JP2605148B2 - 酸化物薄膜の製造方法 - Google Patents

酸化物薄膜の製造方法

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    • Y02E40/00Technologies for an efficient electrical power generation, transmission or distribution
    • Y02E40/60Superconducting electric elements or equipment; Power systems integrating superconducting elements or equipment

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、理論的には100%イオン化した酸素イオン
ビームと、超高真空中で蒸発させた金属を用いて、基体
上に酸化物超電導体や酸化物磁性体等の酸化物薄膜を形
成する酸化物薄膜の製造方法に関するものである。
〔従来技術〕
従来、酸化物薄膜、特に、酸化物超電導膜や酸化物磁
性薄膜等の製造方法としては、スパッタ法、真空蒸着
法、イオンプレーティング法あるいは真空蒸着法に酸素
プラズマをアシストして製造する方法、また、金属元素
と酸素をイオン化して酸化物超電導薄膜を製造する方法
(特開昭64−67831号公報)等が用いられている。
〔発明が解決しようとする課題〕 しかしながら、前記の従来の酸化物薄膜製造方法で
は、以下のような問題点があることを発明者は見出し
た。
すなわち、従来のスパッタ法、真空蒸着法、イオンプ
レーティング法あるいは真空蒸着法に酸素プラズマをア
シストして製造する方法では、酸化物薄膜中の酸素量を
膜作製中のバックグランドの酸素圧力で変化させている
が、酸素圧力を変化させるとその他の膜作製条件(放電
条件、蒸発速度など)も大きく変化し、目的とする酸素
量を含む膜組成を得ることが困難であり、再現性も少な
い。つまり、酸化物薄膜中の酸素量を膜作製中に制御す
ることが難かしいため、膜作製後の熱処理によって目的
とする酸素量を調節している。この場合、基板との反応
が問題となる。
また、金属元素と酸素をイオン化して酸化物超電導薄
膜を製造する方法(特開番号昭64−67831)では、イオ
ンの持つエネルギーで反応性が促進されるが、酸化物薄
膜中の酸素量が膜作製中に制御されていない。
また、従来のスパッタ法、真空蒸着法、イオンプレー
ティング法あるいは真空蒸着法に酸素プラズマをアシス
トして製造する方法では、酸素ガスを通常10-2〜10-4To
rr程度導入する必要があり、膜形成を超高真空中で行え
ないため、残留不純物に汚点されていない高純度の薄膜
が得られず、原子オーダーで薄膜成長を制御することは
困難であった。さらに、結晶性の良い薄膜を得るには高
い基板温度が必要であった。例えば真空蒸着法でY1Ba2C
u3O7-X単結晶超電導薄膜を製造するには、基板温度は最
低600〜650℃は必要であり、酸素ガス圧も10-3Torr以上
は必要であった。
特に、酸化物超電導体においては、酸化物超電導体を
半導体と接合したり、電子デバイスに応用する上で従来
の半導体プロセスと組み合わせるには、低い基板温度で
高純度・高品質の単結晶酸化物超電導薄膜を製造するこ
とが不可欠である。
しかし、前記したように従来技術には、超高真空中
で、かつ低い基板温度で、かつ膜中の酸素量がコントロ
ールできる酸化物薄膜の製造方法はなかった。
本発明は、前記問題点を解決するためになされたもの
である。
本発明の目的は、低い基体温度で高純度・高品質の単
結晶酸化物超電導膜等の酸化物薄膜を製造することにあ
る。
本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、
本明細書の記述及び添付図面によって明らかになるであ
ろう。
〔課題を解決するための手段〕
前記目的を達成するために、本発明は、酸化物薄膜の
製造方法において、酸化物を構成する元素のうち、酸素
を除く各元素を各々真空中で蒸発させると同時に、二酸
化炭素(CO2)ガスを熱電子によりプラズマ分解した中
からO+イオン(酸素プラスイオン)を質量分離により取
り出して集束し、電界にてエネルギー制御した後基体に
照射し、酸化物薄膜中の酸素量を酸素イオンビームのイ
オン電流量によって制御することにより基体上に酸化物
薄膜を形成することを最も重要な特徴とする。
また、イオン化したガスを電界により加速して加熱保
持した基板に照射して基板表面を清浄化した後基体上に
酸化物薄膜を形成することを特徴とする。
また、前記基体は、MgO,SrTiO3,LaGaO3,LaAlO3,Si,Ga
As,Ptのうちの一つであることを特徴とする。
〔作 用〕
前述した手段によれば、理論的には100%イオン化し
た酸素イオンビームを用いることにより、酸化物薄膜中
の酸素量をイオン電流で電気的にコントロールできる。
さらに、イオンのもつ電荷とエネルギーにより薄膜の結
晶成長が促進される。
すなわち、本発明では、PIG源であるO+イオン(酸素
プラスイオン)を発生させるために、二酸化炭素(C
O2)ガスに熱電子を照射してプラズマ化している。これ
は、二酸化炭素(CO2)ガスを用いた方が酸素ガスを用
いるよりもO+イオン(酸素プラスイオン)を効率よく発
生させる(約10倍)ことができる。二酸化炭素(CO2
ガスを用いた方が酸素ガスを用いるよりO+イオン(酸素
プラスイオン)の発生率が高いのは、電子(100eV)の
衝突断面積が高いためと考えられる。すなわち、熱電子
により二酸化炭素(CO2)ガスからO+イオン(酸素プラ
スイオン)を発生させるとき、 CO2+e→CO+O++2e …(1) の解離イオン化断面積が酸素ガスからO+イオン(酸素プ
ラスイオン)を発生させるときの、 O2+e→O+O++2e …(2) の解離イオン化断面積よりも大きいためにO+イオン(炭
素プラスイオン)の発生効率が高くなる(実験で確認で
きた)。
これにより、高純度で高品質の単結晶酸化超電導薄膜
を含む超電導特性の良好な酸化物超電導体を提供するこ
とができる。
〔発明の実施例〕
以下、本発明の一実施例を図面を用いて具体的に説明
する。
なお、実施例を説明するための全図において、同一機
能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明
は省略する。
第1図は、本発明の酸化物薄膜の製造方法の一実施例
を説明するための図である。
本実施例の酸化物薄膜の製造方法は、第1図に示すよ
うに、まず、真空チャンバー1内を1×10-9Torrに真空
排気した後、Arガスをイオン発生装置2を用いてイオン
化し、加速電圧−600Vで引き出し、Ar+イオンを質量分
離装置3にて集め、電磁気的集束レンズ4にて集束し
て、加熱装置8により530℃で保持されたMgO(100)か
らなる基板(基体)6に照射した。これにより基板6の
表面をクリーニングした。前記イオン発生装置として
は、例えばPIG型イオン源,デュオプラズマトロン型イ
オン源,ECRイオン源を用いることができるが、本発明で
はPIG型イオン源を用いた。
次に、ガスをArからCO2ガスに変え、イオン発生装置
2でイオン化し−20kVで引き出した後、O+イオンのみを
質量分離装置3でスリット幅を変化させて質量分離し電
磁気的集束レンズ4で集束させた。このO+イオンを基板
6の直前に設置されたイオン減速電極5で30Vまで減速
させた後、イオン電流220μA/cm2O+イオンの持つエネル
ギーが20eVになるようにバイアス電圧を調節した基板6
に照射しながら、Y,Ba,Cuの蒸発源(K−cell)7をそ
れぞれ加熱して、酸化物超電導薄膜の膜中のY:Ba:Cuの
原子組成比が1:2:3になるように各蒸発速度を0.17Å/se
c,0.66Å/sec,0.18Å/secにコントロールしてY,Ba,Cuを
分子ビーム9として蒸発させた。このときの真空度は1
×10-8Torrであった。
これにより熱処理せずに膜厚10nmのY1Ba2Cu3O6.8単結
晶超電導薄膜が得られた。また、酸素イオン電流量を変
化させると、膜中の酸素量は第2図(酸素イオン電流量
とY1Ba2Cu3OX超電導薄膜中の酸素量の関係を示す図)を
示すように変化することがわかった。
以上の説明からわかるように、本実施例によれば、従
来の酸化物薄膜の製造方法では不可能であった膜作製時
の酸化物薄膜中の酸素量の制御および超高真空中での酸
化物薄膜の作製が可能となる。
また、イオンのもつ電荷とエネルギーを利用している
ため、低い基板6の温度で残留不純物に汚染されていな
い高品質で高純度の単結晶酸化薄膜を再現性よく得るこ
とができた。
また、基板6をイオン化したガスにより超高真空中で
クリーニングすることにより、基板6の表面が原子オー
ダーで清浄化され、基板6上に高品質で高純度の単結晶
酸化物薄膜を形成することができる。
これにより、高純度で高品質の単結晶酸化超電導薄膜
を含み、超電導特性の良好な酸化物超電導体を得ること
ができる。
なお、本実施例では、Y1Ba2Cu3O7-X単結晶超電導薄膜
の製造例を示したが、本発明によれば酸化物磁性体、例
えばY3Fe12O19などの希土類ガーネット、BaFe12O19など
の六方晶フェライトの高品質の単結晶薄膜も低い基板温
度でかつ超高真空中で製造することが可能となる。
またO+イオン(酸素プラスイオン)を発生させるガス
として二酸化炭素(CO2)ガスを用いているので、酸素
ガスを用いるよりもO+イオン(酸素プラスイオン)を効
率よく発生させる(約10倍)ことができる。二酸化炭素
(CO2)ガスを用いた方が酸素ガスを用いるよりO+イオ
ン(酸素プラスイオン)の発生率が高いのは、電子(10
0eV)の衝突断面積が高いためと考えられる。すなわ
ち、熱電子により二酸化炭素(CO2)ガスからO+イオン
(酸素プラスイオン)を発生させるとき、 CO2+e→CO+O++2e …(1) の解離イオン化断面積が酸素ガスからO+イオン(酸素プ
ラスイオン)を発生させるときの、 O2+e→O+O++2e …(2) の解離イオン化断面積よりも大きいためにO+イオン(炭
素プラスイオン)の発生効率が高くなる(実験で確認で
きた)。
また、加熱保持された基板6をクリーニングする際、
Ar+イオンを600V加速で照射して行ったが、基板6の表
面状態により加速電圧は600V以外にも設定することが可
能であり、イオンもAr+イオンに限らず導入ガスを変化
させたり、質量分離装置3のスリット幅を変化させ、最
適のイオンを選択可能である。
また、本発明では、基体を加熱保持し、イオン化した
ガスを照射することにより、加熱保持しない場合に比べ
て、基体の清浄化が効率よくでき、また、イオン化した
ガスを照射による基体表面のダメージを少なくすること
ができる。二酸化炭素(CO2)ガスを用いた方が酸素ガ
スを用いるよりO+イオン(酸素プラスイオン)の発生率
が高いのは、電子(100eV)の衝突断面積が高いためと
考えられる。すなわち、熱電子により二酸化炭素(C
O2)ガスからO+イオン(酸素プラスイオン)を発生させ
るとき、 CO2+e→CO+O++2e …(1) の解離イオン化断面積が酸素ガスからO+イオン(酸素プ
ラスイオン)を発生させるときの、 O2+e→O+O++2e …(2) の解離イオン化断面積よりも大きいためにO+イオン(酸
素プラスイオン)の発生効率が高くなる(実験で確認で
きた)。
基板6をクリーニングせずに薄膜を作製すると、単結
晶薄膜の品質が少し悪いが、ある程度の純度のものが得
られた。
また、実施例ではイオン化率が理論的には100%のイ
オンビームを用いたが、イオン化率が50%以上であれば
基板6の温度の低温化には効果があった。
また、前記実施例では、基板6としては、MgOを用い
たが、必要に応じてSrTiO3,LaGaO3,LaAlO3,Si,GaAs,Pt
を用いることができるる。例えば、本発明の酸化物薄膜
が、SiやGaAsの半導体装置の絶縁膜として用いられる場
合、例えば、SiとY,B,C,O,との界面反応防止のため中間
層として前記基板6と同じ材料の層を設けてもよい。
以上、本発明を実施例にもとづき具体的に説明した
が、本発明は、前記実施例に限定されるものではなく、
その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能である
ことは言うまでもない。
〔発明の効果〕 以上、説明したように、本発明によれば、理論的には
100%イオン化した酸素イオンビームを用いることによ
り、酸化物薄膜中の酸素量をイオン電流で電気的にコン
トロールできる。さらに、イオンのもつ電荷とエネルギ
ーにより薄膜の結晶成長が促進される。これにより、基
体の低温化がはかれる。
また、基体をクリーニングすることにより、高純度で
高品質の単結晶酸化超電導薄膜を含む超電導特性の良好
な酸化物超電導体を提供することができる。
また、PIG源であるO+イオン(酸素プラスイオン)を
発生させるために、二酸化炭素(CO2)ガスに熱電子を
照射してプラズマ化しているので、酸素ガスを用いるよ
りもO+イオン(酸素プラスイオン)を効率よく発生させ
る(約10倍)ことができる。
また、基体を加熱保持し、イオン化したガスを照射す
るので、加熱保持しない場合と比べて、基体の清浄化が
効率よくでき、また、イオン化したガスの照射による基
体表面のダメージを少なくすることができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は、本発明の酸化物薄膜の製造方法の一実施例を
説明するための図、 第2図は、酸素イオン電流量とY1Ba2Cu3OX超電導薄膜中
の酸素量の関係を示す図である。 図中、1……真空チャンバー、2……酸素イオン発生装
置、3……質量分離装置、4……集束レンズ、5……減
速電極、6……基板(基板)、7……蒸発源、8……基
板加熱装置、9……分子ビーム、10……バイアス電源。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 H01L 39/24 H01L 39/24 B (73)特許権者 999999999 日本電気株式会社 東京都港区芝5丁目7番1号 (72)発明者 喜多 隆介 東京都江東区東雲1丁目14番3号 財団 法人国際超電導産業技術研究センター超 電導工学研究所内 (72)発明者 吉田 功 東京都江東区東雲1丁目14番3号 財団 法人国際超電導産業技術研究センター超 電導工学研究所内 (72)発明者 手嶋 英一 東京都江東区東雲1丁目14番3号 財団 法人国際超電導産業技術研究センター超 電導工学研究所内 (72)発明者 鈴木 克己 東京都江東区東雲1丁目14番3号 財団 法人国際超電導産業技術研究センター超 電導工学研究所内 (72)発明者 森下 忠隆 東京都江東区東雲1丁目14番3号 財団 法人国際超電導産業技術研究センター超 電導工学研究所内 (56)参考文献 特開 昭63−107892(JP,A) 特開 昭57−113548(JP,A)

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】酸化物を構成する元素のうち、酸素を除く
    各元素を各々真空中で蒸発させると同時に、二酸化炭素
    (CO2)ガスを熱電子によりプラズマ分解した中からO+
    イオン(酸素プラスイオン)を質量分離により取り出し
    て集束し、電界にてエネルギー制御した後基体に照射
    し、酸化物薄膜中の酸素量を酸素イオンビームのイオン
    電流量によって制御することにより基体上に酸化物薄膜
    を形成することを特徴とする酸化物薄膜の製造方法。
  2. 【請求項2】イオン化したガスを電界により加速して加
    熱保持した基体に照射して基板表面を清浄化した後基体
    上に酸化物薄膜を形成することを特徴とする請求項1記
    載の酸化物薄膜の製造方法。
  3. 【請求項3】前記基体は、MgO,SrTiO3,LaGaO3,LaAlO3,S
    i,GaAs,Ptのうちのいずれか一つであることを特徴とす
    る請求項1又は2に記載の酸化物薄膜の製造方法。
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