JP2012021210A - 成膜装置および成膜方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ターゲットを有効使用できるとともに、成膜領域の温度の変動を抑え、均一な膜質及び特性の薄膜を安定して成膜することのできる成膜装置および成膜方法の提供。
【解決手段】本発明の成膜装置２０は、レーザ光Ｌによってターゲット３１から叩き出され若しくは蒸発した構成粒子を基材２５上に堆積させ、基材２５上に薄膜を形成する成膜装置２０であって、基材２５に対向するように配されたターゲット３１と、ターゲット３１の外周面を取り囲んで設けられたターゲット保持部材３２と、ターゲット３１にレーザ光Ｌを照射するレーザ光発光手段２８とを少なくとも備え、ターゲット保持部材３２が、熱伝導率４０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下、融点２０００℃以上の材料より形成されてなることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、成膜装置および成膜方法に関し、より詳しくは、レーザ光によってターゲットから叩き出され若しくは蒸発した構成粒子を帯状の基材上に堆積させ、薄膜を形成する成膜装置（レーザ蒸着装置）および成膜方法（レーザ蒸着方法）に関する。

ＲＥ−１２３系酸化物超電導体（ＲＥＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７−ｘ：ＲＥはＹ、Ｇｄなどの希土類元素）は、液体窒素温度（７７Ｋ）よりも高い臨界温度を有しており、超電導デバイス、超電導変圧器、超伝導限流器、超電導モータ又はマグネット等の超電導機器への応用が期待されている。
ＲＥ−１２３系酸化物超電導体を導電体として使用するためには、テープ状基材などの長尺基材上に、結晶配向性の良好な酸化物超電導体の薄膜を形成する必要がある。これは、この種の希土類酸化物系超電導体の結晶が、その結晶軸のａ軸方向とｂ軸方向には電気を流しやすいが、ｃ軸方向には電気を流し難いという電気的異方性を有しており、長尺基材上に酸化物超電導層を形成する場合、電気を流す方向にａ軸あるいはｂ軸を配向させ、ｃ軸をその他の方向に配向させる必要があるためである。
ところが、一般には、金属テープ自体が多結晶体でその結晶構造も酸化物超電導体と大きく異なるために、金属テープ上に直接、結晶配向性の良好な酸化物超電導体の薄膜を形成することは難しい。そこで、金属テープからなる基材の上に、結晶配向性の優れた多結晶中間薄膜を形成し、この多結晶中間薄膜上に酸化物超電導体の薄膜を形成する手法が検討されている。

金属テープ上に多結晶中間薄膜が形成された基材上に、ＲＥ１２３系酸化物超電導体を成膜して酸化物超電導層を形成する方法の一つにパルスレーザ蒸着法（ＰＬＤ法）がある。ＰＬＤ法とは、成膜したい物質やそれに近似の組成を有する物質を焼結させたターゲットに、レーザ光を照射することでターゲットの構成成分を気相化させてプルームと呼ばれる柱状のプラズマを発生させて、基板上に蒸着させる手法である。このＰＬＤ法は、高臨界電流特性を有する酸化物超電導層を形成することができることから製造プロセスとして将来有望な手法と考えられている。ＰＬＤ法による酸化物超電導層の形成では、成膜条件によって形成される酸化物超電導層の特性が大きく変化することから、良好な特性が得られる条件で長時間安定成膜ができることが酸化物超電導線材の量産化への鍵となっている。

ＰＬＤ法により酸化物超電導層を成膜する場合、レーザ光の長時間照射により、ターゲット表面が荒れてしまい、プルームが安定的に発生しなくなってしまい、酸化物超電導層を長時間安定成膜できなくなってしまう問題がある。この問題を改善する手法として、レーザ光を走査し、ターゲットの異なる位置にレーザ光を照射して、ターゲットの磨耗を均一にする試みがなされている（特許文献１参照）。磨耗が均一になることで、長時間安定使用しても安定的にプルームを発生させることができる。

ところで、ＲＥ−１２３系酸化物超電導層をＰＬＤ法により成膜する場合、高特性の超電導層を成膜するためには、８００℃程度の高温で成膜する必要がある。しかしながら、ＲＥ−１２３系酸化物超電導体を焼結させたターゲットは、高温雰囲気下での使用による歪や、レーザ光を照射した際の衝撃により、割れてしまう場合がある。ターゲットに割れが発生し、割れた部分にレーザ光が照射されると、発生するプルームが傾いてしまい、所定の位置に構成成分が蒸着されず、安定した成膜ができなくなってしまう。
このような問題を改善する方法として、ターゲットの化学組成を厳密に制御することにより、割れにくいターゲットを作製する方法が開示されている（特許文献２参照）。

特開２００１−３１６８０２号公報 特開２００７−６３６３１号公報 特開平９−５３１７４号公報

特許文献１に記載の技術のように、レーザ光の照射位置を走査したり、或いはターゲットを駆動させて、ターゲット表面上のレーザ光照射位置を移動させることにより、ターゲットの磨耗を均一にすることができる。しかしながら、ターゲットを有効利用するために、ターゲットを駆動させて（設置位置を移動させて）ターゲットの端の部分にまでレーザ光を照射すると、ターゲット端部周辺に位置するターゲットを保持する部材なども、成膜領域に入り込んでしまう。ＲＥ−１２３系酸化物超電導体のターゲットは熱容量が大きいため高温であるが、ターゲット端部周辺に位置する部材はターゲットよりも温度が低い。そのため、このように温度の低い部材が成膜領域に入り込んでくると、成膜領域の温度が一気に冷やされてしまう。その結果、成膜領域の熱変動が起こり、成膜温度が安定しないため、成膜される超電導層の膜質および超電導特性にバラつきが生じてしまう。成膜領域の温度の変動を小さくするためには、ターゲットを十分に大きくしてターゲット端部周辺の部材が成膜領域に入り込まないようにする方法も考えられるが、ＲＥ−１２３系酸化物超電導体のターゲットはコストが高く、且つ使用時に割れてしまう場合もあるため、何度も繰り返し利用することもできない問題がある。また、ターゲットの端の部分にまでレーザ光を照射することができないため、ターゲットを有効利用することができない問題がある。

また、特許文献２には、化学組成を厳密に制御して作製したターゲットは、レーザ光を照射しても割れないことが記載されている。しかしながら、高特性の超電導層を成膜するためには８００℃程度の高温でレーザ光を照射しなければならず、また、長時間のレーザ光照射や高温環境下において、ターゲットの割れを完全に防止することは、特許文献２に記載の技術であっても、達成することが難しいと考えられる。そのため、万が一、ターゲットが割れてしまった場合であっても、割れた部分の散らばりを抑制し、プルームの安定性を確保する技術の開発が重要となる。

ターゲットが割れた場合であっても、割れた部分が散らばることを抑制して、プルームの安定性を保つ手法として、ターゲットをバッキングプレートと呼ばれる固定部材にボンディング部材により固定する方法が開示されている（特許文献３参照）。しかしながら、特許文献３に記載の技術では、ターゲットがバッキングプレートに接着されて固定されているため、ターゲットの片面しか利用できないという問題がある。

本発明は、このような従来の実情に鑑みてなされたものであり、ターゲットを有効使用できるとともに、成膜領域の温度の変動を抑え、均一な膜質及び特性の薄膜を安定して成膜することのできる成膜装置および成膜方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明は以下の構成を採用した。
本発明の成膜装置は、レーザ光によってターゲットから叩き出され若しくは蒸発した構成粒子を基材上に堆積させ、該基材上に薄膜を形成する成膜装置であって、前記基材に対向するように配されたターゲットと、前記ターゲットの外周面を取り囲んで設けられたターゲット保持部材と、前記ターゲットにレーザ光を照射するレーザ光発光手段とを少なくとも備え、前記ターゲット保持部材が、熱伝導率４０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下、融点２０００℃以上の材料より形成されてなることを特徴とする。
本発明の成膜装置において、前記ターゲット保持部材の高さは、前記ターゲットの高さよりも低いことが好ましい。
本発明の成膜装置において、前記ターゲットが酸化物超電導体用材料であり、前記薄膜が酸化物超電導薄膜であることが好ましい。

本発明の成膜装置において、前記ターゲット保持部材が、Ａｌ_２Ｏ_３またはＺｒＯ_２より形成されてなることも好ましい。
本発明の成膜装置において、ターゲット支持台を備え、該ターゲット支持台上に前記ターゲットと前記ターゲット保持部材とが載置されてなることも好ましい。
本発明の成膜方法は、上記成膜装置を用い、レーザ光をターゲット表面に照射し、このレーザ光によって前記ターゲットから叩き出され若しくは蒸発した構成粒子を基材上に堆積させ、該基材上に薄膜を形成することを特徴とする。

本発明の成膜装置は、ターゲットの外周面を取り囲むように、熱伝導率４０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下、融点２０００℃以上の材料よりなるターゲット保持部材を設ける構成とした。本発明に適用されるターゲット保持部材は温度変動が少ないため、ターゲットとターゲット保持部材の温度をほぼ同一とすることができる。従って、レーザ光やターゲットを移動させて、レーザ光をターゲットの端部近傍に照射する場合にも、成膜領域の温度を変動させることがない。従って、本発明の成膜装置によれば、ターゲットの端部近傍まで有効に使用することができるとともに、成膜領域の温度の変動を抑え、均一な膜質や特性の薄膜を安定して成膜することができる。
また、本発明の成膜装置は、ターゲットの外周面を取り囲むようにターゲット保持部材が設けられる構成としたことにより、成膜時に万が一ターゲットに割れが生じてしまった場合にも、割れた部分が散らばることを抑制することができるため、ターゲットにレーザ光を照射して発生させた粒子の噴流であるプルームのバラつきを抑え、プルームを安定して発生させることができる。

本発明の成膜装置において、ターゲット保持部材の高さｈを、ターゲットの高さＨよりも低く設定するならば、長時間のレーザ光照射により、ターゲットが消費されてその高さが減少してきた場合であってレーザ光を斜めに照射する場合にも、レーザ光をターゲット保持部材に邪魔されずに照射することが可能であり、ターゲットを有効に使用することができる。
また、本発明の成膜装置において、ターゲットとターゲット保持部材とが、ターゲット支持台に非固定の状態で載置されている構成とするならば、ターゲットを裏返して使用することができ、ターゲットの裏面側も有効利用することが可能となる。
本発明の成膜方法は、本発明の成膜装置を用いるため、ターゲットの端部近傍まで有効に使用することができるとともに、成膜領域の温度の変動を抑え、均一な膜質や特性の薄膜を安定して成膜することができる。

本発明の成膜装置の一例を示す概略斜視図である。 図２（ａ）は本発明の成膜装置が備えるターゲット及びターゲット保持部材の一例を示す上面図であり、図２（ｂ）は本発明の成膜装置のターゲット近傍の一例を示す概略構成図である。 本発明の成膜装置が備えるターゲット及びターゲット保持部材の他例を示す概略斜視図である。 本発明の成膜方法により製造される酸化物超電導導体の一例を示す概略斜視図である。 実施例１および比較例２の結果を示すグラフである。

以下、本発明に係る成膜装置および成膜方法の一実施形態について、図面に基づき説明する。
図１は本発明の成膜装置の一実施形態を示す概略斜視図であり、図２（ａ）は図１に示す成膜装置のターゲット及びターゲット保持部材を示す上面図であり、図２（ｂ）は図１に示す成膜装置のターゲット近傍を示す概略構成図である。

図１に示す本実施形態の成膜装置２０は、レーザ光Ｌによってターゲット３１から叩き出され若しくは蒸発した構成粒子の噴流（プルーム２９）を長尺基材２５上に堆積させ、この構成粒子による薄膜を長尺基材２５上に形成する、レーザ蒸着法による成膜装置である。なお、以下の説明において、ターゲット３１の構成粒子の堆積領域（成膜領域）２７とは、ターゲット３１の上面に対し斜め方向からレーザ光Ｌの照射によりターゲット３１から叩き出され若しくは蒸発した構成粒子（蒸着粒子）の噴流であるプルーム２９が形成された領域を意味する。

図１に示す成膜装置２０は、テープ状の長尺基材２５を巻回するリールなどの巻回部材を複数個同軸的に配列してなり、離間して対向配置されて長尺基材２５の移動方向を転向する一対の転向部材群２３、２４と、転向部材群２３の外側に配置された長尺基材２５を送り出すための送出リール２１と、転向部材群２４の外側に配置された長尺基材２５を巻き取るための巻取リール２２と、転向部材群２３、２４の巻回により複数列とされた長尺基材２５を支持する基板ホルダ２６と、基板ホルダ２６に内蔵された長尺基材２５を加熱するための加熱手段（図示略）と、転向部材郡２３、２４間を走行する長尺基材２５と対向配置されたターゲット３１と、ターゲット３１の外周面を取り囲んで設けられたターゲット保持部材３２と、ターゲット３１とターゲット保持部材３２を支持するターゲット支持台３３と、ターゲット３１にレーザ光Ｌを照射するレーザ光発光手段２８とを備えて構成されている。転向部材群２３、２４、送出リール２１及び巻取リール２２を駆動装置（図示略）により互いに同期して駆動させることにより、送出リール２１から送り出された長尺基材２５が転向部材群２３、２４を周回し、巻取リール２２に巻き取られるようになっている。

長尺基材２５は、成膜面が外側となるように一対の転向部材群２３、２４に巻回されており、これらの転向部材群２３、２４を周回することにより、ターゲット３１の構成粒子の堆積領域（成膜領域）２７にて複数列レーンを構成するように配置されている。そのため、成膜装置２０は、レーザ光Ｌをターゲット３１の表面に照射し、ターゲット３１から叩き出され若しくは蒸発した構成粒子の噴流（プルーム２９）を、ターゲット３１に対向する領域である成膜領域２７を走行する長尺基材２５の表面に向けて、長尺基材２５上に蒸着粒子を堆積させることができる。また、長尺基材２５が成膜領域２７にて複数列レーンを構成するように配置されていることにより、ターゲット３１からの蒸着粒子を良好な収率で長尺基材２５上に堆積させることができ、ターゲット３１を有効利用することができる。

長尺基材２５、長尺基材２５の移動方向を転向させる転向部材群２３、２４、送出リール２１、巻取リール２２、ターゲット３１、ターゲット保持部材３２、ターゲット支持台３３および基板ホルダ２６は、処理容器（図示略）内に収容されている。この処理容器には、真空排気装置（図示略）が接続され、この真空排気装置により処理容器内を所定の圧力に減圧するようになっている。処理容器内の圧力が所定の圧力に減圧されている間は、長尺基材２５の長手方向の全体が処理容器内の減圧下に置かれるようになっている。

ターゲット３１の構成粒子の堆積領域２７を走行する複数の長尺基材２５を支持する基板ホルダ２６内には、加熱手段（図示略）が配されている。そのため、堆積領域２７を通過中の長尺基材２５は、その成膜面とは反対側の面から、加熱手段からの放熱により所定の温度に加熱された状態でターゲット３１の構成粒子が堆積し、成膜される。
加熱手段としては、熱を放散して堆積領域２７内の長尺基材２５を加熱することができるものであれば特に限定されず、通電式の加熱ヒーター等が挙げられる。なお、本実施形態においては、基板ホルダ２６内に加熱手段を設けているが、本発明はこれに限定されず、堆積領域２７を通過中の長尺基材２５を所定の温度に加熱することができれば、その設置位置は適宜変更可能である。

ターゲット３１にレーザ光Ｌを照射するレーザ光発光手段２８は、ターゲット３１からその構成粒子を叩き出し若しくは蒸発させることができるレーザ光Ｌを発生するものであれば良い。レーザの波長、出力、照射エネルギー等は、ターゲット３１の材質や成膜速度等に応じて、適宜設定することが可能である。ターゲット３１にレーザ光Ｌを照射するレーザ光発光手段２８としては、Ａｒ−Ｆ（１９３ｎｍ）、Ｋｒ−Ｆ（２４８ｎｍ）、Ｘｅ−Ｃｌ（３０８ｎｍ）などのエキシマレーザ、ＹＡＧレーザ、ＣＯ₂レーザなどが挙げられる。

また、レーザ光Ｌは、その照射位置を移動させる手段（図示略）により、レーザ光Ｌの照射位置をターゲット３１の表面上で移動可能とされていることが好ましい。このようにレーザ光Ｌの照射位置をターゲット３１の表面上で移動可能とすることにより、ターゲット３１が局所的に削られて、ターゲット３１の寿命が短くなることを防止することがきできる。また、ターゲット３１の表面上でレーザ光Ｌの照射位置を移動可能とすることにより、ターゲット３１からのプルーム２９を複数発生させて、ターゲット３１の構成粒子の堆積領域２７を広くすることができる。

ターゲット３１とターゲット保持部材３２はターゲット支持台３３に載置されており、ターゲット移動機構（図示略）によって、平行な面に沿って移動可能に設けられている（図２（ｂ）の矢印Ａ１）。さらに、ターゲット３１およびターゲット保持部材３２は、ターゲット３１の中心を軸として回転可能に設けられていることが好ましい（図２（ｂ）の矢印Ａ２）。このように、ターゲット３１を移動可能及び回転可能に設けるならば、長時間の成膜を継続して実施しても、ターゲット３１の表面がほぼ均一に削られるので、ターゲット３１表面の形状乱れによってプルーム２９の大きさが変わる不具合を防止することができ、長尺基材２５の長手方向に均一な膜厚や特性の薄膜を形成することが可能となる。

ターゲット３１は、形成しようとする薄膜と同等または近似した組成の材料の焼結体からなっている。ターゲット３１は、平板状であり、図１に示すような円盤形や方形、矩形等の形状のものを使用できる。
薄膜として、酸化物超電導薄膜を形成する場合、ターゲット３１は酸化物超電導体用材料より構成されている。具体的には、形成しようとする酸化物超電導薄膜と同等または近似した組成、あるいは、成膜中に逃避しやすい成分を多く含有させた複合酸化物の焼結体あるいは酸化物超電導体などの板材からなっている。従って、酸化物超電導体のターゲットは、ＲＥ−１２３系酸化物超電導体（ＲＥＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７−ｘ：ＲＥはＹ、Ｌａ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ等の希土類元素）またはそれらに類似した組成の材料を用いることができる。ＲＥ−１２３系酸化物として好ましいのは、Ｙ１２３（ＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７−ｘ）又はＧｄ１２３（ＧｄＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７−ｘ）等であるが、その他の酸化物超電導体、例えば、（Ｂｉ，Ｐｂ）_２Ｃａ_２Ｓｒ_２Ｃｕ_３Ｏ_ｘなる組成などに代表される臨界温度の高い酸化物超電導層と同一の組成か、近似した組成のものを用いることが好ましい。

この形態のターゲット保持部材３２は、ターゲット３１の外周面を取り囲むように設けられている。ターゲット保持部材３２は、ターゲット３１の外周形状に合わせた形状の開口部３２Ｋを有したドーナツ板状であり、ターゲット３１の外周面とターゲット保持部材３２とは、その開口部３２Ｋで接している。
ターゲット保持部材３２は、ターゲット３１を開口部３２Ｋに容易に収容できることから、複数の部分に分離可能であることが好ましい。例えば、図２（ａ）に示すようにターゲット保持部材３２が分離部３２Ｐ、３２Ｑにより２つに分離可能とすることにより、２つに分離されたターゲット保持部材によりターゲット３１をその水平方向より挟み込むなどして容易に取り囲むことができる。

ターゲット保持部材３２が複数の部分に分離可能である場合、ターゲット保持部材３２はバンド部材３４によりその外周面を取り囲んで固定されていることが好ましい。バンド部材３４の材質は特に限定されないが、耐熱性の高い材料より形成されていることが好ましく、例えば、ハステロイ（商品名、ヘインズ社製）等の高耐熱性のテープ状の金属や合金より形成されている。ターゲット保持部材３２の外周面を取り囲むバンド部材３４の端部同士は、溶接等による接合部３４により接合されている。なお、図１および図２においては、バンド部材３４の幅が、ターゲット保持部材３２の高さよりも大きい場合を例示しているが、本発明はこれに限定されず、ターゲット保持部材３２を固定可能であれば、バンド部材３４の幅は適宜変更可能である。

本実施形態の成膜装置２０は、ターゲット３１の外周面を取り囲むようにターゲット保持部材３２が設けられる構成としたことにより、成膜時に万が一ターゲット３１に割れが生じてしまった場合にも、割れた部分が散らばることを抑制することができるため、プルームのバラつきを抑え、プルームを安定して発生させることができる。

ターゲット保持部材３２は、熱伝導率４０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下、融点２０００℃以上の材料より形成されている。ターゲット保持部材３２が、融点２０００℃以上の材料より形成されていることにより、ＲＥ１２３系酸化物超電導薄膜等、８００℃程度の高温条件下で成膜する必要がある薄膜を成膜する場合に、何らかの理由により突発的に１０００℃以上の温度条件下に曝される状況になったとしても、ターゲット保持部材３２が熱により溶融して変形することが無く、ターゲット３１を保持することができる。
また、ターゲット保持部材３２が熱伝導率４０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下の材料より構成されていることにより、成膜時にターゲット保持部材３２が輻射熱などにより加熱された場合、ターゲット保持部材３２自体の温度変動が小さくなる。そのため、ターゲット３１とターゲット保持部材３２とがほぼ同じ温度となり、また、ターゲット３１は温度変動が小さいターゲット保持部材３２により取り囲まれていることにより、その温度の変動が外周部近傍でも小さくなる。

ターゲット保持部材３２を構成する材料としては、熱伝導率と融点が前記範囲を満たすものであれば特に限定されないが、ターゲット３１が酸化物超電導用材料より形成されている場合、熱伝導率と融点が前記範囲を満たす酸化物が好ましく、具体的には、Ａｌ_２Ｏ_３（熱伝導率：約３０Ｗ／（ｍ・Ｋ）、融点：２０３０℃）、ＢａＺｒＯ_３（熱伝導率：約１０Ｗ／（ｍ・Ｋ）、融点：２６００℃）、ＺｒＯ_２（熱伝導率：約３Ｗ／（ｍ・Ｋ）、融点：２７１０℃）、ＭｇＯ（熱伝導率：約４０Ｗ／（ｍ・Ｋ）、融点：２８００℃）、ＣａＯ（熱伝導率：約１０Ｗ／（ｍ・Ｋ）、融点：２６００℃）が挙げられ、中でも、加工が容易、製造コストを低減することができる等の理由により、Ａｌ_２Ｏ_３またはＢａＺｒＯ_３が好ましい。なお、本発明の明細書および特許請求の範囲において、ターゲット保持部材を構成する材料の熱伝導率の値は、室温（２５℃）における熱伝導率である。

なお、ターゲット保持部材３２の形状は、図２に示す形状に限定されるものではなく、使用するターゲットの形状に合わせて、ターゲットの外周面を取り囲むことができる形状となるように適宜変更可能である。例えば、図３に示すように、方形平板状のターゲット３１Ｂを使用する場合、方形の開口部３２Ｋ_Ｂを有する方形平板状のターゲット保持部材３２Ｂを使用することができる。図３に示すターゲット保持部材３２Ｂは、分離部３２Ｐ_Ｂ、３２Ｑ_Ｂにより２つに分離可能とされており、その外周部はバンド部材３４Ｂで固定されている。図３に示す例では、方形のターゲット保持部材３２Ｂの一辺と対向する他辺とを結ぶように分離部３２Ｐ_Ｂ、３２Ｑ_Ｂが形成されているが、ターゲット３１を開口部３２Ｋ_Ｂ内に容易に収容可能にターゲット保持部材３２を分離することができれば、分離部３２Ｐ_Ｂ、３２Ｑ_Ｂの位置は特に限定されない。また、図３に示す例では、ターゲット保持部材３２Ｂの形状が方形であるが、ターゲット３１Ｋの外周面を取り囲めるように開口部３２Ｋ_Ｂがターゲット３１Ｋと同一形状とされているならば、ターゲット保持部材３２Ｋ_Ｂの全体形状は円盤状、矩形状、不定形状など、適宜変更することができる。

ターゲット３１を有効に使用するためには、レーザ光Ｌの走査や、ターゲット３１の水平方向移動（駆動）を行うことにより、ターゲット３１の端部近傍までレーザ光を照射してプルーム２９を発生させることが望まれる。レーザ光をターゲットの端部近傍まで照射しようとすると、ターゲットを保持する部材など、ターゲット外周部近傍に位置する部材もターゲットの移動に連動して成膜領域に入り込んでしまうが、従来の成膜装置では、ターゲットの外周部近傍に位置する部材は、一般的にターゲット３１よりも温度が低くなっている。そのため、温度の低い部材が成膜領域に入り込んでしまうと、成膜領域の温度が変動してしまい、適正な成膜温度を安定に保つことができなくなる。その結果、成膜される薄膜の膜質や特性にバラつきがでてしまうという問題があった。

本実施形態の成膜装置２０では、ターゲット３１の外周面を取り囲むようにターゲット保持部材３２を設ける構成とした。このようにターゲット保持部材３２を設けることにより、熱伝導率４０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下の材料より構成されているターゲット保持部材３２は温度変動が少ないため、ターゲット３１とターゲット保持部材３２の温度がほぼ同一とすることができる。従って、レーザ光Ｌやターゲット３１を移動させて、レーザ光Ｌをターゲット３１の端部近傍に照射する場合、ターゲット保持部材３２もターゲット３１に連動して成膜領域２７に入り込むが、ターゲット保持部材３２はターゲット３１とほぼ同一の温度であるため、成膜領域２７の温度を変動させることがない。そのため、成膜装置２０により成膜される薄膜の膜質や特性が成膜温度の変動により不安定になることを抑制することができ、安定した膜質や特性の薄膜を成膜することができる。従って、本実施形態の成膜装置２０によれば、ターゲット３１の端部近傍まで有効に使用することができるとともに、成膜領域の温度の変動を抑え、均一な膜質や特性の薄膜を安定して成膜することができる。

また、図２（ｂ）に示す如く、ターゲット保持部材３２の高さｈは、ターゲット３１の高さＨよりも低く設定されていることが好ましい。このようにターゲット保持部材３２の高さｈを設定することにより、長時間のレーザ光Ｌ照射により、ターゲット３１が消費されてその高さが減少してきた場合にも、レーザ光Ｌをターゲット保持部材３２に邪魔されずに照射することが可能であり、ターゲット３１を有効に使用することができる。なお、ターゲット保持部材３２の高さｈの下限値は、ターゲット３１を保持し、成膜領域の温度変化を抑える効果を奏することができるため、ターゲット３１の高さＨの１／３とすることが好ましい。

また、ターゲット３１とターゲット保持部材３２は、ターゲット支持台３３に非固定の状態で載置されていることが好ましい。このようにターゲット３１とターゲット保持部材３２とがターゲット支持台３３上に非固定とされていることにより、ターゲット３１を裏返して使用することができ、ターゲット３１の裏面側も有効利用することが可能となる。ターゲット３１を裏返して使用する場合、ターゲット３１をターゲット保持部材３２より分離してターゲット３１を裏返してもよいが、ターゲット３１とターゲット３２とは固着されずに接した状態であるため、ターゲット３１とターゲット３２とを一体化させた状態のまま裏返し、ターゲット保持部材３２をターゲット支持台３３側へと移動させることにより、図２（ｂ）に示すような状態に再配置する方が簡便である。

次に、本発明の成膜方法について説明する。
本発明の成膜方法は、前記した本発明の成膜装置を用い、レーザ光をターゲット表面に照射し、このレーザ光によって前記ターゲットから叩き出され若しくは蒸発した構成粒子を基材上に堆積させ、該基材上に薄膜を形成することを特徴とする。
なお、本実施形態では、図４に示すように、長尺のテープ基材１１上に中間層１２が形成されてなる長尺基材２５に対し、本発明に係る成膜装置２０により酸化物超電導薄膜である酸化物超電導層１３を成膜して、酸化物超電導導体１０を製造する場合を例にして説明する。本実施形態では、基材上に形成される薄膜として、酸化物超電導体薄膜を例に挙げて説明するが、この酸化物超電導体薄膜は、発明の趣旨をより良く理解させるために具体的に説明するものであり、特に指定のない限り、本発明を限定するものではない。

図４は、本実施形態の成膜方法により得られる酸化物超電導導体１０の一例を示す概略斜視図である。図４に示す酸化物超電導導体１０は、長尺のテープ基材１１上に、中間層１２及び超電導層１３がこの順に積層されて構成されている。

長尺のテープ基材１１は、耐熱性の金属や合金からなるものが好ましく、ニッケル（Ｎｉ）合金又は銅（Ｃｕ）合金からなるものがより好ましい。中でも、市販品であればハステロイ（商品名、ヘインズ社製）が好適であり、モリブデン（Ｍｏ）、クロム（Ｃｒ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）等の成分量が異なる、ハステロイＢ、Ｃ、Ｇ、Ｎ、Ｗ等のいずれの種類も使用できる。
テープ基材１１の厚さは、目的に応じて適宜調整すれば良く、通常は、１０〜５００μｍであることが好ましく、２０〜２００μｍであることがより好ましい。下限値以上とすることで強度が一層向上し、上限値以下とすることでオーバーオールの臨界電流密度を一層向上させることができる。

中間層１２は、酸化物超電導層１３の結晶配向性を制御し、テープ基材１１中の金属元素の酸化物超電導層１３への拡散を防止するものであり、また、テープ基材１１と酸化物超電導層１３との物理的特性（熱膨張率や格子定数等）の差を緩和するバッファー層として機能する。中間層１２の好ましい材質として具体的には、Ｇｄ_２Ｚｒ_２Ｏ_７、ＭｇＯ、ＺｒＯ_２−Ｙ_２Ｏ_３（ＹＳＺ）、ＳｒＴｉＯ_３、ＣｅＯ_２、Ｙ_２Ｏ_３、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｇｄ_２Ｏ_３、Ｚｒ_２Ｏ_３、Ｈｏ_２Ｏ_３、Ｎｄ_２Ｏ_３等の金属酸化物が例示できる。中間層１２は、単層でも良いし、複数層でも良い。複数層である場合には、最外層（最も酸化物超電導層１３に近い層）が少なくとも結晶配向性を有していることが好ましい。

中間層１２とテープ基材１１との間には、ベッド層が介在されていてもよい。ベッド層は、耐熱性が高い材料からなり、界面反応性を低減し、その上に配される膜の配向性を得るために用いる。このようなベッド層は、必要に応じて配され、例えば、イットリア（Ｙ_２Ｏ_３）、窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３、「アルミナ」とも呼ぶ）等から構成される。このベッド層の厚さは例えば１０〜２００ｎｍである。

さらに、テープ基材１１とベッド層との間に、テープ基材１１の構成元素拡散を防止する目的で拡散防止層が介在された構造としても良い。拡散防止層は、窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）、あるいは希土類金属酸化物等から構成され、その厚さは例えば１０〜４００ｎｍである。

また中間層１２は、前記金属酸化物層の上に、さらにキャップ層が積層された複数層構造でも良い。キャップ層は、酸化物超電導層１３の配向性を制御する機能を有するとともに、酸化物超電導層１３を構成する元素の中間層１２への拡散や、酸化物超電導層１３積層時に使用するガスと中間層１２との反応を抑制する機能等を有するものである。キャップ層は、前記金属酸化物層により配向性が制御される。

キャップ層は、前記金属酸化物層の表面に対してエピタキシャル成長し、その後、横方向（面方向）に粒成長（オーバーグロース）して、結晶粒が面内方向に選択成長するという過程を経て形成されたものが好ましい。このようなキャップ層は、前記金属酸化物層よりも高い面内配向度が得られる。
キャップ層の材質は、上記機能を発現し得るものであれば特に限定されないが、好ましいものとして具体的には、ＣｅＯ_２、Ｙ_２Ｏ_３、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｇｄ_２Ｏ_３、Ｚｒ_２Ｏ_３、Ｈｏ_２Ｏ_３、Ｎｄ_２Ｏ_３等が例示できる。キャップ層の材質がＣｅＯ_２である場合、キャップ層は、Ｃｅの一部が他の金属原子又は金属イオンで置換されたＣｅ−Ｍ−Ｏ系酸化物を含んでいても良い。

中間層１２の厚さは、目的に応じて適宜調整すれば良いが、通常は、０．１〜５μｍである。
中間層１２が、前記金属酸化物層の上にキャップ層が積層された複数層構造である場合には、キャップ層の厚さは、通常は、０．１〜１．５μｍである。

中間層１２は、酸化物薄膜を形成する公知の方法で積層でき、特に、ＩＢＡＤ（イオンビームアシスト蒸着）法で形成された前記金属酸化物層は、結晶配向性が高く、酸化物超電導層１３やキャップ層の結晶配向性を制御する効果が高い点で好ましい。

このように、良好な配向性を有する中間層１２上に酸化物超電導層１３を形成すると、酸化物超電導層１３も中間層１２の配向性に整合するように結晶化する。よって良好な配向性を有する中間層１２上に形成された酸化物超電導層１３は、結晶配向性に乱れが殆どなく、酸化物超電導層１３を構成する結晶粒の１つ１つにおいては、テープ基材１１の厚さ方向に電気を流しにくいｃ軸が配向し、テープ基材１１の長さ方向にａ軸どうしあるいはｂ軸どうしが配向している。従って得られた酸化物超電導層１３は、結晶粒界における量子的結合性に優れ、結晶粒界における超電導特性の劣化が殆どないので、テープ基材１１の長さ方向に電気を流し易くなり、十分に高い臨界電流密度が得られる。

酸化物超電導層１３を構成する超電導体としては、ＲＥ−１２３系酸化物超電導体（ＲＥＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７−ｘ：ＲＥはＹ、Ｌａ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ等の希土類元素）が挙げられ、Ｙ１２３（ＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７−ｘ）又はＧｄ１２３（ＧｄＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７−ｘ）等が好ましいものとして挙げられるが、その他の酸化物超電導体、例えば、（Ｂｉ，Ｐｂ）_２Ｃａ_２Ｓｒ_２Ｃｕ_３Ｏ_ｘなる組成などに代表される臨界温度の高い酸化物超電導体からなるものも適用できる。酸化物超電導層の厚みは０．５〜５μｍ程度で、かつ均一な厚みとなっている。また、酸化物超電導層の膜質は均一となっており、酸化物超電導層の結晶のｃ軸とａ軸とｂ軸も中間層１２またはキャップ層の結晶に整合するようにエピタキシャル成長して結晶化しており、結晶配向性が優れたものとなっている。

図１に示す構成の成膜装置２０を用いて長尺基材２５の上（テープ基材１１上の中間層１２の上面）に酸化物超電導層（酸化物超電導薄膜）１５を成膜するには、まず、酸化物超電導用材料より形成されたターゲット３１を準備し、図２（ａ）及び図２（ｂ）に示すように、ターゲット３１の外周面を取り囲むようにターゲット保持部材３２を配置させて、このターゲット３１とターゲット保持部材３２とをターゲット支持台３３上に載置する。
次いで、送出リール２１に巻回されている長尺基材２５を引き出しながら、転向部材群２３、２４に成膜面（中間層１２側）が外側となるように順次巻回し、その後、長尺基材２５の先端側を巻取リール２２に巻き取り可能に取り付ける。
これによって、一対の転向部材群２３、２４に巻回された長尺基材２５が、これらの転向部材群２３、２４を周回し、ターゲット３１に対向する位置に複数列並んで移動するようになる。その後、真空排気装置３（図示略）を駆動し、少なくとも転向部材群２３、２４間を走行する長尺基材２５を覆うように設置された処理容器（図示略）内を減圧する。この際、必要に応じて処理容器内に酸素ガスを導入して容器内を酸素雰囲気としても良くい。

次に、ターゲット３１にレーザ光Ｌを照射して成膜を開始するよりも前の適当な時に、加熱手段（図示略）に通電してターゲット３１の構成粒子の堆積領域（成膜領域）２７を走行する長尺基材２５を加熱し、一定温度に保温する。成膜時の長尺基材２５の表面温度は、適宜調整可能であり、例えば、７８０〜８５０℃とすることができる。

続いて、送出リール２１から長尺基材２５を送り出しつつ、レーザ光発光手段２８からレーザ光Ｌを発生させ、レーザ光Ｌをターゲット３１に照射する。この時、レーザ光Ｌの照射位置をターゲット３１の表面上で移動させる走査を行いながらレーザ光Ｌをターゲット３１に照射することが好ましい。また、ターゲット３１は、ターゲット移動機構（図示略）によって、平行な面に沿って移動させることも好ましい。このように、ターゲット３１におけるレーザ光Ｌの照射位置を移動させることにより、ターゲット３１の表面全域から順次プルーム２９を発生させてターゲット３１の粒子を叩き出し若しくは蒸発させることができ、レーン状に複数配列した長尺基材２５の個々に可能な限り均一な酸化物超電導層１３を成膜することができる。

ターゲット３１から叩き出され若しくは蒸発した蒸着粒子は、その放射方向の断面積が拡大したプルーム２９となり、複数列並んで移動している長尺基材２５の表面に蒸着粒子を堆積させることができ、長尺基材２５がこれらの転向部材群２２、２３を周回する間に、堆積領域（成膜領域）２７を複数回通過することにより酸化物超電導層（酸化物超電導薄膜）１５が繰り返し成膜され、必要な厚さに積層される。本実施形態では、長尺基材２５が堆積領域（成膜領域）２７にて複数列レーンを構成するように配置されていることにより、ターゲット３１からの蒸着粒子を良好な収率で長尺基材２５上に堆積させることができ、ターゲット３１を有効利用することができる。
酸化物超電導層１５の成膜後、得られた酸化物超電導導体１０は巻取リール２１に巻き取られる。
以上の工程により、長尺基材２５（テープ基材１１上の中間層１２の上面）に、酸化物超電導薄膜である酸化物超電導層１３を成膜し、酸化物超電導導体１０を製造することができる。

本実施形態の成膜方法では、本発明に係る成膜装置２０を用いるため、ターゲット保持部材３２に外周面が取り囲まれたターゲット３１にレーザ光Ｌを照射してプルーム２９を発生させて、成膜領域２７の長尺基材２５上に薄膜を成膜することができる。そのため、本実施形態の成膜方法では、レーザ光をターゲット３１の端部近傍まで照射してターゲットを有効利用しつつ、均一な膜質や特性の薄膜（酸化物超電導薄膜）を安定して成膜することができる。これは、成膜装置２０において、ターゲット３１が熱伝導率４０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下の材料より形成されているターゲット保持部材３２により取り囲まれていることにより、ターゲット保持部材３２は温度変動が少ないため、ターゲット３１とターゲット保持部材３２の温度がほぼ同一に保持されているためである。そのため、レーザ光Ｌやターゲット３１を移動させて、レーザ光Ｌをターゲット３１の端部近傍に照射した場合にも、ターゲット保持部材３２はターゲット３１とほぼ同一の温度であるため、成膜領域２７の温度を変動させることなく、長尺基材２５上に酸化物超電導薄膜（酸化物超電導層）１３を成膜することができる。従って、本実施形態の成膜方法によれば、ターゲット３１の端部近傍まで有効に使用することができるとともに、成膜領域の温度の変動を抑え、均一な膜質や特性の薄膜を安定して成膜することができる。

以上、本発明の成膜装置および成膜方法の一実施形態について説明したが、上記実施形態において、成膜装置を構成する各部、成膜方法、および成膜方法により成膜される薄膜などは一例であって、本発明の範囲を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、上記実施形態では、長尺基材をターゲットの構成粒子の堆積領域（成膜領域）を複数回通過させて、長尺基材上に酸化物超電導層を成膜する例を示したが、本発明はこれに限定されない。長尺基材を成膜領域を１回のみ通過させる構成としても良く、長尺基材を成膜領域内を１回又は複数回させた後、長尺基材の搬送走行を逆にして（送出リールおよび巻取リールの回転方向を逆にして）、長尺基板を成膜領域内に再度通過させて成膜しても良い。

以下、実施例を示して本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
以下の実施例および比較例において、幅５ｍｍ、厚さ０．１ｍｍのハステロイＣ２７６（米国ヘインズ社製商品名）製のテープ基材上に、スパッタ法によりＡｌ_２Ｏ_３（拡散防止層；膜厚１５０ｎｍ）とＹ_２Ｏ_３（ベッド層；膜厚２０ｎｍ）を順次成膜した上に、イオンビームアシストスパッタ法（ＩＢＡＤ法）によりＭｇＯ（中間層；膜厚１０ｎｍ）を形成した上に、ＰＬＤ法によりＣｅＯ_２（キャップ層：膜厚５００ｎｍ）を成膜したものを長尺基材として用いた。

（実施例１）
図２に示す成膜装置２０と図２に示す形状のターゲット及びターゲット保持部材を用いて、パルスレーザ蒸着法（ＰＬＤ法）により長尺基材上に酸化物超電導層としてＧｄ_１Ｂａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７−ｘ（膜厚１．０μｍ）を成膜して酸化物超電導導体を作製した。ターゲット及びターゲット保持部材としては、以下のものを使用した。
ターゲット：Ｇｄ_１Ｂａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７−ｘの粉末の焼結体、円盤型（直径７インチ、高さ１０ｍｍ）
ターゲット保持部材：円形の開口部（開口径７インチ）を有する円盤型（外径１０インチ、高さ８ｍｍ）、Ａｌ_２Ｏ_３製（熱伝導率２８Ｗ／（ｍ・Ｋ）、融点２０３０℃）、図２（ａ）に示すように２つに分離可能に形成、開口部にターゲットを収納した後、ハステロイ（米国ヘインズ社製商品名）テープで外周部をバンド状に巻いて、このテープの端部同士をスポット溶接して固定した。
なお、成膜は、温度８００℃、圧力８０Ｐａ、レーザ出力１８０Ｗ、酸素８０％雰囲気下にて行った。

（比較例１）
ターゲット保持部材を備えない以外は図２に示す成膜装置と同じ構成の成膜装置を用い、実施例１と同様にして長尺基材上に酸化物超電導層を成膜して酸化物超電導導体を作製した。

実施例１及び比較例１で作製した各酸化物超電導導体について、液体窒素温度下（７７Ｋ）の臨界電流値Ｉｃ(Ａ）を、酸化物超電導導体の長手方向の複数位置に対して測定した。結果を図５にプロットした。図５において、「Ｐｏｓｉｔｉｏｎ（ｍ）」は、酸化物超電導導体の成膜初期部を０とし、この成膜初期部からの長手方向の距離を示す。
図５に示す結果より、本発明に係る実施例１では、酸化物超電導導体の長手方向において、臨界電流値Ｉｃのバラつきが小さく、長時間に亘って均一な膜質および特性の酸化物超電導層（酸化物超電導薄膜）が安定に成膜されている。実施例１の成膜中に、ターゲットとターゲット保持部材の温度をモニタリングしたところ、ターゲットとターゲット保持部材の温度はほぼ同一に保たれていた。また、ターゲットを移動させても成膜領域の温度の変動は抑制されており、ターゲットの端部近傍までレーザ光を照射してターゲットを有効使用することができた。
これに対し、比較例１の酸化物超電導導体はその長手方向において臨界電流値Ｉｃが実施例１よりもバラついていた。
臨界電流値Ｉｃの導体長手方向のバラつきは、比較例１では５％以上だったのに対し、実施例１では２％以下にまで均一になっていた。

（実施例２〜５、比較例２および３）
ターゲット保持部材として表１記載の材料より形成したものを用いた以外は、実施例１と同様にして長尺基材上に酸化物超電導層を成膜して酸化物超電導導体（長さ１０ｍ）を作製した。作製した各酸化物超電導導体について、液体窒素温度下（７７Ｋ）の臨界電流値Ｉｃ(Ａ）を、導体長手方向の複数位置に対して測定し、長手方向の臨界電流値のバラつきを算出した。結果を、前記実施例１および比較例１の結果と合わせて、表１に示す。

表１の結果より、本発明に係る実施例１〜５の酸化物超電導導体は、長手方向における臨界電流値のバラつきが小さくなっていた。従って、本発明の成膜装置及び成膜方法は、長時間に亘って均一な膜質や特性の薄膜を安定して成膜することができることが明らかである。これに対し、比較例１〜３の酸化物超電導導体は、長手方向における臨界電流値のバラつきが大きくなっていた。

１０…酸化物超電導導体、１１…テープ基材、１２…中間層、１３…酸化物超電導層（酸化物超電導薄膜）、２０…成膜装置、２１…送出リール、２２…巻取リール、２３、２４…巻回部材群、２５…長尺基材（基材）、２６…基板ホルダ、２７…成膜領域、２８…レーザ光発光手段、２９…プルーム、３１…ターゲット、３２…ターゲット保持部材、３３…ターゲット支持台、Ｌ…レーザ光。

Claims (6)

1. レーザ光によってターゲットから叩き出され若しくは蒸発した構成粒子を基材上に堆積させ、該基材上に薄膜を形成する成膜装置であって、
   前記基材に対向するように配されたターゲットと、
   前記ターゲットの外周面を取り囲んで設けられたターゲット保持部材と、
   前記ターゲットにレーザ光を照射するレーザ光発光手段とを少なくとも備え、
   前記ターゲット保持部材が、熱伝導率４０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下、融点２０００℃以上の材料より形成されてなることを特徴とする成膜装置。
2. 前記ターゲット保持部材の高さが、前記ターゲットの高さよりも低いことを特徴とする請求項１に記載の成膜装置。
3. 前記ターゲットが酸化物超電導体用材料であり、前記薄膜が酸化物超電導薄膜であることを特徴とする請求項１または２に記載の成膜装置。
4. 前記ターゲット保持部材が、Ａｌ_２Ｏ_３またはＺｒＯ_２より形成されてなることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の成膜装置。
5. ターゲット支持台を備え、該ターゲット支持台上に前記ターゲットと前記ターゲット保持部材とが載置されてなることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の成膜装置。
6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載の成膜装置を用い、レーザ光をターゲット表面に照射し、このレーザ光によって前記ターゲットから叩き出され若しくは蒸発した構成粒子を基材上に堆積させ、該基材上に薄膜を形成することを特徴とする成膜方法。

Images