(57)【要約】【課題】  基板を均一に加熱することができ、かつ基板の表面の損傷を抑止することができる薄膜形成方法および基板保持装置を提供する。【解決手段】  本発明の薄膜形成方法は、基板５の一方の主表面上に薄膜を形成する薄膜の形成方法であって、サセプタ１と一定の間隔をおいて基板５を保持する工程と、サセプタ１を介して基板５を加熱した状態で、基板５の一方の主表面上に薄膜を形成する成膜工程とを備えている。また、本発明の基板保持装置１０は、基板５を加熱して保持するための基板保持装置であって、基板５を加熱するための発熱体２と、基板５と発熱体２との間に配置されるサセプタ１と、サセプタ１と一定の間隔をおいて基板５を保持するためのスペーサ６とを備えている。【選択図】        図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の一方の主表面上に薄膜を形成する薄膜の形成方法であって、
温度緩衝部材と一定の間隔をおいて前記基板を保持する工程と、
前記温度緩衝部材を介して前記基板を加熱した状態で、前記基板の前記一方の主表面上に前記薄膜を形成する成膜工程とを備える、薄膜の形成方法。
【請求項２】
前記加熱は、ランプヒータを用いて行なわれることを特徴とする、請求項１に記載の薄膜の形成方法。
【請求項３】
前記温度緩衝部材は、石英、セラミック、金属よりなる群から選ばれる１種以上よりなることを特徴とする、請求項１または２に記載の薄膜の形成方法。
【請求項４】
前記間隔は２ミリメートル以下であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の薄膜の形成方法。
【請求項５】
前記基板の他方の主表面上に薄膜を形成する工程をさらに備えることを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載の薄膜の形成方法。
【請求項６】
前記成膜工程は、予め薄膜が形成された前記基板の前記一方の主表面上に前記薄膜を積層して形成することにより行なわれることを特徴とする、請求項１〜５のいずれかに記載の薄膜の形成方法。
【請求項７】
基板を加熱して保持するための基板保持装置であって、
前記基板を加熱するためのヒータと、
前記基板と前記ヒータとの間に配置される温度緩衝部材と、
前記温度緩衝部材と一定の間隔をおいて前記基板を保持するためのスペーサとを備える、基板保持装置。
【請求項８】
前記ヒータはランプヒータであることを特徴とする、請求項７に記載の基板保持装置。
【請求項９】
前記温度緩衝部材は、石英、セラミック、金属よりなる群から選ばれる１種以上よりなることを特徴とする、請求項７または８に記載の基板保持装置。
【請求項１０】
前記スペーサの厚さは０ミリメートルより大きく２ミリメートル以下であることを特徴とする、請求項７〜９のいずれかに記載の基板保持装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、薄膜の形成方法および基板保持装置に関し、特に、基板を均一に加熱することができ、かつ基板の表面の損傷を抑止することができる薄膜形成方法および基板保持装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
高温超電導体の発見以来、超電導ケーブル、限流器、超電導マグネットなどの電力機器への応用を目指した高温超電導線材の開発が進められている。この高温超電導線材の製造方法における気相法にパルスレーザ蒸着法（ＰＬＤ法、Pulsed Laser Deposition）や、ＰＬＤ法をさらに改良した基板傾斜成膜法（ＩＳＤ法、Inclined Substrate Deposition）がある。ＩＳＤ法を用いた場合、超電導線材は以下のように製造される。
【０００３】
多結晶金属よりなるテープ状の基板の上に、たとえばイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）よりなる中間層が形成される。次に、たとえばＹ1Ｂａ2Ｃｕ3Ｏ7-x（ＹＢＣＯ）よりなる超電導層が積層して形成される。さらに、たとえば銀よりなる安定化層が積層して形成され、超電導線材が完成する。ＩＳＤ法における中間層または超電導層の形成の際には、中間層または超電導層の焼結体ターゲットにエキシマレーザを照射してプラズマ化し、対向配置された基板上に中間層および超電導層が形成される。このとき、基板は焼結体ターゲットに対して一定角度で傾斜した状態で、加熱して配置される。このような幾何学的配置をとることで、単結晶に近い中間層および超電導層を形成することができる。なお、このような超電導線材の製造方法は、たとえば藤野他６名著、「ＩＳＤ法による高温超電導薄膜線材の開発」、ＳＥＩテクニカルレビュー、１９９９年９月、第１５５号、Ｐ１３１〜１３５（非特許文献１）に開示されている。
【非特許文献１】藤野他６名著、「ＩＳＤ法による高温超電導薄膜線材の開発」、ＳＥＩテクニカルレビュー、１９９９年９月、第１５５号、Ｐ１３１〜１３５
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来、基板を加熱保持するために用いられていた基板保持装置は、一部が伝熱板により構成された容器の中にランプヒータのような発熱体が配置された構造であった。そして、基板の上に中間層および超電導層を形成する際には、移動しているテープ状の基板の一部に基板保持装置の伝熱板を押し付けることにより、基板が保持されるとともに基板の一部が加熱され、この加熱された部分に中間層および超電導層が形成されていた。
【０００５】
しかしながら、上記従来の基板保持装置および薄膜形成方法においては、基板を均一に加熱するために、基板保持装置の伝熱板を基板に押し付けることにより基板を加熱している。このため、基板の表面に凹凸がある場合や、基板保持装置の押し付け方にムラがある場合などには、基板の加熱のされ方が不均一になり、基板温度が不均一になるという問題があった。基板上に中間層および超電導層を形成する際に基板温度が不均一になると、形成される中間層および超電導層の膜質や膜厚が不均一になってしまう。
【０００６】
また、基板保持装置の伝熱板を基板に押し付けることにより基板を加熱しているので、伝熱板と接触する基板の表面が損傷するという問題があった。特に両面に中間層および超電導層を形成する場合には、基板の一方の主表面上に中間層および超電導層を形成する際に、基板の他方の主表面に形成された中間層および超電導層が損傷してしまうので、重大な問題となる。これらの問題は超電導線材の製造方法における中間層および超電導層の形成方法に限定されるものではなく、基板上に薄膜を形成する場合全般に共通するものである。
【０００７】
本発明の目的は、基板を均一に加熱することができ、かつ基板の表面の損傷を抑止することができる薄膜形成方法および基板保持装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の薄膜形成方法は、基板の一方の主表面上に薄膜を形成する薄膜の形成方法であって、温度緩衝部材と一定の間隔をおいて基板を保持する工程と、温度緩衝部材を介して基板を加熱した状態で、基板の一方の主表面上に薄膜を形成する成膜工程とを備えている。
【０００９】
本発明の基板保持装置は、基板を加熱して保持するための基板保持装置であって、基板を加熱するためのヒータと、基板とヒータとの間に配置される温度緩衝部材と、温度緩衝部材と一定の間隔をおいて基板を保持するためのスペーサとを備えている。
【００１０】
本発明の薄膜形成方法および基板保持装置によれば、加熱された温度緩衝部材がその熱を輻射し、一定の間隔だけ離れた基板を加熱する。このため、加熱の際の温度分布が温度緩衝部材によって一旦緩和されて、均一な温度分布となった状態で基板が加熱される。したがって、基板を均一に加熱することができる。また、基板保持装置を基板に押し付けることなく基板を均一に加熱することができるので、基板の加熱時に基板の表面の損傷を抑止することができる。
【００１１】
本発明の薄膜形成方法において好ましくは、加熱は、ランプヒータを用いて行なわれる。
【００１２】
本発明の基板保持装置において好ましくは、ヒータはランプヒータである。
【００１３】
ランプヒータは近赤外に中心波長を有する光で加熱するものであるので、放射される光は高エネルギである。したがって、反射板などを用いてランプヒータの光を集光することにより、基板保持装置を基板に押しつけなくても十分に効率良く基板を加熱することができる。
【００１４】
本発明の薄膜形成方法および基板保持装置において好ましくは、温度緩衝部材は、石英、セラミック、金属よりなる群から選ばれる１種以上よりなっている。
【００１５】
これらの材料は、エネルギの高い近赤外の波長の光を延赤外の波長の光に変換する性質を有している。遠赤外の波長の光は近赤外の波長の光に比べて、材質を選ぶことなく加熱対象物を均一に加熱することができる。したがって、基板の材質によらずに、温度のばらつきを少なくして基板を加熱することができる。
【００１６】
本発明の薄膜形成方法および基板保持装置において好ましくは、温度緩衝部材と基板との間隔は０ミリメートルより大きく２ミリメートル以下である。
【００１７】
これにより、温度緩衝部材と基板とを接触させることなく、基板を効率良く加熱することができる。
【００１８】
本発明の薄膜形成方法において好ましくは、基板の他方の主表面上に薄膜を形成する工程をさらに備えている。
【００１９】
これにより、基板の両面に薄膜を形成することができる。また、基板の一方（他方）の主表面上に薄膜を形成した後で基板の他方（一方）の主表面に薄膜を形成する際、基板の一方（他方）の主表面に基板保持装置を押し付けることなく基板を均一に加熱することができる。したがって、基板の加熱時に基板の一方（他方）の主表面に形成された薄膜が損傷することを抑止することができる。
【００２０】
本発明の薄膜形成方法において好ましくは、成膜工程は、予め薄膜が形成された基板の一方の主表面上に薄膜を積層して形成することにより行なわれる。
【００２１】
これにより、基板とともに、予め形成された薄膜を均一に加熱することができるので、膜質や膜厚が均一な薄膜を積層して形成することができる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明の薄膜形成方法によれば、加熱された温度緩衝部材がその熱を輻射し、一定の間隔だけ離れた基板を加熱する。このため、加熱の際の温度分布が温度緩衝部材によって一旦緩和されて、均一な温度分布となった状態で基板が加熱される。したがって、基板を均一に加熱することができる。また、基板保持装置を基板に押し付けることなく基板を均一に加熱することができるので、基板の加熱時に基板の表面の損傷を抑止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、本発明の一実施の形態を図に基づいて説明する。
【００２４】
図１は、本発明の一実施の形態における基板保持装置の構成を示す正面図、図２は、本発明の一実施の形態における基板保持装置の構成を示す側面図である。
【００２５】
図１および図２を参照して、基板保持装置１０は、サセプタ１（温度緩衝部材）と、発熱体２（ヒータ）と、反射体３と、スペーサ６とを備えている。反射体３は中空部分４を有しており、この中空部分４の中に発熱体２が配置されている。発熱体２は、たとえばカンタル線、Ｐｔ（プラチナ）、またはＣ（カーボン）、好ましくはランプヒータよりなっている。反射体３の下部には、中空部分４の下部を塞ぐようにサセプタ１が配置されている。サセプタ１は、石英、セラミック、金属よりなる群から選ばれる１種以上よりなっていることが好ましい。すなわち、サセプタ１は、たとえばＳｉＯ2（石英）、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）、ＳｉＣ（炭化シリコン）、Ａｌ2Ｏ3（アルミナ）、インコネル（Ｒ）、またはＢＮ（窒化ホウ素）などよりなっていることが好ましい。サセプタ１の下面には２本のスペーサ６が配置されている。これにより、２本のスペーサ６の間には、溝８が形成されている。２本のスペーサ６の厚さは２ｍｍ以下であることが好ましい。この２本のスペーサ６の上に基板５が保持される。基板５は、溝８を跨ぐように両端がスペーサ６上に配置された状態で保持される。たとえば、保持される基板５の幅が１０ｍｍである場合には、溝８は１０ｍｍよりもわずかに小さくなるような幅で形成されている。なお、図１において保持される基板５の２つの主表面には、薄膜５ａ、５ｂが形成されていてもよい。基板保持装置１０においては、基板５が保持された状態で発熱体２が発熱する。発熱体２から放射される熱および光は、反射体３により反射されてサセプタ１に集光される。これにより、サセプタ１が加熱される。そして、加熱されたサセプタ１はその熱を輻射し、均一な温度分布で基板５を加熱する。
【００２６】
ここで、たとえば超電導線材の製造工程においては、基板保持装置１を用いて以下の方法により薄膜が形成される。
【００２７】
図３は、本発明の一実施の形態における薄膜の形成方法を示す模式図である。
【００２８】
図３を参照して、多結晶金属よりなるテープ状の基板５が基板保持装置１０のスペーサ６上に保持される。これにより、サセプタ１と一定の（スペーサ６の厚さ分の）間隔をおいて基板５が保持される。そして、たとえばＹＳＺよりなる焼結体１２が、基板５の付近に配置される。次に、サセプタ１を介して発熱体２により基板５を加熱した状態で、焼結体１２にたとえば２４８ｎｍの波長のエキシマレーザ光１１が照射される。焼結体１２にレーザ光が照射されると、焼結体１２がプラズマ化し、プラズマ１３が発生する。このプラズマ１３に含まれる分子などにより、基板５の一方の主表面にＹＳＺよりなる中間層（薄膜）が形成される。テープ状の基板５を一定速度で図２中矢印の方向に移動しながら中間層を形成することにより、一定の膜厚の中間層が連続して形成される。この中間層により、基板５の金属と超電導層との相互拡散が防止される。次に、中間層の上に、たとえばＨｏ1Ｂａ2Ｃｕ3Ｏ7-x（ＨｏＢＣＯ）よりなる超電導層が、同様の方法により形成される。その後、超電導薄膜表面の保護のため、たとえば銀よりなる安定化層が積層して形成され、超電導線材が完成する。
【００２９】
なお、上記製造方法においては基板５の一方の主表面側から加熱した状態で基板５の他方の主表面に薄膜を形成する場合について示した。しかしながら、本実施の形態における薄膜の形成方法においては、さらに基板５の他方の主表面側から加熱した状態で基板５の一方の主表面に薄膜が形成されてもよい。このような場合には、薄膜が形成された他方の主表面側から基板５が加熱されることになるが、本実施の形態における薄膜の形成方法は、基板保持装置１０を基板５の他方の主表面に押し付けることなく均一に基板５を加熱することができるので、基板５の他方の主表面に形成された薄膜が損傷することを抑止することができる。
【００３０】
本実施の形態の薄膜形成方法および基板保持装置１０によれば、加熱されたサセプタ１がその熱を輻射し、一定の間隔だけ離れた基板５を加熱する。このため、加熱の際の温度分布がサセプタ１によって一旦緩和されて、均一な温度分布となった状態で基板５が加熱される。したがって、基板５を均一に加熱することができる。また、基板保持装置１０を基板５に押し付けることなく基板５を均一に加熱することができるので、基板５の加熱時に基板５の表面の損傷を抑止することができる。
【００３１】
本実施の形態の薄膜形成方法において好ましくは、加熱は、ランプヒータを用いて行なわれる。
【００３２】
本実施の形態基板保持装置１０において好ましくは、発熱体２はランプヒータである。  
【００３３】
ランプヒータは近赤外に中心波長を有する光で加熱するものであるので、放射される光は高エネルギである。したがって、反射板などを用いてランプヒータの光を集光することにより、基板保持装置１０を基板に押しつけなくても十分に効率良く基板５を加熱することができる。
【００３４】
本実施の形態の薄膜形成方法および基板保持装置１０において好ましくは、サセプタ１は、石英、セラミック、金属よりなる群から選ばれる１種以上よりなっている。
【００３５】
これらの材料は、エネルギの高い近赤外の波長の光を延赤外の波長の光に変換する性質を有している。遠赤外の波長の光は近赤外の波長の光に比べて、材質を選ぶことなく加熱対象物を均一に加熱することができる。したがって、基板５の材質によらずに、温度のばらつきを少なくして基板５を加熱することができる。
【００３６】
本実施の形態の薄膜形成方法および基板保持装置１０において好ましくは、サセプタ１と基板５との間隔は０ミリメートルより大きく２ミリメートル以下である。
【００３７】
これにより、サセプタ１と基板５とを接触させることなく、基板５を効率良く加熱することができる。
【００３８】
本願発明者らは、上記効果を確認すべく以下の実験を行なった。
【００３９】
サセプタ１の材料としてそれぞれインコネル（Ｒ）、ＹＳＺ、ＳｉＣ、およびアルミナを用い、サセプタと基板との間の距離（間隔）を０．５ｍｍ〜３ｍｍの範囲で０．５ｍｍづつ変化させて、基板の平均温度を測定した。また、基板において均一に加熱されていると考えられる１００ｍｍの長さの範囲（図２参照）において、基板の温度のばらつきについて測定した。さらに、比較のため、従来のサセプタのない基板保持装置における平均温度および基板の温度のばらつきについて同様に測定した。その結果を表１に示す。なお、発熱体としてランプヒータを用い、ランプヒータの出力を２ｋＷとして加熱を行なった。
【００４０】
【表１】
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【００４１】
表１を参照して、サセプタの材料としてインコネル（Ｒ）を用いて、サセプタと基板との間の距離を２ｍｍ以下とした場合には、基板の平均温度は７２０℃〜６７０℃の範囲となっている。一方、サセプタと基板との間の距離が２ｍｍを越えると、サセプタと基板との平均温度は６２１℃、４８０℃となり、大きく低下している。サセプタの材料としてＹＳＺを用いて、サセプタと基板との間の距離を２ｍｍ以下とした場合には、基板の平均温度は７６０℃〜７０５℃の範囲となっている。一方、サセプタと基板との間の距離が２ｍｍを越えると、サセプタと基板との平均温度は６５０℃、５５０℃となり、大きく低下している。サセプタの材料としてＳｉＣを用いて、サセプタと基板との間の距離を２ｍｍ以下とした場合には、基板の平均温度は７４５℃〜７１１℃の範囲となっている。一方、サセプタと基板との間の距離が２ｍｍを越えると、サセプタと基板との平均温度は６６０℃、５７０℃となり、大きく低下している。サセプタの材料としてアルミナを用いて、サセプタと基板との間の距離を２ｍｍ以下とした場合には、基板の平均温度は７５７℃〜７０４℃の範囲となっている。一方、サセプタと基板との間の距離が２ｍｍを越えると、サセプタと基板との平均温度は６４５℃、５４７℃となり、大きく低下している。以上の結果により、いずれのサセプタの材料を用いた場合でも、サセプタと基板との距離を２ｍｍ以下とすることにより、基板５を効率良く加熱することができることがわかる。
【００４２】
一方、サセプタの材料としてインコネル（Ｒ）、ＹＳＺ、ＳｉＣおよびアルミナを用いた場合には、基板の温度のばらつきは±４℃〜５℃となっており、ばらつきが小さくなっている。一方、従来のサセプタのない基板保持装置における基板の温度のばらつきは±１５℃となっており、ばらつきが大きくなっている。以上の結果により、サセプタの材料としてインコネル（Ｒ）、ＹＳＺ、ＳｉＣおよびアルミナを用いた場合には、温度のばらつきが少なく安定して基板を加熱することができることがわかる。
【００４３】
本実施の形態の薄膜形成方法において好ましくは、基板５の他方の主表面上に薄膜を形成する工程をさらに備えている。
【００４４】
これにより、基板５の両面に薄膜を形成することができる。また、基板５の一方（他方）の主表面上に薄膜を形成した後で基板５の他方（一方）の主表面に薄膜を形成する際、基板の一方（他方）の主表面に基板保持装置を押し付けることなく基板を均一に加熱することができる。したがって、基板５の加熱時に基板の一方（他方）の主表面に形成された薄膜が損傷することを抑止することができる。
【００４５】
本実施の形態の薄膜形成方法において好ましくは、成膜工程は、予め薄膜が形成された基板５の一方の主表面上に薄膜を積層して形成することにより行なわれる。
【００４６】
これにより、基板５とともに、予め形成された薄膜を均一に加熱することができるので、膜質や膜厚が均一な薄膜を積層して形成することができる。
【００４７】
以上に開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考慮されるべきである。本発明の範囲は、以上の実施の形態ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての修正や変形を含むものと意図される。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明の一実施の形態における基板保持装置の構成を示す正面図である。
【図２】本発明の一実施の形態における基板保持装置の構成を示す側面図である。
【図３】本発明の一実施の形態における薄膜の形成方法を示す模式図である。
【符号の説明】
【００４９】
１  サセプタ、２  発熱体、３  反射体、４  中空部分、５  基板、５ａ，５ｂ  薄膜、６  スペーサ、８  溝、１０  基板保持装置、１１  レーザ、１２  焼結体、１３  プラズマ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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