JP2001240487A - 基板表面処理方法と同方法で作製した膜作製用基板 - Google Patents
基板表面処理方法と同方法で作製した膜作製用基板Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 サブナノメートルの次元で平坦な結晶格子面
を有する基板表面を得る簡便な基板処理方法と、本方法
により得られる膜作製用基板、及び該基板に薄膜を作製
する方法を提供する。 【解決手段】 光加熱を行いセラミックス単結晶基板の
表面を処理する方法であって、該基板を還元雰囲気中で
予備加熱し、酸素欠損による光吸収中心（色中心）を生
じさせ、続いて、光照射を行い、該光吸収中心による光
エネルギーの吸収により効率良く高温加熱処理を行い、
サブナノメートルの次元で平坦な結晶格子面を有する基
板を得、さらに酸素雰囲気中で加熱することにより該光
吸収中心を取り除くことを特徴とする基板表面処理方
法、該方法で作製したサブナノメートルの次元で平坦な
結晶格子面を有する膜作製用基板、及び該基板上にエピ
タキシャル薄膜を作製する方法。
を有する基板表面を得る簡便な基板処理方法と、本方法
により得られる膜作製用基板、及び該基板に薄膜を作製
する方法を提供する。 【解決手段】 光加熱を行いセラミックス単結晶基板の
表面を処理する方法であって、該基板を還元雰囲気中で
予備加熱し、酸素欠損による光吸収中心（色中心）を生
じさせ、続いて、光照射を行い、該光吸収中心による光
エネルギーの吸収により効率良く高温加熱処理を行い、
サブナノメートルの次元で平坦な結晶格子面を有する基
板を得、さらに酸素雰囲気中で加熱することにより該光
吸収中心を取り除くことを特徴とする基板表面処理方
法、該方法で作製したサブナノメートルの次元で平坦な
結晶格子面を有する膜作製用基板、及び該基板上にエピ
タキシャル薄膜を作製する方法。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、セラミックス単結
晶基板の表面処理方法とそれにより得られる基板に関す
るものであり、さらに詳しくは、、特に酸化物エレクト
ロニクスの基盤となるエピタキシャル薄膜を作製するた
めに必要な、サブナノメートル次元の平滑度の結晶格子
面を有する基板とそれを得るための表面処理方法に関す
る。
晶基板の表面処理方法とそれにより得られる基板に関す
るものであり、さらに詳しくは、、特に酸化物エレクト
ロニクスの基盤となるエピタキシャル薄膜を作製するた
めに必要な、サブナノメートル次元の平滑度の結晶格子
面を有する基板とそれを得るための表面処理方法に関す
る。
【０００２】
【従来の技術】チタン酸ストロンチウムや酸化チタン
（ＴｉＯ2 ）等の単結晶基板の表面処理に関する従来技
術として、例えば、電気ヒーターを用いた真空中での加
熱法やフッ酸緩衝液等によるエッチング法が知られてい
る。前者は基板を加熱して表面原子が蒸発したり表面拡
散することにより、また、後者は酸やアルカリなどの液
に基板を浸して表面層を溶かすことによって平坦な表面
を得るものである。また、光加熱による表面処理もある
が、この光加熱による表面処理は、これまでシリコン半
導体基板などの可視光線から遠赤外線の領域の光に対し
て大きな吸収を示す色の着いた基板物質に対して行われ
てきた。
（ＴｉＯ2 ）等の単結晶基板の表面処理に関する従来技
術として、例えば、電気ヒーターを用いた真空中での加
熱法やフッ酸緩衝液等によるエッチング法が知られてい
る。前者は基板を加熱して表面原子が蒸発したり表面拡
散することにより、また、後者は酸やアルカリなどの液
に基板を浸して表面層を溶かすことによって平坦な表面
を得るものである。また、光加熱による表面処理もある
が、この光加熱による表面処理は、これまでシリコン半
導体基板などの可視光線から遠赤外線の領域の光に対し
て大きな吸収を示す色の着いた基板物質に対して行われ
てきた。
【０００３】前述した従来技術のうち、電気ヒーターに
よる加熱方法では、シリコン半導体等の低い融点を持つ
基板物質に対して基板温度を１０００℃程度に上げるこ
とで平坦な表面が得られている。該セラミックス単結晶
基板のような、より高い融点を持つ基板物質に対して平
坦な結晶格子面を得るためには、清浄雰囲気で、また、
金属酸化物系基板では清浄な酸素雰囲気中で、１０００
−１２００℃以上の高温に基板温度を上げることが必要
である。しかし、前記従来技術を用いて基板温度を１０
００−１２００℃以上に上げることは、酸素雰囲気中で
はかなり困難であり、また、ヒーターの寿命の問題のほ
か、基板とヒーターとの熱接触を良好かつ再現性よく保
つことが困難である等の理由から、産業への応用上実用
的でない。
よる加熱方法では、シリコン半導体等の低い融点を持つ
基板物質に対して基板温度を１０００℃程度に上げるこ
とで平坦な表面が得られている。該セラミックス単結晶
基板のような、より高い融点を持つ基板物質に対して平
坦な結晶格子面を得るためには、清浄雰囲気で、また、
金属酸化物系基板では清浄な酸素雰囲気中で、１０００
−１２００℃以上の高温に基板温度を上げることが必要
である。しかし、前記従来技術を用いて基板温度を１０
００−１２００℃以上に上げることは、酸素雰囲気中で
はかなり困難であり、また、ヒーターの寿命の問題のほ
か、基板とヒーターとの熱接触を良好かつ再現性よく保
つことが困難である等の理由から、産業への応用上実用
的でない。
【０００４】エッチングによる方法では、基板の結晶格
子欠陥や基板面の研磨傷からの選択的なエッチングが起
こりやすい。そのため、ピットと呼ばれる凹凸が生じや
すいという問題点を有している。さらに、この技術は湿
式法であるため、酸化物エレクトロニクス等で重要な基
盤技術となる、基板表面処理から薄膜作製・素子加工の
一連の行程をすべて清浄な真空中で行うｉｎ−ｓｉｔｕ
（その場）プロセスに適用できないという問題点を有す
る。
子欠陥や基板面の研磨傷からの選択的なエッチングが起
こりやすい。そのため、ピットと呼ばれる凹凸が生じや
すいという問題点を有している。さらに、この技術は湿
式法であるため、酸化物エレクトロニクス等で重要な基
盤技術となる、基板表面処理から薄膜作製・素子加工の
一連の行程をすべて清浄な真空中で行うｉｎ−ｓｉｔｕ
（その場）プロセスに適用できないという問題点を有す
る。
【０００５】光加熱による基板表面処理方法では、該セ
ラミックス基板が通常の状態では可視光線から遠赤外線
までの領域の光に対して大きな吸収を示さないことか
ら、サブナノメートル次元の平滑度を持つ結晶格子面を
得ることができなかった。
ラミックス基板が通常の状態では可視光線から遠赤外線
までの領域の光に対して大きな吸収を示さないことか
ら、サブナノメートル次元の平滑度を持つ結晶格子面を
得ることができなかった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】このような状況の中
で、本発明者らは、前記従来技術に鑑みて、セラミック
ス単結晶基板について、サブナノメートルの次元で平坦
な結晶格子面を有する基板を得ることを可能とする新し
い基板表面処理方法を開発することを目標として鋭意研
究を積み重ねた結果、基板を予備加熱して酸素欠損によ
る光吸収中心（色中心）を生じさせ、さらに光エネルギ
ーを照射することにより所期の目的を達成し得ることを
見出し、本発明を完成するに至った。本発明の目的は、
前記従来技術の問題点を解決し、サブナノメートルの次
元で平坦な結晶格子面を有する基板表面を得る簡便な基
板処理方法と、本方法により得られる膜作製用基板を提
供することにある。
で、本発明者らは、前記従来技術に鑑みて、セラミック
ス単結晶基板について、サブナノメートルの次元で平坦
な結晶格子面を有する基板を得ることを可能とする新し
い基板表面処理方法を開発することを目標として鋭意研
究を積み重ねた結果、基板を予備加熱して酸素欠損によ
る光吸収中心（色中心）を生じさせ、さらに光エネルギ
ーを照射することにより所期の目的を達成し得ることを
見出し、本発明を完成するに至った。本発明の目的は、
前記従来技術の問題点を解決し、サブナノメートルの次
元で平坦な結晶格子面を有する基板表面を得る簡便な基
板処理方法と、本方法により得られる膜作製用基板を提
供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
の本発明は、以下の技術的手段から構成される。 （１）光加熱を行いセラミックス単結晶基板の表面を処
理する方法であって、次の工程； １）該基板を還元雰囲気中で予備加熱し、酸素欠損によ
る光吸収中心（色中心）を生じさせる工程、 ２）続いて、光照射を行い、該光吸収中心による光エネ
ルギーの吸収により効率良く高温加熱処理を行いサブナ
ノメートルの次元で平坦な結晶格子面を有する基板を得
る工程、 ３）さらに該基板を酸素雰囲気中で加熱することにより
該光吸収中心を取り除く工程、を含むことを特徴とする
基板表面処理方法。 （２）前記光エネルギーの波長が、遠赤外線から可視光
線までの領域であることを特徴とする前記（１）に記載
の表面処理方法。 （３）前記基板が、通常の状態では光エネルギーの吸収
率が小さいが、真空、水素、希ガス等の還元雰囲気中で
予備加熱を行うことで酸素欠損による該光吸収中心が生
じ、光エネルギーの吸収率が増加する物質であることを
特徴とする前記（１）に記載の表面処理方法。 （４）前記（１）から（３）のいずれか１項に記載の表
面処理方法で作製したサブナノメートルの次元で平坦な
結晶格子面を有する膜作製用基板。 （５）セラミックス単結晶基板上にエピタキシャル薄膜
を作製する方法であって、次の工程； １）前記（１）に記載の方法によりサブナノメートルの
次元で平坦な結晶格子面を有する基板を作製する工程、 ２）該基板表面を大気に曝すことなく、清浄な表面を保
ったままエピタキシャル多層積層薄膜を作製する工程、
による一連の操作を同一チャンバー内で行うことを特徴
とする方法。
の本発明は、以下の技術的手段から構成される。 （１）光加熱を行いセラミックス単結晶基板の表面を処
理する方法であって、次の工程； １）該基板を還元雰囲気中で予備加熱し、酸素欠損によ
る光吸収中心（色中心）を生じさせる工程、 ２）続いて、光照射を行い、該光吸収中心による光エネ
ルギーの吸収により効率良く高温加熱処理を行いサブナ
ノメートルの次元で平坦な結晶格子面を有する基板を得
る工程、 ３）さらに該基板を酸素雰囲気中で加熱することにより
該光吸収中心を取り除く工程、を含むことを特徴とする
基板表面処理方法。 （２）前記光エネルギーの波長が、遠赤外線から可視光
線までの領域であることを特徴とする前記（１）に記載
の表面処理方法。 （３）前記基板が、通常の状態では光エネルギーの吸収
率が小さいが、真空、水素、希ガス等の還元雰囲気中で
予備加熱を行うことで酸素欠損による該光吸収中心が生
じ、光エネルギーの吸収率が増加する物質であることを
特徴とする前記（１）に記載の表面処理方法。 （４）前記（１）から（３）のいずれか１項に記載の表
面処理方法で作製したサブナノメートルの次元で平坦な
結晶格子面を有する膜作製用基板。 （５）セラミックス単結晶基板上にエピタキシャル薄膜
を作製する方法であって、次の工程； １）前記（１）に記載の方法によりサブナノメートルの
次元で平坦な結晶格子面を有する基板を作製する工程、 ２）該基板表面を大気に曝すことなく、清浄な表面を保
ったままエピタキシャル多層積層薄膜を作製する工程、
による一連の操作を同一チャンバー内で行うことを特徴
とする方法。
【０００８】次に、本発明についてさらに詳細に説明す
る。本発明によれば、前記目的は真空等の還元雰囲気に
した容器内で該基板に予備加熱を行った後、さらに光エ
ネルギーを照射することにより達成される。本発明にお
いて、セラミックス単結晶基板として、通常の状態では
光エネルギーの吸収率が小さいが、真空、水素、希ガス
等の還元雰囲気中で予備加熱を行うことで酸素欠損によ
る光吸収中心（色中心）が生じ、光エネルギーの吸収率
が増加する物質であれば、適宜の物質が使用される。こ
のような基板としては、例えば、チタン酸ストロンチウ
ム（ＳｒＴｉＯ3 チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ3 ）、
酸化チタン（ＴｉＯ2 ）、酸化スズ（ＳｎＯ2 ）、酸化
インジウム（Ｉｎ2 Ｏ3 ）等が例示されるが、これらに
限らず、これらと同等のものであれば適宜使用できる。
る。本発明によれば、前記目的は真空等の還元雰囲気に
した容器内で該基板に予備加熱を行った後、さらに光エ
ネルギーを照射することにより達成される。本発明にお
いて、セラミックス単結晶基板として、通常の状態では
光エネルギーの吸収率が小さいが、真空、水素、希ガス
等の還元雰囲気中で予備加熱を行うことで酸素欠損によ
る光吸収中心（色中心）が生じ、光エネルギーの吸収率
が増加する物質であれば、適宜の物質が使用される。こ
のような基板としては、例えば、チタン酸ストロンチウ
ム（ＳｒＴｉＯ3 チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ3 ）、
酸化チタン（ＴｉＯ2 ）、酸化スズ（ＳｎＯ2 ）、酸化
インジウム（Ｉｎ2 Ｏ3 ）等が例示されるが、これらに
限らず、これらと同等のものであれば適宜使用できる。
【０００９】本発明では、真空や水素及び希ガスなどの
還元雰囲気中で該基板に、基板ホルダー（固定台）を介
しての光エネルギー付与やヒーター加熱あるいは高出力
の光エネルギーを照射する等の方法で予備加熱を行い、
酸素欠損による光吸収中心を生じさせる（黒化させ
る）。この場合、加熱手段は、高出力の赤外線ランプの
光を共焦点ミラーを用いて集光し、光導入用の石英製の
窓を通して真空容器内の基板の表面に照射する方法を用
いる。基板は白金板の上に固定し、直接照射光及び白金
板からの反射光による光エネルギー附与と、光照射によ
り加熱された白金板との接触による熱伝導により予備加
熱される。加熱時の条件は、赤外線ランプの出力を１ｋ
Ｗ、容器内を真空に保ち真空度は６×１０-8Ｔｏｒｒで
ある。続けて、これに光照射を行うと該光吸収中心によ
り光エネルギーが基板に効率良く吸収され加熱される。
すなわち、基板中に酸素欠損により生じた光吸収中心が
光エネルギーを吸収し、基板自体が発熱する。この場
合、予備加熱と光照射による基板表面の加熱はほぼ同時
に起こるために、両者のプロセスの間には明確な区別は
ない。光照射の手段及び条件は予備加熱の条件と同じで
あり、予備加熱を含めて光照射は１時間行う。光照射を
続けると加熱により光吸収中心がさらに増加し光エネル
ギーが加速度的に吸収され、融点の高いセラミックス単
結晶基板の表面処理を行うのに十分な高温度まで基板温
度を上げることができる。その結果、サブナノメートル
次元の平滑度を持つ結晶格子面を有する表面が得られ
る。
還元雰囲気中で該基板に、基板ホルダー（固定台）を介
しての光エネルギー付与やヒーター加熱あるいは高出力
の光エネルギーを照射する等の方法で予備加熱を行い、
酸素欠損による光吸収中心を生じさせる（黒化させ
る）。この場合、加熱手段は、高出力の赤外線ランプの
光を共焦点ミラーを用いて集光し、光導入用の石英製の
窓を通して真空容器内の基板の表面に照射する方法を用
いる。基板は白金板の上に固定し、直接照射光及び白金
板からの反射光による光エネルギー附与と、光照射によ
り加熱された白金板との接触による熱伝導により予備加
熱される。加熱時の条件は、赤外線ランプの出力を１ｋ
Ｗ、容器内を真空に保ち真空度は６×１０-8Ｔｏｒｒで
ある。続けて、これに光照射を行うと該光吸収中心によ
り光エネルギーが基板に効率良く吸収され加熱される。
すなわち、基板中に酸素欠損により生じた光吸収中心が
光エネルギーを吸収し、基板自体が発熱する。この場
合、予備加熱と光照射による基板表面の加熱はほぼ同時
に起こるために、両者のプロセスの間には明確な区別は
ない。光照射の手段及び条件は予備加熱の条件と同じで
あり、予備加熱を含めて光照射は１時間行う。光照射を
続けると加熱により光吸収中心がさらに増加し光エネル
ギーが加速度的に吸収され、融点の高いセラミックス単
結晶基板の表面処理を行うのに十分な高温度まで基板温
度を上げることができる。その結果、サブナノメートル
次元の平滑度を持つ結晶格子面を有する表面が得られ
る。
【００１０】処理を行って黒化した基板中の光吸収中心
は７００〜８００℃以下の低温でも酸素雰囲気中で加熱
処理することにより除去することができ、これにより、
光吸収中心のない透明な基板に戻すことができる。ま
た、本発明の基板処理の一連の操作は、真空チャンバー
等の同一容器内で連続して行うことができるので、処理
を行った後の基板表面を大気に曝すことなく、清浄な表
面を保ったままエピタキシャル多層積層薄膜を作製する
ことが可能である。
は７００〜８００℃以下の低温でも酸素雰囲気中で加熱
処理することにより除去することができ、これにより、
光吸収中心のない透明な基板に戻すことができる。ま
た、本発明の基板処理の一連の操作は、真空チャンバー
等の同一容器内で連続して行うことができるので、処理
を行った後の基板表面を大気に曝すことなく、清浄な表
面を保ったままエピタキシャル多層積層薄膜を作製する
ことが可能である。
【００１１】
【発明の実施の形態】以下、本発明による基板の表面処
理方法及び該方法を用いて得られる膜作製用基板上に蒸
着した薄膜の一実施形態を図面により詳細に説明する。
本発明の一実施形態として、チタン酸ストロンチウム単
結晶基板に対して該表面処理を行う例を示す。一連の処
理はすべて還元雰囲気である真空に保った同一容器内７
で行う。該基板５は予備加熱を行うために白金板等の基
板固定台６上に置き、光導入窓４に対面するように固定
する（図１）。
理方法及び該方法を用いて得られる膜作製用基板上に蒸
着した薄膜の一実施形態を図面により詳細に説明する。
本発明の一実施形態として、チタン酸ストロンチウム単
結晶基板に対して該表面処理を行う例を示す。一連の処
理はすべて還元雰囲気である真空に保った同一容器内７
で行う。該基板５は予備加熱を行うために白金板等の基
板固定台６上に置き、光導入窓４に対面するように固定
する（図１）。
【００１２】１ｋＷ程度の高出力赤外線ランプ１からの
光エネルギー２を共焦点ミラー等の集光装置３を用い
て、光導入窓４を通して基板５上に照射する。基板は図
２（ａ）に示す様に透明であり、可視光線から遠赤外線
の領域に渡って光エネルギーの大きな吸収が起こらな
い。従って、光エネルギー２は基板５を透過し、主に基
板の下にある白金板６を加熱する。
光エネルギー２を共焦点ミラー等の集光装置３を用い
て、光導入窓４を通して基板５上に照射する。基板は図
２（ａ）に示す様に透明であり、可視光線から遠赤外線
の領域に渡って光エネルギーの大きな吸収が起こらな
い。従って、光エネルギー２は基板５を透過し、主に基
板の下にある白金板６を加熱する。
【００１３】加熱された白金板６との熱接触により基板
の予備加熱が行われる。真空雰囲気中で加熱されること
により、基板中に酸素欠損が生じ、図２（ｂ）に示すよ
うに、光吸収中心の生成（黒化）が始まる。基板が黒化
し始めると、基板自体が光エネルギーを吸収し発熱す
る。その結果、基板表面処理に必要な高温度まで基板が
加熱され、サブナノメートル次元の平滑度を持つ結晶格
子面を有する表面が得られる。
の予備加熱が行われる。真空雰囲気中で加熱されること
により、基板中に酸素欠損が生じ、図２（ｂ）に示すよ
うに、光吸収中心の生成（黒化）が始まる。基板が黒化
し始めると、基板自体が光エネルギーを吸収し発熱す
る。その結果、基板表面処理に必要な高温度まで基板が
加熱され、サブナノメートル次元の平滑度を持つ結晶格
子面を有する表面が得られる。
【００１４】上記の処理を行い、黒化した基板（図２
（ｂ））は、再び、酸化雰囲気中で加熱を行うことによ
り、光吸収中心のない透明な基板に戻すことができる。
図２（ｃ）は、光エネルギー加熱を行い、サブナノメー
トル次元の平滑度を持つ結晶格子面を得た後に、酸素雰
囲気中で再び加熱し、透明に戻して得た本発明の基板の
写真である。上記方法で表面処理した基板上に、パルス
レーザー蒸着法でＹ系酸化物超伝導体（ＹＢａ2 Ｃｕ3
Ｏ7 ）薄膜を形成し、セラミックス単結晶基板上にエピ
タキシャル薄膜を作製した。本発明で形成できる薄膜と
しては、例えば、ＹＢａ2 Ｃｕ3 Ｏ7 、Ｂｉ2 Ｓｒ2 Ｃ
ａ2 Ｃｕ3 Ｏy 等のＣｕ系酸化物高温超伝導体やＬａ
1-x Ｐｂx ＭｎＯ3 、Ｌａ1-x Ｓｒx ＭｎＯ3 の様に磁
気抵抗効果や巨大磁気抵抗効果を示すＭｎ系酸化物など
が挙げられる。
（ｂ））は、再び、酸化雰囲気中で加熱を行うことによ
り、光吸収中心のない透明な基板に戻すことができる。
図２（ｃ）は、光エネルギー加熱を行い、サブナノメー
トル次元の平滑度を持つ結晶格子面を得た後に、酸素雰
囲気中で再び加熱し、透明に戻して得た本発明の基板の
写真である。上記方法で表面処理した基板上に、パルス
レーザー蒸着法でＹ系酸化物超伝導体（ＹＢａ2 Ｃｕ3
Ｏ7 ）薄膜を形成し、セラミックス単結晶基板上にエピ
タキシャル薄膜を作製した。本発明で形成できる薄膜と
しては、例えば、ＹＢａ2 Ｃｕ3 Ｏ7 、Ｂｉ2 Ｓｒ2 Ｃ
ａ2 Ｃｕ3 Ｏy 等のＣｕ系酸化物高温超伝導体やＬａ
1-x Ｐｂx ＭｎＯ3 、Ｌａ1-x Ｓｒx ＭｎＯ3 の様に磁
気抵抗効果や巨大磁気抵抗効果を示すＭｎ系酸化物など
が挙げられる。
【００１５】以下に、基板表面処理及び処理を行った基
板上に作製した膜に関する結果を説明する。図３は原子
間力顕微鏡（ＡＦＭ）による基板の表面形態の観察結果
である。図３（ａ）は表面処理を行う前のチタン酸スト
ロンチウム単結晶基板の表面形態である。図３（ｂ）は
従来の抵抗加熱ヒーターにより真空容器内で８００℃で
加熱処理した基板の表面形態である。図３（ａ）と図３
（ｂ）の間にはほとんど差が見られない。つまり、基板
温度８００℃程度では表面改質がほとんど行われず結晶
格子面を持つ基板表面が得られないことが分かる。他
方、本発明による処理を行った基板の表面（図３
（ｃ））には一定の間隔でステップが見られる。このス
テップの高さは単結晶の１格子の高さ（０．３９０５ｎ
ｍ）とほぼ同じであることから、テラス状の結晶格子面
すなわちサブナノメートル次元の平滑度を持つ単結晶基
板が得られていることを示している。ステップは、実際
に切り出して研磨した基板面が（００１）結晶格子面と
完全に一致していないために生じたものである。
板上に作製した膜に関する結果を説明する。図３は原子
間力顕微鏡（ＡＦＭ）による基板の表面形態の観察結果
である。図３（ａ）は表面処理を行う前のチタン酸スト
ロンチウム単結晶基板の表面形態である。図３（ｂ）は
従来の抵抗加熱ヒーターにより真空容器内で８００℃で
加熱処理した基板の表面形態である。図３（ａ）と図３
（ｂ）の間にはほとんど差が見られない。つまり、基板
温度８００℃程度では表面改質がほとんど行われず結晶
格子面を持つ基板表面が得られないことが分かる。他
方、本発明による処理を行った基板の表面（図３
（ｃ））には一定の間隔でステップが見られる。このス
テップの高さは単結晶の１格子の高さ（０．３９０５ｎ
ｍ）とほぼ同じであることから、テラス状の結晶格子面
すなわちサブナノメートル次元の平滑度を持つ単結晶基
板が得られていることを示している。ステップは、実際
に切り出して研磨した基板面が（００１）結晶格子面と
完全に一致していないために生じたものである。
【００１６】次に、ＲＨＥＥＤ（反射型高速電子線回
折）による表面観察の結果を図４に示す。表面がサブナ
ノメートル次元の完全に近い平坦であるとＲＨＥＥＤに
よる電子線の回折像は円弧上にスポット（点）となって
現れる。図４（ａ）は本発明による表面処理を行った基
板の表面のＲＨＥＥＤ回折像である。円弧上に回折点が
並んでいる。もし、表面が格子面に対してナノメートル
次元の凹凸を持っていると、回折点が紙面縦方向に伸び
たストリークと呼ばれる線状になる。図４（ａ）の回折
点にこのストリーク状のものが含まれていないことか
ら、完全に近い平坦な結晶格子面が得られていることが
分かる。他方、図４（ｂ）に示した回折像は８００℃で
処理を行った基板の表面の回折像である。紙面縦方向に
ストリーク状のパターンが現れていることから、表面が
結晶格子面に対しまだナノメートル次元の凹凸を有する
ことを示している。つまり、ＡＦＭの結果と同じく、基
板温度８００℃で表面処理を行っても表面改質がほとん
ど進まないが、本発明による基板表面処理方法を用いる
とサブナノメートルの平滑度を持つ結晶格子面が得られ
ることが分かる。
折）による表面観察の結果を図４に示す。表面がサブナ
ノメートル次元の完全に近い平坦であるとＲＨＥＥＤに
よる電子線の回折像は円弧上にスポット（点）となって
現れる。図４（ａ）は本発明による表面処理を行った基
板の表面のＲＨＥＥＤ回折像である。円弧上に回折点が
並んでいる。もし、表面が格子面に対してナノメートル
次元の凹凸を持っていると、回折点が紙面縦方向に伸び
たストリークと呼ばれる線状になる。図４（ａ）の回折
点にこのストリーク状のものが含まれていないことか
ら、完全に近い平坦な結晶格子面が得られていることが
分かる。他方、図４（ｂ）に示した回折像は８００℃で
処理を行った基板の表面の回折像である。紙面縦方向に
ストリーク状のパターンが現れていることから、表面が
結晶格子面に対しまだナノメートル次元の凹凸を有する
ことを示している。つまり、ＡＦＭの結果と同じく、基
板温度８００℃で表面処理を行っても表面改質がほとん
ど進まないが、本発明による基板表面処理方法を用いる
とサブナノメートルの平滑度を持つ結晶格子面が得られ
ることが分かる。
【００１７】図５は表面処理を行った本発明の基板上
に、図６は処理を行う前の基板上にパルスレーザー蒸着
法で作製したＹ系酸化物超伝導体（ＹＢａ2 Ｃｕ3 Ｏ
7 ）薄膜の表面の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真を示
す。処理を行う前の基板上に作製した膜（図６）には多
数の表面粒子が生成していることが分かる。これらの粒
子は基板上の凹凸が核となり成長したものであると考え
られ、特に多元素からなるペロブスカイト系酸化物など
の場合に顕著に現れる。他方、本発明による基板上に同
一条件で作製した膜の表面には粒子がほとんど見られ
ず、良質な膜が作製できることが分かる。該薄膜は、表
面処理を行った基板を真空容器から一旦大気中に出して
ＡＦＭで観察した後、再び真空容器内に戻してからパル
スレーザー蒸着法で成膜したものであるが、真空容器か
ら出さずに表面処理と成膜を連続して行った膜でも同等
以上の品質のものが得られる。
に、図６は処理を行う前の基板上にパルスレーザー蒸着
法で作製したＹ系酸化物超伝導体（ＹＢａ2 Ｃｕ3 Ｏ
7 ）薄膜の表面の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真を示
す。処理を行う前の基板上に作製した膜（図６）には多
数の表面粒子が生成していることが分かる。これらの粒
子は基板上の凹凸が核となり成長したものであると考え
られ、特に多元素からなるペロブスカイト系酸化物など
の場合に顕著に現れる。他方、本発明による基板上に同
一条件で作製した膜の表面には粒子がほとんど見られ
ず、良質な膜が作製できることが分かる。該薄膜は、表
面処理を行った基板を真空容器から一旦大気中に出して
ＡＦＭで観察した後、再び真空容器内に戻してからパル
スレーザー蒸着法で成膜したものであるが、真空容器か
ら出さずに表面処理と成膜を連続して行った膜でも同等
以上の品質のものが得られる。
【００１８】
【実施例】次に、実施例に基づいて本発明を具体的に説
明するが、本発明は当該実施例によって何ら限定される
ものではない。 実施例 チタン酸ストロンチウム単結晶基板を真空容器内の基板
固定台の白金板上に置き、１ｋＷの赤外線を集光装置を
用いて石英製光導入窓を通して該基板上に照射した。真
空容器は加熱前に３×１０-9Ｔｏｒｒまで真空引きを行
い、光照射加熱時も６×１０-8Ｔｏｒｒの真空度に保っ
た。直接照射光及び白金板からの反射光による光エネル
ギーの付与と、光照射により加熱された白金板との熱接
触により基板を予備加熱し、酸素欠損による光吸収中心
を生成させた。続けて、これに予備加熱と同じ条件で１
時間の光照射を行い、高温に基板温度を加熱して、サブ
ナノメートル次元の平滑度を持つ結晶格子面を有する表
面を形成した。なお真空中で光加熱により小片試料部の
みを高温まで加熱しその温度を測定する場合、熱電対に
よるか放射温度計が用いられる。熱電対を使う方法で
は、試料の熱容量が小さいことや熱電対との熱接触など
の問題が起因して正確な温度が測れない。また、加熱用
の光が真空容器内で複雑に散乱・吸収され、その散乱光
が温度測定に干渉することに加えて、基板が透明である
ためにその正確な放射率が得られないこと等の理由で、
放射温度計を使っても加熱時の基板の表面温度を測定す
ることができない。そこで基板温度を推定するために、
管状電気炉（最高１３５０℃まで加熱が可能な）を用い
て管内の雰囲気温度１３５０℃・真空度１×１０-3Ｔｏ
ｒｒの状態で基板の加熱実験を行った。しかしこの温度
でも光吸収中心の生成が起こらなかったことから、光加
熱において到達した基板の温度は１３５０℃よりも高い
と推定した。次に、上記の光加熱法で表面処理して黒化
させた基板を、酸素雰囲気中において８００℃で加熱処
理して、光吸収中心を除去して透明な基板に戻した。こ
の処理後も、サブナノメートルの平滑度は変わらないこ
とがＡＦＭ測定で確認された。この基板上に、ＹＡＧ固
体レーザの第４高調波を用いたパルスレーザー蒸着法で
Ｙ系酸化物高温超伝導体（ＹＢａ2 Ｃｕ3 Ｏ7 ）の薄膜
を作製した。作製条件は基板温度７４０℃、蒸着時の酸
素圧は５０Ｐａである。また、蒸着した薄膜の膜厚は約
３０ｎｍである。
明するが、本発明は当該実施例によって何ら限定される
ものではない。 実施例 チタン酸ストロンチウム単結晶基板を真空容器内の基板
固定台の白金板上に置き、１ｋＷの赤外線を集光装置を
用いて石英製光導入窓を通して該基板上に照射した。真
空容器は加熱前に３×１０-9Ｔｏｒｒまで真空引きを行
い、光照射加熱時も６×１０-8Ｔｏｒｒの真空度に保っ
た。直接照射光及び白金板からの反射光による光エネル
ギーの付与と、光照射により加熱された白金板との熱接
触により基板を予備加熱し、酸素欠損による光吸収中心
を生成させた。続けて、これに予備加熱と同じ条件で１
時間の光照射を行い、高温に基板温度を加熱して、サブ
ナノメートル次元の平滑度を持つ結晶格子面を有する表
面を形成した。なお真空中で光加熱により小片試料部の
みを高温まで加熱しその温度を測定する場合、熱電対に
よるか放射温度計が用いられる。熱電対を使う方法で
は、試料の熱容量が小さいことや熱電対との熱接触など
の問題が起因して正確な温度が測れない。また、加熱用
の光が真空容器内で複雑に散乱・吸収され、その散乱光
が温度測定に干渉することに加えて、基板が透明である
ためにその正確な放射率が得られないこと等の理由で、
放射温度計を使っても加熱時の基板の表面温度を測定す
ることができない。そこで基板温度を推定するために、
管状電気炉（最高１３５０℃まで加熱が可能な）を用い
て管内の雰囲気温度１３５０℃・真空度１×１０-3Ｔｏ
ｒｒの状態で基板の加熱実験を行った。しかしこの温度
でも光吸収中心の生成が起こらなかったことから、光加
熱において到達した基板の温度は１３５０℃よりも高い
と推定した。次に、上記の光加熱法で表面処理して黒化
させた基板を、酸素雰囲気中において８００℃で加熱処
理して、光吸収中心を除去して透明な基板に戻した。こ
の処理後も、サブナノメートルの平滑度は変わらないこ
とがＡＦＭ測定で確認された。この基板上に、ＹＡＧ固
体レーザの第４高調波を用いたパルスレーザー蒸着法で
Ｙ系酸化物高温超伝導体（ＹＢａ2 Ｃｕ3 Ｏ7 ）の薄膜
を作製した。作製条件は基板温度７４０℃、蒸着時の酸
素圧は５０Ｐａである。また、蒸着した薄膜の膜厚は約
３０ｎｍである。
【００１９】
【発明の効果】以上説明したように、チタン酸ストロン
チウム（ＳｒＴｉＯ3 ）、チタン酸バリウム（ＢａＴｉ
Ｏ3 ）、酸化チタン（ＴｉＯ2 ）、酸化スズ（ＳｎＯ
2 ）、酸化インジウム（Ｉｎ2 Ｏ3 ）等の基板の様に光
吸収が少なく高い融点を持つ物質でも、還元雰囲気中で
の加熱で光吸収中心を生じさせられれば、高出力の光エ
ネルギーを与えるだけの簡単な方法によりサブナノメー
トル次元の平滑度の結晶格子面を有する基板表面を得る
ことができる。本発明の基板を用いれば酸化物などの膜
を作製する場合に、不純物表面粒子の生成を大幅に押さ
えることができる。面粒子発生は酸化物エレクトロニク
スの基盤技術である膜の積層素子化を行う際の大きな問
題点であり、本発明による基板はこれをブレークスルー
するものである。
チウム（ＳｒＴｉＯ3 ）、チタン酸バリウム（ＢａＴｉ
Ｏ3 ）、酸化チタン（ＴｉＯ2 ）、酸化スズ（ＳｎＯ
2 ）、酸化インジウム（Ｉｎ2 Ｏ3 ）等の基板の様に光
吸収が少なく高い融点を持つ物質でも、還元雰囲気中で
の加熱で光吸収中心を生じさせられれば、高出力の光エ
ネルギーを与えるだけの簡単な方法によりサブナノメー
トル次元の平滑度の結晶格子面を有する基板表面を得る
ことができる。本発明の基板を用いれば酸化物などの膜
を作製する場合に、不純物表面粒子の生成を大幅に押さ
えることができる。面粒子発生は酸化物エレクトロニク
スの基盤技術である膜の積層素子化を行う際の大きな問
題点であり、本発明による基板はこれをブレークスルー
するものである。
【図１】本発明の一実施形態によるセラミックス単結晶
基板の表面処理方法を説明する図である。
基板の表面処理方法を説明する図である。
【図２】（ａ）は表面処理を行う前のチタン酸ストロン
チウム基板の写真である。（ｂ）は本発明の一実施形態
により表面処理を行う過程で、予備加熱を行い光吸収中
心を導入（黒化）した基板の写真である。（ｃ）は光加
熱で表面処理を行った後、酸素雰囲気中で加熱し光吸収
中心を取り除いた本発明の基板である。
チウム基板の写真である。（ｂ）は本発明の一実施形態
により表面処理を行う過程で、予備加熱を行い光吸収中
心を導入（黒化）した基板の写真である。（ｃ）は光加
熱で表面処理を行った後、酸素雰囲気中で加熱し光吸収
中心を取り除いた本発明の基板である。
【図３】（ａ）は表面処理を行う前の、（ｂ）は抵抗ヒ
ーター加熱法により８００℃まで加熱した、（ｃ）は本
発明の一形態により表面処理を行った基板表面の原子間
力顕微鏡（ＡＦＭ）による観察像である。
ーター加熱法により８００℃まで加熱した、（ｃ）は本
発明の一形態により表面処理を行った基板表面の原子間
力顕微鏡（ＡＦＭ）による観察像である。
【図４】（ａ）は本発明の一形態により表面処理を行っ
た基板表面の、（ｂ）は抵抗ヒーター加熱法により真空
中で８００℃まで加熱した基板表面の反射型高速電子線
回折（ＲＨＥＥＤ）による回折像である。
た基板表面の、（ｂ）は抵抗ヒーター加熱法により真空
中で８００℃まで加熱した基板表面の反射型高速電子線
回折（ＲＨＥＥＤ）による回折像である。
【図５】本発明による表面処理を行った後の基板上に蒸
着したＹ系酸化物超伝導体（ＹＢａ2 Ｃｕ3 Ｏ7 ）薄膜
の表面の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真である。
着したＹ系酸化物超伝導体（ＹＢａ2 Ｃｕ3 Ｏ7 ）薄膜
の表面の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真である。
【図６】本発明による表面処理を行う前の基板上に蒸着
したＹ系酸化物超伝導体（ＹＢａ2 Ｃｕ3 Ｏ7 ）薄膜の
表面の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真である。
したＹ系酸化物超伝導体（ＹＢａ2 Ｃｕ3 Ｏ7 ）薄膜の
表面の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真である。
１ 光エネルギー源（高出力赤外線ランプ等） ２ 光エネルギー ３ 集光装置（共焦点ミラー等） ４ 光導入窓（石英等） ５ セラミックス単結晶基板（チタン酸ストロンチウム
等） ６ 基板固定台（白金板等） ７ 容器（真空等の還元雰囲気に保った真空チャンバー
等の容器）
等） ６ 基板固定台（白金板等） ７ 容器（真空等の還元雰囲気に保った真空チャンバー
等の容器）
Claims (5)
- 【請求項１】 光加熱を行いセラミックス単結晶基板の
表面を処理する方法であって、次の工程； １）該基板を還元雰囲気中で予備加熱し、酸素欠損によ
る光吸収中心（色中心）を生じさせる工程、 ２）続いて、光照射を行い、該光吸収中心による光エネ
ルギーの吸収により効率良く高温加熱処理を行いサブナ
ノメートルの次元で平坦な結晶格子面を有する基板を得
る工程、 ３）さらに該基板を酸素雰囲気中で加熱することにより
該光吸収中心を取り除く工程、を含むことを特徴とする
基板表面処理方法。 - 【請求項２】 前記光エネルギーの波長が、遠赤外線か
ら可視光線までの領域であることを特徴とする請求項１
に記載の表面処理方法。 - 【請求項３】 前記基板が、通常の状態では光エネルギ
ーの吸収率が小さいが、真空、水素、希ガス等の還元雰
囲気中で予備加熱を行うことで酸素欠損による該光吸収
中心が生じ、光エネルギーの吸収率が増加する物質であ
ることを特徴とする請求項１に記載の表面処理方法。 - 【請求項４】 前記請求項１から３のいずれか１項に記
載の表面処理方法で作製したサブナノメートルの次元で
平坦な結晶格子面を有する膜作製用基板。 - 【請求項５】 セラミックス単結晶基板上にエピタキシ
ャル薄膜を作製する方法であって、次の工程； １）請求項１に記載の方法によりサブナノメートルの次
元で平坦な結晶格子面を有する基板を作製する工程、 ２）該基板表面を大気に曝すことなく、清浄な表面を保
ったままエピタキシャル多層積層薄膜を作製する工程、
による一連の操作を同一チャンバー内で行うことを特徴
とする方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000054221A JP3507883B2 (ja) | 2000-02-29 | 2000-02-29 | 基板表面処理方法と同方法で作製した膜作製用基板 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000054221A JP3507883B2 (ja) | 2000-02-29 | 2000-02-29 | 基板表面処理方法と同方法で作製した膜作製用基板 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2001240487A true JP2001240487A (ja) | 2001-09-04 |
| JP3507883B2 JP3507883B2 (ja) | 2004-03-15 |
Family
ID=18575506
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2000054221A Expired - Lifetime JP3507883B2 (ja) | 2000-02-29 | 2000-02-29 | 基板表面処理方法と同方法で作製した膜作製用基板 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3507883B2 (ja) |
Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS6420689A (en) * | 1987-07-15 | 1989-01-24 | Sumitomo Electric Industries | Manufacture of diamond light emitting device |
| JPH02263799A (ja) * | 1989-04-03 | 1990-10-26 | Sumitomo Metal Ind Ltd | 基板加熱装置及びその操業方法 |
| JPH0483714A (ja) * | 1990-07-25 | 1992-03-17 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 薄膜超電導体の製造方法 |
| JPH04260695A (ja) * | 1990-09-28 | 1992-09-16 | Commiss Energ Atom | 酸化物型結晶薄膜及びその製造方法 |
| JPH06183894A (ja) * | 1992-05-25 | 1994-07-05 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | 酸化物単結晶の表面形成方法 |
| JPH06234595A (ja) * | 1993-02-12 | 1994-08-23 | Sumitomo Electric Ind Ltd | ダイヤモンド薄板の製造方法 |
| JPH0883802A (ja) * | 1994-09-12 | 1996-03-26 | Res Dev Corp Of Japan | 表面特性を改善するサファイア単結晶基板の熱処理方法 |
| JPH08102560A (ja) * | 1994-09-30 | 1996-04-16 | Hideomi Koinuma | チタン酸ストロンチウム基板の表面処理方法 |
-
2000
- 2000-02-29 JP JP2000054221A patent/JP3507883B2/ja not_active Expired - Lifetime
Patent Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS6420689A (en) * | 1987-07-15 | 1989-01-24 | Sumitomo Electric Industries | Manufacture of diamond light emitting device |
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| JPH06234595A (ja) * | 1993-02-12 | 1994-08-23 | Sumitomo Electric Ind Ltd | ダイヤモンド薄板の製造方法 |
| JPH0883802A (ja) * | 1994-09-12 | 1996-03-26 | Res Dev Corp Of Japan | 表面特性を改善するサファイア単結晶基板の熱処理方法 |
| JPH08102560A (ja) * | 1994-09-30 | 1996-04-16 | Hideomi Koinuma | チタン酸ストロンチウム基板の表面処理方法 |
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP3507883B2 (ja) | 2004-03-15 |
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