JPS63107892A - 酸化物薄膜の製造装置 - 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】 〔発明の技術分野〕 本発明は酸化物薄膜の製造装置、さらに詳細には、光学
素子、圧電素子、表面弾性波素子などに使用される各種
酸化物薄膜の製造装置に関するものである。

〔発明に技術的背景〕

従来、酸化物薄膜を作製する最も優れた方法はスパッタ
リング法である。スパッタリング装置は第１図に示すよ
うに、対向する極板１．２間に放電によるプラズマを発
生させ、一方の極板２上に置かれたターゲット１にイオ
ンを衝突させ、その際、ターゲット１よりスパッタされ
た原子あるいは分子をターゲット１と対向して設置され
た極板２上の基板３に堆積させることにより薄膜を製造
する装置である。この際、Ａｒ等のスパッタガスをガス
導入口４より排出口５に流しておく。

一般にターゲット材料に所望の酸化物を用い、スパッタ
ガスのＡｒ中に０２ガスを混入させることにより、酸化
物薄膜が作製される。

しかし、上述のスパッタ法においては、酸素量の制御が
酸素分圧に依存しているために、原子レベルの制御は不
可能であり、またターゲット組成比の経時変化等により
、再現性も充分でないという欠点があった。事実、Ｘ線
回折や高速電子線回折で単結晶と認められる酸化膜にお
いても、膜中の酸素欠陥が膜の電気特性に大きく影響し
ている実験結果が報告されている（給水、村上、５ｏｌ
ｉｄＳｔａｔｅ　Ｃｏｍｕｎ、５３巻、１９８５年、Ｐ
６９１参照）。

また、このような酸素欠陥を含めた結晶欠陥が膜の密度
を低下させて、電気耐圧低下などの膜特性低下の原因と
なっていた。

スパッタ法の他に、第２図に示すようなカラマン型など
のイオン源６を蒸着装置に組み込み、酸素イオン照射を
蒸着と同時に行うことによって酸化膜を得る装置が公表
されている　（たとえば、Ｐ、Ｊ、Ｍａｒｔｉｎ＋Ｊ、
Ｍａｔｅｒｉａｌ　５ｃｉｅｎｃｅ　２１巻１９８６年
参照）。この装置は、装置内の下方に蒸発源７を設けて
極板２に設置された基板３に前記蒸発源７よりの物質を
蒸着するものであり、この際イオン源６より酸素イオン
照射を行って、酸素欠陥のない酸化膜を製造せんとする
ものである。なお、第２図において４はガス導入口、５
は排出口である。

このような装置においては、イオン源６の動作ガス圧が
１　ｘｔｏ−’　Ｔｏｒｒ以上であるため、Ｉ　Ｘｌ０
−５Ｔｏｒｒ以下の高真空中で蒸着を行うことは不可能
である。このため蒸着分子は残留ガスと何度も衝突を行
いながら基板３に到達し、さらに基板３表面にも残留ガ
スによる吸着が起こるため、蒸着膜の組成制御を充分に
行うことは困難である。また、一般に照射酸素イオン中
に０３．０２°、Ｏ’ゝなどのイオンや中性ラジカルが
ランダムに混在するため、正確な酸素量がモニタできな
い。したがって、半導体のＳｉやＧａＡｓ薄膜で達成さ
れているような組成制御および不純物レベル制御を酸化
物薄膜に対し達成することは、従来においては原理的に
不可能であった。

〔発明の概要〕

本発明は良好な特性の、すなわち結晶欠陥がなく、バル
ク値に近い密度の酸化物薄膜を製造するための装置を提
供することを目的とする。

本発明はまた、酸化物薄膜に組成ずれがない酸化物薄膜
を製造する装置を提供することを目的とする。

さらに、本発明は、不純物レベル制御を良好に行える酸
化物薄膜装置を提供することを目的とするものである。

また、本発明は多層構造の酸化物薄膜を製造する場合に
多層の酸化物薄膜相互間に拡散を生じない多層酸化物薄
膜を製造できる装置を提供することを目的とする。

上述の目的を達成するために、本発明による酸化物薄膜
製造装置は、成膜室内に備えられた基板を加熱するため
の基板ホルダと、前記基板に堆積させる物質を分子線に
よって蒸発させる分子線蒸着源を有する酸化物薄膜の製
造装置において、プラズマを生成しかつそのプラズマよ
り１０〜５０ＫｅＶのエネルギで酸素イオンを引き出す
ためのイオン室とこのイオン室よりの酸素イオンより０
４または０２°イオンのみを分離するための質量分離機
と、前記酸素イオンを１０〜２００　ｅＶに減速する減
速電極とを有し、高真空下で前記基板上に堆積する薄膜
に蒸着と同時に前記減速された酸素イオンを照射できる
ようになっていることを特徴としている。

本発明による酸化物薄膜の製造装置によれば、組成制御
性がよい分子線蒸着によって基板上に薄膜を堆積させる
とともに、０◆またはＯｆｏを１０〜２００　ｅＶに減
速して基板上の堆積成に照射するため、高真空中で結晶
欠陥のない酸化物薄膜が製造できるようになる。このた
め組成制御性が良好で、結晶欠陥のない酸化物薄膜を得
ることができるという利点を生じる。また、高真空中で
酸化物薄膜を製造するため、基板温度を低（しても結晶
化が開始されることになり、酸化物薄膜を多Ｆｉ積層す
る場合、酸化物薄膜間に拡散を生じることがないという
利点もある。

〔発明の詳細な説明〕

第３図は本発明による酸化物薄膜の製造装置の一具体例
の概略図であるが、この図より明らかなように、本発明
による酸化物薄膜の製造装置によれば、酸化物薄膜の原
料となる薄膜原料を装入し分子線によって蒸発させるた
めの分子線源であるに一セル８．８”と他の薄膜原料を
蒸発させるための電子ビーム蒸着源９を備えた成膜室１
１を備えている。そして、プラズマ源より１０〜５０Ｋ
ｅＶのエネルギで酸素イオンを引き出すためのイオン化
室１０は、前記イオン化室１０で発生した酸素イオンよ
り０９または０！０を分離する質量分離機１３とこの前
記０９または０２９を１０〜２００　ｅＶに減速するた
めの減速電極１２とを介して前記成膜室１１に接続して
おり、基板ホルダ２上の基板３に前記０°または０９３
の酸素イオンを打ち込めるようになっている。

前記成膜室１１内には分子線の強度をモニタするための
水晶振動子またはイオンゲージ１４および質量分析計１
５が備えられており、また前記イオンをモニタするため
のファラデーカップ１６が設けられている。

また減速電極１２と基板３との間には、熱電子フィラメ
ントなどの電子放出源１７が設けられており、前記基板
３に絶縁膜を形成するときイオンまたは基板３に電子を
照射して堆積された膜の帯電を防止できるようになって
いる。

前記イオン化室１０は、質量分離機１３とゲートバルブ
２０を介して接続している。なお符合１９は試料導入室
である。

このような本命明による酸化物薄膜の製造装置は以下の
ように作動する。

まず、成膜室１１をクライオポンプなどによって高真空
（１０−５Ｔｏｒｒ以上の高真空）とする。

そして酸素以外の元素の蒸着を行う分子線蒸着において
は、上述の超高真空　（たとえば１０”　’Ｔｏｒｒ）
中でに一セル蒸着源８．８゛または電子ビーム蒸着源９
より前記基板３に蒸着を行う、このとき、分子線源強度
を水晶振動子またはイオンゲージ１４および質量分析計
１５によってモニタし、これをフィードバックすること
によって各蒸着源への入力パワーを制御することができ
る。

前記イオン化室１０で１０〜５０ＫｅＶのエネルギで発
生した酸素イオンはゲートバルブ２０を介して質量分離
機１３中に入り、０”または０２°を分離される。この
０１または０１！０の酸素イオンビームは減速電極１２
によって１０〜２００　ｅＶのエネルギに減速されて基
板３に照射される。このとき、前記酸素イオンビームは
ファラデーカップ１６によってモニタされ、フィードバ
ックされてエネルギが制御される。この照射される酸素
イオンビームは、１０〜１００μＡ／−の高密度である
。

酸素イオン照射においては、酸素イオンエネルギの設定
が重要である。すなわち、イオンエネルギが１０にｅＶ
以上では、得られた薄膜に結晶欠陥が残存し、２００　
ｅＶを超えて１０ＫｅＶまでの範囲ではスパッタ効果に
よる膜厚減少が著しく、また１０ｅＶ未満においてはエ
ネルギが低すぎて、通常の真空蒸着と同様に基板温度を
上昇させる必要を生じる。

こめため酸素イオンエネルギは１０〜２００　ｅＶに設
定したものである。

またイオン化室１０は低真空（１０−’　Ｔｏｒｒ）で
あるため、イオン室１０と分子線蒸着室（成膜室）１１
（１０−”　Ｔｏｒｒ）を充分離す（たとえば１ｍ以上
）ことにより差圧排気がなされている。この時、必然的
にイオンは長い距離（ｉｓ以上）を走行することになり
、低エネルギ（１０〜２００　ｅＶ）イオンでは、空間
電荷効果によりビーム径が広がってしまう。

このため、イオン引出し後、高エネルギ（１０〜５０Ｋ
ｅＶ　）のまま走行し、基板３の直前において低エネル
ギク１０〜２００　ｅＶ）に減速する減速電極１２を設
けた構造になっている。このため高密度　（１０〜１０
０μＡ　／ｃｄ）のイオン照射を得られる。

また純粋な０＋または０２″″イオンをえるためイオン
引出し電極２１と前記減速電極１２間に質量分離機１３
を設けている。

前述のように基板３上に酸化物薄膜を形成する超高真空
は１０−５Ｔｏｒｒ以上の高真空であることが望ましい
。１０−５Ｔｏｒｒに満たない低真空であると、結晶成
長温度が上昇し、基板温度を高温に保持しなければなら
なくなるからである。

このような構成により、従来のスパッタ装置および蒸着
装置にイオン源を印加した装置と比較して、高真空中で
膜形成が可能になるため、単結晶膜のエピタキシャル温
度が下がる（６００℃以下）とともに、酸素を含めた各
元素の組成を独立に、かつ正確に制御できるという利点
がある。

以下本発明を実施例に基づき説明する。

実施例１　　（ＺｎＯ膜の製造〕 第３図のイオン化室１０としてマイクロ波励起型イオン
源を用いることにより、反応性の強い酸素ガスを用いて
も、イオン源のメンテナンスなしに連続１０時間以上の
膜形成が可能であった。動作時のイオン化室１０の真空
度は５　ｘｔｏ−’　Ｔｏｒｒであり、イオン源１０と
質量分離機１３の間をクライオポンプ（７００１／ｓｅ
ｃの排気量）で排気することにより、成膜室１１を５　
ｘｔｏ−’　Ｔｏｒｒに保持した。

ここでプラズマ室１０より引出し電圧２０ＫＶでイオン
を引出し、質量分析機１３を通して０３としたのち、減
速電極１２により１０〜２００　ｅＶのエネルギにする
。このとき、減速後のエネルギに対する酸素イオン電流
密度の値を第４図に示す。第４図より、たとえば５０ｅ
Ｖのエネルギで最高５ｏμＡ　／ｃｄのイオン電流密度
が得られる。

ここで、あらかじめに−セル８に充填しておいたＺｎ金
属粒子を蒸発させ、基板３上での蒸着レイトが０．７３
人／ｓｅｅになるように、Ｋ−セル温度を制御し、　同
時に上記酸素イオンビームを　５０ｅＶ、５０μＡ　／
ｃｄの条件でガラス基板上に照射することによって、単
位時間当たり、単位面積当たりに入射するＺｎ、！：０
の数が等しくなり、　化学Ｗ論比Ｚｎ：０＝１：１のＺ
ｎＯ多結晶膜が得られた。特に、基板としてサファイヤ
２面またはＣ面を用い、基板温度を室温から６００℃の
間の一定温度に保持することにより、表面の平滑なＺｎ
Ｏ単結晶膜が得られた。Ｚｎ蒸発時の成膜室１１中の真
空度は５　Ｘｌ０−　”Ｔｏｒｒであった。このとき、
サファイヤ２面にはＺｎＯ（１１２０）面が、またす７
ツイヤＣ面にはＺｎ０（０００１）面がエピタキシャル
成長した。どちらの場合も得られたＺｎＯ膜のＸ線回折
測定より、（１１２０）、（０００１）ピークの半値幅
は共に０．３　　。

以下と小さく、ピーク位置より換算したＺｎＯ格子定数
もバルク値とほとんど等しい（０，１％以下の相違）値
となって、結晶性の良さを示している。

通常、スパッタ法では基板温度が６００℃以上でないと
、同程度の結晶性は得られないので、本発明による酸化
物薄膜の製造装置によれば、低基板温度で結晶性の良い
単結晶膜が得られることが実証された。

実施例２　　（ＬｉＮｂ０３膜の製造〕実施例１と同じ
方法で、５０ｅＶ、５０μＡ　／ｃｄの条件の００イオ
ンビームを得た後、熱電子放出用フィラメント１７（中
和用フィラメント）を通電加熱し、０°イオンビームに
熱電子シャワーを当てることにより中性の酸素ビームを
得た。またに−セル８よりＬｉを、電子ビーム蒸着源９
よりＮｂを蒸発させて、前記酸素ビームと同時にサファ
イヤ０面基板上に照射することにより、ＬｉＮｂ０３単
結晶膜を得た。酸素イオンビームを中性化することによ
って絶縁体のＬｉＮｂ０３膜でも、波長６３３　ｎｍの
光に対する屈折率ｎ。（通常光）は２．３２、ｎｅ　　
（異常光）は２．１８で、バルクに近い密度のＬｉＮｂ
０３膜が得られていることを示している。

実施例３　　（ＢａＰｂ０３ＢａＢｉ０３多層膜〕第３
図のに一セル８を３本用意し、それぞれにＤａ、Ｐｂ、
　Ｂｉ金属粒を入れ、蒸着を行うとともに、実施例１と
同様に酸素イオン照射を行い、５ｒＴｉＯａ（１１０）
面基板３上に多層膜を形成した。まず、シャッタにより
Ｂｉのみ蒸着されないようにし、Ｂａ［ｌｉＯ３膜を５
０人厚さで形成したのち、別のシャッタによりｐｂのみ
蒸着されないようにし、ＢａＰｂ０３膜を５０人の厚さ
で形成する。このプロセスを５０回繰り返し、厚さ５ｏ
ｏｏ人の厚さのＢａＰｂＯ３［１ａＢｉ０３の多層膜を
形成した。このとき、基板温度は３００℃と低くても単
結晶膜が形成され、かつそのときＢａＰｂ０３とＢａＢ
１０３各層の相互拡散がなく、原子オーダで惣峻な超格
子膜構造を採っていることが電子顕微鏡観察により確か
められた。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明による酸化物薄膜の製造装
置によれば、バルク値に近い密度を有する酸化物単結晶
薄膜が充分な組成制御で、かつ低基板温度（室温から６
００℃）で形成できる。したがって、酸化膜の多層構造
も相互拡散がなく、設計通りに形成でき、従来相互拡散
により制作できなかった薄膜の形成も可能になるという
利点がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はスパッタ装置の構成図、第２図はカラマン型な
どのイオン源を組み込んだ蒸着装置の構成図、第３図は
本発明による酸化物薄膜製造装置の一実施例の構成図、
第４図は前記実施例の装置において酸素イオンエネルギ
に対する最大酸素イオン電流密度特性を示す図である。 １　・・・ターゲット、２　・・・基板ホルダ、３　・
・・基板、４　・・・ガス導入口、５　・・・ガス排気
口、６　・・・イオン源、７　・・・蒸着源、８．８′
・・・クヌードセル（Ｋ−セル）、９　・・・電子ビー
ム蒸着源、１０・・・イオン化室、１１・・・成膜室、
１２・・・減速電極、１３・・・質量分離機、１４・・
・膜厚計またはイオンゲージ、１５・・・質量分析計、
１６・・・ファラデーカップ、１７・・・中和用フィラ
メント、１８・・・基板加熱用ヒータ、１９・・・試料
導入室、２０・・・ゲートバルブ、 出願人代理人　　雨　宮　　正　季 第１図

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）成膜室内に備えられた基板を加熱するための基板
   ホルダと、前記基板に堆積させる物質を分子線によって
   蒸発させる分子線蒸着源を有する酸化物薄膜の製造装置
   において、プラズマを生成しかつそのプラズマより１０
   〜５０ＫｅＶのエネルギで酸素イオンを引き出すための
   イオン化室とこのイオン化室よりの酸素イオンよりＯ＾
   ＋またはＯ＿２＾＋イオンのみを分離するための質量分
   離機と、前記酸素イオンを１０〜２００ｅＶに減速する
   減速電極とを有し、高真空下で前記基板上に堆積する薄
   膜に蒸着と同時に前記減速された酸素イオンを照射でき
   るようになっていることを特徴とする酸化物薄膜の製造
   装置。
2. （２）前記分子線蒸着源は１以上であり、それぞれの蒸
   着源より、相互に独立して蒸着ができるようになってい
   ることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の酸化物
   薄膜の製造装置。
3. （３）前記成膜室にファラデーカップと水晶振動子また
   はイオンゲージを備え、それぞれ酸素イオン照射量と分
   子ビーム照射量をモニタし、フィードバック制御できる
   ようになっていることを特徴とする特許請求の範囲第１
   項または第２項記載の酸化物薄膜の製造装置。
4. （４）前記成膜室はイオン化室と基板間に電子照射機構
   を備えており、酸素イオンビームまたは基板に電子を照
   射可能になっていることを特徴とする特許請求の範囲第
   １項から第３項いずれかの酸化物薄膜の製造装置。
5. （５）前記成膜室は中性酸素ビーム照射による２次電子
   放出量を測定する機構を備えたことを特徴とする特許請
   求の範囲第４項による酸化物薄膜の製造装置。