(57)【要約】      （修正有）【課題】平坦なＭｇＯ（１１１）面を簡易な手法で作成できる作成方法及び平坦なＭｇＯ（１１１）面を有する処理板を提供する。【解決手段】レーザアブレーション法により酸化マグネシウムの焼結体又は単結晶をターゲットとして用いて酸化マグネシウム薄膜３を基板２上に堆積する方法である。この方法では、（１１１）面を主面２ａとするチタン酸ストロンチウムまたは（１１１）面を主面２ａとするイットリア安定化ジルコニアからなる基板２を用い、前記基板２の前記主面２ａ上に膜を直接堆積しエピタキシャル成長させることによって（１１１）面を表面３ａとする酸化マグネシウムからなる平坦な処理膜３を作成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザアブレーション法により酸化マグネシウムの焼結体又は単結晶をターゲットとして用いて酸化マグネシウム薄膜を基板上に堆積する方法において、
（１１１）面を主面とするチタン酸ストロンチウムまたは（１１１）面を主面とするイットリア安定化ジルコニアからなる基板を用い、前記基板の前記主面上に膜を直接堆積しエピタキシャル成長させることによって（１１１）面を表面とする酸化マグネシウムからなる平坦な処理膜を作成し、
前記処理膜は、膜厚が５０ｎｍを超えない膜であって、酸化マグネシウム（１１１）面の二乗平均平方根粗さＲｑが０．５ｎｍを超えない膜である酸化マグネシウム薄膜の作成方法。
【請求項２】
前記処理膜は、膜厚が５〜２０ｎｍの膜である請求項１に記載の酸化マグネシウム薄膜の作成方法。
【請求項３】
前記レーザアブレーション法におけるレーザエネルギー量は、５０ｍＪ以上である請求項１又は２の何れか一項に記載の酸化マグネシウム薄膜の作成方法。
【請求項４】
前記処理膜の成膜時の基板温度は、６００〜６５０℃である請求項１〜３の何れか一項に記載の酸化マグネシウム薄膜の作成方法。
【請求項５】
前記処理膜の成膜時の酸素分圧は、０．５×１０−３〜２．０×１０−３Ｐａである請求項１〜４の何れか一項に記載の酸化マグネシウム薄膜の作成方法。
【請求項６】
（１１１）面を主面とするチタン酸ストロンチウムまたは（１１１）面を主面とするイットリア安定化ジルコニアからなる基板と、
前記基板の前記主面上に直接形成され（１１１）面を表面とする酸化マグネシウムからなる平坦な処理膜と、
を備え、
前記処理膜は、膜厚が５０ｎｍを超えない膜であって、酸化マグネシウム（１１１）面の二乗平均平方根粗さＲｑが０．５ｎｍを超えない膜である処理板。
【請求項７】
前記処理膜は、膜厚が５〜２０ｎｍの膜である請求項６に記載の処理板。
【請求項８】
請求項６又は７に記載の処理板の処理膜を吸着面とするデバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の種々の側面及び実施形態は、酸化マグネシウム薄膜の作成方法及び処理板に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
酸化マグネシウム（ＭｇＯ）は、サファイア（Ａｌ２Ｏ３）と同様にワイドギャップを有する代表的な酸化物絶縁体である。このため、ＭｇＯは、薄膜成長のための基板として用いられることがある。成長基板としてＭｇＯを用いる場合には、成長薄膜の格子定数に対するＭｇＯ基板の格子定数のマッチングが考慮される。薄膜を成長させるＭｇＯの結晶面として、例えば面方位が（１００）である面が用いられる場合がある（例えば、非特許文献１参照）。非特許文献１には、ＴＭＲ効果を奏する構成として、Ｆｅ３Ｏ４（１００）／ＭｇＯ（１００）／Ｆｅ３Ｏ４（１００）が記載されている。ＭｇＯとＦｅ３Ｏ４との格子ミスマッチは１％以下であり、Ｆｅ３Ｏ４の成長基板としてＭｇＯが好適であることが示唆されている。
【０００３】
一方、薄膜を成長させるＭｇＯの結晶面として、例えば面方位が（１１１）である面が用いられる場合がある（例えば、非特許文献２，３参照）。非特許文献２には、ＭｇＯ（１１１）面上にスピネル構造を持つ強磁性体を形成することにより、保磁力及び残留磁気が増大することが記載されている。非特許文献３には、代表的な強誘電薄膜である（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ３薄膜をＭｇＯ基板の（１１１）面上又は（１００）面上に形成することが記載されている。そして、（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ３薄膜をＭｇＯ基板の（１１１）面上に形成した方が（１００）面上に形成する場合に比べて高周波領域での特性が良好となることが記載されている。
【０００４】
上述したように、ＭｇＯの（１００）面及び（１１１）面は、成長基板として様々な膜に適用できる。そして、ＭｇＯの（１１１）面は、（１００）面に比べて有利な効果を奏する場合がある。なお、非特許文献４には、（１１１）面を主面とするイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）上に、ＮｉＯ（１１１）を形成し、該ＮｉＯ（１１１）上にＭｇＯを成長させることで、二乗平均粗さＲＲＭＳが０．２１〜０．２３ｎｍとなるＭｇＯの（１１１）面が得られるとの記載がある。ここで、二乗平均粗さＲＲＭＳは、二乗平均平方根粗さＲｑと同義である（ＪＩＳ  Ｂ０６０１）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】X.W. Li, A. Gupta, Gang Xiao, W. Qian, and V. P. Dravid, Appl. Phys. Lett. 73,3282 (1998).
【非特許文献２】S.D. Yoon, S. A. Oliver, and C. Vittoria, J. Appl. Phys. 91, 7379 (2002).
【非特許文献３】M.Noda, T. Yamada, K. Seki, T. Kamo, K. Yamashita, H. Funakubo and M. Okuyama:IEEE Trans. on UFFC, 57(10) (2010) 2221-2227.
【非特許文献４】K.Matsuzaki, H.Hosono, T.Susaki. Layer-by-layer epitaxial growth of polarMgO(111) thin films, PHYSICAL REVIEW B, vol. 82, 3, p. 033408, Jul. 2010.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ＭｇＯの（１００）面は、陽イオンであるＭｇ２＋及び陰イオンであるＯ２−が等量露出しており、静電的に安定している。一方、ＭｇＯの（１１１）面は、陽イオンであるＭｇ２＋及び陰イオンであるＯ２−の何れかが露出することになるため、静電的に不安定であり、天然には存在しない。すなわち、ＭｇＯの（１１１）面は、特異な化学的・電気的表面特性を有することになる。この特性は、ＭｇＯの（１１１）面が平坦であればあるほど顕著になると考えられる。よって、平坦なＭｇＯの（１１１）面を得ることができれば、格子マッチングによる成長面の制御以外の価値を付加することができる基板として、新しいデバイスを作成できる可能性がある。
【０００７】
ここで、ＭｇＯの（１１１）面は、通常、単結晶からＭｇＯ（１１１）面を切り出し、機械的に研磨する方法により得られる。しかしながらこのような手法では、二乗平均平方根粗さＲｑが３ナノメートル程度以上となり、静電的に不安定なＭｇＯ（１１１）の平坦面を得るのは困難である。従って、ＭｇＯ（１１１）は、上記のような特異な特性を有する反面、ナノメートルオーダーで成長膜を制御する基板として採用することは困難である。また、非特許文献４に記載の手法では、基板との間にＮｉＯ膜を形成する必要があるため、手間がかかり効率的ではない上にＮｉＯ膜の分だけ厚い膜となる。当技術分野では、平坦なＭｇＯ（１１１）面を簡易な手法で作成できる作成方法及び平坦なＭｇＯ（１１１）面を有する処理板が望まれている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一側面に係る酸化マグネシウム薄膜の作成方法は、レーザアブレーション法により酸化マグネシウム焼結体又は単結晶をターゲットとして用いて酸化マグネシウム薄膜を基板上に堆積する方法である。この方法では、基板上に酸化マグネシウムからなる処理膜を作成する。基板は、（１１１）面を主面とするチタン酸ストロンチウムまたは（１１１）面を主面とするイットリア安定化ジルコニアからなる。該基板の主面上に膜を直接堆積しエピタキシャル成長させることによって、（１１１）面を表面とする酸化マグネシウムからなる平坦な処理膜を作成する。処理膜は、膜厚が５０ｎｍを超えない膜であって、酸化マグネシウム（１１１）面の二乗平均平方根粗さＲｑが０．５ｎｍを超えない膜である。
【０００９】
この作成方法では、チタン酸ストロンチウム（１１１）またはイットリア安定化ジルコニア（１１１）からなる基板の（１１１）面上に、（１１１）面を表面とする酸化マグネシウムが直接形成されている。すなわち、チタン酸ストロンチウム（１１１）またはイットリア安定化ジルコニア（１１１）からなる基板の（１１１）面をＭｇＯの成長基板として採用し、レーザアブレーション法により堆積させてエピタキシャル成長させることで、平坦なＭｇＯの（１１１）面を得ることができる。処理膜の膜厚が５０ｎｍを超えない範囲とすることで、酸化マグネシウム（１１１）面の二乗平均平方根粗さＲｑが０．５ｎｍを超えない範囲の平坦さを実現することができる。
【００１０】
一実施形態では、処理膜は、膜厚が５〜２０ｎｍの膜であってもよい。処理膜の膜厚を５〜２０ｎｍとすることで、平坦なＭｇＯの（１１１）面を確実に得ることができる。
【００１１】
一実施形態では、レーザアブレーション法におけるレーザエネルギー量は、５０ｍＪ以上であってもよい。成膜時のエネルギーを従来手法に比べて大きくすることで、ＭｇＯ（１１１）面を形成することができる。また、処理膜の成膜時の基板温度は、６００〜６５０℃であってもよい。さらに、処理膜の成膜時の酸素分圧は、０．５×１０−３〜２．０×１０−３Ｐａであってもよい。
【００１２】
また、本発明の他の側面に係る処理板は、基板及び処理膜を備える。基板は、（１１１）面を主面とするチタン酸ストロンチウムまたは（１１１）面を主面とするイットリア安定化ジルコニアからなる。処理膜は、基板の主面上に直接形成され、平坦であり、（１１１）面を表面とする酸化マグネシウムからなる。処理膜は、膜厚が５０ｎｍを超えない膜であって、酸化マグネシウム（１１１）面の二乗平均平方根粗さＲｑが０．５ｎｍを超えない膜である。
【００１３】
この処理板では、チタン酸ストロンチウム（１１１）またはイットリア安定化ジルコニア（１１１）からなる基板の（１１１）面上に、（１１１）面を表面とする酸化マグネシウムが直接形成されている。すなわち、チタン酸ストロンチウム（１１１）またはイットリア安定化ジルコニア（１１１）の（１１１）面をＭｇＯの成長基板として採用することで、平坦なＭｇＯの（１１１）面を得ることができる。処理膜の膜厚が５０ｎｍを超えない範囲とすることで、酸化マグネシウム（１１１）面の二乗平均平方根粗さＲｑが０．５ｎｍを超えない範囲の平坦さを実現することができる。
【００１４】
一実施形態では、処理膜は、膜厚が５〜２０ｎｍの膜であってもよい。処理膜の膜厚を５〜２０ｎｍとすることで、平坦なＭｇＯの（１１１）面を確実に得ることができる。
【００１５】
また、本発明の他の側面に係るデバイスは、上述した処理板の処理膜を吸着面とするデバイスである。上述した処理板を用いることで、所定の分子を吸着するデバイスや所定の分子を検出するデバイスを構成することができる。
【発明の効果】
【００１６】
以上説明したように、本発明の種々の側面及び実施形態によれば、簡易な手法で平坦なＭｇＯの（１１１）面を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】処理板の構成を説明するための図である。
【図２】ＭｇＯの結晶構造を模式的に示す図である。
【図３】製造装置の主な構成を説明するための図である。
【図４】実施例に係る処理板のＸＲＤ回折パターンである。
【図５】実施例に係る処理膜のＡＦＭ像である。（ａ）は膜厚５ｎｍ、（ｂ）は膜厚１０ｎｍ、（ｃ）は膜厚２０ｎｍ、（ｄ）は膜厚５０ｎｍである。
【図６】（ａ）は実施例に係る処理膜の特性を説明するための図であり、（ｂ）は比較例に係る処理膜の特性を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、図面を参照して種々の実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明のものと必ずしも一致していない。
【００１９】
本実施形態に係る処理板の構成について説明する。図１は、処理板１の構成を説明するための図である。処理板１は、基板２と処理膜３とを備えている。
【００２０】
基板２は、無機材料により形成される板状物であり、好ましくはチタン酸ストロンチウム又はイットリア安定化ジルコニア等の１種以上で形成される結晶、又は非結晶構造物である。この基板２の好ましい結晶構造は、主面２ａの法線に沿った方向に関して３回対称性又は６回対称性を有する。基板２として、例えば、（１１１）面を表面とするチタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ３）又は（１１１）面を表面とするイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）などが用いられる。
【００２１】
ＳｒＴｉＯ３は、三酸化チタン（ＩＶ）ストロンチウムとも呼ばれ、複合酸化物でありペロブスカイト型の結晶構造を有する。さらに、基板２を構成するＳｒＴｉＯ３等には不純物がドープされてもよい。不純物がドープされた基板２に電圧を印加すると、基板２に電流が流れるため、抵抗発熱により基板２が加熱される。よって、基板２に印加する電圧を制御することにより処理膜３の温度を制御することが可能となる。すなわち、処理膜３の加熱を容易に行うことができる。不純物としては、例えばニオブ（Ｎｂ）が用いられる。不純物であるＮｂのドープ量は、例えば０．０１〜０．５重量パーセントである。また、基板２は、例えば、面方位が（１１１）に配向された主面２ａを有する。
【００２２】
処理膜３は、基板２の主面２ａ上に直接形成されている。すなわち、処理膜３の裏面と基板２の主面２ａとは接合されている。処理膜３は、（１１１）面を表面とする酸化マグネシウムからなる表面３ａを有している。処理膜３の厚さ（膜厚）は、例えば０．５〜１００ｎｍである。なお、処理膜３の厚さは、５０ｎｍを超えない厚さであってもよい。また、処理膜３の厚さは５〜２０ｎｍであってもよく、７〜１５ｎｍであってもよい。
【００２３】
ここで、一般的なＭｇＯの結晶構造を説明する。図２は、ＭｇＯの結晶構造を模式的に示す図である。ＭｇＯは、立方晶系である塩化ナトリウム型の結晶構造を有し、天然に存在するＭｇＯの表面の面方位は（１００）である。原子スケールで平坦化されたＭｇＯの（１００）面は、陽イオンであるＭｇ２＋と、陰イオンであるＯ２−とが等量露出した面であり、電気的に中性であるために安定な面である。
【００２４】
一方、本実施形態に係る処理膜３は、面方位が（１１１）である結晶面ＣＦからなる表面３ａを有する。この結晶面ＣＦには、陽イオンであるＭｇ２＋のみが露出した面、又は陰イオンであるＯ２−のみが露出した面が露出している。このために、結晶面ＣＦは、電気的にプラス又はマイナスに帯電しており、静電的に不安定な面である。このような結晶面ＣＦは、特異な化学的・電気的表面特性を有する。例えば、結晶面ＣＦは、強い塩基性、電子供給性又は触媒能を有する。触媒能の具体的な事例としては、二酸化炭素（ＣＯ２）を吸着する能力又は還元する能力である。
【００２５】
処理膜３の表面３ａは原子スケールで平坦化されている。「原子スケールで平坦」とは、結晶面が完全に平坦な場合のみに限定されない。実際に原子レベルで平坦化された結晶面を作成した場合、原子レベルで見ると結晶の表面は微小に傾いている。このとき、結晶の表面には原子層に相当するステップ構造が形成されている。このような場合も結晶面が「原子スケールで平坦」である場合に含まれる。具体的には、処理膜３の表面３ａの二乗平均平方根粗さＲｑが、例えば１．０ｎｍを超えない範囲とされる。また、二乗平均平方根粗さＲｑが０．５ｎｍを超えない範囲であってもよい。Ｒｑは、原子間力顕微鏡を用いることにより、例えば、一辺が１〜２μｍの領域を走査することにより算出される。
【００２６】
次に、処理板１の製造方法について説明する。処理板１の製造には、例えばレーザアブレーション法を用いることができる。レーザアブレーション法によれば、比較的広い成膜条件下において処理板１を製造することができる。
【００２７】
図３は、製造装置１０の構成を説明するための図である。製造装置１０は、チャンバ１１、基板２及びターゲット１２を備えている。
【００２８】
チャンバ１１は、その内部に、基板２及びターゲット１２を収容する処理空間１１ａを画成する。基板２は例えば処理空間１１ａの上方に配置されている。ターゲット１２は、処理空間１１ａの下方に配置されている。すなわち、ターゲット１２は、基板２に対して鉛直下向きの方向に、基板２から離間して配置されている。ターゲット１２と基板２との距離は任意であり、製造装置１０の規模に応じて適宜選択すればよい。ターゲット１２は、基板２の主面２ａ上に形成される処理膜３の原料である。
【００２９】
チャンバ１１の側壁には、光学的に透明に構成された窓１３が設けられている。レーザ光源１５は、チャンバ１１の外部に配置され、ターゲット１２に照射されるレーザ光Ｌを発生する。レーザ光源１５は、窓１３を介してターゲット１２へレーザ光Ｌを出射する。
【００３０】
チャンバ１１には、排気装置１４が接続されている。排気装置１４は、チャンバ１１内の処理空間１１ａを減圧する。排気装置１４は、所定の真空ポンプである。例えばターボ分子ポンプや油拡散ポンプ等を用いることができる。このように、チャンバ１１は真空排気可能に構成されている。さらに、チャンバ１１には、ガス導入装置１８が接続されている。ガス導入装置１８は、ガス源１９、及び弁２０を含んでおり、チャンバ１１の処理空間１１ａへ所定のガスを導入する。
【００３１】
また、処理空間１１ａには、加熱装置１６が配置されている。加熱装置１６は、ランプ光源１７を備えている。このランプ光源１７からの光は、基板２に集光され、所定の温度に基板を加熱し得る。
【００３２】
続いて、処理板１を製造する工程について説明する。まず、チャンバ１１内に基板２及びターゲット１２を配置する。なお、基板２の材料の一例として、ＳｒＴｉＯ３又はＹＳＺを用い、その主面２ａが（１１１）面である場合を説明する。また、ターゲット１２の一例として、ＭｇＯ焼結体又はＭｇＯ単結晶を用いた場合を説明する。
【００３３】
チャンバ１１内に基板２及びターゲット１２を配置した後に、チャンバ１１の内部を１０−５〜１０−７Ｐａ程度に減圧する。続いて、ガス導入装置１８を用いて外部から酸素ガスを注入し、酸素分圧を例えば１０−２〜１０−５Ｐａ程度に設定する。酸素分圧は、０．５×１０−３〜２．０×１０−３Ｐａであってもよい。次に、ランプ光源１７からランプ光を基板２に集光させて、基板２を所定の基板温度まで加熱する。所定の基板温度は、例えば４００〜７００℃である。所定の基板温度は、６００〜６５０℃であってもよい。
【００３４】
次に、チャンバ１１の窓１３からレーザ光Ｌをチャンバ１１内に照射する。このレーザ光Ｌはパルスレーザ光であって、高いエネルギー密度を有し、ターゲット１２に照射される。例えば、このレーザ光Ｌは波長が２４８ｎｍであるＫｒＦエキシマレーザ（フッ化クリプトンエキシマレーザ）である。チャンバ１１内に導入されるレーザ光Ｌの総エネルギー（レーザエネルギー量）は、５０ｍＪ以上である。また、レーザ光Ｌの総エネルギーは、５０〜１５０ｍＪであってもよい。ターゲット１２の表面１２ａにレーザ光Ｌが照射されると、ターゲット１２の表面１２ａにあるＭｇＯが剥離される。剥離されたＭｇＯは、基板２の主面２ａに堆積し、エピタキシャル成長する。これにより、処理膜３が形成される。
【００３５】
以上、ＳｒＴｉＯ３の（１１１）面又はＹＳＺの（１１１）面に処理膜３を直接堆積させてエピタキシャル成長させることにより、（１１１）面の処理膜３が形成され、処理板１が製造される。レーザアブレーション法により成膜する場合には、分子線ビームエピタキシー法等により成膜する場合と比べて成膜時のエネルギーが大きいものとなる。成膜時のエネルギーが大きいことが、ＭｇＯ（１１１）面の形成に寄与しているものと考えられる。
【００３６】
なお、上述した実施形態は本発明に係る処理板及び作成方法の一例を示すものである。本発明に係る処理板及び作成方法は、上述した実施形態に限られるものではない。請求項に記載した要旨を変更しない範囲で、上述した実施形態に係る処理板及び作成方法を変形し、又は他のものに適用したものであってもよい。
【００３７】
例えば、上述した実施形態では、不純物がドープされている基板２を例に説明したが、これに限定されることはない。基板２として、不純物がドープされていないＳｒＴｉＯ３等を用いてもよい。
【００３８】
また、上述した実施形態では、処理板１の製造工程において基板２をランプ光源１７からの光により加熱する方法を例に説明したが、これに限定されることはない。基板２の加熱には種々の方法を用いることができる。例えば、ランプ光源１７からの光に代えて、赤外線レーザを用いてもよい。
【実施例】
【００３９】
以下、上記効果を説明すべく本発明者が実施した実施例及び比較例について述べる。
【００４０】
（実施例）
図３に示す製造装置１０を用いて実施例に係る処理板を作成した。実施例として、基板の主面に（１１１）面を表面とするＭｇＯからなる処理膜を形成した。製造装置１０の具体的構成及び作成条件は以下の通りである。
ターゲット：ＭｇＯ単結晶ターゲット
基板：Ｎｂがドープされた（１１１）面を表面に持つＳｒＴｉＯ３（Ｎｂのドープ量は０．５重量パーセント）
レーザ光源：コヒーレント社製  エキシマレーザ  ＣＯＭＰｅｘＰｒｏ２０１
レーザ波長：２４８ｎｍ
レーザエネルギー量：１００ｍＪ
レーザーパルスの周波数：１０Ｈｚ
（比較例）
図３に示す製造装置１０を用いて比較例に係る処理板を作成した。基板の主面に（１００）面を表面とするＭｇＯからなる処理膜を形成した。製造装置１０の具体的構成及び作成条件は、基板以外は実施例と同様である。
基板：Ｎｂがドープされた（１００）面を表面に持つＳｒＴｉＯ３（Ｎｂのドープ量は０．５重量パーセント）
【００４１】
（構造評価）
実施例に係る処理膜３の構造評価を行った。図４は、実施例に係る処理板のＸ線回折パターンを示す。図４において、グラフＧ１は基板の温度が４００℃であるときに形成された処理板のパターン、グラフＧ２は基板の温度が５００℃であるときに形成された処理板のパターン、グラフＧ３は基板の温度が６００℃であるときに形成された処理板のパターン、グラフＧ４は基板の温度が７００℃であるときに形成された処理板のパターンである。また、これらの処理板の処理膜は、酸素分圧が１×１０−３Ｐａの環境下において形成された。グラフＧ１〜グラフＧ４に示すように、いずれの温度条件下においても、ＭｇＯの（１１１）面を示す箇所Ｄ１、及び（２２２）面を示す箇所Ｄ２にピークが現れることが確認された。これにより、基板の温度が４００〜７００℃の範囲において、（１１１）面を表面とするＭｇＯからなる処理膜が形成されることが確認された。また、レーザエネルギー量が１００ｍＪの時に、（１１１）面を表面とするＭｇＯからなる処理膜が形成されることが確認された。成膜時のエネルギーが大きいことが、ＭｇＯ（１１１）面の形成に寄与していることを考慮すると、少なくとも１００ｍＪ以上のレーザエネルギー量であれば、（１１１）面を表面とするＭｇＯが形成されることが示唆されたといえる。
【００４２】
（表面観察結果）
原子間力顕微鏡を用いて実施例に係る処理板１の処理膜の表面を観察した。観察対象の実施例のサンプルとして、処理膜成膜時の基板温度が６００〜６５０℃、酸素分圧が１．５×１０−３Ｐａで作成されたものとした。原子間力顕微鏡として、エスアイアイ・ナノテクノロジー株式会社製ＳＰＩ３８００Ｎプローブステーションを用いた。測定条件として、サンプル表面の２マイクロメートル四方を大気下において観察した。結果を図５に示す。図５の（ａ）が実施例に係る処理板の処理膜の膜厚が５ｎｍのＡＦＭ像、（ｂ）が膜厚１０ｎｍのＡＦＭ像、（ｃ）が膜厚２０ｎｍのＡＦＭ像、（ｄ）が膜厚５０ｎｍのＡＦＭ像である。図５の（ａ）では、最も黒い部分が０．８１ｎｍを表示し、最も白い部分が１．３６ｎｍを表示している。図５の（ｂ）では、最も黒い部分が０．００ｎｍを表示し、最も白い部分が１．８９ｎｍを表示している。図５の（ｃ）では、最も黒い部分が０．００ｎｍを表示し、最も白い部分が２．９８ｎｍを表示している。図５の（ｄ）では、最も黒い部分が０．００ｎｍを表示し、最も白い部分が１３．３１ｎｍを表示している。図５の（ａ）〜（ｃ）に示すＡＦＭ像に示すとおり、膜厚が５〜２０ｎｍのＭｇＯ（１１１）の表面は、凹凸の少ない膜として成長していることが確認できた。一方、膜厚が５０ｎｍのＭｇＯ（１１１）の表面は、凹凸が比較的多い膜として成長していることが確認できた。また、ＡＦＭ像の測定と合わせて二乗平均平方根粗さＲｑを計測した。膜厚５ｎｍのとき二乗平均平方根粗さＲｑは０．３０３７ｎｍ、膜厚１０ｎｍのとき二乗平均平方根粗さＲｑは０．２９９２ｎｍ、膜厚２０ｎｍのとき二乗平均平方根粗さＲｑは０．４７０２ｎｍ、膜厚２０ｎｍのとき二乗平均平方根粗さＲｑは１.５８０ｎｍとなった。二乗平均平方根粗さＲｑの測定結果の通り、実施例に係る処理板１の処理膜は、膜厚が５０ｎｍを超えない範囲で二乗平均平方根粗さＲｑが０．５ｎｍ以下であり、平坦面であることが確認された。具体的には膜厚が５〜２０ｎｍの場合に、二乗平均平方根粗さＲｑが０．５ｎｍ以下であり、平坦面であることが確認された。
【００４３】
（表面特性評価）
実施例に係る処理板１、及び比較例に係る処理板の表面特性を評価した。基板表面の化学的性質（酸性・塩基性）を評価する吸着実験の被吸着剤として、ＣＯ２やＮＨ３が最も標準的に採用されている。ここではＣＯ２を用いて吸着特性及び還元特性を評価した。この評価では、ＣＯ２のガス昇温脱離特性を測定することにより、ＣＯ２の吸着特性、すなわち表面の塩基性を評価した。また、ＣＯのガス昇温脱離特性を測定することにより、ＣＯ２の還元特性、すなわち化学的活性の度合いを評価した。ガス昇温脱離特性は、四重極質量分析法を用いて測定した。四重極質量分析法は、高周波電圧が印加された４つの電極管にイオンを通過させることによりイオンに摂動を付加し、所望のイオンのみを通過させて、通過したイオンの質量を測定する方法である。この評価では、実施例として基板の温度が６５０℃の状態において作成された厚さが５０ｎｍの処理膜を備える処理板を用いた。また、比較例として、基板の温度が６５０℃の状態において作成されたＭｇＯの（１００）面からなる表面を有する、厚さが５ｎｍの処理膜を備える処理板を用いた。
【００４４】
図６（ａ）は、実施例に係る処理板のＣＯ２及びＣＯのガス昇温脱離特性を示す。図６（ａ）において、グラフＧ５は、ＣＯ２のガス昇温脱離特性を示し、グラフＧ６はＣＯのガス昇温脱離特性を示す。グラフＧ５に示すように、５０℃付近から表面３ａからＣＯ２の脱離が生じていることが確認された。また、グラフＧ６に示すように、５０℃付近から表面３ａにおけるＣＯ２が還元されてＣＯが発生し、さらに、１００℃付近から多量のＣＯが生じていることが確認された。従って、処理膜３を用いたＣＯ２の還元方法では、紫外線などを照射することなく、ＣＯ２の還元が表面３ａにおいて進行することが確認された。すなわち、５０℃〜１００℃という比較的低温において二酸化炭素の還元が生じていることから、実施例に係る処理板の処理膜は強い化学的活性を有することが確認された。
【００４５】
図６（ｂ）は、比較例に係る処理板のＣＯ２及びＣＯのガス昇温脱離特性を示す。図６（ｂ）において、グラフＧ７は、ＣＯ２のガス昇温脱離特性を示し、グラフＧ８はＣＯのガス昇温脱離特性を示す。グラフＧ７に示すように、５０℃付近から表面からＣＯ２の脱離が生じていることが確認された。一方、グラフＧ８に示すように、ＣＯの発生量はほぼゼロであり、処理膜を加熱してもＣＯ２が還元されないため、ＣＯが生じないことが確認された。
【００４６】
そして、グラフＧ５とグラフＧ７とを比較すると、実施例に係る処理膜からのＣＯ２の脱離量は、比較例に係る処理膜からのＣＯ２の脱離量よりも多いことが確認された。従って、ＭｇＯの（１１１）面からなる表面を有する処理膜は、ＭｇＯの（１００）面からなる表面を有する処理膜に比べて、効率よくＣＯ２を吸着することができることが確認された。すなわち、実施例に係る処理板の処理膜は比較例に係る処理板の処理膜に比べて表面の塩基性が強いことが確認された。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
従来、薄膜基板として、天然に存在する（１００）面を表面とするＭｇＯ基板が用いられている。一方、ＭｇＯの（１１１）面の格子定数は、現在市販されている三角格子が表面に形成される基板の格子定数とは異なる。従って、本実施形態に係る処理板１は新たなエレクトロニクス薄膜成長用の基板として有用である。
【００４８】
さらに、従来、薄膜成長の基板を選ぶときは、主に格子定数の整合が重視され基板表面における触媒能等は重視されていない。一方、本実施形態に係る処理板１は、基板表面垂直方向の分極に起因した強い塩基性及び化学的活性を有する。このため、薄膜等の結晶成長のための基板として、付加価値を有することが可能である。例えば、本実施形態に係る処理板１は、ソフト溶液プロセスによる薄膜成長用の基板として、又は、ＣＶＤ用の基板として採用されてもよい。また、本実施形態に係る処理板１上に薄膜を作成後、該処理板１の処理膜の分極を利用して薄膜の電子状態を変調させることもできる。また、非特許文献１記載のマグネタイトＦｅ３Ｏ４の自然成長面は（１００）面ではなく（１１１）面または（１１０）面である。このため、本実施形態に係る処理板１上にＦｅ３Ｏ４を形成することで、より良質なＦｅ３Ｏ４膜を形成することができると予想される。また、非特許文献２，３記載のＭｇＯの（１１１）面は、何れも平坦でないと推認されるため、本実施形態に係る処理板１の平坦なＭｇＯの（１１１）を用いることで、非特許文献２，３記載の作用効果がより顕著になると想定される。すなわち、本実施形態に係る処理板１は、非特許文献２に記載のスピネル構造を持つ強磁性体の薄膜用基板として有用である。また、平坦面であることを利用して、磁気トンネル接合等、界面粗さを押さえる必要のあるデバイスに好適に採用することができる。さらに、本実施形態に係る処理板１は、非特許文献３に記載の強誘電薄膜用の基板としても有用である。また、ＭｇＯの（１１１）面であること、平坦面であることを利用して、所望の特性を持つ誘電体薄膜の膜厚を確実に薄くすることができる。さらに、処理板１は、例えば、ＭＯＣＶＤ等のように分子を反応させつつ基板に堆積させるプロセスを有する処理に用いることができる。
【００４９】
さらに、触媒として、プラチナ、パラジウムなどの貴金属或いは貴金属と酸化物のハイブリッドが用いられている。しかし、これらの物質は希少であり毒性を有する場合もある。一方、本実施形態に係る処理板１はＭｇＯを用いている。ＭｇＯはありふれた物質であると共に毒性を有していない。従って、本実施形態に係る処理板１は環境汚染を心配する必要がない。さらに、ＭｇＯが生体に対して毒性を持たないため、本実施形態に係る処理板１は生体内の酸性分子の選択的吸着に利用することができる。例えば、本実施形態に係る処理板１を、生体分子（蛋白質、ウィルス、アミノ酸）の検出素子である、いわゆるバイオセンサーとして応用することができる。具体的には、生体分子の吸着前後における処理板１の電気伝導度の変化から、生体分子を検出することができる。よって、診断薬、検査薬として使用することができる。
【００５０】
そして、化石燃料の使用によりＣＯ２が増加し続けている。このＣＯ２は化学的に極めて安定であるため、大気圧、室温条件下では他の化学種へ改変することは容易ではない。このため、ＣＯ２を集めて閉じ込めたり、有効に利用する方法が研究されている。本実施形態に係る処理板１によれば、ＭｇＯ（１１１）を表面（吸着面）とすることで、ＣＯ２を効率よく吸着することができる。従って、ＣＯ２を容易に貯蔵することが可能となる。
【００５１】
さらに、本実施形態に係る処理板１によれば、ＣＯ２を処理膜に吸着させた後に処理膜を加熱することによりＣＯ２をＣＯに還元することが可能である。従って、容易にＣＯ２を還元することができるため、ＣＯ２を出発原料とした反応工程を実現することが可能となる。従って、ＣＯ２を有効に利用することができる。
【００５２】
また、本実施形態に係る処理板１の処理膜は基板の上に形成されている。このため、処理板の取り回しを容易にすることができる。さらに基板を介して別の部材と結合させることができる。その上、例えば、不純物がドープされ導電性を有する基板であるとき、基板に印加する電圧を制御することにより処理膜の温度を容易に制御することが可能である。処理膜の温度制御により、処理膜におけるＣＯ２の吸着又は還元（脱離）を容易に制御することができる。また、例えば、黒みを帯びた色の基板等、光の透過率が低い基板であるとき、基板に太陽光が照射されると５０℃程度まで基板の温度が上昇することが考えられる。これによれば、人為的にエネルギーを注入することなく、処理板においてＣＯ２の吸着、還元（脱離）が行われる。そのため、処理板を用いて植物が夜間に吐き出したＣＯ２を吸着して蓄え、昼間に処理板からＣＯ２を脱離させて光合成の原料として用いることができる。
【符号の説明】
【００５３】
１…処理板、２…基板、３…処理膜、５…処理装置、１０…製造装置、１１，２１…チャンバ、１２…ターゲット、１３…窓、１４…排気装置、１５…レーザ光源、１６、２５…加熱装置、１７…ランプ光源、１８…ガス導入装置、Ｇ１〜Ｇ８…グラフ、Ｌ…レーザ光。
【図１】
2014005158.tif 000003
【図２】
2014005158.tif 000004
【図３】
2014005158.tif 000005
【図４】
2014005158.tif 000006
【図６】
2014005158.tif 000007
【図５】
2014005158.tif 000008
【手続補正書】
【提出日】平成25年2月13日(2013.2.13)
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザアブレーション法により酸化マグネシウムの焼結体又は単結晶をターゲットとして用いて酸化マグネシウム薄膜を基板上に堆積する方法において、
（１１１）面を主面とするチタン酸ストロンチウムまたは（１１１）面を主面とするイットリア安定化ジルコニアからなる基板を用い、前記基板の前記主面上に膜を直接堆積しエピタキシャル成長させることによって（１１１）面を表面とする酸化マグネシウムからなる平坦な処理膜を作成し、
前記レーザアブレーション法におけるレーザエネルギー量は、５０ｍＪ以上であり、
前記処理膜は、膜厚が５０ｎｍを超えない膜であって、酸化マグネシウム（１１１）面の二乗平均平方根粗さＲｑが０．５ｎｍを超えない膜である酸化マグネシウム薄膜の作成方法。
【請求項２】
前記処理膜は、膜厚が５〜２０ｎｍの膜である請求項１に記載の酸化マグネシウム薄膜の作成方法。
【請求項３】
前記処理膜の成膜時の基板温度は、６００〜６５０℃である請求項１又は２に記載の酸化マグネシウム薄膜の作成方法。
【請求項４】
前記処理膜の成膜時の酸素分圧は、０．５×１０−３〜２．０×１０−３Ｐａである請求項１〜３の何れか一項に記載の酸化マグネシウム薄膜の作成方法。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００８】
本発明の一側面に係る酸化マグネシウム薄膜の作成方法は、レーザアブレーション法により酸化マグネシウム焼結体又は単結晶をターゲットとして用いて酸化マグネシウム薄膜を基板上に堆積する方法である。この方法では、基板上に酸化マグネシウムからなる処理膜を作成する。基板は、（１１１）面を主面とするチタン酸ストロンチウムまたは（１１１）面を主面とするイットリア安定化ジルコニアからなる。該基板の主面上に膜を直接堆積しエピタキシャル成長させることによって、（１１１）面を表面とする酸化マグネシウムからなる平坦な処理膜を作成する。処理膜は、膜厚が５０ｎｍを超えない膜であって、酸化マグネシウム（１１１）面の二乗平均平方根粗さＲｑが０．５ｎｍを超えない膜である。レーザアブレーション法におけるレーザエネルギー量は、５０ｍＪ以上である。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００９】
この作成方法では、チタン酸ストロンチウム（１１１）またはイットリア安定化ジルコニア（１１１）からなる基板の（１１１）面上に、（１１１）面を表面とする酸化マグネシウムが直接形成されている。すなわち、チタン酸ストロンチウム（１１１）またはイットリア安定化ジルコニア（１１１）からなる基板の（１１１）面をＭｇＯの成長基板として採用し、レーザアブレーション法により堆積させてエピタキシャル成長させることで、平坦なＭｇＯの（１１１）面を得ることができる。処理膜の膜厚が５０ｎｍを超えない範囲とすることで、酸化マグネシウム（１１１）面の二乗平均平方根粗さＲｑが０．５ｎｍを超えない範囲の平坦さを実現することができる。そして、成膜時のエネルギーを従来手法に比べて大きくすることで、ＭｇＯ（１１１）面を形成することができる。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１１】
また、処理膜の成膜時の基板温度は、６００〜６５０℃であってもよい。さらに、処理膜の成膜時の酸素分圧は、０．５×１０−３〜２．０×１０−３Ｐａであってもよい。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１２
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１３
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１４
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１５
【補正方法】削除
【補正の内容】