JP5032198B2 - Method for forming metal oxide film - Google Patents

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Description

本発明は、金属酸化物膜の成膜方法、特に同軸型真空アーク蒸着源及びスパッタリングターゲットを備えた蒸着源を用いて金属酸化物膜を形成する成膜方法に関する。   The present invention relates to a method for forming a metal oxide film, and more particularly to a film forming method for forming a metal oxide film using a coaxial vacuum arc evaporation source and an evaporation source including a sputtering target.

従来、種々の方法でアルミニウム酸化物(アルミナ)膜を形成しているが、例えば、スパッタリング法により、酸素雰囲気中で形成されたアルミナ膜は、焼成前後でもその表面には凹凸が存在し、また、焼成後のアルミナ膜の断面をSEM写真で観察しても、あまり結晶化が観察されず、緻密な膜が得られていないという問題がある。   Conventionally, an aluminum oxide (alumina) film is formed by various methods. For example, an alumina film formed in an oxygen atmosphere by sputtering, for example, has irregularities on the surface before and after firing. Even if the cross section of the alumina film after firing is observed with an SEM photograph, there is a problem that crystallization is not observed so much that a dense film is not obtained.

本発明者らは、スパッタリング法により、サファイア基板上にアルミナ膜を形成したが、後述する比較例から明らかなように、このアルミナ膜を焼成した後も、膜表面には凹凸が存在すると共に、緻密な膜となっていないことを確認した。そのため、このようなアルミナ膜はガスセンサ用の絶縁膜や排ガス触媒担持用の膜等としては有用ではない。   The inventors formed an alumina film on the sapphire substrate by a sputtering method, but as is apparent from the comparative example described later, after firing this alumina film, the film surface has irregularities, It was confirmed that the film was not dense. Therefore, such an alumina film is not useful as an insulating film for a gas sensor or a film for supporting an exhaust gas catalyst.

また、陰極アーク式蒸発源とスパッタ蒸発源とを備えた薄膜形成装置を用いて、まず、陰極アーク式蒸発源を用いて基材前処理を行い、次いでスパッタ蒸発源等を用いてセラミックス膜や非晶質炭素膜等の薄膜を形成することが知られている(例えば、特許文献1参照)。しかし、このような装置を用いても表面に凹凸が存在せず、かつ緻密なアルミナ膜を形成することは困難であるという問題がある。
特開2002−30413号公報(特許請求の範囲等)
Also, using a thin film forming apparatus equipped with a cathodic arc evaporation source and a sputtering evaporation source, first, a substrate pretreatment is performed using a cathodic arc evaporation source, and then a ceramic film or It is known to form a thin film such as an amorphous carbon film (see, for example, Patent Document 1). However, there is a problem that even if such an apparatus is used, there is no unevenness on the surface and it is difficult to form a dense alumina film.
JP 2002-30413 A (Claims etc.)

本発明の課題は、上述の従来技術の問題点を解決することにあり、表面が平坦であり、かつ結晶化の高い緻密な金属酸化物膜(例えば、アルミナ膜等)を形成する成膜方法を提供することにある。   An object of the present invention is to solve the above-mentioned problems of the prior art, and a film forming method for forming a dense metal oxide film (for example, an alumina film) having a flat surface and high crystallization. Is to provide.

本発明の金属酸化物膜の成膜方法は、円筒状のトリガ電極と蒸着用金属材料で少なくとも先端部が構成された円柱状又は円筒状のアルミニウム、チタン又はシリコンからなるカソード電極とが、円筒状の絶縁碍子を挟んで同軸状に隣接して固定されており、前記カソード電極の周りに同軸状に円筒状のアノード電極が離間して配置されている同軸型真空アーク蒸着源を用いて、酸化性雰囲気中でカソード電極を構成する金属材料を成膜装置内に載置したサファイ、シリコン、SiC又はステンレスからなる基板上に蒸着せしめて、金属酸化物微粒子を形成し、次いで前記カソード電極と同じ金属材料又はその金属の酸化物で構成されたスパッタリングターゲットを備えた蒸着源を用いて、該金属酸化物微粒子の上に金属酸化物膜を形成した後、この金属酸化物膜の形成された基板を加熱することを特徴とする。 The method for forming a metal oxide film according to the present invention includes a cylindrical trigger electrode and a cylindrical or cylindrical cathode electrode made of aluminum, titanium, or silicon having at least a tip formed of a metal material for vapor deposition. Using a coaxial vacuum arc deposition source in which a cylindrical anode electrode is coaxially arranged around the cathode electrode and spaced apart coaxially around the cathode electrode. sapphire placing the metal material constituting the cathode electrode in an oxidizing atmosphere in the film forming apparatus, silicon, and allowed deposited on a substrate made of SiC or stainless steel to form a metal oxide fine particles, and then the cathode electrode A metal oxide film was formed on the metal oxide fine particles using a vapor deposition source having a sputtering target composed of the same metal material or an oxide of the metal. Characterized by heating the substrate formed of the metal oxide film.

前記金属酸化物膜を形成する際に、スパッタリングターゲットを備えた蒸着源を用いて成膜する雰囲気を酸化性雰囲気とすることを特徴とする。 When forming the metal oxide film, an atmosphere for forming the film using a vapor deposition source including a sputtering target is an oxidizing atmosphere.

前記同軸型真空アーク蒸着源及び前記スパッタリングターゲットを備えた蒸着源が同じ真空チャンバに設けられている成膜装置を用いて、前記金属酸化物微粒子及び前記金属酸化物膜を形成し、次いで酸化性雰囲気の加熱炉中で加熱することを特徴とする。 The metal oxide fine particles and the metal oxide film are formed using a film forming apparatus in which the coaxial vacuum arc evaporation source and the evaporation source including the sputtering target are provided in the same vacuum chamber, and then oxidized. Heating is performed in an atmosphere heating furnace.

前記カソード電極としてアルミニウムで構成された電極を用いて、アルミニウム酸化物微粒子を形成した後、真空チャンバ内の雰囲気を維持しながら、スパッタリングターゲットとしてアルミニウム酸化物で構成されたターゲットを用いて、アルミニウム酸化物微粒子上にアルミニウム酸化物膜を形成することを特徴とする。   After forming aluminum oxide fine particles using an electrode composed of aluminum as the cathode electrode, aluminum oxide is oxidized using a target composed of aluminum oxide as a sputtering target while maintaining the atmosphere in the vacuum chamber. An aluminum oxide film is formed on the material fine particles.

本発明によれば、同軸型真空アーク蒸着源を用いて金属酸化物微粒子を基板上に形成した後、その上にスパッタリング法により成膜された金属酸化物膜が、焼成中に、微粒子を核成長の起点にして結晶成長することにより、所定の結晶軸に配向して成長し、平坦で、かつ緻密な金属酸化物膜を成膜できるという効果を奏する。   According to the present invention, metal oxide fine particles are formed on a substrate using a coaxial vacuum arc evaporation source, and then a metal oxide film formed thereon by sputtering is used to nucleate the fine particles during firing. By growing the crystal from the starting point of the growth, the crystal grows while being oriented to a predetermined crystal axis, and it is possible to form a flat and dense metal oxide film.

本発明の成膜方法に係る実施の形態によれば、円筒状のトリガ電極と蒸着用金属材料で少なくとも先端部が構成された円柱状又は円筒状のカソード電極とが、円筒状の絶縁碍子を挟んで同軸状に隣接して固定されており、前記カソード電極の周りに同軸状に円筒状のアノード電極が離間して配置されている同軸型真空アーク蒸着源と、前記カソード電極と同じ金属材料又はその金属の酸化物材料で構成されたスパッタリングターゲットを備えた蒸着源とが、同じ真空チャンバに設けられている成膜装置を用いて、まず、同軸型真空アーク蒸着源を駆動せしめて、酸化性雰囲気中で、成膜装置内に載置した基板上に、カソード電極を構成する金属材料を蒸着せしめて、雰囲気中の酸素原子との反応により金属酸化物微粒子を形成し、次いでスパッタリングターゲットを備えた蒸着源を駆動せしめて、真空チャンバ内の酸化性雰囲気を維持しながら、金属酸化物微粒子の上に金属酸化物膜を成膜した後、この金属酸化物膜の形成された基板を、酸化性雰囲気の加熱炉中で加熱することにより、平坦で、かつ緻密な金属酸化物膜を形成することができる。 According to the embodiment of the film forming method of the present invention, the cylindrical trigger electrode and the columnar or cylindrical cathode electrode having at least a tip portion made of a metal material for vapor deposition are used to form a cylindrical insulator. A coaxial vacuum arc evaporation source that is fixed coaxially adjacent and sandwiched, and a cylindrical anode electrode is arranged coaxially around the cathode electrode, and the same metal material as the cathode electrode Alternatively, a deposition source provided with a sputtering target composed of an oxide material of the metal and a deposition apparatus provided in the same vacuum chamber is used to first drive the coaxial vacuum arc deposition source to oxidize. In a reactive atmosphere, a metal material constituting the cathode electrode is vapor-deposited on a substrate placed in a film forming apparatus to form metal oxide fine particles by reaction with oxygen atoms in the atmosphere. And driven to the evaporation source having a data ring target, while maintaining an oxidizing atmosphere in the vacuum chamber, after forming a metal oxide film on the metal oxide fine particles, formed in the metal oxide film By heating the substrate in a heating furnace in an oxidizing atmosphere, a flat and dense metal oxide film can be formed.

本発明によれば、同軸型真空アーク蒸着源にて基板上に金属酸化物微粒子を形成することにより、その後、スパッタリング法で基板上に形成された金属酸化物膜が、加熱炉内での焼成中に、先の金属酸化物微粒子を核成長の起点にして結晶成長して、所定の結晶軸に配向して成長し、平坦で、かつ緻密な膜が得られる。   According to the present invention, by forming metal oxide fine particles on a substrate with a coaxial vacuum arc evaporation source, the metal oxide film formed on the substrate by sputtering is then fired in a heating furnace. Inside, the above metal oxide fine particles are crystal-grown starting from the nucleus growth, and are oriented and grown on a predetermined crystal axis, thereby obtaining a flat and dense film.

以下、本発明の一実施の形態として、前記カソード電極としてアルミニウムで構成された電極を用いて、アルミナ微粒子を形成した後、真空チャンバ内の雰囲気を維持しながら、スパッタリングターゲットとしてアルミナで構成されたターゲットを用いて、アルミナ微粒子上にアルミナ膜を形成する点を中心にして説明する。   Hereinafter, as one embodiment of the present invention, after forming alumina fine particles using an electrode composed of aluminum as the cathode electrode, the sputtering target was composed of alumina while maintaining the atmosphere in the vacuum chamber. Description will be made mainly on the point of forming an alumina film on alumina fine particles using a target.

本発明者らは、上記した従来技術の問題点に鑑み、簡便な方法で、緻密な金属酸化物膜を効率よく作製すべく、鋭意研究を重ね、同軸型真空アーク蒸着源とスパッタリング蒸着源とを併用し、好ましくは同じ真空チャンバに備えた成膜装置として、例えば図1に示す構成を有するものを開発し、この成膜装置1を用いて有用な金属酸化物膜を成膜した。 In view of the problems of the prior art described above, the present inventors have made extensive studies to efficiently produce a dense metal oxide film by a simple method, and have developed a coaxial vacuum arc deposition source, a sputtering deposition source, As a film forming apparatus preferably provided in the same vacuum chamber, for example, a device having the configuration shown in FIG. 1 was developed, and a useful metal oxide film was formed using this film forming apparatus 1.

この成膜装置1の真空チャンバ11内の下方には、基板Sが載置される基板ステージ12が水平に配置されている。真空チャンバ11には、基板ステージ12を水平面内で回転させることができるように、基板ステージ裏面の中心部にモーター等の回転駆動手段13を有する回転機構が設けられている。   A substrate stage 12 on which the substrate S is placed is horizontally disposed below the vacuum chamber 11 of the film forming apparatus 1. The vacuum chamber 11 is provided with a rotation mechanism having a rotation driving means 13 such as a motor at the center of the back surface of the substrate stage so that the substrate stage 12 can be rotated in a horizontal plane.

また、基板ステージ12を加熱できるようにヒータ等の加熱手段14を基板ステージの基板載置側と反対側の面に設け、所望により、基板Sを所定の温度に加熱できるようにすることが好ましい。   Further, it is preferable to provide a heating means 14 such as a heater on the surface opposite to the substrate mounting side of the substrate stage so that the substrate stage 12 can be heated so that the substrate S can be heated to a predetermined temperature if desired. .

真空チャンバ11の上方には、後述する同軸型真空アーク蒸着源15とスパッタリング蒸着源16とが、それぞれ、基板ステージ12に対して斜め方向であって、異なる位置に配置されている。   Above the vacuum chamber 11, a coaxial vacuum arc deposition source 15 and a sputtering deposition source 16, which will be described later, are respectively arranged obliquely with respect to the substrate stage 12 and at different positions.

この同軸型真空アーク蒸着源15は、カソード電極15aの先端部を基板ステージ12側に向けて、基板ステージ12上に載置される基板Sの主面に対して所定の角度で配置されている。カソード電極15aから発生する金属微粒子が、基板Sの主面上に降りそそいで均一に斜入射できるように、この角度は変更できるように構成されている。かくして、金属微粒子は、真空チャンバ11上方から下方に向かって飛翔し、基板S上に蒸着できる。この斜入射の角度は、金属微粒子が基板上に均一に照射できれば特に制限はない。   The coaxial vacuum arc vapor deposition source 15 is disposed at a predetermined angle with respect to the main surface of the substrate S placed on the substrate stage 12 with the tip of the cathode electrode 15a facing the substrate stage 12 side. . This angle can be changed so that the metal fine particles generated from the cathode electrode 15a can be incident on the main surface of the substrate S and obliquely incident uniformly. Thus, the metal fine particles can fly from the upper side to the lower side of the vacuum chamber 11 and can be deposited on the substrate S. The angle of the oblique incidence is not particularly limited as long as the metal fine particles can be uniformly irradiated onto the substrate.

真空チャンバ11の壁面には、酸化性ガス導入系17、不活性ガス導入系18及び真空排気系19が接続されている。この酸化性ガス導入系17は、真空チャンバ11内を酸化性雰囲気とするための酸素ガスの導入系であり、また、不活性ガス導入系18は、Arなどの不活性ガスの導入系である。それぞれのガス導入系では、バルブ17a及び18a、マスフローコントローラ17b及び18b、バルブ17c及び18c、並びにガスボンベ17d及び18dがこの順に金属製配管で接続されている。また、真空排気系19は、コンダクタンスバルブ19a、ターボ分子ポンプ19b、バルブ19c及びロータリーポンプ19dがこの順に金属製真空配管で接続されており、真空チャンバ11内を好ましくは1.3×10−4Pa以下に真空排気できるように構成されている。 An oxidizing gas introduction system 17, an inert gas introduction system 18 and a vacuum exhaust system 19 are connected to the wall surface of the vacuum chamber 11. The oxidizing gas introduction system 17 is an oxygen gas introduction system for making the inside of the vacuum chamber 11 an oxidizing atmosphere, and the inert gas introduction system 18 is an introduction system for an inert gas such as Ar. . In each gas introduction system, valves 17a and 18a, mass flow controllers 17b and 18b, valves 17c and 18c, and gas cylinders 17d and 18d are connected in this order by metal piping. The evacuation system 19 includes a conductance valve 19a, a turbo molecular pump 19b, a valve 19c, and a rotary pump 19d connected in this order by a metal vacuum pipe, and the inside of the vacuum chamber 11 is preferably 1.3 × 10 −4. It is configured so that it can be evacuated to Pa or less.

図1に示すように、成膜装置1に設けられた同軸型真空アーク蒸着源15は、一端が閉じ、基板ステージ12に対向する他端が開口しており、金属微粒子作製用金属材料で構成されている円柱状又は円筒状のカソード電極15aと、ステンレス等から構成されている円筒状のアノード電極15bと、ステンレス等から構成されている円筒状のトリガ電極(例えば、リング状のトリガ電極)15cと、カソード電極15a及びトリガ電極15cの間に両者を離間させるために設けられた円板状又は円筒状の絶縁碍子(以下、ハット型碍子とも称す)15dとから構成されており、これらは同軸状に取り付けられている。カソード電極15aは、基板ステージ12に対して斜め方向で対向して設けられている。カソード電極15aと絶縁碍子15dとトリガ電極15cとの3つの部品は、図示していないが、ネジ等で密着させて同軸状に取り付けられている。また、アノード電極15bは、図示していないが、支柱で真空フランジに基板ステージ12に対する角度が変更可能なように取り付けられ、この真空フランジは真空チャンバ11の上面に取り付けられている。カソード電極15aは、アノード電極15bの内部に同軸状にアノード電極15bの壁面から一定の距離だけ離して設けられている。カソード電極15aは、その少なくとも先端部(アノード電極15bの開口部側の端部に相当する)が、金属材料から構成されていていればよい。   As shown in FIG. 1, the coaxial vacuum arc vapor deposition source 15 provided in the film forming apparatus 1 has one end closed and the other end facing the substrate stage 12 opened, and is made of a metal material for producing metal fine particles. A cylindrical or cylindrical cathode electrode 15a, a cylindrical anode electrode 15b made of stainless steel, etc., and a cylindrical trigger electrode made of stainless steel or the like (for example, a ring-shaped trigger electrode) 15c and a disc-shaped or cylindrical insulator (hereinafter also referred to as a hat-type insulator) 15d provided to separate the cathode electrode 15a and the trigger electrode 15c from each other. It is attached coaxially. The cathode electrode 15 a is provided to face the substrate stage 12 in an oblique direction. Although not shown, the three components of the cathode electrode 15a, the insulator 15d, and the trigger electrode 15c are closely attached with screws or the like and attached coaxially. Further, although not shown, the anode electrode 15 b is attached to a vacuum flange by a support so that the angle with respect to the substrate stage 12 can be changed, and this vacuum flange is attached to the upper surface of the vacuum chamber 11. The cathode electrode 15a is coaxially provided inside the anode electrode 15b and separated from the wall surface of the anode electrode 15b by a certain distance. The cathode electrode 15a only needs to be made of a metal material at least at the tip (corresponding to the end of the anode 15b on the opening side).

トリガ電極15cは、ターゲット材料ないしはカソード電極15aとの間にアルミナ等から構成された絶縁碍子15dを挟んで取り付けられている。絶縁碍子15dはカソード電極15aとトリガ電極15cとを絶縁するように取り付けられ、また、トリガ電極15cは絶縁体を介してカソード電極15aに取り付けられていてもよい。これらのアノード電極15bとカソード電極15aとトリガ電極15cとは、絶縁碍子15d及び絶縁体により電気的に絶縁が保たれていることが好ましい。この絶縁碍子15dと絶縁体とは一体型に構成されたものであっても別々に構成されたものでも良い。   The trigger electrode 15c is attached with an insulator 15d made of alumina or the like sandwiched between the target material or the cathode electrode 15a. The insulator 15d may be attached to insulate the cathode electrode 15a from the trigger electrode 15c, and the trigger electrode 15c may be attached to the cathode electrode 15a via an insulator. It is preferable that the anode electrode 15b, the cathode electrode 15a, and the trigger electrode 15c are electrically insulated by an insulator 15d and an insulator. The insulator 15d and the insulator may be configured integrally or separately.

カソード電極15aとトリガ電極15cとの間にはパルストランスからなるトリガ電源15eが接続されており、また、カソード電極15aとアノード電極15bとの間にはアーク電源15fが接続されている。アーク電源15fは直流電圧源15gとコンデンサユニット15hとからなり、このコンデンサユニット15hの両端は、それぞれ、カソード電極15aとアノード電極15bとに接続され、コンデンサユニット15hと直流電圧源15gとは並列接続されている。   A trigger power source 15e composed of a pulse transformer is connected between the cathode electrode 15a and the trigger electrode 15c, and an arc power source 15f is connected between the cathode electrode 15a and the anode electrode 15b. The arc power source 15f includes a DC voltage source 15g and a capacitor unit 15h. Both ends of the capacitor unit 15h are connected to the cathode electrode 15a and the anode electrode 15b, respectively. The capacitor unit 15h and the DC voltage source 15g are connected in parallel. Has been.

コンデンサユニット15hは、1つ又は複数個のコンデンサ(図1では、1個のコンデンサを例示してある)が接続したものであって、その1つの容量が例えば2200μF(耐電圧160V)であり、直流電圧源15gにより随時充電できるようになっている。トリガ電源15cは、入力200Vのμsのパルス電圧を約17倍に変圧して、3.4kV(数μA)、極性:プラスを出力している。アーク電源15fは、100V、数Aの容量の直流電圧源15gを有し、この直流電圧源からコンデンサユニット15h(例えば、4個のコンデンサユニットの場合、8800μF)に充電している。この充電時間は約1秒かかるので、本システムにおいて8800μFで放電を繰り返す場合の周期は、1Hzで行われる。トリガ電源15eのプラス出力端子は、トリガ電極15cに接続され、マイナス端子は、アーク電源15fの直流電圧源15gのマイナス側出力端子と同じ電位に接続され、カソード電極15aに接続されている。アーク電源15fの直流電圧源15gのプラス端子は、グランド電位に接地され、アノード電極15bに接続されている。コンデンサユニット15hの両端子は、直流電圧源15gのプラス端子及びマイナス端子間に接続されている。   The capacitor unit 15h is connected to one or a plurality of capacitors (one capacitor is illustrated in FIG. 1), and one capacitor thereof is, for example, 2200 μF (withstand voltage 160V), The DC voltage source 15g can be charged at any time. The trigger power supply 15c transforms the pulse voltage of μs of input 200V by about 17 times, and outputs 3.4 kV (several μA) and polarity: plus. The arc power supply 15f has a DC voltage source 15g having a capacity of 100V and several A, and the capacitor unit 15h (for example, 8800 μF in the case of four capacitor units) is charged from this DC voltage source. Since this charging time takes about 1 second, the period when discharging is repeated at 8800 μF in this system is 1 Hz. The positive output terminal of the trigger power supply 15e is connected to the trigger electrode 15c, and the negative terminal is connected to the same potential as the negative output terminal of the DC voltage source 15g of the arc power supply 15f, and is connected to the cathode electrode 15a. The plus terminal of the DC voltage source 15g of the arc power supply 15f is grounded to the ground potential and connected to the anode electrode 15b. Both terminals of the capacitor unit 15h are connected between a plus terminal and a minus terminal of the DC voltage source 15g.

図1中の20はコントローラであり、このコントローラはトリガ電源15eに接続されており、コントローラのスイッチをONにしてこのコントローラに接続されたトリガ電源15eに信号を入力すると、このトリガ電源から高電圧が出力されるように構成されている。また、コントローラ20は、CPU(図示せず)に接続され、このCPUからの信号(外部信号)により、コントローラを動作させることができるように構成することが好ましい。   Reference numeral 20 in FIG. 1 denotes a controller, which is connected to the trigger power supply 15e. When a signal is input to the trigger power supply 15e connected to the controller by turning on the switch of the controller, the controller supplies a high voltage. Is output. The controller 20 is preferably connected to a CPU (not shown) and configured to operate the controller by a signal (external signal) from the CPU.

次に、図1に示す成膜装置1に設けた、スパッタリングターゲットを備えた蒸着源16について説明する。   Next, the vapor deposition source 16 provided with the sputtering target provided in the film forming apparatus 1 shown in FIG. 1 will be described.

図1に示す蒸着源16では、スパッタリング用のカソード電極16aにスパッタリング用電源16bがケーブル16cを介して接続されている。このカソード電極16aは、前記同軸型真空アーク蒸着源15のカソード電極15aと同じ金属材料又はその金属の酸化物材料で構成されており、スパッタリングターゲットとして機能する。また、電源16bは、高周波電源であり、この電源16bの出力がカソード電極に印加されると、真空チャンバ11内のカソード電極16a表面の近傍にプラズマが発生し、通常のスパッタリングを実施できるように構成されている。   In the vapor deposition source 16 shown in FIG. 1, a sputtering power supply 16b is connected to a sputtering cathode electrode 16a via a cable 16c. The cathode electrode 16a is made of the same metal material as the cathode electrode 15a of the coaxial vacuum arc deposition source 15 or an oxide material of the metal, and functions as a sputtering target. The power source 16b is a high frequency power source. When the output of the power source 16b is applied to the cathode electrode, plasma is generated in the vicinity of the surface of the cathode electrode 16a in the vacuum chamber 11 so that normal sputtering can be performed. It is configured.

次に、図1に示す同軸型真空アーク蒸着源15とスパッタリング蒸着源16とを備えた成膜装置1を用いて、真空チャンバ11内の基板ステージ12上に載置する基板Sの主面上に金属酸化物微粒子を作製した後、この微粒子の上に金属酸化物膜を成膜する方法について説明する。この場合、説明の便宜上、カソード電極15aとしてアルミニウムで構成されたカソード電極を用い、カソード電極16aとしてアルミナで構成されたカソード電極を用い、基板としてサファイア基板を用いて成膜方法を実施する。   Next, on the main surface of the substrate S placed on the substrate stage 12 in the vacuum chamber 11 using the film forming apparatus 1 provided with the coaxial vacuum arc deposition source 15 and the sputtering deposition source 16 shown in FIG. Next, a method for forming a metal oxide film on the fine particle after producing the metal oxide fine particle will be described. In this case, for convenience of explanation, a film forming method is performed using a cathode electrode made of aluminum as the cathode electrode 15a, a cathode electrode made of alumina as the cathode electrode 16a, and a sapphire substrate as the substrate.

まず、ヒータ等の加熱手段により基板を所定の温度(例えば、300〜400℃)に加熱し、次いでバルブ17a及び17cを開放し、マスフローコントローラ17bを介して、所定流量の酸化性ガスを真空チャンバ11内へ導入し、コンダクタンスバルブ19aを調整して、真空チャンバ内の圧力を5×10−2Paに調整する。 First, the substrate is heated to a predetermined temperature (for example, 300 to 400 ° C.) by a heating means such as a heater, then valves 17a and 17c are opened, and a predetermined flow rate of oxidizing gas is supplied to the vacuum chamber via the mass flow controller 17b. 11 and the conductance valve 19a is adjusted to adjust the pressure in the vacuum chamber to 5 × 10 −2 Pa.

直流電圧源15gによりコンデンサユニット15hに100Vで電荷を充電し、コンデンサユニット15hの容量を8800μFに設定し、次いで、トリガ電源15eからトリガ電極15cにパルス電圧を出力し(出力:3.4kV)、カソード電極15aとトリガ電極15cとの間にハット型碍子15dを介して印加することで、カソード電極15aとトリガ電極15cとの間にトリガ放電(ハット型碍子表面での沿面放電)を発生させる。このトリガ放電によって、カソード電極15aの側面とアノード電極15bの内面との間で、コンデンサユニット15hに蓄電された電荷が真空アーク放電され、カソード電極15aに多量のアーク電流が流入し、このアーク放電によりカソード電極15aの構成金属材料であるアルミニウムが蒸発し、この構成金属材料を含むプラズマが形成され、コンデンサユニット15hに蓄電された電荷の放出により放電は停止する。このトリガ放電を所定の回数繰り返し、そのトリガ放電毎にアーク放電を誘起させる。このトリガ放電の回数、ひいてはアーク放電の回数は、コントローラ20に、所望の放電発数を入力して行うことができる。   The DC voltage source 15g charges the capacitor unit 15h with 100V, sets the capacitance of the capacitor unit 15h to 8800 μF, and then outputs a pulse voltage from the trigger power supply 15e to the trigger electrode 15c (output: 3.4 kV), By applying a hat-type insulator 15d between the cathode electrode 15a and the trigger electrode 15c, a trigger discharge (a creeping discharge on the surface of the hat-type insulator) is generated between the cathode electrode 15a and the trigger electrode 15c. Due to this trigger discharge, the electric charge stored in the capacitor unit 15h is vacuum arc discharged between the side surface of the cathode electrode 15a and the inner surface of the anode electrode 15b, and a large amount of arc current flows into the cathode electrode 15a. As a result, aluminum, which is a constituent metal material of the cathode electrode 15a, is evaporated, a plasma containing this constituent metal material is formed, and the discharge is stopped by the discharge of the electric charge stored in the capacitor unit 15h. This trigger discharge is repeated a predetermined number of times, and an arc discharge is induced for each trigger discharge. The number of trigger discharges and hence the number of arc discharges can be performed by inputting a desired number of discharges to the controller 20.

上記したアーク放電の間、構成金属材料の融解により発生した微粒子(プラズマ化している原子状イオンやクラスタや電子等)が形成される。この微粒子をアノード電極15bの開口部(放出口)から真空チャンバ11内に放出させ、開口部の斜め下方向に設置されている基板Sに対して、上記のようにして形成された微粒子を供給し、基板S表面上で酸素ガス等の酸化性ガスとの反応により金属酸化物微粒子であるアルミナ微粒子を付着させる。   During the arc discharge described above, fine particles (atomic ions, clusters, electrons, etc. that are turned into plasma) generated by melting of the constituent metal material are formed. The fine particles are discharged into the vacuum chamber 11 from the opening (discharge port) of the anode electrode 15b, and the fine particles formed as described above are supplied to the substrate S installed obliquely below the opening. Then, alumina fine particles, which are metal oxide fine particles, are deposited on the surface of the substrate S by reaction with an oxidizing gas such as oxygen gas.

上記した金属微粒子の放出は次のようにして行われる。カソード電極15aに多量の電流が流れるので、カソード電極15aに磁場が形成され、この時発生したプラズマ中の電子(この電子はカソード電極15aからアノード電極15bの円筒内面に飛行する)が自己形成した磁場によってローレンツ力を受け、前方に飛行する。一方、プラズマ中のカソード電極材料の金属イオンは、電子が前記したように飛行し分極することでクーロン力により前方の電子に引きつけられるようにして前方に飛行し、基板S上に微粒子が供給されることになる。   The metal fine particles are released as follows. Since a large amount of current flows through the cathode electrode 15a, a magnetic field is formed in the cathode electrode 15a, and electrons in the plasma generated at this time (the electrons fly from the cathode electrode 15a to the inner surface of the anode electrode 15b) are self-formed. It receives Lorentz force by the magnetic field and flies forward. On the other hand, the metal ions of the cathode electrode material in the plasma fly forward so that the electrons fly and polarize as described above and are attracted to the forward electrons by Coulomb force, and fine particles are supplied onto the substrate S. Will be.

本実施の形態においては、アーク電源15fから同軸型真空アーク蒸着源15までの配線であるケーブルの長さを1m程度として行う。また、上記カソード電極15aは、その全体が金属材料で構成されていても、その先端部であるアノード電極の開口側方向の端部が上記金属材料で構成されていてもよい。   In the present embodiment, the length of the cable that is the wiring from the arc power source 15f to the coaxial vacuum arc deposition source 15 is set to about 1 m. Further, the cathode electrode 15a may be entirely made of a metal material, or the end of the anode electrode, which is the tip of the cathode electrode 15a, may be made of the metal material.

次いで、上記のようにして形成した金属酸化物微粒子の上に、スパッタリング法により金属酸化物膜を成膜する。カソード電極用のスパッタリングターゲットとして、アルミナで構成したものを用いる。   Next, a metal oxide film is formed by sputtering on the metal oxide fine particles formed as described above. As the sputtering target for the cathode electrode, one made of alumina is used.

基板ステージ12を室温に保持し、酸化性ガス導入系17のバルブ17a及び17cを開放し、マスフローコントローラ17bを介して供給する酸素ガスと、不活性ガス導入系のバルブ18a及び18cを開放し、マスフローコントローラ18bを介して供給するAr等の不活性ガスとの混合ガスを真空チャンバ11内へ導入し、コンダクタンスバルブ19aを調整して、真空チャンバ11内の圧力を所定の圧力(例えば、0.1〜0.5Pa、好ましくは0.1Pa)に調整する。高周波電源16bから、スパッタリングカソード電極16aに高周波(13.56MHz)を印加する。これにより、カソード電極16aの近傍にプラズマが生成してイオンが発生し、そのイオンがアルミナからなるターゲットをスパッタして、アルミナ粒子が基板上に付着する。このスパッタリングプロセスを所定の時間継続すると、基板上に所定の膜厚(例えば、300nm)を有するアルミナ膜が形成される。   The substrate stage 12 is kept at room temperature, the valves 17a and 17c of the oxidizing gas introduction system 17 are opened, the oxygen gas supplied via the mass flow controller 17b, and the valves 18a and 18c of the inert gas introduction system are opened, A mixed gas with an inert gas such as Ar supplied via the mass flow controller 18b is introduced into the vacuum chamber 11, the conductance valve 19a is adjusted, and the pressure in the vacuum chamber 11 is set to a predetermined pressure (for example, 0. 1 to 0.5 Pa, preferably 0.1 Pa). A high frequency (13.56 MHz) is applied from the high frequency power supply 16b to the sputtering cathode electrode 16a. Thereby, plasma is generated in the vicinity of the cathode electrode 16a to generate ions, and the ions sputter a target made of alumina, and alumina particles adhere to the substrate. When this sputtering process is continued for a predetermined time, an alumina film having a predetermined film thickness (for example, 300 nm) is formed on the substrate.

次いで、上記のように金属酸化物微粒子上に成膜された金属酸化物膜を有する基板を真空チャンバ内11から取り出して加熱炉内に載置し、空気等の酸素原子含有ガスの雰囲気中、所定の圧力(例えば、1気圧)、所定の温度(例えば、600〜1000℃、好ましくは900℃)で、所定の時間(例えば、2〜6時間、好ましくは5時間)焼成し、目的とする所望の金属酸化物膜を得る。
Next, the substrate having the metal oxide film formed on the metal oxide fine particles as described above is taken out from the vacuum chamber 11 and placed in a heating furnace, and in an atmosphere of an oxygen atom-containing gas such as air, Firing is performed at a predetermined pressure (for example, 1 atm) and a predetermined temperature (for example, 600 to 1000 ° C., preferably 900 ° C.) for a predetermined time (for example, 2 to 6 hours, preferably 5 hours). A desired metal oxide film is obtained.

本発明で使用できる基板としては、例えばサファイア、シリコン、SiC、ステンレス等からなる基板を挙げることができる。   Examples of the substrate that can be used in the present invention include a substrate made of sapphire, silicon, SiC, stainless steel, or the like.

金属酸化物微粒子形成用金属材料しては、例えばアルミニウム、チタン、シリコンを挙げることができる。また、スパッタリングターゲット用材料としては、例えばそれら金属材料の酸化物を挙げることができる。   Examples of the metal material for forming metal oxide fine particles include aluminum, titanium, and silicon. Examples of the sputtering target material include oxides of these metal materials.

本発明におけるスパッタリング法としては、特に制限はなく、例えばロングスロースパッタリング法であっても良い。ロングスロースパッタリング法とは、ターゲット−基板間の距離を拡げ、低い圧力雰囲気でスパッタリングを行う方法であり、指向性の高い成膜が可能である。この方法で基板上にアルミニウム酸化物膜を形成する場合には、成膜装置内にアルミナターゲットを設置し、例えば0.05〜0.1Paの圧力下で、Arガス等と酸素ガス等とを所定の流量及び流量比で用いて基板上に膜を形成する。   There is no restriction | limiting in particular as sputtering method in this invention, For example, long throw sputtering method may be sufficient. The long throw sputtering method is a method in which the distance between the target and the substrate is increased and sputtering is performed in a low pressure atmosphere, and film formation with high directivity is possible. In the case of forming an aluminum oxide film on a substrate by this method, an alumina target is installed in a film forming apparatus, and Ar gas and oxygen gas and the like are applied under a pressure of 0.05 to 0.1 Pa, for example. A film is formed on the substrate using a predetermined flow rate and flow rate ratio.

以下、本発明を実施例により説明する。   Hereinafter, the present invention will be described with reference to examples.

図1に示す同軸型真空アーク蒸着源15とスパッタリング蒸着源16とを備えた成膜装置1を用いて、真空チャンバ11内の基板ステージ12上に載置した基板Sの主面上にアルミナ微粒子を作製した後、この微粒子の上にアルミナ膜を成膜した。この場合、カソード電極15aとして、アルミニウムで構成されたカソード電極を用い、カソード電極16aとしてアルミナで構成されたターゲットを用い、基板としてサファイア基板を用いた。   Alumina fine particles are formed on the main surface of the substrate S placed on the substrate stage 12 in the vacuum chamber 11 using the film forming apparatus 1 having the coaxial vacuum arc deposition source 15 and the sputtering deposition source 16 shown in FIG. After that, an alumina film was formed on the fine particles. In this case, a cathode electrode made of aluminum was used as the cathode electrode 15a, a target made of alumina was used as the cathode electrode 16a, and a sapphire substrate was used as the substrate.

まず、洗浄及び熱処理により表面を清浄化したサファイア基板をヒータ14により350℃に加熱し、次いでバルブ17a及び17cを開放し、マスフローコントローラ17bを介して、所定流量の酸素ガスを真空チャンバ11内へ導入し、コンダクタンスバルブ18aを調整して、真空チャンバ内の圧力を5×10−2Paに調整した。 First, the sapphire substrate whose surface has been cleaned by washing and heat treatment is heated to 350 ° C. by the heater 14, then the valves 17a and 17c are opened, and a predetermined flow rate of oxygen gas is introduced into the vacuum chamber 11 via the mass flow controller 17b. Then, the conductance valve 18a was adjusted to adjust the pressure in the vacuum chamber to 5 × 10 −2 Pa.

直流電圧源15gによりコンデンサユニット15hに100Vで電荷を充電し、コンデンサユニット15hの容量を8800μFに設定し、次いで、トリガ電源15eからトリガ電極15cにパルス電圧を出力し(出力:3.4kV)、カソード電極15aとトリガ電極15cとの間にハット型碍子15dを介して印加することで、カソード電極15aとトリガ電極15cとの間にトリガ放電(ハット型碍子表面での沿面放電)を発生させた。このトリガ放電によって、カソード電極15aの側面とアノード電極15bの内面との間で、コンデンサユニット15hに蓄電された電荷が真空アーク放電され、カソード電極15aに多量のアーク電流が流入し、このアーク放電により、カソード電極15aの構成金属材料であるアルミニウムが蒸発し、このアルミニウムを含むプラズマが形成され、コンデンサユニット15hに蓄電された電荷の放出により放電は停止した。このトリガ放電を0発、10発、100発、1000発繰り返した。このトリガ放電の回数、ひいてはアーク放電の回数は、コントローラ20に、所定の放電発数を入力して行った。   The DC voltage source 15g charges the capacitor unit 15h with 100V, sets the capacitance of the capacitor unit 15h to 8800 μF, and then outputs a pulse voltage from the trigger power supply 15e to the trigger electrode 15c (output: 3.4 kV), By applying a hat-type insulator 15d between the cathode electrode 15a and the trigger electrode 15c, a trigger discharge (a creeping discharge on the surface of the hat-type insulator) was generated between the cathode electrode 15a and the trigger electrode 15c. . Due to this trigger discharge, the electric charge stored in the capacitor unit 15h is vacuum arc discharged between the side surface of the cathode electrode 15a and the inner surface of the anode electrode 15b, and a large amount of arc current flows into the cathode electrode 15a. As a result, aluminum which is a constituent metal material of the cathode electrode 15a evaporates, a plasma containing the aluminum is formed, and the discharge is stopped by the discharge of the electric charge stored in the capacitor unit 15h. This trigger discharge was repeated 0 times, 10 times, 100 times, 1000 times. The number of trigger discharges, and hence the number of arc discharges, was performed by inputting a predetermined number of discharges to the controller 20.

上記したアーク放電の間、アルミニウムの蒸発により発生した微粒子(プラズマ化している原子状イオンやクラスタや電子等)をアノード電極15bの開口部(放出口)から真空チャンバ11内に放出させ、開口部の斜め下方向に設置されている基板Sに対して、上記のようにして形成された微粒子を入射させ、基板S表面上で酸素ガスとの反応によりアルミナ微粒子を作製した。アーク電源15fから同軸型真空アーク蒸着源15までの配線であるケーブルの長さを1m程度として行った。   During the arc discharge described above, fine particles (atomic ions, clusters, electrons, etc. that are turned into plasma) generated by evaporation of aluminum are discharged into the vacuum chamber 11 from the opening (discharge port) of the anode electrode 15b, and the opening The fine particles formed as described above were made incident on the substrate S placed obliquely below, and alumina fine particles were produced by reaction with oxygen gas on the surface of the substrate S. The length of the cable which is the wiring from the arc power source 15f to the coaxial vacuum arc deposition source 15 was set to about 1 m.

次いで、カソード電極用のスパッタリングターゲットとして、アルミナで構成したものを用い、上記のようにして形成したアルミナ微粒子の上に、スパッタリング法によりアルミナ膜を成膜した。   Next, as a sputtering target for the cathode electrode, an alumina film was formed by sputtering on the alumina fine particles formed as described above.

基板ステージ14を室温に保持し、酸化性ガス導入系のバルブ17a及び17cを開放し、マスフローコントローラ17bを介して供給する酸素ガスと、不活性ガス導入系18のバルブ18a及び18cを開放し、マスフローコントローラ18bを介して供給するアルゴンガスとの混合ガスを真空チャンバ11内へ導入し、コンダクタンスバルブ19aを調整して、真空チャンバ11内の圧力を0.1Paに調整した。高周波電源16bから、スパッタリングカソード電極16aに高周波(13.56MHz)を印加することにより、カソード電極16aの近傍にプラズマを生成してイオンを発生せしめ、そのイオンでアルミナのターゲットをスパッタして、アルミナ粒子を基板上に付着せしめた。このスパッタリングプロセスを成膜速度1nm/minで5時間行い、基板上に膜厚300nmのアルミナ膜を成膜せしめた。   The substrate stage 14 is kept at room temperature, the oxidizing gas introduction system valves 17a and 17c are opened, the oxygen gas supplied via the mass flow controller 17b, and the inert gas introduction system valves 18a and 18c are opened, A mixed gas with argon gas supplied via the mass flow controller 18b was introduced into the vacuum chamber 11, the conductance valve 19a was adjusted, and the pressure in the vacuum chamber 11 was adjusted to 0.1 Pa. By applying a high frequency (13.56 MHz) from the high frequency power supply 16b to the sputtering cathode electrode 16a, plasma is generated in the vicinity of the cathode electrode 16a to generate ions, and an alumina target is sputtered with the ions, and the alumina is sputtered. Particles were deposited on the substrate. This sputtering process was performed at a deposition rate of 1 nm / min for 5 hours to form an alumina film having a thickness of 300 nm on the substrate.

次いで、上記のようにして得られたアルミナ膜を有する基板を真空チャンバ内11から取り出し、加熱炉内に載置して、空気雰囲気中、1気圧、900℃で5時間焼成し、目的とするアルミナ膜を得た。加熱炉内での焼成により、アルミナ膜が、アルミナ微粒子を核成長の起点にして結晶成長して、平坦で、かつ緻密な膜として得られた。なお、酸素ガスを導入しないで前記スパッタリングプロセスを行った場合には、この焼成過程でアルミナ膜に割れが発生することも知見した。   Next, the substrate having the alumina film obtained as described above is taken out from the vacuum chamber 11 and placed in a heating furnace, and baked in an air atmosphere at 1 atm and 900 ° C. for 5 hours. An alumina film was obtained. By firing in a heating furnace, an alumina film was crystal-grown using alumina fine particles as a starting point for nucleus growth, and a flat and dense film was obtained. In addition, when the said sputtering process was performed without introduce | transducing oxygen gas, it also discovered that a crack generate | occur | produces in the alumina film | membrane in this baking process.

かくして得られたアルミナ膜について、トリガ放電の発数による影響を調べるために、上記各発数における、焼成前の膜表面及び基板断面のSEM写真を、それぞれ図2(a)及び(b)に、また、焼成後の膜表面及基板断面のSEM写真を図3(a)及び(b)に示す。また、各発数により得られた膜について、XRD分析を行い、その結果を図4に示す。   In order to investigate the influence of the number of trigger discharges on the alumina film thus obtained, SEM photographs of the film surface before firing and the cross-section of the substrate at each of the above numbers are shown in FIGS. 2 (a) and 2 (b), respectively. Moreover, the SEM photograph of the film | membrane surface and board | substrate cross section after baking is shown to Fig.3 (a) and (b). Moreover, the XRD analysis was performed about the film | membrane obtained by each number of shots, and the result is shown in FIG.

図2(a)及び(b)から明らかなように、焼成前は0発(同軸型真空アーク蒸着源を駆動しない場合)、すなわちアルミナ微粒子が基板上に形成されていないものと、同軸型真空アーク蒸着源を駆動してアルミナ微粒子を形成したものとの差異はほとんど見られないが、それらを焼成すると、図3(a)及び(b)から明らかなように、0発のものとは結晶成長の仕方が異なっており、10発のものでも平坦で、緻密になっていることが分かる。また、図4から明らかなように、X線回折(XRD)のスペクトルで57.5°付近に強いスペクトルが観察できる。これは、エピタキシャル成長により配向性の高い薄膜が形成されたことを示唆している。すなわち、アルミナ微粒子を基板上に形成した場合は、平坦で、かつ緻密な膜という膜質であるとともに、結晶学的には、配向性の高い膜が得られたことを意味している。
(比較例1)
As apparent from FIGS. 2 (a) and 2 (b), before firing, 0 shots (when the coaxial vacuum arc deposition source is not driven), that is, alumina fine particles are not formed on the substrate, and the coaxial vacuum There is almost no difference from the one in which the alumina fine particles are formed by driving the arc evaporation source, but when they are baked, as shown in FIGS. The growth method is different, and it can be seen that even 10 shots are flat and dense. Further, as is clear from FIG. 4, a strong spectrum can be observed in the vicinity of 57.5 ° in the X-ray diffraction (XRD) spectrum. This suggests that a thin film with high orientation was formed by epitaxial growth. That is, when the alumina fine particles are formed on the substrate, it means that a film having a flat and dense film quality and a highly oriented film is obtained crystallographically.
(Comparative Example 1)

図5に示すスパッタリング蒸着装置を用いて、真空チャンバ内の基板ステージ上に載置したサファイア基板の主面上にアルミナ膜を作製した。   An alumina film was formed on the main surface of the sapphire substrate placed on the substrate stage in the vacuum chamber using the sputtering deposition apparatus shown in FIG.

図5に示す蒸着装置の真空チャンバ61内の下方には、基板Sが載置される基板ステージ62が水平に配置されている。真空チャンバ61には、基板ステージ62を水平面内で回転させることができるように、基板ステージ裏面の中心部にモーター等の回転駆動手段63を有する回転機構が設けられている。   A substrate stage 62 on which the substrate S is placed is disposed horizontally below the vacuum chamber 61 of the vapor deposition apparatus shown in FIG. The vacuum chamber 61 is provided with a rotation mechanism having a rotation driving means 63 such as a motor at the center of the back surface of the substrate stage so that the substrate stage 62 can be rotated in a horizontal plane.

また、基板ステージ62を加熱できるようにヒータ等の加熱手段64を基板ステージの基板載置側と反対側の面に設け、所望により、基板Sを所定の温度に加熱できるようにしても良い。   Further, a heating means 64 such as a heater may be provided on the surface of the substrate stage opposite to the substrate mounting side so that the substrate stage 62 can be heated, so that the substrate S can be heated to a predetermined temperature if desired.

スパッタリング用カソード電極65には、スパッタリング用電源66がケーブル66aを介して接続されている。このカソード電極65は、アルミナで構成されており、スパッタリングターゲットとして機能する。また、電源66は、高周波電源であり、この電源の出力がカソード電極65に印加されると、真空チャンバ61内のカソード電極65表面の近傍にプラズマが発生し、通常のスパッタリングを実施できるように構成されている。   A sputtering power source 66 is connected to the sputtering cathode electrode 65 via a cable 66a. The cathode electrode 65 is made of alumina and functions as a sputtering target. The power source 66 is a high frequency power source. When the output of this power source is applied to the cathode electrode 65, plasma is generated near the surface of the cathode electrode 65 in the vacuum chamber 61 so that normal sputtering can be performed. It is configured.

真空チャンバ61の壁面には、酸素ガス導入系67、アルゴンガス導入系68及び真空排気系69が接続されている。それぞれのガス導入系では、バルブ67a及び68a、マスフローコントローラ67b及び68b、バルブ67c及び68c、並びにガスボンベ67d及び68dがこの順に金属製配管で接続されている。これらガス導入系67、68により、真空チャンバ61内にガスを導入し、プラズマを発生させる。また、真空排気系69は、コンダクタンスバルブ69a、ターボ分子ポンプ69b、バルブ69c及びロータリーポンプ69dがこの順に金属製真空配管で接続されており、コンダクタンスバルブ69aを調整して、真空チャンバ61内の圧力を5×10−2Paに調整できるように構成されている。 An oxygen gas introduction system 67, an argon gas introduction system 68, and a vacuum exhaust system 69 are connected to the wall surface of the vacuum chamber 61. In each gas introduction system, valves 67a and 68a, mass flow controllers 67b and 68b, valves 67c and 68c, and gas cylinders 67d and 68d are connected in this order by metal piping. These gas introduction systems 67 and 68 introduce gas into the vacuum chamber 61 to generate plasma. The vacuum exhaust system 69 includes a conductance valve 69a, a turbo molecular pump 69b, a valve 69c, and a rotary pump 69d connected in this order by a metal vacuum pipe. The conductance valve 69a is adjusted to adjust the pressure in the vacuum chamber 61. Can be adjusted to 5 × 10 −2 Pa.

図5のスパッタリング蒸着装置を用いて、以下のプロセスに従って、サファイア基板上にアルミナ膜を形成した。   An alumina film was formed on the sapphire substrate according to the following process using the sputtering deposition apparatus of FIG.

まず、洗浄及び熱処理により表面を清浄化したサファイア基板Sを、基板ステージ上に載置した。基板ステージ62を室温に保持し、酸素ガス導入系67のバルブ67a及び67cを開放し、マスフローコントローラ67bを介して供給する酸素ガスと、アルゴンガス導入系68のバルブ68a及び68cを開放し、マスフローコントローラ68bを介して供給するアルゴンガスとの混合ガスを真空チャンバ61内へ導入し、コンダクタンスバルブ69aを調整して、真空チャンバ61内の圧力を0.1Paに調整した。高周波電源66から、スパッタリング用カソード電極65に高周波(13.56MHz)を印加することにより、カソード電極65の近傍にプラズマを生成してイオンを発生させ、そのイオンでアルミナのターゲットをスパッタして、アルミナ粒子を基板S上に付着せしめた。このスパッタリングプロセスを5時間継続し、基板上に膜厚300nmのアルミナ膜を成膜させた。   First, the sapphire substrate S whose surface was cleaned by washing and heat treatment was placed on the substrate stage. The substrate stage 62 is kept at room temperature, the valves 67a and 67c of the oxygen gas introduction system 67 are opened, the oxygen gas supplied via the mass flow controller 67b, and the valves 68a and 68c of the argon gas introduction system 68 are opened, and the mass flow is performed. A mixed gas with argon gas supplied via the controller 68b was introduced into the vacuum chamber 61, the conductance valve 69a was adjusted, and the pressure in the vacuum chamber 61 was adjusted to 0.1 Pa. By applying a high frequency (13.56 MHz) to the sputtering cathode electrode 65 from the high frequency power supply 66, plasma is generated in the vicinity of the cathode electrode 65 to generate ions, and the alumina target is sputtered with the ions, Alumina particles were deposited on the substrate S. This sputtering process was continued for 5 hours to form an alumina film having a thickness of 300 nm on the substrate.

次いで、上記のようにして得られたアルミナ膜を有する基板を真空チャンバ内61から取り出して加熱炉内に載置し、空気雰囲気中、1気圧、900℃で5時間焼成してアルミナ膜を得た。   Next, the substrate having the alumina film obtained as described above is taken out from the vacuum chamber 61 and placed in a heating furnace, and fired at 1 atm and 900 ° C. for 5 hours in an air atmosphere to obtain an alumina film. It was.

かくして得られたアルミナ膜に対する、焼成前の膜表面及び基板断面のSEM写真観察によれば、それぞれ、図2(a)及び(b)における0発と同様な結果を示し、また、焼成後の膜表面及基板断面のSEM写真観察によれば、それぞれ、図3(a)及び(b)における0発と同様な結果を示した。すなわち、得られたアルミナ膜は、焼成前も焼成後も表面に凹凸があり、また、断面写真からみて、焼成後でもあまり結晶化されておらず、緻密な膜ではなかった。   According to the SEM photograph observation of the film surface before firing and the cross section of the substrate with respect to the alumina film thus obtained, the results similar to the 0 shots in FIGS. 2 (a) and (b) are shown, respectively. According to the SEM photograph observation of the film surface and the substrate cross section, the same results as the zero shot in FIGS. 3A and 3B were shown, respectively. That is, the obtained alumina film had irregularities on the surface before and after firing, and was not very crystallized even after firing, as seen from a cross-sectional photograph, and was not a dense film.

本発明によれば、表面が平坦で、かつ緻密な金属酸化物膜を形成できるので、ガスセンサ用の絶縁膜や排ガス触媒担持用の膜としては有用であり、センサ技術分野や触媒技術分野で利用可能である。   According to the present invention, a fine metal oxide film having a flat surface can be formed, which is useful as an insulating film for a gas sensor and a film for supporting an exhaust gas catalyst, and is used in the sensor technical field and the catalytic technical field. Is possible.

本発明の成膜方法で用いた成膜装置の一構成例を模式的に示す構成例。The structural example which shows typically the structural example of the film-forming apparatus used with the film-forming method of this invention. 実施例1で得られた焼成前のアルミナ膜について、(a)は基板断面SEM写真、(b)は膜表面SEM写真。About the alumina film | membrane before baking obtained in Example 1, (a) is a substrate cross-sectional SEM photograph, (b) is a film | membrane surface SEM photograph. 実施例1で得られた焼成後のアルミナ膜について、(a)は基板断面SEM写真、(b)は膜表面SEM写真。About the alumina film | membrane after baking obtained in Example 1, (a) is a substrate cross-sectional SEM photograph, (b) is a film | membrane surface SEM photograph. 実施例1で得られた焼成後のアルミナ膜のXRDスペクトル。The XRD spectrum of the alumina film | membrane after baking obtained in Example 1. FIG. 比較例1で用いたスパッタリング蒸着装置。The sputtering vapor deposition apparatus used in Comparative Example 1.

符号の説明Explanation of symbols

1 成膜装置 11 真空チャンバ
11 真空チャンバ内 12 基板ステージ
13 回転駆動手段 14 加熱手段
15 同軸型真空アーク蒸着源 15a カソード電極
15b アノード電極 15c トリガ電極
15d 絶縁碍子 15e トリガ電源
15f アーク電源 15g 直流電圧源
15h コンデンサユニット 16 スパッタリング蒸着源
16a スパッタリングカソード電極 16b スパッタリング用電源
16c ケーブル 17 酸化性ガス導入系
17a、17c バルブ 17b マスフローコントローラ
17d ガスボンベ 18 不活性ガス導入系
18a、18c バルブ 18b マスフローコントローラ
18d ガスボンベ 19 真空排気系
19a コンダクタンスバルブ 19b ターボ分子ポンプ
19c バルブ 19d ロータリーポンプ
20 コントローラ 61 真空チャンバ
62 基板ステージ 63 回転駆動手段
64 加熱手段 65 スパッタリング用カソード電極
66 スパッタリング用電源 66a ケーブル
67 酸素ガス導入系 67a、67c バルブ
67b マスフローコントローラ 67d ガスボンベ
68 アルゴンガス導入系 68a、68c バルブ
68b マスフローコントローラ 68d ガスボンベ
69 真空排気系 69a コンダクタンスバルブ
69b ターボ分子ポンプ 69c バルブ
69d ロータリーポンプ S 基板
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Film-forming apparatus 11 Vacuum chamber 11 In a vacuum chamber 12 Substrate stage 13 Rotation drive means 14 Heating means 15 Coaxial vacuum arc evaporation source 15a Cathode electrode 15b Anode electrode 15c Trigger electrode 15d Insulator 15e Trigger power supply 15f Arc power supply 15g DC voltage source 15h Capacitor unit 16 Sputtering evaporation source 16a Sputtering cathode electrode 16b Sputtering power supply 16c Cable 17 Oxidizing gas introduction system 17a, 17c Valve 17b Mass flow controller 17d Gas cylinder 18 Inert gas introduction system 18a, 18c Valve 18b Mass flow controller
18d Gas cylinder 19 Vacuum exhaust system 19a Conductance valve 19b Turbo molecular pump 19c Valve 19d Rotary pump 20 Controller 61 Vacuum chamber 62 Substrate stage 63 Rotation drive means 64 Heating means 65 Sputtering cathode electrode 66 Sputtering power supply 66a Cable 67 Oxygen gas introduction system 67a 67c Valve 67b Mass flow controller 67d Gas cylinder 68 Argon gas introduction system 68a, 68c Valve 68b Mass flow controller 68d Gas cylinder 69 Vacuum exhaust system 69a Conductance valve 69b Turbo molecular pump 69c Valve 69d Rotary pump S Substrate

Claims (4)

円筒状のトリガ電極と蒸着用金属材料で少なくとも先端部が構成された円柱状又は円筒状のアルミニウム、チタン又はシリコンからなるカソード電極とが、円筒状の絶縁碍子を挟んで同軸状に隣接して固定されており、前記カソード電極の周りに同軸状に円筒状のアノード電極が離間して配置されている同軸型真空アーク蒸着源を用いて、酸化性雰囲気中でカソード電極を構成する金属材料を成膜装置内に載置したサファイ、シリコン、SiC又はステンレスからなる基板上に蒸着せしめて金属酸化物微粒子を形成し、次いで前記カソード電極と同じ金属材料又はその金属の酸化物で構成されたスパッタリングターゲットを備えた蒸着源を用いて該金属酸化物微粒子の上に金属酸化物膜を形成した後、この金属酸化物膜の形成された基板を加熱することを特徴とする金属酸化物膜の成膜方法。 A cylindrical trigger electrode and a columnar or cylindrical cathode electrode made of aluminum, titanium, or silicon having at least a tip made of a metal material for vapor deposition are coaxially adjacent to each other with a cylindrical insulator interposed therebetween. A metallic material that constitutes the cathode electrode in an oxidizing atmosphere using a coaxial vacuum arc deposition source that is fixed and has a cylindrical anode electrode coaxially disposed around the cathode electrode. sapphire, which is placed in the film forming apparatus, silicon, and allowed deposited on a substrate made of SiC or stainless forming the metal oxide fine particles, and then configured with an oxide of the same metal material or metal and the cathode electrode after forming the metal oxide film on the metal oxide particles using a vapor deposition source with a sputtering target, a substrate formed of the metal oxide film Method of forming a metal oxide film, characterized by heat. 前記金属酸化物膜を形成する際に、スパッタリングターゲットを備えた蒸着源を用いて成膜する雰囲気を酸化性雰囲気とすることを特徴とする請求項1記載の金属酸化物膜の成膜方法。 2. The method for forming a metal oxide film according to claim 1, wherein when forming the metal oxide film, an atmosphere for forming the film using an evaporation source provided with a sputtering target is an oxidizing atmosphere. 前記同軸型真空アーク蒸着源及び前記スパッタリングターゲットを備えた蒸着源が同じ真空チャンバに設けられている成膜装置を用いて、前記金属酸化物微粒子及び前記金属酸化物膜を形成し、次いで酸化性雰囲気の加熱炉中で加熱することを特徴とする請求項1又は2記載の金属酸化物膜の成膜方法。 The metal oxide fine particles and the metal oxide film are formed using a film forming apparatus in which the coaxial vacuum arc evaporation source and the evaporation source including the sputtering target are provided in the same vacuum chamber, and then oxidized. 3. The method for forming a metal oxide film according to claim 1, wherein heating is performed in a heating furnace in an atmosphere. 前記カソード電極としてアルミニウムで構成された電極を用いて、アルミニウム酸化物微粒子を形成した後、真空チャンバ内の雰囲気を維持しながら、スパッタリングターゲットとしてアルミニウム酸化物で構成されたターゲットを用いて、アルミニウム酸化物微粒子上にアルミニウム酸化物膜を形成することを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の金属酸化物膜の成膜方法。   After forming aluminum oxide fine particles using an electrode composed of aluminum as the cathode electrode, aluminum oxide is oxidized using a target composed of aluminum oxide as a sputtering target while maintaining the atmosphere in the vacuum chamber. The method for forming a metal oxide film according to claim 1, wherein an aluminum oxide film is formed on the product fine particles.
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