JP2013079437A - Film forming method and film forming apparatus using laser ablation - Google Patents

Film forming method and film forming apparatus using laser ablation Download PDF

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泰 足立
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide technology, by which a film having fewer droplets and fewer surface irregularities is formed on a substrate.SOLUTION: A film forming apparatus includes: a first laser source for ablation which emits pulsed laser beams for knocking out or evaporating constituent particles from a target; and a second laser source which emits continuous-wave laser beams for spot heating of or around the area where the first laser source performed convergent irradiation of laser beams on the target surface, outside a treatment container. Using the film forming apparatus, temperature of the target surface of and around the ablation area is raised by performing convergent irradiation of continuous-wave laser beams on the target surface from the second laser source through an irradiation window provided in the treatment container, and a film is formed on a substrate by performing convergent irradiation of pulsed laser beams on the ablation area from the first laser source through the irradiation window provided in the treatment container.

Description

本発明は、レーザーアブレーションを用いた成膜方法および成膜装置に関する。   The present invention relates to a film forming method and a film forming apparatus using laser ablation.

パルスレーザー蒸着法(PLD:Pulse Laser Deposition)は、ターゲット材料にパルスレーザーを照射し、レーザー照射によりターゲット材料からアブレーション(蒸発侵食)されて放出された原子、分子あるいは微粒子を基板上に堆積させる薄膜作製技術であり、半導体や酸化物超電導薄膜の作製に適用されている。また、ターゲットから薄膜を作製した場合、ターゲットと薄膜との間で組成ずれが少ないことから、PLD法は他の薄膜作製プロセスに比べ、複雑な化学組成を転写する場合に優れている特徴がある。   Pulsed laser deposition (PLD) is a thin film that irradiates a target material with a pulsed laser and deposits atoms, molecules or fine particles released from the target material by ablation (evaporation erosion). This is a fabrication technique and is applied to the fabrication of semiconductors and oxide superconducting thin films. In addition, when a thin film is produced from a target, there is little compositional deviation between the target and the thin film, so that the PLD method is superior to other thin film production processes when transferring a complicated chemical composition. .

PLD法は、酸化物や窒化物、硫化物などの複雑なターゲット組成を転写できるだけでなく、他の成膜方法に比べ、アブレーションされる原子や分子のエネルギーが高いため、金属ターゲットを用いても高品質な薄膜を作製するのに適しており、更に成膜の雰囲気を制御することで金属ターゲットから、酸化物や窒化物、硫化物などのセラミックス薄膜を作製することも可能な利点を有している。
しかしながら、レーザーアブレーションの過程はターゲット表面付近でのターゲット材料の気化現象によって引き起こされるため、同時にターゲット表面の液相も基板側に吹き飛ばしてしまい、薄膜に粗大な粒子(ドロップレット)を付着させてしまう問題がある。このドロップレットは、薄膜の特性を低下させてしまう傾向があることから、如何にしてドロップレットの発生を抑えるのかがPLD法における課題とされている。
The PLD method can not only transfer complex target compositions such as oxides, nitrides, and sulfides, but also has higher energy of atoms and molecules to be ablated than other film formation methods, so even if a metal target is used. It is suitable for producing high-quality thin films, and has the advantage that ceramic thin films such as oxides, nitrides, and sulfides can be produced from metal targets by controlling the film formation atmosphere. ing.
However, since the laser ablation process is caused by the vaporization phenomenon of the target material in the vicinity of the target surface, the liquid phase on the target surface is also blown to the substrate side, and coarse particles (droplets) adhere to the thin film. There's a problem. Since these droplets tend to deteriorate the properties of the thin film, how to suppress the generation of droplets is a problem in the PLD method.

上述の薄膜に対するドロップレットの影響を低減する技術として、真空チャンバ内に設けたターゲット保持台上に薄膜の源となるターゲットを設置し、このターゲットにレーザー光を照射するレーザー光源を設け、前記ターゲット保持台にターゲット個別加熱用の加熱装置を設けたレーザー蒸着装置が知られている。(特許文献1参照)   As a technique for reducing the influence of droplets on the above-described thin film, a target serving as a thin film source is installed on a target holder provided in a vacuum chamber, and a laser light source for irradiating the target with a laser beam is provided. A laser deposition apparatus in which a heating device for individual target heating is provided on a holding table is known. (See Patent Document 1)

特開平10−36959号公報JP-A-10-36959

前記特許文献1に記載の技術は、ターゲットを下部からヒータで、あるいは、高周波加熱コイルで所望の温度に加熱することによりターゲットの内部と表面部の局部的な温度差を解消し、ターゲット表面部分におけるレーザーの照射部分とその周囲の温度差を少なくして良好な微粒子のみを発生させて基板側に堆積させ、薄膜を形成している。
しかしながら、レーザーアブレーションにより薄膜を形成する装置では、ターゲットの利用効率を高めるため、あるいは、得られる膜質を高めるために、レーザーアブレーションの最中にターゲットの同じ位置を何度もレーザー光がアブレーションしないようにターゲットを往復移動させるか、回転移動させてターゲット上のレーザー光の照射位置をずらすような機構が設けられている。
The technique described in Patent Document 1 eliminates a local temperature difference between the inside and the surface of the target by heating the target from below to a desired temperature with a heater or a high-frequency heating coil. A thin film is formed by reducing only the temperature difference between the irradiated portion of the laser and the surrounding temperature, generating only fine particles, and depositing them on the substrate side.
However, in an apparatus for forming a thin film by laser ablation, in order to improve the utilization efficiency of the target or improve the quality of the obtained film, the laser beam should not be ablated repeatedly at the same position of the target during laser ablation. A mechanism for shifting the irradiation position of the laser beam on the target by reciprocating the target or rotating the target is provided.

このようにターゲットの照射位置をずらすような機構を備えたレーザー蒸着装置において、ターゲットをその下部側から独自に加熱する機構を設けると、ターゲットの移動機構や回転機構のベアリングや軸が傷みやすく、装置の老朽化が進みやすいという問題を生じる。従って、PLD装置において、ターゲットのみを加熱し、それ以外の部分はできるだけ加熱しない構造が必要とされている。
また、PLD装置のメンテナンスなどを考慮した場合、装置の内部構造を複雑にするよりも装置外でメンテナンスできる機構が望まれる。例えば、ターゲットを真空チャンバ内に設けたヒーターやランプで加熱するのではなく、真空チャンバの外部からターゲットを加熱できる構造が好ましい。
In this way, in the laser vapor deposition apparatus equipped with a mechanism for shifting the irradiation position of the target, if a mechanism for heating the target from its lower side is provided, the target moving mechanism and the rotating mechanism bearings and shafts are easily damaged, This causes a problem that the aging of the device tends to progress. Therefore, in the PLD apparatus, there is a need for a structure in which only the target is heated and the other portions are not heated as much as possible.
Further, when considering the maintenance of the PLD apparatus, a mechanism capable of performing maintenance outside the apparatus is desired rather than complicating the internal structure of the apparatus. For example, a structure in which the target can be heated from the outside of the vacuum chamber, rather than being heated by a heater or lamp provided in the vacuum chamber is preferable.

本発明は、以上のような従来の実情に鑑みなされたものであり、装置外部から装置内部のターゲットのみを部分的に加熱可能な構成を採用し、装置のメンテナンスを容易とした上に、ターゲット表面のレーザー光照射部分における突沸現象を抑制して薄膜にドロップレットが生成することを抑制したレーザーアブレーションを利用した成膜方法および成膜装置の提供を目的とする。   The present invention has been made in view of the above-described conventional situation, adopts a configuration in which only the target inside the apparatus can be partially heated from the outside of the apparatus, and facilitates maintenance of the apparatus. It is an object of the present invention to provide a film forming method and a film forming apparatus using laser ablation in which a bumping phenomenon in a laser beam irradiation portion on the surface is suppressed and droplets are prevented from being generated on a thin film.

前記課題を解決するため、本発明は、レーザー光をターゲットの表面に集光照射し、このターゲットの構成粒子を叩き出し若しくは蒸発させて前記ターゲットの構成粒子を基材上に堆積させる成膜方法であって、前記ターゲットから構成粒子を叩き出し若しくは蒸発させるパルス状のレーザー光を出射するアブレーション用の第1のレーザー光源と、前記第1のレーザー光源が前記ターゲットの表面にレーザー光を集光照射した領域とその領域周辺をスポット加熱する連続波レーザー光を出射する第2のレーザー光源とを処理容器の外部に備えた成膜装置を用い、前記第2のレーザー光源から前記ターゲットの表面に前記処理容器に設けた照射窓を介し連続波レーザー光を集光照射してアブーション領域とその周辺領域のターゲット表面を加熱すると同時に、第1のレーザー光源からアブレーション領域に前記処理容器に設けた照射窓を介しパルス状のレーザー光を集光照射してターゲットの構成粒子を叩き出し若しくは蒸発させ、基材上に成膜することを特徴とする。   In order to solve the above-described problems, the present invention provides a film forming method in which laser light is focused on a target surface and constituent particles of the target are knocked out or evaporated to deposit the constituent particles of the target on a substrate. A first laser light source for ablation that emits a pulsed laser beam that strikes or evaporates constituent particles from the target, and the first laser light source focuses the laser beam on the surface of the target. Using a film forming apparatus having an irradiation region and a second laser light source that emits continuous wave laser light that spot-heats the periphery of the region outside the processing container, the second laser light source is applied to the surface of the target. A continuous wave laser beam is condensed and irradiated through an irradiation window provided in the processing vessel to add the target surface in the ablation region and its peripheral region. At the same time, pulsed laser light is condensed and irradiated from the first laser light source to the ablation region through the irradiation window provided in the processing container, and the constituent particles of the target are knocked out or evaporated to form a film on the substrate. It is characterized by doing.

第1のレーザー光源からのパルス状のレーザー光によりターゲットの表面からターゲットの構成粒子を叩き出し若しくは蒸発させてターゲットの構成粒子の膜を基材上に形成できる。この際、パルス状のレーザー光は高エネルギー状態とエネルギーの無い状態を交互に繰り返すため、仮に、ターゲット表面に液相が生じた場合にこの液相部分を高エネルギー状態のレーザー光が突沸を生じさせて吹き飛ばしてしまうことがある。
この点において、パルス状のレーザー光の強力なエネルギーがターゲット表面の照射領域から深い部分あるいは周辺部分に伝わり、これらの部分で突沸を起こそうとしても、第2のレーザー光源からの連続波レーザー光が予めターゲット照射領域とその周辺領域を常時加熱し、温度差を少なくしているため、レーザーアブレーション領域での突沸発生を抑制することができ、基材側に粗大粒子が飛び出すことを抑制できる。
A film of target constituent particles can be formed on a substrate by knocking or evaporating target constituent particles from the surface of the target with a pulsed laser beam from a first laser light source. At this time, since the pulsed laser light alternately repeats a high energy state and a state without energy, if a liquid phase is generated on the target surface, the laser light in the high energy state causes bumping in the liquid phase portion. It may be blown away.
In this regard, even if the intense energy of the pulsed laser beam is transmitted from the irradiation area of the target surface to the deep part or the peripheral part, and a bumping occurs in these parts, the continuous wave laser beam from the second laser light source However, since the target irradiation region and its peripheral region are always heated in advance to reduce the temperature difference, the occurrence of bumping in the laser ablation region can be suppressed, and the coarse particles can be prevented from jumping out to the substrate side.

また、第1のレーザー光源からターゲットにパルス状のレーザー光を照射することにより生じるターゲットの割れや剥離について、パルス状のレーザー光の照射部分とその周囲を第2のレーザー光源からの連続波レーザー光が加熱することで抑制するので、ターゲットの割れや剥離に起因して従来技術では膜に生成していたドロップレットも抑制できる。
また、ターゲット表面に生じた液相部分を第2のレーザー光源からの連続波レーザー光により常時加熱するので、ターゲット表面に生じた液相部分から飛び出そうとする粗大粒子を第2のレーザー光源からの連続波レーザー光により常時昇華させることができる。
これらの複合効果により、基材上に形成する膜において、ドロップレットに起因する凹凸の無い、平滑な均一な膜を生成できる。
In addition, regarding the cracking and peeling of the target caused by irradiating the target with pulsed laser light from the first laser light source, a continuous wave laser from the second laser light source is irradiated around and around the irradiated part of the pulsed laser light. Since light is suppressed by heating, droplets generated in the film in the prior art due to cracking or peeling of the target can also be suppressed.
Further, since the liquid phase portion generated on the target surface is constantly heated by the continuous wave laser beam from the second laser light source, coarse particles that are about to jump out of the liquid phase portion generated on the target surface are emitted from the second laser light source. It is possible to always sublimate with a continuous wave laser beam.
By these combined effects, a smooth and uniform film free from irregularities due to droplets can be generated in the film formed on the substrate.

前記課題を解決するため、本発明は、金属製の基材本体とこの基材本体上に形成された中間層を具備する積層構造の基材に対し、酸化物超電導体生成用のターゲットを用いて前記第2のレーザー光源から赤外域の連続波レーザー光を集光照射して前記ターゲット表面をスポット加熱するとともに、該スポット加熱領域の内側のアブレーション領域に対し前記第1のレーザー光源からパルス状のレーザー光を集光照射して前記ターゲットから構成粒子を叩き出し若しくは蒸発させて前記中間層上に酸化物超電導層を形成することを特徴とする。
基材の上方に表面にドロップレットの生じていない表面凹凸の少ない平滑な酸化物超電導層を備えた酸化物超電導導体を得ることができる。ドロップレットを有していない平滑な酸化物超電導層であるならば、結晶配向性に優れ、超電導特性に優れる。
In order to solve the above problems, the present invention uses a target for generating an oxide superconductor on a base material having a laminated structure including a metal base body and an intermediate layer formed on the base body. Then, the target surface is spot-heated by condensing and irradiating infrared continuous-wave laser light from the second laser light source, and pulsed from the first laser light source to the ablation region inside the spot heating region. In this case, the oxide superconducting layer is formed on the intermediate layer by condensing and irradiating the laser beam and ejecting or evaporating the constituent particles from the target.
It is possible to obtain an oxide superconducting conductor having a smooth oxide superconducting layer with few surface irregularities on the surface above which no droplets are formed. If it is a smooth oxide superconducting layer having no droplets, it has excellent crystal orientation and superconducting properties.

前記課題を解決するため、本発明は、前記第2のレーザー光源からの連続波レーザー光により前記ターゲット表面を360〜630℃に加熱することを特徴とする。
ターゲットの温度が前記範囲より高くなると、アブレーションに必要なレーザーパワーの閾値が下がり、蒸着量が増加し、この蒸着量の増加に伴い、過飽和度が増し、膜質が低下する傾向となる。また、ターゲットを加熱しすぎると、組成ずれが顕著になるおそれがある。
In order to solve the above problems, the present invention is characterized in that the target surface is heated to 360 to 630 ° C. by continuous wave laser light from the second laser light source.
When the temperature of the target is higher than the above range, the laser power threshold required for ablation decreases, the deposition amount increases, and the supersaturation degree increases and the film quality tends to decrease as the deposition amount increases. Further, if the target is heated too much, compositional deviation may become remarkable.

前記課題を解決するため、本発明の成膜装置は、レーザー光をターゲットの表面に集光照射し、このターゲットの構成粒子を叩き出し若しくは蒸発させて前記ターゲットの構成粒子を基材上に堆積させる成膜装置であって、前記ターゲットを収容する処理容器と、該処理容器の外部に設けられ、前記ターゲットから構成粒子を叩き出し若しくは蒸発させるアブレーション用のパルス状のレーザー光を出射する第1のレーザー光源と、前記処理容器の外部に設けられ、前記第1のレーザー光源が前記ターゲットの表面にレーザー光を集光照射する領域とその領域周辺をスポット加熱する連続波レーザー光を出射する第2のレーザー光源とを備え、前記処理容器に、前記第1のレーザー光源からのパルス状のレーザー光を透過させる照射窓と、前記第2のレーザー光源からの連続波レーザー光を透過させる照射窓を設けたことを特徴とする。   In order to solve the above problems, the film forming apparatus of the present invention condenses and irradiates the surface of the target with laser light, knocks out or evaporates the constituent particles of the target, and deposits the constituent particles of the target on the substrate. A film forming apparatus for storing the target; and a first container that is provided outside the processing container and emits pulsed laser light for ablation that strikes or evaporates constituent particles from the target. And a first laser light source that emits a continuous wave laser beam that spot-heats a region where the laser beam is focused and irradiated on the surface of the target. An irradiation window that transmits the pulsed laser light from the first laser light source to the processing container; Characterized in that a radiation window which transmits a continuous wave laser beam from the second laser light source.

第1のレーザー光源からのパルス状のレーザー光によりターゲットの表面からターゲットの構成粒子を叩き出し若しくは蒸発させてターゲットの構成粒子の膜を基材上に形成できる。
この際、パルス状のレーザー光は高エネルギー状態とエネルギーの無い状態を交互に繰り返すため、仮に、ターゲット表面の熱がターゲット内部に拡散し、ターゲット内部で液相部分が突沸すると、ターゲット表面の溶融部分を吹き飛ばしてドロップレットとして膜に付着させるおそれがある。
この点において、パルス状のレーザー光の強力なエネルギーがターゲット表面の照射領域から深い部分あるいは周辺部分に伝わり、これらの部分で突沸を起こそうとしても、第2のレーザー光源からの連続波レーザー光が予めターゲット照射領域とその周辺領域を常時加熱し、温度差を少なくしているため、レーザーアブレーション領域での突沸発生を抑制することができ、基材側に粗大粒子が飛び出すことを抑制できる。
A film of target constituent particles can be formed on a substrate by knocking or evaporating target constituent particles from the surface of the target with a pulsed laser beam from a first laser light source.
At this time, since the pulsed laser light alternates between a high energy state and a state without energy, if the heat on the target surface diffuses inside the target and the liquid phase part bumps inside the target, the target surface melts. There is a possibility that the portion may be blown off and adhered to the film as a droplet.
In this regard, even if the intense energy of the pulsed laser beam is transmitted from the irradiation area of the target surface to the deep part or the peripheral part, and a bumping occurs in these parts, the continuous wave laser beam from the second laser light source However, since the target irradiation region and its peripheral region are always heated in advance to reduce the temperature difference, the occurrence of bumping in the laser ablation region can be suppressed, and the coarse particles can be prevented from jumping out to the substrate side.

また、ターゲット表面に生じた液相部分から飛び出そうとする粗大粒子を第2のレーザー光源からの連続波レーザー光により昇華させることができる。これらにより、基材上に形成する膜において、ドロップレットの生成を抑制し、ドロップレットに起因する凹凸の無い、平滑な膜を生成できる。
前記成膜装置は、第1照射窓部を介し第1のレーザー光源からのパルス状のレーザー光を処理容器内のターゲットに集光照射し、第2照射窓部を介し第2のレーザー光源からの連続波レーザー光を処理容器内のターゲットに集光照射できる。これらのレーザー光はいずれも処理容器の外部から処理容器内のターゲット表面のみを加熱できるので、処理容器内に設けられている機器、例えばターゲットや基材の支持機構を構成する機械部品を温度を上昇させることはないので、支持機構の寿命や性能には悪影響がない。
In addition, coarse particles that are about to jump out of the liquid phase portion generated on the target surface can be sublimated by continuous wave laser light from the second laser light source. By these, in the film | membrane formed on a base material, the production | generation of a droplet can be suppressed and the smooth film | membrane without the unevenness | corrugation resulting from a droplet can be produced | generated.
The film forming apparatus condenses and irradiates the target in the processing container with the pulsed laser light from the first laser light source through the first irradiation window, and from the second laser light source through the second irradiation window. The continuous wave laser beam can be focused and irradiated on the target in the processing container. Since all of these laser beams can heat only the target surface in the processing container from the outside of the processing container, the temperature of the equipment provided in the processing container, for example, the mechanical parts constituting the support mechanism of the target and the substrate is controlled. Since it is not raised, there is no adverse effect on the life and performance of the support mechanism.

前記課題を解決するため、本発明の成膜装置は、前記第2のレーザー光源が赤外域の連続波レーザー光を出射するレーザー光源であることを特徴とする。
赤外域の連続波レーザー光であるならば、ターゲット表面のスポット領域を確実に加熱することができ、ターゲット表面に生じた液相部分から飛び出そうとする粗大粒子を第2のレーザー光源からの連続波レーザー光により昇華させることができる。
In order to solve the above problems, the film forming apparatus of the present invention is characterized in that the second laser light source is a laser light source that emits continuous wave laser light in an infrared region.
If it is a continuous wave laser beam in the infrared region, the spot region on the target surface can be reliably heated, and coarse particles that attempt to jump out from the liquid phase portion generated on the target surface are continuously emitted from the second laser light source. Sublimation with wave laser light is possible.

前記課題を解決するため、本発明の成膜装置は、前記基板支持機構が、テープ状の基材を装着する供給リールと、テープ状の基材を巻き取る巻取リールと、前記供給リール及び前記巻取リールの間に架設された複数の転向リールを具備してなり、前記複数の転向リールがそれらの間に供給されるテープ状の基材を前記ターゲットホルダに装着されるターゲットに対向してレーン状に配置するように配置されたことを特徴とする。
複数の転向リールの間でテープ状の基材がレーン状に移動される間にターゲットからの構成粒子を堆積させてテープ状の基材の全長に成膜できる。
In order to solve the above problems, in the film forming apparatus of the present invention, the substrate support mechanism includes a supply reel on which a tape-shaped base material is mounted, a take-up reel that winds the tape-shaped base material, the supply reel, A plurality of turning reels provided between the take-up reels are provided, and the plurality of turning reels oppose a target mounted on the target holder with a tape-like substrate supplied therebetween. It is characterized by being arranged in a lane shape.
While the tape-like substrate is moved in a lane shape between the plurality of turning reels, the constituent particles from the target can be deposited to form a film over the entire length of the tape-like substrate.

本発明によれば、第1のレーザー光源からのパルス状のレーザー光によりターゲット表面からターゲットの構成粒子を叩き出し若しくは蒸発させてターゲットの構成粒子の膜を基材上に形成できる。この際、パルス状のレーザー光を照射した位置とその周辺を第2のレーザー光源からの連続波レーザー光により連続加熱できるので、パルス状のレーザー光を照射した部分とその周囲部分の温度差を小さくすることができ、ドロップレット発生の原因となる突沸による粗大粒子の飛散を抑制でき、ターゲットの割れや剥離に起因するドロップレットの生成も抑制できる。従って、基材上に形成する膜において、ドロップレットに起因する凹凸の無い、表面が平滑な良質の膜を生成できる。   According to the present invention, a target constituent particle film can be formed on a substrate by striking or evaporating target constituent particles from the target surface with a pulsed laser beam from a first laser light source. At this time, since the position irradiated with the pulsed laser beam and its periphery can be continuously heated by the continuous wave laser beam from the second laser light source, the temperature difference between the portion irradiated with the pulsed laser beam and the surrounding portion can be determined. It can be made small, the scattering of coarse particles due to bumping, which causes the generation of droplets, can be suppressed, and the generation of droplets due to cracking or peeling of the target can also be suppressed. Therefore, in the film formed on the base material, it is possible to generate a high-quality film having a smooth surface free from irregularities due to droplets.

本発明に係る第1実施形態の成膜装置の概略構成を示す正面図。1 is a front view showing a schematic configuration of a film forming apparatus according to a first embodiment of the present invention. 図1に示す成膜装置の概略構成を示す側面図。The side view which shows schematic structure of the film-forming apparatus shown in FIG. 図1に示す成膜装置の概略構成の要部を示す斜視図。The perspective view which shows the principal part of schematic structure of the film-forming apparatus shown in FIG. 図1に示す成膜装置で成膜する場合に対象とする酸化物超電導導体の一例構造を示す斜視図。The perspective view which shows an example structure of the oxide superconducting conductor made into object when forming into a film with the film-forming apparatus shown in FIG. 実施例において得られた薄膜試料の表面状態を示す電子顕微鏡写真。The electron micrograph which shows the surface state of the thin film sample obtained in the Example. 比較例において得られた薄膜試料の表面状態を示す電子顕微鏡写真。The electron micrograph which shows the surface state of the thin film sample obtained in the comparative example. 本発明に係る第2実施形態の成膜装置の概略構成を示す正面図。The front view which shows schematic structure of the film-forming apparatus of 2nd Embodiment which concerns on this invention.

以下、本発明に係る成膜方法と成膜装置を酸化物超電導導体用薄膜に適用した実施形態について図面に基づいて説明する。
図1は本発明に係る第1実施形態の成膜装置の概略構成を示す正面図、図2は同成膜装置の概略構成を示す側面図、図3は同成膜装置の要部を示す斜視図である。図1〜図3に示す本実施形態の成膜装置Aを用いて製造しようとする酸化物超電導導体1の一例構造を図4に示す。
この例の酸化物超電導導体1は、テープ状の基材本体2の上方に、拡散防止層3と中間層4とキャップ層5と酸化物超電導層6と安定化層7をこの順に積層してなる。この酸化物超電導導体1はその周面を図示略の絶縁被覆層などで覆って酸化物超電導線材として利用される。
Hereinafter, embodiments in which a film forming method and a film forming apparatus according to the present invention are applied to a thin film for an oxide superconducting conductor will be described with reference to the drawings.
1 is a front view showing a schematic configuration of a film forming apparatus according to a first embodiment of the present invention, FIG. 2 is a side view showing the schematic configuration of the film forming apparatus, and FIG. 3 shows a main part of the film forming apparatus. It is a perspective view. FIG. 4 shows an example structure of the oxide superconducting conductor 1 to be manufactured using the film forming apparatus A of the present embodiment shown in FIGS.
The oxide superconducting conductor 1 of this example has a diffusion prevention layer 3, an intermediate layer 4, a cap layer 5, an oxide superconducting layer 6 and a stabilizing layer 7 laminated in this order above a tape-shaped base body 2. Become. The oxide superconducting conductor 1 is used as an oxide superconducting wire by covering its peripheral surface with an insulating coating layer (not shown).

前記酸化物超電導導体1に適用される基材本体2は、通常の酸化物超電導導体の基材本体として使用することができ、高強度であれば良く、長尺のケーブルとするためにテープ状やシート状あるいは薄板状であることが好ましく、耐熱性の金属からなるものが好ましい。例えば、ハステロイ等のニッケル合金等の各種耐熱性金属材料等が挙げられる。各種耐熱性金属の中でも、ニッケル合金が好ましい。なかでも、市販品であれば、ハステロイ(米国ヘインズ社製商品名)が好適であり、ハステロイとして、モリブデン、クロム、鉄、コバルト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。なお、Ni合金に集合組織を導入したNi−W合金のような配向性基材本体を用いても良い。基材本体2の厚さは、目的に応じて適宜調整すれば良く、通常は、10〜500μmの範囲とすることができる。   The base body 2 applied to the oxide superconducting conductor 1 can be used as a base body of a normal oxide superconducting conductor and has only to be high strength. It is preferably in the form of a sheet or thin plate, and is preferably made of a heat-resistant metal. Examples thereof include various heat-resistant metal materials such as nickel alloys such as hastelloy. Among various refractory metals, a nickel alloy is preferable. Especially, if it is a commercial item, Hastelloy (trade name made by US Haynes Co., Ltd.) is suitable. Any type can be used. An oriented base material body such as a Ni-W alloy in which a texture is introduced into a Ni alloy may be used. What is necessary is just to adjust the thickness of the base-material main body 2 suitably according to the objective, Usually, it can be set as the range of 10-500 micrometers.

拡散防止層3は、基材本体2を構成する元素が上部の酸化物超電導層6側へ拡散するのを防止する機能を有する。これにより、拡散元素による酸化物超電導層6等の特性劣化を抑えることができる。
拡散防止層3と中間層4の間には、ベッド層が設けられていてもよい。ベッド層は、耐熱性が高く、界面反応性を低減するためのものであり、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、例えば、イットリア(Y)などの希土類酸化物であり、組成式(α2x(β(1−x)で示されるものが例示できる。より具体的には、Er、CeO、Dy、Er、Eu、Ho、La等を例示することができ、これらの材料からなる単層構造あるいは複層構造でも良い。ベッド層は、例えばスパッタリング法等の成膜法により形成され、その厚さは例えば10〜100nmである。また、ベッド層の結晶性は特に問われないので、通常のスパッタ法等の成膜法により形成すれば良い。
The diffusion preventing layer 3 has a function of preventing the elements constituting the base body 2 from diffusing to the upper oxide superconducting layer 6 side. Thereby, characteristic deterioration of the oxide superconducting layer 6 and the like due to the diffusing element can be suppressed.
A bed layer may be provided between the diffusion preventing layer 3 and the intermediate layer 4. The bed layer has high heat resistance and is used for reducing interfacial reactivity, and is used for obtaining the orientation of a film disposed thereon. Such a bed layer is, for example, a rare earth oxide such as yttria (Y 2 O 3 ), and is exemplified by a compositional formula (α 1 O 2 ) 2x2 O 3 ) (1-x). it can. More specifically, Er 2 O 3 , CeO 2 , Dy 2 O 3 , Er 2 O 3 , Eu 2 O 3 , Ho 2 O 3 , La 2 O 3 and the like can be exemplified, and from these materials It may be a single layer structure or a multilayer structure. The bed layer is formed by a film forming method such as a sputtering method, and has a thickness of 10 to 100 nm, for example. Further, since the crystallinity of the bed layer is not particularly limited, it may be formed by a film forming method such as a normal sputtering method.

中間層4は、酸化物超電導層6の結晶配向性を制御し、基材本体2中の金属元素の酸化物超電導層6への拡散を防止するものである。さらに、基材本体2と酸化物超電導層6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し、その材質は、物理的特性が基材本体2と酸化物超電導層6との中間的な値を示す金属酸化物が好ましい。中間層4の好ましい材質として具体的には、GdZr、MgO、ZrO−Y(YSZ)、SrTiO、CeO、Y、Al、Gd、Zr、Ho、Nd等の金属酸化物を例示できる。
中間層4は、単層でも良いし、複層構造でも良い。例えば、前記金属酸化物からなる層(金属酸化物層)は、IBAD法(イオンビームアシスト蒸着法)などにより成膜されて結晶配向性を有していることが好ましく、複数層である場合には、最外層(最も酸化物超電導層6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。
The intermediate layer 4 controls the crystal orientation of the oxide superconducting layer 6 and prevents diffusion of the metal element in the base body 2 into the oxide superconducting layer 6. Furthermore, it functions as a buffer layer that alleviates the difference in physical properties (thermal expansion coefficient, lattice constant, etc.) between the substrate body 2 and the oxide superconducting layer 6, and the material has physical properties different from those of the substrate body 2. A metal oxide showing an intermediate value with the oxide superconducting layer 6 is preferable. Specifically, preferred materials for the intermediate layer 4 include Gd 2 Zr 2 O 7 , MgO, ZrO 2 —Y 2 O 3 (YSZ), SrTiO 3 , CeO 2 , Y 2 O 3 , Al 2 O 3 , Gd 2. Examples thereof include metal oxides such as O 3 , Zr 2 O 3 , Ho 2 O 3 , and Nd 2 O 3 .
The intermediate layer 4 may be a single layer or a multilayer structure. For example, the metal oxide layer (metal oxide layer) is preferably formed by an IBAD method (ion beam assisted vapor deposition method) or the like and has a crystal orientation. The outermost layer (the layer closest to the oxide superconducting layer 6) preferably has at least crystal orientation.

前記キャップ層5は、前記中間層4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5は、前記中間層4よりも高い面内配向度が得られる可能性がある。
キャップ層5の材質は、前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、Y、Al、Gd、Zr、Ho、Nd等が例示できる。キャップ層5の材質がCeO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。
The cap layer 5 is epitaxially grown on the surface of the intermediate layer 4, and then undergoes a process of grain growth (overgrowth) in the lateral direction (plane direction), and crystal grains are selectively grown in the in-plane direction. Those formed are preferred. Such a cap layer 5 may have a higher degree of in-plane orientation than the intermediate layer 4.
The material of the cap layer 5 is not particularly limited as long as it can exhibit the above functions, but specific examples of preferable materials include CeO 2 , Y 2 O 3 , Al 2 O 3 , Gd 2 O 3 , and Zr 2. Examples thereof include O 3 , Ho 2 O 3 and Nd 2 O 3 . When the material of the cap layer 5 is CeO 2 , the cap layer may include a Ce—M—O-based oxide in which part of Ce is substituted with another metal atom or metal ion.

キャップ層5は、PLD法(パルスレーザ蒸着法)、スパッタリング法等で成膜することができるが、大きな成膜速度を得られる点でPLD法を用いることが好ましい。PLD法によるCeO層の成膜条件としては、基材温度約500〜1000℃、約0.6〜100Paの酸素ガス雰囲気中で行うことができる。キャップ層5を成膜するために本実施形態では後に説明する構成の成膜装置Aを用いて後述するPLD法により形成することができる。勿論、キャップ層5をPLD法以外の成膜法で形成しても良い。
CeOのキャップ層5の膜厚は、50nm以上であればよいが、十分な配向性を得るには100nm以上が好ましい。但し、厚すぎると結晶配向性が悪くなるので、50〜5000nmの範囲、より好ましくは100〜5000nmの範囲とすることができる。
The cap layer 5 can be formed by a PLD method (pulse laser deposition method), a sputtering method, or the like, but it is preferable to use the PLD method from the viewpoint of obtaining a high film formation rate. The film formation conditions for the CeO 2 layer by the PLD method can be performed in an oxygen gas atmosphere at a substrate temperature of about 500 to 1000 ° C. and about 0.6 to 100 Pa. In order to form the cap layer 5, in this embodiment, the cap layer 5 can be formed by a PLD method, which will be described later, using a film forming apparatus A having a configuration described later. Of course, the cap layer 5 may be formed by a film forming method other than the PLD method.
The thickness of the CeO 2 cap layer 5 may be 50 nm or more, but is preferably 100 nm or more in order to obtain sufficient orientation. However, if it is too thick, the crystal orientation deteriorates, so that it can be in the range of 50 to 5000 nm, more preferably in the range of 100 to 5000 nm.

酸化物超電導層6は通常知られている組成の酸化物超電導体からなるものを広く適用することができ、REBaCu(REはY、La、Nd、Sm、Er、Gd等の希土類元素を表す)なる材質のもの、具体的には、Y123(YBa2Cu3Oy)又はGd123(GdBaCu)を例示することができる。また、その他の酸化物超電導体、例えば、BiSrCan−1Cu4+2n+δなる組成等に代表される臨界温度の高い他の酸化物超電導体からなるものを用いても良いのは勿論である。
酸化物超電導層6は、本実施形態では後に説明する構成の成膜装置Aを用いて後述するPLD法により形成することができる。酸化物超電導層6の厚みは、0.5〜5μm程度であって、均一な厚みであることが好ましい。
The oxide superconducting layer 6 can be widely applied to an oxide superconductor having a generally known composition, such as REBa 2 Cu 3 O y (RE is Y, La, Nd, Sm, Er, Gd, etc. of a material consisting represents a rare earth element), specifically, it can be exemplified Y123 (YBa2Cu3Oy) or Gd123 (GdBa 2 Cu 3 O y ). Further, other oxide superconductors, for example, Bi 2 Sr 2 Ca n- 1 Cu n for O 4 + 2n + δ becomes may be used in compositions such as those made of other oxide superconductors having high critical temperatures representative Of course.
In the present embodiment, the oxide superconducting layer 6 can be formed by a PLD method to be described later using a film forming apparatus A having a configuration described later. The oxide superconducting layer 6 has a thickness of about 0.5 to 5 μm and preferably a uniform thickness.

酸化物超電導層6の上面を覆うように形成されている安定化層7は、Agからなり、スパッタ法などの気相法により成膜されており、その厚さを1〜30μm程度とされる。また、安定化層7の上に図示略の第2の安定化層が設けられていても良い。第2の安定化層は、良導電性の金属材料からなり、酸化物超電導層6が超電導状態から常電導状態に転移した時に、安定化層7とともに、電流を転流するバイパスとして機能する。第2の安定化層を構成する金属材料としては、良導電性を有するものであればよく、特に限定されないが、銅、黄銅(Cu−Zn合金)、Cu−Ni合金等の銅合金、ステンレス等の比較的安価な材質からなるものを用いることが好ましく、中でも高い導電性を有し、安価であることがら銅からなることが好ましい。なお、酸化物超電導導体1を超電導限流器に使用する場合は、第2の安定化層は高抵抗金属材料より構成され、例えば、Ni−Cr等のNi系合金などを使用できる。第2の安定化層の厚さは特に限定されず、適宜調整可能であるが、10〜300μmとすることが好ましい。   The stabilization layer 7 formed so as to cover the upper surface of the oxide superconducting layer 6 is made of Ag and is formed by a vapor phase method such as a sputtering method, and its thickness is set to about 1 to 30 μm. . A second stabilization layer (not shown) may be provided on the stabilization layer 7. The second stabilization layer is made of a highly conductive metal material, and functions as a bypass for commutating current together with the stabilization layer 7 when the oxide superconducting layer 6 transitions from the superconducting state to the normal conducting state. The metal material composing the second stabilization layer is not particularly limited as long as it has good conductivity, but copper alloys such as copper, brass (Cu—Zn alloy), Cu—Ni alloy, stainless steel, etc. It is preferable to use a material made of a relatively inexpensive material, such as copper. Among them, copper is preferable because it has high conductivity and is inexpensive. When the oxide superconducting conductor 1 is used for a superconducting fault current limiter, the second stabilization layer is made of a high resistance metal material, and for example, a Ni-based alloy such as Ni—Cr can be used. The thickness of the second stabilizing layer is not particularly limited and can be adjusted as appropriate, but is preferably 10 to 300 μm.

本実施形態において、前記酸化物超電導導体1のキャップ層5あるいは酸化物超電導層6を以下に説明する成膜装置Aを用いて製造することができる。
本実施形態の成膜装置Aは、レーザー光によってターゲット11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)を基材本体上に向け、構成粒子の堆積による薄膜を基材本体上に形成するレーザー蒸着法(PLD法)を実施する装置である。
本実施形態の成膜装置Aは、基材本体2上に中間層4までを形成した状態からその上のキャップ層5を成膜する場合と、キャップ層5の上に酸化物超電導層6を成膜する場合のいずれかまたは両方に用いることができる。
In the present embodiment, the cap layer 5 or the oxide superconducting layer 6 of the oxide superconducting conductor 1 can be manufactured by using a film forming apparatus A described below.
The film forming apparatus A of the present embodiment directs a jet (plume) of constituent particles struck or evaporated from the target 11 by laser light onto the substrate body, and forms a thin film on the substrate body by deposition of the constituent particles. This is an apparatus for performing a laser vapor deposition method (PLD method).
In the film forming apparatus A of the present embodiment, the cap layer 5 is formed on the base body 2 from the state where the intermediate layer 4 is formed, and the oxide superconducting layer 6 is formed on the cap layer 5. It can be used for either or both of film formation.

成膜装置Aは、図2、図3に示すようにテープ状の基材本体2をその長手方向に走行するための走行装置10と、この走行装置10の下側に設置されたターゲット11と、このターゲット11にレーザー光を照射するための図1に示すように処理容器(真空チャンバ)18の外部に設けられた第1のレーザー光源12及び第2のレーザー光源13とを備えている。
前記走行装置10は、一例として、成膜領域15に沿って走行するテープ状の基材本体2を案内するための転向リールの集合体である転向部材群16、17を備え、これら転向部材群16、17に基材本体2を巻き掛けて成膜領域15に基材本体2の複数のレーンを構成するように基材本体2を案内できる装置として構成されている。
As shown in FIGS. 2 and 3, the film forming apparatus A includes a traveling device 10 for traveling the tape-shaped base body 2 in the longitudinal direction thereof, and a target 11 installed below the traveling device 10. As shown in FIG. 1 for irradiating the target 11 with laser light, a first laser light source 12 and a second laser light source 13 provided outside the processing container (vacuum chamber) 18 are provided.
The traveling device 10 includes, for example, turning member groups 16 and 17 that are aggregates of turning reels for guiding the tape-like base body 2 that travels along the film forming region 15, and these turning member groups. 16 and 17 is configured as an apparatus capable of guiding the substrate body 2 so as to form a plurality of lanes of the substrate body 2 in the film forming region 15 around the substrate body 2.

前記走行装置10とターゲット11は処理容器18の内部に収容されており、処理容器18は、外部と成膜空間とを仕切る容器であり、気密性を有するとともに、内部が高真空状態とされるため耐圧性を有する構成とされる。この処理容器18には、処理容器内のガスを排気する排気手段19が接続され、他に、処理容器内にキャリアガスおよび反応ガスを導入するガス供給手段が形成されているが、図面ではガス供給手段を略し、各装置の概要のみを示している。   The traveling device 10 and the target 11 are accommodated in a processing container 18, and the processing container 18 is a container that partitions the outside and the film formation space, has airtightness, and has a high vacuum inside. Therefore, the structure has pressure resistance. An exhaust means 19 for exhausting the gas in the processing container is connected to the processing container 18, and in addition, a gas supply means for introducing a carrier gas and a reactive gas is formed in the processing container. The supply means is omitted, and only the outline of each device is shown.

基材本体2は処理容器18の内部に設けられている供給リール20に巻き付けられ、必要長さ繰り出すことができるように構成されている。供給リール20から繰り出された基材本体2は、複数の転向リール16aを同軸的に隣接配置した転向部材群16と、複数の転向リール17aを同軸的に隣接配置した転向部材群17に交互に巻き掛けられ、転向部材群16、17間に複数のレーンを構成するように配置された後、転向部材群17から引き出されて巻取リール21に巻き取られるように構成されている。   The base body 2 is wound around a supply reel 20 provided inside the processing vessel 18 so that the necessary length can be fed out. The substrate body 2 fed out from the supply reel 20 is alternately turned into a turning member group 16 in which a plurality of turning reels 16a are coaxially arranged adjacently and a turning member group 17 in which a plurality of turning reels 17a are arranged coaxially adjacently. After being wound and disposed so as to form a plurality of lanes between the turning member groups 16 and 17, they are drawn out from the turning member group 17 and wound around the take-up reel 21.

また、処理容器18の内部に、転向部材群16、17とその周囲を囲む矩形箱状のヒーターボックス23が設けられ、供給リール20から繰り出された基材本体2はヒーターボックス23の入口部23aを通過して転向部材群16に至るように構成され、転向部材群17から引き出された基材本体2はヒーターボックス23の出口部23bを介して巻取リール21側に巻き取られるようになっている。なお、このヒーターボックス23は成膜領域15の温度制御を行うために本実施形態の装置において設けられているが、ヒーターボックス23は略しても差し支えない。
転向部材群16、17の間の中間位置の下方にターゲット11が設けられている。このターゲット11は、ターゲットホルダ25に装着されて支持され、ターゲットホルダ25は、その下面中央部に取り付けられた支持ロッド26により回転自在に支持され、更に図示略の往復移動機構により図2に示すY、Y方向に水平に往復移動自在に支持されている。これらの機構によるターゲットホルダ25の回転移動と往復移動により、ターゲット11の表面に後述のように照射されるレーザー光の位置を適宜変更できるように構成されている。
Further, turning member groups 16 and 17 and a rectangular box-shaped heater box 23 surrounding the periphery thereof are provided inside the processing container 18, and the base body 2 fed out from the supply reel 20 is an inlet portion 23 a of the heater box 23. The base body 2 pulled out from the turning member group 17 is wound on the take-up reel 21 side through the outlet 23b of the heater box 23. ing. The heater box 23 is provided in the apparatus of the present embodiment in order to control the temperature of the film forming region 15, but the heater box 23 may be omitted.
A target 11 is provided below an intermediate position between the turning member groups 16 and 17. The target 11 is mounted on and supported by the target holder 25. The target holder 25 is rotatably supported by a support rod 26 attached to the center of the lower surface thereof, and is further shown in FIG. 2 by a reciprocating mechanism (not shown). It is supported so as to be able to reciprocate horizontally in the Y 1 and Y 2 directions. By the rotational movement and reciprocation of the target holder 25 by these mechanisms, the position of the laser beam irradiated onto the surface of the target 11 can be changed as appropriate as will be described later.

ターゲット11の上方のヒーターボックス23の下面には、転向部材群16、17間に基材本体2が構成する走行レーンの幅に該当するように開口部23cが形成されている。また、ヒーターボックス23において開口部23cの内側には熱板などの加熱装置27が配置され、転向部材群16、17の間を複数のレーン状に走行移動される基材本体2をそれらの裏面側から所望の温度に加熱できるように構成されている。加熱装置27は基材本体2をその裏面側から目的の加熱できる装置であればその構成は問わないが、通電式の電熱ヒータを内蔵した金属盤からなる一般的な加熱ヒータを用いることができる。   On the lower surface of the heater box 23 above the target 11, an opening 23 c is formed between the turning member groups 16 and 17 so as to correspond to the width of the traveling lane formed by the base body 2. Further, in the heater box 23, a heating device 27 such as a hot plate is disposed inside the opening 23c, and the base body 2 that travels in a plurality of lanes between the turning member groups 16 and 17 is disposed on the back surface thereof. It can be heated to a desired temperature from the side. The heating device 27 may be of any configuration as long as it can heat the base body 2 from the rear surface side, but a general heater composed of a metal disk incorporating a current-carrying electric heater can be used. .

ターゲット11は、キャップ層5を成膜する場合、キャップ層5を構成するCeOなどの酸化物焼結体の板材を用いることができる。
ターゲット11は、酸化物超電導層6を成膜する場合、形成しようとする酸化物超電導層6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を用いることができる。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(REBaCu7−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(YBaCu7−x)又はGd123(GdBaCu7−x)等であるが、その他の酸化物超電導体、例えば、BiSrCaCu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。
When the cap layer 5 is formed as the target 11, a plate material of an oxide sintered body such as CeO 2 constituting the cap layer 5 can be used.
When the oxide superconducting layer 6 is formed, the target 11 is composed of a composite oxide that has the same or approximate composition as the oxide superconducting layer 6 to be formed, or a complex oxide that contains many components that easily escape during film formation. A plate material such as a sintered body or an oxide superconductor can be used. Therefore, the target of the oxide superconductor is RE-123 series oxide superconductor (REBa 2 Cu 3 O 7-x : RE is a rare earth element such as Y, La, Nd, Sm, Eu, Gd) or the like. A material having the composition described above can be used. The RE-123-based oxide is preferably Y123 (YBa 2 Cu 3 O 7-x ) or Gd123 (GdBa 2 Cu 3 O 7-x ), but other oxide superconductors such as Bi 2. It is preferable to use the same composition as that of an oxide superconductor having a high critical temperature represented by a composition such as Sr 2 Ca 2 Cu 3 O y or a similar composition.

図1に示すように処理容器18において、ターゲット11を中心としてターゲット11の一側の側壁18Aにターゲット11に向くように第1の照射窓30が形成され、他側の側壁18Bにターゲット11に向くように第2の照射窓31が形成されている。第1の照射窓30の外方には集光レンズ32と反射ミラー33を介しアブレーション用の第1のレーザー光源12が配置され、第2の照射窓31の外方に集光レンズ34を介しターゲット加熱用の第2のレーザー光源13が配置されている。   As shown in FIG. 1, in the processing container 18, a first irradiation window 30 is formed on the side wall 18 </ b> A on one side of the target 11 with the target 11 as the center so as to face the target 11, and the target 11 on the side wall 18 </ b> B on the other side. A second irradiation window 31 is formed so as to face. The first laser light source 12 for ablation is disposed outside the first irradiation window 30 via a condensing lens 32 and a reflecting mirror 33, and the condensing lens 34 is disposed outside the second irradiation window 31. A second laser light source 13 for heating the target is disposed.

前記アブレーション用の第1のレーザー光源12はエキシマレーザーあるいはYAGレーザー等のようにパルスレーザーとして良好なエネルギー出力を示すレーザー光源を用いることができる。第1のレーザー光源12の出力として、例えば、エネルギー密度1〜5J/cm程度のレーザー光源を用いることができる。
前記加熱用の第2のレーザー光源13は、赤外線レーザーのように加熱用の連続波レーザー光を集光レンズで2mm〜10mm程度の範囲に絞ることができ、ターゲット表面を200℃〜800℃程度の範囲にスポット加熱できるものが用いられる。赤外域の連続波レーザー光のレーザー光源13として例えば出力10〜100W程度まで出力を加減できるレーザー光源を用いることができる。
なお、図1に示す成膜装置Aでは、処理容器18の内部であって、ターゲット11の斜め上方側にターゲット表面のレーザー光照射領域の温度を計測するための赤外放射温度計36が設置されている。
The first laser light source 12 for ablation may be a laser light source that exhibits a good energy output as a pulse laser, such as an excimer laser or a YAG laser. As the output of the first laser light source 12, for example, a laser light source having an energy density of about 1 to 5 J / cm 2 can be used.
The second laser light source 13 for heating can squeeze the continuous wave laser light for heating to a range of about 2 mm to 10 mm with a condenser lens like an infrared laser, and the target surface is about 200 ° C. to 800 ° C. Those that can be spot-heated in the range of are used. As the laser light source 13 for the continuous wave laser beam in the infrared region, a laser light source capable of adjusting the output up to about 10 to 100 W, for example, can be used.
In the film forming apparatus A shown in FIG. 1, an infrared radiation thermometer 36 for measuring the temperature of the laser light irradiation region on the target surface is installed inside the processing container 18 and obliquely above the target 11. Has been.

前記構成の成膜装置Aを用いてキャップ層5あるいは酸化物超電導層6を成膜するには、テープ状の基材本体2上に、拡散防止層3と中間層4までを先に説明した成膜法で種々形成したテープ状の基材、あるいは、基材本体2上に拡散防止層3と中間層4とキャップ層5までを先に説明した種々の成膜法で形成したテープ状の基材を用いる。
これらのテープ状の基材を供給リール20から転向部材群16、17を介して巻取リール21に図2または図3に示すように巻き掛け、ターゲットホルダ25に目的のターゲット11を装着した後、処理容器18の内部を減圧する。目的の圧力に減圧後、第1のレーザー光源12からパルス状のレーザー光をターゲット11の表面に集光照射するとともに、第2のレーザー光源13から加熱用の連続波レーザー光をターゲット11の表面に集光照射する。第2のレーザー光源13からターゲット11の表面に連続波レーザー光を集光照射する場合、第1のレーザー光源12からの集光照射領域を囲んでそれよりも広い領域に連続波レーザー光を集光照射できるように第2のレーザー光源13からの連続波レーザー光を集光照射する。それぞれのレーザー光の集光状態は集光レンズ32、34を調整することで目的のスポット径を実現できる。
In order to form the cap layer 5 or the oxide superconducting layer 6 using the film-forming apparatus A having the above-described structure, the diffusion prevention layer 3 and the intermediate layer 4 have been described above on the tape-shaped base body 2. Various tape-shaped substrates formed by the film-forming method, or tape-shaped substrates formed by the various film-forming methods described above on the substrate body 2 up to the diffusion preventing layer 3, the intermediate layer 4, and the cap layer 5. A substrate is used.
After these tape-shaped base materials are wound around the take-up reel 21 from the supply reel 20 via the turning member groups 16 and 17 as shown in FIG. 2 or FIG. 3, and the target 11 is mounted on the target holder 25 Then, the inside of the processing container 18 is depressurized. After reducing the pressure to a target pressure, the surface of the target 11 is focused and irradiated with pulsed laser light from the first laser light source 12, and a continuous wave laser light for heating is applied from the second laser light source 13 to the surface of the target 11. Condensed and irradiated. When continuous wave laser light is focused and irradiated from the second laser light source 13 onto the surface of the target 11, the continuous wave laser light is collected in a wider area surrounding the focused irradiation area from the first laser light source 12. The continuous wave laser light from the second laser light source 13 is condensed and irradiated so that the light can be irradiated. The focused spot diameter of each laser beam can be achieved by adjusting the condenser lenses 32 and 34.

例えば、一例として、第1のレーザー光源12からのパルス状のレーザー光を20μm〜50μmのスポット径に集光照射するとして、第2のレーザー光源13からの連続波レーザー光を5mm〜20mm程度のスポット径に集光照射することができる。
また、第1のレーザー光源12を用いてターゲット11から成膜に好適なプルームを生成できるエネルギー密度0.5〜50J/cm程度のレーザー光を集光照射する場合、第2のレーザー光源13を用いて赤外域の連続波レーザーによりターゲット11の表面を例えば、360〜630℃程度に加熱できる条件のスポット幅とすることが好ましい。
ターゲット11の加熱温度を前記範囲より高くすると、アブレーションに必要なレーザーパワーの閾値が下がり、蒸着量が増加し、この蒸着量の増加に伴い、過飽和度が増し、膜質が低下する傾向となる。また、ターゲット11を加熱しすぎると、膜の組成ずれが顕著になるおそれがある。ターゲット11の加熱温度が360℃未満である場合は、ドロップレットに富んだ膜になってしまうため、急激に特性が劣化するおそれがある。
For example, as an example, the pulsed laser light from the first laser light source 12 is focused and irradiated onto a spot diameter of 20 μm to 50 μm, and the continuous wave laser light from the second laser light source 13 is about 5 mm to 20 mm. The spot diameter can be focused and irradiated.
When the first laser light source 12 is used to collect and radiate laser light having an energy density of about 0.5 to 50 J / cm 2 that can generate a plume suitable for film formation from the target 11, the second laser light source 13 is used. It is preferable to set the surface of the target 11 to a spot width that can be heated to, for example, about 360 to 630 ° C. with an infrared continuous wave laser.
When the heating temperature of the target 11 is higher than the above range, the threshold of laser power necessary for ablation decreases, the deposition amount increases, and as the deposition amount increases, the degree of supersaturation increases and the film quality tends to decrease. Moreover, when the target 11 is heated too much, the compositional deviation of the film may become remarkable. When the heating temperature of the target 11 is less than 360 ° C., the film becomes rich in droplets, so that the characteristics may be rapidly deteriorated.

ターゲット11の表面に第1のレーザー光源12からのパルス状のレーザー光を集光照射すると、ターゲット11の表面部分の構成粒子を叩き出し若しくは蒸発させて前記ターゲット11から構成粒子の噴流(プルーム)29を発生させることができ、レーン状に走行しているテープ状の基材本体2の上方に目的の粒子堆積を行って、キャップ層5あるいは酸化物超電導層6を成膜できる。
また、第1のレーザー光源12からのパルス状のレーザー光を集光照射すると同時に、このパルス状のレーザー光集光照射領域とその周囲を囲むように第2のレーザー光源13から加熱用の連続波レーザー光を集光照射することにより、パルス状レーザー光の集光照射領域とその周囲の部分のターゲット11を加熱する。
When the pulsed laser beam from the first laser light source 12 is condensed and irradiated on the surface of the target 11, the constituent particles on the surface portion of the target 11 are beaten or evaporated to jet the constituent particles from the target 11 (plume). 29, and the cap layer 5 or the oxide superconducting layer 6 can be formed by depositing the target particles above the tape-like substrate body 2 running in a lane shape.
In addition, the pulsed laser light from the first laser light source 12 is condensed and irradiated, and at the same time, the continuous heating for heating from the second laser light source 13 so as to surround the pulsed laser light condensing irradiation region and its surroundings. By condensing and irradiating the wave laser beam, the focused irradiation region of the pulsed laser beam and the target 11 in the surrounding area are heated.

第1のレーザー光源12からのパルス状のレーザー光をターゲット11の表面に集光照射してプルーム29を発生させた際、基材本体2の上方に生成される膜にドロップレットを生じるのは、アブレーション過程において、レーザー光の照射によって生成されたターゲット表面の熱がターゲット11の内部に拡散し、ターゲット内部で突沸(膨張)することによって、表面付近の粗大粒子が吹き飛ばされてドロップレットとして膜に取り込まれることが原因と推定できる。また、アブレーション領域とその周辺領域の温度差が大きくなることで、ターゲット11に割れや欠け、剥がれが生じ、これらも飛ばされる結果、ドロップレットやフラグメントが混入された膜となってしまうことが原因と考えられる。
従って、アブレーション前のターゲット温度を上げておくことで、アブレーション時のターゲット表面と内部との温度差、あるいは、周辺部分との温度差を小さくすることができ、突沸を阻止し、ターゲットの割れや剥離も阻止できる。
When a plume 29 is generated by condensing and irradiating the surface of the target 11 with a pulsed laser beam from the first laser light source 12, droplets are generated in the film generated above the base body 2 In the ablation process, the heat of the target surface generated by the irradiation of the laser light diffuses inside the target 11 and bumps (expands) inside the target, so that coarse particles near the surface are blown off to form a film as a droplet. It can be presumed that the cause is taken in. In addition, since the temperature difference between the ablation region and the peripheral region becomes large, the target 11 is cracked, chipped, or peeled off, and as a result, the film is mixed with droplets and fragments. it is conceivable that.
Therefore, by raising the target temperature before ablation, the temperature difference between the target surface and the interior during ablation, or the temperature difference between the surrounding parts can be reduced, preventing bumping, Peeling can also be prevented.

これらの点に鑑み、第1のレーザー光源12からのパルス状のレーザー光をターゲット11の表面に集光照射する領域に対し、2〜4cm程度広い範囲について、360〜630℃の範囲に加熱することで、上述の突沸や剥離、剥がれをより確実に阻止し、膜に生成されるドロップレットに起因する凹凸を小さくし、平滑な膜を得ることができる。
この膜がキャップ層5であれば、結晶配向性に優れた表面凹凸の無い膜とすることができるので、その上に成膜する酸化物超電導層6の結晶配向性を良好にすることができ、酸化物超電導層6の超電導特性を良好にすることができる。
また、上述の平滑な膜が酸化物超電導層6であれば、キャップ層5上に優れた超電導特性を示す酸化物超電導層6を得ることができる。
In view of these points, the range of about 2 to 4 cm is heated to a range of 360 to 630 ° C. with respect to a region where the pulsed laser light from the first laser light source 12 is focused and irradiated on the surface of the target 11. As a result, the above-described bumping, peeling, and peeling can be more reliably prevented, the unevenness caused by the droplets generated in the film can be reduced, and a smooth film can be obtained.
If this film is the cap layer 5, it can be made a film having excellent surface orientation and no surface irregularities, so that the crystal orientation of the oxide superconducting layer 6 formed thereon can be improved. The superconducting properties of the oxide superconducting layer 6 can be improved.
In addition, when the above-described smooth film is the oxide superconducting layer 6, the oxide superconducting layer 6 exhibiting excellent superconducting characteristics on the cap layer 5 can be obtained.

なお、第1のレーザー光源12からのパルス状のレーザー光と第2のレーザー光源13からの連続波レーザー光をターゲット11の表面に照射する場合、均一な微粒子からなるプルーム29を常時発生させるために、ターゲットホルダ25の回転移動と往復前後移動を組み合わせてターゲット11を移動させ、ターゲット11の表面全域に各レーザー光を順次走査しつつ成膜するように操作することができる。
テープ状の基材本体2は長尺であるので、その長さ方向全域に均質な膜を形成するためには、ターゲット11の上述のような回転移動あるいは往復前後移動操作が必要となる。従ってターゲットホルダ25を回転駆動するか往復前後移動させる機構が処理装置18の内部には設けられている(図示略)が、第1のレーザー光源12と第2のレーザー光源13はいずれも処理容器18の外部に設けられていて、照射窓30、31を介し処理容器18の内部のターゲット11にレーザー光を照射する構造であるので、処理容器18の内部のこれらの回転駆動機構や往復移動機構をレーザー光が余分に加熱することがない。
従って、回転駆動機構や往復移動機構に設けられる軸やベアリングなどの機械部分を余分に加熱しないので、これらの機構が熱により損傷することがなく、これら機械部分の寿命や性能に悪影響は及ばない。
In addition, when irradiating the surface of the target 11 with pulsed laser light from the first laser light source 12 and continuous wave laser light from the second laser light source 13, a plume 29 composed of uniform fine particles is always generated. In addition, the target 11 can be moved by combining the rotational movement of the target holder 25 and the reciprocating back and forth movement, and the film can be operated while sequentially scanning each laser beam over the entire surface of the target 11.
Since the tape-shaped base body 2 is long, in order to form a homogeneous film over the entire length direction, the above-described rotational movement or reciprocating back-and-forth movement operation of the target 11 is required. Therefore, a mechanism for rotationally driving the target holder 25 or moving back and forth is provided inside the processing apparatus 18 (not shown), but both the first laser light source 12 and the second laser light source 13 are processing containers. 18 is configured to irradiate the target 11 in the processing container 18 with laser light through the irradiation windows 30 and 31, so that these rotational driving mechanisms and reciprocating mechanisms in the processing container 18 are provided. The laser light has no extra heating.
Accordingly, the mechanical parts such as shafts and bearings provided in the rotary drive mechanism and the reciprocating mechanism are not heated excessively, so that these mechanisms are not damaged by heat, and the life and performance of these mechanical parts are not adversely affected. .

なお、ターゲット11の表面にパルス状のレーザー光と加熱用の連続波レーザー光を走査しつつ照射する場合、ターゲット11の移動によらず、反射ミラーや集光レンズなどの光学系の移動操作によりパルス状のレーザー光と加熱用の連続波レーザー光の照射位置をターゲット上で移動させてターゲット11の表面全域に順次照射して成膜しても良い。この場合において、パルス状のレーザー光と加熱用の連続波レーザー光をターゲット11の表面の同一位置に照射したまま同期して両方のレーザー光の照射位置を移動させることでターゲット11の表面全域のターゲット材料を効率良く利用して長時間プルームの生成ができ、長尺のテープ状基材の長さ方向全域成膜に対応できる。なお、ターゲット11のレーザー光照射部分には構成粒子を飛ばした後の痕跡として溝が掘られるが、この溝の部分に再度レーザー光を照射して構成粒子を飛ばすと、得られた成膜の組成ずれや膜質の低下が生じるおそれがあるので、上述のようにターゲット11の表面全域を走査して利用することが好ましい。   When irradiating the surface of the target 11 with a pulsed laser beam and a continuous wave laser beam for heating while scanning, the target 11 is not moved by an optical system moving operation such as a reflecting mirror or a condenser lens. The irradiation position of the pulsed laser beam and the heating continuous wave laser beam may be moved on the target, and the entire surface of the target 11 may be irradiated sequentially to form a film. In this case, the irradiation position of both laser beams is moved synchronously while irradiating the pulsed laser beam and the continuous wave laser beam for heating to the same position on the surface of the target 11, thereby moving the entire area of the surface of the target 11. The target material can be efficiently used to generate a plume for a long time, and can be used for film formation in the entire length direction of a long tape-shaped substrate. In addition, a groove is dug as a trace after the constituent particles are blown in the portion irradiated with the laser beam of the target 11. When the constituent particles are blown by irradiating the portion of the groove with the laser light again, the obtained film is formed. Since there is a risk of composition shift and film quality deterioration, it is preferable to scan and use the entire surface of the target 11 as described above.

なお、本実施形態においては、酸化物超電導導体1のキャップ層5と酸化物超電導層6の成膜に本発明に係る成膜方法と成膜装置を適用した例について説明したが、本発明に係る成膜方法と成膜装置を半導体基板などの基板上への成膜に利用できるのは勿論である。
例えば、図1に示す構成の成膜装置Aに代えて、図7に示す成膜装置Bを用いて本発明に係る成膜方法を実施することができる。
図7に示す成膜装置Bは、先の形態の成膜装置Aにおいて設けられていた走行装置10を略して構成し、加熱装置27の底面に基板40を装着できるように構成された成膜装置である。その他の構成は先の形態の成膜装置Aと同等構成とされている。
In the present embodiment, the example in which the film forming method and the film forming apparatus according to the present invention are applied to the film formation of the cap layer 5 and the oxide superconducting layer 6 of the oxide superconducting conductor 1 has been described. It goes without saying that the film forming method and the film forming apparatus can be used for forming a film on a substrate such as a semiconductor substrate.
For example, instead of the film forming apparatus A having the configuration shown in FIG. 1, the film forming method according to the present invention can be carried out using the film forming apparatus B shown in FIG.
A film forming apparatus B shown in FIG. 7 is configured by omitting the traveling apparatus 10 provided in the film forming apparatus A of the previous form, and configured so that the substrate 40 can be mounted on the bottom surface of the heating apparatus 27. Device. Other configurations are the same as those of the film forming apparatus A of the previous embodiment.

図7に示す成膜装置Bのように第1のレーザー光源12と第2のレーザー光源13からのレーザー光を利用してターゲット11から構成粒子を叩き出すか蒸発させて基板40に膜を形成する場合においても、先に説明した成膜装置Aの場合と同様に、基板40上に形成できる膜にドロップレットの少ない表面平滑な膜を得ることができる。   As in the film forming apparatus B shown in FIG. 7, the constituent particles are knocked out or evaporated from the target 11 using the laser beams from the first laser light source 12 and the second laser light source 13 to form a film on the substrate 40. Even in this case, as in the case of the film forming apparatus A described above, a film having a smooth surface with few droplets can be obtained as a film that can be formed on the substrate 40.

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。
「実施例1」
ハステロイC−276(米国ヘインズ社商品名)からなる幅10mm、厚さ0.1mm、長さ100mmのテープ状の基材本体上に、アモルファスAlの拡散防止層(厚さ80nm)と、Yのベッド層(厚さ30nm)と、イオンビームアシスト蒸着法によるMgOの中間層(厚さ10nm)と、PLD法によるLaMnOのキャップ層(厚さ300nm)を成膜したテープ状の基材を用意した。
EXAMPLES Hereinafter, although an Example is shown and this invention is demonstrated further in detail, this invention is not limited to these Examples.
"Example 1"
A diffusion prevention layer (thickness 80 nm) of amorphous Al 2 O 3 is formed on a tape-shaped base body having a width of 10 mm, a thickness of 0.1 mm, and a length of 100 mm made of Hastelloy C-276 (trade name of Haynes, USA). , Y 2 O 3 bed layer (thickness 30 nm), MgO intermediate layer (thickness 10 nm) by ion beam assisted deposition, and LaMnO 3 cap layer (thickness 300 nm) by PLD method A shaped substrate was prepared.

次に、前記キャップ層上にepi-Y層を成膜した。(epi-Y層とは下地層であるキャップ層に対しエピタキシャルに結晶成長したキャップ層と同等の配向性であるY層を意味する。) epi-Y層は図1〜図3に示す構成の成膜装置(PLD装置)を用い、アブレーション用の第1のレーザー光源として、エキシマレーザー(KrF:248nm)を用いて、エネルギー密度3.0J/cm(150mJ)、T−S(ターゲット基材間距離):5.5cm、テープ基材の移動時の線速8m/h、パルスレーザーの繰り返し周波数200Hz、処理容器の酸素分圧PO=20mTorr、熱板によるテープ状基材の加熱温度900℃の条件で行った。また、ターゲット加熱用のレーザーは赤外域(波長:808nm)の連続波レーザー光を用い、集光レンズでレーザー光を絞ることによりスポット径を15mmとした。また、ターゲット(Yの板材)の表面温度は、処理容器の内部に設けた赤外放射温度計により計測した。 Next, an epi-Y 2 O 3 layer was formed on the cap layer. (The epi-Y 2 O 3 layer means a Y 2 O 3 layer having the same orientation as that of the cap layer grown epitaxially with respect to the cap layer as the underlayer.) The epi-Y 2 O 3 layer is 1 to 3, an excimer laser (KrF: 248 nm) is used as the first laser light source for ablation, and an energy density of 3.0 J / cm 2 (150 mJ) is used. ), TS (distance between target base materials): 5.5 cm, linear velocity 8 m / h when moving the tape base material, pulse laser repetition frequency 200 Hz, oxygen partial pressure PO 2 = 20 mTorr of processing vessel, hot plate The tape-shaped substrate was heated under the conditions of a heating temperature of 900 ° C. The laser for heating the target used continuous wave laser light in the infrared region (wavelength: 808 nm), and the spot diameter was set to 15 mm by narrowing the laser light with a condenser lens. The surface temperature of the target (Y 2 O 3 plate material) was measured with an infrared radiation thermometer provided inside the processing container.

なお、本実施例では、アブレーション用の第1のレーザー光源の光軸を固定しているため、ターゲットの回転移動(自転)と往復水平移動によってのみターゲットのアブレーション位置をずらし、ターゲットが不均一にアブレーションされないように位置を調整した。従って、ターゲットの回転速度や往復水平移動速度によっても温度上昇は変化するため、それに応じて最適のレーザー光の出力を選択すれば良く、例えば、100W以上の出力の赤外線レーザー光を用いても構わない。なおまた、アブレーション用のパルスレーザー光を反射ミラーにより走査する場合も、第2の光源からの加熱用レーザー光をスキャンし、第1の光源からのアブレーション用のレーザー光をミラーにより反射する場合も、加熱用レーザー光をスキャンし、アブレーション位置が加熱されるようにすればよい。   In this embodiment, since the optical axis of the first laser light source for ablation is fixed, the ablation position of the target is shifted only by the rotational movement (spinning) of the target and the reciprocating horizontal movement, and the target becomes uneven. The position was adjusted so that it was not ablated. Therefore, the temperature rise also changes depending on the rotation speed and the reciprocating horizontal movement speed of the target. Therefore, an optimum laser beam output may be selected according to the temperature rise. For example, an infrared laser beam having an output of 100 W or more may be used. Absent. In addition, when the pulse laser beam for ablation is scanned by a reflection mirror, the laser beam for heating from the second light source is scanned and the laser beam for ablation from the first light source is reflected by the mirror. The ablation position may be heated by scanning the heating laser beam.

以下の表1に、赤外域の加熱用レーザー光源を使用した際、加熱用レーザー光のスポット中心のターゲット温度と、成膜したY薄膜の表面粗さ(表面に存在するドロップレットを避けて10×10nmの範囲で測定)とドロップレット数、更に成膜したY薄膜上に同じ条件でYBCO薄膜(YBaCu7−x超電導層)をPLDにより蒸着した際の酸化物超電導層の結晶性、超電導特性を測定した結果を示す。
YBCO薄膜を形成した試料は、500℃で10時間、炉内で酸素アニールした後、炉冷して取り出し、酸化物超電導導体としたものを測定対象とした。
In Table 1 below, when an infrared laser light source for heating is used, the target temperature at the center of the spot of the heating laser beam and the surface roughness of the deposited Y 2 O 3 thin film (the droplets present on the surface) Avoiding measurement in the range of 10 × 10 nm 2 ) and the number of droplets, and when YBCO thin film (YBa 2 Cu 3 O 7-x superconducting layer) is vapor-deposited by PLD under the same conditions on the formed Y 2 O 3 thin film The results of measuring the crystallinity and superconducting properties of the oxide superconducting layer are shown.
The sample on which the YBCO thin film was formed was subjected to oxygen annealing in a furnace at 500 ° C. for 10 hours, then cooled in the furnace and taken out to obtain an oxide superconducting conductor.

本実施例において、成膜装置に設けた熱板の熱により加熱用レーザー光を用いなくても成膜時のターゲットは若干温度上昇しているが、加熱用レーザー光でターゲットのアブレーション領域とその周辺領域まで加熱することで、epi-Y層のドロップレット数は減少し、epi-Y層の表面を平坦化できた。
また、その上に形成したYBCO薄膜の超電導特性、結晶性も向上していることから、パルス状のレーザー光に加え、加熱用の連続波レーザーによる加熱処理は、epi-Y層を成膜する場合、その上に酸化物超電導層を成膜する場合、いずれにおいても大きな効果を示すことがわかった。
なお、表1に示す試験結果から、第2のレーザー光源から赤外域の連続波レーザー光を照射する場合、ターゲット温度を360℃〜630℃の範囲に設定することでドロップレット数の少ない、表面のRMS値の小さいY膜を形成でき、その場合に臨界電流密度の高い結晶配向性の良好なYBCO層を生成できることがわかる。
この理由は、ターゲットの加熱温度を前記範囲より低くすると、第2のレーザー光源から照射するレーザー光による加熱効果が少ないと想定され、逆に、前記範囲よりターゲットの温度を高くすると、アブレーションに必要なレーザーパワーの閾値が下がり、蒸着量が増加し、この蒸着量の増加に伴い、過飽和度が増し、膜質が低下する傾向になったと想定できる。また、ターゲットを加熱しすぎると、膜の組成ずれが顕著になるおそれがある。
In this example, the temperature at the time of film formation slightly increases without using the heating laser beam due to the heat of the hot plate provided in the film forming apparatus. By heating to the peripheral region, the number of droplets of the epi-Y 2 O 3 layer was reduced, and the surface of the epi-Y 2 O 3 layer was planarized.
In addition, since the superconducting properties and crystallinity of the YBCO thin film formed thereon are also improved, in addition to pulsed laser light, heat treatment with a continuous wave laser for heating is performed using an epi-Y 2 O 3 layer. In the case of forming a film, it has been found that any of the cases where an oxide superconducting layer is formed thereon has a great effect.
In addition, from the test result shown in Table 1, when irradiating a continuous wave laser beam in the infrared region from the second laser light source, the surface temperature with a small number of droplets is set by setting the target temperature in the range of 360 ° C. to 630 ° C. It can be seen that a Y 2 O 3 film having a small RMS value can be formed, and in this case, a YBCO layer having a high critical current density and good crystal orientation can be produced.
This is because if the heating temperature of the target is lower than the above range, it is assumed that the heating effect by the laser light emitted from the second laser light source is small, and conversely, if the target temperature is higher than the above range, it is necessary for ablation. It can be assumed that the laser power threshold decreased, the deposition amount increased, and the degree of supersaturation increased and the film quality tended to decrease as the deposition amount increased. Further, if the target is heated too much, the compositional deviation of the film may become remarkable.

図5は、表1に示すNo.6の試料において得られたY層の表面のSEM写真像を示し、図6は、表1に示すNo.1の試料において得られたY層の表面のSEM写真像を示す。
図5と図6の比較から明らかなように、加熱用の連続波レーザー光を照射しつつ成膜した試料のY層の表面が明らかに滑らかであるのに対し、加熱用の連続波レーザー光を照射せずに成膜した試料のY層の表面には無数のドロップレットに起因する無数の凹凸が形成されている状態が示されている。
FIG. 5 shows a SEM photograph image of the surface of the Y 2 O 3 layer obtained in the sample No. 6 shown in Table 1, and FIG. 6 shows Y 2 obtained in the sample No. 1 shown in Table 1. It shows a SEM photograph of the surface of the O 3 layer.
As apparent from the comparison between FIG. 5 and FIG. 6, the surface of the Y 2 O 3 layer of the sample formed while irradiating the continuous wave laser beam for heating is clearly smooth, whereas the continuous for heating A state in which innumerable irregularities due to innumerable droplets are formed on the surface of the Y 2 O 3 layer of the sample formed without irradiating the wave laser beam is shown.

本発明は、例えば超電導用送電線、超電導モータ、限流器など、各種電力機器に用いられる酸化物超電導導体として利用できる良質の膜の成膜に利用できる。   INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be used to form a high-quality film that can be used as an oxide superconducting conductor used in various power devices such as a superconducting power transmission line, a superconducting motor, and a current limiter.

A、B…成膜装置、1…酸化物超電導導体、2…基材本体、3…拡散防止層、4…中間層、5…キャップ層、6…酸化物超電導層、7…安定化層、10…搬送装置、11…ターゲット、12…第1のレーザー光源、13…第2のレーザー光源、15…成膜領域、16…転向部材群、16a…転向リール、17…転向部材群、17a…転向リール、18…処理容器、18A、18B…側壁、19…排気装置、20…供給リール、21…巻取リール、23…ヒーターボックス、25…ターゲットホルダ、29…プルーム(噴流)、30、31…照射窓、40…基板。   A, B ... film forming apparatus, 1 ... oxide superconducting conductor, 2 ... base material body, 3 ... diffusion preventing layer, 4 ... intermediate layer, 5 ... cap layer, 6 ... oxide superconducting layer, 7 ... stabilization layer, DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Conveyance apparatus, 11 ... Target, 12 ... 1st laser light source, 13 ... 2nd laser light source, 15 ... Film-forming area | region, 16 ... Turning member group, 16a ... Turning reel, 17 ... Turning member group, 17a ... Turning reel, 18 ... processing vessel, 18A, 18B ... side wall, 19 ... exhaust device, 20 ... supply reel, 21 ... take-up reel, 23 ... heater box, 25 ... target holder, 29 ... plume (jet), 30, 31 ... irradiation window, 40 ... substrate.

Claims (6)

レーザー光をターゲットの表面に集光照射し、このターゲットの構成粒子を叩き出し若しくは蒸発させて前記ターゲットの構成粒子を基材上に堆積させる成膜方法であって、前記ターゲットから構成粒子を叩き出し若しくは蒸発させるパルス状のレーザー光を出射するアブレーション用の第1のレーザー光源と、前記第1のレーザー光源が前記ターゲットの表面にレーザー光を集光照射した領域とその領域周辺をスポット加熱する連続波レーザー光を出射する第2のレーザー光源とを処理容器の外部に備えた成膜装置を用い、
前記第2のレーザー光源から前記ターゲットの表面に前記処理容器に設けた照射窓を介し連続波レーザー光を集光照射してアブーション領域とその周辺領域のターゲット表面を加熱すると同時に、第1のレーザー光源からアブレーション領域に前記処理容器に設けた照射窓を介しパルス状のレーザー光を集光照射してターゲットの構成粒子を叩き出し若しくは蒸発させ、基材上に成膜することを特徴とするレーザーアブレーションを用いた成膜方法。
A film forming method of condensing and irradiating the surface of a target with a laser beam, striking or evaporating constituent particles of the target, and depositing the constituent particles of the target on a substrate, wherein the constituent particles are hit from the target A first laser light source for ablation that emits pulsed laser light to be emitted or evaporated, a region in which the first laser light source condenses and irradiates laser light onto the surface of the target, and a periphery of the region are spot-heated Using a film forming apparatus equipped with a second laser light source that emits continuous wave laser light outside the processing container,
At the same time, the target laser in the ablation region and its peripheral region is heated by condensing and irradiating continuous wave laser light from the second laser light source to the surface of the target through an irradiation window provided in the processing container. A laser characterized in that a pulsed laser beam is focused and irradiated from a light source to an ablation region through an irradiation window provided in the processing container to strike or evaporate constituent particles of the target and form a film on a substrate. Film formation method using ablation.
金属製の基材本体とこの基材本体上に形成された中間層を具備する積層構造の基材に対し、酸化物超電導体生成用のターゲットを用いて前記第2のレーザー光源から赤外域の連続波レーザー光を集光照射して前記ターゲット表面をスポット加熱するとともに、該スポット加熱領域の内側のアブレーション領域に対し前記第1のレーザー光源からパルス状のレーザー光を集光照射して前記ターゲットから構成粒子を叩き出し若しくは蒸発させて前記中間層上に酸化物超電導層を形成することを特徴とする請求項1に記載のレーザーアブレーションを用いた成膜方法。   Using a target for generating an oxide superconductor, an infrared region from the second laser light source is applied to a base material having a laminated structure including a metal base body and an intermediate layer formed on the base body. The target surface is spot-heated by condensing and irradiating continuous wave laser light, and the target is obtained by condensing and irradiating pulsed laser light from the first laser light source to the ablation region inside the spot-heating region. 2. The film formation method using laser ablation according to claim 1, wherein the constituent particles are beaten or evaporated to form an oxide superconducting layer on the intermediate layer. 前記第2のレーザー光源からの連続波レーザー光により前記ターゲット表面を360〜630℃に加熱することを特徴とする請求項1または請求項2に記載のレーザーアブレーションを用いた成膜方法。   3. The film forming method using laser ablation according to claim 1, wherein the target surface is heated to 360 to 630 ° C. by continuous wave laser light from the second laser light source. レーザー光をターゲットの表面に集光照射し、このターゲットの構成粒子を叩き出し若しくは蒸発させて前記ターゲットの構成粒子を基材上に堆積させる成膜装置であって、
前記ターゲットを収容する処理容器と、該処理容器の外部に設けられ、前記ターゲットから構成粒子を叩き出し若しくは蒸発させるアブレーション用のパルス状のレーザー光を出射する第1のレーザー光源と、前記処理容器の外部に設けられ、前記第1のレーザー光源が前記ターゲットの表面にレーザー光を集光照射する領域とその領域周辺をスポット加熱する連続波レーザー光を出射する第2のレーザー光源とを備え、
前記処理容器に、前記第1のレーザー光源からのパルス状のレーザー光を透過させる照射窓と、前記第2のレーザー光源からの連続波レーザー光を透過させる照射窓を設けたことを特徴とする成膜装置。
A film forming apparatus for condensing and irradiating the surface of a target with a laser beam, striking or evaporating constituent particles of the target, and depositing the constituent particles of the target on a substrate,
A processing container for storing the target; a first laser light source that is provided outside the processing container and emits pulsed laser light for ablation that knocks or evaporates constituent particles from the target; and the processing container A region where the first laser light source is focused and irradiated with laser light on the surface of the target, and a second laser light source that emits continuous wave laser light that spot-heats the periphery of the region,
An irradiation window for transmitting pulsed laser light from the first laser light source and an irradiation window for transmitting continuous wave laser light from the second laser light source are provided in the processing container. Deposition device.
前記第2のレーザー光源が赤外域の連続波レーザー光を出射するレーザー光源であることを特徴とする請求項4に記載の成膜装置。   The film forming apparatus according to claim 4, wherein the second laser light source is a laser light source that emits a continuous wave laser beam in an infrared region. 前記基板支持機構が、テープ状の基材を装着する供給リールと、テープ状の基材を巻き取る巻取リールと、前記供給リール及び前記巻取リールの間に架設された複数の転向リールを具備してなり、前記複数の転向リールがそれらの間に供給されるテープ状の基材を前記ターゲットホルダに装着されるターゲットに対向してレーン状に配置するように配置されたことを特徴とする請求項4または5に記載の成膜装置。   The substrate support mechanism includes a supply reel on which a tape-shaped base material is mounted, a take-up reel that winds up the tape-shaped base material, and a plurality of turning reels that are installed between the supply reel and the take-up reel. The plurality of turning reels are arranged so that a tape-like base material supplied therebetween is arranged in a lane shape so as to face a target mounted on the target holder. The film forming apparatus according to claim 4 or 5.
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