(57)【要約】【課題】  酸化物結晶の表面を好適に平坦化することが可能な酸化物結晶の処理方法、及び酸化物結晶を提供する。【解決手段】  遷移金属酸化物結晶（例えばＳｒＴｉＯ３結晶）に対し、その表面を構成している所定の結晶面（例えばペロブスカイト型の結晶構造における（１１０）面）を処理対象とする。そして、第１温度及び第１酸素量の処理条件下で第１段階の熱処理を行って、結晶表面を原子レベルで平坦化し、さらに、第１温度よりも低い第２温度及び第１酸素量よりも多い第２酸素量の処理条件下で第２段階の熱処理を行って、結晶表面を平坦化されたままの状態に保ちつつ、第１段階の熱処理で発生した結晶中の酸素欠損を埋めて、結晶の絶縁性を回復させる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の結晶面を表面とする遷移金属酸化物結晶に対し、第１温度及び第１酸素量の処理条件下で前記結晶面を平坦化するための熱処理を行う第１熱処理ステップと、
前記第１熱処理ステップを経た前記遷移金属酸化物結晶に対し、前記第１温度よりも低い第２温度及び前記第１酸素量よりも多い第２酸素量の処理条件下で熱処理を行う第２熱処理ステップと
を備えることを特徴とする酸化物結晶の処理方法。
【請求項２】
前記遷移金属酸化物結晶は、ペロブスカイト型の結晶構造を有することを特徴とする請求項１記載の酸化物結晶の処理方法。
【請求項３】
前記遷移金属酸化物結晶は、ＳｒＴｉＯ３結晶であることを特徴とする請求項２記載の酸化物結晶の処理方法。
【請求項４】
前記所定の結晶面は、ペロブスカイト型の結晶構造における（１１０）面であることを特徴とする請求項２または３記載の酸化物結晶の処理方法。
【請求項５】
遷移金属酸化物結晶であって、請求項１〜４のいずれか一項記載の酸化物結晶の処理方法によって処理され、原子レベルで平坦化された結晶面を表面とするとともに、シート抵抗が２４ＭΩ／ｓｑ以上となる絶縁性を有することを特徴とする酸化物結晶。
【請求項６】
ペロブスカイト型の結晶構造を有する遷移金属酸化物結晶であって、原子レベルで平坦化された（１１０）面を表面とするとともに、シート抵抗が２４ＭΩ／ｓｑ以上となる絶縁性を有することを特徴とする酸化物結晶。
【請求項７】
前記遷移金属酸化物結晶は、ＳｒＴｉＯ３結晶であることを特徴とする請求項６記載の酸化物結晶。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＳｒＴｉＯ３結晶などの酸化物結晶の表面を平坦化するための酸化物結晶の処理方法、及び酸化物結晶に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
遷移金属酸化物結晶であるＳｒＴｉＯ３（チタン酸ストロンチウム）結晶は、ペロブスカイト型の酸化物結晶の薄膜を作成するための基板として広く用いられている。ＳｒＴｉＯ３結晶は、［１００］方向にＳｒＯ層及びＴｉＯ２層が交互に積層されたペロブスカイト型の結晶構造を有している。ここで、このような結晶を基板として酸化物薄膜を作成する場合、得られる酸化物薄膜の品質を高くする上で、基板の平坦性が重要となる。酸化物結晶の表面を平坦化する方法としては、特許文献１、非特許文献１に記載された処理方法が知られている。
【特許文献１】特開平７−２６７８００号公報
【非特許文献１】M. Kawasaki et al., "Atomic Control of the SrTiO3 Crystal Surface", Science Vol.266 pp.1540-1542 (1994)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上記文献に記載された処理方法では、ＳｒＴｉＯ３結晶の（１００）面に対し、ＳｒＯ層とＴｉＯ２層との化学的性質の違いを利用した選択的エッチングによって結晶の表面の平坦化処理を行っている。すなわち、上記文献では、ｐＨを調整した緩衝フッ酸溶液を用いたエッチングによりＳｒＯ層を選択的に除去しＴｉＯ２層を残すことで、原子レベルで平坦かつ良好な絶縁性を有するＳｒＴｉＯ３（１００）基板を作成している。
【０００４】
しかしながら、このような処理方法は、選択的エッチングを利用しているため、上記したＳｒＴｉＯ３結晶ではＳｉＯ層及びＴｒＯ２層の積層方向に対応する（１００）面に適用が限定されるなど、適用可能な結晶面に制限があるという問題がある。例えば、ＳｒＴｉＯ３結晶の（１１０）面については、原子レベルで平坦な表面を作成可能な処理方法は知られていない。
【０００５】
本発明は、以上の問題点を解決するためになされたものであり、酸化物結晶の表面を好適に平坦化することが可能な酸化物結晶の処理方法、及び酸化物結晶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】
このような目的を達成するために、本発明による酸化物結晶の処理方法は、（１）所定の結晶面を表面とする遷移金属酸化物結晶に対し、第１温度及び第１酸素量の処理条件下で結晶面を平坦化するための熱処理を行う第１熱処理ステップと、（２）第１熱処理ステップを経た遷移金属酸化物結晶に対し、第１温度よりも低い第２温度及び第１酸素量よりも多い第２酸素量の処理条件下で熱処理を行う第２熱処理ステップとを備えることを特徴とする。
【０００７】
上記した酸化物結晶の処理方法においては、結晶の表面を平坦化するための第１段階の熱処理の後に、その熱処理よりも低い温度、かつ多い酸素量に処理条件を設定して第２段階の熱処理を行っている。このとき、第１段階の熱処理では、高温でのアニールにより酸化物結晶の表面が原子レベルで平坦化されるが、一方で酸素欠損が発生することによって結晶の絶縁性が低下する。
【０００８】
これに対して、第２段階の熱処理では、アニールを低温で行うことにより、結晶の表面は平坦化されたままの状態で保たれる。また、結晶の表面での酸素量を多くしてアニールを行うことにより、第１段階の熱処理で発生した結晶中の酸素欠損が埋められて、結晶の絶縁性が回復する。したがって、このような２段階の熱処理を行うことにより、酸化物結晶の絶縁性を保持しつつ、その表面を原子レベルで好適に平坦化することが可能となる。
【０００９】
また、本発明による酸化物結晶は、遷移金属酸化物結晶であって、上記した酸化物結晶の処理方法によって処理され、原子レベルで平坦化された結晶面を表面とするとともに、シート抵抗が２４ＭΩ／ｓｑ以上となる絶縁性を有することを特徴とする。
【００１０】
このように、上記した酸化物結晶の処理方法によって処理された酸化物結晶によれば、原子レベルで平坦な表面を有し、かつシート抵抗が充分に高く良好な絶縁性を有する酸化物結晶が得られる。このような結晶は、上述したように、酸化物結晶の薄膜を作成するための基板などの用途に非常に有効である。なお、結晶面が原子レベルで平坦、とは、結晶面が完全に平坦な場合のみに限らず、原子レベルで見た場合に結晶の表面が微小に傾いており、表面に原子層に相当するステップ構造が形成されている場合も含む概念である。また、シート抵抗の下限値とした２４ＭΩは、市販の抵抗測定器において計測範囲の上限として多く設定されている値である。
【００１１】
酸化物結晶及びその処理方法においては、遷移金属酸化物結晶は、ペロブスカイト型の結晶構造を有することが好ましい。上記した処理方法は、このような結晶構造の酸化物結晶に対して、特に有効である。さらに具体的には、遷移金属酸化物結晶は、ＳｒＴｉＯ３結晶であることとしても良い。ＳｒＴｉＯ３結晶は、ペロブスカイト型の酸化物結晶の薄膜を作成するための基板として広く用いられているものである。
【００１２】
なお、ここでいうペロブスカイト型の結晶構造を有する酸化物結晶には、広い意味でのペロブスカイト型の結晶構造として歪みを有するものをも含んでいる。また、歪みを有するペロブスカイト型の結晶構造での結晶面については、歪みのないペロブスカイト型の結晶構造としたときの結晶面を対応付けることとする。
【００１３】
また、平坦化処理の対象となる酸化物結晶の所定の結晶面は、ペロブスカイト型の結晶構造における（１１０）面であることが好ましい。ＳｒＴｉＯ３結晶などのペロブスカイト型の酸化物結晶での（１１０）面は、（１００）面に関して上述した選択的エッチングの手法が適用できない結晶面であり、上記した２段階の熱処理を行う処理方法によって、初めて平坦化処理が可能となる面である。
【００１４】
また、本発明による酸化物結晶は、ペロブスカイト型の結晶構造を有する遷移金属酸化物結晶であって、原子レベルで平坦化された（１１０）面を表面とするとともに、シート抵抗が２４ＭΩ／ｓｑ以上となる絶縁性を有することを特徴とする。
【００１５】
このような構成の酸化物結晶によれば、原子レベルで平坦な表面を有し、かつシート抵抗が充分に高く良好な絶縁性を有するとともに、原子レベルで平坦な表面を作成可能な処理方法が従来確立されていなかった（１１０）面を表面とするペロブスカイト型の酸化物結晶が得られる。さらに具体的には、遷移金属酸化物結晶は、ＳｒＴｉＯ３結晶であることとしても良い。
【発明の効果】
【００１６】
本発明による酸化物結晶の処理方法、及び酸化物結晶によれば、遷移金属酸化物結晶に対して、結晶の表面を平坦化する第１段階の熱処理の後に、その熱処理よりも低い温度、かつ多い酸素量に処理条件を設定して第２段階の熱処理を行うことにより、結晶の絶縁性を保持しつつその表面を原子レベルで好適に平坦化することが可能となる。また、このような処理方法を用いれば、原子レベルで平坦化された（１１０）面を表面とするとともに良好な絶縁性を有するペロブスカイト型の遷移金属酸化物結晶を得ることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、図面とともに本発明による酸化物結晶の処理方法及び酸化物結晶の好適な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。
【００１８】
まず、ペロブスカイト型の遷移金属酸化物結晶であるＳｒＴｉＯ３（チタン酸ストロンチウム）結晶を例として、本発明による処理方法を用いた表面の平坦化処理での処理対象となる酸化物結晶の構造、及び本発明による酸化物結晶の処理方法について説明する。
【００１９】
図１は、ＳｒＴｉＯ３結晶の構造を模式的に示す図である。ここでは、ペロブスカイト型の結晶構造における（１１０）面を表面とするＳｒＴｉＯ３結晶を用いたＳｒＴｉＯ３（１１０）基板を示している。また、その一部を拡大し、［１１０］方向についての結晶構造を併せて示している。
【００２０】
図１においては、ＳｒＴｉＯ３結晶の結晶構造を［１１０］方向での積層構造によって示している。具体的には、第１層Ｌ１、第２層Ｌ２、及び第３層Ｌ３の３つの層の積層構造を示している。第１層Ｌ１は、ＳｒＴｉＯ層であり、［１００］方向での積層構造におけるＳｒＯ層の部分とＴｉＯ２層の部分との両方が存在する層である。一方、第２層Ｌ２は、Ｏのみが存在するＯ２層である。以後、ＳｒＴｉＯ層である第３層Ｌ３を示したように、ＳｒＴｉＯ層及びＯ２層が交互に積層されることによって、［１１０］方向についての積層構造が構成されている。
【００２１】
このようなＳｒＴｉＯ３結晶での（１１０）面は、ＳｒＯ層の部分とＴｉＯ２層の部分との両方が存在しているため、（１００）面に関して上述した選択的エッチングの手法が適用できない結晶面となっている。本発明による酸化物結晶の処理方法は、このような結晶面についての平坦化処理を可能とするものである。
【００２２】
本発明による酸化物結晶の処理方法では、所定の結晶面（例えばペロブスカイト型の結晶構造における（１１０）面）を表面とする遷移金属酸化物結晶（例えば図１に例示したＳｒＴｉＯ３結晶）を処理対象とする。そして、遷移金属酸化物結晶に対し、２段階の熱処理を行うことによって、その表面の平坦化処理を行う。これらの熱処理は、酸化物結晶を真空槽内に設置した状態で行われる。
【００２３】
まず、第１段階の熱処理では、処理対象となっている酸化物結晶の結晶面を平坦化することが可能な温度（第１温度）、及び酸素量（第１酸素量）を設定し、その処理条件下で所定時間にわたってアニールを行う（第１熱処理ステップ）。この段階では、充分に高い温度でのアニールにより、酸化物結晶の表面を構成している結晶面が原子レベルで平坦化される。ただし、酸化物結晶中において、このアニールの際に、ある程度の酸素欠損が発生する。この酸素欠損により、結晶中でキャリアとしての電子の発生が引き起こされ、酸化物結晶は金属的な導電性を示すようになる。
【００２４】
ここで、第１段階でのアニール条件のうち、上記した第１温度については、処理対象となっている酸化物結晶の結晶面の状態が変化して、その結晶面を平坦化することが可能な温度に設定することが好ましい。また、第１酸素量については、アニールの際に酸化物結晶中に発生する酸素欠損の量を考慮して、過度の酸素欠損が発生しないように微量で適当な酸素量に設定することが好ましい。また、処理時間については、設定されたアニール条件下で結晶面の平坦化処理を行うために充分な時間に設定することが好ましい。
【００２５】
次に、第２段階の熱処理では、第１熱処理ステップを経た酸化物結晶に対し、第１温度よりも低い温度（第２温度）、及び第１酸素量よりも多い酸素量（第２酸素量）を設定し、その処理条件下で所定時間にわたってアニールを行う（第２熱処理ステップ）。この段階では、アニールを第１段階に比べて低温で行うことにより、結晶の表面を平坦化されたままの状態で保つことができる。また、結晶の表面での酸素量を多くしてアニールを行うことにより、第１段階の熱処理で発生した結晶の酸素欠損が埋められる。これにより、酸化物結晶の絶縁性が回復する。
【００２６】
ここで、第２段階でのアニール条件のうち、上記した第２温度については、処理対象となっている酸化物結晶の結晶面の状態がほぼ変化を起こさずに、平坦化された結晶面の状態が充分に保たれる温度に設定することが好ましい。また、第２酸素量については、アニールによって酸化物結晶の絶縁性を充分に回復させることが可能な酸素量に設定することが好ましい。
【００２７】
以上のように、２段階の熱処理を行う酸化物結晶の処理方法によれば、酸化物結晶の絶縁性を保持しつつ、その表面を構成する結晶面が原子レベルで好適に平坦化された遷移金属酸化物結晶が得られる。このような酸化物結晶の特性は、酸化物結晶の薄膜を作成するための基板等として応用する上で、非常に有効である。
【００２８】
例えば、図１に例示したＳｒＴｉＯ３基板をペロブスカイト型の酸化物結晶の薄膜作成に適用する場合、その表面の原子レベルでの平坦性は、例えば基板上に薄膜超構造を作成する際に再現性のある良質な界面を実現するために必須となる。また、結晶の絶縁性は、例えば基板上に薄膜デバイスを作成する際に必須となる。また、科学的な目的で基板上に２次元電子系を作成する場合にも、結晶の絶縁性が重要となる。
【００２９】
なお、酸化物結晶において、その結晶面が原子レベルで平坦、とは、結晶面が完全に平坦な場合のみに限らない。すなわち、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が微小に傾いているのが通常である。この場合、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るが、このような場合も、結晶面が原子レベルで平坦である場合に含む。また、酸化物結晶の絶縁性については、そのシート抵抗が２４ＭΩ／ｓｑ以上となる充分な絶縁性を有することが好ましい。シート抵抗の下限値とした２４ＭΩは、市販の抵抗測定器において計測範囲の上限として多く設定されている値である。
【００３０】
上記した処理方法は、遷移金属酸化物結晶の所定の結晶面に対して一般に適用可能である。ただし、第２段階のアニールで結晶中の酸素欠損を充分に埋めるため、処理対象となる遷移金属酸化物が一定の還元性を有していることが好ましい。また、この処理方法は、特に、ペロブスカイト型の結晶構造を有する遷移金属酸化物結晶に対して有効である。
【００３１】
そのような酸化物結晶としては、図１に例示したＳｒＴｉＯ３結晶があげられる。ＳｒＴｉＯ３結晶は、ペロブスカイト型の酸化物結晶の薄膜を作成するための基板として広く用いられているものであり、充分な平坦性及び絶縁性を有するＳｒＴｉＯ３基板は、その応用面においても重要である。また、ＳｒＴｉＯ３結晶以外の酸化物結晶としては、例えば、（ＬａｘＳｒ１−ｘ）（ＡｌｘＴａ１−ｘ）Ｏ３（通称ＬＳＡＴ）、ＬａＡｌＯ３、ＮｄＧａＯ３などの結晶がある。
【００３２】
また、平坦化処理の対象となる酸化物結晶の結晶面については、ペロブスカイト型の結晶構造における（１１０）面であることが好ましい。ＳｒＴｉＯ３結晶などのペロブスカイト型の酸化物結晶での（１１０）面は、選択的エッチングの手法が適用できない結晶面であり、上記した２段階の熱処理を行う処理方法によって、初めて平坦化処理が可能となる面である。特に、上記した処理方法を適用すれば、ペロブスカイト型の結晶構造を有する遷移金属酸化物結晶であって、原子レベルで平坦化された（１１０）面を表面とするとともに、シート抵抗が２４ＭΩ／ｓｑ以上となる絶縁性を有する酸化物結晶（例えばＳｒＴｉＯ３結晶）を実現することが可能である。
【００３３】
ただし、上記した酸化物結晶の処理方法は、選択的エッチングの手法が適用可能な結晶面、例えばペロブスカイト型の結晶構造における（１００）面に対しても同様に適用可能である。また、ここでいうペロブスカイト型の結晶構造を有する酸化物結晶には、広い意味でのペロブスカイト型の結晶構造として歪みを有するものをも含んでいる。また、歪みを有するペロブスカイト型の結晶構造での結晶面については、歪みのないペロブスカイト型の結晶構造としたときの結晶面を対応付けることとする。
【００３４】
ここで、ペロブスカイト型の酸化物結晶では、各原子層の電荷に注目すると、その積層構造が［１００］方向と［１１０］方向とでは大きく異なる。このため、（１１０）面を表面とする酸化物結晶を基板として薄膜作成等に適用することにより、全く新しい機能性を示す薄膜が得られることが期待される。特に、Ａ３＋Ｂ３＋Ｏ２−３型、Ａ２＋Ｂ４＋Ｏ２−３型のペロブスカイト酸化物結晶の界面を作成することを考える。このとき、［１００］方向に成長させた場合、Ａ３＋Ｂ３＋Ｏ２−３型では各層は（ＢＯ２）−、（ＡＯ）＋のように電気的中性からずれているのに対し、Ａ２＋Ｂ４＋Ｏ２−３型ではＢＯ２層、ＡＯ層がいずれも電気的に中性である。このため、結晶の界面において分極の不連続性が発生し、その分、界面は不安定になる。
【００３５】
これに対して、［１１０］方向に成長させた場合、Ａ３＋Ｂ３＋Ｏ２−３型及びＡ２＋Ｂ４＋Ｏ２−３型のいずれにおいても各層の電荷は（ＡＢＯ）４＋、（Ｏ２）４−と同じである。したがって、この場合、結晶の界面における分極の不連続性は発生しない。さらに、酸化物超伝導体を用いて超伝導デバイスを作成する場合、コヒーレンス長が大きい方の方位と結晶成長の方位とを一致させることができる可能性があり、超伝導デバイスの性能向上に寄与できると予想される。
【００３６】
図２は、上記した処理方法による酸化物結晶の表面の平坦化処理に用いられる処理装置の一例を模式的に示す構成図である。この酸化物結晶の処理装置１は、真空槽１０と、結晶加熱機構２０と、酸素供給ノズル３０とを備えている。真空槽１０内は、真空ポンプによって所定の真空度に保たれる。処理対象となる遷移金属酸化物結晶１５は、この真空槽１０内の所定位置に配置される。また、真空槽１０内に配置された酸化物結晶１５に対して、結晶１５を所定の温度まで加熱してアニールを行うための加熱機構２０が設けられている。加熱機構２０としては、具体的には例えばランプヒータを用いることができる。
【００３７】
さらに、酸化物結晶１５に対して、加熱機構２０に加えて、酸素供給ノズル３０が設けられている。このノズル３０は、配管３６及びバリアブルリークバルブ３７を介して酸素ボンベ３５に接続されている。このような構成により、処理対象となる結晶１５の表面に対し、ノズル３０によって酸素が供給される。この場合、酸化物結晶１５とノズル３０との距離は、例えば１０〜１５ｃｍ程度に設定することが好ましい。
【００３８】
また、真空槽１０内の所定位置には、真空計４０が設置されている。この真空計４０により、真空槽１０内の真空度、あるいはノズル３０によって結晶１５に供給されている酸素量などがモニタされる。
【００３９】
図２に示した構成では、２段階の熱処理のそれぞれでの第１、第２温度は、加熱機構２０による酸化物結晶１５に対する加熱条件によって制御することができる。また、２段階の熱処理のそれぞれでの第１、第２酸素量は、ノズル３０による酸化物結晶１５に対する酸素供給量によって制御することができる。また、このようにノズル３０を用いて結晶１５に酸素を供給する構成では、真空槽１０の外壁への酸素吸着を最小限に抑制することが可能である。
【００４０】
次に、上記した処理方法を用いた酸化物結晶の平坦化処理の具体的な実施例について説明する。本実施例では、酸化物結晶としてＳｒＴｉＯ３結晶を用い、その（１１０）面を処理対象の結晶面として、２段階の熱処理による平坦化処理を行った。平坦化処理に用いた処理装置の概略構成は、図２に示した通りである。
【００４１】
まず、ＳｒＴｉＯ３結晶に対する第１段階の熱処理として、アニール温度（第１温度）を１０００℃、アニール時間を１時間に固定し、真空槽１０内での酸素分圧（第１酸素量に対応）を変えてアニールを行った。なお、図２に示すように、真空槽１０内において、ノズル３０によって結晶１５に酸素が供給されるのに対して、真空計（イオンゲージ）４０は結晶１５から離れた位置に設置されている。したがって、以下に示す酸素分圧の絶対値は、結晶１５の表面における酸素分圧とは異なる値となっている。ただし、その酸素分圧の相対的な変化については、結晶１５の表面における酸素分圧の変化に対応するものとなっている。
【００４２】
図３は、第１段階の熱処理後での酸化物結晶の表面の状態を示す図である。ここでは、原子間力顕微鏡によって観察した結晶の表面像を示している。また、図３に示す３つの表面像（ａ）〜（ｃ）のうち、（ａ）は酸素分圧６．６×１０−３Ｐａ（５×１０−５Ｔｏｒｒ、１Ｔｏｒｒ＝１３３Ｐａ）でアニールを行ったときの表面像、（ｂ）は酸素分圧６．６×１０−４Ｐａ（５×１０−６Ｔｏｒｒ）での表面像、（ｃ）は酸素分圧６．６×１０−５Ｐａ（５×１０−７Ｔｏｒｒ）での表面像をそれぞれ示している。
【００４３】
図３において、酸素分圧６．６×１０−３Ｐａとやや高い酸素分圧でアニールを行った表面像（ａ）では、結晶表面に島状模様が多く残っており、充分な平坦性は得られていない。一方、酸素分圧６．６×１０−４Ｐａ、６．６×１０−５Ｐａでアニールを行った表面像（ｂ）、（ｃ）では、いずれも充分に平坦な表面が得られていることがわかる。
【００４４】
図４は、第１段階の熱処理後での酸化物結晶の表面の垂直方向についてのプロファイルを示すグラフである。このグラフにおいて、横軸は結晶表面に沿った水平方向の位置（ｎｍ）を示し、縦軸は各位置での結晶表面の高さ（ｎｍ、垂直方向の位置）を示している。また、ここでは、ＳｒＴｉＯ３結晶に対して酸素分圧６．６×１０−５Ｐａでアニールを行った場合（図３の表面像（ｃ）に対応）のプロファイルを示している。
【００４５】
このプロファイルでは、結晶表面が（１１０）面の方向から微小な角度で傾いていることによるステップ構造が見られる以外は、原子レベルで完全に平坦な結晶面が実現していることがわかる。また、表面のステップ構造については、その段差高さは約０．２７ｎｍとなっている。これは、ＳｒＴｉＯ３結晶での単位格子分の高さ（約０．２８ｎｍ、図１に示す原子層Ｌ１−Ｌ３間の距離）と良く一致している。
【００４６】
図５は、第１段階の熱処理後での酸化物結晶の絶縁特性について示すグラフである。このグラフにおいて、横軸は絶縁特性を測定した際の温度（Ｋ）を示し、縦軸は測定されたＳｒＴｉＯ３結晶のシート抵抗（Ω／ｓｑ）を示している。また、図５に示す４つのグラフＡ１〜Ａ４のうち、Ａ１は酸素分圧６．６×１０−５Ｐａ（５×１０−７Ｔｏｒｒ）でアニールを行った結晶の絶縁特性、Ａ２は酸素分圧６．６×１０−４Ｐａ（５×１０−６Ｔｏｒｒ）での絶縁特性、Ａ３は酸素分圧１．３×１０−４Ｐａ（１×１０−６Ｔｏｒｒ）での絶縁特性、Ａ４は酸素分圧１．３×１０−３Ｐａ（１×１０−５Ｔｏｒｒ）での絶縁特性をそれぞれ示している。これらのグラフＡ１〜Ａ４に示すように、高温でアニールを行う第１段階の熱処理後では、結晶中に発生した酸素欠損のため、ＳｒＴｉＯ３結晶は金属的な導電性を示している。
【００４７】
続いて、第１段階の熱処理で表面が平坦化されたＳｒＴｉＯ３結晶に対し、真空槽１０内の酸素分圧を上げた上で低温にてアニールし、表面の平坦性を保ちながら結晶中の酸素欠損を埋めることを試みた。具体的には、第２段階の熱処理として、アニール温度（第２温度）を第１段階よりも低い５５０℃、酸素分圧（第２酸素量に対応）を第１段階よりも多い１．３×１０−２Ｐａ（１×１０−４Ｔｏｒｒ）に固定し、アニール時間を１０分から少しずつ長くしていった。このとき、１０分のアニールでは結晶はまだ金属的な導電性を示したが、３０分のアニールを行うことにより、その絶縁性を回復した。
【００４８】
図６は、第２段階の熱処理後での酸化物結晶の表面の状態を示す図である。ここでは、原子間力顕微鏡によって観察した結晶の表面像を示している。また、図７は、第２段階の熱処理後での酸化物結晶の表面の垂直方向についてのプロファイルを示すグラフである。これらの表面像及びプロファイルに示すように、この第２段階の熱処理では、アニール温度を充分に低く設定することにより、第１段階の熱処理で得られた表面の平坦性が好適に保持されていることがわかる。
【００４９】
次に、上記した処理方法によって得られたＳｒＴｉＯ３（１１０）基板での絶縁性の平坦表面を用いて薄膜成長を行った例について説明する。この例では、ＳｒＴｉＯ３基板の（１１０）面上にＳｒＴｉＯ３の薄膜をホモエピタキシー成長させるとともに、薄膜を成長している間での反射高速電子線回折（ＲＨＥＥＤ：Reflection High-Energy Electron Diffraction）の時間的な振動を測定した。
【００５０】
図８は、ＳｒＴｉＯ３（１１０）基板上にＳｒＴｉＯ３を成長させたときのＲＨＥＥＤ振動を示すグラフである。このグラフにおいて、横軸は薄膜成長時の経過時間（ｓｅｃ）を示し、縦軸は測定されたＲＨＥＥＤ強度（ａ．ｕ．）を示している。
【００５１】
このグラフでは、基板上でのＳｒＴｉＯ３の結晶成長が原子層レベルで一層ずつ実現されていることを表すＲＨＥＥＤ強度の振動が明確に観測されている。これは、上記した処理方法によって得られたＳｒＴｉＯ３基板の表面を構成する（１１０）面が充分な平坦性を有し、原子層スケールの精度で薄膜デバイスを作成するための基板として好適に適用可能であることを示すものである。
【００５２】
本発明による酸化物結晶の処理方法、及び酸化物結晶は、上記した実施形態及び実施例に限られるものではなく、様々な変形が可能である。例えば、結晶表面の平坦化処理に用いられる処理装置については、図２に示した構成の処理装置１に限らず、所定の処理条件での２段階の熱処理を実行可能なものであれば、様々な構成を用いて良い。例えば、酸化物結晶に対する酸素の供給については、ノズル以外の供給機構によって真空槽内に供給する構成とし、真空槽内全体での酸素分圧によって酸素量を制御する構成としても良い。
【産業上の利用可能性】
【００５３】
本発明は、酸化物結晶の表面を好適に平坦化することが可能な酸化物結晶の処理方法、及び酸化物結晶として利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】ＳｒＴｉＯ３結晶の構造を模式的に示す図である。
【図２】酸化物結晶の表面の平坦化処理に用いられる処理装置の一例を模式的に示す構成図である。
【図３】第１段階の熱処理後での酸化物結晶の表面の状態を示す図である。
【図４】第１段階の熱処理後での酸化物結晶の表面の垂直方向についてのプロファイルを示すグラフである。
【図５】第１段階の熱処理後での酸化物結晶の絶縁特性について示すグラフである。
【図６】第２段階の熱処理後での酸化物結晶の表面の状態を示す図である。
【図７】第２段階の熱処理後での酸化物結晶の表面の垂直方向についてのプロファイルを示すグラフである。
【図８】２段階の熱処理を行って得られたＳｒＴｉＯ３（１１０）基板上にＳｒＴｉＯ３を成長させたときのＲＨＥＥＤ振動を示すグラフである。
【符号の説明】
【００５５】
１…酸化物結晶の処理装置、１０…真空槽、１５…遷移金属酸化物結晶、２０…結晶加熱機構、３０…酸素供給ノズル、３５…酸素ボンベ、３６…配管、３７…バリアブルリークバルブ、４０…真空計。
【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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