JP3694737B2 - 酸化亜鉛基ホモロガス化合物薄膜の製造法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、ホモロガス化合物の物性異方性を利用した熱電材料、伝導体膜、触媒膜などに利用可能な酸化亜鉛基ホモロガス化合物薄膜の製造法に関する。
【0002】
【従来の技術】
多結晶焼結体を基点とする材料合成では、高い結晶異方性を利用する高配向度のホモロガス化合物材料の合成は実現されていない。また、例えば、AnchuanWang らの報告(Appl. Phys. Lett. 誌 第73巻 第3号 327ページ)に見られるように、高濃度にインジウムやガリウムをドープした薄膜中においてホモロガス相の偶発的な生成は観察されているが粒子配向したホモロガス相の形成は確認されていない。
【0003】
また、例えば、H.Hiramatsu らの報告( Chem. Mater.誌,第10,1998年,3033頁)にあるように、X線極点図形において、ブロードなリングパターンを与える膜は得られているが、シャープな6回対称を持つピークパターンを示す薄膜を製造する技術は確立していない。
【0004】
基板結晶、基板物質との格子定数(原子間距離)の相違から、完全配向した酸化亜鉛基ホモロガス化合物薄膜は得られていない。基板との格子定数不整合は転移の発生、粒界の発生に帰結し、これにより、粒子配向性の乱れが導入され、高い配向度を持った薄膜は実現されていない。
【0005】
従来の技術では、ホモロガス化合物薄膜が示すX線、電子線回折図形のうち、強い強度を示すピークやスポットから算出される概算された格子定数によって結晶相の同定がなされるにとどまり、ホモロガス層本来の長周期構造に起因する電子線回折図形が得られる高い結晶性を持った薄膜の製造はなされていない。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、ホモロガス化合物が有する結晶異方性を有用な素子に応用するため、高い粒子配向性と高い結晶性を有したホモロガス化合物薄膜を得るための成膜条件、成膜後の熱処理条件を改善し、X線回折パターン、電子線回折パターンから高い配向性と高い結晶性を確認しうるホモロガス化合物薄膜を合成することである。
【0007】
特に、結晶方位の揃ったホモロガス化合物は、その物性異方性を利用した熱電材料、導電体膜、触媒膜などに利用可能である。しかし、従来技術では方位の揃った薄膜は得られておらず、この層状の結晶構造に由来する物性の異方性を利用したデバイスに利用可能な薄膜材料を得るには、結晶方位が揃った薄膜材料を製造する必要がある。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明は、以下のいずれかの方法により(In1−xGax)2O3(ZnO)m薄膜の製造を可能とする。すなわち、本発明は、(1):酸化亜鉛基ホモロガス化合物に対応した(In1−xGax)2O3(ZnO)m(ただし、0≦x≦1、Inおよび/またはGa対Zn比が原子比で0.1〜0.67、mは3〜20の整数)の組成を持つ多結晶焼結体をターゲットとして用い、酸素ガスとアルゴンガスの2種類のガスをともに含む雰囲気でのスパッタ法によって、無添加の酸化亜鉛多結晶焼結体をターゲットとしたスパッタ法によって得られる酸化亜鉛基薄膜により5〜20nm厚みだけの被覆を施したアルミナ(0001)基板上に成膜し、成膜後、特に熱処理を施すこと無しに、X線極点図形、および、電子線回折、高分解能透過電子顕微鏡観察によって、結晶方位のC軸が膜厚方向に配向したヘテロエピタキシャル薄膜であることが確認しうるC軸配向したホモロガス相(In1−xGax)2O3(ZnO)m(ただし、0≦x≦1、Inおよび/またはGa対Zn比が原子比で0.1〜0.67、mは3〜20の整数)を得ることを特徴とする酸化亜鉛基ホモロガス化合物薄膜の製造法である。
【0009】
また、本発明は、(2): 酸化亜鉛基ホモロガス化合物に対応した(In1−xGax)2O3(ZnO)m(ただし、0≦x≦1、Inおよび/またはGa対Zn比が原子比で0.1〜0.67、mは3〜20の整数)の組成を持つ多結晶焼結体をターゲットとして用い、アルゴンガスを含む雰囲気でのスパッタ法によって、無添加の酸化亜鉛多結晶焼結体をターゲットとしたスパッタ法によって得られる酸化亜鉛基薄膜により5〜20nm厚みだけの被覆を施したアルミナ(0001)基板上に成膜した後に、酸素を含む雰囲気において熱処理を加えることにより、X線極点図形、および、電子線回折、高分解能透過電子顕微鏡観察によって、結晶方位のC軸が膜厚方向に配向したヘテロエピタキシャル薄膜であることが確認しうるC軸配向したホモロガス相(In1−xGax)2O3(ZnO)m(ただし、0≦x≦1、Inおよび/またはGa対Zn比が原子比で0.1〜0.67、mは3〜20の整数)を得ることを特徴とする酸化亜鉛基ホモロガス化合物薄膜の製造法である。
【0010】
また、本発明は、(3): 酸化亜鉛基ホモロガス化合物に対応した(In 1−x Ga x ) 2 O 3 (ZnO) m ( ただし、0≦x≦1、Inおよび/またはGa対Zn比が原子比で0.1〜0.67、mは3〜20の整数 ) の組成を持つ多結晶焼結体をターゲットとして用い、酸素ガスとアルゴンガスの2種類のガスをともに含む雰囲気でのスパッタ法によって、アルミを原子比で10%以下、Inを原子比で30%以下のいずれか、または、両方を添加した酸化亜鉛多結晶焼結体をターゲットとしたスパッタ法によって得られる酸化亜鉛基薄膜により5〜20nm厚みだけの被覆を施したアルミナ(0001)基板上に成膜し、成膜後、特に熱処理を施すこと無しに、X線極点図形、および、電子線回折、高分解能透過電子顕微鏡観察によって、結晶方位のC軸が膜厚方向に配向したヘテロエピタキシャル薄膜であることが確認しうるC軸配向したホモロガス相 ( In 1−x Ga x ) 2 O 3 (ZnO) m ( ただし、0≦x≦1、Inおよび/またはGa対Zn比が原子比で0.1〜0.67、mは3〜20の整数 ) を得ることを特徴とする酸化亜鉛基ホモロガス化合物薄膜の製造法である。
【0011】
また、本発明は、(4):酸化亜鉛基ホモロガス化合物に対応した(In 1−x Ga x ) 2 O 3 (ZnO) m ( ただし、0≦x≦1、Inおよび/またはGa対Zn比が原子比で0.1〜0.67、mは3〜20の整数 ) の組成を持つ多結晶焼結体をターゲットとして用い、アルゴンガスを含む雰囲気でのスパッタ法によって、アルミを原子比で10%以下、Inを原子比で30%以下のいずれか、または、両方を添加した酸化亜鉛多結晶焼結体をターゲットとしたスパッタ法によって得られる酸化亜鉛基薄膜により5〜20nm厚みだけの被覆を施したアルミナ(0001)基板上に成膜した後に、酸素を含む雰囲気において熱処理を加えることにより、X線極点図形、および、電子線回折、高分解能透過電子顕微鏡観察によって、結晶方位のC軸が膜厚方向に配向したヘテロエピタキシャル薄膜であることが確認しうるC軸配向したホモロガス相(In 1−x Ga x ) 2 O 3 (ZnO) m ( ただし、0≦x≦1、Inおよび/またはGa対Zn比が原子比で0.1〜0.67、mは3〜20の整数 ) を得ることを特徴とする酸化亜鉛基ホモロガス化合物薄膜の製造法である。
【0012】
また、本発明は、▲5▼:上記のいずれかの方法によって得られる酸化亜鉛基薄膜に対して、その薄膜の結晶配向性、結晶粒子の結晶性を向上させるために酸素を含む雰囲気中において、熱処理を施すことを特徴とする酸化亜鉛基ホモロガス化合物薄膜の製造法である。
【0013】
【発明の実施の形態】
本発明は、配向性を実現するため、目的のホモロガス化合物と比較的格子定数の近いアルミナ単結晶(0001)面を基板材質として利用する。薄膜はスパッタ法によって製造することとし、酸化亜鉛基ホモロガス化合物に対応した(In1−xGax)2O3(ZnO)m(ただし、0≦x≦1、Inおよび/またはGa対Zn比が原子比で0.1〜0.67、mは整数)の組成を持つ多結晶焼結体をターゲットとして用いる。(In1−xGax)2O3(ZnO)mのInおよび/またはGa対Zn比が原子比で0.1〜0.67とするのは、目的とする薄膜の組成式のmに相当するものであり、
m=3〜20が好ましい。m=3は、Inおよび/またはGa対Zn比が0.67に対応し、m=20では、Inおよび/またはGa対Zn比が0.1に対応する。
【0014】
上記▲1▼の製造方法においては、 成膜中にInおよび/またはGaが酸化亜鉛膜中に十分に取り込まれるようにするため、Inおよび/またはGaを十分に酸化するに足る酸素ガスを含む雰囲気でスパッタ成膜を行う。この際に、酸素だけでは不純物が析出する恐れがあるため、アルゴンガスを加えておく。また、装置の構成上、高濃度の酸素が存在した場合、金属部分が酸化してしまい、装置が正常に動作しなくなる恐れがあるので、アルゴンで希釈した酸素を用いることが望ましい。酸素とアルゴンの比は特に限定されないが、好ましくは体積比で50:50程度とする。
【0015】
上記▲2▼の製造方法においては、アルゴンを含む雰囲気においてスパッタ成膜を行った後に、成膜後に酸素を含む雰囲気ガス中で熱処理を施すことにより製造する。この場合、600℃未満の温度では極めて長時間の熱処理が必要になる場合、あるいは、長時間の熱処理を施しても効果が現れない可能性があるため、実用的には600℃以上の酸素雰囲気中で熱処理することが望ましい。
▲2▼の製造方法においては、熱処理を施すというプロセスが入るため、酸素を特に供給する必要はないので、スパッタによる成膜の際のガスは、アルゴンを含む雰囲気は酸素を含んでいても、含んでいなくても良い。
【0016】
上記(1)、(2)の製造方法においては、 基板のアルミナとホモロガス化合物の格子定数不整合による格子歪み、内部応力による配向性の劣化を抑止するため、酸化亜鉛薄膜を5〜20nm厚まで堆積させることによって酸化亜鉛被覆されたアルミナ単結晶(0001)面を基板として用いる。酸化亜鉛薄膜を5〜20nm厚とするのは、5nm未満では、界面での格子歪み、内部応力の効果が被覆層を通過して製造しようとしている薄膜にまで達してしまう。これに対して、20nmを越えた場合、被覆層自身に含まれる格子歪み、内部応力を安定化させてしまい、取り除くことができなくなる。そのため、被覆層によって内部応力、格子歪みを緩和させるには、5〜20nmの被覆が必要である。
【0017】
上記(3)、(4)の製造方法においては、アルミを原子比で10%以下および/またはインジウムを原子比で30%以下添加した酸化亜鉛薄膜を5〜20nm厚まで堆積させることによって、酸化亜鉛被覆されたアルミナ単結晶(0001)面を基板として用いる。アルミが10%を越えると、酸化亜鉛中のアルミが不安定となり、酸化亜鉛結晶外に吐き出されて析出することがあり、この析出は、膜の質を低下させてしまう。インジウムについても、同様で、被覆基板に過剰なインジウムが存在すると、酸化インジウムとして析出して良質な膜の製造の妨げとなる。
【0018】
上記(5)の製造方法においては、(1)〜(4)の製造方法で得られる酸化亜鉛基ホモロガス化合物薄膜に対して、その薄膜の結晶配向性、結晶粒子の結晶性を向上させるために酸素を含む雰囲気中において、好ましくは600℃以上の温度で熱処理を施す。600℃未満の温度では、極めて長時間の熱処理が必要となり、さらに、長時間の処理を施しても熱処理の効果が現れない場合があり、製造法として有効ではない。
【0019】
本発明の方法によれば、ホモロガス化合物の物性異方性を利用した熱電材料、伝導体膜、触媒膜などに利用可能な薄膜材料を得ることができる。
【0020】
【実施例】
実施例1
一般的な市販のrfマグネトロンスパッタリング装置(日本電子(株)製造)を用い、ターゲットに(Zn1−xInx)Oy多結晶焼結体(x=0.286、酸素量yは未定量)を用い、成膜開始前の装置内真空度を5.0×10-4 Pa以下とし、単結晶アルミナ基板の0001面上へ薄膜を堆積した。成膜時にArガスによって50%に希釈した酸素ガスを装置内に導入し、装置内圧力を2Paとし、基板の温度を400℃として薄膜を製造した。
【0021】
図1は、その結果として得られたIn2O3(ZnO)5薄膜から得られたX線回折極点図形を示す。図1に示すように、X線回折図形で良好なC軸配向性を示す薄膜が得られた。また、図2は、このIn2O3(ZnO)5薄膜から得られた電子線回折パターンである。図2に示すように、ホモロガス化合物(m=5)に対応した電子線回折図形が得られ、ほぼ、C軸配向したホモロガス化合物の製造が確認された。
【0022】
実施例2
実施例1で得られたIn2O3(ZnO)5薄膜に、さらに、800℃酸素1気圧の気流中での4時間の熱処理を施した。図3は、熱処理後のIn2O3(ZnO)5薄膜の電子線回折パターンである。図3に示すように、理想的なホモロガス化合物の電子線回折パターンを与える高結晶性、高配向性ホモロガス化合物が製造された。
【0023】
実施例3
実施例1と同じスパッタリング装置を用い、ターゲットに(Zn1−xInx)Oy多結晶焼結体(x=0.286、酸素量yは未定量)を用い、成膜開始前の装置内真空度を5.0×10-4Pa以下とし、薄膜を堆積した。基板には、約10nm厚のC軸配向した酸化亜鉛薄膜でコーティングされた単結晶アルミナ基板の0001面を用い、成膜時にArガスを導入し、装置内圧力を2Paとし、基板の温度を400℃として薄膜を製造した。得られた薄膜に、800℃酸素1気圧の気流中での4時間の熱処理を施した。図4は、得られたIn2O3(ZnO)5薄膜の電子線回折パターンである。図4の電子線回折図形に見られる高い結晶性と配向性を有するホモロガス化合物(m=5)薄膜を得た。
【0024】
実施例4
アルミ添加酸化亜鉛でコーティングされた単結晶アルミナ基板の0001面を基板として用い、実施例3と同様の薄膜製造を行った。図5は、実施例1によって製造したIn2O3(ZnO)5薄膜(a)と実施例4によって製造したIn2O3(ZnO)5薄膜(b)の透過電子顕微鏡高分解能像である。図5に示すように、実施例1で得られた、コーティングなしのアルミナ基板上に製造したホモロガス化合物薄膜(a)に比較して、コーティング層を有するアルミナ基板上に製造したホモロガス化合物薄膜(b)の方がより結晶性、配向性の高い高分解能電子顕微鏡像を与えることが確認され、コーティング基板を用いることによる配向性の向上、結晶性の向上が確認された。
【0025】
実施例5
実施例1と同じスパッタリング装置を用い、ターゲットに、(Zn1−xInx)Oy多結晶焼結体(x=0.1、酸素量yは未定量)を用い成膜開始前の装置内真空度を5.0×10-4Pa以下とし、単結晶アルミナ基板0001面上に薄膜を堆積した。成膜時にはArガスによって50%に希釈した酸素ガスを装置内に導入し、装置内圧力を2Paとし、基板の温度を400℃として成膜した。この薄膜に、800℃、酸素1気圧の気流中で8時間の熱処理を施した。この試料を電子顕微鏡で観察し、In2O3(ZnO)20に相当する像が観察された。また、X線回折測定からIn2O3(ZnO)20に相当する回折図形が得られた。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は、実施例1で製造したIn2O3(ZnO)5薄膜のX線極点図形パターンを示す図である。
【図2】図2は、実施例2で製造したIn2O3(ZnO)5薄膜の電子線回折パターンを示す図面代用写真である。
【図3】図3は、実施例2で製造したIn2O3(ZnO)5薄膜の電子線回折パターンを示す図面代用写真である。
【図4】図4は、実施例3で製造したIn2O3(ZnO)5薄膜の電子線回折パターンを示す図面代用写真である。
【図5】図5は、実施例1(図5a)および実施例4(図5b)のIn2O3(ZnO)5薄膜の透過電子顕微鏡高分解能像を示す図面代用写真である。
Claims (5)
- 酸化亜鉛基ホモロガス化合物に対応した(In1−xGax)2O3(ZnO)m(ただし、0≦x≦1、Inおよび/またはGa対Zn比が原子比で0.1〜0.67、mは3〜20の整数)の組成を持つ多結晶焼結体をターゲットとして用い、酸素ガスとアルゴンガスの2種類のガスをともに含む雰囲気でのスパッタ法によって、
無添加の酸化亜鉛多結晶焼結体をターゲットとしたスパッタ法によって得られる酸化亜鉛基薄膜により5〜20nm厚みだけの被覆を施したアルミナ(0001)基板上に成膜し、成膜後、特に熱処理を施すこと無しに、X線極点図形、および、電子線回折、高分解能透過電子顕微鏡観察によって、結晶方位のC軸が膜厚方向に配向したヘテロエピタキシャル薄膜であることが確認しうるC軸配向したホモロガス相(In1−xGax)2O3(ZnO)m(ただし、0≦x≦1、Inおよび/またはGa対Zn比が原子比で0.1〜0.67、mは3〜20の整数)を得ることを特徴とする酸化亜鉛基ホモロガス化合物薄膜の製造法。 - 酸化亜鉛基ホモロガス化合物に対応した(In1−xGax)2O3(ZnO)m(ただし、0≦x≦1、Inおよび/またはGa対Zn比が原子比で0.1〜0.67、mは3〜20の整数)の組成を持つ多結晶焼結体をターゲットとして用い、アルゴンガスを含む雰囲気でのスパッタ法によって、
無添加の酸化亜鉛多結晶焼結体をターゲットとしたスパッタ法によって得られる酸化亜鉛基薄膜により5〜20nm厚みだけの被覆を施したアルミナ(0001)基板上に成膜した後に、酸素を含む雰囲気において熱処理を加えることにより、X線極点図形、および、
電子線回折、高分解能透過電子顕微鏡観察によって、結晶方位のC軸が膜厚方向に配向したヘテロエピタキシャル薄膜であることが確認しうるC軸配向したホモロガス相(In1−xGax)2O3(ZnO)m(ただし、0≦x≦1、Inおよび/またはGa対Zn比が原子比で0.1〜0.67、mは3〜20の整数)を得ることを特徴とする酸化亜鉛基ホモロガス化合物薄膜の製造法。 - 酸化亜鉛基ホモロガス化合物に対応した(In1−xGax)2O3(ZnO)m(ただし、0≦x≦1、Inおよび/またはGa対Zn比が原子比で0.1〜0.67、mは3〜20の整数)の組成を持つ多結晶焼結体をターゲットとして用い、酸素ガスとアルゴンガスの2種類のガスをともに含む雰囲気でのスパッタ法によって、
アルミを原子比で10%以下、Inを原子比で30%以下のいずれか、または、両方を添加した酸化亜鉛多結晶焼結体をターゲットとしたスパッタ法によって得られる酸化亜鉛基薄膜により5〜20nm厚みだけの被覆を施したアルミナ(0001)基板上に成膜し、
成膜後、特に熱処理を施すこと無しに、X線極点図形、および、電子線回折、高分解能透過電子顕微鏡観察によって、結晶方位のC軸が膜厚方向に配向したヘテロエピタキシャル薄膜であることが確認しうるC軸配向したホモロガス相(In1−xGax)2O3(ZnO)m(ただし、0≦x≦1、Inおよび/またはGa対Zn比が原子比で0.1〜0.67、mは3〜20の整数)を得ることを特徴とする酸化亜鉛基ホモロガス化合物薄膜の製造法。 - 酸化亜鉛基ホモロガス化合物に対応した(In1−xGax)2O3(ZnO)m(ただし、0≦x≦1、Inおよび/またはGa対Zn比が原子比で0.1〜0.67、mは3〜20の整数)の組成を持つ多結晶焼結体をターゲットとして用い、アルゴンガスを含む雰囲気でのスパッタ法によって、
アルミを原子比で10%以下、Inを原子比で30%以下のいずれか、または、両方を添加した酸化亜鉛多結晶焼結体をターゲットとしたスパッタ法によって得られる酸化亜鉛基薄膜により5〜20nm厚みだけの被覆を施したアルミナ(0001)基板上に成膜した後に、酸素を含む雰囲気において熱処理を加えることにより、X線極点図形、および、電子線回折、高分解能透過電子顕微鏡観察によって、結晶方位のC軸が膜厚方向に配向したヘテロエピタキシャル薄膜であることが確認しうるC軸配向したホモロガス相(In1−xGax)2O3(ZnO)m(ただし、0≦x≦1、Inおよび/またはGa対Zn比が原子比で0.1〜0.67、mは3〜20の整数)を得ることを特徴とする酸化亜鉛基ホモロガス化合物薄膜の製造法。 - 請求項1、2、3および4のいずれかの方法によって得られる酸化亜鉛基ホモロガス化合物薄膜に対して、その薄膜の結晶配向性、結晶粒子の結晶性を向上させるために酸素を含む雰囲気中において、熱処理を施すことを特徴とする酸化亜鉛基ホモロガス化合物薄膜の製造法。
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