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JPH0621344B2 - Superconducting thin film production equipment - Google Patents
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JPH0621344B2 - Superconducting thin film production equipment - Google Patents

Superconducting thin film production equipment

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JPH0621344B2
JPH0621344B2 JP63034721A JP3472188A JPH0621344B2 JP H0621344 B2 JPH0621344 B2 JP H0621344B2 JP 63034721 A JP63034721 A JP 63034721A JP 3472188 A JP3472188 A JP 3472188A JP H0621344 B2 JPH0621344 B2 JP H0621344B2
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superconducting thin
substrate
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教男 寺田
昌利 城
和男 平田
京植 金
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Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は、スパッタリング現象を利用して高温超電導薄
膜作製用のターゲットを備えた超電導薄膜作製装置に関
する。
Description: TECHNICAL FIELD The present invention relates to a superconducting thin film producing apparatus provided with a target for producing a high temperature superconducting thin film by utilizing a sputtering phenomenon.

(従来の技術と発明が解決しようとする問題点) 近年、臨界温度(以下Tcという)30Kで超電導状態
をあらわすLa−Ba−Cu−O系の酸化物超電導体が
発見されて以来、世界中で超電導体の研究が急速に進め
られ、その結果、液体窒素(77K)を越えるTc90
KのBa−Y−Cu−O系の酸化物超電導体が発見され
た。このような超電導状態を示すTcが上昇することで
その応用分野は急速に広がり、当該超電導体物質の薄膜
化や線材化への研究が活発に行われている。
(Problems to be Solved by Conventional Techniques and Inventions) Since the discovery of an La-Ba-Cu-O-based oxide superconductor that exhibits a superconducting state at a critical temperature (hereinafter referred to as Tc) of 30 K in recent years, Research on superconductors has progressed rapidly, resulting in Tc90 exceeding liquid nitrogen (77K).
A Ba—Y—Cu—O-based oxide superconductor of K was discovered. As Tc indicating such a superconducting state rises, its field of application is rapidly expanded, and research into thinning and wire forming of the superconducting substance is being actively conducted.

当該超電導体の薄膜化の手段として、蒸着法やスパッタ
法等が行われている。しかし、従来のスパッタ現象を利
用した超電導薄膜作製装置では、ターゲットとして焼結
体ターゲット(例えば、Ba−Y−Cu−O膜)を使用
していたため、次のような問題があった。すなわち、 (1)ターゲットに組成の経時変化が起こり、基板上に
作製する膜の組成制御が困難であった。
A vapor deposition method, a sputtering method, or the like is performed as a means for thinning the superconductor. However, in the conventional superconducting thin film manufacturing apparatus utilizing the sputtering phenomenon, a sintered target (for example, a Ba-Y-Cu-O film) was used as a target, and therefore, there were the following problems. That is, (1) the composition of the target changed over time, and it was difficult to control the composition of the film formed on the substrate.

(2)作製される膜の組成が最適な化学量論比からずれ
ていた場合、その化学量論比の補正が困難であった、ち
なみり現在、Ba−Y−Cu−O系の酸化物超電導体の
最適な化学量論比とされているのは、1:2:3:6.
9の割合である。
(2) When the composition of the formed film deviates from the optimum stoichiometric ratio, it was difficult to correct the stoichiometric ratio. By the way, at present, Ba-Y-Cu-O based oxides. The optimum stoichiometric ratio of superconductors is 1: 2: 3: 6.
It is a ratio of 9.

(3)ターゲット中の酸素含有量がわからず、基板上に
作製する膜中の酸素量を制御するのが困難であった。
(3) Since the oxygen content in the target is unknown, it is difficult to control the oxygen content in the film formed on the substrate.

(4)焼結体ターゲットは、もろくて割れ易い。(4) The sintered target is brittle and easily cracked.

(5)焼結体ターゲットを使用しているため、膜のデポ
ジッションレートが遅い。
(5) Since the sintered body target is used, the deposition rate of the film is slow.

(本発明の目的) 本発明の目的は、膜の組成制御を簡単に行ない、膜中の
酸素量を制御し、高温超電導薄膜のデポジッションレー
トを向上させることができる超電導薄膜製造装置を提供
することにある。
(Object of the Invention) An object of the present invention is to provide a superconducting thin film manufacturing apparatus capable of easily controlling the composition of the film, controlling the amount of oxygen in the film, and improving the deposition rate of the high temperature superconducting thin film. Especially.

(問題点を解決するための手段) 本発明は、上記を達成するために次のように構成されて
いる。すなわち、加熱可能な基板保持手段に固着した基
板と超電導薄膜作製用ターゲットとを真空に排気された
チャンバー内に、互いに対向するように配置し、スパッ
タ法により基板上に超電導薄膜を作製する超電導薄膜作
製装置において、上記ターゲットが少なくとも3種類の
金属材料を組み合わせて構成した金属ターゲットである
ことを特徴とする。
(Means for Solving Problems) The present invention is configured as follows to achieve the above. That is, a substrate fixed to a heatable substrate holding means and a target for producing a superconducting thin film are placed in a chamber evacuated to a vacuum so as to face each other, and a superconducting thin film for producing a superconducting thin film on a substrate by a sputtering method. In the manufacturing apparatus, the target is a metal target formed by combining at least three kinds of metal materials.

(作用) 上記のようにターゲットを複数の金属材料によって構成
しているので、これら金属材料の組成比を変えると、プ
ラズマに晒されるターゲットの表面の面積比を変えるこ
とができる。これによって、基板上に作製される超電導
薄膜が最適な化学量論比になるように制御することがで
きる。
(Operation) Since the target is made of a plurality of metal materials as described above, the area ratio of the surface of the target exposed to plasma can be changed by changing the composition ratio of these metal materials. With this, the superconducting thin film formed on the substrate can be controlled to have an optimum stoichiometric ratio.

(実施例) 第1図は本発明の実施例を示している。なお、実際の高
温超電導体薄膜の製造に際しては、高周波スパッタ方
式、DCスパッタ方式、高周波マグネトロンスパッタ方
式等のスパッタ方式を実施したが、以下には、高周波ス
パッタ方式を用いた場合について詳細に説明する。
(Embodiment) FIG. 1 shows an embodiment of the present invention. In the actual production of the high-temperature superconductor thin film, a sputtering method such as a high-frequency sputtering method, a DC sputtering method, a high-frequency magnetron sputtering method, etc. was carried out. Hereinafter, the case of using the high-frequency sputtering method will be described in detail. .

図中符号1はターゲット、2はMgO、Sri2、Y
SZ、ZrO、サファイアなどからなる基板、3は基板
ステージで、上記基板2を保持している。当該基板ステ
ージ3は、温調計13及び電力調整器14によって制御
され、±0.5℃の制御が可能なヒータ5を内蔵してい
る。そして、当該ヒータ5によって基板ステージ3を加
熱し、その抵抗加熱によって基板2を加熱するようにし
ている。
In the figure, reference numeral 1 is a target, 2 is MgO, S r T i O 2 , Y
SZ, Z r O, substrate made of sapphire, 3 denotes a substrate stage holds the substrate 2. The substrate stage 3 includes a heater 5 which is controlled by a temperature controller 13 and a power regulator 14 and can be controlled at ± 0.5 ° C. Then, the heater 5 heats the substrate stage 3 and the resistance heating heats the substrate 2.

また、該基板ステージ3は、耐酸化性の強い材料、例え
ば、インコネルで構成されているため、10-1Torr
の酸素雰囲気中でも800℃まで加熱が可能である。図
中符号4は、上記基板ステージ3の加熱効率を上げる反
射板である。当該反射板4は、断面コの字型に形成さ
れ、基板ステージ3の基板保持側を除く外側を覆うよう
に設けられている。
Further, since the substrate stage 3 is made of a material having strong oxidation resistance, for example, Inconel, it is 10 −1 Torr.
It is possible to heat up to 800 ° C even in the oxygen atmosphere. Reference numeral 4 in the figure is a reflector for increasing the heating efficiency of the substrate stage 3. The reflection plate 4 is formed in a U-shaped cross section, and is provided so as to cover the outside of the substrate stage 3 except the substrate holding side.

また、矢印6及び6′は、イオン衝撃によって起こるカ
ソード18に設置したターゲットの温度上昇を防ぐため
に、ターゲット電極1内に供給する冷却水の流入流出方
向を示している。7及び8はガス導入のためのバリアブ
ルリークバルブであり、これにより、各々アルゴンガス
及び酸素ガスが導入される。
Further, arrows 6 and 6 ′ indicate the inflow and outflow directions of the cooling water supplied into the target electrode 1 in order to prevent the temperature rise of the target placed on the cathode 18 caused by ion bombardment. Reference numerals 7 and 8 are variable leak valves for introducing gas, whereby argon gas and oxygen gas are introduced, respectively.

ここで導入するガスの種類は、プロセスによって異な
る。本実施例ではアルゴンガス、単体ガス又はアルゴン
ガスと酸素ガスの混合ガスを用いている。9はチャンバ
ー12を真空にする排気システムで、これにより、バッ
クグランドの真空を10-5Pa台に保っている。10は
マッチングボックス、11はRF電源であり、上記バリ
アブルリークバルブ7、8を介して上記アルゴンガス及
び酸素ガスをチャンバー12内に導入し、10-1〜10
Pa台の圧力でRF電力をRF電源11、マッチングボ
ックス10を通してターゲット1に供給し、チャンバー
12内にプラズマを発生させる。さらに、プラズマ中の
イオンが加速され、ターゲットに衝突してターゲットか
らターゲット材粒子をたたきだし、基板上に所望の膜を
作製することができる。
The type of gas introduced here depends on the process. In this embodiment, argon gas, a single gas, or a mixed gas of argon gas and oxygen gas is used. Reference numeral 9 denotes an exhaust system for evacuating the chamber 12, which keeps the background vacuum at the level of 10 −5 Pa. Reference numeral 10 is a matching box, 11 is an RF power source, and the argon gas and the oxygen gas are introduced into the chamber 12 through the variable leak valves 7 and 8, and 10 -1 to 10 -10
RF power is supplied to the target 1 through the RF power source 11 and the matching box 10 at a pressure of Pa level to generate plasma in the chamber 12. Further, the ions in the plasma are accelerated and collide with the target to knock out the target material particles from the target, so that a desired film can be formed on the substrate.

本発明者は、上記した構造の超電導薄膜作製装置によっ
て種々の実験を行ったが、特に、MgO基板上に約1μ
mのYBa2u37膜を成膜することができたので、以
下、これについて説明する。なお、使用したターゲット
としては、金属材料を組み合わせて構成した金属ターゲ
ットを用い、導入ガスとして、アルゴンガスを用いた。
The present inventor conducted various experiments using the superconducting thin film manufacturing apparatus having the above-described structure.
Since the YB a2 Cu3 O 7 film of m could be formed, this will be described below. The target used was a metal target formed by combining metal materials, and argon gas was used as an introduction gas.

第2図及び第3図は、このとき金属ターゲットの形状及
び構成を示しており、当該各図の(a)は、金属ターゲ
ット1の平面図、(b)は、金属ターゲット1の側面図
である。この図から明らかなように、当該ターゲット1
は、Ba15、Y16、Cu17の3種類の金属材料を
組合わせるように構成している。この点、従来のターゲ
ットが焼結体で構成されていたのと相違している。
2 and 3 show the shape and configuration of the metal target at this time. (A) of each figure is a plan view of the metal target 1, and (b) is a side view of the metal target 1. is there. As is clear from this figure, the target 1
Is constructed by combining three kinds of metal materials of Ba15, Y16 and Cu17. This is different from the conventional target made of a sintered body.

第2図(A)に示した金属ターゲット1はBa、Y、C
uの各金属材料を均等に組み合わせたものである。ま
た、第3図(a)はYを下地として、BaとCuを放射
状に組み込むようにしたものである。もっとも、このよ
うな金属材料の組合わせは、各金属材料が生成されるプ
ラズマに晒される表面積を変えることができるようにす
る限り、様々な組合わせが可能である。
The metal target 1 shown in FIG. 2 (A) is made of Ba, Y, C.
The metal materials of u are uniformly combined. Further, FIG. 3A shows a structure in which Ba and Cu are radially incorporated with Y as a base. However, various combinations of such metal materials are possible as long as the surface area of each metal material exposed to the generated plasma can be changed.

ところで、圧力、電力、基板温度等の各種条件により、
ターゲットのスパッタ率が変わり、膜組成に影響を与え
ることは既知の事実である。従って、当該ターゲット1
を構成するBa、Y、Cuのスパッタ率を考慮して、基
板上に形成される高Tc膜の膜組成が前記した最適な化
学量論比となるように、Ba、Y、Cuのプラズマに晒
されるBa、Y、Cuの表面の面積比を選定するように
している。
By the way, depending on various conditions such as pressure, power, and substrate temperature,
It is a known fact that the sputtering rate of the target changes and affects the film composition. Therefore, the target 1
In consideration of the sputtering rates of Ba, Y, and Cu that constitute the above, the plasma of Ba, Y, and Cu is adjusted so that the film composition of the high Tc film formed on the substrate has the above-described optimum stoichiometric ratio. The area ratio of the exposed surfaces of Ba, Y, and Cu is selected.

そして、上記のような化学量論比となるよう調整された
膜に、種々の方法を用いて酸素をドーピングする。酸素
ドーピングの方法として種々行ったが、その中で代表的
なものは次の三つの方法である。
Then, the film adjusted to have the stoichiometric ratio as described above is doped with oxygen using various methods. Various oxygen doping methods have been carried out. Among them, the following three methods are typical.

第1は、酸素ガスイオン銃による方法、第2は、プラズ
マ酸化による方法、第3は、酸素雰囲気中の熱処理によ
る方法である。これらの処理を施すことによりTcが8
6Kの高温超電導体薄膜を再現性よく作製できた。
The first is a method using an oxygen gas ion gun, the second is a method using plasma oxidation, and the third is a method using heat treatment in an oxygen atmosphere. By performing these treatments, Tc becomes 8
A 6K high-temperature superconductor thin film could be produced with good reproducibility.

また、as−depositeの状態(膜作製後でアニ
ールなどの処理を未だやっていない状態)で高温超電導
体薄膜を作製するために、バリアブルリークバルブ8、
9を介して、アルゴンガスに酸素ガスを混合して導入す
ることにより、膜の組成及び膜中の酸素量を制御する。
Further, in order to produce a high temperature superconductor thin film in an as-deposited state (a state in which a treatment such as annealing has not been performed after the film has been produced), a variable leak valve 8,
The composition of the film and the amount of oxygen in the film are controlled by mixing and introducing the oxygen gas into the argon gas via 9.

当該膜中の酸素量は、酸素ガス圧比が上昇すれば、その
分圧比に比例して上昇するため、酸素ガス圧比を調整す
ることにより膜中の酸素を制御することができ、as−
depositeで高温超電導体薄膜が得られ、Tcが
86Kの高温超電導体薄膜が再現性よく作製できた。
If the oxygen gas pressure ratio increases, the amount of oxygen in the film increases in proportion to the partial pressure ratio, so that the oxygen in the film can be controlled by adjusting the oxygen gas pressure ratio.
A high-temperature superconductor thin film was obtained by the deposition, and a high-temperature superconductor thin film having Tc of 86K could be produced with good reproducibility.

現状でのアルゴンガスのみのプロセスでは、高温超電導
体薄膜を作製するために成膜後、900℃近傍のO2
囲気中でのアニール処理が必要であるが、成膜速度を速
くすることができる特徴がある。他方、アルゴンガス+
酸素ガスの混合ガスのプロセスでは、成膜速度は低下す
るが、化学量論比が最適な高温超電導に適合してくるた
め、as−depositeの状態で高温超電導体薄膜
を作成できる特徴がある。
In the current process using only argon gas, it is necessary to anneal in an O 2 atmosphere near 900 ° C. after film formation in order to form a high-temperature superconductor thin film, but the film formation rate can be increased. There are features. On the other hand, argon gas +
In the process of mixed gas of oxygen gas, the film formation rate is reduced, but since the stoichiometric ratio is adapted to the optimum high temperature superconductivity, the high temperature superconductor thin film can be formed in the as-deposit state.

第4図及び第5図は本発明の他の実施例を示している。
なお、前記実施例と同じ構成要素については同一符号を
使用する。
4 and 5 show another embodiment of the present invention.
The same reference numerals are used for the same components as those in the above-mentioned embodiment.

当該ターゲットの特徴は、その形状にあり、前記実施例
の場合のターゲットの形状が平板型であるのに対し、矩
形の立体形状をしている。このような形状のターゲット
は、第6図に示すように、カソード18内に収納されて
おり、上記平板型のカソードに比べ、膜をデポジッショ
ンさせる方向に指向性がある。特に、プラズマ密度が高
くなることから、high−rateで膜を作成できる
特徴がある。当該立体型ターゲットを用いた超電導体薄
膜の製造方法としても前記平板型ターゲットと同様な効
果が得られた。
The characteristic of the target is in its shape. While the shape of the target in the above-mentioned embodiment is a flat plate type, it has a rectangular three-dimensional shape. As shown in FIG. 6, the target having such a shape is housed in the cathode 18 and has directivity in the direction of depositing the film as compared with the flat plate type cathode. In particular, since the plasma density is high, there is a feature that a film can be formed by high-rate. Also as a method for producing a superconductor thin film using the three-dimensional target, the same effect as that of the flat target was obtained.

以上のように、本発明の超電導体薄膜作製装置による
と、従来の焼結体ターゲットを用いた同様の装置と比べ
て、超電導体薄膜の作成方法に選択の幅があり、かつ精
密に再現性良く作成できる特徴がある。
As described above, according to the superconductor thin film production apparatus of the present invention, compared to the similar apparatus using the conventional sintered body target, there is a wide range of choices in the superconductor thin film production method, and the reproducibility is precise. There are features that can be created well.

なお、上記実施例において、Y1Ba2Cu37-y膜につ
いて述べたが、LnBa2Cu37-y膜(Lu=La、
Ce、Pr,Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、D
y、Ho、Er、Tm、Yb、Lu)でも同様な結果を
得ることができ、更にこれらの膜にNb、Sr、Ca、
Sc等を加えた膜でも超電導体薄膜を得られた。特に、
SrBaYCu3Oy膜は、室温で超電導体薄膜が得ら
れた。
Although the Y 1 Ba 2 Cu 3 O 7-y film has been described in the above embodiment, the LnBa 2 Cu 3 O 7-y film (Lu = La,
Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, D
(y, Ho, Er, Tm, Yb, Lu) can obtain similar results, and Nb, Sr, Ca,
A superconductor thin film was obtained even with a film containing Sc or the like. In particular,
As for the SrBaYCu 3 Oy film, a superconductor thin film was obtained at room temperature.

また、カソード形状については、他に多角形などが考え
られ、円形、矩形に限定されるものではない。
In addition, the shape of the cathode may be a polygon or the like, and is not limited to a circle or a rectangle.

(発明の効果) 本発明の請求項(1)によれば、ターゲットの面積比を
変えて、酸素ガスを成膜中又は成膜後にドープすること
により、膜の組成及び膜中の酸素を容易に制御できると
ともに、成膜速度の向上した精密な超電導体薄膜を再現
性良く作製できる。
(Effect of the invention) According to claim (1) of the present invention, the composition of the film and the oxygen in the film can be easily changed by changing the area ratio of the target and doping the oxygen gas during or after the film formation. In addition to being controlled, it is possible to reproducibly manufacture a precise superconductor thin film with an improved film formation rate.

請求項(2)によれば、所望の超電導体薄膜を精密に再
現性良く作成できる。
According to claim (2), a desired superconductor thin film can be precisely and reproducibly formed.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

第1図は本発明に係る装置の概略図、第2図(a)は他
の実施例に係る金属ターゲットの平面図、同図(b)は
実施例に係る金属ターゲットの側面図、第3図(a)は
第2実施例に係る金属ターゲットの平面図、同図(b)
は第2実施例に係る金属ターゲットの側面図、第4図
(a)は第3実施例に係る金属ターゲットの平面図、同
図(b)は第3実施例に係る金属ターゲットの側面図、
第5図は第4図に示した金属ターゲットをカソード内に
収容した状態を示したものである。 1……金属ターゲット、2……基板、3……基板ステー
ジ、5……ヒータ、12……チャンバー、15……Ba
材、16……Y材、17……Cu材。
1 is a schematic view of an apparatus according to the present invention, FIG. 2 (a) is a plan view of a metal target according to another embodiment, FIG. 2 (b) is a side view of a metal target according to the embodiment, and FIG. FIG. 7A is a plan view of a metal target according to the second embodiment, and FIG.
Is a side view of the metal target according to the second embodiment, FIG. 4 (a) is a plan view of the metal target according to the third embodiment, and FIG. 4 (b) is a side view of the metal target according to the third embodiment.
FIG. 5 shows a state in which the metal target shown in FIG. 4 is housed in the cathode. 1 ... Metal target, 2 ... Substrate, 3 ... Substrate stage, 5 ... Heater, 12 ... Chamber, 15 ... Ba
Material, 16 ... Y material, 17 ... Cu material.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 平田 和男 東京都府中市四谷5―8―1 日電アネル バ株式会社内 (72)発明者 金 京植 東京都府中市四谷5―8―1 日電アネル バ株式会社内 審査官 板橋 一隆 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Inventor Kazuo Hirata 5-8-1, Yotsuya, Fuchu-shi, Tokyo Nichiden Anelva Co., Ltd. (72) Inventor Kim Keiyo 5-8-1, Yotsuya, Fuchu-shi, Tokyo Kazutaka Itabashi, Examiner for the Company, Ltd.

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】加熱可能な基板保持手段に固着した基板と
超電導薄膜作製用ターゲットとを真空に排気されたチャ
ンバー内に、互いに対向するように配置し、スパッタ法
により基板上に超電導薄膜を作製する超電導薄膜作製装
置において、上記ターゲットが少なくとも3種類の金属
材料を組み合わせて構成した金属ターゲットであること
を特徴とする超電導薄膜作製装置。
1. A substrate fixed to a heatable substrate holding means and a superconducting thin film production target are placed in a chamber evacuated to a vacuum so as to face each other, and a superconducting thin film is produced on the substrate by a sputtering method. In the superconducting thin film manufacturing apparatus described above, the target is a metal target formed by combining at least three kinds of metal materials.
【請求項2】金属材料が、Ba及び/又はY及び/又は
Cu及び/又はNb及び/又はSr及び/又はLn及び
/又はCa及び/又はScであることを特徴とする請求
項(1)記載の超電導薄膜作製装置。
2. The metal material is Ba and / or Y and / or Cu and / or Nb and / or Sr and / or Ln and / or Ca and / or Sc. The superconducting thin film production apparatus described.
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