JPH03137006A - 酸化物超電導体薄膜用多元スパッタ方法および装置 - 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】 ［産業上の利用分野コ この発明は、酸化物超電導体薄膜を作製するスパッタ方
法および装置に関し、特に複数のターゲットを利用する
多元スパッタ方法および装置に関する。

［従来の技術］ 近年、酸化物超電導体が発見されて、その超電導臨界温
度Ｔ、が液体窒素温度（７７Ｋ）を越える高温であるこ
とから、その応用分野が急速に広がり、当該超電導体物
質の薄膜化や線材化への研究が活発に行われている。

この種のＢｉ電導体の超電導特性（臨界温度Ｔｃ、臨界
電流密度Ｊ。、上部臨界磁場Ｈ６２）は、その物質の組
成、酸素濃度、結晶性（単結晶、多結晶、無配向など）
によって大きく影響を受ける。例えば、Ｔ、、−９０Ｋ
を何するＹＢａ２Ｃｕ３０．系超電導体では、その組成
としてＹ：Ｂａ：Ｃｕ比がｌ：２二３であること、酸素
濃度ｙが６．９であること、結晶性がＣ軸配向もしくは
単結晶であることが、高Ｔ０、高ＪＣ１高Ｈｏ２の要件
である、ことが知られている。したがって、この種の超
電導体を薄膜化するには、 （ａ）膜の組成制御 （１＋）膜の酸素濃度制御 （ｃ）結晶性の制御 が、薄膜特性を改善するための重要なポイントとなる。

特に、膜成長直後の状９　（ａｓ−ｇｒｏｗｎ状態）で
超電導特性を得るためには、」二連の（ａ）　（ｂ）が
重要である。

酸化物超電導体の薄膜化の方法としては、蒸着法、レー
サー蒸着法、スパッタ法、イオンビームスパッタ法、Ｃ
ＶＤ法があげられるか、ここではスパッタ法について詳
述する。

酸化物超電導体の薄膜化へのスパッタ法の応用は、同物
質の発見以後活発に行われている。スパッタ法は量産性
に優れているが、単一のターゲットを使ったスパッタ法
では、ターゲット組成がそのまま膜組成に転写されない
という欠点かあった。この点についての代表的な論文と
しては、０、　Ｍｉｃｈｉｋａｍ＋等の論文（Ｊ．Ｊ．
Ａ．Ｐ．　Ｖｏｌ．２６　Ｎｏ．７Ｌ１．Ｉ９９　（１
９８７）　）や、Ｍ．　Ｋａｗａｓａｋｉ等の論文（Ｊ
．Ｊ．八．Ｐ．　Ｖｏｌ．２Ｂ　Ｎｏ．５　Ｌ７３Ｂ　
（１９８７））が挙げられる。ターゲット組成がそのま
ま膜組成に転写されない原因としては次のことが考えら
れる。

（１）基板に入射する高速２次電子による影響（２）基
板に入射する高速負イオン（主として酸素負イオン）に
よる影響 （３）ターゲット物質（例えば、Ｂａｄ，Ｂａ、Ｃｕ，
ＣｕＯ等）の蒸気圧の違いよる影響通常のスパッタ法は
、ターゲットと基板が対向するように配置されており、
ターゲットと基板間には電界が印加されている。したが
って、通常のスパッタ法では上記の（１）（２）による
影響はまぬがれず、膜の組成がターゲット組成と異なっ
てしまう。特に、ＹＢａ２Ｃｕ３０，酸化物超電導体に
おいては、ＢａとＣｕの欠乏が激しい。スパッタ法の代
表的方式として、ＲＦコンヘンショナル法とＲＦマグネ
トロン法があるが、これらを比較すると、ＲＦコンベン
ショナル法の方が組成の変動が大きい。これは、ＲＦコ
ンベンショナル法の方がセルフバイアス電圧が約１桁大
きく、」二記の（１）（２）（３）の影響を大きくする
ためと考えられる。

ところで、複数のターゲットを利用して酸化物超電導体
薄膜を作製する技術も知られている（例えば、特開昭６
３−２２４１１２号公報参照）。

このような多元スパッタ法によれは、単一ターゲットを
利用する場合に比へて薄膜の組成制御を精密に行うこと
ができる。

［発明が解決しようとする課題］ 多元スパッタ法によれば単一ターゲットを使う場合と比
へて確かに組成の精密制御が可能となったが、依然とし
て基板に入射する高速２次電子や高速負イオンの影響は
残っていた。

以上の点に鑑み、この発明の目的は、基板に入射する高
速荷電粒子を少なくして膜組成を精密に制御できるよう
にした酸化物超電導体薄膜用多元スパッタ方法および装
置を提供することである。

［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、この発明の酸化物超電導
体薄膜用多元スパッタ方法においては、複数のターゲッ
トに個別に電力をｔＢ−給する多元スパッタ方法におい
て、前記ターゲットの配置を、ターゲット面の法線が基
板を通過しないような配置にしている。

また、この発明の酸化物超電導体薄膜用多元スバッタ装
置においては、個別に電力を供給できる複数のターゲッ
トを備えていて、ターゲットと基板とを結ぶ直線とター
ゲット面の法線とのなす角度（以下、偏角という。）を
変更可能にするターゲット傾斜機構を備えている。

上記ターゲット傾斜機構に加えて、ターゲットから基板
までの距離を変更可能にするターゲット進退機構を備え
ることもできる。

また、基板表面に沿って磁場を発生させることも好まし
い。

さらに、基板ホルダーの近傍に酸素カス吹き付けリング
を設けて、酸素ガス吹き出し用の多数の孔から酸素ガス
を吹き出すようにしてもよい。

［作用］ ターゲットの配置を、ターゲット面の法線が基板を通過
しないような配置にしたことにより、ターゲットの正面
方向には基板が存在しなくなる。

ターゲットからの高速荷電粒子（これは酸化物超電導薄
膜の組成に悪影響を及はす。）は、ターゲットの正面方
向に最も多く飛来するので、この発明のようなターゲッ
ト配置とすれば、この種の高速荷電粒子が基板に入射す
るのを抑制できる。

ターゲットの正面方向に基板が存在しないようにするに
は、ターゲット傾斜機構を利用して、偏角を０°以外の
角度に変更すればよい。

さらに、ターゲット進退機構を利用すると、ターゲット
から基板までの距離を変えることができると同時に、偏
角をも変えることができる。

さらに、基板表面に沿って磁場を形成すると、基板に入
射しようとする高速荷電粒子を曲げることができる。

基板ホルダーの近傍に酸素ガス吹き付けリングを設ける
と、酸素ガスを基板に一様にがっ効率的に供給でき、酸
化物超電導体薄膜の酸素欠損を防止できる。

［実施例］ 次に、図面を参照してこの発明の詳細な説明する。

第１図はこの発明の一実施例の装置の正面断面図である
。酸化物超電導体薄膜を作製するための’１４　空容器
１は、メインバルブ２を介して矢印４方向にある排気装
置（クライオポンプ）によって真空に排気される。バリ
アプルオリフィス３のコンダクタンスを変化させること
により、排気装置の排気速度を自由に調整できる。到達
真空塵は１Ｏ−９Ｔｏｒｒ台である。真空容器１内には
基板ホルダー７があり、その内側にはヒータ５が配置さ
れる。ヒータ５は熱輻射法のヒータでありＳｉＣで被覆
されたカーボンヒーターを用いていて、酸素に対して耐
久性が優れている。このヒータ５では常用８００℃（最
大１０００℃）まで基板６を加熱できる。基板ホルダー
７は基板６を支持するもので、膜厚分布の均一化のため
の基板回転機構９（最大回転数１０１００ｒｐと、主と
して基板６の取り付け取り外しの際に使用する基板上下
機構１０とを備えている。基板６の移送には、ゲトバル
ブ５１で仕切られた搬送室（図示しない）に設けた磁気
結合式の移送機構３６を利用する。

基板ホルダー７の下方には基板シャッター８があり、基
板ンヤッター回転機横１１によって開閉される。膜作製
開始時の条件出し中には基板ンヤッター８を閉じて、基
板６に不純物が入らないようにする。

基板シャッター８の下方には、三つの膜厚センサ１２．
１３．１４がある。この膜厚センサは発光分光法を用い
たものであり（商品８二センチネル■、インフィコン社
製）、１つのセンサて竺っの物質のモニターが可能であ
る。この膜厚センサは、スパッタ粒子を効果的に検出で
きて膜厚のフィードバック制御がしやすい位置に設置す
べきであるのはもちろんであるが、基−板に対して膜厚
センサが影にならないようにすることも大切である。

この実施例では、膜厚センサを最適な位置に設定できる
ように、これら膜厚センサをベローズ（図示しない）を
介して真空容器に取り付けてあり、センサ移動機構（図
示しない）によって前後・上下の移動と回転とが可能で
ある。

基板シャッター８の直下には酸素ガス吹き付けリング１
５がある。このリング１５の上面には第２図に示すよう
に、直径０．５ｍｍの孔１５ａが多数形成されていて、
基板６に向かって酸素カスが吹き出すようになっている
。第１図に戻って、酸素ガス吹き付けリング１５にはマ
スフローメタ１６を介して酸素カス１７が供給される。

また真空容器１内には、マスフローメータ１８を介して
アルゴンガス１９が供給される。

スパッタ源としてのスパッタガンは本実施例では３台用
いている。スパッタガン本体２６．２７．２８　（ＵＳ
　　ＧｕｎＩＩＴＨＵＳ、ＩＮＣ，社製）はそれぞれタ
ーゲット２３．２４．２５を保持し、その上方には個別
のンヤソター２０．２１．２２が配置される。この個別
のシャッタを利用することによって、膜付着速度の条件
出しを実施したり、多層膜を作成したりすることが可能
となっている。

この実施例では、Ｙ、Ｂａ２Ｃｕ、Ｏ，酸化物超電導体
薄膜を作製するために、ターゲット２３．２４．２５と
してそれぞれＹ、Ｂａ２Ｃｕ３０ｙ、ＣｕＯ１Ｂ　ａ　
Ｃｕ　Ｏ２を用いた。各スパッタガン本体には、それぞ
れマツチングボックス２９．３０．３１とＲＦ電源３２
．３３．３４が接続されており、電力が個別に供給でき
るようになっている。

第２図は第１図の装置の基板（＝４近の平面配置図であ
る。この図がら分かるように、スパッタガン本体２６．
２７．２８は実際は真空容器内に３等配で配置されてい
る。第１図では図面を見やすくするために便宜上、同−
断面上に３個のスパッタガンを示したものである。

以」二のような構成の装置において、従来は、各ターゲ
ット２３．２４．２５の正面方向に基板が配置されてい
て、破線矢印３５のごとく２次電子や荷電粒子か直接基
板に入射して、膜の組成変動を生じるという欠点があっ
た。これに対して、この実施例では、スパッタガン本体
２６．２７．２８をヘローズ３７．３８．３９を介して
真空容器１に接続しスパッタガン進退機構４３．４４．
４５およびスパッタガン傾斜機構４０，４１．４２によ
り、ターゲット表面が基板に対向しない位置にターゲッ
トを設定できる。これにより、２次電子、荷電粒子が基
板に直接入射するのを防いている。

スパッタガン進退機構とスパッタガン傾斜機構は、この
実施例では次のように構成している。スパッタガン本体
２６について述べると、ベロース３７の両端のフランジ
５５．５６それぞれに三等配でボルト孔を形成し、両フ
ランジ間に３本のボルトを通す。そして、ボルト止めの
位置を変化させることによってフランジ間の距離を三等
配の位置で異ならせ、もってスパッタガンの傾斜を可能
にしている。三等配の位置でフランジ間の距離を同じた
け変化させれはスパッタガンの進退が可能となる。なお
、スパッタガン傾斜機構と進退機購はこのような構成に
限定されない。

次に、ターゲットと基板との位置関係について第３図と
第４図を参照して詳しく説明する。

第３図はターゲットと基板とだけを示した正面図である
が、ターゲット２３の正面方向に基板６が配置されてい
る状態である。すなわち、ターゲソ）・２３の中心にお
いて、ターケソ）・表面に対する法線５２を引くと、こ
の法線５２は基板６の表面の中心を通る。この状態が、
ターゲット２３の正面方向に基板６が配置されている状
態である。

実際は上記法線５２か基板表面の中心を通らなくても、
基板表面のどこかを通過すれば、ターゲットの正面方向
に基板があると言って差し支えない。

この図では基板表面を含む平面５３と法線５２とのなす
角度（以下、入射角という。）は４０°である。この第
３図の状態ではターゲット２３からの２次電子、荷電粒
子が高い頻度で基板６に直接入射することになる。

第４図は、第３図の状態からターゲット２３を１０°だ
け内側に傾斜させたものである。こうすると、ターゲッ
ト２３の法線５２は基板６を通過しなくなる。入射角は
３０°となる。ターゲット２３の中心と基板６の中心と
を結ぶ直線５４と法線５２とのなす角度、すなわち偏角
は１０°である。偏角が大きければ大きいはと高速荷電
粒子が基板に入射する頻度は少なくなる。たたし、偏角
が大きくなれば膜付着速度が低下するので、膜付着速度
との兼ね合いて最適な偏角を定めることになる。

ところで、第３図の状態では、スパッタガン進退機構４
３（第１図参照）によってターゲット２３を進退させて
もターゲット２３と基板６との距離が変化するだけであ
り、偏角は０°のままである。ところが、第４図の状態
においては、ターゲット２３の傾斜をそのままにしてお
いても、ターゲット２３を進退させると偏角が変化する
。すなわち、ターゲット２３を法線５２に沿って基板６
に近付けると偏角が１０″′より大きくなる。反対にタ
ーゲット２３を法線５２に沿って基板６から遠ざけると
偏角が１０°より小さくなる。

したがって、スパッタガン傾斜機構を利用すると偏角だ
けが変化するのに対して、スパッタガン進退機構を利用
すると基板までの距離と偏角とを同時に変化させること
ができる。

スパッタガンを傾斜させたり進退させたりすると基板上
での膜厚分布が問題になるが、この実施例を用いた場合
、膜厚分布も非常に改善された。

第５図は第３図の状態で膜付着させたときの膜厚分布で
あり、第６図は第４図の状態ての膜厚分布である。これ
らの膜厚分布のグラフでは、横軸が基板中心からの距離
、縦軸が基板中心での膜厚を基準とした膜厚増減割合で
ある。曲線Ｃは、第２図のターゲット２３を例にとると
基板６におけるＡ＞Ａ２線上の膜厚分布曲線（基板中心
からＡ１方向が正の距離、Ａ２方向が負の距離としであ
る）であり、曲線りはＢ１−８２線上の膜厚分布曲線で
ある。第５図と第６図を比較すると、第５図において曲
線Ｃの膜厚分布が非常に劣っているのに対して第６図で
は曲線Ｃの膜厚分布が１桁以」二改善されている。

第７図はこの発明の別の実施例である。第１図の装置と
異なるところは、基板ホルダーに負バイアスを印加する
ための装置と、基板表面に沿って磁場を形成するための
装置とを備えていることである。

基板ホルダー７近傍の真空容器の外側には磁場発生手段
４６がある。この実施例では磁場発生手段４６は電磁石
で形成しである。磁場発生手段４６による磁力線４７は
、基板６の表面に沿って延びている。放電により発生し
た荷電粒子は磁力線４７によって矢印５０に示すような
運動をすることになり、荷電粒子が基板６に到達する頻
度は非常に少なくなる。なお、この実施例では磁場発生
手段として電磁石を用いたが、必ずしもこれに限定され
るものではなく、永久磁石その他の磁場発生手段を利用
してもよい。

基板ホルダー７はセラミックス４８により真空容器１と
絶縁状態になっており、この基板ホルダー７には負バイ
アス印加手段４つによって負バイアス電圧を印加てきる
。荷電粒子は負電位の基板と反発するので荷電粒子が基
板に到達する頻度はこれにより若干少なくなる。しがし
、実験によれば負バイアスの効果はそれほど顕著ではな
く、負バイアスをあえて印加しなくても、磁場発生手段
たけて膜組成の改善効果はあった。

次の表は、第７図に示す装置で酸化物超電導体薄膜を作
製したときの代表的な実験結果を示すものである。たた
し、負バイアスは印加していない。

（１）・・　Ｙｌ （２）・・　Ｙｌ ３１Ｙ１ Ｂａ１９６Ｃｕ３０６０ｙ Ｂａ１９０Ｃｕ３１５０ｙ Ｂａ０．３０”０．５００ｙ 」二記の実験結果から明らかなように、従来方式（偏ｆ
ｆ１０６、膜組成（３））では膜組成か理想的な組成比
（Ｙ：Ｂａ：Ｃｕ＝１：２＋３）から大きくずれてしま
うのに対して、本発明（偏角１０゜膜組成（１）（２）
）では、理想的な組成比に近付いている。本発明では偏
角を１０°にすることによって膜組成（２）は理想的な
組成比の±５％程度におさまり、さらに磁場をかけるこ
とによって膜組成（１）は理想的な組成比の±２％程度
におさまった。

なお、上記の実験結果の膜組成は、多くの実験から得ら
れた代表的な値を示すものである。

以上の実験結果から明らかなように、ターゲットの正面
方向に基板を配置しないことによって、さらに基板表面
に沿って磁場を形成することによって、従来の多元スパ
ッタ装置に比べて、膜組成は著しく改善され、良質なＹ
、Ｂａ２Ｃｕ３０゜膜がａｓ−ｇｒｏｗｎ膜として得ら
れた。

この発明は、上述のＹＢａ２　Ｃｕ３ｏ、たけてなく、
次に述べるようなその他の酸化物超電導体にも適用でき
る。

（１，）　　ＭＢ　ａ２　　Ｃｕ３　０ｙここで、Ｍ＝
シランン系列の元素 （Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ。

Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ。

Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ５Ｌｕ） （２）　Ｂ　１２　Ｓ　ｒ２　Ｃａｎ−Ｉ　Ｃｕｎ　ｏ
Ｆここで、ｎ＝１．２．３．４ （３）Ｔ　ｌ２Ｂａ２　Ｃａｎ−Ｉ　Ｃｕｎ　ｏｙここ
で、ｎ−１２，３，４ （４）Ｔ　Ｉ、Ｂａ２　Ｃａｎ−Ｉ　Ｃｕ、ｏｙここで
、ｎ＝１．２．３．４．５．６ （５）以上述べた化合物と同し元素構成（他の元素が入
ってもよい）で他の化学量論性を持った化合物。

［発明の効果］ この発明では、ターゲットの配置を、ターゲット面の法
線が基板を通過しないような配置にしたことにより、高
速荷電粒子が基板に入射するのを抑制できる。

さらに、基板表面に沿って磁場を形成すると、基板に入
射しようとする高速荷電粒子を曲げることができる。

このようにして高速荷電粒子の基板への入射を抑制すれ
ば、酸化物超電導体薄膜を作製するに当たり膜組成の精
密な制御が可能になり、良好な超電導特性を有する薄膜
をａｓ−ｇｒｏｗｎ膜で得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例の装置の正面断面図、 第２図は第１図の装置の要部平面配置図、第３図と第４
図はターゲットと基板の位置関係の二つの状態を示した
正面図、 第５図は従来方法での膜厚分布のグラフ、第６図はこの
発明の方法での膜厚分布のグラフ、第７図は別の実施例
の正面断面図である。 ６・・・基板 ７・・・基板ホルダー １５・・・酸素ガス吹き付けリンク ２３．２４．２５・・ターゲット ２６．２７．２８・・・スパッタガン本体３７．３８．
３９・・・ベローズ ４０．４１．４２・・・スパッタガン傾斜機１１４４３
．４４．４５・・・スパッタガン進退機構４６・・・磁
場発生手段 ４７・・・磁力線 ４９・・・負バイアス印加手段 ５２・・・ターゲット面の法線

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）複数のターゲットに個別に電力を供給して基板上
   に酸化物超電導体薄膜を作製する多元スパッタ方法にお
   いて、 前記ターゲットの配置を、ターゲット面の法線が基板を
   通過しないような配置にしてスパッタすることを特徴と
   するスパッタ方法。
2. （２）真空に排気される真空容器と 前記真空容器内に設置されて基板を保持する基板ホルダ
   ーと、 前記真空容器内に設置された複数のターゲットと、 前記ターゲットに個別に電力を供給する複数の電源とを
   備える酸化物超電導体薄膜用多元スパッタ装置において
   、 ターゲットと基板とを結ぶ直線とターゲット面の法線と
   のなす角度を変更可能にするターゲット傾斜機構を備え
   ることを特徴とするスパッタ装置。
3. （３）請求項２記載のスパッタ装置において、ターゲッ
   トから基板までの距離を変更可能にするターゲット進退
   機構を備えることを特徴とするスパッタ装置。
4. （４）請求項２記載のスパッタ装置において、基板表面
   に沿って磁場を発生する磁場発生手段を備えることを特
   徴とするスパッタ装置。
5. （５）請求項２記載のスパッタ装置において、基板ホル
   ダーの近傍に、酸素ガス吹き出し用の多数の孔を形成し
   た酸素ガス吹き付けリングを備えることを特徴とするス
   パッタ装置。