JPH04346658A - 真空薄膜蒸着装置 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、真空薄膜蒸着装置に関
するものであり、窒化物、酸化物、特に酸化物超電導体
薄膜を形成するのに適した真空薄膜蒸着装置に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】従来、各種の基板上に薄膜を形成するの
に、通常、スパッタリング法や、蒸着法を用いる。しか
し、酸化物超電導体薄膜を形成するに当たって、スパッ
タリング法では、成膜中の基板温度を７００℃、あるい
はそれ以上の温度に設定する必要があり、基板の材料に
制限を受ける上に、通常は酸化物超電導体の焼結体のタ
ーゲットを用いるため、ターゲット表面の経年変化によ
り薄膜中の組成比の再現性がよくないという欠点があっ
た。

【０００３】従来の蒸着法では、膜厚モニタを使用して
付着速度を制御することにより、薄膜中の組成比を再現
性よく形成することができ、また成膜速度もスパッタリ
ング法の２倍以上が得られる。しかし、従来の蒸着法で
は、ＹＢａＣｕＯ系酸化物高温超電導体薄膜を形成する
場合、薄膜の結晶性の面から一般に基板温度を７００℃
以上に上げる必要があり、基板材料と薄膜との熱膨張係
数の関係、薄膜の結晶成長方向の制御性等の理由により
、上記超電導体の格子定数に近い数値をもつ単結晶基板
、例えばＭｇＯ（１００）、ＳｒＴｉＯ３　（１１０）
等の基板が使用され、その他の材料の基板については耐
熱性、熱膨張係数の差による熱応力のために使用するの
が困難であった。また、各蒸発源の相互間距離と、蒸発
源と基板との距離の関係から、一様な膜厚分布が得られ
る有効基板面積は数ｃｍ角程度であった。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】従来の蒸着法における
問題点は、上記のように基板温度を７００℃以上に加熱
する必要があるため、７００℃以下の温度においてもＭ
ｇＯ、ＳｒＴｉＯ３　、ガラス、ステンレス等の基板上
に膜厚分布が一様な例えばＹＢａＣｕＯ系の酸化物超電
導体膜厚を形成するのが困難であるという点である。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明の真空薄膜蒸着装
置は、接地電位に維持された真空槽を有し、該真空槽内
に薄膜が形成される基板を保持する基板ホルダーと、基
板を所定温度に加熱する基板加熱用ヒータと、上記薄膜
を形成するのに必要な材料の多元蒸発源と、上記基板に
ガスイオンを供給するイオン源と、上記基板と蒸発源と
の間に設けられていて、成膜処理期間中、上記基板に対
する実際の成膜時間を制御する開閉シャッタとが配置さ
れている。また、蒸発源からの材料の蒸発速度をモニタ
して基板に対する蒸発材料の付着速度を制御する制御手
段とが設けられている。

【０００６】

【作用】ヒータにより所定温度に加熱された基板に対し
てイオン源より酸素ガスイオンを供給すると同時に、付
着速度制御手段により所望の付着速度が得られるよう多
元蒸着源の各蒸発率を制御する。この薄膜形成中、シャ
ッタを例えば４秒間開き、４秒間閉じることにより、制
御性よく基板上の平均付着速度を下げることができ、シ
ャッタ閉の時には反応の促進をはかることができるため
、上記基板上に均一な所定の膜厚をもった薄膜、例えば
酸化物超電導体薄膜が形成される。

【０００７】

【実施例】図１は、本発明による真空薄膜蒸着装置の一
実施例の内部構造を概略的に示す斜視図である。同図で
、１は真空槽、２は排気系で、真空槽１内の低部には電
子銃３と、該電子銃３からの電子ビームによる衝撃によ
って蒸発される金属を銅製３元用ルツボ３１に収容して
構成された蒸発源４、５、６が配置されている。３２は
電子銃磁極である。蒸発源４には例えばＢａ、蒸発源５
には例えばＣｕ、蒸発源６には例えばＹが収容されてい
る。これらの各蒸発源の蒸発用金属材料は電子銃３から
の電子ビームによって順次衝撃されて蒸発される。蒸発
源４乃至６を電子ビームによって蒸発させる代わりに、
各蒸発源を抵抗加熱手段によって加熱蒸発させてもよい
。

【０００８】真空槽１内の上方部には基板ホルダー７、
該基板ホルダー７内に設置された被蒸着基板（図示せず
）を加熱するヒータ８が設けられている。基板の温度は
基板ホルダー７に設けられた例えば熱電対９をセンサー
とする温度調節装置２２で検知され、該温度調節装置２
２の出力によって基板の温度が所定の一定温度、例えば
５６０℃に維持されるようにヒータ用交流電源１０の電
圧を制御する。１１は基板用直流電源で、基板に対して
例えば０Ｖの電圧を印加する。

【０００９】１２は酸素イオン源で、陽極１３、陰極と
して作用する熱フィラメント１４、磁極１５、１６、酸
素ガス導入用ＳＵＳ配管１７からなっている。陽極１３
には直流電源１８によって約６０Ｖの直流電圧が印加さ
れ、熱フィラメント１４には交流電源１９によって約３
５Ａの電流が流れている。熱フィラメント１４にはまた
直流電源２０によって−３０Ｖの直流電圧が重畳されて
いる。酸素ガス供給用ＳＵＳ配管１７による酸素ガスの
供給量は酸素ガス用マスフローコントローラ２１によっ
て設定され、例えば真空槽圧力が２×１０−４Ｔｏｒｒ
の圧力になるように酸素イオン源１２に酸素ガスが供給
される。磁極１５、１６は約１５０ガウス程度の磁束を
発生する。

【００１０】２４、２５、２６は膜厚モニタ検出器で、
蒸発源４、５、６の各材料の蒸発速度をモニタして、こ
れから付着速度を知るものである。各膜厚モニタ２４、
２５、２６と基板ホルダー７との間にはシャッタ２７が
設けられており、該シャッタの開閉は外部から電気信号
によって行われる。シャッタ２７は酸素イオン源１２か
らの酸素ガスイオンがおよび酸素ラジカルが基板に到達
するのを妨げない位置に設置されている。

【００１１】膜厚モニタ検出器２４〜２６は図２に示す
ような蒸発量制御系中に配置されている。例えば、蒸発
源４の蒸発速度は膜厚モニタ検出器２４で検出され、該
膜厚モニタ検出器２４の出力は付着速度信号を表わし、
この信号は水晶振動子式膜厚モニタ２８に供給される。 膜厚モニタ２８において、検出された付着速度信号は設
定された希望の付着速度信号と比較され、差信号に相当
する制御信号は電子ビーム制御器２９に供給される。電
子ビーム制御器２９の出力信号によって電子ビーム電源
３０から電子銃３に供給される電力を制御して、電子銃
３の電子ビームのエネルギを調整し、蒸発源４の蒸発速
度を所望の付着速度が得られるように制御する。

【００１２】上記の装置において、基板ホルダー７に被
蒸着基板として、例えばＭｇＯ単結晶基板をセットし、
またＢａ、Ｃｕ、Ｙのを銅製３元用ルツボ３１上の所定
位置にセットした後、排気系２を動作させて真空槽１を
１０−６Ｔｏｒｒ程度にまで排気する。また、ヒータ用
交流電源１０を調節して、ヒータ８により基板５６０℃
の一度温度で約４０分間加熱した後、シャッタ２７を閉
位置にした状態で、電子銃３で蒸発源４、５、６を順次
くり返し衝撃して、Ｂａ、Ｃｕ、Ｙを加熱して蒸発させ
る。蒸発速度は図２の制御系で所定の値となるように調
整される。また、これと同時にマスフローコントローラ
２１を操作して、酸素ガス供給用ＳＵＳ配管１７を通し
て酸素ガスを真空槽圧力が２×１０−４Ｔｏｒｒの圧力
になるように酸素イオン源１２に供給する。このとき、
前述のように、磁極１５、１６が作る１５０ガウス程度
の磁場中で、陽極１３に直流電源１８により６０Ｖを印
加し、陰極として作用する熱フィラメント１４に交流電
源１９を用いて３５Ａの電流を流す。また、直流電源２
０によって熱フィラメント１４に−３０Ｖの直流電圧を
重畳させる。これによって陽極１３に約２Ａの放電電流
が流れる。前述のように、基板ホルダー７内に設置され
た被蒸着基板には基板用直流電源１１によって０Ｖの電
位が印加される。

【００１３】上記の状態で、真空槽外に設けられたシャ
ッタ開閉制御回路（図示せず）を動作せさて、シャッタ
２７を４秒間開、４秒間閉のくり返し開閉動作を行って
約７０分間蒸着によるコーティングを行う。コーティン
グ終了後、マスフローコントローラ２１を動作させて、
真空槽圧力が１×１０−３Ｔｏｒｒになる酸素圧力でイ
オン源放電電流が２Ａ、基板温度５６０℃の条件で配素
処理を約１０分間行った後、酸素ガスの供給を止めてイ
オン源等の電源をすべてオフにして、１０−６Ｔｏｒｒ
台の真空状態で約１時間冷却すると、基板上に膜厚が約
０．５μｍ乃至１．０μｍのイットリウム系（ＹＢａＣ
ｕＯ）の超電導体薄膜が形成された。

【００１４】図３は上記のようにしてＭｇＯ単結晶基板
上に形成されたイットリウム系超電導体薄膜の電気抵抗
と温度との関係を示す図である。この図から明らかなよ
うに、抵抗値の下がり初めは８４Ｋ（−１８９．１５℃
）で、抵抗値０を示す温度は６０Ｋ（−２１３．１５℃
）である。図４はこの装置によって形成された超電導体
薄膜のＸ線回析パターンを示す。この図から明らかなよ
うに、メインピークがＪＣＰＤＳカードよりＢａ２　Ｃ
ｕ３　ＹＯ６．５６の（１０１）に強く優先配向した超
電導体薄膜になっていることがわかる。

【００１５】図５はこの発明の装置を使用して、シヤッ
タ２７を開閉して蒸着を行った場合と、シヤッタを開い
たままで蒸着を行った場合のＭｇＯ基板上に形成された
薄膜のＸ線回折パターンを示す図である。同図から明ら
かなように、シヤッタ２７を開いたままで蒸着を行った
場合のＸ線回折パターンＢのメインピークを示す組成は
Ｙ２　Ｃｕ２　Ｏ５　である。これは基板温度が５６０
℃と低く、基板上での付着速度が速すぎるために生ずる
ものである。シヤッタを用いない従来の装置で安定した
再現性のある付着速度には限界があり、また各膜厚モニ
タによる付着速度の設定値は０．１ｎｍ／秒が限界であ
り、ほぼこの限界近くの付着速度で蒸着を行っているた
め、膜厚モニタ基板上の付着速度を低下させることは実
際には不可能である。そこで、この発明の装置ではシヤ
ッタ２７を開閉することにより見掛けの付着速度を低下
させ、また、シヤッタ２７が閉の期間中は、基板には蒸
着用金属の上記は供給されず、酸素イオン源１２から酸
素ガスイオンおよび酸素ラジカルのみが供給されるので
、適当なシヤッタ開閉時間を設定することにより（例え
ば、４秒間開、４秒間閉をくり返す）、ＭｇＯ基板上に
図５のＸ線回折パターンＡに示すようにＹＢａ２　Ｃｕ
３　Ｏ６．５６にメインピークをもつイットリウム系超
導電薄膜が形成された。

【００１６】また、この発明の装置によれば、図６に示
すように、バッフア層を用いることなくＭｇＯの単結晶
基板のみならず、７０５９ガラス（米国コーニング社の
商品番号）、ＳＵＳ３０４（ＪＩＳ）ステンレス上にも
同様にＹＢａ２　Ｃｕ３　Ｏ６．５６の所望のイットリ
ウム系超電導体薄膜を形成することができた。さらに、
この発明の装置によれば、図７に示すように、酸素イオ
ン源１２の放電電流を調整することにより、イットリウ
ム系酸化物超電導体薄膜中の酸素量の制御ができる。例
えば放電電流２Ａのとき、優先配向がａ−ｂ軸（ＹＢａ
２　Ｃｕ３　Ｏ６．５６に相当）からｃ−軸（ＹＢａ２
　Ｃｕ３　Ｏ６．８０に相当）に変化することが確かめ
られた。よって、酸素イオン源１２のパラメータになる
電源１８、１９、２０を適当に調整することでイットリ
ウム系超電導体薄膜中の酸素量を制御することができる
。

【００１７】この発明の装置における酸素イオン源１２
について言えば、酸素ガスの導入圧力が上述の実施例に
おける２×１０−４Ｔｏｒｒでは、陽極１３と熱フィラ
メント１４のみでは放電が不安定になるが、陽極１３の
近傍に設けられた磁極１５、１６による磁界と、陽極１
３の電圧、熱フィラメント１４の電圧、マスフローコン
トローラ２１による酸素ガスの流量をそれぞれ適性に設
定し、さらに酸素ガスの吹き出し口を熱フィラメント１
４の近傍に配置することにより、酸素イオン源１２の局
在的な圧力が上昇し、安定な放電が維持されて均一性の
ある薄膜イオン源の存在により、従来は７００℃以上の
基板温度が必要であったのに対し、５００℃程度の比較
的低温でも成膜が可能となり、基板を真空槽からとり出
すことなく比較的低温の５００℃での酸素処理で超電導
性をもった薄膜の成膜が可能になった。

【００１８】

【発明の効果】以上のように、本発明の真空薄膜蒸着装
置によれば、７００℃以下の基板温度で薄膜の成膜が可
能であるから、ＭｇＯ（１００）やＳｒＴｉＯ３　（１
１０）の耐熱性に富む単結晶基板は勿論、ガラスその他
の耐熱性の比較的低い基板に対しても薄膜を成膜するこ
とができる。また、放電電流を変化させると共にシヤッ
タを所定の周期で開閉させることにより薄膜の結晶性並
びに優先配向を制御することができ、ＭｇＯ単結晶基板
の他にガラスやステンレス等の非結晶性の基板に対して
もバッファ層なしで所望の組成、結晶の優先配向をもっ
た薄膜を形成することができる。さらに、シヤッタの作
用により、蒸発物質の見かけの付着速度を低下させると
共に、シヤッタが閉のときも酸素ガスイオン、酸素ラジ
カルが供給され、成膜後の酸素雰囲気中における熱処理
を行うことなく均一な特性の結晶性の高い薄膜を成膜す
ることができる。この発明の真空層薄膜蒸着装置は、実
施例で説明した超電導体薄膜の他に、蒸発源４、５、６
の蒸発材料を適当に選択することにより、酸化物、窒化
物等の任意の反応性薄膜を成膜することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の真空薄膜蒸着装置の一実施例の概略構
成図である。

【図２】図１に示す本発明の薄膜蒸着装置で使用される
膜厚モニタを含む蒸発速度制御系を示す図である。

【図３】図１に示す本発明の薄膜蒸着装置によって成膜
された超電導体薄膜の一例の特性を示す図である。

【図４】図１に示す本発明の薄膜蒸着装置によって成膜
されたＹＢａＣｕＯ系超電導体薄膜のＸ線回折パターン
を示す図である。

【図５】図１に示す本発明の薄膜蒸着装置を用いて、シ
ヤッタを開閉して成膜された超電導体薄膜のＸ線回折パ
ターンとシヤッタを開いたままの状態で成膜された超電
導体薄膜のＸ線回折パターンを示す図である。

【図６】図１に示す本発明の薄膜蒸着装置を用いてＭｇ
Ｏ単結晶基板、ガラス、ＳＵＳ３０４ステンレス上にそ
れぞれ成膜された超電導体薄膜のＸ線回折パターンを示
す図である。

【図７】図１に示す本発明の薄膜蒸着装置を用いて、酸
素イオン源の放電電流を１Ａ、２Ａに設定したときに成
膜される超電導体薄膜の各Ｘ線回折パターンを示す図で
ある。

【符号の説明】

１　　真空槽 ２　　排気系 ３　　電子銃 ４、５、６　　蒸発源 ７　　基板ホルダー ８　　ヒータ １０　　ヒータ用交流電源 １１　　基板用直流電源 １２　　酸素イオン源 １３　　陽極 １４　　熱フィラメント １５、１６　　磁極 １７　　酸素ガス供給用配管 ２４、２５、２６　　膜厚モニタ検出器２７　　シヤッ
タ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　接地電位に維持され、排気系によって
   内部が所定の圧力に排気される真空槽と、該真空槽内の
   底部に設けられた薄膜を形成するのに必要な材料の多元
   蒸発源と、上記真空槽内の上方部に配置された基板を保
   持する基板ホルダーと、上記基板を所定温度に加熱する
   ための基板加熱用ヒータと、該基板に真空槽の電位を基
   準として０Ｖ乃至マイナス数百Ｖの電圧を印加する基板
   用直流電源と、上記基板にガスイオンを供給するイオン
   源と、上記蒸発源と基板との間に設けられていて成膜処
   理中の各蒸発源の蒸発速度を検出する膜厚モニタ検出器
   と、該膜厚モニタ検出器の出力信号に基づいて上記基板
   に対する蒸着速度を制御するために上記各蒸発源の蒸発
   速度を制御する制御手段と、上記基板と膜厚モニタ検出
   器との間であって、上記イオン源から基板へのイオンの
   供給の妨げにならない位置に配置されていて、真空槽外
   から開閉が制御されるシャッタとからなり、上記イオン
   源は陽極、陰極、該陰極の近傍に気体供給源より気体を
   送り込むための気体供給用配管、および上記陽極の近傍
   に設けられた磁界発生手段を有している、真空薄膜蒸着
   装置。