JPH04175206A - 酸化物超電導薄膜の製造方法および製造装置 - 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」 この発明は、スパッタリング、ＣＶＤ、　レーザ蒸着な
どの方法のように、成膜室の内部で酸化物超電導薄膜を
製造する方法と装置の改良に関するもので、成膜時に薄
膜に機械的応力を付与することで結晶配向性を制御する
ことを狙ったものである。

「従来の技術」 近年になって発見された酸化物超電導体は、結晶の特定
の方向に電流を流し易く、特定の方向に電流を流しにく
いという電気的異方性が大きいために、充分な電流密度
を得るためには、組成が均一で整った結晶構造である上
に、結晶の配向性を制御できるような製造方法を採用す
る必要がある。

そこで、従来、酸化物超電導薄膜を製造する方法として
、真空蒸着法、スパッタリング法、レーザ蒸着法、ＭＢ
Ｅ法（分子線エビタキシー法）、ＣＶＤ法（化学気相成
長法）、ＩＶＤ法（イオン気相成長法）などの各種の成
膜法が行なわれているか、これらの成膜法において重要
なことは、得られた酸化物超電導薄膜の結晶の配向性か
十分に整っていることである。

そこで前記各種の成膜法を実施する場合、結晶の配向し
た酸化物超電導薄膜を作成する方法の１つとして、酸化
物超電導薄膜の結晶の格子定数に近い格子定数の単結晶
体からなる基板を用い、温度などの成膜条件を適切に設
定し、基板上で理想的なエビタキンヤル成長を行わせて
酸化物超電導薄膜を製造する方法が行なわれている。

ところか、物質によっては、結晶の格子定数の面で基板
とのマツチングを気にしなくとも、特定の方向に配向し
た薄膜を製造できることもあることが知られている。

例えば、最近、高温超電導薄膜をパワ一応用の超電導導
体として利用するために、金属テープの基材上に酸化物
超電導薄膜を形成することか試みられている。そして、
この試みのなかにおいては、基材温度、膜組成、雰囲気
等のパラメータを種々の値に設定して酸化物超電導薄膜
の結晶を配向させるための努力かなされており、ある特
定の条件下では前記マツチングを気にしなくとも配向性
の良好な薄膜か得られ１ことの報告があり、この場合、
７７にで１０３Ａ／ｃｍ’程度の電流密度を存する酸化
物超電導薄膜か得られている。

「発明が解決しようとする課題」 しかしながら、この種のパワ一応用分野において要求さ
れる臨界電流密度は、１０５〜１ｏ６Ａ／ｃｍ’程度で
あるために、より高い結晶配向性を実現させるために種
々の手段か模索されている。

本発明は前記課題を解決するためになされたもので、結
晶配向性の良好な酸化物超電導薄膜を製造できる方法と
装置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」 請求項１に記載した発明は前記課題を解決するために、
真空排気可能な成膜室の内部で可撓性のテープ状の基材
を移動させるとともイこ、移動中の基材の上面に結晶化
Ｎ膜をＨ次堆積させ、この結晶化薄膜を熱処理して酸化
物超電導ＨＨを製造する方法において、前記成膜室内で
移動中の基材において結晶化ＨＭを堆積させる部分の基
材を湾曲させつつ移動させ、堆積中の結晶化薄膜に応力
を付与しつつ成膜するものである。

請求項２に記載した発明は前記課題を解決するために、
真空排気可能な成膜室の内部で可撓性のテープ状の基材
を移動させるとともに、移動中の基材の上面に結晶化薄
膜を順次堆積させ、この結晶化薄膜を熱処理して酸化物
超電導薄膜を製造する装Ｒｊこおいて、基材を送り出す
送出装置と基材を巻き取る巻取装置を備え、送出装置と
巻取装置の間において基材上に結晶化薄膜を堆積する領
域の近傍に、基材の裏面に接触して基材を案内する湾曲
面を有する加熱治具を備えてなるものである。

「作用」 結晶化薄膜が堆積されつつ移動している基材を湾曲させ
つつ移動させるので、堆積中の結晶化薄膜に、圧縮応力
あるいは引張り応力か作用する。

従って、この応力の作用によって結晶化薄膜の結晶か一
定の方向に配向する。そして、この結晶配向性の良好な
結晶化薄膜を熱処理することで結晶配向性の良好な臨界
電流密度の高い酸化物超電導薄膜が得られる。また、基
材を湾曲させたまま移動させる手段として湾曲面で基材
を案内する加熱治具を用いることで、移動中に成膜され
ている状態の基材を簡単に湾曲させた状態で移動させる
ことかできる。更に、加熱治具によって成膜と同時に基
材と結晶化薄膜を熱処理できるので、良好な臨界電流密
度を有する結晶構造の整った酸化物超電導薄膜が得られ
る。

「実施例」 第１図は本発明方法を実施するために使用するレーザ蒸
着装置の一例を示すもので、ＩＯは処理容器を示し、こ
の処理容器ＩＯの内部の蒸着処理室１０ａの下部側には
長尺のテープ状の基材ＩＩが、その上方側にはターゲッ
ト１２が各々設けられ、基材ＩＩとターゲット１２の間
にフィルタ板エ３が設けられている。

処理容器１０は排気孔１０ｂを介して図示路の真空排気
装置に接続されて内部を真空排気できるようになってい
る。

蒸着処理室１０ａの底部側には送出装置１４と巻取装置
Ｉ５がそれぞれＭ間して設けられ、送出装置Ｉ４からテ
ープ状の基材ＩＩを送り出すとともに巻取装置１５で巻
き取ることで基材１１をターゲット１２の下方て移動て
きるようになっている。

そして、送出装置１４と巻取装置１５の間には基材ＩＩ
の裏面に接触して基材ＩＩを湾曲状態で案内するととも
に、基材１１を加熱するための加熱治具１６が設けられ
ている。この加熱治具Ｉ６はその上面を平滑な湾曲面１
６Ａに加工してなるもので、加熱治具１６の底面部には
加熱ヒータ１６ａか貼着されている。この加熱ヒータ１
６ａは、加熱治具１６の温度の均一性を保つことができ
るようにＰｔのテープヒータなどの面状発熱体を加熱治
具１６の裏面全部に貼着したものなどを使用することが
できる。

ここで以下に、加熱治具１６の湾曲面１６Ａについて検
討する。

前記加熱治具Ｉ６の湾曲面＋６Ａの側面形状を第２図に
示すように拡大した場合、湾曲面＋６Ａか描く曲線上に
おいて、速度！で移動する質量ｌの物体ａが中心加速度
１　／　ｒをうけて曲線運動をする際、接線方向のベク
トルをＮとし、これに直角なベクトルを訂とし、位置ベ
クトルをｒとした場合、 （Ｊ４）＝０、ｄＡ”／ｄｓ＝ｇ、ｄｒ／ｄｓ＝Ｘなる
関係か成立し、更に、 １７ｒｌ＝Ｉ、１Ｉｌｒｌ＝Ｉ／ｒであるので、ｒ−；
ｆ（ｓ）なる関係が成立する。

即ち、テープ状の基材１１が加熱治具１６の湾曲面に沿
ってにの示す向きに移動した場合、基材は曲率半径ｒで
湾曲する。このとき、ｒ＝　ｆ（ｓ）が増加関数であれ
ば、基材１１の表面の歪は減少してゆき、堆積する結晶
化薄膜は圧縮応力を受けるヶ逆に、ｆ（ｓ）か減少関数
であれば、基材１１の表面の歪みは増加し、堆積する結
晶化薄膜は引張応力を受ける。

従って適当な関数ｆ（ｓ）を設定して上式に示す微分方
程式を解いて得られる曲線で示される横断面を有する加
熱治具を使用すれば、堆積してゆく結晶化薄膜の内部に
含ませるように、即ち、インサイチュウ（ｉｎ−ｓｉｔ
ｕ）に任意の応力を加えることができる。このように湾
曲面１６Ａの曲率半径ｒが変動するならば、基材ＩＩに
は常に圧縮応力か引張応力を加えることかできるので、
基材１■上の結晶化薄膜に常に応力を付与できることと
なる。

前記基材１１の上方側には、傾斜状態で配設された基板
ホルダ１７によって下面を基材１１側に向けた傾斜状態
で円板状のターゲットＩ２が支持されている。

このターゲット１２と基材１！との間には、フィルタ板
■３が水平に設けられている。このフィルタ板１３はそ
の一端を送出装置Ｉ４の上方にまた他端を巻取装置１５
の上方に位置させて設けられ、フィルタ板１３の幅（テ
ープ状の基材１１の幅方向に沿うフィルタ板１３の幅）
は、ターゲット１２側から基材Ｉ■を隠すことができる
ように基材１１の幅よりも大きく形成されている。そし
て、フィルタ板１３の中央部には、基材１１の幅と同程
度あるいは若干広い横幅の窓孔１３ａが形成されている
。

前記ターゲット１２は、形成しようとする酸化物超電導
薄膜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、
または、酸化物超電導体のバルクなどから形成されてい
る。現在知られている臨界温度の高い酸化物超電導体と
して具体的には、Ｙ　−Ｂ　ａ−Ｃｕ−０系、Ｂ　ｉ−
５ｒ−Ｃａ−Ｃｕ−０系、Ｔ　Ｉ−Ｂ　ａ−Ｃａ−Ｃｕ
−０系などがあるので、ターゲット１２としてこれらの
系のものなどを用いることかできる。なお、酸化物超電
導体を構成する元素の中で蒸気圧が高く、蒸着の際に飛
散しやすい元素らあるので、このような元素を含むター
ゲットＩ２を使用する場合は、蒸気圧の高い元素を目的
とする所定の割合よりも多く含むターゲットを用いれば
良い。

一方、処理容器１０の側方には、レーザ発光装置１８と
第１反射鏡１９と集光レンズ２０と第２反射鏡２Ｉが設
けられ、レーザ発光装置１８が発生させたレーザビーム
を処理容器１０の側壁に取り付けられた透明窓２２を介
してターゲット１３に集光照射できるようになっている
。前記レーザ発光装置１８はターゲット３から構成粒子
を叩き出すことができるものであれば、ＹＡＧレーザ、
ＣＯｔレーザ、エキシマレーザなどのいずれのものを使
用しても良い。

次に第１図に示す装置を用いて本発明方法を実施する場
合について説明する。

基材１！とターゲットＩ２を蒸着処理室１０ａ内に第１
図に示すようにセットしたならば、蒸着処理室１０ａを
真空排気する。ここで必要に応じて蒸着処理室１０ａに
酸素ガスを導入して蒸着処理室１０ａを酸素雰囲気とし
ても良い。また、加熱治具Ｉ６の加熱ヒータ１６ａを作
動させて加熱治具１６を５００〜ＳＯＯ℃に加熱する。

次に、レーザ発光装置１８から発生させたレーザビーム
を第１反射鏡１９と集光レンズ２０と第２反射鏡２１と
透明窓２２を介して蒸着処理室１０ａ内にｇＬき、ター
ゲットＩ３の表面に集光照射する。この際に、集光レン
ズ２０の位置調節を行ってターゲット１２の表面にレー
ザビームの焦点を合わせる。また、送出装置１４から基
材１１を所定速度で順次繰り出して巻取装置１５に巻き
取る。

レーザビームか照射されたターゲットＩ３は表面部分が
えぐり取られるか蒸発されて構成粒子が叩き出され、そ
の粒子の大部分は、フィルタ板１３の上面に堆積するか
、フィルタ板１３のうち、窓孔１３ａを通過した粒子は
フィルタ板１３を通過して加熱治具１６上を通過中の基
材Ｉｔの上面に堆積し、結晶化薄膜となる。この結晶化
薄膜は、ターゲット１２から発生させた粒子の内、限ら
れた区画のもののみをフィルタ板１３の窓孔１３ａで選
択して基材ＩＩ上に堆積させで形成されるので、基材１
１上には組成の整った均一の結晶化薄膜か生成する。そ
して、結晶化薄膜が堆積された基材１１は加熱されてい
るので、結晶化薄膜は堆積と同時に熱処理される。

ここで更に、加熱治具１６の湾曲面＋６Ａを通過する基
材１１は、曲率の変化する湾曲面１６Ａに沿って湾曲さ
れた状態で移動するか、この湾曲された基材１１に形成
された結晶化ＦＩＨには、成膜と同時に、圧縮応力ある
いは引張応力か常に負荷される。よって結晶化薄膜に一
定の方向に常に応力が負荷されることになり、この応力
の負荷によって結晶化ＮＭの結品が結品軸のａ軸方向に
沿って配向する。

以上の操作によって基材ＩＩの上面に順次蒸発粒子を堆
積させ、同時に熱処理することでテープ状の基材ＩＩ上
に高い配向性でもって酸化物超電導薄膜を形成すること
ができ、臨界電流密度の高い酸化物超電導導体を得るこ
とができる。

「製造例Ｊ 第１図に示す装置において、ターゲット蒸発用のレーザ
として波長１９３ｎａ、平均出力４Ｗ、パルス繰返周波
数５ＨｚのＡｒＦエキシマレーザを用いた。また、基材
としてハステロイ製の幅１０ｍｍ。

厚さ０．３ｍｍのテープの上面に、厚さ０．５μｍのＳ
　ｒＴ　ｉｏ　ｓ膜を被覆したしのを用いた。また、タ
ーゲットとして、Ｙ　＋Ｂ　ａｚｃ　ｕｓｏ　７−６な
る組成の焼結体からなる円板状のターゲットを用いた。

更に、蒸着処理室の内部をＩ　Ｏ−”Ｔｏｒｒに排気し
、基材を６００〜７００℃に加熱してレーザ蒸着を行っ
た。また、フィルタ板に形成した窓孔の横幅はｌ　ｃｎ
＋、縦幅はＩｃｍとし、フィルタ板は基材の５ｃｍ上方
に位置するように設置した。また、先に説明己たように
、加熱治具の湾曲面における関数をｆ（ｓ）＝　ａｓ　
　（ａ＞　０　）として結晶化薄膜に圧縮応力がかかる
形で、テープ状の基材の速度を２　ｃｍ／時間で移動さ
せ、基材上の皮膜上に厚さ１μｍの結晶化薄膜を形成し
た。

得られた酸化物超電導導体について、液体窒素で冷却し
、臨界温度と臨界電流密度を測定しＬｏその結果、複数
の測定箇所において、いずれも臨界温度　　　　　８６
に 臨界電流密度　　　１０　”Ａ／ｃ＋ｎ’（７７Ｋ）な
る値か得られた。

「発明の効果」 以上説明したように本発明は、成膜室で基材上に形成中
の結晶化薄膜に対し、成膜と同時に加熱治具て湾曲させ
つつ移動させて応力を負荷させつつ成膜できるので、結
晶化薄膜の結晶構造を特定の方向に配向させることかで
きる。このため、酸化物超電導薄膜の結晶構造と整合性
を期待てきない結晶構造の材料からなる基材てあっても
、特定の方向に高い結晶配向性を有する結晶化薄膜を形
成することができる。従ってこの結晶化薄膜を熱処理す
ることて臨界電流密度の高い酸化物超電導薄膜を存する
酸化物超電導導体を製造することができる。

更に本発明の装置によれば、結晶化薄膜を堆積中の基材
を加熱治具により湾曲移動させつつ加熱処理てきるのて
、加熱治具の湾曲面を適宜設定することで、結晶化薄膜
に容易に応力を加えることかてき、更に、湾曲面の曲率
の設定によって加える応力を任意に設定できる。また、
加熱治具の湾曲面によっそ基材を容易に湾曲さｌ−）つ
１謀膜できるので、結晶化薄膜の一定方向に応力を加え
ろことか容易に実施できろ。

従って本発明装置によれば、結晶配向性の良好な臨界電
流密度の高し・酸化物超電導薄膜を備え１こ酸化物超電
導導体を製造することかできる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明方法の実施に用（・るレーザ蒸着装置の
一例を示す構成図、第２図は加熱治具上の基材の応力状
態を示す説明図である。 １０　処理容器、１Ｏａ−１ｉ着処理室、ｌＯｂ排気孔
、１１・基材、１２　ターゲｌト、１３フイルタ板、１
３ａ−窓孔、１４　送出装置、１５　巻取装置、１６　
加熱治具、ｌ’　６　ａ−ｆＦＪＪ熱ヒータ、１８　レ
ーザ発光装置。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）真空排気可能な成膜室の内部で可撓性のテープ状
   の基材を移動させるとともに、移動中の基材の上面に結
   晶化薄膜を順次堆積させ、この結晶化薄膜を熱処理して
   酸化物超電導薄膜を製造する方法において、前記成膜室
   内で移動中の基材において結晶化薄膜を堆積させる部分
   の基材を湾曲させつつ移動させ、堆積中の結晶化薄膜に
   応力を付与しつつ成膜することを特徴とする酸化物超電
   導薄膜の製造方法。
2. （２）真空排気可能な成膜室の内部で可撓性のテープ状
   の基材を移動させるとともに、移動中の基材の上面に結
   晶化薄膜を順次堆積させ、この結晶化薄膜を熱処理して
   酸化物超電導薄膜を製造する装置において、基材を送り
   出す送出装置と基材を巻き取る巻取装置を備え、送出装
   置と巻取装置の間において基材上に結晶化薄膜を堆積す
   る領域の近傍に、基材の裏面に接触して基材を案内する
   湾曲面を有する加熱治具を備えてなることを特徴とする
   酸化物超電導薄膜の製造装置。