JPH03103309A - 酸化物超電導体薄膜用蒸着装置 - 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】 ［産業上の利用分野］ この発明は、蒸着現象を利用して基板上に酸化物超電導
体薄膜を作製する蒸着装置に関する。

［従来の技術コ 近年、酸化物超電導体が発見されて、世界中で高温超電
導体の研究が急速に進められている。その結果、超電導
臨界温度Ｔ．が液体窒素温度（７７Ｋ）を越えるＹ，Ｂ
ａ２　Ｃｕ３　０，の組戊の酸化物超電導体や、Ｔ．が
１２５Ｋを越えるＴｌ２１３ａ２　Ｃａ２　Ｃｕ３　０
ｙの組成の酸化物超電導体が発見された。このように、
超電導体状態を示す臨界温度Ｔｅが上昇することで、そ
の応用分野は急速に広がり、当該超電導体物質の薄膜化
や線材化への研究が活発に行われている。

この種の超電導体の超電導特性（臨界温度Ｔｅ％臨界電
流密度Ｊｃｓ上部臨界磁場Ｈ−２）は、その物質の組成
、酸素濃度、結晶性（単結晶、多結晶、無配向など）に
よって大きく影響を受ける。したがって、この種の超電
導体の薄膜化においても、その膜の結晶性を制御するこ
とが重要なポイントとなる。結晶性を制御するには大き
く分けて次の二つの方法がある。

（ａ）膜の組成制御 （ｂ）膜の酸素濃度制御 このような観点から言えば、個別の蒸発源を独立に制御
できる蒸着法は、酸化物超電導体薄膜の作製に向いてお
り、蒸着法による酸化物超電導体薄膜の作製の研究が、
多くの研究機関で活発に行なわれている。

超電導体薄膜を作製するのに蒸着法を用いて組成制御を
している代表例として、Ｔ．　Ｔｅｒａｓｈｉｍａ等の
論文（Ｊ．Ｊ．＾．Ｐ．　Ｖｏｌ．２７　Ｎｏ．ｌ，　
Ｌ９１　　（１．９８８）　）がある。この論文では、
基板近傍の圧力が１０−２Ｔ　ｏｒｒとなるように、酸
素ガスを反応室内に導入し、基板と蒸発源の中間に設置
した高周波コイルでプラズマを発生させている。そして
、イットリウム、バリウム、銅の三種類の金属を同時に
、電子ビーム蒸発源または加熱ボートを用いて基板表面
に蒸着させ、薄膜を作製している。その後、１気圧の酸
素雰囲気中で５００℃、１時間の酸素処理をしてＴｃ．
＝９０Ｋ級の超電導体薄膜を得ている。しかし、上述の
ような酸素処理をする前の薄膜作製直後の膜（ａｓ−ｇ
ｒｏｖｎ膜）ではＴｃｅ＝４５Ｋしか得られず、酸素処
理をすることによって初めてＴ．．−９０Ｋの膜が得ら
れている。すなわち、膜の成長中での酸素濃度制御が不
十分となっている。

酸素濃度制御法の一手段として酸素イオン源を利用する
ことが挙げられるが、これには次の特徴がある。カフス
マン型のイオン源のようにフィラメントを用いるイオン
源では、ガス種として酸素を用いる場合にフィラメント
が酸化して寿命が短いという問題点がある。これに対し
て、フィラメン１・を用いないイオン源としてＥＣＲ型
イオン源（以下、ＥＣＲイオン源という。）がある。こ
れを蒸着法に用いた例として、森脇等が第４９回応用物
理学会学術講演会（１９８８、秋季応用物理学会、５ａ
一館Ａ−５）に発表している。これによれば、酸化源に
ＥＣＲイオン源を用い、ＢａＦ２、イットリウム、銅の
三種類の物質を同時にクヌーセンセルを用いて基板表面
に蒸着させて薄膜を作製し、ａｓ−ｇｒｏｗｎ膜でＴｃ
．＝８２Ｋを得ている。このように、ａｓ−ｇｒｏｗｎ
膜で高い臨界温度を得ているが、成膜速度が０．１ｎｍ
／ｓと非常に低く、ＥＣＲイオン源だけでは基板表面で
の酸素濃度制御源としては不十分である。また、成膜速
度が低いということは、実用的でないばかりか前述した
組成制御も困難となる。

［発明が解決しようとする課題］ 以上のように、良好な超電導特性をもつ薄膜を得るため
には、従来技術では酸素濃度制御機構に問題があり、基
本的に、基板表面で反応を起こさせるための活性な酸素
が不足している。

この発明の目的は、基板表面に活性な酸素イオンおよび
酸素活性種を多量に供給できて、良好な超電導特性を有
する薄膜をａｓ−ｇｒｏｗｎ膜で得ることができるよう
な蒸着装置を提供することにある。

［課題を解決するための手段と作用］ 上記目的を達成するために、この発明は次のように構成
されている。すなわち、この出願の第一発明は、酸化物
超電導体薄膜を基板上に作製する蒸着装置において、酸
化物超電導体の原料となる物質を蒸発させる蒸発源と、
基板上に酸素イオンを供給するＥＣＲイオン源と、基板
上に酸素ガスを供給する酸素吹き付けノズルとを−Ｇす
ることを特徴としている。

ＥＣＲイオン源からは酸素イオンが基板表而に供給され
、酸素吹き付けノズルからは酸素ガスが基板表面に供給
される。酸素ガスは、酸素イオンによって活性化され、
酸素系活性種となる。その結果、基板表面には、酸素イ
オンと酸素系活性種が多量に照射される。これにより、
膜作成中の酸素濃度不足が解消され、ａｓ−ｇｒｏｗｎ
膜で良好な超電導特性を得ることができる。

この出願の第二発明は、上述の第一発明において、ＥＣ
Ｒイオン源に、酸素イオンを基板近傍まで移送するため
の移送機構を設けたことを特徴としている。これにより
、酸素イオンは散乱することなく基板近傍まで移送され
て、基板表面に有効に照射される。

この出頼の第三発門は、上述の第一発明において、基板
表面の近傍の空間を隔壁板によって真空容器の内部空間
から隔離し、蒸発源と基板とを結ぶ線上において隔壁板
に貫通孔を形成し、隔壁板で囲まれる空間に酸素吹き付
けノズルの先端を開口させたことを特徴としている。酸
素吹き付けノズルから出た酸素ガスは、隔壁板で囲まれ
た空間に充満し、基板表面の近傍での酸素ガスの圧力が
増加する。また、酸素ガスが拡散しないので基板表面上
での酸素ガス濃度が均一化され、大面積の基板に対して
均一な酸素濃度制御が可能となる。

この出願の第四発明は、上述の第一発明において、蒸発
源の近傍の空間を隔壁板によって真空容器の内部空間か
ら隔離し、蒸発源と基板とを結ぶ線上において隔壁板に
貫通孔を形成し、隔壁板で囲まれる蒸発源側の空間を、
真空容器の内部空間を排気するための排気装置とは別の
排気装置で排気することを特徴としている。このように
すると、蒸発源側は酸素雰囲気から分離されて酸素濃度
が低下し、蒸発源のフィラメントやヒーターが酸素ガス
によって劣化するのを防ぐことができる。また、蒸発物
質の酸化による経時変化を小さくでき、組成制御の再現
性を良好にするとともに、戊膜速度の低下を防ぐことが
できる。

［実施例］ 次に、この発明の実施例を図面を参照して説明する。

第１図は、この発明の蒸着装置の一実施例の正面断面図
である。この蒸着装置はＹＢａ２Ｃｕ３０，の組成を有
する酸化物超電導体薄膜を作製するための装置である。

この蒸着装置には、基板１に蒸着をするための処理室７
と、基板１を処理室７に導入するための導入室２がある
。処理室７と導入室２の間にはバルブ４があり、導入室
２はバルブ５を介して矢印６の方向に排気され、処理室
７はバルブ８を介して矢印９の方向に排気される。

処理室７の圧力は真空計２７で測定する。

導入室２には、磁気結合式の基板移送機構３がある。こ
の基板移送機構３は、大気側にある永久磁石３ａを移動
させることによって内部の機構を移動させることができ
る。

処理室７には、主として、基板を保持するための装置と
、複数の蒸発源と、これと同数の膜厚計と、酸素を供給
する装置とがある。

基板ホルダー１１は基板１を保持する。基板ホルダー１
１は上下に移動でき、またその軸回りに回転できる。基
板ホルダーｌ１の側面の下部には貫通孔１２があいてお
り、ここを通して基板１を基板ホルダー１１に設置する
ことができるようになっている。基板１は、その上方の
ヒータ１ｏの輻射熱によって加熱できる。基板１の下方
には、回転可能なシャッター１４を配置してある。

蒸発源としては、第２図に良く示すように、イットリウ
ム用の電子ビーム蒸発源１７と、銅用のクヌーセンセル
１８と、バリウム用の電子ビーム蒸発源１９とがある。

これらの蒸発源に対応して、三つの発光分光膜厚計を用
意してあり、それぞれのモニターヘッドは、蒸発源と基
板との間に配置してある。すなわち、電子ビーム蒸発源
１７と基板１とを結ぶ直線１７ａ上にモニターヘッド２
４を配置し、クヌーセンセル１８と基板１とを結ぶ直線
１８ａ上にモニターヘッド２５を配置し、電子ビーム蒸
発源１つと基板１とを結ぶ直線１９ａ上にモニターヘッ
ド２６を配置する。第２図ではこれらの関係をよく示し
ており、第１図では、つの蒸発源１７とそのモニターヘ
ッド２４だけを示してある。

第１図に戻って、酸素供給機構としては、ＥＣＲイオン
源のドリフトチューブ２２と、酸素吹き付けノズル２３
とがある。ＥＣＲイオン源は、主として、イオン源本体
２１と、その周囲に巻いた磁場発生コイル２０と、低加
速エネルギーの酸素イオンを基板表面に多量に運ぶため
の移送機構（ドリフトチューブ）２２とからなる。酸素
イオンは低加速であるため、このドリフトチューブがな
い場合は酸素イオンは処理室内に散乱してしまい、基板
表面に到達する酸素イオンの数はきわめて少なくなる。

また、酸素イオンの加速電圧を高＜　　（ＩＯＯＶ以上
）すると、酸素イオンは基板に到達するがエネルギーが
高いために基板表面のスパッタ現象を起こしてしまう。

したがって、低加速電圧でドリフトチューブを使うのが
最適である。

イオン源本体２１には流量調整装置２８ａを通して矢印
２９ａの方向から酸素ガスを供給する。ＥＣＲイオン源
としては、たとえば、特願昭６３−２７５９２２号に記
載されているものを利用する。

酸素吹き付けノズル２３は、第１図と第２図に示すよう
に、その先端を基板１の近傍に配置してある。酸素吹き
付けノルズ２３には、流量調整装置２８ｂを通して矢印
２９ｂの方向から酸素ガスを供給する。基板１の近傍の
圧カは真空モニター３０で測定し、その測定結果を自動
圧カ凋整装置３１を介して流量調整装置２８ｂにフィー
ドバックしている。これにより、基板１の近傍の圧カを
所定の値に保っている。基板１の近傍に真空モニター３
０を配置するのが困難な場合は、次善の策として真空容
器の壁に真空モニターを取り付けてもよい。

次に、この蒸着装置でＹＢａ２Ｃｕ３０，の組成の超電
導体薄膜を作製する手順を説明する。

まず、第２図に示す三つのモニターヘッド２４、２５、
２６の位置調整をし、各蒸発源１７、１８、１９と基板
１の中央とを結ぶ直線１７ａ，　１８ａ，１９ａ上にモ
ニターヘッド２４の貫通孔を配置するようにする。

第１図に戻って、基板１には、ｓｉウェハーＭｇＯ，Ｓ
　ｒＴｉ０３　、ＹＳＺ，サファイヤなどを用いる。処
理室７は１０−８Ｔｏｒｒ以下、好ましくは１０〜”　
Ｔｏｒｒ程度、の真空に排気しておく。

導入室２を大気圧にし、基板１を基板移送機構３にセッ
トする。そして、導入室２を１０−８Ｔｏｒｒ付近まで
真空排気する。次に、バルプ４をあけて、基板移送機構
３によって基板１を処理室内に送り、基板ホルダ１１に
セットする。その際、基板ホルダ１１を下方に下ろし、
また、貫通孔１２が基板移送機構３に対面するように基
板ホルダ１１を適当な位置まで回転する。

次に、シャッター１４を閉じた状態で、酸素吹き付けノ
ズル２３から酸素を供給し（流量１５〜２０３ＣＣＭ）
、処理室７内の真空モニター３０が２　Ｘ　１　０−’
Ｔｏｒｒ程度を示すように酸素流量を調整する。

ＥＣＲイオン源には酸素ガスを導入して（流量０．６Ｓ
ＣＣＭ）放電を起こし、そのドリフトチューブ２２から
酸素イオンを基板表面に供給する。

酸素イオンの量は、基板直下にあるファラデーカップ（
図示しない）により測定し、１００ＶでｌｍＡ／ｃｍ２
のイオン電流となるようにする。

基板１はヒーター１０によって５００〜６５０℃に加熱
する。そして基板１は最高１　２Ｏ　ｒ　ｐｍの回転数
で高速回転させる。これにより、均一な膜を作ることが
できる。

三つの蒸発源１７、１８、１９からは、イットリウムと
銅とバリウムとを蒸発させる。三つの発光分光膜厚計で
は各蒸発物質の発光強度を検出し、イットリウムとバリ
ウムと銅の、基板１上での膜付着速度が、１：２：３に
なるように、各蒸発源電源に信号を送る。各蒸発源が定
常状態になったら、シャッター１４をあける。

基板表面上には、蒸発物質Ｙ，ＢａＳＣｕが到達し、ま
た、ＥＣＲイオン源からの酸素イオンと、酸素吹き付け
ノズルからの酸素ガスが酸素イオンによって活性化され
た酸素系活性種とが、基板に照射される。このとき、蒸
発物質と酸素イオンと酸素系活性種との間で反応が起こ
り、超電導相がａｓ−ｇｒｏｗｎ状態で基板表而上に形
成される。この方法によれば、ＥＣＲイオン源単体、ま
たは酸素吹き付けノズル単体で酸素供給するよりも成．
膜速度が増大した。

所定の蒸着が完了したら、三つの蒸発源では、それぞれ
のシャッターを閉じてから、その動作を停止する。ただ
し、基板温度が４００℃以下になるまでは、酸素ガスと
酸素イオンの供給は引き続きおこない、薄膜からの酸素
の逃げを防ぐようにする。

この実施例で作製したＹ−Ｂａ−Ｃｕ−０系薄膜は、処
理室から取り出した状態のままで、９０Ｋ級の良好な超
電導特性を示した。すなわち、アニールなどの処理は必
要ない。

第３図は、この発明の別の実施例を示すもので、基板の
近傍を拡大して示してある。その他の部分は第１図の実
施例と同じであり、第１図の実施例と同じ部分には同じ
符号を付けてある。この実施列では、基板ホルダー１１
の下面に隔壁板３２を設けてある。この隔壁板３２は、
基板１の表面の近傍を、処理室７の内部空間から隔離し
ている。

隔壁板３２の中央には貫通孔３３を形成してあり、この
貫通孔３３を通して蒸発源からの蒸発物質およびＥＣＲ
イオン源からの酸素イオンが基板１に到達するようにな
っている。隔壁板３２の側壁には酸素吹き付けノズル２
３が溶接されていて、ノズル２３の先端は隔壁板３２の
内部の空間に開口している。したがって、酸素吹き付け
ノズル２３からの酸素ガスは隔壁板の内部空間に充満し
、処理室７の内部にはあまり散乱しない。このような構
成により、処理室７の全体の圧力を上げることなく、基
板１の近傍で酸素ガスの圧力を増加させることができ、
膜作成中の酸素供給を十分にできる。また、基板表面の
酸素濃度が均一になるので大面積の基板に対しても酸素
供給が均一となる。

第４図は、この発明のさらに別の実施例を示すもので、
蒸発源の近傍だけを示してある。その他の部分は第１図
の実施例と同じであり、第１図の実施例と同じ部分には
同じ符号を付けてある。この実施例では、蒸発源１７、
１８、１つの上方に隔壁板３４を設けて、蒸発源を含む
空間を処理室７の内部空間から隔離している。隔壁板３
４には、各蒸発源１７、１８、１９に対応する位置に、
三つの貫通孔３５、３６、３７を形成してある。第４図
では図面をわかりやすくするために、隔壁板３４は、各
貫通孔３５、３６、３７が断面表示されるような位置で
切断されている。隔壁板３４の下方の空間に対しては、
バルブ３８を設けて、矢印３つの方向に排気するように
してある。すなわち、処理室７は、第１図に示すように
バルブ８を介して主排気装置で排気されるが、隔壁板７
の下方の空間はバルブ３８を介して別個の排気装置で排
気される。これにより、酸素ガスはそのほとんどが主排
気装置で排気され、蒸発源１７、１８、１９は酸素雰囲
気に触れなくて済む。したがって、電子銃のフィラメン
トやクメーセンセルのヒーターは酸素ガスによって劣化
されることがなく長持ちする。また、蒸発物質の酸化に
よる経時変化も小さくなり、組成制御の再現性が良好と
なるとともに戊膜速度も低下しない。

さらに、第３図の構成と第４図の構成を同時に利用して
もよい。すなわち、基板近傍の隔壁板と蒸発源上方の隔
壁板の両者を設けて、基板近傍では酸素ガス圧力を処理
室内より増加させ、蒸発源近傍では酸素ガス圧力を処理
室内より低下させて、両者の利点を同時に得ることがで
きる。

この発明は、上述のＹＢａ２　Ｃｕ３　０，だけでなく
、次に述べるようなその他の酸化物超電導体にも適用で
きる。

（１）　Ｍ　Ｂ　ａ　２　Ｃ　ｕ　３　０　ｙここで、
Ｍ−ランタン系列の元素 （Ｌａ，ＣｅＳＰｒＳＮｄ．Ｐｍ， Ｓｍ，ＥｕＳＧｄＳＴｂ，Ｄｙ， Ｈｏ％Ｅｒ，Ｔｍ，Ｙｂ，Ｌｕ） （２）Ｂ　ｉ２　Ｓ　ｒ２Ｃａ，．．１Ｃｕｎ　ｏ，こ
こで、ｎ＝１、２、３、４ （３）Ｔ　ｔ２Ｂａ２　Ｃａｎ−４　Ｃｕｎｏ，ここで
、ｎ−１、２、３、４ （４）　Ｔ　ｌ　１Ｂａ２ｃ　ａｎ　−４　ｃ　ｕｎ　
ｏ，ここで、ｎ＝１、２、３、４、５、６ （５〉以上述べた化合物と同じ元素構成（他の元素が入
ってもよい）で他の化学量論性を持った化合物。

［発明の効果］ この出願の第一発明は、酸素イオンを供給するＥＣＲイ
オン源と、酸素ガスを供給する酸素吹き付けノズルとを
設けたので、酸素イオンと酸素系活性種が基板表面に多
量に照射される。これにより、膜作成中の酸素濃度不足
が解消され、良好な超電導特性をａｓ−ｇｒｏｗｎ膜で
得ることができる。

この出願の第二発明は、ＥＣＲイオン源に移送機構を設
けて酸素イオンを基板近傍まで移送するようにしたので
、酸素イオンは散乱することなく基板近傍まで移送され
て、基板表面に酸素イオンを有効に照射することができ
る。

この出願の第三発明は、基板表面の近傍の空間を隔壁板
によって真空容器の内部空間から隔離し、隔壁板で囲ま
れる空間に酸素吹き付けノズルの先端を開口させたので
、基板表面の近傍での酸素ガス圧力を増加させることが
できる。また、基板表面上での酸素ガス濃度を均一化で
き、大面積の基板に対して均一な酸素濃度制御が可能と
なる。

この出願の第四発明は、蒸発源の近傍の空間を隔壁板に
よって真空容器の内部空間から隔離し、隔壁板で囲まれ
る蒸発源側の空間を別の排気装置で排気するようにした
ので、蒸発源側は酸素雰囲気から分離されて酸素濃度が
低下し、蒸発源のフィラメントやヒーターが酸素ガスに
よって劣化するのを防ぐことができる。また、蒸発物質
の酸化による経時変化を小さくでき、組成制御の再現性
を良好にするとともに、成膜速度の低下を防ぐことがで
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明の蒸着装置の一実施例を示す正面断
面図、 第２図は、第１図の装置の要部斜視図、第３図は、別の
実施例の一部を拡大した正面断面図、 第４図は、さらに別の実施例の一部の正面断面図である
。 １・・・基板 １７、１８、１９・・・蒸発源 ２１・・・ＥＣＲイオン源本体 ２２・・・ドリフトチューブ ２３・・・酸素吹き付けノズル ３２、３４・・・隔壁板

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）酸化物超電導体薄膜を基板上に作製する蒸着装置
   において、 酸化物超電導体の原料となる物質を蒸発させる蒸発源と
   、 基板上に酸素イオンを供給するＥＣＲイオン源と、 基板上に酸素ガスを供給する酸素吹き付けノズルとを有
   することを特徴とする蒸着装置。
2. （２）請求項１記載の蒸着装置において、前記ＥＣＲイ
   オン源に、酸素イオンを基板近傍まで移送するための移
   送機構を設けたことを特徴とする蒸着装置。
3. （３）請求項１記載の蒸着装置において、基板表面の近
   傍の空間を隔壁板によって真空容器の内部空間から隔離
   し、前記蒸発源と基板とを結ぶ線上において前記隔壁板
   に貫通孔を形成し、前記隔壁板で囲まれる空間に前記酸
   素吹き付けノズルの先端を開口させたことを特徴とする
   蒸着装置。
4. （４）請求項１記載の蒸着装置において、前記蒸発源の
   近傍の空間を隔壁板によって真空容器の内部空間から隔
   離し、前記蒸発源と基板とを結ぶ線上において前記隔壁
   板に貫通孔を形成し、前記隔壁板で囲まれる蒸発源側の
   空間を、真空容器の内部空間を排気するための排気装置
   とは別の排気装置で排気することを特徴とする蒸着装置
   。