JPH06272022A

JPH06272022A - レーザ蒸着装置及びそれを用いた多結晶薄膜の形成方法

Info

Publication number: JPH06272022A
Application number: JP6018693A
Authority: JP
Inventors: Yasuhiro Iijima; 康裕飯島; Nobuo Tanabe; 信夫田辺; Kazunori Onabe; 和憲尾鍋; Naohiro Futaki; 直洋二木; Nobuyuki Sadakata; 伸行定方
Original assignee: Chodendo Hatsuden Kanren Kiki Zairyo Gijutsu Kenkyu Kumiai
Current assignee: Chodendo Hatsuden Kanren Kiki Zairyo Gijutsu Kenkyu Kumiai
Priority date: 1993-03-19
Filing date: 1993-03-19
Publication date: 1994-09-27

Abstract

(57)【要約】【目的】多結晶薄膜の結晶配向性を向上させる。【構成】多結晶体あるいはその原料を含むターゲット
１８と、該ターゲット１８表面にレーザ光を照射するレ
ーザ発光装置１４と、ターゲット１８近傍に配設された
成膜用基材２０と、該基材２０の成膜面に対して斜め方
向からイオンビームを照射するイオンビーム発生装置１
５とを有する。【効果】レーザ光をターゲットに照射し、このターゲ
ットから微粒子を飛散させて基材の成膜面に堆積すると
ともに、該微粒子にイオンビームを照射することによ
り、結晶配向性の優れた多結晶薄膜を基材の成膜面に形
成できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、結晶方位の整った多結
晶薄膜を形成するレーザ蒸着装置及びそれを用いた多結
晶薄膜の形成方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、超電導状態から常電導状態に遷移
する臨界温度（Ｔｃ）が液体窒素温度以上の高い値を示
す酸化物超電導体が種々発見されつつある。この種の酸
化物超電導体は、液体ヘリウムで冷却する必要のあった
従来の合金系あるいは金属間化合物の超電導体に比較し
て格段に有利な冷却条件で使用できることから、実用上
極めて有望な超電導材料として種々の研究と開発がなさ
れている。

【０００３】このような酸化物超電導体を実用的に使用
するためには、種々の解決すべき問題点が存在してい
る。その問題の一つが、酸化物超電導体の臨界電流密度
（Ｊｃ）が低いという問題である。この問題は、酸化物
超電導体の結晶自体に電気的な異方性が存在することが
大きな原因となっており、特に、酸化物超電導体はその
結晶軸のａ軸方向とｂ軸方向とには電気を流し易いが、
ｃ軸方向には電気を流しにくいことが知られている。こ
のような観点から酸化物超電導体を基材上に形成し、こ
れを超電導体として使用するためには、基材上に結晶配
向性の良好な状態の酸化物超電導体を形成し、しかも、
電気を流そうとする方向に酸化物超電導体の結晶のａ軸
あるいはｂ軸を配向させ、その他の方向に酸化物超電導
体のｃ軸を配向させる必要がある。

【０００４】そこで従来、基板や金属テープなどの基材
上に結晶配向性の良好な酸化物超電導層を形成するため
に種々の手段が試みられた。その一つの方法として、酸
化物超電導体と結晶構造の類似したＭｇＯあるいはＳｒ
ＴｉＯ₃などの単結晶基材を用い、これらの単結晶基材
上にスパッタリングなどの成膜法により酸化物超電導層
を形成する方法が実施されている。

【０００５】前記ＭｇＯやＳｒＴｉＯ₃の単結晶基材を
用いてスパッタリングなどの成膜法を行なえば、酸化物
超電導層の結晶が単結晶基材の結晶を基に結晶成長する
ために、その結晶配向性を良好にすることが可能であ
り、これらの単結晶基材上に形成された酸化物超電導層
は、数万〜数十万Ａ／ｃｍ²程度の十分に高い臨界電流
密度を発揮することが知られている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、酸化物超電
導体を導体として使用するためには、テープ状などの長
尺の基材上に結晶配向性の良好な酸化物超電導層を形成
する必要がある。ところが、金属テープなどの基材上に
酸化物超電導層を直接形成すると、金属テープ自体が多
結晶体でその結晶構造も酸化物超電導体と大きく異なる
ために、結晶配向性の良好な酸化物超電導層は到底形成
できないものである。しかも、酸化物超電導層を形成す
る際に行なう熱処理によって金属テープと酸化物超電導
層との間で拡散反応が生じて酸化物超電導層の結晶構造
が崩れ、超電導特性が劣化する問題がある。

【０００７】そこで従来、金属テープなどの基材上に、
ＭｇＯやＳｒＴｉＯ₃などの多結晶薄膜を被覆し、この
多結晶薄膜上に酸化物超電導層を形成することが行なわ
れている。ところがこの種の多結晶薄膜上に形成した酸
化物超電導層は、単結晶基材上に形成された酸化物超電
導層よりもかなり低い臨界電流密度（例えば数千〜一万
Ａ／ｃｍ²）程度しか示さないという問題があった。こ
れは、以下に説明する理由によるものと考えられる。

【０００８】図１３は、金属テープなどの基材１上に多
結晶薄膜２を形成し、この多結晶薄膜２上に酸化物超電
導層３を形成した酸化物超電導体の断面構造を示すもの
である。ここで、図１３に示す構造において、酸化物超
電導層３は多結晶状態であり、多数の結晶粒４が無秩序
に結合した状態となっている。これらの結晶粒４の一つ
一つを個々に見ると各結晶粒４の結晶のｃ軸は基材表面
に対して垂直に配向しているものの、ａ軸とｂ軸は無秩
序な方向を向いていると考えられている。

【０００９】このように酸化物超電導層３の結晶粒毎に
ａ軸とｂ軸の向きが無秩序になると、結晶配向性の乱れ
た結晶粒界において超電導状態の量子的結合性が失われ
る結果、超電導特性、特に臨界電流密度の低下を引き起
こすものと思われる。また、酸化物超電導体がａ軸およ
びｂ軸配向していない多結晶状態となるのは、その下に
形成された多結晶薄膜２がａ軸およびｂ軸配向していな
い多結晶状態であるために、酸化物超電導層３を成膜す
る場合に、多結晶薄膜２の結晶に整合するように酸化物
超電導層３が成長するためであると思われる。

【００１０】ところで、酸化物超電導体の応用分野以外
において、多結晶体の基材上に各種の配向膜を形成する
技術が利用されている。例えば、光学薄膜の分野、光磁
気ディスクの分野、配線基板の分野、高周波導波路や高
周波フィルタ、空洞共振器などの分野であるが、いずれ
の技術においても基材上に膜質の安定した配向性の良好
な多結晶薄膜を形成することが課題となっている。すな
わち、多結晶薄膜の結晶の配向性が良好ならば、その上
に形成される光学薄膜、磁性薄膜、配線用薄膜などの質
が向上するものであり、更に基材上に結晶配向性の良好
な光学薄膜、磁性薄膜、配線用薄膜などを直接形成でき
るならば、なお好ましいものである。

【００１１】また、高周波数帯域で使用される磁気ヘッ
ドのコア材として、高透磁率を有し、熱的にも安定なパ
ーマロイ、あるいは、センダストなどの磁性薄膜が実用
化されている。これらの磁性薄膜は、従来、蒸着やスパ
ッタにより所定の基板上に形成されるが、これらの磁性
薄膜の結晶方位の配向性が低いものであると、磁性薄膜
の磁気異方性の制御が困難になり、膜面内では結晶粒の
方位が無秩序になり、透磁率の高周波特性が損なわれる
問題があった。また、膜面内での結晶軸の軸方向が無秩
序であると、面内磁化にスキューやリップルと呼ばれる
局所的なゆらぎが発生し、前述のように透磁率の高周波
特性が損なわれることになる。

【００１２】近年、発明者らは、ハステロイテープなど
の金属テープの上にＹＳＺの多結晶薄膜を形成し、この
多結晶薄膜上に酸化物超電導体の中でも安定性に優れた
ＹＢａＣｕＯ系の超電導層を形成することで超電導特性
の優れた超電導テープを製造する試みを種々行なってい
る。

【００１３】このような試みの中から本発明者らは先
に、結晶配向性に優れた多結晶薄膜を形成するために、
あるいは、超電導特性の優れた超電導テープを得るため
に、特願平３ー１２６８３６号公報、特願平３ー１２６
８３７号公報、特願平３ー２０５５５１号公報、特願平
４ー１３４４３号公報、特願平４ー２９３４６４号公報
などにおいて特許出願を行なっている。

【００１４】これらの特許出願に記載された技術によれ
ば、ハステロイテープなどの金属テープの基材上にスパ
ッタ装置により多結晶薄膜を形成する際に、スパッタリ
ングと同時に基材成膜面の斜め方向からイオンビームを
照射しながら多結晶薄膜を形成することにより、結晶配
向性に優れた多結晶薄膜を形成することができるもので
ある。この方法によれば、多結晶薄膜を形成する多数の
結晶粒のそれぞれの粒界傾角を３０度以下に揃えること
ができ、結晶配向性に優れた多結晶薄膜を形成すること
ができる。そして更に、この配向性に優れた多結晶薄膜
上に酸化物超電導層を成膜するならば、酸化物超電導層
の結晶配向性も優れたものになり、これにより、結晶配
向性に優れた臨界電流密度の高い酸化物超電導層を形成
することができる。

【００１５】本発明は前記課題を有効に解決するもの
で、基材の成膜面に対して直角向きに結晶軸のｃ軸を配
向させることができると同時に、成膜面と平行な面に沿
って多結晶薄膜の結晶軸のａ軸およびｂ軸をも揃えるこ
とができ、結晶配向性に優れた多結晶薄膜を形成するこ
とができるレーザ蒸着装置及びそれを用いた多結晶薄膜
の形成方法を提供することを目的とする。

【００１６】

【課題を解決するための手段】請求項１記載のレーザ蒸
着装置は、多結晶体あるいはその原料を含むターゲット
と、該ターゲット表面にレーザ光を照射するレーザ発光
装置と、前記ターゲット近傍に配設された成膜用基材
と、該基材の成膜面に対して斜め方向からイオンビーム
を照射するイオンビーム発生装置とを有することを特徴
とするものである。

【００１７】請求項２記載のレーザ蒸着装置を用いた多
結晶薄膜の形成方法は、多結晶体あるいはその原料を含
むターゲットの表面にレーザ光を照射して飛散させた微
粒子を基材成膜面に堆積させ、該基材成膜面に多結晶薄
膜を形成する多結晶薄膜の形成方法であって、レーザ発
光装置から出射されたレーザ光をターゲットに照射する
ことにより、該ターゲットから微粒子を飛散させるとと
もに、該微粒子の堆積と同時に基材成膜面の斜め方向か
らイオンビームを照射することを特徴とするものであ
る。

【００１８】

【作用】請求項１記載のレーザ蒸着装置では、ターゲッ
トの表面にレーザ発光装置から発生するレーザ光を照射
することにより、多結晶体あるいはその原料の微粒子が
飛散し、この微粒子が成膜用基材の成膜面に堆積し、こ
の成膜用基材の成膜面に多結晶薄膜が形成される。この
成膜用基材の成膜面に対して斜め方向からイオンビーム
発生装置でイオンビームを照射することにより、構成粒
子が効率的に活性化される結果、基材の成膜面に対して
ｃ軸配向性に加えてａ軸配向性とｂ軸配向性も向上す
る。その結果、結晶粒界が多数形成された多結晶薄膜で
あっても、結晶粒ごとのａ軸配向性とｂ軸配向性とｃ軸
配向性とのいずれもが良好になり、膜質の向上した多結
晶薄膜が得られる。

【００１９】なお、前記多結晶薄膜の結晶配向性が整う
要因として本発明者らは、以下のことを想定している。
基材上に形成された立方晶の多結晶薄膜の結晶の単位格
子においては、基材法線方向が（１００）軸であり、他
の（０１０）軸と（００１）軸は、いずれも、（１０
０）軸に直交する方向となる。これらの方向に対し、基
材法線に対して斜め方向から入射するイオンビームを考
慮すると、単位格子の原点に対して単位格子の対角線方
向、即ち、（１１１）軸に沿って入射する場合は５４．
７度の入射角度となる。

【００２０】ここで、前記のように、イオンビームの入
射角度が５０〜６０度の範囲で良好な結晶配向性を示す
ことは、イオンビームの入射角度が前記５４．７度と一
致するかその前後になることが関連していると思われ、
これらの角度が一致するか、近似した場合にイオンチャ
ンネリングが最も効果的に起こり、基材上に堆積してい
る結晶において、基材の上面で前記角度に一致する配置
関係になった原子のみが選択適に残り易くなり、その他
の乱れた原子配列のものは斜めに入射されるイオンビー
ムが発生させるスパッタ効果によりスパッタされて除去
される結果、配向性の良好な原子の集合した結晶のみが
選択適に残って堆積し、これが原因となって結晶配向性
が整うものと推定している。

【００２１】また、前記結晶配向性の良好な多結晶薄膜
上に酸化物超電導層をエピタキシャル成長させるなら
ば、酸化物超電導層が多結晶薄膜の結晶に沿って結晶成
長する結果、酸化物超電導層もａ軸配向性とｂ軸配向性
とｃ軸配向性の良好なものが得られる。

【００２２】請求項２記載のレーザ蒸着装置を用いた多
結晶薄膜の形成方法では、レーザ発光装置から出射され
たレーザ光をターゲットに照射することにより、該ター
ゲットから微粒子を飛散させるとともに、該微粒子の堆
積と同時に基材成膜面の斜め方向からイオンビームを照
射するから、微粒子が所定方向に配向される。この微粒
子を基材表面に当てることにより、この基材表面に所定
方向に配向する多結晶薄膜が形成される。

【００２３】

【実施例】以下、本発明のレーザ蒸着装置及びそれを用
いた多結晶薄膜の形成方法の一実施例について、図１な
いし図１３を参照しながら説明する。図１に示すよう
に、符号１０はレーザ蒸着装置であり、このレーザ蒸着
装置１０は、内部に蒸着処理室１１が形成された処理容
器１２と、蒸着処理室１１内にレーザ光を照射するレー
ザ発光装置１４と、蒸着処理室１１内にイオンビームを
照射するイオンビーム発生装置１５とを有する構成にさ
れている。以下、詳細に説明する。

【００２４】処理容器１１には、蒸着処理室１１と、こ
の蒸着処理室１１内の空気を排気する排気孔１６とが形
成されている。蒸着処理室１１には、下面を傾斜状態に
配設した支持板１７と、この支持板１７の下面に支持さ
れ、多結晶体あるいはその原料を含むターゲット１８
と、このターゲット１８の下面に対向配設され、該ター
ゲット１８の近傍に配設された基台１９と、この基台１
９の上面に移動可能に載置され、テープ状金属材料から
なる成膜用基材２０と、この成膜用基材２０を基台１９
上に送り出す送出装置２１と、この送出装置２１から基
台１９上に巻きだされた成膜用基材２０を巻き取る巻取
装置２２とが収納されている。排気孔１６は、蒸着処理
室１１と真空排気装置（図示略）とに接続され、蒸着処
理室１１内部を真空排気する構成にされている。

【００２５】ターゲット１７は、目的とする多結晶薄膜
を形成するためのものであり、目的の組成の多結晶薄膜
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燒結体等から
構成されている。ここで、酸化物超電導薄膜を形成する
場合には、基材２０上に中間層となる酸化薄膜を形成
し、この酸化薄膜上に酸化物超電導薄膜を形成してもよ
い。かかる場合、酸化薄膜用ターゲット１７は、ＭｇＯ
あるいはＹ₂Ｏ₃で安定化したジルコニア（ＹＳＺ）、Ｍ
ｇＯ、ＳｒＴｉＯ₃などを用いるがこれに限定するもの
でなく、形成しようとする酸化物超電導体に適した材料
から形成されている。酸化物超電導体用ターゲットは、
Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系、Ｂｉ−Ｓｒ−Ｃａ−Ｃｕ−Ｏ
系、Ｔｌ−Ｂａ−Ｃａ−Ｃｕ−Ｏ系等の材料から構成し
てもよい。

【００２６】成膜用基材２０は、銀、白金、ステンレス
鋼、銅などのテープ状金属材料を用いるがこれに限定す
るものでなく、例えば、板材、線材、テープ材等種々の
形状のもので、合金、あるいは、各種ガラスまたは各種
セラミックス等から構成してもよい。成膜用基材２０が
載置される基台１９は、内部に加熱ヒーターを備え、成
膜用基材２０を所望の温度に加熱できる構成にされてい
る。

【００２７】レーザ発光装置１４は、処理容器１２の側
方に配置され、レーザ発光装置で発生させたレーザビー
ムを処理容器１２の側壁に取り付けられた透明窓２３を
通過させ、この透明窓２３からレーザビームをターゲッ
ト１８に照射する位置に配設されている。ここで、レー
ザ発光装置１４はターゲット１８から構成粒子を叩きだ
すことができるものであれば、ＹＡＧレーザ、ＣＯ₂レ
ーザ、エキシマレーザなどのいずれを使用してもよい。
エキシマレーザにあっては、ＡｒＦ、ＡｒＣｌ、ＫｒＦ
等のいずれのレーザ光を用いてもよい。レーザ発光装置
１４と透明窓２３との間には、レーザビームを反射させ
る複数の反射鏡２４と、レーザビームを集光させる集光
レンズ２５とが配設されている。

【００２８】イオン発生装置１５は、容器の内部に、蒸
発源を収納し、蒸発源の近傍に引出電極を備えて構成さ
れている。そして、蒸発源から発生した原子または分子
の一部をイオン化し、そのイオン化した粒子を引出電極
で発生させた電界で制御してイオンビームとして照射す
る装置である。粒子をイオン化するためには、直流放電
方式、高周波励起方式、フィラメント式、クラスターイ
オンビーム方式などの種々のものがある。フィラメント
式はタングステン製のフィラメントに通電加熱して熱電
子を発生させ、高真空中で蒸発粒子と衝突させてイオン
化する方法である。また、クラスタイオンビーム方式
は、原料を入れたるつぼの開口部に設けられたノズルか
ら真空中に出てくる集合分子のクラスタを熱電子で衝撃
してイオン化して放射するものである。本実施例のイオ
ン発生装置１５は、図２に示すように、筒状の容器１６
の内部に、引出電極２７とフィラメント２８とＡｒガス
などの導入管２９とを備え、容器２６の先端からイオン
をビーム状に平行に照射できる構成にされている。すな
わち、導入管２９から導入されたＡｒガスの一部をフィ
ラメント２８でイオン化し、このイオン化した粒子を引
出電極２７で発生させた電界で制御してイオンビームと
して照射するように構成されている。

【００２９】このイオン発生装置１５は、その中心軸を
基材２０の上面（成膜面）に対して傾斜角度θでもって
傾斜させて対向されている。この傾斜角度θは４０〜６
０度の範囲が好ましいが、特に５５〜６０度の範囲が最
も好ましい。従って、イオン発生装置１５は基材２０の
上面に対して傾斜角θでもってイオンビームを入射でき
るように配置されている。なお、基材２０に照射するイ
オンビームは、Ｈｅ⁺、Ｎｅ⁺、Ａｒ⁺、Ｘｅ⁺、Ｋｒ⁺な
どの希ガスのイオンビーム、あるいは、それらと酸素イ
オンの混合イオンビームなどで良い。ただし、多結晶薄
膜の結晶構造を整えるためには、ある程度の原子量が必
要であり、あまりに軽量のイオンでは効果が薄くなるこ
とを考慮すると、Ａｒ⁺、Ｋｒ⁺などのイオンを用いるこ
とが好ましい。

【００３０】次に、このようなレーザ蒸着装置１０を用
いた多結晶薄膜の形成方法について説明する。基材２０
上に多結晶薄膜を形成するには、ＹＳＺのターゲット１
８を支持版１７に取り付け、蒸着処理室１１の内部を真
空引きして減圧雰囲気とする。そして、イオン発生装置
１５とレーザ発光装置１４とを作動させる。このレーザ
発光装置１４からターゲット１８にレーザを照射する
と、ターゲット１８の構成粒子が叩きだされて基材２０
上に飛来する。このときに、イオン発生装置１５からＡ
ｒイオンと酸素イオンとの混合イオンを照射する。この
イオンを照射する際の照射角度θは、５５〜６０度の範
囲ならば好適である。ここで、θを９０度とすると、多
結晶薄膜のｃ軸は基材２０の成膜面に対して直角に配向
するものの、基材２０の成膜面上に（１１１）面が立つ
ので好ましくない。また、θを３０とすると、多結晶薄
膜はｃ軸配向さえもしなくなる。前記の角度でイオン照
射するならば、多結晶薄膜の（１００）面が立つように
なる。

【００３１】このような照射角度でイオン照射を行ない
ながらレーザ蒸着を行なうことで、基材２０上に形成さ
れるＹＳＺの多結晶薄膜の結晶軸のａ軸とｂ軸とを配向
させることができるが、これは、堆積されている途中の
蒸着粒子が適切な角度でイオン照射されたことにより、
効率的に活性化された結果によるものと思われる。

【００３２】なお、この多結晶薄膜Ｂの結晶配向性が整
う要因として本発明者らは、以下のことを想定してい
る。ＹＳＺの多結晶薄膜Ｂの結晶の単位格子は、図３に
示すように立方晶であり、この結晶格子においては、基
板法線方向が（１００）軸であり、他の（０１０）軸と
（００１）軸とはいずれも図３に示す方向となる。これ
らの方向に対し、基板法線に対して斜め方向から入射す
るイオンビームを考慮すると、図３に示す原点Ｏに対し
て単位格子の対角線方向、即ち、（１１１）軸に沿って
入射する場合は５４．７度となる。ここで、前記のよう
に入射角度５０〜６０度の範囲で良好な結晶配向性を示
すことは、イオンビームの入射角度が５４．７度と一致
するかその前後になった場合、イオンチャンネリングが
最も効果的に起こり、基材２０上に堆積している結晶に
おいて、基材２０の上面で前記角度に一致する配置関係
になった原子のみが選択的に残り易くなり、その他の乱
れた原子配列のものはイオンビームのスパッタ効果によ
りスパッタされて除去される結果、配向性の良好な原子
の集合した結晶のみが選択的に残って堆積してゆくもの
と推定している。

【００３３】ここで、スパッタリング装置は単位時間当
り多量の微粒子を叩きだすことが困難なため、成膜速度
は０．１〜０．５μｍ／ｈである。しかしながら、レー
ザ蒸着装置は単位時間当りスパッタリング装置に比べ多
量の微粒子を叩きだすことが容易なため、成膜速度は
１．０〜１０．０μｍ／ｈになる。

【００３４】図４に、前記の方法でＹＳＺの多結晶薄膜
Ｂが堆積された基材２０を示す。図４に示す多結晶薄膜
Ｂは、立方晶系の結晶構造を有する微細な結晶粒３０が
結晶粒界を介して多数接合一体化されてなり、各結晶粒
３０の結晶軸のｃ軸は基材２０の上面（成膜面）に対し
て直角に向けられ、各結晶粒３０のａ軸どうし及びｂ軸
どうしは互いに同一方向に向けられて面内配向されてい
る。また、各結晶粒３０のａ軸（あるいはｂ軸）どうし
は、それらのなす角度（図５に示す粒界傾角Ｋ）を３０
度以内にして接合一体化されている。なお、図４では結
晶粒３０が一層のみ形成された状態を示しているが、結
晶粒３０の多層構造でも差し支えないのは勿論である。

【００３５】基材２０上にＹＳＺの多結晶薄膜Ｂを形成
したならば、この多結晶薄膜Ｂ上に酸化物超電導層を形
成してもよい。酸化物超電導層を多結晶薄膜Ｂ上に形成
するには、目的の酸化物超電導体と近似組成あるいは同
一組成のターゲットを用い、レーザビームを照射して構
成粒子をえぐり出してもよい。多結晶薄膜Ｂにおいて
は、ｃ軸が基材２０の成膜面に対して垂直な方向に配向
し、成膜面と平行な面に沿ってａ軸どうし及びｂ軸どう
しが良好な配向性を有するので、レーザ蒸着で多結晶薄
膜Ｂの上に積層される酸化物超電導層も多結晶薄膜Ｂの
配向性に整合するように堆積して結晶成長する。

【００３６】よって多結晶薄膜Ｂ上に形成された酸化物
超電導層は、多結晶状態の酸化物超電導層となるが、こ
の酸化物超電導層の結晶粒の一つ一つにおいては、基材
２０の厚さ方向に電気を流しにくいｃ軸が配向し、基材
２０の長手方向にａ軸どうしあるいはｂ軸どうしが配向
している。従って、得られた酸化物超電導層は結晶粒界
における量子的結合性に優れ、結晶粒界における超電導
特性の劣化が少ないので、基材２０の長手方向に電気を
流し易く、臨界電流密度の優れたものが得られる。

【００３７】（製造例）図１に示すレーザ蒸着装置１０
を使用し、蒸着処理室１１の内部を１０^-4トールに減圧
した。基材２０は、幅１０ｍｍ、厚さ０．５ｍｍ、長さ
１０ｃｍのハステロイＣ２７６テープを使用した。ター
ゲット１８はＹＳＺ（安定化ジルコニア）製のものを用
い、レーザ光には１９３ｎｍのＡｒＦレーザを用いた。
イオンビーム発生装置１５は、イオン源のアシスト電圧
を３００Ｖに、イオンビームの電流密度を４００〜５０
０μＡ／ｃｍ²に、イオン源のビーム入射角度を５５度
にそれぞれ設定して基材２０上にレーザ蒸着と同時にイ
オン照射を行なってＹＳＺ層を形成した。ここで、前記
イオンビームの電流密度とは、試料近くに設置した電流
密度計測装置の計測数値によるものである。この場合、
厚さ０．５μｍのＹＳＺ層を０．１時間で成膜すること
ができた。

【００３８】得られた各ＹＳＺの多結晶薄膜試料につい
てＣｕＫα線を用いたθ−２θ法によるＸ線回折試験を
行なった。図６は、イオン源の入射角５５度、イオンビ
ーム電圧３００Ｖ、イオンビームの電流密度を４０μＡ
／ｃｍ²にそれぞれ測定した試料の回折強さを示す図で
ある。図６に示す結果から、イオンビームの電流密度を
４０μＡ／ｃｍ²に設定した試料では、ＹＳＺの（２０
０）面あるいは（４００）面のピークが認められ、ＹＳ
Ｚの多結晶薄膜（１００）面が基材２０表面と平行な面
に沿って配向しているものと推定することができ、ＹＳ
Ｚの多結晶薄膜がそのＣ軸を基材２０上面に垂直に配向
させて形成されていることが判明した。続いて図７は、
前記各試料における極点図を示すものである。この図か
らも明らかなように、イオンビームの電流密度を４０μ
Ａ／ｃｍ²とした試料では配向性が見られた。

【００３９】次に、前記のようにｃ軸配向された各試料
において、ＹＳＺ多結晶薄膜のａ軸あるいはｂ軸が配向
しているか否かを測定して。その測定のためには、図８
に示すように、基材２０上に形成されたＹＳＺの多結晶
薄膜にＸ線を角度θで照射するとともに、入射Ｘ線を含
む鉛直面において、入射Ｘ線に対して２θ（５８．７
度）の角度の位置にＸ線カウンター３１を設置し、入射
Ｘ線を含む鉛直面に対する水平角度Φの値を適宜変更し
て、即ち、基材２０を図８において矢印に示すように回
転角Φだけ回転させることにより得られる回折強さを測
定することにより多結晶薄膜３０のａ軸どうしまたはｂ
軸どうしの配向性を計測した。その結果を図９と図１０
に示す。

【００４０】図９に示すように、イオンビームの入射角
度を５５度に設定して製造した試料の場合、回折ピーク
が表れず、Φを９０度と０度とした場合、即ち、回転角
Φに対して９０度おきにＹＳＺの（３１１）面のピーク
が現われている。これは、基材面内におけるＹＳＺの
（０１１）ピークに相当しており、ＹＳＺ多結晶薄膜の
ａ軸どうしｂ軸どうしが配向していることが明らかにな
った。これに対し、図１０に示すように、イオンビーム
入射角度を９０度に設定して製造した試料の場合、特別
なピークが見られず、ａ軸とｂ軸の方向は無秩序になっ
ていることが判明した。

【００４１】以上の結果から前記装置によって製造され
た試料の多結晶薄膜は、ｃ軸配向は勿論、ａ軸どうし、
および、ｂ軸どうしも配向していることが明らかになっ
た。よって配向性に優れたＹＳＺなどの多結晶薄膜を製
造できることが明らかになった。

【００４２】一方、図１１は、図９で用いたＹＳＺ多結
晶薄膜の試料を用い、この試料の多結晶層の各結晶粒に
おける結晶配向性を試験した結果を示す。この試験で
は、図８を基に先に説明した方法でＸ線回折を行なう場
合、Φの角度を−１０度〜４５度まで５度刻みの値に設
定した際の回折ピークを測定したものである。図１１で
示す結果から、得られたＹＳＺの多結晶薄膜の回折ピー
クは、粒界傾角３０度以内では表れるが、４５度では消
失していることが明らかである。従って、得られた多結
晶薄膜の結晶粒の粒界傾角は、３０度以内に収まってい
ることが判明し、良好な配向性を有することが明らかに
なった。

【００４３】次に、イオンビーム電圧を３００Ｖ、イオ
ンビームの電流密度を４０μＡ／ｃｍ²、イオンビーム
エネルギーを３００ｅＶに設定し、基材２０の成膜面に
対するイオンビームの入射角度を０度〜６５度まで変更
して多結晶薄膜を製造した場合、得られた多結晶薄膜の
結晶の（１１１）方向の分布における入射角度と半値全
幅の関係を、図１２に示す。ここで、半値全幅は、各試
料について、図７に示すような極点図を求め、この極点
図の中心から図７に示す補助線ｅ、ｆを引いた場合に、
これら補助線ｅとｆとのなす角度αの半分の角度、即
ち、ピーク比半分にて求めた。図１２に示す結果から、
イオンビームの入射角度が５０〜６０度の範囲で結晶配
向性が良好になることが明らかになった。また、特に、
イオンビームの入射角度５５〜６０度にすることで、図
５に示す粒界傾角Ｋを２５度程度の極小値にできること
も明らかになった。

【００４４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明のレーザ蒸
着装置及びそれを用いた多結晶薄膜の形成方法によれ
ば、以下の効果を奏することができる。請求項１記載の
レーザ蒸着装置によれば、多結晶体あるいはその原料を
含むターゲットと、該ターゲット表面にレーザ光を照射
するレーザ発光装置と、前記ターゲット近傍に配設され
た成膜用基材と、該基材の成膜面に対して斜め方向から
イオンビームを照射するイオンビーム発生装置とを有す
る構成にしたから、レーザ発光装置でターゲット表面に
レーザ光を照射することにより、ターゲット表面から微
粒子が飛散し、この微粒子にイオンビーム発生装置でイ
オンビームを照射することにより、微粒子を効率的に活
性化できる。この結果、基材の成膜面に対してｃ軸配向
性に加えてａ軸配向性とｂ軸配向性をも向上させること
ができ、結晶配向性に優れた多結晶薄膜を基材の成膜面
に形成することができる。さらに、レーザ蒸着装置を用
いたため、スパッタリング装置で基材に成膜する場合に
比べ、成膜速度を速くすることができる。このため、高
い結晶配向性を有する多結晶薄膜を短時間で形成するこ
とができるから、多結晶薄膜の成膜作業に要する時間を
短縮できる。

【００４５】請求項２記載のレーザ蒸着装置を用いた多
結晶薄膜の形成方法によれば、レーザ発光装置から出射
されたレーザ光をターゲットに照射することにより、該
ターゲットから微粒子を飛散させるとともに、該微粒子
の堆積と同時に基材成膜面の斜め方向からイオンビーム
を照射する構成にしたから、微粒子の結晶配向性を向上
させて、該微粒子を基材の成膜面に当てることができ、
結晶配向性の優れた多結晶薄膜を基材の成膜面に形成す
ることができる。さらに、レーザ光を照射したため、ス
パッタリングによる場合に比べ、多数の微粒子を飛散さ
せることができ、多結晶薄膜の成膜速度を向上させるこ
とができ、多結晶薄膜の成膜作業に要する時間を短縮で
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のレーザ蒸着装置を示す平面図である。

【図２】図１のイオンビーム発生装置の一例を示す断面
図である。

【図３】基材の表面に成膜される結晶を示す概念図であ
る。

【図４】基材の表面に成膜された多結晶薄膜を示す斜視
図である。

【図５】図３の多結晶薄膜の拡大平面図である。

【図６】イオンビーム入射角度５５度、イオンビーム電
圧３００Ｖ、イオンビーム電流密度４０μＡ／ｃｍ²の
条件で製造した多結晶薄膜のＸ線回折結果を示すグラフ
である。

【図７】イオンビーム入射角度５５度、イオンビーム電
圧３００Ｖ、イオンビーム電流密度４０μＡ／ｃｍ²の
条件で製造した多結晶薄膜の極点図である。

【図８】多結晶薄膜のａ軸およびｂ軸配向性を調べるた
めに行なった試験を説明するための構成図である。

【図９】ビーム入射角５５度で製造された多結晶薄膜の
（３１１）面の回折ピークを示すグラフである。

【図１０】ビーム入射角９０度で製造された多結晶薄膜
の（３１１）面の回折ピークを示すグラフである。

【図１１】得られた多結晶薄膜の回転角度５度毎の回折
ピークを示すグラフである。

【図１２】イオンビームの入射角度と得られた多結晶薄
膜の半値全幅との関係を示すグラフである。

【図１３】従来の装置で製造された多結晶薄膜を示す構
成図である。

【符号の説明】

１０…レーザ蒸着装置、１５…イオンビーム発生装置、
１８…ターゲット、２０…基材、３０…多結晶薄膜

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者尾鍋和憲東京都江東区木場一丁目５番１号株式会社フジクラ内 (72)発明者二木直洋東京都江東区木場一丁目５番１号株式会社フジクラ内 (72)発明者定方伸行東京都江東区木場一丁目５番１号株式会社フジクラ内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】多結晶体あるいはその原料を含むターゲ
ットと、該ターゲット表面にレーザ光を照射するレーザ
発光装置と、前記ターゲット近傍に配設された成膜用基
材と、該基材の成膜面に対して斜め方向からイオンビー
ムを照射するイオンビーム発生装置とを有することを特
徴とするレーザ蒸着装置。
【請求項２】多結晶体あるいはその原料を含むターゲ
ットの表面にレーザ光を照射して飛散させた微粒子を基
材成膜面に堆積させ、該基材成膜面に多結晶薄膜を形成
する多結晶薄膜の形成方法であって、レーザ発光装置か
ら出射されたレーザ光をターゲットに照射することによ
り、該ターゲットから微粒子を飛散させるとともに、該
微粒子の堆積と同時に基材成膜面の斜め方向からイオン
ビームを照射することを特徴とするレーザ蒸着装置を用
いた多結晶薄膜の形成方法。