JP3018605B2 - 超電導薄膜の成膜方法と装置 - Google Patents

超電導薄膜の成膜方法と装置

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久雄 服部
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    • Y02E40/00Technologies for an efficient electrical power generation, transmission or distribution
    • Y02E40/60Superconducting electric elements or equipment; Power systems integrating superconducting elements or equipment

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は超電導薄膜の成膜方法と
装置に関するものであり、特に、高温複合酸化物超電導
材料の薄膜をマグネトロンスパッタリング法によって基
板上に成膜する方法と装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】ベドノーツ、ミューラー達は1986年に30
Kで超電導状態を示す複合酸化物超電導材料 (La, Ba)2
CuO4を発見した。1987年にはチュー達によって90K台の
超電導臨界温度Tc を有するYBa2Cu3y が発見され、
1988年には前田達によって 100K以上の臨界温度を示す
Bi系の複合酸化物系超電導材料が発見された。本明細書
では30K以上の超電導臨界温度を示す複合酸化物を高温
複合酸化物ということにする。これらの高温複合酸化物
系超電導材料は粉末冶金法により焼結体として得られ
た。しかし、焼結体では超電導特性、特に臨界電流密度
が大きくならないため、これらの材料の薄膜化方法が研
究されている。一般に、これら複合酸化物系超電導材料
の薄膜はSrTiO3やMgOの単結晶基板上に真空蒸着法、ス
パッタリング法、MBE法等の各種蒸着法で成膜されて
おり、現在では、これら複合酸化物超電導材料を薄膜化
する方法は一応知られている。現在では、単に薄膜化し
て薄膜の超電導特性を確認するだけではなく、薄膜を各
種のデバイス、素子、回路構成に応用する方法が提案さ
れている。従って、これらの研究・開発で使用可能な特
性の保証された酸化物超電導薄膜を安定に供給すること
が求められている。さらに、各種の用途に適した各種寸
法の薄膜、特に大面積の複合酸化物超電導薄膜が求めら
れている。しかし、従来の成膜方法、例えば最も一般的
な成膜法であるスパッタリング法で成膜した酸化物超電
導薄膜は品質にバラツキがあり、基板全体に均質な薄膜
を形成するのは困難である。また、基板1枚毎に成膜処
理を行う必要があるため、成膜処理の生産効率が悪い。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、上記
問題点を解決し、基板全体に特性の均一な超電導薄膜を
効率良く成膜するための新規な方法と、この方法を実施
するための装置とを提供することにある。
【0004】
【課題を解決するための手段】本発明は、スパッタリン
グ法によって基板上に複合酸化物超電導薄膜を成膜する
方法において、成膜チャンバー内に基板とターゲットと
を互いに平行且つ対向して配置し、基板またはターゲッ
トのいずれか一方を他方に対して互いに平行に相対移動
しながら成膜することを特徴とする方法を提供する。本
発明はさらに、真空チャンバーと、この真空チャンバー
内に配置されたターゲットを保持するためのターゲット
ホルダと、このターゲットと対向した基板を保持する基
板ホルダとを有する基板上にスパッタリング法により酸
化物超電導薄膜を成膜する装置において、成膜中に、タ
ーゲットの表面を含む平面と平行な面内で、基板または
ターゲットのいずれか一方を他方に対して相対移動させ
る手段を有することを特徴とする装置を提供する。本発
明の変形例では、成膜中に基板が移動する軌跡に沿っ
て、複数のターゲットが配列される。
【0005】本発明は公知の任意の高温複合酸化物超伝
導材料に適用することができる。具体的には (La, Ba)2
CuO4系、YBa2Cu3y 系、Bi系、Ta系の高温複合酸化物
超伝導材料を挙げることができる。本発明で用いられる
マグネトロンスパッタリング法自体は公知である。成膜
条件としては下記の範囲を用いるのが好ましい: 成膜時のガス圧力: 0.01Torr 以上1Torr以下 基板温度 : 550〜750 ℃ 成膜時の印加電力: 3W/cm2 以上8W/cm2 以下 一般に、これらの範囲を外れた成膜条件で作られた薄膜
は超電導特性が著しく低くなるか、超電導薄膜にならな
い場合もある。
【0006】
【作用】スパッタリング法を用いた成膜処理では、ター
ゲットから飛び出したスパッタ粒子は特定の分布をする
ため、高温酸化物超電導薄膜のように成膜条件の範囲が
狭い薄膜を成膜する場合は特定の位置に成膜面を配置す
る必要があるとされていた。しかし、本発明者達は、成
膜過程の全期間を通じて成膜条件を一定に保つ必要はな
く、酸化物超電導薄膜の形成に寄与する特定の条件が成
膜中の所定の期間のみ満たされれば、有効な特性を有す
る酸化物超電導薄膜が形成できるということを発見し
た。本発明はこの知見に基づくものである。すなわち、
従来方法では、酸化物超電導薄膜が形成され易い領域に
基板を固定して成膜していた。従って、得られた薄膜の
寸法はターゲットから飛び出すスパッタ粒子の分布によ
り規定され、薄膜の品質にも分布があった。本発明で
は、成膜中に基板またはターゲットを互いに相対移動さ
せることによって、基板成膜面の各部が、酸化物超電導
薄膜の形成に寄与するスパッタ粒子が存在する特定の領
域を、成膜期間中に少なくとも1回通過するようにし
た。この過程を経て成膜された酸化物薄膜は、薄膜全体
にわたって実質的に品質が均一になる。また、本発明方
法を用いることによって、酸化物超電導薄膜の大面積化
または連続製造が可能になる。
【0007】以下、添付図面を用いて本発明を説明す
る。図1は、本発明方法を実施するのに使用される成膜
装置の一実施例の概念的な斜視図である。図1に示す成
膜装置は、真空チャンバー1の底部に載置されたマグネ
トロン電極2と、真空チャンバー1の上部にX−Y方向
に往復動可能な状態で支持され基板ホルダ3とを備えて
いる。ターゲット8はマグネトロン電極2上に取付けら
れる。上記のX−Y方向に往復動はXYステージ(図示
せず)によって行われる。この基板ホルダ3の下側には
基板(図示せず)が取付けられる。真空チャンバー1に
はさらに、真空チャンバー1内を排気するための排気口
4と、真空チャンバー1内にスパッタガスを供給するス
パッタガス供給口5と、基板ホルダ3に保持された基板
(図示せず)の成膜面近傍に酸素ガスを供給するための
ノズル6とを備えている。
【0008】図2は、本発明方法を実施するのに使用さ
れる成膜装置の他の実施例の概念的な斜視図である。図
2に示す成膜装置は図1に示す装置に類似しているが、
基板ホルダアーム3'と、この基板ホルダアーム3'を駆動
する機構が相違している。図2に示す成膜装置は、真空
チャンバー1の外部から制御可能な伸縮自在なアクチュ
エータ7aを備えている。このアクチュエータ7aの一
端は基板ホルダアーム3'に連結され、他端は真空チャン
バー1の側壁に固定されている。アクチュエータ7aを
外部からの制御信号で伸縮させることによって基板ホル
ダアーム3'、従って、その下端に保持された基板10を実
質的に水平面内で移動させることができる。スパッタリ
ング時には、マグネトロン電極2上にターゲット8を取
付け、基板ホルダアーム3'の下端にヒータ9と基板10を
取付けて、通常のマグネトロンスパッタリングを行う。
実際には、ノズル6から供給される酸素ガスを基板11の
成膜面に吹付けながら成膜処理を行うのが好ましい。本
発明では、成膜中にアクチュエータ7aを駆動して、タ
ーゲット8から発生するプラズマに対する基板11の相対
位置を変える。
【0009】図5は本発明方法を実施するための他の成
膜装置の実施例の概念図である。図5に示す実施例で
は、真空チャンバー21内に複数のマグネトロン電極22を
1列に配列し、これらのマグネトロン電極22の列上を基
板ホルダ23が水平に移動できるよになっている。この実
施例では、各マグネトロン電極22上に各ターゲットを取
付け、各基板ホルダ23aには各基板23を取付ける。次い
で、真空チャンバー21内を排気し、マグネトロン電極22
に電力を印加しながら、基板ホルダ23を移動させる。こ
うして、複数のマグネトロン電極22から発生したプラズ
マ中を各基板23が移動していくことにより、1パスで基
板上に酸化物超電導薄膜を形成することができる。必要
に応じて、基板23を反復して往復させることもできる。
この実施例では、基板ホルダ23を複数用意して順次送り
出すことにより、酸化物超電導薄膜を連続的に製造する
こともできる。以下、本発明の実施例を説明するが、本
発明が下記の実施例に限定されるものではない。
【0010】
【実施例】実施例1 図1に示す成膜装置を用いて Y-Ba-Cu-O系の酸化物超電
導薄膜を成膜した。基板としては、一辺が20mmの正方形
のMgO単結晶基板を用い、(100) 面を成膜面として2つ
のサンプルを作った。サンプル1は、XYステージ(図
示せず)を操作して、ターゲット8に平行で且つ互いに
直角な2つの方向、XおよびY方向(図1)に沿って基
板を毎秒5mmの速度で、±20mmのストロークで往復移動
させながらマグネトロンスパッタリングを行った。すな
わち、基板が元の位置に戻るまでを1サイクルとして、
X方向の移動とY方向の移動を交互に行った。サンプル
2(比較例)は、ターゲット8の中心と基板の中心とが
互いに同一の鉛直線上に来るように基板を固定して成膜
を行った。いずれのサンプルの成膜時も、直径4インチ
のスパッタ電極を使用し、成膜条件は表1に示す共通の
条件を採用した。
【0011】
【表1】 ターゲット組成 : Y:Ba:Cu=1 : 2.2 : 4 スパッタリングガス : Ar + O2 2 / (Ar+O2) 20%(体積比) ガス圧力 : 0.08〔Torr〕 基板温度 : 680 〔℃〕 印加電力 : 200 〔W〕、( 2.5〔W/cm2〕) 膜 厚 : 4000 〔Å〕 上記成膜条件で成膜した各サンプルの薄膜上の各部分で
の超電導特性を測定した。測定結果は表2にまとめて示
してある。なお、測定位置と向きは図3に示す通りであ
る。図3に表示された寸法の単位は〔mm〕である。
【0012】
【表2】 サンプル1 サンプル2 測定位置 臨界温度 臨界電流密度 臨界温度 臨界電流密度 〔K〕 〔A/cm2〕 〔K〕 〔A/cm2〕 a 89 3.2 × 106 53 ─ b 88 2.8 × 106 88 3.1 × 106 c 87 1.9 × 106 41 ─ (注)臨界温度:サンプルの電気抵抗が測定限界以下ま
で下がった温度 臨界電流密度:77Kでの臨界電流密度 表2は、本発明に従って成膜された超電導薄膜は薄膜上
の部位によって特性が変化することがなく、基板全体に
高品質な酸化物超電導薄膜が形成されていることを示し
ている。
【0013】実施例2 図2に示した成膜装置を用いてY−Ba−Cu−O系の酸化
物超電導薄膜を成膜した。基板としては一辺が20mm×40
mmの長方形のMgO単結晶基板を使用し、(100) 面を成膜
面とした。比較のために、アクチュエータ7aを動作さ
せず、基板11をターゲット8の上方に固定したまま成膜
した比較例のサンプルも作製した。成膜条件は表3に記
載のものを共通して用いた。
【0014】
【表3】 ターゲット組成 : Y:Ba:Cu=1:2:4 スパッタリングガス : Ar + O2 2 / (Ar+O2) : 20% (体積比) ガス圧力 : 0.05 〔Torr〕 基板温度 : 600 〔℃〕 印加電力 : 50〔W〕 膜 厚 : 約3000〔Å〕 基板−ターゲット間距離: 50[mm] 基板の移動量 : 20 mm 上記の成膜条件で作製した試料について、薄膜上の各部
で超電導特性を測定した結果は表4にまとめて示してあ
る。なお、測定位置は図4に示してある。
【0015】
【表4】 本発明 比較例 測定位置 臨界温度 膜 厚 臨界温度 膜 厚 〔K〕 〔Å〕 〔K〕 〔Å〕 a 85 3000 80 2200 b 85 3000 85 3000 c 85 3000 80 2200 表4は、本発明に従って成膜された超電導薄膜は薄膜上
の部位によって特性が変化することがなく、基板のほぼ
全体に高品質な酸化物超電導薄膜が形成されていること
を示している。
【0016】
【発明の効果】本発明の方法を用いることによって、基
板全体に品質が均一な複合酸化物超電導薄膜を成膜する
ことができる。また、本発明方法を応用することによ
り、酸化物超電導薄膜を効率良く製造することが可能に
なり、種々の研究や開発に特性の優れた酸化物超電導薄
膜を豊富に供給することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
図1は本発明方法を実施するのに使用される成膜装置の
一実施例の概念的な斜視図。 図2は本発明方法を実施するのに使用される成膜装置の
他の実施例の概念的な斜視図である。 図3は本発明の実施例1におけるサンプルの測定位置を
示す図。 図4は本発明の実施例2におけるサンプルの測定位置を
示す図。 図5は本発明方法を実施するための他の成膜装置の実施
例の概念図。
【図面の参照番号】
1、21・・・真空チャンバー、 2、22・・・マグ
ネトロン電極、 3、23a・・基板ホルダ、 3' ・・基板ホル
ダアーム 4・・・排気口、 5・・・スパッタ
ガス供給口 6・・・酸素ガス供給口、 7a、7b・・・
アクチュエータ 8・・・ターゲット、 9・・・ヒータ 10、23・・基板。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI H01L 39/24 ZAA H01L 39/24 ZAAB // H01B 12/06 ZAA H01B 12/06 ZAA (72)発明者 桧垣 賢次郎 兵庫県伊丹市昆陽北一丁目1番1号 住 友電気工業株式会社伊丹製作所内 (56)参考文献 特開 昭63−239740(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) C01G 1/00 C23C 14/00 - 14/58 H01L 21/203 C30B 1/00 - 35/00

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】スパッタリング法によって基板上に高温複
    合酸化物超電導薄膜を成膜する方法において、 成膜チャンバー内に基板とターゲットとを互いに平行且
    つ対向して配置し、基板またはターゲットのいずれか一
    方を他方に対して互いに平行に且つ複数の方向に相対移
    動しながら成膜することを特徴とする方法。
  2. 【請求項2】真空チャンバーと、この真空チャンバー内
    に配置されたターゲットを保持するためのターゲットホ
    ルダと、このターゲットと対向した基板を保持する基板
    ホルダとを有する基板上にスパッタリング法により高温
    複合酸化物超電導薄膜を成膜する装置において、 成膜内に、ターゲットの表面を含む平面と平行な面内
    で、基板またはターゲットのいずれか一方を他方に対し
    て互いに平行に且つ複数の方向に相対移動させる手段を
    備えることを特徴とする装置。
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