JPH01161616A - 超電導体薄膜の形成装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、良好な特性を有する酸化物超電導体薄膜の形
成装置に関する。

（従来の技術） 最近、希土類元素を含むペロブスカイト型の高温酸化物
超電導体が注目されている。代表的には、Ｙ−Ｂａ−Ｃ
ｕ−０系或いは、Ｌａ　−３ｒ　−Ｃｕ−０系等がよく
知られている。これらの酸化物超電導体を各種電子素子
に応用するには、薄膜化が必要である。超電導体薄膜を
形成するための基板として、Ｓｒ　Ｔｉ　０３　、Ｍｇ
　Ｏ，ジルコリア。

サファイア、５ｉ０２等の誘電体基板、またＳｔ。

ＧａＡｓ等の半導体基板、更にこれらの半導体基板を誘
電体膜で覆ったもの、等が種々試みられている。しかし
これらの基板に形成された酸化物超電導体薄膜は一般に
非晶質であり、優れた超電導体特性を得るためには、膜
形成後４００〜９００℃という高温の熱処理が必要であ
った。これは、超電導体材料である酸化物粉末を蒸着ま
たはスパッタして得られる薄膜は成分が不均一であり、
また薄膜中の酸素濃度が不足しているため、酸素等を補
給しながら薄膜の均一化、結晶化を進める必要があるか
らである。

しかしながら、上記のように酸化物超電導体薄膜を形成
した後、高温の熱処理を行なうと、基板との間で成分の
相互拡散が生じてその接合部に反応生成物が形成された
り、また基板および酸化物超電導体の組成を変化させ、
その特性を変化させてしまう、といった問題がある。ま
た、超電導薄膜を各種電子素子に応用するためには、そ
の単結晶化が望まれるが、上記のような膜形成後の熱処
理では容易には結晶化しない。

従って、超電導体薄膜を各種の素子に応用するには、比
較的低温の熱処理で所望の結晶構造が得られ、超電導特
性を示すことが要求される。この様な要求を満たすため
には、極く薄い薄膜形成とその結晶化処理を繰返して、
所望の厚みの結晶化超電導薄膜を得ることが望ましい。

膜が薄い程、酸素供給および結晶化処理が容易で確実だ
からである。

この様な非常に薄い膜形成を制御性よく行なう方法とし
て、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）がある。ＭＢＥ法で
は、１０−９ｔｏｒｒといった高真空下で膜形成を行な
うため、基板への不純物付着が少なく、また低温でも膜
形成ができる。ところが、ＭＢＥ法は高真空下で行なう
ため、酸素供給が難しい。特に上述のように、膜形成と
酸素供給を伴う熱処理とを複数回繰返す方法を採用しよ
うとすると、その制御は極めて困難になる。

（発明が解決しようとする問題点） 以上のように、酸化物超電導体薄膜を実際の素子に応用
するに当たっては、比較的低温の熱処理で所望の結晶性
構造が得られ、超電導特性を示す薄膜を得ることが望ま
れる。

本発明の目的は、基板の高温加熱を行なうことなく良好
な超電導特性を得ることができる酸化物超電導体薄膜の
形成装置を提供することにある。

［発明の構成コ （問題点を解決するための手段） 本発明の装置は、上述のような膜堆積と熱処理を複数回
繰返すに相応しい構造として、蒸若源収納部と基板収納
部との間がゲートバルブで連結された蒸着容器を用いる
。蒸着容器外部にはバルブ制御装置を備える。そして基
板収納部は同時に酸素プラズマ処理室となっており、こ
こに基板を保持したまま、ゲートバルブの開閉、基板へ
の極薄膜の堆積と酸素プラズマ処理を交互に繰返すこと
ができるようになっている。

（作用） 本発明では、基板上に形成された酸化物超電導薄膜を酸
素プラズマにより処理する。このため基板を高温にする
ことなく、酸化物超電導体薄膜への十分な酸素供給と結
晶化ができる。また、蒸着容器は、ゲートバルブで二つ
に分けられているから、膜形成時は高真空状態に保ち、
膜形成後酸素プラズマ処理を行なう、という工程を容易
に繰返すことができる。従って所望の膜厚の酸化物超電
導体薄膜を優れた特性をもって形成することができる。

基板を比較的低温に保つことができる結果、酸化物超電
導体薄膜の基板として各種の半導体基板を用いることも
可能になる。これは、酸化物超電導体薄膜の素子応用を
広いものとする。

（実施例） 以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。

第１図は一実施例の蒸右装置を示す。蒸管容器は蒸着源
収納部１と基板収納部２とから構成され、両者の間はゲ
ートバルブ３により連結されている。蒸着源は抵抗加熱
によるフラッシュ蒸着源であり、ヒータが巻かれたルツ
ボ４、原料粉末５を収容したホッパー６、このホッパー
６から原料粉末５を少しずつルツボ４に供給するための
シュート７、このシュート７に振動を与えるための偏心
した回転軸を持つバイブレータ８等により構成される。

この蒸着源収納部１はメイン排気系に接続されている。

基板収納部２は、基板の出入れを行なうゲートバルブ９
があり、内部には蒸着源の上方に位置して基板支持台１
０があり、これに基板１１が支持されるようになってい
る。基板収納部２は、酸素プラズマ処理室を兼ねている
。即ち基板支持台１０に対向してリング状の平板電極１
２が配置されており、基板支持台１０と電極１２の間に
この実施例では、高周波電源１３が接続されている。ま
た基板収納部２には、バルブ１４．１５を介してガス供
給系、ガス排気系が接続されており、内部に酸素ガスを
供給して支持台１０と電極１２の間に酸素プラズマを生
成できるようになっている。これらのバルブ１４．１５
およびゲートバルブ３は、外部のバルブ制御装置１６に
より制御される。

この様な装置を用いて具体的な酸化物超電導体薄膜の製
造は次のように行われる。例えば、Ｙ−Ｂａ　−Ｃｕ　
−０系の酸化物超電導体薄膜を形成する場合に、ホッパ
ー６に、Ｙ、Ｂａ、Ｃｕのそれぞれの酸化物粉末を所定
の割合いに混合して、或いはＹＢａ　Ｃｕ　Ｏの顆粒状
原料を原料粉末５として入れる。そしてこの原料粉末５
を少しずつルツボ４に供給しながら、基板１１に極薄膜
を蒸着する。この蒸着は、ゲートバルブ３を開、バルブ
１２．１３は閉として、蒸着容器内全体を所定の真空度
に設定して行なう。フラッシュ蒸着はルツボ４に供給さ
れた原料を素早く蒸発させるので、複合原料により形成
される膜の組成を均一に保つ方法として有用である。−
回の蒸着は例えば原料粉末ｌｌ１ｇ程度の極少量とし、
膜厚は１〜数単位結晶層とする。この−回の蒸着量の制
御は例えば、ゲートバルブ３の制御により、またはゲー
トバルブ３とは別に蒸着源の上部或いは原料供給部にシ
、ヤッターを設けてそのシャッター制御により行なうこ
とができる。極薄膜の堆積後、ゲートバルブ３を閉じ、
バルブ１５が閉、バルブ１４が開の状態として、基板収
納部２に酸素ガスを供給し、高周波電源をオンとして酸
素プラズマを生成する。

酸素プラズマはそれ自身十分なエネルギーをもっている
ので、基板１１を低温に保った状態で極薄膜への酸素供
給ができる。このとき、形成されるＹ−Ｂａ−Ｃｕ−０
膜の結晶化を促進するため、基板をある程度加熱するこ
とも可能である。その場合にも、基板収納部２の真空度
は蒸着源収納部１に比べて真空度が数桁悪くなっている
ので、この基板加熱により薄膜中の成分が離脱して組成
が不安定になることは防止される。

以下、同様の薄膜堆積と酸素プラズマ処理の工程を所望
の膜厚が得られるまで繰返す。例えば、１００サイクル
で１０００人程度０膜厚を得る。

バルブやシャッターの制御は、全てプログラムされたバ
ルブ制御装置１６により行われる。

具体的なデータを説明する。基板として単結晶Ｓｒ　Ｔ
１０３基板を用いた。

Ｙ　＋、　ｏ　Ｂ　ａｚ、　ｏＣｕ６．　ｏｏ　ｓの顆
粒状原料を、真空度約１０−５ｔｏｒｒの条件下で１層
分堆積し、酸素プラズマ処理をする、という工程を４０
回繰返し、厚さ約４０００人の薄膜を形成した。得られ
た薄膜のＸ線回折パターンを第２図に示す。元素分析の
結果この薄膜は、Ｙ　ｌｏＢ　ａ２．　＋　Ｃｕ２．　
ｇ　Ｏａであった。またこの薄膜の伝導度の温度依存性
を測定した結果が、第３図である。約９８にで抵抗が下
がり始め、約７７にで零抵抗となっている。

以上のようにしてこの実施例によれば、極薄膜の堆積と
酸素プラズマ処理を繰返すことによって、従来のように
基板の高温処理を行なうことなく、所望の酸化物超電導
体薄膜を得ることができる。

また実施例の装置によれば、蒸着装置内に基板をセット
したままの状態で膜堆積と酸素プラズマ処理を繰返すこ
とができる。基板収納部２は小さいものでよいので、酸
素ガス導入によるプラズマ生成と再排気とを速やかに繰
返すことができる。従って酸化物超電導体薄膜の形成作
業は、複数回の膜堆積、熱処理の繰返しを行なうにも拘
らず容易であり、また各処理工程毎に基板の出入れを行
なわないから、再現性よく安定した超電導特性を得るこ
とができる。

なお、酸素プラズマ処理時にこれにより基板温度が上昇
して不都合となることもある。このような場合、基板を
冷却する必要がある。従って基板収納部２には、基板温
度モニターを設けることが望ましい。

本発明は上記実施例に限られない。例えば実施例ではフ
ラッシュ蒸着法を用いたが、他の膜形成法例えば分子ビ
ーム蒸着法を利用することができる。第４図は、３源の
分子ビーム蒸着源２１゜２２．２３の例を示している。

この様な蒸着源を用いれば、必要な構成元素酸化物粉末
を別々に蒸発させることで、得られる膜の組成制御が正
確。

確実に行われる。またこの様な蒸着源を用いることによ
り、組成の異なる膜を順に積層することができる。また
実施例では、基板収納部内で酸素プラズマを生成するよ
うにしたが、容器外部でプラズマを生成してこれを基板
収納部２に導いてプラズマ処理を行なうように構成する
こともできる。

また実施例では、ゲートバルブ３により蒸着装置内を蒸
着源収納部１と基板収納部２に分離しているが、基板収
納部２に相当する小部屋を蒸着装置内に設けておき、薄
膜堆積後、基板をその部分に機械的に移動させて、ゲー
トバルブによりその部分を仕切るように構成することも
可能である。

その池水発明はその趣旨を逸脱しない範囲で種々変形し
て実施することができる。

［発明の効果コ 以上述べたように本発明によれば、高温の基板熱処理を
行なうことなく、所望の成分構成を保ちながら膜形成と
その結晶化処理を行い、優れた特性の酸化物超電導体薄
膜を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の蒸着装置を示す図、第２図
は実施例により得られ酸化物超電導体薄膜のＸ線回折結
果を示す図、第３図は同じく抵抗の温度依存性を示す図
、第４図は他の実施例に用いる電子ビーム蒸着源を示す
図である。 １・・・蒸着源収納部、２・・・基板収納部、３・・・
ゲートバルブ、４・・・ルツボ、５・・・原料粉末、６
・・・ホッパー、７・・・シュート、８・・・パイブレ
ーク、９・・・ゲートバルブ、１０・・・基板支持台、
１１・・・基板、１２・・・平板電極、１３・・・高周
波電源、１４．１５・・・バルブ、１６・・・バルブ制
御装置、２１〜２３・・・分子ビー今蒸着源。 出願人代理人　弁理士　鈴江武彦 俳 気 系 第１　図 ＋０　　　　２０　　　　３０　　　　４０　　　５０
ｅ 第２図 ６０　７０　８０　９０　１００（ｋ）１汽 第３図 第４図

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. （１）蒸着源収納部と基板収納部との間にゲートバルブ
   が設けられた蒸着容器と、前記ゲートバルブの開閉を制
   御するバルブ制御装置とを備え、前記基板収納部に基板
   を保持して、前記ゲートバルブを開いた状態でこの基板
   に酸化物超電導体薄膜を堆積し、前記ゲートバルブを閉
   じて前記基板収納部内で基板に堆積された薄膜の酸素プ
   ラズマ処理を行なうようにしたことを特徴とする超電導
   体薄膜の形成装置。
2. （２）前記超電導体薄膜が希土類元素を含有するペロブ
   スカイト型酸化物薄膜である特許請求の範囲第１項記載
   の超電導体薄膜の形成装置。
3. （３）前記蒸着源は、抵抗加熱によるフラッシュ蒸着源
   である特許請求の範囲第１項記載の超電導体薄膜の形成
   装置。
4. （４）前記蒸着源は、複数源の分子ビーム蒸着源である
   特許請求の範囲第１項記載の超電導体薄膜の形成装置。
5. （５）前記基板収納部は酸素プラズマ生成室であり、前
   記酸素プラズマ処理は、前記基板収納部の内部で生成し
   た酸素プラズマにより行なわれる特許請求の範囲第１項
   記載の超電導薄膜の形成装置。
6. （６）酸素プラズマ生成室は前記基板収納部の外部にあ
   り、前記酸素プラズマ処理は、前記基板収納部の外部で
   生成した酸素プラズマを基板収納部に導入して行なわれ
   る特許請求の範囲第１項記載の超電導薄膜の形成装置。