成膜方法及び成膜装置
【課題】帯状の基材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でき、構成粒子の収率及び生産性の向上を図ることが可能な成膜方法を提供する。
【解決手段】成膜方法は、レーザ光Ｌをターゲット６の表面に照射して、このターゲット６の構成粒子６Ａを叩き出し若しくは蒸発させ、この構成粒子６Ａ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であって、前記レーザ光Ｌが前記ターゲット６の表面に照射する位置を、前記基材の幅方向と同じ方向に振幅させ、前記基材を、転向部材に該基材の裏面が接しつつ長手方向に移動する状態として、前記構成粒子６Ａ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６Ａを堆積させ、前記基材の表面上に薄膜を形成する。
【解決手段】成膜方法は、レーザ光Ｌをターゲット６の表面に照射して、このターゲット６の構成粒子６Ａを叩き出し若しくは蒸発させ、この構成粒子６Ａ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であって、前記レーザ光Ｌが前記ターゲット６の表面に照射する位置を、前記基材の幅方向と同じ方向に振幅させ、前記基材を、転向部材に該基材の裏面が接しつつ長手方向に移動する状態として、前記構成粒子６Ａ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６Ａを堆積させ、前記基材の表面上に薄膜を形成する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、成膜方法及び成膜装置に係り、更に詳しくは、レーザ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、この構成粒子を基材上に堆積させることにより、酸化物超電導体薄膜等の薄膜を形成する際に好適に用いられ、特に、収率と生産性の向上を図ることが可能な成膜方法及び成膜装置に関するものである。
【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）などの多結晶中間薄膜を形成し、この多結晶中間薄膜上に、臨界温度が約９０Ｋで、液体窒素（７７Ｋ）での磁場特性がＢｉ系の酸化物超電導体より優れ、安定性にも優れたＹ１Ｂａ２Ｃｕ３Ｏｘ系の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には、レーザ蒸着法による成膜方法が採用されている。
【０００３】
ところで、従来のレーザ蒸着法による成膜方法では、ターゲットから叩き出された構成粒子の飛行する領域（プルーム）内に、テープ状の基材を走行させる構成であるから、プルームの中心部が成膜に利用されるだけで、大部分が無駄になってしまうという問題点があった。例えば、プルームの収率は、基材の幅にもよるが、１レーンの場合、概ね５％程度と非常に低く、生産性が低下し、製造コストが高くなる要因になっていた。
そこで、プルーム全体を有効利用することができるレーザ蒸着法による成膜方法として、基材をプルーム内を複数回通過させる方法等が提案されている。
【０００４】
図４は、従来のレーザ蒸着法により酸化物超電導体の薄膜を形成するためのレーザ蒸着装置（成膜装置）の一例を示す図である（例えば、特許文献１参照）。
このレーザ蒸着装置は、基材の上に多結晶中間薄膜が形成されたテープ状の薄膜積層体６０を巻回し複数列とした状態で搬送する搬送装置（搬送手段）４２と、この搬送装置４２内に巻回により複数列とされた薄膜積層体６０を支持する箱状の基板ホルダ（基台）４３と、この基板ホルダ４３内に複数列とした薄膜積層体６０を加熱するための螺旋状のヒータ（加熱手段）と、薄膜積層体６０と対向して配されたターゲット５７と、ターゲット５７にエキシマレーザ等のレーザ光Ｌを照射するレーザ光発光手段５３とにより構成されている。
【０００５】
搬送装置４２は、薄膜積層体６０を巻回するリール（巻回部材）５１ａ〜５１ｇを複数個（図４では７個）同軸的に配列したリール群（巻回部材群）５１と、同様の構造のリール（巻回部材）５２ａ〜５２ｇを複数個（図４では７個）同軸的に配列したリール群（巻回部材群）５２とが、各側面が互いに対向するように配置され、リール群５１の外側には薄膜積層体６０を送り出すための送出装置５５が設けられ、リール群５２の外側には薄膜積層体６０を巻き取るための巻取装置５６が設けられ、これらリール群５１、５２、送出装置５５及び巻取装置５６を駆動装置（図示せず）により互いに同期して駆動させることにより、送出装置５５から所定の速度で送り出された薄膜積層体６０がリール群５１、５２を周回し、巻取装置５６に巻き取られるようになっている。
【０００６】
レーザ光発光手段５３は、レーザ発光部としてエキシマレーザ５３ａ（５３ｂ、５３ｃ）を有し、レーザ発光部５３ａ（５３ｂ、５３ｃ）から発光したレーザ光Ｌａ（Ｌｂ、Ｌｃ）をターゲット５７に照射するようになっている。
【０００７】
ターゲット５７の組成は、成膜しようとする酸化物超電導体の組成と同等か近似する組成のものであって、例えば、Ｙ１Ｂａ２Ｃｕ３Ｏｘ系の酸化物超電導体材料を焼成してなる酸化物超電導体焼結体が用いられる。
【０００８】
ターゲット５７では、その表面にレーザ光Ｌが所定の角度で照射されると、このレーザ光８によって叩き出されるターゲット５７の構成粒子は、薄膜積層体６０に向かう放射状のプルーム５８となり、このプルーム５８により、薄膜積層体６０の多結晶中間薄膜上にＹ１Ｂａ２Ｃｕ３Ｏｘ系の酸化物超電導体薄膜が堆積される。
【０００９】
このレーザ蒸着装置によれば、薄膜積層体６０をプルーム５８内を複数回通過させて、このプルーム５８内を通過する毎に酸化物超電導体からなる薄膜を順次成膜することにより、薄膜積層体６０上に積層構造の酸化物超電導体薄膜を成膜するので、プルーム５８全体を有効利用することができ、プルーム５８の収率を大幅に向上させることができる。
【００１０】
しかしながら、上述したような従来装置では、基材が移動するレーンが複数並ぶ方向にレーザ光を振幅させようとすると、レーンによってレーザ光が遮られるため、レーン方向へのレーザ走査距離を長く取ることは難しく、また、幅広いレーンや、レーンの数を多くとることが難しかった。さらに、レーンが並ぶ方向への走査範囲を広げる場合、レーザ光発光手段から遠い側のターゲットにレーザ光照射を行うには、ターゲット表面に対するレーザ光の入射角度を浅くする必要があった。この場合、レーザ光発光手段との位置関係により、ターゲットに対するレーザ光の入射角度の大きい領域と入射角度の小さい領域で、レーザ光の収束するスポットエリアの面積（スポットサイズ）が異なり、スポットサイズの差異に応じてレーザエネルギー密度が異なるため、各レーンでの構成粒子濃度の不均一が生じることになる。このため、幅方向に膜厚分布が生じ、ひいては超電導特性（例えば臨界電流密度Ｊｃ）のバラツキを生じやすかった。このような基材の幅方向の膜厚分布が生じるのを防ぐためには、ターゲット表面に対するレーザ光の入射角度を制御することも可能であるが、この場合には、成膜に適正な入射角度が制限されてしまうため、幅広いレーンや、レーンの数を多く取ることは難しい。
また、一般に蒸着膜の特性を上げるためには、構成粒子を広い範囲に均一に分配し、蒸着面積当たりの成膜レートを落としてやる必要がある。したがって、従来方式では蒸着面積が狭いため、低出力レーザで使用すれば、高特性を得られるが、高出力レーザを用いると特性が悪くなり、Ｉｃ〜３００Ａの線材を作製するのに、１８ｍ／ｈを要していた。また、レーン間での隙間の取りこぼしを生じるため、構成粒子の収率が下がり、これも成膜速度を低下させる要因となっていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００４−２６３２２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明は、帯状の基材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でき、構成粒子の収率及び生産性の向上を図ることが可能な成膜方法を提供することを第一の目的とする。
また、本発明は、このような従来の実情に鑑みてなされたものであり、帯状の基材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でき、構成粒子の収率及び生産性の向上を図ることが可能な成膜装置を提供することを第二の目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の成膜方法は、レーザ光をターゲットの表面に照射して、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であって、前記レーザ光が前記ターゲットの表面に照射する位置を、前記基材の幅方向と同じ方向に振幅させ、前記基材を、転向部材に該基材の裏面が接しつつ長手方向に移動する状態として、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、前記基材の表面上に薄膜を形成することを特徴とする。
本発明の成膜方法は、前記帯状の基材として、前記転向部材の軸方向の長さに応じた広幅を有するものを用いることが好ましい。
【００１４】
本発明の成膜方法は、前記レーザ光を前記ターゲットの表面に対して４０°以上、６０°以下の入射角度で照射することが好ましい。
本発明の成膜方法は、前記レーザ光を前記ターゲットの表面に対して４０°以上、５０°以下の入射角度で照射することがより好ましい。
本発明の成膜方法は、前記基材の表面上に前記構成粒子を堆積させ、前記基材の表面上に薄膜を形成する際の成膜レートを０．１μｍ／ｃｍ２・ｓ以下とすることが好ましい。
【００１５】
本発明の成膜装置は、帯状の基材を収容する処理容器と、前記処理容器内において、前記基材の裏面と接して該基材の移動方向を変える転向部材と、前記転向部材に接した状態にある基材を、その長手方向に移動させる搬送手段と、前記処理容器内において、前記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配されたターゲットと、前記ターゲットにレーザ光を照射するレーザ光発光手段と、を少なくとも備え、前記レーザ光発光手段は、前記レーザ光が前記ターゲットの表面に照射する位置を、前記基材の幅方向と同じ方向に振幅させる手段を有することを特徴とする。
本発明の成膜装置は、前記レーザ光発光手段が、前記レーザ光を前記ターゲットの表面に対して照射する入射角度を調整する手段を有することが好ましい。
本発明の成膜装置は、前記転向部材内に配された加熱手段を有することが好ましい。
本発明の成膜装置は、前記処理容器内において、前記転向部材を内在させる囲み部材を、さらに備えることが好ましい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の成膜方法によれば、基材を、転向部材に該基材の裏面が接しつつ長手方向に移動する状態として、前記構成粒子の堆積領域内を通過させることにより、蒸着の際に広く均一な低レート蒸着領域が得られるようになる。また、基材の幅方向に対してレーザ光を振幅させることで、幅方向への長いレーザ走査が可能になるとともに、幅方向において構成粒子の濃度が均一になる。その結果、幅方向において膜厚や特性分布が均一になされた薄膜を、長時間に亘って安定して形成することが可能となる。また、構成粒子の収率についても向上が図れる。したがって、本発明は、優れた生産性を実現する成膜方法をもたらす。
本発明の成膜方法によれば、基材の幅方向に対してレーザ光を振幅させるので、帯状の基材として、転向部材の軸方向の長さに応じた広幅を有するものを用いることにより、幅方向において膜厚や特性分布が均一な薄膜を、レーン間での蒸着粒子の取りこぼしを防いで構成粒子の収率を向上させて、優れた生産性で成膜することが可能となる。
本発明の成膜方法によれば、レーザ光をターゲットの表面に対して適正な入射角度で照射することにより、ターゲットから叩き出され若しくは蒸発される構成粒子を均一な状態・濃度で基材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。
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０．１μｍ／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。
【００１７】
本発明の成膜装置によれば、転向部材に該基材の裏面が接した基材と対向するようにターゲットを配することで、レーンによってレーザ光が遮られることがなく、基材の幅方向に対してレーザ光を振幅させることが可能になる。これにより幅方向において構成粒子の濃度が均一になる。その結果、幅方向において膜厚や特性分布が均一になされた薄膜を形成することが可能となる。また、構成粒子の収率についても向上させることができる。その結果、本発明では、生産性を向上させることが可能な成膜装置を実現することができる。
本発明の成膜装置によれば、レーザ光をターゲットの表面に対して照射する入射角度を調整する手段を有することにより、レーザ光をターゲットの表面に対して適正な入射角度で照射することが可能となる。したがって、本発明によれば、高特性膜を成膜可能な成膜装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明に係る成膜装置を用いて形成された酸化物超電導体薄膜を示す概略断面図である。
【図２】本発明に係る成膜装置の位置構成例を示す概略断面図である。
【図３】図２に示した成膜装置の要部を抜き出して示す概略斜視図である。
【図４】従来の成膜装置の要部を抜き出して示す概略斜視図である。
【図５】本発明に係る成膜装置の他例の要部を抜き出して示す概略斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明に係る成膜方法及び成膜装置の一実施形態を図面に基づいて説明する。
【００２０】
本発明の成膜方法及び成膜装置の一実施形態について図面に基づき説明する。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。
【００２１】
図１は、本発明に係る成膜装置を用いて作製された積層構造の酸化物超電導体薄膜を示す断面図であり、この積層構造の酸化物超電導体薄膜３１は、金属テープ状（帯状）の基材３２上にイオンビームアシストスパッタリング法等によりＧＺＯ（Ｇｄ２Ｚｒ２Ｏ７ ）やＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）の多結晶中間薄膜３３が形成されてなる薄膜積層体３４上に形成されている。
【００２２】
この積層構造の酸化物超電導体薄膜３１は、Ｙ１Ｂａ２Ｃｕ３Ｏｘに代表されるＲＥ１２３系の酸化物超電導体等からなり、臨界温度（Ｔｃ）が９０Ｋあるいはそれ以上の酸化物超電導体の薄膜である。また、酸化物超電導体薄膜３１は、単層構造でもよいし、複数層を積層してなる積層構造であってもよい。
【００２３】
この薄膜３１の厚みは１〜３μｍ程度が好ましく、しかも各層の面内均一性が極めて優れたものとなっている。この酸化物超電導体薄膜３１では、この薄膜３１の各層の結晶のｃ軸とａ軸とｂ軸は、多結晶中間薄膜３３の結晶に整合するようにエピタキシャル成長して結晶化しており、結晶配向性が優れたものとなっている。
【００２４】
基材３２としては、ステンレス鋼、銅、ハステロイ等のニッケル合金等、各種金属材料から適宜選択される長尺の金属テープが好適に用いられ、その厚さは０．１ｍｍ程度が好ましい。
【００２５】
なお、具体的には後述するように、本発明の成膜装置及び成膜方法は、特に、基材３２が、例えば円柱状や半円柱状をなす転向部材１１の軸方向の長さに応じた広幅を有するような場合に、幅方向において膜厚や特性が均一な薄膜（酸化物超電導体薄膜３１）を成膜できるという、本発明の効果をより良く発揮することができ特に好適であるが、本発明はこれに限定されず、基材が転向部材１１の軸方向の長さに対して狭幅を有するような場合であっても適用可能である。
【００２６】
多結晶中間薄膜３３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）等からなり、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なるものが好適に用いられ、その厚さは１μｍ程度とされる。各結晶粒の結晶軸のｃ軸は基材３２の上面（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られて面内配向されている。このような面内配向を実現するためには、成膜法としてＩＢＡＤ（Ion Beam Assisted Deposition）法が用いられる。
【００２７】
図２は、上記の酸化物超電導体薄膜３１を成膜するための成膜装置（レーザ蒸着装置）を示す概略断面図である。また、図３は、図２に示す成膜装置において、要部を抜き出して示す概略斜視図である。
本発明の成膜装置１は、帯状の薄膜積層体３４（基材）を収容する処理容器２と、処理容器２内において、薄膜積層体３４（基材）の裏面と接して該基材の移動方向を変える転向部材１１と、転向部材１１に接した状態にある薄膜積層体３４を、その長手方向に移動させる搬送手段１０と、処理容器２内において、転向部材１１に接した状態にある薄膜積層体３４の表面に対向するように配されたターゲット６と、ターゲット６にレーザ光Ｌを照射するレーザ光発光手段５と、を少なくとも備える。レーザ光発光手段５は、レーザ光Ｌがターゲット６の表面に照射する位置を、薄膜積層体３４（基材）の幅方向と同じ方向に振幅させる手段（不図示）を有する。また、レーザ光発光手段５は、レーザ光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）を有することが好ましい。
本発明の成膜装置１は、さらに前記転向部材１１内に配されたヒータ１４（加熱手段）を具備している。図２では、ヒータ１４（加熱手段）が転向部材１１に配された例を示しているが、本発明の成膜装置１はこれに限定されず、成膜される基材表面を加熱することができれば、ヒータ１４（加熱手段）は転向部材１１の外部あるいは内外部の両方に配設されていても良い。
また、図２には、レーザ光発光手段５が処理容器２の内部にある構成例を示しているが、例えば処理容器２にレーザ光を透過する窓を設けることにより、レーザ光発光手段５を処理容器２の外部に配置してもよい。
【００２８】
そして本発明の成膜装置１は、転向部材１１内に配されたヒータ１４により薄膜積層体３４の裏面から加熱し、薄膜積層体３４の温度を制御しつつ、レーザ光発光手段５は、レーザ光Ｌがターゲット６の表面に照射する位置を、薄膜積層体３４の幅方向と同じ方向（図３の矢印Ｒ方向）に入射角度θを維持したまま振幅させる手段（不図示）により、その振幅に応じて変化させることにより、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６Ａを薄膜積層体３４上に堆積させて薄膜を形成することを特徴とする。
【００２９】
本発明の成膜装置１によれば、転向部材１１に接した状態にある薄膜積層体３４と対向するようにターゲット６を配することで、レーンによってレーザ光Ｌが遮られることがなく、薄膜積層体３４の幅方向に対してレーザ光Ｌを振幅させることが可能になる（図３参照）。これにより幅方向において構成粒子６Ａの濃度が均一になる。その結果、幅方向において膜厚や特性分布が均一になされた薄膜を形成することが可能となる。また、構成粒子６Ａの収率を大幅に向上させることができるため、生産性を向上させることが可能である。
【００３０】
また、本発明の成膜装置１は、レーザ光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、ターゲット６に照射されるレーザ光Ｌの入射角度θを調整することができる。レーザ光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、レーザ光発光手段５から出射したレーザ光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虞がある。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６Ａのプルーム７が放射状に広がり易くなるため、薄膜積層体３４（基材）表面に堆積される構成粒子６Ａ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虞がある。
なお、レーザ光発光手段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。
【００３１】
処理容器２には、排気口３を介して真空排気手段４が接続され、この真空排気手段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。
【００３２】
搬送手段１０は、処理容器２内において、転向部材１１に接した状態にある薄膜積層体３４を、その長手方向に移動させる。
搬送手段１０は、薄膜積層体３４（基材）の裏面と接して薄膜積層体３４の移動方向を変える転向部材１１と、転向部材１１の一方側に設けられ薄膜積層体３４を送り出すための送出手段１２と、転向部材１１の他方側に設けられ薄膜積層体３４を巻き取るための巻取手段１３と、を有する。
図２や図３に示すように、円柱状をなす転向部材１１を用いた場合には、転向部材１１、送出手段１２及び巻取手段１３を駆動手段（図示せず）により互いに同期して駆動させることにより、送出手段１２から所定の速度で送り出された薄膜積層体３４が転向部材１１を周回し、巻取手段１３に巻き取られるようになっている。
また、転向部材１１の内部には薄膜積層体３４を加熱するためのヒータ１４（加熱手段）が内蔵されていることが好ましく、転向部材１１に接する薄膜積層体３４を所定の温度に保持するようになっている。ヒータ１４としては、例えば通電式の加熱ヒータが挙げられる。
【００３３】
図２には、薄膜積層体３４が転向部材１１を周回（ターン）する角度の一例として、１８０°の場合を示しているが、周回する角度は９０°〜１８０°の範囲であればよい。９０°を下回ると転向部材１１との接触が少なくなるので、温度が不安定になり好ましくない。９０°〜１８０°の範囲であっても、周回する角度は大きいほどよい。この角度が大きければ、転向部材１１と接触している薄膜積層体３４の長手方向の部位がより長くなるので、薄膜積層体３４の表面温度をより安定した状態で成膜を行うことができる。
なお、転向部材１１により薄膜積層体３４を周回（ターン）させるとともに、転向部材１１に内蔵されたヒータ１４で薄膜積層体３４を加熱するためには、転向部材１１が必ずしも自転しなくてもよい。転向部材１１が自転せず国定される構成とした場合には、円柱状に代えて、例えば半円柱状をなす転向部材１１を用いても構わない。
【００３４】
処理容器２内において、転向部材１１を内在させる箱状の囲み部材２０を、さらに備えていることが好ましい。囲み部材２０の存在により、転向部材１１は制限された空間内に配置されることになる。この配置は、転向部材１１に接した状態にある薄膜積層体３４の温度を、より変動が少ない状態に保つことに寄与する。すなわち、後述する酸化物超電導体薄膜の形成時における薄膜積層体３４の温度が、厳密に所定の温度に管理できる。
その結果、帯状の薄膜積層体３４上に形成された酸化物超電導体薄膜が、その長手方向に亘って安定した諸特性を有することが可能となる。
【００３５】
囲み部材２０の側壁部２０ａには、レーザ光Ｌを取り込むための第一の窓２１が設けられている。また、囲み部材２０の底面部２０ｂには、レーザ光Ｌをターゲット６に照射させるとともに、レーザ光Ｌによって叩き出されたターゲット６の構成粒子６Ａを薄膜積層体３４まで行き渡らせるための第二の窓２２が設けられている。さらに、また、囲み部材２０の底面部２０ｂには、長手方向に移動する薄膜積層体３４を通すための第三の窓２３及び第四の窓２４が設けられている。
【００３６】
ターゲット６は、処理容器２内において、転向部材１１に接しつつ、長手方向に移動する状態にある薄膜積層体３４に対向するように配される。
このターゲット６には、レーザ発光部を構成するエキシマレーザによりレーザ光Ｌが照射されるようになっている。
ターゲット６を、転向部材１１に接した状態にある薄膜積層体３４と対向するように配することで、従来のようにレーンによってレーザ光Ｌが遮られることがなく、後述するように薄膜積層体３４の幅方向に対してレーザ光Ｌを振幅させることが可能になる。
【００３７】
図２に示すように、ターゲット６の表面にレーザ光Ｌが所定の入射角度θで照射された場合に、このレーザ光Ｌによって叩き出されるターゲット６の構成粒子６Ａにより薄膜積層体３４に向かう放射状のプルーム７が形成され、このプルーム７により、薄膜積層体３４上に酸化物超電導体薄膜が形成されるようになっている。
【００３８】
このターゲット６は、臨界温度（Ｔｃ）が９０Ｋあるいはそれ以上の酸化物超電導体薄膜３１を形成するために用いられるもので、この酸化物超電導体薄膜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体等である。
この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等が好ましい。このターゲット６の形状としては、例えば、円板状、矩形状等のものが用いられる。
【００３９】
レーザ光発光手段５は、ターゲット６にレーザ光Ｌを照射する。
レーザ光発光手段５は、エキシマレーザ等のレーザ光Ｌを発光するレーザ発光部により構成され、レーザ発光部から発光したレーザ光Ｌを（囲み部材２０の第一の窓２１及び第２の窓２２を介して）ターゲット６に照射するようになっている。
【００４０】
図３に示すように、この成膜装置１では、ターゲット６を、薄膜積層体３４の幅方向と垂直をなす方向に並進動作（所望の距離で振幅）させるとともに、レーザ光発光手段５は、レーザ光Ｌがターゲット６の表面に照射する位置を、薄膜積層体３４の幅方向と同じ方向（矢印Ｒ）に振幅させる手段により、照射する位置を振幅移動させながら、レーザ蒸着する。
ここで、レーザ光Ｌを振幅させる手段（不図示）としては、例えばミラーを用い、その角度を変化させることによりレーザ光Ｌを振幅させる構成が挙げられる。
なお、上述したターゲットの「並進動作」は、レーザーの照射位置がライン状をなし、ターゲットが該ライン状のみ消耗し、ターゲットが局所的に掘れることにより、ターゲット寿命が短くなるという問題を解消することに寄与する。
【００４１】
図３に示すように、薄膜積層体３４（基材）は、送出手段１２から所定の速度で送り出され、転向部材１１により移動方向が変更されて（図３は１８０°移動方向が変更された場合を示す）、巻取手段１３に巻き取られるようになっている。ゆえに、レーザ光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６Ａはプルーム７となって、転向部材１１に接している状態にある薄膜積層体３４上の堆積領域を覆うこととなる。
【００４２】
上述したように、本発明に係る成膜装置１を用いることで、従来のようにレーンによってレーザ光Ｌが遮られることがなく、薄膜積層体３４の幅方向に対してレーザ光Ｌを振幅させることが可能になる（図３参照）。これにより幅方向において構成粒子６Ａの濃度が均一になり、プルーム７全体を有効利用することが可能になるので、構成粒子６Ａの収率の向上が図れる。また、本発明に係る成膜装置１は、レーザ光Ｌをターゲット６の表面に対して照射する入射角度θを調整する手段を有することにより、レーザ光Ｌをターゲット６の表面に対して適正な入射角度θを維持したまま広い範囲に照射することが可能となる。したがって、本発明に係る成膜装置１によれば、高特性膜を広い面積に均一に成膜可能な成膜装置を提供することができる。
【００４３】
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、レーザ光Ｌをターゲット６の表面に照射して、このターゲット６の構成粒子６Ａを叩き出し若しくは蒸発させ、この構成粒子６Ａを帯状の薄膜積層体３４（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であって、レーザ光Ｌがターゲット６の表面に照射する位置を、薄膜積層体３４の幅方向と同じ方向（図３の矢印Ｒ方向）に振幅させ、薄膜積層体３４を、転向部材１１に薄膜積層体３４の裏面が接しつつ長手方向に移動する状態として、構成粒子６Ａの堆積領域内を通過させることにより、薄膜積層体３４上に構成粒子６Ａを堆積させ、薄膜積層体３４上に薄膜を形成することを特徴とする。
【００４４】
本発明の成膜方法によれば、薄膜積層体３４を、転向部材１１に薄膜積層体３４の裏面が接しつつ、長手方向に移動する状態として、構成粒子６Ａの堆積領域内を通過させることにより、蒸着の際に広く均一な低レート蒸着領域が得られるようになる。また、薄膜積層体３４の幅方向に対してレーザ光Ｌを振幅させることで、幅方向において構成粒子６Ａの濃度が均一になる。その結果、幅方向において膜厚や特性分布が均一になされた薄膜（酸化物超電導体薄膜３１）を形成することが可能となる。また、ターゲット６の収率を大幅に向上させることができる。その結果、本発明では、生産性を向上させることが可能な成膜方法を実現することができる。
【００４５】
さらに、本発明の成膜方法では、レーザ光Ｌの照射位置を薄膜積層体３４の幅方向（図３の矢印Ｒ）に振幅させることに加えて、レーザ光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。
【００４６】
また、本発明の成膜方法では、レーザ光Ｌの出力に合わせて、レーザ光Ｌの照射位置を薄膜積層体３４の幅方向（矢印Ｒ）に振幅させる走査速度を調整することにより、薄膜積層体３４（基材）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、０．１μｍ／ｃｍ２・ｓ以下とすることが好ましい。成膜レートが０．１μｍ／ｃｍ２・ｓを超える場合には、レーザ光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６Ａが不均一であり、薄膜積層体３４に積層される薄膜の膜厚や特性が不均一となり、低特性膜となる虞がある。
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０．１μｍ／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。
【００４７】
次に、この成膜装置１を用いて薄膜積層体３４の上にＹ１Ｂａ２Ｃｕ３Ｏｘからなる酸化物超電導体薄膜３１を形成する本発明の成膜方法について説明する。
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が形成された薄膜積層体３４を、多結晶中間薄膜３３側がターゲット６側になるように巻回部材１１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。
【００４８】
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、送出手段１２、転向部材１１及び巻取手段１３を同時に駆動し、薄膜積層体３４を送出手段１２から巻取手段１３に向けて所定の速度にて移動させる。同時に、転向部材１１内のヒータ１４を作動させて転向部材１１上の薄膜積層体３４を加熱し、所望の温度に保持する。
【００４９】
次いで、レーザ光発光手段５によりレーザ光Ｌをターゲット６に照射する。この場合、レーザ光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６Ａは、その放射方向の断面積が拡大したプルーム７となり、薄膜積層体３４の表面上の堆積領域を覆う。この時、レーザ光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ができる。これにより、構成粒子６Ａを均一な状態・濃度で薄膜積層体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。
また、図３に示すように、レーザ光Ｌがターゲット６の表面に照射する位置を、入射角度θを維持したまま薄膜積層体３４の幅方向と同じ方向（矢印Ｒ）に振幅させる。これにより幅方向において構成粒子６Ａの濃度を均一にすることができる。
【００５０】
そして、薄膜積層体３４を、転向部材１１に薄膜積層体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６Ａの堆積領域内を通過させる。
ここでは、薄膜積層体３４が転向部材１１を周回する間に、薄膜積層体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、薄膜積層体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。
【００５１】
なお、上述した実施形態では、図２および図３に示すように、薄膜積層体３４（基材）が転向部材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、薄膜積層体３４（基材）の裏面が転向部材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。レーザ光発光手段５、ターゲット６、転向部材１１および薄膜積層体３４（基材）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、レーザ光Ｌが薄膜積層体３４（基材）や転向部材１１によって遮られることがなく、薄膜積層体３４の幅方向（矢印Ｒ）に対してレーザ光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６Ａ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、レーザ光Ｌを上述したように薄膜積層体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光Ｌの入射角度θを適切な角度に調整しながら、レーザ光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、レーザ光Ｌは、転向部材１１により周回（ターン）される薄膜積層体３４（基材）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６Ａを均一な状態・濃度で薄膜積層体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、ターゲット６の上方に転向部材１１があり、ターゲット６と転向部材１１の側方からレーザ光Ｌを照射する例を示したが、転向部材１１、ターゲット６、レーザ光発光手段５の上下関係は逆でもよく、転向部材１１は水平配置でなくとも縦型配置でもよい。
【００５２】
また、上述した実施形態では、成膜装置の搬送手段において、帯状の基材（薄膜積層体３４）を周回させて、その移動方向を変える転向部材を一つのみ有し、単数レーンで基材が堆積領域内を一回のみ通過するような場合を例に挙げて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば図４に示したような、搬送手段において複数のレーンを有し、基材が堆積領域内を複数回通過するような場合であっても適用可能である。
複数のレーンを有する成膜装置では、従来では、レーンによってレーザ光が遮られるので、レーン数を多くすることができなかったが、本発明の成膜装置ではこの問題が解決され、多くのレーン数を取ることができる。
【実施例】
【００５３】
（実施例１〜５および比較例１、２）
図２に示すような本発明の成膜装置と、図４に示したような従来の成膜装置を用いて、帯状の基材上にＹ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系の酸化物超電導体薄膜を形成した。
基材としては、実施例と比較例のいずれも共通に、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。
本発明の成膜装置を用いて形成した酸化物超電導体薄膜（実施例１〜実施例４）と、従来の成膜装置を用いて形成した酸化物超電導体薄膜（比較例１、比較例２）について、テープ幅、レーン数、プルーム収率、レーザ出力、作製速度、膜厚及び臨界電流密度（Ｊｃ）を表１にまとめて示す。なお、作製速度は、基材の搬送速度と同一である。
【００５４】
【表１】
【００５５】
表１に示したように、従来の成膜装置では、レーンによってレーザ光が遮られるので、レーン数を３つまでしかとることができなかったが、本発明の成膜装置ではこの問題が解決され、さらに多くのレーン数（例えば１４レーン：実施例３）を取れるようになった。
従来装置では、レーザ出力を上げると、作製速度は上がるものの、単位面積、単位時間当たりの蒸着粒子量が多くなることから、薄膜の表面が荒くなり、配向が乱れるため、却って特性（Ｊｃ）が低下してしまう。例えばレーザ出力が７２Ｗの比較例１と１８０Ｗに出力を上げた比較例２とを比較すると、Ｊｃが２．５［ＭＡ／ｃｍ２］（比較例１）→１．５［ＭＡ／ｃｍ２］ （比較例２）と大幅に低下してしまっている。
一方、本発明では、高出力レーザを用いた場合であっても、成膜エリアを広げることができることから、単位面積、単位時間当たりの蒸着粒子量が少なくなるため、Ｊｃが２．５［ＭＡ／ｃｍ２］ （実施例５）と高特性の薄膜を形成することができた。特に、実施例５の結果から、幅広テープ（１７０［ｍｍ］）を用い、高出力のレーザ（１８０［Ｗ］）で、高Ｊｃ（２．５［ＭＡ／ｃｍ２］）が得られることが判明した。
【００５６】
また、作製速度についても、従来の１０［ｍ／ｈ］（比較例１）に対し、本発明では３１［ｍ／ｈ］（実施例４、５）と約３倍の作製速度を実現することができた。
また、構成粒子の収率も従来の５７［％］から、本発明では幅広のテープを用いることができるため７０［％］（実施例２、４、５）と改善することができた。
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、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、生産性の向上が図れることがわかった。
【００５７】
（実施例６〜１３）
図２に示すような本発明の成膜装置を用い、レーザ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１〜５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、レーザ入射角度、レーザ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、基材の搬送速度（作製速度）：２０ｍ／ｈ、レーザ出力：１８０Ｗ（１パルスエネルギー約４００ｍＪ）として、成膜を行った。
【００５８】
【表２】
【００５９】
表２に示したように、レーザ入射角度θに応じてターゲット表面に照射されるレーザ光のスポットサイズは変化する。レーザ入射角度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、レーザ入射角度が４０°以上、５０°以下の場合（実施例９〜１１）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。
【００６０】
（実施例１４〜１９および比較例３、４）
図２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１〜５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、レーザ出力、レーザ走査、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におけるレーザ走査としては、１倍エリア＝４ｃｍ２を表す。なお、レーン数：７、基材の搬送速度（作製速度）：２０ｍ／ｈ、レーザの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３、４として、図２に示すような成膜装置を用い、レーザ走査を行わない例を示した。
【００６１】
【表３】
【００６２】
表３の結果より、レーザ走査を行わない比較例３および４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０．１μｍ／ｃｍ２・ｓ以下とした場合（実施例１５〜１７、１９）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、レーザ出力が大きい場合にも、レーザ走査速度を上げて成膜レートを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。
【００６３】
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】
【００６４】
本発明は、レーザ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】
【００６５】
Ｌ レーザ光、１ 成膜装置、２ 処理容器、３ 排気口、４ 真空排気手段、５ レーザ光発光手段、６ ターゲット、６Ａ 構成粒子、７ プルーム、１０ 搬送手段、１１ 転向部材、１２ 送出手段、１３ 巻取手段、１４ ヒータ（加熱手段）、２０ 囲み部材。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、成膜方法及び成膜装置に係り、更に詳しくは、レーザ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、この構成粒子を基材上に堆積させることにより、酸化物超電導体薄膜等の薄膜を形成する際に好適に用いられ、特に、収率と生産性の向上を図ることが可能な成膜方法及び成膜装置に関するものである。
【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）などの多結晶中間薄膜を形成し、この多結晶中間薄膜上に、臨界温度が約９０Ｋで、液体窒素（７７Ｋ）での磁場特性がＢｉ系の酸化物超電導体より優れ、安定性にも優れたＹ１Ｂａ２Ｃｕ３Ｏｘ系の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には、レーザ蒸着法による成膜方法が採用されている。
【０００３】
ところで、従来のレーザ蒸着法による成膜方法では、ターゲットから叩き出された構成粒子の飛行する領域（プルーム）内に、テープ状の基材を走行させる構成であるから、プルームの中心部が成膜に利用されるだけで、大部分が無駄になってしまうという問題点があった。例えば、プルームの収率は、基材の幅にもよるが、１レーンの場合、概ね５％程度と非常に低く、生産性が低下し、製造コストが高くなる要因になっていた。
そこで、プルーム全体を有効利用することができるレーザ蒸着法による成膜方法として、基材をプルーム内を複数回通過させる方法等が提案されている。
【０００４】
図４は、従来のレーザ蒸着法により酸化物超電導体の薄膜を形成するためのレーザ蒸着装置（成膜装置）の一例を示す図である（例えば、特許文献１参照）。
このレーザ蒸着装置は、基材の上に多結晶中間薄膜が形成されたテープ状の薄膜積層体６０を巻回し複数列とした状態で搬送する搬送装置（搬送手段）４２と、この搬送装置４２内に巻回により複数列とされた薄膜積層体６０を支持する箱状の基板ホルダ（基台）４３と、この基板ホルダ４３内に複数列とした薄膜積層体６０を加熱するための螺旋状のヒータ（加熱手段）と、薄膜積層体６０と対向して配されたターゲット５７と、ターゲット５７にエキシマレーザ等のレーザ光Ｌを照射するレーザ光発光手段５３とにより構成されている。
【０００５】
搬送装置４２は、薄膜積層体６０を巻回するリール（巻回部材）５１ａ〜５１ｇを複数個（図４では７個）同軸的に配列したリール群（巻回部材群）５１と、同様の構造のリール（巻回部材）５２ａ〜５２ｇを複数個（図４では７個）同軸的に配列したリール群（巻回部材群）５２とが、各側面が互いに対向するように配置され、リール群５１の外側には薄膜積層体６０を送り出すための送出装置５５が設けられ、リール群５２の外側には薄膜積層体６０を巻き取るための巻取装置５６が設けられ、これらリール群５１、５２、送出装置５５及び巻取装置５６を駆動装置（図示せず）により互いに同期して駆動させることにより、送出装置５５から所定の速度で送り出された薄膜積層体６０がリール群５１、５２を周回し、巻取装置５６に巻き取られるようになっている。
【０００６】
レーザ光発光手段５３は、レーザ発光部としてエキシマレーザ５３ａ（５３ｂ、５３ｃ）を有し、レーザ発光部５３ａ（５３ｂ、５３ｃ）から発光したレーザ光Ｌａ（Ｌｂ、Ｌｃ）をターゲット５７に照射するようになっている。
【０００７】
ターゲット５７の組成は、成膜しようとする酸化物超電導体の組成と同等か近似する組成のものであって、例えば、Ｙ１Ｂａ２Ｃｕ３Ｏｘ系の酸化物超電導体材料を焼成してなる酸化物超電導体焼結体が用いられる。
【０００８】
ターゲット５７では、その表面にレーザ光Ｌが所定の角度で照射されると、このレーザ光８によって叩き出されるターゲット５７の構成粒子は、薄膜積層体６０に向かう放射状のプルーム５８となり、このプルーム５８により、薄膜積層体６０の多結晶中間薄膜上にＹ１Ｂａ２Ｃｕ３Ｏｘ系の酸化物超電導体薄膜が堆積される。
【０００９】
このレーザ蒸着装置によれば、薄膜積層体６０をプルーム５８内を複数回通過させて、このプルーム５８内を通過する毎に酸化物超電導体からなる薄膜を順次成膜することにより、薄膜積層体６０上に積層構造の酸化物超電導体薄膜を成膜するので、プルーム５８全体を有効利用することができ、プルーム５８の収率を大幅に向上させることができる。
【００１０】
しかしながら、上述したような従来装置では、基材が移動するレーンが複数並ぶ方向にレーザ光を振幅させようとすると、レーンによってレーザ光が遮られるため、レーン方向へのレーザ走査距離を長く取ることは難しく、また、幅広いレーンや、レーンの数を多くとることが難しかった。さらに、レーンが並ぶ方向への走査範囲を広げる場合、レーザ光発光手段から遠い側のターゲットにレーザ光照射を行うには、ターゲット表面に対するレーザ光の入射角度を浅くする必要があった。この場合、レーザ光発光手段との位置関係により、ターゲットに対するレーザ光の入射角度の大きい領域と入射角度の小さい領域で、レーザ光の収束するスポットエリアの面積（スポットサイズ）が異なり、スポットサイズの差異に応じてレーザエネルギー密度が異なるため、各レーンでの構成粒子濃度の不均一が生じることになる。このため、幅方向に膜厚分布が生じ、ひいては超電導特性（例えば臨界電流密度Ｊｃ）のバラツキを生じやすかった。このような基材の幅方向の膜厚分布が生じるのを防ぐためには、ターゲット表面に対するレーザ光の入射角度を制御することも可能であるが、この場合には、成膜に適正な入射角度が制限されてしまうため、幅広いレーンや、レーンの数を多く取ることは難しい。
また、一般に蒸着膜の特性を上げるためには、構成粒子を広い範囲に均一に分配し、蒸着面積当たりの成膜レートを落としてやる必要がある。したがって、従来方式では蒸着面積が狭いため、低出力レーザで使用すれば、高特性を得られるが、高出力レーザを用いると特性が悪くなり、Ｉｃ〜３００Ａの線材を作製するのに、１８ｍ／ｈを要していた。また、レーン間での隙間の取りこぼしを生じるため、構成粒子の収率が下がり、これも成膜速度を低下させる要因となっていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００４−２６３２２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明は、帯状の基材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でき、構成粒子の収率及び生産性の向上を図ることが可能な成膜方法を提供することを第一の目的とする。
また、本発明は、このような従来の実情に鑑みてなされたものであり、帯状の基材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でき、構成粒子の収率及び生産性の向上を図ることが可能な成膜装置を提供することを第二の目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の成膜方法は、レーザ光をターゲットの表面に照射して、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であって、前記レーザ光が前記ターゲットの表面に照射する位置を、前記基材の幅方向と同じ方向に振幅させ、前記基材を、転向部材に該基材の裏面が接しつつ長手方向に移動する状態として、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、前記基材の表面上に薄膜を形成することを特徴とする。
本発明の成膜方法は、前記帯状の基材として、前記転向部材の軸方向の長さに応じた広幅を有するものを用いることが好ましい。
【００１４】
本発明の成膜方法は、前記レーザ光を前記ターゲットの表面に対して４０°以上、６０°以下の入射角度で照射することが好ましい。
本発明の成膜方法は、前記レーザ光を前記ターゲットの表面に対して４０°以上、５０°以下の入射角度で照射することがより好ましい。
本発明の成膜方法は、前記基材の表面上に前記構成粒子を堆積させ、前記基材の表面上に薄膜を形成する際の成膜レートを０．１μｍ／ｃｍ２・ｓ以下とすることが好ましい。
【００１５】
本発明の成膜装置は、帯状の基材を収容する処理容器と、前記処理容器内において、前記基材の裏面と接して該基材の移動方向を変える転向部材と、前記転向部材に接した状態にある基材を、その長手方向に移動させる搬送手段と、前記処理容器内において、前記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配されたターゲットと、前記ターゲットにレーザ光を照射するレーザ光発光手段と、を少なくとも備え、前記レーザ光発光手段は、前記レーザ光が前記ターゲットの表面に照射する位置を、前記基材の幅方向と同じ方向に振幅させる手段を有することを特徴とする。
本発明の成膜装置は、前記レーザ光発光手段が、前記レーザ光を前記ターゲットの表面に対して照射する入射角度を調整する手段を有することが好ましい。
本発明の成膜装置は、前記転向部材内に配された加熱手段を有することが好ましい。
本発明の成膜装置は、前記処理容器内において、前記転向部材を内在させる囲み部材を、さらに備えることが好ましい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の成膜方法によれば、基材を、転向部材に該基材の裏面が接しつつ長手方向に移動する状態として、前記構成粒子の堆積領域内を通過させることにより、蒸着の際に広く均一な低レート蒸着領域が得られるようになる。また、基材の幅方向に対してレーザ光を振幅させることで、幅方向への長いレーザ走査が可能になるとともに、幅方向において構成粒子の濃度が均一になる。その結果、幅方向において膜厚や特性分布が均一になされた薄膜を、長時間に亘って安定して形成することが可能となる。また、構成粒子の収率についても向上が図れる。したがって、本発明は、優れた生産性を実現する成膜方法をもたらす。
本発明の成膜方法によれば、基材の幅方向に対してレーザ光を振幅させるので、帯状の基材として、転向部材の軸方向の長さに応じた広幅を有するものを用いることにより、幅方向において膜厚や特性分布が均一な薄膜を、レーン間での蒸着粒子の取りこぼしを防いで構成粒子の収率を向上させて、優れた生産性で成膜することが可能となる。
本発明の成膜方法によれば、レーザ光をターゲットの表面に対して適正な入射角度で照射することにより、ターゲットから叩き出され若しくは蒸発される構成粒子を均一な状態・濃度で基材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。
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０．１μｍ／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。
【００１７】
本発明の成膜装置によれば、転向部材に該基材の裏面が接した基材と対向するようにターゲットを配することで、レーンによってレーザ光が遮られることがなく、基材の幅方向に対してレーザ光を振幅させることが可能になる。これにより幅方向において構成粒子の濃度が均一になる。その結果、幅方向において膜厚や特性分布が均一になされた薄膜を形成することが可能となる。また、構成粒子の収率についても向上させることができる。その結果、本発明では、生産性を向上させることが可能な成膜装置を実現することができる。
本発明の成膜装置によれば、レーザ光をターゲットの表面に対して照射する入射角度を調整する手段を有することにより、レーザ光をターゲットの表面に対して適正な入射角度で照射することが可能となる。したがって、本発明によれば、高特性膜を成膜可能な成膜装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明に係る成膜装置を用いて形成された酸化物超電導体薄膜を示す概略断面図である。
【図２】本発明に係る成膜装置の位置構成例を示す概略断面図である。
【図３】図２に示した成膜装置の要部を抜き出して示す概略斜視図である。
【図４】従来の成膜装置の要部を抜き出して示す概略斜視図である。
【図５】本発明に係る成膜装置の他例の要部を抜き出して示す概略斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明に係る成膜方法及び成膜装置の一実施形態を図面に基づいて説明する。
【００２０】
本発明の成膜方法及び成膜装置の一実施形態について図面に基づき説明する。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。
【００２１】
図１は、本発明に係る成膜装置を用いて作製された積層構造の酸化物超電導体薄膜を示す断面図であり、この積層構造の酸化物超電導体薄膜３１は、金属テープ状（帯状）の基材３２上にイオンビームアシストスパッタリング法等によりＧＺＯ（Ｇｄ２Ｚｒ２Ｏ７ ）やＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）の多結晶中間薄膜３３が形成されてなる薄膜積層体３４上に形成されている。
【００２２】
この積層構造の酸化物超電導体薄膜３１は、Ｙ１Ｂａ２Ｃｕ３Ｏｘに代表されるＲＥ１２３系の酸化物超電導体等からなり、臨界温度（Ｔｃ）が９０Ｋあるいはそれ以上の酸化物超電導体の薄膜である。また、酸化物超電導体薄膜３１は、単層構造でもよいし、複数層を積層してなる積層構造であってもよい。
【００２３】
この薄膜３１の厚みは１〜３μｍ程度が好ましく、しかも各層の面内均一性が極めて優れたものとなっている。この酸化物超電導体薄膜３１では、この薄膜３１の各層の結晶のｃ軸とａ軸とｂ軸は、多結晶中間薄膜３３の結晶に整合するようにエピタキシャル成長して結晶化しており、結晶配向性が優れたものとなっている。
【００２４】
基材３２としては、ステンレス鋼、銅、ハステロイ等のニッケル合金等、各種金属材料から適宜選択される長尺の金属テープが好適に用いられ、その厚さは０．１ｍｍ程度が好ましい。
【００２５】
なお、具体的には後述するように、本発明の成膜装置及び成膜方法は、特に、基材３２が、例えば円柱状や半円柱状をなす転向部材１１の軸方向の長さに応じた広幅を有するような場合に、幅方向において膜厚や特性が均一な薄膜（酸化物超電導体薄膜３１）を成膜できるという、本発明の効果をより良く発揮することができ特に好適であるが、本発明はこれに限定されず、基材が転向部材１１の軸方向の長さに対して狭幅を有するような場合であっても適用可能である。
【００２６】
多結晶中間薄膜３３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）等からなり、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なるものが好適に用いられ、その厚さは１μｍ程度とされる。各結晶粒の結晶軸のｃ軸は基材３２の上面（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られて面内配向されている。このような面内配向を実現するためには、成膜法としてＩＢＡＤ（Ion Beam Assisted Deposition）法が用いられる。
【００２７】
図２は、上記の酸化物超電導体薄膜３１を成膜するための成膜装置（レーザ蒸着装置）を示す概略断面図である。また、図３は、図２に示す成膜装置において、要部を抜き出して示す概略斜視図である。
本発明の成膜装置１は、帯状の薄膜積層体３４（基材）を収容する処理容器２と、処理容器２内において、薄膜積層体３４（基材）の裏面と接して該基材の移動方向を変える転向部材１１と、転向部材１１に接した状態にある薄膜積層体３４を、その長手方向に移動させる搬送手段１０と、処理容器２内において、転向部材１１に接した状態にある薄膜積層体３４の表面に対向するように配されたターゲット６と、ターゲット６にレーザ光Ｌを照射するレーザ光発光手段５と、を少なくとも備える。レーザ光発光手段５は、レーザ光Ｌがターゲット６の表面に照射する位置を、薄膜積層体３４（基材）の幅方向と同じ方向に振幅させる手段（不図示）を有する。また、レーザ光発光手段５は、レーザ光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）を有することが好ましい。
本発明の成膜装置１は、さらに前記転向部材１１内に配されたヒータ１４（加熱手段）を具備している。図２では、ヒータ１４（加熱手段）が転向部材１１に配された例を示しているが、本発明の成膜装置１はこれに限定されず、成膜される基材表面を加熱することができれば、ヒータ１４（加熱手段）は転向部材１１の外部あるいは内外部の両方に配設されていても良い。
また、図２には、レーザ光発光手段５が処理容器２の内部にある構成例を示しているが、例えば処理容器２にレーザ光を透過する窓を設けることにより、レーザ光発光手段５を処理容器２の外部に配置してもよい。
【００２８】
そして本発明の成膜装置１は、転向部材１１内に配されたヒータ１４により薄膜積層体３４の裏面から加熱し、薄膜積層体３４の温度を制御しつつ、レーザ光発光手段５は、レーザ光Ｌがターゲット６の表面に照射する位置を、薄膜積層体３４の幅方向と同じ方向（図３の矢印Ｒ方向）に入射角度θを維持したまま振幅させる手段（不図示）により、その振幅に応じて変化させることにより、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６Ａを薄膜積層体３４上に堆積させて薄膜を形成することを特徴とする。
【００２９】
本発明の成膜装置１によれば、転向部材１１に接した状態にある薄膜積層体３４と対向するようにターゲット６を配することで、レーンによってレーザ光Ｌが遮られることがなく、薄膜積層体３４の幅方向に対してレーザ光Ｌを振幅させることが可能になる（図３参照）。これにより幅方向において構成粒子６Ａの濃度が均一になる。その結果、幅方向において膜厚や特性分布が均一になされた薄膜を形成することが可能となる。また、構成粒子６Ａの収率を大幅に向上させることができるため、生産性を向上させることが可能である。
【００３０】
また、本発明の成膜装置１は、レーザ光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、ターゲット６に照射されるレーザ光Ｌの入射角度θを調整することができる。レーザ光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、レーザ光発光手段５から出射したレーザ光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虞がある。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６Ａのプルーム７が放射状に広がり易くなるため、薄膜積層体３４（基材）表面に堆積される構成粒子６Ａ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虞がある。
なお、レーザ光発光手段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。
【００３１】
処理容器２には、排気口３を介して真空排気手段４が接続され、この真空排気手段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。
【００３２】
搬送手段１０は、処理容器２内において、転向部材１１に接した状態にある薄膜積層体３４を、その長手方向に移動させる。
搬送手段１０は、薄膜積層体３４（基材）の裏面と接して薄膜積層体３４の移動方向を変える転向部材１１と、転向部材１１の一方側に設けられ薄膜積層体３４を送り出すための送出手段１２と、転向部材１１の他方側に設けられ薄膜積層体３４を巻き取るための巻取手段１３と、を有する。
図２や図３に示すように、円柱状をなす転向部材１１を用いた場合には、転向部材１１、送出手段１２及び巻取手段１３を駆動手段（図示せず）により互いに同期して駆動させることにより、送出手段１２から所定の速度で送り出された薄膜積層体３４が転向部材１１を周回し、巻取手段１３に巻き取られるようになっている。
また、転向部材１１の内部には薄膜積層体３４を加熱するためのヒータ１４（加熱手段）が内蔵されていることが好ましく、転向部材１１に接する薄膜積層体３４を所定の温度に保持するようになっている。ヒータ１４としては、例えば通電式の加熱ヒータが挙げられる。
【００３３】
図２には、薄膜積層体３４が転向部材１１を周回（ターン）する角度の一例として、１８０°の場合を示しているが、周回する角度は９０°〜１８０°の範囲であればよい。９０°を下回ると転向部材１１との接触が少なくなるので、温度が不安定になり好ましくない。９０°〜１８０°の範囲であっても、周回する角度は大きいほどよい。この角度が大きければ、転向部材１１と接触している薄膜積層体３４の長手方向の部位がより長くなるので、薄膜積層体３４の表面温度をより安定した状態で成膜を行うことができる。
なお、転向部材１１により薄膜積層体３４を周回（ターン）させるとともに、転向部材１１に内蔵されたヒータ１４で薄膜積層体３４を加熱するためには、転向部材１１が必ずしも自転しなくてもよい。転向部材１１が自転せず国定される構成とした場合には、円柱状に代えて、例えば半円柱状をなす転向部材１１を用いても構わない。
【００３４】
処理容器２内において、転向部材１１を内在させる箱状の囲み部材２０を、さらに備えていることが好ましい。囲み部材２０の存在により、転向部材１１は制限された空間内に配置されることになる。この配置は、転向部材１１に接した状態にある薄膜積層体３４の温度を、より変動が少ない状態に保つことに寄与する。すなわち、後述する酸化物超電導体薄膜の形成時における薄膜積層体３４の温度が、厳密に所定の温度に管理できる。
その結果、帯状の薄膜積層体３４上に形成された酸化物超電導体薄膜が、その長手方向に亘って安定した諸特性を有することが可能となる。
【００３５】
囲み部材２０の側壁部２０ａには、レーザ光Ｌを取り込むための第一の窓２１が設けられている。また、囲み部材２０の底面部２０ｂには、レーザ光Ｌをターゲット６に照射させるとともに、レーザ光Ｌによって叩き出されたターゲット６の構成粒子６Ａを薄膜積層体３４まで行き渡らせるための第二の窓２２が設けられている。さらに、また、囲み部材２０の底面部２０ｂには、長手方向に移動する薄膜積層体３４を通すための第三の窓２３及び第四の窓２４が設けられている。
【００３６】
ターゲット６は、処理容器２内において、転向部材１１に接しつつ、長手方向に移動する状態にある薄膜積層体３４に対向するように配される。
このターゲット６には、レーザ発光部を構成するエキシマレーザによりレーザ光Ｌが照射されるようになっている。
ターゲット６を、転向部材１１に接した状態にある薄膜積層体３４と対向するように配することで、従来のようにレーンによってレーザ光Ｌが遮られることがなく、後述するように薄膜積層体３４の幅方向に対してレーザ光Ｌを振幅させることが可能になる。
【００３７】
図２に示すように、ターゲット６の表面にレーザ光Ｌが所定の入射角度θで照射された場合に、このレーザ光Ｌによって叩き出されるターゲット６の構成粒子６Ａにより薄膜積層体３４に向かう放射状のプルーム７が形成され、このプルーム７により、薄膜積層体３４上に酸化物超電導体薄膜が形成されるようになっている。
【００３８】
このターゲット６は、臨界温度（Ｔｃ）が９０Ｋあるいはそれ以上の酸化物超電導体薄膜３１を形成するために用いられるもので、この酸化物超電導体薄膜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体等である。
この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等が好ましい。このターゲット６の形状としては、例えば、円板状、矩形状等のものが用いられる。
【００３９】
レーザ光発光手段５は、ターゲット６にレーザ光Ｌを照射する。
レーザ光発光手段５は、エキシマレーザ等のレーザ光Ｌを発光するレーザ発光部により構成され、レーザ発光部から発光したレーザ光Ｌを（囲み部材２０の第一の窓２１及び第２の窓２２を介して）ターゲット６に照射するようになっている。
【００４０】
図３に示すように、この成膜装置１では、ターゲット６を、薄膜積層体３４の幅方向と垂直をなす方向に並進動作（所望の距離で振幅）させるとともに、レーザ光発光手段５は、レーザ光Ｌがターゲット６の表面に照射する位置を、薄膜積層体３４の幅方向と同じ方向（矢印Ｒ）に振幅させる手段により、照射する位置を振幅移動させながら、レーザ蒸着する。
ここで、レーザ光Ｌを振幅させる手段（不図示）としては、例えばミラーを用い、その角度を変化させることによりレーザ光Ｌを振幅させる構成が挙げられる。
なお、上述したターゲットの「並進動作」は、レーザーの照射位置がライン状をなし、ターゲットが該ライン状のみ消耗し、ターゲットが局所的に掘れることにより、ターゲット寿命が短くなるという問題を解消することに寄与する。
【００４１】
図３に示すように、薄膜積層体３４（基材）は、送出手段１２から所定の速度で送り出され、転向部材１１により移動方向が変更されて（図３は１８０°移動方向が変更された場合を示す）、巻取手段１３に巻き取られるようになっている。ゆえに、レーザ光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６Ａはプルーム７となって、転向部材１１に接している状態にある薄膜積層体３４上の堆積領域を覆うこととなる。
【００４２】
上述したように、本発明に係る成膜装置１を用いることで、従来のようにレーンによってレーザ光Ｌが遮られることがなく、薄膜積層体３４の幅方向に対してレーザ光Ｌを振幅させることが可能になる（図３参照）。これにより幅方向において構成粒子６Ａの濃度が均一になり、プルーム７全体を有効利用することが可能になるので、構成粒子６Ａの収率の向上が図れる。また、本発明に係る成膜装置１は、レーザ光Ｌをターゲット６の表面に対して照射する入射角度θを調整する手段を有することにより、レーザ光Ｌをターゲット６の表面に対して適正な入射角度θを維持したまま広い範囲に照射することが可能となる。したがって、本発明に係る成膜装置１によれば、高特性膜を広い面積に均一に成膜可能な成膜装置を提供することができる。
【００４３】
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、レーザ光Ｌをターゲット６の表面に照射して、このターゲット６の構成粒子６Ａを叩き出し若しくは蒸発させ、この構成粒子６Ａを帯状の薄膜積層体３４（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であって、レーザ光Ｌがターゲット６の表面に照射する位置を、薄膜積層体３４の幅方向と同じ方向（図３の矢印Ｒ方向）に振幅させ、薄膜積層体３４を、転向部材１１に薄膜積層体３４の裏面が接しつつ長手方向に移動する状態として、構成粒子６Ａの堆積領域内を通過させることにより、薄膜積層体３４上に構成粒子６Ａを堆積させ、薄膜積層体３４上に薄膜を形成することを特徴とする。
【００４４】
本発明の成膜方法によれば、薄膜積層体３４を、転向部材１１に薄膜積層体３４の裏面が接しつつ、長手方向に移動する状態として、構成粒子６Ａの堆積領域内を通過させることにより、蒸着の際に広く均一な低レート蒸着領域が得られるようになる。また、薄膜積層体３４の幅方向に対してレーザ光Ｌを振幅させることで、幅方向において構成粒子６Ａの濃度が均一になる。その結果、幅方向において膜厚や特性分布が均一になされた薄膜（酸化物超電導体薄膜３１）を形成することが可能となる。また、ターゲット６の収率を大幅に向上させることができる。その結果、本発明では、生産性を向上させることが可能な成膜方法を実現することができる。
【００４５】
さらに、本発明の成膜方法では、レーザ光Ｌの照射位置を薄膜積層体３４の幅方向（図３の矢印Ｒ）に振幅させることに加えて、レーザ光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。
【００４６】
また、本発明の成膜方法では、レーザ光Ｌの出力に合わせて、レーザ光Ｌの照射位置を薄膜積層体３４の幅方向（矢印Ｒ）に振幅させる走査速度を調整することにより、薄膜積層体３４（基材）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、０．１μｍ／ｃｍ２・ｓ以下とすることが好ましい。成膜レートが０．１μｍ／ｃｍ２・ｓを超える場合には、レーザ光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６Ａが不均一であり、薄膜積層体３４に積層される薄膜の膜厚や特性が不均一となり、低特性膜となる虞がある。
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０．１μｍ／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。
【００４７】
次に、この成膜装置１を用いて薄膜積層体３４の上にＹ１Ｂａ２Ｃｕ３Ｏｘからなる酸化物超電導体薄膜３１を形成する本発明の成膜方法について説明する。
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が形成された薄膜積層体３４を、多結晶中間薄膜３３側がターゲット６側になるように巻回部材１１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。
【００４８】
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、送出手段１２、転向部材１１及び巻取手段１３を同時に駆動し、薄膜積層体３４を送出手段１２から巻取手段１３に向けて所定の速度にて移動させる。同時に、転向部材１１内のヒータ１４を作動させて転向部材１１上の薄膜積層体３４を加熱し、所望の温度に保持する。
【００４９】
次いで、レーザ光発光手段５によりレーザ光Ｌをターゲット６に照射する。この場合、レーザ光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６Ａは、その放射方向の断面積が拡大したプルーム７となり、薄膜積層体３４の表面上の堆積領域を覆う。この時、レーザ光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ができる。これにより、構成粒子６Ａを均一な状態・濃度で薄膜積層体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。
また、図３に示すように、レーザ光Ｌがターゲット６の表面に照射する位置を、入射角度θを維持したまま薄膜積層体３４の幅方向と同じ方向（矢印Ｒ）に振幅させる。これにより幅方向において構成粒子６Ａの濃度を均一にすることができる。
【００５０】
そして、薄膜積層体３４を、転向部材１１に薄膜積層体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６Ａの堆積領域内を通過させる。
ここでは、薄膜積層体３４が転向部材１１を周回する間に、薄膜積層体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、薄膜積層体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。
【００５１】
なお、上述した実施形態では、図２および図３に示すように、薄膜積層体３４（基材）が転向部材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、薄膜積層体３４（基材）の裏面が転向部材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。レーザ光発光手段５、ターゲット６、転向部材１１および薄膜積層体３４（基材）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、レーザ光Ｌが薄膜積層体３４（基材）や転向部材１１によって遮られることがなく、薄膜積層体３４の幅方向（矢印Ｒ）に対してレーザ光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６Ａ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、レーザ光Ｌを上述したように薄膜積層体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光Ｌの入射角度θを適切な角度に調整しながら、レーザ光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、レーザ光Ｌは、転向部材１１により周回（ターン）される薄膜積層体３４（基材）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６Ａを均一な状態・濃度で薄膜積層体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、ターゲット６の上方に転向部材１１があり、ターゲット６と転向部材１１の側方からレーザ光Ｌを照射する例を示したが、転向部材１１、ターゲット６、レーザ光発光手段５の上下関係は逆でもよく、転向部材１１は水平配置でなくとも縦型配置でもよい。
【００５２】
また、上述した実施形態では、成膜装置の搬送手段において、帯状の基材（薄膜積層体３４）を周回させて、その移動方向を変える転向部材を一つのみ有し、単数レーンで基材が堆積領域内を一回のみ通過するような場合を例に挙げて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば図４に示したような、搬送手段において複数のレーンを有し、基材が堆積領域内を複数回通過するような場合であっても適用可能である。
複数のレーンを有する成膜装置では、従来では、レーンによってレーザ光が遮られるので、レーン数を多くすることができなかったが、本発明の成膜装置ではこの問題が解決され、多くのレーン数を取ることができる。
【実施例】
【００５３】
（実施例１〜５および比較例１、２）
図２に示すような本発明の成膜装置と、図４に示したような従来の成膜装置を用いて、帯状の基材上にＹ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系の酸化物超電導体薄膜を形成した。
基材としては、実施例と比較例のいずれも共通に、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。
本発明の成膜装置を用いて形成した酸化物超電導体薄膜（実施例１〜実施例４）と、従来の成膜装置を用いて形成した酸化物超電導体薄膜（比較例１、比較例２）について、テープ幅、レーン数、プルーム収率、レーザ出力、作製速度、膜厚及び臨界電流密度（Ｊｃ）を表１にまとめて示す。なお、作製速度は、基材の搬送速度と同一である。
【００５４】
【表１】
【００５５】
表１に示したように、従来の成膜装置では、レーンによってレーザ光が遮られるので、レーン数を３つまでしかとることができなかったが、本発明の成膜装置ではこの問題が解決され、さらに多くのレーン数（例えば１４レーン：実施例３）を取れるようになった。
従来装置では、レーザ出力を上げると、作製速度は上がるものの、単位面積、単位時間当たりの蒸着粒子量が多くなることから、薄膜の表面が荒くなり、配向が乱れるため、却って特性（Ｊｃ）が低下してしまう。例えばレーザ出力が７２Ｗの比較例１と１８０Ｗに出力を上げた比較例２とを比較すると、Ｊｃが２．５［ＭＡ／ｃｍ２］（比較例１）→１．５［ＭＡ／ｃｍ２］ （比較例２）と大幅に低下してしまっている。
一方、本発明では、高出力レーザを用いた場合であっても、成膜エリアを広げることができることから、単位面積、単位時間当たりの蒸着粒子量が少なくなるため、Ｊｃが２．５［ＭＡ／ｃｍ２］ （実施例５）と高特性の薄膜を形成することができた。特に、実施例５の結果から、幅広テープ（１７０［ｍｍ］）を用い、高出力のレーザ（１８０［Ｗ］）で、高Ｊｃ（２．５［ＭＡ／ｃｍ２］）が得られることが判明した。
【００５６】
また、作製速度についても、従来の１０［ｍ／ｈ］（比較例１）に対し、本発明では３１［ｍ／ｈ］（実施例４、５）と約３倍の作製速度を実現することができた。
また、構成粒子の収率も従来の５７［％］から、本発明では幅広のテープを用いることができるため７０［％］（実施例２、４、５）と改善することができた。
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、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、生産性の向上が図れることがわかった。
【００５７】
（実施例６〜１３）
図２に示すような本発明の成膜装置を用い、レーザ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１〜５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、レーザ入射角度、レーザ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、基材の搬送速度（作製速度）：２０ｍ／ｈ、レーザ出力：１８０Ｗ（１パルスエネルギー約４００ｍＪ）として、成膜を行った。
【００５８】
【表２】
【００５９】
表２に示したように、レーザ入射角度θに応じてターゲット表面に照射されるレーザ光のスポットサイズは変化する。レーザ入射角度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、レーザ入射角度が４０°以上、５０°以下の場合（実施例９〜１１）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。
【００６０】
（実施例１４〜１９および比較例３、４）
図２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１〜５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、レーザ出力、レーザ走査、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におけるレーザ走査としては、１倍エリア＝４ｃｍ２を表す。なお、レーン数：７、基材の搬送速度（作製速度）：２０ｍ／ｈ、レーザの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３、４として、図２に示すような成膜装置を用い、レーザ走査を行わない例を示した。
【００６１】
【表３】
【００６２】
表３の結果より、レーザ走査を行わない比較例３および４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０．１μｍ／ｃｍ２・ｓ以下とした場合（実施例１５〜１７、１９）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、レーザ出力が大きい場合にも、レーザ走査速度を上げて成膜レートを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。
【００６３】
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】
【００６４】
本発明は、レーザ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】
【００６５】
Ｌ レーザ光、１ 成膜装置、２ 処理容器、３ 排気口、４ 真空排気手段、５ レーザ光発光手段、６ ターゲット、６Ａ 構成粒子、７ プルーム、１０ 搬送手段、１１ 転向部材、１２ 送出手段、１３ 巻取手段、１４ ヒータ（加熱手段）、２０ 囲み部材。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光をターゲットの表面に照射して、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であって、
前記レーザ光が前記ターゲットの表面に照射する位置を、前記基材の幅方向と同じ方向に振幅させ、
前記基材を、転向部材に該基材の裏面が接しつつ長手方向に移動する状態として、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、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】
前記帯状の基材として、前記転向部材の軸方向の長さに応じた広幅を有するものを用い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】
前記レーザ光を前記ターゲットの表面に対して４０°以上、６０°以下の入射角度で照射することを特徴とする請求項１または２に記載の成膜方法。
【請求項４】
前記レーザ光を前記ターゲットの表面に対して４０°以上、５０°以下の入射角度で照射することを特徴とする請求項１または２に記載の成膜方法。
【請求項５】
前記基材の表面上に前記構成粒子を堆積させ、前記基材の表面上に薄膜を形成する際の成膜レートを０．１μｍ／ｃｍ２・ｓ以下とすることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の成膜方法。
【請求項６】
帯状の基材を収容する処理容器と、
前記処理容器内において、前記基材の裏面と接して該基材の移動方向を変える転向部材と、
前記転向部材に接した状態にある基材を、その長手方向に移動させる搬送手段と、
前記処理容器内において、前記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配されたターゲットと、
前記ターゲットにレーザ光を照射するレーザ光発光手段と、
を少なくとも備え、
前記レーザ光発光手段は、前記レーザ光が前記ターゲットの表面に照射する位置を、前記基材の幅方向と同じ方向に振幅させる手段を有することを特徴とする成膜装置。
【請求項７】
前記レーザ光発光手段は、前記レーザ光を前記ターゲットの表面に対して照射する入射角度を調整する手段を有することを特徴とする請求項６に記載の成膜装置。
【請求項８】
前記転向部材内に配された加熱手段を有することを特徴とする請求項６または７に記載の成膜装置。
【請求項９】
前記処理容器内において、前記転向部材を内在させる囲み部材を、さらに備えることを特徴とする請求項６〜８のいずれか一項に記載の成膜装置。
【請求項１】
レーザ光をターゲットの表面に照射して、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であって、
前記レーザ光が前記ターゲットの表面に照射する位置を、前記基材の幅方向と同じ方向に振幅させ、
前記基材を、転向部材に該基材の裏面が接しつつ長手方向に移動する状態として、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、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】
前記帯状の基材として、前記転向部材の軸方向の長さに応じた広幅を有するものを用い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】
前記レーザ光を前記ターゲットの表面に対して４０°以上、６０°以下の入射角度で照射することを特徴とする請求項１または２に記載の成膜方法。
【請求項４】
前記レーザ光を前記ターゲットの表面に対して４０°以上、５０°以下の入射角度で照射することを特徴とする請求項１または２に記載の成膜方法。
【請求項５】
前記基材の表面上に前記構成粒子を堆積させ、前記基材の表面上に薄膜を形成する際の成膜レートを０．１μｍ／ｃｍ２・ｓ以下とすることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の成膜方法。
【請求項６】
帯状の基材を収容する処理容器と、
前記処理容器内において、前記基材の裏面と接して該基材の移動方向を変える転向部材と、
前記転向部材に接した状態にある基材を、その長手方向に移動させる搬送手段と、
前記処理容器内において、前記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配されたターゲットと、
前記ターゲットにレーザ光を照射するレーザ光発光手段と、
を少なくとも備え、
前記レーザ光発光手段は、前記レーザ光が前記ターゲットの表面に照射する位置を、前記基材の幅方向と同じ方向に振幅させる手段を有することを特徴とする成膜装置。
【請求項７】
前記レーザ光発光手段は、前記レーザ光を前記ターゲットの表面に対して照射する入射角度を調整する手段を有することを特徴とする請求項６に記載の成膜装置。
【請求項８】
前記転向部材内に配された加熱手段を有することを特徴とする請求項６または７に記載の成膜装置。
【請求項９】
前記処理容器内において、前記転向部材を内在させる囲み部材を、さらに備えることを特徴とする請求項６〜８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２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１０−１２１２０４（Ｐ２０１０−１２１２０４Ａ）
【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２００９−１８１５６３（Ｐ２００９−１８１５６３）
【出願日】平成２１年８月４日（２００９．８．４）
【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８月４日（２００９．８．４）
【出願人】（０００００５１８６）株式会社フジクラ (4,463)
【Ｆターム（参考）】
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