(57)【要約】  ターゲットと；このターゲットにスパッタイオンを照射して、前記ターゲットの構成粒子の一部を叩き出すスパッタイオン源と；前記ターゲットから叩き出された粒子を堆積させるための基材を設置する成膜領域と；この成膜領域に設置された前記基材の成膜面の法線方向に対して斜め方向からアシストイオンビームを照射するアシストイオンビーム照射装置と；を備えるイオンビームアシストスパッタ装置であって、前記スパッタイオン源が、スパッタイオンビームを前記ターゲットの一側端部から他側端部まで照射可能になるように配列された複数のイオンガンを有し、前記複数のイオンガンの前記スパッタイオンビームを発生させるための電流値が、それぞれ設定されることを特徴とするイオンビームアシストスパッタ装置。
2011043407.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ターゲットと；
このターゲットにスパッタイオンを照射して、前記ターゲットの構成粒子の一部を叩き出すスパッタイオン源と；
前記ターゲットから叩き出された粒子を堆積させるための基材を設置する成膜領域と；
この成膜領域に設置された前記基材の成膜面の法線方向に対して斜め方向からアシストイオンビームを照射するアシストイオンビーム照射装置と；
を備えるイオンビームアシストスパッタ装置であって、
前記スパッタイオン源が、スパッタイオンビームを前記ターゲットの一側端部から他側端部まで照射可能になるように配列された複数のイオンガンを有し、
前記複数のイオンガンの前記スパッタイオンビームを発生させるための電流値が、それぞれ設定される
ことを特徴とするイオンビームアシストスパッタ装置。
【請求項２】
前記複数のイオンガンのうちの両端に配置されたイオンガンの前記電流値が、これら両端に配置されたイオンガンの間に配置された他のイオンガンの前記電流値よりも高く設定される
ことを特徴とする請求項１に記載のイオンビームアシストスパッタ装置。
【請求項３】
前記ターゲットが、前記成膜領域に対応するように長方形状に形成され、
前記複数のイオンガンが、前記ターゲットの長手方向に沿って配置される
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のイオンビームアシストスパッタ装置。
【請求項４】
前記両端に配置されたイオンガンの前記電流値が、これら両端に配置されたイオンガンの間に配置された前記他のイオンガンの前記電流値よりも４〜１００％高く設定される
ことを特徴とする請求項１から請求項３のうちいずれか一項に記載のイオンビームアシストスパッタ装置。
【請求項５】
前記複数のイオンガンの前記電流値が、それぞれ調整される
ことを特徴とする請求項１から請求項４のうちいずれか一項に記載のイオンビームアシストスパッタ装置。
【請求項６】
ターゲットと；
このターゲットの構成粒子の一部を叩き出すスパッタイオンビームを前記ターゲットの一側端部から他側端部まで照射可能になるように配列された複数のイオンガンを有するスパッタイオン源と；
前記ターゲットから叩き出された粒子を堆積させるための基材を設置する成膜領域と；
この成膜領域に設置された前記基材の成膜面の法線方向に対して斜め方向からアシストイオンビームを照射するアシストイオンビーム照射装置と；
を備えるイオンビームアシストスパッタ装置を用いて、前記成膜領域に設置した前記基材上に、前記ターゲットの構成粒子を堆積させて前記基材上に成膜するイオンビームアシスト成膜方法であって、
前記複数のイオンガンのうちの両端に配置されたイオンガンの前記スパッタイオンビームを発生させるための電流値を、これら両端に配置されたイオンガンの間に配置された他のイオンガンの前記スパッタイオンビームを発生させるための電流値よりも高く設定してイオンビームアシストスパッタを行う工程
を備えることを特徴とするイオンビームアシストスパッタ方法。
【請求項７】
前記イオンビームアシストスパッタを行う工程で、前記両端に配置されたイオンガンの前記電流値が、これら両端に配置されたイオンガンの間に配置された前記他のイオンガンの前記電流値よりも４〜１００％高く設定される
ことを特徴とする請求項６に記載のイオンビームアシストスパッタ方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、酸化物超電導導体用基材の製造に用いるイオンビームアシストスパッタ装置及びイオンビームアシストスパッタ方法に関する。
本願は、２００９年１０月８日に、日本に出願された特願２００９−２３４３５２号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
【背景技術】
【０００２】
ＲＥ−１２３系酸化物超電導導体（ＲＥＢａ２Ｃｕ３Ｏ７−Ｘ：ＲＥはＹを含む希土類元素のいずれか）は、液体窒素温度以上で優れた超電導性を示すことから、実用上極めて有望な素材とされており、これを線材に加工して電力供給用の導体として用いることが強く要望されている。このようなＲＥ−１２３系酸化物超電導導体に用いる導体として、図７に示すように、テープ状の金属基材１０１上に、ＩＢＡＤ（Ｉｏｎ−Ｂｅａｍ−Ａｓｓｉｓｔｅｄ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法によって成膜された中間層１０２と、その上にキャップ層１０３と、酸化物超電導層１０４とをこの順で積層形成した構造が知られている（例えば、下記特許文献１参照）。【０００３】
この酸化物超電導導体において、中間層１０２及びキャップ層１０３は、酸化物超電導層１０４の結晶配向性を制御するために設けられている。即ち、酸化物超電導体は、その結晶軸のａ軸方向とｂ軸方向には電気を流し易いが、ｃ軸方向には電気を流し難いという電気的異方性を有している。従って、この酸化物超電導体を用いて導体を構成する場合、酸化物超電導層１０４は、電気を流す方向にａ軸あるいはｂ軸が配向し、ｃ軸がその他の方向に配向している必要がある。【０００４】
ここで、この種の酸化物超電導導体に用いられる中間層１０２の形成技術として、ＩＢＡＤ法が広く知られている。このＩＢＡＤ法により形成される中間層は、熱膨張率や格子定数等の物理的な特性値が金属基材１０１と酸化物超電導層１０４との中間的な値を示す材料、例えばＭｇＯ、ＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニウム）、ＳｒＴｉＯ３等によって構成されている。このような中間層１０２は、金属基材１０１と酸化物超電導層１０４との物理的特性の差を緩和するバッファー層として機能する。また、ＩＢＡＤ法によって成膜されることにより、中間層１０２の結晶は、高い面内配向度を有しており、キャップ層１０３の配向性を制御する配向制御膜として機能する。以下、ＩＢＡＤ法により形成される中間層１０２の配向メカニズムについて説明する。【０００５】
図８に示すように、ＩＢＡＤ法による中間層形成装置は、金属基材１０１がその長手方向に走行するための走行系と、その表面が金属基材１の表面に対して斜めに向いて対峙するターゲット２０１と、ターゲット２０１にイオンを照射するスパッタビーム照射装置２０２と、金属基材１０１の表面に対して斜め方向からイオン（希ガスイオンと酸素イオンとの混合イオン）を照射するイオン源２０３とを有している。これら各部は、真空容器（図示せず）内に配置されている。【０００６】
この中間層形成装置によって金属基材１０１上に中間層１０２を形成するには、真空容器の内部を減圧雰囲気とし、スパッタビーム照射装置２０２及びイオン源２０３を作動させる。これにより、スパッタビーム照射装置２０２からターゲット２０１にイオンが照射され、ターゲット２０１の構成粒子が弾き飛ばされて金属基材１０１上に堆積する。これと同時に、イオン源２０３から、希ガスイオンと酸素イオンとの混合イオンが放射され、金属基材１０１の表面に対して所定の入射角度（θ）で入射する。
このように、金属基材１０１の表面に、ターゲット２０１の構成粒子を堆積させつつ、所定の入射角度でイオン照射を行うことにより、形成されるスパッタ膜の特定の結晶軸がイオンの入射方向に固定される。これにより、ｃ軸が金属基材の表面に対して垂直方向に配向するとともに、ａ軸及びｂ軸が面内において一定方向に配向する。このため、ＩＢＡＤ法によって形成された中間層１０２は、高い面内配向度を有する。【０００７】
一方、キャップ層１０３は、このように面内結晶軸が配向した中間層１０２の表面に成膜されることによってエピタキシャル成長し、その後、横方向に粒成長して、結晶粒が面内方向に自己配向し得る材料、例えばＣｅＯ２によって構成される。キャップ層１０３は、このように自己配向していることにより、中間層１０２よりも更に高い面内配向度を得ることができる。従って、金属基材１０１上に、このような中間層１０２及びキャップ層１０３を介して酸化物超電導層１０４を成膜すると、面内配向度の高いキャップ層１０３の結晶配向に整合するように酸化物超電導層１０４がエピタキシャル成長する。このため、面内配向性に優れ、臨界電流密度の大きな酸化物超電導層１０４を得ることができる。【０００８】
図９は、前述のＩＢＡＤ法を実施する場合の具体的装置の模式構造例を示す。この例のＩＢＡＤ装置３００の構成を以下に示す。長尺のテープ状の基材３０１は、第１ロール３０２と第２ロール３０３との間に複数回往復巻回される。第１ロール３０２と第２ロール３０３との間に複数列露出されている基材３０１に対向するように、長方形状のターゲット３０５が配置される。このターゲット３０５に対して斜め方向に対向するように、スパッタイオンソース源３０６が配置される。第１ロール３０２と第２ロール３０３との間に複数列露出されている基材３０１に所定の角度（例えば、基材３０１の成膜面の法線に対し４５゜あるいは５５゜）をもって斜め方向から対向するように、アシストイオンソース源３０７が配置される。【０００９】
なお、その他のイオンビームスパッタ装置として、下記特許文献２に記載のように、複数のターゲットに対応するように複数のイオンガンを備えた構成を採用し、ターゲットを備えた回転ホルダの対称位置にこれら２組を配置した構成の装置が知られている。また、複数のイオンガンを設けた構成の装置も知られている。また、下記特許文献３に示すように、１つのターゲットに対して複数のイオンガンを設けたイオンビームスパッタ装置が知られている。また、下記特許文献４に示すように、ターゲットの複数箇所にイオンビームを照射するために複数のイオンガンドライバを備えて、イオンビームの照射位置毎に電流密度分布を制御するイオンビームスパッタ装置が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】日本国特開２００４−７１３５９号公報
【特許文献２】日本国特開２００４−０２７３０６号公報
【特許文献３】日本国特開平８−７４０５２号公報
【特許文献４】日本国特開２００４−２８５４２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
図９に示すＩＢＡＤ装置３００は、第１ロール３０２と第２ロール３０３との間を基材３０１が複数回往復するので、厚い膜を形成しようとする際に有利であり、生産性を向上できるという特徴を有している。しかしながら、図９に示すＩＢＡＤ装置３００は、第１ロール３０２と第２ロール３０３との間に掛け渡される複数列の基材３０１に均一にスパッタ粒子を飛来させるために、スパッタターゲット３０５を大型の長方形状としている。これに対応して、スパッタイオンソース源３０６も長方形状としている。このような長方形状の大型のイオンソース源３０６は、半導体分野などの一般的な成膜分野において常用されるものではなく、特注品となるため、極めて高価にならざるを得ないという問題を有していた。
更に、図９に示すような大型のＩＢＡＤ装置３００は、膜厚及び膜質の均一性を保つために、アシストイオンビームとスパッタビームとの強度バランスを取る必要がある。この種のイオンビームスパッタ装置には、通常、アシストイオンガンとスパッタイオンガンとが１セットずつ存在するが、スパッタビームのイオン源が１つである場合、大面積に成膜しながら、更に膜厚を調整することは極めて困難であった。【００１２】
本発明は、結晶配向性の優れた酸化物超電導層を形成するための基となる中間層を有する基材であって、結晶配向性が良好かつ、膜厚が均一な中間層を有する酸化物超電導導体用基材を製造するために好適なイオンビームアシストスパッタ装置及びイオンビームアシストスパッタ方法の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、上記課題を解決するために、以下の構成を採用する。
本発明の一態様に係るイオンビームアシストスパッタ装置は、ターゲットと；このターゲットにスパッタイオンを照射して、前記ターゲットの構成粒子の一部を叩き出すスパッタイオン源と；前記ターゲットから叩き出された粒子を堆積させるための基材を設置する成膜領域と；この成膜領域に設置された前記基材の成膜面の法線方向に対して斜め方向からアシストイオンビームを照射するアシストイオンビーム照射装置と；を備えるイオンビームアシストスパッタ装置であって、前記スパッタイオン源が、スパッタイオンビームを前記ターゲットの一側端部から他側端部まで照射可能になるように配列された複数のイオンガンを有し、前記複数のイオンガンの前記スパッタイオンビームを発生させるための電流値が、それぞれ設定される。【００１４】
前記複数のイオンガンのうちの両端に配置されたイオンガンの前記電流値が、これら両端に配置されたイオンガンの間に配置された他のイオンガンの前記電流値よりも高く設定されてもよい。
前記ターゲットが、前記成膜領域に対応するように長方形状に形成され、前記複数のイオンガンが、前記ターゲットの長手方向に沿って配置されてもよい。
前記両端に配置されたイオンガンの前記電流値が、これら両端に配置されたイオンガンの間に配置された前記他のイオンガンの前記電流値よりも４〜１００％高く設定されてもよい。
前記複数のイオンガンの前記電流値が、それぞれ調整されてもよい。【００１５】
本発明の別の態様に係るイオンビームアシストスパッタ方法は、ターゲットと；このターゲットの構成粒子の一部を叩き出すスパッタイオンビームを前記ターゲットの一側端部から他側端部まで照射可能になるように配列された複数のイオンガンを有するスパッタイオン源と；前記ターゲットから叩き出された粒子を堆積させるための基材を設置する成膜領域と；この成膜領域に設置された前記基材の成膜面の法線方向に対して斜め方向からアシストイオンビームを照射するアシストイオンビーム照射装置と；を備えるイオンビームアシストスパッタ装置を用いて、前記成膜領域に設置した前記基材上に、前記ターゲットの構成粒子を堆積させて前記基材上に成膜するイオンビームアシスト成膜方法であって、前記複数のイオンガンのうちの両端に配置されたイオンガンの前記スパッタイオンビームを発生させるための電流値を、これら両端に配置されたイオンガンの間に配置された他のイオンガンの前記スパッタイオンビームを発生させるための電流値よりも高く設定してイオンビームアシストスパッタを行う工程を備える。
前記イオンビームアシストスパッタを行う工程で、前記両端に配置されたイオンガンの前記電流値が、これら両端に配置されたイオンガンの間に配置された前記他のイオンガンの前記電流値よりも４〜１００％高く設定されてもよい。
【発明の効果】
【００１６】
上記本発明の一態様に係るイオンビームアシストスパッタ装置及びイオンビームアシストスパッタ方法によれば、ターゲットに対応するように配列されたイオンガンのうちの、前記ターゲットの一側端部にスパッタビームを照射するイオンガンとターゲットの他側端部にスパッタビームを照射するイオンガンとが、それらのイオンガンの間に配置される他のイオンガンよりもイオンビーム発生用の電流値を高く設定する。このため、イオンビームアシストスパッタ方法により基材上に結晶配向性の良好な膜を形成する場合に、ターゲットの隅々からスパッタ粒子の発生を効率良く均一に行うことができる。この結果、基材上に結晶配向性が良好な上に膜厚ばらつきの少ない中間層を形成することができる。そのため、基材上に大面積の酸化物超電導層を成膜した場合であっても、結晶配向性に優れ、膜厚ばらつきの少ない酸化物超電導層を得ることができる。【００１７】
また、従来の矩形状のイオンガンでは位置毎の上述のような調整ができないのに対し、本発明の一態様に係るイオンビームアシストスパッタ装置では大面積のスパッタ用ターゲットを利用した大面積用の成膜処理であっても、膜厚の均一性を確保しながら、良好な配向性の膜を得るための装置を低コストで提供することができ、酸化物超電導導体の製造コストを削減できる。
更に、ターゲットの端部側に対応するイオンガンに印加する電流値をターゲットの中央側に対応するイオンガンに印加する電流値よりも４〜１００％高くすることにより、ターゲットから叩き出すスパッタ粒子の均一性を向上させて均一な厚さの膜を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の一実施形態に係る酸化物超電導導体用基材および酸化物超電導導体の構造を示す概略構成図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係るイオンビームアシストスパッタ装置を示す概略構成図である。
【図３】同実施形態に係るイオンビームアシストスパッタ装置のイオンガンを示す概略構成図である。
【図４】従来のイオンビームアシストスパッタ装置のイオンガンを示す概略構成図である。
【図５】図２に示すイオンビームアシストスパッタ装置の応用例を示す概略構成図である。
【図６】本発明の一実施形態に係るイオンビームアシストスパッタ装置に適用されるイオンガンの構造を示す概略構成図である。
【図７】従来のイオンビームアシストスパッタ装置及び従来のイオンビームアシストスパッタ方法で製造される酸化物超電導導体用基材および酸化物超電導導体の構造の一例を示す概略構成図である。
【図８】ＩＢＡＤ法に用いる中間層形成装置の一例を示す概略構成図である。
【図９】テープ状基材にＩＢＡＤ法により中間層を形成する装置の一例を示す概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本発明の一実施形態を以下に説明する。
＜酸化物超電導導体用基材及び酸化物超電導導体＞
まず、本発明の一実施形態に係るイオンビームアシストスパッタ装置及びイオンビームアシストスパッタ方法によって製造される酸化物超電導導体用基材及びそれを適用した酸化物超電導導体を以下に説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係るイオンビームアシストスパッタ方法によって製造される酸化物超電導導体用基材及びそれを適用した酸化物超電導導体の構造を示す縦方向の概略断面図である。図１に示すように、本実施形態に係る酸化物超電導導体用基材１は、金属基材２上に成膜したイオンビームアシストスパッタ方法による中間層３と、その上に成膜したキャップ層４とを備えた積層構造を有しており、酸化物超電導導体５は、前述の酸化物超電導導体用基材１のキャップ層４の上に、酸化物超電導層６を形成した基本構造を有する。なお、金属基材２の上に拡散防止層や下地層などを一端形成した上で中間層３を形成した構造についても、本発明を支障なく適用することができる。酸化物超電導層６の上に安定化層を積層した構造であっても、本発明を支障なく適用することができる。以下、前記各層を構成する材料について詳述する。
【００２０】
＜金属基材＞
金属基材２を構成する材料としては、強度及び耐熱性に優れた、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｗ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ａｇ等の金属又はこれらの合金を用いることができる。特に好ましいのは、耐食性及び耐熱性の点で優れているステンレス、ハステロイ、その他のニッケル系合金である。あるいは、これらに加えて、セラミック製の基材、非晶質合金の基材などを用いても良い。
【００２１】
＜中間層＞
中間層３は、ＩＢＡＤ法によって形成された蒸着膜であり、金属基材２と酸化物超電導層６との物理的特性（熱膨張率や格子定数等）の差を緩和するバッファー層として機能するとともに、この上に形成されるキャップ層４の配向性を制御する配向制御膜として機能する。この中間層３を成膜する場合に、本発明に係るイオンビームアシストスパッタ装置を用いてイオンビームアシストスパッタ方法を実施するが、それらの説明については後述する。
中間層３を構成する材料としては、これらの物理的特性が金属基材２と酸化物超電導導体膜６との中間的な値を示すものが用いられる。このような中間層３の材料としては、例えば、イットリア安定化ジルコニウム（ＹＳＺ）、ＭｇＯ、ＳｒＴｉＯ３、Ｇｄ２Ｚｒ２Ｏ７等を挙げることができる。その他、パイロクロア構造、希土類−Ｃ構造、ペロブスカイト型構造又は蛍石型構造あるいは岩塩構造を有する適宜の化合物を用いることができる。これらの中でも、中間層３の材料としては、ＹＳＺ、Ｇｄ２Ｚｒ２Ｏ７、あるいはＭｇＯを用いることが好ましい。特に、Ｇｄ２Ｚｒ２Ｏ７やＭｇＯは、ＩＢＡＤ法における配向度を表す指標であるΔΦ（ＦＷＨＭ：半値全幅）の値を小さくできるため、中間層の材料として特に適している。
【００２２】
中間層３の膜厚は、例えば、５ｎｍ〜２０００ｎｍの範囲が好ましく、５０ｎｍ〜１０００ｎｍの範囲がより好ましいが、これらの範囲のみに限定されない。
中間層３の膜厚が１０００ｎｍを超えると、中間層３の成膜方法として用いるＩＢＡＤ法の成膜速度が比較的低速であることから、中間層３の成膜時間が長くなる。中間層３の膜厚が２０００ｎｍを超えると、中間層３の表面粗さが大きくなり、酸化物超電導導体５の臨界電流密度が低くなる可能性がある。
一方、中間層３の膜厚が５ｎｍ未満であると、中間層自身の結晶配向性を制御することが難しくなり、この上に形成されるキャップ層４の配向度制御が難しくなり、さらにキャップ層４の上に形成される酸化物超電導層６の配向度制御も難しくなる。その結果、酸化物超電導導体５の臨界電流が不十分となる可能性がある。
本実施形態の中間層３は、１層構造である必要はなく、例えば、図１に示す例では、基材２側にＭｇＯの第一層３Ａとその上に積層されたＧｄ２Ｚｒ２Ｏ７の第二層３Ｂとからなる２層構造を有するが、その他の複層構造であっても差し支えない。
【００２３】
＜キャップ層＞
キャップ層４は、その上に設けられる酸化物超電導層６の配向性を制御する機能を有するとともに、酸化物超電導層６を構成する元素の中間層３への拡散や、成膜時に使用するガスと中間層３との反応を抑制する機能などを有する。
キャップ層４としては、中間層３の表面に対してエピタキシャル成長し、その後、横方向（面方向）に粒成長（オーバーグロース）して、結晶粒が面内方向に選択成長するという過程を経て成膜されたものであるものが好ましい。このように選択成長しているキャップ層４は、中間層３よりも高い面内配向度が得られる。
キャップ層４を構成する材料としては、このような機能を発現し得るものであれば特に限定されないが、例えば、ＣｅＯ２、Ｙ２Ｏ３等を用いるのが好ましい。
キャップ層４の構成材料としてＣｅＯ２を用いる場合、キャップ層４は、全体がＣｅＯ２によって構成されている必要はなく、Ｃｅの一部が他の金属原子又は金属イオンで置換されたＣｅ−Ｍ−Ｏ系酸化物を含んでいてもよい。
【００２４】
キャップ層４の適正な膜厚は、その構成材料によって異なる。例えば、ＣｅＯ２によってキャップ層４を構成する場合には、キャップ層４の膜厚は、５０ｎｍ〜５０００ｎｍの範囲が好ましく、１００ｎｍ〜５０００ｎｍがより好ましい。キャップ層４の膜厚がこれらの範囲から外れると、十分な配向度が得られない場合がある。
【００２５】
＜酸化物超電導層＞
酸化物超電導層６の材料としては、ＲＥ−１２３系酸化物超電導体（ＲＥＢａ２Ｃｕ３Ｏ７−Ｘ：ＲＥはＹ、Ｌａ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ等の希土類元素）を用いることができる。ＲＥ−１２３系酸化物として好ましいのは、Ｙ１２３（ＹＢａ２Ｃｕ３Ｏ７−Ｘ）又はＧｄ１２３（ＧｄＢａ２Ｃｕ３Ｏ７−Ｘ）等である。
【００２６】
＜酸化物超電導導体用基材及び酸化物超電導導体の製造方法＞
次に、前述の構造の酸化物超電導導体用基材の製造方法について説明する。
まず、前述の材料からなるテープ状などの長尺の金属基材２を用意し、この金属基材２上に、ＩＢＡＤ法によって前述の材料からなる中間層３を形成する。また、この中間層３上に、金属ターゲットを用いる反応性ＤＣスパッタ法などによってキャップ層４を形成する。
本実施形態の説明では、以下、イオンビームアシストスパッタ装置とそれを用いたイオンビームアシストスパッタ方法により中間層３を成膜する場合について説明する。
【００２７】
＜イオンビームアシストスパッタ装置＞
図２は、本発明の第１実施形態に係るイオンビームアシストスパッタ装置を示す概略構成図である。
図２に示すイオンビームアシストスパッタ装置１０は、テープ状の基材などが配置される略長方形状の成膜領域１１に面するように長方形状のターゲット１２が配置され、このターゲット１２に対して斜め方向に対向するようにスパッタイオンソース源１３が配置されるとともに、成膜領域１１の法線に対し所定の角度で（例えば４５゜あるいは５５゜など）斜め方向から対向するようにアシストイオンソース源１５を配置し構成されている。
この例のイオンビームアシストスパッタ装置１０は、真空チャンバに収容される形態で設けられる成膜装置である。この装置の成膜領域１１は、具体的には例えば図５に示すように、テープ状の基材１７が対向配置された第１のロール１８と第２のロール１９とに複数回往復巻回されて成膜領域１１を往復走行される構造などを例示することができるが、図５の装置構造のみに限るものではない。なお、図５では図２の構成に対し、ターゲット１２の位置と成膜領域１１の上下位置関係が逆転しているが、これらの上下関係は任意で良い。ターゲット１２と成膜領域１１との上下位置関係に合わせて、スパッタイオンソース源１３がターゲット１２に対向し、アシストイオンソース源１５が成膜領域１１に対向するように、これらの上下位置関係を調整して装置全体が構成される。
本実施形態で用いる真空チャンバは、外部と成膜空間とを仕切る容器であり、気密性を有するとともに、内部が高真空状態とされるため耐圧性を有する。この真空チャンバには、真空チャンバ内にキャリアガス及び反応ガスを導入するガス供給手段と、真空チャンバ内のガスを排気する排気手段が接続されている。図２では、これら供給手段と排気手段を略し、各装置の配置関係のみを示している。
ここで用いるターゲット１２とは、前述した材料の中間層３を形成する場合に適した組成のターゲットとすることができる。
【００２８】
本実施形態で用いるスパッタイオンソース源１３は、従来装置では図４に示すように長方形状のスパッタイオンソース源１４とされていたのに対し、丸型のイオンガン１６を４基横一列に設置された構造を有する。
このイオンガン１６は、例えば図６に示すように円筒状容器の内部に、イオン化させるガスを導入し、正面に引き出し電極を備えて構成されている。そして、ガスの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き出し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。ガスをイオン化する方法には、高周波励起方式、フィラメント式等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、高真空中でガス分子と衝突させてイオン化する方法である。また、高周波励起方式は、高真空中のガス分子を高周波電界で分極させてイオン化する方法である。
本実施形態において、例えば、図６に示す構造のイオンガン１６を用いることができる。この例のイオンガン１６は、筒状の容器２７の内部に、引出電極２８とフィラメント２９とＡｒガス等の導入管２０とを備えて構成され、容器２７の先端からイオンをビーム状に平行かつ照射領域を円状に照射できるものである。
【００２９】
これら４基のイオンガン１６は、４基が一列に並ぶことで従来構造の長方形状のイオンソース源１４と略同等の幅及び奥行きの領域にイオンビームを照射できるような大きさに形成されている。例えば、４基の配列により従来構造の長方形状のイオンソース源と対比して９０％程度以上の面積をカバーできるように配置することができる。
【００３０】
これら４基のイオンガン１６のうち、配列方向内側に配置されている全てのイオンガンは、それぞれ個別に出力を調整できるように構成されている。
ここでイオンガン１６の出力とは、引出電極２８に印加する加速電圧と、イオンビームの電流値との積を意味する。
【００３１】
中央の２基のイオンガン１６のイオンビームを発生させる際の電流値よりも両端側の２基のイオンガン１６のイオンビームを発生させる際の電流値を４〜１００％向上した範囲とするならば、好適な状態でターゲット１２から均一にスパッタ粒子を叩き出すことができる。
４基のイオンガン１６に均等な電流値を印加した場合、中央側のイオンガン１６がターゲット１２に照射するイオンビームの拡散の状態により、中央側のイオンガン１６がターゲット１２に照射するイオンビームが重なって照射される結果、ターゲット１２からのスパッタ粒子発生効率は高くなる。一方、両端側のイオンガン１６がターゲット１２の端部側に照射するイオンビームの領域では、イオンビームの重なりが生じないためにスパッタ効率が低下する。この結果、成膜レートが低下する問題があり、均等なスパッタ粒子の発生を望むことができない。これに対し、両端側の２基のイオンガン１６のイオンビームを発生させる際の電流値を上述のように４〜１００％アップした範囲とすれば、拡散したイオンビームの重なりが少なく、両端でのスパッタ粒子量の低下を防ぐことが出来る。このため、両端側のイオンガン１６がイオンを照射する領域のターゲット１２から効率良く均等にスパッタ粒子の発生を行うことができる。この結果、ターゲット１２の端部側に対応する位置の成膜領域１１に対し目的の量のスパッタ粒子の堆積を行うことができるので、長方形状のターゲット１２に対応した広い領域の成膜領域１１に均一な粒子を堆積できる。
【００３２】
ここで、図２に示す構成のイオンビームアシストスパッタ装置１０を作動させてイオンビームアシストスパッタ方法により成膜する場合を説明する。図１に示す基材２を成膜領域１１に設置する。この状態で４基のイオンガン１６を作動させ、中央の２基のイオンガン１６のイオンビームを発生させる際の電流値よりも両端側の２基のイオンガン１６のイオンビームを発生させる際の電流値を上述のように４〜１００％向上した範囲として、図３に示すようにスパッタビームをターゲット１２に照射してスパッタ粒子を叩き出すスパッタを行う。このようにして、成膜領域１１に対してスパッタ粒子を飛来させて成膜領域１１に設置した基材２にスパッタ粒子の堆積を行うとともに、図２に示すようにアシストイオンソース源１５からイオンビームを成膜領域１１の基材２に対し斜め方向所定角度から照射しつつ先のスパッタ粒子の堆積を行なう。
以上の操作により、ターゲット１２から発生させたスパッタ粒子を良好な結晶配向性かつ均等な膜厚で、基材２の上に成膜することができる。この結果、結晶配向性に優れた中間層３を堆積できる。
【００３３】
なお、イオンビームアシスト法では、基材２上におけるスパッタ粒子とアシストイオンビームとの到達比率が重要であり、それによって得られる膜の配向性が変わる。従って、大面積では成膜にあたり、全ての領域面積において、最適比率に近付ける必要がある。
上記に示したケースは、アシストイオンビームが均一に照射されている場合であり、スパッタ粒子も成膜領域全体に均一に供給する必要があるケースである。勿論、アシストイオンビームが何らかの原因で場所による分布が生じている場合、本構造の装置によれば、アシストイオンビームの強度分布に応じてスパッタイオンガンの出力の比率を適宜コントロールできる。これにより、成膜面積におけるスパッタ粒子とアシストイオンビームとの到達比率を最適比率に近付けることができる。よって、個々のアシストイオンガンの電流値を個別に設定出来ることも重要である。
【００３４】
また、中央の２基のイオンガン１６のイオンビームを発生させる際の電流値よりも両端側の２基のイオンガン１６のイオンビームを発生させる際の電流値を上述のように４〜１００％向上した範囲としてスパッタを行うことにより、成膜領域１１に設置した基材２の表面側に均一な厚さの膜を堆積できる。更に、本実施形態で用いる丸型の４基のイオンガン１６を長方形状の大面積のイオンガン１４と対比すると、ターゲット１２の長方形状の領域に対応するように長方形状の大面積のイオンガン１４を用いる場合は、特別にイオンガン製造をしなくてはならない。一方、丸型のイオンガンであれば、半導体分野などの一般的な成膜分野において使用する汎用のイオンガンを用いることができる。このため、適用するイオンガンを廉価な構造とすることが容易にできる。よって、長方形状のイオンガンを特別に製造していた従来構造のイオンビームアシストスパッタ装置と対比し、イオンビームアシストスパッタ装置全体のコストダウンにつながる効果がある。
更に、中央の２基のイオンガン１６のイオンビームを発生させる際の電流値よりも両端側の２基のイオンガン１６のイオンビームを発生させる際の電流値を上述のように４〜１００％向上した範囲とすることにより、生成できる膜の配向性を向上させることができる。配向性の向上は、超電導特性の向上の面で有利となる。
【００３５】
なお、基材１の上に、ＭｇＯの第一層３ＡとＧｄ２Ｚｒ２Ｏ７の第二層３Ｂとからなる２層構造の中間層３を形成できる。この場合、図２に示すイオンビームアシストスパッタ装置においてターゲット１２をＭｇＯのものとして１回成膜し、図２に示す構成と同等の構成の他のイオンビームアシストスパッタ装置によって、第一層上にＧｄ２Ｚｒ２Ｏ７層を成膜できる。もしくは、図２に示すイオンビームアシストスパッタ装置において、ＭｇＯのターゲットをＧｄ２Ｚｒ２Ｏ７層生成用の他のターゲットに交換した後、第二層３Ｂの成膜を同様に行える。また、第二層３の上にキャップ層４をＩＢＡＤ法により成膜する場合、同様に４基のイオンガンを用いたイオンビームアシストスパッタ装置により、キャップ層４を構成することができる。
以上の説明から、例えば幅１ｍ程度の長方形状の大型のイオンガン１４に代えて、１／４程度のサイズの丸型の複数のイオンガン１６の組み合わせを同等面積のターゲットの照射に用いることができる。この場合、装置のコストを削減することができる。さらに、長方形状の大型のイオンガン１４に対し丸型の複数のイオンガン１６の組み合わせでスパッタすることで、より強力なスパッタリングレートを確保することができ、成膜時の効率を向上させることができる。なお、丸型のイオンガンであれば、グリッドの形状からイオンビームを集束させることができ、ビームの強度を上げることができるので有利となる。
【実施例】
【００３６】
以下に、本発明の具体的実施例について説明するが、本発明はこれらの実施例のみに限定されるものではない。
（実施例１）
まず、長尺テープ状のハステロイ金属基材上に、図２に示す構成のイオンビームアシストスパッタ装置により厚さ２５０ｎｍのＧｄ２Ｚｒ２Ｏ７膜を３０分間かけて形成した。この成膜の際、イオンガンはいずれも照射口径１６ｃｍのものを４基、横に一列に並べた構成の装置を用い、長手方向（イオンガンの配列方向）に４箇所サンプルの測定を行った。これらイオンガンの引出電極の加速電圧を１５００Ｖに設定した。４基のイオンガンのうちの、中央側２基のイオンガンの電流値を２００ｍＡに設定し、両端側２基のイオンガンの電流値を３００ｍＡに設定した。
これに対し、先の４基のイオンガンの代わりに、幅１６ｃｍ、長さ１．１ｍの長方形状の照射径を有するイオンガンを用い、加速電圧を１５００Ｖ、電流値を１０００ｍＡに設定し、他の条件は同等として中間層の成膜を行った。
更に比較のために、先の４基のイオンガンにおいて、加速電圧を１５００Ｖ、電流値を全て２５０ｍＡに設定し、他の条件は同等として中間層の成膜を行った。得られた各膜について、先の例と同等位置での膜厚測定を行った。【００３７】
以上の結果を、以下の表１に示す。
「表１」
イオンガン形状：  矩形イオンガン（１基）          
電流値：        （均一）１０００ｍＡ        
膜厚：            ３１３ｎｍ−５２０ｎｍ−５１７ｎｍ−３２６ｎｍ
イオンガン形状：  円形イオンガン（４基）
電流値：        （均等）２５０ｍＡ×４
膜厚：            ５３０ｎｍ−７１０ｎｍ−７０２ｎｍ−５５２ｎｍ
イオンガン形状：  円形イオンガン（４基）
電流値：          中央側２基：２５０ｍＡ：両端側２基：３００ｍＡ
膜厚：            ７４６ｎｍ−７５３ｎｍ−７６０ｎｍ−７３８ｎｍ
イオンガン形状：  円形イオンガン（４基）
電流値：          中央側２基：２５０ｍＡ：両端側２基：２８０ｍＡ
膜厚：            ６３２ｎｍ−７１８ｎｍ−７２２ｎｍ−６２５ｎｍ【００３８】
表１に示すように、矩形イオンガンを用いて成膜した場合、膜厚のばらつきが大きい。また、円形イオンガンを４基用いて成膜した場合も、電流値が均等な場合は、膜厚のばらつきが大きい。これに対し、円形イオンガンを４基用いて中央側２基：２５０ｍＡ：両端側２基：３００ｍＡあるいは２８０ｍＡとして両端側のイオンガンの電流値を２０％あるいは１２％向上させて成膜した場合、より均一性の高い膜を得られることが明らかになった。【００３９】
「表２」
イオンガン形状：  円形イオンガン（４基）
電流値：          中央側２基：２５０ｍＡ：両端側２基：６００ｍＡ（＋１４０％）
配向度：（ΔΦ）  ３０．５゜−１５．３゜−１５．２゜−２２．３゜
イオンガン形状：  円形イオンガン（４基）
電流値：          中央側２基：２５０ｍＡ：両端側２基：５００ｍＡ（＋１００％）
配向度：（ΔΦ）  １３．２゜−１３．３゜−１２．２゜−１３．４゜
イオンガン形状：  円形イオンガン（４基）
電流値：          中央側２基：２５０ｍＡ：両端側２基：２８０ｍＡ（＋１２％）
配向度：（ΔΦ）  １１．３゜−１０．１゜−１０．２゜−１１．０゜
イオンガン形状：  円形イオンガン（４基）
電流値：          中央側２基：２５０ｍＡ：両端側２基：２６０ｍＡ（＋４％）
配向度：（ΔΦ）  １１．９゜−１０．９゜−１０．８゜−１２．２゜
イオンガン形状：  円形イオンガン（４基）
電流値：          中央側２基：２５０ｍＡ：両端側２基：２５０ｍＡ
配向度：（ΔΦ）  １３．５゜−１１．３゜−１１．２゜−１４．２゜
イオンガン形状：  円形イオンガン（４基）
電流値：          中央側２基：２５０ｍＡ：両端側２基：３００ｍＡ（＋２０％）
配向度：（ΔΦ）  １３．３゜−１０．９゜−１１．８゜−１２．２゜【００４０】
以上の結果から、両端側のイオンガンの数値を上げることが、膜厚均一性及び結晶配向性のいずれの指標においても有利であることが判る。また、配向度の指標であるΔΦの値から、４〜１００％の範囲で向上させることが好ましく、４〜２０％の範囲で向上させることがより好ましいことも判明した。
【符号の説明】
【００４１】
１    酸化物超電導導体用基材
２    基材
３    中間層
３Ａ  第一層
３Ｂ  第二層
４    キャップ層
５    酸化物超電導導体
６    酸化物超電導層
１０  イオンビームアシストスパッタ装置
１１  成膜領域
１２  ターゲット
１３  イオンソース源
１５  アシストイオンガン
１６  イオンガン
１７  基材
１８  第１ロール
１９  第二ロール
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【国際調査報告】
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