成膜方法および成膜装置
【課題】幅方向に複数のレーンを成すように配列した基材または幅広の基材に対しても、膜厚や特性が均一な薄膜を効率良く成膜することが可能であり、また、良好な生産性で厚い膜の成膜が可能な成膜方法および成膜装置を提供する。
【解決手段】レーザー光Ｌによってターゲット６から叩き出され若しくは蒸発した構成粒子を帯状の基材３４の表面上に堆積させ、基材３４の表面上に薄膜を形成するにあたり、基材３４の移動方向を転向させる転向部材１１を囲んで加熱ボックス２０を設けるとともに、転向部材１１に接した状態にある基材３４の表面に対向するようにターゲット６を配し、転向部材１１に基材３４の裏面が接しつつ、基材３４を長手方向に移動させた状態で、加熱ボックス２０の中を均等加熱するヒーター２５により、基材３４を加熱し、ターゲット６にレーザー光Ｌを照射する位置を、基材３４の幅方向と同じ方向に振幅させる。
【解決手段】レーザー光Ｌによってターゲット６から叩き出され若しくは蒸発した構成粒子を帯状の基材３４の表面上に堆積させ、基材３４の表面上に薄膜を形成するにあたり、基材３４の移動方向を転向させる転向部材１１を囲んで加熱ボックス２０を設けるとともに、転向部材１１に接した状態にある基材３４の表面に対向するようにターゲット６を配し、転向部材１１に基材３４の裏面が接しつつ、基材３４を長手方向に移動させた状態で、加熱ボックス２０の中を均等加熱するヒーター２５により、基材３４を加熱し、ターゲット６にレーザー光Ｌを照射する位置を、基材３４の幅方向と同じ方向に振幅させる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザー光によってターゲットから叩き出され若しくは蒸発した構成粒子を帯状の基材上に堆積させ、薄膜を形成する成膜方法（レーザー蒸着方法）および成膜装置（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電体として使用するためには、テープ状などの長尺の基材上に、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。
従来、図３に示すように、ハステロイ（登録商標）テープなどの金属基材３２の上にイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）などの多結晶中間薄膜３３を形成した帯状の基材３４を用い、その多結晶中間薄膜３３上にＹ１Ｂａ２Ｃｕ３Ｏｘ系の酸化物超電導体の薄膜３１を成膜する試みが行なわれている。
酸化物超電導体の薄膜を成膜するため、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（例えば特許文献１参照）。
【０００３】
図４に、特許文献１に記載されたレーザー蒸着装置の一例を示す。このレーザー蒸着装置５０は、一方の側で複数の転向部材５１ａ〜５１ｇを同軸的に配列した第１の転向部材群５１と、他方の側で複数の転向部材５２ａ〜５２ｇを同軸的に配列した第２の転向部材群５２と、基材６０の転向部材群５１、５２間に配された部分６１に対向するように配されたターゲット５７と、ターゲット５７にレーザー光Ｌａ、Ｌｂ、Ｌｃを照射するレーザー光発光手段５３ａ、５３ｂ、５３ｃと、基材６０のターゲット５７に対向する部分６１を支持する基台５４と、基材６０を転向部材群５１、５２に向けて送り出す送出リール５５と、基材６０を巻き取る巻取リール５６を備えている。
【０００４】
送出リール５５と巻取リール５６とは、不図示の駆動装置により互いに同期して駆動されており、各転向部材５１ａ〜５１ｇ、５２ａ〜５２ｇによって移動方向が転向した基材６０を転向部材群５１、５２の間で複数列（複数のレーン）とした状態で搬送するための搬送手段を構成している。
レーザー光Ｌａ、Ｌｂ、Ｌｃによりターゲット５７から叩き出され若しくは蒸発されたターゲット５７の構成粒子はプルーム５８となり、基材６０のターゲット５７に対向する部分６１に堆積して薄膜が形成される。また、ターゲット５７に対して複数レーンの基材６０が対向しているので、一度に蒸着される面積を広く取ることができ、プルーム５８内の構成粒子を有効に利用することができる。
また、特許文献２には、長尺基材を囲んで保温する開口付きヒータボックスと、該ヒータ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ボックス内の長尺基材表面に堆積させることを特徴とする薄膜形成装置が記載されている。
【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】
従来のレーザー蒸着装置の場合、基材６０のターゲット５７に対向する部分６１を支持する基台５４の内部にヒーター（図示略）が設けられ、基材６０の裏面（薄膜が形成される面とは反対側の面）から接触加熱により、基材６０のターゲット５７に対向する部分６１の温度を制御している。しかしながら、生産性を向上させるために、高速に基材６０を搬送すると、基材６０の加熱が不十分になり、安定的な温度制御が難しい。また、成膜回数を増やして厚い膜を成膜しようとすると、基材６０の裏面からの接触加熱では、厚く積層した膜の表面にまで十分に熱が伝わらないうちに基材６０がヒーターから離れてしまうので、基材６０の表面温度を一定に保つことが難しいため、結晶配向性の高い超電導層を成膜することが難しいという問題がある。この問題を解決するために、積層毎にヒーターによる加熱温度を上昇させることも考えられるが、加熱温度の上昇に伴い、基材６０に形成されている多結晶中間薄膜と成膜される超電導層との界面反応が起こり易くなり、超電導特性が低下してしまうため、単に加熱温度を上昇させるとする解決手段は好ましくない。
【０００７】
基材６０は、転向部材群５１、５２間に配された部分６１においてターゲット５７に対向しているので、レーザー光Ｌａ、Ｌｂ、Ｌｃはターゲット５７に対し、基材６０の配列方向とほぼ同じ方向に照射することになる。レーザー光発光手段５３ａ、５３ｂ、５３ｃから遠い側に配された基材６０に薄膜を形成するとき、レーザー光発光手段５３ａ、５３ｂ、５３ｃに近い側の基材６０によってレーザー光Ｌａ、Ｌｂ、Ｌｃが遮られてしまう。
また、上述したように、基台５４に内蔵したヒーターによる接触加熱では基材６０の表面温度に幅方向の温度分布が生じやすいので、各レーンの温度ばらつきがあると、一部のレーンに成膜不良が生じるおそれがある。
このため、レーンの数あるいは基材の幅を増やすことが難しいという問題があった。
【０００８】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、幅方向に複数列を成すように配列された基材または幅広の基材に対しても、膜厚や特性が均一な薄膜を効率良く成膜することが可能であり、また、良好な生産性で厚い膜の成膜が可能な成膜装置および成膜方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記課題を解決するため、本発明は、レーザー光によってターゲットから叩き出され若しくは蒸発した構成粒子を帯状の基材の表面上に堆積させ、前記基材の表面上に薄膜を形成する成膜方法であって、前記基材の移動方向を転向させる転向部材を囲んで加熱ボックスを設けるとともに、前記転向部材に接した状態にある前記基材の表面に対向するようにターゲットを配し、前記転向部材に前記基材の裏面が接しつつ、前記基材を長手方向に移動させた状態で、前記加熱ボックスの中を均等加熱するヒーターにより、前記基材を加熱し、前記ターゲットに前記レーザー光を照射する位置を、前記基材の幅方向と同じ方向に振幅させ、前記基材を前記構成粒子の堆積領域内を通過させることにより、前記基材の表面上に前記構成粒子を堆積させて、前記基材の表面上に薄膜を形成することを特徴とする成膜方法を提供する。
【００１０】
また本発明は、レーザー光によってターゲットから叩き出され若しくは蒸発した構成粒子を帯状の基材の表面上に堆積させ、前記基材の表面上に薄膜を形成する成膜装置であって、前記基材の移動方向を転向させる転向部材と、前記転向部材によって移動方向が転向した状態にある基材を、その長手方向に搬送する搬送手段と、前記転向部材に接した状態にある前期基材の表面に対向するように配されたターゲットと、前記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、前記転向部材を囲んで設けられた加熱ボックスと、前記加熱ボックスの中を均等加熱するヒーターと、を少なくとも備え、前記加熱ボックスは、前記ヒーターにより、前記基材を加熱するものであり、前記レーザー光発光手段は、前記ターゲットに前記レーザー光を照射する位置を、前記基材の幅方向と同じ方向に振幅させるものであることを特徴とする成膜装置を提供する。
前記転向部材は、前記帯状の基材の幅に応じた軸方向の長さを有することが好ましい。
前記加熱ボックスは、前記構成粒子の堆積領域と、その領域に位置する転向部材と、その転向部材に巻回された基材とを囲むように設けられていることが好ましい。
前記ターゲットに対向する前記基材の表面温度のバラツキを５度以内に制御することが好ましい。
前記成膜装置は、酸化物超電導膜の成膜用であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、転向部材に接した状態にある基材の表面に対向するようにターゲットを配するので、ターゲットにレーザー光を照射する位置を基材の幅方向と同じ方向に振幅させるときに、レーザー光が基材自身によって遮られることがないので、ターゲット表面の広い領域から粒子を蒸発させて利用することができる。また、加熱ボックスを設けて、一定温度に保たれた加熱ボックス中に基材を搬送することにより、基材の温度を安定して保つことができるので、基材表面の温度のバラツキを抑制し、適正な成膜温度範囲をより広く確保することができる。また、成膜される基材表面の温度を安定に維持することができるので、積層毎のこまめな温度制御が必要なく、特性を低下させることなく厚い膜を成膜することができる。また、基材の幅方向に温度を均一に保つことができるため、基材の幅を広くしたり、基材のターゲットに対向する部分を幅方向に並べて多数のレーンを配列したりしても、均一な特性の膜を同時に成膜することが可能になる。さらに、生産性を向上させるために線速（基材の長手方向の搬送速度）を速くしても、加熱ボックスを設けていることにより、基材表面の温度制御の応答が速く、成膜表面の温度を安定に維持することができるので、膜厚や特性が均一な膜を良好な生産性で成膜することができる。
さらに、本発明において酸化物超電導膜を成膜する場合には、裏面からの加熱に比べ、中間層と超電導層の界面反応を抑制することができる。また、加熱ボックスを設けることにより、基材の温度を安定して保つことができるので、均一で安定した特性の超電導層を成膜することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の成膜装置の一例を示す正面図である。
【図２】本発明の成膜装置を用いた成膜方法を説明する斜視図である。
【図３】帯状の基材上に酸化物超電導膜を堆積してなる線材の一例を示す断面図である。
【図４】従来のレーザー蒸着装置の一例を示す斜視図である。
【図５】本発明の成膜装置を用いた成膜方法の他例を示す斜視図である。
【図６】本発明の成膜装置を用いた成膜方法の他例を示す斜視図である。
【図７】実施例１〜３および比較例６〜８の結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明に係る成膜方法および成膜装置の一実施形態を図面に基づき説明する。
図１に、本発明の成膜装置の一形態例を示し、図２に、本形態例の成膜装置を用いた成膜方法を示す。
本実施形態の成膜装置１は、レーザー光Ｌによってターゲット６から叩き出され若しくは蒸発した構成粒子の噴流（プルーム７）を帯状の基材３４上に堆積させ、この構成粒子による薄膜を基材３４上に形成する、レーザー蒸着法による成膜装置である。
【００１４】
図１、図２に示すように、この成膜装置１は、帯状の基材３４を収容する処理容器２と、基材３４の移動方向を転向させる転向部材１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ、１１ｅ、１１ｆ、１１ｇを同軸的に配列してなる転向部材群１１と、これら転向部材１１ａ〜１１ｇによって移動方向が転向した状態にある基材３４を、その長手方向に搬送する搬送手段１０と、基材３４のうち裏面が転向部材１１ａ〜１１ｇに接した部分３５に対向するように配されたターゲット６と、水平に設置されたターゲット６にレーザー光Ｌを照射するレーザー光発光手段５と、転向部材群１１を囲んで設けられた加熱ボックス２０を少なくとも備えている。
【００１５】
本実施形態の成膜装置１の場合、搬送手段１０は、複数の転向部材を配列してなる一対の転向部材群１１，１４に向けて送り出される基材３４が巻回された送出リール１２と、転向部材群１１，１４から巻き取られる基材３４が巻回される巻取リール１３とを備えている。また、送出リール１２と巻取リール１３とは、不図示の駆動装置により互いに同期して駆動され、基材３４がその長手方向に搬送されるようになっている。
【００１６】
図１および図２に示すように、転向部材群１１、１４は、同径の転向部材が同軸的に配列してなる構成である。また、ターゲット６に対向する転向部材群１１においては、各転向部材１１ａ〜１１ｇに裏面が接しつつ、各転向部材１１ａ〜１１ｇによって移動方向が転向した状態にある基材３４のうち、ターゲット６に対向する部分３５が、ターゲット６から等距離に位置している。各転向部材は、基材３４の幅に応じた軸方向の長さを有し、複数列を成す基材３４が隙間なく配列されるものが好ましい。
転向部材１１ａ〜１１ｇは、円柱状もしくは円板状、半円柱状もしくは半円板状、楕円柱状もしくは楕円板状など、基材の移動方向を滑らかに転向させる湾曲した側面（湾曲面）を有するものが好ましい。これにより、転向部材によって移動方向が転向した状態にある基材３４は、ターゲット６に対向する部分３５において、ターゲット６に向かって凸の形状に湾曲するようになる。なお、「円柱状もしくは円板状」等は、転向部材の径と軸方向の長さとの比を特に限定しない趣旨である。
転向部材１１ａ〜１１ｇは、搬送される基材３４とともに回転する構成でも良く、転向部材１１ａ〜１１ｇは動かずに、その側面上で基材３４が滑っている構成でも良い。転向部材１１ａ〜１１ｇを回転させる場合には、基材３４の移動速度に合わせて転向部材１１ａ〜１１ｇを回転させる駆動手段（図示せず）を設けても良い。
【００１７】
基材３４は、図４と同様、図１に示すように、１本の長尺の基材３４が各転向部材群１１、１４で移動方向を変えて（ターンして）複数の転向部材群１１、１４の間で複数回巻回され、ターゲット６に対向する部分３５を複数回通過するようになっている。また、これらの転向部材群１１、１４を周回することにより、ターゲット６に対向する部分３５では図２に示すように基材３４が複数列とされる構成になっている。本実施形態では、転向部材群１１、１４は二つ設けられている。
図１に示す場合、基材３４は、二つの転向部材群１１、１４間を周回するように配置され、転向部材において基材３４の移動方向が変更される転向角度（基材３４が当該転向部材に接し始めたときの移動方向と、基材３４が当該転向部材から離れ始めるときの移動方向との角度差に相当する角度）は、１８０°である。この例において、転向部材群１１側の転向部材の径を転向部材群１４側の転向部材の径より大きくして、転向部材群１１における基材３４の転向角度が１８０°を超えるようにしたり、転向部材群１１側の転向部材の径を転向部材群１４側の転向部材の径より小さくして、転向部材群１１における基材３４の転向角度が１８０°未満となるようにしても構わない。
また、三つまたは四つの転向部材群を三角形状または四角形状に配置して、転向角度が１２０°程度または９０°程度とすることもできる。転向角度は、９０〜１８０°が好ましいが、特にこの範囲に限定されるものではない。
【００１８】
なお、ターゲット６の反対側に位置する転向部材群１４を省略して、ターゲット６に対向する転向部材群１１に対し、複数本の基材３４を複数組の送出リール１２および巻取リール１３で搬送するようにし、複数列とされた各基材３４が、ターゲット６に対向する部分３５を１回通過する構成とすることも可能である。
また、基材を複数列とする代わりに、図６に示すように、基材３４の幅を広くすることもできる。この場合は、ターゲット６に対向して複数の転向部材からなる転向部材群を配する代わりに、基材３４の幅に応じた軸方向の長さを有する一つの転向部材１１を用いることができる。
さらに、送出リール１２と巻取リール１３の役割を入れ替え可能にして、リールに巻き取った基材３４を再度ターゲットに対向する位置に送出できるように構成した場合、基材３４の一端側のリールと、基材３４の他端側のリールとの間で、基材３４の往復動作を繰り返すことにより、厚い膜を成膜することが可能である。
【００１９】
処理容器２には、排気孔３を介して真空排気装置４が接続され、この真空排気装置４により処理容器２内を所定の圧力に減圧するようになっている。
基材３４の移動方向を転向させる転向部材群１１、１４、送出リール１２および巻取リール１３は処理容器２内に収容され、処理容器２内が所定の圧力に減圧されている間は、基材３４の長手方向の全体が、処理容器２内の減圧下に置かれるようになっている。
【００２０】
処理容器２内には、ターゲット６に対向するように配された転向部材群１１を囲んで設けられた加熱ボックス２０を備えている。この加熱ボックス２０の内壁面に、加熱ボックス２０の中を均等加熱するヒーター２５を備える。図１では、加熱ボックス２０の各壁面２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄの内側（内壁）に複数のヒーター２５を備える例を示しているが、本発明はこれに限定されず、ヒーター２５は、加熱ボックス２０の中を均等加熱することができる位置に設置されていれば良い。ヒーター２５の設置位置としては、例えば、加熱ボックス２０の内側が好ましく、加熱ボックス２０の内壁２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄに接していなくても良く、さらに、加熱ボックス２０の内部に加えて、転向部材群１１の内部にも併設することもできる。加熱ボックス２０は、ヒーター２５に通電することで、加熱ボックス２０内の温度を一定に保ち、加熱ボックス２０内の基材３４を均一に加熱し保温できるようになっている。また、従来の成膜装置５０では、ターゲット５７やレーザー５３ａ、５３ｂ、５３ｃ等の操作（動作）の影響により成膜表面の温度の変動が起こりやすく成膜表面の温度を安定制御するのが難しいという問題があった。一方、本発明に係る成膜装置および成膜方法によれば、加熱ボックス２０を設けたことにより、ターゲット６やレーザー５等の操作（動作）の影響を防ぎ、成膜表面の温度を安定制御することができる。さらに、従来の成膜装置５０では、基材６０の裏面から加熱を行っていたため、基材６０の表面からの熱の逃げが起こり易く、成膜表面の温度が設定温度よりも低くなってしまうという問題があった。一方、本発明に係る成膜装置および成膜方法によれば、加熱ボックス２０を設け、加熱ボックス２０内の温度は一定に保たれているため、基材３４の表面からの熱の逃げを防ぎ、基材３４の表面温度を安定に保つことができる。したがって、基材３４の表面温度のバラツキを抑制することができるので、良好な特性の膜を成膜するための温度範囲（適正温度範囲）を広くとることができる。
加熱ボックス２０は箱状であり、図１の場合、紙面の手前側および奥側にも壁面（図示せず）を有する。加熱ボックス２０は、直方体状や、両底面にも壁面を有する円筒状など、適宜の形状を有するものが使用可能である。加熱ボックス２０を構成するものとしては、例えば金属製のフレームと断熱材とを組み合わせた構造のものを挙げることができるが、加熱ボックス２０中の温度を安定に保つことができるものであれば特に限定されない。
【００２１】
各ヒーター２５は、赤外線などにより、基材３４を非接触で直接加熱することができる。
ヒーター２５は、例えば通電式の加熱ヒーターが挙げられる。
これらのヒーター２５は、加熱ボックス２０の内部を均等加熱して、加熱ボックス２０内の温度を安定に保ち、加熱ボックス２０内の基材３４を所定の温度に保持するようになっている。これにより、基材３４を高速に搬送しても、基材３４を十分に加熱することができるので、成膜される材料等のため、より狭い温度範囲内に制御することが必要な場合でも、安定した温度制御が可能になる。したがって、膜い厚や特性が均一な膜を良好な生産性で成膜することができる。
【００２２】
基材３４がターゲット６に対向する部分３５を複数回通過するようにして、膜厚を大きくする場合にも、従来の成膜装置５０では、基材６０の裏面から加熱を行っていたため、成膜される基材６０表面まで熱が伝わるのに若干の時間がかかり、基材６０がヒーター対向領域を通過した後は温度低下するので、積層毎に数℃ずつ成膜温度を上げるなどの温度制御を行う必要があった。これに対して、本実施形態の成膜装置１によれば、加熱ボックス２０と加熱ボックス２０内を均等加熱するヒーター２５とを設けたことにより、加熱ボックス２０中の温度を安定に保つことができるため、成膜中の基材３４表面の温度制御の安定性に優れ、膜厚を大きくするのに伴って成膜表面の温度が徐々に下がることも抑制できるので、温度設定を変化させる必要がない。したがって、本発明に係る成膜装置および成膜方法により、酸化物超電導膜を成膜する場合には、従来の成膜装置５０のように、成膜温度を上昇させることにより起こる中間層と超電導層との界面反応を抑制することができる。そのため、特性を低下させることなく、厚い酸化物超電導膜を成膜することが可能となる。
本発明に係る成膜装置および成膜方法によれば、成膜される基材３４表面（ターゲット６の構成粒子の堆積領域であるターゲット６に対向する部分３５）の温度のバラツキを５度以内に制御して成膜することが好ましく、加熱ボックス２０を設けたことにより、このように安定した温度制御か可能となるので、安定した特性の薄膜および厚い膜を成膜することができる。なお、本明細書および特許請求の範囲における「温度のバラツキを５度以内に制御する」とは、所望の温度に対して±２．５度以内の範囲に温度を制御することを意味する。
【００２３】
なお、この実施形態において、加熱ボックス２０は転向部材群１１の周囲および転向部材群１１、１４間にレーン状に配列されている基材３４の長手半分位を覆うように形成されている。さらに、加熱ボックス２０の上面部２０ｃに、転向部材群１１、１４間に搬送される基材３４を通過させるための穴２３、２４が設けられ、加熱ボックス２０内には、ターゲット６に対向する転向部材群１１のみが収容されている。このように、成膜領域（構成粒子の堆積領域）と、成膜領域に位置する転向部材群１１と、転向部材群１１に巻回された基材３４とを囲むように加熱ボックス２０を設けた場合は、加熱ボックス２０の容積とヒーター２５の設置面積をより小さくすることができ、成膜中の基材３４を効率的に加熱することができるため好ましい。また、基材３４は穴２３から内部の温度が安定に保たれた加熱ボックス２０内に入ってターゲット６に対向する部分３５に到達するので、基材３４がターゲット６に対向する部分３５に到達するまでの時間内に、基材３４の温度を成膜に望ましい温度範囲内まで上昇させることができる。さらに、本実施形態のように、成膜領域に近い側を囲んで加熱ボックス２０を設けた場合、成膜領域を通過して穴２４から加熱ボックス２０の外部に搬送された基材３４は、その表面温度を低下させることができるので、基材３４の表面に成膜された膜の特性を良好にすることができる。すなわち、成膜領域を通過する際の基材３４の表面温度は、成膜に適した温度となっているが、酸化物超電導膜を成膜する場合、成膜温度は例えば８００℃程度と非常に高い温度とする必要がある。このような温度で成膜することにより、結晶配向性の良好な膜が成膜されるが、成膜後も高温で加熱を続けると、基材３４である中間層と超電導層との界面反応が進行してしまい、結果的に特性の低い膜となってしまう。そのため、酸化物超電導膜を成膜する場合には、成膜後の基材３４の温度を低下させて、中間層と超電導層との界面反応を防ぐ必要がある。本実施形態のように、加熱ボックス２０を設けることにより、成膜時には８００℃程度である基材３４の温度を、成膜後、加熱ボックス２０の外部を通過する際にはその温度を例えば２００度程度まで低下させることができる。そして、２００度程度まで温度を低下させた基材３４を、また穴２３から加熱ボックス２０内部へと搬送し、再び８００℃程度とした状態で成膜を行う。このように成膜時の加熱および成膜後の冷却を繰り返すことにより、中間層と超電導層との界面反応を防ぎつつ、厚い超伝導層を形成することができる。
【００２４】
なお、本発明は図１に示す形態に限られるものではなく、両方の転向部材１１、１４を加熱ボックス２０に収容して加熱することもできる。この場合は、基材３４が他方の転向部材群１４を通過する間にも基材３４を加熱ボックス２０とヒーター２５とで加熱して、温度制御することが可能になる。
【００２５】
加熱ボックス２０の側壁部２０ａには、レーザー光発光手段５のレーザー光Ｌを取り込むための窓２１が設けられている。また、加熱ボックス２０の底面部２０ｂには、ターゲット６の表面で生じたプルーム７を加熱ボックス２０内に導入するための開口部２２が設けられている。なお、本実施形態の場合、レーザー光発光手段５は処理容器２の内部に設置されている。このほか、処理容器２にも窓を設けて、レーザー光発光手段５を処理容器２の外に配置することもできる。
【００２６】
ターゲット６にレーザー光Ｌを照射するレーザー光発光手段５は、ターゲット６からその構成粒子を叩き出し若しくは蒸発させることができるレーザー光Ｌを発生するものであれば良い。レーザーの波長、出力、照射エネルギー等は、ターゲット６の材質や成膜速度等に応じて、適宜設定することが可能である。
【００２７】
本実施形態のレーザー光発光手段５は、図２に示すように、ターゲット６にレーザー光Ｌを照射する位置を、このターゲット６に対向する転向部材群１１における転向部材１１ａ〜１１ｇの配列方向と同じ方向（図２の矢印Ｒ）に振幅（スキャン）させるようになっている。これにより、転向部材１１ａ〜１１ｇの周面上で移動方向が転向された基材３４に対して、プルーム７により各基材３４に達する構成粒子の濃度の均一性を高めることができる。また、基材３４の幅方向において、膜厚や特性が均一な薄膜を効率良く成膜することが可能になる。また、構成粒子が基材３４の表面に堆積して薄膜を形成する割合（収率）を向上させることができる。その結果、本実施形態の成膜方法および成膜装置１では、生産性を大幅に向上させることが可能になる。
レーザー光発光手段５は、レーザー光Ｌの照射位置を振幅させる手段（不図示）として、ミラーやプリズム、光ファイバ等を用い、レーザー光発光手段５からのレーザー光Ｌの出射方向を変更可能とした構成が挙げられる。なお、「ターゲット６にレーザー光Ｌを照射する位置」とは、プルーム７の発生する位置を基材３４の幅方向に振幅移動させるため、基材３４を基準とした相対位置を意味する。
また、ターゲット６の表面がなるべく全面にわたって消費されるように、ターゲット６の表面におけるレーザー光Ｌの照射位置を連続的に移動させることが好ましい。そのため、ターゲット６を保持する手段（図示せず）が、レーザー光Ｌに対してターゲット６を任意の方向に並進または回転させる機構を備えることが好ましい。例えば、レーザー光発光手段５によるレーザー光Ｌの照射位置が基材３４の幅方向に振幅移動するのに対して、例えば交互に、ターゲット６が基材３４の長手方向に振幅移動することによって、ターゲット６の表面が局所的に消費されることを防ぎ、ターゲットの寿命を延ばすことができる。
【００２８】
また、レーザー光発光手段５は、上記のレーザー光Ｌの照射位置を振幅させる手段（不図示）に加えて、レーザー光Ｌをターゲット６の表面に対して照射する入射角度θを調整する手段（不図示）を備えることもできる。レーザー光Ｌの入射角度θを調整する手段（不図示）としては、例えば、レーザー光発光手段５とターゲット６との間にミラーを配置し、レーザー光発光手段５から出射したレーザー光Ｌの光路をミラーにて変更した上で、ターゲット６に照射できるようにしておき、このミラーを用い、その角度を変化させることによりレーザー光Ｌの入射角度θを調整する構成を例示できる。勿論、ミラーの傾斜角度を調整することで、ターゲット６に対する水平方向の照射位置も変更することができる。レーザー光Ｌの入射角度θが９０°に近くなるにつれて、ターゲット６に入射されるレーザー光Ｌのターゲット６表面上のスポットサイズは小さくなり、そのエネルギー密度が大きくなる。一方、レーザー光Ｌの入射角度θが小さくなるにつれて、ターゲット６表面上のレーザー光Ｌのスポットサイズは大きくなり、そのエネルギー密度が小さくなる。レーザー光Ｌの入射角度θは４０°以上とすることが好ましく、４０°以上、６０°以下とすることがより好ましく、４０°以上５０°以下とすることがさらに好ましい。入射角度θが４０°未満の場合には、ターゲットに照射されるレーザー光Ｌのスポットサイズが大きくなるため、高特性の薄膜形成に必要なエネルギー密度の閾値を下回ってしまい、形成される薄膜の膜厚が減少し、高特性の薄膜を成膜できなくなる場合がある。また、入射角度θが６０°を超えると、エネルギー密度は高くなるが、ターゲット６表面上のレーザー光Ｌのスポットサイズが小さくなりすぎてしまい、ターゲット６から叩き出され若しくは蒸発する構成粒子のプルーム７が放射状に広がり易くなるため、基材３４表面に堆積される構成粒子の収率が低下し、成膜される薄膜の膜厚が減少してしまう場合がある。
なお、レーザー光発光手段５の振幅および入射角度θを調整する機構の他例として、レーザー光発光手段５に、上下又は左右に首振りするためのギアやモーターを備えた旋回機構や駆動機構も例示することができる。
【００２９】
加熱ボックス２０に収容された転向部材１１ａ〜１１ｇは、比較的熱容量の大きいものが好ましい。転向部材１１ａ〜１１ｇは、加熱ボックス２０内でヒーター２５により常時加熱されている上、基材３４と転向部材１１ａ〜１１ｇとの間で接触による熱の交換が起こっても温度の変動が生じにくい。これにより、基材３４のターゲット６に対向する部分３５の温度（およびその長手方向における前後の一定範囲内の温度）を、より安定して保持することができる。
転向部材１１ａ〜１１ｇがその半径方向の内側と外側で、異なる材質から構成される場合は、基材３４に接触する外側の部分だけでも、基材３４の温度を維持するのに十分な熱容量を有することが好ましい。
成膜条件にも耐える耐熱性を有し、転向部材１１ａ〜１１ｇの構成に適する材料としては、例えばインコネル（ＩＮＣＯＮＥＬ（登録商標））が挙げられる。
【００３０】
次に、本発明の成膜方法について説明する。
本発明の成膜方法は、レーザー光Ｌによってターゲット６から叩き出され若しくは蒸発した構成粒子を帯状の基材３４の表面上に堆積させ、基材３４の表面上に薄膜を形成する成膜方法であって、基材３４の移動方向を転向させる転向部材１１を囲んで加熱ボックス２０を設けるとともに、転向部材１１に接した状態にある基材３４の表面に対向するようにターゲット６を配し、転向部材１１に基材３４の裏面が接しつつ、基材３４を長手方向に移動させた状態で、加熱ボックス２０の中を均等加熱するヒーター２５により、基材３４を加熱し、ターゲット６にレーザー光Ｌを照射する位置を、３４基材の幅方向と同じ方向（図２の矢印Ｒ方向）に振幅させ、基材３４を構成粒子の堆積領域内を通過させることにより、基材３４の表面上に構成粒子を堆積させて、基材３４の表面上に薄膜を形成することを特徴とする。
【００３１】
以下、本発明の成膜装置１を用いた成膜方法の一実施形態として、基板３４の上にＹ１Ｂａ２Ｃｕ３Ｏｘからなる酸化物超電導体薄膜３１を形成する場合の成膜方法について説明する。本実施形態では、基材上に形成される薄膜として、酸化物超電導体薄膜を例に挙げて説明することとするが、この酸化物超電導体薄膜は、発明の趣旨をより良く理解させるために具体的に説明するものであり、特に指定のない限り、本発明を限定するものではない。
ハステロイからなる基材３２上にＧｄ２Ｚｒ２Ｏ７ （ＧＺＯ）からなる多結晶中間薄膜３３が形成された基材３４（薄膜積層体）を、多結晶中間薄膜３３側がターゲット６側になるように転向部材１１ａ〜１１ｇに巻回する。また、酸化物超電導体のターゲットとしてＹ１Ｂａ２Ｃｕ３Ｏｘからなる長方形状のターゲット６をセットする。
【００３２】
次いで、処理容器２内を真空排気手段４により所定の圧力に減圧する。ここで必要に応じて処理容器２内に酸素ガスを導入して処理容器２内を酸素雰囲気としても良い。
次いで、送出リール１２、転向部材群１１及び巻取リール１３を同時に駆動し、基材３４を送出リール１２から巻取リール１３に向けて所定の速度にて移動させる。同時に、ヒーター２５を作動させて、加熱ボックス２０内を均等加熱して加熱ボックス２０内を一定温度に保温しつつ、加熱ボックス２０内の基材３４を加熱し、基材３４の表面温度を所望の温度に制御・保持する。この場合、薄膜が形成される基材３４表面の温度のバラツキを５度以内に制御することにより、均一な特性の薄膜を形成することができるので好ましい。加熱ボックス２０内の基材３４表面の温度制御は、加熱ボックス２０内の適所に複数の温度センサを設置しておき、加熱ボックス２０内の基材３４表面の温度が均一になるように複数のヒーター２５を個別にＯＮ／ＯＦＦ制御すること等によって行うことが好ましい。
【００３３】
次いで、レーザー光発光手段５によりレーザー光Ｌをターゲット６に照射する。この場合、レーザー光Ｌによりターゲット６から叩き出され若しくは蒸発される構成粒子は、その放射方向の断面積が拡大したプルーム７となり、基材３４の表面上の堆積領域を覆う。
さらに、図２に示すように、レーザー光Ｌがターゲット６の表面に照射する位置を、基材３４の幅方向と同じ方向（矢印Ｒ方向）に振幅させる。これにより幅方向において構成粒子の濃度を均一にすることができる。この時、レーザー光Ｌをターゲット６の表面に対して照射する入射角度θを調整する手段（不図示）により、レーザー光Ｌの入射角度θを所望の角度に設定して照射することもできる。これにより、構成粒子を均一な状態・濃度で基材３４表面に堆積させることができるため、高特性膜を成膜することが可能となる。
【００３４】
そして、基材３４を、転向部材群１１に基材３４の裏面が接しつつ、長手方向に移動する状態で、構成粒子の堆積領域（ターゲット６と対向する部分３５）内を通過させる。
ここでは、基材３４が転向部材郡１１を周回する間に、基材３４の表面上に酸化物超電導体からなる薄膜が成膜される。これにより、基材３４の表面上には、幅方向において膜厚や特性が均一となされた酸化物超電導体薄膜３１が成膜される。
【００３５】
本発明の成膜方法によれば、加熱ボックス２０と加熱ボックス２０の内部を均等加熱するヒーター２５とを設けて、加熱ボックス２０内の基材３４を加熱することにより、薄膜が形成される基材３４表面の温度を安定して制御することができるため、安定した特性の薄膜を形成することが可能となる。また、成膜される基材３４表面の温度を安定に維持することができるので、積層毎のこまめな温度制御が必要なく、特性を低下させることなく厚い膜を成膜することができる。また、基材３４の幅方向に対してレーザー光Ｌを振幅させることで、幅方向において構成粒子の濃度が均一になるため、幅方向に複数列を成すように配列された基材または幅広の基材に対しても、幅方向において膜厚や特性分布が均一になされた薄膜および厚い膜を形成することが可能となる。
【００３６】
さらに、本発明の成膜方法では、レーザー光Ｌの照射位置を基材３４の幅方向（図２の矢印Ｒ方向）に振幅させることに加えて、レーザー光Ｌをターゲット６の表面に対して照射する入射角度θを調整して成膜することが好ましい。本発明の成膜装置１で上述したように、レーザー光Ｌの入射角度θを好ましい範囲として照射することにより、高特性の薄膜を形成することができる。
【００３７】
また、本発明の成膜方法では、レーザー光Ｌの出力に合わせて、レーザー光Ｌの照射位置を基材３４の幅方向（矢印Ｒ方向）に振幅させる走査速度を調整することにより、基材３４の表面上に薄膜を形成する際に、蒸着エリアにおける単位時間、単位面積当たりの成膜レート（μｍ／ｃｍ２・ｓ）を適正なレートに制御しながら成膜することが好ましい。具体的な成膜レートとしては、０．１３μｍ／ｃｍ２・ｓ以下とすることが好ましく、０．１μｍ／ｃｍ２・ｓ以下とすることがより好ましい。成膜レートが０．１３μｍ／ｃｍ２・ｓを超える場合には、レーザー光Ｌによりターゲット６の表面から叩き出され若しくは蒸発する構成粒子が不均一になり易く、基材３４に積層される薄膜の膜厚や特性が不均一となり、低特性膜となる場合がある。
本発明の成膜方法によれば、基材の表面上に薄膜を形成する際の成膜レートを０．１３μｍ／ｃｍ２・ｓ以下とすることにより、膜厚や特性分布が均一な薄膜を、長時間に亘って安定して形成することが可能となる。したがって、本発明によれば、高特性膜を優れた生産性で成膜することが可能となる。
【００３８】
なお、上述した実施形態では、図１および図２に示すように、基材３４が転向部材群１１により１８０°周回（ターン）される中間点領域に対向してターゲット６が配置される例を示したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、図５に示すように、水平に設置したターゲット６の上に転向部材群１１の回転軸を水平に設置し、基材３４の裏面が転向部材群１１に接しつつ、周回（ターン）が完了する直前または途中の領域３６に対向して、ターゲット６を配置してもよい。レーザー光発光手段５、ターゲット６、転向部材群１１および基材３４の相対的な位置関係を図５に示すように配置することによって、レーザー光Ｌが基材３４や転向部材群１１によって遮られることがなく、基材３４の幅方向（矢印Ｒ）に対してレーザー光Ｌを振幅させることができるため、形成される薄膜の幅方向において構成粒子の濃度が均一となり、膜厚や特性分布が均一な薄膜を成膜することが可能となる。また、図５に示すようにターゲット６を配置することにより、レーザー光Ｌを上述したように基材３４の幅方向（矢印Ｒ）に振幅させることに加えて、さらに、ターゲット６の表面に対するレーザー光Ｌの入射角度θを適切な角度に調整しながら、レーザー光Ｌをターゲット６に照射することも可能である。この場合、レーザー光Ｌは、転向部材群１１により周回（ターン）される基材３４の搬送領域に遮られることなく、適切な入射角度θで照射されるため、構成粒子を均一な状態・濃度で基材３４表面に堆積させることができ、高特性膜を成膜することができる。
なお、図５においては、水平に設置したターゲット６の上方に転向部材群１１があり、ターゲット６と転向部材群１１の側方からレーザー光Ｌを照射する例を示したが、転向部材群１１、ターゲット６、レーザー光発光手段５の上下関係は逆でもよく、転向部材群１１は水平配置でなくとも縦型配置でもよい。
【００３９】
本発明の成膜方法および成膜装置は、酸化物超電導膜の成膜用として、好適に用いることができる。
酸化物超電導膜を成膜する場合のターゲット６は、形成しようとする超電導膜３１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を用いることができる。酸化物超電導体としては、Ｙ１Ｂａ２Ｃｕ３Ｏｘに代表されるＲＥ１２３系の酸化物超電導体が挙げられる。酸化物超電導膜は、臨界温度が９０Ｋ以上のものが好ましい。酸化物超電導膜の厚みは、例えば１〜８μｍとすることができる。
また、基材３４としては、金属基材３２の上に、イオンビームアシストデポジション（ＩＢＡＤ）法などによって、１層又は２層以上の多結晶中間薄膜３３を形成したものが好ましい。多結晶中間薄膜３３の材質としては、Ｇｄ２Ｚｒ２Ｏ７（ＧＺＯ）、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）などが挙げられる。なかでも、立方晶系の結晶構造を有する結晶の集合した微細な結晶粒が多数相互に結晶粒界を介して接合一体化されているものが好ましい。多結晶中間薄膜３３の厚さは、例えば１μｍ程度とされる。多結晶中間薄膜３３において、各結晶粒の結晶軸のｃ軸は基材３４の表面（成膜面）に対してほぼ垂直に向けられ、各結晶粒の結晶軸のａ軸同士およびｂ軸同士は、互いに同一方向に向けて面内配向されていると、酸化物超電導膜をエピタキシャル成長させて結晶配向性に優れた薄膜を得ることができるので、好ましい。
また、本発明の成膜方法および成膜装置は、ＩＢＡＤ中間薄膜上に積層されるＣｅＯ２中間層の成膜や、そのＣｅＯ２中間層の上に積層される酸化物超電導膜の成膜などにも、好適に用いることができる。
【実施例】
【００４０】
以下、実施例をもって本発明を具体的に説明する。
【００４１】
（実施例１〜８および比較例１〜９）
実施例では、図１および図２に示す本発明の成膜装置を用い、比較例では、図４に示す成膜装置を用いて、帯状の基材上にＹ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系の酸化物超電導膜（超電導層）を成膜した。
基材としては、実施例と比較例のいずれも共通に、幅１０ｍｍ、厚さ０．１ｍｍのハステロイ（登録商標）テープ上に、ＩＢＡＤ法により、Ｇｄ２Ｚｒ２Ｏ７（ＧＺＯ）からなる厚さ１μｍの多結晶中間薄膜（中間層）を形成したものを用いた。
【００４２】
結果を表１に示す。なお、Ｉｃ（Ａ）は臨界電流、Ｊｃ（ＭＡ／ｃｍ２）は臨界電流密度を示す。また、適正温度範囲とは、超電導層を形成する際に良好な特性の膜の成膜が可能である温度領域を示す。この適正温度範囲は、成膜される超電導材料により異なるが、表１においては、Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系の酸化物超電導膜（超電導層）の成膜に適した温度（約８００℃）に対して、成膜温度を変化させて、臨界電流密度Ｊｃが１．０ＭＡ／ｃｍ２以上の特性の酸化物超電導体が得られた最高温度と最低温度との差を求め、適正温度範囲とした。
また、実施例１〜３および比較例６〜８について、超電導層の膜厚と臨界電流Ｉｃとの関係をプロットした結果を図７に示す。
【００４３】
【表１】
【００４４】
表１に示すように、比較例１〜９の成膜装置では、ターゲット上に基材が３レーンまたは５レーン並ぶように配列して成膜した。レーンの数をこれ以上増加させると、レーザー光が遮られてしまうため、ターゲットにレーザー照射することができなかった（多レーン化の問題）。一方、実施例１〜８の成膜装置では、レーザー光が基材に遮られることなく、照射位置のスキャン幅を容易に拡大することができるので、１０ｍｍ×７レーン（実施例１〜６）、１０ｍｍ×１４レーン（実施例７、８）の多レーン化が実現できた。
【００４５】
比較例５〜９の成膜装置では、レーザーの最大発振周波数である３００Ｈｚを使用すると、単位面積および単位時間当たりの蒸着粒子量が多すぎるため、超電導層の結晶配向性が低下し、表面が荒れた状態の膜が成膜されてしまい、その表面積の増大により基材表面からの熱の逃げが多くなり、基材表面の温度低下の影響が生じた。さらに、比較例の成膜装置では、成膜される基材の裏面から加熱を行っているため、基材表面まで十分に加熱ができないと考えられ、その表面温度の制御が難しくなり、成膜領域における基材の表面温度を測定し、その温度分布差を測定したところ約２０度程度のバラツキがあった。このため、適正な成膜温度範囲（適正温度範囲）が１０〜２０℃程度と狭くなり、臨界電流Ｉｃが最高でも３７０Ａで、品質の良い膜ができなかった（適正成膜温度範囲の問題）。これに対し、実施例１〜８の成膜装置では、レーザーの最大発振周波数である３００Ｈｚを使用しても、レーザーを振幅させることにより（実施例１〜６ではスキャン幅７５ｍｍ、実施例７、８ではスキャン幅１５０ｍｍ）、単位面積および単位時間当たりの蒸着粒子量を成膜に適した量とすることができ、特性や膜厚が均一な超電導層が成膜できた。また、加熱ボックスを設けたことによりターゲット等の駆動部による外乱を受けにくく、基材表面からの熱の逃げも防いで、成膜される基材表面の温度を安定して制御できるため、成膜領域における基材の表面温度を測定し、その温度分布差を測定したところ５度以内のバラツキに制御されていた。その結果、実施例１〜８では適正な成膜温度範囲（適正温度範囲）が２０〜５０℃程度と、比較例と比較して広くなり、安定した成膜が可能になった。線速が１００ｍ／ｈの例を除外すると、適正な成膜温度範囲が３０〜５０℃となり、さらに安定した成膜が可能になる。この結果より、本発明の成膜装置および成膜方法によれば、成膜される基材の表面温度を約５度以内のばらつきに制御し、均一な特性の超電導層を形成することができることは明らかである。
【００４６】
また、図７に示すように、比較例６〜８では、膜厚が小さい時の超電導特性（臨界電流Ｉｃ）は良好であるものの、膜厚が増加するに従い、成膜される基材表面への加熱がしにくくなり、積層毎の加熱温度を上昇させなければならないため、中間層と超電導層との界面反応が起こり、厚さ２μｍを超えたあたりから超電導特性が伸びなくなってしまった。これに対し、実施例１〜３では、薄膜時の超電導特性（臨界電流Ｉｃ）は比較例６よりも低いものの、加熱ボックスを設けたことにより、厚膜化しても基材表面温度が安定して保たれるために加熱温度を上昇させる必要がないのでその超電導特性は低下せず、実施例３では膜厚４．２μｍで臨界電流Ｉｃが８２０Ａと、膜厚を大きくしつつ、高特性化を達成した。
【００４７】
比較例１〜４では、比較例５〜９においてレーザーの発振周波数を３００Ｈｚとすると単位面積および単位時間当たりの蒸着粒子量が多すぎるために、特性の良好な超電導層を成膜することができなかったため、レーザーの発振周波数を１２０Ｈｚ（最大発振周波数の４０％）に抑えて成膜した。しかし、比較例１〜４では、基材の裏側（薄膜積層面とは反対側）から加熱しているため、成膜回数を増やして厚膜化を施す場合、成膜表面の温度が徐々に下がってしまい、積層ごとの温度を上げなければ成膜表面の温度を所定温度に維持できなかった。その際、弊害として中間層と超電導層との間で界面反応が進行し、内部の超電導層が反応により破壊してしまうため、結果として線速を抑えたまま成膜回数を増やして膜厚を大きくしたとしても、臨界電流Ｉｃが７３８Ａ、臨界電流密度Ｊｃが１．８ＭＡ／ｃｍ２の膜が限界であった（比較例４）。また、比較例１〜４では、厚膜化（１．１μｍから４．１μｍ）するに従って、基材表面への加熱が十分でなくなり、基材表面温度の制御が難しくなるため、適正温度範囲が狭くなり（４０℃から１０℃）、超電導特性である臨界電流密度Ｊｃも１．１μｍの薄膜の場合（比較例１）には３．５ＭＡ／ｃｍ２と高特性であったが、膜厚を大きくするにしたがって特性が低下し、比較例４の膜厚４．１μｍの場合には、Ｊｃが１．８ＭＡ／ｃｍ２まで低下してしまった。なお、適正温度範囲が１０℃と狭い場合には、基材表面温度の制御が難しい従来の装置では、これ以上の厚膜化は現実的に不可能である。
一方、実施例では膜厚を大きくしてもその超電導特性は低下せず、実施例３では臨界電流Ｉｃが８２０Ａ、臨界電流密度Ｊｃが２．０ＭＡ／ｃｍ２、実施例８では臨界電流Ｉｃが９８０Ａ、臨界電流密度Ｊｃが２．４ＭＡ／ｃｍ２の試料が得られた。実施例の成膜装置では、成膜温度（加熱ボックス内部の温度）を８００℃とし、加熱ボックスの外部では基材の温度を最も温度の低い部分で約２００度まで低下させて、成膜時の加熱と成膜後の冷却を繰り返して積層を行ったことにより、中間層と超電導層との界面反応を抑制しながら膜厚を大きくすることを行った。その結果、実施例８では膜厚４．１μｍで、臨界電流密度Ｊｃが２．４ＭＡ／ｃｍ２、臨界電流Ｉｃが９８０Ａの線材作製に成功した。
【００４８】
さらに、実施例３と比較例４とを比較すると、比較例４では４．１μｍの厚い膜が成膜できてはいるものの、レーザー発振周波数が１２０Ｈｚであるために成膜レートが遅く、線速４０ｍ／ｈで成膜回数を１０回必要とした。これに対し、実施例３では、線速４０ｍ／ｈで成膜回数６回で４．２μｍの厚い膜が成膜できていることから、比較例４よりも良好な生産性で厚い膜を成膜できることが明らかである。また、線速および成膜回数が同一の実施例３と比較例２とを比較すると、実施例３では４．２μｍの厚い膜が成膜できているが、比較例２では２．４μｍの膜しか成膜できておらず、この結果よりも、本発明に係る成膜装置および成膜方法によれば、従来の成膜装置と比較して生産性を向上させることができることが明らかである。
【００４９】
また、長尺線材の作製を考慮した場合、レーザー発振器の連続発振時間や、ターゲットの長時間使用によるターゲット表面荒れに起因するプルームの不安定化等により、連続成膜時間に制限が生じる。このため、できるだけ速い線速で成膜する必要がある。しかしながら、比較例の成膜装置で線速を４０ｍ／ｈから６０ｍ／ｈに速めて成膜すると（比較例９）、ヒーターで加熱された基台との接触により基材表面の温度を維持しているために、線速増加に伴う加熱時間の短縮により加熱が不十分となり、臨界電流Ｉｃが１４０Ａと、高特性膜を形成することができなかった（高線速化の問題）。これに対し、実施例の成膜装置では、線速８０ｍ／ｈまでは安定した温度で成膜が可能であり、線速８０ｍ／ｈでも３５０Ａに近いＩｃ値の線材作製が可能であった（実施例５）。また、実施例６では１００ｍ／ｈでも、Ｉｃが３４３Ａ、Ｊｃが２．１ＭＡ／ｃｍ２の優れた値を示している。
【００５０】
（実施例９〜１６）
図１に示すような本発明の成膜装置を用い、レーザー光の照射をターゲット表面に対する入射角度を変化させて、帯状の基材（テープ幅１０ｍｍ）上にＹ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系の酸化物超電導体薄膜を形成した。なお、基材として、上記実施例１〜８と同じ構成のものを用いた。
形成した酸化物超電導体薄膜について、レーザー入射角度、レーザー光のスポットサイズ、膜厚、臨界電流（Ｉｃ）、臨界電流密度（Ｊｃ）を表２に示す。なお、レーン数：７、スキャン幅：７５ｍｍ、基材の搬送速度（作製速度）：２０ｍ／ｈ、レーザー出力：１８０Ｗ（１パルスエネルギー約４００ｍＪ）として、成膜を行った。
【００５１】
【表２】
【００５２】
表２に示したように、レーザー入射角度θに応じてターゲット表面に照射されるレーザー光のスポットサイズは変化する。レーザー入射角度θが９０°の場合にスポットサイズが最小となり、ターゲット表面に照射されるレーザー光のエネルギー密度が大きくなると考えられるが、装置の構造上、レーザー光の照射光路がレーンに遮られる為、実際には不可能である。表２の結果より、本発明の成膜装置及び成膜方法では、レーザー入射角度が４０°以上、６０°以下の場合に優れた特性の薄膜が形成されている。中でも、レーザー入射角度が４０°以上、５０°以下の場合（実施例１２〜１４）には、膜厚が１．６μｍ以上で、臨界電流密度Ｊｃが３．０ＭＡ／ｃｍ２以上の高特性膜を形成することができている。レーザー入射角度が４０°未満の場合には、ターゲットに照射されるレーザー光のスポットサイズが大きくなるため、高特性の薄膜形成に必要なエネルギー密度の閾値を下回ってしまい、形成される薄膜の膜厚が減少し、臨界電流密度Ｊｃも低くなってしまう。
以上により、本発明の成膜方法及び成膜装置を用いることにより、高特性の薄膜を形成することが可能となる。また、帯状で広幅の基材を用いることにより、構成粒子の収率を著しく向上させることもできる。その結果、優れた特性の薄膜を良好な生産性で成膜することが可能となる。
【００５３】
（実施例１７〜２２および比較例１０、１１）
図１に示すような本発明の成膜装置を用い、蒸着エリアにおける単位時間、単位面積当たりの成膜レート（μ／ｃｍ２・ｓ）を変化させて、帯状の基材（テープ幅１０ｍｍ）上にＹ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系の酸化物超電導体薄膜を形成した。なお、基材として、上記実施例１〜８と同じ構成のものを用いた。
形成した酸化物超電導体薄膜について、レーザー出力、レーザー走査、成膜レート、膜厚、臨界電流（Ｉｃ）、臨界電流密度（Ｊｃ）を表３に示す。ここで、表３におけるレーザー走査としては、１倍エリアは４ｃｍ２を示す。なお、レーン数：７、基材の搬送速度（作製速度）：２０ｍ／ｈ、レーザーの１パルスエネルギー：約４００ｍＪとして、成膜を行った。また、比較例１０、１１として、図４に示すような成膜装置を用い、レーザー走査を行わない例を示した。
【００５４】
【表３】
【００５５】
表３の結果より、レーザー走査を行わない比較例１０および１１では、成膜レートが高くなり、基材の幅方向の膜厚も均一とすることができないため、臨界電流密度Ｊｃが１．５ＭＡ／ｃｍ２以下の低い特性の薄膜となっている。一方、本発明のレーザー走査を行う成膜装置および成膜方法では、高特性の薄膜が成膜されている。中でも、成膜レートを０．１３μｍ／ｃｍ２・ｓ以下、より好ましくは０．１μｍ／ｃｍ２・ｓ以下であって、０．０６〜０．０２μｍ／ｃｍ２・ｓの範囲とした場合（実施例１８〜２０、２２）は、いずれも臨界電流密度Ｊｃが３．０ＭＡ／ｃｍ２以上の高特性の薄膜を成膜することができている。また、本発明の成膜装置および成膜方法によれば、レーザー出力が大きい場合にも、レーザー走査速度を上げて成膜レートを０．１３μｍ／ｃｍ２・ｓ以下、より好ましくは０．１μｍ／ｃｍ２・ｓ以下に制御することが可能であるため、高特性膜を長時間に亘って安定して成膜することができる。さらに、帯状で広幅の基材を用いることにより、構成粒子の収率を著しく向上させることもできる。その結果、優れた特性の薄膜を良好な生産性で成膜することが可能となる。
【００５６】
以上、本発明の成膜方法及び成膜装置について説明してきたが、本発明は上記の例に限定されるものではなく、必要に応じて適宜変更が可能である。
上述した実施例では、酸化物超電導体薄膜を形成する場合について、本発明の成膜方法及び成膜装置を適用した例を詳述したが、例えば、ＩＢＡＤ中間薄膜上にＣｅＯ２ 中間層を形成し、次いで酸化物超電導体薄膜を形成する場合においては、本発明の成膜方法及び成膜装置をＣｅＯ２ 中間層の形成にも使用することが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００５７】
本発明は、レーザー光をターゲットに照射して、このターゲットの構成粒子を叩き出し若しくは蒸発させ、この構成粒子を帯状の基材上に堆積させることにより薄膜を形成する成膜方法及び成膜装置に広く適用可能である。
【符号の説明】
【００５８】
Ｌ…レーザー光、１…成膜装置、２…処理容器、５…レーザー光発光手段、６…ターゲット、７…プルーム、１０…搬送手段、１１…転向部材群、１１ａ〜１１ｇ…転向部材、２０…加熱ボックス、２５…ヒーター、３１…薄膜（酸化物超電導膜）、３４…基材、３５…基材の転向部材によって移動方向が転向した部分。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザー光によってターゲットから叩き出され若しくは蒸発した構成粒子を帯状の基材上に堆積させ、薄膜を形成する成膜方法（レーザー蒸着方法）および成膜装置（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電体として使用するためには、テープ状などの長尺の基材上に、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。
従来、図３に示すように、ハステロイ（登録商標）テープなどの金属基材３２の上にイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）などの多結晶中間薄膜３３を形成した帯状の基材３４を用い、その多結晶中間薄膜３３上にＹ１Ｂａ２Ｃｕ３Ｏｘ系の酸化物超電導体の薄膜３１を成膜する試みが行なわれている。
酸化物超電導体の薄膜を成膜するため、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（例えば特許文献１参照）。
【０００３】
図４に、特許文献１に記載されたレーザー蒸着装置の一例を示す。このレーザー蒸着装置５０は、一方の側で複数の転向部材５１ａ〜５１ｇを同軸的に配列した第１の転向部材群５１と、他方の側で複数の転向部材５２ａ〜５２ｇを同軸的に配列した第２の転向部材群５２と、基材６０の転向部材群５１、５２間に配された部分６１に対向するように配されたターゲット５７と、ターゲット５７にレーザー光Ｌａ、Ｌｂ、Ｌｃを照射するレーザー光発光手段５３ａ、５３ｂ、５３ｃと、基材６０のターゲット５７に対向する部分６１を支持する基台５４と、基材６０を転向部材群５１、５２に向けて送り出す送出リール５５と、基材６０を巻き取る巻取リール５６を備えている。
【０００４】
送出リール５５と巻取リール５６とは、不図示の駆動装置により互いに同期して駆動されており、各転向部材５１ａ〜５１ｇ、５２ａ〜５２ｇによって移動方向が転向した基材６０を転向部材群５１、５２の間で複数列（複数のレーン）とした状態で搬送するための搬送手段を構成している。
レーザー光Ｌａ、Ｌｂ、Ｌｃによりターゲット５７から叩き出され若しくは蒸発されたターゲット５７の構成粒子はプルーム５８となり、基材６０のターゲット５７に対向する部分６１に堆積して薄膜が形成される。また、ターゲット５７に対して複数レーンの基材６０が対向しているので、一度に蒸着される面積を広く取ることができ、プルーム５８内の構成粒子を有効に利用することができる。
また、特許文献２には、長尺基材を囲んで保温する開口付きヒータボックスと、該ヒータ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ボックス内の長尺基材表面に堆積させることを特徴とする薄膜形成装置が記載されている。
【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】
従来のレーザー蒸着装置の場合、基材６０のターゲット５７に対向する部分６１を支持する基台５４の内部にヒーター（図示略）が設けられ、基材６０の裏面（薄膜が形成される面とは反対側の面）から接触加熱により、基材６０のターゲット５７に対向する部分６１の温度を制御している。しかしながら、生産性を向上させるために、高速に基材６０を搬送すると、基材６０の加熱が不十分になり、安定的な温度制御が難しい。また、成膜回数を増やして厚い膜を成膜しようとすると、基材６０の裏面からの接触加熱では、厚く積層した膜の表面にまで十分に熱が伝わらないうちに基材６０がヒーターから離れてしまうので、基材６０の表面温度を一定に保つことが難しいため、結晶配向性の高い超電導層を成膜することが難しいという問題がある。この問題を解決するために、積層毎にヒーターによる加熱温度を上昇させることも考えられるが、加熱温度の上昇に伴い、基材６０に形成されている多結晶中間薄膜と成膜される超電導層との界面反応が起こり易くなり、超電導特性が低下してしまうため、単に加熱温度を上昇させるとする解決手段は好ましくない。
【０００７】
基材６０は、転向部材群５１、５２間に配された部分６１においてターゲット５７に対向しているので、レーザー光Ｌａ、Ｌｂ、Ｌｃはターゲット５７に対し、基材６０の配列方向とほぼ同じ方向に照射することになる。レーザー光発光手段５３ａ、５３ｂ、５３ｃから遠い側に配された基材６０に薄膜を形成するとき、レーザー光発光手段５３ａ、５３ｂ、５３ｃに近い側の基材６０によってレーザー光Ｌａ、Ｌｂ、Ｌｃが遮られてしまう。
また、上述したように、基台５４に内蔵したヒーターによる接触加熱では基材６０の表面温度に幅方向の温度分布が生じやすいので、各レーンの温度ばらつきがあると、一部のレーンに成膜不良が生じるおそれがある。
このため、レーンの数あるいは基材の幅を増やすことが難しいという問題があった。
【０００８】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、幅方向に複数列を成すように配列された基材または幅広の基材に対しても、膜厚や特性が均一な薄膜を効率良く成膜することが可能であり、また、良好な生産性で厚い膜の成膜が可能な成膜装置および成膜方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記課題を解決するため、本発明は、レーザー光によってターゲットから叩き出され若しくは蒸発した構成粒子を帯状の基材の表面上に堆積させ、前記基材の表面上に薄膜を形成する成膜方法であって、前記基材の移動方向を転向させる転向部材を囲んで加熱ボックスを設けるとともに、前記転向部材に接した状態にある前記基材の表面に対向するようにターゲットを配し、前記転向部材に前記基材の裏面が接しつつ、前記基材を長手方向に移動させた状態で、前記加熱ボックスの中を均等加熱するヒーターにより、前記基材を加熱し、前記ターゲットに前記レーザー光を照射する位置を、前記基材の幅方向と同じ方向に振幅させ、前記基材を前記構成粒子の堆積領域内を通過させることにより、前記基材の表面上に前記構成粒子を堆積させて、前記基材の表面上に薄膜を形成することを特徴とする成膜方法を提供する。
【００１０】
また本発明は、レーザー光によってターゲットから叩き出され若しくは蒸発した構成粒子を帯状の基材の表面上に堆積させ、前記基材の表面上に薄膜を形成する成膜装置であって、前記基材の移動方向を転向させる転向部材と、前記転向部材によって移動方向が転向した状態にある基材を、その長手方向に搬送する搬送手段と、前記転向部材に接した状態にある前期基材の表面に対向するように配されたターゲットと、前記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、前記転向部材を囲んで設けられた加熱ボックスと、前記加熱ボックスの中を均等加熱するヒーターと、を少なくとも備え、前記加熱ボックスは、前記ヒーターにより、前記基材を加熱するものであり、前記レーザー光発光手段は、前記ターゲットに前記レーザー光を照射する位置を、前記基材の幅方向と同じ方向に振幅させるものであることを特徴とする成膜装置を提供する。
前記転向部材は、前記帯状の基材の幅に応じた軸方向の長さを有することが好ましい。
前記加熱ボックスは、前記構成粒子の堆積領域と、その領域に位置する転向部材と、その転向部材に巻回された基材とを囲むように設けられていることが好ましい。
前記ターゲットに対向する前記基材の表面温度のバラツキを５度以内に制御することが好ましい。
前記成膜装置は、酸化物超電導膜の成膜用であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、転向部材に接した状態にある基材の表面に対向するようにターゲットを配するので、ターゲットにレーザー光を照射する位置を基材の幅方向と同じ方向に振幅させるときに、レーザー光が基材自身によって遮られることがないので、ターゲット表面の広い領域から粒子を蒸発させて利用することができる。また、加熱ボックスを設けて、一定温度に保たれた加熱ボックス中に基材を搬送することにより、基材の温度を安定して保つことができるので、基材表面の温度のバラツキを抑制し、適正な成膜温度範囲をより広く確保することができる。また、成膜される基材表面の温度を安定に維持することができるので、積層毎のこまめな温度制御が必要なく、特性を低下させることなく厚い膜を成膜することができる。また、基材の幅方向に温度を均一に保つことができるため、基材の幅を広くしたり、基材のターゲットに対向する部分を幅方向に並べて多数のレーンを配列したりしても、均一な特性の膜を同時に成膜することが可能になる。さらに、生産性を向上させるために線速（基材の長手方向の搬送速度）を速くしても、加熱ボックスを設けていることにより、基材表面の温度制御の応答が速く、成膜表面の温度を安定に維持することができるので、膜厚や特性が均一な膜を良好な生産性で成膜することができる。
さらに、本発明において酸化物超電導膜を成膜する場合には、裏面からの加熱に比べ、中間層と超電導層の界面反応を抑制することができる。また、加熱ボックスを設けることにより、基材の温度を安定して保つことができるので、均一で安定した特性の超電導層を成膜することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の成膜装置の一例を示す正面図である。
【図２】本発明の成膜装置を用いた成膜方法を説明する斜視図である。
【図３】帯状の基材上に酸化物超電導膜を堆積してなる線材の一例を示す断面図である。
【図４】従来のレーザー蒸着装置の一例を示す斜視図である。
【図５】本発明の成膜装置を用いた成膜方法の他例を示す斜視図である。
【図６】本発明の成膜装置を用いた成膜方法の他例を示す斜視図である。
【図７】実施例１〜３および比較例６〜８の結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明に係る成膜方法および成膜装置の一実施形態を図面に基づき説明する。
図１に、本発明の成膜装置の一形態例を示し、図２に、本形態例の成膜装置を用いた成膜方法を示す。
本実施形態の成膜装置１は、レーザー光Ｌによってターゲット６から叩き出され若しくは蒸発した構成粒子の噴流（プルーム７）を帯状の基材３４上に堆積させ、この構成粒子による薄膜を基材３４上に形成する、レーザー蒸着法による成膜装置である。
【００１４】
図１、図２に示すように、この成膜装置１は、帯状の基材３４を収容する処理容器２と、基材３４の移動方向を転向させる転向部材１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ、１１ｅ、１１ｆ、１１ｇを同軸的に配列してなる転向部材群１１と、これら転向部材１１ａ〜１１ｇによって移動方向が転向した状態にある基材３４を、その長手方向に搬送する搬送手段１０と、基材３４のうち裏面が転向部材１１ａ〜１１ｇに接した部分３５に対向するように配されたターゲット６と、水平に設置されたターゲット６にレーザー光Ｌを照射するレーザー光発光手段５と、転向部材群１１を囲んで設けられた加熱ボックス２０を少なくとも備えている。
【００１５】
本実施形態の成膜装置１の場合、搬送手段１０は、複数の転向部材を配列してなる一対の転向部材群１１，１４に向けて送り出される基材３４が巻回された送出リール１２と、転向部材群１１，１４から巻き取られる基材３４が巻回される巻取リール１３とを備えている。また、送出リール１２と巻取リール１３とは、不図示の駆動装置により互いに同期して駆動され、基材３４がその長手方向に搬送されるようになっている。
【００１６】
図１および図２に示すように、転向部材群１１、１４は、同径の転向部材が同軸的に配列してなる構成である。また、ターゲット６に対向する転向部材群１１においては、各転向部材１１ａ〜１１ｇに裏面が接しつつ、各転向部材１１ａ〜１１ｇによって移動方向が転向した状態にある基材３４のうち、ターゲット６に対向する部分３５が、ターゲット６から等距離に位置している。各転向部材は、基材３４の幅に応じた軸方向の長さを有し、複数列を成す基材３４が隙間なく配列されるものが好ましい。
転向部材１１ａ〜１１ｇは、円柱状もしくは円板状、半円柱状もしくは半円板状、楕円柱状もしくは楕円板状など、基材の移動方向を滑らかに転向させる湾曲した側面（湾曲面）を有するものが好ましい。これにより、転向部材によって移動方向が転向した状態にある基材３４は、ターゲット６に対向する部分３５において、ターゲット６に向かって凸の形状に湾曲するようになる。なお、「円柱状もしくは円板状」等は、転向部材の径と軸方向の長さとの比を特に限定しない趣旨である。
転向部材１１ａ〜１１ｇは、搬送される基材３４とともに回転する構成でも良く、転向部材１１ａ〜１１ｇは動かずに、その側面上で基材３４が滑っている構成でも良い。転向部材１１ａ〜１１ｇを回転させる場合には、基材３４の移動速度に合わせて転向部材１１ａ〜１１ｇを回転させる駆動手段（図示せず）を設けても良い。
【００１７】
基材３４は、図４と同様、図１に示すように、１本の長尺の基材３４が各転向部材群１１、１４で移動方向を変えて（ターンして）複数の転向部材群１１、１４の間で複数回巻回され、ターゲット６に対向する部分３５を複数回通過するようになっている。また、これらの転向部材群１１、１４を周回することにより、ターゲット６に対向する部分３５では図２に示すように基材３４が複数列とされる構成になっている。本実施形態では、転向部材群１１、１４は二つ設けられている。
図１に示す場合、基材３４は、二つの転向部材群１１、１４間を周回するように配置され、転向部材において基材３４の移動方向が変更される転向角度（基材３４が当該転向部材に接し始めたときの移動方向と、基材３４が当該転向部材から離れ始めるときの移動方向との角度差に相当する角度）は、１８０°である。この例において、転向部材群１１側の転向部材の径を転向部材群１４側の転向部材の径より大きくして、転向部材群１１における基材３４の転向角度が１８０°を超えるようにしたり、転向部材群１１側の転向部材の径を転向部材群１４側の転向部材の径より小さくして、転向部材群１１における基材３４の転向角度が１８０°未満となるようにしても構わない。
また、三つまたは四つの転向部材群を三角形状または四角形状に配置して、転向角度が１２０°程度または９０°程度とすることもできる。転向角度は、９０〜１８０°が好ましいが、特にこの範囲に限定されるものではない。
【００１８】
なお、ターゲット６の反対側に位置する転向部材群１４を省略して、ターゲット６に対向する転向部材群１１に対し、複数本の基材３４を複数組の送出リール１２および巻取リール１３で搬送するようにし、複数列とされた各基材３４が、ターゲット６に対向する部分３５を１回通過する構成とすることも可能である。
また、基材を複数列とする代わりに、図６に示すように、基材３４の幅を広くすることもできる。この場合は、ターゲット６に対向して複数の転向部材からなる転向部材群を配する代わりに、基材３４の幅に応じた軸方向の長さを有する一つの転向部材１１を用いることができる。
さらに、送出リール１２と巻取リール１３の役割を入れ替え可能にして、リールに巻き取った基材３４を再度ターゲットに対向する位置に送出できるように構成した場合、基材３４の一端側のリールと、基材３４の他端側のリールとの間で、基材３４の往復動作を繰り返すことにより、厚い膜を成膜することが可能である。
【００１９】
処理容器２には、排気孔３を介して真空排気装置４が接続され、この真空排気装置４により処理容器２内を所定の圧力に減圧するようになっている。
基材３４の移動方向を転向させる転向部材群１１、１４、送出リール１２および巻取リール１３は処理容器２内に収容され、処理容器２内が所定の圧力に減圧されている間は、基材３４の長手方向の全体が、処理容器２内の減圧下に置かれるようになっている。
【００２０】
処理容器２内には、ターゲット６に対向するように配された転向部材群１１を囲んで設けられた加熱ボックス２０を備えている。この加熱ボックス２０の内壁面に、加熱ボックス２０の中を均等加熱するヒーター２５を備える。図１では、加熱ボックス２０の各壁面２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄの内側（内壁）に複数のヒーター２５を備える例を示しているが、本発明はこれに限定されず、ヒーター２５は、加熱ボックス２０の中を均等加熱することができる位置に設置されていれば良い。ヒーター２５の設置位置としては、例えば、加熱ボックス２０の内側が好ましく、加熱ボックス２０の内壁２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄに接していなくても良く、さらに、加熱ボックス２０の内部に加えて、転向部材群１１の内部にも併設することもできる。加熱ボックス２０は、ヒーター２５に通電することで、加熱ボックス２０内の温度を一定に保ち、加熱ボックス２０内の基材３４を均一に加熱し保温できるようになっている。また、従来の成膜装置５０では、ターゲット５７やレーザー５３ａ、５３ｂ、５３ｃ等の操作（動作）の影響により成膜表面の温度の変動が起こりやすく成膜表面の温度を安定制御するのが難しいという問題があった。一方、本発明に係る成膜装置および成膜方法によれば、加熱ボックス２０を設けたことにより、ターゲット６やレーザー５等の操作（動作）の影響を防ぎ、成膜表面の温度を安定制御することができる。さらに、従来の成膜装置５０では、基材６０の裏面から加熱を行っていたため、基材６０の表面からの熱の逃げが起こり易く、成膜表面の温度が設定温度よりも低くなってしまうという問題があった。一方、本発明に係る成膜装置および成膜方法によれば、加熱ボックス２０を設け、加熱ボックス２０内の温度は一定に保たれているため、基材３４の表面からの熱の逃げを防ぎ、基材３４の表面温度を安定に保つことができる。したがって、基材３４の表面温度のバラツキを抑制することができるので、良好な特性の膜を成膜するための温度範囲（適正温度範囲）を広くとることができる。
加熱ボックス２０は箱状であり、図１の場合、紙面の手前側および奥側にも壁面（図示せず）を有する。加熱ボックス２０は、直方体状や、両底面にも壁面を有する円筒状など、適宜の形状を有するものが使用可能である。加熱ボックス２０を構成するものとしては、例えば金属製のフレームと断熱材とを組み合わせた構造のものを挙げることができるが、加熱ボックス２０中の温度を安定に保つことができるものであれば特に限定されない。
【００２１】
各ヒーター２５は、赤外線などにより、基材３４を非接触で直接加熱することができる。
ヒーター２５は、例えば通電式の加熱ヒーターが挙げられる。
これらのヒーター２５は、加熱ボックス２０の内部を均等加熱して、加熱ボックス２０内の温度を安定に保ち、加熱ボックス２０内の基材３４を所定の温度に保持するようになっている。これにより、基材３４を高速に搬送しても、基材３４を十分に加熱することができるので、成膜される材料等のため、より狭い温度範囲内に制御することが必要な場合でも、安定した温度制御が可能になる。したがって、膜い厚や特性が均一な膜を良好な生産性で成膜することができる。
【００２２】
基材３４がターゲット６に対向する部分３５を複数回通過するようにして、膜厚を大きくする場合にも、従来の成膜装置５０では、基材６０の裏面から加熱を行っていたため、成膜される基材６０表面まで熱が伝わるのに若干の時間がかかり、基材６０がヒーター対向領域を通過した後は温度低下するので、積層毎に数℃ずつ成膜温度を上げるなどの温度制御を行う必要があった。これに対して、本実施形態の成膜装置１によれば、加熱ボックス２０と加熱ボックス２０内を均等加熱するヒーター２５とを設けたことにより、加熱ボックス２０中の温度を安定に保つことができるため、成膜中の基材３４表面の温度制御の安定性に優れ、膜厚を大きくするのに伴って成膜表面の温度が徐々に下がることも抑制できるので、温度設定を変化させる必要がない。したがって、本発明に係る成膜装置および成膜方法により、酸化物超電導膜を成膜する場合には、従来の成膜装置５０のように、成膜温度を上昇させることにより起こる中間層と超電導層との界面反応を抑制することができる。そのため、特性を低下させることなく、厚い酸化物超電導膜を成膜することが可能となる。
本発明に係る成膜装置および成膜方法によれば、成膜される基材３４表面（ターゲット６の構成粒子の堆積領域であるターゲット６に対向する部分３５）の温度のバラツキを５度以内に制御して成膜することが好ましく、加熱ボックス２０を設けたことにより、このように安定した温度制御か可能となるので、安定した特性の薄膜および厚い膜を成膜することができる。なお、本明細書および特許請求の範囲における「温度のバラツキを５度以内に制御する」とは、所望の温度に対して±２．５度以内の範囲に温度を制御することを意味する。
【００２３】
なお、この実施形態において、加熱ボックス２０は転向部材群１１の周囲および転向部材群１１、１４間にレーン状に配列されている基材３４の長手半分位を覆うように形成されている。さらに、加熱ボックス２０の上面部２０ｃに、転向部材群１１、１４間に搬送される基材３４を通過させるための穴２３、２４が設けられ、加熱ボックス２０内には、ターゲット６に対向する転向部材群１１のみが収容されている。このように、成膜領域（構成粒子の堆積領域）と、成膜領域に位置する転向部材群１１と、転向部材群１１に巻回された基材３４とを囲むように加熱ボックス２０を設けた場合は、加熱ボックス２０の容積とヒーター２５の設置面積をより小さくすることができ、成膜中の基材３４を効率的に加熱することができるため好ましい。また、基材３４は穴２３から内部の温度が安定に保たれた加熱ボックス２０内に入ってターゲット６に対向する部分３５に到達するので、基材３４がターゲット６に対向する部分３５に到達するまでの時間内に、基材３４の温度を成膜に望ましい温度範囲内まで上昇させることができる。さらに、本実施形態のように、成膜領域に近い側を囲んで加熱ボックス２０を設けた場合、成膜領域を通過して穴２４から加熱ボックス２０の外部に搬送された基材３４は、その表面温度を低下させることができるので、基材３４の表面に成膜された膜の特性を良好にすることができる。すなわち、成膜領域を通過する際の基材３４の表面温度は、成膜に適した温度となっているが、酸化物超電導膜を成膜する場合、成膜温度は例えば８００℃程度と非常に高い温度とする必要がある。このような温度で成膜することにより、結晶配向性の良好な膜が成膜されるが、成膜後も高温で加熱を続けると、基材３４である中間層と超電導層との界面反応が進行してしまい、結果的に特性の低い膜となってしまう。そのため、酸化物超電導膜を成膜する場合には、成膜後の基材３４の温度を低下させて、中間層と超電導層との界面反応を防ぐ必要がある。本実施形態のように、加熱ボックス２０を設けることにより、成膜時には８００℃程度である基材３４の温度を、成膜後、加熱ボックス２０の外部を通過する際にはその温度を例えば２００度程度まで低下させることができる。そして、２００度程度まで温度を低下させた基材３４を、また穴２３から加熱ボックス２０内部へと搬送し、再び８００℃程度とした状態で成膜を行う。このように成膜時の加熱および成膜後の冷却を繰り返すことにより、中間層と超電導層との界面反応を防ぎつつ、厚い超伝導層を形成することができる。
【００２４】
なお、本発明は図１に示す形態に限られるものではなく、両方の転向部材１１、１４を加熱ボックス２０に収容して加熱することもできる。この場合は、基材３４が他方の転向部材群１４を通過する間にも基材３４を加熱ボックス２０とヒーター２５とで加熱して、温度制御することが可能になる。
【００２５】
加熱ボックス２０の側壁部２０ａには、レーザー光発光手段５のレーザー光Ｌを取り込むための窓２１が設けられている。また、加熱ボックス２０の底面部２０ｂには、ターゲット６の表面で生じたプルーム７を加熱ボックス２０内に導入するための開口部２２が設けられている。なお、本実施形態の場合、レーザー光発光手段５は処理容器２の内部に設置されている。このほか、処理容器２にも窓を設けて、レーザー光発光手段５を処理容器２の外に配置することもできる。
【００２６】
ターゲット６にレーザー光Ｌを照射するレーザー光発光手段５は、ターゲット６からその構成粒子を叩き出し若しくは蒸発させることができるレーザー光Ｌを発生するものであれば良い。レーザーの波長、出力、照射エネルギー等は、ターゲット６の材質や成膜速度等に応じて、適宜設定することが可能である。
【００２７】
本実施形態のレーザー光発光手段５は、図２に示すように、ターゲット６にレーザー光Ｌを照射する位置を、このターゲット６に対向する転向部材群１１における転向部材１１ａ〜１１ｇの配列方向と同じ方向（図２の矢印Ｒ）に振幅（スキャン）させるようになっている。これにより、転向部材１１ａ〜１１ｇの周面上で移動方向が転向された基材３４に対して、プルーム７により各基材３４に達する構成粒子の濃度の均一性を高めることができる。また、基材３４の幅方向において、膜厚や特性が均一な薄膜を効率良く成膜することが可能になる。また、構成粒子が基材３４の表面に堆積して薄膜を形成する割合（収率）を向上させることができる。その結果、本実施形態の成膜方法および成膜装置１では、生産性を大幅に向上させることが可能になる。
レーザー光発光手段５は、レーザー光Ｌの照射位置を振幅させる手段（不図示）として、ミラーやプリズム、光ファイバ等を用い、レーザー光発光手段５からのレーザー光Ｌの出射方向を変更可能とした構成が挙げられる。なお、「ターゲット６にレーザー光Ｌを照射する位置」とは、プルーム７の発生する位置を基材３４の幅方向に振幅移動させるため、基材３４を基準とした相対位置を意味する。
また、ターゲット６の表面がなるべく全面にわたって消費されるように、ターゲット６の表面におけるレーザー光Ｌの照射位置を連続的に移動させることが好ましい。そのため、ターゲット６を保持する手段（図示せず）が、レーザー光Ｌに対してターゲット６を任意の方向に並進または回転させる機構を備えることが好ましい。例えば、レーザー光発光手段５によるレーザー光Ｌの照射位置が基材３４の幅方向に振幅移動するのに対して、例えば交互に、ターゲット６が基材３４の長手方向に振幅移動することによって、ターゲット６の表面が局所的に消費されることを防ぎ、ターゲットの寿命を延ばすことができる。
【００２８】
また、レーザー光発光手段５は、上記のレーザー光Ｌの照射位置を振幅させる手段（不図示）に加えて、レーザー光Ｌをターゲット６の表面に対して照射する入射角度θを調整する手段（不図示）を備えることもできる。レーザー光Ｌの入射角度θを調整する手段（不図示）としては、例えば、レーザー光発光手段５とターゲット６との間にミラーを配置し、レーザー光発光手段５から出射したレーザー光Ｌの光路をミラーにて変更した上で、ターゲット６に照射できるようにしておき、このミラーを用い、その角度を変化させることによりレーザー光Ｌの入射角度θを調整する構成を例示できる。勿論、ミラーの傾斜角度を調整することで、ターゲット６に対する水平方向の照射位置も変更することができる。レーザー光Ｌの入射角度θが９０°に近くなるにつれて、ターゲット６に入射されるレーザー光Ｌのターゲット６表面上のスポットサイズは小さくなり、そのエネルギー密度が大きくなる。一方、レーザー光Ｌの入射角度θが小さくなるにつれて、ターゲット６表面上のレーザー光Ｌのスポットサイズは大きくなり、そのエネルギー密度が小さくなる。レーザー光Ｌの入射角度θは４０°以上とすることが好ましく、４０°以上、６０°以下とすることがより好ましく、４０°以上５０°以下とすることがさらに好ましい。入射角度θが４０°未満の場合には、ターゲットに照射されるレーザー光Ｌのスポットサイズが大きくなるため、高特性の薄膜形成に必要なエネルギー密度の閾値を下回ってしまい、形成される薄膜の膜厚が減少し、高特性の薄膜を成膜できなくなる場合がある。また、入射角度θが６０°を超えると、エネルギー密度は高くなるが、ターゲット６表面上のレーザー光Ｌのスポットサイズが小さくなりすぎてしまい、ターゲット６から叩き出され若しくは蒸発する構成粒子のプルーム７が放射状に広がり易くなるため、基材３４表面に堆積される構成粒子の収率が低下し、成膜される薄膜の膜厚が減少してしまう場合がある。
なお、レーザー光発光手段５の振幅および入射角度θを調整する機構の他例として、レーザー光発光手段５に、上下又は左右に首振りするためのギアやモーターを備えた旋回機構や駆動機構も例示することができる。
【００２９】
加熱ボックス２０に収容された転向部材１１ａ〜１１ｇは、比較的熱容量の大きいものが好ましい。転向部材１１ａ〜１１ｇは、加熱ボックス２０内でヒーター２５により常時加熱されている上、基材３４と転向部材１１ａ〜１１ｇとの間で接触による熱の交換が起こっても温度の変動が生じにくい。これにより、基材３４のターゲット６に対向する部分３５の温度（およびその長手方向における前後の一定範囲内の温度）を、より安定して保持することができる。
転向部材１１ａ〜１１ｇがその半径方向の内側と外側で、異なる材質から構成される場合は、基材３４に接触する外側の部分だけでも、基材３４の温度を維持するのに十分な熱容量を有することが好ましい。
成膜条件にも耐える耐熱性を有し、転向部材１１ａ〜１１ｇの構成に適する材料としては、例えばインコネル（ＩＮＣＯＮＥＬ（登録商標））が挙げられる。
【００３０】
次に、本発明の成膜方法について説明する。
本発明の成膜方法は、レーザー光Ｌによってターゲット６から叩き出され若しくは蒸発した構成粒子を帯状の基材３４の表面上に堆積させ、基材３４の表面上に薄膜を形成する成膜方法であって、基材３４の移動方向を転向させる転向部材１１を囲んで加熱ボックス２０を設けるとともに、転向部材１１に接した状態にある基材３４の表面に対向するようにターゲット６を配し、転向部材１１に基材３４の裏面が接しつつ、基材３４を長手方向に移動させた状態で、加熱ボックス２０の中を均等加熱するヒーター２５により、基材３４を加熱し、ターゲット６にレーザー光Ｌを照射する位置を、３４基材の幅方向と同じ方向（図２の矢印Ｒ方向）に振幅させ、基材３４を構成粒子の堆積領域内を通過させることにより、基材３４の表面上に構成粒子を堆積させて、基材３４の表面上に薄膜を形成することを特徴とする。
【００３１】
以下、本発明の成膜装置１を用いた成膜方法の一実施形態として、基板３４の上にＹ１Ｂａ２Ｃｕ３Ｏｘからなる酸化物超電導体薄膜３１を形成する場合の成膜方法について説明する。本実施形態では、基材上に形成される薄膜として、酸化物超電導体薄膜を例に挙げて説明することとするが、この酸化物超電導体薄膜は、発明の趣旨をより良く理解させるために具体的に説明するものであり、特に指定のない限り、本発明を限定するものではない。
ハステロイからなる基材３２上にＧｄ２Ｚｒ２Ｏ７ （ＧＺＯ）からなる多結晶中間薄膜３３が形成された基材３４（薄膜積層体）を、多結晶中間薄膜３３側がターゲット６側になるように転向部材１１ａ〜１１ｇに巻回する。また、酸化物超電導体のターゲットとしてＹ１Ｂａ２Ｃｕ３Ｏｘからなる長方形状のターゲット６をセットする。
【００３２】
次いで、処理容器２内を真空排気手段４により所定の圧力に減圧する。ここで必要に応じて処理容器２内に酸素ガスを導入して処理容器２内を酸素雰囲気としても良い。
次いで、送出リール１２、転向部材群１１及び巻取リール１３を同時に駆動し、基材３４を送出リール１２から巻取リール１３に向けて所定の速度にて移動させる。同時に、ヒーター２５を作動させて、加熱ボックス２０内を均等加熱して加熱ボックス２０内を一定温度に保温しつつ、加熱ボックス２０内の基材３４を加熱し、基材３４の表面温度を所望の温度に制御・保持する。この場合、薄膜が形成される基材３４表面の温度のバラツキを５度以内に制御することにより、均一な特性の薄膜を形成することができるので好ましい。加熱ボックス２０内の基材３４表面の温度制御は、加熱ボックス２０内の適所に複数の温度センサを設置しておき、加熱ボックス２０内の基材３４表面の温度が均一になるように複数のヒーター２５を個別にＯＮ／ＯＦＦ制御すること等によって行うことが好ましい。
【００３３】
次いで、レーザー光発光手段５によりレーザー光Ｌをターゲット６に照射する。この場合、レーザー光Ｌによりターゲット６から叩き出され若しくは蒸発される構成粒子は、その放射方向の断面積が拡大したプルーム７となり、基材３４の表面上の堆積領域を覆う。
さらに、図２に示すように、レーザー光Ｌがターゲット６の表面に照射する位置を、基材３４の幅方向と同じ方向（矢印Ｒ方向）に振幅させる。これにより幅方向において構成粒子の濃度を均一にすることができる。この時、レーザー光Ｌをターゲット６の表面に対して照射する入射角度θを調整する手段（不図示）により、レーザー光Ｌの入射角度θを所望の角度に設定して照射することもできる。これにより、構成粒子を均一な状態・濃度で基材３４表面に堆積させることができるため、高特性膜を成膜することが可能となる。
【００３４】
そして、基材３４を、転向部材群１１に基材３４の裏面が接しつつ、長手方向に移動する状態で、構成粒子の堆積領域（ターゲット６と対向する部分３５）内を通過させる。
ここでは、基材３４が転向部材郡１１を周回する間に、基材３４の表面上に酸化物超電導体からなる薄膜が成膜される。これにより、基材３４の表面上には、幅方向において膜厚や特性が均一となされた酸化物超電導体薄膜３１が成膜される。
【００３５】
本発明の成膜方法によれば、加熱ボックス２０と加熱ボックス２０の内部を均等加熱するヒーター２５とを設けて、加熱ボックス２０内の基材３４を加熱することにより、薄膜が形成される基材３４表面の温度を安定して制御することができるため、安定した特性の薄膜を形成することが可能となる。また、成膜される基材３４表面の温度を安定に維持することができるので、積層毎のこまめな温度制御が必要なく、特性を低下させることなく厚い膜を成膜することができる。また、基材３４の幅方向に対してレーザー光Ｌを振幅させることで、幅方向において構成粒子の濃度が均一になるため、幅方向に複数列を成すように配列された基材または幅広の基材に対しても、幅方向において膜厚や特性分布が均一になされた薄膜および厚い膜を形成することが可能となる。
【００３６】
さらに、本発明の成膜方法では、レーザー光Ｌの照射位置を基材３４の幅方向（図２の矢印Ｒ方向）に振幅させることに加えて、レーザー光Ｌをターゲット６の表面に対して照射する入射角度θを調整して成膜することが好ましい。本発明の成膜装置１で上述したように、レーザー光Ｌの入射角度θを好ましい範囲として照射することにより、高特性の薄膜を形成することができる。
【００３７】
また、本発明の成膜方法では、レーザー光Ｌの出力に合わせて、レーザー光Ｌの照射位置を基材３４の幅方向（矢印Ｒ方向）に振幅させる走査速度を調整することにより、基材３４の表面上に薄膜を形成する際に、蒸着エリアにおける単位時間、単位面積当たりの成膜レート（μｍ／ｃｍ２・ｓ）を適正なレートに制御しながら成膜することが好ましい。具体的な成膜レートとしては、０．１３μｍ／ｃｍ２・ｓ以下とすることが好ましく、０．１μｍ／ｃｍ２・ｓ以下とすることがより好ましい。成膜レートが０．１３μｍ／ｃｍ２・ｓを超える場合には、レーザー光Ｌによりターゲット６の表面から叩き出され若しくは蒸発する構成粒子が不均一になり易く、基材３４に積層される薄膜の膜厚や特性が不均一となり、低特性膜となる場合がある。
本発明の成膜方法によれば、基材の表面上に薄膜を形成する際の成膜レートを０．１３μｍ／ｃｍ２・ｓ以下とすることにより、膜厚や特性分布が均一な薄膜を、長時間に亘って安定して形成することが可能となる。したがって、本発明によれば、高特性膜を優れた生産性で成膜することが可能となる。
【００３８】
なお、上述した実施形態では、図１および図２に示すように、基材３４が転向部材群１１により１８０°周回（ターン）される中間点領域に対向してターゲット６が配置される例を示したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、図５に示すように、水平に設置したターゲット６の上に転向部材群１１の回転軸を水平に設置し、基材３４の裏面が転向部材群１１に接しつつ、周回（ターン）が完了する直前または途中の領域３６に対向して、ターゲット６を配置してもよい。レーザー光発光手段５、ターゲット６、転向部材群１１および基材３４の相対的な位置関係を図５に示すように配置することによって、レーザー光Ｌが基材３４や転向部材群１１によって遮られることがなく、基材３４の幅方向（矢印Ｒ）に対してレーザー光Ｌを振幅させることができるため、形成される薄膜の幅方向において構成粒子の濃度が均一となり、膜厚や特性分布が均一な薄膜を成膜することが可能となる。また、図５に示すようにターゲット６を配置することにより、レーザー光Ｌを上述したように基材３４の幅方向（矢印Ｒ）に振幅させることに加えて、さらに、ターゲット６の表面に対するレーザー光Ｌの入射角度θを適切な角度に調整しながら、レーザー光Ｌをターゲット６に照射することも可能である。この場合、レーザー光Ｌは、転向部材群１１により周回（ターン）される基材３４の搬送領域に遮られることなく、適切な入射角度θで照射されるため、構成粒子を均一な状態・濃度で基材３４表面に堆積させることができ、高特性膜を成膜することができる。
なお、図５においては、水平に設置したターゲット６の上方に転向部材群１１があり、ターゲット６と転向部材群１１の側方からレーザー光Ｌを照射する例を示したが、転向部材群１１、ターゲット６、レーザー光発光手段５の上下関係は逆でもよく、転向部材群１１は水平配置でなくとも縦型配置でもよい。
【００３９】
本発明の成膜方法および成膜装置は、酸化物超電導膜の成膜用として、好適に用いることができる。
酸化物超電導膜を成膜する場合のターゲット６は、形成しようとする超電導膜３１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を用いることができる。酸化物超電導体としては、Ｙ１Ｂａ２Ｃｕ３Ｏｘに代表されるＲＥ１２３系の酸化物超電導体が挙げられる。酸化物超電導膜は、臨界温度が９０Ｋ以上のものが好ましい。酸化物超電導膜の厚みは、例えば１〜８μｍとすることができる。
また、基材３４としては、金属基材３２の上に、イオンビームアシストデポジション（ＩＢＡＤ）法などによって、１層又は２層以上の多結晶中間薄膜３３を形成したものが好ましい。多結晶中間薄膜３３の材質としては、Ｇｄ２Ｚｒ２Ｏ７（ＧＺＯ）、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）などが挙げられる。なかでも、立方晶系の結晶構造を有する結晶の集合した微細な結晶粒が多数相互に結晶粒界を介して接合一体化されているものが好ましい。多結晶中間薄膜３３の厚さは、例えば１μｍ程度とされる。多結晶中間薄膜３３において、各結晶粒の結晶軸のｃ軸は基材３４の表面（成膜面）に対してほぼ垂直に向けられ、各結晶粒の結晶軸のａ軸同士およびｂ軸同士は、互いに同一方向に向けて面内配向されていると、酸化物超電導膜をエピタキシャル成長させて結晶配向性に優れた薄膜を得ることができるので、好ましい。
また、本発明の成膜方法および成膜装置は、ＩＢＡＤ中間薄膜上に積層されるＣｅＯ２中間層の成膜や、そのＣｅＯ２中間層の上に積層される酸化物超電導膜の成膜などにも、好適に用いることができる。
【実施例】
【００４０】
以下、実施例をもって本発明を具体的に説明する。
【００４１】
（実施例１〜８および比較例１〜９）
実施例では、図１および図２に示す本発明の成膜装置を用い、比較例では、図４に示す成膜装置を用いて、帯状の基材上にＹ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系の酸化物超電導膜（超電導層）を成膜した。
基材としては、実施例と比較例のいずれも共通に、幅１０ｍｍ、厚さ０．１ｍｍのハステロイ（登録商標）テープ上に、ＩＢＡＤ法により、Ｇｄ２Ｚｒ２Ｏ７（ＧＺＯ）からなる厚さ１μｍの多結晶中間薄膜（中間層）を形成したものを用いた。
【００４２】
結果を表１に示す。なお、Ｉｃ（Ａ）は臨界電流、Ｊｃ（ＭＡ／ｃｍ２）は臨界電流密度を示す。また、適正温度範囲とは、超電導層を形成する際に良好な特性の膜の成膜が可能である温度領域を示す。この適正温度範囲は、成膜される超電導材料により異なるが、表１においては、Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系の酸化物超電導膜（超電導層）の成膜に適した温度（約８００℃）に対して、成膜温度を変化させて、臨界電流密度Ｊｃが１．０ＭＡ／ｃｍ２以上の特性の酸化物超電導体が得られた最高温度と最低温度との差を求め、適正温度範囲とした。
また、実施例１〜３および比較例６〜８について、超電導層の膜厚と臨界電流Ｉｃとの関係をプロットした結果を図７に示す。
【００４３】
【表１】
【００４４】
表１に示すように、比較例１〜９の成膜装置では、ターゲット上に基材が３レーンまたは５レーン並ぶように配列して成膜した。レーンの数をこれ以上増加させると、レーザー光が遮られてしまうため、ターゲットにレーザー照射することができなかった（多レーン化の問題）。一方、実施例１〜８の成膜装置では、レーザー光が基材に遮られることなく、照射位置のスキャン幅を容易に拡大することができるので、１０ｍｍ×７レーン（実施例１〜６）、１０ｍｍ×１４レーン（実施例７、８）の多レーン化が実現できた。
【００４５】
比較例５〜９の成膜装置では、レーザーの最大発振周波数である３００Ｈｚを使用すると、単位面積および単位時間当たりの蒸着粒子量が多すぎるため、超電導層の結晶配向性が低下し、表面が荒れた状態の膜が成膜されてしまい、その表面積の増大により基材表面からの熱の逃げが多くなり、基材表面の温度低下の影響が生じた。さらに、比較例の成膜装置では、成膜される基材の裏面から加熱を行っているため、基材表面まで十分に加熱ができないと考えられ、その表面温度の制御が難しくなり、成膜領域における基材の表面温度を測定し、その温度分布差を測定したところ約２０度程度のバラツキがあった。このため、適正な成膜温度範囲（適正温度範囲）が１０〜２０℃程度と狭くなり、臨界電流Ｉｃが最高でも３７０Ａで、品質の良い膜ができなかった（適正成膜温度範囲の問題）。これに対し、実施例１〜８の成膜装置では、レーザーの最大発振周波数である３００Ｈｚを使用しても、レーザーを振幅させることにより（実施例１〜６ではスキャン幅７５ｍｍ、実施例７、８ではスキャン幅１５０ｍｍ）、単位面積および単位時間当たりの蒸着粒子量を成膜に適した量とすることができ、特性や膜厚が均一な超電導層が成膜できた。また、加熱ボックスを設けたことによりターゲット等の駆動部による外乱を受けにくく、基材表面からの熱の逃げも防いで、成膜される基材表面の温度を安定して制御できるため、成膜領域における基材の表面温度を測定し、その温度分布差を測定したところ５度以内のバラツキに制御されていた。その結果、実施例１〜８では適正な成膜温度範囲（適正温度範囲）が２０〜５０℃程度と、比較例と比較して広くなり、安定した成膜が可能になった。線速が１００ｍ／ｈの例を除外すると、適正な成膜温度範囲が３０〜５０℃となり、さらに安定した成膜が可能になる。この結果より、本発明の成膜装置および成膜方法によれば、成膜される基材の表面温度を約５度以内のばらつきに制御し、均一な特性の超電導層を形成することができることは明らかである。
【００４６】
また、図７に示すように、比較例６〜８では、膜厚が小さい時の超電導特性（臨界電流Ｉｃ）は良好であるものの、膜厚が増加するに従い、成膜される基材表面への加熱がしにくくなり、積層毎の加熱温度を上昇させなければならないため、中間層と超電導層との界面反応が起こり、厚さ２μｍを超えたあたりから超電導特性が伸びなくなってしまった。これに対し、実施例１〜３では、薄膜時の超電導特性（臨界電流Ｉｃ）は比較例６よりも低いものの、加熱ボックスを設けたことにより、厚膜化しても基材表面温度が安定して保たれるために加熱温度を上昇させる必要がないのでその超電導特性は低下せず、実施例３では膜厚４．２μｍで臨界電流Ｉｃが８２０Ａと、膜厚を大きくしつつ、高特性化を達成した。
【００４７】
比較例１〜４では、比較例５〜９においてレーザーの発振周波数を３００Ｈｚとすると単位面積および単位時間当たりの蒸着粒子量が多すぎるために、特性の良好な超電導層を成膜することができなかったため、レーザーの発振周波数を１２０Ｈｚ（最大発振周波数の４０％）に抑えて成膜した。しかし、比較例１〜４では、基材の裏側（薄膜積層面とは反対側）から加熱しているため、成膜回数を増やして厚膜化を施す場合、成膜表面の温度が徐々に下がってしまい、積層ごとの温度を上げなければ成膜表面の温度を所定温度に維持できなかった。その際、弊害として中間層と超電導層との間で界面反応が進行し、内部の超電導層が反応により破壊してしまうため、結果として線速を抑えたまま成膜回数を増やして膜厚を大きくしたとしても、臨界電流Ｉｃが７３８Ａ、臨界電流密度Ｊｃが１．８ＭＡ／ｃｍ２の膜が限界であった（比較例４）。また、比較例１〜４では、厚膜化（１．１μｍから４．１μｍ）するに従って、基材表面への加熱が十分でなくなり、基材表面温度の制御が難しくなるため、適正温度範囲が狭くなり（４０℃から１０℃）、超電導特性である臨界電流密度Ｊｃも１．１μｍの薄膜の場合（比較例１）には３．５ＭＡ／ｃｍ２と高特性であったが、膜厚を大きくするにしたがって特性が低下し、比較例４の膜厚４．１μｍの場合には、Ｊｃが１．８ＭＡ／ｃｍ２まで低下してしまった。なお、適正温度範囲が１０℃と狭い場合には、基材表面温度の制御が難しい従来の装置では、これ以上の厚膜化は現実的に不可能である。
一方、実施例では膜厚を大きくしてもその超電導特性は低下せず、実施例３では臨界電流Ｉｃが８２０Ａ、臨界電流密度Ｊｃが２．０ＭＡ／ｃｍ２、実施例８では臨界電流Ｉｃが９８０Ａ、臨界電流密度Ｊｃが２．４ＭＡ／ｃｍ２の試料が得られた。実施例の成膜装置では、成膜温度（加熱ボックス内部の温度）を８００℃とし、加熱ボックスの外部では基材の温度を最も温度の低い部分で約２００度まで低下させて、成膜時の加熱と成膜後の冷却を繰り返して積層を行ったことにより、中間層と超電導層との界面反応を抑制しながら膜厚を大きくすることを行った。その結果、実施例８では膜厚４．１μｍで、臨界電流密度Ｊｃが２．４ＭＡ／ｃｍ２、臨界電流Ｉｃが９８０Ａの線材作製に成功した。
【００４８】
さらに、実施例３と比較例４とを比較すると、比較例４では４．１μｍの厚い膜が成膜できてはいるものの、レーザー発振周波数が１２０Ｈｚであるために成膜レートが遅く、線速４０ｍ／ｈで成膜回数を１０回必要とした。これに対し、実施例３では、線速４０ｍ／ｈで成膜回数６回で４．２μｍの厚い膜が成膜できていることから、比較例４よりも良好な生産性で厚い膜を成膜できることが明らかである。また、線速および成膜回数が同一の実施例３と比較例２とを比較すると、実施例３では４．２μｍの厚い膜が成膜できているが、比較例２では２．４μｍの膜しか成膜できておらず、この結果よりも、本発明に係る成膜装置および成膜方法によれば、従来の成膜装置と比較して生産性を向上させることができることが明らかである。
【００４９】
また、長尺線材の作製を考慮した場合、レーザー発振器の連続発振時間や、ターゲットの長時間使用によるターゲット表面荒れに起因するプルームの不安定化等により、連続成膜時間に制限が生じる。このため、できるだけ速い線速で成膜する必要がある。しかしながら、比較例の成膜装置で線速を４０ｍ／ｈから６０ｍ／ｈに速めて成膜すると（比較例９）、ヒーターで加熱された基台との接触により基材表面の温度を維持しているために、線速増加に伴う加熱時間の短縮により加熱が不十分となり、臨界電流Ｉｃが１４０Ａと、高特性膜を形成することができなかった（高線速化の問題）。これに対し、実施例の成膜装置では、線速８０ｍ／ｈまでは安定した温度で成膜が可能であり、線速８０ｍ／ｈでも３５０Ａに近いＩｃ値の線材作製が可能であった（実施例５）。また、実施例６では１００ｍ／ｈでも、Ｉｃが３４３Ａ、Ｊｃが２．１ＭＡ／ｃｍ２の優れた値を示している。
【００５０】
（実施例９〜１６）
図１に示すような本発明の成膜装置を用い、レーザー光の照射をターゲット表面に対する入射角度を変化させて、帯状の基材（テープ幅１０ｍｍ）上にＹ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系の酸化物超電導体薄膜を形成した。なお、基材として、上記実施例１〜８と同じ構成のものを用いた。
形成した酸化物超電導体薄膜について、レーザー入射角度、レーザー光のスポットサイズ、膜厚、臨界電流（Ｉｃ）、臨界電流密度（Ｊｃ）を表２に示す。なお、レーン数：７、スキャン幅：７５ｍｍ、基材の搬送速度（作製速度）：２０ｍ／ｈ、レーザー出力：１８０Ｗ（１パルスエネルギー約４００ｍＪ）として、成膜を行った。
【００５１】
【表２】
【００５２】
表２に示したように、レーザー入射角度θに応じてターゲット表面に照射されるレーザー光のスポットサイズは変化する。レーザー入射角度θが９０°の場合にスポットサイズが最小となり、ターゲット表面に照射されるレーザー光のエネルギー密度が大きくなると考えられるが、装置の構造上、レーザー光の照射光路がレーンに遮られる為、実際には不可能である。表２の結果より、本発明の成膜装置及び成膜方法では、レーザー入射角度が４０°以上、６０°以下の場合に優れた特性の薄膜が形成されている。中でも、レーザー入射角度が４０°以上、５０°以下の場合（実施例１２〜１４）には、膜厚が１．６μｍ以上で、臨界電流密度Ｊｃが３．０ＭＡ／ｃｍ２以上の高特性膜を形成することができている。レーザー入射角度が４０°未満の場合には、ターゲットに照射されるレーザー光のスポットサイズが大きくなるため、高特性の薄膜形成に必要なエネルギー密度の閾値を下回ってしまい、形成される薄膜の膜厚が減少し、臨界電流密度Ｊｃも低くなってしまう。
以上により、本発明の成膜方法及び成膜装置を用いることにより、高特性の薄膜を形成することが可能となる。また、帯状で広幅の基材を用いることにより、構成粒子の収率を著しく向上させることもできる。その結果、優れた特性の薄膜を良好な生産性で成膜することが可能となる。
【００５３】
（実施例１７〜２２および比較例１０、１１）
図１に示すような本発明の成膜装置を用い、蒸着エリアにおける単位時間、単位面積当たりの成膜レート（μ／ｃｍ２・ｓ）を変化させて、帯状の基材（テープ幅１０ｍｍ）上にＹ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系の酸化物超電導体薄膜を形成した。なお、基材として、上記実施例１〜８と同じ構成のものを用いた。
形成した酸化物超電導体薄膜について、レーザー出力、レーザー走査、成膜レート、膜厚、臨界電流（Ｉｃ）、臨界電流密度（Ｊｃ）を表３に示す。ここで、表３におけるレーザー走査としては、１倍エリアは４ｃｍ２を示す。なお、レーン数：７、基材の搬送速度（作製速度）：２０ｍ／ｈ、レーザーの１パルスエネルギー：約４００ｍＪとして、成膜を行った。また、比較例１０、１１として、図４に示すような成膜装置を用い、レーザー走査を行わない例を示した。
【００５４】
【表３】
【００５５】
表３の結果より、レーザー走査を行わない比較例１０および１１では、成膜レートが高くなり、基材の幅方向の膜厚も均一とすることができないため、臨界電流密度Ｊｃが１．５ＭＡ／ｃｍ２以下の低い特性の薄膜となっている。一方、本発明のレーザー走査を行う成膜装置および成膜方法では、高特性の薄膜が成膜されている。中でも、成膜レートを０．１３μｍ／ｃｍ２・ｓ以下、より好ましくは０．１μｍ／ｃｍ２・ｓ以下であって、０．０６〜０．０２μｍ／ｃｍ２・ｓの範囲とした場合（実施例１８〜２０、２２）は、いずれも臨界電流密度Ｊｃが３．０ＭＡ／ｃｍ２以上の高特性の薄膜を成膜することができている。また、本発明の成膜装置および成膜方法によれば、レーザー出力が大きい場合にも、レーザー走査速度を上げて成膜レートを０．１３μｍ／ｃｍ２・ｓ以下、より好ましくは０．１μｍ／ｃｍ２・ｓ以下に制御することが可能であるため、高特性膜を長時間に亘って安定して成膜することができる。さらに、帯状で広幅の基材を用いることにより、構成粒子の収率を著しく向上させることもできる。その結果、優れた特性の薄膜を良好な生産性で成膜することが可能となる。
【００５６】
以上、本発明の成膜方法及び成膜装置について説明してきたが、本発明は上記の例に限定されるものではなく、必要に応じて適宜変更が可能である。
上述した実施例では、酸化物超電導体薄膜を形成する場合について、本発明の成膜方法及び成膜装置を適用した例を詳述したが、例えば、ＩＢＡＤ中間薄膜上にＣｅＯ２ 中間層を形成し、次いで酸化物超電導体薄膜を形成する場合においては、本発明の成膜方法及び成膜装置をＣｅＯ２ 中間層の形成にも使用することが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００５７】
本発明は、レーザー光をターゲットに照射して、このターゲットの構成粒子を叩き出し若しくは蒸発させ、この構成粒子を帯状の基材上に堆積させることにより薄膜を形成する成膜方法及び成膜装置に広く適用可能である。
【符号の説明】
【００５８】
Ｌ…レーザー光、１…成膜装置、２…処理容器、５…レーザー光発光手段、６…ターゲット、７…プルーム、１０…搬送手段、１１…転向部材群、１１ａ〜１１ｇ…転向部材、２０…加熱ボックス、２５…ヒーター、３１…薄膜（酸化物超電導膜）、３４…基材、３５…基材の転向部材によって移動方向が転向した部分。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザー光によってターゲットから叩き出され若しくは蒸発した構成粒子を帯状の基材の表面上に堆積させ、前記基材の表面上に薄膜を形成する成膜方法であって、
前記基材の移動方向を転向させる転向部材を囲んで加熱ボックスを設けるとともに、前記転向部材に接した状態にある前記基材の表面に対向するようにターゲットを配し、
前記転向部材に前記基材の裏面が接しつつ、前記基材を長手方向に移動させた状態で、前記加熱ボックスの中を均等加熱するヒーターにより、前記基材を加熱し、前記ターゲットに前記レーザー光を照射する位置を、前記基材の幅方向と同じ方向に振幅させ、前記基材を前記構成粒子の堆積領域内を通過させることにより、前記基材の表面上に前記構成粒子を堆積させて、前記基材の表面上に薄膜を形成することを特徴とする成膜方法。
【請求項２】
前記転向部材は、前記帯状の基材の幅に応じた軸方向の長さを有することを特徴とする請求項１に記載の成膜方法。
【請求項３】
前記構成粒子の堆積領域と、その領域に位置する転向部材と、その転向部材に巻回された基材とを囲むように前記加熱ボックスを設け、その加熱ボックス内で前記基材を加熱することを特徴とする請求項１または２記載の成膜方法。
【請求項４】
前記構成粒子の堆積領域内を通過する前記基材の表面温度のバラツキを５度以内とすることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の成膜方法。
【請求項５】
レーザー光によってターゲットから叩き出され若しくは蒸発した構成粒子を帯状の基材の表面上に堆積させ、前記基材の表面上に薄膜を形成する成膜装置であって、
前記基材の移動方向を転向させる転向部材と、
前記転向部材によって移動方向が転向した状態にある基材を、その長手方向に搬送する搬送手段と、
前記転向部材に接した状態にある前記基材の表面に対向するように配されたターゲットと、
前記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、
前記転向部材を囲んで設けられた加熱ボックスと、
前記加熱ボックスの中を均等加熱するヒーターと、
を少なくとも備え、
前記加熱ボックスは、前記ヒーターにより、前記基材を加熱するものであり、
前記レーザー光発光手段は、前記ターゲットに前記レーザー光を照射する位置を、前記基材の幅方向と同じ方向に振幅させるものであることを特徴とする成膜装置。
【請求項６】
前記転向部材は、前記帯状の基材の幅に応じた軸方向の長さを有することを特徴とする請求項５に記載の成膜装置。
【請求項７】
前記加熱ボックスが、前記構成粒子の堆積領域と、その領域に位置する転向部材と、その転向部材に巻回された基材とを囲むように設けられていることを特徴とする請求項５または６に記載の成膜装置。
【請求項８】
前記ヒーターにより前記加熱ボックス中の温度を制御して、前記ターゲットに対向する前記基材の表面温度のバラツキを５度以内に制御することを特徴とする請求項５〜７のいずれか一項に記載の成膜装置。
【請求項９】
前記ヒーターが、前記加熱ボックスに配されていることを特徴とする請求項５〜８のいずれか一項に記載の成膜装置。
【請求項１０】
酸化物超電導膜の成膜用であることを特徴とする請求項５〜９のいずれか一項に記載の成膜装置。
【請求項１】
レーザー光によってターゲットから叩き出され若しくは蒸発した構成粒子を帯状の基材の表面上に堆積させ、前記基材の表面上に薄膜を形成する成膜方法であって、
前記基材の移動方向を転向させる転向部材を囲んで加熱ボックスを設けるとともに、前記転向部材に接した状態にある前記基材の表面に対向するようにターゲットを配し、
前記転向部材に前記基材の裏面が接しつつ、前記基材を長手方向に移動させた状態で、前記加熱ボックスの中を均等加熱するヒーターにより、前記基材を加熱し、前記ターゲットに前記レーザー光を照射する位置を、前記基材の幅方向と同じ方向に振幅させ、前記基材を前記構成粒子の堆積領域内を通過させることにより、前記基材の表面上に前記構成粒子を堆積させて、前記基材の表面上に薄膜を形成することを特徴とする成膜方法。
【請求項２】
前記転向部材は、前記帯状の基材の幅に応じた軸方向の長さを有することを特徴とする請求項１に記載の成膜方法。
【請求項３】
前記構成粒子の堆積領域と、その領域に位置する転向部材と、その転向部材に巻回された基材とを囲むように前記加熱ボックスを設け、その加熱ボックス内で前記基材を加熱することを特徴とする請求項１または２記載の成膜方法。
【請求項４】
前記構成粒子の堆積領域内を通過する前記基材の表面温度のバラツキを５度以内とすることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の成膜方法。
【請求項５】
レーザー光によってターゲットから叩き出され若しくは蒸発した構成粒子を帯状の基材の表面上に堆積させ、前記基材の表面上に薄膜を形成する成膜装置であって、
前記基材の移動方向を転向させる転向部材と、
前記転向部材によって移動方向が転向した状態にある基材を、その長手方向に搬送する搬送手段と、
前記転向部材に接した状態にある前記基材の表面に対向するように配されたターゲットと、
前記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、
前記転向部材を囲んで設けられた加熱ボックスと、
前記加熱ボックスの中を均等加熱するヒーターと、
を少なくとも備え、
前記加熱ボックスは、前記ヒーターにより、前記基材を加熱するものであり、
前記レーザー光発光手段は、前記ターゲットに前記レーザー光を照射する位置を、前記基材の幅方向と同じ方向に振幅させるものであることを特徴とする成膜装置。
【請求項６】
前記転向部材は、前記帯状の基材の幅に応じた軸方向の長さを有することを特徴とする請求項５に記載の成膜装置。
【請求項７】
前記加熱ボックスが、前記構成粒子の堆積領域と、その領域に位置する転向部材と、その転向部材に巻回された基材とを囲むように設けられていることを特徴とする請求項５または６に記載の成膜装置。
【請求項８】
前記ヒーターにより前記加熱ボックス中の温度を制御して、前記ターゲットに対向する前記基材の表面温度のバラツキを５度以内に制御することを特徴とする請求項５〜７のいずれか一項に記載の成膜装置。
【請求項９】
前記ヒーターが、前記加熱ボックスに配されていることを特徴とする請求項５〜８のいずれか一項に記載の成膜装置。
【請求項１０】
酸化物超電導膜の成膜用であることを特徴とする請求項５〜９のいずれか一項に記載の成膜装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１０−１２１２０５（Ｐ２０１０−１２１２０５Ａ）
【公開日】平成２２年６月３日（２０１０．６．３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２０５２２９（Ｐ２００９−２０５２２９）
【出願日】平成２１年９月４日（２００９．９．４）
【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２２年６月３日（２０１０．６．３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年９月４日（２００９．９．４）
【出願人】（０００００５１８６）株式会社フジクラ (4,463)
【Ｆターム（参考）】
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