KR101710431B1 - 산화물 초전도 도체용 배향막 하부층 및 그 성막 방법과 성막 장치 - Google Patents

산화물 초전도 도체용 배향막 하부층 및 그 성막 방법과 성막 장치 Download PDF

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Abstract

산화물 초전도 도체용 배향막 하부층의 성막 방법으로서, 2종 이상의 타겟을 베이스의 표면에 대향하여 상기 베이스의 길이 방향으로 나란하게 배치하는 단계, 이온 빔을 상기 2종 이상의 타겟의 표면에 동시에 조사하여, 상기 2종 이상의 타겟의 구성 입자를 상기 베이스의 표면에 상기 2종 이상의 타겟의 배치 순서로 퇴적시키는 단계, 및 상기 베이스를 상기 구성 입자의 퇴적 영역 내에 복수 회 통과시키고, 이 통과마다 상기 베이스의 표면에 상기 2종 이상의 타겟의 상기 구성 입자를 반복 퇴적시켜, 상기 베이스의 표면에 2종 이상의 박막이 반복 적층된 적층체를 형성하는 단계를 포함하는 성막 방법을 제공한다.

Description

산화물 초전도 도체용 배향막 하부층 및 그 성막 방법과 성막 장치{UNDERLYING LAYER OF ALIGNMENT FILM FOR OXIDE SUPERCONDUCTOR, METHOD OF FORMING SAME, AND DEVICE FOR FORMING SAME}
본 발명은 산화물 초전도 도체용 배향막 하부층 및 그 성막 방법과 성막 장치에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 2종 이상의 박막이 반복 적층된 산화물 초전도 도체용 배향막 하부층 및 그 성막 방법과 성막 장치에 관한 것이다.
본 출원은 2009년 10월 07일자로 일본에 출원된 특허 출원 번호 2009-233764에 기초하여 우선권을 주장하고, 그 내용을 본 명세서에서 원용한다.
산화물 초전도체를 초전도 도체로서 사용하기 위해서는, 테이프 형상 등의 길이가 긴 베이스 상에 결정 배향성이 양호한 산화물 초전도체의 박막을 형성할 필요가 있다.
그러나, 일반적으로는, 금속 테이프 자체가 다결정체이며, 그 결정 구조는 산화물 초전도체와 크게 상이하기 때문에, 금속 테이프 상에 결정 배향성이 양호한 산화물 초전도체의 박막을 직접 형성하는 것은 어렵다.
또한, 베이스와 초전도체의 사이에는 열팽창률 및 격자 상수의 차이가 있으므로, 초전도 임계 온도까지의 냉각의 과정에서, 초전도체에 불균일이 발생하거나 또는 산화물 초전도체막이 기판으로부터 박리하는 등의 문제도 있다.
그래서, 금속 베이스 상에 중간층(배향막(alignment film))을 형성하고, 이 중간층(배향막) 상에 산화물 초전도체막을 형성하는 것이 행해지고 있다. 이 중간층(배향막)은, 열팽창률, 격자 상수 등의 물리적인 특성값이 베이스와 초전도체의 중간값을 나타내는 MgO, YSZ(이트리아 안정화 지르코니아), SrTiO3 등의 재료로 이루어진다. 이 중간층(배향막)의 결정 배향은 이 중간층 상에 형성되는 산화물 초전도체막의 결정 배향성에 크게 영향을 미친다.
그러므로, 본 출원인 등은 결정 배향성이 양호한 중간층(배향막)을 형성하는 성막 방법으로서 이온 빔 어시스트법(IBAD: Ion Beam Assisted Deposition)을 개발하였다. 이 이온 빔 어시스트법은, 이온 건(ion gun)으로부터 발생된 아르곤 이온과 산소 이온 등을 동시에 경사 방향(예를 들면, 45도)으로부터 조사하면서, 스퍼터링법에 의해 타겟으로부터 방출시킨 구성 입자를 베이스 상에 퇴적시키는 기술이다. 이 방법에 의하면, 베이스 상에 양호한 결정 배향을 갖는 중간층(배향막)을 형성할 수 있다.
또한, 이 중간층(배향막) 상에 산화물 초전도층(산화물 초전도체막)을 성막하는 경우, 결정 배향성이 우수한, 임계 전류 밀도가 높은 산화물 초전도층을 형성할 수 있다.
또한, 베이스 상에 Al2O3막과 Y2O3막을 순서대로 적층하고, 그 위에 중간층(배향막)을 IBAD법에 의해 형성하는 검토도 행해지고 있다(예를 들면, 특허 문헌 1 및 특허 문헌 2를 참조). 중간층(배향막)은 Y2O3막(베드층) 상에 형성되므로, 그 결정 배향 상태를 추가로 양호한 것으로 할 수 있다. 또한, Al2O3층(확산 방지층)은, 산화물 초전도 도체의 제조 시의 고온 프로세스에 있어서, 금속 베이스로부터 산화물 초전도층에 금속 베이스 구성 원소가 확산하는 문제를 방지하기 위해 설치되어 있다.
그런데, 본 출원인 등은 금속 테이프 선재에 확산 방지층과 베드층을 성막할 때, 성막 영역을 효과적으로 사용할 수 있는 박막의 형성 방법으로서, 밴드 형상의 베이스를 증착 입자의 퇴적 영역 내에 복수 회 통과시켜, 이 통과마다 상기 밴드 형상의 베이스 상에 상기 증착 입자를 퇴적시켜 박막을 성막하는 방법을 제안하고 있다(예를 들면, 특허 문헌 3을 참조).
또한, 복수 개의 타겟을 사용하여 반복 구조를 갖는 다층막을 형성하는 방법으로서는, 타겟의 상부에 셔터 또는 슬릿을 형성하여 증착 기구의 동작을 제어하는 방법(예를 들면, 특허 문헌 4를 참조), 원기둥형 드럼 아래에 복수 개의 타겟을 설치하고, 상기 원기둥형 드럼에 길이가 긴 베이스를 나선형으로 권취하여 드럼을 회전시키는 성막 방법(예를 들면, 특허 문헌 5를 참조) 등이 있다.
선행 기술 문헌
특허 문헌
특허 문헌 1: 미국 특허 제6921741호 명세서
특허 문헌 2: 미국 특허 제6933065호 명세서
특허 문헌 3: 일본공개특허 2004-263227호 공보
특허 문헌 4: 일본 특허 제2558880호 공보
특허 문헌 5: 일본공개특허 1993-6586호 공보
이와 같은 활발한 연구개발에 의해, 중간층(배향막)을 양호한 결정 배향 상태로 박막화하는 기술이 실용화되고 있다. 그러나, 중간층(배향막)의 박막화에 의해, 산화물 초전도 도체를 제조할 때의 고온 프로세스에서, 금속 베이스로부터 금속 베이스 구성 원소가 산화물 초전도층으로 확산되는 문제가 있다.
이 문제점을 해결하기 위해서는, 금속 베이스와 중간층(배향막)의 사이에 확산 방지층 등의 중간층(배향막) 하부층을 삽입하는 것이 필수적이다. 금속 베이스 구성 원소의 확산을 방지하는 것은 확산 방지층의 막 두께를 두껍게 하는 것으로 달성할 수 있다. 그러나, 막의 두께를 증가시키면, 막의 내부 응력이 커져서, 기판이 휘는 문제가 있으므로, 막의 두께를 증가시키는 후막화 이외의 방법으로, 배향막 하부층의 확산 방지 효과를 보다 높이는 것이 요구되고 있다.
전술한 특허 문헌 3에 기재된 종래 기술에서는, 밴드 형상의 베이스를 증착 입자의 퇴적 영역 내에 복수 회 통과시키기 위한 방법으로서, 밴드 형상의 베이스를 권취하는 권취 부재를 복수 개 동축으로 배열하여 이루어지는 한 쌍의 권취 부재군을 대향 배치하고, 이들 한 쌍의 권취 부재군에 권취된 베이스를 주회(周回)시켜 증착 입자의 퇴적 영역 내에서 복수 열로서 박막 형성을 행하고 있다. 이 종래 방법에 의하면, 성막 영역을 유효하게 사용할 수 있지만, 2종류 이상의 타겟을 사용하는 경우, 성막은 2개 이상의 프로세스로 행할 필요가 있다. 이 종래 방법에 의해, 밴드 형상의 베이스 상에 확산 방지층과 베드층을 형성하기 위해서는, 먼저 Al2O3 등의 확산 방지층용의 타겟을 설치하여 확산 방지층의 성막을 행한 후, 상기 타겟을 Y2O3 등의 베드층용의 타겟으로 교환할 필요가 있어, 생산성의 점에서 문제가 있었다.
또한, 복수 개의 타겟을 사용하여, 반복 구조를 갖는 다층막을 형성하는 방법으로서 전술한 특허 문헌 4에 기재된 성막 방법은, 판 형상의 베이스에의 성막에만 적용할 수 있고, 길이가 긴 베이스에의 다층막의 성막 방법으로서는 적용할 수 없다.
한편, 전술한 특허 문헌 5에 기재된 성막 방법에서는, 양호한 결정 배향의 단결정 상태의 막을 얻는 것 등은 고려하고 있지 않다.
본 발명은, 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 이루어진 것이며, 생산 비용의 저감이 가능하며, 확산 방지 효과가 높은 초전도 도체용 배향막 하부층의 성막 방법, 보다 상세하게는 2종 이상의 박막이 반복 적층된 산화물 초전도 도체용 배향막 하부층의 성막 방법을 제공하는 것을 제1 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 확산 방지 효과가 높은 산화물 초전도 도체용 배향막 하부층을 제공하는 것을 제2 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 생산 비용의 저감이 가능하고 확산 방지 효과가 높은 산화물 초전도 도체용 배향막 하부층의 제조 장치, 보다 상세하게는 2종 이상의 박막이 반복 적층된 산화물 초전도 도체용 배향막 하부층의 성막 장치를 제공하는 것을 제3 목적으로 한다.
상기한 문제점을 해결하기 위해, 본 발명은 이하의 구성을 채용하고 있다.
(1) 산화물 초전도 도체용 배향막 하부층의 성막 방법에 있어서, 2종 이상의 타겟을, 베이스의 표면에 대향하도록, 상기 베이스의 길이 방향을 따라 배치하는 단계와; 이온 빔을 상기 2종 이상의 타겟의 표면에 동시에 조사하여, 상기 2종 이상의 타겟의 구성 입자를 상기 베이스의 표면에 상기 2종 이상의 타겟의 배치 순서로 퇴적시키는 단계와； 상기 베이스를 상기 구성 입자의 퇴적 영역 내에 복수 회 통과시키고, 이 통과마다 상기 베이스의 표면에 상기 2종 이상의 타겟의 상기 구성 입자를 반복 퇴적시켜, 상기 베이스의 표면에 2종 이상의 박막이 반복 적층된 적층체를 형성하는 단계를 포함한다.
(2) 상기 2종 이상의 타겟은 확산 방지층용 재료를 사용한 타겟과 베드층(bed layer)용 재료를 사용한 타겟이며, 상기 베드층용 재료를 사용한 타겟에 의해 형성된 베드층의 표면에, 이온 빔 어시스트법에 의해 암염 구조층을 형성하며, 상기 베드층은 상기 암염 구조층의 결정 배향성을 조절해도 된다.
(3) 베이스와 이온 빔 어시스트법에 의해 형성된 암염 구조층의 사이에 설치되는 산화물 초전도 도체용 배향막 하부층에 있어서, 2종 이상의 박막이 반복 적층된 적층체를 포함한다.
(4) 상기 적층체는 확산 방지층과 베드층이 반복 적층되어 이루어져도 된다.
(5) 산화물 초전도 도체용 배향막 하부층이 상기 (1)에 기재된 성막 방법에 의해 성막되어도 된다.
(6) 산화물 초전도 도체용 배향막 하부층을 형성하는 성막 장치에 있어서, 베이스를 송출하는 베이스 송출 기구； 상기 베이스를 권취하는 베이스 권취 기구； 상기 베이스 송출 기구와 상기 베이스 권취 기구의 사이를 주행하는 상기 베이스의 이동 방향을 방향 전환시키는 방향 전환 부재를 복수 개 동축으로 배열하여 이루어지는 적어도 한 쌍의 방향 전환 부재군； 상기 방향 전환 부재군 사이를 주행하는 상기 베이스의 표면에 대향하여, 상기 베이스의 길이 방향으로 나란하게 배치된 2종 이상의 타겟； 및 상기 2종 이상의 타겟에 이온 빔을 동시에 조사하는 이온 빔 발생 기구를 포함한다.
(7) 이온 빔을 상기 2종 이상의 타겟의 표면에 동시에 조사하여, 상기 2종 이상의 타겟의 구성 입자를 상기 베이스의 표면에 상기 2종 이상의 타겟의 배치 순서로 퇴적시켜, 상기 베이스의 표면에 2종 이상의 박막이 반복 적층된 적층체를 형성하여도 된다.
(8) 상기 적어도 한 쌍의 방향 전환 부재군은, 각각의 축이 서로 평행하도록 배치되어도 된다.
(9) 상기 베이스를, 상기 방향 전환 부재군 사이를 복수 회 주행시킴으로써, 상기 2종 이상의 타겟의 구성 입자의 퇴적 영역 내에, 복수 열의 상기 베이스가 배열되어도 된다.
(10) 상기 2종 이상의 박막이 반복 적층된 적층체가 적어도 확산 방지층과 베드층을 포함하여도 된다.
본 발명의 상기한 태양에 따른 산화물 초전도 도체용 배향막 하부층의 성막 방법에 의하면, 이온 빔을 2종 이상의 타겟의 표면에 동시에 조사하고, 상기 2종 이상의 타겟의 구성 성분을 베이스 상에 순서대로 퇴적시킴으로써, 하나의 프로세스로 2종 이상의 박막을 반복 적층시켜 산화물 초전도 도체용 배향막 하부층을 형성할 수 있다. 이로써, 2종 이상의 박막이 반복 적층된 적층 구조를 갖는 산화물 초전도 도체용 배향막 하부층의 성막 시간을 단축할 수 있고, 생산 비용의 저감이 가능한 성막 방법을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 상기한 태양에 따른 산화물 초전도 도체용 배향막 하부층에 의하면, 베이스와 이온 빔 어시스트(IBAD)법에 의해 형성된 암염 구조층의 사이에 삽입되는 산화물 초전도 도체용 배향막 하부층이, 2종 이상의 박막이 반복 적층된 적층체를 구비함으로써, 적층되어 있는 각각의 박막의 각각의 계면에서의 확산 원소의 트랩 효과 도 부여할 수 있다. 또한, 상기한 적층체가 확산 방지층과 베드층이 반복 적층된 적층체이므로, 확산 방지층 단독의 확산 방지 효과에, 적층되어 있는 각각의 박막의 각각의 계면에서의 확산 원소의 트랩 효과도 부여할 수 있으므로, 확산 방지 효과가 높은 산화물 초전도 도체용 배향막 하부층을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 상기한 태양에 따른 산화물 초전도 도체용 배향막 하부층의 성막 장치에 의하면, 복수 개의 방향 전환 부재를 갖는 방향 전환 부재군 사이를 주행하는 상기 베이스의 표면에 대향하여, 상기 베이스의 길이 방향으로 2종 이상의 타겟을 나란하게 배치하고, 이온 빔을 상기 2종 이상의 타겟의 표면에 동시에 조사하여, 상기 베이스의 표면에, 하나의 프로세스로 2종 이상의 박막을 반복 적층시킬 수 있다. 따라서, 2종 이상의 박막이 반복 적층된 적층 구조를 갖는 산화물 초전도 도체용 배향막 하부층의 성막 시간을 단축할 수 있고, 생산 비용의 저감이 가능한 성막 장치를 제공할 수 있다. 또한, 베이스를 각각의 축이 서로 평행하게 배치된 방향 전환 부재군 사이를 복수 회 주행시킴으로써, 상기 베이스는 이 타겟의 구성 입자의 퇴적 영역 내를 복수 회 통과하게 되어, 상기 베이스의 표면에 하나의 프로세스로 2종 이상의 박막을 반복 적층시켜 이루어지는 적층체를 복수 개 층 형성할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일태양에 따른 산화물 초전도 도체용 배향막 하부층의 일례의 초전도 도체용 배향막 하부층의 단면을 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일태양에 따른 산화물 초전도 도체용 배향막 하부층 상에 MgO층이 적층된 중간층의 일례의 단면을 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일태양에 따른 산화물 초전도 도체용 배향막 하부층을 사용한 산화물 초전도 도체의 일례의 단면을 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일태양에 따른 성막 장치의 일례를 모식적으로 나타낸 사시도이다.
도 5는 IBAD법에 의한 성막 장치를 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 6은 도 5에 나타낸 성막 장치에 구비되는 이온 건의 일례를 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 7은 비교예 1 및 비교예 2의 박막 적층체의 단면을 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 8은 비교예 1의 박막 적층체에 산화물 초전도층이 적층된 초전도체의 단면을 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 9는 산화물 초전도 도체용 배향막 하부층 상에 형성한 MgO막의 (220) 플러스극 플로트 다이아그램이다.
본 발명의 실시형태에 대하여 이하에서 상세하게 설명한다.
＜산화물 초전도 도체용 배향막 하부층＞
먼저, 본 발명의 일실시형태에 따른 산화물 초전도 도체용 배향막 하부층에 대하여 설명한다.
본 발명의 일실시형태에 따른 산화물 초전도 도체용 배향막 하부층은, 베이스 상에 2종 이상의 박막이 반복 적층된 적층 구조를 갖는다. 도 1은 본 발명의 산화물 초전도 도체용 배향막 하부층의 실시형태의 일례의 단면을 모식적으로 나타내고 있다. 도 1에서는, 베이스(11) 상에 확산 방지층(12)과 베드층(13)이 5회 반복하여 적층된 적층 구조로 되어 있다. 본 실시형태에서는, 2종류의 박막이 5회 반복 적층된 산화물 초전도 도체용 배향막 하부층(10)을 예시하고 있지만, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니다.
베이스(11)를 구성하는 재료로서는, 강도 및 내열성이 우수한 Cu, Ni, Ti, Mo, Nb, Ta, W, Mn, Fe, Ag 등의 금속 또는 이들의 합금을 사용할 수 있다. 특히 바람직한 것은 내부식성 및 내열성의 점에서 우수한 스테인레스, 하스텔로이(hastelloy), 그 외의 니켈계 합금이다. 또는, 이들에 부가하여 세라믹제의 베이스, 비정질 합금 등을 사용해도 된다.
도 2는 본 발명의 다른 실시형태에 따른 산화물 초전도 도체용 배향막 하부층의 구조를 나타내고 있다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 이온 빔 어시스트(IBAD)법에 의해 형성된 암염 구조층(이하, "IBAD―암염 구조층" 또는 "암염 구조층"이라 함)(14)과 베이스(11)의 사이에, 확산 방지층(12)과 베드층(13)의 적층체가 설치되어 있다. 이 산화물 초전도 도체용 배향막 하부층을 구성하는 박막으로서는, IBAD―암염 구조층(14)의 아래에 놓여져 사용할 수 있는 재료이면 특별히 한정되지 않지만, 확산 방지층(12)과 베드층(13)의 적층체인 것이 바람직하다. 도 1 및 도 2에 나타낸 바와 같이, 반복 적층 구조 중, 베이스(11) 측의 층이 확산 방지층(12)이며, 이 적층 구조의 암염 구조층(14) 측의 층이 베드층(13)인 것이 특히 바람직하다. 확산 방지층(12)을 베이스(11) 상에 적층시킴으로써, 고온 프로세스 등에서 베이스(11)로부터 박막 적층체의 표면측으로 향하는 베이스 구성 원소의 확산을 억제할 수 있다. 또한, IBAD―암염 구조층(14)은 베드층(13) 상에 형성되므로, 양호한 결정 배향 상태로 성막된다.
확산 방지층(12)의 재료로서, 질화 규소(Si3N4), 산화 알루미늄(Al2O3, "알루미나"라고도 함), Gd2Zr2O7 등의 희토류 금속 산화물 등을 들 수 있다. 확산 방지층(12)은 베이스(11)의 구성 원소 확산을 방지하기 위해 설치되어 있다. 확산 방지층(12)은 베이스(11) 상에 복수의 층으로 성막되지만, 적층된 확산 방지층(12)의 전체의 막 두께는 10∼400㎚의 범위로 하는 것이 바람직하다. 확산 방지층(12)의 전체의 막 두께가 10㎚ 미만으로 되면, 베이스(11)의 구성 원소의 확산을 충분히 방지할 수 없다는 우려가 있다. 또한, 각각의 확산 방지층(12)(단일의 확산 방지층)의 막 두께는 2㎚ 이상인 것이 바람직하다. 각각의 확산 방지층(12)의 막 두께가 2㎚ 미만으로 되면, 확산 방지층(12) 위 또는 아래에 적층되어 있는 박막과의 계면이 형성되기가 어려워져, 각각의 박막 사이의 계면에서의 확산 원소의 트랩 효과를 실현할 수 없게 된다.
베드층(13)은 내열성이 높고, 계면 반응성을 보다 저감시키기 위한 것이며, 그 위에 배치되는 암염 구조층(14)의 배향성을 얻도록 기능한다. 이와 같은 베드층(13)은 필요에 따라 배치되고, 예를 들면 희토류 산화물층을 사용할 수 있다. 희토류 산화물로서는, 조성식 (α1O2)2x(β2O3)(1―X)로 나타내는 것을 들 수 있다. 여기서, α 및 β는 희토류 원소로, 0≤x≤1에 속하는 것을 가리킨다. 보다 구체적으로는, ZrO2, Y2O3, CeO2, Dy2O3, Er2O3, Eu2O3, Ho2O3, La2O3, Lu2O3, Nd2O3, Sc2O3, Sm2O3, Tm2O3, Yb2O3 등을 예로 할 수 있다. 또한, 희토류 산화물로서는 Pr6O11 및 Tb4O7 등이 있다. 베드층(13)은 베이스(11) 및 확산 방지층(12) 상에 복수의 층으로 성막되지만, 적층된 베드층(13)의 전체의 막 두께는 10∼100㎚의 범위인 것이 바람직하다.
본 발명의 일태양에 따른 산화물 초전도 도체용 배향막 하부층은, 2종 이상의 박막이 반복 적층된 적층 구조로 형성되며, 베이스로부터 박막 적층체의 표면 측으로 향하는 베이스 구성 원소의 확산을 각각의 박막의 각각의 계면에서 트랩할 수 있으므로, 높은 확산 방지 효과를 실현할 수 있다.
베이스 구성 원소는, 박막의 종류에 따라 확산의 용이성이 상이하므로, 비교적 확산이 용이한 박막을 빠져나갔다고 해도, 이 박막 상에 확산이 어려운 박막이 적층되어 있으므로, 그 박막의 적층된 계면이 벽처럼 기능하고, 확산 원소는 그 계면에 트랩된다.
또한, 베이스 구성 원소의 확산은 단일 물질 내보다도 변형을 갖는 상이한 종류 물질의 계면을 평면 방향으로 우선적으로 확산한다. 본 발명의 일태양에 따른 산화물 초전도 도체용 배향막 하부층은, 2종 이상의 박막이 반복되어 각각 2층 이상 적층되어 있으므로, 이 계면이 복수 개 존재한다. 반복 구조가 많을수록, 즉 계면이 많을수록, 확산 방지 효과는 높아진다.
본 발명의 일태양에 따른 산화물 초전도 도체용 배향막 하부층에 있어서, 산화물 초전도 도체용 배향막 하부층(10)과 같은 구성을 취하는 경우에 특히 높은 확산 방지 효과가 얻어진다.
예를 들면, 도 3에 나타낸 바와 같이, 베드층(13) 상에 암염 구조층(14)과 산화물 초전도층(15)과 캡층(도시하지 않음)을 형성하는 경우에, 필연적으로 가열되는 열처리 결과로서 열이력을 받게 된다. 이 경우, 산화물 초전도 도체용 배향막 하부층(10)은 확산 방지층(12)과 베드층(13)이 반복 적층된 적층 구조로 되며, 베이스(11)의 구성 원소의 일부가 산화물 초전도 도체용 배향막 하부층(10)(확산 방지층(12)과 베드층(13) 등)을 통하여 산화물 초전도층(15) 측으로 확산되는 것을 억제할 수 있다. 확산 방지층(12) 자체의 확산 방지 효과에, 확산 방지층(12)과 베드층(13)의 각각의 계면에서의 확산 원소의 트랩 효과도 부여할 수 있으므로, 보다 효과적으로 베이스 구성 원소의 확산을 억제할 수 있다.
또한, 본 발명의 일태양에 따른 산화물 초전도 도체용 배향막 하부층에 의하면, 종래의 확산 방지층과 베드층을 1층씩 적층시킨 배향막 하부층에 비하여, 높은 확산 방지 효과가 얻어지므로, 이 산화물 초전도용 배향막 하부층의 막 두께를 얇게 하는 것도 가능해진다.
암염 구조층(14)은 결정 구조가 암염 구조를 가진다. 이와 같은 암염 구조를 갖는 재료로서는, 조성식 γO에 의해 표기되는 것을 들 수 있다. 여기서, γ로서는 Mg, Ni, Sr, Ca 및 Ba 중 어느 하나의 원소를 그 예로 할 수 있다.
암염 구조층(14)으로서 MgO층을 IBAD법으로 제작하기 위해서는, MgO 또는 Mg 등을 타겟으로서 사용하고, 필요에 따라 성막 분위기 중에 산소 가스를 공급하여, Ar 등의 희가스 이온 빔에 의한 이온 어시스트 빔을 베이스에 대하여 40도∼60도로 입사시키면서 성막하면 된다. IBAD법으로 성막함으로써, 2축 배향된 MgO층(암염 구조층(14))을 양호한 결정 배향 상태로 성막할 수 있다. 이로써, MgO층(암염 구조층(14)) 상에 적층되는 산화물 초전도층을 양호한 결정 배향 상태로 형성할 수 있다. MgO층(암염 구조층(14)의 두께는 1㎚ 이상 500㎚ 이하로 하는 것이 바람직하다. 500㎚를 넘으면, 표면 거칠기가 커지고, 임계 전류 밀도가 저하될 우려가 있다.
본 발명의 일태양에 따른 산화물 초전도 도체용 배향막 하부층의 형성 방법은, 종래 공지의 성막법이면 특별히 한정되지 않지만, 후술하는 초전도 도체용 배향막 하부층의 성막 방법 및 성막 장치에 의해 형성되는 것이 바람직하다.
＜산화물 초전도 도체용 배향막 하부층의 성막 방법 및 성막 장치＞
본 발명의 산화물 초전도 도체용 배향막 하부층의 성막 방법 및 성막 장치의 일실시형태에 대하여 도면을 참조하여 설명한다. 본 실시형태에서는, 산화물 초전도 도체용 배향막 하부층(10)을 예로 하여 설명하는 것으로 하지만, 이 산화물 초전도 도체용 배향막 하부층(10)은 발명의 취지를 보다 명확하게 이해시키기 위해 구체적으로 설명하는 것이며, 특별한 지정이 없는 한 본 발명을 한정하는 것은 아니다.
도 4는 산화물 초전도 도체용 배향막 하부층(10)을 형성하기 위한 성막 장치의 개요를 나타낸 사시도이다.
도 4에 나타낸 성막 장치(100)는 처리 용기(도시하지 않음)에 수용되는 형태로 설치되는 성막 장치이며, 밴드 형상의 베이스(105)를 주행시키면서 이 베이스(105)의 표면에 2종 이상의 박막을 반복 연속 적층시킨다.
이 성막 장치(100)는, 베이스(105)가 레이스 트랙 상태의 경로로 복수 개 주행하는 주행계와, 베이스(105)의 표면에 대향하여 설치된 2종의 직사각형상의 판형의 타겟(303a, 303b)과, 이들 타겟(303a, 303b)의 표면에 동시에 이온 빔 L를 조사하는 이온 빔 발생원(이온 빔 발생 기구)(304)을 구비하고 있다. 상기 2종의 직사각형상의 판형의 타겟(303a, 303b)은 베이스(105)의 길이 방향(베이스의 주행 방향)을 따라 나란하게 배치되어 있다.
베이스(105)가 레이스 트랙 상태의 경로로 복수 개 주행하는 주행계는, 제1 방향 전환 부재군(305a)과 제2 방향 전환 부재군(305b)을 구비한다. 제1 방향 전환 부재군(305a)은 동축으로 배열된 복수 개(도 4에서는 7개)의 릴 형상의 방향 전환 부재를 구비하고, 베이스(105)의 주행 방향을 전환한다. 동일하게, 제2 방향 전환 부재군(305b)은 제1 방향 전환 부재군(305a)과 동일한 구조의 방향 전환 부재를 복수 개(도 4에서는 7개) 구비하고 있고, 이들의 복수 개의 방향 전환 부재는 동축으로 배열되어 있다. 제1 방향 전환 부재군(305a)과 마찬가지로, 제2 방향 전환 부재군(305b)은 베이스(105)의 주행 방향을 전환한다. 그리고, 제1 방향 전환 부재군(305a)과 제2 방향 전환 부재군(305b)은 각각의 축이 서로 평행하게 배치되어 있다.
또한, 상기 주행계는, 베이스(105)를 송출하기 위한 베이스 송출 기구(301)와, 베이스(105)를 권취하기 위한 베이스 권취 기구(302)를 구비하고 있다. 베이스 송출 기구(301)는 제2 방향 전환 부재군(305b)의 외측에 설치되어 있다. 베이스 권취 기구(302)는 제1 방향 전환 부재군(305a)의 외측에 설치되어 있다. 이들 방향 전환 부재군(305a, 305b), 베이스 송출 기구(301), 및 베이스 권취 기구(302)를 구동 장치(도시하지 않음)에 의해 서로 동기하여 구동시킴으로써, 베이스 송출 기구(301)로부터 소정의 속도로 송출된 베이스(105)가 방향 전환 부재군(305a, 305b)을 주회하고, 베이스 권취 기구(302)에 권취된다.
도 4에 나타낸 바와 같이, 방향 전환 부재군(305a, 305b)은 동일한 직경의 방향 전환 부재가 동축으로 배열되어 이루어지는 구성이다. 또한, 타겟(303a, 303b)에 대향하는 베이스 부분(106)(타겟(303a, 303b))과 대향되고, 적층체를 형성하는 베이스의 부분)이 타겟(303a, 303b)으로부터 등거리에 위치하고 있다. 각각의 방향 전환 부재는 베이스(105)의 폭에 대응하는 축 방향의 길이를 가지며, 복수 열을 이루는 베이스(105)가 간극 없이 배열되는 것이 바람직하다.
방향 전환 부재군(305a, 305b)을 구성하는 각각의 방향 전환 부재는, 원기둥형 또는 원판형, 반원기둥형 또는 반원판형, 타원기둥형 또는 타원판형 등과 같이 베이스(105)의 이동 방향을 원활하게 전환하는 만곡된 측면(만곡면)을 가지는 것이 바람직하다. 그리고, "원기둥형 또는 원판형" 등은 방향 전환 부재의 직경과 축 방향의 길이의 비율이 특별히 한정되지 않는다.
방향 전환 부재군(305a, 305b)은 반송되는 베이스(105)와 함께 회전하는 구성이어도 되고, 방향 전환 부재군(305a, 305b)은 움직이지 않고, 그 측면 상에서 베이스(105)가 미끄러지는 구성이어도 된다. 방향 전환 부재군(305a, 305b)을 회전시키는 경우에는, 베이스(105)의 이동 속도에 맞추어 방향 전환 부재군(305a, 305b)을 회전시키는 구동 기구(도시하지 않음)를 설치해도 된다.
방향 전환 부재군(305a, 305b) 사이를 주행하는 베이스 부분(106)의 표면에 대향하여, 베이스(105)의 길이 방향으로 타겟(303a, 303b)이 일렬로 나란하게 배치되어 있다. 이들 타겟(303a, 303b)에는 이온 빔 발생 기구(304)로부터 이온 빔 L이 조사된다.
타겟(303a, 303b)은 산화물 초전도 도체용 배향막 하부층을 구성하는 박막을 형성하기 위해 사용하는 것이며, 확산 방지층(12) 및 베드층(13)으로서 사용하기에 적합한 것으로 나열한 재료를 바람직한 재료로 할 수 있고, 이들 타겟(303a, 303b)의 형상으로서는 판형의 것이 사용된다.
타겟(303a, 303b)에 이온 빔 L을 조사하는 이온 빔 발생 기구(304)는 타겟(303a, 303b)으로부터 그 구성 입자를 방출시키거나 또는 증발시킬 수 있는 이온 빔 L을 발생하는 것이면 된다. 이온 종, 출력, 조사 에너지 등은 타겟(303a, 303b)의 재질이나 성막 속도 등에 따라 적절하게 설정할 수 있다.
본 실시형태의 이온 빔 발생 기구(304)는, 도 4에 나타낸 바와 같이, 베이스(105)의 길이 방향으로 나란하게 설치된 타겟(303a, 303b)에 동시에 이온 빔을 조사할 수 있도록 하는 폭을 가지고 있다. 이로써, 타겟 "303a"으로부터 입자군 "307a"을 발생시키고, 이와 동시에 타겟 "303b"으로부터 입자군 "307b"을 발생시켜, 방향 전환 부재군(305a, 305b) 사이를 주행하는 베이스 부분(106)의 표면에 타겟(303a, 303b)의 구성 입자를 반복 퇴적시킬 수 있다. 그 결과, 본 실시형태의 성막 방법 및 성막 장치(100)에서는, 종래의 성막 장치와 같이 적층마다 타겟을 교환할 필요가 없고, 생산성을 대폭 향상시키는 것이 가능하다.
성막 장치(100)는 가열 장치(도시하지 않음) 등에 의해 가열하면서 성막을 행하는 것도 가능하다. 그 경우, 가열 장치는 베이스(105)의 주행계 및 성막 장치(100) 전체 중 적어도 1개를 에워싸도록 설치해도 되고, 타겟(303a, 303b)의 구성 입자의 퇴적 영역을 주행하는 베이스 부분(106)의 배면측(적층체가 형성되지 않는 표면측)에 설치되어도 된다. 가열하면서 성막하는 경우, 방향 전환 부재군(305a, 305b)은 비교적 열용량이 큰 것이 바람직하다.
성막 장치(100)는 처리 용기(도시하지 않음) 내에 설치되어 있다. 이 처리 용기는 배기공을 통하여 진공 배기 장치가 접속되어 있고, 처리 용기 내를 소정의 압력으로 감압할 수 있는 구조로 되어 있다. 이로써, 처리 용기의 내부가 소정의 압력으로 감압되어 있는 동안은, 성막 장치(100)에 장착된 베이스(105)의 길이 방향 전체가 처리 용기 내의 감압 하에 놓여지게 된다.
다음에, 이 성막 장치(100)를 사용하여, 도 1에 나타낸 산화물 초전도 도체용 배향막 하부층(10)을 형성하는 방법에 대해 도 4에 기초하여 설명한다.
밴드 형상의 베이스(105)(도 1에서는 베이스 "11")를, 표면측(또는 박막을 적층하는 면측)이 타겟(303a, 303b)측으로 되도록 회전 부재군(305a, 305b)에 권취한다. 도 1에 나타낸 산화물 초전도 도체용 배향막 하부층(10)은 2종의 박막이 반복 5회 적층된 적층체이므로, 회전 부재군(305a, 305b)을 구성하는 회전 부재의 수는 5개씩으로 하고, 레인의 개수를 5로 한다. 또한, 타겟 "303a"으로서는 확산 방지층 재료로 이루어지는 판형의 타겟을, 타겟 "303b"으로서는 베드층 재료로 이루어지는 판형의 타겟을, 각각 고정구를 사용하여 고정한다. 타겟(303a, 303b)의 길이 방향의 길이를 적절하게 조정함으로써, 원하는 막 두께의 확산 방지층(12) 및 베드층(13)을 형성할 수 있다. 타겟(303a, 303b)의 길이 방향의 길이는 타겟의 재질이나 성막 속도, 조사하는 이온 빔 L의 이온 종, 출력, 조사 에너지 등을 고려하여 적절하게 조정할 수 있다.
다음에, 도시하지 않은 처리 용기 내부를 진공 배기 장치에 의해 소정의 압력으로 감압한다. 여기서, 필요에 따라 처리 용기 내에 산소 가스를 도입하여, 처리 용기 내를 산소 분위기로 해도 된다.
이어서, 베이스 송출 기구(301), 방향 전환 부재군(305a, 305b), 베이스 권취 기구(302)를 동시에 구동하고, 베이스(105)를 베이스 송출 기구(301)로부터 베이스 권취 기구(302)를 향해 소정의 속도로 이동시킨다. 이와 동시에, 가열하면서 성막하는 경우에는, 도시하지 않은 가열 기구에 의해 성막 장치(100) 전체 또는 베이스(105)를 원하는 온도로 유지한다.
이어서, 이온 빔 발생 기구(304)에 의해 이온 빔 L을 타겟(303a, 303b)에 동시에 조사한다. 이온 빔 L에 의해 타겟 "303a"로부터 방출되거나 또는 증발되는 구성 입자는, 그 방사 방향의 단면적이 확대되는 입자군 "307a"로 되고, 타겟 "303a"에 대향하여 주행하는 베이스 부분(106) 상의 퇴적 영역을 덮는다. 또한, 이온 빔 L에 의해 타겟 "303b"로부터 방출되거나 또는 증발되는 구성 입자는, 그 방사 방향의 단면적이 확대되는 입자군 "307b"로 되고, 타겟 "303b"에 대향하여 주행하는 베이스 부분(106) 상의 퇴적 영역을 덮는다.
이로써, 베이스(105)는, 방향 전환 부재군 "305a"로부터 방향 전환 부재군 "305b"를 향하여 주회하는 사이에, 그 위에, 타겟 "303a"로부터 확산 방지층(12)이 성막되고, 다시 그 위에 타겟 "303b"로부터 베드층(13)이 순차적으로 적층된다. 본 실시형태에서는, 레인의 개수가 5개이므로, 베이스(105)는 입자군(307a, 307b)을 5회 통과하게 된다. 입자군(307a, 307b)을 통과할 때마다, 확산 방지층(12) 및 베드층(13)이 순차적으로 성막된다. 그 결과, 도 1에 나타낸 바와 같은 확산 방지층(12)과 베드층(13)이 반복 적층된 산화물 초전도 도체용 배향막 하부층(10)이 성막된다.
본 실시형태에서는, 확산 방지층(12)과 베드층(13)이 5회 반복하여 적층된 산화물 초전도 도체용 배향막 하부층(10)에 대하여 설명하였으나, 본 실시형태는 이에 한정되는 것은 아니다. 성막 장치(100)에 있어서, 주행하는 베이스(105)의 길이 방향으로 나란히 배치된 타겟의 수를 증가시킴으로써, 3종 이상의 박막을 반복 적층하는 것도 가능하다.
본 발명의 일태양에 따른 산화물 초전도 도체용 배향막 하부층의 성막 방법에 의하면, 이온 빔을 2종 이상의 타겟의 표면에 동시에 조사하고, 이 타겟의 구성 입자를 방출시키거나 또는 증착시켜, 상기 2종 이상의 타겟의 구성 성분을 밴드 형상의 베이스 상에 순서대로 퇴적시킴으로써, 하나의 프로세스로 2종 이상의 박막을 반복 적층시켜 산화물 초전도 도체용 배향막 하부층을 형성할 수 있다. 이로써, 2종 이상의 박막이 반복 적층된 적층 구조를 가지는 산화물 초전도 도체용 배향막 하부층의 성막 시간의 단축이 가능해지고, 생산 비용의 저감이 가능한 성막 방법을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 일태양에 따른 산화물 초전도 도체용 배향막 하부층의 성막 장치에 의하면, 각각의 축이 서로 평행하게 배치된 방향 전환 부재군에 밴드 형상의 베이스를 주회시키고, 방향 전환 부재군 사이를 주행하는 상기 베이스의 표면에 대향하여 상기 베이스의 길이 방향으로 2종 이상의 타겟을 나란하게 배치하고, 이온 빔을 상기 2종 이상의 타겟의 표면에 동시에 조사하여, 이 타겟의 구성 입자를 방출시키거나 또는 증착시키며, 상기 밴드 형상의 베이스를 이 타겟의 구성 입자의 퇴적 영역 내에 복수 회 통과시킨다. 이로써, 상기 베이스 상에 하나의 프로세스로 2종 이상의 박막을 반복 적층시킬 수 있으므로, 2종 이상의 박막이 반복 적층된 적층 구조를 가지는 산화물 초전도 도체용 배향막 하부층의 성막 시간의 단축이 가능해지고, 생산 비용의 저감이 가능한 성막 장치를 제공할 수 있다.
실시예
먼저, 본 실시예에서 사용한 IBAD법에 의한 성막 장치에 대하여 설명한다.
도 5는 다결정 박막을 제조하는 장치의 일례를 나타낸 것이며, 이 예의 장치는 스퍼터 장치에 이온 빔 어시스트용의 이온 건을 설치한 구성으로 되어 있다.
이 성막 장치는, 베이스 A를 수평으로 유지하는 베이스 홀더(51)와, 판 형상의 타겟(52)과, 이온 건(53)과, 스퍼터 빔 조사 장치(54)를 주요 구성요소로 하여 구성되어 있다.
판 형상의 타겟(52)은 베이스 홀더(51)의 경사 위쪽(가령, 경사 좌측의 위쪽)에 소정 간격을 두고 베이스 홀더(51)에 대해 경사진 상태로 대향하도록 배치되고, 또한 타겟(52)과 이격되어 배치되어 있다.
이온 건(53)은 베이스 홀더(51)의 경사 위쪽(가령, 경사 우측의 위쪽)에 소정 간격을 두고 베이스 홀더(51)에 대해 경사진 상태로 대향하도록 배치되고, 또한 타겟(52)과 이격되어 배치되어 있다.
스퍼터 빔 조사 장치(54)는, 타겟(52)의 아래쪽에, 타겟(52)의 하면(타겟(52) 등과는 반대측의 면)을 향해 배치되어 있다. 또한, 도면 중 부호 "55"는 타겟(52)을 유지하는 타겟 홀더를 나타내고 있다.
또한, 상기 성막 장치는 도시하지 않은 진공 용기에 수납되어 있고, 베이스 A의 주위를 진공 분위기로 유지할 수 있다. 또한, 상기 진공 용기에는 가스 봄베(gas bombe) 등의 분위기 가스 공급원이 연결되어 있어, 진공 용기의 내부를 진공 등의 저압 상태로, 또한 아르곤 가스 또는 그 외의 불활성 가스 분위기 또는 산소를 포함하는 불활성 가스 분위기로 할 수 있다.
그리고, 본 실시예에서는, 베이스 A로서는, 도 4에 나타낸 성막 장치(100)로 형성한 산화물 초전도 도체용 배향막 하부층(10)에 이용된 베이스(11)를 사용하였다.
그리고, 베이스 A로서 길이가 긴 금속 테이프를 사용하는 경우, 진공 용기의 내부에 금속 테이프의 송출 장치와 권취 장치를 설치하고, 송출 장치로부터 연속적으로 베이스 홀더(51)에 베이스 A를 송출하고, 이어서 권취 장치에 권취함으로써 테이프 형상의 베이스 상에 다결정 박막을 연속 성막할 수 있다.
베이스 홀더(51)의 내부에 가열 히터를 구비하고 있다. 이 가열 히터에 의해 베이스 홀더(51) 상에 위치한 베이스 A를 소정의 온도로 가열할 수 있다. 또한, 베이스 홀더(51)의 바닥부(베이스 A가 형성된 면과는 반대측의 면)에는, 베이스 홀더(51)의 수평 각도를 조정하는 각도 조정 기구가 설치되어 있다. 그리고, 이것에만 한정되지 않고, 이 각도 조정 기구를 이온 건(53)에 장착하여 이온 건(53)의 경사 각도를 조정하여, 이온의 조사 각도를 조정하도록 해도 된다.
타겟(52)은 목적으로 하는 암염 구조층인 MgO층을 형성하기 위한 것이며, 구체적으로는 MgO 또는 Mg를 사용하고, 필요에 따라 성막 분위기 중에 산소 가스를 공급하여 성막하면 된다.
이온 건(53)은 그 용기의 내부에 이온화시키려는 가스를 도입하고, 그 정면에 인출 전극을 구비하여 구성되어 있다. 그리고, 가스의 원자 또는 분자의 일부를 이온화하고, 그 이온화한 입자를 인출 전극에서 발생시킨 전계로 제어하여 이온 빔으로서 조사하는 장치이다. 가스를 이온화하기 위해서는 고주파 여기 방식, 필라멘트 방식 등의 각종의 것이 있다. 필라멘트 방식은 텅스텐제의 필라멘트에 통전 가열하여 열전자를 발생시켜, 고진공 중에서 가스 분자와 충돌시켜 이온화하는 방법이다. 또한, 고주파 여기 방식은 고진공 중의 가스 분자를 고주파 전계로 분극시켜 이온화하는 것이다.
본 실시예에서는 도 6에 나타낸 구성의 내부 구조를 가지는 이온 건(53)을 사용한다. 이 이온 건(53)은 통형의 용기(56)를 구비하고, 또한 이 통형의 용기(56)의 내부에 설치된 인출 전극(57)과 필라멘트(58)와 Ar 가스 등의 도입관(59)을 구비하고, 또한 용기(56)의 선단으로부터 이온을 빔 형상으로 평행하게 조사할 수 있다.
이온 건(53)은, 도 5에 나타낸 바와 같이, 그 중심축이 베이스 A의 상면(성막면)에 대하여 경사 각도 θ로 경사지도록 대향 배치되어 있다. 이 경사 각도 θ는 30도∼60도의 범위가 바람직하지만, MgO의 경우에, 특히 45도 전후가 바람직하다. 따라서 이온 건(53)은 베이스 A의 상면에 대하여 경사각 θ로 이온을 조사하는 것이 가능하도록 배치되어 있다. 그리고, 이온 건(53)에 의해 베이스 A에 조사되는 이온은 He＋, Ne＋, Ar＋, Xe＋, Kr＋ 등의 희가스의 이온 또는 이들과 산소 이온의 혼합 이온 등으로 된다.
스퍼터 빔 조사 장치(54)는 이온 건(53)과 동등한 구성을 형성하고, 타겟(52)에 대하여 이온을 조사하여 타겟(52)의 구성 입자를 방출시킬 수 있다. 그리고, 본 실시형태에 따른 장치에서는, 타겟(53)의 구성 입자를 방출시킬 수 있는 것이 중요하므로, 타겟(52)에 고주파 코일 등으로 전압을 인가하여, 타겟(52)의 구성 입자를 방출시킬 수 있도록 구성하고, 스퍼터 빔 조사 장치(54)를 생략해도 된다.
다음에, 상기 구성을 가지는 장치를 사용하여, 베이스 A 상에 다결정 박막을 형성하는 방법에 대하여 설명한다. 베이스 A 상에 다결정 박막을 형성하기 위해서는, 소정의 타겟을 사용하고, 또한 이온 건(53)으로부터 조사되는 이온이 베이스 홀더(51)의 상면에 대하여 45도 전후의 각도로 조사될 수 있도록 각도 조정 기구를 조절한다. 다음에, 베이스를 수납하고 있는 용기의 내부를 진공 흡인하여 감압 분위기로 한다. 그리고, 이온 건(53)과 스퍼터 빔 조사 장치(54)를 작동시킨다.
스퍼터 빔 조사 장치(54)로부터 타겟(52)에 이온을 조사하면, 타겟(52)의 구성 입자가 방출되어 베이스 A 상에 날아오게 된다. 그리고, 베이스 A 상에 타겟(52)으로부터 방출된 구성 입자를 퇴적시키는 동시에, 이온 건(53)으로부터 Ar 이온과 산소 이온과의 혼합 이온을 조사한다. 이러한 이온 조사 시의 조사 각도 θ는 예를 들면 MgO를 형성할 때에는 40∼60도의 범위가 바람직하다.
이하, 실시예를 가지고 본 발명의 실시형태를 구체적으로 설명하지만, 본 발명은 이들 실시예로 한정되는 것은 아니다.
＜제조예 1＞
제조예 1에서는, 도 1에 나타낸 적층 구조의 산화물 초전도 도체용 배향막 하부층을 제조한다.
금속 베이스(11)로서는 표면을 연마한 10mm 폭의 하스텔로이 테이프를 사용한다. 이 금속 베이스(11) 상에, 도 4에 나타낸 성막 장치를 사용하여, 확산 방지층(12)으로서의 Al2O3층(10㎚)과 베드층(13)으로서 Y2O3층(2㎚)을 5회 반복하여 적층한 산화물 초전도 도체용 배향막 하부층을 형성한다. 산화물 초전도 도체용 배향막 하부층의 성막 조건은 다음과 같다.
타겟의 개수 : 2
타겟 : 폭 30cm 및 길이 80cm의 Al2O3 판과, 폭 30cm 및 길이 20cm의 Y2O3 판을 금속 테이프의 길이 방향으로 나란하게 배치
레인의 개수 : 5
이온 건 전압 : 1500 V
이온 건 전류 : 500 mA
베이스의 주행 속도 : 150 m/h
성막 온도 : 실온
이상으로 형성된 산화물 초전도 도체용 배향막 하부층 상에, IBAD법에 따라 암염 구조층(14)을 구성하는 MgO층(2∼10㎚；IBAD―MgO층)을 형성한다. 이때의 IBAD―MgO층은, 실온에서, Ar 등의 희가스 이온 빔에 의한 이온 어시스트 빔을 베이스에 대하여 45도로 입사시키면서 형성된 것이다.
이어서, 반치폭(ΔΦ)을 측정하기 위해, IBAD―MgO층 상에, 이온빔법에 의해 MgO를 에피택셜 성장시켜 MgO층(약 100㎚)을 적층하고, 도 2에 나타낸 바와 같은 박막 적층체(20)를 형성하였다. 이 때의 MgO층은 200℃에서 형성하였다. 이와 같이 형성된 MgO층에 대하여, 면 내측 방향의 결정축 분산의 반치폭(ΔΦ)을 측정하였다. 그 결과를 표 1에 나타내었다(실시예 1∼4). 또한, 작성한 MgO층의 MgO (220) 플러스극 플로트 다이아그램을 도 9에 나타낸다.
본 발명에 관한 설명에 있어서, 특별한 설명이 없는 한, 암염 구조층(14)(또는 IBAD―암염 구조층 14)은, IBAD―MgO층, 또는 IBAD―MgO층과 에피택셜 성장시켜 적층된 MgO층을 포함하는 층의 개념이다. 제조예의 설명에서, 특별한 설명이 없는 한, MgO층은 IBAD―MgO층과 에피택셜 성장시켜 적층된 MgO층을 포함하는 개념이다.
＜제조예 2＞
도 7은 제조예 2에서 작성한 박막 적층체(40)의 단면을 모식적으로 나타낸 도면이다.
금속 베이스(41)로서는, 표면을 연마한 10mm 폭의 하스텔로이 테이프를 사용한다. 이 금속 베이스(41) 상에, 확산 방지층(42)으로서 Al2O3층(100㎚)을 스퍼터링법에 의해 형성한 후, 또한 베드층(43)으로서 Y2O3층(20㎚)을 스퍼터링법에 의해 형성한다. 도 7에 나타낸 바와 같이, 확산 방지층(42)과 베드층(43)이 한 층만 형성되어 있다.
제조예 1과 마찬가지로 하여, IBAD―MgO층(약 2∼10㎚)과 에피택셜 성장시킨 MgO층(약 100㎚)을 적층하여 도 7에 나타낸 바와 같은 박막 적층체(40)를 형성하고, MgO층(44)의 면 내측 방향의 결정축 분산의 반치폭(ΔΦ)를 측정하였다. 그 결과를 표 1에 함께 나타내었다.
여기서, MgO층(44)은, IBAD―MgO층, 또는 IBAD―MgO층과 에피택셜 성장시킨 MgO층을 포함하는 층의 개념이며, 제조예 1에서의 암염 구조층(14)에 대응하는 개념이다.
(표 1)
Figure 112012020483341-pct00001
표 1에 나타낸 결과로부터 알 수 있는 바와 같이, 제조예 1에서 형성된 MgO층은 제조예 2의 MgO층과 동일한 정도의 양호한 결정 배향 상태로 성막되어 있다. 제조예 1에서는 타겟의 교환이 불필요하며, 하나의 프로세스로 다층막의 성막이 가능하며, 제조예 2와 같이 타겟 교환이 필요한 종래의 성막 방법에 비하여 제조 시간의 단축이 가능하며, 생산 비용을 감소시킬 수 있다.
또한, 표 1에 나타나 있는 실시예 1에서 제조된 MgO층 상에 YBCO 초전도층(산화물 초도전층(15))(YBCO: YBa2Cu3O7 ―x)을 PLD법(펄스 레이저 증착법)에 의해 1000℃에서 1000㎚ 형성하였다(적층 구조는 도 3을 참조). 그 특성을 평가한 결과, 액체 질소 온도에 있어서, 임계 전류 밀도 Jc=2.9 MA/㎠, 임계 전류 Ic=290 A의 고특성을 얻을 수 있는 것이 확인되었다. 한편, 표 1에 나타나 있는 비교예 1에서 제조된 MgO층 상에 YBCO 초전도층을 PLD법에 의해 1000℃에서 1000㎚ 형성하고, 그 특성을 평가했는데, 초전도 특성은 나타나지 않았다(적층 구조는 도 8을 참조). 이 결과로부터, 실시예 1의 초전도 도체용 배향막 하부층은 확산 방지층과 베드층이 반복 적층된 적층 구조를 가지는 것에 의해, 확산 방지층인 Al2O3층의 확산 방지 효과에 더하여, 추가로 각각의 적층막의 계면에서의 확산 금속의 트랩 효과가 더해져서, 1000℃와 같은 고온 프로세스에 있어서도, 금속 베이스로부터 확산되는 베이스 구성 원소가 MgO층 및 YBCO 초전도층에 확산되지 않아, 높은 확산 방지 효과를 갖는다. 한편, 비교예 1에서는, 1000℃의 고온 프로세스에 의해 금속 기판으로부터의 기판 구성 원자가 MgO층 및 YBCO 초전도층으로 확산된 결과, MgO층 및 YBCO 초전도층의 결정 배향성이 저하되고, 초전도 특성을 나타낼 수 없게 되었다. 이상으로부터, 본 발명의 실시형태에 따른 실시예 1의 초전도 도체용 배향막 하부층은 확산 방지 효과가 높은 것이 확인되었다.
이상의 결과로부터, 본 발명의 태양에 따른 초전도 도체용 배향막 하부층에 의하면, 확산 방지층과 베드층과의 박막을 주기적으로 적층시킨 적층 구조로 함으로써, 배향막 하부층의 막 두께를 두꺼운 막으로 하지 않고서도, 높은 확산 방지 효과가 얻어진다.
또한, 본 발명의 태양에 따른 초전도 도체용 배향막 하부층의 성막 방법 및 성막 장치에 의하면, 확산 방지 효과가 높은 초전도 도체용 배향막 하부층을 하나의 프로세스로 제조하는 것이 가능하며, 제조 시간의 단축에 의해 생산 비용을 감소시킬 수 있다.
11, 41 : 베이스
12, 42 : 확산 방지층
13, 43 : 베드층
14, 44 : 암염 구조층
105 : 베이스
301 : 베이스 송출 기구
302 : 베이스 권취 기구
303a, 303b : 타겟
305a, 305b : 방향 전환 부재군
304 : 이온 빔 발생원(이온 빔 발생 기구)
307a, 307b : 입자군

Claims (13)

  1. 산화물 초전도 도체용 배향막 하부층의 성막 방법에 있어서,
    2종 이상의 타겟을, 베이스의 표면에 대향하도록, 상기 베이스의 길이 방향을 따라 배치하는 단계;
    1개의 이온 빔 발생 기구로부터 이온 빔을 상기 2종 이상의 타겟의 표면에 동시에 조사하여, 상기 2종 이상의 타겟의 구성 입자를 상기 베이스의 표면에 상기 2종 이상의 타겟의 배치 순서로 퇴적시키는 단계; 및
    상기 베이스를 상기 구성 입자의 퇴적 영역 내에 복수 회 통과시키고, 이 통과마다 상기 베이스의 표면에 상기 2종 이상의 타겟의 상기 구성 입자를 반복 퇴적시켜, 상기 베이스의 표면에 2종 이상의 박막이 반복 적층된 적층체를 형성하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 산화물 초전도 도체용 배향막 하부층의 성막 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 2종 이상의 타겟은 확산 방지층용 재료를 사용한 타겟과 베드층(bed layer)용 재료를 사용한 타겟이며,
    상기 베드층용 재료를 사용한 타겟에 의해 형성된 베드층의 표면에, 이온 빔 어시스트법에 의해 암염 구조층을 형성하며,
    상기 베드층은 상기 암염 구조층의 결정 배향성을 조절하는 것을 특징으로 하는 산화물 초전도 도체용 배향막 하부층의 성막 방법.
  3. 베이스와 이온 빔 어시스트법에 의해 형성된 암염 구조층과의 사이에 설치되는 산화물 초전도 도체용 배향막 하부층에 있어서,
    2종 이상의 박막이 반복 적층된 적층체를 포함하고,
    상기 적층체는, 1개의 이온 빔 발생 기구로부터 이온 빔을 베이스의 길이 방향을 따라 배치된 2종 이상의 타겟의 표면에 동시에 조사하여, 상기 2종 이상의 타겟의 구성 입자를, 상기 베이스의 표면에, 상기 2종 이상의 타겟의 배치순으로 퇴적시키는 것에 의해 형성되는
    것을 특징으로 하는 산화물 초전도 도체용 배향막 하부층.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 적층체는 확산 방지층과 베드층이 반복 적층되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 산화물 초전도 도체용 배향막 하부층.
  5. 제1항에 기재된 성막 방법에 의해 성막된 제3항에 기재된 산화물 초전도 도체용 배향막 하부층.
  6. 산화물 초전도 도체용 배향막 하부층을 형성하는 산화물 초전도 도체용 배향막 하부층의 성막 장치에 있어서,
    베이스를 송출하는 베이스 송출 기구;
    상기 베이스를 권취하는 베이스 권취 기구;
    상기 베이스 송출 기구와 상기 베이스 권취 기구의 사이를 주행하는 상기 베이스의 이동 방향을 방향 전환시키는 방향 전환 부재를 복수 개 동축으로 배열하여 이루어지는 적어도 한 쌍의 방향 전환 부재군;
    상기 방향 전환 부재군 사이를 주행하는 상기 베이스의 표면에 대향하여, 상기 베이스의 길이 방향으로 나란하게 배치된 2종 이상의 타겟; 및
    상기 2종 이상의 타겟에 이온 빔을 동시에 조사하는 1개의 이온 빔 발생 기구
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 산화물 초전도 도체용 배향막 하부층의 성막 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    이온 빔을 상기 2종 이상의 타겟의 표면에 동시에 조사하여, 상기 2종 이상의 타겟의 구성 입자를 상기 베이스의 표면에 상기 2종 이상의 타겟의 배치 순서로 퇴적시켜, 상기 베이스의 표면에 2종 이상의 박막이 반복 적층된 적층체를 형성하는 것을 특징으로 하는 산화물 초전도 도체용 배향막 하부층의 성막 장치.
  8. 제6항 또는 제7항에 있어서,
    상기 적어도 한 쌍의 방향 전환 부재군은, 각각의 축이 서로 평행하도록 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 산화물 초전도 도체용 배향막 하부층의 성막 장치.
  9. 제6항 또는 제7항에 있어서,
    상기 베이스를, 상기 방향 전환 부재군 사이를 복수 회 주행시킴으로써, 상기 2종 이상의 타겟의 구성 입자의 퇴적 영역 내에, 복수 열의 상기 베이스가 배열되는 것을 특징으로 하는 산화물 초전도 도체용 배향막 하부층의 성막 장치.
  10. 제6항 또는 제7항에 있어서,
    상기 2종 이상의 박막이 반복 적층된 적층체가 적어도 확산 방지층과 베드층을 포함하는 것을 특징으로 하는 산화물 초전도 도체용 배향막 하부층의 성막 장치.
  11. 산화물 초전도 도체용 배향막 하부층의 성막 방법으로서,
    2종 이상의 타겟을, 베이스의 표면과 대향하도록, 상기 베이스의 길이 방향을 따라 배치하는 단계;
    이온 빔을 상기 2종 이상의 타겟의 표면에 동시에 조사하여, 상기 2종 이상의 타겟의 구성 입자를, 상기 베이스의 표면에, 상기 2종 이상의 타겟의 배치 순차로 퇴적시키는 단계; 및
    상기 베이스를 상기 구성 입자의 퇴적 영역 내를 복수 회 통과시켜, 이 통과마다 상기 베이스의 표면에 상기 2종 이상의 타겟의 상기 구성 입자를 반복 퇴적시켜, 상기 베이스의 표면에 2종 이상의 박막이 반복 적층된 적층체를 형성하는 단계
    를 포함하고,
    상기 2종 이상의 타겟은, 확산 방지층용 재료를 사용한 타겟과 베드층용 재료를 사용한 타겟인
    것을 특징으로 하는 산화물 초전도 도체용 배향막 하부층의 성막 방법.
  12. 베이스와 이온 빔 어시스트법에 의해 형성된 암염 구조층과의 사이에 설치되는 산화물 초전도 도체용 배향막 하부층으로서,
    2종 이상의 박막이 반복 적층된 적층체를 포함하고,
    상기 적층체는, 확산 방지층과 베드층이 반복 적층되어 이루어지는
    것을 특징으로 하는 산화물 초전도 도체용 배향막 하부층.
  13. 산화물 초전도 도체용 배향막 하부층을 형성하는 산화물 초전도 도체용 배향막 하부층의 성막 장치로서,
    베이스를 송출하는 베이스 송출 기구;
    상기 베이스를 권취하는 베이스 권취 기구;
    상기 베이스 송출 기구와 상기 베이스 권취 기구와의 사이를 주행하는 상기 베이스의 이동 방향을 방향 전환시키는 방향 전환 부재를 복수 개 동축(同軸)으로 배열하여 이루어지는 적어도 한 쌍의 방향 전환 부재군;
    상기 방향 전환 부재군 사이를 주행하는 상기 베이스의 표면과 대향하여, 상기 베이스의 길이 방향으로 배열하여 배치된 2종 이상의 타겟; 및
    상기 2종 이상의 타겟에 이온 빔을 동시에 조사하는 이온 빔 발생 기구
    를 포함하고,
    상기 2종 이상의 타겟은, 확산 방지층용 재료를 사용한 타겟과 베드층용 재료를 사용한 타겟인
    것을 특징으로 하는 산화물 초전도 도체용 배향막 하부층의 성막 장치.
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