JPH06279180A - Production of crystal thin film - Google Patents

Production of crystal thin film

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Publication number
JPH06279180A
JPH06279180A JP5066786A JP6678693A JPH06279180A JP H06279180 A JPH06279180 A JP H06279180A JP 5066786 A JP5066786 A JP 5066786A JP 6678693 A JP6678693 A JP 6678693A JP H06279180 A JPH06279180 A JP H06279180A
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JP
Japan
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target
thin film
substrate
composition
laser
Prior art date
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Pending
Application number
JP5066786A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Yukio Watabe
行男 渡部
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mitsubishi Kasei Corp
Original Assignee
Mitsubishi Kasei Corp
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Filing date
Publication date
Application filed by Mitsubishi Kasei Corp filed Critical Mitsubishi Kasei Corp
Priority to JP5066786A priority Critical patent/JPH06279180A/en
Publication of JPH06279180A publication Critical patent/JPH06279180A/en
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    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E40/00Technologies for an efficient electrical power generation, transmission or distribution
    • Y02E40/60Superconducting electric elements or equipment; Power systems integrating superconducting elements or equipment

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Abstract

PURPOSE:To form a good-quality thin film by forming the thin film in such a manner that the average molar number of the atoms or molecules deposited by evaporation and stuck onto a substrate during one supply period attains the value below the molar number for one layer of the unit lattice of the desired compd. crystal thin film. CONSTITUTION:UV light from an excimer laser device 1 is passed through an optical box 2 subjected to gaseous N2 purging and a window 5 and is made incident on a vacuum chamber 3 in which the pressure of an atmosphere gas such as O2 is maintained under 0.01 to 1000mTorr. This UV light is condensed by a condenser lens 4 and a target 6 formed by combining plural materials, such as YCu and BaCu alloy, is successively irradiated with this condensed light in a specified period. The surface of the target 6 is locally heated for a short period of time by the irradiation with the UV rays, by which the target materials are evaporated and the atoms or molecules are deposited by evaporation on the substrate 8 of MgO single crystal, etc., arranged to face the target in such a manner that the average molar number of the atoms or molecules deposited by evaporation and stuck onto the substrate during one supply period attains the value below the molar number for one layer of the unit lattice of the desired compd. crystal thin film. The crystal thin film of the same compsn. as the compsn. of the desired compd. such as YBa2Cu3O7 is obtd.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、結晶薄膜の作製法に関
する。詳しくは、ターゲットに電磁波ビームを照射して
蒸発させて所定の基板上に化合物結晶薄膜を作製する方
法に関し、金属成分及び酸素等からなるセラミック結晶
薄膜を用いた電子素子用薄膜の作製に有用な方法に関す
る。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for producing a crystal thin film. More specifically, it relates to a method of producing a compound crystal thin film on a predetermined substrate by irradiating a target with an electromagnetic wave beam to evaporate the target, and is useful for producing a thin film for an electronic device using a ceramic crystal thin film containing a metal component and oxygen. Regarding the method.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年、各種レーザーの発展とその応用は
目覚ましく、その重要な応用分野として大出力レーザー
の薄膜作製への応用が急速な発展を遂げている。このよ
うな薄膜作製方法として、通常レーザーアブレーション
として知られている方法(例えば、特開平2−1768
5号公報、Applied Physics Lett
ers,第54巻,No.11 第861−863頁、
参照)があり、後熱処理無しの酸化物超伝導薄膜の作製
が報告されている。
2. Description of the Related Art In recent years, the development of various lasers and their applications have been remarkable, and the application of high-power lasers to thin film fabrication has been rapidly developing as an important application field. As a method for producing such a thin film, a method generally known as laser ablation (for example, Japanese Patent Laid-Open No. 2-1768).
No. 5, Applied Physics Lett
ers, vol. 54, no. 11 pp. 861-863,
Reference), and preparation of an oxide superconducting thin film without post heat treatment has been reported.

【0003】このレーザーアブレーション法では、大き
なエネルギー密度を持ったレーザーパルスをターゲット
に照射することによりターゲット材料を蒸発させて、基
板上にターゲット組成に近い組成を有する薄膜を作製す
ることができる。また、近年RHEED振動を見ながら
比較的高真空で約100秒以上の時間単位でゆっくり原
子層1層ずつを形成していく手法をレーザー蒸着に取り
入れた蒸着法も検討されている。この蒸着法は、Lay
er by Layerのレーザー蒸着とも呼ばれ、例
えば原子層ごとLayer by Layerのレーザ
ー蒸着をする例としては、Jpn.J.Appl.Ph
ys.,31巻(1992) L217−220のよう
な報告がなされている。この方法ではバルクの同一組成
の材料に比べて、著しく低い電気特性しか得られていな
い。これは目的の薄膜の組成に到達する迄に時間がかか
り、且つ基板上に十分厚い原子層が形成されているにも
係わらず目的組成からずれた状態で薄膜が形成されるた
めに目的の化合物以外の相や欠陥が多くなるためと考え
られる。また、後熱処理を行う例ではあるが、ブロック
層ごとのLayer by Layerのレーザー蒸着
としては、Jpn.J.Appl.Phys.,28巻
(1989) L823−826のような報告がなされ
ている。
In this laser ablation method, the target material is evaporated by irradiating the target with a laser pulse having a large energy density, and a thin film having a composition close to the target composition can be formed on the substrate. Further, in recent years, a vapor deposition method incorporating a method of slowly forming one atomic layer at a time in a relatively high vacuum for about 100 seconds or more while observing RHEED vibration has been studied. This evaporation method is
er by Layer is also referred to as laser vapor deposition. For example, laser vapor deposition of Layer by Layer for each atomic layer is described in Jpn. J. Appl. Ph
ys. , 31 (1992) L217-220. This method provides significantly lower electrical properties than bulk materials of the same composition. This is because it takes a long time to reach the composition of the target thin film, and the thin film is formed in a state in which it deviates from the target composition despite the formation of a sufficiently thick atomic layer on the substrate. It is thought that this is because there are many other phases and defects. In addition, as an example of performing the post-heat treatment, as laser vapor deposition of Layer by Layer for each block layer, Jpn. J. Appl. Phys. , 28 (1989) L823-826.

【0004】ここで、図1を用いてレーザー蒸着装置を
説明しながらレーザーアブレーション法について説明す
る。図1は、レーザー蒸着装置の一例を示す概略模式図
である。エキシマレーザー発生装置1からの紫外光は、
窒素パージされた光学ボックス2及び真空槽の窓5を通
って真空槽3内に入射される。この紫外光は、光学ボッ
クス内に配置された集光レンズ4によりターゲット手前
に集光されターゲット6に照射される。ターゲットに照
射された光は、ターゲット表面を局所的に短時間加熱す
る。例えば、エキシマレーザーではパルス幅10〜30
nsecの短い時間が一般的である。この加熱を受けタ
ーゲット表面から蒸発が始まり、ターゲット材料がター
ゲットに対向して配置された基板8に向かって放出さ
れ、基板上に堆積される。レーザー蒸着装置のターゲッ
トホルダー7は回転可能であることが好ましく、場合に
よってはターゲットホルダーに複数のターゲットを配置
し、各ターゲット自身を回転させるとともに異なったタ
ーゲット間の位置交換が可能であるような機能を有して
いてもよい。基板ホルダー9は、通常回転可能であり、
加熱機能を有している。実際に酸化物超伝導薄膜を作製
するときには、真空槽には酸素などの酸化ガスをガス導
入口から供給する。また、ターゲットと基板ホルダーの
間には通常シャッター10が設けられている。
Here, the laser ablation method will be described while explaining the laser vapor deposition apparatus with reference to FIG. FIG. 1 is a schematic diagram showing an example of a laser vapor deposition apparatus. The ultraviolet light from the excimer laser generator 1 is
The light enters the vacuum chamber 3 through the nitrogen-purged optical box 2 and the window 5 of the vacuum chamber. This ultraviolet light is condensed in front of the target by the condenser lens 4 arranged in the optical box and is applied to the target 6. The light applied to the target locally heats the target surface for a short time. For example, the excimer laser has a pulse width of 10 to 30.
A short time of nsec is common. Upon receiving this heating, evaporation starts from the target surface, and the target material is discharged toward the substrate 8 arranged facing the target and deposited on the substrate. The target holder 7 of the laser deposition apparatus is preferably rotatable, and in some cases, a plurality of targets are arranged in the target holder so that each target can be rotated and the positions of different targets can be exchanged. May have. The substrate holder 9 is normally rotatable,
Has a heating function. When actually manufacturing an oxide superconducting thin film, an oxidizing gas such as oxygen is supplied to the vacuum chamber through a gas inlet. A shutter 10 is usually provided between the target and the substrate holder.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】従来のレーザーアブレ
ーション法では、作製する薄膜の金属組成がターゲット
の組成と同一組成又はほぼ同じ組成となることが大きな
利点であり、このために通常、目的とするセラミック薄
膜組成に近いターゲットを用いパルス当り2J/cm2
以上の大きなエネルギー密度のレーザーを照射して蒸着
が行われている。しかし、このような条件で蒸着を行う
とターゲット表面の組成がレーザー照射を重ねるに従い
変化したり、ターゲットの表面形状が変化して蒸着速度
が大きく低下したり、薄膜表面に粒子が生成するという
問題があった。一方、目的とするセラミック薄膜組成に
近いターゲットにパルス当たり極めて低いエネルギー密
度のレーザーを照射して蒸着を行う場合は、作製される
薄膜の金属組成がターゲットの組成から大きくずれてし
まったり、不純物相が形成されてしまうため、好ましく
ないと考えられていた。
In the conventional laser ablation method, it is a great advantage that the metal composition of the thin film to be produced has the same composition or almost the same composition as the composition of the target. 2 J / cm 2 per pulse using a target close to ceramic thin film composition
Vapor deposition is performed by irradiating the laser with the above large energy density. However, when vapor deposition is performed under these conditions, the composition of the target surface changes as laser irradiation is repeated, the surface shape of the target changes and the deposition rate decreases significantly, and particles are generated on the thin film surface. was there. On the other hand, when irradiating a target close to the target ceramic thin film composition with a laser having an extremely low energy density per pulse for vapor deposition, the metal composition of the thin film to be produced may deviate greatly from the composition of the target, or the impurity phase It was considered to be unfavorable because it would be formed.

【0006】目的とするセラミック薄膜組成に近いター
ゲットを用いるレーザー蒸着では、薄膜組成は基板とタ
ーゲットの距離、雰囲気ガス圧、レーザーエネルギー密
度等により決まるが、その好適範囲は狭く、例えば基板
とターゲットの距離は10cm以下に範囲に制限される
場合が多い。これは、蒸着のための蒸発した原子又は分
子が、雰囲気ガスにより著しく散乱され、原子種、分子
種ごとに散乱の影響が異なるため蒸着薄膜の組成が変わ
り、また、その影響は基板距離が長いほど大きくなるた
めである。この制限を取り除くために目的の薄膜組成と
は異なる組成のターゲットを用いて蒸着し、蒸着薄膜の
組成を制御することを試みると、このようなターゲット
は目的の化合物組成を有する粒と不純物相が析出したも
のとの混合物となり、通常のターゲット以上にターゲッ
ト表面組成が変動したり、蒸着薄膜上に粒を形成し易
い。
In laser vapor deposition using a target close to the target ceramic thin film composition, the thin film composition is determined by the distance between the substrate and the target, atmospheric gas pressure, laser energy density, etc., but the preferred range is narrow, for example, between the substrate and the target. The distance is often limited to 10 cm or less. This is because the vaporized atoms or molecules for vapor deposition are significantly scattered by the atmospheric gas, and the influence of the scattering varies depending on the atomic species and molecular species, so the composition of the deposited thin film changes, and the effect is that the substrate distance is long. This is because it becomes larger. In order to remove this limitation, when a target having a composition different from the target thin film composition is vapor-deposited and an attempt is made to control the composition of the vapor-deposited thin film, such a target has grains and impurity phases having a target compound composition. It becomes a mixture with the deposited one, and the target surface composition fluctuates more than a normal target, and grains are easily formed on the vapor-deposited thin film.

【0007】以上のように、多成分元素からなる薄膜
を、それと同数の多成分元素を含むターゲット又は同数
の金属元素からなるターゲットから作製する場合には、
制限が多く、特に、ターゲット材料の選定は自由にでき
ない。とくに、薄膜化したい化合物に対応する合金化合
物が存在しない場合には粉末冶金などの方法でのみ金属
ターゲットが得られる。例えば、YBa2Cu37 は化
合物として存在するがそれ自身は溶融せずに分解してし
まうし、またYBa2Cu3組成の化合物を得ることはで
きない。
As described above, when a thin film made of a multi-component element is produced from a target containing the same number of multi-component elements or a target made of the same number of metal elements,
There are many restrictions, and in particular, the target material cannot be freely selected. In particular, when there is no alloy compound corresponding to the compound to be thinned, a metal target can be obtained only by a method such as powder metallurgy. For example, YBa 2 Cu 3 O 7 exists as a compound but decomposes without melting itself, and a compound having a YBa 2 Cu 3 composition cannot be obtained.

【0008】このような問題を本質的に解決するため、
目的とする薄膜の金属組成とは異なる組成の複数のター
ゲットに逐次にレーザーを照射してレーザー蒸着するこ
とを検討し、広い材料範囲からターゲット材を選択でき
るようにして、新たな自由度をレーザー蒸着法に与える
ことを試みた。また、組成が変動しにくいターゲットや
緻密なターゲットを作製し易いターゲット材料が選択で
きやすく、広いパラメーター範囲での蒸着薄膜の組成制
御、更に粒発生の抑制を可能にすることを試みた。
In order to essentially solve such a problem,
We examined laser deposition by sequentially irradiating multiple targets with different composition from the target metal composition of the thin film, and made it possible to select the target material from a wide range of materials. We tried to apply it to the vapor deposition method. In addition, we tried to make it possible to select a target material whose composition does not fluctuate easily and a target material that makes it easy to manufacture a dense target, and to control the composition of the vapor-deposited thin film in a wide range of parameters and to suppress grain generation.

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】本発明者らは、目的とす
る薄膜と異なる金属元素組成を有するターゲットに高速
に電磁波ビームを逐次照射することにより、意外にも、
雰囲気圧、基板温度100mtorr、650℃という
従来のレーザー蒸着法と同様の条件で、数100ミリ秒
という化学反応の時間スケールに比べると極めて遅い時
間スケールで、蒸着に供される原子、分子の組成が揃う
にも拘らず、析出物などを形成せずに、高特性の薄膜が
得られること、さらに、ターゲットは表面の劣化が少な
いことを見出し、本発明に到達した。
The inventors of the present invention have surprisingly been able to unexpectedly irradiate a target having a metal element composition different from that of a target thin film with an electromagnetic wave beam at high speed.
Atmospheric pressure, substrate temperature of 100 mtorr, and 650 ° C. under the same conditions as in the conventional laser deposition method, the composition of atoms and molecules to be deposited on a very slow time scale compared to the time scale of a chemical reaction of several hundred milliseconds. The inventors have found that a thin film with high characteristics can be obtained without forming precipitates and the like, and that the target is less deteriorated on the surface despite the fact that the above conditions are met, and have reached the present invention.

【0010】即ち、本発明の要旨は、二種以上の金属元
素を含む化合物の結晶薄膜を基板上に作製するに際し、
該化合物を構成する少なくとも1種以上の金属元素を含
み互いに異なる組成の複数のターゲットに一定の周期で
電磁波ビームを逐次照射して、基板上に該化合物とほぼ
同じ金属組成になるような原子又は分子を供給する際
に、1供給周期中の蒸着される原子又は分子の基板上に
付着した平均モル数が該化合物結晶薄膜の単位格子1層
分のモル数未満になるようにすることを特徴とする結晶
薄膜の作製法に存する。本発明は特に、金属と気体から
なるセラミック薄膜を該気体元素を含む雰囲気ガス中で
反応性蒸着して結晶薄膜を作製する場合に有用である。
That is, the gist of the present invention is to prepare a crystal thin film of a compound containing two or more kinds of metal elements on a substrate,
A plurality of targets containing at least one type of metal element constituting the compound and having different compositions from each other are sequentially irradiated with an electromagnetic wave beam at a constant period, and atoms or atoms such that they have substantially the same metal composition as the compound on the substrate. When supplying molecules, the average number of moles of vapor-deposited atoms or molecules attached to the substrate during one supply cycle is set to be less than the number of moles of one unit lattice of the compound crystal thin film. And a method for producing a crystal thin film. The present invention is particularly useful when a crystalline thin film is produced by reactively vapor-depositing a ceramic thin film made of metal and gas in an atmosphere gas containing the gas element.

【0011】以下の説明においてターゲットから供給さ
れ基板に到達して付着し結晶構造に組み込まれる原子、
分子の数を各元素毎の原子数又はモル数で換算したもの
を「蒸着する原子又は分子の数」と定義する。これは、
基板に飛来する換算原子数から再蒸発や再スパッター等
で基板上から逸散する換算原子数を引き去った数に対応
する。本発明では、成分元素の蒸発率を独立に制御する
ことで、基板とターゲットとの距離、雰囲気ガス圧、レ
ーザーエネルギー密度の広い範囲に亘り所望の組成が得
られるようにし、広い選択範囲から適切なターゲット材
料が選択され且つターゲット表面の劣化等を抑制できる
ようにする。
In the following description, atoms supplied from the target, reaching the substrate, adhering, and being incorporated into the crystal structure,
The number of molecules or the number of moles of each element is converted into the number of atoms or molecules to be vapor-deposited. this is,
It corresponds to the number obtained by subtracting the reduced number of atoms scattered from the substrate due to re-evaporation or re-sputtering from the reduced number of atoms flying to the substrate. In the present invention, by independently controlling the evaporation rates of the constituent elements, a desired composition can be obtained over a wide range of the distance between the substrate and the target, the atmospheric gas pressure, and the laser energy density. A target material is selected, and deterioration of the target surface can be suppressed.

【0012】目的とする化合物が複数の金属元素及び気
体元素から構成される場合、その化合物を構成する一種
の金属元素のみをその金属元素と気体成分で十分厚く薄
膜が形成できるような金属元素原子又は分子を基板上に
供給すると、この金属元素と気体成分との結晶相が安定
化してしまい、後に残りの他の構成金属元素を供給して
も目的とする化合物結晶は形成できない。これを避ける
ためには、化合物薄膜結晶に組み込まれておらず十分に
移動運動でき且つ目的とする化合物組成に近い原子又は
分子が基板あるいはすでに形成された薄膜層上に存在し
ており、また単位格子未満の短い移動拡散距離に存在し
ていれば目的とする組成の化合物結晶構造が得られる。
このため、本発明では基板上に目的の化合物とほぼ同じ
金属組成になるような原子又は分子を供給する際に、1
供給周期中に蒸着され基板上に付着する原子又は分子の
平均モル数が目的の化合物結晶薄膜の単位格子1層分の
モル数未満になるようにして蒸着を行なう。
When the target compound is composed of a plurality of metal elements and a gas element, a metal element atom capable of forming a thin film with a sufficient thickness of only one kind of metal element constituting the compound by the metal element and the gas component. Alternatively, when molecules are supplied onto the substrate, the crystal phase of the metal element and the gas component is stabilized, and the target compound crystal cannot be formed even if the other remaining constituent metal elements are supplied later. In order to avoid this, atoms or molecules that are not incorporated in the compound thin film crystal and can move sufficiently and have a compound composition close to the target compound composition are present on the substrate or already formed thin film layer, and If it exists at a short migration distance below the lattice, a compound crystal structure having a desired composition can be obtained.
Therefore, in the present invention, when supplying atoms or molecules having a metal composition almost the same as that of the target compound, 1
The vapor deposition is performed so that the average number of moles of atoms or molecules vapor-deposited during the supply cycle and attached on the substrate is less than the number of moles of one unit lattice of the target compound crystal thin film.

【0013】単位格子の移動距離とは、エピタキシャル
成長した目的化合物の配向軸方向の単位格子長と定義さ
れ、通常のレーザー蒸着でも原子分子が移動しなければ
ならない距離である。また、単位格子1層分のモル数と
は、基板の表面を目的とする化合物結晶が目的とする配
向を有して丁度一層が基板全面を一様に覆ったとした場
合の各元素毎のモル数であり、これにより本特許が定義
される。具体的には、Gをガス成分としてAxByCz
Gwで示される化合物をこの化合物のa軸方向に配向さ
せて結晶薄膜を形成する場合、単位格子1層分のモル数
とは、a軸長と基板の面積(より厳密には薄膜形成領
域)を掛けて得られる体積を目的の化合物の単位格子体
積で割り、この数にAのモル数はxを掛けて、Bのモル
数はyを掛けてCのモル数はzを掛けることにより得ら
れる。
The moving distance of the unit lattice is defined as the unit lattice length of the epitaxially grown target compound in the direction of the orientation axis, and is the distance over which atomic molecules must move even in ordinary laser deposition. Further, the number of moles of one unit cell layer means the number of moles of each element when the target compound crystal has the desired orientation on the surface of the substrate and exactly one layer uniformly covers the entire surface of the substrate. Is a number, which defines the patent. Specifically, AxByCz with G as a gas component
When a compound represented by Gw is oriented in the a-axis direction of this compound to form a crystal thin film, the number of moles of one unit lattice is the a-axis length and the area of the substrate (more strictly, the thin film formation region). The volume obtained by multiplying by is divided by the unit cell volume of the target compound, and the number of moles of A is multiplied by x, the number of moles of B is multiplied by y, and the number of moles of C is obtained by multiplying by z. To be

【0014】実際的には、蒸着後に膜厚測定や、付着元
素量分析により作製した薄膜に何個の単位格子が含まれ
るかを計算し膜厚に換算して付着量を表現する方が簡便
である。特に、付着元素量分析から求めた膜厚を蒸着原
子又は分子の供給周期数で割った値がa軸長より短いこ
とが上記の用件の別の表現となる。さらに厳しい条件と
しては、この値が、単位格子の最も短い軸のより短い条
件が挙げられる。また、蒸着は蒸着速度がかなり安定し
てから開始することが好ましい。
Practically, it is simpler to calculate the number of unit lattices in the thin film prepared by vapor deposition film thickness measurement or to analyze the deposited element amount, and convert it to the film thickness to express the deposited amount. Is. In particular, a value obtained by dividing the film thickness obtained from the analysis of the amount of attached elements by the number of supply cycles of vapor-deposited atoms or molecules is shorter than the a-axis length, which is another expression of the above requirement. More stringent conditions include conditions where this value is shorter than the shortest axis of the unit cell. In addition, it is preferable that the vapor deposition be started after the vapor deposition rate is fairly stable.

【0015】例えばYBa2Cu37 薄膜を逐次蒸着で
作製する時、基板温度約550〜650℃酸素ガス圧1
0〜100mtorrでは、基板上のY:Ba:Cu組
成比が1:2:3になるように原子、分子を供給するサ
イクルが数分以上かかると析出物が多く生成する。通
常、所望の薄膜組成とほぼ同じ組成となる供給サイクル
は、一秒以下、好ましくは0.3秒以下で析出物生成の
問題は大きく改善される。このため、少なくとも一種以
上の金属元素を含む互いに異なった組成の複数のターゲ
ットから逐次蒸発させて、基板上に原子又は分子を供給
する際に、供給される原子又は分子の組成が目的の化合
物の金属組成とほぼ同じになる周期の時間が1秒以内で
あることが好ましい。このため、基板上に化合物とほぼ
同じ金属組成になるような原子又は分子を供給し、その
1供給周期中の蒸着する原子又は分子の基板上の平均モ
ル数が該化合物結晶薄膜の単位格子1層分のモル数未満
になるようにすることが必要となる。
For example, when a YBa 2 Cu 3 O 7 thin film is sequentially formed, the substrate temperature is about 550 to 650 ° C. and the oxygen gas pressure is 1
At 0 to 100 mtorr, many precipitates are generated when the cycle of supplying atoms and molecules for several minutes or more so that the composition ratio of Y: Ba: Cu on the substrate becomes 1: 2: 3. In general, a supply cycle that gives a composition that is almost the same as the desired thin film composition is 1 second or less, preferably 0.3 second or less, and the problem of deposit formation is greatly improved. Therefore, when a plurality of targets having different compositions containing at least one or more metal elements are sequentially vaporized to supply atoms or molecules onto the substrate, the composition of the supplied atoms or molecules is the target compound. It is preferable that the period of the cycle that is almost the same as the metal composition is within 1 second. For this reason, atoms or molecules having the same metal composition as that of the compound are supplied onto the substrate, and the average number of moles of the atoms or molecules to be vapor-deposited on the substrate during one supply cycle is the unit cell 1 of the compound crystal thin film. It is necessary to make it less than the number of moles of the layers.

【0016】本発明の蒸着法においては、ターゲット表
面の加熱による組成変化や表面形状の劣化を避けやすく
するため、好ましくは金属元素を一種のみ含有するター
ゲットを、目的とするセラミック薄膜を構成する金属元
素の種類だけ準備し逐次蒸着を適用する。又はできるだ
け安定で緻密な化合物、あるいは合金が得やすい組成物
のターゲットを用いることが好ましい。さらには、該金
属元素のうち任意の二種の金属元素の沸点の差が極端に
異ならないことが好ましく、融点の比が倍程度以上異な
る組合せは避けるのが好ましい。用いるターゲットとし
ては、金属ターゲット、合金ターゲット、それらの酸化
物又は窒化物等のセラミック化合物のターゲット等が挙
げられ、特に溶融によって形成できるものが好ましい。
一般的には、純金属、合金、高融点酸化物が好ましいタ
ーゲット材料であり、より少ない元素、例えば2元素以
下で構成され、特に、純金属又は合金が好ましい。
In the vapor deposition method of the present invention, in order to make it easy to avoid compositional changes and surface shape deterioration due to heating of the target surface, it is preferable to use a target containing only one kind of metal element as the metal forming the target ceramic thin film. Prepare only the types of elements and apply sequential vapor deposition. Alternatively, it is preferable to use a target of a composition that is as stable and dense as possible, or a composition that easily obtains an alloy. Furthermore, it is preferable that the difference between the boiling points of any two kinds of the metal elements is not extremely different, and it is preferable to avoid the combination in which the ratio of the melting points is different by about twice or more. Examples of the target to be used include a metal target, an alloy target, and a target of a ceramic compound such as an oxide or a nitride thereof, and a target that can be formed by melting is particularly preferable.
Generally, pure metals, alloys and refractory oxides are the preferred target materials and are composed of fewer elements, eg 2 elements or less, with pure metals or alloys being particularly preferred.

【0017】さらに、周期律表上、同一グループで全率
固溶するようなZrとHf、FeとCoのように物理的
性質も類似し融点沸点が近いものは実質的に一元素と見
做すことも可能である。また、例えば酸化物薄膜を形成
する場合、純金属、合金をターゲットとして用いると、
これらの融点は夫々の酸化物より通常低いので粒が基板
に飛来しても容易に溶融してしまうので、粒発生の改善
に有効である。ターゲットを長期間使用して微細構造が
形成され表面形状が劣化した場合も、融点以下の加熱等
で容易に修復可能であり、加熱を蒸着装置内で行なえる
等の利点がある。
Further, in the periodic table, Zr and Hf, which are all solid-solved in the same group, and Fe and Co, which have similar physical properties and melting points close to each other, are regarded as substantially one element. It is also possible. Further, for example, when forming an oxide thin film, using a pure metal or alloy as a target,
Since these melting points are usually lower than those of the respective oxides, the particles are easily melted even when they come to the substrate, which is effective in improving the generation of particles. Even when the target is used for a long period of time and a fine structure is formed and the surface shape is deteriorated, it can be easily repaired by heating below the melting point, and there is an advantage that heating can be performed in the vapor deposition apparatus.

【0018】本発明の方法と類似の技術としては、前述
のLayer by Layerによるレーザー蒸着法
がある。この方法は、単位格子の各原子層を一層づつ積
層していく点が本発明と本質的に異なる。さらに大きな
差は、Layer by Layerによるレーザー蒸
着法では、目的とする薄膜組成を達成する蒸着物質が基
板に供給されるサイクル時間は100秒のオーダーであ
るが、本発明では100ミリ秒のオーダーの間に達成さ
れる。この時間スケールの差のため、本発明の方法で
は、適切な基板温度を選択して雰囲気ガスを特に活性化
しなくても、100mtorr程度の低真空雰囲気ガス
圧で結晶薄膜中に十分成分ガスを取り込み、ほとんど不
純物相を形成せずに薄膜が形成でき、容易に高特性の薄
膜が得られる。
As a technique similar to the method of the present invention, there is a laser deposition method using the above-mentioned Layer by Layer. This method is essentially different from the present invention in that each atomic layer of the unit cell is laminated one by one. In the laser deposition method using Layer by Layer, the cycle time for supplying the deposition material that achieves the target thin film composition to the substrate is on the order of 100 seconds, but in the present invention, the difference is of the order of 100 milliseconds. Achieved in the meantime. Due to this difference in time scale, in the method of the present invention, the component gas is sufficiently incorporated into the crystal thin film at a low vacuum atmosphere gas pressure of about 100 mtorr without selecting an appropriate substrate temperature and activating the atmosphere gas. A thin film can be formed without forming an impurity phase, and a high-performance thin film can be easily obtained.

【0019】本発明と同様の効果は、複数のターゲット
に同時に電磁波ビームを照射することで出来、複数の電
磁波発生装置を用いたり、一台の電磁波発生装置からの
レーザ光をビームスプリッターにより分割することによ
って実現する。但し、各蒸着源の位置をできるだけ近付
けることが好ましい。
The same effect as that of the present invention can be obtained by simultaneously irradiating a plurality of targets with an electromagnetic wave beam. A plurality of electromagnetic wave generators are used, or laser light from one electromagnetic wave generator is split by a beam splitter. Realized by However, it is preferable that the positions of the vapor deposition sources be as close as possible.

【0020】逐次蒸着を行う場合、パルス状の電磁波ビ
ームを用いた方が異なったターゲットに対する電磁波ビ
ーム照射時間を制御したり、標的となるターゲットを次
々換えるのに好都合であり、また、ターゲット以外を加
熱することが少ないので蒸発効率が良く不純物を発生し
にくい。連続発振の電磁波ビームを用いる場合は、図2
に示すような構造のターゲットを回転させて用いること
により組成を制御することが可能である。即ち、図2
は、金属A:金属B:金属Cをx:y:zの原子比で含
有する薄膜を連続発振電磁波ビームを用いて作製するた
めのターゲットの例を示した図であり、それぞれの金属
の一定パワーに対する蒸発率をそれぞれa、b、cとす
ると、ターゲット中でそれぞれの金属が占める面積比
は、x/a:y/b:z/cである。
When performing sequential vapor deposition, it is more convenient to use a pulsed electromagnetic wave beam for controlling the irradiation time of the electromagnetic wave beam for different targets and for changing the target to be changed one after another. Since heating is little, evaporation efficiency is good and impurities are unlikely to be generated. When a continuous wave electromagnetic wave beam is used, FIG.
It is possible to control the composition by rotating and using a target having a structure as shown in FIG. That is, FIG.
FIG. 4 is a diagram showing an example of a target for producing a thin film containing metal A: metal B: metal C at an atomic ratio of x: y: z by using a continuous wave electromagnetic wave beam, and a constant amount of each metal. When the evaporation rates with respect to power are a, b, and c, the area ratio of each metal in the target is x / a: y / b: z / c.

【0021】本発明の蒸着法に用いる装置は、パルス状
の電磁波ビームを用いて逐次蒸着を行う場合、ターゲッ
トの回転と電磁波ビームの発振が同期するように特定の
ターゲットに特定の周期で電磁波ビームが照射されるよ
うにする。この場合、基板上で目的とする組成以外の蒸
着物が長時間加熱されて存在すると不純物相が生じるた
め、ある程度短時間で目的とする組成が得られるよう
に、異なったターゲットに高速で逐次電磁波ビームを照
射することが好ましい。
In the apparatus used in the vapor deposition method of the present invention, when the pulsed electromagnetic wave beam is used for successive vapor deposition, the electromagnetic wave beam is applied to a specific target at a specific cycle so that the rotation of the target and the oscillation of the electromagnetic wave are synchronized. To be irradiated. In this case, if a deposit other than the target composition is heated and present on the substrate for a long period of time, an impurity phase is generated.Therefore, in order to obtain the target composition in a short time, it is possible to sequentially apply electromagnetic waves to different targets at high speed. Irradiation with a beam is preferable.

【0022】本発明の蒸着法においては、エネルギー密
度が極めて低い電磁波ビームを照射し、ターゲット表面
が加熱される効果のみ用いても、電磁波ビームの繰り返
し周波数やビーム形状を大きくすることにより、十分な
蒸着速度を得ることもできる。また、各ターゲットへの
投入エネルギー、電磁波ビームのエネルギー密度、照射
パルス数を変えることにより、組成の制御を行うことが
できる。本発明の逐次蒸着法における電磁波ビーム照射
サイクルの例、金属A、金属Bおよび金属Cを含む薄膜
を作製する場合を図3および図4に示す。図3および図
4で横軸は時間を示し、棒の位置がレーザー照射時間を
示し、図中に示した1サイクルはターゲットホルダーの
ほぼ1回転に対応する。図3および図4で棒の長さはレ
ーザーエネルギー密度に対応し、棒の長さが長い程エネ
ルギー密度が大きい。図3はエネルギー密度一定で1サ
イクル中ターゲットAを3回、ターゲットBを2回、タ
ーゲットCを4回レーザー照射する場合を示し、図4は
レーザーエネルギー密度を変えて各ターゲットを1回づ
つレーザー照射する場合を示す。
In the vapor deposition method of the present invention, even if only the effect of irradiating an electromagnetic wave beam having an extremely low energy density and heating the target surface is used, it is sufficient to increase the repetition frequency and the beam shape of the electromagnetic wave beam. It is also possible to obtain the vapor deposition rate. Moreover, the composition can be controlled by changing the energy input to each target, the energy density of the electromagnetic wave beam, and the number of irradiation pulses. An example of an electromagnetic wave beam irradiation cycle in the sequential vapor deposition method of the present invention, and a case of producing a thin film containing metal A, metal B and metal C are shown in FIGS. 3 and 4. In FIGS. 3 and 4, the horizontal axis represents time, the position of the bar represents laser irradiation time, and one cycle shown in the drawings corresponds to almost one rotation of the target holder. 3 and 4, the length of the rod corresponds to the laser energy density, and the longer the rod, the larger the energy density. FIG. 3 shows the case where the target A is irradiated with laser three times, the target B is irradiated twice, and the target C is irradiated four times in one cycle with a constant energy density. FIG. 4 shows laser irradiation of each target once by changing the laser energy density. The case of irradiation is shown.

【0023】例えば、YBa2Cu37 のc軸配向膜を
作製する場合は、全BaO又はBaターゲット、CuO
又はCuターゲットおよびY23又はYターゲットを用
意する。YBa2Cu37 の単位格子当りの金属元素数
が6個なので、基板上を1種の原子層が覆うモル数の6
分1以下のあるモル数をzと表記すると、酸化雰囲気中
で、BaO又はBaターゲットにBaOがzモル数蒸着
するパルス数で電磁波ビームを照射した後、CuO又は
CuターゲットにCuOがzモル数蒸着するパルス数で
電磁波ビームを照射し、さらにBaO又はBaターゲッ
トにBaOがzモル数で蒸着するようなパルス数電磁波
ビームを照射した後、CuO又はCuターゲットにCu
Oがzモル数蒸着するパルス数電磁波ビームを照射し、
ついでY 23又はYターゲットにY−O層がほぼzモル
数蒸着するパルス数で電磁波ビームを照射した後、Cu
O又はCuターゲットにCuOがほぼzモル数蒸着する
パルス数で電磁波ビームを照射することを順次繰り返
す。
For example, YBa2Cu3O7C-axis alignment film
When manufacturing, all BaO or Ba target, CuO
Or Cu target and Y2O3Or use Y target
I mean. YBa2Cu3O7Number of metal elements per unit cell of
Since there are six, the number of moles covered by one atomic layer on the substrate is 6
If a certain number of moles less than or equal to 1 is written as z, it is in an oxidizing atmosphere.
Then, BaO or a Ba target is vapor-deposited with z mole number of BaO.
The CuO or
With the number of pulses of CuO vapor deposition on the Cu target
Irradiate an electromagnetic wave beam, and further BaO or Ba target
Electromagnetic wave with a pulse number that vaporizes BaO in z mole number
After irradiating the beam, CuO or Cu target Cu
O is irradiated with a pulse number electromagnetic wave beam for vapor deposition of z mole number,
Then Y 2O3Alternatively, the Y-O layer is almost z mole on the Y target.
After irradiating an electromagnetic wave beam with a number of pulses for vapor deposition, Cu
CuO is vapor-deposited on the O or Cu target in a z-mol number.
Repeatedly irradiating the electromagnetic beam with the number of pulses
You

【0024】これらの操作は、コンピューターや電気回
路によりターゲット選択を電磁波ビーム発振と同期させ
て、ある程度高速に行うことが好ましい。さらに、ター
ゲットによって著しく蒸着速度が異なる場合は、蒸着速
度の高いターゲットの照射電磁波ビームエネルギー密度
を低くして蒸着することが好ましい。このためには、タ
ーゲットの選択に同期して、集光器の位置や種類を変え
て電磁波ビームの集光度を変えたり、また電磁波ビーム
の減衰器を挿入することが好ましい。
It is preferable to perform these operations at a somewhat high speed by synchronizing the target selection with the electromagnetic wave beam oscillation by a computer or an electric circuit. Further, when the vapor deposition rate is significantly different depending on the target, it is preferable to lower the irradiation electromagnetic wave beam energy density of the target having a high vapor deposition rate for vapor deposition. For this purpose, it is preferable to change the position and type of the condenser to change the degree of focusing of the electromagnetic wave beam or to insert an attenuator of the electromagnetic wave beam in synchronization with the selection of the target.

【0025】成分ガスとしては、例えば、酸化物を形成
するのであれば、O2 、O3 、O、NO2 、N2O 等が
用いられ、硫黄化合物であれば、S、S2n(n=1〜
4)、SF6 等が用いられ、窒化物であれば、N2 、N
3 、Nを用いることができる。気体を活性化して用い
る場合には、高周波電界(RF)、直流電界による活性
化気体(ラジカル、酸素原子等の単原子、オゾン等の活
性な分子)の形成、紫外線照射などによるオゾンなどの
形成等の方法があり、好ましい雰囲気ガス圧は0.01
〜1000mtorrであり、さらに好ましくは0.1
〜1000mtorrである。
As the component gas, for example, O 2 , O 3 , O, NO 2 , N 2 O or the like is used when forming an oxide, and S, S 2n (n = 1 to
4), SF 6 or the like is used, and if it is a nitride, N 2 , N
H 3 and N can be used. When a gas is activated and used, a high frequency electric field (RF), a DC electric field to form an activated gas (radicals, monatoms such as oxygen atoms, active molecules such as ozone), and ozone to form ultraviolet rays and the like. Etc., and the preferable atmospheric gas pressure is 0.01
~ 1000 mtorr, more preferably 0.1
~ 1000 mtorr.

【0026】電磁波ビームとしては、ターゲット材料に
対して反射率が低く吸収係数が高く、光エネルギーの吸
収効率の良い波長のものが好ましい。一般に190nm
から350nmの紫外光は多くの物質に吸収され易く、
また、パルス当りの出力の大なレーザーが得やすい。こ
のようなレーザーの発生源としては、エキシマレーザ
ー、YAGレーザーに非線形光学素子を組合わせて波長
を短くしたもの、Arイオンレーザー、炭酸ガスレーザ
ー等が用いられる。特にエキシマレーザー、YAGレー
ザーに非線形光学素子を組合わせたパルスレーザーが好
ましい。
It is preferable that the electromagnetic wave beam has a wavelength that has a low reflectance and a high absorption coefficient with respect to the target material and a high light energy absorption efficiency. Generally 190 nm
To 350 nm ultraviolet light is easily absorbed by many substances,
Also, it is easy to obtain a laser with a large output per pulse. As a generation source of such a laser, an excimer laser, a YAG laser combined with a non-linear optical element to shorten the wavelength, an Ar ion laser, a carbon dioxide laser, or the like is used. Particularly, a pulse laser in which a nonlinear optical element is combined with an excimer laser or a YAG laser is preferable.

【0027】パルスレーザーの出力は1パルスあたり1
0〜1000mJ程度が好ましい。エネルギー密度とし
ては、0.001〜10J/cm2 、好ましくは、0.
1〜1J/cm2 程度が用いられる。パルス幅は、通常
10〜100nsec程度である。半導体レーザーの大
出力化が進むと、これを直接又は非線形光学素子を組合
わせて波長を短くしても、光を吸収し蒸発しやすいター
ゲット、例えば本発明者による特願平4−227274
号に記載の金属ハロゲン化合物等を用いれば、パルス当
りのエネルギーが1mJ程度の半導体レーザーによる蒸
着が可能と考えられる。
The output of the pulse laser is 1 per pulse
About 0 to 1000 mJ is preferable. The energy density is 0.001 to 10 J / cm 2 , preferably 0.1.
About 1 to 1 J / cm 2 is used. The pulse width is usually about 10 to 100 nsec. As the output of a semiconductor laser increases, a target that easily absorbs light and evaporates even if the wavelength is shortened by directly or in combination with a non-linear optical element, for example, Japanese Patent Application No. 4-227274 by the present inventor.
It is considered possible to use the metal halide compounds described in JP-A No. 1994-101, etc. to perform vapor deposition with a semiconductor laser having an energy per pulse of about 1 mJ.

【0028】本発明の蒸着法は、複数の金属元素からな
るセラミック結晶薄膜の作製、薄膜化する化合物が融点
の大きく異なる金属元素から構成されたり、あるいは高
温で分解や相分離を起こしやすい場合に特に有用であ
る。ターゲットとしては上述のように2種以下の主成分
元素のみ含有するターゲットを用いるのがより好まし
く、セラミック結晶薄膜中の気体元素を含む雰囲気中で
蒸着する。例えば、希土類元素、一種類のアルカリ土類
金属、遷移金属元素からなる酸化物のうちYBa2Cu3
7 型の123構造と称される結晶構造を持つ化合物や
(Ln,M)2CuO4 (Lnは希土類元素を示し、Mは
アルカリ土類金属を示す。)型の214構造と称される
結晶構造を持つ化合物の薄膜作製に有効である。
The vapor deposition method of the present invention is applied to the production of ceramic crystal thin films composed of a plurality of metal elements, when the compound to be thinned is composed of metal elements having greatly different melting points, or when decomposition or phase separation easily occurs at high temperature. Especially useful. As the target, it is more preferable to use a target containing only two or less main component elements as described above, and vapor deposition is performed in an atmosphere containing a gas element in the ceramic crystal thin film. For example, among oxides composed of rare earth elements, one kind of alkaline earth metal, and transition metal elements, YBa 2 Cu 3
It is called a compound having a crystal structure called an O 7 type 123 structure or a (Ln, M) 2 CuO 4 (Ln is a rare earth element and M is an alkaline earth metal) type 214 structure. It is effective for forming a thin film of a compound having a crystal structure.

【0029】これらの物質は希土類元素や銅を他の元素
で置換しても、電気特性は変化することがあるが蒸着特
性はほとんど変化しないことが知られている。例えばY
Ba 2Cu37 型の酸化物は、希土類元素や銅を他の元
素で置換すると適正基板温度には数十度の差があるもの
の蒸着条件はほぼ同じである。したがって、本発明の蒸
着方法は、これらの種々の物質のレーザー蒸着にも十分
有効である。また、例えばBi2Sr2Ca(n-1)Cun
(2n+4+d)(nは1、2又は3であり、dは0<d<1で
ある。)で示されるBi系銅酸化物超伝導体、希土ガー
ネット酸化物例えば希土ガーネット酸化物、オルソフェ
ライト、誘電体例えばBaTiO3 、SrTiO3 、P
LZT((Pb,La)(Ti,Zr)O)の作製にも有用
である。さらに、本発明の蒸着方法は、他の多くのセラ
ミック(金属元素とN、P、O、S、Se、Te、F、
Cl、Br、I等の低沸点元素との化合物)の薄膜作製
にも十分な効果があると考えられる。
These substances include rare earth elements and copper, and other elements.
, The electrical characteristics may change, but
It is known that sex hardly changes. For example Y
Ba 2Cu3O7Type oxides are rare earth elements and other sources of copper
There is a difference of several tens of degrees in the proper substrate temperature when replaced with a raw material
The vapor deposition conditions of are almost the same. Therefore, the steam of the present invention
The deposition method is also sufficient for laser deposition of these various substances.
It is valid. Also, for example, Bi2Sr2Ca(n-1)CunO
(2n + 4 + d)(N is 1, 2 or 3 and d is 0 <d <1
is there. ) Bi-based copper oxide superconductor, rare earth gar
Net oxides such as rare earth garnet oxides, orthofe
Lights, dielectrics such as BaTiO3 , SrTiO3 , P
Also useful for preparing LZT ((Pb, La) (Ti, Zr) O)
Is. Furthermore, the vapor deposition method of the present invention can be applied to many other ceramics.
Mick (metal element and N, P, O, S, Se, Te, F,
Preparation of thin films of compounds with low boiling elements such as Cl, Br, I
It seems that there is sufficient effect.

【0030】基板としては、非晶質な蒸着薄膜の作製の
場合には、ガラス、プラスチック、Si、Ge、GaA
s等の化合物半導体や金属でもよいが、多結晶蒸着薄膜
を作製するために基板を室温より加熱する場合は、使用
する基板温度で蒸着薄膜と反応しないことが重要であ
り、サファイヤ基板やYSZ(イットリウム添加ジルコ
ニア酸化物)等の高温でも安定で安価な基板が用いられ
る。またこれらの基板上にさらにMgO、SrTiO3
等の中間層を形成したものを用いてもよい。単結晶薄膜
を作製するには、さらに蒸着薄膜と格子整合性が重要で
あり、例えば、銅酸化物超伝導体では、MgO、SrT
iO3、LaAlO3、NdGaO3等が用いられる。
As the substrate, glass, plastic, Si, Ge, GaA is used in the case of producing an amorphous vapor-deposited thin film.
It may be a compound semiconductor such as s or a metal, but when the substrate is heated from room temperature in order to produce a polycrystalline vapor-deposited thin film, it is important that it does not react with the vapor-deposited thin film at the substrate temperature used. A stable and inexpensive substrate such as yttrium-doped zirconia oxide) is used even at high temperatures. In addition, MgO, SrTiO 3
You may use what formed the intermediate | middle layers, such as. In order to produce a single crystal thin film, the lattice matching with the vapor-deposited thin film is further important. For example, in a copper oxide superconductor, MgO, SrT
iO 3 , LaAlO 3 , NdGaO 3 or the like is used.

【0031】[0031]

【実施例】次に、実施例を挙げて本発明をさらに詳細に
説明するが、本発明はその要旨を越えないかぎり実施例
により限定されるものではない。 実施例1 YBa2Cu37 薄膜の作製 純度99.99%のCu粒と純度99.9%のY粒をモ
ル比1:1で混合し、アルゴンガス中でアークメルト法
で融解してYCu合金を得た。また、純度99.99%
のCu粒と純度99.9%のBa粒をモル比1:1で混
合し、アルゴンガス中でアークメルト法で融解してBa
Cu合金を形成した。このターゲットを本実施例と同様
の蒸着実験に5回繰り返して使用したターゲットを本実
験に用いた。
EXAMPLES Next, the present invention will be described in more detail with reference to examples, but the present invention is not limited to the examples as long as the gist thereof is not exceeded. Example 1 Preparation of YBa 2 Cu 3 O 7 thin film Cu particles having a purity of 99.99% and Y particles having a purity of 99.9% were mixed at a molar ratio of 1: 1 and melted in an argon gas by an arc melting method. A YCu alloy was obtained. Also, the purity is 99.99%
Cu particles and Ba particles having a purity of 99.9% were mixed at a molar ratio of 1: 1 and melted in an argon gas by an arc melting method to form Ba particles.
A Cu alloy was formed. A target obtained by repeating this target 5 times in the same vapor deposition experiment as in this example was used in this experiment.

【0032】(100)面を基板面とするMgO単結晶
を順次トリクレン、アセトン、メチルアルコール、IP
Aにより洗浄し、空気中で紫外光を用いたオゾン発生器
内で10分間紫外光とオゾンに曝し表面をさらに脱脂し
て基板を準備した。電磁波ビーム発生装置として、19
3nmのレーザー光を発生するArFエキシマレーザー
発生装置を用い、ビーム形状を整えるために、ターゲッ
トホルダーから、光路長約150cmのレーザー出射口
を位置させ、焦点距離350cmのレンズターゲットの
2cm手前に集光した。また、レンズの手前には約0.
5度の振れ角をもつ電気的なビームスキャナー(ジェネ
ラルスキャンニング社製ガルバノスキャナー)を配置
し、レーザービームを横方向に振らせる。
A MgO single crystal having a (100) plane as a substrate plane is sequentially trichlene, acetone, methyl alcohol, and IP.
A substrate was prepared by cleaning with A and exposing to UV light and ozone for 10 minutes in an ozone generator using UV light in air to further degrease the surface. As an electromagnetic wave beam generator, 19
Using an ArF excimer laser generator that generates a laser beam of 3 nm, in order to adjust the beam shape, locate the laser emission port with an optical path length of about 150 cm from the target holder, and focus it 2 cm before the lens target with a focal length of 350 cm. did. In addition, about 0.
An electric beam scanner (Galvano scanner manufactured by General Scanning Co.) having a deflection angle of 5 degrees is arranged, and the laser beam is swung laterally.

【0033】複数のターゲットが固定可能なターゲット
ホルダーを磁気結合型の回転導入端子の先に取付け、こ
の回転導入端子を真空装置の外側からエンコーダー付き
のサーボモーターで駆動できるようにした。このサーボ
モーターはパルス発生器により制御される。モーターか
らのエンコーダー出力と原点検出出力を電子回路に送
り、それぞれのパルスを集計して特定のパルス数に達し
た時に、レーザー駆動パルスをレーザーに送りレーザー
を数マイクロ秒以内に発振させる。この方法により、個
別のターゲット毎に特定の周期で特定のターゲットの特
定の位置を0.36度の精度でレーザー照射する。尚、
レーザー発振動作の回路へのプログラムは蒸着前に予め
コンピュータで行っておく。
A target holder capable of fixing a plurality of targets was attached to the tip of a magnetic coupling type rotation introducing terminal, and this rotation introducing terminal could be driven from the outside of the vacuum device by a servomotor with an encoder. This servomotor is controlled by a pulse generator. The encoder output from the motor and the origin detection output are sent to an electronic circuit, and when each pulse is totaled and a specific number of pulses is reached, a laser drive pulse is sent to the laser to cause the laser to oscillate within a few microseconds. By this method, laser irradiation is performed on a specific position of a specific target with a precision of 0.36 degrees in a specific cycle for each individual target. still,
A computer programs the laser oscillation operation circuit in advance before vapor deposition.

【0034】ターゲットホルダーの回転方向の約52度
毎に上記のYCu、BaCu、YCu合金ターゲットの
順に取付け、MgO単結晶基板をターゲットから7cm
離してターゲットに対向させ基板ヒーター上に銀ペース
トで固定し真空槽を排気した。基板を約750℃に加熱
し、3×10-6torr以下にした状態で真空槽内にマ
スフローメーター(流量計)で流量70sccmで10
0mtorrに純酸素ガスを満たし20分間放置した。
この状態で、基板温度を約650℃まで下げ、オリフィ
スを変えて流量90sccmで100mtorrに純酸
素ガスを満たした。レーザーの1パルス当りのエネルギ
ーを150mJ、ターゲット上のエネルギー密度を1J
/cm2 弱に設定し、ターゲットホルダーを210rp
mで回転し、第1のYCuターゲットとBaCuターゲ
ットを1回転当り1度照射し、第2のYCuターゲット
を1回転当り2度照射しかつ回転する毎にターゲット毎
に異なった角度でターゲットの照射位置をずらすように
設定した。この時、Y:Ba:Cu=1:2:3の蒸着
原子分子は約100ミリ秒の間に供給される。
The above YCu, BaCu, and YCu alloy targets were mounted in this order at intervals of about 52 degrees in the direction of rotation of the target holder, and the MgO single crystal substrate was placed 7 cm from the target.
The substrate was separated and opposed to the target, fixed on the substrate heater with silver paste, and the vacuum chamber was evacuated. The substrate was heated to about 750 ° C. and kept at 3 × 10 −6 torr or less in a vacuum chamber with a mass flow meter (flowmeter) at a flow rate of 70 sccm.
0 mtorr was filled with pure oxygen gas and left for 20 minutes.
In this state, the substrate temperature was lowered to about 650 ° C., the orifice was changed, and 100 mtorr was filled with pure oxygen gas at a flow rate of 90 sccm. Energy per pulse of laser is 150mJ, energy density on the target is 1J
/ Cm 2 slightly lower and target holder 210 rp
Rotate at m, irradiate the first YCu target and BaCu target once per revolution, irradiate the second YCu target twice per revolution, and irradiate the target at different angles for each revolution. It was set to shift the position. At this time, the vapor-deposited atomic molecules of Y: Ba: Cu = 1: 2: 3 are supplied in about 100 milliseconds.

【0035】1分間シャターを閉じてターゲット表面を
プレスパッターした後に、この蒸着を開始し、90分間
継続した後、真空槽に純酸素を1torr以上満たし即
座に基板加熱を停止し約30分間で200℃まで以下に
冷却した。得られた薄膜を予めICP分析法(誘導結合
型プラズマ発光分析法)で更正した蛍光X線装置で元素
の定量分析したところ、Y:Ba:Cuの組成比が1:
1.8:3.2で推定膜厚約400Åの薄膜が得られ
た。この時、Y:Ba:Cu=1:2:3の蒸着原子お
よび分子が供給される周期中の原子および分子の換算平
均膜厚は0.01Åであり、単位格子の最小格子間隔約
3.8Åに比べて十分小さく、これは1単位格子が基板
を覆った場合のモル数の約40分の1のモル数に対応す
る。また薄膜の超伝導転移温度は87Kであり、X線回
折ではYBa2Cu37 の回折ピークのみ見られ、指数
付けにより一部にa軸配向の混じったc軸配向の薄膜が
得られていることが分かった。
After the shutter is closed for 1 minute to pre-sputter the target surface, this vapor deposition is started and continued for 90 minutes. Then, the vacuum chamber is filled with pure oxygen at 1 torr or more, and the substrate heating is immediately stopped, and the heating is continued for about 30 minutes. It was cooled below to ° C. The obtained thin film was quantitatively analyzed for the elements by a fluorescent X-ray apparatus which had been calibrated by ICP analysis method (inductively coupled plasma emission analysis method) in advance. As a result, the composition ratio of Y: Ba: Cu was 1:
At 1.8: 3.2, a thin film having an estimated film thickness of about 400Å was obtained. At this time, the converted average film thickness of atoms and molecules during the period in which Y: Ba: Cu = 1: 2: 3 is supplied is 0.01Å, and the minimum lattice spacing of the unit cell is about 3. It is sufficiently smaller than 8Å, which corresponds to about 40 times the number of moles when one unit cell covers the substrate. Also, the superconducting transition temperature of the thin film was 87 K, and only the diffraction peak of YBa 2 Cu 3 O 7 was observed in X-ray diffraction, and a c-axis oriented thin film in which a-axis orientation was partially mixed was obtained by indexing. I found out that

【0036】SEM写真では0.2μm程度の析出物は
見られたが、0.5μm程度の粒は100μm角当り1
0個程度見られるが、全域に渡り1μm以上の大きさの
粒は殆ど見られなかった。また、YCuターゲット表面
は極めて平滑なままであり、BaCuターゲットの表面
も平滑であった。またこのターゲットを用いて各々のタ
ーゲットで蒸着速度と組成を測定した所、2回目以降の
蒸着率と組成と蒸着毎の実験誤差の範囲で一致した。
In the SEM photograph, a precipitate of about 0.2 μm was seen, but a particle of about 0.5 μm was 1 per 100 μm square.
About 0 particles were observed, but almost no particles having a size of 1 μm or more were observed over the entire area. The surface of the YCu target remained extremely smooth, and the surface of the BaCu target was also smooth. In addition, when the vapor deposition rate and composition of each target were measured using this target, the vapor deposition rate and composition of the second and subsequent times coincided with the experimental error range for each vapor deposition.

【0037】比較例1 99.9%のYBa2Cu37 粉を室温で200kg/
cm2 の圧力を加えてプレスし空気中で950℃で10
時間焼結して焼結体ターゲットを作製し、実施例1に合
わせ5回の蒸着を行った後に本比較例の実験に用いた。
本比較例では実施例1の逐次蒸着と異なりYBa2Cu3
7 組成のターゲット一つのみ用い蒸着時間を30分間
とし、他の条件は実施例1と同じにした。この時、薄膜
組成はY:Ba:Cu=1:1.3:2.6とBaが著
しく減った。このため、同様の実験をターゲット上のエ
ネルギービーム照射部のパルス当りの平均エネルギー密
度を約1J/cm2 にかえて同様の実験を繰り返した。
この場合、初めは蒸着速度も高く組成も所望組成に近い
ものが得られたが、薄膜上の粒はさらに顕著になり増
え、6バッチ目では蒸着速度が著しく減り、薄膜組成も
Y:Ba:Cu=1:1.5:2.4と目的組成からず
れ超伝導転移温度は81Kであった。薄膜上の粒の発生
もより顕著になった。また粒には100μm角当り数個
の1μm以上の大きさの粗大粒も混じっていた。またタ
ーゲットの表面は著しく荒れて、50倍の光学顕微鏡で
も凹凸が見られた。
Comparative Example 1 99.9% YBa 2 Cu 3 O 7 powder was added at room temperature to 200 kg /
Press at a pressure of cm 2 and press in air at 950 ° C for 10
After sintering for a time to produce a sintered body target, vapor deposition was performed 5 times in accordance with Example 1, and then used in the experiment of this comparative example.
In this comparative example, unlike the sequential vapor deposition of Example 1, YBa 2 Cu 3
The deposition time was set to 30 minutes using only one target having an O 7 composition, and other conditions were the same as in Example 1. At this time, the thin film composition was Y: Ba: Cu = 1: 1.3: 2.6, which was a significant decrease in Ba. Therefore, the same experiment was repeated with the average energy density per pulse of the energy beam irradiation portion on the target changed to about 1 J / cm 2 .
In this case, although the vapor deposition rate was high at first and the composition was close to the desired composition, the grains on the thin film became more prominent and increased, and in the sixth batch, the vapor deposition rate was remarkably decreased and the thin film composition was Y: Ba :. The superconducting transition temperature was 81K, which was deviated from the target composition of Cu = 1: 1.5: 2.4. The generation of grains on the thin film became more prominent. In addition, several 100 μm-square coarse particles having a size of 1 μm or more were also mixed. Further, the surface of the target was remarkably rough, and irregularities were observed even with a 50 × optical microscope.

【0038】比較例2 実施例1と同様の実験を手動でターゲットを回転して止
め、所定の位置でYCu、BaCuターゲットに10H
zで、夫々7.5分、2.5分づつレーザー照射して、
他の条件は同じにして蒸着薄膜を作製した。この時、得
た膜を蛍光X線装置で元素分析した所、Y:Ba:Cu
の組成比が1:1.7:3.0で推定膜厚約500Åの
薄膜が得られた。この時、Y:Ba:Cu=1:2:3
の蒸着原子分子が供給される周期中の原子分子の換算平
均膜厚は50Åであり、単位格子の最大格子間隔約1
1.7Åに比べて十分大きい。また、これは1単位格子
が基板を覆った場合のモル数の約4倍のモル数に対応す
る。目的組成の達成される周期はほぼ9分間である。こ
の薄膜は薄膜組成は実施例とほぼ同等であったが、ゼロ
抵抗は示さず、X線回折でもBaCuO2 等の不純物相
が主体となる薄膜であった。
COMPARATIVE EXAMPLE 2 The same experiment as in Example 1 was manually stopped by rotating the target, and the YCu and BaCu targets were subjected to 10H at predetermined positions.
With z, laser irradiation for 7.5 minutes and 2.5 minutes respectively,
Other conditions were the same, and the vapor-deposited thin film was produced. At this time, when the obtained film was subjected to elemental analysis by a fluorescent X-ray apparatus, it was found that Y: Ba: Cu
A composition ratio of 1: 1.7: 3.0 provided a thin film with an estimated film thickness of about 500Å. At this time, Y: Ba: Cu = 1: 2: 3
The vapor-deposited atomic molecules have a converted average film thickness of 50Å during the cycle, and the maximum lattice spacing of the unit cell is about 1
Large enough compared to 1.7Å. This also corresponds to about 4 times the number of moles when one unit cell covers the substrate. The achieved cycle of the target composition is approximately 9 minutes. This thin film had almost the same thin film composition as that of the example, but did not show zero resistance, and was a thin film mainly composed of an impurity phase such as BaCuO 2 in X-ray diffraction.

【0039】実施例2 YBa2Cu37 薄膜の作製 実施例1と同様の実験装置で、以下の点を変更した。 1)焦点距離400cmのレンズを用いターゲットの1
cm手前に集光した。 2)アルミ板上に穴を開けレーザービームの一部にのみ
光が通るようにした光量減衰器(直径1mmの穴が一様
に開いた板を用いた)をサーボモーターに取付け、ター
ゲットホルダー回転と同期させて光量減衰器を回転さ
せ、レーザー照射エネルギーをBaターゲット上のみY
Cu3 ターゲット上の5分の1にした。 3)レーザービームの均一な領域の大きさに等しい絞り
を光量減衰器の前後に配置した。
Example 2 Preparation of YBa 2 Cu 3 O 7 Thin Film The same experimental apparatus as in Example 1 was changed with the following points. 1) Use a lens with a focal length of 400 cm as the target 1
It was focused in front of cm. 2) Attach a light intensity attenuator (using a plate with a 1 mm diameter hole uniformly opened) on the servo motor that makes a hole on the aluminum plate so that light passes through only a part of the laser beam, and rotates the target holder. The light attenuator is rotated in synchronization with the laser irradiation energy so that the laser irradiation energy is Y only on the Ba target.
It was 1 of 5 minutes on the Cu 3 target. 3) A stop equal to the size of the uniform area of the laser beam was placed in front of and behind the light attenuator.

【0040】純度99.99%のCu粒と純度99.9
%のY粒をモル比1:3で混合し、アルゴンガス中でア
ークメルト法で融解してYCu3 合金を形成し、これと
Baをターゲットとした。ターゲットホルダーの回転方
向の103度毎に上記のYCu3 、Ba、YCu3 合金
ターゲットの順に取付け、SrTiO3 単結晶基板をタ
ーゲットから7.5cm離してターゲットに対向させ、
基板ヒーター上に銀ペーストで固定し真空槽を排気し
た。基板を約650℃に加熱し、3×10-6torr以
下にした状態で真空槽内にマスフローメーター(流量
計)で流量80sccmで95mtorrに純酸素ガス
を満たし基板に180nm以下波長を含む紫外光を照射
しながら、20分間放置した。紫外光を切って、1分間
シャターを閉じてターゲット表面をプレスパッターした
後に、蒸着を開始した。
Cu particles having a purity of 99.99% and a purity of 99.9
% Y particles were mixed at a molar ratio of 1: 3 and melted by an arc melting method in an argon gas to form a YCu 3 alloy, which was used as a target with Ba. The above YCu 3 , Ba, and YCu 3 alloy targets were attached in this order every 103 degrees in the direction of rotation of the target holder, and the SrTiO 3 single crystal substrate was placed 7.5 cm away from the target to face the target.
The substrate was fixed on the heater with silver paste and the vacuum chamber was evacuated. The substrate was heated to about 650 ° C., and the temperature was set to 3 × 10 −6 torr or less. A mass flow meter (flowmeter) was used to fill the substrate with pure oxygen gas at 95 mtorr at a flow rate of 80 sccm. It was left for 20 minutes while being irradiated with. After turning off the ultraviolet light and closing the shutter for 1 minute to pre-sputter the target surface, vapor deposition was started.

【0041】レーザーの1パルス当りのエネルギーを1
80mJ、YCu3 ターゲット上のエネルギー密度を
1.5J/cm2 、Baターゲット上の平均エネルギー
密度を常に約0.3J/cm2 に制御した。ターゲット
ホルダーを300rpmで回転し、一回転当り、YCu
3 ターゲット1個につき1パルス、全てのYCu3 ター
ゲットを合わせると2パルス、Baターゲット個につき
1パルスレーザー照射し、50分間運転した。10回転
周期で、回転する毎にターゲット毎に異なった角度でタ
ーゲットの照射位置をずらして走査するように設定し
た。この時、Y:Ba:Cu=1:2:3の蒸着原子分
子は約200ミリ秒の間に供給される。50分間継続し
た後、真空槽に純酸素を1torr以上満たし即座に基
板加熱を停止し約30分間で200℃まで以下に冷却し
た。
The energy per pulse of the laser is 1
80 mJ, and constantly controlled to about 0.3 J / cm 2 the average energy density on 1.5J / cm 2, Ba target energy density on YCu 3 target. Rotate the target holder at 300 rpm, YCu per rotation
3 Target 1 per pulse, combining all YCu 3 target when 2 pulses, Ba target cells per pulse laser irradiation was operated for 50 minutes. It was set so that the irradiation position of the target was shifted and scanned at a different angle for each target every 10 rotation cycles. At this time, the vapor-deposited atomic molecules of Y: Ba: Cu = 1: 2: 3 are supplied in about 200 milliseconds. After continuing for 50 minutes, the vacuum chamber was filled with pure oxygen at 1 torr or more and the substrate heating was immediately stopped, and the temperature was lowered to 200 ° C. or less in about 30 minutes.

【0042】得られた薄膜を予めICP分析法(誘導結
合型プラズマ発光分析法)で更正した蛍光X線装置で元
素の定量分析したところ、Y:Ba:Cuの組成比が
1:2.2:3.3で推定膜厚約500Åの薄膜が得ら
れた。この時、Y:Ba:Cu=1:2:3の蒸着原子
分子が供給される周期中の原子分子の換算平均膜厚は
0.03Åであり、単位格子の最小格子間隔約3.8Å
に比べて十分小さく、これは1単位格子が基板を覆った
場合のモル数の約100分の1のモル数に対応する。光
学顕微鏡では殆ど粒は見えず、SEMでは表面には析出
物が点在するものの、レーザー蒸着に特有な1μm以上
の大きさの粒は見られなかった。またX線解析ではYB
2Cu37 のC軸配向膜であることが確かめられ、超
伝導転移温度は80Kであった。
The obtained thin film was quantitatively analyzed for the elements by a fluorescent X-ray apparatus which had been corrected by ICP analysis method (inductively coupled plasma emission analysis method) in advance, and the composition ratio of Y: Ba: Cu was 1: 2.2. At 3.3, a thin film with an estimated film thickness of about 500Å was obtained. At this time, the converted average film thickness of the atomic molecules during the period in which the vapor-deposited atomic molecules of Y: Ba: Cu = 1: 2: 3 is 0.03Å, and the minimum lattice spacing of the unit cell is about 3.8Å.
Which is sufficiently smaller than that of the unit cell, which corresponds to about 1/100 of the number of moles when one unit cell covers the substrate. Almost no grains could be seen under an optical microscope, and although SEM had precipitates scattered on the surface, grains having a size of 1 μm or more, which are characteristic of laser vapor deposition, were not seen. In X-ray analysis, YB
It was confirmed to be a C 2 -axis oriented film of a 2 Cu 3 O 7 , and the superconducting transition temperature was 80K.

【0043】[0043]

【発明の効果】レーザー蒸着法の特徴である、雰囲気ガ
ス種とその圧力の選択が自在で、活性化された原子分子
を基板上に供給できるという特徴を残しつつ、目的とす
る薄膜組成に囚われずに、広い材料範囲からターゲット
材料を選択でき、ターゲット組成が変動しにくいターゲ
ットや緻密なターゲットを作製し易いターゲット材料を
選択し易く、広いパラメーター範囲での組成制御、粒発
生の抑制を可能にする。特に、後熱処理無しで良質の薄
膜が形成できる。
[Effects of the Invention] The characteristics of the laser vapor deposition method, that is, the atmospheric gas species and its pressure can be freely selected, and activated atomic molecules can be supplied onto the substrate, remain free from the target thin film composition. Without selecting a target material from a wide range of materials, it is easy to select a target material whose target composition does not fluctuate or a target with which a dense target is easily manufactured, and composition control in a wide parameter range and suppression of grain generation are possible. To do. In particular, a good quality thin film can be formed without post heat treatment.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】レーザー蒸着装置の一例を示す概略模式図。FIG. 1 is a schematic diagram showing an example of a laser vapor deposition apparatus.

【図2】本発明の蒸着法で連続発振電磁波ビームを用い
る場合に使用するターゲットの一例を示す概略図。
FIG. 2 is a schematic view showing an example of a target used when a continuous wave electromagnetic wave beam is used in the vapor deposition method of the present invention.

【図3】本発明の逐次蒸着法において電磁波ビームの照
射パルス回数で作製される薄膜の組成を制御する場合の
電磁波ビームの照射方法の一例を示す図。
FIG. 3 is a diagram showing an example of an electromagnetic wave beam irradiation method in the case of controlling the composition of a thin film to be formed by the number of irradiation pulse times of the electromagnetic wave beam in the sequential vapor deposition method of the present invention.

【図4】本発明の逐次蒸着法において電磁波ビームの照
射パルスエネルギー密度で作製される薄膜の組成を制御
する場合の電磁波ビームの照射方法の一例を示す図。
FIG. 4 is a diagram showing an example of an electromagnetic wave beam irradiation method in the case of controlling the composition of a thin film formed by the irradiation pulse energy density of the electromagnetic wave beam in the sequential vapor deposition method of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 エキシマレーザー発生装置 2 光学ボックス 3 真空槽 4 集光レンズ 5 紫外光透過窓 6 ターゲット 7 ターゲットホルダー 8 基板 9 基板ホルダー 10 シャッター 1 Excimer laser generator 2 Optical box 3 Vacuum chamber 4 Condenser lens 5 Ultraviolet light transmitting window 6 Target 7 Target holder 8 Substrate 9 Substrate holder 10 Shutter

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.5 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 // H01B 12/06 ZAA 7244−5G ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (51) Int.Cl. 5 Identification number Office reference number FI technical display location // H01B 12/06 ZAA 7244-5G

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 二種以上の金属元素を含む化合物の結晶
薄膜を基板上に作製する結晶薄膜の作製法において、該
化合物を構成する少なくとも1種以上の金属元素を含み
且つ互いに組成が異なる複数のターゲットに一定の周期
で電磁波ビームを逐次照射して、基板上に該化合物とほ
ぼ同じ金属組成になるように原子又は分子を供給して薄
膜を作製する際に、1供給周期中の蒸着される原子又は
分子の基板上に付着した平均モル数が該化合物結晶薄膜
の単位格子1層分のモル数未満になるようにすることを
特徴とする結晶薄膜の作製法。
1. A method for producing a crystal thin film of a compound containing two or more kinds of metal elements on a substrate, which comprises a plurality of compounds containing at least one kind of metal element constituting the compound and having different compositions from each other. When the target is sequentially irradiated with an electromagnetic wave beam at a constant cycle and atoms or molecules are supplied onto the substrate so that the metal composition is almost the same as the compound, a thin film is deposited during one supply cycle. A method for producing a crystal thin film, characterized in that the average number of moles of atoms or molecules attached to a substrate is less than the number of moles of one unit lattice of the compound crystal thin film.
【請求項2】 セラミック薄膜中の気体成分を含む活性
雰囲気ガス中で蒸着する請求項1記載の結晶薄膜の作製
法。
2. The method for producing a crystalline thin film according to claim 1, wherein vapor deposition is performed in an active atmosphere gas containing a gas component in the ceramic thin film.
【請求項3】 雰囲気ガス圧が0.1〜1000mto
rrである請求項2記載の結晶薄膜の作製法。
3. The atmospheric gas pressure is 0.1 to 1000 mto.
The method for producing a crystalline thin film according to claim 2, wherein the crystalline thin film is rr.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6491759B1 (en) * 2000-03-14 2002-12-10 Neocera, Inc. Combinatorial synthesis system
WO2011147730A1 (en) * 2010-05-25 2011-12-01 MAX-PLANCK-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e.V. Process and apparatus for the application of solid layers

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