JP3877903B2 - 薄膜の形成方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザ光をターゲットに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、基材上に該構成粒子を堆積させることにより酸化物超電導体等の薄膜を形成する薄膜の形成方法に係わり、特に、ターゲットの寿命を延ばすことができ、高特性の薄膜を長尺にわたり均一に形成できる薄膜の形成方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
酸化物超電導体を導電体として使用するためには、テープ状などの長尺の基材上に、結晶配向性の良好な酸化物超電導体の薄膜を形成する必要があるが、一般には、金属テープ自体が多結晶体でその結晶構造も酸化物超電導体と大きく異なるために、結晶配向性の良好な酸化物超電導体の薄膜を形成させることはできなかった。
そこで本発明者らは、ハステロイテープなどの金属テープからなる基材１の上に結晶配向性に優れたイットリウム安定化ジルコニア（ＹＳＺ）などの多結晶中間薄膜を形成し、この多結晶中間薄膜上に、酸化物超電導体の中でも臨界温度が約９０Ｋであり、液体窒素（７７Ｋ）中で用いることができる安定性に優れたＹ1Ｂａ2Ｃｕ3Ｏx系の酸化物超電導体の薄膜を形成することで超電導特性の優れた酸化物超電導導体を製造する試みが行なわれており、本発明者らは先に、特願平３ー１２６８３６号、特願平３ー１２６８３７号、特願平３ー２０５５５１号、特願平４ー１３４４３号、特願平４ー２９３４６４号などにおいて特許出願を行なっている。
【０００３】
これらの特許出願に記載された技術おいては、Ｙ1Ｂａ2Ｃｕ3Ｏx系の酸化物超電導体の薄膜を形成させるために、レーザ蒸着法による薄膜の形成方法が採用されている。
図１２は、従来のレーザ蒸着法により酸化物超電導体の薄膜を形成するためのレーザ蒸着装置の一例を示す。
この例のレーザ蒸着装置１１は、処理容器１２を有し、この処理容器１２の内部の蒸着処理室１３に、薄膜積層体１４と、ターゲット１５とを設置できるようになっている。即ち、蒸着処理室１３の底部には基台１６が設けられ、この基台１６の上面に基材上に多結晶中間薄膜を形成してなる薄膜積層体１４を設置できるようになっているとともに、基台１６の斜め上方に支持ホルダ１７によって支持された酸化物超電導体のターゲット１５が設けられている。
また、図中符号１８は薄膜積層体１４の送出装置、１９は薄膜積層体１４の巻取装置を示す。
【０００４】
また、処理容器１２は、排気孔２０を介して真空排気装置２１に接続されて蒸着処理室１３を所定の圧力に減圧できるようになっている。
ターゲット１５としては、成膜しようとする酸化物超電導体の組成と同等か近似する組成のものであって、酸化物超電導体の焼結体等が用いられている。また、ターゲット１５の形状としては、図１３に示すような円形状のものや、あるいは図１４に示すような方形状（図面では長方形状）のものが用いられていた。このターゲット１５は、後述するレーザ光３０が所定の角度で照射されて、このレーザ光３０によって叩き出されるターゲット１５の構成粒子が薄膜積層体１４上に均一に堆積できるように所定の角度で傾斜した状態で設けられている。
基台１６は加熱ヒータを内蔵したもので、薄膜積層体１４を必要に応じて加熱できるようになっている。
一方、処理容器１２の側方には、レーザ発光装置２２と第１反射鏡２３と集光レンズ２４と第２反射鏡２５とが設けられ、レーザ発光装置２２が発生させたレーザ光３０を処理容器１２の側壁に取り付けられた透明窓２６を介してターゲット１５に集光照射できるようになっている。
【０００５】
上述のような構成のレーザ蒸着装置１１を用いて薄膜積層体１４上にＹ1Ｂａ2Ｃｕ3ＯXの酸化物超電導体の薄膜を成膜するには、薄膜積層体１４をこの多結晶中間薄膜側を上にして基台１６上に設置し、酸化物超電導体のターゲット１５としてＹ1Ｂａ2Ｃｕ3ＯXのターゲットを設置し、蒸着処理室１３を真空排気装置２１で減圧する。ついで、送出装置１８から薄膜積層体１４を送り出しつつ、エキシマレーザ等のレーザ光３０の照射位置を酸化物超電導体のターゲット１５の表面上で移動させることで走査しながら、ターゲットの構成粒子を叩き出し若しくは蒸発させて、多結晶中間薄膜上に上記構成粒子を堆積させる。多結晶中間薄膜は、その結晶粒が予めｃ軸配向し、ａ軸とｂ軸でも配向するようにイオンビームアシスト法により形成されているので、酸化物超電導体の薄膜の結晶のｃ軸とａ軸とｂ軸も多結晶中間薄膜の結晶に整合するようにエピタキシャル成長して結晶化する。これにより結晶配向性を制御したＹ1Ｂａ2Ｃｕ3ＯXの酸化物超電導体の薄膜が得られる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、従来のレーザ蒸着法による薄膜の形成方法においては、以下のようにターゲット１５表面に照射するレーザ光３０の照射位置を移動させている。
ターゲット１５が図１３に示したような円形状である場合には、レーザ光３０をターゲット１５の円周１５ａに沿って、徐々にターゲット１５ａの中心に向けて回転するように移動させる。このようにするとレーザ光３０の往路の軌跡は図１３の一点鎖線で示されるような軌跡３１となる。そして、レーザ光３０がターゲット１５の中心に到達したならば、上記往路と同じ経路を逆方向に移動させると、レーザ光３０は徐々にターゲット１５の外方に向けて回転するように移動する。さらに、上述のようにレーザ光３０をターゲット１５の円周１５ａ側から中心、中心から円周１５側に向けて回転するように移動させる動作を複数回繰り返す。従って、ターゲット１５が円形状である場合には、レーザ光３０は、ターゲット１５上の軌跡３１で示されるような同一のスパイラル状の経路に沿って複数回往復移動していることになる。
【０００７】
ターゲット１５が図１４に示したような方形状である場合には、レーザ光３０をターゲット１５のコーナＡ近傍からスタートさせ、短辺１５ｂに沿って移動（Ｘ移動）させ、次にターゲット１５の長辺１５ｃに沿ってわずかに移動（Ｙ移動）させる動作を繰り返す移動方法（Ｘ−Ｙ移動方法）によりコーナＡに隣接するコーナＤ近傍まで到達させる。このようにするとレーザ光３０の往路の軌跡は、図１４の一点鎖線で示されるような軌跡３２となる。そして、レーザ光３０がコーナＤ近傍まで到達したならば、上記往路と同じ経路を逆方向に移動させる。さらに、上述のようにレーザ光３０をターゲット１５の一つのコーナＡ近傍からこれと隣接するコーナＤ近傍までと、コーナＤ近傍からこれと隣接するコーナＡまでＸＹ移動させる動作を複数回繰り返す。従って、ターゲット１５が方形状である場合には、レーザ光３０は、ターゲット１５上の軌跡３２で示されるような同一のミアンダ状の経路に沿って複数回往復移動していることになる。
【０００８】
しかしながら従来の薄膜の形成方法においては、上述のようにレーザ光３０をターゲット１５の表面上の同一経路に沿って往復移動させることにより走査するため、長時間成膜を行うと、ターゲット１５から叩き出された構成粒子の飛行する方向が偏ってしまい構成粒子を薄膜積層体１４上に均一に堆積させることができず、得られる薄膜の厚みや膜質や結晶配向性にバラツキが生じてしまい、臨界電流密度等の超電導特性が低下してしまう。それは、ターゲット１５に対して斜め方向からレーザ光３０を照射しているため、レーザ光３０を繰り返し照射すると、ターゲット１５表面が一方向だけ深く削られてしまい、図１５に示すような底部に凹凸を有する溝３３ができてしまう。このように一方向だけ深く削られたターゲット１５にレーザ光３０を照射すると、先に述べたようにターゲット１５が所定の角度で傾斜して配置されていても、レーザ光３０は溝３３内の凹凸部分にあたって偏心してしまうため、偏心したレーザ光３０により叩き出された構成粒子は薄膜積層体１４上に均一に堆積しない。
従って、従来のレーザ蒸着法による薄膜の形成方法では、上述のようなレーザ光の偏心が起こることにより、超電導特性が優れた酸化物超電導体の薄膜を長尺にわたり均一に形成できないという問題があった。また、レーザ光の偏心が起こると、未だ酸化物超電導体の焼結体が残存していても、ターゲットは寿命となり、ターゲットを有効に利用できないという課題があった。
【０００９】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、ターゲットが一方向だけ深く削られることを防止して、ターゲットの寿命を延ばすことができ、高特性の薄膜を長尺にわたり均一に形成できる薄膜の形成方法を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、以下の構成を採用した。請求項１記載の薄膜の形成方法は、レーザ光をターゲットに照射し、前記ターゲットに沿ってレーザ光を複数回走査して、ターゲットの構成粒子を叩き出し若しくは蒸発させて、基材上に前記構成粒子を堆積させることにより薄膜を形成する薄膜の形成方法であって、レーザ光の照射位置を上記ターゲットの表面上で移動させるレーザ光の走査を行いながらレーザ光をターゲットに対して斜め方向から照射してレーザ蒸着するにあたり、前記ターゲットを前面側に支持する支持ホルダを用い、該支持ホルダの裏面側に立設したシャフトを利用して前記シャフトの軸周りに前記シャフトともに前記ターゲットを回転させて前回のレーザ光の走査と今回のレーザ光の走査において前記レーザ光により前記ターゲットを彫り込む方向を変更して前記ターゲットの彫り込み方向の異なるターゲットの構成粒子が叩き出されるか蒸発されるようにすることを特徴とする。
【００１１】
また、請求項２記載の薄膜の形成方法は、レーザ光をターゲットに照射し、前記ターゲットに沿ってレーザ光を複数回走査して、ターゲットの構成粒子を叩き出し若しくは蒸発させて、基材上に前記構成粒子を堆積させることにより薄膜を形成する薄膜の形成方法であって、レーザ光の照射位置を上記ターゲットの表面上で移動させるレーザ光の走査を行いながらレーザ光をターゲットに対して斜め方向から照射してレーザ蒸着するにあたり、前記ターゲットを前面側に支持する支持ホルダを用い、該支持ホルダの裏面側に立設したシャフトを利用して前記シャフトの軸周りに前記シャフトとともに前記ターゲットを回転させる操作を前記ターゲットの一方の端部から他方の端部まで前記レーザ光を一端走査した後に行い、前回の前記ターゲットの一方の端部から他方の端部まで一端走査する際の前記ターゲットの彫り込み方向と、今回の前記ターゲットの他方の端部から一方の端部まで一端走査する際の前記ターゲットの彫り込み方向とを変更し、前記ターゲットの彫り込み方向の異なるターゲットの構成粒子が叩き出されるか蒸発されるようにすることを特徴とする。
【００１２】
また、請求項３記載の薄膜の形成方法は、請求項１又は２記載の薄膜の形成方法において、上記ターゲットとして方形板状のものを用いることを特徴とする。
また、請求項４記載の薄膜の形成方法は、請求項１乃至３のいずれかに記載の薄膜の形成方法において、上記ターゲットの回転角度が１８０゜であることを特徴とする。
また 請求項５記載の薄膜の形成方法は、請求項１乃至３のいずれかに記載の薄膜の形成方法において、ターゲットの回転角度が９０゜であることを特徴とする。
また、請求項６記載の薄膜の形成方法は、請求項１乃至５のいずれかに記載の薄膜の形成方法において、上記ターゲットとして、複数枚のターゲットが並べられてなるものを用いることを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。なお、以下に述べる実施の形態では、本発明を酸化物超電導体の薄膜の形成方法に適用した場合について説明する。
図１は、本実施形態の酸化物超電導体の薄膜の形成方法により得られた酸化物超電導導体を示す斜視断面図である。
この酸化物超電導導体４は、薄膜積層体１４上に酸化物超電導体の薄膜３を形成してなるものである。薄膜積層体１４は、ハステロイ等の金属テープ状の基材１上にイオンビームアシストスパッタリング法等によってＹＳＺの多結晶中間薄膜２を形成してなるものである。
【００１４】
基材１の構成材料としては、ステンレス鋼、銅、または、ハステロイなどのニッケル合金などの合金各種金属材料から適宜選択される長尺の金属テープを用いることができる。この基材１の厚みは、０．０１〜０．５ｍｍ、好ましくは０．０２〜０．１５ｍｍとされる。基材１の厚みが０．５ｍｍ以上では、後述する酸化物超電導体の薄膜３の膜厚に比べて厚く、オーバーオール（酸化物超電導導体全断面積）あたりの臨界電流密度としては低下してしまう。一方、基材１の厚みが０．０１ｍｍ未満では、著しく基材１の強度が低下し、酸化物超電導導体４の補強効果を消失してしまう。
【００１５】
多結晶中間薄膜２は、立方晶系の結晶構造を有する結晶の集合した微細な結晶粒が多数相互に結晶粒界を介して接合一体化されてなるものであり、各結晶粒の結晶軸のｃ軸は基材１の上面（成膜面）に対してほぼ直角に向けられ、各結晶粒の結晶軸のａ軸どうしおよびｂ軸どうしは、互いに同一方向に向けられて面内配向されている。多結晶中間薄膜２の厚みは、０．１〜１．０μｍとされる。多結晶中間薄膜２の厚みを１．０μｍを超えて厚くしてももはや効果の増大は期待できず、経済的にも不利となる。一方、多結晶中間薄膜２の厚みが０．１μｍ未満であると、薄すぎて酸化物超電導体の薄膜３を十分支持できない恐れがある。この多結晶中間薄膜２の構成材料としてはＹＳＺの他に、ＭｇＯ、ＳｒＴｉＯ3等を用いることができる。
【００１６】
酸化物超電導体の薄膜３は、Ｙ1Ｂa2Ｃｕ3Ｏx、Ｙ2Ｂa4Ｃｕ8Ｏx、Ｙ3Ｂa3Ｃｕ6Ｏxなる組成、（Ｂｉ,Ｐｂ）2Ｃａ2Ｓｒ2Ｃｕ3Ｏx、（Ｂｉ,Ｐｂ）2Ｃａ2Ｓｒ3Ｃｕ4Ｏxなる組成、あるいはＴｌ2Ｂａ2Ｃａ2Ｃｕ3Ｏx、Ｔｌ1Ｂａ2Ｃａ2Ｃｕ3Ｏx、Ｔｌ1Ｂａ2Ｃａ3Ｃｕ4Ｏxなる組成などに代表される臨界温度の高い酸化物超電導体からなるものである。
この薄膜３の厚みは、０．５〜５μｍ程度で、かつ均一な厚みとなっている。
また、薄膜３の膜質は均一となっており、薄膜３の結晶のｃ軸とａ軸とｂ軸も多結晶中間薄膜２の結晶に整合するようにエピタキシャル成長して結晶化しており、結晶配向性が優れたものとなっている。
【００１７】
図２は、図１に示した酸化物超電導体の薄膜３を形成するためのレーザ蒸着装置の一例を示す図である。
この例のレーザ蒸着装置４１が、図１２に示した従来の酸化物超電導体の薄膜３の形成方法に用いられるレーザ蒸着装置１１と異なるところは、酸化物超電導体のターゲット１５を支持する支持ホルダとして図２に示すような支持ホルダ３７が備えられた点である。
【００１８】
支持ホルダ３７に取り付けられるターゲット１５としては、形成しようとする酸化物超電導体の薄膜３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体からなっている。従って、酸化物超電導体のターゲット１５は、
Ｙ1Ｂa2Ｃｕ3Ｏx、Ｙ2Ｂa4Ｃｕ8Ｏx、Ｙ3Ｂa3Ｃｕ6Ｏxなる組成、
（Ｂｉ,Ｐｂ）2Ｃａ2Ｓｒ2Ｃｕ3Ｏx、（Ｂｉ,Ｐｂ）2Ｃａ2Ｓｒ3Ｃｕ4Ｏxなる組成、あるいはＴｌ2Ｂａ2Ｃａ2Ｃｕ3Ｏx、Ｔｌ1Ｂａ2Ｃａ2Ｃｕ3Ｏx、
Ｔｌ1Ｂａ2Ｃａ3Ｃｕ4Ｏxなる組成などに代表される臨界温度の高い酸化物超電 導体の薄膜３を形成するために使用するので、これ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。
また、ターゲット１５の形状としては、長方形板状や正方形板状などの方形板状のものが用いられる。
レーザ発光装置２２としては、ターゲット１５から構成粒子を叩き出すことができるレーザ光３０を発生するものであれば、ＹＡＧレーザ、ＣＯ2レーザ、エキシマレーザなどのいずれのものを用いても良い。
【００１９】
レーザの照射出力の調整は、レーザ発光装置２２に電力を供給する増幅装置（図示せず）の出力を調整することにより行うことができる。
また、レーザの照射周波数は、１秒間当たりに間欠的に発振されるレーザのパルスの数を示すものであり、この調整は、レーザ発光装置２２に電力を一定の周波数をもって間欠的に供給するか、レーザ光が通過する経路のどこかに、回転セクタ等の機械的シャッタを設け、この機械的シャッタを一定の周波数をもって作動させることにより、調整することができる。
【００２０】
支持ホルダ３７は、ターゲット１５を支持する支持部３８と、該支持部３８の底部に取り付けられたホルダ回転用シャフト３９と、該ホルダ回転用シャフト３９の端部に設けられたシャフト駆動源（図示略）から概略構成されてなるものである。この支持ホルダ３７は、上記シャフト駆動源の作動により、シャフト３９が回転して支持部３８が回転するようになっているので、この支持部３８に支持されたターゲット１５も支持部３８の回転と共に回転するようになっている。従って、このような構成の支持ホルダ３７によれば、レーザ光３０の照射位置をターゲット１の表面上で移動させるレーザ光の走査を行いながらレーザ光をターゲットに照射してレーザ蒸着する際に、上記シャフト駆動源によりホルダ回転用シャフト３９の回転角度を調整することにより、ターゲット１５の回転角度を調整し、異なる方向のターゲット１５の構成粒子が叩き出されるようにすることが可能である。
【００２１】
次に、図２に示したレーザ蒸着装置４１を用いて薄膜積層体１４の上にＹ1Ｂａ2Ｃｕ3ＯXの酸化物超電導体の薄膜３を形成する方法の第一の実施形態について説明する。
ＹＳＺの多結晶中間薄膜２が形成された薄膜積層体１４をこの多結晶中間薄膜２側を上にして基台１６上に設置し、酸化物超電導体のターゲット１５としてＹ1Ｂａ2Ｃｕ3ＯXからなる長方形板状のターゲットを支持ホルダ３７の支持部３８に取り付け、蒸着処理室１３を真空排気装置２１で減圧する。ここで必要に応じて蒸着処理室１３に酸素ガスを導入して蒸着処理室１３を酸素雰囲気としても良い。また、基台１６の加熱ヒータを作動させて薄膜積層体１４を所望の温度に加熱しても良い。
【００２２】
送出装置１８から薄膜積層体１４を送り出しつつ、レーザ発光装置２２からレーザ光３０を発生させ、レーザ光３０の照射位置をターゲット１５の表面上で移動させるレーザ光の走査を複数回行う際、各回の走査が終了する毎に、上記シャフト駆動源によりホルダ回転用シャフト３９を１８０゜ずつ回転させることによりターゲット１５を１８０゜ずつ回転させて、異なる方向のターゲット１５の構成粒子が叩き出されるか蒸発されるようにして、多結晶中間薄膜２の表面にターゲット１５の構成粒子を堆積させる。
【００２３】
ここでのレーザ光の走査について以下に詳説する。
第一回目のレーザ光の走査は、図３に示すようにレーザ光３０をターゲット１５のコーナＡ近傍からスタートさせ、短辺１５ｂに沿って移動（Ｘ移動）させ、次にターゲット１５の長辺１５ｃに沿ってわずかに移動（Ｙ移動）させる動作を繰り返す移動方法（Ｘ−Ｙ移動方法）によりコーナＡに隣接するコーナＤ近傍まで到達させると、第一回目のレーザ光の走査が終了する。このようにするとレーザ光３０の往路の軌跡は、図３の一点鎖線で示されるような軌跡４２となる。第一回目のレーザ光の走査の終了後のターゲット１５の表面は、一方向だけ削られた状態となっている。
【００２４】
第一回目のレーザ光の走査が終了したならば、シャフト駆動源によりホルダ回転用シャフト３９を１８０゜回転させることによりターゲット１５を１８０゜回転させる。この後、図４に示すようにレーザ光３０をターゲット１５のコーナＢ近傍からスタートさせ、短辺１５ｂに沿って移動（Ｘ移動）させ、次にターゲット１５の長辺１５ｃに沿ってわずかに移動（Ｙ移動）させる動作を繰り返す移動方法（Ｘ−Ｙ移動方法）によりコーナＢに隣接するコーナＣ近傍まで到達させると、第二回目のレーザ光の走査が終了する。このようにするとレーザ光３０の復路の軌跡は、図４の一点鎖線で示されるような軌跡４３となる。第二回目のレーザ光の走査により削られるターゲット１５の表面の方向は、上記第一回目のレーザ光の走査により削られる方向と異なる方向である。
【００２５】
ターゲット１５にレーザ光を照射する際の走査速度は２〜２０ｍｍ／秒の範囲であることが好ましい。走査速度が２ｍｍ／秒以下であると、ターゲットが受けるレーザ光の熱エネルギーが大きくなり、ターゲットの局部的な温度上昇による割れが発生するので好ましくない。走査速度が２０ｍｍ／秒以上であると、ターゲットからの構成粒子の叩き出し若しくは蒸発を充分に行えず、酸化物超電導体の薄膜の形成速度が低下してしまうので効率的でない。
【００２６】
また、上述の走査速度の範囲でターゲットにレーザ光を照射する場合には、レーザ光の照射エネルギーが２００〜４００ｍＪの範囲であることが必要である。
レーザ光の照射エネルギーが２００ｍＪ以下であると、走査速度を２ｍｍ／秒としても、ターゲットに与える熱エネルギーが小さすぎて、ターゲットの構成粒子を十分に叩き出し若しくは蒸発させることができないので、酸化物超電導体の薄膜の形成速度が低下してしまい効率的でない。
レーザ光の出力が４００ｍＪ以上であると、走査速度を２０ｍｍ／秒としても、ターゲットに与えるエネルギーが大きすぎて、ターゲットに割れが生じてしまうので好ましくない。
【００２７】
更に、レーザ光の照射周波数が１０〜２００Ｈｚの範囲であることが必要である。
レーザ光の照射周波数が１０Ｈｚ以下であると、照射出力を４００ｍＪとし、走査速度を２ｍｍ／秒としても、ターゲットに与えるエネルギーが小さすぎて、ターゲットの構成粒子を十分に叩き出すことができないので、酸化物超電導体の薄膜の形成速度が低下してしまい効率的でない。
レーザ光の照射周波数が２００Ｈｚより大きいと、照射出力を２００ｍＪとし、走査速度を２０ｍｍ／秒としても、ターゲットに与えるエネルギーが大きすぎて、ターゲットに割れが生じてしまうので好ましくない。
【００２８】
上述のようにレーザ光３０の走査を行う毎にターゲットを１８０゜ずつ回転させることにより、ターゲット１５の表面が一方向だけ深く削られるのを防止でき、レーザ光３０の偏心を防止でき、ターゲット１５から叩き出された構成粒子の飛行する方向が偏ることがなく、上記構成粒子を薄膜積層体１４上に均一に堆積させることができる。
【００２９】
多結晶中間薄膜２は、その結晶粒が予めｃ軸配向し、ａ軸とｂ軸でも配向するようにイオンビームアシスト法により形成されているので、上記のようにターゲット１５から叩き出された構成粒子が飛行方向が偏ることなく飛行して、多結晶中間薄膜２上に均一に堆積すると、酸化物超電導体の薄膜３の結晶のｃ軸とａ軸とｂ軸も多結晶中間薄膜２の結晶に整合するようにエピタキシャル成長して結晶化する。これにより膜厚が均一で、かつ結晶配向性の優れたＹ1Ｂａ2Ｃｕ3ＯXの酸化物超電導体の薄膜３が得られる。なお、成膜後に必要に応じて酸化物超電導体の薄膜３の結晶構造を整えるための熱処理を施しても良い。
【００３０】
第一の実施形態の酸化物超電導体の薄膜の形成方法は、レーザ光３０の照射位置をターゲット１５の表面上で移動させるレーザ光の走査を複数回行うことによりレーザ光３０をターゲット１５に照射してレーザ蒸着する際に、異なる方向のターゲット１５の構成粒子が叩き出されるか蒸発されるようにレーザ光３０の走査を行う毎にターゲットを１８０゜ずつ回転させることにより、長時間成膜しても、ターゲット１５の表面が一方向だけ深く削られることがなく、レーザ光を同一経路を往復させる従来の薄膜の形成方法に比べてターゲット１５の表面が平滑で、レーザ光３０の偏心を防止でき、ターゲット１５から叩き出された構成粒子の飛行する方向が偏ることがなく、上記構成粒子を薄膜積層体１４上に均一に堆積させることができる。このような第一の実施形態の酸化物超電導体の薄膜の形成方法によれば、ターゲット１５の構成粒子を薄膜積層体１４上に均一に堆積させることができるので、膜厚および膜質が均一で、結晶配向性が優れた酸化物超電導体の薄膜３を長尺に亘って均一に形成でき、従って、臨界電流密度等の超電導特性にバラツキがない長尺の酸化物超電導導体４を提供できる。
【００３１】
また、第一の実施形態の酸化物超電導体の薄膜の形成方法によれば、長時間成膜しても、ターゲット１５の表面が一方向だけ深く削れられることがなく、表面が平滑であるので、レーザ光の偏心を防止できるので、レーザ光を同一経路を往復させる従来の薄膜の形成方法に比べてターゲット１５の寿命を約１０倍以上延ばすことができ、ターゲットを有効に利用できる。
【００３２】
次に、図２に示したレーザ蒸着装置４１を用いて薄膜積層体１４の上にＹ1Ｂａ2Ｃｕ3ＯXの酸化物超電導体の薄膜３を形成する方法の第二の実施形態について説明する。
第二の実施形態の酸化物超電導体の薄膜の形成方法が、第一の実施形態の酸化物超電導導体の薄膜の形成方法と異なるところは、ターゲット１５として正方形板状のものを用いることと、レーザ光の走査を複数回行う際、各回の走査が終了する毎に、上記シャフト駆動源によりホルダ回転用シャフト３９を９０゜ずつ回転させることによりターゲット１５を９０゜ずつ回転させて、異なる方向のターゲット１５の構成粒子が叩き出されるか蒸発されるようにして、多結晶中間薄膜２の表面にターゲット１５の構成粒子を堆積させる点である。
【００３３】
ここでのレーザ光の走査について以下に詳説する。
第一回目のレーザ光の走査は、図５に示すようにレーザ光３０をターゲット１５のコーナＡ近傍からスタートさせ、辺１５ｄに沿って移動（Ｘ移動）させ、次にターゲット１５の辺１５ｅに沿ってわずかに移動（Ｙ移動）させる動作を繰り返す移動方法（Ｘ−Ｙ移動方法）によりコーナＡに隣接するコーナＤ近傍まで到達させると、第一回目のレーザ光の走査が終了する。このようにするとレーザ光３０の軌跡は、図５の一点鎖線で示されるような軌跡５２となる。第一回目のレーザ光の走査の終了後のターゲット１５の表面は、一方向だけ削られた状態となっている。
【００３４】
第一回目のレーザ光の走査が終了したならば、シャフト駆動源によりホルダ回転用シャフト３９を時計回りに９０゜回転させることによりターゲット１５を時計回りに９０゜回転させる。この後、図６に示すようにレーザ光３０をターゲット１５のコーナＤ近傍からスタートさせ、辺１５ｅに沿って移動（Ｘ移動）させ、次にターゲット１５の辺１５ｄに沿ってわずかに移動（Ｙ移動）させる動作を繰り返す移動方法（Ｘ−Ｙ移動方法）によりコーナＤに隣接するコーナＣ近傍まで到達させると、第二回目のレーザ光の走査が終了する。このようにするとレーザ光３０の軌跡は、図６の一点鎖線で示されるような軌跡５３となる。第二回目のレーザ光の走査により削られるターゲット１５の表面の方向は、上記第一回目のレーザ光の走査により削られる方向と異なる方向である。
【００３５】
第二回目のレーザ光の走査が終了したならば、シャフト駆動源によりホルダ回転用シャフト３９を時計回りに９０゜回転させることによりターゲット１５を時計回りに９０゜回転させる。この後、図７に示すようにレーザ光３０をターゲット１５のコーナＣ近傍からスタートさせ、辺１５ｄに沿って移動（Ｘ移動）させ、次にターゲット１５の辺１５ｅに沿ってわずかに移動（Ｙ移動）させる動作を繰り返す移動方法（Ｘ−Ｙ移動方法）によりコーナＣに隣接するコーナＢ近傍まで到達させると、第三回目のレーザ光の走査が終了する。このようにするとレーザ光３０の軌跡は、図７の一点鎖線で示されるような軌跡５４となる。第三回目のレーザ光の走査により削られるターゲット１５の表面の方向は、上記第一回目及び第二回目のレーザ光の走査により削られる方向と異なる方向である。
【００３６】
第三回目のレーザ光の走査が終了したならば、シャフト駆動源によりホルダ回転用シャフト３９を時計回りに９０゜回転させることによりターゲット１５を時計回りに９０゜回転させる。この後、図８に示すようにレーザ光３０をターゲット１５のコーナＢ近傍からスタートさせ、辺１５ｅに沿って移動（Ｘ移動）させ、次にターゲット１５の辺１５ｄに沿ってわずかに移動（Ｙ移動）させる動作を繰り返す移動方法（Ｘ−Ｙ移動方法）によりコーナＢに隣接するコーナＡ近傍まで到達させると、第四回目のレーザ光の走査が終了する。このようにするとレーザ光３０の軌跡は、図８の一点鎖線で示されるような軌跡５５となる。第四回目のレーザ光の走査により削られるターゲット１５の表面の方向は、上記第一回目乃至第三回目のレーザ光の走査により削られる方向と異なる方向である。
【００３７】
第四回目のレーザ光の走査が終了したならば、シャフト駆動源によりホルダ回転用シャフト３９を時計回りに９０゜回転させることによりターゲット１５を時計回りに９０゜回転させると、ターゲット１５のコーナＡは、図５に示したような基の位置に戻るので、第一回目のレーザ光の走査と同様に走査すると、第五回目のレーザ光の走査によるレーザ光の軌跡は、図５に示した軌跡５２と同様の軌跡となる。第五回目のレーザ光の走査により削られるターゲット１５の表面の方向は、上記第一回目のレーザ光の走査により削られる方向と同じ方向である。
【００３８】
第二の実施形態の酸化物超電導体の薄膜の形成方法は、レーザ光３０の照射位置をターゲット１５の表面上で移動させるレーザ光の走査を複数回行うことによりレーザ光３０をターゲット１５に照射してレーザ蒸着する際に、異なる方向のターゲット１５の構成粒子が叩き出されるか蒸発されるようにレーザ光３０の走査を行う毎にターゲットを９０゜ずつ回転させることにより、ターゲット１５が一方向だけ深く削られることを防止でき、レーザ光を同一経路を往復させる従来の薄膜の形成方法に比べてターゲット１５の寿命を約１０倍以上延ばすことができ、高特性の酸化物超電導体の薄膜３を長尺にわたり均一に形成できる。
【００３９】
次に、図２に示したレーザ蒸着装置４１を用いて薄膜積層体１４の上にＹ1Ｂａ2Ｃｕ3ＯXの酸化物超電導体の薄膜３を形成する方法の第三の実施形態について説明する。
第三の実施形態の酸化物超電導体の薄膜の形成方法が、第二の実施形態の酸化物超電導導体の薄膜の形成方法と異なるところは、ターゲットとして図９に示すように正方形板状のターゲット１５を複数枚並べたターゲット６５を用い、このようなターゲット６５全体を一つの支持ホルダ３７の支持部３８に固定し、レーザ光３０の走査を行う毎にターゲット６５を９０゜ずつ回転させる点である。図９中、符号７５は、ターゲット６５に第一回目のレーザ光の走査を行ったときのレーザ光の軌跡である。
第三の実施形態の酸化物超電導導体の薄膜３の形成方法によれば、正方形板状のターゲット１５を用いているので、円板状のターゲットを用いる場合と異なり、複数枚並べて成膜することができる。正方形板状のターゲット１５を複数枚並べたターゲット６５を用い、異なる方向のターゲット６５の構成粒子が叩き出されるか蒸発されるようにレーザ光３０の走査を行う毎にターゲット６５を９０゜ずつ回転させることにより、第二の実施形態の薄膜３と同様の作用効果を奏するうえ、より長時間の成膜を行うことができる。
【００４０】
なお、上記の実施の形態では、本発明を酸化物超電導体の薄膜の形成方法に適用した場合について説明したが、必ずしもこれに限られず、ターゲットにレーザ光を照射して、ターゲットの構成粒子を叩き出し若しくは蒸発させて、基材上に上記構成粒子を堆積させて薄膜を形成する方法であれば適用可能である。
【００４１】
【実施例】
（実施例）
図２に示すレーザ蒸着装置を用い、ハステロイテープの表面に厚さ０．７μｍのＹＳＺ多結晶中間薄膜を形成した薄膜積層体をこの多結晶中間薄膜側を上にして基台上に設置し、ターゲットとしてＹ1Ｂａ2Ｃｕ3ＯX系の長方形板状のターゲットを支持ホルダの支持部に取り付け、蒸着処理室を真空排気装置で減圧した。送出装置から上記薄膜積層体を送り出しつつ、レーザ発光装置からレーザ光を発生させ、レーザ光の照射位置をターゲットの表面上でＸ−Ｙ移動させるレーザ光の走査を２回行う際、各回の走査が終了する毎に、上記シャフト駆動源によりホルダ回転用シャフトを１８０゜ずつ回転させることにより上記ターゲットを１８０゜ずつ回転させて、異なる方向のターゲットの構成粒子が叩き出されるか蒸発されるようにして、上記多結晶中間薄膜の表面にターゲットの構成粒子を堆積させて、厚さ１μｍのＹ1Ｂａ2Ｃｕ3ＯXの薄膜を形成し、酸化物超電導導体を得た。なお、レーザ光をターゲットに照射する際のレーザ光の走査速度を２ｍｍ／秒、レーザ光の照射エネルギーを２００ｍＪ、照射周波数を１００Ｈｚとした。
【００４２】
（比較例）
レーザ光の照射位置をターゲットの表面上で移動させるレーザ光の走査を２回行う際、ターゲットを回転させることなく、同一の経路に沿ってレーザ光を往復移動させた以外は上記実施例と同様にして多結晶中間薄膜の表面にターゲットの構成粒子を堆積させて、厚さ１μｍのＹ1Ｂａ2Ｃｕ3ＯXの薄膜を形成し、酸化物超電導導体を得た。
【００４３】
上記実施例と比較例で使用後のターゲットの表面の組織の状態をマイクロスコープにより観察した。その結果を図１０〜図１１に示す。図１０は、実施例で使用後のターゲット材料の表面の組織の状態を示すマイクロスコープ写真である。図１１は、比較例で使用後のターゲット材料の表面の組織の状態を示すマイクロスコープ写真である。
図１０〜図１１から明らかなように比較例で使用後のターゲットは、一方向だけ深く削れて表面が鱗状になっているが、実施例で使用後のターゲットの表面は、一方向だけでなく、異なる方向も削られており、比較例で使用後のターゲットと比べて平滑であることがわかる。
また、実施例と比較例において薄膜の成膜時間と、各成膜時間で得られる酸化物超電導導体の超電導特性との関係について調べた。ここでの超電導特性は、得られた酸化物超電導導体を液体窒素で冷却しつつ、７７Ｋ、０Ｔの条件での臨界電流密度を測定した。結果を表１に示す。
【００４４】
【表１】
【００４５】
表１に示した結果から比較例の薄膜の形成方法では、成膜時間が長くなると、得られる酸化物超電導導体の臨界電流密度の低下の割合が大きくなっている。これに対して実施例の薄膜の形成方法では、成膜時間が長くなっても得られる酸化物超電導導体の臨界電流密度は殆ど低下しておらず、しかも、比較例で得られたものに比べて優れた臨界電流密度が得られていることがわかる。
【００４６】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように本発明の薄膜の形成方法によれば、レーザ光の照射位置を上記ターゲットの表面上で移動させるレーザ光の走査を行いながらレーザ光をターゲットに対して斜め方向に照射してレーザ蒸着する際に、ターゲットを前面側に支持する支持ホルダを用い、該支持ホルダの裏面側に立設したシャフトを利用して前記シャフトの軸周りに前記シャフトともに前記ターゲットを回転させて前回のレーザ光の走査と今回のレーザ光の走査において前記レーザ光により前記ターゲットを彫り込む方向を変更して前記ターゲットの彫り込み方向の異なるターゲットの構成粒子が叩き出されるか蒸発されるようにすることにより、ターゲットが一方向だけ深く削られることを防止して、ターゲットの寿命を延ばすことができ、高特性の薄膜を長尺にわたり均一に形成できる。
また、本発明の薄膜の形成方法によれば、レーザ光の照射位置を上記ターゲットの表面上で移動させるレーザ光の走査を複数回行うことによりレーザ光をターゲットに照射してレーザ蒸着する際に、前記ターゲットを前面側に支持する支持ホルダを用い、該支持ホルダの裏面側に立設したシャフトを利用して前記シャフトの軸周りに前記シャフトとともに前記ターゲットを回転させる操作を前記ターゲットの一方の端部から他方の端部まで前記レーザ光を一端走査した後に行い、前回の前記ターゲットの一方の端部から他方の端部まで一端走査する際の前記ターゲットの彫り込み方向と、今回の前記ターゲットの他方の端部から一方の端部まで一端走査する際の前記ターゲットの彫り込み方向とを変更し、前記ターゲットの彫り込み方向の異なるターゲットの構成粒子が叩き出されるか蒸発されるようにするので、ターゲットが一方向だけ深く削られることを防止して、ターゲットの寿命を延ばすことができ、高特性の薄膜を長尺にわたり均一に形成できる。
【００４７】
さらに、本発明の薄膜の形成方法において、ターゲットとして方形板状のものを用いることにより、円板状のターゲットを用いる場合と異なり、複数枚並べて成膜することができる。そして、正方形板状のターゲットを複数枚並べた構成したターゲットを用い、異なる方向のターゲットの構成粒子が叩き出されるか蒸発されるようにレーザ光の走査を行う毎にターゲットを回転させることにより、ターゲットが一方向だけ深く削られることを防止して、ターゲットの寿命を延ばすことができ、高特性の薄膜を長尺にわたり均一に形成できるうえ、より長時間の成膜を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施形態の酸化物超電導体の薄膜の形成方法により得られた酸化物超電導導体を示す斜視断面図である。
【図２】 本発明の薄膜の形成方法の実施に好適に用いられるレーザ蒸着装置の概略構成を示す図である。
【図３】 本発明の第一の実施形態の酸化物超電導体の薄膜の形成方法において用いられるターゲットと、該ターゲットに第一回目のレーザ光の走査を行ったときのレーザ光の軌跡を示す平面図である。
【図４】 本発明の第一の実施形態の酸化物超電導体の薄膜の形成方法において、第一回目のレーザ光の走査後に１８０゜回転させたターゲットと、該ターゲットに第二回目のレーザ光の走査を行ったときのレーザ光の軌跡を示す平面図である。
【図５】 本発明の第二の実施形態の酸化物超電導体の薄膜の形成方法において用いられるターゲットと、該ターゲットに第一回目のレーザ光の走査を行ったときのレーザ光の軌跡を示す平面図である。
【図６】 本発明の第二の実施形態の酸化物超電導体の薄膜の形成方法において、第一回目のレーザ光の走査後に９０゜回転させたターゲットと、該ターゲットに第二回目のレーザ光の走査を行ったときのレーザ光の軌跡を示す平面図である。
【図７】 本発明の第二の実施形態の酸化物超電導体の薄膜の形成方法において、第二回目のレーザ光の走査後に９０゜回転させたターゲットと、該ターゲットに第三回目のレーザ光の走査を行ったときのレーザ光の軌跡を示す平面図である。
【図８】 本発明の第二の実施形態の酸化物超電導体の薄膜の形成方法において、第三回目のレーザ光の走査後に９０゜回転させたターゲットと、該ターゲットに第四回目のレーザ光の走査を行ったときのレーザ光の軌跡を示す平面図である。
【図９】 本発明の第三の実施形態の酸化物超電導体の薄膜の形成方法において用いられるターゲットと、該ターゲットに第一回目のレーザ光の走査を行ったときのレーザ光の軌跡を示す平面図である。
【図１０】 実施例で使用後のターゲット材料の表面の組織の状態を示すマイクロスコープ写真である。
【図１１】 比較例で使用後のターゲット材料の表面の組織の状態を示すマイクロスコープ写真である。
【図１２】 従来の薄膜の形成方法により酸化物超電導体の薄膜を形成するためのレーザ蒸着装置の概略構成を示す図である。
【図１３】 図１２に示したレーザ蒸着装置に備えられた円形のターゲットと、該ターゲットにレーザ光を照射したときのレーザ光の軌跡を示す平面図である。
【図１４】 図１２に示したレーザ蒸着装置に備えられた方形のターゲットと、該ターゲットにレーザ光を照射したときのレーザ光の軌跡を示す平面図である。
【図１５】 従来の薄膜の形成方法によりレーザ光をターゲットに繰り返し照射したときのターゲット表面が一方向だけ深く削られた状態を示す断面図である。
【符号の説明】
１・・・基材、３・・・薄膜、１５・・・ターゲット、３０・・・レーザ光、３７・・・支持ホルダ、３８・・・支持部、３９・・・ホルダ回転用シャフト、６５・・・ターゲット。
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザ光をターゲットに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、基材上に該構成粒子を堆積させることにより酸化物超電導体等の薄膜を形成する薄膜の形成方法に係わり、特に、ターゲットの寿命を延ばすことができ、高特性の薄膜を長尺にわたり均一に形成できる薄膜の形成方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
酸化物超電導体を導電体として使用するためには、テープ状などの長尺の基材上に、結晶配向性の良好な酸化物超電導体の薄膜を形成する必要があるが、一般には、金属テープ自体が多結晶体でその結晶構造も酸化物超電導体と大きく異なるために、結晶配向性の良好な酸化物超電導体の薄膜を形成させることはできなかった。
そこで本発明者らは、ハステロイテープなどの金属テープからなる基材１の上に結晶配向性に優れたイットリウム安定化ジルコニア（ＹＳＺ）などの多結晶中間薄膜を形成し、この多結晶中間薄膜上に、酸化物超電導体の中でも臨界温度が約９０Ｋであり、液体窒素（７７Ｋ）中で用いることができる安定性に優れたＹ1Ｂａ2Ｃｕ3Ｏx系の酸化物超電導体の薄膜を形成することで超電導特性の優れた酸化物超電導導体を製造する試みが行なわれており、本発明者らは先に、特願平３ー１２６８３６号、特願平３ー１２６８３７号、特願平３ー２０５５５１号、特願平４ー１３４４３号、特願平４ー２９３４６４号などにおいて特許出願を行なっている。
【０００３】
これらの特許出願に記載された技術おいては、Ｙ1Ｂａ2Ｃｕ3Ｏx系の酸化物超電導体の薄膜を形成させるために、レーザ蒸着法による薄膜の形成方法が採用されている。
図１２は、従来のレーザ蒸着法により酸化物超電導体の薄膜を形成するためのレーザ蒸着装置の一例を示す。
この例のレーザ蒸着装置１１は、処理容器１２を有し、この処理容器１２の内部の蒸着処理室１３に、薄膜積層体１４と、ターゲット１５とを設置できるようになっている。即ち、蒸着処理室１３の底部には基台１６が設けられ、この基台１６の上面に基材上に多結晶中間薄膜を形成してなる薄膜積層体１４を設置できるようになっているとともに、基台１６の斜め上方に支持ホルダ１７によって支持された酸化物超電導体のターゲット１５が設けられている。
また、図中符号１８は薄膜積層体１４の送出装置、１９は薄膜積層体１４の巻取装置を示す。
【０００４】
また、処理容器１２は、排気孔２０を介して真空排気装置２１に接続されて蒸着処理室１３を所定の圧力に減圧できるようになっている。
ターゲット１５としては、成膜しようとする酸化物超電導体の組成と同等か近似する組成のものであって、酸化物超電導体の焼結体等が用いられている。また、ターゲット１５の形状としては、図１３に示すような円形状のものや、あるいは図１４に示すような方形状（図面では長方形状）のものが用いられていた。このターゲット１５は、後述するレーザ光３０が所定の角度で照射されて、このレーザ光３０によって叩き出されるターゲット１５の構成粒子が薄膜積層体１４上に均一に堆積できるように所定の角度で傾斜した状態で設けられている。
基台１６は加熱ヒータを内蔵したもので、薄膜積層体１４を必要に応じて加熱できるようになっている。
一方、処理容器１２の側方には、レーザ発光装置２２と第１反射鏡２３と集光レンズ２４と第２反射鏡２５とが設けられ、レーザ発光装置２２が発生させたレーザ光３０を処理容器１２の側壁に取り付けられた透明窓２６を介してターゲット１５に集光照射できるようになっている。
【０００５】
上述のような構成のレーザ蒸着装置１１を用いて薄膜積層体１４上にＹ1Ｂａ2Ｃｕ3ＯXの酸化物超電導体の薄膜を成膜するには、薄膜積層体１４をこの多結晶中間薄膜側を上にして基台１６上に設置し、酸化物超電導体のターゲット１５としてＹ1Ｂａ2Ｃｕ3ＯXのターゲットを設置し、蒸着処理室１３を真空排気装置２１で減圧する。ついで、送出装置１８から薄膜積層体１４を送り出しつつ、エキシマレーザ等のレーザ光３０の照射位置を酸化物超電導体のターゲット１５の表面上で移動させることで走査しながら、ターゲットの構成粒子を叩き出し若しくは蒸発させて、多結晶中間薄膜上に上記構成粒子を堆積させる。多結晶中間薄膜は、その結晶粒が予めｃ軸配向し、ａ軸とｂ軸でも配向するようにイオンビームアシスト法により形成されているので、酸化物超電導体の薄膜の結晶のｃ軸とａ軸とｂ軸も多結晶中間薄膜の結晶に整合するようにエピタキシャル成長して結晶化する。これにより結晶配向性を制御したＹ1Ｂａ2Ｃｕ3ＯXの酸化物超電導体の薄膜が得られる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、従来のレーザ蒸着法による薄膜の形成方法においては、以下のようにターゲット１５表面に照射するレーザ光３０の照射位置を移動させている。
ターゲット１５が図１３に示したような円形状である場合には、レーザ光３０をターゲット１５の円周１５ａに沿って、徐々にターゲット１５ａの中心に向けて回転するように移動させる。このようにするとレーザ光３０の往路の軌跡は図１３の一点鎖線で示されるような軌跡３１となる。そして、レーザ光３０がターゲット１５の中心に到達したならば、上記往路と同じ経路を逆方向に移動させると、レーザ光３０は徐々にターゲット１５の外方に向けて回転するように移動する。さらに、上述のようにレーザ光３０をターゲット１５の円周１５ａ側から中心、中心から円周１５側に向けて回転するように移動させる動作を複数回繰り返す。従って、ターゲット１５が円形状である場合には、レーザ光３０は、ターゲット１５上の軌跡３１で示されるような同一のスパイラル状の経路に沿って複数回往復移動していることになる。
【０００７】
ターゲット１５が図１４に示したような方形状である場合には、レーザ光３０をターゲット１５のコーナＡ近傍からスタートさせ、短辺１５ｂに沿って移動（Ｘ移動）させ、次にターゲット１５の長辺１５ｃに沿ってわずかに移動（Ｙ移動）させる動作を繰り返す移動方法（Ｘ−Ｙ移動方法）によりコーナＡに隣接するコーナＤ近傍まで到達させる。このようにするとレーザ光３０の往路の軌跡は、図１４の一点鎖線で示されるような軌跡３２となる。そして、レーザ光３０がコーナＤ近傍まで到達したならば、上記往路と同じ経路を逆方向に移動させる。さらに、上述のようにレーザ光３０をターゲット１５の一つのコーナＡ近傍からこれと隣接するコーナＤ近傍までと、コーナＤ近傍からこれと隣接するコーナＡまでＸＹ移動させる動作を複数回繰り返す。従って、ターゲット１５が方形状である場合には、レーザ光３０は、ターゲット１５上の軌跡３２で示されるような同一のミアンダ状の経路に沿って複数回往復移動していることになる。
【０００８】
しかしながら従来の薄膜の形成方法においては、上述のようにレーザ光３０をターゲット１５の表面上の同一経路に沿って往復移動させることにより走査するため、長時間成膜を行うと、ターゲット１５から叩き出された構成粒子の飛行する方向が偏ってしまい構成粒子を薄膜積層体１４上に均一に堆積させることができず、得られる薄膜の厚みや膜質や結晶配向性にバラツキが生じてしまい、臨界電流密度等の超電導特性が低下してしまう。それは、ターゲット１５に対して斜め方向からレーザ光３０を照射しているため、レーザ光３０を繰り返し照射すると、ターゲット１５表面が一方向だけ深く削られてしまい、図１５に示すような底部に凹凸を有する溝３３ができてしまう。このように一方向だけ深く削られたターゲット１５にレーザ光３０を照射すると、先に述べたようにターゲット１５が所定の角度で傾斜して配置されていても、レーザ光３０は溝３３内の凹凸部分にあたって偏心してしまうため、偏心したレーザ光３０により叩き出された構成粒子は薄膜積層体１４上に均一に堆積しない。
従って、従来のレーザ蒸着法による薄膜の形成方法では、上述のようなレーザ光の偏心が起こることにより、超電導特性が優れた酸化物超電導体の薄膜を長尺にわたり均一に形成できないという問題があった。また、レーザ光の偏心が起こると、未だ酸化物超電導体の焼結体が残存していても、ターゲットは寿命となり、ターゲットを有効に利用できないという課題があった。
【０００９】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、ターゲットが一方向だけ深く削られることを防止して、ターゲットの寿命を延ばすことができ、高特性の薄膜を長尺にわたり均一に形成できる薄膜の形成方法を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、以下の構成を採用した。請求項１記載の薄膜の形成方法は、レーザ光をターゲットに照射し、前記ターゲットに沿ってレーザ光を複数回走査して、ターゲットの構成粒子を叩き出し若しくは蒸発させて、基材上に前記構成粒子を堆積させることにより薄膜を形成する薄膜の形成方法であって、レーザ光の照射位置を上記ターゲットの表面上で移動させるレーザ光の走査を行いながらレーザ光をターゲットに対して斜め方向から照射してレーザ蒸着するにあたり、前記ターゲットを前面側に支持する支持ホルダを用い、該支持ホルダの裏面側に立設したシャフトを利用して前記シャフトの軸周りに前記シャフトともに前記ターゲットを回転させて前回のレーザ光の走査と今回のレーザ光の走査において前記レーザ光により前記ターゲットを彫り込む方向を変更して前記ターゲットの彫り込み方向の異なるターゲットの構成粒子が叩き出されるか蒸発されるようにすることを特徴とする。
【００１１】
また、請求項２記載の薄膜の形成方法は、レーザ光をターゲットに照射し、前記ターゲットに沿ってレーザ光を複数回走査して、ターゲットの構成粒子を叩き出し若しくは蒸発させて、基材上に前記構成粒子を堆積させることにより薄膜を形成する薄膜の形成方法であって、レーザ光の照射位置を上記ターゲットの表面上で移動させるレーザ光の走査を行いながらレーザ光をターゲットに対して斜め方向から照射してレーザ蒸着するにあたり、前記ターゲットを前面側に支持する支持ホルダを用い、該支持ホルダの裏面側に立設したシャフトを利用して前記シャフトの軸周りに前記シャフトとともに前記ターゲットを回転させる操作を前記ターゲットの一方の端部から他方の端部まで前記レーザ光を一端走査した後に行い、前回の前記ターゲットの一方の端部から他方の端部まで一端走査する際の前記ターゲットの彫り込み方向と、今回の前記ターゲットの他方の端部から一方の端部まで一端走査する際の前記ターゲットの彫り込み方向とを変更し、前記ターゲットの彫り込み方向の異なるターゲットの構成粒子が叩き出されるか蒸発されるようにすることを特徴とする。
【００１２】
また、請求項３記載の薄膜の形成方法は、請求項１又は２記載の薄膜の形成方法において、上記ターゲットとして方形板状のものを用いることを特徴とする。
また、請求項４記載の薄膜の形成方法は、請求項１乃至３のいずれかに記載の薄膜の形成方法において、上記ターゲットの回転角度が１８０゜であることを特徴とする。
また 請求項５記載の薄膜の形成方法は、請求項１乃至３のいずれかに記載の薄膜の形成方法において、ターゲットの回転角度が９０゜であることを特徴とする。
また、請求項６記載の薄膜の形成方法は、請求項１乃至５のいずれかに記載の薄膜の形成方法において、上記ターゲットとして、複数枚のターゲットが並べられてなるものを用いることを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。なお、以下に述べる実施の形態では、本発明を酸化物超電導体の薄膜の形成方法に適用した場合について説明する。
図１は、本実施形態の酸化物超電導体の薄膜の形成方法により得られた酸化物超電導導体を示す斜視断面図である。
この酸化物超電導導体４は、薄膜積層体１４上に酸化物超電導体の薄膜３を形成してなるものである。薄膜積層体１４は、ハステロイ等の金属テープ状の基材１上にイオンビームアシストスパッタリング法等によってＹＳＺの多結晶中間薄膜２を形成してなるものである。
【００１４】
基材１の構成材料としては、ステンレス鋼、銅、または、ハステロイなどのニッケル合金などの合金各種金属材料から適宜選択される長尺の金属テープを用いることができる。この基材１の厚みは、０．０１〜０．５ｍｍ、好ましくは０．０２〜０．１５ｍｍとされる。基材１の厚みが０．５ｍｍ以上では、後述する酸化物超電導体の薄膜３の膜厚に比べて厚く、オーバーオール（酸化物超電導導体全断面積）あたりの臨界電流密度としては低下してしまう。一方、基材１の厚みが０．０１ｍｍ未満では、著しく基材１の強度が低下し、酸化物超電導導体４の補強効果を消失してしまう。
【００１５】
多結晶中間薄膜２は、立方晶系の結晶構造を有する結晶の集合した微細な結晶粒が多数相互に結晶粒界を介して接合一体化されてなるものであり、各結晶粒の結晶軸のｃ軸は基材１の上面（成膜面）に対してほぼ直角に向けられ、各結晶粒の結晶軸のａ軸どうしおよびｂ軸どうしは、互いに同一方向に向けられて面内配向されている。多結晶中間薄膜２の厚みは、０．１〜１．０μｍとされる。多結晶中間薄膜２の厚みを１．０μｍを超えて厚くしてももはや効果の増大は期待できず、経済的にも不利となる。一方、多結晶中間薄膜２の厚みが０．１μｍ未満であると、薄すぎて酸化物超電導体の薄膜３を十分支持できない恐れがある。この多結晶中間薄膜２の構成材料としてはＹＳＺの他に、ＭｇＯ、ＳｒＴｉＯ3等を用いることができる。
【００１６】
酸化物超電導体の薄膜３は、Ｙ1Ｂa2Ｃｕ3Ｏx、Ｙ2Ｂa4Ｃｕ8Ｏx、Ｙ3Ｂa3Ｃｕ6Ｏxなる組成、（Ｂｉ,Ｐｂ）2Ｃａ2Ｓｒ2Ｃｕ3Ｏx、（Ｂｉ,Ｐｂ）2Ｃａ2Ｓｒ3Ｃｕ4Ｏxなる組成、あるいはＴｌ2Ｂａ2Ｃａ2Ｃｕ3Ｏx、Ｔｌ1Ｂａ2Ｃａ2Ｃｕ3Ｏx、Ｔｌ1Ｂａ2Ｃａ3Ｃｕ4Ｏxなる組成などに代表される臨界温度の高い酸化物超電導体からなるものである。
この薄膜３の厚みは、０．５〜５μｍ程度で、かつ均一な厚みとなっている。
また、薄膜３の膜質は均一となっており、薄膜３の結晶のｃ軸とａ軸とｂ軸も多結晶中間薄膜２の結晶に整合するようにエピタキシャル成長して結晶化しており、結晶配向性が優れたものとなっている。
【００１７】
図２は、図１に示した酸化物超電導体の薄膜３を形成するためのレーザ蒸着装置の一例を示す図である。
この例のレーザ蒸着装置４１が、図１２に示した従来の酸化物超電導体の薄膜３の形成方法に用いられるレーザ蒸着装置１１と異なるところは、酸化物超電導体のターゲット１５を支持する支持ホルダとして図２に示すような支持ホルダ３７が備えられた点である。
【００１８】
支持ホルダ３７に取り付けられるターゲット１５としては、形成しようとする酸化物超電導体の薄膜３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体からなっている。従って、酸化物超電導体のターゲット１５は、
Ｙ1Ｂa2Ｃｕ3Ｏx、Ｙ2Ｂa4Ｃｕ8Ｏx、Ｙ3Ｂa3Ｃｕ6Ｏxなる組成、
（Ｂｉ,Ｐｂ）2Ｃａ2Ｓｒ2Ｃｕ3Ｏx、（Ｂｉ,Ｐｂ）2Ｃａ2Ｓｒ3Ｃｕ4Ｏxなる組成、あるいはＴｌ2Ｂａ2Ｃａ2Ｃｕ3Ｏx、Ｔｌ1Ｂａ2Ｃａ2Ｃｕ3Ｏx、
Ｔｌ1Ｂａ2Ｃａ3Ｃｕ4Ｏxなる組成などに代表される臨界温度の高い酸化物超電 導体の薄膜３を形成するために使用するので、これ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。
また、ターゲット１５の形状としては、長方形板状や正方形板状などの方形板状のものが用いられる。
レーザ発光装置２２としては、ターゲット１５から構成粒子を叩き出すことができるレーザ光３０を発生するものであれば、ＹＡＧレーザ、ＣＯ2レーザ、エキシマレーザなどのいずれのものを用いても良い。
【００１９】
レーザの照射出力の調整は、レーザ発光装置２２に電力を供給する増幅装置（図示せず）の出力を調整することにより行うことができる。
また、レーザの照射周波数は、１秒間当たりに間欠的に発振されるレーザのパルスの数を示すものであり、この調整は、レーザ発光装置２２に電力を一定の周波数をもって間欠的に供給するか、レーザ光が通過する経路のどこかに、回転セクタ等の機械的シャッタを設け、この機械的シャッタを一定の周波数をもって作動させることにより、調整することができる。
【００２０】
支持ホルダ３７は、ターゲット１５を支持する支持部３８と、該支持部３８の底部に取り付けられたホルダ回転用シャフト３９と、該ホルダ回転用シャフト３９の端部に設けられたシャフト駆動源（図示略）から概略構成されてなるものである。この支持ホルダ３７は、上記シャフト駆動源の作動により、シャフト３９が回転して支持部３８が回転するようになっているので、この支持部３８に支持されたターゲット１５も支持部３８の回転と共に回転するようになっている。従って、このような構成の支持ホルダ３７によれば、レーザ光３０の照射位置をターゲット１の表面上で移動させるレーザ光の走査を行いながらレーザ光をターゲットに照射してレーザ蒸着する際に、上記シャフト駆動源によりホルダ回転用シャフト３９の回転角度を調整することにより、ターゲット１５の回転角度を調整し、異なる方向のターゲット１５の構成粒子が叩き出されるようにすることが可能である。
【００２１】
次に、図２に示したレーザ蒸着装置４１を用いて薄膜積層体１４の上にＹ1Ｂａ2Ｃｕ3ＯXの酸化物超電導体の薄膜３を形成する方法の第一の実施形態について説明する。
ＹＳＺの多結晶中間薄膜２が形成された薄膜積層体１４をこの多結晶中間薄膜２側を上にして基台１６上に設置し、酸化物超電導体のターゲット１５としてＹ1Ｂａ2Ｃｕ3ＯXからなる長方形板状のターゲットを支持ホルダ３７の支持部３８に取り付け、蒸着処理室１３を真空排気装置２１で減圧する。ここで必要に応じて蒸着処理室１３に酸素ガスを導入して蒸着処理室１３を酸素雰囲気としても良い。また、基台１６の加熱ヒータを作動させて薄膜積層体１４を所望の温度に加熱しても良い。
【００２２】
送出装置１８から薄膜積層体１４を送り出しつつ、レーザ発光装置２２からレーザ光３０を発生させ、レーザ光３０の照射位置をターゲット１５の表面上で移動させるレーザ光の走査を複数回行う際、各回の走査が終了する毎に、上記シャフト駆動源によりホルダ回転用シャフト３９を１８０゜ずつ回転させることによりターゲット１５を１８０゜ずつ回転させて、異なる方向のターゲット１５の構成粒子が叩き出されるか蒸発されるようにして、多結晶中間薄膜２の表面にターゲット１５の構成粒子を堆積させる。
【００２３】
ここでのレーザ光の走査について以下に詳説する。
第一回目のレーザ光の走査は、図３に示すようにレーザ光３０をターゲット１５のコーナＡ近傍からスタートさせ、短辺１５ｂに沿って移動（Ｘ移動）させ、次にターゲット１５の長辺１５ｃに沿ってわずかに移動（Ｙ移動）させる動作を繰り返す移動方法（Ｘ−Ｙ移動方法）によりコーナＡに隣接するコーナＤ近傍まで到達させると、第一回目のレーザ光の走査が終了する。このようにするとレーザ光３０の往路の軌跡は、図３の一点鎖線で示されるような軌跡４２となる。第一回目のレーザ光の走査の終了後のターゲット１５の表面は、一方向だけ削られた状態となっている。
【００２４】
第一回目のレーザ光の走査が終了したならば、シャフト駆動源によりホルダ回転用シャフト３９を１８０゜回転させることによりターゲット１５を１８０゜回転させる。この後、図４に示すようにレーザ光３０をターゲット１５のコーナＢ近傍からスタートさせ、短辺１５ｂに沿って移動（Ｘ移動）させ、次にターゲット１５の長辺１５ｃに沿ってわずかに移動（Ｙ移動）させる動作を繰り返す移動方法（Ｘ−Ｙ移動方法）によりコーナＢに隣接するコーナＣ近傍まで到達させると、第二回目のレーザ光の走査が終了する。このようにするとレーザ光３０の復路の軌跡は、図４の一点鎖線で示されるような軌跡４３となる。第二回目のレーザ光の走査により削られるターゲット１５の表面の方向は、上記第一回目のレーザ光の走査により削られる方向と異なる方向である。
【００２５】
ターゲット１５にレーザ光を照射する際の走査速度は２〜２０ｍｍ／秒の範囲であることが好ましい。走査速度が２ｍｍ／秒以下であると、ターゲットが受けるレーザ光の熱エネルギーが大きくなり、ターゲットの局部的な温度上昇による割れが発生するので好ましくない。走査速度が２０ｍｍ／秒以上であると、ターゲットからの構成粒子の叩き出し若しくは蒸発を充分に行えず、酸化物超電導体の薄膜の形成速度が低下してしまうので効率的でない。
【００２６】
また、上述の走査速度の範囲でターゲットにレーザ光を照射する場合には、レーザ光の照射エネルギーが２００〜４００ｍＪの範囲であることが必要である。
レーザ光の照射エネルギーが２００ｍＪ以下であると、走査速度を２ｍｍ／秒としても、ターゲットに与える熱エネルギーが小さすぎて、ターゲットの構成粒子を十分に叩き出し若しくは蒸発させることができないので、酸化物超電導体の薄膜の形成速度が低下してしまい効率的でない。
レーザ光の出力が４００ｍＪ以上であると、走査速度を２０ｍｍ／秒としても、ターゲットに与えるエネルギーが大きすぎて、ターゲットに割れが生じてしまうので好ましくない。
【００２７】
更に、レーザ光の照射周波数が１０〜２００Ｈｚの範囲であることが必要である。
レーザ光の照射周波数が１０Ｈｚ以下であると、照射出力を４００ｍＪとし、走査速度を２ｍｍ／秒としても、ターゲットに与えるエネルギーが小さすぎて、ターゲットの構成粒子を十分に叩き出すことができないので、酸化物超電導体の薄膜の形成速度が低下してしまい効率的でない。
レーザ光の照射周波数が２００Ｈｚより大きいと、照射出力を２００ｍＪとし、走査速度を２０ｍｍ／秒としても、ターゲットに与えるエネルギーが大きすぎて、ターゲットに割れが生じてしまうので好ましくない。
【００２８】
上述のようにレーザ光３０の走査を行う毎にターゲットを１８０゜ずつ回転させることにより、ターゲット１５の表面が一方向だけ深く削られるのを防止でき、レーザ光３０の偏心を防止でき、ターゲット１５から叩き出された構成粒子の飛行する方向が偏ることがなく、上記構成粒子を薄膜積層体１４上に均一に堆積させることができる。
【００２９】
多結晶中間薄膜２は、その結晶粒が予めｃ軸配向し、ａ軸とｂ軸でも配向するようにイオンビームアシスト法により形成されているので、上記のようにターゲット１５から叩き出された構成粒子が飛行方向が偏ることなく飛行して、多結晶中間薄膜２上に均一に堆積すると、酸化物超電導体の薄膜３の結晶のｃ軸とａ軸とｂ軸も多結晶中間薄膜２の結晶に整合するようにエピタキシャル成長して結晶化する。これにより膜厚が均一で、かつ結晶配向性の優れたＹ1Ｂａ2Ｃｕ3ＯXの酸化物超電導体の薄膜３が得られる。なお、成膜後に必要に応じて酸化物超電導体の薄膜３の結晶構造を整えるための熱処理を施しても良い。
【００３０】
第一の実施形態の酸化物超電導体の薄膜の形成方法は、レーザ光３０の照射位置をターゲット１５の表面上で移動させるレーザ光の走査を複数回行うことによりレーザ光３０をターゲット１５に照射してレーザ蒸着する際に、異なる方向のターゲット１５の構成粒子が叩き出されるか蒸発されるようにレーザ光３０の走査を行う毎にターゲットを１８０゜ずつ回転させることにより、長時間成膜しても、ターゲット１５の表面が一方向だけ深く削られることがなく、レーザ光を同一経路を往復させる従来の薄膜の形成方法に比べてターゲット１５の表面が平滑で、レーザ光３０の偏心を防止でき、ターゲット１５から叩き出された構成粒子の飛行する方向が偏ることがなく、上記構成粒子を薄膜積層体１４上に均一に堆積させることができる。このような第一の実施形態の酸化物超電導体の薄膜の形成方法によれば、ターゲット１５の構成粒子を薄膜積層体１４上に均一に堆積させることができるので、膜厚および膜質が均一で、結晶配向性が優れた酸化物超電導体の薄膜３を長尺に亘って均一に形成でき、従って、臨界電流密度等の超電導特性にバラツキがない長尺の酸化物超電導導体４を提供できる。
【００３１】
また、第一の実施形態の酸化物超電導体の薄膜の形成方法によれば、長時間成膜しても、ターゲット１５の表面が一方向だけ深く削れられることがなく、表面が平滑であるので、レーザ光の偏心を防止できるので、レーザ光を同一経路を往復させる従来の薄膜の形成方法に比べてターゲット１５の寿命を約１０倍以上延ばすことができ、ターゲットを有効に利用できる。
【００３２】
次に、図２に示したレーザ蒸着装置４１を用いて薄膜積層体１４の上にＹ1Ｂａ2Ｃｕ3ＯXの酸化物超電導体の薄膜３を形成する方法の第二の実施形態について説明する。
第二の実施形態の酸化物超電導体の薄膜の形成方法が、第一の実施形態の酸化物超電導導体の薄膜の形成方法と異なるところは、ターゲット１５として正方形板状のものを用いることと、レーザ光の走査を複数回行う際、各回の走査が終了する毎に、上記シャフト駆動源によりホルダ回転用シャフト３９を９０゜ずつ回転させることによりターゲット１５を９０゜ずつ回転させて、異なる方向のターゲット１５の構成粒子が叩き出されるか蒸発されるようにして、多結晶中間薄膜２の表面にターゲット１５の構成粒子を堆積させる点である。
【００３３】
ここでのレーザ光の走査について以下に詳説する。
第一回目のレーザ光の走査は、図５に示すようにレーザ光３０をターゲット１５のコーナＡ近傍からスタートさせ、辺１５ｄに沿って移動（Ｘ移動）させ、次にターゲット１５の辺１５ｅに沿ってわずかに移動（Ｙ移動）させる動作を繰り返す移動方法（Ｘ−Ｙ移動方法）によりコーナＡに隣接するコーナＤ近傍まで到達させると、第一回目のレーザ光の走査が終了する。このようにするとレーザ光３０の軌跡は、図５の一点鎖線で示されるような軌跡５２となる。第一回目のレーザ光の走査の終了後のターゲット１５の表面は、一方向だけ削られた状態となっている。
【００３４】
第一回目のレーザ光の走査が終了したならば、シャフト駆動源によりホルダ回転用シャフト３９を時計回りに９０゜回転させることによりターゲット１５を時計回りに９０゜回転させる。この後、図６に示すようにレーザ光３０をターゲット１５のコーナＤ近傍からスタートさせ、辺１５ｅに沿って移動（Ｘ移動）させ、次にターゲット１５の辺１５ｄに沿ってわずかに移動（Ｙ移動）させる動作を繰り返す移動方法（Ｘ−Ｙ移動方法）によりコーナＤに隣接するコーナＣ近傍まで到達させると、第二回目のレーザ光の走査が終了する。このようにするとレーザ光３０の軌跡は、図６の一点鎖線で示されるような軌跡５３となる。第二回目のレーザ光の走査により削られるターゲット１５の表面の方向は、上記第一回目のレーザ光の走査により削られる方向と異なる方向である。
【００３５】
第二回目のレーザ光の走査が終了したならば、シャフト駆動源によりホルダ回転用シャフト３９を時計回りに９０゜回転させることによりターゲット１５を時計回りに９０゜回転させる。この後、図７に示すようにレーザ光３０をターゲット１５のコーナＣ近傍からスタートさせ、辺１５ｄに沿って移動（Ｘ移動）させ、次にターゲット１５の辺１５ｅに沿ってわずかに移動（Ｙ移動）させる動作を繰り返す移動方法（Ｘ−Ｙ移動方法）によりコーナＣに隣接するコーナＢ近傍まで到達させると、第三回目のレーザ光の走査が終了する。このようにするとレーザ光３０の軌跡は、図７の一点鎖線で示されるような軌跡５４となる。第三回目のレーザ光の走査により削られるターゲット１５の表面の方向は、上記第一回目及び第二回目のレーザ光の走査により削られる方向と異なる方向である。
【００３６】
第三回目のレーザ光の走査が終了したならば、シャフト駆動源によりホルダ回転用シャフト３９を時計回りに９０゜回転させることによりターゲット１５を時計回りに９０゜回転させる。この後、図８に示すようにレーザ光３０をターゲット１５のコーナＢ近傍からスタートさせ、辺１５ｅに沿って移動（Ｘ移動）させ、次にターゲット１５の辺１５ｄに沿ってわずかに移動（Ｙ移動）させる動作を繰り返す移動方法（Ｘ−Ｙ移動方法）によりコーナＢに隣接するコーナＡ近傍まで到達させると、第四回目のレーザ光の走査が終了する。このようにするとレーザ光３０の軌跡は、図８の一点鎖線で示されるような軌跡５５となる。第四回目のレーザ光の走査により削られるターゲット１５の表面の方向は、上記第一回目乃至第三回目のレーザ光の走査により削られる方向と異なる方向である。
【００３７】
第四回目のレーザ光の走査が終了したならば、シャフト駆動源によりホルダ回転用シャフト３９を時計回りに９０゜回転させることによりターゲット１５を時計回りに９０゜回転させると、ターゲット１５のコーナＡは、図５に示したような基の位置に戻るので、第一回目のレーザ光の走査と同様に走査すると、第五回目のレーザ光の走査によるレーザ光の軌跡は、図５に示した軌跡５２と同様の軌跡となる。第五回目のレーザ光の走査により削られるターゲット１５の表面の方向は、上記第一回目のレーザ光の走査により削られる方向と同じ方向である。
【００３８】
第二の実施形態の酸化物超電導体の薄膜の形成方法は、レーザ光３０の照射位置をターゲット１５の表面上で移動させるレーザ光の走査を複数回行うことによりレーザ光３０をターゲット１５に照射してレーザ蒸着する際に、異なる方向のターゲット１５の構成粒子が叩き出されるか蒸発されるようにレーザ光３０の走査を行う毎にターゲットを９０゜ずつ回転させることにより、ターゲット１５が一方向だけ深く削られることを防止でき、レーザ光を同一経路を往復させる従来の薄膜の形成方法に比べてターゲット１５の寿命を約１０倍以上延ばすことができ、高特性の酸化物超電導体の薄膜３を長尺にわたり均一に形成できる。
【００３９】
次に、図２に示したレーザ蒸着装置４１を用いて薄膜積層体１４の上にＹ1Ｂａ2Ｃｕ3ＯXの酸化物超電導体の薄膜３を形成する方法の第三の実施形態について説明する。
第三の実施形態の酸化物超電導体の薄膜の形成方法が、第二の実施形態の酸化物超電導導体の薄膜の形成方法と異なるところは、ターゲットとして図９に示すように正方形板状のターゲット１５を複数枚並べたターゲット６５を用い、このようなターゲット６５全体を一つの支持ホルダ３７の支持部３８に固定し、レーザ光３０の走査を行う毎にターゲット６５を９０゜ずつ回転させる点である。図９中、符号７５は、ターゲット６５に第一回目のレーザ光の走査を行ったときのレーザ光の軌跡である。
第三の実施形態の酸化物超電導導体の薄膜３の形成方法によれば、正方形板状のターゲット１５を用いているので、円板状のターゲットを用いる場合と異なり、複数枚並べて成膜することができる。正方形板状のターゲット１５を複数枚並べたターゲット６５を用い、異なる方向のターゲット６５の構成粒子が叩き出されるか蒸発されるようにレーザ光３０の走査を行う毎にターゲット６５を９０゜ずつ回転させることにより、第二の実施形態の薄膜３と同様の作用効果を奏するうえ、より長時間の成膜を行うことができる。
【００４０】
なお、上記の実施の形態では、本発明を酸化物超電導体の薄膜の形成方法に適用した場合について説明したが、必ずしもこれに限られず、ターゲットにレーザ光を照射して、ターゲットの構成粒子を叩き出し若しくは蒸発させて、基材上に上記構成粒子を堆積させて薄膜を形成する方法であれば適用可能である。
【００４１】
【実施例】
（実施例）
図２に示すレーザ蒸着装置を用い、ハステロイテープの表面に厚さ０．７μｍのＹＳＺ多結晶中間薄膜を形成した薄膜積層体をこの多結晶中間薄膜側を上にして基台上に設置し、ターゲットとしてＹ1Ｂａ2Ｃｕ3ＯX系の長方形板状のターゲットを支持ホルダの支持部に取り付け、蒸着処理室を真空排気装置で減圧した。送出装置から上記薄膜積層体を送り出しつつ、レーザ発光装置からレーザ光を発生させ、レーザ光の照射位置をターゲットの表面上でＸ−Ｙ移動させるレーザ光の走査を２回行う際、各回の走査が終了する毎に、上記シャフト駆動源によりホルダ回転用シャフトを１８０゜ずつ回転させることにより上記ターゲットを１８０゜ずつ回転させて、異なる方向のターゲットの構成粒子が叩き出されるか蒸発されるようにして、上記多結晶中間薄膜の表面にターゲットの構成粒子を堆積させて、厚さ１μｍのＹ1Ｂａ2Ｃｕ3ＯXの薄膜を形成し、酸化物超電導導体を得た。なお、レーザ光をターゲットに照射する際のレーザ光の走査速度を２ｍｍ／秒、レーザ光の照射エネルギーを２００ｍＪ、照射周波数を１００Ｈｚとした。
【００４２】
（比較例）
レーザ光の照射位置をターゲットの表面上で移動させるレーザ光の走査を２回行う際、ターゲットを回転させることなく、同一の経路に沿ってレーザ光を往復移動させた以外は上記実施例と同様にして多結晶中間薄膜の表面にターゲットの構成粒子を堆積させて、厚さ１μｍのＹ1Ｂａ2Ｃｕ3ＯXの薄膜を形成し、酸化物超電導導体を得た。
【００４３】
上記実施例と比較例で使用後のターゲットの表面の組織の状態をマイクロスコープにより観察した。その結果を図１０〜図１１に示す。図１０は、実施例で使用後のターゲット材料の表面の組織の状態を示すマイクロスコープ写真である。図１１は、比較例で使用後のターゲット材料の表面の組織の状態を示すマイクロスコープ写真である。
図１０〜図１１から明らかなように比較例で使用後のターゲットは、一方向だけ深く削れて表面が鱗状になっているが、実施例で使用後のターゲットの表面は、一方向だけでなく、異なる方向も削られており、比較例で使用後のターゲットと比べて平滑であることがわかる。
また、実施例と比較例において薄膜の成膜時間と、各成膜時間で得られる酸化物超電導導体の超電導特性との関係について調べた。ここでの超電導特性は、得られた酸化物超電導導体を液体窒素で冷却しつつ、７７Ｋ、０Ｔの条件での臨界電流密度を測定した。結果を表１に示す。
【００４４】
【表１】
表１に示した結果から比較例の薄膜の形成方法では、成膜時間が長くなると、得られる酸化物超電導導体の臨界電流密度の低下の割合が大きくなっている。これに対して実施例の薄膜の形成方法では、成膜時間が長くなっても得られる酸化物超電導導体の臨界電流密度は殆ど低下しておらず、しかも、比較例で得られたものに比べて優れた臨界電流密度が得られていることがわかる。
【００４６】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように本発明の薄膜の形成方法によれば、レーザ光の照射位置を上記ターゲットの表面上で移動させるレーザ光の走査を行いながらレーザ光をターゲットに対して斜め方向に照射してレーザ蒸着する際に、ターゲットを前面側に支持する支持ホルダを用い、該支持ホルダの裏面側に立設したシャフトを利用して前記シャフトの軸周りに前記シャフトともに前記ターゲットを回転させて前回のレーザ光の走査と今回のレーザ光の走査において前記レーザ光により前記ターゲットを彫り込む方向を変更して前記ターゲットの彫り込み方向の異なるターゲットの構成粒子が叩き出されるか蒸発されるようにすることにより、ターゲットが一方向だけ深く削られることを防止して、ターゲットの寿命を延ばすことができ、高特性の薄膜を長尺にわたり均一に形成できる。
また、本発明の薄膜の形成方法によれば、レーザ光の照射位置を上記ターゲットの表面上で移動させるレーザ光の走査を複数回行うことによりレーザ光をターゲットに照射してレーザ蒸着する際に、前記ターゲットを前面側に支持する支持ホルダを用い、該支持ホルダの裏面側に立設したシャフトを利用して前記シャフトの軸周りに前記シャフトとともに前記ターゲットを回転させる操作を前記ターゲットの一方の端部から他方の端部まで前記レーザ光を一端走査した後に行い、前回の前記ターゲットの一方の端部から他方の端部まで一端走査する際の前記ターゲットの彫り込み方向と、今回の前記ターゲットの他方の端部から一方の端部まで一端走査する際の前記ターゲットの彫り込み方向とを変更し、前記ターゲットの彫り込み方向の異なるターゲットの構成粒子が叩き出されるか蒸発されるようにするので、ターゲットが一方向だけ深く削られることを防止して、ターゲットの寿命を延ばすことができ、高特性の薄膜を長尺にわたり均一に形成できる。
【００４７】
さらに、本発明の薄膜の形成方法において、ターゲットとして方形板状のものを用いることにより、円板状のターゲットを用いる場合と異なり、複数枚並べて成膜することができる。そして、正方形板状のターゲットを複数枚並べた構成したターゲットを用い、異なる方向のターゲットの構成粒子が叩き出されるか蒸発されるようにレーザ光の走査を行う毎にターゲットを回転させることにより、ターゲットが一方向だけ深く削られることを防止して、ターゲットの寿命を延ばすことができ、高特性の薄膜を長尺にわたり均一に形成できるうえ、より長時間の成膜を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施形態の酸化物超電導体の薄膜の形成方法により得られた酸化物超電導導体を示す斜視断面図である。
【図２】 本発明の薄膜の形成方法の実施に好適に用いられるレーザ蒸着装置の概略構成を示す図である。
【図３】 本発明の第一の実施形態の酸化物超電導体の薄膜の形成方法において用いられるターゲットと、該ターゲットに第一回目のレーザ光の走査を行ったときのレーザ光の軌跡を示す平面図である。
【図４】 本発明の第一の実施形態の酸化物超電導体の薄膜の形成方法において、第一回目のレーザ光の走査後に１８０゜回転させたターゲットと、該ターゲットに第二回目のレーザ光の走査を行ったときのレーザ光の軌跡を示す平面図である。
【図５】 本発明の第二の実施形態の酸化物超電導体の薄膜の形成方法において用いられるターゲットと、該ターゲットに第一回目のレーザ光の走査を行ったときのレーザ光の軌跡を示す平面図である。
【図６】 本発明の第二の実施形態の酸化物超電導体の薄膜の形成方法において、第一回目のレーザ光の走査後に９０゜回転させたターゲットと、該ターゲットに第二回目のレーザ光の走査を行ったときのレーザ光の軌跡を示す平面図である。
【図７】 本発明の第二の実施形態の酸化物超電導体の薄膜の形成方法において、第二回目のレーザ光の走査後に９０゜回転させたターゲットと、該ターゲットに第三回目のレーザ光の走査を行ったときのレーザ光の軌跡を示す平面図である。
【図８】 本発明の第二の実施形態の酸化物超電導体の薄膜の形成方法において、第三回目のレーザ光の走査後に９０゜回転させたターゲットと、該ターゲットに第四回目のレーザ光の走査を行ったときのレーザ光の軌跡を示す平面図である。
【図９】 本発明の第三の実施形態の酸化物超電導体の薄膜の形成方法において用いられるターゲットと、該ターゲットに第一回目のレーザ光の走査を行ったときのレーザ光の軌跡を示す平面図である。
【図１０】 実施例で使用後のターゲット材料の表面の組織の状態を示すマイクロスコープ写真である。
【図１１】 比較例で使用後のターゲット材料の表面の組織の状態を示すマイクロスコープ写真である。
【図１２】 従来の薄膜の形成方法により酸化物超電導体の薄膜を形成するためのレーザ蒸着装置の概略構成を示す図である。
【図１３】 図１２に示したレーザ蒸着装置に備えられた円形のターゲットと、該ターゲットにレーザ光を照射したときのレーザ光の軌跡を示す平面図である。
【図１４】 図１２に示したレーザ蒸着装置に備えられた方形のターゲットと、該ターゲットにレーザ光を照射したときのレーザ光の軌跡を示す平面図である。
【図１５】 従来の薄膜の形成方法によりレーザ光をターゲットに繰り返し照射したときのターゲット表面が一方向だけ深く削られた状態を示す断面図である。
【符号の説明】
１・・・基材、３・・・薄膜、１５・・・ターゲット、３０・・・レーザ光、３７・・・支持ホルダ、３８・・・支持部、３９・・・ホルダ回転用シャフト、６５・・・ターゲット。
Claims (6)
- レーザ光をターゲットに照射し、前記ターゲットに沿ってレーザ光を複数回走査して、ターゲットの構成粒子を叩き出し若しくは蒸発させて、基材上に前記構成粒子を堆積させることにより薄膜を形成する薄膜の形成方法であって、レーザ光の照射位置を上記ターゲットの表面上で移動させるレーザ光の走査を行いながらレーザ光をターゲットに対して斜め方向から照射してレーザ蒸着するにあたり、前記ターゲットを前面側に支持する支持ホルダを用い、該支持ホルダの裏面側に立設したシャフトを利用して前記シャフトの軸周りに前記シャフトともに前記ターゲットを回転させて前回のレーザ光の走査と今回のレーザ光の走査において前記レーザ光により前記ターゲットを彫り込む方向を変更して前記ターゲットの彫り込み方向の異なるターゲットの構成粒子が叩き出されるか蒸発されるようにすることを特徴とする薄膜の形成方法。
- レーザ光をターゲットに照射し、前記ターゲットに沿ってレーザ光を複数回走査して、ターゲットの構成粒子を叩き出し若しくは蒸発させて、基材上に前記構成粒子を堆積させることにより薄膜を形成する薄膜の形成方法であって、レーザ光の照射位置を上記ターゲットの表面上で移動させるレーザ光の走査を行いながらレーザ光をターゲットに対して斜め方向から照射してレーザ蒸着するにあたり、前記ターゲットを前面側に支持する支持ホルダを用い、該支持ホルダの裏面側に立設したシャフトを利用して前記シャフトの軸周りに前記シャフトとともに前記ターゲットを回転させる操作を前記ターゲットの一方の端部から他方の端部まで前記レーザ光を一端走査した後に行い、前回の前記ターゲットの一方の端部から他方の端部まで一端走査する際の前記ターゲットの彫り込み方向と、今回の前記ターゲットの他方の端部から一方の端部まで一端走査する際の前記ターゲットの彫り込み方向とを変更し、前記ターゲットの彫り込み方向の異なるターゲットの構成粒子が叩き出されるか蒸発されるようにすることを特徴とする薄膜の形成方法。
- 前記ターゲットとして方形板状のものを用いることを特徴とする請求項１又は２記載の薄膜の形成方法。
- 前記ターゲットの回転角度が１８０゜であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の薄膜の形成方法。
- 前記ターゲットの回転角度が９０゜であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の薄膜の形成方法。
- 前記ターゲットとして、複数枚のターゲットが並べられてなるものを用いることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の薄膜の形成方法。
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