(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
蒸着法により超薄膜のニオブ（Ｎｂ）と銅（Ｃｕ）の単結晶多層膜を製造する方法において、サファイア基板の上に基板温度５００〜９００℃でＮｂ単結晶薄膜を成膜し、その上にＮｂ基板温度３０〜５００℃でＣｕ単結晶薄膜を成膜する際に、１．０×１０−６ｔｏｒｒより低い高真空下で薄膜の成長速度を０．０５〜１ｎｍ／秒で制御することにより、厚さが５ｎｍ〜１μｍの範囲に制御された単結晶多層膜を製造する方法。
【請求項２】
蒸着法により超薄膜のニオブ（Ｎｂ）と銅（Ｃｕ）の単結晶多層膜を製造する方法において、サファイア基板の上に基板温度５００〜９００℃でＮｂ単結晶薄膜を成膜し、その上にＮｂ基板温度３０〜５００℃でＣｕ単結晶薄膜を成膜し、更にその上にＣｕ基板温度４５０〜８００℃でＮｂ単結晶薄膜を成膜する際に、１．０×１０−６ｔｏｒｒより低い高真空下で薄膜の成長速度を０．０５〜１ｎｍ／秒で制御することにより、厚さが５ｎｍ〜１μｍの範囲に制御された単結晶多層膜を製造する方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一層あたり５ｎｍ〜１μｍの膜厚でＮｂ層、Ｃｕ層を単結晶で積層し多層膜化する方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
真空蒸着によって蒸着中の真空度、基板温度、蒸着速度等を制御することによりサファイア基板上に単結晶Ｎｂ膜を成長させることが知られている。Ｃｕ−Ｎｂ系は、お互いほとんど溶け合わないため、金属多層膜のモデル材料として物性研究に用いられてきた。このＣｕーＮｂ系の金属多層膜は、多層膜スパッター蒸着法や電子ビーム蒸着法により製作されているが、その構造は多結晶である。しかし、従来、金属多層膜の構造および膜厚を正確に計測する方法がないので、厚さ１００ｎｍ以下の制御された薄膜を製造することは困難であった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ナノメータ（ｎｍ）領域の膜厚から成る多層膜材料の物性の研究において、各層の界面の平滑性、膜の結晶構造が多層膜材料の物性に大きく影響する。本発明の課題は、膜厚の制御された高品質な単結晶層から成るＣｕーＮｂ系の多層膜を製造することにある。
【０００４】
【課題を解決しようとするための手段】
本発明は、大きな面積の金属単結晶多層膜を作製する手段として、電子ビーム蒸着法によりサファイア単結晶基板の上に面積の大きいＮｂ単結晶膜を成膜し、その上にＣｕおよびＮｂを蒸着中の基板温度、蒸着速度を制御し、単結晶で積層して多層膜を製作するものである。サファイア基板は、耐熱性、化学的安定性に優れ、１５００℃程度の高温での蒸着ができるため、その基板上に結晶性の高い単結晶膜が製造できる。蒸着は超高真空下で行うため多層膜への不純物の混入を極めて少なく抑えられた。本発明は、膜厚をイオンビーム解析法により０．ｌｎｍの精度で計測できる方法を開発したので、厚さの制御された薄膜の製造が可能となった。
【０００５】
【発明の実施の形態】
超高真空下で電子ビーム蒸着法によりサファイア基板上に基板温度、蒸着速度を制御しＮｂ単結晶の成膜を行った。さらにＮｂ膜上にＣｕの単結晶膜の積層を行った。製作した多層膜は低速電子回折、Ｘ線回折、ラザフオード後方散乱法を用いて構造解析を行った。
【０００６】
即ち、本発明は、１．０×ｌ０-6ｔｏｒｒより低い高真空下で、電子ビーム蒸着法により、サファイア基板上に薄膜の蒸着速度を０．０５〜１ｎｍ／秒に制御し、厚さが５ｎｍ（ナノメータ）から１μｍの範囲に制御されたニオブ（Ｎｂ）と鋼（Ｃｕ）の単結晶多層膜を製造するものである。
【０００７】
基板温度としては、蒸着により、サファイア基板上にＮｂ単結晶薄膜を形成させる場合の基板温度は５００℃〜９００℃に制御され、又Ｃｕ単結晶上にＮｂ単結晶膜を形成させる場合のＣｕ基板温度は４５０℃〜８００℃に制御され、更に又Ｎｂ単結晶上にＣｕ単結晶を形成させる場合のＮｂ基板温度は、３０℃〜５００℃に制御される。以下、本発明を実施例に基づいて説明する。
【０００８】
【実施例１】
基板導入室、成長室、分析室の３つの真空容器から構成される電子ビーム蒸着装置を用いてＮｂーＣｕ系単結晶多層膜の製造を行った。モリブデン製の基板ホルダーに取り付けた大きさ１０ｍｍ×１０ｍｍのサファイア単結晶基板
【数１】
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を基板導入室に入れ、真空排気を２４時間程度行い真空度が５×１０-7ｔｏｒｒ程度に達したところで成長室へ移動した。成長室の真空度が７×１０-9ｔｏｒｒに達したところでタンタル抵抗加熱ヒーターにより基板の加熱を開始する。１時間かけて７５０℃まで加熱を行い１５分間保持した後に、真空度５×１０-8ｔｏｒｒで基板温度 ７５０℃、蒸着速度 ０．１ｎｍ／秒でＮｂの電子ビーム蒸着を行った。５００秒間の蒸着で膜厚５０ｎｍ蒸着した。蒸着速度および蒸着膜の膜厚は水晶振動子膜厚計により測定を行った。基板温度は背面に設けられたタングステン熱電対で測定した。
【０００９】
蒸着後に基板温度を１時間かけてを２００℃まで下げ１５分間保持した後に真空度８×１０-9ｔｏｒｒで基板温度２００℃、蒸着速度０．ｌｎｍ／秒で５００秒間で５０ｎｍの膜厚のＣｕ膜を蒸着した。その後、基板温度を１５分間で５００℃まで上げ１０分間保持した後に真空度４×１０-8ｔｏｒｒで基板温度５００℃、蒸着速度０．１ｎｍ／秒で５００秒間の蒸着で膜厚５０ｎｍのＮｂ膜の蒸着を行った。
【００１０】
その後、基板温度を１時間で室温まで下げた。この試料を分析室に移動し低速電子回折測定を行った。電子の回折スポットの対称性から最表面のＮｂ膜の結晶面方位はＮｂ（１１０）面であることを確認した。この各層の厚さが５０ｎｍのＮｂ／Ｃｕ／Ｎｂ多層膜の結晶性を２．７ＭｅＶ4Ｈｅイオンを用いたラザフオード後方散乱・チャネリグ法により評価した。最表面のＮｂ層は完全結晶に対して８９％の結晶性の単結晶であることを確認した。
【００１１】
以上の成膜条件で厚さ５０ｎｍのＮｂ膜だけの場合の結晶性、および各層が５０ｎｍから成る２層膜（Ｃｕ／Ｎｂ／基板）のＣｕ膜の結晶性は、完全結晶に対してそれぞれ９９．５％および９５％の単結晶であることを確認した。以上の試料をＸ線回折法（θ‐２θ）により結晶面方位を調べた結果、Ｃｕ（１１１）面およびＮｂ（１１０）面の成長が確認できた。
【００１２】
【実施例２】
実施例１と同様の条件で基板温度の条件を６００℃、７００℃、８００℃として厚さ１０ｎｍのＮｂ膜をサファイア単結晶基板上に作製し、実施例１と同様にＮｂ膜の結晶性を評価した。基板温度が７００℃、８００℃で蒸着した試料の結晶性は完全結晶に対して９９．５％の結晶性であること確認した。６００℃の試料は７００℃の試料に比べて結晶性が２３％低下していた。
【００１３】
実施例１と同様の条件で、厚さ５０ｎｍのＮｂ膜をサファイア単結晶基板上に作製し、その上に室温（３０℃）、１００℃、２００℃の基板温度条件で蒸着速度０．１ｎｍ／秒で５００秒間蒸着し、厚さ５０ｎｍのＣｕ膜を作製した。実施例１と同様な評価を行った結果、Ｃｕ層の結晶性は完全結晶に対して６９％（室温）、８０％（１００℃）、９０％（２００℃）であることを確認した。
【００１４】
実施例１と同様の条件で、サファイア単結晶基板上にＮｂ：５０ｎｍの蒸着膜、Ｃｕ：５０ｎｍの蒸着膜を作製し、その上に室温（３０℃）、４００℃、６００℃の基板温度条件で蒸着速度０．１ｎｍ／秒で５００秒間蒸着し、５０ｎｍの膜厚のＮｂ膜を作製した。実施例１と同様な評価を行った結果、最表面のＮｂ層の結晶性は完全結晶に対して１８％（室温）、５４％（４００℃）、９１％（６００℃）であることを確認した。
【００１５】
【発明の効果】
本発明により得られた、単結晶で積層した ＣｕーＮｂ系多層膜は、金属人工格子等の新しい材料や多層膜ミラー等の光学材料の開発に用いられる。また、本発明においては、電子ビーム蒸着法を用いているため蒸着基板をマスキングすることによりあらゆる形状の単結晶多層膜の製造できる。更にまた、この高品位なＮｂ単結晶膜の上には、Ｃｕを含めた他の金属元素のエピタキシャル膜を形成することができる。