JPH03134164A - 薄膜形成装置及びこの装置を用いた超伝導薄膜形成方法 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、酸化物超伝導薄膜を作製するための薄膜形成
装置及びこの装置を用いた超伝導薄膜形成方法に関する
。

〔従来の技術〕

従来、被薄膜形成基板（以下、基板と称す）上に薄膜を
形成する薄膜形成装置としては、周知のＰＶＤ法、スパ
ッタ法、ＣＶＤ法、ＩＣＢ法等を利用したものが良く知
られているが、近年、これら薄膜形成装置を用いて酸化
物超伝導薄膜を形成する試みがなされている。

酸化物超伝導薄膜は、臨界温度（転移温度）が８０に以
上と高く、液体窒素による冷却で容易に超伝導状態を維
持できるため、エレクトロニクス分野、特に、ジョセフ
ソン素子、５ＱＵＩＤ、トランジスター、光センサ−、
スイッチ素子等への応用が期待されている。

従来、酸化物超伝導薄膜を形成する方法の一つとして、
反応性同時蒸着法がある。

この反応性同時蒸着法を応用した超伝導薄膜形成方法と
しては、Ｙ（イツトリウム）系、Ｅｒ（エルビウム）系
超伝導薄膜の場合には、Ｙ　（Ｅｒ）。

Ｂａ（バリウム）　、　Ｃｕ（銅）金属の三元素を抵抗
加熱と電子ビーム加熱により同時に蒸発させ、酸素ガス
を導入し、高周波電界によりイオン化を行いながら作製
する方法が提案されている（Ｊｐｎ、　Ｊ。

Ａｐｐｌ、　Ｐｈｙｓ、、　２７（１９８８）Ｌ９１）
、また、Ｂ１−３ｒ−Ｃａ−Ｃｕ−０系超伝導薄膜作製
法としては、Ｂｉ（ビスマス）、Ｓｒ（ストロンチウム
）−Ｃａ（カルシウム）、Ｃｕ金属を電子ビームにより
加熱し。

同時蒸発させ、酸素ガスを導入しながら作製する方法が
提案されている。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところで、基板上に超伝導薄膜を形成する手段としては
、上述の方法の他、種々のものが提案され、その方法も
極めて多岐にわたっている。しかし、従来の製法におい
ては、基板加熱が高く、電気炉による高温の熱処理を要
し、緻密でしかもａｓ−ｇｒｏｗｎで臨界温度の高い膜
形成が困難であり、現在課題となっている。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、低
基板加熱温度（＜　ＳＯＯ℃）　、ａｓ−ｇｒｏすｎで
臨界温度の高い超伝導薄膜を形成することのできる薄膜
形成装置及びこの装置を用いた超伝導薄膜形成方法を提
供することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するため、本発明による薄膜形成装置は
、酸素ガスが導入される真空槽と、この真空槽内におい
て蒸発物質を蒸発させるための蒸発源と、上記真空槽内
に配置され被薄膜形成基板を上記蒸発源に対向するよう
に保持する対電極と、上記蒸発源と上記対電極との間に
配備され蒸発源からの蒸発物質を通過させうるグリッド
と、このグリッドを上記対電極の電位に対して正電位と
する手段と、上記真空槽内において上記グリッドより蒸
発源側に配備される熱電子発生用のフィラメントとを備
えた薄膜形成装置であって、上記蒸発源を複数配設する
と共に、各蒸発源の境界位置に仕切板を設け、且つ、各
々の蒸発源に対して上記構成のグリッド及びフィラメン
トを夫々配置したことを特徴とする。

また１本発明による超伝導薄膜形成方法は、上述の薄膜
形成装置を用いた超伝導薄膜形成方法であって、■蒸発
物質としては、多元素（酸素を除く２元素以上）からな
る酸化物超電導体を構成する元素単体あるいはそれら化
合物若しくは合金を蒸発源にし、■真空槽内に導入する
酸素ガスの圧力は、２Ｘ１０−’〜ｌＸ１０’Ｐａ、■
各グリッドへの印加電圧は、５０ｖ〜３００ｖの範囲、
■成膜速度は、１〜５０人／ｓｅｅ、■基板加熱温度８
００℃以下、の条件で作製することを特徴とする。

〔作　　　用〕

本発明の薄膜形成装置は前述の如く、真空槽、対電極、
グリッド、熱電子発生用のフィラメント。

そして蒸発源とを備えており、上記真空槽内には、活性
若しくは不活性ガス、あるいはこれら両者の混合ガスが
導入される。上記対電極は真空槽内に配備され、基板を
保持し、かつ上記基板が蒸発源と対向させられている。

上記グリッドは、蒸発物質を通過させうるものであって
、蒸発源と対電極間に配備され、フィラメント及び対電
極の電位に対し正電位に置かれる。従って、真空槽内に
グリッドから基板に向かう電界と、グリッドから蒸発源
に向かう電界とが逆向きに形成される。熱電子発生用の
フィラメントは、真空槽内の上記グリッドより蒸発源側
に配備され、このフィラメントにより発生する熱電子は
、蒸発物質の一部をイオン化するのに供される。

蒸発源からの蒸発物質は、その一部がフィラメントから
の電子により正イオンにイオン化される。

このように一部イオン化された蒸発物質はグリッドを通
過し、さらにイオン化されたガスにより正イオンにイオ
ン化を促進され、上記電界の作用により基板の方へと加
速される。尚、フィラメントからの電子はフィラメント
温度に相当する運動エネルギーを持ってフィラメントか
ら放射されるので、正電位のグリッドに直ちに吸収され
ずに、これを通過し、グリッドによるクーロン力に引き
戻され、更にグリッドを通過し、というようにグリッド
を中心として振動運動を繰り返し、遂にはグリッドに吸
収される。したがって、フィラメントからの熱電子は基
板へは達せず、基板は熱電子による電子衝撃を受けない
ので、それによる加熱がなく、基板の温度上昇が防止で
き、蒸着物質の再蒸発による組成ずれや膜質への悪影響
が小さくなる。

ここで、本発明では、以上の構成、作用を有する薄膜形
成装置に蒸発源を２個以上用いる同時蒸着法を適用し、
前述したように、真空槽内に上記蒸発源を複数配設する
と共に、各蒸発源の境界位置に仕切板を設ける。そして
、各々の蒸発源に対して上記構成のグリッド及びフィラ
メントを夫々配置し、個々の蒸発源からの蒸発物質を効
率良くイオン化する。

尚、複数の蒸発源に対し、−個のフィラメントでイオン
化をさせる場合、個々の蒸発物質のイオン化エネルギー
が異なるため、フィラメントの電力値によってはある物
質がイオン化されなかったり、熱電子のエネルギーが大
きすぎて基板あるいは膜に衝突し、悪影響を及ぼすこと
などが考えられる。そこで、各蒸発源にフィラメント、
グリッドを置き、フィラメント電力を調節し、イオン化
の最適化を図る。尚、各フィラメント、グリッドは蒸発
源間に設けられた仕切板の高さより下に置かれる。また
、各グリッドは直流電源を介して接地されており、接地
された対電極との間には前述したように電界が形成され
ている。したがって。

グリッドを通過し、イオン化された蒸発物質は基板へ向
けて加速され、基板面に効率良く蒸着される。

〔実　施　例〕

以下１図面を参照して本発明の実施例について詳細に説
明する。

第１図は本発明による薄膜形成装置の基本構成を示す概
略的構成図である。

第１図において、ベースプレート１とペルジャー２とは
バッキング１５を介して一体化され真空槽を形成してい
る。ベースプレート１は支持体兼用の電極３．５，７．
９により貫通されているが、これら支持体兼用電極３，
５，７．９の貫通部は気密状態に保たれており、さらに
これら支持体兼用電極３，５，７．９とベースプレート
１とは電気的に絶縁されている。また、ベースプレート
１の中央部に穿設された孔ＩＡは図示されていない真空
排気系へ連結されている。

符号３で示す一対の支持体兼用電極に支持された蒸発源
４には、通常、抵抗加熱蒸発源を用いるが、これ以外に
、電子ビーム蒸発源を用いる場合がある。

符号５で示す一対の支持体兼用電極の間には、タングス
テン等による熱電子発生用のフィラメント６が支持され
ている。このフィラメント６の形状は複数本のフィラメ
ントを平行に配列したり、あるいは網目状にしたりする
などして、蒸発源４から蒸発した蒸発物質の粒子の拡が
りをカバーするように定められている。

符号７で示す支持体兼用電極には、グリッド８が支持さ
れており、このグリッド８は蒸発物質が通過する間隙を
持つようにその形状が定められているが、この例では網
目状である。

符号９で示す支持体兼用電極には対電極１０が支持され
、その対電極１０の下位、すなわち、対電極１０のグリ
ッド８等と対向する側の面には基板１１が保持されてい
る。

さて、支持体兼用電極３，５．７は導電体であって、そ
れらの真空槽外へ突出した端部間は図示したように種々
の電源に接続されている。尚、蒸発源４の電源は省略し
である。

グリッド８用の支持体兼用電極７は直流電源１４の正電
極に接続され、直流電源１４の負電極側が接地される。

また、対電極１０用の支持体電極９は上記直流電源１４
の負電極側と同様に接地されている。

従って、グリッド８と対電極１０との間には電界が形成
されている。

図中符号１２．１３は抵抗加熱用とフィラメント加熱用
の交流電源を示しているが、フィラメント用には直流電
源を用いてもよい。

次に、第２図は上記第１図に示した薄膜形成装置を応用
して構成した。酸化物超伝導薄膜形成用の本発明による
薄膜形成装置の概略的構成図である。

第２図に示す装置において、第１図と同符号を付したも
のは同様の構成、機能を有する構成部材であるが、第２
図に示す装置においては、蒸発源４を三つ配設し、各蒸
発源４の間に仕切板１６を設けた例を示しており、蒸発
源４は電子ビームにより加熱する方式である。しかし、
蒸発源は全て電子ビーム加熱である必要はなく、例えば
、三つの蒸発源のうち、一つは抵抗加熱方式によるもの
でも良い。また、各蒸発源４の上には夫々フィラメント
６、グリッド８が配設されており、各グリッド８は第１
図に示す装置と同様に、正電位になっている。各グリッ
ド８は基板１１の方向に向けて配置されており、イオン
化された蒸発物質を基板１１に集めるように作用する。

上記仕切板１６は対電極１１と同様に接地されているが
、この仕切板１６は各蒸発物質が干渉しないようにする
ためのものであり、グリッド８は仕切板１６より低い位
置にあるのが良い。

真空槽を構成するペルジャー２には真空槽内にガスを導
入するための導入パイプ１７が設けられているが、酸化
物超伝導薄膜形成時には、この導入パイプ１７を介して
酸素ガスが真空槽内に導入される。尚、導入パイプ１７
は、場合によっては、基板の近傍まで延長することもあ
る。

次に、第２図に示す構成の薄膜形成装置を用いた酸化物
超伝導薄膜の形成方法について説明する。

第２図において、基板工１を対電極ＩＯに図示のように
セットし、また、蒸発物質として、金属Ｂｉ。

金属Ｓｒ、金属Ｃａ　を金ＲＣｕ、またはＢｉ金凰。

５ｒ−Ｃａ合金、Ｃｕ金属、場合によっては、上記物質
の酸化物を用い、各蒸発源４に保持させるか、あるいは
、Ｙ、Ｂａ、Ｃｕ金属を各蒸発源に保持させる。ここで
は、Ｙ、Ｂａ、Ｃｕ金属を蒸発物質として用いた場合に
ついて説明する。

今、Ｙ、Ｂａ、Ｃｕ金属が夫々各蒸発源４の電子銃内の
るつぼに置かれ、真空槽内が図示されない排気装置によ
って排気される。このとき、真空槽内は予め１０”３〜
１０−’Ｐａの圧力にしておき、次に、酸素ガスを導入
し、１０°〜１０−”Ｐａの圧力にする。

この状態において、電源を作動させると、グリッド８に
正の電位が印加され、フィラメント６には電流が通電さ
れる。ここで、例えばグリッド８は網目状であり、１０
０Ｖの電圧が印加される。また。

Ｙ用の蒸発源は３５０Ｗ、　Ｂａ用の蒸発源は４００す
、Ｃｕ用の蒸発源はｓｓｏｗの電力がかけられている。

また、フィラメント６にはタングステンワイヤーが用い
られ、このフィラメント６は抵抗加熱により加熱され熱
電子を放射する。真空槽内の酸素分子は、上記フィラメ
ント６より放出された熱電子との衝突によってイオン化
される。

蒸発したＹ、Ｂａ、Ｃｕの粒子は拡がりを持って基板の
側へ向かって飛行するが、その一部及び前記導入ガスは
フィラメント６より放出された熱電子との衝突によって
イオン化される。このように一部イオン化された上記各
元素はグリッド８を通過するが、その際、前述したよう
に、グリッド８近傍において上下に振動運動する熱電子
及び前記イオン化された導入ガスとの衝突により、さら
にイオン化が促進される。グリッド８を通過した蒸発物
質中、いまだイオン化されていない部分は更にグリッド
８と基板１１の間において、前記イオン化された漣大ガ
スとの衝突により正イオンにイオン化される。そして、
これらイオン化された各元素は、グリッド８から対電極
１０に向かう電界の作用により基板１１に向かって加速
され、基板１１に高エネルギーを持って向かう、更に、
その途中及び基板表面において酸素と結合し、Ｙ−Ｂａ
−Ｃｕ−０酸化物が基板に形成される。フィラメント６
より放出された熱電子は、最終的にはその大部分がグリ
ッド８に吸収され、一部の熱電子はグリッド８を通過す
るが、グリッド８と基板１１との間で前記電界の作用に
より減速されるので、仮に基板１１に達しても基板１１
を加熱するまでに到らない。

尚、成膜中には、対電極１０上に組み込まれている基板
加熱ヒーターによって、基板加熱温度４００℃で加熱し
ながら膜の結晶化を行わせる。また、組成は各元素の原
子比がＹ：Ｂａ：Ｃｕ＝１：２：３になるように、各蒸
発源からの蒸発速度をコントロールして蒸発させる。こ
のとき、膜厚は０．１μ噛〜２μｍにする。薄膜の成膜
後は、蒸発源４が十分に冷えた後、酸素ガス圧を１０”
Ｐａ以上にしながら基板１１が室温になるまで除冷する
。さらに、蒸着中、酸素圧、グリッド電力、フィラメン
ト電流を変えることで、基板温度が低くても十分な超伝
導特性が得られるようになる。しかも、高エネルギーで
粒子が基板に飛び込んでくるので緻密な膜が得られる。

従って、本発明によれば、十分な超伝導特性を持つ薄膜
が得られ、臨界温度が８０に以上の超伝導薄膜が得られ
る。

〔発明の効果〕

以上説明したように１本発明による薄膜形成装置では、
蒸発物質がイオン化し、高エネルギーを電気的に有する
ので、反応性を必要とする成膜。

結晶化を必要とする成膜を温度という熱エネルギーを与
えずに実現できるので低温成膜が可能となる。したがっ
て１本発明によれば、基板上に多元素からなる超伝導薄
膜等を緻密に密着性良く形成することができる。

また、本発明による超伝導薄膜形成方法によれば、上記
薄膜形成装置を用い、導入酸素圧、成膜速度、グリッド
電流電圧、フィラメント電流電圧をコントロールするこ
とにより、低基板加熱温度で、しかもａｓ−ｇｒｏｗｎ
で臨界温度の高い緻密な超伝導薄膜を再現性よく得るこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る薄膜形成装置の基本構成を示す概
略的構成図、第２図は本発明による超伝導薄膜形成用の
薄膜形成装置の概略的構成図である。 １・・・・ベースプレート、２・・・・ペルジャー、３
゜５．７．９・・・・支持体兼用電極、４・・・・蒸発
源、６・・・・フィラメント、８・・・・グリッド、１
０・・・・対電極、１１・・・・被薄膜形成基板、１２
．１３・・・・交流電源、１４・・・・直流電源、１５
・・・・バッキング、１６・・・・仕切板、１７・・・
・ガス４人パイプ。 最４　口

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．酸素ガスが導入される真空槽と、この真空槽内にお
   いて蒸発物質を蒸発させるための蒸発源と、上記真空槽
   内に配置され被薄膜形成基板を上記蒸発源に対向するよ
   うに保持する対電極と、上記蒸発源と上記対電極との間
   に配備され蒸発源からの蒸発物質を通過させうるグリッ
   ドと、このグリッドを上記対電極の電位に対して正電位
   とする手段と、上記真空槽内において上記グリッドより
   蒸発源側に配備される熱電子発生用のフィラメントとを
   備えた薄膜形成装置であって、上記蒸発源を複数配設す
   ると共に、各蒸発源の境界位置に仕切板を設け、且つ、
   各々の蒸発源に対して上記構成のグリッド及びフィラメ
   ントを夫々配置したことを特徴とする薄膜形成装置。 ２．請求項１記載の薄膜形成装置を用いた超伝導薄膜形
   成方法であって、 （１）蒸発物質としては、多元素（酸素を除く２元素以
   上）からなる酸化物超電導体を構成する元素単体あるい
   はそれら化合物若しくは合金を蒸発源にし、 （２）真空槽内に導入する酸素ガスの圧力は、２×１０
   ＾−＾２〜１×１０＾１Ｐａ、 （３）各グリッドへの印加電圧は、５０Ｖ〜３００Ｖの
   範囲、 （４）成膜速度は、１〜５０Å／ｓｅｃ、 （５）基板加熱温度８００℃以下、 の条件で作製することを特徴とする超伝導薄膜形成方法
   。