zusammensetzung YBa₂Cu₃O_7-x (0 < x < 0,5), die darauf aufgebracht wird, erzeugt zu werden.
In dem Fall, dass eine polykristalline dünne Schicht, die einen Yb₂O₃-Kristall umfasst, anstelle des YSZ verwendet wird, kann die Grenzfläche zwischen der polykristallinen dünnen Yb₂O₃-Schicht und der supraleitenden Oxidschicht mit einer YBa₂Cu₃O_7-x-(0 < x < 0,5)Komponente in einem Zustand stabil gehalten werden, in welchem eine Wanderung der Elemente auch unter Erwärmungsbedingungen von etwa 700 bis 800°C nicht stattfindet.
Somit ist es entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines Oxidsupraleiter-Bauelements, in welchem eine polykristalline dünne Schicht, die einen Yb₂O₃-Kristall umfasst, verwendet wird, und welches ein Oxidsupraleiter-Bauelement mit einer YBa₂Cu₃O_7-x-(0 < x < 0,5)Zusammensetzung darauf bereitstellt, möglich, die Einflüsse, die auf die Wärmeentwicklung während der Herstellung zurückzuführen sind, die sonst herkömmlicherweise vorhanden sind, zu vermeiden, und es wird möglich, immer ein Oxidsupraleiter-Bauelement mit überlegener Supraleitfähigkeit stabil zu bilden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt eine schematische perspektivische Darstellung mit einem Querschnitt eines Teils eines Beispiels einer erfindungsgemäßen polykristallinen dünnen Schicht.
2 zeigt eine vergrößerte Draufsicht auf die Kristallkörner der polykristallinen dünnen Schicht von 1 und die Kristallachsenrichtung und den Korngrenzenneigungswinkel ihres Kristalls.
3 zeigt eine vergrößerte Prinzipdarstellung des Kristallgitters der aus Yb₂O₃ bestehenden erfindungsgemäßen polykristallinen dünnen Schicht.
4 zeigt eine schematische Darstellung des Aufbaus eines Beispiels der Vorrichtung zur Herstellung der erfindungsgemäßen polykristallinen dünnen Schicht.
5A zeigt eine schematische Darstellung des Aufbaus eines Beispiels der Ionenquelle, welche die in 4 veranschaulichte Einrichtung bildet.
5B zeigt eine vergrößerte Prinzipdarstellung, die den Einfallswinkel des Ionenstrahls betrifft.
6 zeigt eine schematische Darstellung des Aufbaus der supraleitenden Oxidschicht, die auf der polykristallinen dünnen Schicht von 1 ausgebildet worden ist.
7 zeigt eine vergrößerte Draufsicht auf die Kristallkörner der in 6 dargestellten polykristallinen dünnen Oxidschicht und die Kristallachsenrichtung und den Korngrenzenneigungswinkel ihres Kristalls.
8 zeigt eine schematische Darstellung des Aufbaus eines Beispiels einer Vorrichtung zur Herstellung der erfindungsgemäßen supraleitenden Oxidschicht.
9 zeigt ein Diagramm der Beziehung zwischen der Temperatur des polykristallinen Substrats und der Halbwertsbreite der gebildeten polykristallinen dünnen Schicht.
10 zeigt ein Diagramm der Beziehung zwischen der Ionenstrahlenergie und der Halbwertsbreite der gebildeten polykristallinen dünnen Schicht.
11 zeigt eine schematische Darstellung des Aufbaus einer polykristallinen dünnen Schicht, die durch ein herkömmliches Verfahren hergestellt worden ist.
12 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein Beispiel eines herkömmlichen Oxidsupraleiter-Bauelements.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Anschließend wird eine erfindungsgemäße Ausführungsform unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert.
In 1 ist eine erfindungsgemäße Ausführungsform gezeigt, in welcher eine polykristalline dünne Schicht auf einem Substrat ausgebildet ist.
In 1 wird mit A ein bandförmiges polykristallines Substrat und mit B eine auf der Oberfläche des polykristallinen Substrats A gebildete polykristalline dünne Schicht bezeichnet. Das polykristalline Substrat A hat eine Form wie ein Brett, eine Platte, ein Draht, ein Band oder dergleichen und besteht aus einem Material wie einem Metall und einer Legierung, einschließlich Silber, Platin, rostfreiem Stahl, Kupfer und einer Ni-Legierung wie Hastelloy, oder verschiedenen Glas- und verschiedenen Keramiktypen.
Die Mikrokristallkörner 20 der polykristallinen dünnen Schicht B dieser Ausführungform, die Yb₂O₃ mit der Kristallstruktur eines Seltenerdmetalloxids vom C-Typ mit einer gleichachsigen Kornstruktur umfassen, sind über viele Kristallkorngrenzen miteinander verbunden, wobei die c-Achse der Kristallachsen eines jeden der Kristallkörner 20 mit einem rechten Winkel nach oben von der Oberfläche (der schichtbildenden Oberfläche) des Substrats A absteht und die a-Achse und die b-Achse der Kristallkörner 20 jeweils in der Ebene in denselben Richtungen ausgerichtet sind. Zusätzlich ist die c-Achse jedes der Kristallkörner 20 mit einem rechten Winkel in Bezug auf die schichtbildende Oberfläche ausgerichtet, die als Oberseite des polykristallinen Substrats A fungiert. Die Kristallkörner 20 sind derart miteinander verbunden, dass die Winkel zwischen ihren a-Achsen (der in 2 gezeigte Korngrenzenneigungswinkel K) bis 30° und beispielsweise 25 bis 30° betragen.
Das Kristallgitter des Yb₂O₃ gehört zu den Seltenerdmetalloxiden vom C-Typ, wobei sich aber die Seltenerdmetalloxide vom C-Typ von einer Fluoritstruktur im kubischen System ableiten und, wie in 3 gezeigt, bei acht Einheitsgittern mit einer flächenzentrierten kubischen Struktur, ausgerichtet in einer Längsrichtung und einer Querrichtung, die Struktur eine solche ist, in welcher nur eins der Sauerstoffatome O, das in den von den Yb-Atomen gebildeten Gitterzwischenraum gezogen worden ist, fehlt. Somit beträgt, weil acht übereinander befindliche Gitter des Yb₂O₃ als eine Einheitszelle auf dem Gebiet der Röntgenanalyse dienen, obwohl die Gitterkonstante als eine Einheitszelle 10,43 Å beträgt, die Breite des Gitters als ein Einheitsgitter 5,22 Å und der Abstand zwischen den nächsten Atomen (auch als Abstand zwischen den einander benachbartsten Atomen bezeichnet) 3,69 Å.
Was von Bedeutung ist, wenn dieses Yb₂O₃-Einheitsgitter unter Anwendung eines ionenstrahlgestützten Verfahrens bei den weiter unten beschriebenen Bedingungen abgeschieden wird, ist der Abstand zwischen den nächsten Atomen von 3,69 Å, und vorzugsweise sollte, wenn die Gitterkonstante von 5,4 bis 5,5 Å und der Abstand zwischen den nächsten Atomen von 3,90 Å der supraleitenden Oxidschicht mit einer YBa₂Cu₃O_7-x-(0 < x < 0,5) Komponente gewählt wird, dieser Wert insbesondere derart gewählt werden, dass er sich nahe dem Abstand zwischen den nächsten Atomen von 3,90 Å befindet. Die Differenz des Abstands zwischen den nächsten Ato men bei der supraleitenden Oxidschicht mit einer YBa₂Cu₃O_7-x-(0 < x < 0,5) Komponente beträgt nur etwa 5% (Abstand zwischen den nächsten Atomen: 3,69 Å) bei Yb₂O₃, während sie etwa 7% (Abstand zwischen den nächsten Atomen: 3,63 Å) bei YSZ erreicht.

Beispiele für Seltene Erden vom C-Typ, die kein Yb₂O₃ sind, sind in Tabelle 1 aufgeführt, worin die Zahlenwerte für Yb₂O₃ zum Vergleich genannt sind. Tabelle 1

Nummer	Name des Oxids	Gitterkonstante (Å) als Einheitszelle	Abstand zwischen den nächsten Atomen (Å)
1	Sc₂O₃	9,84	3,48
2	Nd₂O₃	11,08	3,92
3	Sm₂O₃	10,97	3,86
4	Eu₂O₃	10,87	3,84
5	Gd₂O₃	10,81	3,82
6	Tb₂O₃	10,73	3,79
7	Dy₂O₃	10,67	3,77
8	Y₂O₃	10,60	3,75
9	Ho₂O₃	10,61	3,75
10	Er₂O₃	10,55	3,73
11	Yb₂O₃	10,43	3,69
12	Lu₂O₃	10,39	3,67

Es wurden polykristalline dünne Schichten, die aus den sechs Oxidtypen bestanden, die mit den Zahlen 3, 5, 8, 9, 10 und 11 nummeriert sind, hergestellt und die Werte der Halbwertsbreite (FWHM), die denn Korngrenzenneigungswinkel in jeder der polykristallinen dünnen Schichten entspricht, bestimmt. Hier wurden die polykristallinen dünnen Schichten gebildet, indem zwei der Herstellungsbedingungen, insbesondere die Temperatur des polykristallinen Substrats, wenn die polykristalline dünne Schicht auf dem polykristallinen Substrat abgeschieden wurde, und die Ionenstrahlenergie des unterstützenden Ionenstrahls, variiert wurden.

In Tabelle 2 sind die Halbwertsbreite (Grad) der polykristallinen dünnen Schichten, die aus den weiter oben beschriebenen sechs Oxidtypen bestanden, und die zwei Produktionsbedingungen (Temperatur [°C] des polykristallinen Substrats und die Ionenstrahlenergie [eV]), wenn diese Werte erhalten wurden, aufgeführt. Zusätzlich sind die Gitterkonstante (C/nm) jedes der Oxide, die Gitterenergie (E/kJ·mol^–1) und die Gitterenergiedichte (eV·nm^–3) genannt. Die Ergebnisse von Tabelle 2 wurden innerhalb eines Temperaturbereiches von 100 bis 500°C unter Verwendung eines Ar⁺-Ionenstrahls als unterstützender Ionenstrahl und Verändern der Ionenstrahlenergie innerhalb eines Bereichs von 150 bis 300 eV erhalten. Tabelle 2

Nummer	Name des Oxids	Gitterkonstante	Gitterenergie	Gitterenergiedichte	Halbwertsbreite	Substrattmperatur	Ionenstrahlenergie
3	Sm₂O₃	1,093	13181	1677	zufällig	-	-
5	Gd₂O₃	1,081	13330	1753	zufällig	-	-
8	Y₂O₃	1,060	13428	1873	24,5	300	150
9	Ho₂O₃	1,061	13538	1890	gewisse Größenordnung	300	150
10	Er₂O₃	1,055	13665	1934	37,7	300	150
11	Yb₂O₃	1,043	13814	2023	17,3	200	200

Tabelle 2 ist zu entnehmen, dass von den weiter oben genannten sechs Elementen (Sm, Gd, Y, Ho, Er und Yb) der Wert der Halbwertsbreite (FWHM) auf 20° oder kleiner nur bei der polykristallinen dünnen Schicht begrenzt werden kann, die aus Kristallen aus Yb₂O₃ besteht, das die höchste Atomzahl hat und ein Oxid des Elements Yb mit einer großen Gitterenergiedichte ist.
Anschließend wird ein Verfahren zur Herstellung der polykristallinen dünnen Schicht B entsprechend der erfindungsgemäßen Ausführungsform, die zum Erhalten der Ergebnisse von Tabelle 2 angewendet worden war, und eine für diese Herstellung geeignete Vorrichtung erläutert.
In 4 ist ein Beispiel für eine Vorrichtung zur Herstellung der weiter oben beschriebenen polykristallinen dünnen Schicht B gezeigt, die einen Aufbau hat, der eine Ionenquelle für eine Ionenstrahlunterstützung in einer Sputtereinrichtung bereitstellt.
Die Vorrichtung dieses Beispiels ist so aufgebaut, dass in einen Schichtbildungsbehälter, der evakuiert werden kann, ein Substrathalter 23, der ein bandförmiges polykristallines Substrat A halten und auf die gewünschte Temperatur erhitzen kann, eine Substratzuführungsrolle 24 für das Zuführen eines bandförmigen polykristallinen Substrats A zu dem Substrathalter 23, eine Substrataufnahmerolle 25, die das bandförmige polykristalline Substrat A, auf welchem die polykristalline dünne Schicht gebildet wird, aufnehmen kann, ein plattenförmiges Target 36, das gegenüber von und über dem Substrathalter 23 mit einer Neigung und einer festgelegten Entfernung angeordnet ist, eine Sputterstrahlbestrahlungseinrichtung (Sputtergerät) 38, die oberhalb des Targets 36 mit einem Neigungswinkel gegenüber der Unterseite des Targets 36 angeordnet ist, und eine Ionenquelle 39, die gegenüber dem Substrathalter 23 in einer festgelegten Entfernung und von dem Target 36 getrennt angeordnet ist, hineinpasst.
In dem Substrathalter 23 ist eine Heizquelle vorhanden, und erforderlichenfalls kann das bandförmige polykristalline Substrat A, das über den Substrathalter 23 zugeführt wird, auf die gewünschte Temperatur erwärmt werden. Dieser Substrathalter 23 ist so angebracht, dass er auf dem Trägerkörper 23a durch einen Stift oder dergleichen frei gedreht werden kann, weshalb er einen einstellbaren Neigungswinkel hat. Ein solcher Substrathalter 23 wird in dem optimalen Strahlungsbereich des Ionenstrahls, der von der Ionenquelle 39 in einer Schichtbildungskammer 40 abgestrahlt wird, angebracht.
In der Vorrichtung zur Herstellung der polykristallinen dünnen Schicht in diesem Beispiel wird das bandförmige polykristalline Substrat A kontinuierlich über den Substrathalter 23 von der Substratzuführungsrolle 24 zugeführt, und das polykristalline Substrat A, auf welchem die polykristalline dünne Schicht in dem optimalen Bestrahlungsbereich gebildet wird, wird von der Substrataufnahmerolle 25 aufgenommen. Dadurch kann die Schichtbildung kontinuierlich auf dem polykristallinen Substrat A durchgeführt werden. Die Substrataufnahmerolle 25 ist außerhalb des optimalen Bestrahlungsbereichs vorgesehen.
Das Target 36 ist das Grundmaterial für die Bildung der gewünschten polykristallinen dünnen Schicht, und es wird mit einer Zusammensetzung verwendet, die gleich oder ähnlich der Zusammensetzung der gewünschten polykristallinen dünnen Schicht ist. Konkret kann als Target 36 ein Target, das aus einem der komplexen Oxide besteht, welche die Formeln Sm₂O₃, Gd₂O₃, Y₂O₃, Ho₂O₃, Er₂O₃ oder Yb₂O₃ haben, oder ein Target mit einer Zusammensetzung, in welcher zuvor ein großer Anteil an einem Element von den zwei Konstituentenelementen davon eingebaut worden ist, das leicht zerstäubt wird, wenn aus ihm eine Schicht hergestellt wird, verwendet werden. Ein solches Target 36 wird auf dem Targetträgerkörper 36a angebracht, der von einem Stift oder dergleichen so gehalten wird, dass er frei gedreht werden kann und somit einen einstellbaren Neigungswinkel besitzt.
Die Sputterstrahlbestrahlungseinrichtung 38 ist so aufgebaut, dass sie zu einer Verdampfungsquelle in einer Kammer passt, und sie bietet ein Gitter für das Anlegen einer abtransportierenden Spannung in der Nähe der Verdampfungsquelle. Ein Teil der Atome oder Moleküle, die von der Verdampfungsquelle erzeugt werden, wird ionisiert und in Form eines Ionenstrahls durch Steuerung dieser ionisierten Teilchen abgestrahlt, wofür das von dem Gitter erzeugte elektrische Feld verwendet wird. Um die Teilchen zu ionisieren, kann ein Gleichstromentladungsverfahren, ein Frequenzanregungsverfahren, ein Fadenverfahren, ein Clusterionenstrahlverfahren oder dergleichen angewendet werden. Das Fadenverfahren erzeugt Thermionen durch Hitze aufgrund eines Stroms, der durch einen Wolframfaden fließt, und die verdampften Teilchen werden in einem Hochvakuum aufgrund einer Kollision mit den Thermionen ionisiert. Bei dem Clusterionenstrahlverfahren werden Cluster aus aggregierten Molekülen in ein Vakuum aus einer Düse entladen, die an der Öffnung eines Tiegels vorgesehen ist, in welchem ein Ausgangsstoff angeordnet ist, wobei die Cluster durch Kollision mit den Thermionen ionisiert und emittiert werden.
In der Vorrichtung für die Herstellung der polykristallinen dünnen Schicht dieser Ausführungsform wird die Ionenquelle 39 mit dem in 5A gezeigten Innenaufbau verwendet. Diese Ionenquelle 39 stellt ein Gitter 46 in der röhrenförmigen Ionenkammer 45, einen Faden 47 und ein Zuleitungsrohr 48 für gasförmiges Ar, Kr, Xe oder dergleichen bereit und kann Ionen aus der Strahlöffnung 49 am distalen Ende der Ionenkammer 45 in einem im Wesentlichen parallelen Strahl emittieren.
Wie in 4 gezeigt, steht die Mittelachse S der Ionenquelle 49 zu der Oberseite (der schichtbildenden Oberfläche) des polykristallinen Substrats A mit einer Neigung mit einem Einfallswinkel θ (der Winkel, der von der senkrechten Linie H [der Normalen], die senkrecht auf der schichtbildenden Oberfläche [der Oberseite] des polykristallinen Substrats A steht, mit der Mittellinie S gebildet wird). Vorzugsweise liegt dieser Einfallswinkel θ innerhalb eines Bereichs von 50 bis 60°, besonders bevorzugt innerhalb eines Bereichs von 55 bis 60°, und am meisten bevorzugt bei etwa 55°. Deshalb ist die Ionenquelle 39 derart angeordnet, dass der Ionenstrahl mit einem Einfallswinkel θ in Bezug auf die Normale H der schichtbildenden Oberfläche des polykristallinen Substrats A strahlt. Darüber hinaus ist es möglich, einen Ionenstrahl aus Ar-Gas, einen Ionenstrahl aus Kr-Gas, einen Ionenstrahl aus Xe-Gas oder einen gemischten Ionenstrahl aus Ar-Gas und Kr-Gas als Ionenstrahl zu verwenden, mit welchem das polykristalline Substrat A von dieser Ionenquelle bestrahlt wird.
Zusätzlich sind eine Atmosphärengas liefernde Quelle wie eine Drehkolbenpumpe 51, eine Kryopumpe 52 und ein Gastank oder dergleichen für die Evakuierung des Inneren der Kammer 40 auf einen Niederdruck wie ein Vakuum jeweils mit der Schichtbildungskammer 40 verbunden, weshalb es möglich ist, die Schichtbildungskammer 40 auf einen Niederdruck wie ein Vakuum zu evakuieren und sie mit einem Ar-Gas oder einer anderen inerten Gasumgebung zu versorgen. Zusätzlich sind ein Stromdichtemessgerät 54 zum Messen der Stromdichte des Ionenstrahls in der Kammer 40 und ein Druckmesser 55 für die Messung des Drucks in der Kammer 40 in der Schichtbildungskammer 40 angebracht. In diesem Beispiel für eine Vorrichtung zur Herstellung einer polykristallinen dünnen Schicht ist es durch eine solche Anbringung des Substrathalters 23, dass er auf einem Trägerkörper 23a wie einem Stift frei gedreht werden kann, möglich, den Neigungswinkel des polykristallinen Substrats 23 in Bezug auf das Target 36 und die Ionenquelle 39 einzustellen, wobei es aber auch möglich ist, stattdessen den Neigungswinkel des Ionenstrahls 39 oder den Einfallswinkel des Ionenstrahls, mit welchem das polykristalline Substrat A bestrahlt wird, einzustellen. Zusätzlich ist ein den Winkel einstellender Mechanismus nicht auf diese Beispiele beschränkt, und selbstverständlich ist es möglich, verschiedene Zusammensetzungen zu verwenden.
Anschließend wird das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer aus Yb₂O₃ bestehenden polykristallinen dünnen Schicht B unter Verwendung der Vorrichtung mit dem zuvor beschriebenen Aufbau erläutert.
Zur Bildung der polykristallinen dünnen Schicht auf dem bandförmigen polykristallinen Substrat A wird ein aus Yb₂O₃ bestehendes Target 36 verwendet und das Innere der Schichtbildungskammer 40, die das polykristalline Substrat A enthält, auf einen Niederdruck evakuiert. Gleichzeitig wird das polykristalline Substrat A mit einer vorher festgelegten Geschwindigkeit von der Substratzuführungsrolle 24 dem Substrathalter 23 zugeführt, anschließend werden die Ionenquelle 39 und die Sputterstrahlbestrahlungseinrichtung 38 aktiviert.
Wenn mit dem Ionenstrahl von der Sputterstrahlbestrahlungseinrichtung 38 das Target 36 bestrahlt wird, werden die das Target 36 bildenden Teilchen herausgeschlagen und auf das polykristalline Substrat A geschleudert. Zusätzlich wird, wäh rend die Konstituententeilchen, die aus dem Target 36 herausgeschlagen werden, auf dem polykristallinen Substrat A abgeschieden werden, das dem Substrathalter 23 zugeführt wird, gleichzeitig mit einem Ionenstrahl aus Ar⁺-Ionen, einem Ionenstrahl aus Kr⁺-Ionen, einem Ionenstrahl aus Xe⁺-Ionen, einem gemischten Ionenstrahl aus Kr⁺-Ionen und Xe⁺-Ionen oder dergleichen von der Ionenquelle 39 bestrahlt. Dadurch wird eine polykristalline dünne Schicht mit der gewünschten Dicke gebildet und wird nach der Schichtbildung das bandförmige polykristalline Substrat A von der Substrataufnahmerolle 25 aufgenommen.
Hier liegt der Einfallswinkel θ, wenn mit dem Ionenstrahl bestrahlt wird, vorzugsweise innerhalb eines Bereichs von 50 bis 60°, besonders bevorzugt innerhalb eines Bereichs von zwischen 55 und 60°, und am meisten bevorzugt bei etwa 55°. Hier stimmen, wenn θ 90° beträgt, die c-Achsen der aus Yb₂O₃ bestehenden polykristallinen dünnen Schicht nicht überein. Zusätzlich stimmen, wenn θ 30° beträgt, die c-Achsen der aus Yb₂O₃ bestehenden polykristallinen dünnen Schicht nicht überein. Wenn die Ionenstrahlbestrahlung mit einem Einfallswinkel in den zuvor genannten bevorzugten Bereichen durchgeführt wird, verlaufen die c-Achsen der aus Yb₂O₃ bestehenden polykristallinen dünnen Schicht senkrecht in Bezug auf die schichtbildende Oberfläche des polykristallinen Substrats A. Wenn die Ionenstrahlbestrahlung mit einem solchen Einfallswinkel durchgeführt wird, während das Sputtern durchgeführt wird, werden die a-Achsen und die b-Achsen der Kristallachsen der aus Yb₂O₃ bestehenden polykristallinen dünnen Schicht, die sich auf dem polykristallinen Substrat A bildet, in Bezug aufeinander in derselben Richtung orientiert und in einer Ebene in der Ebene orientiert, die parallel zu der Oberseite (schichtbildende Oberfläche) des polykristallinen Substrats A verläuft.
Wenn die erfindungsgemäße aus Yb₂O₃ bestehende polykristalline dünne Schicht gebildet wird, ist es weiterhin notwendig, die Temperatur des polykristallinen Substrats A und die Ionenstrahlenergie des unterstützenden Ionenstrahls innerhalb eines festgelegten Bereichs zu halten.
Zunächst werden die Ergebnisse des Einstellens der Ionenstrahlenergie auf 200 eV, Veränderns der Temperatur des polykristallinen Substrats A innerhalb eines Bereichs von 100 bis 300°C, Bildens einer aus Yb₂O₃ bestehenden polykristallinen dünnen Schicht auf dem polykristallinen Substrat A und Untersuchens der Halbwertsbreite (FWHM) der erhaltenen polykristallinen dünnen Schicht beschrieben.
9 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Temperatur des polykristallinen Substrats A und der Halbwertsbreite der erhaltenen polykristallinen dünnen Schicht, wenn die aus Yb₂O₃ bestehende polykristalline dünne Schicht auf dem polykristallinen Substrat A ausgebildet wird, zeigt. Den Ergebnissen von 9 ist zu entnehmen, dass der Wert der Halbwertsbreite der polykristallinen dünnen Schicht von der Temperatur des polykristallinen Substrats A abhängig ist, und, unabhängig davon, ob die Temperatur zu hoch oder zu niedrig ist, es die Tendenz der Halbwertsbreite zu einer Vergrößerung gibt. Insbesondere ist festgestellt worden, dass, wenn die polykristalline dünne Schicht auf dem polykristallinen Substrat A gebildet wird, wenn die Temperatur des polykristallinen Substrats A innerhalb eines Bereiches von 175 bis 200°C liegt, es möglich ist, den Wert der Halbwertsbreite der polykristallinen dünnen Schicht auf 20° oder kleiner zu verringern, weshalb eine polykristalline dünne Schicht mit guter Kristallorientierung stabil hergestellt werden kann.
Als Nächstes werden die Ergebnisse des Festlegens der Temperatur des polykristallinen Substrats A auf 200°C, Variierens der Ionenstrahlenergie innerhalb eines Bereichs von 100 bis 300 eV, Bildens einer aus Yb₂O₃ bestehenden polykristallinen dünnen Schicht auf dem polykristallinen Substrat A und Untersuchens der Halbwertsbreite (FWHM) der erhaltenen polykristallinen dünnen Schicht beschrieben.
10 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Ionenstrahlenergie und der Halbwertsbreite der erhaltenen polykristallinen dünnen Schicht, wenn die aus Yb₂O₃ bestehende polykristalline dünne Schicht auf dem polykristallinen Substrat A gebildet wird, zeigt. Den Ergebnissen von 10 ist zu entnehmen, dass der Wert der Halbwertsbreite der polykristallinen dünnen Schicht stark von der Ionen strahlenergie abhängig ist, und, um eine Halbwertsbreite von gleich oder weniger als 20° zu erhalten, eine Begrenzung der Ionenstrahlenergie auf einen speziellen Bereich, insbesondere einen Bereich von 175 bis 222 eV, wirkungsvoll ist. Innerhalb dieses Bereichs ist eine Ionenstrahlenergie von etwa 200 eV bevorzugt. Wenn die Ionenstrahlenergie gleich oder weniger als 150 eV beträgt, vergrößert sich die Halbwertsbreite der polykristallinen dünnen Schicht mit der Abnahme der Ionenstrahlenergie. Im Gegensatz dazu ist festgestellt worden, dass, wenn die Ionenstrahlenergie gleich oder mehr als 250 eV beträgt, die Halbwertsbreite der polykristallinen dünnen Schicht dazu neigt, sich mit der Erhöhung der Ionenstrahlenergie zu vergrößern. Deshalb ist es wünschenswert, um eine polykristalline dünne Schicht mit einer guten Kristallorientierung mit einer Halbwertsbreite von gleich oder kleiner als 20° zu bilden, eine Ionenstrahlenergie innerhalb eines Bereichs von 175 bis 225 eV zu verwenden.
Durch Bilden einer Schicht auf dem polykristallinen Substrat A unter Anwendung eines ionenunterstützten Verfahrens mit einer Temperatur und einer Ionenstrahlenergie innerhalb der zuvor genannten Bereiche ist es dann möglich, die polykristalline dünne Schicht B zu bilden, die aus dem Seltenerdmetalloxid Yb₂O₃ vom C-Typ besteht und gute Orientierungseigenschaften besitzt. In 1 und 2 ist ein polykristallines Substrat A gezeigt, auf welchem die aus Yb₂O₃ bestehende polykristalline dünne Schicht B unter Anwendung des zuvor beschriebenen Verfahrens aufgebracht worden ist. Darüber hinaus ist in 1 der Zustand gezeigt, in welchem nur eine Schicht aus Kristallkörnern 20 gebildet ist, wobei aber selbstverständlich die Kristallkörner eine mehrschichtige Struktur haben können.
Vorn Erfinder wird angenommen, dass folgende Faktoren für die Ausrichtung der Kristallorientierung der polykristallinen dünnen Schicht B von Bedeutung sind. Wie in 5B gezeigt, hat das Einheitsgitter des Kristalls der aus Yb₂O₃ bestehenden polykristallinen dünnen Schicht B eine gleichachsige flächenzentrierte kubische Seltenerdstruktur vom C-Typ, wobei in diesem Kristallgitter die normale Richtung des Substrats die <100>-Achse ist und die andere <010>-Achse und die <001>-Achse die in 5B gezeigten Richtungen haben. Wenn der Ionen strahleinfall aus einer geneigten Richtung in Bezug auf die Normale des Substrats hinsichtlich dieser Richtungen betrachtet wird, wird der Einfallswinkel 54,7°, wenn der Ionenstrahl in der Richtung der Diagonalen des Einheitsgitters in Bezug auf den Ursprung O in 5B, das heißt entlang der <111>-Achse, einfällt. Es zeigen sich gute Kristallorientierungseigenschaften in einem Bereich von 50 bis 60° für den wie zuvor beschriebenen Einfallswinkel, was vermuten lässt, dass das Ionenkanalisieren am wirkungsvollsten auftritt, wenn der Einfallswinkel des Ionenstrahls gleich oder im Wesentlichen gleich 54,7° ist. In dem auf dem polykristallinen Substrat A abgeschiedenen Kristall werden nur die stabilen Atome mit einer Verteilungsbeziehung, die diesem Winkel entspricht, auf der Oberseite des polykristallinen Substrats A leicht selektiv zurückgehalten, während die instabilen Atome in anderen unregelmäßigen Atomanordnungen durch Sputtern aufgrund des Sputtereffekts des Ionenstrahls entfernt werden. Im Ergebnis werden nur Kristalle, die aus wohlorientierten Atomen aggregiert sind, selektiv zurückgehalten und abgeschieden. In Bezug auf den Ionenstrahlsputtereffekt, welcher dieses Ionenstrahlkanalisieren begleitet, ist ein Ionenstrahl aus Ar⁺-Ionen, ein Ionenstrahl aus Kr⁺-Ionen, ein Ionenstrahl aus Xe⁺-Ionen oder ein gemischter Ionenstrahl aus Ar⁺ und Kr⁺ für die zu bildende aus Yb₂O₃ bestehende polykristalline dünne Schicht wirkungsvoll. Auch wenn die Bildung der aus Yb₂O₃ bestehenden polykristallinen dünnen Schicht B unter den weiter oben beschriebenen Bedingungen durchgeführt wird, wird, wenn die Temperatur des polykristallinen Substrats A während der Schichtbildung und die Energie des Strahls während der Ionenstrahlunterstützung nicht innerhalb des weiter oben beschriebenen Bereichs eingestellt sind, kein guter Ionenstrahlkanalisierungseffekt erreicht. Somit muss die Schichtbildung in Übereinstimmung mit allen drei weiter oben beschriebenen vorgeschriebenen Bedingungen durchgeführt werden: dem Ionenstrahlunterstützungswinkel, der Temperatur des polykristallinen Substrats A und der Ionenstrahlenergie.
In 6 und 7 ist eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Oxidsupraleiter-Bauelements gezeigt. Das Oxidsupraleiter-Bauelement 22 dieser Ausführungsform umfasst ein flaches polykristallines Substrat A, eine polykristalline dünne Schicht B, die auf der Oberseite dieses polykristallinen Substrats A gebildet wor den ist, und eine supraleitende Oxidschicht C, die auf der Oberseite dieser polykristallinen dünnen Schicht B gebildet worden ist. Das polykristalline Substrat A und die polykristalline dünne Schicht B werden aus Materialien gebildet, die gleich denjenigen sind, die in den vorhergehenden Beispielen erläutert worden sind, wobei, wie in 1 und 2 gezeigt, die Kristallkörner 20 der polykristallinen dünnen Schicht B eine derartige Kristallorientierung haben, dass der Korngrenzenneigungswinkel 30° oder weniger und besonders bevorzugt 25 bis 30° beträgt.
Die supraleitende Oxidschicht C bedeckt die Oberseite der aus Yb₂O₃ bestehenden polykristallinen dünnen Schicht B, wobei die c-Achse ihrer Kristallkörner senkrecht zu der Oberseite der polykristallinen dünnen Schicht B orientiert ist, und die a-Achse und die b-Achse ihrer Kristallkörner 21 in einer Ebene in einer Fläche parallel zu der Oberseite des Substrats ähnlich der zuvor erläuterten polykristallinen dünnen Schicht B orientiert sind und der Korngrenzenneigungswinkel K', der sich zwischen den Kristallkörnern 21 gebildet hat, 30° oder weniger beträgt. Oxidsupraleiter-Bauelemente mit einer hohen kritischen Temperatur, die von den Verbindungen YBa₂Cu₃O_7-x (0 < x < 0,5), YBa₂Cu₄O₈, durch die Verbindungen (Bi, Pb)₂Ca₂Sr₂Cu₃O₁₀ oder die Verbindungen Tl₂Ba₂Ca₂Cu₃O₁₀, Tl₁Ba₂Ca₂Cu₃O₉ und Tl₁Ba₂Ca₃Cu₄O₁₁ repräsentiert werden, werden vorzugsweise als das Oxidsupraleiter-Bauelement verwendet, das die supraleitende Oxidschicht bildet, wobei aber selbstverständlich außer diesen Beispielen weitere Oxidsupraleiter-Bauelemente verwendet werden können.
Die supraleitende Oxidschicht C wird auf der weiter oben erläuterten polykristallinen dünnen Schicht B beispielsweise durch ein Schichtbildungsverfahren wie das Sputtern oder Laserbedampfen gebildet, wobei die auf dieser polykristallinen dünnen Schicht B abgeschiedene supraleitende Oxidschicht C auch derart abgeschieden wird, dass sie der Orientierung der aus Yb₂O₃ bestehenden polykristallinen dünnen Schicht B entspricht, weshalb die auf der polykristallinen dünnen Schicht B gebildete supraleitende Oxidschicht eine bessere Quantenbindung an den Kristallkorngrenzen und fast keine Verschlechterung der Supraleitungseigenschaften an den Kristallkorngrenzen hat. Somit fließt der elektrische Strom leicht in Längsrichtung des polykristallinen Substrats A, und es wird eine ausreichend hohe kritische Stromdichte erhalten, die im Wesentlichen gleich derjenigen der supraleitenden Oxidschicht ist, die durch Bildung eines Einkristallsubstrats aus MgO oder SrTiO₃ erhalten wird.
Yb₂O₃ ist gegenüber YSZ als Material für die polykristalline dünne Schicht B bevorzugt, weshalb anstatt der Bereitstellung einer supraleitenden Oxidschicht auf einer aus YSZ bestehenden polykristallinen dünnen Schicht durch die Bereitstellung einer supraleitenden Oxidschicht auf einer aus Yb₂O₃ bestehenden polykristallinen dünnen Schicht eine Wärmebehandlung bei hohen Temperaturen (700 bis 800°C) ertragen und außerdem eine bessere kritische Stromdichte, die gleich dem Fall der Bereitstellung der supraleitenden Oxidschicht auf einer aus YSZ bestehenden polykristallinen dünnen Schicht ist, gezeigt wird. Wenn die Dicke der Schicht groß wird, wird die Abnahmegeschwindigkeit der kritischen Stromdichte klein, selbst nachdem sie einer Temperaturbehandlung wie einer Wärmebehandlung unterzogen worden ist, und es kann ein supraleitendes Bauelement mit einem hohen kritischen Strom erhalten werden.
Der Grund dafür ist auf Folgendes zurückzuführen.
Zunächst ist festzustellen, wie weiter oben erläutert, dass hinsichtlich des Abstands zwischen den nächsten Atomen die Yb₂O₃ umfassende polykristalline dünne Schicht, deren Abstand zwischen den nächsten Atomen ähnlicher der supraleitenden Oxidschicht als der aus YSZ bestehenden polykristallinen dünnen Schicht ist, hinsichtlich der Kristallausrichtung vorteilhaft ist.
Zweitens ist aus den Untersuchungen des Erfinders gelernt worden, dass BaZrO₃ leicht an der Grenzfläche zwischen einer aus YSZ bestehenden polykristallinen dünnen Schicht und einer aus YBa₂Cu₃O_7-x (0 < x < 0,5) bestehenden supraleitenden Oxidschicht aufgrund der Wärmebearbeitung während der Herstellung oder der Wärmeverteilung während der Wärmebearbeitung erzeugt wird. Im Gegensatz dazu ist festzustellen, dass die Grenzfläche zwischen einer aus Yb₂O₃ bestehenden poly kristallinen dünnen Schicht und einer aus YBa₂Cu₃O_7-x (0 < x < 0,5) bestehenden supraleitenden Oxidschicht unter Wärmebedingungen von 700 bis 800°C stabil ist, weshalb fast keine gegenseitige Diffusion von Elementen auftritt. Auch in dieser Hinsicht ist die aus Yb₂O₃ bestehende polykristalline dünne Schicht wünschenswert.
Drittens tritt bei YSZ ein Phasenübergang von einem kubischen Kristall zu einem orthorhombischen Kristall in Abhängigkeit von der Temperatur auf. Im Falle des Yb₂O₃ ist festzustellen, dass dieser Phasenübergang nicht auftritt. Zusätzlich sollte die Schichtbildung in der Lage sein, auch ausreichend hinsichtlich der Bindungsfestigkeit mit den Oxidatomen stattzufinden, und ist die Belastung der Vorrichtung gering.
Anschließend wird eine Ausführungsform der Vorrichtung zur Bildung der supraleitenden Oxidschicht C erläutert. In 8 ist ein Beispiel für eine Vorrichtung gezeigt, in welcher unter Anwendung eines Vakuumabscheideverfahrens eine supraleitende Oxidschicht gebildet wird. In 8 ist eine Laserabscheidevorrichtung gezeigt. Die Laserabscheidevorrichtung 60 in diesem Beispiel umfasst eine Verfahrenskammer 61, und es können ein bandförmiges polykristallines Substrat A und ein Target 63 in der Abscheidekammer 62 in dieser Verfahrenskammer 61 angeordnet werden. Insbesondere ist ein Sockel 64 am Boden der Abscheidekammer 62 vorgesehen und ist auf der Oberseite des Sockels 64 das polykristalline Substrat A horizontal angeordnet. Gleichzeitig wird das Target 63, das von dem Halter 66 über dem Sockel 64 diagonal gehalten wird, in einem geneigten Zustand vorgesehen und wird das polykristalline Substrat A über den Sockel 64 von der trommelförmigen Bandzuführungseinrichtung 65 zugeführt und anschließend von der trommelförmigen Bandaufnahmeeinrichtung 65a aufgenommen. In der Verfahrenskammer 61 steht ein Evakuierungsloch 67a mit der Vakuumevakuierungseinrichtung 67 in Verbindung, und es ist möglich, den Innendruck auf einen festgelegten Druck abzusenken.
Das Target 63 ist eine Platte, die aus einer Zusammensetzung besteht, die gleich oder ähnlich der auszubildenden supraleitenden Oxidschicht C ist, ein Sinterkörper aus komplexen Oxiden, die eine Menge eines Bestandteils enthalten, der leicht zu der gebildeten Schicht, einem Oxidsupraleiter-Bauelement oder dergleichen, austritt. Der Sockel 64 hat eine eingebaute Heizung, weshalb es möglich ist, das polykristalline Substrat A auf eine festgelegte Temperatur zu erwärmen oder es auf einer festgelegten Temperatur zu halten.
Eine Laseremissionseinrichtung 68, ein erster reflektierender Spiegel 69, eine Sammellinse 70 und ein zweiter reflektierender Spiegel 71 sind an der Seite der Verfahrenskammer 61 vorgesehen, und der Laserstrahl, der von der Laseremissionseinrichtung 68 abgestrahlt wird, kann konvergent auf das Target 63 durch ein transparentes Fenster 72 geschickt werden, das in der Seitenwand der Verfahrenskammer 61 vorhanden ist. Die Laseremissionseinrichtung 68 kann bewirken, dass konstituierende Teilchen aus dem Target 63 herausgeschlagen werden. Damit die Laseremissionseinrichtung 68 in der Lage ist, das Herausschlagen von konstituierenden Teilchen aus dem Target 63 zu verursachen, sollte ein YAG-Laser, ein CO₂-Laser, ein Excimer-Laser oder dergleichen verwendet werden.
Als Nächstes wird der Fall, in welchem eine supraleitende Oxidschicht C auf der aus YSZ bestehenden polykristallinen dünnen Schicht B gebildet wird, beschrieben. Wie weiter oben festgestellt, wird, nachdem eine aus Yb₂O₃ bestehende polykristalline dünne Schicht B auf einem polykristallinen Substrat A gebildet worden ist, eine supraleitende Oxidschicht auf dieser polykristallinen dünnen Schicht B gebildet. In dieser Ausführungsform wird die in 8 gezeigte Laserabscheideeinrichtung 60 verwendet, wenn eine supraleitende Oxidschicht auf einer polykristallinen dünnen Schicht B gebildet wird.
Das polykristalline Substrat A, auf welchem die polykristalline dünne Schicht B gebildet wird, wird auf dem Sockel 64 der Laserabscheideeinrichtung 60 angeordnet und der Druck in der Abscheidekammer 62 durch eine Vakuumpumpe gesenkt. Hier kann erforderlichenfalls ein Oxidgas in die Abscheidekammer 62 geleitet wer den, weshalb die Abscheidekammer 62 mit einer Sauerstoffatmosphäre versehen werden kann. Zusätzlich kann durch Aktivierung der Heizung des Sockels 64 das polykristalline Substrat A auf die gewünschte Temperatur erhitzt werden.
Danach wird der von der Laserabscheideeinrichtung 68 emittierte Laserstrahl konvergent auf das Target 63 in der Abscheidekammer 62 geschickt. Dadurch werden die das Target 63 bildenden Teilchen herausgeschlagen oder verdampft und danach auf der polykristallinen dünnen Schicht B abgeschieden. Hier findet, wenn die konstituierenden Teilchen abgeschieden werden, da die c-Achse in einer vertikalen Richtung in Bezug auf die bereits gebildete aus Yb₂O₃ bestehende polykristalline dünne Schicht B orientiert ist, und die a-Achse und die b-Achse in einer zu der Schichtoberfläche parallelen Richtung orientiert sind, die Kristallisation durch Epitaxiewachstum derart statt, dass die c-Achse, die a-Achse und die b-Achse der supraleitenden Oxidschicht C, die sich auf der polykristallinen dünnen Schicht B gebildet hat, auch nach der polykristallinen dünnen Schicht B ausgerichtet sind. Dadurch wird eine supraleitende Oxidschicht C mit guten Kristallorientierungseigenschaften erhalten.
Die supraleitende Oxidschicht C, die auf der polykristallinen dünnen Schicht B gebildet worden ist, befindet sich in einem polykristallinen Zustand, wobei aber in jedem der Kristallkörner dieser supraleitenden Oxidschicht C, wie in 6 gezeigt, die c-Achsen, durch welche der elektrische Strom unter Schwierigkeiten fließt, in der Dickenrichtung des polykristallinen Substrats A ausgerichtet sind und die a-Achsen und die b-Achsen beide in der Längsrichtung des polykristallinen Substrats A ausgerichtet sind. Deshalb hat die erhaltene supraleitende Oxidschicht eine überlegene Quantenbindung an den Kristallgrenzflächen und eine geringere Verschlechterung der Supraleitungseigenschaften an den Kristallgrenzflächen, weshalb der elektrische Strom leicht in Richtung der Oberfläche des polykristallinen Substrates A fließt und ein polykristallines Substrat A mit einer überlegenen kritischen Stromdichte erhalten wird. Um die Kristallorientierung und die Schichtqualität der supraleitenden Oxidschicht C weiter zu stabilisieren, ist es bevorzugt, eine Wärmebe handlung durchzuführen, bei welcher die supraleitende Oxidschicht C den erforderlichen Zeitraum lang auf 700 bis 800°C erhitzt und danach abgekühlt wird.
BEISPIELE
Unter Verwendung der in 4 gezeigten Vorrichtung zur Herstellung einer polykristallinen dünnen Schicht wurde der Druck in der Schichtbildungskammer dieser Herstellungsvorrichtung auf 3,0·10^–4 Torr (440² Pa) durch Evakuierung unter Verwendung einer Drehkolbenpumpe und einer Kryopumpe gesenkt. Ein Band aus Hastelloy C276 mit einer Breite von 10 mm, einer Dicke von 0,5 mm und einer Länge von 100 cm und einer spiegelpolierten Oberfläche wurde als bandförmiges Substrat verwendet. Es wurde ein aus Yb₂O₃ bestehendes Target verwendet und die Sputterspannung auf 1000 V, der Sputterstrom auf 100 mA und der Einfallswinkel des Kr⁺-Ionenstrahls, der von der Ionenquelle emittiert wurde, auf 55° in Bezug auf die Normale der schichtbildenden Oberfläche eingestellt. Der Reiseweg des Ionenstrahls wurde auf 40 cm, die Sputterspannung des Ionenstrahls auf 150 eV und die Stromdichte des Ionenstrahls auf 100 μA/cm² eingestellt. Zusätzlich wurden, während die Temperatur des bandförmigen Substrats auf 300°C eingestellt wurde und Sauerstoff in die Atmosphäre mit 1·10^–4 Torr (1,3·10^–2 Pa) strömte, konstituierende Teilchen des Targets auf dem Substrat abgeschieden und wurde gleichzeitig eine aus Yb₂O₃ bestehende polykristalline dünne Schicht mit einer Dicke von 1,0 μm durch Bestrahlung mit einem unterstützenden Ionenstrahl gebildet.
Es wurde eine Röntgenbeugungsanalyse der erhaltenen aus Yb₂O₃ bestehenden polykristallinen dünnen Schicht mit der θ-2θ-Methode unter Verwendung einer CuKα-Linie durchgeführt und die (nicht dargestellte) Polfigur, die auf der <200>-Richtung des Yb₂O₃ basierte, erhalten. Danach wurde aus der Polfigur bestätigt, dass die erhaltene aus Yb₂O₃ bestehende polykristalline dünne Schicht gute Orientierungseigenschaften besaß. Gleichzeitig wurde sich vergewissert, dass der Korngrenzenneigungswinkel der aus Yb₂O₃ bestehenden polykristallinen dünnen Schicht gleich oder weniger als 20° betrug.
Somit wurden der Wert der Halbwertsbreite (FWHM), die dem Korngrenzenneigungswinkel entspricht, der aus Yb₂O₃ bestehenden polykristallinen dünnen Schicht, die durch Variieren der zwei Schichtbildungsbedingungen gebildet wurde, von welchen angenommen worden war, dass sie den Korngrenzenneigungswinkel der aus Yb₂O₃ bestehenden polykristallinen dünnen Schicht beeinflussen, insbesondere die Temperatur des polykristallinen Substrats A, wenn die polykristalline dünne Schicht B erzeugt wurde, und die unterstützende Ionenstrahlenergie, mit welcher bestrahlt wurde, wenn die polykristalline dünne Schicht B erzeugt wurde, untersucht.
9 ist das Ergebnis der Bildung der aus Yb₂O₃ bestehenden polykristallinen dünnen Schicht auf diesem polykristallinen Substrat A, während die Temperatur des polykristallinen Substrats A von 100 bis 300°C variiert wurde, und der Untersuchung der Halbwertsbreite (FWHM) der erhaltenen polykristallinen dünnen Schicht. Hier wurde die Ionenstrahlenergie auf 200 eV festgelegt.
Aus den Ergebnissen von 9 gehen folgende Punkte hervor.

(1) Der Wert der Halbwertsbreite der aus Yb₂O₃ bestehenden polykristallinen dünnen Schicht ist von der Temperatur des polykristallinen Substrats A abhängig und, wenn die Temperatur zu niedrig oder zu hoch war, hatte die Halbwertsbreite die Neigung zu einer Vergrößerung.
(2) Wenn die polykristalline dünne Schicht B auf dem polykristallinen Substrat A gebildet wurde, wobei die Temperatur des polykristallinen Substrats A auf 150 bis 250°C gehalten wurde, wurde eine polykristalline dünne Schicht B mit überlegenen Orientierungseigenschaften, wobei der Wert der Halbwertsbreite gleich oder weniger als 20° betrug, stabil erhalten.
(3) Insbesondere in dem Fall, in welchem die Temperatur des polykristallinen Substrats A innerhalb eines Bereichs von 175 bis 200°C lag, betrug der Wert der Halbwertsbreite gleich oder weniger als 19°, was eine weitere Verkleinerung des Wertes darstellt, und deshalb noch bevorzugter war. 10 zeigt das Ergebnis der Bildung der aus Yb₂O₃ bestehenden polykristallinen dünnen Schicht auf diesem polykristallinen Substrat A, wobei die Ionenstrahlenergie innerhalb eines Bereichs von 100 bis 300 eV variiert und die Halbwertsbreite (FWHM) der erhaltenen polykristallinen dünnen Schicht bestimmt wurde. Hier wurde die Temperatur des polykristallinen Substrats A auf 200°C festgelegt.
(4) Der Wert der Halbwertsbreite der polykristallinen dünnen Schicht war stark von der Ionenstrahlenergie abhängig, und das Halten der Ionenstrahlenergie innerhalb eines definierten Bereichs, insbesondere eines Bereichs von 175 bis 225 eV, war wirkungsvoll, um eine Halbwertsbreite von gleich oder weniger als 20° zu erhalten.
(5) Innerhalb dieses Bereichs war der Wert der Halbwertsbreite der polykristallinen dünnen Schicht der kleinste, wenn die Ionenstrahlenergie etwa 200 eV betrug.
(6) Wenn die Ionenstrahlenergie auf 150 eV oder darunter gesenkt wurde, erhöhte sich die Halbwertsbreite der polykristallinen dünnen Schicht schnell zusammen mit der Abnahme der Ionenstrahlenergie. Im Gegensatz dazu vergrößerte sich, wenn die Ionenstrahlenergie auf 250 eV oder darüber erhöhte wurde, die Halbwertsbreite der polykristallinen dünnen Schicht zusammen mit der Erhöhung der Ionenstrahlenergie.

Den zuvor in (1) bis (6) beschriebenen Versuchsergebnissen ist zu entnehmen, dass, um eine aus Yb₂O₃ bestehende polykristalline dünne Schicht mit einer kleinen Halbwertsbreite (FWHM), die dem Korngrenzenneigungswinkel entspricht, von 20° oder kleiner zu bilden, das heißt, um eine aus Yb₂O₃ bestehende polykristalline dünne Schicht mit einer guten Kristallorientierung zu bilden, muss die Temperatur des polykristallinen Substrats A innerhalb eines Bereichs von 175 bis 200°C während der Bildung der dünnen Schicht liegen, wobei es gleichzeitig von Bedeutung ist, dass die unterstützende Ionenstrahlenergie während der Bildung der dünnen Schicht innerhalb eines Bereiches von 175 bis 225 eV liegt.
Als Nächstes wurde die supraleitende Oxidschicht C auf der in 9 und 10 gezeigten aus Yb₂O₃ bestehenden polykristallinen dünnen Schicht B unter Verwendung der in 8 gezeigten Laserabscheidevorrichtung gebildet. Zu diesem Zeitpunkt wurde ein Target, das aus einem Oxidsupraleiter-Bauelement mit einer YBa₂Cu₃O_7-x-(0 < x < 0,5)Komponente bestand, als der Ausgangsstoff verwendet, aus welchem die supraleitende Oxidschicht C zu bilden war. Zusätzlich wurde der Druck in der Verdampfungskammer auf 1·10^–6 Torr (1,3·10^–4 Pa) gesenkt, die Temperatur des polykristallinen Substrates A, auf welchem die aus Yb₂O₃ bestehende polykristalline dünne Schicht B aufgebracht war, auf Raumtemperatur gebracht, und die supraleitende Oxidschicht C auf dieser polykristallinen dünnen Schicht B unter Anwendung eines Laserabscheideverfahrens gebildet. Als Laser für die Verdampfung des Targets wurde ein ArF-Laser mit einer Wellenlänge von 193 nm verwendet. Nach Bildung der supraleitenden Oxidschicht C wurde sie 60 Minuten lang bei 400°C in einer Sauerstoffatmosphäre behandelt. Dadurch wurde ein Oxidsupraleiter-Bauelement mit einer Breite von 1,0 cm und einer Länge von 100 cm erhalten.

Danach wurde das Oxidsupraleiter-Bauelement in flüssigen Stickstoff getaucht und die kritische Stromdichte Jc (A/cm²) für einen Teil des mittleren Teils des Oxidsupraleiter-Bauelements mit einer Breite von 10 mm und einer Länge von 10 mm unter Anwendung einer Vier-Enden-Methode ermittelt. In Tabelle 3 steht das Ergebnis der Messung der kritischen Stromdichte Jc des erhaltenen Oxidsupraleiter-Bauelements. Im Kopf der Tabelle 3 steht die unterstützende Ionenstrahlenergie, mit welcher bei der Herstellung der polykristallinen dünnen Schicht B bestrahlt wurde, und in der ersten Spalte von Tabelle 3 steht die Temperatur des polykristallinen Substrats A, wenn die polykristalline dünne Schicht B erzeugt wurde, wobei die Ergebnisse in dem Fall, dass die Temperatur des polykristallinen Substrats A 400°C beträgt, ebenfalls gezeigt sind. Tabelle 3

Temperatur (°C)	Ionenstrahlenergie (eV)
Temperatur (°C)	100	150	175	200	225	250	300
100	--	-	--	180000	--	--	--
150	--	220000	360000	420000	380000	300000	--
175	--	270000	380000	430000	400000	340000	--
200	--	320000	400000	450000	420000	400000	--
225	--	260000	370000	420000	390000	340000	--
250	--	220000	360000	400000	370000	--
300	--	--	190000	250000	210000	--	--
400	--	--	40000	80000	60000	--	--

Tabelle 3 sind folgende Punkte zu entnehmen.

(7) Das erfindungsgemäße Oxidsupraleiter-Bauelement besitzt eine maximale kritische Stromdichte Jc, die mehr als 400 000 A/cm² beträgt, weshalb nachgewiesen ist, dass es überlegene Supraleitungseigenschaften besitzt.
(8) Insbesondere ist es möglich, den Wert der kritischen Stromdichte Jc auf innerhalb von 80% ihres Maximalwertes (gleich oder größer als 360 000 A/cm²) mit einem Oxidsupraleiter-Bauelement zu senken, in welchem die supraleitende Oxidschicht C auf der aus Yb₂O₃ bestehenden polykristallinen dünnen Schicht B gebildet ist, die gebildet worden ist, wenn die Temperatur des polykristallinen Substrats A innerhalb eines Bereichs von 175 bis 200°C liegt, wenn die polykristalline dünne Schicht gebildet wird, und die unterstützende Ionenstrahlenergie innerhalb eines Bereichs von 175 bis 225 eV liegt, wenn die dünne Schicht gebildet wird.
(9) Deshalb ist es möglich, einen extrem hohen Wert für die kritische Stromdichte Jc mit einem Oxidsupraleiter-Bauelement stabil zu realisieren, das die supraleitende Oxidschicht C auf der Yb₂O₃ umfassenden polykristallinen dünnen Schicht B bildet, deren Halbwertsbreite (FWHM), die dem Korngrenzenneigungswinkel entspricht, gleich oder weniger als 20° beträgt.

Entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung einer polykristallinen dünnen Schicht werden bei der Herstellung einer polykristallinen dünnen Schicht, die Kristallkörner aus einem Oxid mit einer Seltenerdkristallstruktur vom C-Typ, die von der Formel Yb₂O₃ repräsentiert wird, umfasst und auf der schichtbildenden Oberfläche eines polykristallinen Substrats gebildet wird, und der Korngrenzenneigungswinkel, der sich durch identische Kristallachsen in einer zu der schichtbildenden Oberfläche des polykristallinen Substrats parallelen Ebene bildet, gleich oder kleiner als 30° ist, wenn konstituierende Teilchen aufgebracht werden, die von einem Target, das aus den Elementen der polykristallen dünnen Schicht auf dem polykristallinen Substrat besteht, emittiert werden, die Temperatur des polykristallinen Substrats innerhalb eines Bereichs von 175 bis 200°C und die Ionenstrahlenergie des von einer Ionenquelle emittierten Ionenstrahls innerhalb eines Bereichs von 175 bis 225 eV eingestellt. Dadurch ist es möglich, eine aus Yb₂O₃ bestehende polykristalline dünne Schicht zu bilden, die eine Schicht mit guter Kristallorientierung direkt auf dem polykristallinen Substrat bildet, was bisher unter Anwendung des herkömmlichen Verfahrens nicht möglich war.
Insbesondere kann bei dem Verfahren zur Herstellung einer polykristallinen dünnen Schicht, die die weiter oben beschriebene Struktur umfasst, durch Einstellen der Temperatur des polykristallinen Substrats innerhalb eines Bereichs von 175 bis 200°C und der Ionenstrahlenergie des von einer Ionenquelle emittierten Ionenstrahls innerhalb eines Bereichs von 175 bis 225 eV der Wert der Halbwertsbreite (FWHM), die dem Korngrenzenneigungswinkel entspricht, der aus Yb₂O₃ bestehenden polykristallinen dünnen Schicht auf 20° oder kleiner begrenzt werden, wodurch dazu beigetragen wird, eine polykristalline dünne Schicht mit überlegener Kristallorientierung bereitzustellen.
Zusätzlich wird es entsprechend dem Verfahren zur Herstellung einer polykristallinen dünnen Schicht, die die weiter oben beschriebene Struktur umfasst, da es mög lich wird, eine aus Yb₂O₃ bestehende polykristalline dünne Schicht zu erhalten, die eine überlegene Kristallorientierung bietet, unnötig, eine zusätzliche polykristalline dünne YSZ-Schicht aufzubringen, wie dies bisher getan wurde. Somit trägt die Erfindung, da durch sie das Produktionsverfahren weggelassen werden kann, das für die Bildung von zwei oder mehr Schichten des Überzugs auf dem polykristallinen Substrat erforderlich ist, die herkömmlicherweise notwendig sind, zur Vereinfachung der Verfahren und zur Senkung der Produktionskosten bei.
Entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung des Oxidsupraleiter-Bauelements wird, weil eine aus Yb₂O₃ bestehende polykristalline dünne Schicht durch ein Verfahren zur Herstellung einer polykristallinen dünnen Schicht, die die weiter oben beschriebene Struktur besitzt, und anschließend die supraleitende Oxidschicht auf der polykristallinen dünnen Schicht gebildet wird, es möglich, eine supraleitende Oxidschicht auf einer polykristallinen dünnen Schicht mit extrem guten Kristallorientierungseigenschaften zu erzeugen, weshalb ein Oxidsupraleiter-Bauelement mit einer hohen kritischen Stromdichte Jc, die größer als 400000 A/cm² ist, erhalten werden kann. Deshalb trägt das Verfahren zur Herstellung des Oxidsupraleiter-Bauelements, das die weiter oben beschriebene Struktur umfasst, dazu bei, ein Oxidsupraleiter-Bauelement mit überlegenen Supraleitungseigenschaften stabil bereitstellen zu können.
Es wird vorausgesetzt, dass zahlreiche Modifizierungen der erfindungsgemäßen Verfahren vorgenommen werden können, ohne dabei den von den Patentansprüchen definierten Erfindungsumfang zu verlassen.

Claims

Verfahren zur Herstellung einer polykristallinen dünnen Schicht (B) auf einer schichtbildenden Oberfläche eines polykristallinen Substrats (A), wobei die polykristalline dünne Schicht (B) Oxidkristallkörner mit einer Seltenerdkristallstruktur vom C-Typ und einem Korngrenzenneigungswinkel (K) von 30° oder kleiner, der von gleichen Kristallachsen der Kristallkörner (20) in einer zu der schichtbildenden Oberfläche des polykristallinen Substrats parallelen Ebene gebildet wird, umfasst, welches das – Abscheiden von Konstituentenkörnern, die von einem Target emittiert werden, das konstituierende Elemente der polykristallinen dünnen Schicht umfasst, – Einstellen einer Temperatur des polykristallinen Substrats während des Abscheidens der Konstituentenkörner, – Erzeugen eines Ionenstrahls aus mindestens einem von Ar⁺, Kr⁺ und Xe⁺ aus einer Ionenquelle, – Einstellen der Ionenstrahlenergie des Ionenstrahls und – Bestrahlen der schichtbildenden Oberfläche des Substrats mit dem Ionenstrahl mit der eingestellten Ionenstrahlenergie und einem Einfallswinkel von 50 bis 60°, bezogen auf die Normale der schichtbildenden Oberfläche, während des Abscheidens der Konstituentenkörner auf dem Substrat umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass: – die Kristallkörner mit einer Seltenerdkristallstruktur vom C-Typ aus Yb₂O₃ hergestellt werden, – die Temperatur des polykristallinen Substrats innerhalb eines Bereichs von 175 bis 200°C eingestellt wird, – die Ionenstrahlenergie des Ionenstrahls innerhalb eines Bereichs von 175 bis 225 eV eingestellt wird und – die polykristalline dünne Schicht eine Halbwertsbreite von 20° oder weniger bei Röntgenbeugung mit der θ-2θ-Methode besitzt.
Verfahren zur Herstellung einer polykristallinen dünnen Schicht nach Anspruch 1, wobei das polykristalline Substrat eines aus Brett, Platte, Draht und Band ist.
Verfahren zur Herstellung einer polykristallinen dünnen Schicht nach Anspruch 1, wobei das polykristalline Substrat aus mindestens einem/einer von Silber, Platin, rostfreiem Stahl, Kupfer, Nickellegierung, Glas und Keramik gebildet ist.
Verfahren zur Herstellung einer polykristallinen dünnen Schicht nach Anspruch 1, wobei – die ersten Achsen der Oxidkristallkörner der polykristallinen dünnen Schicht normal zu der schichtbildenden Oberfläche des polykristallinen Substrats stehen, – die zweiten Achsen der Oxidkristallkörner der polykristallinen dünnen Schicht zueinander und parallel zu einer Ebene der schichtbildenden Oberfläche des polykristallinen Substrats ausgerichtet sind, – die dritten Achsen der Oxidkristallkörner der polykristallinen dünnen Schicht zueinander und parallel zu einer Ebene der schichtbildenden Oberfläche des polykristallinen Substrats ausgerichtet sind und – die zweiten Achsen senkrecht zu den dritten Achsen stehen.
Verfahren zur Herstellung einer polykristallinen dünnen Schicht nach Anspruch 1, wobei das polykristalline Substrat kein YSZ oder MgO umfasst und keine Schicht mit YSZ oder MgO zwischen der schichtbildenden Oberfläche des polykristallinen Substrats und der polykristallinen dünnen Schicht gebildet wird.
Verfahren zur Herstellung eines Oxidsupraleiter-Bauelements (22) entsprechend dem Verfahren zur Herstellung einer polykristallinen dünnen Schicht auf einer schichtbildenden Oberfläche eines polykristallinen Substrats nach Anspruch 1, welches das: – Bilden der polykristallinen dünnen Schicht (B), die aus Yb₂O₃ mit einer Seltenerdkristallstruktur vom C-Typ hergestellte Oxidkristallkörner (20) umfasst, die auf einer schichtbildenden Oberfläche des polykristallinen Substrats gemäß dem Verfahren nach Anspruch 1 gebildet sind, und – Bilden einer supraleitenden Oxidschicht (C) auf der polykristallinen dünnen Schicht umfasst.
Verfahren zur Herstellung eines Oxidsupraleiter-Bauelements nach Anspruch 6, wobei die supraleitende Oxidschicht aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus den Verbindungen YBa₂Cu₃O_7-x, mit 0 < x < 0,5, YBa₂Cu₄O₈, (Bi, Pb)₂Ca₂Sr₂Cu₃O₁₀, Tl₂Ba₂Ca₂Cu₃O₁₀, Tl₁Ba₂Ca₂Cu₃O₉ und Tl₁Ba₂Ca₃Cu₄O₁₁ besteht.
Verfahren zur Herstellung eines Oxidsupraleiter-Bauelements nach Anspruch 6, wobei das polykristalline Substrat kein YSZ oder MgO umfasst und keine Schicht mit YSZ oder MgO zwischen der schichtbildenden Oberfläche des polykristallinen Substrats und der supraleitenden Oxidschicht gebildet wird.