專利名稱：薄膜材料及其制造方法
技術領域：
本發(fā)明涉及薄膜材料和制造該薄膜材料的方法。更具體地，本發(fā)明涉及具有結晶性優(yōu)良的單晶薄膜層的薄膜材料，以及制造該薄膜材料的方法。
背景技術：
已知有常規(guī)薄膜材料，例如具有直接在基板上形成的、作為單晶薄膜層實例的超導層的超導薄膜線材(參見例如特開平6-31604號公報(專利文獻1)、6-68727(專利文獻2)和6-68728(專利文獻3))，以及具有形成于基板上的中間薄膜層和超導層的超導薄膜線材(參見例如Fujino和其他六位作者的“Development of High-Temperature Superconducting Thin Film Tape Usingthe ISD Method”，SEI Technical Review，1999年9月，第155卷，第131-135頁(非專利文獻1))。
關于上述這種超導薄膜線材(superconducting thin film wire)，建議預先研磨基板的表面，以形成單晶薄膜層如具有優(yōu)良性質(例如高的臨界電流密度)的超導層(參見專利文獻1～3)。
專利文獻1特開平6-31604號公報專利文獻2特開平6-68727號公報專利文獻3特開平6-68728號公報非專利文獻1Fujino和其他六位作者的“Development ofHigh-Temperature Superconducting Thin Film Tape Using the ISD Method”，SEI Technical Review，1999年9月，第155卷，第131-135頁發(fā)明內容本發(fā)明所要解決的問題關于上述具有形成于基板上的中間薄膜層和超導層的超導薄膜線材，在已經研磨過的基板表面上形成中間薄膜層，然后在中間薄膜層上形成超導層的情況下，難以充分提高形成為單晶薄膜層實例的超導層的面內取向性(in-plane orientation)，因為中間薄膜層的表面沒有特別進行例如平坦化的加工。因此，仍然存在以下的問題這樣形成的單晶薄膜層的性質(例如，如果形成的單晶薄膜層是超導層，則為例如超導層的臨界電流密度等性質)不能充分提高。
本發(fā)明意圖解決如上所述的問題。本發(fā)明的目的是提供一種薄膜材料和制造該薄膜材料的方法，用該方法可提高形成于基板上的單晶薄膜層的性質。
解決問題的手段本發(fā)明的薄膜材料包括基板、形成于基板上并包括一層或至少兩層的中間薄膜層、和形成于中間薄膜層上的單晶薄膜層。在中間薄膜層的至少一層中與單晶薄膜層相對的上表面是研磨過的。
因此，中間薄膜層中與上部薄膜層相對的上表面是通過研磨而被平滑化的，因此可提高諸如形成于研磨過的上表面上的單晶薄膜層的表面平滑性和面內取向性等性質。
本發(fā)明的超導薄膜材料包括基板、形成于基板上并包括一層或至少兩層的中間薄膜層、和形成于中間薄膜層上的單晶薄膜層。在中間薄膜層中與單晶薄膜層接觸的表面(上表面)是研磨過的。
因此，中間薄膜層中與單晶薄膜層接觸的表面是通過研磨而被平滑化的，由此諸如形成于被研磨面(ground surface)上的單晶薄膜層的表面平滑性和面內取向性能夠得到提高。在超導薄膜層例如形成為單晶薄膜層的情況下，提高的單晶薄膜層(超導薄膜層)的表面平滑性和面內取向性能夠提高諸如超導薄膜層的臨界電流值和臨界電流密度等性質。
本發(fā)明的超導薄膜材料包括基板、中間薄膜層和形成于中間薄膜層上的單晶薄膜層。中間薄膜層包括形成于基板上并且包括一層或至少兩層的下部中間薄膜層，和形成于下部中間薄膜層上并且包括一層或至少兩層的上部中間薄膜層。在下部中間薄膜層中與上部中間薄膜層接觸的表面(上表面)是研磨過的。
因此，下部中間薄膜層的上表面是通過研磨而平坦化的，因此也提高了上部中間薄膜層的上表面(與單晶薄膜層相對的上表面)的平坦性。因此，諸如形成于上部中間薄膜層上的單晶薄膜層的表面平滑性(smoothness)和面內取向性等性質能夠得到提高。在超導薄膜層例如形成為單晶薄膜層的情況下，提高的超導薄膜層的表面平滑性和面內取向性能夠提高諸如超導薄膜層的臨界電流值和臨界電流密度等性質。
制造本發(fā)明的薄膜材料的方法包括以下步驟準備基板，在基板上形成包括一層或至少兩層的中間薄膜層，研磨加工中間薄膜層的最上表面，和在加工步驟中在研磨過的中間薄膜層的最上表面上形成單晶薄膜層。
因此，能夠容易地制造本發(fā)明的薄膜材料。另外，由于能夠在已經研磨從而表現(xiàn)出優(yōu)良平坦性的中間薄膜層的最上表面上形成單晶薄膜層，所以能夠提高單晶薄膜層的表面平滑性和面內取向性。
制造本發(fā)明的薄膜材料的方法包括以下步驟準備基板，在基板上形成包括一層或至少兩層的下部中間薄膜層，研磨加工下部中間薄膜層的最上表面，在加工步驟中在研磨過的下部中間薄膜層的最上表面上形成包括一層或至少兩層的上部中間薄膜層，和在上部中間薄膜層上形成單晶薄膜層。
因此，能夠容易地制造本發(fā)明的薄膜材料。另外，由于下部中間薄膜層的最上表面(上表面)是通過研磨而平坦化的，所以上部中間薄膜層的上表面(與單晶薄膜層相對的表面)的平坦性也得到了提高。因此，能夠提高諸如形成于上部中間薄膜層上的單晶薄膜層的表面平滑性和面內取向性等性質。
發(fā)明效果如上所述，根據(jù)本發(fā)明，能夠獲得具有表面平滑性和面內取向性優(yōu)良的單晶薄膜層的薄膜材料。


圖1是部分橫截面示意圖，其示出了本發(fā)明的超導線材的第一實施方案。
圖2是說明制造圖1所示超導線材的方法的流程圖。
圖3是部分橫截面示意圖，其示出了圖1所示超導線材的第一實施方案的變化形式。
圖4是說明制造圖3所示超導線材的方法的流程圖。
圖5是部分橫截面示意圖，其示出了本發(fā)明的超導線材的第二實施方案。
圖6是說明制造圖5所示超導線材的方法的流程圖。
圖7是部分橫截面示意圖，其示出了本發(fā)明的超導線材的第三實施方案。
圖8是說明制造圖7所示超導線材的方法的流程圖。
圖9是部分橫截面視示意圖，其示出了圖7所示本發(fā)明的超導線材的第三實施方案的變化形式。
圖10是部分橫截面示意圖，其示出了本發(fā)明的超導線材的實施例2。
附圖標記說明1超導線材，2基板，3、3a-3f中間層，4超導層，10、20被研磨面，30、40上表面具體實施方式
下文參考附圖描述本發(fā)明的實施方案。在以下附圖中，相同或相應的組件由相同的標號表示，并且不重復其描述。
第一實施方案參考圖1和2，描述本發(fā)明的超導線材的第一實施方案。
如圖1所示，超導線材1由基板2、中間層3和超導層4構成?；?為長條形。中間層3的上表面為已經進行過研磨加工的表面，即被研磨面10。因此，超導層4形成在具有優(yōu)良表面平滑性的中間層3的上表面(被研磨面10)上，并因此提高了超導層4的表面平滑性和面內取向性。因此，能夠獲得表現(xiàn)出優(yōu)良超導性質(臨界電流值和臨界電流密度)的超導線材1。
然后參考圖2，描述制造圖1所示超導線材1的方法。根據(jù)制造圖1所示超導線材1的方法，首先進行準備基板的步驟，如圖2所示(S10)。具體地，準備用作超導線材1的基底的基板2。對于該基板2，可使用由如鎳等金屬制成的條狀金屬帶。
接下來，進行形成中間層的步驟(S20)。在所述形成中間層的步驟(S20)中，在準備的基板2上形成由氧化物制成的中間層3。對于該中間層3，例如可使用具有晶體結構如巖鹽型、螢石型、鈣鈦礦型或燒綠石型結構的氧化物。作為在形成中間層3的步驟(S20)中所用的膜沉積方法，可使用任意的膜沉積方法。例如可使用如脈沖激光沉積(PLD)等物理氣相沉積方法。
然后，進行平坦化步驟(S30)。在該平坦化步驟(S30)中，使用CMP(化學機械拋光)，以預定的厚度除去上述中間層3的上表面層，從而完成平坦化。作為用于平坦化的方法，可使用任何的方法如濕蝕刻或機械拋光來代替上述CMP。
此時，平坦化的中間層3的被研磨面10(見圖1)的表面粗糙度(Ra)為至多20nm，更優(yōu)選至多5nm。
此后，進行在其上表面被平坦化的中間層3上形成超導層的步驟(S40)。作為在形成超導層4的步驟(S40)中所用的膜沉積方法，可使用任何的膜沉積方法。如在形成中間層3中所用的，可使用如脈沖激光沉積等物理氣相沉積方法。另外，在形成超導層4的步驟中，可使用上述PLD或ISD。
用這種方式可獲得圖1所示的超導線材。
參考圖3，描述本發(fā)明超導線材的第一實施方案的變化形式。
圖3所示超導線材1的結構基本上與圖1所示超導線材1的類似，所不同的是中間層3的結構。具體地，在圖3所示的超導線材1中，中間層3由下部中間層3a和上部中間層3b這兩層構成。上部中間層3b的上表面為已經進行過研磨的被研磨面10，與圖1所示中間層3的上表面相同。以上述方式構成的該超導線材1也可提供與圖1所示超導線材類似的效果。
參考示出說明制造超導線材方法的流程圖的圖4和2，描述制造圖3所示超導線材1的方法。此處，圖4說明形成圖3所示超導線材1的中間層3的方法。
首先，進行準備圖2所示基板的步驟(S10)。此后，作為形成中間層的步驟，進行形成圖4所示的下部中間層的步驟(S21)。在形成下部中間層3a的該步驟(S21)中，正如形成圖2所示中間層的步驟(S20)中所用的方法那樣，可使用任意的膜沉積方法。
其次，進行形成上部中間層的步驟(S22)。同樣，在形成上部中間層3b的該步驟(S22)中，可使用任意的膜沉積方法。
然后，可進行使上部中間層3b的上表面平坦化的平坦化步驟(S30)(見圖2)，和形成超導層的步驟(S40)(見圖2)。這樣能夠獲得圖3所示的超導線材。
第二實施方案參考圖5，描述本發(fā)明超導線材的第二實施方案。
如圖5所示，超導線材1的結構基本上與圖1所示超導線材1的類似，所不同的是基板2的上表面為通過研磨而平坦化的被研磨面20。同樣以此方式，可提供與圖1所示超導線材類似的效果。另外，由于基板2的上表面也被平坦化，所以能夠進一步提高以最高水平形成的超導層4的面內取向性。因此，能夠進一步提高超導層4的臨界電流值和臨界電流密度。
參考圖6，描述制造圖5所示超導線材的方法。
根據(jù)圖6所示制造超導線材的方法，正如圖2所示制造超導線材的方法那樣，首先進行準備基板的步驟(S10)。然后，進行使基板表面平坦化的平坦化步驟(S50)。在該平坦化步驟(S50)中，可使用任意的平坦化方法。例如可使用如CMP、濕蝕刻和機械拋光的方法中的任一種。
此處，被平坦化的基板2被研磨面20的表面粗糙度(Ra)為至多20nm，更優(yōu)選至多5nm。
此后，與圖2所示制造超導線材的方法類似，進行形成中間層的步驟(S20)、通過研磨中間層的上表面來進行平坦化的平坦化步驟(S30)、和形成超導層的步驟(S40)。以此方式可獲得圖5所示的超導線材1。
第三實施方案參考圖7，描述本發(fā)明的超導線材的第三實施方案。
圖7所示超導線材1的結構基本上與圖3所示超導線材的類似，所不同的是被研磨面10形成在中間層3中的下部中間層3a的上表面上，而不是中間層3中的上部中間層3b的上表面上，并且研磨基板2的上表面以形成被研磨面20。以上述方式構成的超導線材1也可提供與圖3所示超導線材1類似的效果。另外，由于基板2的上表面也是被平坦化的被研磨面20，所以能夠進一步提高中間層3的上表面的平坦性。因此，可進一步提高超導層4的面內取向性。因此，可進一步提高諸如超導層4的臨界電流值和臨界電流密度的性質。
參考圖8，描述制造圖7所示超導線材1的方法。
如圖8所示，根據(jù)制造超導線材的方法，與圖2所示制造超導線材的方法類似，首先進行準備基板的步驟(S10)。然后，如同圖6所示制造超導線材的方法，進行基板表面的平坦化步驟(S50)。對于該平坦化步驟(S50)，可使用任意的平坦化方法。例如，可使用CMP，以預定的厚度除去基板2的表面層。
此后，進行在基板2的被研磨面20上形成下部中間層的步驟(S21)。這樣形成下部中間層3a(見圖7)。
接著，通過使用拋光例如以部分除去下部中間層的上表面并由此完成平坦化，來進行平坦化步驟(S30)。對于該平坦化步驟(S30)，例如可使用CMP。以此方式，在下部中間層3a的上表面形成被研磨面10(見圖7)。
隨后，進行在下部中間層3a的被研磨面10上形成上部中間層3b的步驟(S22)。此處，對于形成下部中間層的步驟(S21)和形成上部中間層的步驟(S22)，可使用任意的膜沉積方法。例如可使用諸如脈沖激光沉積等物理氣相沉積。
然后，進行在上部中間層3b上形成超導層4的步驟(S40)。以此方式可獲得圖7所示的超導線材。
應該指出，如圖9所示，下部中間層3a和上部中間層3b各自可包括多層(圖9中為兩層)。參考圖9，描述圖7所示超導線材1的變化形式。
如圖9所示，超導線材1的結構基本上與圖7所示超導線材1的類似，所不同的是下部中間層3a和上部中間層3b的結構。具體地，在圖9所示的超導線材1中，下部中間層3a由形成于基板2被研磨面20上的第一中間層3c，和形成于該第一中間層3c上的第二中間層3d構成。另外，第二中間層3d的上表面為被研磨面10。而且，圖9所示的上部中間層3b由形成于第二中間層3d上的第三中間層3e，和形成于該第三中間層3e上的第四中間層3f構成。
以上述方式構成的超導線材1也可提供與圖7所示超導線材1類似的效果。
雖然圖9所示的上部中間層3b和下部中間層3a各自由多層構成(圖9中為兩層，但是上部中間層3b和下部中間層3a各自可由至少三層的任意數(shù)量的層)構成，下部中間層3a可由多層構成，同時上部中間層3b可為如圖7所示的單層。相反地，上部中間層3b可由多層構成，并且下部中間層3a可為如圖7所示的單層。
上述本發(fā)明的作為薄膜材料實例的超導線材的特征結構總結如下。作為薄膜材料的如圖1、3、5、7和9所示的超導線材1包括基板2、形成于基板上的、包括一層或至少兩層的中間薄膜層(中間層3)、和形成于中間薄膜層(中間層3)上的單晶薄膜層(超導層4)。在中間薄膜層(中間層3)的至少一層中與單晶薄膜層(超導層4)相對的上表面(例如圖1、3和5所示的被研磨面10)是研磨過的。因而，中間層3中與超導層4相對的上表面是通過研磨而被平滑化的，從而能夠提高諸如形成于研磨過的上表面(被研磨面10)上的超導層4的表面平滑性和面內取向性等性質。
例如如圖1、3和5所示，本發(fā)明的作為薄膜材料的超導線材1包括基板2、形成于基板上并包括一層或至少兩層的中間薄膜層(中間層3)、和形成于中間薄膜層(中間層3)上的單晶薄膜層(超導層4)。在中間薄膜層(中間層3)中與單晶薄膜層(超導層4)接觸的表面(被研磨面10)是研磨過的。
因此，中間薄膜層(中間層3)中與超導層4相對的上表面(被研磨面10)是通過研磨而平滑化的，因而諸如形成于研磨過的上表面(被研磨面10)上的單晶薄膜層(超導層4)的表面平滑性和面內取向性等性質得到提高。因此，提高的超導層4的表面平滑性和面內取向性可提高諸如超導超導線材1的臨界電流值和臨界電流密度等性質。
如圖7和9所示，作為薄膜材料的本發(fā)明的超導線材1括基板2、中間薄膜層(中間層3)和形成于中間層3上的單晶薄膜層(超導層4)。中間層3包括形成于基板2上并包括一層或至少兩層的下部中間薄膜層(圖7所示的下部中間層3a或圖9所示的由第一和第二中間層3c、3d構成的下部中間層3a)，和形成于下部中間薄膜層(下部中間層3a)上并包括一層或至少兩層的上部中間薄膜層(圖7所示的上部中間層3b或圖9所示的由第三和第四中間層3e、3f構成的上部中間層3b)。在下部中間薄膜層(下部中間層3a)中與上部中間薄膜層(上部中間層3b)接觸的上表面(被研磨面10)是研磨過的。
因此，下部中間層3a的上表面是通過研磨而平坦化的，因此可提高上部中間層3b的上表面(與超導層4相對的表面)的平坦性。因此，可提高性質例如形成于該上部中間層3b上的單晶薄膜層(超導層4)的表面平滑性和面內取向性。提高的超導層4的表面平滑性和面內取向性可提高性質例如超導層4的臨界電流值和臨界電流密度。
關于上述超導線材1，例如圖5、7和9所示，與中間薄膜層(中間層3)相對的基板2的上表面(被研磨面20)可以是研磨過的。在這種情況下，由于基板2的上表面是預先研磨過的，所以能夠提高形成于被研磨面(被研磨面20)上的中間層3上表面(與超導層4相對)的平坦性，或為中間層3組件的下部中間層3a上表面的平坦性。因此，在與超導層4相對的中間層3的上表面上進行研磨步驟(圖6所示的平坦化步驟(S30))，或者在下部中間層3a的上表面上進行研磨步驟(圖8所示的平坦化步驟(S30))的情況下，可實現(xiàn)充分的平坦性而保持小的研磨量。以這種方式，可縮短制造超導線材1的方法所耗費的時間，并因此可降低超導線材1的制造成本。
另外，在對中間層3的上表面或下部中間層3a的上表面進行與基板2的表面沒有被研磨的情況下同樣地進行研磨時，在研磨中間層或下部中間層的上表面之前，確保中間層3的上表面(或下部中間層3a的上表面)的平坦性到一定程度。因此，可進一步提高中間層3的上表面(或下部中間層3a的上表面)的平坦性和中間層3的取向性。因此，可進一步提高性質如形成于中間薄膜層(中間層3)上的單晶薄膜層(超導層4)的表面平滑性和面內取向性。
關于上述薄膜材料(超導線材1)，單晶薄膜層(超導層4)是超導薄膜層。在這種情況下，作為提供為薄膜材料提供的超導線材1的結構，可使用本發(fā)明的薄膜材料的結構。因此，超導薄膜層(超導層4)可形成為例如圖1和3所示的單晶薄膜層，從而獲得具有優(yōu)良表面平滑性和面內取向性的超導薄膜層(超導層4)。因此，能夠獲得具有優(yōu)良性質如臨界電流值和臨界電流密度的超導薄膜層(超導層4)。
關于上述超導線材1，基板2可由金屬制成。另外，基板2可為長條形。中間層3可由具有晶體結構的氧化物制成，該晶體結構為巖鹽型、螢石型、鈣鈦礦型和燒綠石型之一。例如，中間層3可由YSZ(氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯)、稀土元素的氧化物例如CeO2、BZO(BaZrO3)、STO(SrTiO3)或Al2O3制成。如圖3、7和9所示，在中間層3由多層構成的情況下，構成中間層3的中間層3a-3f可由彼此不同的各個材料制成。超導層4可由RE123型超導體制成。因此，由于中間層3和超導層4在由柔性金屬制成的基板2上形成，可得到例如容易變形、彎曲的超導線材1，并且其用作具有大的臨界電流值和臨界電流密度的超導薄膜材料。
作為制造本發(fā)明的薄膜材料的方法，制造超導線材1的方法包括以下步驟準備基板(S10)，在基板上形成作為包括一層或至少兩層的中間薄膜層3的中間層3(S20，S21，S22)，研磨加工中間層3的最上表面(圖2和6中的平坦化步驟S30)，和在加工步驟中研磨過的中間層3的最上表面(被研磨面10)上形成單晶薄膜層，即形成作為超導薄膜層的超導層4的步驟(圖2和6中形成超導層的步驟)(S40)。因此，可容易地制造作為本發(fā)明薄膜材料的超導線材1。另外，由于可在研磨過從而表現(xiàn)出優(yōu)良平坦性的中間層3的最上表面上形成單晶薄膜層(超導層4)，所以能夠提高超導層4的表面平滑性和面內取向性。因此，可提高性質如超導層4的臨界電流值和臨界電流密度。
作為制造本發(fā)明的薄膜材料的方法，制造超導線材1的方法包括以下步驟準備基板(S10)，在基板上形成作為包括一層或至少兩層的下部中間薄膜層的下部中間層3a(圖8中的步驟S21)，研磨加工下部中間層3a的最上表面(圖8中的平坦化步驟S30)，在加工步驟中研磨過的下部中間層3a的最上表面上形成包括一層或至少兩層的上部中間薄膜層(上部中間層3b)(圖8中的步驟S22)，和在上部中間層3b上形成單晶薄膜層(超導層4)，即形成超導薄膜層(圖8中形成超導層的步驟S40)。以此方式，可容易地制造本發(fā)明的超導線材1。另外，由于下部中間層3a的最上表面(上表面)是通過研磨而平坦化的，也提高了上部中間層3b的上表面(與超導層4相對的表面)的平坦性。因此，可提高性質如形成于該上部中間層3b上的超導層4的表面平滑性和面內取向性。因此，可提高性質如超導層4的臨界電流值和臨界電流密度。
上述制造超導線材1的方法還包括研磨基板2表面的基板加工步驟(圖6和8中所示使基板表面平坦化的步驟S50)。在這種情況下，由于基板2的表面是預先研磨的，所以能夠提高形成于被研磨面(被研磨面20)上的中間層3表面(與超導層4相對)，或作為中間層3組件的下部中間層3a上表面的平坦性。因此，在與超導層4相對的中間層3的上表面是研磨過的，或研磨下部中間層3a上表面是研磨過的情況下，可實現(xiàn)充分的平坦性同時保持小的研磨量。另外，在對中間層3的上表面或下部中間層3a的上表面進行與基板2的表面沒有被研磨的情況下同樣地進行研磨時，由于在研磨中間層或下部中間層的上表面之前，確保中間層3的上表面(或下部中間層3a的上表面)的平坦性到一定程度，可進一步提高中間層3的上表面(或下部中間層3a的上表面)的平坦性和中間薄膜層的取向性。
實施例1為了證實本發(fā)明的效果，進行以下實驗。具體地，準備對比例的樣品以及實施例的樣品1和2，如下所述測量每個樣品的超導層的臨界電流密度。
表1示出了每個樣品的部分性質和測量的臨界電流密度值。


在對比例與實施例1和2中，基板、形成于基板上的中間層和形成于中間層上的超導層形成如圖1所示的三層結構。對于基板，使用鎳(Ni)合金基板。該Ni合金基板具有98nm的表面粗糙度。對于中間層，通過脈沖激光沉積在Ni合金基板上沉積氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯(YSZ)。YSZ的厚度為1μm。另外，對于超導層，使用HoBa2Cu3Oy(y為約6～7，更優(yōu)選約7)的氧化物超導體。該材料在下文中簡稱為HoBCO。在對比例和實施例1、2中，分別通過脈沖激光沉積使該超導層沉積至0.25μm的膜厚度。
確定每個樣品的結構。關于對比例的樣品，在上述Ni合金基板上，將YSZ作為中間層直接沉積至1μm，而沒有進行基板的表面研磨等加工。然后，沒有進行如研磨YSZ的中間層的上表面等加工，通過脈沖激光沉積在中間層上使HoBCO超導層沉積至0.25μm的厚度。
對于實施例1的樣品，如對對比例的樣品所進行的那樣，在Ni合金基板上，通過脈沖激光沉積將YSZ作為中間層沉積至1μm。然后，通過CMP研磨該中間層的上表面，以除去上表面0.25μm的厚度。該研磨過程可為兩步研磨過程。具體地，第一步為使用普通漿料的CMP，用于以預定的厚度除去中間層的上表面，隨后的第二步是研磨中間層的上表面，使用研磨布與水代替漿料(機械研磨)。根據(jù)方法，首先使用普通漿料來進行普通CMP，從而在測定研磨速度(每單位時間通過研磨除去的厚度)下進行研磨，然后使用水代替漿料來進行機械研磨，因而在控制通過研磨而除去的厚度方面的精確度得到提高，同時降低研磨速度。因此，可同時一定程度地縮短研磨所需的加工時間，以及提高在控制除去厚度方面的精確度。另外，對于這種研磨，可使用任何機械研磨方法代替CMP，或可使用另一種任意方法(例如濕蝕刻)。在已進行這種研磨的中間層上，如對比例中所進行的，通過脈沖激光沉積使HoBCO超導層沉積至0.25μm的膜厚度。
對于實施例2的樣品，通過CMP研磨Ni合金基板的表面，以對基板進行表面研磨，在Ni合金基板表面的研磨過程中，可使用可用于上述中間層研磨過程的任何的研磨方法。另外，在基板表面的研磨過程中，通過除去表面5μm的厚度來研磨基板表面。因此，基板表面具有2.5nm的表面粗糙度(Ra)。在已進行過研磨過程的基板表面上，通過脈沖激光沉積使YSZ作為中間層沉積至1μm的厚度。然后，通過除去表面0.25μm的厚度，用CMP研磨作為中間層的YSZ的上表面。另外，在已進行過研磨過程的作為中間層的YSZ上，通過脈沖激光沉積使HoBCO超導層沉積至0.25μm的厚度。
從表1看出，與對比例相比，作為中間層的YSZ表面粗糙度值在實施例1、2中較小。另外，實施例1和實施例2之間作為中間層的YSZ表面粗糙度的比較表明，實施例2中的值小于實施例1中的值。其原因似乎是，通過研磨基板表面，使實施例2中用作下層的基板表面粗糙度的值小于實施例1的值。
從表1也看出，實施例1和2中用作中間層的YSZ層的半寬度值小于對比例中的該值。此外，實施例2中用作中間層的YSZ層的半寬度值小于實施例1中的該值。換句話說，可見，實施例2中的樣品在YSZ層的晶體取向性上最優(yōu)異。此處，半寬度(ΔΦ)是指由X射線極圖測量的特征值，其為指示YSZ層晶體取向性的特征值。
另外，分別對測量對比例和實施例1和2的超導層的臨界電流密度。結果，從表1看出，對比例中超導層的臨界電流密度為0，而實施例1中的為0.7，實施例2中的為2.1。換句話說，可見，實施例2中的臨界電流密度大于實施例1中的臨界電流密度。
實施例2生產如圖10所示的超導線材1，作為本發(fā)明薄膜材料的優(yōu)選實施例。參考圖10，描述了本發(fā)明的超導線材1。
如圖10所示，本發(fā)明的超導線材1具有形成于基板2上的第一中間層3c。在第一中間層3c上形成第二中間層3d。下部中間層3a由第一中間層3c和第二中間層3d構成。在第二中間層3d上形成上部中間層3b。在上部中間層3b上形成超導層4。
基板2的上表面為已經研磨過的被研磨面20。第二中間層3d的上表面(即下部中間層3a的上表面)為已經研磨過的被研磨面10。對于研磨方法，如對實施例1所述，使用CMP。作為替代，可使用其它任意的研磨方法。
對于基板2，使用Ni合金基板作為金屬基板的實例。另外，對于用于第一中間層3c的材料，使用氧化鈰。該第一中間層3c是所謂的種層(seedlayer)，其用于對例如第二中間層3d提供良好的取向性，并且其它材料也可用于第一中間層。第一中間層3c可具有例如至多1μm的厚度T1。
對于用于第二中間層3d的材料，使用YSZ。第二中間層3d形成為防擴散層(anti-diffusion layer)，其用于防止上方形成的超導層4的構成元素向基板2擴散。為了能夠確實表現(xiàn)出這種防擴散性能，將第二中間層3d的厚度T2設定為比其它中間層的各個厚度(第一中間層3c的厚度T1和上部中間層3b的厚度T3)相對更大。例如，第二中間層3d的厚度T2可為至多4μm。對于用于第二中間層3d的材料，可使用任何的材料代替YSZ。
對于用于上部中間層3b的材料，例如使用氧化鈰。上部中間層3b是所謂的晶格匹配層，其提供的目的是形成具有與超導層4的晶格常數(shù)相對接近的晶格常數(shù)的層，從而在上部中間層的上表面上形成具有良好取向性的超導層4。上部中間層3b的厚度T3可為例如至多1μm。對于用于上部中間層3b的材料，可使用任何的材料代替氧化鈰。
對于超導層4，使用HoBCO超導層。如對實施例1的樣品所進行的，通過脈沖激光沉積使該HoBCO超導層沉積。HoBCO超導層的厚度可為例如0.25μm。
基板2的上表面為被研磨面20，其已經使用例如CMP被研磨過了，并可具有例如2.5nm的表面粗糙度(Ra)。因而，基板2的上表面為被研磨面20，因此可確保用作中間層3(例如第二中間層3d)的底層的基板2上表面的平坦性。結果，能夠減小中間層3的將被研磨表面的初始表面粗糙度。因此，在中間層3(例如第二中間層3d)的(上)表面被研磨以獲得預定表面粗糙度的情況下，可減少研磨量，因而可縮短超導線材的制造過程所需的時間。另外，由于用作底層的基板2上表面為具有良好平坦性的被研磨面20，能夠提高中間層(尤其是下部中間層3a)的取向性。
而且，第二中間層3d的上表面也是被研磨面10，其是已經使用例如CMP進行過研磨加工的。第二中間層3d的表面粗糙度(Ra)可為例如2.1nm。因此，第二中間層3d的上表面是被研磨面10，從而能夠提高形成于第二中間層3d上的層(上部中間層3b和超導層4)的取向性。
此外，如上所述，第二中間層3d用作防擴散層，因而具有相對大的厚度T2。在膜厚度T2如此大的情況下，膜厚度T2越大，第二中間層3d的上表面的平坦性往往越差。換句話說，在第一中間層3c、第二中間層3d和上部中間層3b的各個底層相同的情況下，第二中間層3d的上表面往往具有最大的表面粗糙度。因此，能夠研磨具有最大表面粗糙度(最差平坦性)的第二中間層3d的上表面以提供被研磨面10，從而最有效地獲得具有優(yōu)良平坦性的中間層3。
而且，由于研磨過程的原因，第二中間層3d的上表面(被研磨面10)會使應力累積。在超導層4直接形成于該被研磨面10上的情況下，諸如應力等缺陷的存在可能會影響例如超導層4的取向性。因此，在被研磨面10上形成上部中間層3b，并在該上部中間層3b上形成超導層4。因此，即使被研磨面10中存在這種缺陷，可防止超導層4的膜性質(如取向性)受到影響。
在如圖10所示的超導線材1中，可僅研磨第二中間層3d的上表面。例如，如果第二中間層3d的厚度T2足夠小，可僅研磨基板2的上表面以形成被研磨面20。
另外，例如可研磨第一中間層3c的上表面30或上部中間層3b的上表面40，以提供被研磨面。例如，第一中間層3c的上表面30可為被研磨面，以進一步提高第二中間層3d和上部中間層3b的取向性。另外，例如形成于第一中間層3c上的第二中間層3d的上表面初始狀態(tài)的平坦性能夠得到提高，從而在用于研磨第二中間層3d的上表面以提供預定表面粗糙度的研磨過程中，能夠減少研磨量。而且，當上部中間層3b的上表面40被提供為被研磨面時，可進一步提高超導層4的取向性。
應該認為，此處公開的實施方案和實施例是以說明和舉例的方式從各個方面而提出的，而并非限制。本發(fā)明的范圍并非意圖由實施方案限定，而由權利要求限定，并包括與權利要求相當?shù)暮x和范圍中的所有變化形式。
工業(yè)實用性本發(fā)明適應于具有單晶薄膜層的薄膜材料。尤其是，本發(fā)明適應于具有單晶薄膜層如超導層的薄膜材料，該超導層需要具有優(yōu)良的性質如表面平滑性和面內取向性。
權利要求
1.薄膜材料(1)，包括基板(2)；形成于所述基板(2)上并包括一層或至少兩層的中間薄膜層(3)；和形成于所述中間薄膜層(3)上的單晶薄膜層(4)，其中在所述中間薄膜層(3)的至少一層中與所述單晶薄膜層(4)相對的上表面(10)是研磨過的。
2.薄膜材料(1)，包括基板(2)；形成于所述基板(2)上并包括一層或至少兩層的中間薄膜層(3)；和形成于所述中間薄膜層(3)上的單晶薄膜層(4)，其中在所述中間薄膜層中與所述單晶薄膜層接觸的表面(10)是研磨過的。
3.薄膜材料(1)，包括基板(2)；中間薄膜層(3)，其包括形成于所述基板(2)上并且包括一層或至少兩層的下部中間薄膜層(3a)，和形成于所述下部中間薄膜層(3a)上并且包括一層或至少兩層的上部中間薄膜層(3b)；和形成于所述中間薄膜層(3)上的單晶薄膜層(4)，其中在所述下部中間薄膜層(3a)中與所述上部中間薄膜層(3b)接觸的表面(10)是研磨過的。
4.根據(jù)權利要求1～3中任一項的薄膜材料，其中在所述基板(2)中與所述中間薄膜層(3)相對的上表面(20)是研磨過的。
5.根據(jù)權利要求1～3中任一項的薄膜材料，其中所述單晶薄膜層(4)為超導薄膜層。
6.根據(jù)權利要求5的薄膜材料，其中所述基板(2)由金屬制成，所述中間薄膜層(3)由具有晶體結構的氧化物制成，該晶體結構為巖鹽型、螢石型、鈣鈦礦型和燒綠石型之一，和所述超導薄膜層(4)由RE-123型超導體制成。
7.制造薄膜材料的方法，包括以下步驟準備基板(2)(S10)；在所述基板(2)上形成包括一層或至少兩層的中間薄膜層(3)(S20，S21，S22)；研磨加工所述中間薄膜層(3)的最上表面(S30)；和在所述加工步驟中研磨過的所述中間薄膜層(3)的最上表面上形成單晶薄膜層(4)(S40)。
8.制造薄膜材料的方法，包括以下步驟準備基板(2)(S10)；在所述基板(2)上形成包括一層或至少兩層的下部中間薄膜層(3a)(S21)；研磨加工所述下部中間薄膜層(3a)的最上表面(S30)；在所述加工步驟(S30)中研磨過的所述下部中間薄膜層(3a)的最上表面上形成包括一層或至少兩層的上部中間薄膜層(3b)(S22)；和在所述上部中間薄膜層(3b)上形成單晶薄膜層(4)(S40)。
9.根據(jù)權利要求7或8的制造薄膜材料的方法，還包括研磨所述基板表面的基板加工步驟(S50)。
10.根據(jù)權利要求7或8的制造薄膜材料的方法，其中所述形成所述單晶薄膜層的步驟(S40)是形成超導薄膜層的步驟。
全文摘要
本發(fā)明披露了薄膜材料和制造該薄膜材料的方法，用該方法能夠提高形成于基板上的膜的性質。超導線材1包括基板2、形成于基板上并包括一層或至少兩層的中間薄膜層(中間層3)、和形成于中間薄膜層(中間層3)上的單晶薄膜層(超導層4)。在中間薄膜層(中間層3)的至少一層中與單晶薄膜層(超導層4)相對的上表面(被研磨面10)是研磨過的。
文檔編號H01B12/06GK1997779SQ20058002397
公開日2007年7月11日 申請日期2005年6月14日 優(yōu)先權日2004年7月16日
發(fā)明者母倉修司, 大松一也 申請人:住友電氣工業(yè)株式會社, 財團法人國際超電導產業(yè)技術研究中心