JP2002537202A - Method for preparing library using combined molecular beam epitaxy (COMBE) device - Google Patents

Method for preparing library using combined molecular beam epitaxy (COMBE) device

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JP2002537202A
JP2002537202A JP2000599500A JP2000599500A JP2002537202A JP 2002537202 A JP2002537202 A JP 2002537202A JP 2000599500 A JP2000599500 A JP 2000599500A JP 2000599500 A JP2000599500 A JP 2000599500A JP 2002537202 A JP2002537202 A JP 2002537202A
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オクセル オキサイド エレクトロニクス テクノロジー, インコーポレイテッド
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    • C40B60/14Apparatus specially adapted for use in combinatorial chemistry or with libraries for creating libraries

Abstract

(57)【要約】 本発明は、基体上の分子線エピタキシーによる組み合わせのバリエーションとして形成される複合金属酸化物の合成および同定のための装置および方法に関し、そしてこのような合成の結果(すなわち、安定または準安定複合酸化物、多層、および超格子からなる試料の組み合わせアレイ(すなわちライブラリ))に関する。熱不安定構造を有する複合体酸化物の位置アドレス可能組み合わせライブラリは多領域基体を備え、そして基体の領域上に形成され、これは式(A1x1(A2x2・・・(Anxnyを有する熱安定または準安定酸化物であり、ここで、少なくとも1つの元素成分Aiは金属であり、xi、yは0を含む自然数または分数であり、n=2〜20であり、前記酸化物の化学量論または構造は、少なくとも1つの元素成分においては系統的にそして公知の方法で変化し、その際、1対の対向側部領域において一方の側部領域と他方の側部領域との間で進行する。所望の特性(例えば、高温超伝導性)を有する複合酸化物を同定する際のライブラリの使用がさらに開示される。 SUMMARY OF THE INVENTION The present invention relates to apparatus and methods for the synthesis and identification of complex metal oxides formed as a variation of a combination by molecular beam epitaxy on a substrate, and the results of such synthesis (ie, It relates to a combinatorial array (or library) of samples consisting of stable or metastable composite oxides, multilayers, and superlattices. A position-addressable combinatorial library of composite oxides having a thermally labile structure comprises a multi-region substrate and is formed on a region of the substrate, which is of the formula (A 1 ) x1 (A 2 ) x2. n) a thermostable or metastable oxides having xn O y, wherein at least one element component a i is a metal, x i, y is a natural number or a fraction containing 0, n =. 2 to 20, wherein the stoichiometry or structure of the oxide varies systematically and in a known manner in at least one elemental component, with one pair of opposing side regions and one side region It travels between the other side area. Further disclosed is the use of the library in identifying composite oxides having desired properties (eg, high temperature superconductivity).

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】 (発明の分野) 本発明は、基体上に分子線エピタキシーによる組み合わせ変化として形成され
た複合金属酸化物の合成および同定のための装置および方法ならびに、そのよう
な合成の結果(すなわち、サンプルの組み合わせのアレイには、安定なまたは準
安定な複合体酸化物、多層、および超格子が含まれる)に関する。合成プロセス
の多様な局面はプログラム制御プロセッサによって実行され得る。
FIELD OF THE INVENTION The present invention relates to devices and methods for the synthesis and identification of complex metal oxides formed on substrates as combinatorial changes by molecular beam epitaxy, and the results of such synthesis (ie, Arrays of sample combinations include stable or metastable complex oxides, multilayers, and superlattices). Various aspects of the synthesis process may be performed by a program control processor.

【0002】 (文献) [1] Ivan Bozovicら,Physica C235−240:1
78−181(1994) [2] X.D.Xiangら,Science268:1738−1740(
1995) [3] Gabriel Bricenoら,Science270:273−
275(1995) [4] Earl Danielsonら,Nature389:944−94
8(1997) [5] Earl Danielsonら,Science279:837−8
39(1998) [6] Ivan Bozovicら,J.Superconductivit
y7:187−195(1994) [7] Ivan BozovicおよびJ.N.Eckstein,Appl
ied Surface Science113−114:189−197(1
997) [8] A.Kraus および O.Auciello,編(John Wi
ley および Sons,New York,1999)印刷中、CHARA
CTERIZATION OF THIN FILM GROWTH PROC
ESSES VIA IN SITU TECHNIQUESの第三章、Iva
n Bozovicら「Reflection High−Energy El
ectron Diffraction as a Tool for Rea
l Time Characterization of Growth of
Complex Oxides」 [9] C.J.Kraisinger および D.G.Schlom,J.
Vacuum Science and Technology(1998)印
刷中 [10] M.E.Klausmeier−Brownら,Applied P
hysics Letters 60:657−659(1992) [11] E.Bauer,Report of Progress in P
hysics 57:895−938(1994) [12] M.S.Altmanら,Surface Rev.and Let
t.5:1129−1141(1998) [13]A.R.Krausら,Materials Reseach Soc
iety Bulletin 20(5):18−23(1995) (発明の背景) 複合(三成分系、四成分系など)酸化物は科学技術界の増大する興味の主題だ
った。これらの複合物には、高温超伝導体(La2-xSrxCuO4,YBa2Cu 37-x,またはBi2-xPbxSr2Can-1Cun2n+4+yなど)、他には、強誘
電体(Pb1-x-yLaxZryTiO3またはBa1-xSrxTiO3など)、いわゆ
る強大な磁気抵抗効果を示す強磁性体(La1-x-ySrxCayMnO3など)、お
よび他の多様な機能性(ピロ電気、ピエゾ電気、光導電性およびルミネッセンス
など)を有する他の多くの酸化物が挙げられる[1]。
(1) Ivan Bozovic et al., Physica C235-240: 1
78-181 (1994) [2] D. Xiang et al., Science 268: 1738-1740 (
1995) [3] Gabriel Briceno et al., Science 270: 273-
275 (1995) [4] Earl Daniels et al., Nature 389: 944-94.
8 (1997) [5] Earl Daniels et al., Science 279: 837-8.
39 (1998) [6] Ivan Bozovic et al. Superconductivit
y7: 187-195 (1994) [7] Ivan Bozovic and J. et al. N. Eckstein, Appl
ied Surface Science 113-114: 189-197 (1
997) [8] A. Kraus and O.M. Auciello, Ed. (John Wi
Lee and Sons, New York, 1999)
CTERIZATION OF THIN FILM GROWTH PROC
Chapter 3 of ESSES VIA IN SITU TECHNIQUES, Iva
n Bozovic et al., "Reflection High-Energy El"
Electron Diffraction as a Tool for Rea
l Time Characterization of Growth of
 Complex Oxides "[9] C.I. J. Kraisinger and D.S. G. FIG. Schlom, J .;
Vacuum Science and Technology (1998) seal
During printing [10] E. FIG. Klausmeier-Brown et al., Applied P
physics Letters 60: 657-659 (1992) [11] Bauer, Report of Progress in P
physics 57: 895-938 (1994) [12] S. Altman et al., Surface Rev. and Let
t. 5: 1129-1141 (1998) [13] A.I. R. Kraus et al., Materials Research Soc.
ieety Bulletin 20 (5): 18-23 (1995) (Background of the Invention) Complex (ternary, quaternary, etc.) oxides are a subject of increasing interest in science and technology.
Was. These composites include a high temperature superconductor (La2-xSrxCuOFour, YBaTwoCu Three O7-x, Or Bi2-xPbxSrTwoCan-1CunO2n + 4 + yAnd others)
Electric body (Pb1-xyLaxZryTiOThreeOr Ba1-xSrxTiOThreeEtc.), Iwayu
(La) exhibiting a strong magnetoresistance effect1-xySrxCayMnOThreeEtc.)
And various other functionalities (pyroelectric, piezoelectric, photoconductive and luminescent
And other oxides [1].

【0003】 上記のいくつかの組成式から、三成分系酸化物に対して考えられる組成物の数
は、可能な化学量論比の数が大きいため、すでに膨大である。実際、組み合わさ
れる元素の数に伴って、複雑さは指数関数的に増加する。この問題の大きさ(そ
してこのような化合物について何ら知られていない理由)を理解するために、1
0の所与の元素を含む化合物、すなわち一般式(A1x1(A2x2...(A10x10yを有する化合物を探索することが所望されると、推測してみる。特に、
少なくとも1つの元素の指数において、例えば0.01以上異なるとき、相が別
のものであるとすると、これらの仮定のもとでは、1016より多くの試すべき異
なる組成物が存在することになる。
From the above several composition formulas, the number of possible compositions for ternary oxides is already enormous due to the large number of possible stoichiometric ratios. In fact, the complexity increases exponentially with the number of elements combined. To understand the magnitude of this problem (and why nothing is known about such compounds),
0, that is, a compound containing the given element, that is, the general formula (A 1 ) x1 (A 2 ) x2 . . . Let us speculate that it would be desirable to search for compounds having (A 10 ) x10 O y . In particular,
Given that the phases are different when the index of at least one element differs, for example by more than 0.01, under these assumptions there will be more than 10 16 different compositions to try. .

【0004】 新規な無機材料のための伝統的なサーチにおけるアプローチは、いくつかの出
発元素または組成物の所定の量を混合し、反応させ、そしていくつかの特性測定
を実施してそのサンプルの構造またはいくつかの物理的特性を決定することであ
った。このフィードバックとともに、異なった組成物などの他のサンプルの合成
を進行させ得る。一般に、このような順次サーチは遅く、そしてどこを見るかと
いう非常に強い直感がなければ、より複雑な組成物を扱うときには、明らかに不
適当である。
[0004] The traditional search approach for new inorganic materials is to mix and react predetermined amounts of some starting elements or compositions, and perform some characterization to determine the properties of the sample. It was to determine the structure or some physical properties. With this feedback, the synthesis of other samples, such as different compositions, can proceed. In general, such a sequential search is slow and obviously inadequate when dealing with more complex compositions without a very strong intuition of where to look.

【0005】 より速くそしてより系統的なサーチのためには、いくつかの並行処理を採用し
たいものである。すなわち、一度に多く(100、1000またはさらにそれよ
り多く)のサンプルのバッチを、一連にわたって系統的で既知の化学両論的バリ
エーションで合成する。理想的には、サンプルを並行で(すなわち、一度に全て
)試験してみたいものである。もしこのサンプルが何らかにより一次元または二
次元行列でコード化されるなら、研究中のどの組成物が最適値を提供するかわか
り得る。
For a faster and more systematic search, one would like to employ some parallel processing. That is, many (100, 1000 or even more) batches of samples are synthesized at one time with a systematic and known stoichiometric variation over a series. Ideally, one would like to test the samples in parallel (ie, all at once). If this sample is coded in some way by a one-dimensional or two-dimensional matrix, it can be known which composition under study provides the optimal value.

【0006】 このアイデアは、新規な材料のための組み合わせサーチとして公知であり、ま
た、組み合わせ化学は、かなり長い間薬剤調査において非常な成功とともに、実
際に広範に利用されてきた。より最近、組み合わせ化学は、無機化学においても
実行されてきており、特に、新規な複合酸化物のためのサーチにおいて実行され
ており、以下のとおりである[2,3]。例えば、10×10基体のアレイは、
スパッタソースから出るいくつかの原子ビームまたは分子ビームに晒される。(
あるいは、単一の大領域基体を使用し得、続いてそれをカットし得る。)1つの
基体または他の基体を選択的にブロックするためにマスクが使用され、それによ
り所与の組成物の異なる量が異なる基体に堆積する。これが終了すると、サンプ
ルは全て組成物を反応させるために加熱される。この技術は、種々の色で、そし
て、現在陰極線管において使用されるものよりも効率的な新規な蛍光体を発見す
るために首尾よくに使用される。[4,5]この特定の物理的特性は、並行テス
トにより受け入れやすく−単にサンプルアレイに紫外線を照射し、そしてどの特
定のサンプルが最も輝くかを観察する、というものである。
[0006] This idea is known as combinatorial search for new materials, and combinatorial chemistry has indeed been widely used with great success in drug research for quite some time. More recently, combinatorial chemistry has also been implemented in inorganic chemistry, particularly in search for new complex oxides, as follows [2,3]. For example, an array of 10.times.10 substrates
It is exposed to several atomic or molecular beams emanating from the sputter source. (
Alternatively, a single large area substrate can be used, which can then be cut. 2.) A mask is used to selectively block one substrate or the other, whereby different amounts of a given composition are deposited on different substrates. When this is complete, the samples are all heated to react the composition. This technique has been successfully used to find new phosphors in a variety of colors and more efficient than those currently used in cathode ray tubes. [4,5] This particular physical property is more acceptable in a parallel test-simply irradiating the sample array with ultraviolet light and observing which particular sample shines the most.

【0007】 この方法の1つの欠点は、この方法において熱力学的に安定な組成物のみが形
成され得、ほとんどのサンプルは、(一般に有用ではない)多相系混合物に終わ
る。そして、単一相のものでさえ多結晶であり、その本来の材料特性の決定を複
雑にする。
One drawback of this method is that only thermodynamically stable compositions can be formed in this method, and most samples end up in (generally not useful) multiphase mixtures. And even a single phase is polycrystalline, complicating the determination of its intrinsic material properties.

【0008】 ALL−MBE(原子積層分子線エピタキシー)は、銅塩超伝導体および他の
複合酸化物の単結晶薄膜の堆積のための、この10年で発展した技術である。[
1,6,7]ALL−MBEシステムは、コンピュータ制御シャッタを備えた多
くの熱遷移源(Knudsen cells)を備えた超高真空チャンバから構
成される。原子束をモニタすると、原子吸光分光法が1パーセント未満の変化を
検出するのに充分正確であり、そしてリアルタイムフィードバック制御を可能に
するのに十分速いため、最も有用であることがわかった。純オゾンビームを使用
することにより、充分な酸化が高真空条件下において達成され得、このことがR
HEED(反射高エネルギー電子回折)および他の表面分析ツールによる表面構
造のインサイチュモニタリングを可能にする。[8] ALL−MBEによる薄膜成長は、典型的には原子的平坦表面を示し、超格子
および多層の場合においては、実質的に完全なインターフェースを示す。次に、
表面およびインターフェースが制御され得る。例えば、そのまま成長させた、ま
たは開裂したBi2Sr2CaCu28+x単結晶の表面層は最も恐らくはBi−O
層であり−これは天然の終結平面であると同時に最も容易な開裂平面である。し
かし積層成長は、任意の所望の原子単層で終結し得、例えばCuO2平面におい
て終結し得る。そのポイントで他の化合物に切換えたければ、出発平面が再び随
意に選択され得る。このことは、表面再構成が避けられ得る限り、表面とインタ
ーフェースを調節するのに大きな柔軟性を提供し、例えば三層(すなわちサンド
イッチ)結合などのデバイスの製作に新しい道を開く。伝統的には、ホスト材料
(底部電極および頂部電極)の2つの天然終結層の間に、障壁層が挿入される。
ここで、天然終結平面ではないホスト化合物の2つの「内」平面の間に異種化合
物の層を挿入することが可能である。
[0008] ALL-MBE (Atomic Stacked Molecular Beam Epitaxy) is a technology developed in the last decade for the deposition of single crystal thin films of copper salt superconductors and other complex oxides. [
[1,6,7] ALL-MBE systems consist of an ultra-high vacuum chamber with many thermal transition sources (Knudsen cells) with computer-controlled shutters. Atomic flux monitoring was found to be most useful because atomic absorption spectroscopy was accurate enough to detect changes of less than 1 percent and fast enough to allow real-time feedback control. By using a pure ozone beam, sufficient oxidation can be achieved under high vacuum conditions,
Enables in situ monitoring of surface structures by HEED (reflective high energy electron diffraction) and other surface analysis tools. [8] Thin-film growth by ALL-MBE typically shows an atomically flat surface and, in the case of superlattices and multilayers, shows a substantially perfect interface. next,
Surfaces and interfaces can be controlled. For example, it is grown, or the surface layer of the cleaved Bi 2 Sr 2 CaCu 2 O 8 + x single crystal and most probably Bi-O
Layer-This is the natural termination plane as well as the easiest cleavage plane. However, the stack growth may terminate at any desired atomic monolayer, such as at the CuO 2 plane. If one wishes to switch to another compound at that point, the starting plane can again be optionally selected. This provides great flexibility in adjusting the surface and interface, as long as surface reconstruction can be avoided, and opens up new avenues in the fabrication of devices such as, for example, three-layer (ie, sandwich) bonding. Traditionally, a barrier layer is inserted between two natural termination layers of the host material (bottom electrode and top electrode).
Here, it is possible to insert a layer of a heterogeneous compound between two “inner” planes of the host compound that are not the natural termination plane.

【0009】 次に、積層成長は、所与の原子種の単層の一部を堆積することを容易化し、そ
して他の元素と単層を完成させる。このようにして、バルク拡散が無ければ、単
層がドープされることを随意に選択し得る。ドーパントは、異なる原子価を有す
るように選ばれ得、それにより局所荷電キャリア密度を修正および制御し得る。
変調ドーピングはこのようにして達成された。[7] 次に、複合化合物においていくつかのエネルギー的縮退(degenerat
e)相または近縮退相がしばしば見つかる。よく知られた例は、Bi2Sr2Ca n-1 Cun2n+4+xファミリーにおける相である、2201、2212、2223
、2234などにより提供される。一般に、溶融物を冷却するとこれらの相の混
合物が、エントロピー的理由のために、得られる。しかし、積層成長はこのよう
な相の間で区別されることを可能にし、すなわち、所望のもののみを選択的に成
長させることを可能にする。相分離には広範なバルク拡散が必要とされるため、
たとえ温度が上昇しなくても、位相空間的障壁は相が成長することを防ぐ。この
ようにして、Bi2Sr2Can-1Cun2n+4+xおよびBiSr2Can-1Cun2 n+3+x (nは10まで)などの準安定化合物を構築することが可能となり、これ
らは最初の真の「人工」高−Tc材料であった。[1,6] (発明の要旨) 本発明は、1つの局面において、熱的に安定なまたは準安定な構造を有する複
合酸化物の位置アドレス可能な組み合わせライブラリを含む。このライブラリは
、2対以上の対向する側面領域によって結合された基体表面を有する基体の上に
形成され、側面領域に関して既知の位置において複数の表面領域を規定する。こ
れらの領域上に形成されるのは、式(A1x1(A2x2・・・(Anxnyを有
する熱的に安定なまたは準安定な酸化物であり、ここで元素成分Aiのうちの少
なくとも1つは金属であり、xi、yはゼロを含むi=1,2,...n(ここ
で、n=2〜20)の自然数または分数であり、そして酸化物の化学量論または
構造は、系統的にそして少なくとも1つの元素成分において既知の方法で変化し
、その際、対向側部領域の対における一方側部領域と他方側部領域との間で進行
する。
[0009] Stack growth, in turn, facilitates depositing a portion of a monolayer of a given atomic species.
To complete a monolayer with other elements. Thus, without bulk diffusion, simply
Optionally, the layers can be chosen to be doped. Dopants have different valences
Can be selected to modify and control the local charge carrier density.
Modulation doping was achieved in this way. [7] Next, some energetically degenerate (degenerate) occurs in the complex compound.
e) Phases or near-degenerate phases are often found. A well-known example is BiTwoSrTwoCa n-1 CunO2n + 4 + xThe phases in the family, 2201, 2212, 2223
, 2234, etc. In general, cooling the melt mixes these phases.
Compounds are obtained for entropic reasons. However, stack growth is like this
Between different phases, i.e., selectively achieve only those desired.
To make it longer. Because phase separation requires extensive bulk diffusion,
Even if the temperature does not rise, the phase spatial barrier prevents the phase from growing. this
In this way, BiTwoSrTwoCan-1CunO2n + 4 + xAnd BiSrTwoCan-1CunOTwo n + 3 + x (N is up to 10).
Were the first true "artificial" high-Tc materials. [1,6] (Summary of the Invention) In one aspect, the present invention provides a compound having a thermally stable or metastable structure.
Includes composite oxide location-addressable combinatorial library. This library is
On a substrate having a substrate surface bounded by two or more pairs of opposing side regions
A plurality of surface regions are formed and defined at known locations with respect to the side regions. This
Formed on these regions is the formula (A)1)x1(ATwo)x2... (An)xnOyWith
Is a thermally stable or metastable oxide, wherein the elemental component AiSmall of
At least one is metal, xi, Y include zero i = 1, 2,. . . n (here
Where n = 2-20) is a natural number or a fraction, and the oxide stoichiometry or
The structure changes in a known manner systematically and in at least one elemental composition.
At that time, proceeding between the one side region and the other side region in the pair of the opposite side regions.
I do.

【0010】 好ましい実施形態においては、元素成分A1,A2のうちの少なくとも1つが金
属である場合は、酸化物は2のn値を有し、元素成分A1,A2およびA3のうち
の少なくとも2つが金属である場合、3のn値を有し、元素成分A1、A2、A3
およびA4のうちの少なくとも3つが金属である場合、4のn値を有し、元素成
分Aiのうちの少なくとも3つが金属である場合、5以上のn値を有する。
In a preferred embodiment, when at least one of the elemental components A 1 , A 2 is a metal, the oxide has an n-value of 2 and the oxide of the elemental components A 1 , A 2 and A 3 If at least two of them are metals, they have an n value of 3 and the elemental components A 1 , A 2 , A 3
And when at least three of A 4 are metals, they have an n value of 4, and when at least three of the elemental components A i are metals, they have an n value of 5 or more.

【0011】 1つの一般的な実施形態において、元素成分Aiのうちの1つに関連した、xi が系統的方法で変化し、その際、一対の対向側部領域において一方側部領域と他
方側部領域との間で進行中であり、そして他の元素成分Ajに関連したxjが系統
的方法で変化し、その際、別の対の対向側部領域において一方側部領域と他方側
部領域との間で進行する。
In one general embodiment, x i , associated with one of the elemental components A i , varies in a systematic manner, wherein a pair of opposing side regions is connected to one side region. X j associated with the other side region and associated with the other elemental component A j changes in a systematic manner, with another pair of opposing side regions and one side region It progresses with the other side area.

【0012】 他の一般的実施形態において、元素成分Aiの1つに関連したxiは、系統的方
法で変化し、その際、一対の対向側部領域において一方側部領域と対向側部領域
との間で進行し、そしてyが系統的方法で変化し、その際、別の対の対向側部領
域において一方側部領域と対向側部領域との間で進行する。
In another general embodiment, x i associated with one of the elemental components A i varies in a systematic manner, wherein a pair of opposing side regions has one side region and the opposing side region. Between the two sides, and y changes in a systematic manner, with another pair of opposite side areas proceeding between one side area and the opposite side area.

【0013】 さらに、他の一般的な実施形態において、ライブラリにおける酸化物は、多層
または超格子であり、そして酸化物の構造は、系統的にそして1以上の次の変数
で既知の方法で変化する:(a)構造を形成する原子層の全数;(b)多層酸化
物構造に見られる同種(単一化合物の)酸化物層の化学的組成、(c)多層酸化
物構造に見られる各同種(単一化合物の)酸化物層の厚さ、および(d)多層酸
化物構造に見られる同種(単一化合物の)酸化物層の順序。
Further, in another general embodiment, the oxide in the library is a multilayer or superlattice, and the structure of the oxide changes in a known manner systematically and with one or more of the following variables: To: (a) the total number of atomic layers forming the structure; (b) the chemical composition of the same (single compound) oxide layer found in the multilayer oxide structure; Thickness of homogeneous (single compound) oxide layers and (d) sequence of homogeneous (single compound) oxide layers found in the multi-layer oxide structure.

【0014】 高温超伝導特性を有する酸化物を同定する際の使用のために、複合金属酸化物
は、交互の銅酸化物と金属または金属酸化物単層として、形成され得る。
For use in identifying oxides having high temperature superconducting properties, composite metal oxides can be formed as alternating copper oxide and metal or metal oxide monolayers.

【0015】 所望の強誘電特性を有する酸化物を同定する際の使用のために、この酸化物は
交互の酸化チタン、酸化ニオブ、酸化タンタル、または酸化ホウ素、および金属
もしくは金属酸化物単層として形成される。
For use in identifying an oxide having the desired ferroelectric properties, the oxide may be an alternating titanium oxide, niobium oxide, tantalum oxide, or boron oxide, and a metal or metal oxide monolayer. It is formed.

【0016】 強大な磁気抵抗特性を有する酸化物を同定する際の使用のために、この酸化物
は、交互の酸化マンガンと金属もしくは金属酸化物単層として形成される。
[0016] For use in identifying oxides having strong magnetoresistance properties, the oxides are formed as alternating manganese oxide and metal or metal oxide monolayers.

【0017】 他の局面において、本発明は所望の固体状態特性を有する複合酸化物を同定す
る方法を含む。本方法は、上述したタイプの熱的に安定または準安定な構造を有
する、位置アドレス可能な、複合酸化物の組み合わせライブラリを形成する工程
を含む。基体上の個別の酸化物は、所望の固体状態特性について試験され、そし
て所望の特性を有する酸化物の構造が、基体−領域位置およびそのアレイ位置の
公知の合成履歴に従って、決定される。
In another aspect, the invention includes a method for identifying a composite oxide having desired solid-state properties. The method includes forming a position-addressable, combinatorial library of complex oxides having a thermally stable or metastable structure of the type described above. Individual oxides on the substrate are tested for the desired solid state properties, and the structure of the oxide having the desired properties is determined according to the known synthesis history of the substrate-region location and its array location.

【0018】 このライブラリは、シャッタを有した複数の元素ソースを含む真空チャンバに
、2以上の対の対向側部領域により結合された基体表面を有する基体を配置する
ことにより、形成される。この基体は、その側の領域に対して既知の位置で複数
の表面領域を規定する。連続原子層が、基体アレイ領域上に、オゾン、酸素プラ
ズマ、NO2またはいくつかの他の好適な活性酸素の気体ソースの存在の下で、
堆積され、一方で堆積条件を既知でそして系統的な方法で、少なくとも1つのプ
ロセス変数について変化させ、その際、一対の対向側部領域において、一方側部
領域と他方側部領域との間で進行する。プロセス変数は:(i)1以上の元素ソ
ースから堆積される少なくとも1つの元素成分の量;(ii)元素ソースからの
堆積順序(すなわちソースシャッタリング順序);(iii)基体領域の温度;
(iv)基体領域におけるオゾンまたは原子酸素の分圧、または(v)多層構造
における障壁層の厚み、であり得る。
The library is formed by placing a substrate having a substrate surface joined by two or more pairs of opposing side regions in a vacuum chamber containing a plurality of element sources having shutters. The substrate defines a plurality of surface regions at known locations relative to a region on its side. Layer continuous atoms, on the substrate array region, ozone, oxygen plasma, in the presence of gaseous source of NO 2 or some other suitable active oxygen,
Deposited, while depositing conditions are varied in at least one process variable in a known and systematic way, with a pair of opposing side regions between one side region and the other side region. proceed. The process variables are: (i) the amount of at least one elemental component deposited from one or more elemental sources; (ii) the order of deposition from the elemental sources (ie, source shuttering order); (iii) the temperature of the substrate region;
(Iv) the partial pressure of ozone or atomic oxygen in the substrate region, or (v) the thickness of the barrier layer in a multilayer structure.

【0019】 基体アレイにわたって、元素ソースから堆積される材料の量のプロセス変数を
変化させることは、ソースと標的の間に、マスクを通じて所望の勾配の原子束を
生成するのに有効な網目マスクを配置し、その際に一対の基体の対向側部領域に
おいて一方側部領域と他方側部領域との間で進行し、あるいは、そのマスクを通
じて均一原子束を生成するのに有効な網目マスクを配置することにより達成され
得る。
Varying the process variable of the amount of material deposited from the elemental source across the substrate array creates a network mask between the source and the target that is effective to produce a desired gradient of atomic flux through the mask. In this case, a mesh mask, which is effective to generate a uniform atomic flux through the mask or to proceed between the one side region and the other side region in the opposite side regions of the pair of substrates, is disposed. Can be achieved.

【0020】 元素ソースから堆積される材料の量のプロセス変数を変化させることは、追加
的にまたは代替的に、複数の選択された各位置において、ソースと標的との間に
可動シャッタを配置することにより、達成され得る。
Varying the process variable of the amount of material deposited from the elemental source additionally or alternatively places a movable shutter between the source and the target at each of the plurality of selected locations. This can be achieved.

【0021】 基体領域の温度を変化させることは、一対の基体の対向側部領域において、一
側部領域と他側部領域との間で進行する温度勾配を生成するために、基体を加熱
することにより達成され得る。
Varying the temperature of the substrate region heats the substrate to create a temperature gradient that progresses between one side region and the other side region in opposite side regions of the pair of substrates. This can be achieved by:

【0022】 基体領域におけるオゾンまたは原子酸素の分圧を変化させることは、基体アレ
イの一側部領域において位置するソースから、オゾンを基体表面に対してほとん
どかすめる角度で方向づけることにより達成され得る。
Varying the partial pressure of ozone or atomic oxygen in the substrate region can be achieved by directing ozone at an almost grazing angle to the substrate surface from a source located in one side region of the substrate array.

【0023】 1つ以上のプロセス変数に対する堆積条件はプログラム制御プロセッサの制御
の下で変化され得る。従って、プログラム制御プロセッサは、選択された各複数
の位置においてソースと標的との間での網目マスクの配置を制御するために使用
され得、それにより所望の勾配の原子束をマスクを通じて生成し、または各複数
の選択された位置においてソースと標的との間で可動シャッタの配置を制御する
ために使用され得る。
The deposition conditions for one or more process variables can be changed under the control of a program control processor. Accordingly, a program control processor can be used to control the placement of the mesh mask between the source and the target at each of the selected plurality of locations, thereby producing a desired gradient of the atomic flux through the mask, Or it may be used to control the placement of a movable shutter between a source and a target at each of a plurality of selected locations.

【0024】 複合酸化物の組み合わせライブラリは、組み合わせ分子線エピタキシ装置を使
用して生成され得る。
A combined library of complex oxides can be generated using a combined molecular beam epitaxy apparatus.

【0025】 本発明のこれらおよび他の目的および特徴は、次の本発明の詳細な説明を添付
の図面とともに読むとき、より充分に明らかになる。
These and other objects and features of the invention will become more fully apparent when the following detailed description of the invention is read in conjunction with the accompanying drawings.

【0026】 (発明の詳細な説明) 図1は、4つの側面領域により結合され、そして36の位置アドレス可能な表
面領域を規定する表面12を有する矩形基体11を概略的に示す。表面領域上に
形成されるのは、一般に式Ax1-xy1-y3により同定される複合酸化物の
ライブラリであり、ここで各A、B、CおよびDは金属を表し、xおよびyは、
図に示す方向に0.2の増分で0から1.0までそれぞれ変化する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION FIG. 1 schematically shows a rectangular substrate 11 joined by four side regions and having a surface 12 defining 36 position-addressable surface regions. Formed on the surface region is a library of complex oxides generally identified by the formula A x B 1-x C y D 1-y O 3 , where each A, B, C and D is a metal Where x and y are
It changes from 0 to 1.0 in increments of 0.2 in the direction shown.

【0027】 (A.キーパラメータ) ALL−MBE成長実験の結果に影響するキーパラメータは: 1.化学量論、すなわち化学組成。これは、基体上に供給されそして堆積される
各元素の量により決定される。 2.シャッタリング順序。ALL−MBEの場合、膜成長は少なくとも部分的に
は、動力学的に制御されるため、元素が供給される順序は、膜構造に影響する。
これは他に天然では形成されない超格子および多層が成長され得るという事実か
ら最も明らかとなる。
A. Key Parameters The key parameters that affect the results of the ALL-MBE growth experiment are: Stoichiometry, or chemical composition. This is determined by the amount of each element provided and deposited on the substrate. 2. Shuttering order. In the case of ALL-MBE, the order in which the elements are supplied affects the film structure, since the film growth is at least partially kinetic controlled.
This is most evident from the fact that other superlattices and multilayers that do not form naturally can be grown.

【0028】 しかし、表面が熱力学的平衡でまたは熱力学的平衡に近いため、主な役割はま
た、次の熱力学的パラメータにより果たされる。 3.基体温度、Ts。一般にこれは相ダイアグラムに影響し、そして一定の相が
形成され得るいくつかのウィンドウを提供する。 4.酸素分圧。高真空条件で操作するために、ALL−MBEにおいて、一般に
、通常の分子酸素(O2)は使用されず、より反応性のオゾン(O3)などの気体
、または酸素プラズマなどの原子酸素の他の気体ソース、NO2ガスもしくは他
の好適な活性酸素ソースが使用される。オゾンは、酸素(O2)よりはるかに高
い酸化力(104〜105倍)を有し、これは基体温度に幾分依存する。従ってバ
ックグラウンドガス圧を読むことは不十分であり、O2に対するO3の比を知る必
要がある。しかし、オゾンの遥かに高い反応性を考えると、本発明者らは以下の
ことについてO2を無視し得、オゾン分圧pに注目する。 5.層厚み、上記パラメータ(1)〜(4)は、任意の酸化物膜、単一相または
多層の合成の結果を決定するのに重要である一方、後者の場合においては、デバ
イス特性を決定する他の重要なパラメータは障壁の厚みである。例えば、三層す
なわちサンドイッチタイプSNS(超伝導体/通常金属/超伝導体)またはSI
S(超伝導体/絶縁体/超伝導体)接合を作製するとき、このことはまさに当て
はまる。同じことが様々な超格子の多くの物理的特性について当てはまり、交替
する層の厚みに依存し、そしてしばしば、むしろ期待されない様式でさえある。
However, because the surface is at or near thermodynamic equilibrium, a major role is also played by the following thermodynamic parameters: 3. Substrate temperature, Ts. This generally affects the phase diagram and provides several windows in which certain phases can be formed. 4. Oxygen partial pressure. In order to operate at high vacuum conditions, ALL-MBE generally does not use ordinary molecular oxygen (O 2 ), but rather a more reactive gas such as ozone (O 3 ) or atomic oxygen such as oxygen plasma. other gases source, NO 2 gas or other suitable active oxygen sources are used. Ozone has a much higher oxidizing power (10 4 to 10 5 times) than oxygen (O 2 ), which depends somewhat on the substrate temperature. Therefore, reading the background gas pressure is insufficient and it is necessary to know the ratio of O 3 to O 2 . However, given the much higher reactivity of ozone, we can ignore O 2 and focus on the ozone partial pressure p for: 5. The layer thickness, parameters (1) to (4) above, are important in determining the result of the synthesis of any oxide film, single phase or multilayer, while in the latter case, determine the device characteristics Another important parameter is the thickness of the barrier. For example, a three-layer or sandwich type SNS (superconductor / normal metal / superconductor) or SI
This is exactly the case when making S (superconductor / insulator / superconductor) junctions. The same is true for many of the physical properties of the various superlattices, depending on the thickness of the alternating layers, and often even in a rather unexpected manner.

【0029】 次世代の組み合わせALL−MBEマシン有効性を最大にするため、本発明者
らは上記パラメータ(1)〜(5)の全てを組み合わせ方法において一度に1つ
づつまたは同時に変化させる能力を実行した。
In order to maximize the effectiveness of the next generation combination ALL-MBE machine, we have the ability to change all of the above parameters (1)-(5) one at a time or simultaneously in a combination method. Ran.

【0030】 (B.組み合わせ分子線エピタキシ(COMBE)の実施形態) 従来のALL−MBEシステムは例えば文献[1]に記載される。次の改変と
改善が組み合わせサーチ能力を実行させ得る。
(B. Embodiment of Combined Molecular Beam Epitaxy (COMBE)) A conventional ALL-MBE system is described in, for example, the document [1]. The following modifications and improvements may cause the combined search capability to be implemented.

【0031】 (1.網目マスク) 各元素金属ソース(Knudsen cell)の前に、伝達(「網目」)マ
スク22−そこに穿孔されたいくつかの孔22aを有した簡単なステンレス鋼(
または他の好適な金属)片が追加されるべきである(図2Aおよび図2B)。
1. 1. Mesh Mask Prior to each elemental metal source (Knudsen cell), a transmission ("mesh") mask 22-a simple stainless steel with a number of holes 22a drilled therein (
Or other suitable metal) pieces should be added (FIGS. 2A and 2B).

【0032】 マスク22は、好適にはベローズ23aを備えた直線動作フィードスルーアク
チュエータ(または揺動スティック)23に装着され、図2Aに示された伸長位
置と、図2Bに示されたニップルにおける後退位置との間で移動し得るようにす
る。開位置と閉位置との間で示された方向に可動のゲート弁24により、マスク
22および直線動作アクチュエータ23を含むスプールが、主高真空チャンバ(
図9参照)から切断され、開放され得る。このようにして、マスク22は成長チ
ャンバ(図9参照)を通気する必要なく、清浄されまたは置換され得る。ソース
ニップルに装着されるのは(またはその水冷ジャケットに装着されるのは)、剛
性フレーム25(図2Cも参照)であり、剛性フレーム25は、フレーム25に
滑りこむマスク22を受容するために適合される。このようにしてマスク22が
伸長されたとき常に同じ位置にロックされることを確実にする。
The mask 22 is preferably mounted on a linear motion feed-through actuator (or rocking stick) 23 with a bellows 23a, and in the extended position shown in FIG. 2A and the retraction in the nipple shown in FIG. 2B. Be able to move between positions. With the gate valve 24 movable in the directions shown between the open and closed positions, the spool including the mask 22 and the linear motion actuator 23 is moved to the main high vacuum chamber (
(See FIG. 9) and can be opened. In this way, the mask 22 can be cleaned or replaced without having to vent the growth chamber (see FIG. 9). Mounted on the source nipple (or mounted on its water-cooled jacket) is a rigid frame 25 (see also FIG. 2C), which receives the mask 22 sliding into the frame 25. Adapted. This ensures that the mask 22 is always locked in the same position when extended.

【0033】 基体(または基体のアレイ)11にわたる原子束の勾配は、孔22aの分布に
依存する。例えば、図3に示すよに、正方形マスク22が、4×4の等しいフィ
ールド22bに分割され、そして第一の左手側列のこれらのフィールドの各々に
4×4孔を、第二列における各々に3×3孔を、第三列における各々に2×2孔
を、および最後の列に単一孔を備える。明らかに、このようなマスクにより伝達
された原子ビームは、左手側の最高から右手側の最低へ至る束の変動する急勾配
を有する。
The gradient of the atomic flux across the substrate (or array of substrates) 11 depends on the distribution of the holes 22a. For example, as shown in FIG. 3, the square mask 22 is divided into 4 × 4 equal fields 22b and 4 × 4 holes in each of these fields in the first left-hand side row, each in the second row. With 3 × 3 holes, 2 × 2 holes in each of the third row, and a single hole in the last row. Clearly, the atomic beam transmitted by such a mask has a varying steepness of flux from the highest on the left hand side to the lowest on the right hand side.

【0034】 この例示は簡単化され過ぎるが、このような伝達マスク22を使用することに
よって、原子ビームが随意に形成され得ることが明らかとなる。実質的にゼロ勾
配、すなわち、全基体領域にわたる均一堆積速度から、非常に急勾配まで、さま
ざまに最大限に可能な全てのバリエーション、すなわち一方側で100%から他
方側で0%まででいたることが可能である。
Although this illustration is oversimplified, it is clear that by using such a transfer mask 22, an atomic beam can optionally be formed. All possible variations, from virtually zero gradient, ie uniform deposition rate over the entire substrate area, to very steep gradients, ie 100% on one side to 0% on the other side Is possible.

【0035】 ここで重要なのは、孔22aのサイズと分布であり、これは基体(または基体
のアレイ)にわたる原子束の所望の勾配を確実にするような方法で選択されるべ
きである。同時に、高い透過性を維持することが重要であり、そのため合理的な
堆積速度を維持するために、ソース温度をあまり上げる(そしてより多くのソー
ス材料を失う)必要がない。この装着は、組成勾配を各元素について別々に制御
することを可能にする。
What is important here is the size and distribution of the holes 22a, which should be selected in such a way as to ensure the desired gradient of the atomic flux across the substrate (or array of substrates). At the same time, it is important to maintain high permeability so that there is no need to raise the source temperature too much (and lose more source material) to maintain a reasonable deposition rate. This mounting allows the composition gradient to be controlled separately for each element.

【0036】 よりよい均一性のために、対向して配置された同一ソースの対が使用され得る
。すなわち、基体に対して同じ角度でしかし反対側から原子ビームを衝突させる
。 ソースが、基体に対して垂直の軸に中心がある円周に配置されると、これは相補
ソースの対は互いに180度で配置されることを意味する。これら2つのソース
の1つの上に配置した簡単な伝達マスク22を使用すると、基体にわたって対応
する原子束の勾配を、その最大値(1つのソースが完全にブロックされそして他
が開放されるとき)から、その最小値(両方のソースが同じ強度を有するとき)
まで、制御し得る。例えば、各ソースの温度を調節することにより、同じ元素の
2つの対向するソースが異なる原子束を有する他の方法が準備されることである
。さらに他の最も簡単な方法は、2つのソースに異なるシャッタリング回数を使
用することであり、すなわち、所望の勾配に対応してそのうちの1つをもう一方
よりも長く開放し続けることである。
For better uniformity, pairs of identical sources located opposite one another can be used. That is, the atom beam is bombarded at the same angle to the substrate but from the opposite side. If the sources are arranged on a circumference centered on an axis perpendicular to the substrate, this means that the pairs of complementary sources are arranged at 180 degrees to each other. Using a simple transmission mask 22 placed over one of these two sources, the corresponding flux gradient across the substrate is set to its maximum value (when one source is completely blocked and the other is open). From its minimum value (when both sources have the same intensity)
Until you can control. For example, by adjusting the temperature of each source, another method is provided in which two opposing sources of the same element have different atomic fluxes. Yet another simplest approach is to use different shuttering times for the two sources, i.e., keep one of them open longer than the other, corresponding to the desired slope.

【0037】 (2.サンプルシャドウマスク) 次に図4に示すように、基体ホルダ27の前に、各直線動作フィードスルーア
クチュエータ31および32上で、それぞれ2つのシャッタ28および29が挿
入され得る。シャッタ28および29は、互いに90度で方向づけられる(例え
ば例示の実施形態に示されるように、1つ29が垂直であり、そして1つの28
が水平である)。これらのシャッタ28および29は、自動的に操作され、すな
わち、プログラム化された成長手法の一部として、コンピュータ制御され得る。
各シャッタ28および29は、基体のシャドウイングがない全開放位置から、堆
積がない全閉位置まで、いくつかの分散した数の位置を可能にすべきである。下
記に示された最も簡単な例において、1つだけの中間(半分閉)のシャッタ位置
を仮定し、ここでは基体アレイの半分がシャドウ内にあり、そして他の半分にお
いて堆積が妨害されない。この配置は、前章Aにおける事項(2)で要求される
ように、多層構造におけるデジタル層の厚み制御を提供する。例えば、3層接合
物における最適障壁厚が調査されるとき、第一基体上のフィルムに一単位セル厚
み障壁が、第二基体上に二単位セル厚み障壁が、次の基体上に三単位セル厚み障
壁、等、が作製され得る。
(2. Sample Shadow Mask) Next, as shown in FIG. 4, two shutters 28 and 29 can be inserted in front of the substrate holder 27 on each of the linear motion feed-through actuators 31 and 32, respectively. Shutters 28 and 29 are oriented at 90 degrees to each other (eg, one 29 is vertical, and one 28
Is horizontal). These shutters 28 and 29 can be operated automatically, that is, computer controlled as part of a programmed growth approach.
Each shutter 28 and 29 should allow some distributed number of positions, from a fully open position without shadowing of the substrate to a fully closed position without deposition. In the simplest example shown below, only one intermediate (half-closed) shutter position is assumed, where half of the substrate array is in the shadow and the other half does not interfere with deposition. This arrangement provides digital layer thickness control in a multilayer structure, as required by item (2) in section A above. For example, when investigating the optimal barrier thickness in a three-layer conjugate, one unit cell thickness barrier on the film on the first substrate, two unit cell thickness barriers on the second substrate, and three unit cells on the next substrate Thickness barriers, etc., can be made.

【0038】 ALL−MBEシステムにすでに共通に存在するソースシャッタと組み合わせ
ると、アレイ中の異なるサンプルのためのシャッタリング順序を効率的に変更す
ることも可能となる。これは次の簡単な例で説明される。主ソースシャッタのシ
ャタリング順序が、単一相Bi2Sr2Ca3Cu412+xを堆積するようにプログ
ラムされると仮定する。補助基体シャドウイングシャッタ28および29が、層
化順序の一部として基体のいくつかを選択的にブロックするために使用され得、
そしてこれらの基体上に図5Aに示すように異なる相が堆積される。本発明者ら
の場合、これらは、図5Bに見られるように、Bi2Sr2Ca2Cu310+x(典
型的にはTc=110K)、Bi2Sr2CaCu28+x(Tc=85K)、Bi 2 Sr2CuO6+x(Tc=10K)、そしてBi2Sr2Ca3Cu412+xである
Combination with source shutter already existing in ALL-MBE system
Effectively changes the shuttering order for different samples in the array.
It is also possible to do. This is illustrated by the following simple example. Main source shutter shutter
The chattering sequence is single phase BiTwoSrTwoCaThreeCuFourO12 + xTo deposit
Assume that it is rammed. The auxiliary substrate shadowing shutters 28 and 29
May be used to selectively block some of the substrates as part of the
Different phases are then deposited on these substrates as shown in FIG. 5A. The present inventors
, These are Bi, as seen in FIG. 5B.TwoSrTwoCaTwoCuThreeO10 + x(Nori
Tc = 110K), BiTwoSrTwoCaCuTwoO8 + x(Tc = 85K), Bi Two SrTwoCuO6 + x(Tc = 10K), and BiTwoSrTwoCaThreeCuFourO12 + xIs
.

【0039】 図10を参照してより詳細に述べられるように、ソースシャッタ、網目マスク
22またはサンプルシャドウシャッタ28および29の制御は、本開示に従って
書かれた指示のプログラム(すなわちソフトウェア)の制御のもとで操作する好
適なデジタルコンピュータによって実行され得るか、または公知の分離コンポー
ネント、用途特定集積回路(ASICs)などを使用して構成された機能的に等
価なハードウェアモジュールを使用して制御され得る。
As will be described in more detail with reference to FIG. 10, control of the source shutter, mesh mask 22 or sample shadow shutters 28 and 29 is controlled by a program (ie, software) of instructions written according to the present disclosure. It can be executed by a suitable digital computer operating under its own control or controlled using functionally equivalent hardware modules constructed using known discrete components, application specific integrated circuits (ASICs), etc. obtain.

【0040】 (3.複数フィラメントヒータ) 現状採用されるものに類似したヒータシステム61を挿入することは可能であ
るが、ここでこのヒータシステム61はいくつかのヒータフィラメントを有しお
り、各ヒータフィラメントはその個別の電流制御を備えている。(裸フィラメン
トの代わりに、原理は同じままで、市販のUHV互換性ヒータランプもまた使用
し得る)。例えば、基体ホルダ62を考えると、この基体ホルダ62は、4×4
1cm2 基体のための孔62aを有し、基体の裏側が金属(例えばTi−P
t−Au多層)でコーティングされ、そして4×4の個別制御された裸のまたは
石英ランプ64(図6)中のヒータフィラメント63のアレイから照射に晒され
る。マトリックス中の各基体の温度は、光学高温計を使用して読まれ得る。
(3. Multiple Filament Heater) It is possible to insert a heater system 61 similar to that currently used, but this heater system 61 has several heater filaments, and each heater filament Has its own current control. (Instead of a bare filament, a commercial UHV compatible heater lamp can also be used, while the principle remains the same). For example, considering the base holder 62, the base holder 62 is 4 × 4
It has a hole 62a for a 1 cm 2 substrate, the back side of the substrate being metal (eg Ti-P
(t-Au multilayer) and exposed to irradiation from an array of heater filaments 63 in a 4 × 4 individually controlled bare or quartz lamp 64 (FIG. 6). The temperature of each substrate in the matrix can be read using an optical pyrometer.

【0041】 このようにして、基体マトリックスにわたった均一な温度を容易に達成し得、
または所望されるなら、一方側から他方側へTsが例えば100℃差の大きな温
度勾配を有し得る。
In this way, a uniform temperature over the substrate matrix can be easily achieved,
Or, if desired, Ts may have a large temperature gradient from one side to the other, for example, a 100 ° C difference.

【0042】 小さな基体のこのマトリックスの代わりに、同じヒータシステム61は、容易
に1つの環状の3インチ(またはそれよりさらに大きい)ウェハを収容し得る。
Instead of this matrix of small substrates, the same heater system 61 can easily accommodate one annular 3 inch (or larger) wafer.

【0043】 (4.複数−ノズルオゾン送達システム) 組み合わせサーチのための所望の可変のパラメータのセットについて制御を完
結させるために必要とされる、最後に残った要素は、酸化力である。この勾配の
制御もまた、基体11へオゾンを供給するための複数ノズルシステム70を使用
することにより、実行され得る。例えば、4つのノズル71、72、73および
74が有され得、基体ホルダ62および基体11に対して急角度で、基体の周囲
に90°毎に配置され、そしてそれぞれは、ニードルバルブおよびフローメータ
が提供される(図7)。このようにして、オゾンが4つのノズル71,72,7
3、および74の全てから出る、最も均一な構成と、1つだけのノズルが作動し
ている、最も非対称的な構成との間で、選択され得る。オゾンビームが向けられ
る基体11の表面12がかなり熱く、典型的には約700℃とすると、差動ポン
ピングの量、問題のMBEシステムのポンピング速度および、ノズルのサイズお
よび位置によって、かなりのオゾンの分解と(より反応性が低い)分子酸素への
再結合が期待される。従って、基体マトリックスにわたって、オゾンの分圧のか
なりの勾配を達成することが可能であり、例えばpの最も高い値と最も低い値を
経験する部位間の5〜10の差の因子である。
4. Multi-Nozzle Ozone Delivery System The last remaining factor needed to complete control over the desired variable set of parameters for the combinatorial search is the oxidizing power. Control of this gradient can also be performed by using a multiple nozzle system 70 for supplying ozone to the substrate 11. For example, there may be four nozzles 71, 72, 73 and 74, arranged at a steep angle to the substrate holder 62 and the substrate 11, every 90 ° around the substrate, and each having a needle valve and a flow meter. Is provided (FIG. 7). In this way, the four nozzles 71, 72, 7
A choice can be made between the most uniform configuration, emanating from all three and 74, and the most asymmetric configuration, with only one nozzle operating. Assuming that the surface 12 of the substrate 11 to which the ozone beam is directed is rather hot, typically about 700 ° C., the amount of differential pumping, the pumping speed of the MBE system in question, and the size and position of the nozzle, will result in significant ozone Decomposition and recombination to (less reactive) molecular oxygen is expected. Thus, it is possible to achieve significant gradients in the partial pressure of ozone across the substrate matrix, for example a factor of 5 to 10 differences between sites experiencing the highest and lowest values of p.

【0044】 まとめると、上述の4つのデバイス(網目または伝達マスク22、シャドウマ
スクまたはシャッタ28および29、複数フィラメントヒータ61、および複数
ノズルオゾン送達システム70)は、強力な並行組み合わせサーチ術を使用して
、所与の標的単一相膜または異種−構造のために、膜組成物、シャッタリング順
序、層厚み、基体温度Tsおよびオゾン分圧pを最適化させ得る。これら4つの
デバイスは、元素金属ソース81とともに図8に示される。
In summary, the four devices described above (mesh or transmission mask 22, shadow masks or shutters 28 and 29, multiple filament heaters 61, and multiple nozzle ozone delivery system 70) use a powerful parallel combinatorial search technique. Thus, for a given target single-phase film or hetero-structure, the film composition, shuttering order, layer thickness, substrate temperature Ts and ozone partial pressure p can be optimized. These four devices are shown in FIG.

【0045】 (C.組み合わせMBEの実施の数学的局面) 上記に詳述した概念は、現実的に実際の実施に対して定性的に有効であるとい
うことが明らかな一方、最初に網目マスク22におけるオリフィス(すなわち孔
22a)の形状、およびオゾン送達システム70の形状を最適化することが必要
である。これは原子ビーム束勾配の数値的シミュレーションを必要とする。分子
フロー方式において、オリフィスが点源と考えられることができると、気体フロ
ーは、以下のKnudsen式を使用して記述され得る。
C. Mathematical Aspects of Implementing Combinatorial MBE While the concepts detailed above are practically qualitatively valid for practical implementation, the mesh mask 22 It is necessary to optimize the shape of the orifice (ie, hole 22a) at and the shape of the ozone delivery system 70. This requires a numerical simulation of the atomic beam flux gradient. In a molecular flow regime, if the orifice can be considered a point source, the gas flow can be described using the following Knudsen equation:

【0046】 I=(I0/r2)cosΘcos(Θ+φ) (1) ここでIは、原子衝突速度(基体領域にわたってTsが一定なら堆積速度は比例
する)、φは、基体に対して垂直とピンホールを含む表面に垂直との間の角度、
Θは、堆積速度が計算される方向とピンホールを含む表面に垂直との間の角度、
そしてrは、ピンホールから堆積速度が計算される基体表面における点までの距
離である[9]。原子または分子の平均自由工程λがオリフィス直径dに比較し
て大きいとき、そしてピンホールから基体の中心までの距離Rもまたdに比較し
て大きい遠位の場において、この近値は有効であることに注目する。
I = (I 0 / r 2 ) cosΘcos (Θ + φ) (1) where I is the atomic collision velocity (the deposition rate is proportional if Ts is constant over the substrate region), and φ is perpendicular to the substrate. Angle between and perpendicular to the surface containing the pinhole,
角度 is the angle between the direction in which the deposition rate is calculated and perpendicular to the surface containing the pinhole,
And r is the distance from the pinhole to the point on the substrate surface where the deposition rate is calculated [9]. This near value is valid when the mean free path λ of the atom or molecule is large compared to the orifice diameter d, and in the distal field where the distance R from the pinhole to the center of the substrate is also large compared to d. Note that there is.

【0047】 数学的課題は以下のとおりである。MBEシステムの配置と操作圧力が既知と
して、これは対象のR、φそしてrおよびΘの値の範囲、ならびに分子の平均自
由工程λを規定する。検討中のマスクをマスク上に(x1,y1),(x2,y2
,..,(xN,yN)に位置する、直径d1,...,dNのN個のピンホールを
含むとする。任意の所与のマスクについて、基体アレイ領域にわたって堆積速度
の分布を計算することは簡単である。しかし、本発明者らは実際のところ、反対
の最適化問題に興味がある。所与の堆積速度勾配分布に対して、この分布に最も
近く近似する最適マスク設計を見出し、そしてマスクを通る伝達を最大化しなけ
ればならない。反復的数値シミュレーションは、これを達成し得る。上記で指摘
したように、よりよい均一性のために、対向して配置された対の同一ソースが使
用され得、すなわち、原子ビームが基体に対して同じ角度であるが、反対側から
衝突し得る。これら2つのソースの1つに配置された簡単な伝達マスクを使用す
ることにより、本発明者らは、最大値(1つのソースが完全にブロックされそし
てもう一方が開放される場合)から最小値(両方のソースが同じ強度を有する場
合)へ、基体にわたって対応する原子束の勾配を制御し得る。分析的に逆転の結
果が可能なときはいつでも、これらの数値シミュレーションを加速するために使
用され得る。オゾンノズルの数、形状および位置決めの最適化は、類似してされ
得る。特にこれは、ソースの視準化および網目マスクの有限厚みが考慮されるべ
きである。より進んだ処理は、簡単なKnudsen式(1)を越え、高次の修
正および理想気体フロー方式からの逸脱を含む。
The mathematical task is as follows. Given the configuration and operating pressure of the MBE system, this defines the range of values of R, φ and r and Θ of interest, as well as the mean free path λ of the molecule. Put the mask under consideration on the mask (x 1 , y 1 ), (x 2 , y 2 )
,. . , (X N , y N ), diameters d 1 ,. . . , DN . For any given mask, calculating the distribution of deposition rates across the substrate array area is straightforward. However, we are actually interested in the opposite optimization problem. For a given deposition rate gradient distribution, an optimal mask design that most closely approximates this distribution must be found and transmission through the mask must be maximized. Iterative numerical simulation can accomplish this. As noted above, for better uniformity, pairs of identical sources located opposite one another may be used, i.e., the atomic beam is at the same angle to the substrate but impinges from the opposite side. obtain. By using a simple transmission mask placed at one of these two sources, we can go from a maximum (if one source is completely blocked and the other is open) to a minimum. (If both sources have the same intensity), the gradient of the corresponding atomic flux over the substrate can be controlled. Whenever analytically reversal results are possible, they can be used to accelerate these numerical simulations. Optimization of the number, shape and positioning of the ozone nozzles can be similar. In particular, this should take into account the collimation of the source and the finite thickness of the mesh mask. Further processing goes beyond the simple Knudsen equation (1) and includes higher order corrections and deviations from the ideal gas flow regime.

【0048】 (D.Oxxel組み合わせ分子線エピタキシ(COMBE)装置) 本発明の装置の1つの好ましい実施形態として、BremenのOxxel
GmbH Laboratoryにて、組み合わせ分子線エピタキシ(COMB
E)システムを実行した、これはこの章で記載され、図9に示される。
D. Oxel Combined Molecular Beam Epitaxy (COMBE) Apparatus In one preferred embodiment of the apparatus of the present invention, Bremen's Oxel
Combined molecular beam epitaxy (COMB) at the GmbH Laboratory
E) The system was implemented, which is described in this section and shown in FIG.

【0049】 10-11Torr範囲のベース圧力を備える、複数チャンバ超高真空(UHV
)システムは、2つの隣接する実験施設に配置され、その壁を通じて輸送チャン
バで接続され、この輸送チャンバはウェハ格納チャンバとしてもまた作用する。
これらの1つの実験施設はクリーンルーム領域であり、基体充填(未充填)チャ
ンバ、および主要ミクロ製作工程(メタライゼーション、絶縁、表面洗浄および
酸化、ならびにイオン−ミリング)が真空を破壊ぜずに実施され得る処理チャン
バを収容する。第二の実験施設は、主成長チャンバ、アニーリングチャンバ、お
よび第二ウェハ導入チャンバを収容する。
A multi-chamber ultra-high vacuum (UHV) with a base pressure in the 10 −11 Torr range
2.) The system is located in two adjacent laboratory facilities and connected at its transport chamber through its walls, which transport chamber also acts as a wafer storage chamber.
One of these experimental facilities is the clean room area, where substrate-filled (unfilled) chambers and major microfabrication steps (metallization, insulation, surface cleaning and oxidation, and ion-milling) are performed without breaking vacuum. The resulting processing chamber is housed. The second experimental facility houses a main growth chamber, an annealing chamber, and a second wafer introduction chamber.

【0050】 図9に示されるように、主成長チャンバ90は、金属ソース81を収容する1
6のアーム91〜106を備える。このソース81は、簡単に交換可能であり、
システムはモジュラーである。各アーム91〜106はゲート弁24および専用
の小さい(70 1/s)ターボ−分子ポンプならびにあら引きラインによる自
律ポンプ作用を備える。従って真空を破壊して、主チャンバ90の機能を中断さ
せる必要なく、各アームをバルブオフにし、再充填し、補修し、交換し、または
各ソースを放ガスすることを可能にする。金属ソース81(図8参照)は、熱遷
移セル(低温、高温、もしくは二重フィラメントセル)、またはロッド−供給(
rod−fed)電子ビーム源のいずれかであり、これは周期システム中のほと
んどの元素金属にアクセス可能である。
As shown in FIG. 9, the main growth chamber 90 contains a metal source 81.
6 arms 91 to 106 are provided. This source 81 is easily replaceable,
The system is modular. Each arm 91-106 has a gate valve 24 and a dedicated small (701 / s) turbo-molecular pump and autonomous pumping with a roughing line. Thus, it is possible to valve off, refill, repair, replace, or outgas each source without having to break the vacuum and interrupt the functioning of the main chamber 90. The metal source 81 (see FIG. 8) can be a thermal transition cell (low temperature, high temperature, or dual filament cell) or a rod-fed (
rod-fed), which is accessible to most elemental metals in the periodic system.

【0051】 ソース81は基体11(図1参照)に約20°で狙いをつけられ、このことは
基体アレイ領域にわたって大きな組成物拡散(勾配)を可能にする。各ソース8
1は、直線運動フィードスルーアクチュエータ23および装着された網目マスク
22を備え、そしてさらにコンピュータ制御された空気式直線運動フィードスル
ーアクチュエータ31および32を備え、それらの各々が上記セクションBに記
載のようにシャドウマスク28および29をそれぞれ有し得る。次に、各アーム
91〜106は、4つの光学ポート(2つはソースの隣り、そして2つはシャッ
タの後ろ)を含み、原子吸光分光法[10]により、シャッタのいずれかの側に
て、原子束の正確なオンライン(リアルタイム)のモニタリングを可能にする。
The source 81 is aimed at the substrate 11 (see FIG. 1) at about 20 °, which allows a large composition diffusion (gradient) over the substrate array area. Each source 8
1 comprises a linear motion feedthrough actuator 23 and a mounted mesh mask 22 and further comprises computer controlled pneumatic linear motion feedthrough actuators 31 and 32, each of which is as described in Section B above. It may have shadow masks 28 and 29, respectively. Next, each arm 91-106 includes four optical ports (two next to the source and two behind the shutter) and, by atomic absorption spectroscopy [10], on either side of the shutter. Enables accurate online (real-time) monitoring of atomic flux.

【0052】 主チャンバ90自体は、磁気ベアリングを備え、振動絶縁のための特別のスプ
ールに取りつけられた、2つの大(1,000 1/s)ターボ−分子ポンプ(
図9に示されず)によりポンピングされる。電子顕微鏡に対して(以下参照)さ
らにサンプルの振動を最小化するために、チャンバ90全体は、受動的(空気ダ
ンパ付きの)振動絶縁フレーム上に配置される。サンプル振動ダンパもまた提供
される。
The main chamber 90 itself has two large (1,000 1 / s) turbo-molecular pumps (with magnetic bearings and mounted on special spools for vibration isolation).
(Not shown in FIG. 9). To further minimize sample vibration relative to the electron microscope (see below), the entire chamber 90 is placed on a passive (with air damper) vibration isolation frame. A sample vibration damper is also provided.

【0053】 チャンバ90はさらに、サンプルマニピュレータを備え、充分なサンプルの回
転と並進を可能にする。マニピュレータは、水冷サンプルヒータシステム61を
有し、これは4つのUHV−互換石英水銀燈ヒータを含み、直線アレイで配置さ
れる(図6B参照)。各ランプ64は、別個に制御され、基体アレイにわたって
、一方向に沿って、温度勾配が維持されることを可能にし、または全アレイの均
一な加熱を達成することを可能にする。同じサンプルマニピュレータはまた、オ
ゾンまたは他の活性酸素気体ソースの送達のための4つの水冷ノズル70のセッ
トを有する(図7参照)。ノズル71〜74は、サンプルアレイに対して固定し
た位置を維持するような方法で基体ホルダ27(図4参照)とともに移動し、一
方後者は回転または並進する。次いで、チャンバ90は、1組の最新式分析ツー
ルを備える。これらは、全部のそしてコンピュータ制御したx,y,z運動を可
能にする分離したモータマニピュレータ上の水晶結晶速度モニタ(QCM)を含
み、そのため堆積速度は、基体アレイの任意の位置において、各ソースに対して
、正確にマッピングされ得る。反射高エネルギー電子(RHEED)システムは
同様に、16−サンプルアレイにおいてある基体から他の基体位置へ速く切り替
える能力(すなわちスキャンする能力)を有し、そして複数スクリーンを使用し
て同時に各16のフィルムからRHEEDパターンをディスプレイする能力を有
する。両方の技術革新が、組み合わせ合成とサーチのためのこの装置の能力を増
強するために特に実行されている。
The chamber 90 further includes a sample manipulator to allow sufficient sample rotation and translation. The manipulator has a water-cooled sample heater system 61, which includes four UHV-compatible quartz mercury lamp heaters, arranged in a linear array (see FIG. 6B). Each lamp 64 is separately controlled, allowing a temperature gradient to be maintained along one direction across the substrate array, or to achieve uniform heating of the entire array. The same sample manipulator also has a set of four water-cooled nozzles 70 for the delivery of an ozone or other active oxygen gas source (see FIG. 7). The nozzles 71-74 move with the substrate holder 27 (see FIG. 4) in such a way as to maintain a fixed position with respect to the sample array, while the latter rotates or translates. The chamber 90 then comprises a set of state-of-the-art analytical tools. These include a Quartz Crystal Speed Monitor (QCM) on a separate motor manipulator that allows for full and computer controlled x, y, z movement, so that the deposition rate is determined at each location in the substrate array at each source. Can be mapped correctly. Reflected high energy electron (RHEED) systems also have the ability to quickly switch from one substrate to another substrate location in a 16-sample array (ie, the ability to scan), and use multiple screens to simultaneously scan 16 films each. Has the ability to display RHEED patterns from Both innovations have been specifically implemented to enhance the capacity of this device for combinatorial synthesis and searching.

【0054】 チャンバ90は、さらに低エネルギー電子顕微鏡(LEEM)を備え、成長フ
ィルムの表面の、ナノメートルスケールでの解像度で、リアルタイム(ビデオ速
度)画像を可能とする[11]。これにより、膜の核形成と成長を観察、研究、
および定量化することが可能となり、島核形成(island nucleat
ion)またはステップフロー成長などの成長機構を同定することが可能となる
[12]。同じ装置がまた低エネルギー電子回折(LEED)システムとして、
または光励起電子顕微鏡(PEEM)として機能し得、後者に関しては、紫外線
源もまた提供される。最後に、飛行時間イオン散乱および反跳分光(TOF−I
SARS)システムが提供され、いくつかの角度で複数の検出器および分析器を
備え、反跳イオンの質量分光(MSRI)分析器を含む[13]。これは、非常
に正確な表面分析ツールであるため、表面単層の化学組成の定量的情報を、膜成
長中においてもリアルタイムで提供する。
The chamber 90 is further equipped with a low energy electron microscope (LEEM) to enable real-time (video speed) images of the growth film surface at nanometer scale resolution [11]. This makes it possible to observe, study,
And quantification, island nucleation (island nucleation)
ion) or growth mechanisms such as step flow growth [12]. The same device is also used as a low energy electron diffraction (LEED) system,
Alternatively, it can function as a light-excited electron microscope (PEEM), with the latter also providing a UV source. Finally, time-of-flight ion scattering and recoil spectroscopy (TOF-I
A SARS) system is provided, comprising a plurality of detectors and analyzers at several angles, including a recoil ion mass spectroscopy (MSRI) analyzer [13]. Since this is a very accurate surface analysis tool, it provides quantitative information on the chemical composition of the surface monolayer in real time even during film growth.

【0055】 全体的に、Oxxel COMBEシステムは、LEEMおよびTOF−IS
ARSなど、ならびに複数読み出しRHEEDおよびスキャンQCMシステムな
どの最新式分析ツールによりさらに補助された、膨大な相空間を通した高スルー
プット組み合わせサーチのために最適化され、これらのいずれも酸化物MBEシ
ステムと以前には一体化されていなかった。
Overall, the Oxxel COMBE system uses LEEM and TOF-IS
Optimized for high-throughput combinatorial search through massive phase space, further assisted by advanced analysis tools such as ARS and multiple read RHEED and scan QCM systems, both of which are compatible with oxide MBE systems It was not previously integrated.

【0056】 上記のように、および当業者により理解されるように、本発明の種々の局面(
すなわちソースシャッタ、網目マスク22、シャドウマスクシャッタ28および
29、またはマッピングソース堆積速度の制御)は、デジタルコンピュータなど
のプロセッサ制御のデバイスを使用して実行され得る。図10は、本発明のこれ
らの1つ以上の局面を実施するために使用され得る典型的なコンピュータシステ
ム200の機能的ブロックダイアグラムである。示されるように、このコンピュ
ータシステム200は、中央処理ユニット(CPU)202を相互接続するバス
201を含み、中央処理ユニットは、マイクロプロセッサなどの処理回路、ラン
ダムアクセスメモリ(RAM)203およびリードオンリーメモリ(ROM)2
04などの種々のメモリ要素を備えるシステムメモリ、ならびに複数のデバイス
インターフェース(すなわちコントローラ)を表す。入力コントローラ205は
、キーボード、マウス、トラックボールなどのような1つ以上の入力デバイス2
06に接続するインターフェース回路を表す。ディスプレイコントローラ207
は、コンピュータモニタなどの1つ以上のディスプレイデバイス208に接続す
るインターフェース回路を表す。I/Oコントローラ209は、モデムまたはネ
ットワーク接続などの1つ以上のI/Oデバイス211に接続するインターフェ
ース回路を表す。記憶コントローラ212は、磁気ディスクまたはテープドライ
ブ、光ディスクドライブ、半導体記憶デバイスなどの1つ以上の記憶デバイス2
13に接続するインターフェース回路を表す。プリンタコントローラ214は、
レーザ、インクジェットプリンタまたはプロッタなどの1つ以上のプリンタデバ
イス215に接続するインターフェース回路を表す。本発明のコンピュータ制御
可能な局面を実行するために特定のタイプのコンピュータシステムが、重要であ
るということはない。任意の好適なコンピュータシステムまたはプロセッサ制御
デバイスが使用され得る。
As described above and as will be appreciated by those skilled in the art, various aspects of the present invention (
That is, the source shutter, mesh mask 22, shadow mask shutters 28 and 29, or mapping source deposition rate control) can be performed using a processor-controlled device such as a digital computer. FIG. 10 is a functional block diagram of a typical computer system 200 that can be used to implement one or more of these aspects of the invention. As shown, the computer system 200 includes a bus 201 interconnecting a central processing unit (CPU) 202, which includes a processing circuit such as a microprocessor, a random access memory (RAM) 203 and a read only memory. (ROM) 2
4 represents a system memory with various memory elements such as 04, as well as multiple device interfaces (ie, controllers). The input controller 205 comprises one or more input devices 2 such as a keyboard, mouse, trackball, etc.
06 represents an interface circuit connected to the device. Display controller 207
Represents an interface circuit that connects to one or more display devices 208, such as a computer monitor. I / O controller 209 represents an interface circuit that connects to one or more I / O devices 211, such as a modem or a network connection. The storage controller 212 includes one or more storage devices 2 such as a magnetic disk or tape drive, an optical disk drive, and a semiconductor storage device.
13 represents an interface circuit connected to the device. The printer controller 214
Represents an interface circuit that connects to one or more printer devices 215, such as a laser, inkjet printer or plotter. No particular type of computer system is important to perform the computer-controllable aspects of the present invention. Any suitable computer system or processor control device may be used.

【0057】 1つの実施形態において、ROM204、記憶デバイス213から取られ得る
、またはネットワークサーバもしくは、I/Oデバイス211を通した他のソー
スから得られた、RAMに存在する指示のプログラムを実行することにより、C
PU202は、シャッタ28および29の操作を制御する。より広くには、指示
のプログラム(すなわちソフトウェア)は、CPU202または他の好適なプロ
グラム制御プロセッサにより読み出し可能な任意の媒体により、運ばれ得る。そ
のような媒体は、ディスクまたはテープなどの種々の磁気媒体、コンパクトディ
スクなどの種々の光学媒体、ならびにベースバンドもしくは広帯域信号および指
示のプログラムを伝達するためにコード化された搬送波を含む、電磁スペクトル
にわたった、種々の通信経路を含む。
In one embodiment, execute a program of instructions residing in RAM, which may be taken from ROM 204, storage device 213, or obtained from a network server or other source through I / O device 211. As a result, C
The PU 202 controls the operation of the shutters 28 and 29. More broadly, the program of instructions (ie, software) may be carried by any medium readable by CPU 202 or other suitable program control processor. Such media include various magnetic media such as discs or tapes, various optical media such as compact discs, and electromagnetic spectrum, including carrier waves coded to convey baseband or broadband signals and instructions programs. And various communication paths.

【0058】 あるいは、シャッタ28および29の制御は、個別の要素、用途特定集積回路
(ASIC)などを使用する機能的等価ハードウェアで実行され得る。このよう
なハードウェアは、物理的にCPU202と一体となり得るか、または分離した
要素であり得る。ハードウェアが、分離した要素であると、コンピュータ202
自体の中で、またはコンピュータ200の有効なカードスロットに挿入され得る
コンピュータカード上で具体化され得る。
Alternatively, control of shutters 28 and 29 may be performed by functionally equivalent hardware using discrete components, application specific integrated circuits (ASICs), and the like. Such hardware may be physically integral with CPU 202, or may be a separate element. If the hardware is a separate element, the computer 202
It can be embodied within itself or on a computer card that can be inserted into a valid card slot of computer 200.

【0059】 従って、本明細書中で使用される用語「プログラム制御プロセッサ」は、適切
なソフトウェアの制御のもとで操作するプロセッサ、およびそこに組み込まれた
適切なプログラミングを有するデバイスの両方をカバーすると意図される。
Accordingly, the term “program control processor” as used herein covers both a processor operating under the control of appropriate software and a device having appropriate programming incorporated therein. It is intended.

【0060】 シャッタ28および29に加えて、ライブラリ合成法の種々の他の局面もまた
、コンピュータ制御され得、ソースシャッタ、網目マスク22、または本明細書
の教示に従ったソース堆積速度の制御を含む。これらの教示があれば、当業者は
、特定のコードを書き込む(または書きこんだ)ことが可能となり、またはこれ
らの特徴の制御を実施するための機能的に等価なハードウェアを設計する(また
は設計した)ことが可能となる。
In addition to shutters 28 and 29, various other aspects of the library synthesis method can also be computer controlled to control the source shutter, mesh mask 22, or source deposition rate according to the teachings herein. Including. With these teachings, those skilled in the art will be able to write (or write) specific code, or design functionally equivalent hardware to implement control of these features (or Designed).

【0061】 当業者にとって、このようなシステムに対して、ソースの数もしくはヒータフ
ィラメントの数、またはオゾンノズルの数と形状などを変更するなどの、多くの
明らかな変更と改変がなされ得ることは明らかであり、しかし、これは本発明に
対して本質的な改変も改善も表すものではない。
It will be apparent to those skilled in the art that many obvious changes and modifications can be made to such a system, such as changing the number of sources or heater filaments, or the number and shape of ozone nozzles, and the like. Clearly, however, this does not represent a substantial modification or improvement to the invention.

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

【図1】 図1は、x、y=0、0.2、0.4、0.6、0.8および1.0での基体
上に作成された、Ax1-xy1-y3サンプルの2次元ライブラリを示す。
FIG. 1 shows A x B 1-x C y made on a substrate at x, y = 0, 0.2, 0.4, 0.6, 0.8 and 1.0. 2 shows a two-dimensional library of D 1-y O 3 samples.

【図2】 図2Aおよび図2Bは、本発明の方法を実施するのに有用な伝達網目マスクを
示し、操作位置(図2A)と後退位置(図2B)との間のマスクの動きを示す。
(図2C)は、操作位置にあるときの伝達マスクを受容するのに適合したフレー
ムの側面図を示す。
2A and 2B illustrate a transmission mesh mask useful for practicing the method of the present invention, showing the movement of the mask between an operating position (FIG. 2A) and a retracted position (FIG. 2B). .
FIG. 2C shows a side view of the frame adapted to receive the transmission mask when in the operating position.

【図3】 右から左勾配の原子束を生成するよう設計された、ソースマスクまたは網目の
細部を示し、サンプルアレイの左側の堆積物は、右側よりもよりずっと高い。
FIG. 3 shows details of a source mask or mesh designed to produce a right-to-left gradient atomic flux, with the deposit on the left side of the sample array being much higher than on the right side.

【図4】 遷移ソースと基体アレイとの間に位置された横および垂直シャドウマスクの両
方の移動した位置を示す。
FIG. 4 shows the moved position of both the lateral and vertical shadow masks located between the transition source and the substrate array.

【図5】 図5Aは、4つの別個のBiSrCaCuO酸化物の組み合わせ成長のための
シャドウマスクシャッタリング順序を与え、 図5Bは、形成された相の対応す
るマップを示す。
FIG. 5A provides a shadow mask shuttering sequence for the combined growth of four separate BiSrCaCuO oxides, and FIG. 5B shows a corresponding map of the phases formed.

【図6】 図6Aおよび図6Bは、サンプル中のアレイ領域の示差加熱を生成するために
構成されたサンプルホルダの正面図および側面図をそれぞれ示す。
FIGS. 6A and 6B show a front view and a side view, respectively, of a sample holder configured to generate differential heating of an array region in a sample.

【図7】 図7Aおよび図7Bは、サンプル中のアレイ領域にわたったオゾン分圧差を生
成するために構成されたサンプルホルダの正面図および側面図をそれぞれ示す。
FIGS. 7A and 7B show a front view and a side view, respectively, of a sample holder configured to generate a partial pressure difference in ozone across an array region in a sample.

【図8】 図8は、本発明に従った分子線エピタキシによる複合酸化物の組み合わせライ
ブラリを生成するのに使用するためのシステムを示す。
FIG. 8 shows a system for use in generating a combined library of complex oxides by molecular beam epitaxy according to the present invention.

【図9】 図9は、Oxxel COMBEシステムの主成長チャンバの概略を示し、ゲ
ート弁を備えた、元素金属ソースを収容する16の水冷アームを示す。RHEE
D、TOF−ISARS、およびLEEMがまた示される。ここには、支持振動
−絶縁フレーム、ターボ分子ポンプ(アームに16の小さいものおよび頂部に2
つの大きな物)、サンプルとQCMマニピュレータ、電気、水およびガス接続は
示されない。
FIG. 9 shows a schematic of the main growth chamber of the Oxxel COMBE system, showing 16 water-cooled arms containing elemental metal sources with gate valves. RHEE
D, TOF-ISARS, and LEEM are also shown. There are supporting vibration-insulating frames, turbo molecular pumps (16 small ones on the arm and two
Two large objects), sample and QCM manipulator, electrical, water and gas connections are not shown.

【図10】 本発明の種々の局面を制御するために使用され得る典型的なコンピュータの機
能ブロック図である。
FIG. 10 is a functional block diagram of a typical computer that can be used to control various aspects of the present invention.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 EP(AT,BE,CH,CY, DE,DK,ES,FI,FR,GB,GR,IE,I T,LU,MC,NL,PT,SE),JP,KR,U S──────────────────────────────────────────────────続 き Continuation of front page (81) Designated country EP (AT, BE, CH, CY, DE, DK, ES, FI, FR, GB, GR, IE, IT, LU, MC, NL, PT, SE ), JP, KR, US

Claims (23)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 熱的に安定または準安定構造を有する複合酸化物の位置アド
レス可能な組み合わせライブラリであって、前記ライブラリは以下、 2以上の対の対向側部領域により結合される基体表面を有する基体であって、
前記側部領域に対して既知の位置で複数の表面領域を規定する、基体を備え、そ
して、 式(A1x1(A2x2・・・(Anxnyを有する熱的に安定または準安定酸
化物が前記領域上に形成され、ここで、少なくとも1つの元素成分Aiは金属で
あり、xi、yは0を含む自然数または分数であり、n=2〜20であり、前記
酸化物の化学量論または構造は、少なくとも1つの元素成分においては系統的に
そして公知の方法で変化し、その際、1対の対向側部領域において一方の側部領
域と他方の側部領域との間で進行する、ライブラリ。
1. A combination library of position-addressable composite oxides having a thermally stable or metastable structure, said library comprising a substrate surface bounded by two or more pairs of opposing side regions. A substrate having
A thermal substrate having a substrate defining a plurality of surface regions at known locations relative to the side regions, and having a formula (A 1 ) x1 (A 2 ) x2 ... (A n ) xn O y A stable or metastable oxide is formed on the region, wherein at least one elemental component A i is a metal, x i , y are natural numbers or fractions including 0, and n = 2-20 The stoichiometry or structure of the oxide varies systematically and in a known manner for at least one elemental component, with one side region and the other in a pair of opposing side regions. A library that progresses to and from the side area.
【請求項2】 請求項1に記載のライブラリであって、ここで、前記酸化物
は以下、 (i)n=2であり、元素成分A1、A2の少なくとも1つが金属である酸化物
、 (ii)n=3であり、元素成分A1、A2およびA3の少なくとも2つが金属
である酸化物、 (iii)n=4であり、元素成分A1、A2、A3およびA4の少なくとも3つ
が金属である酸化物、 (iv)nが5以上であり、そして元素成分Aiの少なくとも3つが金属である
酸化物、 からなる群から選択される、ライブラリ。
2. The library according to claim 1, wherein the oxide is: (i) n = 2 and at least one of the elemental components A 1 and A 2 is a metal (Ii) an oxide wherein n = 3 and at least two of the elemental components A 1 , A 2 and A 3 are metals; (iii) n = 4 and the elemental components A 1 , A 2 , A 3 and An oxide wherein at least three of A 4 are metals; (iv) an oxide wherein n is 5 or more and at least three of the elemental components A i are metals.
【請求項3】 請求項2に記載のライブラリであって、ここで、前記元素成
分Aiの1つと関連したxiは、1対の対向側部領域において一方の側部領域と他
方の側部領域との間で進行する際に系統的な方法で変化し、別の元素成分Aj
関連したxjは、別の対の対向側部領域において一方の側部領域と他方の側部領
域との間で進行する際に系統的な方法で変化する、ライブラリ。
3. The library of claim 2, wherein x i associated with one of the elemental components A i is one side region and the other side in a pair of opposing side regions. X j associated with another elemental component A j , which changes in a systematic manner as it travels between the two side areas, one side area and the other side area in another pair of opposing side areas. A library that changes in a systematic way as it progresses to and from regions.
【請求項4】 請求項2に記載のライブラリであって、ここで、前記元素成
分Aiの1つと関連したxiは、1対の対向側部領域において一方の側部領域と他
方の側部領域との間で進行する際に系統的な方法で変化し、yは、別の対の対向
側部領域において一方の側部領域と他方の側部領域との間で進行する際に系統的
な方法で変化する、ライブラリ。
4. The library of claim 2, wherein x i associated with one of said elemental components A i is one side region and the other side in a pair of opposing side regions. Changes in a systematic manner as it travels between the side regions, and y changes in the system when traveling between one side region and the other side region in another pair of opposing side regions. A library that changes in a typical way.
【請求項5】 請求項2に記載のライブラリであって、ここで、前記複合金
属酸化物が酸化銅と金属または金属酸化物単層の交互層として形成され、前記ラ
イブラリ中の前記酸化物の少なくともいくつかは高温超伝導体である、ライブラ
リ。
5. The library of claim 2, wherein the composite metal oxide is formed as an alternating layer of copper oxide and a single metal or metal oxide layer, and wherein A library, at least some of which are high-temperature superconductors.
【請求項6】 請求項2に記載のライブラリであって、ここで、前記複合金
属酸化物が酸化チタン、酸化ニオブ、酸化タンタル、および酸化ホウ素からなる
群から選択される酸化物と金属または金属酸化物単層の交互層として形成され、
前記ライブラリ中の前記酸化物の少なくともいくつかは強誘電特性を有する、ラ
イブラリ。
6. The library of claim 2, wherein the composite metal oxide is an oxide and a metal or metal selected from the group consisting of titanium oxide, niobium oxide, tantalum oxide, and boron oxide. Formed as alternating layers of oxide monolayers,
The library, wherein at least some of the oxides in the library have ferroelectric properties.
【請求項7】 請求項2に記載のライブラリであって、ここで、前記複合金
属酸化物が酸化マンガンと金属または金属酸化物単層の交互層として形成され、
前記酸化物の少なくともいくつかは強磁気抵抗特性を有する、ライブラリ。
7. The library of claim 2, wherein the composite metal oxide is formed as an alternating layer of manganese oxide and a metal or metal oxide monolayer;
A library, wherein at least some of the oxides have ferromagnetic resistance properties.
【請求項8】 請求項1に記載のライブラリであって、少なくとも100の
異なる酸化物を含む、ライブラリ。
8. The library of claim 1, wherein the library comprises at least 100 different oxides.
【請求項9】 請求項1に記載のライブラリであって、ここで、前記酸化物
が多層または超格子であり、そして前記酸化物の前記構造が1つ以上の以下の変
数、 (a)前記構造を形成する原子層の総数、 (b)多層の異なる組成の層と交互である均一な多層を含む酸化構造において
、前記均一な多層中の層の数、 (c)多層の異なる組成の層と交互である均一な多層を含む酸化構造において
、1つ以上の前記多層成分の組成、 において、系統的にそして公知の方法で変化する、ライブラリ。
9. The library of claim 1, wherein the oxide is a multilayer or superlattice, and the structure of the oxide is one or more of the following variables: The total number of atomic layers forming the structure; (b) the number of layers in the uniform multilayer, in an oxidized structure comprising a uniform multilayer alternating with layers of different compositions; (c) the layers of different compositions of the multilayer. A library, which systematically and in a known manner, varies in the composition of one or more of the multilayer components in an oxidized structure comprising a uniform multilayer alternating with:
【請求項10】 所望の固体状態特性を有する複合酸化物を同定する方法で
あって、前記方法は以下、 2以上の対の対向側部領域により結合される基体表面を有する基体上に形成し
、そして前記側部領域に対して既知の位置で複数の表面領域を規定する工程であ
って、熱的に安定または準安定酸化物のライブラリが式(A1x1(A2x2・・
・(Anxnyを有し、ここで、少なくとも1つの元素成分Aiは金属であり、
i、yは0を含む自然数または分数であり、n=2〜20であり、前記酸化物
の化学量論または構造は、少なくとも1つの元素成分においては系統的にそして
公知の方法で変化し、その際、1対の対向側部領域において一方の側部領域と他
方の側部領域との間で進行する、工程、 前記所望の固体状態特性について前記基体上のそれぞれの酸化物をテストする
工程、 アレイ位置に従う前記所望の特性、およびそのアレイ位置の既知の合成履歴を
有する前記酸化物の構造を同定する工程、 を包含する、方法。
10. A method for identifying a composite oxide having desired solid state properties, said method comprising: forming on a substrate having a substrate surface bounded by two or more pairs of opposing side regions. And defining a plurality of surface regions at known locations relative to the side regions, wherein a library of thermally stable or metastable oxides has the formula (A 1 ) x1 (A 2 ) x2.
• (A n ) xn O y , wherein at least one elemental component A i is a metal;
x i , y are natural numbers or fractions including 0, n = 2 to 20, and the stoichiometry or structure of the oxide varies in at least one elemental component in a systematic and known manner. Then proceeding between one side region and the other side region in a pair of opposing side regions, testing each oxide on the substrate for the desired solid state properties Identifying the structure of the oxide having the desired property according to the array location and a known synthesis history of the array location.
【請求項11】 請求項10に記載の方法であって、高温超伝導特性を有す
る複合酸化物を選択する際に使用するための方法であって、ここで、前記基体上
の前記複合金属酸化物が酸化銅と金属酸化物単層の交互層として形成される、方
法。
11. The method of claim 10, wherein the method is used in selecting a composite oxide having high-temperature superconducting properties, wherein the composite metal oxide on the substrate is used. The method wherein the article is formed as an alternating layer of copper oxide and a metal oxide monolayer.
【請求項12】 請求項11に記載の方法であって、ここで、前記選択する
工程がそれぞれの一連の温度において、それぞれの前記基体領域で前記酸化物を
テストし、そして最高温度にて超伝導性を示す酸化物を同定する工程、を含む、
方法。
12. The method of claim 11, wherein the selecting step tests the oxide at each of the substrate regions at each of a series of temperatures and exceeds the maximum temperature. Identifying an oxide that exhibits conductivity.
Method.
【請求項13】 請求項10に記載の方法であって、所望の強誘電特性を有
する複合酸化物を選択する際に使用するための方法であって、ここで、前記酸化
物が、(i)酸化チタン、酸化タンタル、酸化ニオブ、および酸化ホウ素からな
る群から選択される酸化物と、(ii)他の金属または金属酸化物層の交互層と
して形成され、そして前記ライブラリ中の前記酸化物の少なくともいくつかは強
誘電特性を有する、方法。
13. The method of claim 10, wherein the method is used in selecting a composite oxide having desired ferroelectric properties, wherein the oxide comprises (i) A) an oxide selected from the group consisting of titanium oxide, tantalum oxide, niobium oxide, and boron oxide; and (ii) formed as an alternating layer of another metal or metal oxide layer, and the oxide in the library. At least some of the methods have ferroelectric properties.
【請求項14】 請求項10に記載の方法であって、所望の強磁気抵抗特性
を有する複合酸化物を選択する際に使用するための方法であって、ここで、前記
複合金属酸化物が酸化マンガンと金属または金属酸化物単層の交互層として形成
される、方法。
14. The method according to claim 10, wherein the method is used in selecting a composite oxide having desired ferromagnetic resistance properties, wherein the composite metal oxide is selected from the group consisting of: A method formed as alternating layers of manganese oxide and a metal or metal oxide monolayer.
【請求項15】 複合酸化物の組み合わせライブラリを生産する方法であっ
て、前記方法は以下、 複数の元素ソースを含む真空チャンバ中に、シャッター、2つ以上の対の対向
側部領域によって結合される基体表面を有する基体を配置し、そして前記側部領
域に対して既知の位置で複数の表面領域を規定する工程、 気体状の酸素原子ソースの存在下で、前記基体アレイ領域上に連続する原子層
を堆積する工程、 前記堆積工程の間、1対の対向側部領域において一方の側部領域と他方の側部
領域との間で進行する際に、少なくとも1つのプロセス変数について公知でかつ
系統的な方法で堆積条件を変更する工程であって、前記プロセス変数が以下、 (i)1つ以上の元素ソースから堆積される少なくとも1つの元素成分の量、 (ii)前記元素ソースからの堆積の順序、 (iii)前記基体領域の温度、 (iv)前記基体領域での酸素原子の分圧、 (v)多層構造中の障壁層の厚さ、 からなる群から選択される、工程、ならびに、 前記堆積工程により、前記式(A1x1(A2x2・・・(Anxnyを有する
熱的に安定または準安定酸化物を生成する工程であって、ここで、少なくとも1
つの元素成分Aiは金属であり、xi、yは0を含む自然数または分数であり、n
=2〜20であり、前記酸化物の化学量論または構造は、少なくとも1つの元素
成分においては系統的にそして公知の方法で変化し、その際、1対の対向側部領
域において一方の側部領域と他方の側部領域との間で進行する、工程、 を包含する、方法。
15. A method for producing a combinatorial library of complex oxides, comprising: combining a shutter, two or more pairs of opposite side regions in a vacuum chamber containing a plurality of elemental sources. Arranging a substrate having a substrate surface, and defining a plurality of surface regions at known locations relative to the side regions, continuing over the substrate array region in the presence of a gaseous source of oxygen atoms. Depositing an atomic layer, during said depositing step, being known about at least one process variable in proceeding between one side region and the other side region in a pair of opposing side regions; Changing deposition conditions in a systematic manner, wherein the process variables include: (i) the amount of at least one elemental component deposited from one or more elemental sources; (ii) the element (Iii) the temperature of the substrate region, (iv) the partial pressure of oxygen atoms in the substrate region, and (v) the thickness of the barrier layer in the multilayer structure. Forming a thermally stable or metastable oxide having the formula (A 1 ) x1 (A 2 ) x2 ... (A n ) xn O y by the deposition step. , Where at least one
The two element components A i are metals, x i and y are natural numbers or fractions including 0, and n
= 2 to 20 and the stoichiometry or structure of the oxide varies systematically and in a known manner in at least one elemental component, with one side in a pair of opposing side regions Proceeding between the side region and the other side region.
【請求項16】 請求項15に記載の方法であって、ここで、元素ソースか
ら堆積された物質の量の前記プロセス変数を変更する工程が、前記ソースと前記
標的との間に、網目マスクを配置する工程を包含し、前記マスクはこれにより原
子束の所望の勾配を生成するのに有効であり、その際、前記基体の1対の対向側
部領域において一方の側部領域と他方の側部領域との間で進行する、方法。
16. The method of claim 15, wherein changing the process variable of an amount of material deposited from an elemental source comprises a mesh mask between the source and the target. Wherein the mask is effective to generate a desired gradient of the atomic flux, wherein one side region and the other side of the pair of opposing side regions of the substrate are included. A method that proceeds between and to a side area.
【請求項17】 請求項15に記載の方法であって、ここで、元素ソースか
ら堆積された物質の量の前記プロセス変数を変更する工程が、前記ソースと前記
標的との間に、網目マスクを配置する工程を包含し、前記マスクはこれにより均
一な原子束を生成するのに有効である、方法。
17. The method of claim 15, wherein the step of altering the process variable of an amount of material deposited from an elemental source comprises a mesh mask between the source and the target. And wherein said mask is effective to produce a uniform atomic flux therewith.
【請求項18】 請求項15に記載の方法であって、ここで、元素ソースか
ら堆積された物質の量の前記プロセス変数を変更する工程が、前記ソースと前記
標的との間に、それぞれの複数の選択された位置において可動シャッターを配置
する工程を包含する、方法。
18. The method of claim 15, wherein altering the process variable of an amount of material deposited from an elemental source comprises a step between each of the source and the target. A method comprising positioning a movable shutter at a plurality of selected locations.
【請求項19】 請求項15に記載の方法であって、ここで、前記基体領域
の前記温度を変更する工程が、前記基体の1対の対向側部領域において一方の側
部領域と他方の側部領域との間で進行する際に、温度勾配を生じるように前記基
体を加熱する工程を包含する、方法。
19. The method according to claim 15, wherein the step of changing the temperature of the substrate region comprises the steps of: forming one side region and the other of a pair of opposed side regions of the substrate. Heating the substrate so as to create a temperature gradient as it travels between the side regions.
【請求項20】 請求項15に記載の方法であって、ここで、前記基体領域
での前記酸素原子の分圧を変更する工程が、前記勾配の一方の側部領域に配置さ
れたソースからオゾンを、前記基体表面に対してほとんどかすめる角度で方向付
ける工程を包含する、方法
20. The method according to claim 15, wherein the step of changing the partial pressure of the oxygen atoms in the substrate region comprises changing a partial pressure of the oxygen atoms from a source located in one side region of the gradient. Directing ozone at an almost grazing angle to the substrate surface.
【請求項21】 請求項15に記載の方法であって、ここで、少なくとも1
つのプロセス変数についての前記堆積条件が、プログラム制御されたプロセッサ
の制御下で変更される、方法。
21. The method of claim 15, wherein at least one
The method wherein the deposition conditions for one process variable are changed under the control of a programmed processor.
【請求項22】 請求項18に記載の方法であって、ここで、それぞれの前
記複数の選択された位置で、前記ソースと前記標的との間に前記可動シャッター
を配置する工程が、プログラム制御されたプロセッサにより制御される、方法。
22. The method of claim 18, wherein the step of disposing the movable shutter between the source and the target at each of the plurality of selected locations comprises program controlling. A method controlled by a configured processor.
【請求項23】 請求項15に記載の方法であって、ここで、前記複合酸化
物の組み合わせライブラリが、組み合わせ分子線エピタキシー装置で製造される
、方法。
23. The method of claim 15, wherein the combined library of composite oxides is manufactured on a combined molecular beam epitaxy apparatus.
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