説明

希土類酸化物膜とその作製方法

【課題】超平滑な、膜の深部まで完全に酸化膜となっており、粒径が揃っており、ターゲット基板表面に対して低ダメージでコーティング可能で、ストイキオメトリックな希土類酸化物膜を作製する技術を提供する。
【解決手段】第1の真空度に保持された第1の反応室内で、原子ビーム照射手段により原子状酸素ビームを発生させ、第2の真空度に保持された第2の反応室内で、アークプラズマ発生手段により希土類金属をビーム状に発生させターゲットに蒸着させる工程と同時に、原子状酸素ビームを第1の反応室からオリフィス通路を通して第2の反応室の前記ターゲットに照射させる工程を備え、ターゲット表面に、光の干渉を生じる平滑性を有し、膜の厚さ方向全体にストイキオメトリックな希土類酸化物膜を形成させる。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、ターゲット表面に希土類酸化物膜を作製する技術に関するものである。
【背景技術】
【0002】
従来から、イットリウム(Y)などの希土類酸化物薄膜を基板上に形成したものは既に知られており、対プラズマ性向上のためのコーティング材や各種機能材料として活用されている。
希土類酸化物薄膜の作製方法としては、従来からゾルゲル法、溶射法、CVD法が知られている(例えば、特許文献1〜特許文献3を参照)。特許文献1は、従来のゾルゲル法に関連した製造(基板にスピンコートで塗布して、200nm以下の紫外光を照射するものであり、特許文献2は、従来のスパッタ法やプラズマCVD法、蒸着法で形成した金属薄膜に大気開放型CVD法により金属酸化膜を形成するものであり、特許文献3は、従来の溶射法を利用して金属酸化超微粉末および金属酸化膜薄膜を形成するものである。
【0003】
しかしながら、上述のゾルゲル法、溶射法、CVD法などの従来知られている作製方法では、膜が平滑でなく、また膜の深部まで完全に酸化膜となっておらず、粒径が不揃いといった問題があった。また、ターゲット基板表面に対してダメージを与えてしまうという問題もある。また、従来の作製方法では、完全な組成を持つ酸化物膜を作製する、すなわち化学量論的(ストイキオメトリック)な酸化物膜を作製することは困難である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特開2008−44803号公報
【特許文献2】特開2006−219739号公報
【特許文献3】特表2002−533291号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
上記問題点に鑑み、本発明は、超平滑な、膜の深部まで完全に酸化膜となっており、粒径が揃っており、ターゲット基板表面に対して低ダメージでコーティング可能な、ストイキオメトリックな希土類酸化物膜を作製する技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0006】
上記目的を達成するため、本発明の希土類酸化物膜の作製方法は、第1の真空度に保持された第1の反応室内で、原子ビーム照射手段により原子状酸素ビームを発生させ、
第2の真空度に保持された第2の反応室内で、アークプラズマ発生手段により希土類金属をビーム状に発生させターゲットに蒸着させる工程と同時に、
前記原子状酸素ビームを前記第1の反応室からオリフィス通路を通して前記第2の反応室の前記ターゲットに照射させる工程を備える。
【0007】
かかる工程により、ターゲット表面にストイキオメトリックな希土類酸化物膜を作製することができる。すなわち、超平滑性を有し、膜の上から下まで完全に酸化膜が形成され、粒径が揃っており、ターゲットとなる絶縁物や半導体に低ダメージでコーティングすることができる。
希土類酸化物膜を上記工程によりコーディングできることで、被コーティング材の耐プラズマ性や高温安定性を向上し、更に、高硬度を持たせることができる。
【0008】
ここで、本発明の希土類酸化物膜の作製方法の原子ビーム照射手段は、レーザーデトネーション法を用いて、原子状酸素ビームを発生させるものであることを特徴とする。
レーザーデトネーション法は、所定の真空度に保持された真空槽内に薄膜の原料ガスを供給し、この原料ガスにレーザーを照射して電荷を持たない中性の原子ビームを生成する。そして、その中性の原子ビームをターゲットに照射する。
中性の原子ビームの照射により成膜を行なえば、ターゲット表面に均一に照射原子が結合され、極めて薄い薄膜を高精度に成膜できることになる。
【0009】
原料ガスとなる酸素ガスの第1の反応室への導入は、間歇的に行なう。その際、酸素ガス導入のタイミングとレーザーの照射タイミングとを合わせる。酸素ガスが間歇的に導入されることで、真空度の低下を抑制し、容易に所定の真空度を得ることができる。さらに、レーザーの照射タイミングを、酸素ガスの導入タイミングに合わせることで、より確実に原子状酸素ビームを発生させることができる。具体的には、酸素ガスをノズルからパルス状に供給し、酸素ガスの供給に同期するレーザーをノズルに照射して原子状酸素ビームを発生させる。
【0010】
第1の反応室内に、電磁パルスのパルスドバルブ等によってパルス状に酸素ガスがノズルに導入され、そのパルスに同期して炭酸ガスレーザー光を集光し照射させることで、酸素ガス分子を原子状に解離・加速させ、数eV程度の並進エネルギーを有する原子状酸素ビームとしてターゲットの表面に照射させる。
【0011】
また、アークプラズマ発生手段は、例えば、アークプラズマガンを用いて、イットリウム(Y)などの希土類金属を蒸発させ、ビームをパルス状に発生させる。
【0012】
ここで、第1の真空度を10−3〜10−6Paとし、第2の真空度を10−6〜10−8Paの超真空とする。第1の真空度を10−3〜10−6Paとするのは、原子ビーム照射手段により生成された中性の原子状酸素ビームが他の原子と衝突すると、元の酸素ガス分子に戻ったり、新しい化合物を生成したりするため、このような衝突を防止すべく、酸素ガスが原子化される真空槽内の空間を高い真空度に保持するものである。
【0013】
また、第2の真空度を10−6〜10−8Paの超真空とするのは、作製する希土類酸化物薄膜やターゲットの表面清浄性が保たれることに加え、希土類酸化物薄膜中の不純物元素量を低減し、ターゲット表面と希土類酸化物薄膜の密着性を高めるためである。従って、ターゲット付近の真空度を最も高めるようにする。
【0014】
また、本発明の作製方法において、ターゲットが常温〜780℃の温度範囲内に制御されることが好適である。780℃よりも高い温度では、周辺の不純物となりうる金属がターゲット表面に蒸着する恐れがありターゲット表面が損傷する可能性がある。なお、工業的には、制約条件が緩和されるよう、ターゲットの所定温度は300〜500℃とする。
【発明の効果】
【0015】
本発明によれば、超平滑な、膜の深部まで完全に酸化膜となっており、粒径が揃っており、ターゲット基板表面に対して低ダメージでコーティング可能といったストイキオメトリックな希土類酸化物膜を作製することができる。
【図面の簡単な説明】
【0016】
【図1】本発明の希土類酸化物膜の作製装置の概略構成図
【図2】原子間力顕微鏡(AFM)で表面測定した結果
【図3】イットリウムのみを照射して作製した表面のAFM測定結果
【図4】酸化イットリウム(Y)膜を作製した試料について表面モルフォロジーをAFMによって観察した結果
【図5】アニール処理後のAFMの観察結果
【図6】作製した酸化イットリウム(Y)膜の硬度を示す図
【図7】TEMによる構造解析結果を示す図
【図8】XPSによる深さ方向の分析結果
【図9】酸化イットリウム(Y)膜の色調を示す図
【発明を実施するための最良の形態】
【0017】
以下、本発明の実施例について、図面を参照しながら詳細に説明していく。
【0018】
(希土類酸化物膜の作製装置)
図1は、本発明の希土類酸化物膜の作製装置の概略図を示している。本作製装置は、第1の真空度に保持された第1の反応室10と、第1の真空度よりも高い真空度の第2の真空度に保持された第2の反応室20と、第1の反応室10と第2の反応室20を連通するオリフィス通路30と、第2の反応室20内に設置されヒーター22により所定温度に制御されたターゲット基板21と、第1の反応室10内に設置され、原子状酸素ビームをパルス状に発生させオリフィス31を通してターゲット基板21に照射する原子ビーム照射手段(11〜15)と、第2の反応室20内に設置され、希土類金属を蒸発させターゲット基板21に蒸着させるアークプラズマガン23を備えている。
【0019】
第1の反応室10は、図示しない真空ポンプにより10−6 Pa程度の高真空に保たれ、原子ビーム照射手段(11〜15)によって、レーザーデトネーション法を用いて原子状酸素ビームを生成し、生成した原子状酸素ビームを、オリフィス通路30を介して、ターゲット基板21に照射させる。
【0020】
また、第2の反応室20は、10−8 Pa以下の超高真空を保つ反応室で、ターゲット基板21をクリーニングするためのスパッタイオンガン24と、イットリウム(Y)などの希土類金属をターゲットに蒸着させるためのアークプラズマガン23で構成されている。ターゲット基板21は、ヒーターにより所定の温度にコントロールされ、マニュピュレータ25を用いて移送される。また、四重極質量分析計(QMS)26は、ターゲット基板21に原子ビームの照射量を求めるために用いる。
【0021】
ここで、レーザーデトネーション法を用いて原子状酸素ビームを生成し、生成した原子状酸素ビームをターゲット基板21に照射させる方法について図1を参照しながら説明する。高真空を保つ第1の反応室10内において、電磁パルスのパルスドバルブ11によってパルス状に原料ガスとなる酸素ガスが導入されるノズル12に、そのパルスに同期して炭酸ガスレーザー光をレーザー入射窓14から入れ、ミラー13で集光し照射させることで、原料ガスとなる酸素分子を原子状に解離・加速させ原子状酸素ビームを生成する。これにより、数eV程度の並進エネルギーを有する原子状酸素ビームとしてターゲット基板21の表面に照射させるものである。
【0022】
第1の反応室10は、図示しない真空ポンプに連結され、反応室内を10−6Pa程度の圧力にしている。これによって、ターゲット基板21への不純物の付着等を防止することができる。原子状酸素ビームを直接的にターゲット基板21の表面に照射して成膜するため、キャリアガスを必要としない。これもターゲット基板21への不純物の付着が生じない理由である。
【0023】
原料ガスとなる酸素ガスの真空容器への導入は、間歇的(パルス)に行なうことが望ましい。その際、ガス導入のタイミングとレーザーの照射タイミングとを合わせることがより好ましい。酸素ガスが間歇的(パルス)に導入されることで、真空度の低下を抑制し、容易に所定の真空度を得ることができる。さらに、レーザーの照射タイミングを酸素ガスの導入タイミングに合わせることで、より確実に原子状酸素ビームを発生させることができる。より具体的には、酸素ガスをノズルからパルス状に供給し、原料ガスの供給に同期するレーザーをノズルに照射して原子ビームを発生させる。
【0024】
以下の実施例では、上述の作製装置を用いて、イットリウム(Y)の酸化物をシリコン(Si)表面にコーティングした結果を示し、本発明の効果、すなわち、超平滑な、膜の深部まで完全に酸化膜となっており、粒径が揃っており、ターゲット基板表面に対して低ダメージでコーティング可能な、ストイキオメトリックな酸化イットリウム(Y)膜が作製できていることを確認することにする。
【実施例1】
【0025】
以下の実施例では、ターゲット基板としてSi基板を用いて、酸化イットリウム(Y)膜の作製を、下表1に示される2つの条件で行っている。
【0026】
(AFM表面測定)
図2は、原子間力顕微鏡(AFM)で表面測定した結果を示している。図2(a)はSi基板を超音波洗浄したものであり、図2(b)はSi基板を洗浄後にさらにRCA洗浄を行ったものであり、図2(c)はその後さらに真空加熱を行ったもののAFM像である。図2の右に濃淡のスケールバーを示しており、AFM像における濃淡は表面からの深さの大小、すなわち表面の粗さを示している。AFMは、Veeco社製NanoscopeIIIaを用いた。中心線平均粗さ(Ra)は、それぞれ、0.16(nm)、0.28(nm)、0.18(nm)であった。ここで、中心線平均粗さ(Ra)は、各試料8点以上測定して、最大値、最小値を除いた平均を値として算出したものである。なお、図2(a)のAFM像のSi基板は、原子レベルの平滑性を有していることがわかる。
【0027】
次に、シリコン基板温度500℃で、イットリウムのみを照射して作製した表面のAFM測定結果を図3に示す。
図3で示すように、表面には多数の凹凸がみられ、平滑とはいえず、Raの値も12.2(nm)と大きくなった。また、光学的観察においても光沢がなく、曇った表面が観察された。凹凸の最深部は数十ナノメートル下まで落ち込み、シリコン基板表面まで達していると推察する。
【0028】
次に、酸化イットリウム(Y)膜のAFM測定結果について説明する。蒸着中のシリコン基板温度を常温、300℃、500℃、700℃と変化させ、原子状酸素ビームおよびアークプラズマを用いて、酸化イットリウム(Y)膜を作製した試料について表面モルフォロジーをAFMによって観察した結果を図4に示す。なお、図中右下部分に中心線平均粗さ(Ra)の値を示している。
【0029】
AFM測定結果より全ての試料において、表面粗さはイットリウム膜と比較し、改善が見られた。これは、イットリウムが六方晶であるのに対し、酸化イットリウム(Y)は立方晶であり、格子定数が1.06(nm)でシリコンの格子定数0.543(nm)の約2倍とミスマッチが少ないことが、膜の成長形態の違いに現れたものであると推察する。
【0030】
図4(a)により、基板温度が常温で作製した試料は、非常に平坦な表面を示していることが確認できる。一方で、300℃、500℃で作製した試料では表面に島状の物質が現れ、島状物質は700℃において一気に増大していることが確認できる。島状物質が直径は、300℃、500℃で25〜50nm程度、700℃で50〜100(nm)程度であった。
【0031】
次に、アニール処理後のAFMの観察結果を図5に示す。図5に示すように、AFM像よりアニール処理を行った場合においても、島状物質が300℃、500℃で作製した試料の表面に確認でき、700℃において一気に増大していることが確認できる。また、アニールを行わなかった場合の試料と比較し、表面粗さは減少する傾向にあった。AFM像より、島状物質の大きさはアニール前と比較し、あまり変化せず、加熱により均一化していることが確認できる。他の実験では基板温度500℃において作製した酸化イットリウム(Y)膜中の結晶粒の大きさは数十ナノメートル程度であり、AFMによって観察された島状物質の大きさに一致していることから、この島状物質は結晶粒であると考えられる。つまり、蒸着温度が高くなれば、酸化イットリウム(Y)の結晶が成長し、それらの大きさはアニール処理によって均一化していると推察できる。
以上より、酸化イットリウム(Y)を蒸着した場合には、原子レベルの平滑性を有した薄膜が生成されることがわかる。
【0032】
(TEMによる構造解析)
次に、作製した酸化イットリウム(Y)膜に対して、透過型電子顕微鏡(日立製H−7000)を用いて構造解析を行った結果について説明する。解析を行った試料は、基板温度500℃で蒸着を行い、700℃で1時間のアニール処理を行ったものである。得られた明視野像を図7(a)に、電子線回折像を図7(b)に示す。測定は電子線の加速電圧125kV、入射方位は[001]方向として行った。
図7(a)より、作製した膜が多結晶膜であることが確認できた。また、その結晶粒度は最大40ナノメートル程度であった。また、図7(b)の電子線回折像より、Si(100)のスポットとともに多結晶リングが確認できた。これらの面間隔より、酸化イットリウム(Y)が生成していることが確認できる。
以上より、基板温度500℃でアニール処理を実施した酸化イットリウム(Y)は、結晶粒形が最大40ナノメートルで均一な多結晶構造の膜であり、また、電子回折像からストイキオメトリックな酸化イットリウム(Y)であることが確認された。
【0033】
(XPSスペクトル)
次に、作製した酸化イットリウム(Y)膜の内部および基板との界面の状態を調べるため、X線光電子分光法(XPS)による深さ方向分析を行った。深さ方向には1分間のアルゴンイオン・スパッタリングを15回繰り返し行った。図8は、常温、300℃、500℃、700℃と、基板温度を変化させて作製した酸化イットリウム(Y)膜の試料について、スパッタ時間2分毎の測定結果を示している。図8(a)〜(c)は常温におけるY,O,Siのものであり、図8(d)〜(f)は300℃におけるY,O,Siのものであり、図8(g)〜(i)は500℃におけるY,O,Siのものであり、図8(j)〜(l)は700℃におけるY,O,Siのものである。
【0034】
図8から、全ての試料において、Y3d、O1sともに酸化イットリウム(Y)に起因するピークを示しており、深さ方向に対しても一様な酸化イットリウム(Y)が生成されているものと推察できる。
以上のXPSによる組成分析結果から、いずれの試料も膜の組成はストイキオメトリックな酸化イットリウム(Y)であり、膜内部においても一様に酸化イットリウム(Y)薄膜が作製できるということが確認できる。
【0035】
(硬度)
図6を参照して、作製した酸化イットリウム(Y)膜の硬度について説明する。図6より、酸化イットリウム(Y)膜の硬さは、アニール処理を行っていない試料において、常温で蒸着を行った試料では8.9GPaと、シリコン基板(12.7GPa)と比較し、大幅に減少した。これは常温で蒸着を行ったため、粒子間の密度が低く、緻密な膜が形成されないためであると推察できる。
【0036】
一方、300℃、500℃で蒸着を行った試料においては、ばらつきが大きくなったものの、常温で蒸着を行ったものやシリコン基板に比べ、硬さが増やしている。これは蒸着中、加熱によりエネルギーが与えられることで、緻密な膜の生成が進行したことや、酸化イットリウム(Y)が微結晶化し、硬さが増大したものと推測できる。なお、700℃で蒸着を行った試料において表面粗さが急激に増大したことから、この影響を大きく受けていることが推察する。
以上から、作製した酸化イットリウム(Y)膜の硬度は、シリコン基板と同等かそれ以上の値を示すものもあり、条件を最適化することで十分に高硬度な薄膜になりうることが確認できる。
【0037】
(色調)
次に、作製した酸化イットリウム(Y)膜に関し、基板温度を常温、300℃、500℃、700℃と変化させたものについて、その色調について説明する。作製した酸化イットリウム(Y)膜は膜厚の違いにより、色の変化を示した。図9に本実験で作製した酸化イットリウム(Y)膜の写真を示す。
【0038】
図9において、一番左の試料は色調比較のための酸化イットリウム(Y)を蒸着していないSi基板である。左より、黄色、青色、水色、紫色と様々な色を示すことが確認できる。これらは酸化イットリウム(Y)膜による反射光とSi表面における反射光による干渉の結果生ずるものである。反射光による干渉が生じることからもわかるように、本作製方法で作製された酸化イットリウム(Y)膜は、優れた平滑性を有していることが理解できる。
【0039】
図9の試料の膜厚は、黄色の試料で45.5(nm)、青色の試料で79.0(nm)であった。ここで、膜厚は、常温・大気中において10点計測し、その平均値をとったものである。なお、基板温度500℃において、本作製方法の原子ビームおよびアークプラズマを用いて酸化イットリウム(Y)膜を蒸着し、色調の変化とアークプラズマの照射回数の関係を調べると、蒸着中、2200ショットまでは無色透明、その後、黄色、ピンク、青、透明と小刻みに変化して行くことが確認できた。
【0040】
以上から、第1の真空度に保持された第1の反応室内で、原子ビーム照射手段により原子状酸素ビームを発生させ、第2の真空度に保持された第2の反応室内で、アークプラズマ発生手段により希土類金属を蒸発させターゲットに蒸着させる工程と同時に、原子ビームを第1の反応室からオリフィスを通して第2の反応室のターゲットに照射させる工程により、ターゲット表面に、超平滑な、膜の深部まで完全に酸化膜となっており、粒径が揃っており、ターゲット基板表面に対して低ダメージでコーティング可能で、ストイキオメトリックな希土類酸化物膜を作製することが認められる。
【産業上の利用可能性】
【0041】
本発明の希土類酸化物膜の作製方法によれば、例えば、イットリウム(Y)酸化物薄膜は高硬度・耐プラズマ性からジルコニア安定化材として、スカンジウム(Sc)酸化物薄膜は軽量・高強度性から航空機やスポーツ用品の構造材料として、セリウム(Ce)酸化物薄膜は高硬度・高屈折率・酸化作用から、ガラス研磨剤、UVカット用ガラス、排気ガス触媒として、ランタノイド(La)酸化物薄膜は高屈折率から光学レンズやセラミックコンデンサとして適用可能性がある。
【符号の説明】
【0042】
1 本発明の希土類金属膜の作製装置
10 第1の反応室
11 パルスドバルブ
12 ノズル
13 ミラー
14 レーザー入射窓
15 原料ガス導入管
20 第2の反応室
21 ターゲット基板
22 ヒーター
23 アークプラズマガン
24 スパッタイオンガン
25 マニュピュレータ
26 四重極質量分析計(Quadrupole Mass Spectrometer;QMS)
30 オリフィス通路
31 オリフィス
32 バリアプブルリークバルブ

【特許請求の範囲】
【請求項1】
第1の真空度に保持された第1の反応室内で、原子ビーム照射手段により原子状酸素ビームを発生させ、
第2の真空度に保持された第2の反応室内で、アークプラズマ発生手段により希土類金属をビーム状に発生させターゲットに蒸着させる工程と同時に、
前記原子状酸素ビームを前記第1の反応室からオリフィス通路を通して前記第2の反応室の前記ターゲットに照射させる工程を備え、
前記ターゲット表面にストイキオメトリックな希土類酸化物膜を作製することを特徴とする希土類酸化物膜の作製方法。
【請求項2】
前記原子ビーム照射手段は、レーザーデトネーション法を用いて、原子状酸素ビームを発生させるものであることを特徴とする請求項1に記載の希土類酸化物膜の作製方法。
【請求項3】
前記アークプラズマ発生手段が、アークプラズマガンを用いて、アークプラズマをパルス状に発生させ、イットリウム(Y)、スカンジウム(Sc)、セリウム(Ce)、ランタノイド(La)から選択されたものを蒸発させるものであることを特徴とする請求項1又は2に記載の希土類酸化物膜の作製方法。
【請求項4】
前記第1の真空度を10−3〜10−6Paとし、前記第2の真空度を10−6〜10−8Paとすることを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の希土類酸化物膜の作製方法。
【請求項5】
前記ターゲットが、常温〜780℃の温度範囲内に制御されることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の希土類酸化物膜の作製方法。
【請求項6】
前記希土類酸化物膜は、光の干渉を生じる平滑性を有し、膜の厚さ方向全体にストイキオメトリックな酸化物膜を形成していることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の希土類酸化物膜の作製方法。


【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【図6】
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【図7】
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【図8】
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【図9】
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【公開番号】特開2010−202429(P2010−202429A)
【公開日】平成22年9月16日(2010.9.16)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2009−47434(P2009−47434)
【出願日】平成21年2月28日(2009.2.28)
【新規性喪失の例外の表示】特許法第30条第1項適用申請有り 刊行物名 トライボロジー会議予稿集 名古屋2008−9 発行日 2008年9月1日 発行所 社団法人日本トライボロジー学会 該当ページ 第353・354ページ
【出願人】(504150450)国立大学法人神戸大学 (421)
【Fターム(参考)】