レーザー蒸着装置
【課題】本発明は、レーザー蒸着する場合のターゲットの無駄を少なくして成膜コストの低減を図るとともに、成膜領域の熱分布を均等にして安定した膜質の薄膜を成膜することができるレーザー蒸着装置の提供を目的とする。
【解決手段】本発明は、レーザー光をターゲットの表面に照射し、該ターゲットから叩き出され若しくは蒸発した蒸着粒子をヒーターボックス内において巻回部材に支持された長尺基材表面に堆積させるレーザー蒸着装置であって、巻回部材間に複数列に分けて支持される長尺基材の幅方向の設置範囲に対応する幅のターゲットが設置され、該ターゲットの裏面側に該ターゲットよりも幅広のバッキングプレートが設置され、該ターゲットの幅方向両側に耐熱金属製のダミープレートが設置され、ダミープレートのバッキングプレート側に酸化物膜が形成されてなることを特徴とする。
【解決手段】本発明は、レーザー光をターゲットの表面に照射し、該ターゲットから叩き出され若しくは蒸発した蒸着粒子をヒーターボックス内において巻回部材に支持された長尺基材表面に堆積させるレーザー蒸着装置であって、巻回部材間に複数列に分けて支持される長尺基材の幅方向の設置範囲に対応する幅のターゲットが設置され、該ターゲットの裏面側に該ターゲットよりも幅広のバッキングプレートが設置され、該ターゲットの幅方向両側に耐熱金属製のダミープレートが設置され、ダミープレートのバッキングプレート側に酸化物膜が形成されてなることを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザー光をターゲットに照射して、このターゲットの蒸着粒子を叩き出し若しくは蒸発させ、この蒸着粒子を基材上に堆積させることにより、酸化物超電導層等の薄膜を形成する際に好適に用いられ、特に、長尺基材を用いた酸化物超電導線材の生産性の効率化を図ることが可能なレーザー蒸着装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
酸化物超電導体を導体として使用するためには、テープ状の長尺基材上に、結晶配向性の良好な酸化物超電導体の薄膜を形成する必要があるが、一般には、金属テープ自体が多結晶体でその結晶構造も酸化物超電導体と大きく異なるために、金属テープ上に直接、結晶配向性の良好な酸化物超電導体の薄膜を形成させることは難しい。そこで、ハステロイテープなどの金属テープからなる長尺基材の上に、結晶配向性に優れたイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）などの中間層を形成し、この中間層上に、Ｙ１Ｂａ２Ｃｕ３Ｏｘ系などの希土類系酸化物超電導体の薄膜を成膜する試みが行なわれており、この酸化物超電導体の薄膜を成膜する場合、レーザー蒸着法による薄膜の形成方法が採用されている。
【０００３】
従来のレーザー蒸着法による薄膜の形成方法では、レーザー光をターゲットの表面上の経路に沿って往復移動させることにより走査するため、長時間成膜を行うと、レーザー光に偏心が生じることとなり、その結果、ターゲットから叩き出された蒸着粒子の飛行する方向が偏ってしまい、蒸着粒子を中間層上に均一に堆積させることができず、得られる薄膜の厚みや膜質や結晶配向性にバラツキが生じてしまい、臨界電流密度等の超電導特性が低下してしまう等の問題があった。
そこで、本出願人は、テープ状の基材表面に蒸着粒子を均一に堆積させることができるレーザー蒸着法による薄膜の形成方法として、テープ状の基材を蒸着粒子の堆積領域内を複数回通過させて、堆積領域を通過する度にテープ状の基材上に蒸着粒子を堆積させ、基材上に複数層からなる薄膜を成膜するための装置を提案している（例えば、特許文献１参照。）。
【０００４】
前述の特許文献１に記載された装置では、テープ状の基材を蒸着粒子の堆積領域内を複数回通過させるための手段として、テープ状の基材を巻回するリール状の巻回部材を複数個同軸的に配列してなる一対の巻回部材群を処理容器内に対向配置し、これら一対の巻回部材群に巻回された基材を周回させて蒸着粒子の堆積領域内に複数列揃える構成として薄膜形成を行っている。この装置によれば、基材表面に複数層からなる薄膜を効率良く成膜することができるが、基材を周回させる際に基材から輻射熱が逃げやすく、基材の温度が不均一になり易いという問題があった。
そこで本出願人は、周回するテープ状の基材を保温用のヒーターボックスで囲み、ヒーターボックスの一部に開口を設け、この開口の下方にターゲットを配置し、このターゲットにレーザー光を照射し、ヒーターボックスの開口を介して蒸着粒子を基材側に飛来させて堆積することができる成膜装置を提案している。（特許文献２参照）
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−２６３２２７号公報
【特許文献２】特開２００６−２３３２６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
図４に特許文献２に記載されている成膜装置の要部構成を示すが、水平に配置された銅製のバッキングプレート１００の上面側にターゲット１０１が接着されるとともに、ターゲット１０１の上方にテープ状の基材１０２が複数配列された状態で往復走向されるようにレーン状に配列されていて、これらの基材１０２の全体をヒーターボックス１０３が覆うように配置されている。なお、実際の装置ではリール状の巻回部材を同軸位置に複数配置して巻回部材群を構成し、この巻回部材群を２つ対向配置してこれらの間に基材１０２を往復走向できるように架け渡すが、図４では往復走向できるように配列されている基材１０２のターゲット上の位置関係のみを示し、基材１０２を支持している巻回部材は記載を略している。
【０００７】
図４に示すレーザー蒸着装置では、複数配列されて往復移動している基材１０２のそれぞれに蒸着粒子を堆積させるために、レーザー光を走査している。例えば、図４に示す如く複数配置されて往復移動している複数の基材１０２の端から端まで全域にターゲット粒子を飛ばすために、基材１０２に対向しているターゲット１０１の表面に対して矢印ａに示す範囲に（往復移動している複数の基材１０２が構成する複数のレーンの端から端まで）レーザー光を走査しながらレーザー蒸着を行っている。レーザー光をターゲット１０１に照射するとターゲットから構成粒子が噴流となって叩き出されるか蒸発してプルームと称される噴流が生じるが、図４にレーザー光の照射位置に応じて炎型のプルームＰが発生している状況を概念的に示す。
【０００８】
しかしながら、図４に示すレーザー蒸着装置では、広い面積のターゲット１０１に対して基材１０２と対向する狭い領域のみにレーザー光を照射するので、基材１０２のレーン幅に相当するターゲットの中央部分（図４の矢印ａに相当する幅の領域）しか使用しないことになり、ターゲットの大部分が無駄になり、酸化物超電導導体を製造する場合のコストアップの一因となっている。
そこで本発明者は、図５に示す如くレーザー光を照射するべき領域ａのみに合わせた横幅のターゲット１０４を用い、このターゲット１０４をバッキングプレート１００の中央部のみに取り付けてレーザー蒸着を行う試験を行い、酸化物超電導導体を製造したところ、得られた酸化物超電導導体の臨界電流密度が低下するなどの問題を生じた。
【０００９】
これは、レーザー光をターゲットに集光照射してターゲットの構成粒子を叩き出すか蒸発させる際、レーザー光を照射していない領域にターゲットが存在していると、その位置のターゲットから輻射熱が発生して成膜雰囲気に熱を与え、温度分布を整えるが、レーザー光を照射していない領域にターゲットではなく、バッキングプレート１００が存在していると、バッキングプレート１００は水冷されていて温度が低いのでターゲットが存在している場合と比べて輻射熱の発生状況が大きく異なることになるので、熱分布のばらつきが大きくなり、これが原因となってテープ状の基材１０２の表面温度が中央のレーン側と端のレーン側で大きく異なる結果、酸化物超電導層の生成に影響を及ぼしたものと思われる。
【００１０】
本発明は、レーザー蒸着する場合のターゲットの無駄を少なくして成膜コストの低減を図るとともに、成膜領域の熱分布を均等にして安定した膜質の薄膜を成膜することができるレーザー蒸着装置の提供を目的とする。
本発明は、レーザー蒸着により酸化物超電導層を長尺の基材上に成膜する場合、高価なターゲットの無駄を少なくして酸化物超電導層の成膜コストの低減を図るとともに、成膜領域の熱分布を均等にして安定した膜質の超電導層を成膜することができるレーザー蒸着装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、上記課題を解決するために以下の構成を有する。
本発明は、長尺基材を収容する処理容器と、該処理容器内に配置され前記長尺基材を囲んで保温する開口付きヒーターボックスと、該ヒーターボックスの開口に隣接して設けられたターゲットホルダと、該ターゲットホルダに保持されるターゲットにレーザー光を照射するレーザー光発光手段と、前記処理容器内に設けられて前記長尺基材をレーン状に複数列に分けて巻回支持する複数の巻回部材とを備え、前記レーザー光を前記ターゲットの表面に照射し、該ターゲットから叩き出され若しくは蒸発した蒸着粒子を前記ヒーターボックス内において前記巻回部材に支持された長尺基材表面に堆積させるレーザー蒸着装置であって、前記巻回部材間に複数列に分けて支持される長尺基材の幅方向の設置範囲に対応する幅のターゲットが設置され、該ターゲットの裏面側に該ターゲットよりも幅広のバッキングプレートが設置され、該ターゲットの幅方向両側に前記バッキングプレートに支持された耐熱金属製のダミープレートが設置されるとともに、前記ダミープレートの前記バッキングプレート側に酸化物膜が形成されてなることを特徴とする。
【００１２】
本発明は、前記ダミープレートが光反射性の耐熱金属製のダミープレートであることを特徴とする。
本発明は、前記ターゲットが酸化物超電導体用材料であり、前記薄膜が酸化物超電導薄膜であることを特徴とする。
本発明は、前記巻回部材が複数個同軸的に配列されて巻回部材群とされ、この巻回部材群が少なくとも一対前記ヒーターボックス内に対向配置され、前記長尺基材がこれらの巻回部材群を複数周回することにより複数のレーン状に配列されてなることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明装置によれば、ヒーターボックス内の巻回部材間に複数列に分けて支持される長尺基材の幅方向の設置範囲に対応する幅のターゲットを設置してレーザー蒸着するので、従来よりも幅の狭い小型のターゲットを用いることができ、ターゲットの単価を下げることができるので、成膜コストを削減できる。特に生成するものが酸化物超電導層などのようにターゲットが高価な膜を製造する場合、ターゲットコストの削減は超電導導体の製造時のコストダウンに寄与する。
また、ターゲットの幅方向両側に耐熱金属製のダミープレートを設置するので、ターゲットからの輻射熱とダミープレートからの輻射熱を両方利用し熱バランスを図った上で基材にレーザー蒸着することができるので、複数列に分けて支持した基材のいずれの列においても温度を均等化して温度差の無い状態で均質な膜質で成膜することができる。例えば、レーザー蒸着により成膜するものが酸化物超電導層の場合、臨界電流密度などの超電導特性が劣化していない高特性の酸化物超電導導体の製造を低コストで実現できる。
【００１４】
また、ダミープレートのバッキングプレート側に酸化物膜を形成しておくことでバッキングプレートを冷却して使用する場合、酸化物膜が熱伝導を抑制し、バッキングプレートによってダミープレートの温度が必要以上に下がることを抑制できるので、ダミープレートが基材側に与える輻射熱をターゲットが基材側に与える輻射熱とバランスさせることができる結果、長尺基材側の熱分布の乱れを抑制することができ、これにより特性を均一化した膜を成膜できる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】図１は本発明に係る第１実施形態のレーザー蒸着装置の要部を示す構成図。
【図２】図２は同レーザー蒸着装置の全体構成を示す構成図。
【図３】図３は同レーザー蒸着装置の全体構成を示す斜視図。
【図４】図４は従来のレーザー蒸着装置の要部を示す構成図。
【図５】図５は従来のレーザー蒸着装置の一部を改良した状態を示す構成図。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明の実施の形態について、以下説明する。
図１〜図３は、本発明のレーザー蒸着装置の第１実施形態を示す図であり、図１（Ａ）はレーザー蒸着装置の要部構成図、図２はこのレーザー蒸着装置１０の側面図、図３はこのレーザー蒸着装置１０の斜視図である。
なお、本実施形態では、図１（Ｂ）に示すように、テープ形状の金属基材２上に中間層３とキャップ層４を形成してなる長尺基材１２に対し、本発明に係るレーザー蒸着装置１０により酸化物超電導層６を形成してなる酸化物超電導導体Ａを製造する場合を例にして説明する。
【００１７】
＜金属基材＞
上述の酸化物超電導導体Ａの一部を構成する長尺のテープ状の金属基材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。
＜中間層＞
中間層３は、ＩＢＡＤ法など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等を単層あるいは複層化して適用する例を挙げることができる。
【００１８】
＜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し、中間層３の表面に対してエピタキシャル成長し、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く、例えば、ＣｅＯ２、Ｙ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３等を用いることができる。
＜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）等であるが、その他の酸化物超電導体を用いることができるのは勿論である。
【００１９】
＜レーザー蒸着装置＞
本実施形態のレーザー蒸着装置１０は、長尺基材１２を収容する処理容器１１と、該処理容器１１内に配置され長尺基材１２を囲んで保温する開口付きのヒーターボックス１３と、該ヒーターボックス１３の開口１４に隣接して設けられたターゲットホルダ１６と、該ターゲットホルダ１６に保持されるターゲット１５にレーザー光１８を照射するレーザー光発光手段１７とを備えて構成され、レーザー光１８をターゲット１５の表面に照射し、該ターゲット１５から叩き出され若しくは蒸発した蒸着粒子の噴流（以下、プルーム１９と記す。）をヒーターボックス１３内の長尺基材１２の表面に向けて蒸着粒子を堆積させることができる。
【００２０】
前記処理容器１１内には、長尺基材１２が巻回された送出リール２０と、酸化物超電導層６の成膜を終えた酸化物超電導導体２８を収納する巻取リール２１が設けられている。これらの送出リール２０と巻取リール２１との間に設けられたヒーターボックス１３内には、長尺基材１２を巻回するリールなどの巻回部材を複数個同軸的に配列してなる一対の巻回部材群２２、２３が離間して対向配置され、これら一対の巻回部材群２２、２３に巻回された長尺基材１２が、これらの巻回部材群２２、２３を周回することにより、蒸着粒子の堆積領域内にて複数列レーンを構成するように配置されている。
【００２１】
これらの巻回部材群２２、２３を収容しているヒーターボックス１３は、内壁面に複数個のヒータ（図示略）が設けられ、これらのヒータに通電することで、長尺基材１２を均一に加熱し保温できるようになっている。また、ヒーターボックス１３の底面部中央には、ターゲット１５の表面で生じたプルーム１９をヒーターボックス１３内に導入するための開口１４が穿設されている。
【００２２】
この開口１４の近傍（下方）には、ターゲット１５を固定したバッキングプレート１６が、ヒーターボックス１３の開口１４に対し平行な面に沿って往復移動可能に設けられている。なお、バッキングプレート１６には水冷のための水路やその他の配管等が付設されてターゲットホルダとして構成されているが、本明細書の図２、図３ではこれらを略記してバッキングプレート１６のみを描いている。
このバッキングプレート１６は巻回部材群２２、２３に複数回巻回されてターゲット１５上に複数列のレーン（図１（Ａ）では５レーンの場合を例示した）を構成するように配置された長尺基材１２に対し、長尺基材１２が構成する全レーンの幅ｂの３倍程度の幅に形成されている。そして、このバッキングプレート１６の中央部に、長尺基材１２が構成する全レーンの幅ｂと同程度の幅のターゲット１５が装着されるとともに、ターゲット１５の幅方向両側のバッキングプレート１６上にターゲット１５と同程度の幅のダミープレート３０が装着されている。
【００２３】
このダミープレート３０は、光反射性を有し、紫外線吸収率が低く、レーザー光１８の吸収率が低く、レーザー光１８によって熱を受け難い耐熱性、耐酸化性の金属材料から構成されている。このような条件を満足する金属材料としてダミープレート３０は、例えば、ステンレス鋼、Ｎｉ合金のハステロイ、インコネル、銀、金、白金などからなることが好ましい。ダミープレート３０はヒーターボックス１３側からの加熱を受けるとともに、バッキングプレート１６側からの冷却を受けるので、これらから温度差を受けても割れ難い前述の材料からなることが好ましい。
ダミープレート３０の厚さはターゲット３０と同程度であることが好ましく、例えばターゲット１５が５ｍｍ厚程度であれば、５ｍｍ程度の厚さとすることができる。前述の材料からなり、この程度の厚さがあれば、前述の如く加熱と冷却を受けても割れることがなく、仮にレーザー光が当たっても殆ど紫外線の吸収が無く、表面から粒子が蒸発することもないので、ダミープレート３０を構成する粒子が長尺基材１２側に飛び出すこともなく、生成しようとする酸化物超電導層側に不要元素の混入を起こすこともない。
【００２４】
また、ダミープレート３０の裏面側には、酸化物膜３１が形成されている。この酸化物膜３１は断熱性を有するものが好ましく、Ａｌ２Ｏ３層、ＳｉＯ２、ＺｒＯ２などからなることが好ましい。この酸化物層３１は、バッキングプレート１６とダミープレート３０との間に介在されて熱伝導を抑制する作用を奏する材料からなることが好ましく、前述の材料からなり、厚さ１００μｍ〜１００００μｍ程度であることが好ましい。
【００２５】
バッキングプレート１６上に設置されたターゲット１５は、形成しようとする超電導層６と同等または近似した組成、あるいは、成膜中に逃避しやすい成分を多く含有させた複合酸化物の焼結体あるいは酸化物超電導体などの板材からなっている。従って、酸化物超電導体のターゲット１５は、Ｇｄ１Ｂa２Ｃｕ３Ｏｘ、Ｙ１Ｂa２Ｃｕ３Ｏｘなる組成などに代表される目的の酸化物超電導体と同一の組成か近似した組成のものを用いることが好ましい。
【００２６】
このターゲット１５にレーザー光１８を照射するレーザー光発光手段１７としては、ターゲット１５から蒸着粒子を叩き出すことができるレーザー光１８を発生するものであれば、Ａｒ−Ｆ（１９３ｎｍ）、Ｋｒ−Ｆ（２４８ｎｍ）などのエキシマレーザ、ＹＡＧレーザー、ＣＯ2レーザーなどのいずれのものを用いても良い。レーザー光発光手段１７から照射されるレーザー光１８は、処理容器１１の適当な位置に設けられている図示していない透明窓から該容器内に入り、ターゲット１５の表面に照射される。レーザー光発光手段１７と前記透明窓の間には、必要に応じて図示していない反射ミラーや集光レンズ等の光学系が設けられる。
レーザーの照射出力の調整は、レーザー光発光手段１７に電力を供給する増幅装置（図示略）の出力を調整することにより行うことができる。また、レーザーの照射周波数は、１秒間当たりに間欠的に発振されるレーザーのパルスの数を示すものであり、この調整は、レーザー光発光手段１７に電力を一定の周波数をもって間欠的に供給するか、レーザー光１８が通過する経路のどこかに、回転セクタ等の機械的シャッタを設け、この機械的シャッタを一定の周波数をもって作動させることにより、調整することができる。
【００２７】
図１〜図３に示す構成のレーザー蒸着装置１０を用いて長尺基材１２の上に酸化物超電導層６を成膜するには、送出リール２０に巻回されている長尺基材１２を引き出しながら、ヒーターボックス１３内に導入し、その内部に収容されている一対の巻回部材群２２、２３に順次巻回し、その後先端側をヒーターボックス１３から導出し、巻取リール２１に巻き取り可能に取り付ける。
これによって、一対の巻回部材群２２、２３に巻回された長尺基材１２がこれらの巻回部材群２２、２３を周回し、開口１４に望む位置において複数列並んで移動するようになる。また、この開口１４に隣接したバッキングプレート１６上にターゲット１５とダミープレート３０を設置する。その後、排気装置２４を駆動し、処理容器１１内を減圧する。この際、必要に応じて処理容器１１内に酸素ガスを導入して容器内を酸素雰囲気としても良い。
【００２８】
長尺基材１２を前述したようにセットした後、ターゲット１５にレーザー光１８を照射して成膜を開始するよりも前の適当な時に、ヒーターボックス１３の内壁に設けられたヒータに通電してヒーターボックス１３内の長尺基板１２と一対の巻回部材群２２、２３を全体的に加熱し、一定温度に保温しておくことが好ましい。ヒーターボックス１３内の長尺基材１２の温度制御は、ヒーターボックス１３内の適所に複数の温度センサを設置しておき、ヒーターボックス１３内の長尺基材１２の温度が均一になるように複数のヒータを個別にＯＮ／ＯＦＦ制御することなどによって行うことが好ましい。
【００２９】
次に、送出リール２０から長尺基材１２を送り出しつつ、レーザー光発光手段１７からレーザー光１８を発生させ、透明窓を通してレーザー光１８を処理容器１１内に導入し、ターゲット１５に照射する。この時、レーザー光１８の照射位置をターゲット１５の表面上で移動させる走査を後述の如く行いながらレーザー光１８をターゲット１５に照射する。また、ターゲット１５は、図示していないターゲット移動機構によって、開口４に対して平行な面に沿って往復移動させる。これにより、異なる場所のターゲット１５の蒸着粒子が叩き出されるか蒸発する。
ターゲット１５から叩き出され若しくは蒸発した蒸着粒子は、その放射方向の断面積が拡大したプルーム１９となり、ヒーターボックス１３に穿設された開口１４からヒーターボックス１３内に導入される。この開口１４近傍には、長尺基材１２が複数列並んで移動している。ヒーターボックス１３内にプルーム１９を導入することで、開口１４近傍を複数列並んで移動している長尺基材１２の表面に、蒸着粒子を堆積させることができ、長尺基材１２がこれらの巻回部材群２２、２３を周回する間に、酸化物超電導層６が繰り返し成膜され、必要な厚さに積層される。酸化物超電導層６の成膜後、得られた酸化物超電導導体Ａは、ヒーターボックス１３から導出され、巻取リール２１に巻き取られる。
【００３０】
前述の如くレーザー光１８をターゲット３０に照射してプルーム１９を発生させる際、レーン状に複数配列した長尺基材１２の個々に可能な限り均一の酸化物超電導層６を長尺基材１２の全長にわたり成膜するために、図１（Ａ）に示す如くレーザー光１８をターゲット１５の幅方向に全幅にわたり順次走査し、ターゲット１５の全幅の複数の部分から順次プルーム１９を発生させて成膜し、長尺基材１２の全長に対応できるように長時間の成膜を行う。また、ターゲット３０をバッキングプレート１６とともに図２の矢印方向に往復移動することにより、ターゲット３０の幅方向に対し直角方向の全域にもレーザー光１８を照射することで、結果的にターゲット３０の表面全域から順次プルーム１９を発生させてターゲットの粒子を叩き出すか蒸発させることができる。
このレーザー光１８の走査とターゲット移動を行っている間、レーザー光１８はターゲット１５の両端部側においてダミープレート３０の近傍側にも照射され、場合によっては走査されたレーザー光１８がダミープレート３０の端部に到達することもあるが、ダミープレート３０は光反射性かつレーザー光１８の吸収率が低い金属材料から構成されているので、ダミープレート３０の構成粒子が叩き出されることが無く、蒸発されることもない。従って、ダミープレート３０の構成元素が酸化物超電導層６に混入することがない。具体例としてステンレス鋼製のダミープレート３０であるならばレーザー光の吸収性が低く、レーザー光を照射しても表面から粒子発生などは生じ難い。
【００３１】
また、ダミープレート３０はバッキングプレート１６側から冷却されるとともに、ヒーターボックス１３側から加熱されるが、ダミープレート３０は耐熱金属製であるので、割れるおそれはない。更に、バッキングプレート１６側からの冷却があっても、ダミープレート３０の裏面側に酸化物層３１が形成されていて、熱伝達が抑制されているので、ダミープレート３０が過剰に冷却されることが無く、ヒーターボックス１３側のヒータから加熱されているダミープレート３０からの輻射熱はターゲット３０と同程度発生するので、開口１４近傍において複数列並んで移動している長尺基材１２に均等に輻射熱を与える結果、並列移動中の長尺基材１２のいずれの部分に対しても輻射熱を均等化できる。これにより、ダミープレート３０が無く、バッキングプレート１６が露出されている場合よりも長尺基材１２に均等に輻射熱を与えることができる結果、均一加熱状態で酸化物超電導層６を成膜できるので、特性の良好な均質な酸化物超電導層６を成膜することができる。
【実施例】
【００３２】
幅１０ｍｍ、厚さ０．１ｍｍ、長さ１０ｍのハステロイ製の金属基材の表面にイオンビームアシストスパッタ法とイオンビームスパッタ法により厚さ５００μｍのＭｇＯ中間層を形成後、レーザー蒸着法によりＣｅＯ２のキャップ層を成膜したものを長尺基材として用いた。
次に、図１〜図３に示す構成のレーザー蒸着装置により、長尺基材の表面にＧｄ１Ｂa２Ｃｕ３Ｏｘからなる厚さ１μｍの酸化物超電導層を成膜した。
【００３３】
ターゲットはＧｄ１Ｂa２Ｃｕ３Ｏｘの組成の板状（縦横：１５０ｍｍ×１００ｍｍ：厚さ５ｍｍ）の酸化物ターゲットを用い、この酸化物ターゲットの両脇のバッキングプレート上に同一サイズのステンレス鋼製の厚さ５ｍｍのダミープレートを設置し、レーザー蒸着に供した。ダミープレートの裏面側には、厚さ１μｍのＡｌ２Ｏ３層を溶着法により被覆したものを用いた。
次に、中央の酸化物ターゲットと両側のダミープレートを配置する構造において、ダミープレートの裏面側に形成するＡｌ２Ｏ３層の膜厚を１０μｍ、１００μｍ、１０００μｍ、１００００μｍとしたダミープレートをそれぞれ作製し、それぞれを使用した場合のレーザー蒸着も行い、酸化物超電導導体を製造した。
【００３４】
また、比較のために、酸化物ターゲットとその両側のダミープレートを含む大きさのＧｄ１Ｂa２Ｃｕ３Ｏｘ組成の板状ターゲットを用いて同様にレーザー蒸着を行った。同様に比較のために、ダミープレートの代わりに同一サイズのＧｄ１Ｂa２Ｃｕ３Ｏｘ組成の板状ターゲットを用いて同様にレーザー蒸着を行い、ダミープレートを略して酸化物ターゲットのみをバッキングプレート中央部に設置してレーザー蒸着を行った。
【００３５】
以上のレーザー蒸着により成膜時、ヒーターボックス内の長尺基材の表面温度を測定し、温度分布差を測定し、使用限界時間を計測した。また、得られた酸化物超電導導体の臨界電流密度（Ｊｃ）を測定した。
【００３６】
【表１】
【００３７】
表１において全部Ｇｄ１２３とは、酸化物ターゲットとその両側のダミープレートを含む大きさのＧｄ１Ｂa２Ｃｕ３Ｏｘ組成の板状ターゲットを用いた場合を示し、両側Ｇｄ１２３とは、ダミープレートの代わりに同一サイズのＧｄ１Ｂa２Ｃｕ３Ｏｘ組成の板状ターゲットをバッキングプレートに接合することなく単に設置した場合を示している。また、各試験においてステンレス鋼製のダミープレートはバッキングプレート上に単に載せているのみである。
表１に示す結果から、バッキングプレート全体にＧｄ１Ｂa２Ｃｕ３Ｏｘ組成の板状ターゲットを接合した場合は、ターゲット割れは問題にならず、使用限界の４０時間の成膜が可能となる。また、この場合は温度分布差は少なく高特性の酸化物超電導層を生成することはできるが、コスト高になってしまう。即ち、成膜するものが希土類系酸化物超電導層であり、ターゲットは元々高価であり、この高価なターゲットの中央部分しか消費しないので製造コスト面では不利となる。
これに対して、バッキングプレートの中央部に接合したターゲットの両脇にＧｄ１Ｂa２Ｃｕ３Ｏｘ組成の板状ターゲットを単に設置した場合、ヒートショックにより短時間でダミープレートが割れてしまい、ダミープレートとしての役割を果たさなくなった。更に、バッキングプレートの中央部のみにターゲットを配置し、その両側にバッキングプレートを露出させた場合は、輻射率の違いによりレーン毎の長尺基材の温度分布差が大きくなり、結果的に得られた酸化物超電導導体の臨界電流密度（Ｊｃ値）が低くなった。
【００３８】
次に、本発明に従い、ステンレスプレートをダミープレートとして設置した試料は、Ａｌ２Ｏ３層が１００μｍ以上であれば、温度分布差が小さく、Ｊｃ値が高く、使用時間も長くなることが判明した。なお、Ａｌ２Ｏ３層が１０μｍ以下の試料はバッキングプレート間の熱伝導を抑制できず、輻射率が下がり、温度分布が良くならないので、Ｊｃ値が低下したものと思われる。
なお、Ａｌ２Ｏ３層の膜厚については、ヒートショックの影響を受けやすくなり、剥離によってダミープレートとしての役割を果たさなくなるが、１００００μｍ厚の試料であっても全部Ｇｄ１２３の試料よりは使用限界が向上した。なお、Ａｌ２Ｏ３層が剥離すると、生成する酸化物超電導層側への不要元素の拡散が問題となるおそれがある。
以上の結果から、長尺基材の成膜領域に対応した幅のターゲットを用い、そのターゲットの両側に、酸化物層を裏打ちしたダミープレートを設けた場合の方が、ターゲット単価を安くすることができ、しかも蒸着時間も長くすることができる。また、ダミープレート裏面に設ける酸化物層の厚さを最適化することにより、成膜コストを下げ、レーザー蒸着時間を長くできる上に、超電導特性の低下も生じない超電導導体の製造が可能なレーザー蒸着装置を提供できることが判明した。
【符号の説明】
【００３９】
Ａ…酸化物超電導導体、２…金属基材、３…中間層、４…キャップ層、６…酸化物超電導層、１１…処理容器、１２…長尺基材、１０…レーザー蒸着装置、１３…ヒーターボックス、１４…開口、１５…ターゲット、１６…バッキングプレート、１７…レーザー発光手段、１８…レーザー光、１９…プルーム、２２、２３…巻回部材群、３０…ダミープレート、３１…酸化物層。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザー光をターゲットに照射して、このターゲットの蒸着粒子を叩き出し若しくは蒸発させ、この蒸着粒子を基材上に堆積させることにより、酸化物超電導層等の薄膜を形成する際に好適に用いられ、特に、長尺基材を用いた酸化物超電導線材の生産性の効率化を図ることが可能なレーザー蒸着装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
酸化物超電導体を導体として使用するためには、テープ状の長尺基材上に、結晶配向性の良好な酸化物超電導体の薄膜を形成する必要があるが、一般には、金属テープ自体が多結晶体でその結晶構造も酸化物超電導体と大きく異なるために、金属テープ上に直接、結晶配向性の良好な酸化物超電導体の薄膜を形成させることは難しい。そこで、ハステロイテープなどの金属テープからなる長尺基材の上に、結晶配向性に優れたイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）などの中間層を形成し、この中間層上に、Ｙ１Ｂａ２Ｃｕ３Ｏｘ系などの希土類系酸化物超電導体の薄膜を成膜する試みが行なわれており、この酸化物超電導体の薄膜を成膜する場合、レーザー蒸着法による薄膜の形成方法が採用されている。
【０００３】
従来のレーザー蒸着法による薄膜の形成方法では、レーザー光をターゲットの表面上の経路に沿って往復移動させることにより走査するため、長時間成膜を行うと、レーザー光に偏心が生じることとなり、その結果、ターゲットから叩き出された蒸着粒子の飛行する方向が偏ってしまい、蒸着粒子を中間層上に均一に堆積させることができず、得られる薄膜の厚みや膜質や結晶配向性にバラツキが生じてしまい、臨界電流密度等の超電導特性が低下してしまう等の問題があった。
そこで、本出願人は、テープ状の基材表面に蒸着粒子を均一に堆積させることができるレーザー蒸着法による薄膜の形成方法として、テープ状の基材を蒸着粒子の堆積領域内を複数回通過させて、堆積領域を通過する度にテープ状の基材上に蒸着粒子を堆積させ、基材上に複数層からなる薄膜を成膜するための装置を提案している（例えば、特許文献１参照。）。
【０００４】
前述の特許文献１に記載された装置では、テープ状の基材を蒸着粒子の堆積領域内を複数回通過させるための手段として、テープ状の基材を巻回するリール状の巻回部材を複数個同軸的に配列してなる一対の巻回部材群を処理容器内に対向配置し、これら一対の巻回部材群に巻回された基材を周回させて蒸着粒子の堆積領域内に複数列揃える構成として薄膜形成を行っている。この装置によれば、基材表面に複数層からなる薄膜を効率良く成膜することができるが、基材を周回させる際に基材から輻射熱が逃げやすく、基材の温度が不均一になり易いという問題があった。
そこで本出願人は、周回するテープ状の基材を保温用のヒーターボックスで囲み、ヒーターボックスの一部に開口を設け、この開口の下方にターゲットを配置し、このターゲットにレーザー光を照射し、ヒーターボックスの開口を介して蒸着粒子を基材側に飛来させて堆積することができる成膜装置を提案している。（特許文献２参照）
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−２６３２２７号公報
【特許文献２】特開２００６−２３３２６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
図４に特許文献２に記載されている成膜装置の要部構成を示すが、水平に配置された銅製のバッキングプレート１００の上面側にターゲット１０１が接着されるとともに、ターゲット１０１の上方にテープ状の基材１０２が複数配列された状態で往復走向されるようにレーン状に配列されていて、これらの基材１０２の全体をヒーターボックス１０３が覆うように配置されている。なお、実際の装置ではリール状の巻回部材を同軸位置に複数配置して巻回部材群を構成し、この巻回部材群を２つ対向配置してこれらの間に基材１０２を往復走向できるように架け渡すが、図４では往復走向できるように配列されている基材１０２のターゲット上の位置関係のみを示し、基材１０２を支持している巻回部材は記載を略している。
【０００７】
図４に示すレーザー蒸着装置では、複数配列されて往復移動している基材１０２のそれぞれに蒸着粒子を堆積させるために、レーザー光を走査している。例えば、図４に示す如く複数配置されて往復移動している複数の基材１０２の端から端まで全域にターゲット粒子を飛ばすために、基材１０２に対向しているターゲット１０１の表面に対して矢印ａに示す範囲に（往復移動している複数の基材１０２が構成する複数のレーンの端から端まで）レーザー光を走査しながらレーザー蒸着を行っている。レーザー光をターゲット１０１に照射するとターゲットから構成粒子が噴流となって叩き出されるか蒸発してプルームと称される噴流が生じるが、図４にレーザー光の照射位置に応じて炎型のプルームＰが発生している状況を概念的に示す。
【０００８】
しかしながら、図４に示すレーザー蒸着装置では、広い面積のターゲット１０１に対して基材１０２と対向する狭い領域のみにレーザー光を照射するので、基材１０２のレーン幅に相当するターゲットの中央部分（図４の矢印ａに相当する幅の領域）しか使用しないことになり、ターゲットの大部分が無駄になり、酸化物超電導導体を製造する場合のコストアップの一因となっている。
そこで本発明者は、図５に示す如くレーザー光を照射するべき領域ａのみに合わせた横幅のターゲット１０４を用い、このターゲット１０４をバッキングプレート１００の中央部のみに取り付けてレーザー蒸着を行う試験を行い、酸化物超電導導体を製造したところ、得られた酸化物超電導導体の臨界電流密度が低下するなどの問題を生じた。
【０００９】
これは、レーザー光をターゲットに集光照射してターゲットの構成粒子を叩き出すか蒸発させる際、レーザー光を照射していない領域にターゲットが存在していると、その位置のターゲットから輻射熱が発生して成膜雰囲気に熱を与え、温度分布を整えるが、レーザー光を照射していない領域にターゲットではなく、バッキングプレート１００が存在していると、バッキングプレート１００は水冷されていて温度が低いのでターゲットが存在している場合と比べて輻射熱の発生状況が大きく異なることになるので、熱分布のばらつきが大きくなり、これが原因となってテープ状の基材１０２の表面温度が中央のレーン側と端のレーン側で大きく異なる結果、酸化物超電導層の生成に影響を及ぼしたものと思われる。
【００１０】
本発明は、レーザー蒸着する場合のターゲットの無駄を少なくして成膜コストの低減を図るとともに、成膜領域の熱分布を均等にして安定した膜質の薄膜を成膜することができるレーザー蒸着装置の提供を目的とする。
本発明は、レーザー蒸着により酸化物超電導層を長尺の基材上に成膜する場合、高価なターゲットの無駄を少なくして酸化物超電導層の成膜コストの低減を図るとともに、成膜領域の熱分布を均等にして安定した膜質の超電導層を成膜することができるレーザー蒸着装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、上記課題を解決するために以下の構成を有する。
本発明は、長尺基材を収容する処理容器と、該処理容器内に配置され前記長尺基材を囲んで保温する開口付きヒーターボックスと、該ヒーターボックスの開口に隣接して設けられたターゲットホルダと、該ターゲットホルダに保持されるターゲットにレーザー光を照射するレーザー光発光手段と、前記処理容器内に設けられて前記長尺基材をレーン状に複数列に分けて巻回支持する複数の巻回部材とを備え、前記レーザー光を前記ターゲットの表面に照射し、該ターゲットから叩き出され若しくは蒸発した蒸着粒子を前記ヒーターボックス内において前記巻回部材に支持された長尺基材表面に堆積させるレーザー蒸着装置であって、前記巻回部材間に複数列に分けて支持される長尺基材の幅方向の設置範囲に対応する幅のターゲットが設置され、該ターゲットの裏面側に該ターゲットよりも幅広のバッキングプレートが設置され、該ターゲットの幅方向両側に前記バッキングプレートに支持された耐熱金属製のダミープレートが設置されるとともに、前記ダミープレートの前記バッキングプレート側に酸化物膜が形成されてなることを特徴とする。
【００１２】
本発明は、前記ダミープレートが光反射性の耐熱金属製のダミープレートであることを特徴とする。
本発明は、前記ターゲットが酸化物超電導体用材料であり、前記薄膜が酸化物超電導薄膜であることを特徴とする。
本発明は、前記巻回部材が複数個同軸的に配列されて巻回部材群とされ、この巻回部材群が少なくとも一対前記ヒーターボックス内に対向配置され、前記長尺基材がこれらの巻回部材群を複数周回することにより複数のレーン状に配列されてなることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明装置によれば、ヒーターボックス内の巻回部材間に複数列に分けて支持される長尺基材の幅方向の設置範囲に対応する幅のターゲットを設置してレーザー蒸着するので、従来よりも幅の狭い小型のターゲットを用いることができ、ターゲットの単価を下げることができるので、成膜コストを削減できる。特に生成するものが酸化物超電導層などのようにターゲットが高価な膜を製造する場合、ターゲットコストの削減は超電導導体の製造時のコストダウンに寄与する。
また、ターゲットの幅方向両側に耐熱金属製のダミープレートを設置するので、ターゲットからの輻射熱とダミープレートからの輻射熱を両方利用し熱バランスを図った上で基材にレーザー蒸着することができるので、複数列に分けて支持した基材のいずれの列においても温度を均等化して温度差の無い状態で均質な膜質で成膜することができる。例えば、レーザー蒸着により成膜するものが酸化物超電導層の場合、臨界電流密度などの超電導特性が劣化していない高特性の酸化物超電導導体の製造を低コストで実現できる。
【００１４】
また、ダミープレートのバッキングプレート側に酸化物膜を形成しておくことでバッキングプレートを冷却して使用する場合、酸化物膜が熱伝導を抑制し、バッキングプレートによってダミープレートの温度が必要以上に下がることを抑制できるので、ダミープレートが基材側に与える輻射熱をターゲットが基材側に与える輻射熱とバランスさせることができる結果、長尺基材側の熱分布の乱れを抑制することができ、これにより特性を均一化した膜を成膜できる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】図１は本発明に係る第１実施形態のレーザー蒸着装置の要部を示す構成図。
【図２】図２は同レーザー蒸着装置の全体構成を示す構成図。
【図３】図３は同レーザー蒸着装置の全体構成を示す斜視図。
【図４】図４は従来のレーザー蒸着装置の要部を示す構成図。
【図５】図５は従来のレーザー蒸着装置の一部を改良した状態を示す構成図。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明の実施の形態について、以下説明する。
図１〜図３は、本発明のレーザー蒸着装置の第１実施形態を示す図であり、図１（Ａ）はレーザー蒸着装置の要部構成図、図２はこのレーザー蒸着装置１０の側面図、図３はこのレーザー蒸着装置１０の斜視図である。
なお、本実施形態では、図１（Ｂ）に示すように、テープ形状の金属基材２上に中間層３とキャップ層４を形成してなる長尺基材１２に対し、本発明に係るレーザー蒸着装置１０により酸化物超電導層６を形成してなる酸化物超電導導体Ａを製造する場合を例にして説明する。
【００１７】
＜金属基材＞
上述の酸化物超電導導体Ａの一部を構成する長尺のテープ状の金属基材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。
＜中間層＞
中間層３は、ＩＢＡＤ法など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等を単層あるいは複層化して適用する例を挙げることができる。
【００１８】
＜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し、中間層３の表面に対してエピタキシャル成長し、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く、例えば、ＣｅＯ２、Ｙ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３等を用いることができる。
＜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）等であるが、その他の酸化物超電導体を用いることができるのは勿論である。
【００１９】
＜レーザー蒸着装置＞
本実施形態のレーザー蒸着装置１０は、長尺基材１２を収容する処理容器１１と、該処理容器１１内に配置され長尺基材１２を囲んで保温する開口付きのヒーターボックス１３と、該ヒーターボックス１３の開口１４に隣接して設けられたターゲットホルダ１６と、該ターゲットホルダ１６に保持されるターゲット１５にレーザー光１８を照射するレーザー光発光手段１７とを備えて構成され、レーザー光１８をターゲット１５の表面に照射し、該ターゲット１５から叩き出され若しくは蒸発した蒸着粒子の噴流（以下、プルーム１９と記す。）をヒーターボックス１３内の長尺基材１２の表面に向けて蒸着粒子を堆積させることができる。
【００２０】
前記処理容器１１内には、長尺基材１２が巻回された送出リール２０と、酸化物超電導層６の成膜を終えた酸化物超電導導体２８を収納する巻取リール２１が設けられている。これらの送出リール２０と巻取リール２１との間に設けられたヒーターボックス１３内には、長尺基材１２を巻回するリールなどの巻回部材を複数個同軸的に配列してなる一対の巻回部材群２２、２３が離間して対向配置され、これら一対の巻回部材群２２、２３に巻回された長尺基材１２が、これらの巻回部材群２２、２３を周回することにより、蒸着粒子の堆積領域内にて複数列レーンを構成するように配置されている。
【００２１】
これらの巻回部材群２２、２３を収容しているヒーターボックス１３は、内壁面に複数個のヒータ（図示略）が設けられ、これらのヒータに通電することで、長尺基材１２を均一に加熱し保温できるようになっている。また、ヒーターボックス１３の底面部中央には、ターゲット１５の表面で生じたプルーム１９をヒーターボックス１３内に導入するための開口１４が穿設されている。
【００２２】
この開口１４の近傍（下方）には、ターゲット１５を固定したバッキングプレート１６が、ヒーターボックス１３の開口１４に対し平行な面に沿って往復移動可能に設けられている。なお、バッキングプレート１６には水冷のための水路やその他の配管等が付設されてターゲットホルダとして構成されているが、本明細書の図２、図３ではこれらを略記してバッキングプレート１６のみを描いている。
このバッキングプレート１６は巻回部材群２２、２３に複数回巻回されてターゲット１５上に複数列のレーン（図１（Ａ）では５レーンの場合を例示した）を構成するように配置された長尺基材１２に対し、長尺基材１２が構成する全レーンの幅ｂの３倍程度の幅に形成されている。そして、このバッキングプレート１６の中央部に、長尺基材１２が構成する全レーンの幅ｂと同程度の幅のターゲット１５が装着されるとともに、ターゲット１５の幅方向両側のバッキングプレート１６上にターゲット１５と同程度の幅のダミープレート３０が装着されている。
【００２３】
このダミープレート３０は、光反射性を有し、紫外線吸収率が低く、レーザー光１８の吸収率が低く、レーザー光１８によって熱を受け難い耐熱性、耐酸化性の金属材料から構成されている。このような条件を満足する金属材料としてダミープレート３０は、例えば、ステンレス鋼、Ｎｉ合金のハステロイ、インコネル、銀、金、白金などからなることが好ましい。ダミープレート３０はヒーターボックス１３側からの加熱を受けるとともに、バッキングプレート１６側からの冷却を受けるので、これらから温度差を受けても割れ難い前述の材料からなることが好ましい。
ダミープレート３０の厚さはターゲット３０と同程度であることが好ましく、例えばターゲット１５が５ｍｍ厚程度であれば、５ｍｍ程度の厚さとすることができる。前述の材料からなり、この程度の厚さがあれば、前述の如く加熱と冷却を受けても割れることがなく、仮にレーザー光が当たっても殆ど紫外線の吸収が無く、表面から粒子が蒸発することもないので、ダミープレート３０を構成する粒子が長尺基材１２側に飛び出すこともなく、生成しようとする酸化物超電導層側に不要元素の混入を起こすこともない。
【００２４】
また、ダミープレート３０の裏面側には、酸化物膜３１が形成されている。この酸化物膜３１は断熱性を有するものが好ましく、Ａｌ２Ｏ３層、ＳｉＯ２、ＺｒＯ２などからなることが好ましい。この酸化物層３１は、バッキングプレート１６とダミープレート３０との間に介在されて熱伝導を抑制する作用を奏する材料からなることが好ましく、前述の材料からなり、厚さ１００μｍ〜１００００μｍ程度であることが好ましい。
【００２５】
バッキングプレート１６上に設置されたターゲット１５は、形成しようとする超電導層６と同等または近似した組成、あるいは、成膜中に逃避しやすい成分を多く含有させた複合酸化物の焼結体あるいは酸化物超電導体などの板材からなっている。従って、酸化物超電導体のターゲット１５は、Ｇｄ１Ｂa２Ｃｕ３Ｏｘ、Ｙ１Ｂa２Ｃｕ３Ｏｘなる組成などに代表される目的の酸化物超電導体と同一の組成か近似した組成のものを用いることが好ましい。
【００２６】
このターゲット１５にレーザー光１８を照射するレーザー光発光手段１７としては、ターゲット１５から蒸着粒子を叩き出すことができるレーザー光１８を発生するものであれば、Ａｒ−Ｆ（１９３ｎｍ）、Ｋｒ−Ｆ（２４８ｎｍ）などのエキシマレーザ、ＹＡＧレーザー、ＣＯ2レーザーなどのいずれのものを用いても良い。レーザー光発光手段１７から照射されるレーザー光１８は、処理容器１１の適当な位置に設けられている図示していない透明窓から該容器内に入り、ターゲット１５の表面に照射される。レーザー光発光手段１７と前記透明窓の間には、必要に応じて図示していない反射ミラーや集光レンズ等の光学系が設けられる。
レーザーの照射出力の調整は、レーザー光発光手段１７に電力を供給する増幅装置（図示略）の出力を調整することにより行うことができる。また、レーザーの照射周波数は、１秒間当たりに間欠的に発振されるレーザーのパルスの数を示すものであり、この調整は、レーザー光発光手段１７に電力を一定の周波数をもって間欠的に供給するか、レーザー光１８が通過する経路のどこかに、回転セクタ等の機械的シャッタを設け、この機械的シャッタを一定の周波数をもって作動させることにより、調整することができる。
【００２７】
図１〜図３に示す構成のレーザー蒸着装置１０を用いて長尺基材１２の上に酸化物超電導層６を成膜するには、送出リール２０に巻回されている長尺基材１２を引き出しながら、ヒーターボックス１３内に導入し、その内部に収容されている一対の巻回部材群２２、２３に順次巻回し、その後先端側をヒーターボックス１３から導出し、巻取リール２１に巻き取り可能に取り付ける。
これによって、一対の巻回部材群２２、２３に巻回された長尺基材１２がこれらの巻回部材群２２、２３を周回し、開口１４に望む位置において複数列並んで移動するようになる。また、この開口１４に隣接したバッキングプレート１６上にターゲット１５とダミープレート３０を設置する。その後、排気装置２４を駆動し、処理容器１１内を減圧する。この際、必要に応じて処理容器１１内に酸素ガスを導入して容器内を酸素雰囲気としても良い。
【００２８】
長尺基材１２を前述したようにセットした後、ターゲット１５にレーザー光１８を照射して成膜を開始するよりも前の適当な時に、ヒーターボックス１３の内壁に設けられたヒータに通電してヒーターボックス１３内の長尺基板１２と一対の巻回部材群２２、２３を全体的に加熱し、一定温度に保温しておくことが好ましい。ヒーターボックス１３内の長尺基材１２の温度制御は、ヒーターボックス１３内の適所に複数の温度センサを設置しておき、ヒーターボックス１３内の長尺基材１２の温度が均一になるように複数のヒータを個別にＯＮ／ＯＦＦ制御することなどによって行うことが好ましい。
【００２９】
次に、送出リール２０から長尺基材１２を送り出しつつ、レーザー光発光手段１７からレーザー光１８を発生させ、透明窓を通してレーザー光１８を処理容器１１内に導入し、ターゲット１５に照射する。この時、レーザー光１８の照射位置をターゲット１５の表面上で移動させる走査を後述の如く行いながらレーザー光１８をターゲット１５に照射する。また、ターゲット１５は、図示していないターゲット移動機構によって、開口４に対して平行な面に沿って往復移動させる。これにより、異なる場所のターゲット１５の蒸着粒子が叩き出されるか蒸発する。
ターゲット１５から叩き出され若しくは蒸発した蒸着粒子は、その放射方向の断面積が拡大したプルーム１９となり、ヒーターボックス１３に穿設された開口１４からヒーターボックス１３内に導入される。この開口１４近傍には、長尺基材１２が複数列並んで移動している。ヒーターボックス１３内にプルーム１９を導入することで、開口１４近傍を複数列並んで移動している長尺基材１２の表面に、蒸着粒子を堆積させることができ、長尺基材１２がこれらの巻回部材群２２、２３を周回する間に、酸化物超電導層６が繰り返し成膜され、必要な厚さに積層される。酸化物超電導層６の成膜後、得られた酸化物超電導導体Ａは、ヒーターボックス１３から導出され、巻取リール２１に巻き取られる。
【００３０】
前述の如くレーザー光１８をターゲット３０に照射してプルーム１９を発生させる際、レーン状に複数配列した長尺基材１２の個々に可能な限り均一の酸化物超電導層６を長尺基材１２の全長にわたり成膜するために、図１（Ａ）に示す如くレーザー光１８をターゲット１５の幅方向に全幅にわたり順次走査し、ターゲット１５の全幅の複数の部分から順次プルーム１９を発生させて成膜し、長尺基材１２の全長に対応できるように長時間の成膜を行う。また、ターゲット３０をバッキングプレート１６とともに図２の矢印方向に往復移動することにより、ターゲット３０の幅方向に対し直角方向の全域にもレーザー光１８を照射することで、結果的にターゲット３０の表面全域から順次プルーム１９を発生させてターゲットの粒子を叩き出すか蒸発させることができる。
このレーザー光１８の走査とターゲット移動を行っている間、レーザー光１８はターゲット１５の両端部側においてダミープレート３０の近傍側にも照射され、場合によっては走査されたレーザー光１８がダミープレート３０の端部に到達することもあるが、ダミープレート３０は光反射性かつレーザー光１８の吸収率が低い金属材料から構成されているので、ダミープレート３０の構成粒子が叩き出されることが無く、蒸発されることもない。従って、ダミープレート３０の構成元素が酸化物超電導層６に混入することがない。具体例としてステンレス鋼製のダミープレート３０であるならばレーザー光の吸収性が低く、レーザー光を照射しても表面から粒子発生などは生じ難い。
【００３１】
また、ダミープレート３０はバッキングプレート１６側から冷却されるとともに、ヒーターボックス１３側から加熱されるが、ダミープレート３０は耐熱金属製であるので、割れるおそれはない。更に、バッキングプレート１６側からの冷却があっても、ダミープレート３０の裏面側に酸化物層３１が形成されていて、熱伝達が抑制されているので、ダミープレート３０が過剰に冷却されることが無く、ヒーターボックス１３側のヒータから加熱されているダミープレート３０からの輻射熱はターゲット３０と同程度発生するので、開口１４近傍において複数列並んで移動している長尺基材１２に均等に輻射熱を与える結果、並列移動中の長尺基材１２のいずれの部分に対しても輻射熱を均等化できる。これにより、ダミープレート３０が無く、バッキングプレート１６が露出されている場合よりも長尺基材１２に均等に輻射熱を与えることができる結果、均一加熱状態で酸化物超電導層６を成膜できるので、特性の良好な均質な酸化物超電導層６を成膜することができる。
【実施例】
【００３２】
幅１０ｍｍ、厚さ０．１ｍｍ、長さ１０ｍのハステロイ製の金属基材の表面にイオンビームアシストスパッタ法とイオンビームスパッタ法により厚さ５００μｍのＭｇＯ中間層を形成後、レーザー蒸着法によりＣｅＯ２のキャップ層を成膜したものを長尺基材として用いた。
次に、図１〜図３に示す構成のレーザー蒸着装置により、長尺基材の表面にＧｄ１Ｂa２Ｃｕ３Ｏｘからなる厚さ１μｍの酸化物超電導層を成膜した。
【００３３】
ターゲットはＧｄ１Ｂa２Ｃｕ３Ｏｘの組成の板状（縦横：１５０ｍｍ×１００ｍｍ：厚さ５ｍｍ）の酸化物ターゲットを用い、この酸化物ターゲットの両脇のバッキングプレート上に同一サイズのステンレス鋼製の厚さ５ｍｍのダミープレートを設置し、レーザー蒸着に供した。ダミープレートの裏面側には、厚さ１μｍのＡｌ２Ｏ３層を溶着法により被覆したものを用いた。
次に、中央の酸化物ターゲットと両側のダミープレートを配置する構造において、ダミープレートの裏面側に形成するＡｌ２Ｏ３層の膜厚を１０μｍ、１００μｍ、１０００μｍ、１００００μｍとしたダミープレートをそれぞれ作製し、それぞれを使用した場合のレーザー蒸着も行い、酸化物超電導導体を製造した。
【００３４】
また、比較のために、酸化物ターゲットとその両側のダミープレートを含む大きさのＧｄ１Ｂa２Ｃｕ３Ｏｘ組成の板状ターゲットを用いて同様にレーザー蒸着を行った。同様に比較のために、ダミープレートの代わりに同一サイズのＧｄ１Ｂa２Ｃｕ３Ｏｘ組成の板状ターゲットを用いて同様にレーザー蒸着を行い、ダミープレートを略して酸化物ターゲットのみをバッキングプレート中央部に設置してレーザー蒸着を行った。
【００３５】
以上のレーザー蒸着により成膜時、ヒーターボックス内の長尺基材の表面温度を測定し、温度分布差を測定し、使用限界時間を計測した。また、得られた酸化物超電導導体の臨界電流密度（Ｊｃ）を測定した。
【００３６】
【表１】
【００３７】
表１において全部Ｇｄ１２３とは、酸化物ターゲットとその両側のダミープレートを含む大きさのＧｄ１Ｂa２Ｃｕ３Ｏｘ組成の板状ターゲットを用いた場合を示し、両側Ｇｄ１２３とは、ダミープレートの代わりに同一サイズのＧｄ１Ｂa２Ｃｕ３Ｏｘ組成の板状ターゲットをバッキングプレートに接合することなく単に設置した場合を示している。また、各試験においてステンレス鋼製のダミープレートはバッキングプレート上に単に載せているのみである。
表１に示す結果から、バッキングプレート全体にＧｄ１Ｂa２Ｃｕ３Ｏｘ組成の板状ターゲットを接合した場合は、ターゲット割れは問題にならず、使用限界の４０時間の成膜が可能となる。また、この場合は温度分布差は少なく高特性の酸化物超電導層を生成することはできるが、コスト高になってしまう。即ち、成膜するものが希土類系酸化物超電導層であり、ターゲットは元々高価であり、この高価なターゲットの中央部分しか消費しないので製造コスト面では不利となる。
これに対して、バッキングプレートの中央部に接合したターゲットの両脇にＧｄ１Ｂa２Ｃｕ３Ｏｘ組成の板状ターゲットを単に設置した場合、ヒートショックにより短時間でダミープレートが割れてしまい、ダミープレートとしての役割を果たさなくなった。更に、バッキングプレートの中央部のみにターゲットを配置し、その両側にバッキングプレートを露出させた場合は、輻射率の違いによりレーン毎の長尺基材の温度分布差が大きくなり、結果的に得られた酸化物超電導導体の臨界電流密度（Ｊｃ値）が低くなった。
【００３８】
次に、本発明に従い、ステンレスプレートをダミープレートとして設置した試料は、Ａｌ２Ｏ３層が１００μｍ以上であれば、温度分布差が小さく、Ｊｃ値が高く、使用時間も長くなることが判明した。なお、Ａｌ２Ｏ３層が１０μｍ以下の試料はバッキングプレート間の熱伝導を抑制できず、輻射率が下がり、温度分布が良くならないので、Ｊｃ値が低下したものと思われる。
なお、Ａｌ２Ｏ３層の膜厚については、ヒートショックの影響を受けやすくなり、剥離によってダミープレートとしての役割を果たさなくなるが、１００００μｍ厚の試料であっても全部Ｇｄ１２３の試料よりは使用限界が向上した。なお、Ａｌ２Ｏ３層が剥離すると、生成する酸化物超電導層側への不要元素の拡散が問題となるおそれがある。
以上の結果から、長尺基材の成膜領域に対応した幅のターゲットを用い、そのターゲットの両側に、酸化物層を裏打ちしたダミープレートを設けた場合の方が、ターゲット単価を安くすることができ、しかも蒸着時間も長くすることができる。また、ダミープレート裏面に設ける酸化物層の厚さを最適化することにより、成膜コストを下げ、レーザー蒸着時間を長くできる上に、超電導特性の低下も生じない超電導導体の製造が可能なレーザー蒸着装置を提供できることが判明した。
【符号の説明】
【００３９】
Ａ…酸化物超電導導体、２…金属基材、３…中間層、４…キャップ層、６…酸化物超電導層、１１…処理容器、１２…長尺基材、１０…レーザー蒸着装置、１３…ヒーターボックス、１４…開口、１５…ターゲット、１６…バッキングプレート、１７…レーザー発光手段、１８…レーザー光、１９…プルーム、２２、２３…巻回部材群、３０…ダミープレート、３１…酸化物層。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
長尺基材を収容する処理容器と、該処理容器内に配置され前記長尺基材を囲んで保温する開口付きヒーターボックスと、該ヒーターボックスの開口に隣接して設けられたターゲットホルダと、該ターゲットホルダに保持されるターゲットにレーザー光を照射するレーザー光発光手段と、前記処理容器内に設けられて前記長尺基材をレーン状に複数列に分けて巻回支持する複数の巻回部材とを備え、
前記レーザー光を前記ターゲットの表面に照射し、該ターゲットから叩き出され若しくは蒸発した蒸着粒子を前記ヒーターボックス内において前記巻回部材に支持された長尺基材表面に堆積させるレーザー蒸着装置であって、
前記巻回部材間に複数列に分けて支持される長尺基材の幅方向の設置範囲に対応する幅のターゲットが設置され、該ターゲットの裏面側に該ターゲットよりも幅広のバッキングプレートが設置され、該ターゲットの幅方向両側のバッキングプレート上に耐熱金属製のダミープレートが設置されるとともに、前記ダミープレートの前記バッキングプレート側に酸化物膜が形成されてなることを特徴とするレーザー蒸着装置。
【請求項２】
前記ダミープレートが光反射性の耐熱金属製のダミープレートであることを特徴とする請求項１に記載のレーザー蒸着装置。
【請求項３】
前記ターゲットが酸化物超電導体用材料であり、前記薄膜が酸化物超電導薄膜であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のレーザー蒸着装置。
【請求項４】
前記巻回部材が複数個同軸的に配列されて巻回部材群とされ、この巻回部材群が少なくとも一対前記ヒーターボックス内に対向配置され、前記長尺基材がこれらの巻回部材群を複数周回することにより複数のレーン状に配列されてなることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載のレーザー蒸着装置。
【請求項１】
長尺基材を収容する処理容器と、該処理容器内に配置され前記長尺基材を囲んで保温する開口付きヒーターボックスと、該ヒーターボックスの開口に隣接して設けられたターゲットホルダと、該ターゲットホルダに保持されるターゲットにレーザー光を照射するレーザー光発光手段と、前記処理容器内に設けられて前記長尺基材をレーン状に複数列に分けて巻回支持する複数の巻回部材とを備え、
前記レーザー光を前記ターゲットの表面に照射し、該ターゲットから叩き出され若しくは蒸発した蒸着粒子を前記ヒーターボックス内において前記巻回部材に支持された長尺基材表面に堆積させるレーザー蒸着装置であって、
前記巻回部材間に複数列に分けて支持される長尺基材の幅方向の設置範囲に対応する幅のターゲットが設置され、該ターゲットの裏面側に該ターゲットよりも幅広のバッキングプレートが設置され、該ターゲットの幅方向両側のバッキングプレート上に耐熱金属製のダミープレートが設置されるとともに、前記ダミープレートの前記バッキングプレート側に酸化物膜が形成されてなることを特徴とするレーザー蒸着装置。
【請求項２】
前記ダミープレートが光反射性の耐熱金属製のダミープレートであることを特徴とする請求項１に記載のレーザー蒸着装置。
【請求項３】
前記ターゲットが酸化物超電導体用材料であり、前記薄膜が酸化物超電導薄膜であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のレーザー蒸着装置。
【請求項４】
前記巻回部材が複数個同軸的に配列されて巻回部材群とされ、この巻回部材群が少なくとも一対前記ヒーターボックス内に対向配置され、前記長尺基材がこれらの巻回部材群を複数周回することにより複数のレーン状に配列されてなることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載のレーザー蒸着装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１１−１６１６（Ｐ２０１１−１６１６Ａ）
【公開日】平成２３年１月６日（２０１１．１．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１４６９９２（Ｐ２００９−１４６９９２）
【出願日】平成２１年６月１９日（２００９．６．１９）
【出願人】（０００００５１８６）株式会社フジクラ (4,463)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１月６日（２０１１．１．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年６月１９日（２００９．６．１９）
【出願人】（０００００５１８６）株式会社フジクラ (4,463)
【Ｆターム（参考）】
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