JP3874965B2 - 薄膜の形成方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザ光をターゲットに照射してターゲットの構成粒子を叩き出し若しくは蒸発させ、長尺の基材上に該構成粒子を連続的に長時間堆積させることにより酸化物超電導体等の薄膜を形成する薄膜の形成方法や、バッチ処理により薄膜を形成する方法であって、レーザ光をターゲットに照射してターゲットの構成粒子を叩き出し若しくは蒸発させ、基材上に該構成粒子を堆積させることによりデバイス用薄膜等の薄膜を形成する薄膜の形成方法に係わり、ターゲットの寿命を延ばすことができ、長時間成膜しても高特性の薄膜を均一に形成できる薄膜の形成方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
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、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できなかった。
そこで本発明者らは、ハステロイテープなどの金属テープからなる基材１の上に結晶配向性に優れたイットリウム安定化ジルコニア（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、酸化物超電導体の中でも臨界温度が約９０Ｋであり、液体窒素（７７Ｋ）中で用いることができる安定性に優れたＹ1Ｂａ2Ｃｕ3Ｏx系の酸化物超電導体の薄膜を形成することで超電導特性の優れた酸化物超電導導体を製造する試みが行なわれており、本発明者らは先に、特願平３ー１２６８３６号、特願平３ー１２６８３７号、特願平３ー２０５５５１号、特願平４ー１３４４３号、特願平４ー２９３４６４号などにおいて特許出願を行なっている。
【０００３】
これらの特許出願に記載された技術おいては、Ｙ1Ｂａ2Ｃｕ3Ｏx系の酸化物超電導体の薄膜を形成させるために、レーザ蒸着法による薄膜の形成方法が採用されている。
図１１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の一例を示す。
この例のレーザ蒸着装置１１は、処理容器１２を有し、この処理容器１２の内部の蒸着処理室１３に、薄膜積層体１４と、ターゲット１５とを設置できるようになっている。即ち、蒸着処理室１３の底部には基台１６が設けられ、この基台１６の上面に基材上に多結晶中間薄膜を形成してなる薄膜積層体１４を設置できるようになっているとともに、基台１６の斜め上方に支持ホルダ１７によって支持された酸化物超電導体のターゲット１５が設けられている。
また、図中符号１８は薄膜積層体１４の送出装置、１９は薄膜積層体１４の巻取装置を示す。
【０００４】
また、処理容器１２は、排気孔２０を介して真空排気装置２１に接続されて蒸着処理室１３を所定の圧力に減圧できるようになっている。
ターゲット１５としては、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、酸化物超電導体の焼結体等が用いられている。また、ターゲット１５の形状としては、図１２に示すような円形状のものが用いられていた。ターゲット１５は、後述するレーザ光３０が所定の角度で照射されて、このレーザ光３０によって叩き出されるターゲット１５の構成粒子が薄膜積層体１４上に均一に堆積できるように所定の角度で傾斜した状態で設けられている。
基台１６は加熱ヒータを内蔵したもので、薄膜積層体１４を必要に応じて加熱できるようになっている。
支持ホルダ１７には、モータ等の駆動源（図示略）と接続されている。この支持ホルダ１７は、上記駆動源の作動により回転し、これに伴って該支持ホルダ１７に支持されたターゲット１５も中心軸Ｏを中心に回転するようになっている。
一方、処理容器１２の側方には、レーザ発光装置２２と第１反射鏡２３と集光レンズ２４と第２反射鏡２５とが設けられ、レーザ発光装置２２が発生させた
レーザ光３０を処理容器１２の側壁に取り付けられた透明窓２６を介してターゲット１５に集光照射できるようになっている。レーザ光３０としては、Ａｒ−Ｆ（１９３ｎｍ）、Ｋｒ−Ｆ（２４８ｎｍ）などのエキシマレーザ等が主に用いられている。
【０００５】
上述のような構成のレーザ蒸着装置１１を用いて薄膜積層体１４上にＹ1Ｂａ2Ｃｕ3ＯXの酸化物超電導体の薄膜を成膜するには、薄膜積層体１４をこの多結晶中間薄膜側を上にして基台１６上に設置し、酸化物超電導体のターゲット１５としてＹ1Ｂａ2Ｃｕ3ＯXのターゲットを設置し、蒸着処理室１３を真空排気装置２１で減圧する。ついで、送出装置１８から薄膜積層体１４を送り出し、一方、上記駆動源を作動させてターゲット１５を中心軸Ｏを中心に回転させながら該ターゲット１５の表面にエキシマレーザ等のレーザ光３０を照射することにより、レーザ光３０の照射位置をターゲット１５の表面上で移動させることで走査しながら、ターゲットの構成粒子を叩き出し若しくは蒸発させて、多結晶中間薄膜上に上記構成粒子を堆積させる。多結晶中間薄膜は、その結晶粒が予めｃ軸配向し、ａ軸とｂ軸でも配向するようにイオンビームアシスト法により形成されているので、酸化物超電導体の薄膜の結晶のｃ軸とａ軸とｂ軸も多結晶中間薄膜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する。これにより結晶配向性を制御したＹ1Ｂａ2Ｃｕ3ＯXの酸化物超電導体の薄膜が得られる。
上述のようにレーザ光３０をターゲット１５に走査したときの、レーザ光３０の軌跡は図１２の一点鎖線で示されるような軌跡３１となる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら従来の薄膜の形成方法においては、ターゲット１５の構成粒子を薄膜積層体１４の多結晶中間薄膜上に堆積させる際に、ターゲット１５を中心軸Ｏを中心に回転させながら該ターゲット１５の表面に集光したレーザ光３０を照射する方法、すなわち、レーザ光３０をターゲット１５の表面上の同一の円状の経路に沿って複数回往復移動させることにより走査する方法であるので、長時間成膜を行うと、上記経路の部分が深く削られてしまい、図１３の（Ａ）と（Ｂ）に示すような底部に凹凸を有する溝３３ができてしまう。このように局所的に深く削られた溝３３を有するターゲット１５にレーザ光３０を照射すると、ターゲット１５が所定の角度で傾斜して配置されていても、レーザ光３０は溝３３内の凹凸部分にあたって偏心してしまうため、偏心したレーザ光３０により叩き出された構成粒子は薄膜積層体１４上に均一に堆積しない。
従って、従来の薄膜の形成方法では、上述のようなレーザ光の偏心が起こることにより、超電導特性が優れた酸化物超電導体の薄膜を長尺にわたり均一に形成できないという問題があった。また、レーザ光の偏心が起こると、殆ど削られないまま残存している部分があっても、ターゲットは寿命となり、ターゲット表面の利用効率が悪いという課題があった。
【０００７】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、レーザ光をターゲットに照射して、ターゲットの構成粒子を叩き出し若しくは蒸発させて、基材上に上記構成粒子を堆積させることにより薄膜を形成する薄膜の形成方法において、ターゲットの偏心を防止して、ターゲットの寿命を延ばすことができ、長時間成膜しても高特性の薄膜を均一に形成できる薄膜の形成方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、以下の構成を採用した。請求項１記載の薄膜の形成方法は、レーザ光をターゲットに照射し、前記ターゲットに沿ってレーザ光を複数回走査して、該ターゲットの構成粒子を叩き出し若しくは蒸発させて、基材上に前記構成粒子を堆積させることにより薄膜を形成する薄膜の形成方法であって、前記レーザ光の照射位置を前記ターゲットの表面上で移動させるレーザ光の走査を行いながらレーザ光をターゲットの表面に対して斜め方向から照射してレーザ蒸着する際に、前回のレーザ光の走査と今回のレーザ光の走査において前記レーザ光により前記ターゲットを彫り込む方向を変更するために前記ターゲットをその中心軸を中心に回転させる回転運動と前記ターゲットを前記中心軸と交差する面に沿って移動させる並進運動を併用して異なる場所のターゲットの構成粒子が叩き出されるか蒸発するようにすることを特徴とする。
【０００９】
また、請求項２記載の薄膜の形成方法は、請求項１記載の薄膜の形成方法において、上記ターゲットの並進運動の速度は、下記式（１）で示される速度式を満たすものであることを特徴とする。
ｄｘ／ｄｔ＝ａ／｜ｘ｜ ・・・式（１）
（式中、ｘはターゲットの中心軸からの距離、ｔは時間、ａは定数）
また、請求項３記載の薄膜の形成方法は、請求項１または２に記載の薄膜の形成方法において、上記ターゲットを並進運動させる際、上記ターゲットを中心軸の両側に移動させることを特徴とする。
また、請求項４記載の薄膜の形成方法は、請求項２又は３記載の薄膜の形成方法において、上記レーザ光がターゲット中心付近に近づいた際に、レーザ光の発振を一時的に停止することを特徴とする。
また、上記構成の薄膜の形成方法において、上記ターゲットとして円板状のものを用いてもよい。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。なお、以下に述べる実施の形態では、本発明を酸化物超電導体の薄膜の形成方法に適用した場合について説明する。
図１は、本実施形態の酸化物超電導体の薄膜の形成方法により得られた酸化物超電導導体を示す斜視断面図である。
この酸化物超電導導体４は、薄膜積層体１４上に酸化物超電導体の薄膜３を形成してなるものである。薄膜積層体１４は、ハステロイ等の金属テープ状の基材１上にイオンビームアシストスパッタリング法等によってＹＳＺの多結晶中間薄膜２を形成してなるものである。
【００１１】
基材１の構成材料としては、ステンレス鋼、銅、または、ハステロイなどのニッケル合金などの合金各種金属材料から適宜選択される長尺の金属テープを用いることができる。この基材１の厚みは、０．０１〜０．５ｍｍ、好ましくは０．０２〜０．１５ｍｍとされる。基材１の厚みが０．５ｍｍ以上では、後述する酸化物超電導体の薄膜３の膜厚に比べて厚く、オーバーオール（酸化物超電導導体全断面積）あたりの臨界電流密度としては低下してしまう。一方、基材１の厚みが０．０１ｍｍ未満では、著しく基材１の強度が低下し、酸化物超電導導体４の補強効果を消失してしまう。
【００１２】
多結晶中間薄膜２は、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であり、各結晶粒の結晶軸のｃ軸は基材１の上面（成膜面）に対してほぼ直角に向けられ、各結晶粒の結晶軸のａ軸どうしおよびｂ軸どうしは、互いに同一方向に向けられて面内配向されている。多結晶中間薄膜２の厚みは、０．１〜１．０μｍとされる。多結晶中間薄膜２の厚みを１．０μｍを超えて厚くしてももはや効果の増大は期待できず、経済的にも不利となる。一方、多結晶中間薄膜２の厚みが０．１μｍ未満であると、薄すぎて酸化物超電導体の薄膜３を十分支持できない恐れがある。この多結晶中間薄膜２の構成材料としてはＹＳＺの他に、ＭｇＯ、ＳｒＴｉＯ3等を用いることができる。
【００１３】
酸化物超電導体の薄膜３は、Ｙ1Ｂa2Ｃｕ3Ｏx、Ｙ2Ｂa4Ｃｕ8Ｏx、Ｙ3Ｂa3Ｃｕ6Ｏxなる組成、（Ｂｉ,Ｐｂ）2Ｃａ2Ｓｒ2Ｃｕ3Ｏx、（Ｂｉ,Ｐｂ）2Ｃａ2Ｓｒ3Ｃｕ4Ｏxなる組成、あるいはＴｌ2Ｂａ2Ｃａ2Ｃｕ3Ｏx、Ｔｌ1Ｂａ2Ｃａ2Ｃｕ3Ｏx、Ｔｌ1Ｂａ2Ｃａ3Ｃｕ4Ｏxなる組成などに代表される臨界温度の高い酸化物超電導体からなるものである。
この薄膜３の厚みは、０．５〜５μｍ程度で、かつ均一な厚みとなっている。
また、薄膜３の膜質は均一となっており、薄膜３の結晶のｃ軸とａ軸とｂ軸も多結晶中間薄膜２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。
【００１４】
図２は、図１に示した酸化物超電導体の薄膜３を形成するためのレーザ蒸着装置の一例を示す図である。
この例のレーザ蒸着装置４１が、図１１に示した従来の酸化物超電導体の薄膜３の形成方法に用いられるレーザ蒸着装置１１と異なるところは、酸化物超電導体のターゲット１５を支持する支持ホルダとして図２に示すような支持ホルダ３７が備えられた点である。
【００１５】
支持ホルダ３７に取り付けられるターゲット１５としては、形成しようとする酸化物超電導体の薄膜３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、
Ｙ1Ｂa2Ｃｕ3Ｏx、Ｙ2Ｂa4Ｃｕ8Ｏx、Ｙ3Ｂa3Ｃｕ6Ｏxなる組成、
（Ｂｉ,Ｐｂ）2Ｃａ2Ｓｒ2Ｃｕ3Ｏx、（Ｂｉ,Ｐｂ）2Ｃａ2Ｓｒ3Ｃｕ4Ｏxなる組成、あるいはＴｌ2Ｂａ2Ｃａ2Ｃｕ3Ｏx、Ｔｌ1Ｂａ2Ｃａ2Ｃｕ3Ｏx、
Ｔｌ1Ｂａ2Ｃａ3Ｃｕ4Ｏxなる組成などに代表される臨界温度の高い酸化物超電 導体の薄膜３を形成するために使用するので、これ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。
また、ターゲット１５の形状としては、円板状のものが用いられる。
レーザ発光装置２２としては、ターゲット１５から構成粒子を叩き出すことができるレーザ光３０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、ＣＯ2レーザなどのいずれのものを用いても良い。
【００１６】
レーザの照射出力の調整は、レーザ発光装置２２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のパルスの数を示すものであり、この調整は、レーザ発光装置２２に電力を一定の周波数をもって間欠的に供給するか、レーザ光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。
【００１７】
支持ホルダ３７は、ターゲット１５を支持する支持部３８と、該支持部３８の底部に取り付けられたホルダ回転用シャフト３９と、該ホルダ回転用シャフト３９の端部に設けられたシャフト駆動源（図示略）から概略構成されてなるものである。また、この支持ホルダ３７には、支持部移動手段としてモータ等の駆動源（図示略）が接続されており、支持部３８の位置を移動自在とすることができるように構成されている。
このような構成の支持ホルダ３７は、上記シャフト駆動源の作動により、シャフト３９が回転して支持部３８が回転するようになっているので、この支持部３８に支持されたターゲット１５も支持部３８の回転と共に中心軸Ｏを中心にして回転するようになっている。このようにターゲット１５が中心軸Ｏを中心にして回転する運動を回転運動という。
【００１８】
さらに、支持ホルダ３７は、上記支持部移動手段の作動により、ターゲット１５の中心軸Ｏの延長線と直交する面に沿った方向に支持部３８が移動できるようになっているので、この支持部３８に支持されたターゲット１５も支持部３８の移動とともに移動し、すなわち、ターゲット１５は中心軸Ｏと直交する面に沿った方向に移動するようになっている。このようにターゲット１５が中心軸Ｏと直交する面に沿った方向に移動する運動を並進運動という。
従って、このような構成の支持ホルダ３７によれば、レーザ光３０の照射位置をターゲット１の表面上で移動させるレーザ光の走査を行いながらレーザ光をターゲットに照射してレーザ蒸着する際に、ターゲット１５を中心軸Ｏを中心に回転させる回転運動と、ターゲット１５を中心軸Ｏと直交する面に沿った方向に移動させる並進運動を同時に行うことにより、異なる場所のターゲット１５の構成粒子が叩き出されるようにすることが可能である。
【００１９】
次に、図２に示したレーザ蒸着装置４１を用いて薄膜積層体１４の上にＹ1Ｂａ2Ｃｕ3ＯXの酸化物超電導体の薄膜３を形成する方法の第一の実施形態について説明する。
ＹＳＺの多結晶中間薄膜２が形成された薄膜積層体１４をこの多結晶中間薄膜２側を上にして基台１６上に設置し、酸化物超電導体のターゲット１５としてＹ1Ｂａ2Ｃｕ3ＯXからなる円板状のターゲット１５を支持ホルダ３７の支持部３８に取り付け、蒸着処理室１３を真空排気装置２１で減圧する。ここで必要に応じて蒸着処理室１３に酸素ガスを導入して蒸着処理室１３を酸素雰囲気としても良い。また、基台１６の加熱ヒータを作動させて薄膜積層体１４を所望の温度に加熱しても良い。
【００２０】
送出装置１８から薄膜積層体１４を送り出しつつ、レーザ発光装置２２からレーザ光３０を発生させ、レーザ光３０の照射位置をターゲット１５の表面上で移動させるレーザ光の走査を行いながらレーザ光をターゲットに照射してレーザ蒸着する際に、上記シャフト駆動源によりホルダ回転用シャフト３９を回転させることによりターゲット１５をその中心軸Ｏを中心に回転させる（回転運動させる）とともに上記支持部移動手段によりターゲット１５の中心軸Ｏの延長線と直交する面に沿った方向に支持部３８を移動させることによりターゲット１５を中心軸Ｏと交差する面に沿って移動させる（並進運動させる）ことにより、多結晶中間薄膜２の表面にターゲット１５の構成粒子を堆積させる。
ここでのターゲット１５の回転運動によりレーザ光３０は円状の軌跡を描くので、ターゲット１５表面は円状に削られ、また、並進運動によりレーザ光３０はターゲット１５の径方向に動くので、ターゲット１５の円周側から中心側にかけても削れられるので、異なる場所のターゲット１５の構成粒子が叩き出されるか蒸発する。
【００２１】
ここでターゲットを回転運動させる際の回転速度は、１回転／ｓｅｃ〜１０回転／ｓｅｃ程度とされる。
また、ここでターゲットの並進運動させる際のターゲットの移動方向の具体例としては、図３の（Ａ）、（Ｂ）に示すようにターゲット１５の中心軸Ｏの一方の側で、かつ中心軸Ｏと直交する面上の＋ｘ方向および−ｘ方向である。
ターゲット１５を並進運動させる際の並進速度は、下記式（１）で示される速度式を満たすものであることが、ターゲット１５の表面にレーザ光３０を照射して、ターゲット１５の構成粒子を叩き出すか蒸発させたときに、ターゲット１５の表面が局所的に深く削られるのを防止し、ターゲット１５の表面全体を均一に削ることができ、ターゲット１５の表面の利用効率を向上できる点で好ましい。
【００２２】
ｄｘ／ｄｔ＝ａ／｜ｘ｜ ・・・式（１）
（式中、ｘはターゲットの中心軸Ｏからの距離（ｍｍ）、ｔは時間（ｓｅｃ）、ａは定数）
【００２３】
ターゲット１５の並進速度が、上記式（１）を満たさない場合、ターゲット１５の表面にレーザ光３０を照射して、ターゲット１５の構成粒子を叩き出すか蒸発させたときに、ターゲット１５の表面が局所的に深く削られるのを防止する効果が十分でなく、ターゲット１５の表面全体を均一に削るのが困難である。
上記式（１）中のａは、大きくなるほど並進速度が速くなる。ａの値の範囲としては、５０ｍｍ2／ｓｅｃ程度以上とするのが好ましい。ａの値が、５０ｍｍ2／ｓｅｃ未満であると、ターゲット１５の表面状態が速く悪くなり、ターゲット１５の寿命の延長効果が低下してしまう。
【００２４】
ここでターゲット１５を並進運動させる際の並進長さ（ターゲット１５の中心軸Ｏが、始めの位置にあるターゲット１５の中心軸Ｏから＋ｘ方向に最も離れたときの、始めの位置のターゲット１５の中心軸Ｏから＋ｘ方向の位置までの距離）Ｌ1がターゲット１５の半径未満であるとき、ターゲット１５は図４の（Ａ）、（Ｂ）で示されるように削られて、中心軸Ｏの周囲に底面が平滑の円環状の溝６３が形成される。
【００２５】
ターゲット１５を並進運動させる際、図５に示すようにターゲット１５の中心軸Ｏの両側で、かつ中心軸Ｏと直交する面上の＋ｘ方向および−ｘ方向に移動させることが、ターゲット１５の表面の状態を良好に保つことができる点で好ましい。それは、ターゲット１５は回転運動とともに並進運動しており、この並進運動の際にターゲット１５を中心軸Ｏの両側に移動させると、レーザ光３０の照射角度が周期的に反転するので、異なる方向のターゲット１５の構成粒子が叩き出されるか蒸発し、ターゲット１５の表面が均一に削られて平滑になるからである。例えば、ターゲット１５を １８０゜回転させる毎に、レーザ光３０の照射角度が図６の（Ａ）に示すような角度から、図６の（Ｂ）に示すような角度になる。 ここでターゲット１５を中心軸Ｏの両側に移動させる際の並進長さ（ターゲット１５の中心軸Ｏが始めの位置にあるターゲット１５の中心軸Ｏから最も離れたときの＋ｘ方向の位置から−ｘ方向の位置までの距離）Ｌ2がターゲット１５の半径を超える大きさ、好ましくはターゲット１５の直径程度の大きさであるとき、ターゲット１５は図７の（Ａ）、（Ｂ）で示されるように削られて、中心軸Ｏの周囲に底面が平滑の円板状の溝６３が形成される。
【００２６】
また、ターゲット１５の並進速度が上記式（１）を満たすとき、レーザ光３０がターゲット１５の中心軸Ｏの付近に近づいた際に、リモートコントロールによりレーザ光３０の発振を一時的に停止するのが好ましい。それは、ターゲット１５の並進速度が上記式（１）を満たすとき、ターゲット１５の中心軸Ｏ付近（ｘ＝０付近）でｄｘ／ｄｔが発散するため制御が困難で、その結果、ターゲット１５の中心軸Ｏ付近の消耗が速くなってしまうため、レーザ光３０がターゲット１５の中心軸Ｏ付近に近づいた際にレーザ光３０の発振を一時的に停止することにより、ターゲット１５の中心軸Ｏ付近が速く消耗するのを防止できる。
【００２７】
ターゲット１５にレーザ光を照射する際の走査速度は２ｍｍ／秒より速くすることが好ましい。走査速度が２ｍｍ／秒以下であると、ターゲットが受けるレーザ光の熱エネルギーが大きくなり、ターゲットの局部的な温度上昇による割れが発生するので好ましくない。
【００２８】
また、上述の走査速度の範囲でターゲット１５にレーザ光３０を照射する場合には、レーザ光の照射エネルギーが２００〜４００ｍＪの範囲であることが必要である。レーザ光の照射エネルギーが２００ｍＪ以下であると、走査速度を２ｍｍ／秒としても、ターゲットに与える熱エネルギーが小さすぎて、ターゲットの構成粒子を十分に叩き出し若しくは蒸発させることができないので、酸化物超電導体の薄膜の形成速度が低下してしまい効率的でない。
レーザ光の出力が４００ｍＪ以上であると、走査速度を２０ｍｍ／秒としても、ターゲットに与えるエネルギーが大きすぎて、ターゲットに割れが生じてしまうので好ましくない。
【００２９】
更に、レーザ光の照射周波数が１０〜２００Ｈｚの範囲であることが必要である。
レーザ光の照射周波数が１０Ｈｚ以下であると、照射出力を４００ｍＪとし、走査速度を２ｍｍ／秒としても、ターゲットに与えるエネルギーが小さすぎて、ターゲットの構成粒子を十分に叩き出すことができないので、酸化物超電導体の薄膜の形成速度が低下してしまい効率的でない。
レーザ光の照射周波数が２００Ｈｚより大きいと、照射出力を２００ｍＪとし、走査速度を２０ｍｍ／秒としても、ターゲットに与えるエネルギーが大きすぎて、ターゲットに割れが生じてしまうので好ましくない。
【００３０】
上述のようにレーザ光３０の走査を行う際に、ターゲット１５をその中心軸Ｏを中心に回転させる回転運動とターゲット１５を中心軸Ｏと交差する面に沿って移動させる並進運動を併用することにより、ターゲット１５の表面が局所的に深く削られるのを防止でき、レーザ光３０の偏心を防止でき、ターゲット１５から叩き出された構成粒子の飛行する方向が偏ることがなく、上記構成粒子を薄膜積層体１４上に均一に堆積させることができる。
【００３１】
多結晶中間薄膜２は、その結晶粒が予めｃ軸配向し、ａ軸とｂ軸でも配向するようにイオンビームアシスト法により形成されているので、上記のようにターゲット１５から叩き出された構成粒子が飛行方向が偏ることなく飛行して、多結晶中間薄膜２上に均一に堆積すると、酸化物超電導体の薄膜３の結晶のｃ軸とａ軸とｂ軸も多結晶中間薄膜２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する。これにより膜厚が均一で、かつ結晶配向性の優れたＹ1Ｂａ2Ｃｕ3ＯXの酸化物超電導体の薄膜３が得られる。なお、成膜後に必要に応じて酸化物超電導体の薄膜３の結晶構造を整えるための熱処理を施しても良い。
【００３２】
実施形態の酸化物超電導体の薄膜の形成方法は、レーザ光３０の照射位置をターゲット１５の表面上で移動させるレーザ光の走査を行いながらレーザ光３０をターゲット１５に照射してレーザ蒸着する際に、ターゲット１５をその中心軸Ｏを中心に回転させる回転運動とターゲット１５を中心軸Ｏと交差する面に沿って移動させる並進運動を併用することにより、長時間成膜しても、ターゲット１５の表面が局所的に深く削られることがなく、レーザ光をターゲットの表面上の同一の円状の経路に沿って往復させる従来の薄膜の形成方法に比べてターゲット１５の表面が平滑で、レーザ光３０の偏心を防止でき、ターゲット１５から叩き出された構成粒子の飛行する方向が偏ることがなく、上記構成粒子を薄膜積層体１４上に均一に堆積させることができる。このような実施形態の酸化物超電導体の薄膜の形成方法によれば、ターゲット１５の構成粒子を薄膜積層体１４上に均一に堆積させることができるので、膜厚および膜質が均一で、結晶配向性が優れた酸化物超電導体の薄膜３を長尺に亘って均一に形成でき、従って、臨界電流密度等の超電導特性にバラツキがない長尺の酸化物超電導導体４を提供できる。
【００３３】
また、実施形態の酸化物超電導体の薄膜の形成方法によれば、長時間成膜しても、ターゲット１５の表面が局所的に深く削れられることがなく、表面が平滑であるので、レーザ光の偏心を防止できるので、レーザ光をターゲットの表面上の同一の円状の経路に沿って往復させる従来の薄膜の形成方法に比べてターゲット表面の利用効率を向上でき、ターゲット１５の寿命を約１０倍以上延ばすことができる。また、このようにターゲット１５の寿命を延ばすことができるので、薄膜の製造コストを低減できる。
【００３４】
なお、上記の実施の形態では、本発明を酸化物超電導体の薄膜の形成方法に適用した場合について説明したが、必ずしもこれに限られず、ターゲットにレーザ光を照射して、ターゲットの構成粒子を叩き出し若しくは蒸発させて、基材上に上記構成粒子を堆積させて薄膜を形成する方法であれば適用可能であり、また、本発明は長尺の基材上に連続的に薄膜を形成する方法だけでなく、バッチ処理によりデバイス用薄膜等の薄膜を形成する方法にも適用可能である。
【００３５】
【実施例】
（実施例１）
図２に示すレーザ蒸着装置を用い、ハステロイテープの表面に厚さ０．７μｍのＹＳＺ多結晶中間薄膜を形成した薄膜積層体をこの多結晶中間薄膜側を上にして基台上に設置し、ターゲットとしてＹ1Ｂａ2Ｃｕ3ＯX系の長方形板状のターゲットを支持ホルダの支持部に取り付け、蒸着処理室を真空排気装置で減圧した。送出装置から上記薄膜積層体を１．０ｍ／ｈで送り出しつつ、レーザ発光装置からレーザ光を発生させ、レーザ光の照射位置をターゲットの表面上で移動させるレーザ光の走査を行う際、ターゲットをその中心軸を中心に回転させる（回転運動させる）とともに図３に示すようにターゲットをその中心軸の一方の側で、かつこの中心軸と直交する面上の＋ｘ方向および−ｘ方向に移動させ（並進運動させる）て、異なる場所のターゲットの構成粒子が叩き出されるか蒸発されるようにして、上記多結晶中間薄膜の表面にターゲットの構成粒子を堆積させて、厚さ１μｍのＹ1Ｂａ2Ｃｕ3ＯXの薄膜を形成し、酸化物超電導導体を得た。なお、レーザ光をターゲットに照射する際のレーザ光の走査速度を２ｍｍ／秒、レーザ光の強度を２０Ｗ、照射周波数を１００Ｈｚ、ターゲットの回転速度は２回転／ｓｅｃ、ターゲットの並進運動の速度は、上記式（１）で示される速度式を満たしており、このときのａの値は、５０ｍｍ2／ｓｅｃ、並進長さはターゲットの半径分（３５ｍｍ）であった。
【００３６】
（実施例２）
レーザ光の照射位置をターゲットの表面上で移動させるレーザ光の走査を行う際、ターゲットをその中心軸を中心に回転させる（回転運動させる）とともに図５に示すようにターゲットをその中心軸の両方の側で、かつこの中心軸と直交する面上の＋ｘ方向および−ｘ方向に移動させ（並進運動させる）、かつ並進長さをターゲットの直径分（７０ｍｍ）とした以外は上記実施例１と同様にして多結晶中間薄膜の表面にターゲットの構成粒子を堆積させて、厚さ１μｍのＹ1Ｂａ2Ｃｕ3ＯXの薄膜を形成し、酸化物超電導導体を得た。
（比較例１）
レーザ光の照射位置をターゲットの表面上で移動させるレーザ光の走査を行う際、ターゲットを並進運動させることなく、ターゲットをその中心軸を中心に回転させた以外は上記実施例１と同様にして多結晶中間薄膜の表面にターゲットの構成粒子を堆積させて、厚さ１μｍのＹ1Ｂａ2Ｃｕ3ＯXの薄膜を形成し、酸化物超電導導体を得た。
【００３７】
上記実施例１と実施例２で使用後のターゲットの表面の組織の状態を光学電子顕微鏡により観察した。その結果を図８〜図９に示す。図８は、実施例１で使用後のターゲット材料の表面の組織の状態を示す顕微鏡写真である。図９は、実施例２で使用後のターゲット材料の表面の組織の状態を示す顕微鏡写真である。
上記比較例１で使用後のターゲットの表面の組織の状態を光学電子顕微鏡により観察した。その結果を図１４に示す。図１４は、比較例１で使用後のターゲット材料の表面の組織の状態を示す顕微鏡写真である。
図８〜図９、図１４から明らかなように比較例１で使用後のターゲットは、表面が局所的に深く削られていることがわかる。これに対して実施例１と実施例２で使用後のターゲットは、共に縞状の凹凸が見られ、この縞状の凹凸の間に黒い凹みの部分があり、そこは比較的深い穴になっていると考えられるが、比較例１で使用後のターゲットに比べてそのような深い穴の部分が少ないことわかる。また、ターゲットの並進長さをターゲットの直径分の長さとした実施例２で使用後のターゲットは、ターゲットの並進長さをターゲットの半径分の長さとした実施例１で使用後のターゲットに比べて上記縞の間隔が数分の１となっており、均一に削られていることがわかる。
【００３８】
また、縞状の凹凸の間に黒い凹みの部分があり、そこは比較的深い穴になっていると考えられるが、実施例１で使用後のターゲットは、実施例１で使用後のターゲットに比べてそのような深い穴の部分が多いことわかる。
従って、ターゲットを回転させるとともに並進長さをターゲットの直径分として並進運動させた実施例２の方法によれば、ターゲットを回転させるとともに並進長さをターゲットの半径分とした実施例１の方法に比べて、ターゲットにできる縞の間隔が狭く、穴の深さも浅く、より平坦な表面が維持されていることがわかる。従って、特に、実施例２の薄膜の形成方法は、ターゲットの表面が局所的に深く削られるのを防止する効果が優れている。
【００３９】
また、実施例１〜２と比較例１において長時間成膜したときのＹ1Ｂａ2Ｃｕ3ＯXの薄膜の膜厚変動について調べた。その結果を図１０に示す。図１０中、横軸は成膜時間（ｈ）、縦軸は初期膜厚（０時間成膜したときの厚みを１００％）に対する各成膜時間で得られた薄膜の膜厚の割合である。また、図１０中、破線▲１▼は実施例１で形成したＹ1Ｂａ2Ｃｕ3ＯXの薄膜の膜厚変動を示すグラフであり、実線▲２▼は実施例２で形成したＹ1Ｂａ2Ｃｕ3ＯXの薄膜の膜厚変動を示すグラフであり、一点鎖線▲３▼は比較例１で形成したＹ1Ｂａ2Ｃｕ3ＯXの薄膜の膜厚変動を示すグラフである。
【００４０】
図１０に示した結果から比較例１の薄膜の形成方法は、成膜時間が長くなると、実施例１や実施例２の薄膜の形成方法に比べて、得られるＹ1Ｂａ2Ｃｕ3ＯXの膜厚の低下の割合が大きくなっており、また、膜厚の変動も大きいことがわかる。これに対して実施例２の薄膜の形成方法では、成膜時間が長くなっても得られるＹ1Ｂａ2Ｃｕ3ＯXの薄膜の膜厚さの低下の割合が小さく、しかも膜厚の変動も大幅に改善され、膜厚が均一な酸化物超電導体の薄膜を形成できることがわかる。
従って、実施例１〜２の薄膜の形成方法によれば、ターゲットが局所的に深く削られることに起因してレーザ光が偏心し、ターゲットから叩き出された構成粒子の飛行する方向が偏るのを改善でき、上記構成粒子を基材上に均一に堆積させることができることがわかる。特に、実施例２の薄膜の形成方法によれば、ターゲットが局所的に深く削られることに起因するレーザ光の偏心の防止効果が優れ、膜厚の変動の防止効果が優れている。
【００４１】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように本発明の薄膜の形成方法によれば、上記レーザ光の照射位置を上記ターゲットの表面上で移動させるレーザ光の走査を行いながらレーザ光をターゲットの表面に斜め方向に照射してレーザ蒸着する際に、前回のレーザ光の走査と今回のレーザ光の走査において前記レーザ光により前記ターゲットを彫り込む方向を変更するために、異なる場所のターゲットの構成粒子が叩き出されるか蒸発するように上記ターゲットをその中心軸を中心に回転させる回転運動と上記ターゲットを上記中心軸と交差する面に沿って移動させる並進運動を併用することにより、長時間成膜しても、ターゲットの表面が局所的に深く削られることがなく、レーザ光をターゲットの表面上の同一の円状の経路に沿って往復させる従来の薄膜の形成方法に比べてターゲットの表面が平滑で、レーザ光の偏心を防止でき、ターゲットから叩き出された構成粒子の飛行する方向が偏ることがなく、上記構成粒子を基材上に均一に堆積させることができる。
従って、このような本発明の薄膜の形成方法によれば、ターゲットの構成粒子を基材上に均一に堆積させることができるので、膜質および膜厚さが均一で、高特性の薄膜を均一に形成できる。
【００４２】
また、本発明の薄膜の形成方法によれば、長時間成膜しても、ターゲットの表面が局所的に深く削れられることがなく、表面が平滑であるので、レーザ光の偏心を防止できるので、レーザ光をターゲットの表面上の同一の円状の経路に沿って往復させる従来の薄膜の形成方法に比べてターゲット表面の利用効率を向上でき、ターゲットの寿命を大幅に延ばすことができる。また、このようにターゲットの寿命を大幅に延ばすことができるので、薄膜の製造コストを低減できる。
【００４３】
また、本発明の薄膜の形成方法において、上記ターゲットの並進運動の速度を、上記式（１）で示される速度式を満たすようにすることにより、ターゲットの表面が局所的に深く削られるのを防止する効果が十分で、ターゲットの表面全体を均一に削ることができる。
また、本発明の薄膜の形成方法において、ターゲットを並進運動させる際、ターゲットを中心軸の両側に移動させることにより、レーザ光の照射角度を周期的に反転させることができ、異なる方向のターゲットの構成粒子が叩き出されるか蒸発し、ターゲットの表面が均一に削られて平滑とすることができる。
さらに、本発明の形成方法において、上記レーザ光がターゲット中心付近に近づいた際に、レーザ光の発振を一時的に停止することにより、ターゲットの中心軸付近が速く消耗するのを防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施形態の酸化物超電導体の薄膜の形成方法により得られた酸化物超電導導体を示す斜視断面図である。
【図２】 本発明の薄膜の形成方法の実施に好適に用いられるレーザ蒸着装置の概略構成を示す図である。
【図３】 本発明の実施形態の酸化物超電導体の薄膜の形成方法において、ターゲットを中心軸の一方の側に並進運動させる場合を説明するための図であり、（Ａ）はターゲットを基材側から見たときの並進運動を示す平面図、（Ｂ）は（Ａ）に示したターゲットの断面図である。
【図４】 ターゲットの並進長さを半径未満とした実施形態の酸化物超電導体の薄膜の形成方法で使用後のターゲットの状態を説明するための図であり、（Ａ）はターゲットを基材側から見たときの平面図、（Ｂ）は（Ａ）に示したターゲットの断面図である。
【図５】 本発明の実施形態の酸化物超電導体の薄膜の形成方法において、ターゲットを中心軸の両側に並進運動させる場合を説明するための図であり、（Ａ）はターゲットを基材側から見たときの並進運動を示す平面図、（Ｂ）は（Ａ）に示したターゲットの断面図である。
【図６】 ターゲットを中心軸の両側に並進運動させた場合、レーザ光の照射角度が周期的に反転する理由を説明するための図である。
【図７】 ターゲットの並進長さを直径程度とした実施形態の酸化物超電導体の薄膜の形成方法で使用後のターゲットの状態を説明するための図であり、（Ａ）はターゲットを基材側から見たときの平面図、（Ｂ）は（Ａ）に示したターゲットの断面図である。
【図８】 実施例１で使用後のターゲット材料の表面の組織の状態を示す顕微鏡写真である。
【図９】 実施例２で使用後のターゲット材料の表面の組織の状態を示す顕微鏡写真である。
【図１０】 実施例１〜２と比較例１の薄膜の形成方法において長時間成膜したときのＹ1Ｂａ2Ｃｕ3ＯXの薄膜の膜厚変動を示すグラフである。
【図１１】 従来の薄膜の形成方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の概略構成を示す図である。
【図１２】 図１１に示したレーザ蒸着装置に備えられた円形のターゲットと、該ターゲットにレーザ光を照射したときのレーザ光の軌跡を示す平面図である。
【図１３】 従来の薄膜の形成方法によりレーザ光をターゲットに繰り返し照射したときのターゲット表面が局所的に深く削られた状態を示す図であり、（Ａ）はターゲットの平面図、（Ｂ）はターゲットの縦断面図でる。
【図１４】 比較例１で使用後のターゲット材料の表面の組織の状態を示す顕微鏡写真である。
【符号の説明】
１・・・基材、３・・・薄膜、１５・・・ターゲット、３０・・・レーザ光、３７・・・支持ホルダ、３８・・・支持部、３９・・・ホルダ回転用シャフト、Ｏ・・・中心軸、Ｌ1・・・並進長さ、Ｌ2・・・並進長さ。
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザ光をターゲットに照射してターゲットの構成粒子を叩き出し若しくは蒸発させ、長尺の基材上に該構成粒子を連続的に長時間堆積させることにより酸化物超電導体等の薄膜を形成する薄膜の形成方法や、バッチ処理により薄膜を形成する方法であって、レーザ光をターゲットに照射してターゲットの構成粒子を叩き出し若しくは蒸発させ、基材上に該構成粒子を堆積させることによりデバイス用薄膜等の薄膜を形成する薄膜の形成方法に係わり、ターゲットの寿命を延ばすことができ、長時間成膜しても高特性の薄膜を均一に形成できる薄膜の形成方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
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、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できなかった。
そこで本発明者らは、ハステロイテープなどの金属テープからなる基材１の上に結晶配向性に優れたイットリウム安定化ジルコニア（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、酸化物超電導体の中でも臨界温度が約９０Ｋであり、液体窒素（７７Ｋ）中で用いることができる安定性に優れたＹ1Ｂａ2Ｃｕ3Ｏx系の酸化物超電導体の薄膜を形成することで超電導特性の優れた酸化物超電導導体を製造する試みが行なわれており、本発明者らは先に、特願平３ー１２６８３６号、特願平３ー１２６８３７号、特願平３ー２０５５５１号、特願平４ー１３４４３号、特願平４ー２９３４６４号などにおいて特許出願を行なっている。
【０００３】
これらの特許出願に記載された技術おいては、Ｙ1Ｂａ2Ｃｕ3Ｏx系の酸化物超電導体の薄膜を形成させるために、レーザ蒸着法による薄膜の形成方法が採用されている。
図１１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の一例を示す。
この例のレーザ蒸着装置１１は、処理容器１２を有し、この処理容器１２の内部の蒸着処理室１３に、薄膜積層体１４と、ターゲット１５とを設置できるようになっている。即ち、蒸着処理室１３の底部には基台１６が設けられ、この基台１６の上面に基材上に多結晶中間薄膜を形成してなる薄膜積層体１４を設置できるようになっているとともに、基台１６の斜め上方に支持ホルダ１７によって支持された酸化物超電導体のターゲット１５が設けられている。
また、図中符号１８は薄膜積層体１４の送出装置、１９は薄膜積層体１４の巻取装置を示す。
【０００４】
また、処理容器１２は、排気孔２０を介して真空排気装置２１に接続されて蒸着処理室１３を所定の圧力に減圧できるようになっている。
ターゲット１５としては、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、酸化物超電導体の焼結体等が用いられている。また、ターゲット１５の形状としては、図１２に示すような円形状のものが用いられていた。ターゲット１５は、後述するレーザ光３０が所定の角度で照射されて、このレーザ光３０によって叩き出されるターゲット１５の構成粒子が薄膜積層体１４上に均一に堆積できるように所定の角度で傾斜した状態で設けられている。
基台１６は加熱ヒータを内蔵したもので、薄膜積層体１４を必要に応じて加熱できるようになっている。
支持ホルダ１７には、モータ等の駆動源（図示略）と接続されている。この支持ホルダ１７は、上記駆動源の作動により回転し、これに伴って該支持ホルダ１７に支持されたターゲット１５も中心軸Ｏを中心に回転するようになっている。
一方、処理容器１２の側方には、レーザ発光装置２２と第１反射鏡２３と集光レンズ２４と第２反射鏡２５とが設けられ、レーザ発光装置２２が発生させた
レーザ光３０を処理容器１２の側壁に取り付けられた透明窓２６を介してターゲット１５に集光照射できるようになっている。レーザ光３０としては、Ａｒ−Ｆ（１９３ｎｍ）、Ｋｒ−Ｆ（２４８ｎｍ）などのエキシマレーザ等が主に用いられている。
【０００５】
上述のような構成のレーザ蒸着装置１１を用いて薄膜積層体１４上にＹ1Ｂａ2Ｃｕ3ＯXの酸化物超電導体の薄膜を成膜するには、薄膜積層体１４をこの多結晶中間薄膜側を上にして基台１６上に設置し、酸化物超電導体のターゲット１５としてＹ1Ｂａ2Ｃｕ3ＯXのターゲットを設置し、蒸着処理室１３を真空排気装置２１で減圧する。ついで、送出装置１８から薄膜積層体１４を送り出し、一方、上記駆動源を作動させてターゲット１５を中心軸Ｏを中心に回転させながら該ターゲット１５の表面にエキシマレーザ等のレーザ光３０を照射することにより、レーザ光３０の照射位置をターゲット１５の表面上で移動させることで走査しながら、ターゲットの構成粒子を叩き出し若しくは蒸発させて、多結晶中間薄膜上に上記構成粒子を堆積させる。多結晶中間薄膜は、その結晶粒が予めｃ軸配向し、ａ軸とｂ軸でも配向するようにイオンビームアシスト法により形成されているので、酸化物超電導体の薄膜の結晶のｃ軸とａ軸とｂ軸も多結晶中間薄膜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する。これにより結晶配向性を制御したＹ1Ｂａ2Ｃｕ3ＯXの酸化物超電導体の薄膜が得られる。
上述のようにレーザ光３０をターゲット１５に走査したときの、レーザ光３０の軌跡は図１２の一点鎖線で示されるような軌跡３１となる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら従来の薄膜の形成方法においては、ターゲット１５の構成粒子を薄膜積層体１４の多結晶中間薄膜上に堆積させる際に、ターゲット１５を中心軸Ｏを中心に回転させながら該ターゲット１５の表面に集光したレーザ光３０を照射する方法、すなわち、レーザ光３０をターゲット１５の表面上の同一の円状の経路に沿って複数回往復移動させることにより走査する方法であるので、長時間成膜を行うと、上記経路の部分が深く削られてしまい、図１３の（Ａ）と（Ｂ）に示すような底部に凹凸を有する溝３３ができてしまう。このように局所的に深く削られた溝３３を有するターゲット１５にレーザ光３０を照射すると、ターゲット１５が所定の角度で傾斜して配置されていても、レーザ光３０は溝３３内の凹凸部分にあたって偏心してしまうため、偏心したレーザ光３０により叩き出された構成粒子は薄膜積層体１４上に均一に堆積しない。
従って、従来の薄膜の形成方法では、上述のようなレーザ光の偏心が起こることにより、超電導特性が優れた酸化物超電導体の薄膜を長尺にわたり均一に形成できないという問題があった。また、レーザ光の偏心が起こると、殆ど削られないまま残存している部分があっても、ターゲットは寿命となり、ターゲット表面の利用効率が悪いという課題があった。
【０００７】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、レーザ光をターゲットに照射して、ターゲットの構成粒子を叩き出し若しくは蒸発させて、基材上に上記構成粒子を堆積させることにより薄膜を形成する薄膜の形成方法において、ターゲットの偏心を防止して、ターゲットの寿命を延ばすことができ、長時間成膜しても高特性の薄膜を均一に形成できる薄膜の形成方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、以下の構成を採用した。請求項１記載の薄膜の形成方法は、レーザ光をターゲットに照射し、前記ターゲットに沿ってレーザ光を複数回走査して、該ターゲットの構成粒子を叩き出し若しくは蒸発させて、基材上に前記構成粒子を堆積させることにより薄膜を形成する薄膜の形成方法であって、前記レーザ光の照射位置を前記ターゲットの表面上で移動させるレーザ光の走査を行いながらレーザ光をターゲットの表面に対して斜め方向から照射してレーザ蒸着する際に、前回のレーザ光の走査と今回のレーザ光の走査において前記レーザ光により前記ターゲットを彫り込む方向を変更するために前記ターゲットをその中心軸を中心に回転させる回転運動と前記ターゲットを前記中心軸と交差する面に沿って移動させる並進運動を併用して異なる場所のターゲットの構成粒子が叩き出されるか蒸発するようにすることを特徴とする。
【０００９】
また、請求項２記載の薄膜の形成方法は、請求項１記載の薄膜の形成方法において、上記ターゲットの並進運動の速度は、下記式（１）で示される速度式を満たすものであることを特徴とする。
ｄｘ／ｄｔ＝ａ／｜ｘ｜ ・・・式（１）
（式中、ｘはターゲットの中心軸からの距離、ｔは時間、ａは定数）
また、請求項３記載の薄膜の形成方法は、請求項１または２に記載の薄膜の形成方法において、上記ターゲットを並進運動させる際、上記ターゲットを中心軸の両側に移動させることを特徴とする。
また、請求項４記載の薄膜の形成方法は、請求項２又は３記載の薄膜の形成方法において、上記レーザ光がターゲット中心付近に近づいた際に、レーザ光の発振を一時的に停止することを特徴とする。
また、上記構成の薄膜の形成方法において、上記ターゲットとして円板状のものを用いてもよい。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。なお、以下に述べる実施の形態では、本発明を酸化物超電導体の薄膜の形成方法に適用した場合について説明する。
図１は、本実施形態の酸化物超電導体の薄膜の形成方法により得られた酸化物超電導導体を示す斜視断面図である。
この酸化物超電導導体４は、薄膜積層体１４上に酸化物超電導体の薄膜３を形成してなるものである。薄膜積層体１４は、ハステロイ等の金属テープ状の基材１上にイオンビームアシストスパッタリング法等によってＹＳＺの多結晶中間薄膜２を形成してなるものである。
【００１１】
基材１の構成材料としては、ステンレス鋼、銅、または、ハステロイなどのニッケル合金などの合金各種金属材料から適宜選択される長尺の金属テープを用いることができる。この基材１の厚みは、０．０１〜０．５ｍｍ、好ましくは０．０２〜０．１５ｍｍとされる。基材１の厚みが０．５ｍｍ以上では、後述する酸化物超電導体の薄膜３の膜厚に比べて厚く、オーバーオール（酸化物超電導導体全断面積）あたりの臨界電流密度としては低下してしまう。一方、基材１の厚みが０．０１ｍｍ未満では、著しく基材１の強度が低下し、酸化物超電導導体４の補強効果を消失してしまう。
【００１２】
多結晶中間薄膜２は、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であり、各結晶粒の結晶軸のｃ軸は基材１の上面（成膜面）に対してほぼ直角に向けられ、各結晶粒の結晶軸のａ軸どうしおよびｂ軸どうしは、互いに同一方向に向けられて面内配向されている。多結晶中間薄膜２の厚みは、０．１〜１．０μｍとされる。多結晶中間薄膜２の厚みを１．０μｍを超えて厚くしてももはや効果の増大は期待できず、経済的にも不利となる。一方、多結晶中間薄膜２の厚みが０．１μｍ未満であると、薄すぎて酸化物超電導体の薄膜３を十分支持できない恐れがある。この多結晶中間薄膜２の構成材料としてはＹＳＺの他に、ＭｇＯ、ＳｒＴｉＯ3等を用いることができる。
【００１３】
酸化物超電導体の薄膜３は、Ｙ1Ｂa2Ｃｕ3Ｏx、Ｙ2Ｂa4Ｃｕ8Ｏx、Ｙ3Ｂa3Ｃｕ6Ｏxなる組成、（Ｂｉ,Ｐｂ）2Ｃａ2Ｓｒ2Ｃｕ3Ｏx、（Ｂｉ,Ｐｂ）2Ｃａ2Ｓｒ3Ｃｕ4Ｏxなる組成、あるいはＴｌ2Ｂａ2Ｃａ2Ｃｕ3Ｏx、Ｔｌ1Ｂａ2Ｃａ2Ｃｕ3Ｏx、Ｔｌ1Ｂａ2Ｃａ3Ｃｕ4Ｏxなる組成などに代表される臨界温度の高い酸化物超電導体からなるものである。
この薄膜３の厚みは、０．５〜５μｍ程度で、かつ均一な厚みとなっている。
また、薄膜３の膜質は均一となっており、薄膜３の結晶のｃ軸とａ軸とｂ軸も多結晶中間薄膜２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。
【００１４】
図２は、図１に示した酸化物超電導体の薄膜３を形成するためのレーザ蒸着装置の一例を示す図である。
この例のレーザ蒸着装置４１が、図１１に示した従来の酸化物超電導体の薄膜３の形成方法に用いられるレーザ蒸着装置１１と異なるところは、酸化物超電導体のターゲット１５を支持する支持ホルダとして図２に示すような支持ホルダ３７が備えられた点である。
【００１５】
支持ホルダ３７に取り付けられるターゲット１５としては、形成しようとする酸化物超電導体の薄膜３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、
Ｙ1Ｂa2Ｃｕ3Ｏx、Ｙ2Ｂa4Ｃｕ8Ｏx、Ｙ3Ｂa3Ｃｕ6Ｏxなる組成、
（Ｂｉ,Ｐｂ）2Ｃａ2Ｓｒ2Ｃｕ3Ｏx、（Ｂｉ,Ｐｂ）2Ｃａ2Ｓｒ3Ｃｕ4Ｏxなる組成、あるいはＴｌ2Ｂａ2Ｃａ2Ｃｕ3Ｏx、Ｔｌ1Ｂａ2Ｃａ2Ｃｕ3Ｏx、
Ｔｌ1Ｂａ2Ｃａ3Ｃｕ4Ｏxなる組成などに代表される臨界温度の高い酸化物超電 導体の薄膜３を形成するために使用するので、これ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。
また、ターゲット１５の形状としては、円板状のものが用いられる。
レーザ発光装置２２としては、ターゲット１５から構成粒子を叩き出すことができるレーザ光３０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、ＣＯ2レーザなどのいずれのものを用いても良い。
【００１６】
レーザの照射出力の調整は、レーザ発光装置２２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のパルスの数を示すものであり、この調整は、レーザ発光装置２２に電力を一定の周波数をもって間欠的に供給するか、レーザ光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。
【００１７】
支持ホルダ３７は、ターゲット１５を支持する支持部３８と、該支持部３８の底部に取り付けられたホルダ回転用シャフト３９と、該ホルダ回転用シャフト３９の端部に設けられたシャフト駆動源（図示略）から概略構成されてなるものである。また、この支持ホルダ３７には、支持部移動手段としてモータ等の駆動源（図示略）が接続されており、支持部３８の位置を移動自在とすることができるように構成されている。
このような構成の支持ホルダ３７は、上記シャフト駆動源の作動により、シャフト３９が回転して支持部３８が回転するようになっているので、この支持部３８に支持されたターゲット１５も支持部３８の回転と共に中心軸Ｏを中心にして回転するようになっている。このようにターゲット１５が中心軸Ｏを中心にして回転する運動を回転運動という。
【００１８】
さらに、支持ホルダ３７は、上記支持部移動手段の作動により、ターゲット１５の中心軸Ｏの延長線と直交する面に沿った方向に支持部３８が移動できるようになっているので、この支持部３８に支持されたターゲット１５も支持部３８の移動とともに移動し、すなわち、ターゲット１５は中心軸Ｏと直交する面に沿った方向に移動するようになっている。このようにターゲット１５が中心軸Ｏと直交する面に沿った方向に移動する運動を並進運動という。
従って、このような構成の支持ホルダ３７によれば、レーザ光３０の照射位置をターゲット１の表面上で移動させるレーザ光の走査を行いながらレーザ光をターゲットに照射してレーザ蒸着する際に、ターゲット１５を中心軸Ｏを中心に回転させる回転運動と、ターゲット１５を中心軸Ｏと直交する面に沿った方向に移動させる並進運動を同時に行うことにより、異なる場所のターゲット１５の構成粒子が叩き出されるようにすることが可能である。
【００１９】
次に、図２に示したレーザ蒸着装置４１を用いて薄膜積層体１４の上にＹ1Ｂａ2Ｃｕ3ＯXの酸化物超電導体の薄膜３を形成する方法の第一の実施形態について説明する。
ＹＳＺの多結晶中間薄膜２が形成された薄膜積層体１４をこの多結晶中間薄膜２側を上にして基台１６上に設置し、酸化物超電導体のターゲット１５としてＹ1Ｂａ2Ｃｕ3ＯXからなる円板状のターゲット１５を支持ホルダ３７の支持部３８に取り付け、蒸着処理室１３を真空排気装置２１で減圧する。ここで必要に応じて蒸着処理室１３に酸素ガスを導入して蒸着処理室１３を酸素雰囲気としても良い。また、基台１６の加熱ヒータを作動させて薄膜積層体１４を所望の温度に加熱しても良い。
【００２０】
送出装置１８から薄膜積層体１４を送り出しつつ、レーザ発光装置２２からレーザ光３０を発生させ、レーザ光３０の照射位置をターゲット１５の表面上で移動させるレーザ光の走査を行いながらレーザ光をターゲットに照射してレーザ蒸着する際に、上記シャフト駆動源によりホルダ回転用シャフト３９を回転させることによりターゲット１５をその中心軸Ｏを中心に回転させる（回転運動させる）とともに上記支持部移動手段によりターゲット１５の中心軸Ｏの延長線と直交する面に沿った方向に支持部３８を移動させることによりターゲット１５を中心軸Ｏと交差する面に沿って移動させる（並進運動させる）ことにより、多結晶中間薄膜２の表面にターゲット１５の構成粒子を堆積させる。
ここでのターゲット１５の回転運動によりレーザ光３０は円状の軌跡を描くので、ターゲット１５表面は円状に削られ、また、並進運動によりレーザ光３０はターゲット１５の径方向に動くので、ターゲット１５の円周側から中心側にかけても削れられるので、異なる場所のターゲット１５の構成粒子が叩き出されるか蒸発する。
【００２１】
ここでターゲットを回転運動させる際の回転速度は、１回転／ｓｅｃ〜１０回転／ｓｅｃ程度とされる。
また、ここでターゲットの並進運動させる際のターゲットの移動方向の具体例としては、図３の（Ａ）、（Ｂ）に示すようにターゲット１５の中心軸Ｏの一方の側で、かつ中心軸Ｏと直交する面上の＋ｘ方向および−ｘ方向である。
ターゲット１５を並進運動させる際の並進速度は、下記式（１）で示される速度式を満たすものであることが、ターゲット１５の表面にレーザ光３０を照射して、ターゲット１５の構成粒子を叩き出すか蒸発させたときに、ターゲット１５の表面が局所的に深く削られるのを防止し、ターゲット１５の表面全体を均一に削ることができ、ターゲット１５の表面の利用効率を向上できる点で好ましい。
【００２２】
ｄｘ／ｄｔ＝ａ／｜ｘ｜ ・・・式（１）
（式中、ｘはターゲットの中心軸Ｏからの距離（ｍｍ）、ｔは時間（ｓｅｃ）、ａは定数）
【００２３】
ターゲット１５の並進速度が、上記式（１）を満たさない場合、ターゲット１５の表面にレーザ光３０を照射して、ターゲット１５の構成粒子を叩き出すか蒸発させたときに、ターゲット１５の表面が局所的に深く削られるのを防止する効果が十分でなく、ターゲット１５の表面全体を均一に削るのが困難である。
上記式（１）中のａは、大きくなるほど並進速度が速くなる。ａの値の範囲としては、５０ｍｍ2／ｓｅｃ程度以上とするのが好ましい。ａの値が、５０ｍｍ2／ｓｅｃ未満であると、ターゲット１５の表面状態が速く悪くなり、ターゲット１５の寿命の延長効果が低下してしまう。
【００２４】
ここでターゲット１５を並進運動させる際の並進長さ（ターゲット１５の中心軸Ｏが、始めの位置にあるターゲット１５の中心軸Ｏから＋ｘ方向に最も離れたときの、始めの位置のターゲット１５の中心軸Ｏから＋ｘ方向の位置までの距離）Ｌ1がターゲット１５の半径未満であるとき、ターゲット１５は図４の（Ａ）、（Ｂ）で示されるように削られて、中心軸Ｏの周囲に底面が平滑の円環状の溝６３が形成される。
【００２５】
ターゲット１５を並進運動させる際、図５に示すようにターゲット１５の中心軸Ｏの両側で、かつ中心軸Ｏと直交する面上の＋ｘ方向および−ｘ方向に移動させることが、ターゲット１５の表面の状態を良好に保つことができる点で好ましい。それは、ターゲット１５は回転運動とともに並進運動しており、この並進運動の際にターゲット１５を中心軸Ｏの両側に移動させると、レーザ光３０の照射角度が周期的に反転するので、異なる方向のターゲット１５の構成粒子が叩き出されるか蒸発し、ターゲット１５の表面が均一に削られて平滑になるからである。例えば、ターゲット１５を １８０゜回転させる毎に、レーザ光３０の照射角度が図６の（Ａ）に示すような角度から、図６の（Ｂ）に示すような角度になる。 ここでターゲット１５を中心軸Ｏの両側に移動させる際の並進長さ（ターゲット１５の中心軸Ｏが始めの位置にあるターゲット１５の中心軸Ｏから最も離れたときの＋ｘ方向の位置から−ｘ方向の位置までの距離）Ｌ2がターゲット１５の半径を超える大きさ、好ましくはターゲット１５の直径程度の大きさであるとき、ターゲット１５は図７の（Ａ）、（Ｂ）で示されるように削られて、中心軸Ｏの周囲に底面が平滑の円板状の溝６３が形成される。
【００２６】
また、ターゲット１５の並進速度が上記式（１）を満たすとき、レーザ光３０がターゲット１５の中心軸Ｏの付近に近づいた際に、リモートコントロールによりレーザ光３０の発振を一時的に停止するのが好ましい。それは、ターゲット１５の並進速度が上記式（１）を満たすとき、ターゲット１５の中心軸Ｏ付近（ｘ＝０付近）でｄｘ／ｄｔが発散するため制御が困難で、その結果、ターゲット１５の中心軸Ｏ付近の消耗が速くなってしまうため、レーザ光３０がターゲット１５の中心軸Ｏ付近に近づいた際にレーザ光３０の発振を一時的に停止することにより、ターゲット１５の中心軸Ｏ付近が速く消耗するのを防止できる。
【００２７】
ターゲット１５にレーザ光を照射する際の走査速度は２ｍｍ／秒より速くすることが好ましい。走査速度が２ｍｍ／秒以下であると、ターゲットが受けるレーザ光の熱エネルギーが大きくなり、ターゲットの局部的な温度上昇による割れが発生するので好ましくない。
【００２８】
また、上述の走査速度の範囲でターゲット１５にレーザ光３０を照射する場合には、レーザ光の照射エネルギーが２００〜４００ｍＪの範囲であることが必要である。レーザ光の照射エネルギーが２００ｍＪ以下であると、走査速度を２ｍｍ／秒としても、ターゲットに与える熱エネルギーが小さすぎて、ターゲットの構成粒子を十分に叩き出し若しくは蒸発させることができないので、酸化物超電導体の薄膜の形成速度が低下してしまい効率的でない。
レーザ光の出力が４００ｍＪ以上であると、走査速度を２０ｍｍ／秒としても、ターゲットに与えるエネルギーが大きすぎて、ターゲットに割れが生じてしまうので好ましくない。
【００２９】
更に、レーザ光の照射周波数が１０〜２００Ｈｚの範囲であることが必要である。
レーザ光の照射周波数が１０Ｈｚ以下であると、照射出力を４００ｍＪとし、走査速度を２ｍｍ／秒としても、ターゲットに与えるエネルギーが小さすぎて、ターゲットの構成粒子を十分に叩き出すことができないので、酸化物超電導体の薄膜の形成速度が低下してしまい効率的でない。
レーザ光の照射周波数が２００Ｈｚより大きいと、照射出力を２００ｍＪとし、走査速度を２０ｍｍ／秒としても、ターゲットに与えるエネルギーが大きすぎて、ターゲットに割れが生じてしまうので好ましくない。
【００３０】
上述のようにレーザ光３０の走査を行う際に、ターゲット１５をその中心軸Ｏを中心に回転させる回転運動とターゲット１５を中心軸Ｏと交差する面に沿って移動させる並進運動を併用することにより、ターゲット１５の表面が局所的に深く削られるのを防止でき、レーザ光３０の偏心を防止でき、ターゲット１５から叩き出された構成粒子の飛行する方向が偏ることがなく、上記構成粒子を薄膜積層体１４上に均一に堆積させることができる。
【００３１】
多結晶中間薄膜２は、その結晶粒が予めｃ軸配向し、ａ軸とｂ軸でも配向するようにイオンビームアシスト法により形成されているので、上記のようにターゲット１５から叩き出された構成粒子が飛行方向が偏ることなく飛行して、多結晶中間薄膜２上に均一に堆積すると、酸化物超電導体の薄膜３の結晶のｃ軸とａ軸とｂ軸も多結晶中間薄膜２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する。これにより膜厚が均一で、かつ結晶配向性の優れたＹ1Ｂａ2Ｃｕ3ＯXの酸化物超電導体の薄膜３が得られる。なお、成膜後に必要に応じて酸化物超電導体の薄膜３の結晶構造を整えるための熱処理を施しても良い。
【００３２】
実施形態の酸化物超電導体の薄膜の形成方法は、レーザ光３０の照射位置をターゲット１５の表面上で移動させるレーザ光の走査を行いながらレーザ光３０をターゲット１５に照射してレーザ蒸着する際に、ターゲット１５をその中心軸Ｏを中心に回転させる回転運動とターゲット１５を中心軸Ｏと交差する面に沿って移動させる並進運動を併用することにより、長時間成膜しても、ターゲット１５の表面が局所的に深く削られることがなく、レーザ光をターゲットの表面上の同一の円状の経路に沿って往復させる従来の薄膜の形成方法に比べてターゲット１５の表面が平滑で、レーザ光３０の偏心を防止でき、ターゲット１５から叩き出された構成粒子の飛行する方向が偏ることがなく、上記構成粒子を薄膜積層体１４上に均一に堆積させることができる。このような実施形態の酸化物超電導体の薄膜の形成方法によれば、ターゲット１５の構成粒子を薄膜積層体１４上に均一に堆積させることができるので、膜厚および膜質が均一で、結晶配向性が優れた酸化物超電導体の薄膜３を長尺に亘って均一に形成でき、従って、臨界電流密度等の超電導特性にバラツキがない長尺の酸化物超電導導体４を提供できる。
【００３３】
また、実施形態の酸化物超電導体の薄膜の形成方法によれば、長時間成膜しても、ターゲット１５の表面が局所的に深く削れられることがなく、表面が平滑であるので、レーザ光の偏心を防止できるので、レーザ光をターゲットの表面上の同一の円状の経路に沿って往復させる従来の薄膜の形成方法に比べてターゲット表面の利用効率を向上でき、ターゲット１５の寿命を約１０倍以上延ばすことができる。また、このようにターゲット１５の寿命を延ばすことができるので、薄膜の製造コストを低減できる。
【００３４】
なお、上記の実施の形態では、本発明を酸化物超電導体の薄膜の形成方法に適用した場合について説明したが、必ずしもこれに限られず、ターゲットにレーザ光を照射して、ターゲットの構成粒子を叩き出し若しくは蒸発させて、基材上に上記構成粒子を堆積させて薄膜を形成する方法であれば適用可能であり、また、本発明は長尺の基材上に連続的に薄膜を形成する方法だけでなく、バッチ処理によりデバイス用薄膜等の薄膜を形成する方法にも適用可能である。
【００３５】
【実施例】
（実施例１）
図２に示すレーザ蒸着装置を用い、ハステロイテープの表面に厚さ０．７μｍのＹＳＺ多結晶中間薄膜を形成した薄膜積層体をこの多結晶中間薄膜側を上にして基台上に設置し、ターゲットとしてＹ1Ｂａ2Ｃｕ3ＯX系の長方形板状のターゲットを支持ホルダの支持部に取り付け、蒸着処理室を真空排気装置で減圧した。送出装置から上記薄膜積層体を１．０ｍ／ｈで送り出しつつ、レーザ発光装置からレーザ光を発生させ、レーザ光の照射位置をターゲットの表面上で移動させるレーザ光の走査を行う際、ターゲットをその中心軸を中心に回転させる（回転運動させる）とともに図３に示すようにターゲットをその中心軸の一方の側で、かつこの中心軸と直交する面上の＋ｘ方向および−ｘ方向に移動させ（並進運動させる）て、異なる場所のターゲットの構成粒子が叩き出されるか蒸発されるようにして、上記多結晶中間薄膜の表面にターゲットの構成粒子を堆積させて、厚さ１μｍのＹ1Ｂａ2Ｃｕ3ＯXの薄膜を形成し、酸化物超電導導体を得た。なお、レーザ光をターゲットに照射する際のレーザ光の走査速度を２ｍｍ／秒、レーザ光の強度を２０Ｗ、照射周波数を１００Ｈｚ、ターゲットの回転速度は２回転／ｓｅｃ、ターゲットの並進運動の速度は、上記式（１）で示される速度式を満たしており、このときのａの値は、５０ｍｍ2／ｓｅｃ、並進長さはターゲットの半径分（３５ｍｍ）であった。
【００３６】
（実施例２）
レーザ光の照射位置をターゲットの表面上で移動させるレーザ光の走査を行う際、ターゲットをその中心軸を中心に回転させる（回転運動させる）とともに図５に示すようにターゲットをその中心軸の両方の側で、かつこの中心軸と直交する面上の＋ｘ方向および−ｘ方向に移動させ（並進運動させる）、かつ並進長さをターゲットの直径分（７０ｍｍ）とした以外は上記実施例１と同様にして多結晶中間薄膜の表面にターゲットの構成粒子を堆積させて、厚さ１μｍのＹ1Ｂａ2Ｃｕ3ＯXの薄膜を形成し、酸化物超電導導体を得た。
（比較例１）
レーザ光の照射位置をターゲットの表面上で移動させるレーザ光の走査を行う際、ターゲットを並進運動させることなく、ターゲットをその中心軸を中心に回転させた以外は上記実施例１と同様にして多結晶中間薄膜の表面にターゲットの構成粒子を堆積させて、厚さ１μｍのＹ1Ｂａ2Ｃｕ3ＯXの薄膜を形成し、酸化物超電導導体を得た。
【００３７】
上記実施例１と実施例２で使用後のターゲットの表面の組織の状態を光学電子顕微鏡により観察した。その結果を図８〜図９に示す。図８は、実施例１で使用後のターゲット材料の表面の組織の状態を示す顕微鏡写真である。図９は、実施例２で使用後のターゲット材料の表面の組織の状態を示す顕微鏡写真である。
上記比較例１で使用後のターゲットの表面の組織の状態を光学電子顕微鏡により観察した。その結果を図１４に示す。図１４は、比較例１で使用後のターゲット材料の表面の組織の状態を示す顕微鏡写真である。
図８〜図９、図１４から明らかなように比較例１で使用後のターゲットは、表面が局所的に深く削られていることがわかる。これに対して実施例１と実施例２で使用後のターゲットは、共に縞状の凹凸が見られ、この縞状の凹凸の間に黒い凹みの部分があり、そこは比較的深い穴になっていると考えられるが、比較例１で使用後のターゲットに比べてそのような深い穴の部分が少ないことわかる。また、ターゲットの並進長さをターゲットの直径分の長さとした実施例２で使用後のターゲットは、ターゲットの並進長さをターゲットの半径分の長さとした実施例１で使用後のターゲットに比べて上記縞の間隔が数分の１となっており、均一に削られていることがわかる。
【００３８】
また、縞状の凹凸の間に黒い凹みの部分があり、そこは比較的深い穴になっていると考えられるが、実施例１で使用後のターゲットは、実施例１で使用後のターゲットに比べてそのような深い穴の部分が多いことわかる。
従って、ターゲットを回転させるとともに並進長さをターゲットの直径分として並進運動させた実施例２の方法によれば、ターゲットを回転させるとともに並進長さをターゲットの半径分とした実施例１の方法に比べて、ターゲットにできる縞の間隔が狭く、穴の深さも浅く、より平坦な表面が維持されていることがわかる。従って、特に、実施例２の薄膜の形成方法は、ターゲットの表面が局所的に深く削られるのを防止する効果が優れている。
【００３９】
また、実施例１〜２と比較例１において長時間成膜したときのＹ1Ｂａ2Ｃｕ3ＯXの薄膜の膜厚変動について調べた。その結果を図１０に示す。図１０中、横軸は成膜時間（ｈ）、縦軸は初期膜厚（０時間成膜したときの厚みを１００％）に対する各成膜時間で得られた薄膜の膜厚の割合である。また、図１０中、破線▲１▼は実施例１で形成したＹ1Ｂａ2Ｃｕ3ＯXの薄膜の膜厚変動を示すグラフであり、実線▲２▼は実施例２で形成したＹ1Ｂａ2Ｃｕ3ＯXの薄膜の膜厚変動を示すグラフであり、一点鎖線▲３▼は比較例１で形成したＹ1Ｂａ2Ｃｕ3ＯXの薄膜の膜厚変動を示すグラフである。
【００４０】
図１０に示した結果から比較例１の薄膜の形成方法は、成膜時間が長くなると、実施例１や実施例２の薄膜の形成方法に比べて、得られるＹ1Ｂａ2Ｃｕ3ＯXの膜厚の低下の割合が大きくなっており、また、膜厚の変動も大きいことがわかる。これに対して実施例２の薄膜の形成方法では、成膜時間が長くなっても得られるＹ1Ｂａ2Ｃｕ3ＯXの薄膜の膜厚さの低下の割合が小さく、しかも膜厚の変動も大幅に改善され、膜厚が均一な酸化物超電導体の薄膜を形成できることがわかる。
従って、実施例１〜２の薄膜の形成方法によれば、ターゲットが局所的に深く削られることに起因してレーザ光が偏心し、ターゲットから叩き出された構成粒子の飛行する方向が偏るのを改善でき、上記構成粒子を基材上に均一に堆積させることができることがわかる。特に、実施例２の薄膜の形成方法によれば、ターゲットが局所的に深く削られることに起因するレーザ光の偏心の防止効果が優れ、膜厚の変動の防止効果が優れている。
【００４１】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように本発明の薄膜の形成方法によれば、上記レーザ光の照射位置を上記ターゲットの表面上で移動させるレーザ光の走査を行いながらレーザ光をターゲットの表面に斜め方向に照射してレーザ蒸着する際に、前回のレーザ光の走査と今回のレーザ光の走査において前記レーザ光により前記ターゲットを彫り込む方向を変更するために、異なる場所のターゲットの構成粒子が叩き出されるか蒸発するように上記ターゲットをその中心軸を中心に回転させる回転運動と上記ターゲットを上記中心軸と交差する面に沿って移動させる並進運動を併用することにより、長時間成膜しても、ターゲットの表面が局所的に深く削られることがなく、レーザ光をターゲットの表面上の同一の円状の経路に沿って往復させる従来の薄膜の形成方法に比べてターゲットの表面が平滑で、レーザ光の偏心を防止でき、ターゲットから叩き出された構成粒子の飛行する方向が偏ることがなく、上記構成粒子を基材上に均一に堆積させることができる。
従って、このような本発明の薄膜の形成方法によれば、ターゲットの構成粒子を基材上に均一に堆積させることができるので、膜質および膜厚さが均一で、高特性の薄膜を均一に形成できる。
【００４２】
また、本発明の薄膜の形成方法によれば、長時間成膜しても、ターゲットの表面が局所的に深く削れられることがなく、表面が平滑であるので、レーザ光の偏心を防止できるので、レーザ光をターゲットの表面上の同一の円状の経路に沿って往復させる従来の薄膜の形成方法に比べてターゲット表面の利用効率を向上でき、ターゲットの寿命を大幅に延ばすことができる。また、このようにターゲットの寿命を大幅に延ばすことができるので、薄膜の製造コストを低減できる。
【００４３】
また、本発明の薄膜の形成方法において、上記ターゲットの並進運動の速度を、上記式（１）で示される速度式を満たすようにすることにより、ターゲットの表面が局所的に深く削られるのを防止する効果が十分で、ターゲットの表面全体を均一に削ることができる。
また、本発明の薄膜の形成方法において、ターゲットを並進運動させる際、ターゲットを中心軸の両側に移動させることにより、レーザ光の照射角度を周期的に反転させることができ、異なる方向のターゲットの構成粒子が叩き出されるか蒸発し、ターゲットの表面が均一に削られて平滑とすることができる。
さらに、本発明の形成方法において、上記レーザ光がターゲット中心付近に近づいた際に、レーザ光の発振を一時的に停止することにより、ターゲットの中心軸付近が速く消耗するのを防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施形態の酸化物超電導体の薄膜の形成方法により得られた酸化物超電導導体を示す斜視断面図である。
【図２】 本発明の薄膜の形成方法の実施に好適に用いられるレーザ蒸着装置の概略構成を示す図である。
【図３】 本発明の実施形態の酸化物超電導体の薄膜の形成方法において、ターゲットを中心軸の一方の側に並進運動させる場合を説明するための図であり、（Ａ）はターゲットを基材側から見たときの並進運動を示す平面図、（Ｂ）は（Ａ）に示したターゲットの断面図である。
【図４】 ターゲットの並進長さを半径未満とした実施形態の酸化物超電導体の薄膜の形成方法で使用後のターゲットの状態を説明するための図であり、（Ａ）はターゲットを基材側から見たときの平面図、（Ｂ）は（Ａ）に示したターゲットの断面図である。
【図５】 本発明の実施形態の酸化物超電導体の薄膜の形成方法において、ターゲットを中心軸の両側に並進運動させる場合を説明するための図であり、（Ａ）はターゲットを基材側から見たときの並進運動を示す平面図、（Ｂ）は（Ａ）に示したターゲットの断面図である。
【図６】 ターゲットを中心軸の両側に並進運動させた場合、レーザ光の照射角度が周期的に反転する理由を説明するための図である。
【図７】 ターゲットの並進長さを直径程度とした実施形態の酸化物超電導体の薄膜の形成方法で使用後のターゲットの状態を説明するための図であり、（Ａ）はターゲットを基材側から見たときの平面図、（Ｂ）は（Ａ）に示したターゲットの断面図である。
【図８】 実施例１で使用後のターゲット材料の表面の組織の状態を示す顕微鏡写真である。
【図９】 実施例２で使用後のターゲット材料の表面の組織の状態を示す顕微鏡写真である。
【図１０】 実施例１〜２と比較例１の薄膜の形成方法において長時間成膜したときのＹ1Ｂａ2Ｃｕ3ＯXの薄膜の膜厚変動を示すグラフである。
【図１１】 従来の薄膜の形成方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の概略構成を示す図である。
【図１２】 図１１に示したレーザ蒸着装置に備えられた円形のターゲットと、該ターゲットにレーザ光を照射したときのレーザ光の軌跡を示す平面図である。
【図１３】 従来の薄膜の形成方法によりレーザ光をターゲットに繰り返し照射したときのターゲット表面が局所的に深く削られた状態を示す図であり、（Ａ）はターゲットの平面図、（Ｂ）はターゲットの縦断面図でる。
【図１４】 比較例１で使用後のターゲット材料の表面の組織の状態を示す顕微鏡写真である。
【符号の説明】
１・・・基材、３・・・薄膜、１５・・・ターゲット、３０・・・レーザ光、３７・・・支持ホルダ、３８・・・支持部、３９・・・ホルダ回転用シャフト、Ｏ・・・中心軸、Ｌ1・・・並進長さ、Ｌ2・・・並進長さ。
Claims (4)
- レーザ光をターゲットに照射し、前記ターゲットに沿ってレーザ光を複数回走査して、該ターゲットの構成粒子を叩き出し若しくは蒸発させて、基材上に前記構成粒子を堆積させることにより薄膜を形成する薄膜の形成方法であって、前記レーザ光の照射位置を前記ターゲットの表面上で移動させるレーザ光の走査を行いながらレーザ光をターゲットの表面に対して斜め方向から照射してレーザ蒸着する際に、前回のレーザ光の走査と今回のレーザ光の走査において前記レーザ光により前記ターゲットを彫り込む方向を変更するために前記ターゲットをその中心軸を中心に回転させる回転運動と前記ターゲットを前記中心軸と交差する面に沿って移動させる並進運動を併用して異なる場所のターゲットの構成粒子が叩き出されるか蒸発するようにすることを特徴とする薄膜の形成方法。
- 前記ターゲットの並進運動の速度は、下記式（１）で示される速度式を満たすものであることを特徴とする請求項１記載の薄膜の形成方法。
ｄｘ／ｄｔ＝ａ／｜ｘ｜ ・・・式（１）（式中、ｘはターゲットの中心軸からの距離、ｔは時間、ａは定数） - 前記ターゲットを並進運動させる際、ターゲットを中心軸の両側に移動させることを特徴とする請求項１または２に記載の薄膜の形成方法。
- 前記レーザ光がターゲット中心付近に近づいた際に、レーザ光の発振を一時的に停止することを特徴とする請求項２又は３記載の薄膜の形成方法。
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