JPH03245403A - 蒸着膜の製造方法および装置 - 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７にの利用分野） 本発明は茂着法により薄膜を！！！！造する方法および
装置に関する。さらに詳しくは、例えば酸化物超伝導薄
膜に要求される平滑性が良好で、かつできるだけ薄い膜
の製造方法およびその装置に関する。

（従来の技術） 現在、例えばセラミックス系酸化物薄膜の製造分野では
、１ａｙｅｒ−ｂｙ−１ａｙｅｒ法による超伝導物質（
薄膜）の製造、デバイスに使用するエピタキシャル成長
膜の製造が盛んに行われている。これらは、いずれも底
膜したままの状態で膜質が良く（平滑性が高く）、薄い
ことが必須条件であるが、このような膜を得るには加熱
された基板上での成膜過程をゆっくりと、すなわち低蒸
着速度で進行させることが要求される。この遅い成膜過
程は、レーザー法およびスパッタ法では膜の組成に基づ
いて定められる複数個のすなわち多元の酸化物ターゲッ
トを用い、レーザー出力やスパッタガス圧を調整し、タ
ーゲｙ　ｌ・シャッターを操作するなどにより達成する
ことが可能で、成膜速度を０．３入／ｓｅｃ以下とする
ことができる。なお、レーザー法については、例えばＪ
ａｐａｎｅｓｅ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ａｐｐｌｉｅ
ｄＰｈｙｓｒｃｓ、　Ｖｏｌ、２８（１９８９）　、　
９ｐ、Ｌ８２３〜Ｌ、８２６に、Ｂｉ　−５ｒ−Ｃａ−
Ｃｕ−０系超伝導物質の製造についての報告がなされて
おり、また、スパッタ法の適用については、Ｊａｐａｎ
ｅｓｅ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈ
ｙｓｉｃｓ＋Ｖｏ１．２７（１９８８）　、ｐｐ、Ｌ１
８８３〜Ｌ１８８６に記載されている。

一方、電子ビーム蒸着法（以下、ＦＥＢ蒸着法」という
）は前記のレーザー法やスパッタ法に比べ基板形状にあ
まり依存せずに成膜でき、また、蒸着膜への酸素の供給
が容易となるなどの利点を有しているが、以下に述べる
ように成膜速度が大きいため成膜したままの状態で良質
の薄い膜をつくることはできない。

（発明が解決しようとする諜Ｂ） ＥＢ蒸着法では、例えば、膜成分の構成元素を含む複合
酸化物を蒸着源とした場合、膜内の組成比は蒸着源のそ
れとは必ずしも一致せず、膜組成の制御には不利である
ため、通常は複数個の単体金属を蒸着源に使用する。そ
の場合、次のような問題があった。

（ｉ）各単体金属からの単位時間当たりの蒸発量（以下
、「蒸発レート」という）は各単体金属の融点、沸点の
違いにより異なり、その金属固有のものとなる。この蒸
発レートを変動のない安定なものとするためには、単体
金属の種類によって定まるある一定値以上の加熱出力に
より加熱することが必要であるが、その場合の蒸発レー
トはいずれも膜厚さで表現すれば数人／ｓｅｃと比較的
大きく、成Ｍ過程をゆっくりと低速度で進行させること
はできない。

（ｉｉ　）特に、セラミックス系酸化物超伝導物質の構
成元素であるＩＩＡ族元素は沸点と融点との温度差が９
００℃以下と他元素と比較して小さいため、蒸着時に蒸
発面の近傍で激しい酸化が起こり、また、突沸（スプラ
ッシュ）を誘発し、蒸発レートは不安定になる。

（ｉｉｉ　）蒸発レート’Ｅ−加熱出力を低めることに
より低下させようとすると、上記（ｉｉ　）の傾向が顕
著になる。

本発明の目的は、所定の成分量または成分比を従来水準
に維持しつつ、平滑面を得るために成膜速度をできるだ
け小さくする方法と装置を提供することにある。

（課題を解決するための手段） 前記のように、ＥＢ蒸着法においては、セラミックス系
酸化物超伝導物質を構成する単体金属の蒸発レートは、
加熱出力が小さい場合いずれも不安定であるが金属の種
類によって定まるある出力以上で加熱をした場合には安
定する。しかし、その蒸発レートはいずれも数人／ｓｅ
ｅと大きい。

一方、単位時間当たり、単位断面積を通過する蒸発原子
数あるいは分子数Ｊ（ｃ＋＋−”・５ｅｅ−’）（以下
、蒸発流Ｊという〉は、その蒸発粒子のもつ速さがボル
ツマン分布に準するとすると下記（１）の１ｌｅｒｔｚ
−Ｋｎｕｄｓｅｎ式に従う。

％式％（１） ただし、Ｐ：蒸発雰囲気の圧力 ｍ：蒸発粒子の質量 Ｔ：蒸発粒子の温度 に：ボルッマン定数 この（１）式より、蒸発流Ｊは蒸発雰囲気の圧力Ｐが一
定のもとでは、蒸発粒子の温度Ｔの平方根に反比例する
。

従って、一定圧力下において高い加熱出力により蒸発レ
ートを安定化させ（このときの蒸発レートは前記のよう
に数人／ｓｅｃ程度になる）、蒸着源、基板間において
蒸発原子（分子ンの加熱を行ってこれら蒸発粒子の温度
Ｔを高め、蒸発流Ｊを下げることにより基板上での成膜
速度を低速度で進行させることが可能になると考えられ
る。

本発明は上記の考え方に基づくもので、その要旨は下記
■の蒸着膜の製造方法および下記■の製造装置にある。

■　高真空下で蒸着源を加熱して得られる蒸発物質を基
板に蒸着させて、所定の成分と厚さを有する蒸着膜を形
成させる方法において、前記蒸着物質の飛行する空間の
温度を調節することを特徴とする蒸着膜の製造方法。

■　電子ビーム照射および／または抵抗加熱により蒸着
源を加熱して蒸発物質を基板に蒸着させる蒸着装置にお
いて、前記加熱装置の出力を一定にする定出力装置、雰
囲気を一定高真空にするための定真空度維持排気装置、
蒸着物質ごとの飛行空間の温度調節のための加熱装置お
よびその温度調節装置を有することを特徴とする蒸着膜
の製造装置。

第１図は本発明の蒸着膜の製造装置の一例の構成を示す
概略断面図である。同図において、管体ｌは、その管壁
が二重管２で構成され、かつこの管壁の中央部付近に排
気口３が設けられており、前記の二重管２内に端部が電
源４に接続されている加熱用ヒーター５が取り付けられ
ている。さらに管体１内の中央部付近に熱電対６が取り
付けられ、管体ｌの一方の開口部７が蒸着源８に、他方
の開口部９が基板１０に対向するように配設されている
。

複数の物質を交互にあるいは同時に蒸着する場合は、例
えば第１図のごとき管体および蒸着源を一個の基板に向
かって複数配設する。これらは装置の中心部を構成し、
その他に図示しない蒸着源を所定出力で加熱するための
出力調整装置、蒸着源を加熱するための電子ビーム照射
装置または抵抗加熱装置、雰囲気を所定圧力にするため
の真空度調節装置と真空排気装置、温度１ｇ節装置など
が付属している。

（作用） 本発明の蒸着膜の製造方法において、圧力を高真空とし
たのは蒸発レートに多大な影響を及ぼす蒸着源の酸化を
避けるためであり、特に、蒸着源が例えばセラミックス
系酸化物超伝導１５質の構成元素に含まれるＵＡ族元素
の場合、前記のように蒸発面近傍での酸化が激しく、突
沸（スプラッシュ）などにより蒸発レートは安定しない
からである。望ましい真空度は１０−　’Ｔｏｒｒより
高真空である。

また、温度変化よりも圧力変化の方が蒸発流に与える影
響が大きいため、蒸着時におけるチャンバー内圧力は一
定に保つのが望ましい０例えば管中央部に設けられた排
気口はこのチャンバー内の圧力を常に一定に保つための
ものである。

蒸発物質の飛行する空間の温度を所定値に調節するのは
、飛行する蒸発物質の温度をより高層の所定値に加熱し
、蒸発粒子の運動方向を変化させて基板への成膜速度を
低下させるためである。

本発明の蒸着膜の製造装置において、各装置の必要理由
は次の通りである。

電子ビーム照射および／または抵抗加熱装置の出力を一
定にする定出力装置は、加熱開始から一定時間経過後の
蒸発原子数が蒸着源の種類によって定まる定出力の場合
に一定値に到達し、時間変動に対する蒸発原子数の変動
が少なくなることを利用して、蒸着膜の成分を安定化す
るためである。

定真空度維持排気装置は、真空度の変動によって生ずる
蒸発原子数の変動を極力低減するためである。

蒸発物質の飛行空間の温度調節を蒸発物質ごとに行うの
は、蒸発１７１質の種類によって調節すべき塩度が異な
るためであり、また所定温度にＡｌ１節するのは温度の
変動による蒸発原子の基板への到達原子数の変動を低減
するためである。

（実施例１） 蒸着源として、イツトリウム（Ｙ）、バリウム（Ｂａ）
、＃Ｊ４（Ｃｕ）を用い、それぞれ１０ｇずつ秤量し、
ＥＢ蒸着法によりＹＳＢａおよびＣｕを構成元素とし、
Ｙ：Ｂａ：Ｃｕ比が１：２：３である酸化物超伝導薄膜
用金属薄膜を作製した。蒸着源の形状はＹおよびＢａに
ついては粉状物を３００〜６００ｋｇ／ｃ＋＋”の圧力
で直径１５＋ｗｍｘ厚さｌ０ＩＩ１１の円柱状に加圧成
形したものであり、Ｃｕについては１〜３旬のシタッ）
＃ｉである。

薄膜の作製に際しては、まず比較例として、加熱管（第
１図の管体ｌ）を用いずに前記の各蒸着源からの蒸発速
度が安定でかつ最小の成膜速度となるように各蒸着源の
加熱出力を定め、２０分間蒸着し、薄膜を作製した。加
熱出力はＹ、ＢａおよびＣｕに対しそれぞれ２．５ｋｗ
、　０．４ｋｗおよび１．９ｋｗであった。また、真空
度は５　Ｘｌ０−６Ｔｏｒｒで一定とし、基板にはＭｇ
Ｏ単結晶を用いた。

蒸着時における各蒸着源の蒸発速度の制御は水晶振動子
型膜厚モニターにより行った。成膜したままの状態での
膜組成は蛍光Ｘ線回折により求め、膜厚は段差針により
測定し、単位時間当たりの成膜速度を求めた。

次に、加熱管を用い、管内温度を変化させて他は上記と
同し条件で薄膜を作製し、膜組成、膜厚および成膜速度
を求めた。

結果を第１表に示す０Ｍ成比は安定した成膜性能を示す
Ｃｕを基準として示した。同表から明らかなように、本
発明の装置および方法を用いることにまり組成比は従来
水準を維持しつつ、成膜速度を１人／ｓｅｃ以下、膜厚
をｔｏｏｏÅ以下にすることができる。

（以下、余白） 第　　１ 表 （実施例２） 蒸着源として、ビスマス（Ｂｉ）、ストロンチウム（Ｓ
ｒ）、カルシウム（Ｃａ）および銅（Ｃｕ）を用い、そ
れぞれｌＯｇずつ秤量し、Ｂｉ　：　Ｓｎ　：　Ｃａ　
：　Ｃｕ比が２＝２：２：３である酸化物超伝導薄膜用
金属膜を作製した。蒸着源の形状はＢｉおよびＣｕにつ
いてはそれぞれ３〜７ＩＩＩ１１および１〜３ｍｍのシ
ョツト粒であり、また、ＳｒおよびＣａについては実施
例１のＹおよびＢａと同様に円柱状に加工したものであ
る。

薄膜の作成は実施例１と同様に最初加熱管なしで（比較
例）、次いで加熱管を用いて（本発明例）行った。真空
度は２　Ｘｌ０−”Ｔｏｒｒとし、基板にはＭｇＯ単結
晶を用いた。加熱方式はＢｉ、　ＳｒおよびＣａについ
てはＥＢ照射方式を、Ｃｕについては抵抗加熱方式を用
いた。加熱出力は［ｌｉ、　Ｓｒ、　ＣａおよびＣｕに
対しそれぞれ３ｋｗ、０．４５ｋｗ、０．５に−および
４ｋｗであった。

薄膜を作成した後、実施例１と同様に膜＆１１戒、膜厚
および成膜速度を求めた。

結果を第２表に示す、＆［１戒比は安定した成膜性能を
示ずＣｕを基準として示した。同表から明らかなように
、本発明の装置および方法を用いることにより組成比は
従来水準を維持しつつ成膜速度を１人／ｓｅｃ以下、膜
厚を１０００Å以下にすることができる。

第　　２　　表 （発明の効果） ＥＢ蒸着法により酸化物超伝導ｆ３１膜を製造するに際
し、本発明方法および装置を通用することにより、基板
上での成膜過程を低速度で進行させ、平滑性の良好な薄
い膜とすることが可能となる。

本発明方法と装置を用いることにより、超伝導用薄膜以
外の任意の組成比をもつ薄膜を製造することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の蒸着膜の製造装置の一例の構成を示す
概略断面図である。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）高真空下で蒸着源を加熱して得られる蒸発物質を
   基板に蒸着させて、所定の成分と厚さを有する蒸着膜を
   形成させる方法において、前記蒸発物質の飛行する空間
   の温度を調節することを特徴とする蒸着膜の製造方法。
2. （２）電子ビーム照射および／または抵抗加熱により蒸
   着源を加熱して蒸発物質を基板に蒸着させる蒸着装置に
   おいて、前記加熱装置の出力を一定にする定出力装置、
   雰囲気を一定高真空にするための定真空度維持排気装置
   、蒸発物質ごとの飛行空間の温度調節のための加熱装置
   およびその温度調節装置を有することを特徴とする蒸着
   膜の製造装置。