JP4586161B2

JP4586161B2 - 薄膜形成部品及びその製作方法

Info

Publication number: JP4586161B2
Application number: JP2003341194A
Authority: JP
Inventors: 和弘遠藤; 弘佐藤; 博司赤穂; 裕司石井; 彰仁澤; 寿一山田; 雅司川崎; 好紀十倉
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2003-09-30
Filing date: 2003-09-30
Publication date: 2010-11-24
Anticipated expiration: 2023-09-30
Also published as: JP2005109180A

Description

最近のエレクトロニクス分野においては、きわめて小さな部品が要求されているが、信号増幅や高速スイッチ等の諸機能を発揮する部品においては、基板上に高品質な薄膜を積層し、この上に微少素子を作り込んでいる。本願発明は、析出物のない平坦な表面を持つ薄膜形成技術に関するものである。

従来、酸化物薄膜を気相成長によって作製する方法としては、スパッタリング法、レーザアブレーション法、分子線エピタキシ法、有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）などが開発され、利用されている。
特に、Bi系高温酸化物超電導薄膜の形成には、MOCVD法を用いているが、しばしば該薄膜を通して短絡現象が生じている。このような短絡現象は、酸化物薄膜の結晶成長における大きな問題であり、同一レベルの品質の薄膜の再現が困難である状況にある。

上記短絡現象の研究過程において、研磨痕のある基板上に堆積した膜は、研磨痕上に析出物が集まっていることを発見した。
図1は、そのことを確認するため、引掻き傷を意識的に付与した基板上に成長したＢｉ_２Ｓｒ_２Ｃａ_２Ｃｕ_３Ｏ_１０（以下「Bi-2223」という。）薄膜の光学顕微鏡写真である。析出物が引掻き傷上に集まって、生成している様子が観察される。

EDX等の分析結果から、これらの析出物は、Bi-2223膜の場合、過剰なCuOと考えられた。そこで、MOCVD法において、CuのプリカーサであるCu(DPM)₂錯体の供給量を減らすことにより、Cu不足の組成を持つ析出物の少ないBi-2223膜を成長させてみた。しかし、このＣｕＯ析出物の少ない薄膜の超電導転移温度は、10Ｋ程度低くなり、超電導特性は劣化した。

この種の従来例として、双晶基板を用いたジョセフソン素子において、人工粒界接合部への不純物の析出を防止し、良好な超電導接合特性を有する接合部を備えたジョセフソン素子を作成するために、双晶基板の双晶粒界近傍に、かかる双晶粒界よりも不純物に対する吸着力の大きい析出物吸着領域（凹部）を形成することにより、析出物吸着領域に不純物を集中して析出させるものが知られている（下記「特許文献１」参照）。しかしながら、この例は、あくまでも、ジョセフソン素子を作成するに当たり、双晶基板の接合部分への不純物が集中することを防止するために処置されたものであり、本願発明のように、良質な薄膜を作製するためになされたものではない。
特開２０００−２９９５０７号公報

そこで、本願発明の目的は、素子に不可欠な析出物のない平坦な薄膜を得ることである。

上記のように、析出物が研磨痕上あるいはエッチングを施した箇所に多く見られる理由は、図２の模式図に示すように、析出物が凝集エネルギーの低い段差部分に核形成され、捕獲されることにより、析出物フリーの膜が得られたと考えられる。
そこで、基板の非素子部分をあらかじめエッチングした上に薄膜を形成し、上記非素子部分以外の部分に素子を作成することにより、素子部分に析出物フリーの平坦膜を得ることができ、たとえ析出物過剰の作製条件、すなわち高い超電導特性を得る条件で成膜しても、素子が作り込まれるその部分に析出物がなく、平坦な膜を得ることができる。

酸化物高温超電導体薄膜を作成する際に、超電導特性を低下させずに、素子に不可欠な平坦な薄膜を作成することができるので、高性能ジョセフソン素子や高周波フィルター用のマイクロ波・ミリ波素子等の超電導素子を、安定して作成することが可能となった。また、高性能不揮発メモリとして応用が期待されている酸化物強誘電体Bi₄Ti₃O₁₂、SrBi₂Ta₂O₉の成膜、高性能太陽電池として期待されるCuInSe₂の成膜及び高性能半導体レーザとして期待されるGaAlInAs、GaAlInNの成膜に対しても有効な方法である。

以下に、発明を実施するための最良の形態を示す。

図３に、素子部分に析出物のない平坦な膜を製作する工程の概略図を示す。
（ａ）ＳｒＴｉＯ_３基板にスピン塗布法等によりフォトレジストを塗布する。
（ｂ）上記フォトレジストの上にマスクを被覆し、非素子領域を露光する。
（ｃ）該露光部分のフォトレジストをエッチングにより取り除き、
（ｄ）Ａｒイオンを照射し、フォトレジストの存在しない部分に対応する基板の部分をエッチングし、パターンを形成する。
（ｅ）残存するレジストを除去することにより、パターン化された基板が形成される。
（ｆ）この基板上にＭＯＣＶＤにより薄膜を形成する。

図４及び５に、該Bi-2223薄膜表面の顕微鏡写真を示す。図４から明らかなように、２０μｍのストライプにおいては、ストライプ・テラス上に析出物のない、平坦な薄膜が形成されており、また、図５から明らかなように、６０μｍのストライプ・テラス上においては、テラスの側辺から１０μｍ程度には析出物のない平坦な膜が形成されており、それより内部には下段のテラスよりは少ないがわずかな析出物が見出される。
以上のことから、エッチング部より１０μｍ以内に素子を形成することが好ましい。

以上は、Bi-2223膜について述べたが、それ以外のビスマス系酸化物超伝導体、Ｙ系酸化物超伝導体、ランタン系酸化物超伝導体等の薄膜作成にも本願発明の方法は有効である。また、成膜方法は、ＭＯＣＶＤに限らず、スパッタリング法、レーザアブレーション法、分子線エピタキシ法等が好ましい。

高性能磁性素子への応用が期待されている酸化物磁性体Ｌａ_１−ＸＳｒ_ＸＭｎＯ_３（Ｘ＝０．２−０．４、以下「ＬＳＭＯ」という。）等の成膜に対しても、本願発明の方法は、有効である。図６及び図７にＬＳＭＯ（Ｘ＝０．４）薄膜をそれぞれストライプ幅５μｍ、１０μｍに薄膜を形成したＳＥＭ写真を示す（段差８０ｎｍ，膜厚１００ｎｍ）。図６から明らかなように、テラス側辺部に析出物が多く、テラス上には析出物が見られなかった。一方、図７においては、テラス中央部に密度は低いながらも、析出物が見られた。以上より、ＬＳＭＯ薄膜についても、Ｂｉ−２２２３薄膜と同様の傾向が見られ、本願発明の方法がＬＳＭＯ薄膜についても有効であることが確認された。Ｂｉ−２２２３薄膜の場合と比べ、平坦な膜の面積が狭いのは、材料の種類や成膜条件が異なるためと考えられる。

また、高性能不揮発メモリとして応用が期待されている酸化物強誘電体Bi₄Ti₃O₁₂、SrBi₂Ta₂O₉の成膜に対しても、本願発明の方法は、有効である。この場合、Ti、Taの原料供給が多いと、基板の段差部分にTiO₂、Ta₂O₃が析出し、素子部分は平坦な膜が得られる。

また、高性能太陽電池として期待されるCuInSe₂の成膜に対しても有効である。この場合、Cuの原料供給が多いと、基板の段差部分にCuSeが析出し、素子部分は平坦な膜が得られる。

さらに、高性能半導体レーザとして期待されるGaAlInAs、GaAlInNの成膜に対しても有効である。この場合、Gaの原料供給が多いと、基板の段差部分にGaが析出し、素子部分は平坦な膜が得られる。

基板としては、ＬａＡｌＯ_３、（Ｌａ,Ｓｒ）（Ａｌ,Ｔａ）Ｏ_３、ＭｇＯ、ＮｄＧａＯ_３、（Ｎｄ,Ｙ）ＡｌＯ_３、サファイア、炭化珪素及びＧａＡｓ等が好ましい。

引っ掻き傷をつけたＳｒＴｉＯ_３（１００）基板上に成膜したＢｉ−２２２３薄膜表面の光学顕微鏡写真基板段差による析出物の核の吸着説明図ＳｒＴｉＯ_３（１００）基板への段差形成工程概略図ストライプ状のＳｒＴｉＯ_３（１００）基板上に成膜したＢｉ−２２２３超電導薄膜表面の光学顕微鏡写真（ストライプ部分の幅２０μｍ）ストライプ状のＳｒＴｉＯ_３（１００）基板上に成膜したＢｉ−２２２３超電導薄膜表面の光学顕微鏡写真（ストライプ部分の幅６０μｍ）ストライプ状のＳｒＴｉＯ_３（１００）基板上に成膜したＬａＳｒＭｎＯ磁性薄膜表面のＳＥＭ写真（ストライプの幅５μｍ）ストライプ状のＳｒＴｉＯ_３（１００）基板上に成膜したＬａＳｒＭｎＯ磁性薄膜表面のＳＥＭ写真（ストライプの幅１０μｍ）

Claims

酸化物超伝導薄膜、酸化物磁性体薄膜又は酸化物強誘電体薄膜の薄膜を有する部品の製作方法であって、
基板をエッチングすることによりストライプ状テラスが形成されている表面上に前記薄膜を形成して、テラス側辺部の段差部分に析出物が捕獲されてテラス上の析出物の密度が減少したストライプ状の平坦な前記薄膜を得、前記ストライプ状の平坦な前記薄膜に素子を作成し素子領域とし、前記ストライプ状テラス以外の領域を非素子領域とすることを特徴とする薄膜を有する部品の製作方法。
上記酸化物超伝導薄膜は、ビスマス系酸化物超伝導薄膜、イットリウム系酸化物超伝導薄膜及びランタン系酸化物超伝導薄膜のうちのいずれか一つの薄膜であることを特徴とする請求項１記載の薄膜を有する部品の製作方法。
上記酸化物超伝導薄膜は、Ｂｉ_２Ｓｒ_２Ｃａ_２Ｃｕ_３Ｏ_１０薄膜であることを特徴とする請求項１記載の薄膜を有する部品の製作方法。
上記酸化物磁性体薄膜は、Ｌａ_１−ｘＳｒ_ｘＭｎＯ_３（ｘ＝０．２〜０．４）薄膜であることを特徴とする請求項１記載の薄膜を有する部品の製作方法。
酸化物超伝導薄膜、酸化物磁性体薄膜又は酸化物強誘電体薄膜の薄膜を有する部品であって、
基板をエッチングすることによりストライプ状テラスが形成されている表面上に前記薄膜を形成して析出物が析出したテラス側辺部の段差部分と、該段差部分への析出物の析出によりテラス上の析出物の密度が減少したストライプ状の平坦な前記薄膜とを備え、前記ストライプ状の平坦な前記薄膜に素子を作成し素子領域とし、前記ストライプ状テラス以外の領域を非素子領域としたことを特徴とする前記薄膜を有する部品。
上記酸化物超伝導薄膜は、ビスマス系酸化物超伝導薄膜、イットリウム系酸化物超伝導薄膜、ランタン系酸化物超伝導薄膜のうちのいずれか一つの薄膜であることを特徴とする請求項５記載の薄膜を有する部品。
上記酸化物超伝導薄膜は、Ｂｉ_２Ｓｒ_２Ｃａ_２Ｃｕ_３Ｏ_１０薄膜であることを特徴とする請求項５記載の薄膜を有する部品。
上記酸化物磁性体薄膜は、Ｌａ_１−ｘＳｒ_ｘＭｎＯ_３（ｘ＝０．２〜０．４）薄膜であることを特徴とする請求項５記載の薄膜を有する部品。
上記基板は、ＳｒＴｉＯ_３であることを特徴とする請求項５記載の薄膜を有する部品。
上記基板は、ＬａＡｌＯ_３であることを特徴とする請求項５記載の薄膜を有する部品。
上記基板は、（Ｌａ,Ｓｒ）（Ａｌ,Ｔａ）Ｏ_３であることを特徴とする請求項５記載の薄膜を有する部品。
上記基板は、ＭｇＯであることを特徴とする請求項５記載の薄膜を有する部品。
上記基板は、ＮｄＧａＯ_３であることを特徴とする請求項５記載の薄膜を有する部品。
上記基板は、（Ｎｄ,Ｙ）ＡｌＯ_３であることを特徴とする請求項５記載の薄膜を有する部品。
上記基板は、サファイアであることを特徴とする請求項５記載の薄膜を有する部品。