JPH04107257A - 多元系複合化合物膜の形成方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 【産業上の利用分野】

本発明は、複数種類の金属元素が酸素等の非金属元素と
ともに化合した多元系複合化合物の薄膜を形成する方法
及び装置に関するもので、特に、ターゲットをスパッタ
することによって多元系複合化合物の薄膜を形成するよ
うにした複合化合物膜の形成方法及び装置に関するもの
である。

【従来の技術】

近年、光通信や光情報処理技術の進歩に伴って、磁気的
、光学的に優れた特性を有する新材料の開発が求められ
るようになってきている。 そのような材料としてこれまでに開発されたものには、
例えば光磁気記録に用いられるＹＩＧ（Ｙ３　Ｆｅｓ　
０１２）や固体レーザ発振材料として用いられるＹＡＧ
　（Ｙ３Ａ１．０．□）、光導波路型の光学素子に用い
られるＬｉＮｂＯ２などがある。また、超伝導を応用し
た高速演算素子などに用いられる高温超伝導物質の研究
なども精力的に進められている。それらの材料は、いず
れも２種類以上の金属元素と酸素とが化合した多元系複
合酸化物である。 ところで、このような材料は、薄い単結晶の膜とするこ
とが求められることも多い。そのように薄い膜を形成す
る方法としては、イオンビームスパッタリングが知られ
ている。イオンビームスパッタリングは、ターゲットに
イオンビームを照射し、そのターゲットからスパッタさ
れた粒子を基板面上に付着堆積させる方法である。一般
に、そのターゲットには、目標とする膜と同じ組成の材
料が用いられている。 しかしながら、上述のような多元系複合物の場合には、
ターゲットにその複合物の単結晶あるいは焼結体を用い
てイオンビームスパッタリングしても、各構成元素によ
ってスパッタ率が異なるために、得られる膜はターゲッ
トと同じ組成にはならない。例えばＬ　ｉＮ　ｂ　Ｏ３
をターゲットとしてスパッタを行うと、Ｎｂのスパッタ
量とＬｉのスパッタ量とが異なるために、形成される膜
は、Ｎｂが多くＬｉが少ないものとなる。 したがって、そのような複合物のスパッタを行う場合に
は、ターゲットとして、あらかじめ組成変化を見込んだ
ものを用いることになるが、そのようにすると、そのタ
ーゲットは化学量論組成ではなくなるので、単相とはな
らず、異相の存在のために複数の相となる。そして、異
相は一般に不均一に分布するので、そのようなターゲッ
トを用いてスパッタすると、得られる膜の組成が毎回具
なることになる。 このようなことから、特開昭６２−２１４１７２号公報
に示されているように、複数の異種ターゲットを用い、
それらにそれぞれ異なるイオン源からイオンビームを照
射して、各ターゲットから飛散するスパッタ粒子を基板
面上に付着させるようにした複合物のイオンビームスパ
ッタ方法が提案されている。その−イオンビームスパッ
タ方法においては、基板が回転可能な基板ホルダに固定
されており、その基板上に一方のターゲットからスパッ
タされた粒子を付着堆積させた後、基板を回転させて、
形成された薄膜の上に他方のターゲットからスパッタさ
れた粒子を付着させるようになっている。 このようなイオンビームスパッタ方法によれば、各ター
ゲットごとにイオンビーム電流あるいはターゲットの表
面積を変えることにより、各ターゲットのスパッタ量を
独立してコントロールすることが可能となるので、形成
される膜の組成を一定に保つことができる。

【発明が解決しようとする課題】

しかしながら、そのような複合物のイオンビームスパッ
タ方法では、ターゲットとして非電気伝導性の材料を用
いると、チャージアップ現象などによりスパッタの不均
一性が生じ、組成制御が困難となる。したがって、非電
気伝導性の金属酸化物等をターゲットとすることはでき
ず、用いられるターゲット材料は電気伝導性のあるもの
に限られる。そして、電気伝導性のある金属Ｌ１や金属
Ｎｂは、ビームを照射すると表面温度が上昇して周囲の
酸素と結合し、それによってスパッタ率が変化するので
、制御ができなくなる。そのために、周囲を超高真空に
保つことが必要となる。 また、そのようなイオンビームスパッタリングは真空中
において行われる。そのために、例えば酸化物をターゲ
ットとしてイオンビームを照射すると、酸素が逃げてし
まう。すなわち、金属酸化物をターゲットとしてスパッ
タしても、化学量論組成の酸化物の膜を形成することは
できない。 しかも、そのようにして形成される膜は、厳密にいうと
各組成物が積層された多層膜にすぎず、化合物の膜とは
ならない。 そのような酸化物等の化合物の膜を形成する方法として
は、例えば特開昭６０−１００６６１号公報に示されて
いるように、イオンビームあるいは中性粒子ビームによ
って金属ターゲットをスパッタし、そのターゲット物質
の粒子を基板面に入射させるとともに、反応性ガスを含
んだイオンビームをその基板面に照射し、ターゲット物
質と反応性ガスとの反応生成物からなる薄膜を形成する
方法が提案されている。 このような方法によれば、反応性ガスとして例えば活性
酸素を用いることにより、金属酸化物の薄膜を形成する
ことができる。 しかしながら、そのような方法によっても、上述のよう
に２種類以上の金属元素を含む多元系複合酸化物の薄膜
を形成することはできない。すなわち、この方法によっ
て多元系複合酸化物の薄膜を形成しようとすると、その
ターゲットとして２種類以上の金属元素からなる合金を
用いることが必要となるが、そのような合金を用いると
、上述したように各構成金属のスパッタ率が異なるため
に均一な組成の膜が得られなくなってしまう。 本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであっ
て、その目的は、化学量論組成を有する良質の多元系複
合化合物膜を効率よく形成することのできる方法及び装
置を得ることである。

【課題を解決するための手段】

この目的を達成するために、本発明では、目標とする多
元系複合化合物膜の各構成元素の酸化物をそれぞれター
ゲットとして用い、それらのターゲットにそれぞれ中性
粒子線を照射して、そのターゲットからそれぞれ粒子を
スパッタさせるとともに、そのスパッタ粒子と反応して
化合物を形成する反応性ガスを含んだイオンビームをス
パッタ粒子とともに基板上の同一部位に同時に入射させ
るようにしている。各ターゲットのスパッタの条件は、
各構成元素のスパッタ率等に応じて定められる。

【作用】

このように構成することにより、各ターゲットからスパ
ッタされたそれぞれの粒子と反応性ガスとが基板上で化
合し、その化合物が基板上に堆積する。したがって、多
元系複合化合物の膜を得ることができる。その場合、各
ターゲットのスパッタ条件がそれぞれ適切に設定される
のて、得られる化合物膜は正確な化学量論組成となる。 そして、スパッタ用ビームとして中性粒子線を用いるよ
うにしているので、各ターゲットに非電気伝導性の金属
酸化物を用いることができる。そのような酸化物は安定
しているので、安定したスパッタを行うことができる。

【実施例】

以下、図面を用いて本発明の詳細な説明する。 図は本発明による多元系複合化合物膜の形成装置の一実
施例を示す概略構成図である。 この図から明らかなように、この多元系複合化合物膜形
成装置１は、一対のスパッタ用粒子線源２ａ、２ｂを備
えている。この粒子線源２ａ、２ｂは、図示されていな
いガス導入口から内部に微量のアルゴン等の不活性ガス
を導入して、それぞれ独立して設けられた電源から電圧
を印加することにより、電荷を持たない原子線などの電
気的に中性の粒子線３ａ、３ｂを発生するものとされて
いる。その粒子線３ａ。 ３ｂの出力は、印加する電圧の大きさによって制御され
るようになっている。 これらの粒子線源２ａ、２ｂに対向する位置には、それ
ぞれターゲットホルダ４ａ、４ｂが設けられている。こ
のターゲットホルダ４ａ。 ４ｂは角錐状のもので、その各側面にそれぞれ異種ター
ゲット５ａ、５ｂが固定されるようになっている。その
ターゲットホルダ４ａ、４ｂの位置は、各粒子線源２ａ
、２ｂから放射された粒子線３ａ、３ｂがターゲット５
ａ、５ｂの法線に対して６０″の角度で入射するような
位置とされている。また、各ターゲット５ａ。 ５ｂの法線は互いに交わるようにされている。 これらのターゲットホルダ４ａ、４ｂは、それぞれその
軸線上に設けられた回転軸６ａ６ｂによって、必要に応
じて回転されるようになっている。したがって、粒子線
３ａ、３ｂによって照射されるターゲット５ａ、５ｂが
変えられるようになっている。 このようにして、各粒子線源２ａ、２ｂからの粒子線３
ａ、３ｂによって適宜の一対のターゲット５ａ、５ｂが
照射され、そのターゲット５ａ、５ｂからそれぞれ粒子
７ａ、７ｂがスパッタ蒸発して、そのスパッタ粒子７ａ
、７ｂがターゲット５ａ、５ｂの法線方向に飛翔するよ
うにされている。 各ターゲット５ａ、５ｂからスパッタされた粒子７ａ、
７ｂが飛翔する側には、複数の基板８．８．・・・を固
定し得る基板ホルダ９が設けられている。その基板ホル
ダ９は回転軸１０によって回転されるようになっている
。そして、その回転によって、各ターゲット５ａ、５ｂ
の法線が互いに交わる位置に基板８を移動させることが
できるようにされている。 更に、この複合化合物膜形成装置１には、上述のスパッ
タ用粒子線源２ａ、２ｂのほかに、スパッタ粒子７ａ、
７ｂと化合する反応性ガスを含むイオンビーム１１を放
射する活性化イオン源１２が設けられている。そのイオ
ンビーム１１は、スパッタ粒子７ａ、７ｂと同じ部位に
照射されるようになっている。 基板ホルダ９には、基板８を加熱して反応を促進させる
ためのヒータ１３が設けられている。また、スパッタ粒
子７ａ、７ｂ及びイオンビーム１】によって照射される
基板８の近傍には、形成された膜の厚さを計測する膜厚
計１４が設けられている。 更に、各粒子線源２ａ、２ｂの粒子線放射口の近傍には
、各粒子線３ａ、３ｂを選択的に遮蔽し得るシャッタ１
５ａ、１５ｂが設けられている。そして、膜が形成され
る基板８の近傍には、スパッタ粒子７ａ、７ｂ及びイオ
ンビーム１１を遮り得るシャッタ１６が設けられている
。 この複合化合物膜形成装置１は、図示されていない排気
装置によって真空排気される真空容器内に収容されるよ
うになっている。また、ターゲットホルダ４ａ、４ｂや
基板ホルダ９、あるいはシャッタ１５ａ、１５ｂ、１６
等の各機器は、真空容器外に設けられる駆動制御装置に
よってコンピュータ制御されるようになっている。 次に、このように構成された多元系複合化合物膜形成装
置１によりＬ　Ｉ　Ｎ　ｂ　Ｏｓの膜を形成する手順に
ついて説明する。 ＬｉＮｂＯ５の膜を形成するときには、ターゲット５ａ
、５ｂとして、目標とする膜の各構成元素の酸化物であ
るＬ１□Ｏ及びＮｂ２ｏｓの焼結体を用いる。また、活
性化イオン源１２からは活性酸素を含むイオンビーム１
１が発生されるようにしておく。 それらのターゲット５ａ、５ｂはターゲットホルダ４ａ
、４ｂのターゲット固定面にそれぞれ固定する。そして
、そのターゲットホルダ４ａ、４ｂを回転軸６ａ、６ｂ
のまわりに回転させ、各ターゲット５ａ、５ｂの位置を
調整する。また、基板ホルダ９を回転させ、基板８を、
各ターゲット５ａ、５ｂからスパッタされた粒子７ａ、
７ｂが最も効率よく付着する位置、すなわち各ターゲッ
ト５ａ、５ｂの法線が互いに交わる位置に配置する。 次いで、排気装置を作動させ、この形成装置１が設けら
れている真空容器内を１０−’Ｔｏｒｒの領域の真空度
に保持する。 このときには、各シャッタ１５ａ、１５ｂ。 １６はいずれも閉じておく。そして、この状態で各粒子
線源２ａ、２ｂに微量のアルゴンを供給し、それぞれ電
圧を印加する。その電圧の大きさは、単位時間に形成さ
れる膜のＬｉとＮｂとの比が１：１となるようにあらか
じめ求められた値とされる。したがって、各粒子線源２
ａ、２ｂからはそれぞれ異なる強さの粒子線３ａ、３ｂ
が放射される。 この間において、活性化イオン源１２からイオンビーム
１１を発生させる。また、ヒータ１３を作動させ、基板
８を加熱する。 次いで、各粒子線源２ａ、２ｂの前方のシャッタ１５ａ
、１５ｂを開く。すると、各粒子線３ａ、３ｂがターゲ
ット５ａ、５ｂに照射され、スパッタが開始される。こ
のようにして適当な時間スパッタを行い、ターゲット５
ａ。 ５ｂの表面に付着している不純物などが除去されて、ス
パッタが安定して行われるようになったとき、基板８の
近傍のシャッタ１６を開く。 この状態では、各ターゲット５ａ、５ｂからのスパッタ
粒子７ａ、７ｂ及び活性化イオン源１２からのイオンビ
ーム１１が同時に基板８上の同一部位に入射する。した
がって、基板８上においてそれらの粒子７ａ、７ｂが活
性酸素の存在下で反応し、その化合物が基板８上に堆積
する。このとき、スパッタ粒子７ａ、７ｂは真空下でス
パッタされるためにターゲット物質よりも酸素の少ない
ものとなるが、イオンビーム１１中の活性酸素によって
補われるので、得られる化合物膜は正確な組成比のＬ　
ｉ　Ｎ　ｂ　Ｏｓとなる。したがって、欠陥が少なく、
結晶性の良好な化合物膜を得ることができる。また、反
応性ガスイオンビーム１１によって基板８の表面がクリ
ーニングされるので、化合物膜と基板８との密着性も向
上する。 このようにして、基板８上に化学量論組成を有する良質
の多元系複合化合物膜が形成される。その膜の厚さがあ
らかじめ設定された膜厚に達すると、それが膜厚計１４
によって検出され、各シャッタ１５ａ、１５ｂ、１６が
閉じられる。そして、基板ホルダ９が回転して、次の基
板８が所定の位置に移動される。 このように、この複合化合物膜形成装置１によれば、シ
ャッタ１５ａ、１５ｂ、１６の開閉と基板８の移動とを
繰り返すだけで、同じ組成の化合物膜を連続的に形成す
ることができる。 また、化学組成の異なる化合物膜、例えば構成元素が同
じで組成比が異なる膜を得たい場合には、次のスパッタ
を開始する前に、スパッタ用粒子線源２ａ、２ｂに印加
する電圧を所望の値に設定し直して、スパッタを行うよ
うにすればよい。構成元素の異なる化合物膜を得たい場
合には、あらかじめターゲットホルダ４ａ。 ４ｂの各ターゲット固定面にそれぞれ異種ターゲットを
固定しておき、次のスパッタに移る前に、ターゲットホ
ルダ４ａ、４ｂを回転させて所望のターゲット５ａ、５
ｂの組み合わせとし、粒子線源２ａ、２ｂに印加する電
圧を調整した後、スパッタを開始するようにすればよい
。 更に、この化合物膜形成装置１によれば、異なる組成の
多層膜を形成することもできる。その場合には、多層膜
形成において各層の構成元素が不都合な組み合わせとは
ならないように考慮した上で、ターゲットホルダ４ａ、
４ｂの各ターゲット固定面にそれぞれ異種ターゲット５
ａ、５ｂを固定しておき、まず、所望のターゲット５ａ
、５ｂの組み合わせで化合物膜を形成する。そして、そ
の膜の厚さが所定の厚さに達すると、膜厚計１４からの
信号により各シャッタ１５ａ、１５ｂ、１６を閉じる０
次いで、ターゲットホルダ４ａ、４ｂを回転させて、次
の層の化合物膜の形成に必要なターゲット５ａ、５ｂの
組み合わせとし、同様にして化合物膜を形成する。この
ようにして、一連の操作を繰り返すことにより、膜厚が
高精度に制御された化学量論組成の化合物多層膜が形成
される。 このように、スパッタ用粒子線３ａ、３ｂを遮蔽するシ
ャッタ１５ａ、１５ｂ及びターゲット５ａ、５ｂからス
パッタされた粒子７ａ。 ７ｂを遮るシャッタ１６を用いることにより、ターゲッ
ト５ａ、５ｂの切換時あるいは基板８の移動時にも粒子
線源２ａ、２ｂを作動状態に保つことができ、一定の条
件でスパッタを継続することができる。 このような多元系複合化合物膜形成装置１を実際に試作
し、それを用いて実験を行った。その実験においては、
ターゲットとして上記実施例で説明したＬｉｚＯ及びＮ
ｂ＋ａＯｓの焼結体を用いた。また、基板としてはサフ
ァイヤの単結晶を用いた。 あらかじめ各粒子線の加速電圧と４５０’Ｃのサファイ
ヤ単結晶基板上に堆積する構成元素の堆積速度との関係
を求めたところ、単位時間に形成される膜のＬｉとＮｂ
との比が１：１となる粒子線源の印加電圧はそれぞれ２
．５ｋＶ及び８．０ｋＶが適当であることが判明した。 そこで、サファイヤ単結晶基板を４５０℃に加熱してお
き、各粒子線源の印加電圧を上述のように設定し、電流
値が安定した後、両ターゲットを同時にスパッタした。 ２時間の連続成膜により約２μｍの膜厚のＬ　ｉ　Ｎ　
ｂ　Ｏｓ膜が形成された。 得られた膜をＩＣＰ分析した結果、ＬｉとＮｂとの比は
１・１であることが確認された。 また、反射高速電子線回折により、単結晶膜であること
が確認された。 なお、上記実施例においては、２種類の金属元素と酸素
との化合物である２元系複合酸化物の膜を形成する場合
について説明したが、本発明はこれに限らず、窒化物や
炭化物などの複合化合物膜や３種類以上の金属元素を含
む多元系複合化合物の膜の形成にも適用することがてき
る。３種類以上の金属元素からなる多元系複合化合物の
場合には、その構成元素の種類数に応じた数のターゲッ
トホルダと粒子線源とを用いればよい。また、微量元素
を含ませる場合には、上述の多層膜形成の手法を利用し
て成膜し、その元素を膜内に拡散させるようにすること
もできる。

【発明の効果】

以上の説明から明らかなように、本発明によれば、複数
のスパッタ用粒子線源から異種ターゲットにそれぞれ粒
子線を同時に照射し、２種類以上のスパッタ粒子を基板
上の同一部位に入射させるとともに、その基板上に反応
性ガスを含むイオンビームを同時に照射するようにして
いるので、基板上においてそれらを反応させ、その化合
物を基板上に堆積させることができる。したがって、２
種類以上の金属元素と酸素、窒素、あるいは炭素等の非
金属元素とからなる多元系複合化合物の膜をスパッタリ
ングによって形成することができる。 また、スパッタ用ビームとして中性粒子線を用いるよう
にしているので、ターゲットとしては非電気導電性の物
質を用いることができる。 そして、一般的に例えば金属酸化物は安価であり、しか
も化学的に安定しているので、安定したスパッタを行う
ことができる。 更に、スパッタ粒子とともに反応性ガスを含むイオンビ
ームな照射することにより、欠陥が少なく、基板との密
着性に優れ、かつ結晶性の良好な膜を得ることができる
。 こうして、目標とする化学量論組成を有する良質の多元
系複合化合物膜を効率よく得ることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

図は、本発明による多元系複合化合物膜の形成装置の一
実施例を示す概略構成図である。 １・・・多元系複合化合物膜形成装置 ２ａ、２ｂ・・・スパッタ用粒子線源 ３ａ、３ｂ・・・中性粒子線 ４ａ、４ｂ・・・ターゲットホルダ ５ａ、５ｂ・・・ターゲット ７ａ、７ｂ・・・スパッタ粒子　　　８・・・基板９・
・・基板ホルダ　　　１１・・・イオンビーム２・・・
活性化イオン源 ５ａ、１５ｂ、１６−シャッタ 特許出願人　　株式会社日本製鋼所 代理人　　弁理士　森　下　端　侑

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）目標とする膜の材料である多元系複合化合物の各
   構成元素の酸化物をそれぞれターゲットとして、それら
   のターゲットにそれぞれスパッタ用中性粒子線を前記各
   構成元素に応じて異なる条件で照射し、各ターゲットか
   らスパッタされた粒子を基板上の同一部位に同時に入射
   させるとともに、 そのスパッタ粒子と反応して化合物を形成する反応性ガ
   スを含んだイオンビームを前記スパッタ粒子と同時に前
   記基板上に照射するようにした、 多元系複合化合物膜の形成方法。
2. （２）それぞれ制御された強さのスパッタ用中性粒子線
   を発生する複数の粒子線源と、 その粒子線源がそれぞれ発生した粒子線が照射される位
   置にそれぞれ設けられ、異種ターゲットがそれぞれ固定
   される複数のターゲットホルダと、 それらのターゲットからスパッタされた粒子が同時に入
   射する位置に設けられる基板と、その基板の前記各スパ
   ッタ粒子が同時に入射する部位に反応性ガスを含んだイ
   オンビームを照射する活性化イオン源と、 を備えてなる、多元系複合化合物膜の形成装置。
3. （３）前記複数のスパッタ用粒子線源から発生された粒
   子線及び前記複数のターゲットからスパッタされたスパ
   ッタ粒子をそれぞれ遮蔽し得るシャッタが設けられてい
   る、 請求項２記載の多元系複合化合物膜の形成装置。