(57)【要約】【課題】発熱体を構成している金属の蒸発を原因とする汚染を防ぐことで、大きな面積の酸化物薄膜をより高品質に形成できるようにする。【解決手段】複数の絶縁柱１５１により支持板１５２に屈曲されて配設された電熱線よりなる発熱体１０５を、大気中などの高い濃度で酸素を含む雰囲気で、１１００℃程度にまで通電加熱することで、発熱体１０５の表面に構成する金属の酸化被膜が形成された状態として用いる。発熱体１０５が、鉄とクロムとアルミニウムとの合金よりなる電熱線から構成されている場合、表面には酸化アルミニウムの被膜が形成される。【選択図】  図２
2007063618.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板を加熱した状態で前記基板の上に金属の酸化物の薄膜を形成する酸化物薄膜成長装置において、
前記酸化物の薄膜の形成時に圧力が０．１３３Ｐａ以下とされる成長室と、
前記成長室の内部に配置され、前記基板に前記金属を供給する材料供給源と、
前記基板に活性酸素を含む酸化ガスを供給する酸化ガス供給手段と、
供給される前記酸化ガスに暴露される状態で前記成長室の内部に配置されて前記基板を加熱するための発熱体と
を少なくとも備え、
前記発熱体は、屈曲して配設された電熱線から構成され、
前記発熱体は、酸素が存在する雰囲気で加熱することで、前記発熱体の表面に前記発熱体を構成する金属の酸化物からなる被膜を形成してから前記酸化物薄膜の形成に用いられる
ことを特徴とする酸化物薄膜成長装置。
【請求項２】
請求項１記載の酸化物薄膜成長装置において、
前記発熱体は、アルミニウムを含む合金から構成され、
前記発熱体の表面には、酸化アルミニウムの被膜が形成される
ことを特徴とする酸化物薄膜成長装置。
【請求項３】
請求項１記載の酸化物薄膜成長装置において、
前記発熱体は、ニッケルとクロムとを含む合金から構成され、
前記発熱体の表面には、酸化クロムの被膜が形成される
ことを特徴とする酸化物薄膜成長装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発熱体により基板を加熱しながら酸化物薄膜を成長する酸化物薄膜成長装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、酸化物薄膜は、電子デバイスの材料としてさまざまな分野で使用されている。例えば、超伝導酸化物薄膜は、マイクロ波フィルタをはじめとする電子デバイスの作製に用いられている（非特許文献１参照）。これらの電子デバイスの性能を向上させるために、大きな面積に均一な状態で形成された高品質な酸化物薄膜が望まれている。例えば、直径が２インチ以上のウエハに形成された均一な超伝導酸化物薄膜により、超伝導転移温度の上昇，表面抵抗の減少，臨界電流密度の増大などが得られれば、この薄膜を用いて製造されるデバイス性能の向上につながる。
【０００３】
酸化物薄膜の高品質化には、電子衝撃発光分光法，原子吸光分光法，及びイオン化測定法などの測定手法により、成長中の原料金属の組成比を正確に制御する酸化物薄膜成長装置を用いることが有効である（非特許文献２，３，４，５，６参照）。また、成長中の薄膜表面の観察を電子線回折法により行うことで、成長条件の制御を行うことで、高品質な酸化物薄膜を形成する技術もある（非特許文献７参照）。ただし、これらの測定装置は、高い真空度が要求され、薄膜成長を行う成長室内部の平均圧力は、０．１３３Ｐａ以下としておく必要がある。しかしながら、上述した測定技術を用いて成長を行うことで、より高い品質の酸化物薄膜が得られるようになる。
【０００４】
一方、大面積かつ均一な酸化物薄膜を成長するためには、基板加熱用の発熱体を大型化することも必須となる。また、酸化物薄膜の成長は、酸素を含む酸化雰囲気中で行う必要があるため、酸化に強い発熱体を用いる必要がある。酸化に強くかつ大型化の容易な発熱体として一般に用いられているのが、例えば、アルミニウムなどを成分に含む合金金属からなる発熱体である。これらの発熱体は、高い酸素分圧の下で用いられる場合では、加熱動作をしている発熱体の表面にアルミニウムなどの酸化物の被膜が形成され、皮膜が形成される以上の酸化を防ぐことが可能となる。
【０００５】
【非特許文献１】B.A.WiIlemsen,"HTS Filter Subsystems for Wireless Telecommunications",IEEE Trans. Appl. Sup., Vol.11, No.1, pp.60-67, (2001).
【非特許文献２】M.Naito, H.Sato,  and H.Yamamoto,"Oxygen Nonstoichiometry  of MBE-Grown Cuorate Films to Lose or Give High-Tc Superconductivity", In SuperGonducting and Related Oxides:Physics and Nanoengineering III, D.Pavuna and I.Bozovic,editors, Proceedings of SPlE, Vol.3481, pp214-225, (1998).
【非特許文献３】H.Sato, A.Tsukada, M.Naito, and A.Matsuda, "La2-xSrxCuOy epitaxial thin films (x=0 to 2): Structure, strain, and superconductivity", Phys. Rev. B, Vol.61, No.18, pp. 12447-12456, (2000).
【非特許文献４】H.Sato, A.Tsukada, M.Naito, and A.Matsuda,"Absence of 1/8 anomaly in strained thin films of La2-xBaxCuO4+δ", Phys.Rev.B, Vol.62, No.2, pp.R799-r802, (2000).
【非特許文献５】S.Karimoto and M.Naito, "Electron-doped infinite-layer thin films with Tc over 40K grown on DyScO3 substrates", Appl.Phys.Lett., Vol.84, No.12, pp.2136-2138, (2004).
【非特許文献６】J.Kurian, M.Naito, H.Sato, and K.Cho, "Large area RE-123 thin films for microwave application grown by molecular beam epitaxy", Physica C412-414, pp.1513-1517, (2004).
【非特許文献７】M.Naito, and H.Sato,"Stoichiometry control of atomic beam fluxes by pricipitated impurity phase detection in growth of (Pr,Ce)2CuO4 and (La,Sr)2CuO4 films", Appl. Phys. Lett., Vol.67, No.17, pp.2557-2559, (1995).
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところが、前述した測定装置を用いるために成長室内部の平均圧力を０．１３３Ｐａ以下とした酸化物薄膜成長装置に、上述した発熱体を用いると、発熱体の表面があまり酸化されることがない。このため、発熱体の表面には、酸化物の被膜が形成されない領域が発生し、発熱体を構成しているアルミニウムが発熱体の上記領域の表面から蒸発し、成長室内部を汚染するために、作製した酸化物薄膜の品質が劣化するという問題があった。
【０００７】
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、発熱体を構成している金属の蒸発を原因とする汚染を防ぐことで、大きな面積の酸化物薄膜をより高品質に形成できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る酸化物薄膜成長装置は、基板を加熱した状態で基板の上に金属の酸化物の薄膜を形成する酸化物薄膜成長装置において、酸化物の薄膜の形成時に圧力が０．１３３Ｐａ以下とされる成長室と、成長室の内部に配置され、基板に金属を供給する材料供給源と、基板に活性酸素を含む酸化ガスを供給する酸化ガス供給手段と、供給される酸化ガスに暴露される状態で成長室の内部に配置されて基板を加熱するための発熱体とを少なくとも備え、発熱体は、屈曲して配設された電熱線から構成され、発熱体は、酸素が存在する雰囲気で加熱することで、発熱体の表面に発熱体を構成する金属の酸化物からなる被膜を形成してから酸化物薄膜の形成に用いられるようにしたものである。従って、金属の酸化物からなる被膜は、電熱線が屈曲配置された後に形成される。
【０００９】
上記酸化物薄膜成長装置において、発熱体は、アルミニウムを含む合金から構成され、発熱体の表面には、酸化アルミニウムの被膜が形成される。また、発熱体は、ニッケルとクロムとを含む合金から構成され、発熱体の表面には、酸化クロムの被膜が形成される。
【発明の効果】
【００１０】
以上説明したように、本発明によれば、屈曲して配設された電熱線から構成された発熱体は、酸素が存在する雰囲気で加熱することで、発熱体の表面に発熱体を構成する金属の酸化物からなる被膜を形成してから酸化物薄膜の形成に用いられるようにしたので、発熱体を構成している金属の蒸発を原因とする汚染を防ぐことで、大きな面積の酸化物薄膜をより高品質に形成できるようなるという優れた効果が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。図１は、本発明の実施の形態における酸化物薄膜成長装置の構成例を示す構成図である。図１に示す酸化物薄膜成長装置は、成長室１０１，元素供給源１０２，電子銃１０３，基板固定部１０４，発熱体１０５，均熱板１０６，反射板１０７，酸化ガス供給部１０８，酸化ガス供給配管１０９，真空ポンプ１１０，電子衝撃発光分光検出器１１１，組成制御部１１２，制御線１１３，電子線回折用電子銃１１４，電子線回折用蛍光板１１５を備えている。
【００１２】
成長室１０１の内部は、真空ポンプ１１０の排気により、０．０１Ｐａ程度の定圧（高真空）状態とされる。元素供給源１０２には、ネオジウム（Ｎｄ）ソース１２１，バリウム（Ｂａ）ソース１２２，銅（Ｃｕ）ソース１２３が各々収容されている。これた各ソースに対応して電子銃１０３が設けられ、電子銃１０３より放射される加速・収束した電子線は、偏向されて各ソースに照射可能とされている。この電子線の照射により、各ソースが局所的に加熱されて蒸発する。
【００１３】
基板固定部１０４には、処理対象の基板Ｗが固定され、固定される基板Ｗは、通電された発熱体１０５からの輻射熱により加熱される。発熱体１０５は、例えば、鉄とクロムとアルミニウムとの合金よりなる電熱線から構成されたものである。また、発熱体１０５は、鉄とクロムとニッケルとの合金よりなる電熱線から構成されたものであってもよい。発熱体１０５は、図２（ａ）の平面図に示すように、より広い範囲にわたって均一な加熱を可能とするために、屈曲させて配設された電熱線より構成され、複数の絶縁柱１５１により支持板１５２に固定されている。また、図２（ｂ）の部分断面図に拡大して示すように、発熱体１０５は、基板Ｗの配置側に均熱板１０６が設けられ、発熱体１０５からの輻射熱がより均一に基板Ｗに輻射できるようにされている。また、発熱体１０５の絶縁柱１５１の側には、反射板１０７が設けられ、発熱体１０５からの輻射熱が、効率的に基板Ｗ側に輻射できるようにされている。
【００１４】
また、成長室１０１の内部には、酸化ガス供給部１０８により生成される酸化ガスが、酸化ガス供給配管１０９により供給可能とされている。供給される酸化ガスは、酸化ガス供給配管１０９により、基板Ｗの近傍に吐出される。酸化ガスは、例えば、プラズマによりイオン化された酸素やオゾンなどの活性化酸素を含む酸素ガスである。酸化ガス供給部１０８は、例えば、オゾン発生器やリモートプラズマより構成されている。図１に示す酸化物薄膜成長装置では、以降に説明する測定機器を用いるために、成長室１０１の内部の圧力を０．０１パスカルと高真空の状態とした状態で蒸着を行う。このため、成長室１０１の内部には、高い分圧で酸化ガスを供給することができない。このような状態で、基板Ｗに蒸着する金属を効率よく酸化させるために、より酸化力の高い活性酸素を用い、また、基板Ｗの近傍で酸化ガスが吐出されるようにしている。
【００１５】
次に、成長室１０１の内部には、基板Ｗの配置されている近傍に、電子衝撃発光分光検出器１１１が配置され、成膜室１０１の内部における原子及び分子の分圧を計測可能としている。電子衝撃発光分光検出器１１１では、電子放出源より放出された電子がアノード電極に細くされるまでの間に原子と衝突したことにより放出される光の強度を測定し、原子や分子の分圧を測定する。組成制御部１１２は、上述したことにより電子衝撃発光分光検出器１１１により測定された各材料の原子の分圧を元に、制御線１１３を介して各電子銃１０３の出力を制御し、各ソースからの蒸発量を制御する。
【００１６】
また、図１に示す酸化物薄膜成長装置は、電子線回折用電子銃１１４を備え、電子線回折用電子銃１１４より放出された電子による回折像を電子線回折用蛍光板１１５により観察可能としている。電子線回折用蛍光板１１５により観察される電子線回折像により、基板Ｗに成長している薄膜の組成の状態が把握可能となる。例えば、基板Ｗに蒸着されている各元素の組成比が、化学量論的組成からずれると、薄膜表面に析出物が形成されるようになる。この状態が、電子線回折像に反映され、組成のずれが確認可能となる。
【００１７】
加えて、図１に示す酸化物薄膜成長装置では、複数の絶縁柱１５１により支持板１５２に屈曲されて配設された電熱線よりなる発熱体１０５を、大気中などの高い濃度で酸素を含む雰囲気で、１１００℃程度にまで通電加熱することで、発熱体１０５の表面に構成する金属の酸化被膜が形成された状態として用いるようにした。発熱体１０５が、鉄とクロムとアルミニウムとの合金よりなる電熱線から構成されている場合、表面には酸化アルミニウムの被膜が形成される。図３に示すように、加熱前の発熱体１０５は、金属光沢が観察される。これに対し、上述した大気中の加熱を行うと、図４に示すように金属光沢が観察されず、発熱体１０５の全体にわたって、表面に白色の酸化被膜が形成されている状態となる。なお、発熱体１０５が、鉄とクロムとニッケルとの合金よりなる電熱線から構成されている場合、表面には酸化クロムの皮膜が形成される。
【００１８】
前述したように、図１に示す酸化物薄膜成長装置では、成長室１０１の内部が高真空の状態で蒸着が行われるため、成長室１０１の内部には、発熱体１０５の表面が酸化される程度の量の酸化ガスが供給されることがない。酸素などが存在していても、０．１３３Ｐａ以下の高真空な状態では、発熱体１０５の表面は、ほとんど酸化されない。このため、酸化被膜が形成されていない発熱体１０５を用いると、酸化物薄膜成長過程においては、発熱体１０５の表面に酸化被膜が形成されない領域が発生する。このような状態では、酸化物薄膜成長過程における発熱体１０５による基板Ｗの加熱動作で、発熱体１０５自身が加熱され、酸化被膜が形成されていない領域から発熱体１０５を構成している金属が蒸発し、成長室１０１の内部を汚染することになる。これに対し、上述したように、予め酸化被膜が形成された状態としておくことで、発熱体１０５を構成している金属の蒸発を抑制でき、成長室１０１の内部の汚染を抑制できるようになる。
【００１９】
ところで、発熱体１０５は、効率的な加熱のために電熱線を屈曲して配設して構成しているため、予め酸化被膜が形成された電熱線を用いようとすると、酸化被膜が堅くもろいため、電熱線を配設するときの屈曲により発生する応力で、形成されている酸化被膜が破損してしまう。このような問題のため、予め酸化被膜が形成されている電熱線を用いて発熱体１０５を構成することは、現実的ではない。これに対し、電熱線が屈曲配置された状態の発熱体１０５であれば、この状態で酸化被膜が形成されても、この後では、形成された酸化被膜に応力が加わることがなく、酸化被膜の破損が発生しない。
【００２０】
次に、図１に示す酸化物薄膜成長装置を用いた酸化物薄膜の成長（形成）例について説明する。まず、真空ポンプ１１０により０．０２６６Ｐａ程度に排気された成長室１０１の内部において、元素供給源１０２に収容されたＮｄソース１２１，Ｂａソース１２２，Ｃｕソース１２３の各々が、対応する電子銃１０３より得られる加速・収束した電子線の照射により局所的に加熱された状態とする。このようにして局所的に加熱された各ソースは蒸発し、蒸発した各ソースが、発熱体１０５により７００℃程度に加熱された基板Ｗの表面に蒸着される。また、基板Ｗの表面には、酸化ガス供給部１０８より発生された酸化ガスが酸化ガス供給配管１０９により供給され、供給される酸化ガスにより、加熱されている基板Ｗに蒸着した金属が酸化され、基板ＷにＮｄＢａ2Ｃｕ3Ｏ7からなる酸化物薄膜が形成される。
【００２１】
このようにして直径が２インチの基板Ｗの表面に形成されたＮｄＢａ2Ｃｕ3Ｏ7からなる酸化物薄膜の絶対温度７７Ｋでの超臨界電流密度を測定すると、基板の全域にわたって、超臨界電流密度が４．５ＭＡ／ｃｍ2〜５ＭＡ／ｃｍ2の範囲となり、高い均一性が得られていることがわかる。
【００２２】
また、上記ＮｄＢａ2Ｃｕ3Ｏ7からなる酸化物薄膜の直流電気抵抗率を測定すると、図５に示すような結果が得られ、２２ＧＨｚでの表面抵抗を測定すると、図６に示すような結果が得られる。これらの測定結果より、上記酸化物薄膜の超伝導転移温度は９２Ｋ、絶対温度３００Ｋでの抵抗率は２００μΩｃｍ、絶対温度２０Ｋでの表面抵抗は２μΩ、絶対温度７７Ｋでの表面抵抗は２０μΩであることわかる。これらのように、図１に示す酸化物薄膜成長装置によれば、発熱体１０５を構成している金属の蒸発を原因とする汚染が防がれ、優れた特性のＮｄＢａ2Ｃｕ3Ｏ7薄膜が形成されることがわかる。なお、上述では、電子線蒸着装置を例に説明したが、これに限るものではなく、抵抗加熱式やレーザアブレーションなどの他の加熱機構を用いた真空蒸着による酸化膜薄膜成長装置であってもよい。
【産業上の利用可能性】
【００２３】
図１に示す酸化物薄膜成長装置によれば、一例として、近年急速に普及が拡大している携帯電話や、無線ＬＡＮなどに代表される種々の無線通信システムの部品としての超伝導酸化物薄膜フィルタの動作温度と耐電力特性の向上などが図れるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の実施の形態における酸化物薄膜成長装置の構成例を示す構成図である。
【図２】発熱体１０５の構成を示す平面図（ａ）及び断面図（ｂ）である。
【図３】発熱体の状態を示す写真である。
【図４】酸化被膜が形成されている発熱体の状態を示す写真である。
【図５】図１に示す酸化物薄膜成長装置により作製されたＮｄＢａ2Ｃｕ3Ｏ7からなる酸化物薄膜の直流電気抵抗率の測定結果を示す特性図である。
【図６】図１に示す酸化物薄膜成長装置により作製されたＮｄＢａ2Ｃｕ3Ｏ7からなる酸化物薄膜の２２ＧＨｚでの表面抵抗の測定結果を示す特性図である。
【符号の説明】
【００２５】
１０１…成長室、１０２…元素供給源、１０３…電子銃、１０４…基板固定部、１０５…発熱体、１０６…均熱板、１０７…反射板、１０８…酸化ガス供給部、１０９…酸化ガス供給配管、１１０…真空ポンプ、１１１…電子衝撃発光分光検出器、１１２…組成制御部、１１３…制御線、１１４…電子線回折用電子銃、１１５…電子線回折用蛍光板。
【図１】
2007063618.tif 000003
【図２】
2007063618.tif 000004
【図５】
2007063618.tif 000005
【図６】
2007063618.tif 000006
【図３】
2007063618.tif 000007
【図４】
2007063618.tif 000008