(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部の圧力および雰囲気が調整可能な気密チャンバ内でターゲットにレーザ光を照射して、ターゲットの被照射面に垂直に配置した基板の成膜面上にターゲットを構成する材料に基づく薄膜を成長させる方法であって、ターゲットの被照射面の被照射部の最も基板に近い点と、基板成膜面のターゲットに最も近い点とを結ぶ直線が、ターゲットの被照射面の被照射部の最も基板に近い点に立つ法線との間でなす角が１１°以下となるようターゲットおよび基板を配置して成膜を行うことを特徴とするレーザ蒸着法による薄膜の作製方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、レーザ蒸着法による薄膜の作製方法に関する。より詳細には、本発明は、レーザ蒸着法により高品質の酸化物超電導薄膜等の薄膜を成膜する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
レーザ蒸着法は、減圧下でターゲットに高エネルギのレーザビームを照射し、蒸着物を発生させて基板上に薄膜を成長させる方法である。レーザ蒸着法には、薄膜の組成の制御が容易で、成膜速度が高い等の利点がある。また、一切の電磁場を必要としないので、蒸着物中に荷電粒子が含まれていても、それが影響を受けることがない。従って、高品質の薄膜を作製するのに適した方法と考えられている。
【０００３】
一方、酸化物超電導体は多元系の複合酸化物であり、組成比が僅かでも適正値から外れると超電導特性が大幅に低下する。上記のように、レーザ蒸着法では、成膜する薄膜の組成の制御が容易であるので、レーザ蒸着法を使用して特性の優れた酸化物超電導薄膜を作製することが研究されている。例えば、社団法人電気学会による光・量子デバイス研究会資料（資料番号ＯＱＤ−９２−５３）ｐｐ．６９−７７（１９９２年１０月２８日）には、エキシマレーザを使用したレーザ蒸着法により、高品質のＹ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系酸化物超電導薄膜を成膜する方法が開示されている。
【０００４】
レーザ蒸着法で薄膜を作製する場合は、上記の文献に示されているように、内部を高真空に排気可能で、任意の雰囲気ガスを導入できるチャンバ内に基板およびターゲットを互いに平行に配置し、チャンバ外部に配置したレーザ装置の発するレーザ光を光学手段により誘導し、必要に応じて集光してターゲットに照射していた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の文献で述べられているようにレーザ蒸着法で成膜した薄膜の表面には微粒子が存在し、平滑性を損なっている。このような酸化物超電導薄膜は、特性も一様でないので超電導デバイスに応用することが難しい。そこで、本発明の目的は、レーザ蒸着法により、表面が平滑な高品質の酸化物超電導体等の薄膜を成膜する方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明に従うと、内部の圧力および雰囲気が調整可能な気密チャンバ内でターゲットにレーザ光を照射して、ターゲットの被照射面に垂直に配置した基板の成膜面上にターゲットを構成する材料に基づく薄膜を成長させる方法であって、ターゲットの被照射面の被照射部の最も基板に近い点と、基板成膜面のターゲットに最も近い点とを結ぶ直線が、ターゲットの被照射面の被照射部の最も基板に近い点に立つ法線との間でなす角が１１°以下となるようターゲットおよび基板を配置して成膜を行うことを特徴とするレーザ蒸着法による薄膜の作製方法が提供される。
【０００７】
【作用】
本発明の方法は、レーザ蒸着法により基板上に薄膜を成膜する際に、基板をターゲットの被照射面に垂直に、且つ被照射部に近接させて配置させる。これにより、表面の微粒子が少ない高品質な薄膜を成膜する。本発明者等の研究によれば、レーザ蒸着法で成膜された薄膜の表面に存在する微粒子は、薄膜の析出物ではなく、レーザ光によりターゲットから直接溶融物として発生した粒子が飛来して付着したものである。従って、ターゲットからの粒子が、到達し難い位置に基板を配置することにより、薄膜表面の微粒子を減少させることが可能である。
【０００８】
基板成膜面をターゲットの被照射面に垂直にし、且つ被照射面における法線に近接させることにより、ターゲットの被照射面の被照射部から基板を臨む角度が、ターゲットの被照射面に対して垂直に近くなる。つまり、ターゲットの被照射面の被照射部から基板を臨む角度範囲が小さくなる。ターゲットからの蒸着物は、分子や原子レベルの大きさであるので、チャンバ内の雰囲気ガスと衝突し、ブラウン運動を行う。従って、ターゲットの被照射面の被照射部から基板を臨む角度が、ターゲットの被照射面に対して垂直に近く、即ち、蒸着物の初期進行方向が基板の成膜面とほぼ平行であっても、ブラウン運動により基板の成膜面に蒸着物が付着する。
【０００９】
一方、ターゲットからの溶融物の粒子は、ターゲットからの蒸着物よりははるかに大きい質量を有するため、雰囲気ガスとの衝突によるブラウン運動が起こらない。即ち、溶融物の初期進行方向が基板の成膜面とほぼ平行ならば、基板成膜面上を通過する。また、溶融物の初期進行方向が基板の成膜面に対して大きな角度をなす場合には、溶融物は基板まで到達しない。従って、上記の本発明に従って配置された基板の成膜面には、ターゲットからの溶融物の粒子は付着し難く、蒸着物は十分に付着することができる。本発明の方法では、ターゲットの被照射面の被照射部から、基板のターゲットの被照射面に最も近い部分を臨む角度が、１１°以下であることが好ましい。
【００１０】
本発明の方法で使用する酸化物超電導体は、Ｙ１Ｂａ２Ｃｕ３Ｏ７−Ｘ、Ｂｉ２Ｓｒ２Ｃａ２Ｃｕ３Ｏｘ  、Ｔｌ２Ｂａ２Ｃａ２Ｃｕ３Ｏｘ  等の高温酸化物超電導体が好ましく、また、レーザとしてはエキシマレーザ、ＹＡＧレーザの高調波等を使用することが好ましい。
【００１１】
以下、本発明を実施例によりさらに詳しく説明するが、以下の開示は本発明の単なる実施例に過ぎず、本発明の技術的範囲をなんら制限するものではない。
【００１２】
【実施例】
図１（ａ）に、本発明の方法を実施するレーザ蒸着装置の一例の概略図を示す。図１（ａ）のレーザ蒸着装置は、レーザ装置１と、気密チャンバ４０と、レーザ装置１が発振したレーザ光１０を集光し、チャンバ４０内に誘導するミラー２およびレンズ３とを具備する。気密チャンバ４０は、レーザ光１０が入射する入射窓４１、排気口４２およびガス導入口４３を備え、内部の圧力および雰囲気を任意に変更することが可能である。また、気密チャンバ４０の内部には、モータ４７により搭載したターゲット５を回転することが可能なターゲットホルダ４５が、入射窓４１から入射したレーザ光１０がターゲット５の回転軸からやや外れた部位に当たるような位置に配置されている。さらに、気密チャンバ４０の内部には、基板６をターゲット５に対し垂直に搭載する基板ホルダ４６が備えられる。基板ホルダ４６は、モータ４８により基板６を回転させることが可能であり、且つ基板６の位置を軸方向および軸に対し垂直な方向にに移動させることも可能である。基板ホルダ４６には、ヒータ（不図示）が内蔵され、基板６を加熱できる。
【００１３】
レーザ装置１の発振したレーザ光１０は、ミラー２により反射され、レンズ３を透過し、入射窓４１を経てターゲット７上に集光される。レーザ光１０がターゲット５に照射されると、被照射面にほぼ垂直にプルームとよばれる発光が発生する。上記の装置では、ターゲット５を回転させながらレーザ光１０を照射することで、ターゲット５全体が使用されるようにしている。また、基板６を回転させることにより、均一な薄膜が成膜されるようにしている。
【００１４】
上記のレーザ蒸着装置を使用して、ターゲットの被照射面の被照射部の最も基板に近い点と、基板成膜面のターゲットに最も近い点とを結ぶ直線が、ターゲットの被照射面の被照射部の最も基板に近い点に立つ法線との間でなす角を変えて酸化物超電導薄膜を成膜した。具体的には、ターゲットの被照射面の被照射部の最も基板に近い点に立つ法線と基板成膜面との間の距離を変えて成膜を行った。本実施例では、基板６には、直径７６ｍｍ、厚さ０．４  ｍｍの円板上のＳｉ単結晶基板を使用し、ターゲット５には、直径７６ｍｍ、厚さ５ｍｍの円板上のＹ１Ｂａ２Ｃｕ３Ｏ７−Ｘ酸化物超電導体の焼結体を使用した。以下、成膜工程を説明する。
【００１５】
最初に、ターゲット５をターゲットホルダ４５に、基板６を基板ホルダ４６にセットした。気密チャンバ４０の内部を１×１０−６Ｔｏｒｒに排気してからＯ２  を導入し、圧力を１Ｔｏｒｒに調整した。基板６とターゲット５とは、図１（ｂ）に概略的に示すよう、基板６の成膜面とターゲット５の被照射面とが互いに垂直で、それぞれの中心に立つ法線が直交するように配置した。
【００１６】
ターゲット５の被照射面のレーザ光１０が照射される位置で最も基板に近い点に立つ法線と基板成膜面との間の距離ｄは０、２．５  ｍｍ、５ｍｍ、１０ｍｍ、１５ｍｍおよび２０ｍｍとした。ターゲットの被照射面の被照射部の最も基板に近い点と、基板成膜面のターゲットに最も近い点とを結ぶ直線が、ターゲットの被照射面の被照射部の最も基板に近い点に立つ法線との間でなす角は、本実施例において、上記距離ｄが、０のときは０°、２．５  ｍｍのときは３°、５．０  ｍｍのときは６°、１０ｍｍのときは１１°、１５ｍｍのときは１７°、２０ｍｍのときは２３°であった。また、直径７６ｍｍの基板全体に均一な膜厚の薄膜を成膜するために、基板を回転し、さらに、レーザ光をターゲット上で直線走査した。他の共通な成膜条件を以下に示す。
0003610617.tif 000002
【００１７】
各酸化物超電導薄膜は、３００ｎｍ  の厚さまで成長させた。成膜後の各酸化物超電導薄膜の表面を走査型電子顕微鏡を使用して１０００倍で観察し、表面の微粒子の密度を求めた。結果を以下に示す。
【表１】
0003610617.tif 000003
【００１８】
その結果、ターゲットの被照射面の被照射部の最も基板に近い点と、基板成膜面のターゲットに最も近い点とを結ぶ直線が、ターゲットの被照射面の被照射部の最も基板に近い点に立つ法線との間でなす角を１１°以下とする、本発明の方法で成膜された酸化物超電導薄膜の表面には、明らかに微粒子が少ないことが確認された。
【００１９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の方法によれば、表面の微粒子が少ない高品質の酸化物超電導薄膜が、レーザ蒸着法で成膜可能である。レーザ蒸着法は、成膜速度が速く、装置が簡単なので、本発明に従えば、高品質な酸化物超電導薄膜を低コストで作製することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は、本発明の方法を実施する装置の概略図であり、（ｂ）は、実施例における基板とターゲットとの配置を示す概略図である。
【符号の説明】
１    レーザ装置
２    ミラー
３    レンズ
５    ターゲット
６    基板
１０        レーザ光
４０    気密チャンバ
４１        入射窓
４２        排気口
４３        ガス導入口
４５    ターゲットホルダ
４６    基板ホルダ
【図１】
0003610617.tif 000004