JP3596007B2 - Method of forming single crystalline thin film - Google Patents

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Description

【0001】
【産業上の利用分野】
本発明は、基材上に単結晶性薄膜を形成する方法に関し、特に、長尺の基材上に酸化物材料からなる単結晶性薄膜を形成するための方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
半導体装置の製造技術においては、半導体単結晶の薄膜形成方法として、液相エピタキシー(LPE)、有機金属化学蒸着(MOCVD)、分子線エピタキシー(MBE)、イオンビームエピタキシー(IBE)など、種々の手法が採用される。これらの方法は、良質の単結晶薄膜を形成することが可能であり、半導体装置の製造において不可欠な技術となっている。
【0003】
超電導の分野では、液体窒素温度(77.3K)よりも高い臨界温度を示すY系(90K)、Bi系(108K)、Tl系(125K)酸化物超電導材料の発見により、これらの材料を電子デバイスに応用するため、単結晶薄膜の形成方法が研究されてきた。そして、レーザ蒸着法、反応性蒸着法等の手法が、酸化物超電導材料について良質な単結晶薄膜を形成するため有効であることが見出されている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
以上に示した従来の単結晶薄膜の形成方法は、エピタキシー、すなわち特定の結晶面上に別種の結晶が一定の方位関係を持って成長する現象を利用するものであり、通常、単結晶の基板表面に薄膜を形成させるものである。
【0005】
これら従来の方法は、単結晶基板の使用を前提とするため、良質の単結晶薄膜を形成するには、薄膜材料の結晶構造と類似し、格子定数の近い単結晶基板を採用することが極めて重要であった。
【0006】
このため、上記従来技術では、単結晶薄膜は、特定の材料からなる基板にしか形成することができず、また、形成できる単結晶薄膜の大きさも採用できる基板の大きさで決められ、所望の大きさや長さを有する単結晶薄膜を自由に形成することはできなかった。
【0007】
一方、半導体薄膜の分野では、表面に周期的な溝を刻み込んだアモルファス基板を用い、この溝エッジで選択的な方位に結晶核を発生させることにより、基板上に堆積する膜の単結晶化を図るグラフォエピタキシー技術が存在する。この技術によれば、単結晶基板を用いなくとも、たとえばSiについて結晶性の優れた単結晶薄膜を形成することができる。
【0008】
しかしながら、グラフォエピタキシーでも、周期的な溝を形成できる基板の大きさは制約されるため、上述したと同様に、所望の大きさや長さを有する基材上に単結晶薄膜を自在に形成することは困難であった。
【0009】
本発明の目的は、基材の材質および結晶性に依存することなく、基材上に結晶性の優れた単結晶薄膜を形成できる方法を提供することにある。
【0010】
本発明のさらなる目的は、所望するサイズの基材に自由に結晶性の優れた単結晶薄膜を形成できる方法を提供することにある。
【0011】
【課題を解決するための手段】
本発明に従う単結晶性薄膜の形成方法は、基材上の連続する領域に特定の方位を有する結晶から主として構成される薄膜を気相より形成するための方法であって、該基材には金属薄膜が予め形成されており、前記気相中の化学種が前記基材に付着することを防止するようにマスクを設ける工程と、前記基材を前記マスクに対して相対的に移動させていくことにより、結晶成長させるべき前記基材の連続する領域で、前記マスクに覆われていた部分が結晶成長のための環境に連続的に送り出される工程であって、該マスクで覆われる部分と結晶成長のための環境にさらされる部分との境界領域において、前記基材上の金属薄膜が固液界面を形成するように温度調節機構により温度勾配が設けられている、工程と、前記温度勾配により前記境界領域における前記基材上の金属薄膜が蒸発する工程と、前記気相中の化学種が、蒸発残部としての金属薄膜先端部の角に方位を揃えて核発生し結晶成長する工程と、を包含する。
本発明の別の局面に従う単結晶性薄膜の形成方法は、基材上の連続する領域に特定の方位を有する結晶から主として構成される薄膜を気相より形成するための方法であって、前記気相中の化学種が前記基材に付着することを防止するようにマスクを設ける工程と、前記基材を前記マスクに対して相対的に移動させていくことにより、結晶成長させるべき前記基材の連続する領域で、前記マスクに覆われていた部分が結晶成長のための環境に連続的に送り出される工程と、前記基材が相対的に移動される方向にガスを流すことにより、前記結晶成長のための環境に送り出された前記基材上の部分に、前記基材の相対的移動方向と同方向のガス流を与える工程と、前記化学種が前記ガス流中のガスと反応して特定の方位で前記基板上に結晶が成長する工程と、を包含する。
好ましくは、前記気相中の化学種が、前記結晶成長のための環境に送り出された前記基材上において、レーザアブレーション法により結晶成長され、さらに、前記基材を前記マスクに対して相対的に移動させていくに際して、前記結晶成長させるべき前記基材の連続する領域で、前記マスクで覆われる部分と結晶成長のための環境にさらされる部分との境界領域が、前記結晶成長のための環境に1cm/分以上の移動速度で送り出されていく。
好ましくは、前記単結晶性薄膜が酸化物超電導材料より形成される。
【0012】
本発明において、基材は任意の材質および形状のものを用いることができる。基材の材質および形状は、単結晶性薄膜を形成して得られるものの用途や、成膜条件等に応じて適宜決定すればよいが、本発明の方法は、特に、テープ状の基材など、より長尺の基材に単結晶性薄膜を形成するため適用することができる。
【0013】
本発明において基材を覆うためのマスクは、気相成長のための化学種が基材に付着するのを防止できるものであれば、特に限定されるものではなく、その材質や形状等は、成膜条件等に応じて適宜好ましいものを用いればよい。
【0014】
上記マスクは、気相中の化学種が基材上に飛来するのを効果的に防ぐよう設ける必要がある。したがって、マスクで基材を覆うに際し、マスクと基材との隙間に気相成長のための分子や原子等が入り込まないようにする必要がある。このため、気相成長のための条件にもよるが、たとえば、蒸着法等を用いる場合、基材とマスクの間の距離は3mm以下とすることが好ましい。
【0015】
本発明において、基材はマスクに対して相対的に移動させられる。すなわち、マスクを固定した場合は基材が移動させられ、基材が固定された場合はマスクが移動させられる。また、マスクおよび基材をともに移動させてもよい。
【0016】
たとえば、テープ状の基材を用いて基材上に単結晶性薄膜を形成したい場合、マスクを固定し、テープ状基材をマスクを介して結晶成長させるべき気相中に連続的に送り出していけばよい。
【0017】
テープ状の基材は巻取ることができるため、第1のリールからテープ状基材を巻出し、第2のリールでそれを巻取る間に、マスクを介して結晶成長させるべき気相中に基材を送り出していき、単結晶性薄膜をテープ上に順次形成させていくこともできる。
【0018】
また、スリット等の窓が形成されたマスクで基材を覆い、窓を通じて気相中の化学種を基材に付着させることもできる。この場合、窓が基材上を移動するように基材またはマスクを移動させれば、基材上で窓が通った部分に単結晶性薄膜を形成させることができる。
【0019】
本発明において結晶成長のための環境相は気相であり、結晶の気相成長のためスパッタリングおよび蒸着法等を用いることができる。
【0020】
この発明において好ましく用いられる気相成長法には、たとえば、レーザ蒸着法、反応性蒸着法、有機金属化学堆積法(MOCVD)、分子線エピタキシー(MBE)およびイオンビームエピタキシー(IBE)等がある。
【0021】
また、本発明において、基板上の連続する領域に特定の方位を有する結晶から主として構成される薄膜を、レーザアブレーション法を用いて、気相より形成することができる。
【0022】
この場合には、基材をマスクに対して相対的に移動させていくに際して、結晶成長させるべき基材の連続する領域で、マスクで覆われる部分と結晶成長のための環境にさらされる部分との境界領域が、結晶成長のための環境に1cm/分以上の移動速度で送り出されることが好ましい。
【0023】
また、この場合には、レーザアブレーションは、基材温度650〜750℃、酸素ガス圧力30〜500mTorr、248〜1060nmの波長領域のレーザを用い、レーザエネルギー密度1.5〜3.3J/cmの条件下で行なわれることがより好ましい。
【0024】
マスクで覆われる部分と結晶成長のための環境にさらされる部分との境界領域を結晶成長のための環境に送り出す速度は、たとえばマスクに対する基材の相対的な移動速度を変えることで自在に調整することができる。
【0025】
たとえば、テープ状の基材を用いて基材上に単結晶性薄膜を形成したい場合には、固定したマスクに対しテープ状の基材を相対的に1cm/分以上の移動速度で気相中に送り出していくことで、上述のような方法に従い単結晶性薄膜をテープ状基材上に順次形成させていくことができる。
【0026】
また、本発明において、金属薄膜が予め形成された基材を用いることもできる。この場合、基材上でマスクに覆われる部分と結晶成長のための環境にさらされる部分との境界領域において金属薄膜が固液境界を形成するよう、温度勾配が設けられる。また、金属薄膜は単結晶性薄膜の上記境界領域において蒸発させることができる。
【0027】
この温度勾配は、結晶成長のための気相からマスクが設けられたところに行くに従って温度が低下していくもので、たとえば、ヒータや冷却手段等による基板温度の調節などによって設けることができる。このような温度勾配は、形成される薄膜の結晶方位を揃えることを促進することができる。
【0028】
また、本発明において、基材が相対的に移動される方向にガスを流すことにより、基材において結晶成長のための環境に送り出される部分に、基材の相対的移動方向と同方向のガス流を与えることができる。
【0029】
このようなガスの流れは、たとえば、マスクの端部に設けられたスリット状の孔から、結晶成長のための環境に向かってガスを放出することにより発生させることができる。
【0030】
ガス流の方向性は、結晶成長のための雰囲気によって左右されるが、結晶成長が行なわれる所定の範囲において保たれることが望ましい。このガス流を用いれば、特定の結晶方位がガス流方向に揃うように単結晶性薄膜を成長させることができる。
【0031】
また、酸化物結晶で構成される薄膜を形成したい場合、ガスとして酸素ガスを好ましく用いることができる。
【0032】
以上に示した本発明の単結晶性薄膜の形成方法は、特に、基材上に酸化物超電導体の単結晶性薄膜を形成する方法として適用される。酸化物超電導体には、上述したとおり、Y−Ba−Cu−O等のY系、Bi−Sr−Ca−Cu−O等のBi系、Tl−Bi−Sr−Ca−Cu−O等のTl系などが含まれる。
【0033】
この発明に従って酸化物超電導体からなる単結晶性薄膜を形成するため、たとえば、反応性蒸着など種々の蒸着法、レーザアブレーション、MBE、CVD、イオンプレーティング、スプレーパイロリシス、フラッシュプラズマ等の方法を用いることができる。
【0034】
たとえば、酸化物超電導体の単結晶性薄膜を形成するためレーザアブレーションを用いる場合、Y系、Bi系またはTl系の焼結体ターゲットにレーザを照射することによりプラズマを発生させ、このプラズマにマスク下から送り出された基材をさらすことによって超電導体からなる単結晶性薄膜を形成させることができる。
【0035】
酸化物超電導材料の薄膜形成には、従来、基板としてMgO、SrTiO、ZrO等の単結晶が用いられてきたが、本発明においては、基材としてこれらの材料だけでなく、MgO、SrTiOおよびZrO等の多結晶、イットリア安定化ジルコニアシート、ならびに金属テープなどの金属基材等を用いることができる。
【0036】
本発明に従って酸化物超電導体の単結晶性薄膜を形成する場合、上述したように基材の移動方向に流すガスは酸素ガスが好ましい。また、基材に予め形成される金属皮膜は、たとえば、銀によるものが好ましい。
【0037】
【作用】
図1(a)〜(c)は、薄膜形成のプロセスを模式的に示す斜視図である。
【0038】
1(a)に示すように、基材1がその一端からマスク2を経由して結晶成長のための気相3に送り出されていく。送り出される方向は、図に示す矢印Aの方向である。
【0039】
一方、気相3中に存在する化学種は、図の矢印Bで示すように基材1上に堆積する。図に示すように、基材1においてマスク2で覆われる部分には気相中の化学種が付着しない一方、マスク2の下から気相中に送り出される部分には、化学種が付着するようになる。このようにして、基材1を連続的に矢印Aの方向に送り出していくと、基材上に連続して薄膜が形成されていく。
【0040】
次に、基材の移動により、単結晶性薄膜が形成されていく過程について説明する。まず、説明のため、基材の一端が少し気相中に出た状態から基材が送り出されていくとする。図1(b)は、図1(a)から基材が送り出されていく際のある時点を示している。基材1において1aで示される領域は、基材の移動前、気相中にさらされていたところで、マスクの下から気相への移動を経験していない領域である。
【0041】
この領域において、基材表面に形成される薄膜は、ランダムな方位を有する結晶か、アモルファス状態である場合が多い。薄膜が自然配向を有する場合でも、薄膜の結晶は基材表面のノーマル方向に特定の結晶軸を配向させるが、基材面内において特定の配向を実現することは少ない。
【0042】
一方、領域1aとマスク2の間にある移動を経験した領域において、初期の部分1bでは、移動を受けない領域の影響を受けて種々の方位を有する結晶が形成されるが、移動に従ってある特定の結晶方位が優勢になり、その方位が揃った領域1cが形成されるようになる。図において、このような状態を模式的に示すため、結晶方位の分布状態を矢印で表わしている。
【0043】
これは、基材においてマスクにより覆われる部分と気相にさらされる部分の境界領域に結晶の成長端が形成され、移動によって新たに露出される基材上にこの成長端と同じ方位を有する結晶が成長する傾向によるものであると考えられる。したがって、特定の結晶方位を有する成長端が確実に形成できれば、基材の材質や結晶配向性に大きく影響されることなく、単結晶性の強い薄膜を形成していくことができる。
【0044】
このようにして、さらに基材を移動させていくと、領域1cと同じ方位を有する結晶がさらに成長するようになる(図1(c))。以上示すように、一旦、特定の配向粒が形成されれば、基材の材質や結晶配向性に関係なく、基材の連続移動とマスクの効果により、特定の方位を有する結晶粒が連続して基材上に形成されることになる。
【0045】
以上示した方法において、テープ状の基材を用い、テープの一端からその長手方向に基材を移動させていけば、基材の長手方向にわたって単結晶性薄膜を形成させていくことができる。
【0046】
また、レーザアブレーション法を用いて、基材上の連続する領域に特定の方位を有する結晶から主として構成される薄膜を気相より形成するための方法において、基材をマスクに対して相対的に移動させていくに際して、結晶成長させるべき基材の連続する領域で、マスクで覆われる部分と結晶成長のための環境にさらされる部分との境界領域が、結晶成長のための環境に1cm/分以上の移動速度で送り出されることで、新たに結晶成長のための環境に露出された基材上に、マスクと基材との距離の大きさにほとんど影響を受けることなく、単結晶性の強い薄膜を形成することができる。
【0047】
これは、気相成長時にマスクで覆われる部分と結晶成長のための環境にさらされる部分との境界領域が結晶成長のための環境に1cm/分以上の移動速度で送り出されることで、マスクと基材との僅かな空間に巻き込まれた気相成長のための分子や原子に境界領域が接触する時間期間がより短縮されて、基材上の境界領域には特定の結晶方位を有するシャープな結晶の成長端がより確実に形成されるようになり、その結果として新たに結晶成長のための環境に露出された基材上には特定の結晶方位を有する結晶粒がさらに形成されやすくなるためと考えられる。
【0048】
上述の方法に従えば、以下の実施例においても示すように、マスクと基材との距離を3mmより大きく設定した場合でも、結晶方位の揃った単結晶性薄膜を基材上に形成させることができるようになる。
【0049】
また、図2に示すように、基材11上に窓12aを形成したマスク12を被せ、その上から蒸着等を行なうと、基材11において窓12aの部分にのみ薄膜を形成させることができる。この状態で基材11またはマスク12を連続的に移動させていけば、窓12aが移動した領域11a(図1に一点鎖線で示す)に薄膜を形成させていくことができる。
【0050】
この場合も、上述したような連続的移動とマスクの効果がもたらされるので、領域11aに単結晶性薄膜を形成させていくことができる。このようなマスクを使えば、基材上の任意の領域に単結晶性薄膜を形成させることができる。
【0051】
また、図3に示すように、金属薄膜20が予め形成された基材21を用い、基材21においてマスク22で覆われる部分と気相23にさらされる部分との境界領域(図においてCで示す)に温度勾配を設けて、単結晶性薄膜を形成させていくことができる。温度勾配は、たとえば、基材の下に設けられたヒータ24により設定することができる。
【0052】
設定された温度勾配により、境界領域Cにおいて金属薄膜が固液境界を有するようになる。固液境界の状態を拡大して図4に示す。図に示すように、マスク23で覆われる部分21aでは、所定の厚みの金属薄膜20が残っているが、境界領域Cでは、金属薄膜が溶融し、固液境界を形成するとともに、温度の高い部分から薄膜を形成する金属が蒸発するようになる。
【0053】
その結果、境界領域Cにある膜は浸蝕され、階段形状を有するようになる。このような状態は電子顕微鏡により観察することができる。たとえば、銀の薄膜を基材上に形成した場合、温度の等高線に対応した形に階段が形成され、階段1段の高さが100Å程度、テラスの幅が1000Å程度であることが電子顕微鏡の観察により明らかとなった。
【0054】
このように階段が形成されている領域で成膜領域が途切れるように、すなわち結晶の成長端が形成されるようにマスクを設けると、気相から堆積する化学種は、階段の角に方位を揃えて核発生するようになる。そして、基材を図3に示す矢印の方向に連続的に移動させると、温度勾配が設けられた領域に常に金属薄膜の階段が形成されているので、薄膜はこの階段の角に方位を揃えて成長するようになる。その結果、単結晶性の薄膜が連続して形成されるようになる。
【0055】
このような温度勾配を設けた薄膜形成は、上述したように、テープ状基材の長手方向に単結晶性薄膜を形成する場合や、窓を有するマスクを設けて基材の任意の領域に単結晶性薄膜を形成する場合に適用できる。
【0056】
また、本発明において、上述したように基材を移動させるとともに、図5に示すように、マスク32の端部32aから、基材31の移動方向(図に矢印Dで示す)にガス34を流すことにより、基材31においてガス流の方向性が保持される領域には、その方向に従って特定の方位を有する結晶を成長させることができる。
【0057】
ガス流の方向性が保持される領域は、ごく狭い範囲に限られると考えられるが、一旦この部分で方位の揃った薄膜が形成されれば、ガス流の方向性が崩れる領域(たとえばガスの噴出し口から離れた部分)で膜形成がなされても、ガス流に従って形成された下地膜の配向に従って膜を形成させていくことができる。このため、厚い膜を形成させる場合でも、ガス流により方位が制御された下地にその方位を揃えさせることにより、特定の方位を有する結晶を成長させることができる。
【0058】
このように、ガス流は、特定の配向性を有する結晶核を形成させるように作用する。そして、基材を連続的に移動させることによりマスクで覆われた領域を順次気相にさらしていけば、上述したようにガス流によって配向性が制御された結晶に方位が揃うよう薄膜成長が進行していく。このようにして、結晶方位の揃った単結晶性薄膜を基材上に形成させることができる。
【0059】
このようなガス流を発生させる薄膜形成は、上述したように、テープ状基材の長手方向に単結晶性薄膜を形成する場合や、窓を有するマスクを設けて基材の任意の領域に単結晶性薄膜を形成する場合に適用できる。
【0060】
【実施例】

基材として厚さ0.1mm、幅5mmのNi−Cr合金テープを用い、図6に示すように、マスク42を基材41上に0.1mmの隙間(d)を設けて固定した。
【0061】
Ni合金テープ上にイットリア安定化ジルコニアの薄膜を形成するため、反応性真空蒸着法を用いた。反応ガスとして酸素を用い、ガスの圧力を3mTorrとした。また、基材の温度は750℃に設定した。
【0062】
上述したように、図6において矢印Eの方向に基材41を2mm/分の速度で連続的に移動させながら、イットリア安定化ジルコニアの薄膜を真空蒸着させていった。
【0063】
このとき、テープ先端より5.2cmまでの部分は無配向のイットリア安定化ジルコニア薄膜が形成されたが、それに続いて3.8cmにわたる部分は(100)軸を基材表面に垂直に向けた1軸配向膜となり、さらにそれに続いて(010)軸、(001)軸が基材面内で強く配向し、傾角5°以内で配向の揃ったイットリア安定化ジルコニア薄膜が形成された。この配向(2軸配向)は、3mの長さにわたって実現できていることがX線回折により確認できた。
【0064】
また、これ以上の長さについても、真空蒸着の条件および基材の連続移動の条件が安定し、かつマスクが固定して設けられている限り、2軸配向の強い、すなわち単結晶性の薄膜が得られると予想された。
【0065】

1と同じNi−Cr合金テープを基材として用い、レーザアブレーションによってイットリア安定化ジルコニアの薄膜を形成した。
【0066】
レーザアブレーションは図7に示すようにして行ない、Y系焼結体ターゲット54にレーザ55を照射することにより、ターゲット面に垂直な方向に、図に示すようなプルーム56を発生させ、マスク52上から連続的に送り出される基材51上にプルーム56中の化学種を付着させていった。レーザアブレーションにおいて、基材の温度は650〜750℃に設定し、酸素ガスの圧力は30〜500mTorrに設定した。また、レーザとしてKrFエキシマレーザ(波長248nm)を用い、レーザエネルギ密度は1.5〜3.3J/cm、レーザ繰り返し周波数は1Hz〜100Hzであった。また、基材51とマスク53の隙間(d)は0.1mmに設定した。
【0067】
このようにレーザアブレーションを用いた場合も、テープ状の基材先端より12.5cmのところから2mの長さにわたって単結晶性の強いイットリア安定化ジルコニア薄膜を形成することができた。
【0068】

1と同じ基材を用い、まず、マスクを設けない状態で基材上にイットリア安定化ジルコニア薄膜を形成させた。このようにして形成した薄膜は、基材表面に(100)軸および(111)軸が混在して垂直に立ったものであり、基材面内の方向においてランダムな配向を示した。
【0069】
次に、基材上に形成したイットリア安定化ジルコニア薄膜の上に、図7に示すようなレーザアブレーション法を用い、Y1Ba2Cu3X薄膜を形成させた。レーザアブレーション法において、酸素ガスの圧力を200mTorr、基材温度を700℃、成膜速度を1.5μm/分に設定した。また、レーザには例2と同様にエキシマレーザを用い、18mm/分の速度で基材を連続的に移動させ、Y1Ba2Cu3X薄膜を連続的に形成していった。
【0070】
このようにして形成された薄膜は、テープ全長にわたってc軸配向膜となり、テープ先端より5.6cmのところからaおよびb軸の配向性が強くなり、1.4mの長さにわたってその配向性は4°以内であることを確認した。
【0071】

2で作製された単結晶性の強いイットリア安定化ジルコニア薄膜を有するテープ状の基材1mを準備した。次に、実施例3と同様にマスクを用いてレーザアブレーション法により、基材温度700℃、酸素ガスの圧力200mTorr、成膜速度1.5μm/分、基材の移動速度18mm/分の条件下で、Y1 Ba2 Cu3X薄膜を形成した。
【0072】
この場合、テープ先端より8mmのところから単結晶性の強いc軸配向膜が形成され、この膜の基材面内方向における配向は2°以内と極めて良好であった。
【0073】
一方、比較のため、マスクを受けない状態でレーザアブレーション法によりYBaCuを形成させたが、基材面内方向における配向は4°以上であった。このようにマスクを設けて薄膜を形成することにより、単結晶性の強い薄膜が得られることが明らかになった。
【0074】

4においてテープ状の基材とマスクとの隙間(d)は0.1mmであったが、この隙間の成膜に対する影響を調べるため、隙間の値(d)を0.1mm〜5mmの間で変化させ、その他の条件は例4と同様にしてY1 Ba2 Cu3X薄膜を形成させた。
【0075】
その結果、隙間のそれぞれの値に対して、表1に示すような基材面内方向における配向性を示す傾角が得られた。
【0076】
【表1】

Figure 0003596007
【0077】
表1に示されるように、本例では隙間(d)が3mm以下であれば、単結晶性の強い薄膜が得られることが明らかになった。
【0078】

基材として厚さ0.1mm、幅5mmのハステロイと呼ばれるNi基合金テープを用い、図7に示すようなレーザアブレーション法を用いて、イットリア安定化ジルコニアおよび酸化マグネシウムの薄膜を各々個別に形成させた。
【0079】
レーザアブレーション法において、基材温度は650〜750℃に設定し、酸素ガスの圧力は30〜500mTorrに設定した。また、レーザとしてKrFエキシマレーザ(波長248nm)を用い、レーザエネルギー密度は1.5〜3.3J/cm、レーザ繰返し周波数は1〜100Hzであった。また、基材51とマスク52の隙間(d)は0.8mmに設定した。
【0080】
本例では、基材51のマスク52に覆われる部分と気相成長のための環境にさらされる部分との境界領域の移動速度が成膜に対してどのような影響を与えるかについて調べるため、マスク52に対する基材51の移動速度を0.1〜1.5cm/分の範囲で変化させて、基材全体にわたって厚み0.2μmの薄膜を形成させた。
【0081】
得られたイットリア安定化ジルコニア薄膜および酸化マグネシウム薄膜の各々における面内配向性について調査を行なった。
【0082】
その結果、形成されたどちらの薄膜においても、テープ基材面に対して垂直に(100)軸が配向し、基材面と平行の方向には薄膜結晶の成長端に沿って(010)軸が配向していた。
【0083】
また、各薄膜における(010)面内配向の程度を比較するため、各結晶粒の相互の傾きが±5°以内である比率を求め、その結果を表2に示した。
【0084】
【表2】
Figure 0003596007
【0085】
表2に示されるように、マスクに対するテープ基材の移動速度が1cm/分以上、すなわち、基材のマスクに覆われる部分と気相成長のための環境にさらされる部分との境界領域の移動速度が1cm/分以上であれば、良好な面内配向性を有する薄膜を得られることが明らかになった。
【0086】

6と同様に、基材として厚さ0.1mm、幅5mmのハステロイと呼ばれるNi基合金テープを用い、まずマスクを設けない状態で基材上にイットリア安定化ジルコニア薄膜を形成させた。このようにして形成させた薄膜は、基材表面に(100)軸および(111)軸が混在して垂直に立ったものであり、基材面内の方向においてランダムな配向を示した。
【0087】
次に、基材上に形成したイットリア安定ジルコニア薄膜の上に、図7に示すようなレーザアブレーション法を用いて、Y1Ba2Cu3X薄膜を形成させた。レーザアブレーション法において、基材温度は700℃に設定し、酸素ガスの圧力は200mTorrに設定した。また、レーザとしてKrFエキシマレーザ(波長248nm)を用い、レーザエネルギー密度は1.5〜3.3J/cm2、レーザ繰返し周波数は1〜100Hzであった。また、基材51とマスク52の隙間(d)は1.0mmに設定した。
【0088】
本例では、基材51のマスク52に覆われる部分と気相成長のための環境にさらされる部分との境界領域の移動速度が成膜に対してどのような影響を与えるかについて調べるため、マスク52に対する基材51の移動速度を0.1〜2.0cm/分の範囲で変化させて、基材全体にわたって厚み1.0μmの薄膜を形成させた。
【0089】
得られたYBaCu薄膜における面内配向性について調査を行なった。
【0090】
その結果、形成された薄膜は、基材表面にc軸が垂直に立ったものであり、薄膜結晶の成長端に沿ってa軸およびb軸の配向性を強く示した。
【0091】
また、薄膜における(010)面内配向の程度を比較するため、各結晶粒のa軸の傾きが±5°以内である比率を求め、その結果を表3に示した。
【0092】
【表3】
Figure 0003596007
【0093】
表3に示されるように、マスクに対するテープ基材の移動速度が1cm/分以上、すなわち、テープ基材のマスクに覆われる部分と気相成長のための環境にさらされる部分との境界領域の移動速度が1cm/分以上であれば、比率が90%を上回り、良好な面内配向性を有する薄膜が得られることが明らかになった。
【0094】
上述の例6,7からわかるように、基材のマスクに覆われる部分と気相成長のための環境にさらされる部分との境界領域の移動速度を1cm/分以上とすることでマスクと基材との間隔(d)を3mm以下に設定しなくても、良好な面内配向性が実現できることが確認された。
【0095】

基材として厚さ0.1mm、幅5mmのNi−Cr合金テープを用い、例1と同様の製作プロセスにおいて反応性真空蒸着法により基材上に酸化マグネシウムの薄膜を形成させた。この場合、テープ先端より3.2cmのところから単結晶性の強い酸化マグネシウム薄膜が形成された。
【0096】
形成された薄膜において、テープ基材面に対して垂直に(100)軸が配向し、基材面と平行の方向には(010)軸が角度4°の範囲内で一方向に配向していた。また、(001)軸も(010)軸と同程度に配向していた。
【0097】

8で作製された酸化マグネシウム薄膜上にBi2Sr2Ca2Cu3Xの薄膜をエキシマレーザアブレーション法により形成させた。レーザアブレーション法は、基材温度720℃、酸素ガス圧力110mTorr、基材の連続移動速度1.3mm/分、成膜速度0.18μm/分の条件下で行なわれた。得られた薄膜は、テープ先端より3.8cmのところから単結晶性の強い膜となり、かつc軸配向で、a軸およびb軸の各々の傾角は全長にわたって3.2°以内であった。
【0098】
10
上例〜例9はテープ状の基材に薄膜を形成するものであったが、例10では上述したような窓を有するマスクを用いて基材上の所定の領域に単結晶性薄膜を形成させた。
【0099】
基材としてイットリア安定化ジルコニアの焼結体シート(50×50mm)を用い、マスクとして10×10mmの正方形の窓が形成されたステンレス製マスク(150×150mm)を用いた。実施例3と同じ成膜条件下においてマスクと基材の隙間を0.2mmとし、図2に示すようにしてマスクを連続的に移動させて基材面にYBaCu薄膜を形成させた。
【0100】
このようにして形成させた膜では、aおよびb軸が3°以内の傾角で配向することが明らかとなった。一方、ジルコニア基材は多結晶体であるため、マスクを用いずに基材上にそのまま薄膜を形成した場合、c軸のみが配向した膜が得られ、aおよびb軸は無配向であった。
【0101】
実施例
基材として、厚み0.1mm、幅5mmのNi−Cr合金テープ上にイットリア安定化ジルコニア薄膜を形成し、さらにその上に銀の薄膜を0.3μmの厚さで形成したものを用いた。
【0102】
このように銀薄膜が形成された基材上に、図8に示すようにしてYBaCu薄膜をエキシマレーザアブレーション法により形成した。図に示すように、銀薄膜60を有する基材61が、薄膜の形成環境にさらされる領域においてマスク62の先端から1mmまでの領域(図においてFで示す)は、温度が700℃に保持された。一方、マスク62の先端より1mmのところから30℃/mmの温度勾配が設定された。このような温度環境において、銀薄膜は上述したように固液境界を形成し、基材においてマスクで覆われる部分と薄膜の形成環境にさらされる部分との境界領域において図4に示されるような階段形状を有した。
【0103】
2と同様にターゲット64としてY系焼結体を用い、ターゲット64にエキシマレーザ65を照射することにより、プルーム66を発生させ、プルーム66中の化学種を基材61上に堆積させた。基材61の移動速度は5mm/分に設定され、成膜速度は0.41μm/分に設定された。
【0104】
このようにして形成されたYBaCu膜は、テープ先端より3.5cmのところから基材面内方向にa軸およびb軸が揃い始め、それから2mの長さにわたって傾角が4°以内であることが確認された。
【0105】
実施例
8と同様に、まず、Ni−Cr合金テープ(厚さ0.1mm、幅5mm)上に酸化マグネシウムの薄膜を形成した。次に、酸化マグネシウムを形成した合金テープ上に実施例と同様にして銀の薄膜を0.3μmの厚さで形成した。
【0106】
次に、実施例と同様にマスクを用いるプロセスにおいてエキシマレーザアブレーション法によりBi2Sr2Ca2Cu3Xの薄膜を基材に形成された酸化マグネシウム薄膜上に堆積させていった。形成されたBi2Sr2Ca2Cu3X薄膜は、テープの先端より4cmのところから基材面内においてaおよびb軸が揃い始め、2mの長さにわたってその傾角が5°以内であった。
【0107】
実施例
酸化マグネシウムの焼結基板(サイズ50×50×0.5mm)を用い、図9に示すように、基板71のマスク72の下から矢印の方向に移動させていくことにより、Y1Ba2Cu3Xの薄膜を形成した。薄膜の形成にあたって、基板には予め厚さ0.5μmの銀皮膜が形成されていた。また、温度分布および温度分布に対するマスクの位置は、実施例と同様に設定した。実施例と同様の成膜条件および移動条件下で、エキシマレーザアブレーション法によりY1Ba2Cu3X薄膜を形成した。得られた薄膜は、基板全面にわたってaおよびb軸を基板面内において揃えており、その傾角は3°以内であった。
【0108】
実施例
図10に示すように、Ni−Cr合金(厚み0.1mm、幅10mm)からなる基材81上に、配管85が接続され、かつ先端部にスリット82aが形成されたマスク82を設けた。マスク82内は空洞になっており、配管85から供給されるガスが、スリット82aから噴出されるようになっている。また、スリットの高さは0.2mm、幅はテープ状の基材と同じ10mmであった。
【0109】
このようにスリットを有するマスクを用い、上述した実施例と同様に基材を連続的に移動させながら、真空蒸着法によりイットリア安定化ジルコニア薄膜を堆積させた。成膜において、スリット82aからは酸素ガスが2cc/分の流速で基材の移動方向と同方向に流された。また、成膜室のガス圧力は4mTorrに設定された。さらに、基材温度を780℃に設定し、4mm/分の速度で図10に示す矢印の方向に基材を移動させながら、0.05μm/分の速度で成膜が行なわれた。
【0110】
以上のようにして薄膜を形成した結果、テープの先端より2.8cmのところからは全長1.8mにわたって(001)配向(テープ面に垂直)となり、かつテープ上のガス流方向に(110)配向するイットリア安定化ジルコニア薄膜が得られた。このようにして軸配向したイットリア安定化ジルコニア薄膜は単結晶薄膜と言える。
【0111】
実施例
実施例と同じテープ状の基材を用い、マスクを用いずに配向性のないイットリア安定化ジルコニア薄膜を長さ1.5mにわたって基材上に予め形成した。次に、このようにして形成した薄膜上に、Y1Ba2Cu3Xの薄膜を図10に示すようにして形成させた。薄膜の形成において、基材温度を700℃、スリットから流す酸素の流量を20sccm、成膜室のガス圧力を150mTorrに設定した。また、テープ状の基材は、2.5cm/分の速度でエキシマレーザアブレーションにより成膜が行なわれた。
【0112】
以上の条件で形成されたYBaCu薄膜は、テープ先端から25mmまではc軸配向を示したが、テープ面内方向においてaおよびb軸に関しては無配向であった。しかしながら、25mmから1.475mの全長にわたってa、b軸が特定の方向に流されたガスの向きに揃い、かつその傾角が全長にわたって3°以内である薄膜が得られた。
【0113】
実施例
実施例と同様にして、Ni合金テープ上に酸化マグネシウムの薄膜を形成させた。このとき、テープの先端より2.8cmのところからは全長1.8mにわたって(001)配向(テープ面に垂直)であり、かつガス流方向に(100)配向する酸化マグネシウム薄膜が得られた。
【0114】
実施例
実施例と同じテープ状の基材を用い、まず、その上に配向性のない酸化マグネシウム薄膜を通常の真空蒸着法で形成させた。
【0115】
次に、図10に示すようにして、基材温度720℃、酸素流量30sccm、ガス圧力110mTorrの条件下で、エキシマレーザアブレーション法により酸化マグネシウム薄膜上にBiSrCaCu薄膜を形成した。薄膜形成において、テープ移動速度は1.8cm/分、成膜速度は1.1μm/分に設定された。
【0116】
以上のようにして形成された薄膜において、テープ先端より3.2cmまでの部分はc軸配向(基材面に垂直)を示したが、テープ面方向において配向(aおよびb軸)はランダムであった。しかしながら、テープ先端より3.2cmのところから長さ1.2mにわたる部分に形成された膜は、c軸配向とともにaおよびb軸がガス流方向に一致した配向を示し、その傾角は4°以内で一定であった。
【0117】
実施例
50×50mmの多結晶酸化マグネシウム焼結体を基板として用い、ガスノズルのスリット幅が50mmであるマスクにより基板を覆いながら、真空蒸着法によりY1Ba2Cu3X薄膜を形成した。薄膜形成は、基板温度700℃、酸素ガス流量10sccm、ガス圧力10mTorr、成膜速度0.05μm/分、基板の移動速度0.5mm/分の条件下で行なわれた。
【0118】
このようにして形成された膜は、50×50mmの領域のうち30×50mmの領域において、a、bおよびc軸が揃った単結晶性の強いものであった。
【0119】
実施例
本発明において、ノズルから特定の方向に流される酸素ガスの効果を確認するため、ガスノズルを用いて酸素ガスを一方向に流した場合とガスノズルを用いずに酸素ガスを供給した場合において、他の条件は実施例と同一で実験を行なった。ガスノズルを用いて所定の方向に酸素ガスを用いた場合と、ガスノズルを用いずに任意の方向に酸素ガスを供給した場合においてそれぞれ5回ずつ実験を行なった結果を表4に示す。
【0120】
【表4】
Figure 0003596007
【0121】
この実験結果を比較すると、ガスノズルを使用して酸素ガスを一方向に流すことにより、aおよびb軸の傾角は減少し、得られる薄膜の単結晶性が強まったことが明らかになる。また、酸素ガスを一方向に流すことによって、ガスノズルを用いない場合よりも臨界電流密度を2〜5倍に増大させることができ、ガスノズル流によるさらなる効果が確認された。
【0122】
また、表4においてガスノズルを用いた場合、a、b軸の平均的な方位は、ガスノズルから供給されたガスの方向、すなわちテープの長手方向とほぼ一致したのに対し、ガスノズルを用いない場合は、aおよびb軸の平均的な方位とテープの長手方向はほとんど相関していなかった。このように本発明において特定の方向のガス流を用いれば、単結晶性薄膜を形成することができるだけでなく、単結晶性薄膜の結晶方位についても制御が可能になる。
【0123】
以上に示してきた例および実施例において、単結晶性の強い超電導体からなる薄膜を形成させた基材は、そのまま超電導線材として利用することができる。多結晶の酸化物超電導材料は、その粒界による電流の阻止という大きな問題を有しているが、単結晶性の強い膜は、粒界がより少ないため、より大きな電流容量を有するようになる。
【0124】
たとえば、例3、4および9において形成された超電導薄膜の臨界電流密度は、77.3Kにおいてそれぞれ7.8×105 A/cm2 、1.95×106A/cm2 、3.9×105 A/cm2 であった。また、実施例およびにおいて形成された超電導薄膜の臨界電流密度は、77.3Kにおいてそれぞれ1.70×106A/cm2 、7.5×105 A/cm2 であった。さらに、実施例およびにおいて形成された超電導薄膜の臨界電流密度は、77.3Kにおいてそれぞれ1.28×106A/cm2 、7.9×105 A/cm2であった。これらの値は、多結晶からなる超電導薄膜の臨界電流密度より1〜2桁大きい値である。
【0125】
さらに、例10、実施例3およびに示したように、本発明に従えば、大面積を有する領域に単結晶性薄膜を容易に形成することができる。
【0126】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、基材の材質および結晶性等に依存することなく、基材上の所望する領域に単結晶性の強い薄膜を形成することができる。本発明では、従来用いられていた単結晶基板の代わりに、より安価でかつ所望の形状を有する基材上に単結晶性薄膜を形成させることができる。
【0127】
以上のような特質から、本発明は、Y系、Bi系、Tl系等の酸化物高温超電導体について薄膜を形成する手法として極めて有用である。たとえば、本発明に従って、テープ状の金属基材上に単結晶性の強い超電導体薄膜を形成すれば、上述したように高い臨界電流密度を示す超電導線材を得ることができる。
【0128】
また、本発明によれば、基材上の任意の領域、特に大面積を有する領域に単結晶性薄膜を容易に形成することができるため、磁気シールドや高周波用部品として有効な薄膜を容易に得ることができる。
【0129】
またさらに、本発明は、たとえばジョセフソン結合を利用した超電導デバイスの薄膜形成に効果的である。たとえば、テープ状基材または大面積を有するウェハ上に本発明に従って単結晶性薄膜を形成することができる。本発明は、上述したように基材上の任意の領域に、または基材上のより大きな面積を有する領域に超電導体の単結晶性薄膜を形成できるものであるため、本発明に従って超電導体薄膜が形成された基材を切断してチップを得れば、大量の超電導デバイスを効率的に生産することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】膜形成プロセスの一例を模式的に示す斜視図である。
【図2】膜形成プロセスの他の例を示す平面図である。
【図3】本発明に従って金属薄膜が予め形成された基材上に単結晶性薄膜を形成させるプロセスを示す模式図である。
【図4】図3に示すプロセスにおいて、基材上に形成された金属薄膜の状態を拡大して示す断面図である。
【図5】本発明において、所定の方向にガスを流しながら単結晶性薄膜を形成するプロセスを説明するための斜視図である。
【図6】1において単結晶性薄膜を形成するプロセス示す断面図である。
【図7】2においてレーザアブレーションにより単結晶薄膜を形成する状態を示す模式図である。
【図8】本発明に従う実施例において単結晶性薄膜を形成する状態を示す模式図である。
【図9】本発明に従う実施例において、単結晶性薄膜の形成プロセスを示すための平面図である。
【図10】本発明に従う実施例において、単結晶性薄膜の形成プロセス示すための斜視図である。
【符号の説明】
1、11、21、31、41、51、61、81 基材
2、12、22、32、42、52、62、72、82 マスク
3 気相
20 金属薄膜
54、64 ターゲット
55、65 レーザ
56、66 プルーム
60 銀皮膜
71 基板
83a スリット
84 酸素ガス
85 配管[0001]
[Industrial applications]
The present invention relates to a method for forming a single-crystal thin film on a substrate, and more particularly, to a method for forming a single-crystal thin film made of an oxide material on a long substrate.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art In a semiconductor device manufacturing technique, various methods for forming a semiconductor single crystal thin film include liquid phase epitaxy (LPE), metal organic chemical vapor deposition (MOCVD), molecular beam epitaxy (MBE), and ion beam epitaxy (IBE). Is adopted. These methods can form a high-quality single-crystal thin film, and are an indispensable technique in manufacturing a semiconductor device.
[0003]
In the field of superconductivity, the discovery of Y-based (90K), Bi-based (108K), and Tl-based (125K) oxide superconducting materials exhibiting a critical temperature higher than the liquid nitrogen temperature (77.3K) has led to the conversion of these materials to electrons. For application to devices, a method of forming a single crystal thin film has been studied. Then, it has been found that a technique such as a laser vapor deposition method and a reactive vapor deposition method is effective for forming a high-quality single crystal thin film of an oxide superconducting material.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
The conventional method for forming a single-crystal thin film described above utilizes epitaxy, that is, a phenomenon in which another type of crystal grows on a specific crystal plane with a certain orientation relationship. A thin film is formed on the surface.
[0005]
Since these conventional methods presuppose the use of a single-crystal substrate, in order to form a high-quality single-crystal thin film, it is extremely necessary to employ a single-crystal substrate having a similar lattice structure to the crystal structure of the thin film material. It was important.
[0006]
For this reason, in the above-mentioned conventional technology, a single crystal thin film can be formed only on a substrate made of a specific material, and the size of the single crystal thin film that can be formed is determined by the size of the substrate that can be adopted, and the desired A single crystal thin film having a size and a length could not be freely formed.
[0007]
On the other hand, in the field of semiconductor thin films, an amorphous substrate with a periodic groove cut in the surface is used, and crystal nuclei are generated in a selective orientation at the edge of the groove, thereby achieving single crystallization of the film deposited on the substrate. There is a graphoepitaxy technology to be used. According to this technique, for example, a single crystal thin film having excellent crystallinity of Si can be formed without using a single crystal substrate.
[0008]
However, even in graphoepitaxy, the size of a substrate on which a periodic groove can be formed is limited, so that a single-crystal thin film can be freely formed on a substrate having a desired size and length, as described above. It was difficult.
[0009]
An object of the present invention is to provide a method capable of forming a single crystal thin film having excellent crystallinity on a substrate without depending on the material and crystallinity of the substrate.
[0010]
A further object of the present invention is to provide a method capable of freely forming a single crystal thin film having excellent crystallinity on a substrate having a desired size.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
The method for forming a monocrystalline thin film according to the present invention is a method for forming a thin film mainly composed of crystals having a specific orientation in a continuous region on a base material from a gas phase, and the base material includes A metal thin film is formed in advance, and a step of providing a mask to prevent the chemical species in the gas phase from adhering to the substrate, and moving the substrate relative to the mask In the continuous area of the base material to be crystal-grown, the portion covered by the mask is continuously fed to an environment for crystal growth, and the portion covered by the mask is A step of providing a temperature gradient by a temperature control mechanism such that a metal thin film on the base material forms a solid-liquid interface in a boundary region with a portion exposed to an environment for crystal growth; and By the border In which the metal thin film on the base material is evaporated, and the chemical species in the vapor phase are aligned with the corner of the tip of the metal thin film as an evaporation residue to generate nuclei and grow crystals. .
A method for forming a single-crystal thin film according to another aspect of the present invention is a method for forming a thin film mainly composed of crystals having a specific orientation in a continuous region on a substrate from a gas phase, Providing a mask so as to prevent the chemical species in the gas phase from adhering to the substrate; and moving the substrate relative to the mask to form the group to be crystal-grown. In a continuous region of the material, a step in which the portion covered by the mask is continuously sent to an environment for crystal growth, and by flowing a gas in a direction in which the base material is relatively moved, Providing a gas flow in the same direction as the relative movement direction of the substrate to a portion on the substrate sent to an environment for crystal growth, wherein the chemical species reacts with a gas in the gas flow. Crystal grows on the substrate in a specific orientation Including that the step.
Preferably, the chemical species in the gas phase is crystal-grown by a laser ablation method on the substrate sent out to the environment for crystal growth, and further, the substrate is moved relative to the mask. In moving the crystal, the boundary region between the portion covered with the mask and the portion exposed to the environment for crystal growth in a continuous region of the base material to be crystal-grown, It is sent to the environment at a moving speed of 1 cm / min or more.
Preferably, the single crystalline thin film is formed from an oxide superconducting material.
[0012]
In the present invention, the substrate may be of any material and shape. The material and shape of the base material may be appropriately determined according to the use of the material obtained by forming the single-crystal thin film and the film formation conditions and the like, but the method of the present invention is particularly applicable to a tape-like base material. It can be applied to form a single crystalline thin film on a longer substrate.
[0013]
In the present invention, the mask for covering the substrate is not particularly limited as long as it can prevent chemical species for vapor phase growth from adhering to the substrate, and the material and shape thereof are, A preferable material may be used as appropriate depending on the film formation conditions and the like.
[0014]
The mask must be provided to effectively prevent chemical species in the gas phase from flying onto the substrate. Therefore, when covering the substrate with the mask, it is necessary to prevent molecules and atoms for vapor phase growth from entering the gap between the mask and the substrate. For this reason, depending on the conditions for vapor phase growth, for example, when using a vapor deposition method or the like, the distance between the base material and the mask is preferably 3 mm or less.
[0015]
In the present invention, the substrate is moved relatively to the mask. That is, when the mask is fixed, the substrate is moved, and when the substrate is fixed, the mask is moved. Further, the mask and the substrate may be moved together.
[0016]
For example, if you want to form a monocrystalline thin film on a substrate using a tape-shaped substrate, fix the mask, and continuously feed the tape-shaped substrate into the gas phase to be grown through the mask I should go.
[0017]
Since the tape-shaped base material can be wound, the tape-shaped base material is unwound from the first reel, and while it is wound on the second reel, the tape-shaped base material is immersed in a gas phase to be grown through a mask. The substrate can be sent out, and a single crystalline thin film can be sequentially formed on the tape.
[0018]
Alternatively, the substrate may be covered with a mask having a window such as a slit, and chemical species in a gas phase may be attached to the substrate through the window. In this case, if the substrate or the mask is moved so that the window moves on the substrate, a single-crystal thin film can be formed on a portion of the substrate where the window passes.
[0019]
In the present invention, the environmental phase for crystal growth is a gas phase, and sputtering and vapor deposition can be used for the vapor phase growth of crystals.
[0020]
The vapor phase growth method preferably used in the present invention includes, for example, laser vapor deposition, reactive vapor deposition, metal organic chemical vapor deposition (MOCVD), molecular beam epitaxy (MBE), and ion beam epitaxy (IBE).
[0021]
Further, in the present invention, a thin film mainly composed of crystals having a specific orientation can be formed in a continuous region on a substrate from a gas phase by using a laser ablation method.
[0022]
In this case, when moving the base material relative to the mask, a continuous area of the base material to be crystal-grown includes a portion covered with the mask and a portion exposed to an environment for crystal growth. Is preferably sent to the environment for crystal growth at a moving speed of 1 cm / min or more.
[0023]
In this case, laser ablation is performed using a laser in a wavelength region of 650 to 750 ° C., an oxygen gas pressure of 30 to 500 mTorr, and 248 to 1060 nm, and a laser energy density of 1.5 to 3.3 J / cm.2More preferably, the reaction is performed under the following conditions.
[0024]
The speed at which the boundary region between the part covered by the mask and the part exposed to the environment for crystal growth is sent to the environment for crystal growth can be freely adjusted, for example, by changing the moving speed of the substrate relative to the mask. can do.
[0025]
For example, when it is desired to form a monocrystalline thin film on a base material using a tape-shaped base material, the tape-shaped base material is moved in the gas phase at a moving speed of 1 cm / min or more relative to a fixed mask. In this way, the single-crystal thin film can be sequentially formed on the tape-like substrate according to the method described above.
[0026]
In the present invention, a base material on which a metal thin film is formed in advance can also be used. in this case, BasisA temperature gradient is provided so that the metal thin film forms a solid-liquid boundary in a boundary region between a portion of the material covered by the mask and a portion exposed to the environment for crystal growth.Further, the metal thin film can be evaporated at the above-mentioned boundary region of the single crystalline thin film.
[0027]
This temperature gradient is such that the temperature decreases as the mask is provided from the vapor phase for crystal growth, and can be provided, for example, by adjusting the substrate temperature using a heater or cooling means. Such a temperature gradient can promote uniformity of the crystal orientation of the formed thin film.
[0028]
Further, in the present invention, by flowing gas in a direction in which the substrate is relatively moved,TieA gas flow in the same direction as the relative movement direction of the substrate can be applied to a portion sent to the environment for crystal growth.
[0029]
Such a gas flow can be generated, for example, by discharging gas from a slit-shaped hole provided at an end of the mask toward an environment for crystal growth.
[0030]
The directionality of the gas flow depends on the atmosphere for crystal growth, but is preferably maintained within a predetermined range in which crystal growth is performed. By using this gas flow, a single crystal thin film can be grown so that a specific crystal orientation is aligned with the gas flow direction.
[0031]
When a thin film composed of an oxide crystal is to be formed, oxygen gas can be preferably used as a gas.
[0032]
The method for forming a single-crystal thin film of the present invention described above is particularly applied as a method for forming a single-crystal thin film of an oxide superconductor on a substrate. As described above, oxide superconductors include Y-based materials such as Y-Ba-Cu-O, Bi-based materials such as Bi-Sr-Ca-Cu-O, and Tl-Bi-Sr-Ca-Cu-O and the like. Tl type and the like are included.
[0033]
In order to form a single crystalline thin film made of an oxide superconductor according to the present invention, for example, various deposition methods such as reactive deposition, laser ablation, MBE, CVD, ion plating, spray pyrolysis, flash plasma, and the like are used. Can be used.
[0034]
For example, when laser ablation is used to form a single-crystal thin film of an oxide superconductor, a Y-, Bi-, or Tl-based sintered target is irradiated with a laser to generate plasma, and this plasma is masked. By exposing the base material sent from below, a single crystalline thin film made of a superconductor can be formed.
[0035]
Conventionally, for forming a thin film of an oxide superconducting material, MgO, SrTiO3, ZrO2In the present invention, not only these materials but also MgO, SrTiO3And ZrO2Or the like, a yttria-stabilized zirconia sheet, a metal substrate such as a metal tape, or the like.
[0036]
When a single crystalline thin film of an oxide superconductor is formed according to the present invention, the gas flowing in the moving direction of the substrate is preferably oxygen gas as described above. The metal film formed on the base material in advance is preferably made of, for example, silver.
[0037]
[Action]
1 (a) to 1 (c), ThinIt is a perspective view which shows the process of film formation typically.
[0038]
FigureAs shown in FIG. 1A, a base material 1 is sent from one end thereof through a mask 2 to a vapor phase 3 for crystal growth. The direction of sending is the direction of arrow A shown in the figure.
[0039]
On the other hand, the chemical species existing in the gas phase 3 are deposited on the substrate 1 as shown by the arrow B in the figure. As shown in the figure, the chemical species in the gas phase do not adhere to the portion of the substrate 1 covered with the mask 2, while the chemical species adheres to the portion sent out from under the mask 2 into the gas phase. become. As described above, when the substrate 1 is continuously fed in the direction of arrow A, a thin film is continuously formed on the substrate.
[0040]
Next, a process of forming a single-crystal thin film by moving the substrate will be described. First, for the sake of explanation, it is assumed that the base material is sent out from a state in which one end of the base material slightly enters the gas phase. FIG. 1B shows a point in time when the base material is fed out from FIG. 1A. The region indicated by 1a in the substrate 1 is a region where the substrate was exposed to the gas phase before the movement of the substrate and did not undergo the movement from the bottom of the mask to the gas phase.
[0041]
In this region, the thin film formed on the surface of the base material is often in a crystal having a random orientation or in an amorphous state. Even when the thin film has a natural orientation, the crystal of the thin film orients a specific crystal axis in a normal direction on the surface of the substrate, but rarely achieves a specific orientation in the surface of the substrate.
[0042]
On the other hand, in the region that has undergone the movement between the region 1a and the mask 2, crystals having various orientations are formed in the initial portion 1b under the influence of the region that is not moved. Becomes dominant, and a region 1c having the same orientation is formed. In the figure, to schematically show such a state, the distribution state of the crystal orientation is represented by an arrow.
[0043]
This is because a crystal growth end is formed in a boundary region between a portion covered by a mask and a portion exposed to a gas phase in a substrate, and a crystal having the same orientation as the growth end on a substrate newly exposed by movement. Is thought to be due to the tendency to grow. Therefore, if a growth end having a specific crystal orientation can be reliably formed, a thin film having strong single crystallinity can be formed without being greatly affected by the material and crystal orientation of the base material.
[0044]
In this way, when the base material is further moved, a crystal having the same orientation as the region 1c grows further (FIG. 1C). As described above, once the specific oriented grains are formed, regardless of the material and crystal orientation of the base material, the crystal grains having the specific orientation are continuously formed due to the continuous movement of the base material and the effect of the mask. To be formed on the substrate.
[0045]
In the method described above, if a tape-shaped base material is used and the base material is moved from one end of the tape in the longitudinal direction, a single-crystal thin film can be formed in the longitudinal direction of the base material.
[0046]
Also, LesIn a method for forming a thin film mainly composed of crystals having a specific orientation in a continuous region on a substrate from a gas phase using a laser ablation method, the substrate is moved relative to a mask. In performing the crystal growth, the boundary region between the portion covered with the mask and the portion exposed to the environment for crystal growth in the continuous region of the substrate on which the crystal growth is to be performed is 1 cm / min or more in the environment for crystal growth. A thin film with strong single crystallinity, with little effect on the size of the distance between the mask and the substrate, on a substrate that is newly exposed to the environment for crystal growth. Can be formed.
[0047]
This is because the boundary region between the portion covered with the mask during the vapor phase growth and the portion exposed to the environment for crystal growth is sent to the environment for crystal growth at a moving speed of 1 cm / min or more, so that the mask and The time period in which the boundary region comes into contact with molecules and atoms for vapor phase growth entrained in a small space with the substrate is shortened, and the boundary region on the substrate has a sharp crystal having a specific crystal orientation. Since the growing edge of the crystal is more reliably formed, as a result, a crystal grain having a specific crystal orientation is more likely to be formed on the substrate that is newly exposed to the environment for crystal growth. it is conceivable that.
[0048]
According to the above-described method, as shown in the following examples, even when the distance between the mask and the substrate is set to be larger than 3 mm, a single-crystal thin film having a uniform crystal orientation is formed on the substrate. Will be able to
[0049]
As shown in FIG. 2, when a mask 12 having a window 12 a is formed on a base material 11 and vapor deposition or the like is performed on the mask 12, a thin film can be formed only on the window 12 a in the base material 11. . If the base material 11 or the mask 12 is continuously moved in this state, a thin film can be formed in the area 11a (indicated by a dashed line in FIG. 1) in which the window 12a has moved.
[0050]
Also in this case, since the effects of the continuous movement and the mask as described above are provided, a single-crystal thin film can be formed in the region 11a. By using such a mask, a single-crystal thin film can be formed in an arbitrary region on the substrate.
[0051]
Further, as shown in FIG. 3, a substrate 21 on which the metal thin film 20 is formed in advance is used, and a boundary region between a portion of the substrate 21 covered with the mask 22 and a portion exposed to the gas phase 23 (C in FIG. 3). (Shown), a single crystal thin film can be formed by providing a temperature gradient. The temperature gradient can be set, for example, by a heater 24 provided below the base material.
[0052]
The metal thin film has a solid-liquid boundary in the boundary region C due to the set temperature gradient. The state of the solid-liquid boundary is shown in FIG. As shown in the figure, the metal thin film 20 having a predetermined thickness remains in the portion 21a covered by the mask 23, but in the boundary region C, the metal thin film is melted to form a solid-liquid boundary, and at a high temperature. The metal forming the thin film evaporates from the portion.
[0053]
As a result, the film in the boundary region C is eroded, and has a step shape. Such a state can be observed with an electron microscope. For example, when a silver thin film is formed on a substrate, a staircase is formed in a shape corresponding to the contour line of the temperature, and the height of one staircase is about 100 mm and the width of the terrace is about 1000 mm. It became clear by observation.
[0054]
When a mask is provided so that a film formation region is interrupted in a region where a step is formed, that is, a crystal growth end is formed, a chemical species deposited from a gas phase has an orientation at a corner of the step. Nuclei will be generated together. Then, when the base material is continuously moved in the direction of the arrow shown in FIG. 3, the metal thin film always has a step formed in the area where the temperature gradient is provided. And grow. As a result, a single-crystal thin film is continuously formed.
[0055]
As described above, the formation of a thin film having such a temperature gradient is performed when a single-crystal thin film is formed in the longitudinal direction of the tape-shaped base material, or when a mask having a window is provided to an arbitrary region of the base material. It can be applied when forming a crystalline thin film.
[0056]
In the present invention, the base material is moved as described above, and the gas 34 is moved from the end 32a of the mask 32 in the moving direction of the base material 31 (indicated by an arrow D in the figure) as shown in FIG. By flowing, a crystal having a specific orientation can be grown in a region of the base material 31 where the directionality of the gas flow is maintained.
[0057]
It is considered that the region where the direction of the gas flow is maintained is limited to a very narrow range. However, once a thin film having a uniform orientation is formed in this region, the region where the direction of the gas flow is lost (for example, the gas flow direction). Even if the film is formed at a portion remote from the ejection port), the film can be formed according to the orientation of the base film formed according to the gas flow. Therefore, even when a thick film is formed, a crystal having a specific orientation can be grown by aligning the orientation on a base whose orientation is controlled by the gas flow.
[0058]
Thus, the gas flow acts to form crystal nuclei having a specific orientation. If the region covered by the mask is successively exposed to the gas phase by continuously moving the base material, the thin film is grown so that the orientation is aligned with the crystal whose orientation is controlled by the gas flow as described above. Go on. In this manner, a single-crystal thin film having a uniform crystal orientation can be formed on a substrate.
[0059]
As described above, a thin film for generating such a gas flow may be formed by forming a single-crystal thin film in the longitudinal direction of a tape-shaped base material or by providing a mask having a window on an arbitrary region of the base material. It can be applied when forming a crystalline thin film.
[0060]
【Example】
An example1
Using a Ni-Cr alloy tape having a thickness of 0.1 mm and a width of 5 mm as a base material, a mask 42 was fixed on the base material 41 with a gap (d) of 0.1 mm as shown in FIG.
[0061]
In order to form a thin film of yttria-stabilized zirconia on a Ni alloy tape, a reactive vacuum deposition method was used. Oxygen was used as a reaction gas, and the gas pressure was set to 3 mTorr. The temperature of the substrate was set at 750 ° C.
[0062]
As described above, a thin film of yttria-stabilized zirconia was vacuum-deposited while continuously moving the substrate 41 in the direction of arrow E in FIG. 6 at a speed of 2 mm / min.
[0063]
At this time, a non-oriented yttria-stabilized zirconia thin film was formed in a portion up to 5.2 cm from the tape tip, and subsequently in a portion extending 3.8 cm, the (100) axis was oriented perpendicular to the substrate surface. An axis-oriented film was formed, and subsequently, the (010) axis and the (001) axis were strongly oriented in the substrate surface, and a yttria-stabilized zirconia thin film having a uniform orientation within a tilt angle of 5 ° was formed. X-ray diffraction confirmed that this orientation (biaxial orientation) was realized over a length of 3 m.
[0064]
In addition, as long as the conditions for vacuum deposition and the condition for continuous movement of the base material are stable and the mask is fixedly provided, strong biaxial orientation, that is, a monocrystalline thin film Was expected to be obtained.
[0065]
An example2
An exampleUsing the same Ni—Cr alloy tape as in Example 1, a thin film of yttria-stabilized zirconia was formed by laser ablation.
[0066]
Laser ablation is performed as shown in FIG. 7, and a laser 55 is applied to the Y-based sintered body target 54 to generate a plume 56 as shown in FIG. The chemical species in the plume 56 were deposited on the base material 51 which was continuously fed out of the substrate. In laser ablation, the temperature of the substrate was set at 650 to 750 ° C., and the pressure of oxygen gas was set at 30 to 500 mTorr. Further, a KrF excimer laser (wavelength 248 nm) is used as a laser, and the laser energy density is 1.5 to 3.3 J / cm.2And the laser repetition frequency was 1 Hz to 100 Hz. The gap (d) between the substrate 51 and the mask 53 was set to 0.1 mm.
[0067]
As described above, even when laser ablation was used, a yttria-stabilized zirconia thin film having strong single crystallinity could be formed over a length of 2 m from 12.5 cm from the tape-shaped base end.
[0068]
An example3
An exampleFirst, a yttria-stabilized zirconia thin film was formed on the substrate using the same substrate as in Example 1 without a mask. The thin film thus formed stood vertically with the (100) axis and the (111) axis mixed on the surface of the substrate, and exhibited a random orientation in the direction within the substrate surface.
[0069]
Next, on the yttria-stabilized zirconia thin film formed on the base material, a laser ablation method as shown in FIG.1BaTwoCuThreeOXThin filmThe shapeI made it. In the laser ablation method, the pressure of the oxygen gas was set to 200 mTorr, the substrate temperature was set to 700 ° C., and the film formation rate was set to 1.5 μm / min. In addition, laserIs an exampleThe substrate was continuously moved at a speed of 18 mm / min using an excimer laser in1BaTwoCuThreeOXA thin film was continuously formed.
[0070]
The thin film thus formed becomes a c-axis oriented film over the entire length of the tape, and the orientation of the a and b axes becomes strong at 5.6 cm from the leading end of the tape, and the orientation is increased over a length of 1.4 m. It was confirmed that it was within 4 °.
[0071]
An example4
An exampleThe tape-shaped substrate 1m having the yttria-stabilized zirconia thin film having a strong single crystal property prepared in 2 was prepared. Next, the substrate temperature was set to 700 ° C., the oxygen gas pressure was set to 200 mTorr, the film forming speed was set to 1.5 μm / min, and the substrate moving speed was set to 18 mm / min by laser ablation using a mask in the same manner as in Example 3. And Y1 BaTwo CuThree OXA thin film was formed.
[0072]
In this case, a c-axis oriented film having strong single crystallinity was formed at a position 8 mm from the tip of the tape, and the orientation of this film in the in-plane direction of the base material was extremely good, being within 2 °.
[0073]
On the other hand, for comparison, Y without a mask was1Ba2Cu3OXWas formed, but the orientation in the in-plane direction of the substrate was 4 ° or more. It was clarified that a thin film having strong single crystallinity can be obtained by providing a mask and forming a thin film in this manner.
[0074]
An example5
An exampleIn FIG. 4, the gap (d) between the tape-shaped base material and the mask was 0.1 mm. In order to examine the effect of this gap on film formation, the gap value (d) was set between 0.1 mm and 5 mm. Change and other conditionsIs an exampleY in the same way as 41 BaTwo CuThree OXA thin film was formed.
[0075]
As a result, for each value of the gap, a tilt angle indicating the orientation in the in-plane direction of the base material as shown in Table 1 was obtained.
[0076]
[Table 1]
Figure 0003596007
[0077]
As shown in Table 1,This exampleIt was found that if the gap (d) was 3 mm or less, a thin film having strong single crystallinity could be obtained.
[0078]
An example6
Using a Ni-based alloy tape called Hastelloy having a thickness of 0.1 mm and a width of 5 mm as a base material, thin films of yttria-stabilized zirconia and magnesium oxide were individually formed using a laser ablation method as shown in FIG. Was.
[0079]
In the laser ablation method, the substrate temperature was set at 650 to 750 ° C., and the pressure of oxygen gas was set at 30 to 500 mTorr. A KrF excimer laser (wavelength 248 nm) is used as a laser, and the laser energy density is 1.5 to 3.3 J / cm.2And the laser repetition frequency was 1 to 100 Hz. The gap (d) between the substrate 51 and the mask 52 was set to 0.8 mm.
[0080]
This exampleIn order to investigate how the movement speed of the boundary region between the portion covered with the mask 52 of the base material 51 and the portion exposed to the environment for vapor phase growth affects the film formation, The moving speed of the substrate 51 with respect to the substrate was changed in the range of 0.1 to 1.5 cm / min to form a thin film having a thickness of 0.2 μm over the entire substrate.
[0081]
The in-plane orientation of each of the obtained yttria-stabilized zirconia thin film and magnesium oxide thin film was investigated.
[0082]
As a result, in either of the formed thin films, the (100) axis is oriented perpendicular to the tape substrate surface, and the (010) axis is oriented parallel to the substrate surface along the growth edge of the thin film crystal. Was oriented.
[0083]
Further, in order to compare the degree of in-plane (010) orientation in each thin film, a ratio in which the mutual inclination of each crystal grain was within ± 5 ° was obtained. The result is shown in Table 2.
[0084]
[Table 2]
Figure 0003596007
[0085]
As shown in Table 2, the movement speed of the tape substrate with respect to the mask is 1 cm / min or more, that is, the movement of the boundary region between the portion of the substrate covered with the mask and the portion exposed to the environment for vapor phase growth. It has been found that when the speed is 1 cm / min or more, a thin film having good in-plane orientation can be obtained.
[0086]
An example7
An exampleAs in the case of No. 6, a Ni-based alloy tape called Hastelloy having a thickness of 0.1 mm and a width of 5 mm was used as a substrate, and a yttria-stabilized zirconia thin film was first formed on the substrate without providing a mask. The thin film thus formed was one in which the (100) axis and the (111) axis were mixed and stood vertically on the surface of the substrate, and exhibited a random orientation in the direction within the substrate surface.
[0087]
Next, on the yttria-stable zirconia thin film formed on the base material, the laser ablation method as shown in FIG.1BaTwoCuThreeOXThin filmThe shapeI made it. In the laser ablation method, the substrate temperature was set at 700 ° C., and the pressure of oxygen gas was set at 200 mTorr. Further, a KrF excimer laser (wavelength 248 nm) is used as a laser, and the laser energy density is 1.5 to 3.3 J / cm.TwoAnd the laser repetition frequency was 1 to 100 Hz. The gap (d) between the substrate 51 and the mask 52 was set to 1.0 mm.
[0088]
This exampleIn order to investigate how the moving speed of the boundary region between the portion of the base material 51 covered by the mask 52 and the portion exposed to the environment for vapor phase growth affects the film formation, The moving speed of the base material 51 with respect to the range of 0.1 to 2.0 cm / min was changed to form a thin film having a thickness of 1.0 μm over the entire base material.
[0089]
Y obtained1Ba2Cu3OXThe in-plane orientation of the thin film was investigated.
[0090]
As a result, the formed thin film had the c-axis standing perpendicular to the substrate surface, and showed strong orientation of the a-axis and the b-axis along the growth edge of the thin-film crystal.
[0091]
Further, in order to compare the degree of (010) in-plane orientation in the thin film, a ratio in which the inclination of the a-axis of each crystal grain was within ± 5 ° was obtained. The result is shown in Table 3.
[0092]
[Table 3]
Figure 0003596007
[0093]
As shown in Table 3, the moving speed of the tape substrate with respect to the mask is 1 cm / min or more, that is, the boundary region between the portion of the tape substrate covered with the mask and the portion exposed to the environment for vapor phase growth. When the moving speed is 1 cm / min or more, the ratio exceeds 90%, and it is clear that a thin film having good in-plane orientation can be obtained.
[0094]
AboveExampleAs can be seen from FIGS. 6 and 7, the movement speed of the boundary region between the portion of the base material covered with the mask and the portion exposed to the environment for vapor phase growth is set to 1 cm / min or more, whereby the mask and the base material can be separated. It was confirmed that good in-plane orientation could be achieved without setting the interval (d) to 3 mm or less.
[0095]
An example8
Using Ni-Cr alloy tape of thickness 0.1mm and width 5mm as base material, ExampleA thin film of magnesium oxide was formed on a substrate by a reactive vacuum deposition method in the same manufacturing process as in Example 1. In this case, a magnesium oxide thin film having strong single crystallinity was formed at 3.2 cm from the tip of the tape.
[0096]
In the formed thin film, the (100) axis is oriented perpendicular to the tape substrate surface, and the (010) axis is oriented in one direction in a direction parallel to the substrate surface within an angle of 4 °. Was. Also, the (001) axis was oriented to the same degree as the (010) axis.
[0097]
An example9
An exampleBi on the magnesium oxide thin film prepared inTwoSrTwoCaTwoCuThreeOXWas formed by an excimer laser ablation method. The laser ablation method was performed under the conditions of a substrate temperature of 720 ° C., an oxygen gas pressure of 110 mTorr, a continuous moving speed of the substrate of 1.3 mm / min, and a film forming speed of 0.18 μm / min. The obtained thin film was a film having strong single crystallinity at 3.8 cm from the tape tip, was c-axis oriented, and the inclination angles of the a-axis and b-axis were within 3.2 ° over the entire length.
[0098]
An example10
Less thanExample1~ ExampleNo. 9 was for forming a thin film on a tape-shaped base material., ExampleIn No. 10, a single-crystal thin film was formed in a predetermined region on the substrate using the mask having the above-described window.
[0099]
A sintered sheet (50 × 50 mm) of yttria-stabilized zirconia was used as a base material, and a stainless steel mask (150 × 150 mm) having a 10 × 10 mm square window was used as a mask. Under the same film forming conditions as in Example 3, the gap between the mask and the base material was set to 0.2 mm, and the mask was continuously moved as shown in FIG.1Ba2Cu3OXA thin film was formed.
[0100]
In the film thus formed, it was found that the a and b axes are oriented at an inclination angle of 3 ° or less. On the other hand, since the zirconia base material is a polycrystalline material, when a thin film was formed on the base material without using a mask, a film in which only the c axis was oriented was obtained, and the a and b axes were not oriented. .
[0101]
Example1
As the base material, a yttria-stabilized zirconia thin film was formed on a Ni-Cr alloy tape having a thickness of 0.1 mm and a width of 5 mm, and a silver thin film having a thickness of 0.3 µm was further formed thereon.
[0102]
On the substrate on which the silver thin film was formed in this manner, Y was formed as shown in FIG.1Ba2Cu3OXThin films were formed by excimer laser ablation. As shown in the figure, in a region where the base material 61 having the silver thin film 60 is exposed to the environment for forming the thin film, a region (indicated by F in the drawing) up to 1 mm from the tip of the mask 62 is maintained at 700 ° C. Was. On the other hand, a temperature gradient of 30 ° C./mm was set from 1 mm from the tip of the mask 62. In such a temperature environment, the silver thin film forms a solid-liquid boundary as described above, and as shown in FIG. 4 in the boundary region between the portion of the substrate covered with the mask and the portion exposed to the environment in which the thin film is formed. It had a step shape.
[0103]
An exampleA Y-type sintered body was used as the target 64 in the same manner as in Example 2, and a plume 66 was generated by irradiating the target 64 with an excimer laser 65, and the chemical species in the plume 66 were deposited on the substrate 61. The moving speed of the substrate 61 was set to 5 mm / min, and the film forming speed was set to 0.41 μm / min.
[0104]
The Y thus formed1Ba2Cu3OXThe a-axis and b-axis of the film began to be aligned in the in-plane direction of the substrate from 3.5 cm from the tape tip, and it was confirmed that the inclination angle was within 4 ° over a length of 2 m.
[0105]
Example2
An exampleSimilarly to 8, a thin film of magnesium oxide was first formed on a Ni-Cr alloy tape (thickness 0.1 mm, width 5 mm). Next, the example was performed on an alloy tape on which magnesium oxide was formed.1In the same manner as in the above, a silver thin film was formed with a thickness of 0.3 μm.
[0106]
Next, the embodiment1In a process using a mask in the same manner as inTwoSrTwoCaTwoCuThreeOXWas deposited on the magnesium oxide thin film formed on the substrate. Bi formedTwoSrTwoCaTwoCuThreeOXThe a and b axes of the thin film began to be aligned within 4 cm from the tape tip in the plane of the base material, and the inclination angle was within 5 ° over a length of 2 m.
[0107]
Example3
By using a sintered substrate of magnesium oxide (size 50 × 50 × 0.5 mm) and moving it from the bottom of the mask 72 of the substrate 71 in the direction of the arrow as shown in FIG.1BaTwoCuThreeOXWas formed. In forming the thin film, a silver film having a thickness of 0.5 μm was previously formed on the substrate. The temperature distribution and the position of the mask with respect to the temperature distribution1The settings were the same as in. Example1Under the same film forming conditions and moving conditions as those of1BaTwoCuThreeOXA thin film was formed. In the obtained thin film, the a and b axes were aligned in the substrate surface over the entire surface of the substrate, and the inclination angle was within 3 °.
[0108]
Example4
As shown in FIG. 10, a mask 82 connected to a pipe 85 and having a slit 82a formed at a tip was provided on a substrate 81 made of a Ni—Cr alloy (thickness 0.1 mm, width 10 mm). The inside of the mask 82 is hollow, and the gas supplied from the pipe 85 is ejected from the slit 82a. The height of the slit was 0.2 mm and the width was 10 mm, which was the same as that of the tape-shaped substrate.
[0109]
Using the mask having the slits as described above, the yttria-stabilized zirconia thin film was deposited by the vacuum deposition method while continuously moving the substrate in the same manner as in the above-described embodiment. In the film formation, oxygen gas was flowed from the slit 82a at a flow rate of 2 cc / min in the same direction as the moving direction of the substrate. The gas pressure in the film forming chamber was set at 4 mTorr. Furthermore, the substrate temperature was set to 780 ° C., and the film was formed at a speed of 0.05 μm / min while moving the substrate in the direction of the arrow shown in FIG. 10 at a speed of 4 mm / min.
[0110]
As a result of forming a thin film as described above, the film becomes (001) oriented (perpendicular to the tape surface) over a total length of 1.8 m from 2.8 cm from the tip of the tape, and (110) in the gas flow direction on the tape. An oriented yttria-stabilized zirconia thin film was obtained. The yttria-stabilized zirconia thin film axially oriented in this way can be said to be a single crystal thin film.
[0111]
Example5
Example4Using the same tape-shaped substrate as in Example 1, a yttria-stabilized zirconia thin film having no orientation was formed in advance over the substrate over a length of 1.5 m without using a mask. Next, on the thin film thus formed, Y1BaTwoCuThreeOXWas formed as shown in FIG. In forming the thin film, the substrate temperature was set at 700 ° C., the flow rate of oxygen flowing from the slit was set at 20 sccm, and the gas pressure of the film formation chamber was set at 150 mTorr. The tape-shaped substrate was formed by excimer laser ablation at a rate of 2.5 cm / min.
[0112]
Y formed under the above conditions1Ba2Cu3OXThe thin film showed c-axis orientation up to 25 mm from the tape tip, but was non-oriented with respect to the a and b axes in the tape plane direction. However, a thin film was obtained in which the a and b axes were aligned with the direction of the gas flowing in a specific direction over the entire length from 25 mm to 1.475 m, and the inclination angle was within 3 ° over the entire length.
[0113]
Example6
Example4In the same manner as in the above, a thin film of magnesium oxide was formed on the Ni alloy tape. At this time, a magnesium oxide thin film having a (001) orientation (perpendicular to the tape surface) and a (100) orientation in the gas flow direction was obtained over a total length of 1.8 m from 2.8 cm from the tip of the tape.
[0114]
Example7
Example4First, a magnesium oxide thin film having no orientation was formed thereon by a usual vacuum evaporation method using the same tape-shaped substrate as that described above.
[0115]
Next, as shown in FIG. 10, under the conditions of a substrate temperature of 720 ° C., an oxygen flow rate of 30 sccm, and a gas pressure of 110 mTorr, a Bi layer was formed on the magnesium oxide thin film by excimer laser ablation.2Sr2Ca2Cu3OXA thin film was formed. In forming the thin film, the tape moving speed was set at 1.8 cm / min, and the film forming speed was set at 1.1 μm / min.
[0116]
In the thin film formed as described above, the portion from the tape tip to 3.2 cm showed c-axis orientation (perpendicular to the substrate surface), but the orientation (a and b axes) was random in the tape surface direction. there were. However, the film formed in a portion extending from 3.2 cm from the tape tip to 1.2 m in length shows the c-axis orientation and the orientations where the a and b axes coincide with the gas flow direction, and the inclination angle is within 4 °. Was constant.
[0117]
Example8
A 50 × 50 mm polycrystalline magnesium oxide sintered body was used as a substrate, and Y was formed by vacuum evaporation while covering the substrate with a mask having a gas nozzle having a slit width of 50 mm.1BaTwoCuThreeOXA thin film was formed. The thin film was formed under the conditions of a substrate temperature of 700 ° C., an oxygen gas flow rate of 10 sccm, a gas pressure of 10 mTorr, a film forming speed of 0.05 μm / min, and a substrate moving speed of 0.5 mm / min.
[0118]
The film thus formed had a strong single crystallinity in which the a, b, and c axes were aligned in a 30 × 50 mm region of a 50 × 50 mm region.
[0119]
Example9
In the present invention, in order to confirm the effect of oxygen gas flowing in a specific direction from the nozzle, when oxygen gas is flowed in one direction using a gas nozzle and when oxygen gas is supplied without using a gas nozzle, Conditions are examples5An experiment was performed in the same manner as described above. Table 4 shows the results of experiments performed five times each in the case where oxygen gas was used in a predetermined direction using a gas nozzle and in the case where oxygen gas was supplied in an arbitrary direction without using a gas nozzle.
[0120]
[Table 4]
Figure 0003596007
[0121]
Comparing the experimental results, it is clear that by flowing oxygen gas in one direction using a gas nozzle, the inclination angles of the a and b axes are reduced and the obtained thin film has increased single crystallinity. In addition, by flowing oxygen gas in one direction, the critical current density could be increased 2 to 5 times as compared with the case where the gas nozzle was not used, and a further effect by the gas nozzle flow was confirmed.
[0122]
In addition, when the gas nozzle is used in Table 4, the average azimuths of the a and b axes almost coincide with the direction of the gas supplied from the gas nozzle, that is, the longitudinal direction of the tape, whereas when the gas nozzle is not used, The average orientation of the a, b and b axes hardly correlated with the longitudinal direction of the tape. As described above, when a gas flow in a specific direction is used in the present invention, not only can a single-crystal thin film be formed, but also the crystal orientation of the single-crystal thin film can be controlled.
[0123]
Has been shown aboveExamples andIn the embodiment, the base material on which the thin film made of the superconductor having a strong single crystal property is formed can be used as a superconducting wire as it is. Polycrystalline oxide superconducting materials have the major problem of blocking current due to their grain boundaries, but films with strong single crystallinity have greater current carrying capacity due to fewer grain boundaries .
[0124]
For example, ExampleThe critical current densities of the superconducting thin films formed in 3, 4 and 9 were 7.8 × 10 3 at 77.3K, respectively.Five A / cmTwo , 1.95 × 106A / cmTwo 3.9 × 10Five A / cmTwo Met. Also, the embodiment1and2The critical current density of the superconducting thin film formed at 1.73 × 10 was 1.70 × 106A / cmTwo , 7.5 × 10Five A / cmTwo Met. Further, the embodiment5and7The critical current density of the superconducting thin film formed at 1.73 × 10 was 1.28 × 106A / cmTwo , 7.9 × 10Five A / cmTwoMet. These values are one to two orders of magnitude larger than the critical current density of the polycrystalline superconducting thin film.
[0125]
further, Example10,Example 3and8As described above, according to the present invention, a single-crystal thin film can be easily formed in a region having a large area.
[0126]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, it is possible to form a thin film having strong single crystallinity in a desired region on a substrate, without depending on the material, crystallinity, and the like of the substrate. According to the present invention, a single-crystal thin film can be formed on a base material having a desired shape at a lower cost, instead of a conventionally used single-crystal substrate.
[0127]
From the above-described characteristics, the present invention is extremely useful as a technique for forming a thin film on a high-temperature superconductor such as a Y-based, Bi-based, or Tl-based oxide. For example, when a superconducting thin film having strong single crystallinity is formed on a tape-shaped metal substrate according to the present invention, a superconducting wire having a high critical current density can be obtained as described above.
[0128]
Further, according to the present invention, since a single-crystal thin film can be easily formed in an arbitrary region on a substrate, particularly in a region having a large area, a thin film effective as a magnetic shield or a high-frequency component can be easily formed. Obtainable.
[0129]
Further, the present invention is effective for forming a thin film of a superconducting device using, for example, Josephson coupling. For example, a monocrystalline thin film can be formed on a tape-shaped substrate or a wafer having a large area according to the present invention. Since the present invention is capable of forming a single-crystal thin film of a superconductor in an arbitrary region on the substrate as described above or in a region having a larger area on the substrate, the superconductor thin film according to the present invention If a chip is obtained by cutting the substrate on which is formed, a large amount of superconducting devices can be efficiently produced.
[Brief description of the drawings]
FIG.ThinIt is a perspective view which shows an example of a film formation process typically.
FIG. 2ThinIt is a top view which shows the other example of a film formation process.
FIG. 3 is a schematic view showing a process for forming a single-crystal thin film on a substrate on which a metal thin film has been formed in advance according to the present invention.
FIG. 4 is an enlarged cross-sectional view showing a state of a metal thin film formed on a base material in the process shown in FIG.
FIG. 5 is a perspective view for explaining a process of forming a single-crystal thin film while flowing gas in a predetermined direction in the present invention.
FIG. 6An example1 is a cross-sectional view illustrating a process for forming a single-crystal thin film in FIG.
FIG. 7An exampleFIG. 2 is a schematic diagram showing a state where a single crystal thin film is formed by laser ablation in FIG.
FIG. 8 shows an embodiment according to the present invention.1FIG. 3 is a schematic view showing a state in which a single-crystal thin film is formed in FIG.
FIG. 9 shows an embodiment according to the invention.35 is a plan view for illustrating a process of forming a single-crystal thin film in FIG.
FIG. 10 shows an embodiment according to the present invention.4FIG. 3 is a perspective view for illustrating a formation process of a single-crystal thin film.
[Explanation of symbols]
1, 11, 21, 31, 41, 51, 61, 81 Base material
2, 12, 22, 32, 42, 52, 62, 72, 82 Mask
3 gas phase
20 Metal thin film
54, 64 targets
55, 65 laser
56, 66 plume
60 silver coating
71 Substrate
83a slit
84 Oxygen gas
85 Piping

Claims (4)

基材上の連続する領域に特定の方位を有する結晶から主として構成される薄膜を気相より形成するための方法であって、該基材には金属薄膜が予め形成されており、
前記気相中の化学種が前記基材に付着することを防止するようにマスクを設ける工程と
前記基材を前記マスクに対して相対的に移動させていくことにより、結晶成長させるべき前記基材の連続する領域で前記マスクに覆われていた部分が結晶成長のための環境に連続的に送り出される工程であって、該マスクで覆われる部分と結晶成長のための環境にさらされる部分との境界領域において、前記基材上の金属薄膜が固液界面を形成するように温度調節機構により温度勾配が設けられている、工程と、
前記温度勾配により前記境界領域における前記基材上の金属薄膜が蒸発する工程と、
前記気相中の化学種が、蒸発残部としての金属薄膜先端部の角に方位を揃えて核発生し結晶成長する工程と、を包含する、単結晶性薄膜の形成方法。
A method for forming a thin film mainly composed of crystals having a specific orientation in a continuous region on a substrate from a gas phase, wherein a metal thin film is formed on the substrate in advance,
A step of Ru provided a mask so as to prevent the chemical species of the gas phase from adhering to the substrate,
Continuous said substrate by going moved relative to the mask, in the contiguous area of the substrate to be grown, the portion covered with the mask in the environment for crystal growth a manner the delivered Ru process, in the boundary region between the portion which is exposed to the environment for the partial crystal growth covered by the mask, so that the metal thin film on said substrate to form a solid-liquid interface temperature A process in which a temperature gradient is provided by an adjusting mechanism,
Evaporating the metal thin film on the substrate in the boundary region by the temperature gradient,
A method of forming a single-crystal thin film, wherein the chemical species in the gaseous phase are aligned and aligned with the corner of the tip of the metal thin film as a residue of evaporation to grow a crystal.
基材上の連続する領域に特定の方位を有する結晶から主として構成される薄膜を気相より形成するための方法であって、
前記気相中の化学種が前記基材に付着することを防止するようにマスクを設ける工程と
前記基材を前記マスクに対して相対的に移動させていくことにより、結晶成長させるべき前記基材の連続する領域で前記マスクに覆われていた部分が結晶成長のための環境に連続的に送り出される工程と
前記基材が相対的に移動される方向にガスを流すことにより、前記結晶成長のための環境に送り出された前記基材上の部分に、前記基材の相対的移動方向と同方向のガス流を与える工程と
前記化学種が前記ガス流中のガスと反応して特定の方位で前記基板上に結晶が成長する工程と、を包含する、単結晶性薄膜の形成方法。
A method for forming a thin film mainly composed of crystals having a specific orientation in a continuous region on a substrate from a gas phase,
A step of Ru provided a mask so as to prevent the chemical species of the gas phase from adhering to the substrate,
Continuous said substrate by going moved relative to the mask, in the contiguous area of the substrate to be grown, the portion covered with the mask in the environment for crystal growth a step of Ru is to sent out,
By flowing a gas in a direction in which the base material is relatively moved , a portion of the base material sent to the environment for crystal growth has a gas in the same direction as the relative movement direction of the base material. and the step of providing a flow,
A method in which the chemical species reacts with a gas in the gas flow to grow a crystal on the substrate in a specific orientation .
前記気相中の化学種が、前記結晶成長のための環境に送り出された前記基材上において、レーザアブレーション法により結晶成長され、さらに、前記基材を前記マスクに対して相対的に移動させていくに際して、前記結晶成長させるべき前記基材の連続する領域で、前記マスクで覆われる部分と結晶成長のための環境にさらされる部分との境界領域が、前記結晶成長のための環境に1cm/分以上の移動速度で送り出されていくことを特徴とする、請求項1または2に記載の単結晶性薄膜の形成方法。 The chemical species in the gas phase are crystal-grown by the laser ablation method on the substrate sent to the environment for crystal growth, and further move the substrate relative to the mask. In the process, the boundary region between the portion covered with the mask and the portion exposed to the environment for crystal growth in a continuous region of the base material on which the crystal is to be grown is 1 cm in the environment for crystal growth. 3. The method for forming a single-crystal thin film according to claim 1, wherein the film is fed at a moving speed of not less than / min . 前記単結晶性薄膜が酸化物超電導材料より形成される、請求項1〜3のいずれかに記載の単結晶性薄膜の形成方法。 The method for forming a single-crystal thin film according to claim 1 , wherein the single-crystal thin film is formed from an oxide superconducting material .
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