JP2008269852A - エピタキシャル薄膜形成用のクラッド配向金属基板及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【解決課題】従来以上の配向性を有し、かつ、高強度のエピタキシャル薄膜形成用の配向基板及びその製造方法を提供する。
【解決手段】本発明は、金属層と、前記金属層の少なくとも一方の面に接合されたニッケル層とからなるエピタキシャル薄膜形成用のクラッド配向金属基板であって、前記ニッケル層は、結晶軸のずれ角Δφが、Δφ≦７°である｛１００｝〈００１〉立方体集合組織を有し、かつ、前記ニッケル層のニッケル純度が９９．９％以上であるエピタキシャル薄膜形成用のクラッド配向金属基板である。この配向金属基板は、純度９９．９％以上のニッケル板を冷間加工、熱処理して配向化熱処理を行った後、金属板と配向化処理したニッケル板とを表面活性化接合で接合することにより製造される。
【選択図】 図２

Description

本発明は、エピタキシャル薄膜形成用の配向基板及びその製造方法に関し、詳細には、所定の配向組織を有するニッケル層を備え、高品位かつエピタキシャル成長させることができると共に、強度が確保された配向基板及びその製造方法に関する。

近年、エピタキシャル結晶組織の特性に着目した薄膜が様々な分野で用いられている。例えば、エピタキシャル結晶組織を持つ超電導薄膜（酸化物超電導材料から構成されるエピタキシャル薄膜）が、各種電力機器に適用される超電導導体、超電導シールド等に使用されている。しかし、かかるエピタキシャル結晶組織を持つ超電導薄膜は加工性に乏しく所望の形状に成形することが困難である欠点を持つ。そのため、従来から、超電導材料の適用のためには適宜基板を用い、その表面上に超電導膜をエピタキシャル成長させることで用途に応じた形状の超電導体を得ている。このような超電導膜形成のための基板としては、ニッケル、ニッケル合金からなり、{１００}〈００１〉立方体集合組織を有する金属配向基板が用いられている（例えば、特許文献１、２）。超電導材料の特性は、構成する結晶の配向性に依存するものであるところ、エピタキシャル成長により形成させる結晶組織は、その基板表面の配向性の影響を受ける。ニッケル系の金属材料は、適宜の加工処理及び熱処理（再結晶）を加えることで容易に配向性に優れた基板を得ることができる。
特表２００１−５１８５６４号公報 特表２００６−５１３５５３号公報

しかしながら、上記したニッケル系材料からなるエピタキシャル薄膜形成用のクラッド配向金属基板にはいくつかの問題があり、特に強度面での問題が指摘されている。これは、配向金属基板の結晶組織は、基本的に再結晶により形成されたものであり、再結晶組織を有する金属は、金属材料一般の性質として強度低下を回避することができないことによる。そして、強度に乏しい基板は、超電導膜形成時及びその導体を使用する際において破損するおそれがある等取扱い性が悪い。

また、従来のニッケル系の基板は、配向組織を一応有するとしても必ずしも満足行くものではなかった。基板の配向性は、その上のエピタキシャル薄膜の特性に大きく影響を及ぼすものであり、できる限り配向性の良好な基板が求められる。

本発明は、以上のような背景のもとになされたものであり、従来以上の配向性を有し、かつ、高強度のエピタキシャル薄膜形成用の配向基板、及びその製造方法を提供することを目的とする。

本発明者等は、上記課題を解決すべく鋭意検討を行い、強度面の改善法として２層構造のクラッド基板を用い、エピタキシャル薄膜の成長のための基板となるニッケル層と、これを支持する金属層とからなるものとした。更に、ニッケル層の配向性については、ニッケル層の高純度化により改善が可能であることを見出し本発明に想到した。

即ち、本発明は、金属層と、前記金属層の少なくとも一方の面に接合されたニッケル層とからなるエピタキシャル薄膜形成用のクラッド配向金属基板であって、前記ニッケル層は、結晶軸のずれ角Δφが、Δφ≦７°である｛１００｝〈００１〉立方体集合組織を有し、かつ、前記ニッケル層のニッケル純度が９９．９％以上であるエピタキシャル薄膜形成用のクラッド配向金属基板である。

本発明におけるニッケル層の結晶組織は、｛１００｝〈００１〉立方体集合組織であり、その配向性の指標（配向度）として、結晶軸のずれ角Δφを基準としてΔφ≦７°となっているものである。本発明においてはニッケル層を構成する金属結晶が２軸配向するものであり、｛１００｝面が基板面に略平行であり、〈００１〉軸が基板面の長手方向に略平行に配向し、そのずれ角Δφが７°以下である。より高品位のエピタキシャル薄膜を形成するためには、Δφが７°以下とすることが必要だからである。このΔφは、できるだけ小さいものが好ましく、理想的には０°、即ち結晶軸のずれがないものであるが、生産可能性を考慮すれば０．１°以上のものが好ましい。

本発明者等によれば、ニッケル層に上記のような高い配向性を付与するためには、その純度を高純度、具体的には９９．９％以上（３Ｎ以上）とすることが必要である。ニッケル層中の不純物は、再結晶による配向化の妨げとなるからである。この点、従来の（純）ニッケルからなる金属基板は、９９．９％以下の純度であり（通常入手可能な市販のニッケルは、９９％（２Ｎ）前後のものが主流である。）、１％未満の不純物であっても再結晶時の配向を阻害する。本発明においては、ニッケル純度を９９．９（３Ｎ）％以上、好ましくは、９９．９９（４Ｎ）％以上とすることにより、ニッケル層の配向性を向上させている。

また、本発明に係るエピタキシャル薄膜形成用の配向基板においては、金属層とニッケル層との接合面が略フラットとなっており、そのうねりが１〜５００ｎｍであるものが好ましい。接合界面の凹凸が大きい場合、ニッケル層の厚さを不均一なものとする。特に、ニッケル層が薄い場合においては、わずかな凹凸でもニッケル層の厚さが不均一なものとなるが、このような場合、その上に成長させるエピタキシャル薄膜に悪影響を与えることとなる。そこで、金属層とニッケル層との接合界面は、十分に平坦化されると共に、平坦化を阻害する酸化物被膜、吸着物がない状態のものが好ましい。本発明において、うねりとは、接合面の断面観察の際にみられる凹凸であり、その大きさは隣接する波の上端と下端との間の振幅を示すものである。本発明では、断面観察（ＳＥＭ、ＴＥＭ）により測定されるうねりの平均値が１〜５００ｎｍであるものが好ましい。

また、ニッケル層の表面の面粗さＲａは、１０ｎｍ以下とすることが好ましい。ニッケル層表面の面粗さについても、その上に成長させるエピタキシャル薄膜の特性に影響を与え得るからである。この面粗さの下限値については、可能な限り小さいことが好ましいが、加工限界、効率を考慮すると０．１ｎｍ以上とすることが好ましい。

以上説明したニッケル層に対して、これを支持して基板を構成する金属層としては、ステンレス、ニッケル合金（ハステロイ合金、インコネル合金、インコロイ合金、モネル合金等）のいずれかよりなるものが好ましい。ニッケル層の強度を確保するためには、薄板状、テープ状としても十分な強度、柔軟性が必要であり、その観点から上記の材料が好適である。

尚、本発明に係る配向基板の厚さ（ニッケル層と金属層との厚さの合計）については特に限定するものではなく、製造目的となるエピタキシャル薄膜の厚さに応じて設定でき、板状、薄板状のものからテープ状（１ｍｍ以下）のものまで対応できる。また、ニッケル層、金属層の厚さについても特に限定はないが、強度確保の観点から、金属層の厚さは配向基板全体の４０％以上とするのが好ましい。また、金属層の厚さは１０μｍ以上とするのが好ましい。

本発明に係るエピタキシャル薄膜形成用の配向基板の製造においては、ニッケル層の配向性を十分なものとすると共に、ニッケル層と金属層との接合を強固なものとする必要がある。かかる要求に対して、その製造方法としては、結晶配向されたニッケル板（ニッケル板）と、金属層となる金属板とを圧接等することでクラッドする方法が考えられるが、この方法では圧接時の圧力によりニッケル層の結晶配向が乱れ、配向基板を製造するという本来の目的が達成できない。一方、まず、ニッケル板と金属板とをクラッドし、その後、熱処理をしてニッケル層の配向処理する方法も考えられるが、この場合には、配向処理の際の熱処理により金属板が軟化し、補強材としての機能を消失し、高強度という目的が達成できない。

本発明者等は、本発明にかかる配向基板の製造方法として、まず、ニッケル層となるニッケル板を配向処理し、これに表面活性化接合を用いて無加圧或いは低加圧で金属層となる金属板を接合する方法を見出した。この方法によれば、ニッケル層の配向性を維持しつつ、強固に金属板とニッケル層とを接合することができる。この製造方法は、以下の工程からなるものである。

（ａ）純度９９．９％以上のニッケル板を、９５％以上の加工率で冷間加工し、前記冷間加工で得られたニッケル板を、非酸化性雰囲気下で熱処理することで、少なくとも表面部分を、結晶軸のずれ角Δφ≦７°となる｛１００｝〈００１〉立方体集合組織とする配向化熱処理工程。
（ｂ）金属板を用意する工程。
（ｃ）前記配向化熱処理工程で得られたニッケル板、及び、前記金属板の接合面を非酸化性雰囲気下で乾式エッチングを行い、接合面の酸化物、吸着物を除去した後、ニッケル板と金属板とを無加圧又は加圧下で接合する表面活性化接合工程。

本発明に係る方法では、まず、ニッケル板を上記（ａ）工程のように、冷間加工及び熱処理して、配向化を行なう。このときのニッケル板は、純度が９９．９％（３Ｎ）以上であることが必要である。既に述べたように、ニッケル純度が低いと、十分に配向した結晶組織が得られないからである。また、ニッケル板の加工率は９５％以上、好ましくは９８％以上であり、９５％未満の加工率では十分な配向化組織を得ることができない。

冷間加工後の配向化熱処理（再結晶処理）の処理温度は、２５０℃以上、ニッケルの融点以下とすることが好ましい。２５０℃未満の熱処理では、十分な配向組織が得られない場合がある。熱処理温度の条件としては、好ましくは、３００〜７００℃である。また、熱処理時間は、１〜１０分とするのが好ましい。熱処理温度が７００℃より高い、又は熱処理時間が１０分より長い場合には、結晶粒界のグルーヴ（溝）が深くなることがあり、配向処理後にこれを除去するための研磨を要することがある。

更に、本発明者等によれば、配向化を効率的に行なうためには、配向化熱処理の対象となるニッケル板の厚さにも好ましい範囲があり、ある程度以上の厚さがあった方が好ましい。その理由は定かではないが、ニッケル板が薄すぎると、不十分な配向組織となることがある。このニッケル板の板厚は、２０μｍ以上、好ましくは３０〜２００μｍとすることが好ましい。従って、熱処理前の冷間加工後の板厚は、上記厚さ以上とすることが好ましい。

もっとも、この厚さ条件は、配向化処理を行うときのニッケル板の厚さの要求であって、金属板とクラッドした後のニッケル層厚さを規定するものではない。例えば、２０μｍ以上のニッケル板を配向化処理し、クラッド化の前又は後に、ニッケル層を切削、研磨等の加工手段により厚さ２０μｍ未満とすることで、ニッケル層の薄いクラッド配向金属基板を得ることができる。

以上のようにしてニッケル板を配向化熱処理した後、ニッケル板と接合する金属板を用意する。この金属板は、市販の板材やテープ材をそのまま利用してもよいし、圧延等加工の前処理を行なってもよい。

そして、本発明では、配向処理後のニッケル層と金属層との接合法として、表面活性化接合を適用する（上記（ｃ）工程）。表面活性化接合とは、上記説明のように、接合面（表面）の酸化物、吸着物を乾式エッチングにより除去し、素地（純金属）を露出させた直後に両者を接合する方法である。この方法は、表面に酸化物等の不純物が全くない状態の原子（分子）間で生じる金属原子間力に基づき接合する方法である。

表面活性化のための乾式エッチングの具体的な手法としては、アルゴン等のイオンビームエッチング若しくは原子ビームエッチングの他、プラズマエッチングのいずれかが適用できる。この乾式エッチングは、非酸化性雰囲気で行なうことが必要であり、特に、真空下で行なうのが好ましい。

表面活性化接合は、無加圧での接合を可能とするものであり、接合対象となる材料を重ね合わせるだけでも接合できる。但し、両材料の位置合わせ、或いは、より強固な接合のために加圧しても良い。もっとも、この場合の加圧力は、材料の変形が生じることのない程度に低圧であって、０．０１〜３００ＭＰａとするのが好ましい。また、表面活性化接合は、常温での接合が可能である。従って、接合時の加工雰囲気を加熱する必要はない。尚、乾式エッチングによって、材料表面の温度上昇がみられることはあるが、これは接合のための加熱とは異なるものである。尚、この接合の際においても、非酸化性雰囲気とすることが好ましい。

以上説明した工程により、配向組織を有するニッケル層と金属層とからなるクラッド配向金属基板を製造することができる。尚、本発明においては、ニッケル層の表面（エピタキシャル薄膜を成長させる面）の面粗さＲａが１０ｎｍ以下であることが好ましいことから、ニッケル層について、適宜の表面処理を行なうことが好ましい。このニッケル層表面の面粗さ調整の処理としては、電解研磨、機械研磨、化学研磨や化学機械研磨等の化学的研磨、電解砥粒研磨や電解機械研磨等の電解複合研磨のいずれかの研磨によるものが好ましく、少なくとも配向化処理後のニッケル板表面を研磨するのが好ましい。また、配向処理前のニッケル板の仕上げ圧延前後にも研磨を行い、配向化処理後或いはクラッドした後に再度研磨を行っても良い。

また、本発明係るクラッド基板においては、ニッケル層と金属層とのうねりが小さいものが好ましいが、このうねりの制御は、ニッケル板、金属板の圧延時に圧延ロールを平坦なものとすることで可能である。表面活性化接合による接合では、無加圧或いは低加圧での接合が可能であることから、接合前の接合面がフラットとすることでそのままの状態を維持することができる。この点、圧延に際しては、仕上げ圧延において、うねりを発生させ難い超鋼製のラップロールを用いることが好ましい。また、上記のような研磨を行っても良い。

以上説明したように、本発明に係るエピタキシャル薄膜形成用の基板は、配向組織を有するニッケル層に、金属層をクラッドしたことにより、従来の基板よりも高い強度を有する。本発明によれば、基板への超電導膜等のエピタキシャル薄膜の形成工程において、基板を破損させることなく安定的に、高品位の薄膜を形成することができる。

以下、図面等を参照しつつ、本発明の好適な実施形態について説明する。

第１実施形態：板厚３０００μｍのテープ状のニッケル板（ニッケル純度；９９．９９％）を用意し、これを圧延ロールで加工率９９％に設定して、板厚３０μｍに冷間圧延（室温）した。このとき、超鋼のラップロールで仕上げ圧延を行い、仕上げ圧延の前に電解研磨を行った。電解研磨は、硫酸系電解液中、電流密度３５Ａ／ｄｍ^２で３０秒間の条件で行った。圧延後、ニッケル板を熱処理して結晶組織を配向化した。この熱処理は、窒素ガス９５％と水素ガス５％とからなる雰囲気中で温度２５０℃、１０分間加熱することにより行った。

次に、ニッケル板にクラッドする金属板を用意した。金属板は、事前に圧延された厚さ１００μｍのテープ状のステンレス（ＳＵＳ３０４）板を用意した。

そして、ニッケル板、金属板を表面活性化接合によりクラッド板とした。図１は、本実施形態で使用した表面活性化接合装置１００を示す。表面活性化装置１００は、真空装置であって、エッチングチャンバ２２Ａ、２２Ｂと、真空槽１に真空シーリングされるようにして区切られている。エッチングチャンバ２２Ａ、２２Ｂはそれぞれ、ニッケル板２０Ａと金属板２０Ｂを乾式エッチングするために機能する。また、真空槽１、エッチングチャンバ２２Ａ、２２Ｂは、それぞれ排気ポンプユニット９、２５に接続されている。

電極ロール６Ａ、６Ｂは、ニッケル板２０Ａ及び金属板２０Ｂを保持すると共に通電するためのものである。これらの電極ロールは、その一部がエッチングチャンバ２２Ａ、２２Ｂに突き出すように配置されている。そして、エッチングチャンバ２２Ａ、２２Ｂ外壁の所定箇所には、電極ロール６Ａ、６Ｂに通電するための電極（図示せず）が設けられている。そして、各電極との間に高電圧を付与する電源部７Ａ、７Ｂが設置されている。

真空槽１内には、乾式エッチング処理前のニッケル板２０Ａ、金属板２０Ｂを巻き出す巻出しリール３Ａ、３Ｂが設置されている。また、乾式エッチングされ接合されたニッケル板２０Ａ及び金属板２０Ｂを巻取る巻取りロール５が設置される。

この表面活性化接合装置１００では、巻出しリール３Ａ、３Ｂから巻き出されたニッケル板２０Ａ、金属板２０Ｂが、電極ロール６Ａ、６Ｂの外周面にそれぞれ張架され、エッチングチャンバ２２Ａ、２２Ｂ内で高電圧が負荷され、室内に封入されたアルゴンガス等の不活性ガスがグロー放電され、不活性ガス分子が高電圧によりニッケル板２０Ａ、金属板２０Ｂの表面を叩きつけエッチングする。これにより、表面の酸化物、吸着物は除去され、清浄かつ平坦な表面を得ることができる。その後、活性化されたニッケル板２０Ａ、金属板２０Ｂは、巻取りリール５の巻取り動作とともに接合され、クラッド配向金属基板３０が製造されていく。本実施形態においては、乾式エッチングの条件を以下のとおりとした。

・エッチング方式：アルゴンビームエッチング
・真空度：１０^−５Ｐａ
（真空槽、エッチングチャンバ内はアルゴンガス雰囲気下）
・印加電圧：２ｋＶ
・エッチング時間：５分間
・クラッド時加圧力：２ＭＰａ

以上により製造したクラッド配向金属基板を回収し、上記と同様の条件にてニッケル層表面の電解研磨を行った。その後、ニッケル層の配向性、接合界面の状態を確認した。

第２実施形態：第１実施形態と同様のニッケル板について、配向化のための熱処理温度を２００℃に変更し、その他の条件は第１実施形態と同じにしてクラッド配向金属基板を製造した。

比較例１：上記実施形態に対して、配向化処理の温度の影響を検討するため、熱処理温度を２００℃とし、その他の条件は第１実施形態と同じにして基板を製造した。

比較例２：ここでは、第１実施形態のニッケル板（純度９９．９９％）に対し、純度の低い市販のニッケル板（純度９９．５％）を用いてクラッド配向金属基板を製造した。製造条件は、第１実施形態と同様とした。

配向性の評価：以上製造した基板について、ニッケル層の配向性を検討した。この検討は、Ｘ線極点図解析（ＸＰＦＡ）により行った。図２〜図５は、各試料の（１１１）面のＸ線極点図を示すものである。これらの図からわかるように、第１実施形態、第２実施形態で製造したクラッド基板のニッケル層は、独立した４つのピークが明瞭に現れており、良好な配向性を有することが確認された。そして、ずれ角Δφを、φスキャンを行いそのピークの半値幅（ＦＷＨＭ）によりΔφを求めたが、これらの試料のニッケル層のずれ角Δφは、６．０°、６．５°であった。

一方、比較例１のように、配向化熱処理の温度を低温とした場合、配向性は不十分なものとなることがわかった。また、比較例２のニッケル純度が低いクラッド配向金属基板においては、ある程度配向した組織を有するものの、実施形態のような完全な配向性を有するものではないことが確認された。このことから通常の市販のニッケル板をもとに配向化熱処理を行なっても満足する結晶組織を有する基板を得ることが困難であることが確認された。

図６は、第１実施形態に係るクラッド基板の接合界面を示す写真である。図６からわかるように、ニッケル層と金属層との界面は、略フラットであり、うねりも３００ｎｍ以下であった。

本実施形態における表面活性化接合装置の概略図。 第１実施形態に係るクラッド配向金属基板のニッケル層表面のＸ線極点図。 第２実施形態に係るクラッド配向金属基板のニッケル層表面のＸ線極点図。 比較例１に係るクラッド配向金属基板のニッケル層表面のＸ線極点図。 比較例２に係るクラッド配向金属基板のニッケル層表面のＸ線極点図。 第１実施形態に係るクラッド配向金属基板のニッケル層と金属層との接合界面を示す断面写真。

符号の説明

１ 真空槽
３A、３B 巻出しリール
５ 巻き取りリール
６A、６B 電極ロール
７A、７B 電源部
９、２５ 排気ポンプユニット
２０A 銅板
２０B 金属板
２２A、２２B エッチングチャンバ
１００ 表面活性化接合装置

Claims (10)

1. 金属層と、前記金属層の少なくとも一方の面に接合されたニッケル層とからなるエピタキシャル薄膜形成用のクラッド配向金属基板であって、
   前記ニッケル層は、結晶軸のずれ角Δφが、Δφ≦７°である｛１００｝〈００１〉立方体集合組織を有し、
   かつ、前記ニッケル層のニッケル純度が９９．９％以上であるエピタキシャル薄膜形成用のクラッド配向金属基板。
2. 金属層とニッケル層との接合面は、略フラットであり、うねりが１〜５００ｎｍである請求項１に記載のエピタキシャル薄膜形成用のクラッド配向金属基板。
3. ニッケル層の表面の面粗さＲａは、１０ｎｍ以下である請求項１又は２に記載のエピタキシャル薄膜形成用のクラッド配向金属基板。
4. 金属層は、ステンレス、ニッケル合金である請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載のエピタキシャル薄膜形成用のクラッド配向金属基板。
5. エピタキシャル薄膜形成用のクラッド配向金属基板の製造方法であって、下記工程を含む方法。
   （ａ）純度９９．９％以上のニッケル板を、９５％以上の加工率で冷間加工し、前記冷間加工で得られたニッケル板を、非酸化性雰囲気下で熱処理することで、少なくとも表面部分を、結晶軸のずれ角Δφ≦７°となる｛１００｝〈００１〉立方体集合組織とする配向化熱処理工程。
   （ｂ）金属板を用意する工程。
   （ｃ）前記配向化熱処理工程で得られたニッケル板、及び、前記金属板の接合面を非酸化性雰囲気下で乾式エッチングを行い、接合面の酸化物、吸着物を除去した後、ニッケル板と金属板とを無加圧又は加圧下で接合する表面活性化接合工程。
6. （ａ）工程の配向化熱処理の処理温度は、２５０℃以上、ニッケルの融点以下である請求項５記載のエピタキシャル薄膜形成用のクラッド配向金属基板の製造方法。
7. （ａ）工程の配向化熱処理を行なう際のニッケル板の板厚は、２０〜２００μｍである請求項５又は６に記載のエピタキシャル薄膜形成用のクラッド配向金属基板の製造方法。
8. （ｃ）工程の表面活性化接合工程の乾式エッチングは、イオンビームエッチング、原子ビームエッチング、プラズマエッチングのいずれかによるものである請求項５〜７のいずれか１項に記載のエピタキシャル薄膜形成用のクラッド配向金属基板の製造方法。
9. （ｃ）工程の表面活性化接合工程における、乾式エッチング後のニッケル板と金属板との接合の際の加圧力は、０．０１〜３００ＭＰａである請求項５〜８のいずれか１項に記載のエピタキシャル薄膜形成用のクラッド配向金属基板の製造方法。
10. 少なくとも配向化熱処理後のニッケル板の表面について研磨を行い、面粗さＲａを１０ｎｍ以下とする工程を含む請求項５〜請求項９のいずれか１項に記載のエピタキシャル薄膜形成用の金属クラッド配向基板の製造方法。

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