JP2759125B2 - エキシマレーザーによる金属酸化物および金属酸化物薄膜の製造方法 - Google Patents

エキシマレーザーによる金属酸化物および金属酸化物薄膜の製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、エキシマレーザーによる金属酸化物および
金属酸化物薄膜の製造方法に関するものである。
従来の技術 金属酸化物および該薄膜は様々な分野で用いられてお
り、特に最近のファインセラミックス、あるいは最近の
酸化物高温超伝導電導体に代表される素材そのものの高
純度化、高機能化、高微細化によりその用途は飛躍的に
広まりつつある。
この金属酸化物の作製方法は、合成技術の改良、化学
反応の精製技術の向上などに代表される技術向上、また
加熱装置、加熱方法など加熱処理による酸化技術の進歩
によるところが多い。しかしながら、金属酸化物の生成
には焼結過程などに大量の熱エネルギーが必要であり、
またそのため酸化物の組成を正確に制御することは極め
て困難である。
一方、金属酸化物薄膜は、半導体に代表されるエレク
トロニクスのさまざまな分野で用いられており、その製
造方法はCVDなどのドライプロセス技術に負うところが
多い。しかしながら、CVD法では反応温度も高くまた毒
性ガスの副生がさけられない。薄膜の製造方法としてほ
かに真空蒸着法やスパッタリング法もあるが、これらの
方法では高真空、高電圧が必須であり、また気化しにく
い物質は扱いにくかった。
発明が解決しようとする問題点 金属酸化物の高純度化を進めるに従い、化学的、熱的
な処理が煩雑になり、また処理回数も増加し、処理コス
トも高価なものとなる。一方高純度化にも限界があり、
特に各種金属酸化物の結晶構造の微妙な制御などにおい
てはかなり厳密な処理が必要となるため、製造過程に多
くの問題点を抱えている。また、金属酸化物薄膜につい
ては、上記に述べたドライプロセスによる製造では、CV
D装置などの処理装置のコントロールが微妙であり、薄
膜中に多数のボイド、クラックなどが生成しやすく、良
質の薄膜を製造するには技術的にかなり難しい要素があ
る。この方式での連続処理も検討されているが、また十
分なものが得られていないのが現状である。また、電気
化学的に金属酸化物を生成する方法も検討されている
が、アルミニウムなどの弁作用金属以外のものは理論的
にも困難とされている。
問題点を解決するための手段 本発明者らは上記の問題点を解決するにあたり、創意
工夫を繰り返した結果、以下のように金属酸化物および
該薄膜の製造方法を見出すに至った。
すなわち、本発明は金属酸化物を作製するにあたり、
金属有機塩のないし有機金属化合物MmRn(ただしM=S
i、Ge、Sn、Pbの4b族元素、Cr、Mo、Wの6a族元素、M
n、Tc、Reの7a族元素:R=CH3、C2H5、C3H7、C4H9などの
アルキル基、あるいはCH3COO-、C2H5COO-、C3H7COO-、C
4H9COO-などのカルボキシル基、あるいはCOのカルボニ
ル基:m,nは整数)は可溶性溶媒に溶かし、あるいは液体
のものはそのまま、該溶液に基板上に分散塗布した後、
酸素雰囲気下でエキシマレーザーを照射することを特徴
とする、エキシマレーザーによる金属酸化物および金属
酸化物薄膜の製造方法。また、上記金属有機塩ないしは
有機金属化合物を可溶性溶媒に溶かし、あるいは液体の
ものはそのまま、該溶液を基板上に分散塗布した後、酸
素雰囲気下でエキシマレーザーを照射することを特徴と
する金属酸化物および金属酸化物薄膜の製造方法で、近
年急速に進歩してきたレーザー、とりわけエキシマレー
ザーに着目し、レーザー光のもつ高強度性を有効に利用
し、酸素雰囲気下で金属有機塩ないしは有機金属化合物
の光酸化反応によって金属酸化物および該薄膜を作製す
るものである。さらに詳しく述べると金属有機塩ないし
は有機金属化合物にエキシマレーザーを照射し、その励
起エネルギーにより上記化合物を分解すると同時に、金
属を活性化し、やはり励起活性化されている気相中の酸
素により速やかに酸化反応をおこさせるものである。エ
キシマレーザーの種類としては、ArF(193nm)、KrF(2
48nm)、XeCl(308nm)、XeF(351nm)などが簡単に使
用できるが、この反応を効率よく起こさせるためには短
波長レーザーほど有利である。しかし、操作性やガス寿
命を考慮すると、好ましくはKrFレーザー照射が最適で
ある。例えば金属有機塩として酢酸鉛を使用した場合、
反応は次式に従って進行する。反応は大気中の酸素で進
行するが、レーザー出力が強い場合にはとりわけ酸素不
足になるため、反応部位に酸素を供給する必要がある。
反応の進行は供給酸素量に比例するので、反応は好まし
くは酸素雰囲気下で行う。
温和な条件下、酸化物は瞬時に形成されるが、反応は
レーザーが照射されている部分しか進行しないため、撹
拌等によりまんべんなく照射させる必要がある。
次に、薄膜形成の場合には、金属有機塩ないしは有機
金属化合物を水などの可溶性溶媒に溶かし、基板上にス
プレーなどにより分散塗布したのちレーザー照射を行
う。この場合、金属有機塩の溶液濃度は形成される薄膜
の厚みにより決定されるので、一般には薄膜の厚みが薄
いほど希薄溶液を用いたほうが良好である。また、溶媒
により上記酸化反応の効率が異なる場合があるので、金
属有機塩の種類により溶媒種を選択する必要がある。使
用する溶媒としては、水、メタノール、エタノール、エ
チレングリコール、グリセリンおよびそれらの混合溶媒
を各種試みた結果、水または水とメタノールの混合溶媒
を使用したとき、酸化物が良好に生成した。レーザー照
射の繰り返しパルス数は10Hz程度が最適である。また、
基板を移動することにより連続的な薄膜形成プロセスが
可能である。反応は室温でも進行するが、基板を100℃
程度に加熱すると酸化反応はより効率的に進行する。
作用 本発明の基本的反応は上記に示した通りであるが、そ
の原理は金属有機塩ないしは有機金属化合物は結合エネ
ルギー以上のエネルギーを有する波長を照射し、結合を
解離させラジカル状態になった金属元素を酸素と再結合
させて酸化物を生成させるものであるが、ここでエキシ
マレーザーを用いたのは単に結合を解離するだけでな
く、基板表面に高温プラズマ状態を現出させることによ
って、表面のアリーニングも同時に可能となるからであ
る。(酸化アニーリング) 波長の選定はレーザーを発生させる希ガスおよびハロ
ゲンガスの組み合わせによって決定される。現在用いら
れている代表的なエキシマレーザー用ガスと波長は、Ar
F(193nm)、KrF(248nm)、XeCl(308nm)、XeF(351n
m)などがあるが、酸化アニーリング作用は短波長など
有利である。しかしながら、上記したようにArF(193n
m)はガス寿命が短い欠点があるので、実際的にはKrF
(248nm)の照射がとりわけ有効である。またガスの安
定性が最も高いXeCl(308nm)レーザーも好ましく使用
される。エキシマレーザー光量子のもつ高強度性・高密
度性を有効に利用することによって、均一清浄な表面の
みならず、多孔性の基板でも基板表面の形状にかかわら
ず均一な薄膜が形成されることが特長であり、電子材料
への応用などに多くの用途が見込まれる。また、パルス
繰り返し数を変えることにより形成される酸化物薄膜の
厚さを調節できるので、膜厚制御に有効な手段となる。
さらに基板上に高分解能で酸化物皮膜のパターンをもた
らすように集束することもできる。
実施例 以下に実施例を具体的実施例について述べる。
(実施例1) 市販の試薬特級酢酸鉛40mgをめのう製撹拌装置を内蔵
した反応容器に入れ撹拌し、過剰の酸素ガスを供給しな
がらKrF(248nm)エキシマレーザーを200mJ/pulse、10H
zで180秒照射した。生成した黒色の反応生成物を、XP
S、X線解析およびESCAで分析することにより100%のPb
O2の生成が確認された。
(実施例2) 実施例1で用いた酢酸鉛を純水に飽和溶解させ、アル
ミナ基板上にスプレー塗布し、酸素ガスを供給しながら
上記の条件でエキシマレーザーを照射した。生成した薄
膜を無じく、XPS、X線解析、ESCAで分析することによ
り100%のPbO2の生成を確認した。XPSの結果を図2にし
めす。PbO2の4f5/2および7/2に起因するピークが出現
し、基板のAlに起因するピークが消失していることか
ら、表面がすべて酸化鉛薄膜で覆われたことが明らかで
ある。
なお、上記実施例は金属有機塩の酢酸鉛について述べ
たが金属有機塩ないし有機金属化合物MmRnとしてM=S
i、Ge、Sn、Pbの4b族元素、Cr、Mo、Wの6a族元素、M
n、Tc、Reの7a族元素:R=CH3、C2H5、C3H7、C4H9などの
アルキル基、あるいはCH3COO-、C2H5COO-、C3H7COO-、C
4H9COO-などのカルボシル基、あるいはCOのカルボニル
基も同様な効果が得られる。
発明の効果 以上のように、本発明により製作した金属酸化物およ
び該薄膜はきわめて高純度であり、エキシマレーザーを
用いることによって温和な条件で、しかも短時間で酸化
物皮膜を作製できるので、従来法に比べて大幅に省エネ
ルギーとなり、生産性の向上、プロセスのコストダウン
が可能となり、工業的かつ実用的価値の大なるものであ
る。
【図面の簡単な説明】
第1図はエキシマレーザーによる金属酸化物および金属
酸化物薄膜の製造装置の概要図、第2図はXPS測定によ
る結合エネルギー〔Eb(100eV/div)〕−強度(%)特
性図で、aは反応前のアルミ基板、bは酸化アニーリン
グ後を示し、cは酸化鉛部分の拡大図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 FI H01B 12/06 ZAA H01B 12/06 ZAA (72)発明者 望月 隆 京都府京都市中京区御池通烏丸東入一筋 目仲保利町191番地の4 上原ビル3階 ニコチン株式会社内 (56)参考文献 特開 平1−148798(JP,A)

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】金属酸化物を作製するにあたり、金属有機
    塩ないし有機金属化合物MmRn(ただしM=Si、Ge、Sn、
    Pbの4b族元素、Cr、Mo、Wの6a族元素、Mn、Tc、Reの7a
    族元素:R=CH3、C2H5、C3H7、C4H9などのアルキル基、
    あるいはCH3COO-、C2H5COO-、C3H7COO-、C4H9COO-など
    のカルボキシル基、あるいはCOのカルボニル基:m
    整数)を可溶性溶媒に溶かし、あるいは液体のものはそ
    のまま、該溶液を基板上に分散塗布した後、酸素雰囲気
    下でエキシマレーザーを照射することを特徴とする、エ
    キシマレーザーによる金属酸化物および金属酸化物薄膜
    の製造方法。
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