(57)【要約】【課題】  薄膜作製における成長速度依存及び基板温度依存を効率良く調べるための薄膜製造方法及び薄膜成長装置を提供することである。【解決手段】  原料ガスを供給して基板上に薄膜を製造する方法であって、該基板表面における該原料ガスの供給速度に二次元的な分布を持たせて薄膜を成長させることを特徴とする薄膜製造方法及び薄膜成長装置。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
原料ガスを供給して基板上に薄膜を製造する方法であって、
該基板表面における該原料ガスの供給速度に二次元的な分布を持たせて薄膜を成長させることを特徴とする薄膜製造方法。
【請求項２】
前記基板の温度を分布させた請求項１に記載の薄膜製造方法。
【請求項３】
前記原料ガスの供給方向と前記薄膜が形成される基板表面のなす角度が、少なくとも一方向に変化するように前記基板を配置し、かつ、前記原料ガスの供給方向と垂直な面において、該面における該角度が変化していく方向と異なる方向に温度勾配をつけた請求項２に記載の薄膜製造方法。
【請求項４】
前記原料供給方向と前記基板表面のなす角度が、一定の割合で変化するような面で構成されている請求項３に記載の薄膜製造方法。
【請求項５】
前記温度勾配は、前記角度が変化していく方向と直角な方向に一定である請求項３又は４に記載の薄膜製造方法。
【請求項６】
前記角度の変化が連続的である請求項３〜５のいずれかに記載の薄膜製造方法。
【請求項７】
前記角度の変化が段階的である請求項３〜５のいずれかに記載の薄膜製造方法。
【請求項８】
請求項７に記載の薄膜製造方法において作製した薄膜を、前記原料ガスの供給方向と前記基板表面のなす角度と温度の組み合わせで決まる条件を関数として、異なる場所ごとに形成された前記薄膜の物性を評価することを特徴とする薄膜製造方法。
【請求項９】
原料ガスを供給して基板上に薄膜を形成する薄膜成長装置であって、
該基板表面に対する該原料ガスの供給速度を二次元的に分布させる機能を有することを特徴とする薄膜成長装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は主に気相成長による薄膜製造方法及び薄膜形成装置に係り、所望の物性値を有する薄膜を効率良く短時間で探索できるコンビトナリアル薄膜製造方法及び薄膜作製装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、薄膜の作製においても所望の物性値を有する薄膜を実現するための作製条件を、より効率良く実現するために、いわゆるコンビナトリアルケミストリーに代表される一括かつ網羅的な材料開発手法が薄膜作製にも導入されてきている。例えば、コンビナトリアル分子層エピタキシー装置（特許文献１）やコンビナトリアルデバイス作製装置（特許文献２）等があり、多次元系の化合物材料の薄膜やそれらを用いたデバイス作製において、コンビナトリアル的な手法が提案されている。
【特許文献１】特許第３０１８０００号公報
【特許文献２】特開２００２−３３２８３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
薄膜における作製条件において、成長速度及び基板温度は、薄膜の物性を大きく左右する条件であり、膜物性に与えるこれらのパラメータ依存を効率良く調べることは、直接高効率な材料設計につながる。
【０００４】
本発明の目的は、薄膜作製における成長速度依存及び基板温度依存を効率良く調べるための薄膜製造方法及び薄膜成長装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明に従って、原料ガスを供給して基板上に薄膜を製造する方法であって、該基板表面における該原料ガスの供給速度に二次元的な分布を持たせて薄膜を成長させることを特徴とする薄膜製造方法及び薄膜成長装置が提供される。
【発明の効果】
【０００６】
本発明により１回の薄膜成長で、成長速度依存及び基板温度依存を把握することができる。これは、供給律速条件から反応律速条件までを振ることにつながり、ダイナミックレンジの大きな作製条件検討が短時間で可能となり、非常に高効率に所望の特性を有する薄膜作製条件を把握できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
本発明の実施形態としては、原料供給方向と基板面のなす角度が、少なくとも一方向に連続的又は段階的に変化するような面で構成されており、かつ、原料供給方向と垂直な面において、該面における該角度が変化していく方向と直角な方向に温度勾配をつけられる機能を有した基板あるいは基板保持機構を有していることを特徴とする薄膜成長装置であり、該角度又は／かつ該温度勾配が一定の割合である該薄膜成長装置である。
【０００８】
また、原料供給方向と基板面のなす角度が、少なくとも一方向に連続的又は段階的に変化するような面で構成されており、かつ、原料供給方向と垂直な面において、該面における該角度が変化していく方向と直角な方向に温度勾配をつけられる機能を有した基板あるいは基板保持機構を用いて薄膜を成長することを特徴とする薄膜作製方法であり、該角度又は／かつ該温度勾配が一定の割合である該薄膜作製方法である。
【０００９】
更に、上記薄膜作製方法において作製した薄膜を、原料供給方向と基板面のなす角度と温度の組み合わせで決まる条件を関数として、異なる場所ごとに膜の物性を評価することを特徴とする薄膜作製方法である。
【００１０】
本発明による代表的な構成を図１に示す。気相原料の供給４の方向に対し、円柱を真横にしたような形状の基板あるいは基板保持機構１を設ける。原料供給４の方向と基板面のなす角度が垂直となる面において原料供給速度は最大となり、逆になす角度が０度に近づくにつれて原料供給速度は遅くなる。更に、円柱状基板の長手方向に温度分布を形成した時、長手方向に垂直な円周に沿う線上に見れば、ある基板温度における原料供給速度依存が作製されており、ある長手方向の線上で見れば、ある原料供給速度における基板温度依存が形成されている。
【００１１】
このようにわずか１回の薄膜作製で、原料供給依存と基板温度依存を２次元的な位置情報の関数として調べることができる。これは成長速度依存と基板温度依存を同時に調べることになり、原料供給フラックス量や基板温度範囲を最適化することにより、供給律速領域から反応律速領域に至るまでの広範な作製条件を一度に実現できることになる。
【００１２】
図１では、円柱を横にしたような形状の基板を示したが、本発明は、これに制限されることはない。すなわち、原料供給方向に対する基板及び基板保持機構１の形状は、必ずしも一定の割合で連続的に変化する必要はない。ただし、ある位置における原料供給方向と基板面のなす角度は既知でなければならない。例えば、図２、３に示すように、基板及び基板保持機構が多面で構成されていてもよいし（図２の５）、断面が楕円形状であってもよく、底が平らでなくてもよい（図３の６）。また、基板に対する原料ガスの供給量が二次元的に分布するように供給するのであれば、基板は平面状でもかまわない。
【００１３】
例えば、平板基板の一方向に温度勾配を形成しておき、基板上に温度勾配と直角方向に原料の供給量を制御するための遮蔽機構を設ける。この遮蔽時間を場所によって長くしたり短くしたりすることで、原料ガスの供給量と基板温度を２次元的に分布させることができる。より具体的には図８に示すように、平板基板の一方向に高温側（図８の２）と低温側（図８の３）を設け、基板上に原料供給を遮るように遮蔽板１２を位置させる。遮蔽板には開口部１３があってもよいし、なくてもよい。この遮蔽板を温度勾配の方向と直角方向に、場所によって速度を変化させ往復運動させることで、基板上に供給する単位時間当たりの原料供給量を変化させることができる。
【００１４】
基板加熱についても、図１では温度勾配は一定であるが、必ずしも一定である必要はない。ただし、後述するように、位置の関数として薄膜の物性値を評価することを考慮すると温度勾配は一定である方が好ましいが、要は所望の温度領域に合わせて温度分布を制御すればよい。
【００１５】
温度勾配を一定にする方法としては、例えば、基板及び基板保持機構１の両端に所望の温度範囲における高温側７と低温側８の熱源を設置する等の方法がある（図４）。あるいは、断続的に温度勾配があってもよく、図５に示すように温度の分布方向に分割した温度ゾーンがあるような構成でもよい。
【００１６】
原料供給方法としては、薄膜形成ができる手法であれば制限はない。一般的な薄膜作製方法である、抵抗加熱蒸着、電子ビーム蒸着、イオンプレーティング、スパッタ法及び化学気相成長法（ＣＶＤ）等が挙げられる。
【００１７】
このようにして作製した薄膜は、次に位置の関数として所望の物性値を評価し、最適な物性値を示す場所を明らかにしていく。具体的には成長速度と基板温度の関数として、物性を評価していき材料探索を行うことになる。物性値としては、所望のものでよいが、例えば、表面形態、表面粗さ、組成、結晶性、電気的特性（抵抗率／導電率や誘電率等）、磁気的特性、光学的特性（透過率、反射率、屈折率及びルミネセンス等）、機械的特性（粘弾性、応力、硬度）、表面エネルギー及び仕事関数等がある。具体的評価方法としては、電子線や光等によるマイクロプローブを用いた分析方法が適しており、例えば、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）、電子プローブマイクロアナライザー（ＥＰＭＡ）、各種走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）、Ｘ線電子分光（ＸＰＳ）、オージエ電子分光（ＡＥＳ）、赤外分光法（ＩＲ）及び接触角測定等が挙げられる。
【００１８】
このような薄膜作製及びその評価を行うことで、効率の良い材料探索が実現できる。
【００１９】
次に、本発明を用いた実施の例を述べる。
【実施例１】
【００２０】
透明導電膜であるＩＴＯの成長条件を次のようにして決定した。
【００２１】
まず、基板ホルダとしては図１に示されているような円柱を横にした形状のものを用いた。材料はステンレスを用いた。半径一定で、ここではＲ＝２０ｍｍとした。長手方向は５０ｍｍである。基板加熱は、この基板ホルダの両端に温度制御されたヒータを内蔵したステンレス製の熱源をこの基板ホルダの両側に接触させて温度勾配を形成した。
【００２２】
このような基板ホルダに形状的にぴったりと重なる厚さ２ｍｍの湾曲した透明ガラス基板（図６の１０）を用意し、これに重ねた。
【００２３】
成膜手法は電子ビーム蒸着法で、ターゲットはＩｎ２Ｏ３−ＳｎＯ２の焼結体とし、ＳｎＯ２が５％のものを用いた。電子銃の加速は８ｋＶで、ターゲットと基板頂点との距離は２５０ｍｍである。基板温度は高温側５００℃、低温側１００℃とし、図４の方法で温度勾配を形成した。蒸着前の真空度は約５×１０−４Ｐａで、約１５分間蒸着した。
【００２４】
成膜後、湾曲したガラス基板を取り出し、その成膜領域をスポット径０．５ｍｍで透過スペクトルを場所ごとに測定したところ、可視光域における透過率が最も高かったのは、基板温度約３００℃、原料供給方向と基板面の法線のなす角度をθとすると、θ＝６０°付近の膜であった。膜厚は約３００ｎｍであったので、約２０ｎｍ／ｍｉｎのレートで成膜されていた。
【００２５】
なお、基板温度が高い側では、透過率が低下していた。ＥＰＭＡによりθ＝０°の位置における組成を温度に沿って線分析したところ、高温側では低温側に比べ酸素濃度が減少していた。
【実施例２】
【００２６】
ＮａＣｌ（１００）上にＺｎＳｅの薄膜をＲＦ２極スパッタで形成した例を示す。
【００２７】
基板ホルダは図２に示すような多面で構成されたステンレス製のものを用いた。原料供給方向に対する基板ホルダ面の角度θは、θ＝０°、４５°、６０°、７０°、８０°及び８５°である。基板温度は高温側を３５０℃とし、低温側は２０℃とし、図４と同様な方法で温度勾配を形成した。ここでの低温側には、温度２０℃の水を循環させることで、温度が一定になるように制御された低温側熱源を用いた。
【００２８】
成膜はＲＦ２極のスパッタとし、図７に示すように基板ホルダの各位置にＮａＣｌ（１００）基板１１を複数配置した。原料供給方向と基板面の法線のなす角度θ＝０°で、基板温度〜１５０℃の時の成膜速度が約３００ｎｍ／ｈになるようにＺｎＳｅを形成した。
【００２９】
その後、各基板を取り出し、その中のいくつかの試料について、反射高エネルギー電子回折図形を測定したところ、表１のような結果が得られた。
【００３０】
【表１】
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【００３１】
この結果から傾向として、低温基板・高成膜速度、あるいは、高温基板・低成膜速度では多結晶構造であり、これ以外の領域で単結晶が形成されている。この結果は、低温・高成膜速度の領域では、基板表面への原料供給量が多い割には基板温度が低いため原料粒子の基板表面でのマイグレーションが少ないために結晶成長し難く、一方、高温・低成膜速度の領域では、基板表面への原料供給量が少ないため膜が凝集し、均一な結晶成長が困難であると考えられる。結晶性の良いＺｎＳｅ薄膜を作製するための最適な条件としては、基板温度が〜１５０℃で、成膜速度が１００ｎｍ／ｈ以下の条件であることが、わずか１回の成膜でわかった。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明による薄膜成長装置のひとつの構成を示す図である。
【図２】本発明による薄膜成長装置の別の構成を示す図である。
【図３】本発明による薄膜成長装置の更に別の構成を示す図である。
【図４】本発明による薄膜成長装置の温度勾配を形成するための構成を示す図である。
【図５】本発明による薄膜成長装置の別の温度勾配を形成するための構成を示す図である。
【図６】本発明による薄膜成長装置の成長速度依存及び基板温度依存を調べるためのひとつの構成を示す図である。
【図７】本発明による薄膜成長装置の成長速度依存及び基板温度依存を調べるための別の構成を示す図である。
【図８】本発明による薄膜成長装置の成長速度依存及び基板温度依存を調べるための別の構成を示す図である。
【符号の説明】
【００３３】
１  成長速度依存を調べるための基板あるいは基板保持機構
２  基板あるいは基板保持機構における高温側
３  基板あるいは基板保持機構における低温側
４  気相原料
５  別の成長速度依存を調べるための基板あるいは基板保持機構
６  更に別の成長速度依存を調べるための基板あるいは基板保持機構
７  高温側熱源
８  低温側熱源
９  独立熱源を有した成長速度依存を調べるための基板あるいは基板保持機構
１０  湾曲した透明ガラス基板
１１  ＮａＣｌ（１００）基板
１２  原料供給を遮蔽する遮蔽板
１３  遮蔽板に設けた開口部
【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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