JP4500988B2 - 低磁気抵抗遷移金属クラスター集合体及びその製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、低磁気抵抗遷移金属クラスター集合体及びその製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
金属や半導体の電気抵抗は、温度、磁場、圧力、雰囲気ガス濃度などの外部環境変化により変化する。
金属や半導体の電気抵抗は、原理的にはテスターがあれば測定できるため、外部環境変化を検出するセンサーとして多用されている。
種々のセンサーのうち温度センサーは、我々の日常生活における温度測定ばかりでなく、工業生産プロセスにおける温度制御、電子機器などの環境温度の検出など、最も普及度が高く、その材料としては、金属薄膜と半導体・酸化物薄膜に大別される。
【0003】
金属薄膜においては温度上昇に伴い格子振動が誘起され伝導電子が散乱されることを利用しており、それを強調させるために、結晶粒の大きさや膜厚を制御することが必要である。
一方、半導体温度センサーは、温度上昇に伴い伝導電子の数が増加することにより電気抵抗が減少することを利用しており、一般的に、半導体における伝導電子の数の温度変化の方が変化が著しく、半導体温度センサーは、センサーとしての感度が高く、適用温度範囲が広い。
【0004】
なお、膜厚約10nmの高融点金属(W、Mo、Ta、Zr、Ptなど)の極薄膜の測定結果があり、これらの金属の電気抵抗は、室温あるいはそれ以上の高温では、温度降下とともに減少する通常の金属の特徴を示すが、温度降下とともにその変化量が小さくなり、極小を示した後、温度100K以下の低温領域では、温度降下とともに増加する。
【0005】
また、磁気抵抗は、通常の常磁性金属と同様、正の値である(磁場と共に増加する)。
伝導電子からみて2次元的なサイズを有する極薄膜状態では、いわゆる電子の局在効果が増強されて負の磁気抵抗効果が増強され、これら電気抵抗への正負の寄与が打ち消しあうことに起因して、4.2K、磁場5Tにおいて、約0.5−1%の負の磁気抵抗が観察されている。
【0006】
【特許文献1】
特開2000−96112号公報
【特許文献2】
特開2000−336477号公報
【0007】
【発明が解決しようとしている課題】
近年、モーターなど電磁駆動システムの多角的利用、高周波を用いた熱処理(電子レンジなど)、超伝導磁石や強磁場中での半導体結晶の製造や核磁気共鳴による医療診断(MRI)の普及が目覚しい。これら磁場を用いた環境においては、磁場の高感度検出とともに、磁場の大きさや変動の影響を受けずに温度や環境測定を容易に行なうことが課題となる。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記課題を解決するものであり、その第1の要旨は、平均サイズ4−10nmのサイズの揃ったTaクラスターをガラス基板上に堆積させてなる低磁気抵抗遷移金属クラスター集合体である。
また、第2の要旨は、絶縁体基板(ガラス、プラスティック)の上に、プラズマガス中凝縮クラスター堆積装置を用いて、該装置に導入するArやHeガスの流量、クラスター成長領域長さ等を制御することにより、平均サイズ4−10nmのサイズの揃ったTaクラスターを堆積させることを特徴とする低磁気抵抗遷移金属クラスター集合体の製造方法である。
また、第3の要旨は、前記Taクラスターをマグネシウム酸化物で被覆することを特徴とするものである。
【0009】
【発明の実施の形態】
本発明は、高効率プラズマガス中凝縮クラスター堆積装置(特開2000−336477号公報)を利用して行うものであるため、先ずこの装置について説明する。
図1は、高効率プラズマ中凝縮クラスター堆積装置の全体の概要を示し、図2は、その要部を拡大して示したものである。
【0010】
真空チャンバー1の中央に円筒形のクーリングケース3が収納され、固定されている。このクーリングケース3の内部はスパッタ室22となっている。クーリングケース3の外周に巻き付けて設けた冷却配管4に液体窒素等の冷媒が循環し、前記スパッタ室22の内部が冷却されるようになっている。
スパッタ室22はターボ分子ポンプ5で排気され、10-8Torr台の真空に達した後、ポンプ5から遮断される。その後、スパッタ室22には、希ガス導入用の配管14を通してマスフローコントローラー15で流量制御されたHeガス、希ガス導入用の配管11を通して、マスフローコントローラー12で流量制御されたArガス等が導入される。
【0011】
一方、隣接する部屋23が高排気能のメカニカルブースターポンプで排気されているため、スパッタ室22もノズル26を介して排気される。スパッタ室22の圧力は真空計16により測定され、その測定結果が上記のマスフローコントローラー12,15にフィードバックされる。このようにしてスパッタ室22は1〜10Torr程度の希ガス分圧の状態に保たれる。
【0012】
クーリングケース3の中心軸上であって、図1及び図2において、右端面にノズル26が開口しており、このノズル26を介してスパッタ室22に隣接する部屋23に通じている。この部屋23はメカニカルブースターポンプ6で排気されている。
スパッタ室22の中央部にはクラスターを発生させるターゲット20を保持する陰極18が配置されている。この陰極18は、円筒形のトランスファーロッド21の一端側に設けられ、前記ノズル26に向けて設置されている。
【0013】
トランスファーロッド21は、真空チャンバー1及びクーリングケース3の中心軸上に配置されているとともに、その他端は、真空チャンバー1の図1において左端面に設けたシーリングガイド10に、気密にシールされた状態でスライド自在に支持されている。このトランスファーロッド21は、前記シーリングガイド10にガイドされた状態で、図1に矢印で示すように、その長手方向にスライドできるため、前記の陰極18の位置を同方向に調整することができるようになっている。
【0014】
陰極18の内部には、同心状に複数個の磁石34が配置され、これにより陰極18上に磁界が形成される。陰極18であるターゲットで発生した電子は、この磁界によりローレンツ力を受けてマグネトロン運動するため、電子によるArガスのイオン化が促進され、スパッタで発生する金属原子の量も増大する。また、この陰極18の内部には、前記トランスファーロッド21の内部を通した冷却配管13を介して冷却水が循環されて、冷却され、ターゲットの加熱,融解を防いでいる。陰極18の前面には、表面上にイオンを衝突させてスパッタリングするターゲット20が保持される。
【0015】
陰極18とその前面のターゲット20の周囲は円筒形のシールドカバー2で覆われており、このシールドカバー2の前面はターゲット20の中心に向けて迫り出し、その内周縁部が陰極18とターゲット20の外周側をカバーしている。これにより、陰極18とターゲット電極20は、ターゲット電極20から飛び出した原子,分子が後述する基板32に向けて発射する経路を除いてシールドカバー2で覆われている。
【0016】
図2に示すように、このシールドカバー2の前面部分とターゲット20との間に間隙δが形成され、この間隙δは0.3mm程度に設定されている。これらシールドカバー2とその周囲の部材は、フッ素系樹脂等の耐高圧の絶縁被膜、例えば商品名「テフロン(登録商標)」等でコーティングしておくと良い。
【0017】
図1及び図2に示すように、前記トランスファーロッド21の内部に希ガス導入用の配管11が配置され、この配管11が前記シールドカバー2の内周部分に接続されている。さらにこのシールドカバー2の内周部分は、同シールドカバー2の前面部分とターゲット20との間隙δに通じている。
マスフローコントローラー12により流量制御しながら、前記配管11から希ガスとしてArガスを導入すると、このArガスは、前記シールドカバー2の内側を通ってシールドカバー2の前面部分とターゲット20との間隙δからスパッタ室22内に流れる。
【0018】
真空チャンバー1の前記トランスファーロッド21のシーリングガイド10が設けられたのと反対側の端部に成膜室35が形成されている。この成膜室35の中には、ホルダー31が配置され、このホルダー31に基板32が保持される。
ホルダー31は、トランスファーロッド30により成膜室35の径方向に移動できるようになっており、図1に示すように、基板32が成膜室35の中心に配置されたとき、この基板32と前記ターゲット20とが対向する。
ホルダー31の背後には膜厚計33が配置され、基板32上に堆積されるクラスターの重量を監視する。この成膜室35には、ターボ分子ポンプ等の真空ポンプ9が接続され、クラスター堆積中も10-7Torr程度の高い真空度に維持される。
【0019】
前記ターゲット20側のスパッタ室22と前記基板32側の成膜室35との間は、隔壁によって複数の部屋23,24,25に区画されている。ターゲット20と基板32とを結ぶ直線の経路上にノズル26,27,28,29が配置され、前記スパッタ室22と成膜室35とを含む隣接する複数の部屋23,24,25は、これらノズル26,27,28,29を介してのみ通じている。また、ターゲット20と基板32とは、ノズル26,27,28,29を通して対向する。
【0020】
前述のように、スパッタ室22は、配管11,14を通してAr,He等の希ガスが導入されるとともに、部屋23をメカニカルブースターポンプで排気しているので、ノズル26を介して同時に排気され、1〜10Torr程度の真空度に維持される。また、前記の成膜室35は、ターボ分子ポンプ等の真空ポンプ9が接続され、10-7Torr台の真空度に維持される。そして、これらスパッタ室22から成膜室35に至る部屋23,24,25には、それぞれ10-2Torr,10-4Torr,10-6Torr台の真空度に維持される。即ち、スパッタ室22から成膜室35に近くなるに従って、部屋23,24,25の真空度が段階的に高く(ガス圧が低く)なるように維持される。部屋23には真空計17が取り付けられ、その部分の真空度が計測される。
【0021】
このような構成からなる高効率プラズマガス中凝縮クラスター堆積装置を使用し、不純物を取り除いたArガスは、ターゲット前面に導入され、また、Heガスは、スパッタ部の後方より導入し、直径5mmのノズルを通してポンプにより高速排気を行なう。スパッタ室では約1.0Torrの高い圧力領域においてスパッタを行なう。クラスターの核生成、成長はターゲットとノズル間の成長領域で行なわれる。
本例では、スパッタ電力300W、Arガス流量300sccm、Heガス流量600sccm、成長領域長さ120mmの条件で、Taクラスターをガラス基板上に堆積させた。
また、マグネシウム酸化物で被覆して、酸化やクラスター同士の融合、粗大化を防ぐ対策を施した。
【0022】
このように、プラズマガス中凝縮クラスター堆積装置に導入するArやHeガスの流量、クラスター成膜室35内での堆積を制御することにより、クラスターサイズの制御が可能であり、平均サイズ4−10nmのTaクラスターで構成されるクラスター集合体を作製し、作成条件によるクラスターサイズの変化を観察するために飛行時間型質量分析器による質量分析を行なった。
また、試料の電気抵抗は温度2〜300K、磁場0〜5Tの範囲で測定を行なった。
【0023】
図3のTaクラスター集合体の電気抵抗を示すグラフから明らかなように、4−300Kの温度範囲で、これらの試料の電気抵抗の温度依存性を測定した結果、Taクラスター集合体では、温度降下に伴い抵抗が増加し、半導体的な温度依存性を示した。
図3に示すグラフから抵抗の温度依存性とクラスターサイズを比較すると、Taサイズの最も大きな試料の温度勾配が最も平坦になった。
温度勾配とクラスターサイズは単純な比例関係を示さなかったが、これは試料の膜厚が異なっていたためと思われる。クラスターサイズが大きくても膜厚が薄いと温度勾配が高くなる傾向が見られる。
【0024】
さらに磁気抵抗は、図4に示すTaクラスターの温度5Kの磁気抵抗比の磁場依存性のグラフから明らかなように、磁気抵抗比は正であり、磁場5Tにおいて、0.8%程度であった。
温度変化の解析より、これらの小さな磁気抵抗効果の原因として、電子の局在効果が有力であるが、薄膜の場合の低次元性と異なり、バリアブルレンジホッピングの機構で、電子がクラスター間を移動することに起因すると考えられる。
【0025】
また、図5のグラフのように、磁場0Tおよび5Tでの電気抵抗は、2−400Kの広い温度範囲で(温度変化により)、電気抵抗が1−2桁変化し、しかも、磁気抵抗比が温度5Kにおいても、磁場5T中で+0.8%と極めて小さい値を示す。
このことはTaクラスター集合体が、磁場の作用している環境下で温度を正確に測定することのできる磁場不感性温度センサーとしての特性を有することを示している。
【0026】
従来の抵抗値は、膜厚を数10nm以下にすると数10kΩとなる。また、電気抵抗の温度変化率(抵抗温度係数)や磁気抵抗の符号が、低温と高温で異なるなど複雑である。しかし、本発明のTaクラスター集合体は、クラスター集合体特有の局在効果が生じており、その抵抗値を1kΩ程度に抑さえることができ、電気抵抗温度係数、磁気抵抗の符号も変化せず、実用性が高いものとなる。
【0027】
【発明の効果】
本発明は、平均サイズ4−10nmのサイズの揃ったTaクラスターをガラス基板上に堆積させた低磁気抵抗遷移金属クラスター集合体であり、磁場が作用している環境下で温度を正確に測定することのできる磁場不感性温度センサーとしての特性を有し、実用性が高いものである。
【0028】
また、その製造方法は、絶縁体基板(ガラス、プラスティック)の上に、プラズマガス中凝縮クラスター堆積装置を用いて、該装置に導入するArやHeガスの流量、クラスター成長領域長さ等を制御することにより、平均サイズ4−10nmのサイズの揃ったTaクラスターを堆積させることとしたため、磁場が作用している環境下で温度を正確に測定することのできる磁場不感性温度センサーとしての特性を有する低磁気抵抗遷移金属クラスター集合体を容易に製造できるものとなる。
【0029】
また、Taクラスターをマグネシウム酸化物で被覆することにより、製造時に、クラスター表面の酸化やクラスター同士の融合、粗大化を防ぐことができる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に利用する高効率プラズマ中凝縮クラスター堆積装置の全体の概要図である。
【図2】図1の要部の拡大図である。
【図3】異なるサイズのTaクラスター集合体の電気抵抗を示すグラフである。
【図4】磁気抵抗比の磁場依存性を示すグラフである。
【図5】磁場0Tおよび5Tにおける電気抵抗の温度依存性を示すグラフである。
【符号の説明】
1 真空チャンバー
2 シールドカバー
3 クーリングケース
4 冷却配管
5 ターボ分子ポンプ
9 真空ポンプ
13 冷却配管
16,17 真空計
18 陰極
20 ターゲット
21 トランスファーロッド
22 スパッタ室
23,24,25 部屋
26,27,28 ノズル
31 ホルダー
32 基板
33 膜厚計
34 磁石
35 成膜室
Claims (3)
- 平均サイズ4−10nmのサイズの揃ったTaクラスターをガラス基板上に堆積させてなる低磁気抵抗遷移金属クラスター集合体。
- 絶縁体基板(ガラス、プラスティック)の上に、プラズマガス中凝縮クラスター堆積装置を用いて、該装置に導入するArやHeガスの流量、クラスター成長領域長さ等を制御することにより、平均サイズ4−10nmのサイズの揃ったTaクラスターを堆積させることを特徴とする低磁気抵抗遷移金属クラスター集合体の製造方法。
- 前記Taクラスターをマグネシウム酸化物で被覆することを特徴とする請求項1または請求項2に記載の低磁気抵抗遷移金属クラスター集合体及びその製造方法。
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JP2003055009A JP4500988B2 (ja) | 2003-02-28 | 2003-02-28 | 低磁気抵抗遷移金属クラスター集合体及びその製造方法 |
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