(57)【要約】【課題】簡単な手段によって任意の基板に、原子密度の高い面（たとえば、六方晶系結晶のｃ軸に垂直な結晶面）の成長を抑制するように結晶を配向させる。【解決手段】基板２８の表面の一部又は全体に導電膜３８が形成されている。この基板は、ターゲット２２に対向させて基板ホルダ２７に設置され、導電膜３８をグランドに接続される。ターゲット２２から叩き出されたスパッタ粒子は基板２８の表面に堆積して成長し薄膜が形成される。そのとき同時に、真空チャンバ２１内のプラズマを発生源とする酸素イオンが薄膜に照射され、特定方向に配向する結晶の成長を阻害する。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の表面にイオンを照射しながら薄膜形成用粒子を成長させ、前記基板の表面に前記薄膜形成用粒子からなる薄膜を形成する薄膜製造方法において、
前記基板の表面の一部又は全体に導電膜を形成しておき、
前記導電膜をグランド電位又は前記イオンの極性と反対の電位に保持することを特徴とする薄膜製造方法。
【請求項２】
前記導電膜をグランドに短絡させた、請求項１に記載の薄膜製造方法。
【請求項３】
前記導電膜に直流電圧を付加して前記導電膜を前記イオンの極性と反対の電位に保つことを特徴とする、請求項１に記載の薄膜製造方法。
【請求項４】
前記導電膜に交流電圧を付加して前記導電膜を周期的に前記イオンの極性と反対の電位に保つことを特徴とする、請求項１に記載の薄膜製造方法。
【請求項５】
前記基板の表面に、規則的に配列された複数個の導電パターンからなる前記導電膜を形成しておき、前記導電パターンをいずれもグランド電位又は前記イオンの極性と反対の電位に保持することを特徴とする、請求項１に記載の薄膜製造方法。
【請求項６】
前記基板の温度を変化させることによって、配向方向の異なる結晶の出現比率を変化させることを特徴とする、請求項１に記載の薄膜製造方法。
【請求項７】
前記薄膜を構成する結晶は、前記基板の表面から見たときの前記結晶の原子密度が、最大原子密度以外の方位に配向している、請求項１に記載の薄膜製造方法。
【請求項８】
前記薄膜を構成する結晶は、優先配向方向以外の方向に配向している、請求項１に記載の薄膜製造方法。
【請求項９】
前記薄膜は六方晶系の結晶構造を有し、
前記薄膜を構成する結晶は、ｃ軸方向が前記薄膜の表面と平行で、かつ、一軸方向に揃っている、請求項１に記載の薄膜製造方法。
【請求項１０】
前記薄膜は、（１０−１０）面又は（１１−２０）面が前記基板の表面と平行となるように配向している、請求項９に記載の薄膜製造方法。
【請求項１１】
前記基板の温度を変化させることにより、（１０−１０）面が前記基板の表面と平行となった配向と、（１１−２０）面が前記基板の表面と平行となった配向との出現比率を変化させることを特徴とする、請求項１０に記載の薄膜製造方法。
【請求項１２】
前記薄膜は正方晶系の結晶構造を有し、
前記薄膜を構成する結晶は、ｃ軸方向が前記薄膜の表面と平行で、かつ、一軸方向に揃っている、請求項１に記載の薄膜製造方法。
【請求項１３】
前記薄膜は斜方晶系の結晶構造を有し、
前記薄膜を構成する結晶は、ｃ軸方向が前記薄膜の表面と平行で、かつ、一軸方向に揃っている、請求項１に記載の薄膜製造方法。
【請求項１４】
前記イオンの発生源は、成膜時に前記基板を設置するチャンバ内で発生したプラズマであることを特徴とする、請求項１に記載の薄膜製造方法。
【請求項１５】
前記基板にイオンビームを照射するためのイオンビーム照射装置を備えている、請求項１４に記載の薄膜製造方法。
【請求項１６】
前記薄膜形成用粒子は、スパッタリング法によって生成され、前記薄膜表面に入射させられる、請求項１に記載の薄膜製造方法。
【請求項１７】
前記薄膜形成用粒子は、ＣＶＤ法、蒸着法、ＭＢＥ法のうちのいずれかによって生成され、前記薄膜表面に入射させられる、請求項１に記載の薄膜製造方法。
【請求項１８】
前記基板は、単結晶基板、金属基板、合金基板、半導体基板、セラミック基板又はプラスチック基板のうちのいずれかである、請求項１に記載の薄膜製造方法。
【請求項１９】
前記導電膜は、貴金属、合金、炭素系導電性材料、導電性を有するＳｉ系材料、導電性酸化物、又は導電性高分子材料のうちのいずれかの材料によって形成されている、請求項１に記載の薄膜製造方法。
【請求項２０】
前記薄膜が圧電性薄膜である、請求項１に記載の薄膜製造方法。
【請求項２１】
前記薄膜が光導電性薄膜である、請求項１に記載の薄膜製造方法。
【請求項２２】
前記薄膜が超伝導性薄膜である、請求項１に記載の薄膜製造方法。
【請求項２３】
基板の表面にイオンを照射しながら薄膜形成用粒子を成長させ、前記基板の表面に前記薄膜形成用粒子からなる薄膜を形成する工程において、
前記基板の表面の一部又は全体に導電膜を形成しておき、
前記導電膜をグランド電位又は前記イオンの極性と反対の電位に保つことを特徴とする薄膜の配向制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は薄膜の配向制御方法及び薄膜製造方法に関し、特に、ＺｎＯ（酸化亜鉛）のような六方晶系薄膜の配向を制御するための方法や、当該薄膜を製造するための方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
（ＺｎＯの結晶構造）
ＺｎＯ薄膜は、光電変換素子や圧電素子などに用いる機能性薄膜として注目されている。ＺｎＯ薄膜を基板上に成膜させた場合、ＺｎＯの結晶は、基本的には図１（Ａ）、（Ｂ）及び（Ｃ）に示すように配向する。ＺｎＯの結晶格子は、図２（Ａ）、（Ｂ）及び（Ｃ）の結晶構造模型に示すように、六方晶系となっている。図２（Ａ）、（Ｂ）及び（Ｃ）において、大きな球はＯ原子を表し、小さな球はＺｎ原子を表す。
【０００３】
図１（Ｃ）は、六方晶系のｃ軸が基板１１の表面に垂直な方向を向いた配向（このような結晶配向をｃ軸配向という。）のＺｎＯ結晶１２（単位格子）を表わしている。ｃ軸配向では、ＺｎＯ結晶１２の（０００１）面が基板１１の表面と平行に並び、基板１１の表面を上面の方向から見たときＺｎＯの結晶構造は図２（Ｃ）のように見える。この配向では、Ｘ線回折実験を行った場合、回折角２θ＝３４.４°の位置に（０００２）面による回折強度のピークが現れる。
【０００４】
六方晶系のｃ軸が基板１１の表面と平行な方向を向いた配向（このような結晶配向をｃ軸面内配向という。）には、２つの基本的な配向が存在する。図１（Ａ）は、ＺｎＯ結晶１２の（１０−１０）面が基板１１の表面と平行に並んでｃ軸面内配向しており、基板１１の表面を上面の方向から見たときＺｎＯの結晶構造は図２（Ａ）のように見える。この配向では、Ｘ線回折実験を行った場合、回折角２θ＝３１.８°の位置に（１０−１０）面による回折強度のピークが現れる。図１（Ｂ）はＺｎＯ結晶１２の（１１−２０）面が基板１１の表面と平行に並んでｃ軸面内配向しており、基板１１の表面を上面の方向から見たときＺｎＯの結晶構造は図２（Ｂ）のように見える。この配向では、Ｘ線回折実験を行った場合、回折角２θ＝５６.６°の位置に（１１−２０）面による回折強度のピークが現れる。
【０００５】
（ｃ軸面内配向の優位性）
図３（Ａ）及び（Ｂ）は、それぞれ基板の表面に形成されたＺｎＯ薄膜を表している。図３（Ａ）は、任意の基板１１ａの上に形成されたｃ軸配向のＺｎＯ薄膜１５ａを示す（矢印は、ＺｎＯ結晶のｃ軸方向を示す。）。この構造では、基板１１ａの表面に絶縁層１３を介して金属膜１４を形成し、金属膜１４の上にＺｎＯ薄膜１５ａを成膜されている。図３（Ｂ）は、任意の基板１１ｂの上に形成されたｃ軸面内配向のＺｎＯ薄膜１５ｂを示す（矢印は、ＺｎＯ結晶のｃ軸方向を示す。）。この構造では、基板１１ｂの表面に絶縁層１３を介して金属膜１４を形成し、金属膜１４の上にＺｎＯ薄膜１５ｂを成膜されている。ＺｎＯ薄膜１５ｂは、（１１−２０）面が基板１１ｂの表面と平行となるようにｃ軸面内配向しており、かつ、ｃ軸方向が薄膜全体で一方向に揃っている。
【０００６】
高品質のＺｎＯ薄膜を作製するために、基板１１ａ、１１ｂ上にＺｎＯ薄膜１５ａ、１５ｂをエピタキシャル成長させる方法がある。また、基板１１ａ、１１ｂとＺｎＯ薄膜１５ａ、１５ｂの格子定数を合わせるために、基板１１ａ、１１ｂとＺｎＯ薄膜１５ａ、１５ｂとの間に１層又は複数層のバッファ層を形成することもある。ＺｎＯ薄膜を形成する際には、その基板１１ａ、１１ｂとしてサファイヤ基板が一般的に用いられる。
【０００７】
ＺｎＯ結晶はｃ軸方向が基板表面と垂直な方向を向くように優先配向する（Bravaisの経験則）ので、図３（Ａ）のようなｃ軸配向のＺｎＯ薄膜１５ａでは、薄膜の作製が容易であり、またＳｉ基板のような安価な基板を用いて作製できるという長所がある。その反面、受光素子や光電変換素子などに用いる場合には、紫外線受光感度が悪いという短所がある。また、図３（Ａ）のようなＺｎＯ薄膜１５ａでは、表裏両面に交流電圧を印加して励振することにより縦波（疎密波）を発生させることができるが、液体中においては励振することが不可能である。
【０００８】
一方、図３（Ｂ）のようなｃ軸面内配向のＺｎＯ薄膜１５ｂでは、基板１１ｂにサファイヤ基板を用いることで容易に薄膜を作製することができる。ＺｎＯ薄膜１５ｂでは、表裏両面に交流電圧を印加して励振することにより横波を発生させることができるため、液体中においても励振することが可能である。また、これら以外の特性についてもｃ軸配向しているＺｎ０薄膜よりもｃ軸面内配向しているＺｎＯ薄膜の方が優れた特性を有している。たとえば、ｃ軸配向したＺｎＯ薄膜では表面にＺｎ原子が並び、ｃ軸面内配向したＺｎＯ薄膜では表面にＯ原子が並ぶが、Ｚｎ原子の並んだ結晶面よりもＯ原子の並んだ結晶面の方が表面エネルギーが大きい。そのため、ｃ軸面内配向したＺｎＯ薄膜の方が活性が高く、たとえば高感度なガスセンサとして活用できる。しかし、図３（Ｂ）のような構造では、一般的には基板１１ｂとして高価なサファイヤ基板を用いなければならないため、コストが高くつき（サファイヤ基板は、Ｓｉ基板に比べて１０倍以上の価格である。）、実用上大きな障害となる。また、ＺｎＯをエピタキシャル成長させるためには基板とＺｎＯ薄膜の格子定数を一致させなければならないので、安価な代替基板を見つけることも困難である。
【０００９】
このような背景から、Ｓｉ基板のような安価な基板を用いて、ＺｎＯ薄膜をｃ軸面内配向させることのできる成膜方法が望まれている。
【００１０】
（特許文献１、２について）
以上のような観点から、従来の技術的状況を鑑みると、特許文献１及び特許文献２に開示されたものがある。
【００１１】
特許文献１に記載されたＺｎＯ薄膜の製造方法では、基板の一端から他端にかけて温度勾配を付与しておき、この基板の表面にスパッタ法やＣＶＤ法等によってＺｎＯ薄膜を堆積させている。基板に温度勾配を付与する方法としては、基板を設置する基板ホルダーの一端をヒータで加熱し、他端を冷却ユニットで冷却している。特許文献１の方法によれば、任意の基板の上にＺｎＯ結晶をｃ軸面内配向させるとともに、そのｃ軸の方向を温度勾配の方向と平行に揃えることができる。
【００１２】
しかし、特許文献１に記載された薄膜製造方法では、個片の基板あるいは小さなサイズの基板にＺｎＯ薄膜を均一にｃ軸面内配向させることはできるが、大口径ウエハあるいは大きなサイズの基板にＺｎＯ薄膜を均一にｃ軸面内配向させることは困難である（理由は、後述する。）。
【００１３】
特許文献２に記載されたＺｎＯ薄膜の製造方法では、マグネトロンスパッタリング装置のチャンバ内の圧力を小さくし、ターゲットに対向させて配置する基板をプラズマ領域内に配置する。そして、ターゲットから叩き出されたスパッタ粒子（ＺｎＯ）を基板の表面に堆積させるとともに、エネルギーの高いスパッタ粒子を基板に入射させることによってｃ軸配向していたＺｎＯ結晶を損傷させる。その結果、スパッタ粒子による損傷を受けにくいｃ軸面内配向のＺｎＯ結晶を優先的に成長させている。
【００１４】
しかし、特許文献２に記載された薄膜製造方法でも、個片の基板あるいは小さなサイズの基板にＺｎＯ薄膜を均一にｃ軸面内配向させることはできるが、大口径ウエハあるいは大きなサイズの基板にＺｎＯ薄膜を均一にｃ軸面内配向させることは困難である（理由は、後述する。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１５】
【特許文献１】特開２００４−２４４７１６号公報
【特許文献２】特開２００８−１３３１４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
本発明の目的は、簡単な手段によって任意の基板に、原子密度の高い面（たとえば、六方晶系結晶のｃ軸に垂直な結晶面）の成長を抑制するように結晶を配向させるための薄膜の配向制御方法及び薄膜製造方法を提供することにある。特に、サイズの大きな任意の基板の表面にも、原子密度の高い面の成長を抑制するように結晶薄膜を成長させることができる薄膜の配向制御方法及び薄膜製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明の薄膜製造方法は、基板の表面にイオンを照射しながら薄膜形成用粒子を成長させ、前記基板の表面に前記薄膜形成用粒子からなる薄膜を形成する薄膜製造方法において、前記基板の表面の一部又は全体に導電膜を形成しておき、前記導電膜をグランド電位又は前記イオンの極性と反対の電位に保持することを特徴としている。
【００１８】
前記導電膜をグランド電位に保つためには、前記導電膜をグランドに短絡させておけばよい。前記導電膜を前記イオンの極性と反対の電位に保持するとは、たとえばイオンが負イオンであれば導電膜を定常的に、あるいは一時的に正電位に保つことである。前記導電膜を前記イオンの極性と反対の電位に保持するためには、前記導電膜に直流電圧を付加して前記導電膜を前記イオンの極性と反対の電位に保てばよい。また、前記導電膜を前記イオンの極性と反対の電位に保持するためには、前記導電膜に交流電圧を付加して前記導電膜を周期的に前記イオンの極性と反対の電位に保つようにしてもよい。
【００１９】
本発明の薄膜製造方法によれば、基板の表面に薄膜形成用粒子を成長させて薄膜を形成する際、基板の表面に形成された導電膜をグランド電位に保持しているので、基板の表面がイオンと同極に帯電し、イオン照射が妨げられて弱くなるのを防ぐことができる。よって、基板の表面に成長しつつある薄膜の結晶をイオンで効率よく損傷させることができ、ある特定方向の配向の結晶が成長するのを阻害することができる。
【００２０】
また、基板の表面に形成された導電膜をイオンの極性と反対の電位に保持させた場合には、イオンを導電膜に引き付けることができるので、イオンによる基板の照射強度をより強くできる。よって、基板の表面に成長しつつある原子密度の高い結晶薄膜をイオンでさらに効率よく損傷させることができ、ある特定方向の配向の結晶が成長することを阻害することができる。
【００２１】
本発明にかかる薄膜製造方法のある実施態様は、前記基板の表面に、規則的に配列された複数個の導電パターンからなる前記導電膜を形成しておき、前記導電パターンをいずれもグランド電位又は前記イオンの極性と反対の電位に保持する。本発明の薄膜製造方法によれば、大口径ウエハのような大きな基板の中央部にもイオンを効率よく照射できるので、基板全体に目的とする配向の薄膜を成膜させることが可能になる。
【００２２】
本発明にかかる薄膜製造方法の別な実施態様は、前記基板の温度を変化させることによって、配向方向の異なる結晶の出現比率を変化させることを特徴としている。前記基板の温度を変化させて薄膜を形成すると、薄膜の結晶方位あるいはその出現比率が変化することは実験により確認された。
【００２３】
本発明にかかる薄膜製造方法により作製された薄膜では、前記基板の表面から見たときの結晶の原子密度が、最大原子密度以外の方位に配向する。本発明の薄膜製造方法では、イオン照射しながら薄膜を成長させるので、最大原子密度の方位の結晶はイオンによって損傷を受け易くなり、薄膜は最大原子密度以外の方位で成長する。この結果、本発明の薄膜製造方法によれば、薄膜の結晶配向方向を制御可能である。
【００２４】
本発明にかかる薄膜製造方法により作製された薄膜では、その結晶方向が、優先配向方向以外の方向に配向している。本発明の薄膜製造方法では、イオン照射しながら薄膜を成長させるので、優先配向方向に成長していた結晶がイオンで損傷をうけ、優先配向方向以外の方向で結晶が配向する。この結果、本発明の薄膜製造方法によれば、薄膜の結晶配向方向を制御可能である。
【００２５】
本発明の薄膜製造方法は、六方晶系の結晶構造を有する薄膜を製造するために用いることができる。六方晶系の結晶では、ｃ軸に垂直な面が最大原子密度の結晶面であり、またｃ軸配向が優先配向方向であり、このような配向の結晶はイオンによって損傷され成長が妨げられる。その結果、ｃ軸方向が薄膜の表面と平行で、かつ、一軸方向に揃った六方晶系の薄膜を成膜することができる。たとえば、六方晶系の（１０−１０）面が基板の表面と平行となるように配向させることができる。また、六方晶系の（１１−２０）面が基板の表面と平行となるように配向させることもできる。
【００２６】
また、この六方晶系の薄膜の場合には、基板の温度を変化させることにより、（１０−１０）面が前記基板の表面と平行となった配向と、（１１−２０）面が前記基板の表面と平行となった配向との出現比率を変化させられることが、実験的に確認できた。
【００２７】
本発明の薄膜製造方法は、正方晶系の結晶構造を有する薄膜を製造するために用いることができる。正方晶系の結晶でも原子密度の高い配向の結晶はイオンによって損傷され成長が妨げられる。その結果、ｃ軸方向が薄膜の表面と平行で、かつ、一軸方向に揃った正方晶系の薄膜を成膜することができる。
【００２８】
本発明の薄膜製造方法は、斜方晶系の結晶構造を有する薄膜を製造するために用いることができる。斜方晶系の結晶でも原子密度の高い配向の結晶はイオンによって損傷され成長が妨げられる。その結果、ｃ軸方向が薄膜の表面と平行で、かつ、一軸方向に揃った斜方晶系の薄膜を成膜することができる。
【００２９】
本発明にかかる薄膜製造方法で用いられるイオンの発生源としては、成膜時に前記基板を設置するチャンバ内で発生したプラズマを用いる。また、基板にイオンビームを照射するためのイオンビーム照射装置を備えていてもよい。イオンビーム照射装置を付加しておけば、イオンの照射強度をプラズマ単独の場合よりも高くできるとともに、イオンビーム照射装置によってイオンの照射強度を容易に制御することができる。
【００３０】
薄膜形成用粒子は、スパッタリング法によって生成し、薄膜表面に入射させることができる。また、薄膜形成用粒子は、ＣＶＤ法、蒸着法、ＭＢＥ法のうちのいずれかの方法によって生成し、薄膜表面に入射させることもできる。これらの方法は、一般的な方法であるので、簡単な装置によって本発明の薄膜製造方法を実施できる。
【００３１】
前記基板としては、単結晶基板、金属基板、合金基板、半導体基板、セラミック基板又はプラスチック基板のうちのいずれかを用いてもよい。本発明の薄膜製造方法では、基板の種類を選ばないので、任意の種類の基板を使用することが可能である。また、前記導電膜は薄膜製造工程に耐えるものであればよく、貴金属、合金、炭素系導電性材料、導電性を有するＳｉ系材料、導電性酸化物、又は導電性高分子材料のうち任意の材料で形成されていてよい。
【００３２】
また、薄膜の機能としては、圧電性薄膜、光導電性薄膜、超伝導性薄膜などの機能性薄膜が市場で望まれている。
【００３３】
本発明にかかる薄膜の配向制御方法は、基板の表面にイオンを照射しながら薄膜形成用粒子を成長させ、前記基板の表面に前記薄膜形成用粒子からなる薄膜を形成する工程において、前記基板の表面の一部又は全体に導電膜を形成しておき、前記導電膜をグランド電位又は前記イオンの極性と反対の電位に保つことを特徴としている。
【００３４】
本発明の薄膜の配向制御方法によれば、基板の表面に薄膜形成用粒子を成長させて薄膜を形成する際、基板の表面に形成された導電膜をグランド電位に保持しているので、基板の表面がイオンと同極に帯電してイオン照射が妨げられて弱くなるのを防ぐことができる。よって、基板の表面に成長しつつある薄膜の結晶をイオンで効率よく損傷させることができ、ある特定方向の配向の結晶が成長するのを阻害することができる。
【００３５】
また、基板の表面に形成された導電膜をイオンの極性と反対の電位に保持させた場合には、イオンを導電膜に引き付けることができるので、イオンによる基板の照射強度をより強くできる。よって、基板の表面に成長しつつある薄膜の結晶をイオンでさらに効率よく損傷させることができ、ある特定方向の配向の結晶が成長するのを阻害することができる。
【００３６】
なお、本発明における前記課題を解決するための手段は、以上説明した構成要素を適宜組み合せた特徴を有するものであり、本発明はかかる構成要素の組合せによる多くのバリエーションを可能とするものである。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】（Ａ）、（Ｂ）及び（Ｃ）は、六方晶系ＺｎＯ結晶の基本的な配向の仕方を説明する図である。
【図２】（Ａ）、（Ｂ）及び（Ｃ）は、六方晶系ＺｎＯ結晶の結晶構造模型を示す図である。
【図３】（Ａ）は、任意の基板の表面にｃ軸配向したＺｎＯ薄膜を示す図である。（Ｂ）は、任意の基板の表面にｃ軸面内配向したＺｎＯ薄膜を示す図である。
【図４】本発明の実施形態１において用いられるマグネトロンスパッタリング装置の概略図である。
【図５】図４に示すマグネトロンスパッタリング装置の概略平断面図である。
【図６】（Ａ）は、ｃ軸配向したＺｎＯ結晶が酸素イオンによって損傷される様子を説明する図である。（Ｂ）は、ｃ軸面内配向したＺｎＯ結晶が酸素イオンにより損傷されにくい理由を説明する図である。
【図７】（Ａ）は、グランドに接続された導電膜を有する成膜用基板の平面図である。（Ｂ）は、（Ａ）の成膜用基板にスパッタ粒子が入射して着床しようとする様子を示す断面図である。（Ｃ）は、グランドから浮いた導電膜を有する成膜用基板の平面図である。（Ｄ）は、（Ｃ）の成膜用基板にスパッタ粒子が入射して着床しようとする様子を示す断面図である。
【図８】（Ａ）及び（Ｂ）は、表面にＺｎＯ薄膜が成長した図７（Ａ）の成膜用基板を示す平面図及び断面図である。（Ｃ）及び（Ｄ）は、表面にＺｎＯ薄膜が成長した図７（Ｃ）の成膜用基板を示す平面図及び断面図である。
【図９】（Ａ）及び（Ｂ）は、図７（Ａ）の成膜用基板に形成されたＺｎＯ薄膜に酸素イオンが照射し、ｃ軸配向のＺｎＯ結晶を損傷する様子を示す平面図及び断面図である。（Ｃ）及び（Ｄ）は、図７（Ｃ）の成膜用基板に形成されたＺｎＯ薄膜に酸素イオンが照射し、ｃ軸配向のＺｎＯ結晶を損傷する様子を示す平面図及び断面図である。
【図１０】（Ａ）及び（Ｂ）は、図７（Ａ）の成膜用基板の表面に負電荷が蓄積された様子を示す平面図及び断面図である。（Ｃ）及び（Ｄ）は、図７（Ｃ）の成膜用基板の表面に負電荷が蓄積された様子を示す平面図及び断面図である。
【図１１】（Ａ）及び（Ｂ）は、図７（Ａ）の成膜用基板の表面に蓄積した負電荷がグランドへ排出された様子を示す平面図及び断面図である。（Ｃ）及び（Ｄ）は、図７（Ｃ）の成膜用基板の表面に蓄積した負電荷がそのまま残っている様子を示す平面図及び断面図である。
【図１２】（Ａ）及び（Ｂ）は、図７（Ａ）の成膜用基板において、導電膜が設けられていない領域に負電荷が残っている様子と、当該領域に負電荷が残っていてもｃ軸配向を損傷させてｃ軸面内配向のＺｎＯ薄膜を優先的に成長させることのできる理由を説明する平面図及び断面図である。
【図１３】（Ａ）及び（Ｂ）は、特許文献１又は特許文献２に記載されたＺｎ薄膜の製造方法では、個片の基板やサイズの小さな基板にはｃ軸面内配向させることができるが、大口径ウエハやサイズの大きな基板の中心部にはｃ軸面内配向させることのできない理由を説明するための概略図である。
【図１４】（Ａ）は、Ｘ回折実験に用いた本発明の実施形態１による基板のサンプルを示す平面図である。（Ｂ）及び（Ｃ）は、（Ａ）のサンプルを模式的に表した平面図及び断面図である。
【図１５】（Ａ）は、Ｘ回折実験に用いた比較例１による基板のサンプルを示す平面図である。（Ｂ）及び（Ｃ）は、（Ａ）のサンプルを模式的に表した平面図及び断面図である。
【図１６】（Ａ）は、Ｘ回折実験に用いた比較例２による基板のサンプルを示す平面図である。（Ｂ）及び（Ｃ）は、（Ａ）のサンプルを模式的に表した平面図及び断面図である。
【図１７】図１５に示した比較例１のサンプルを用いたＸ線回折実験の結果（ＸＲＤパターン）を示す図である。
【図１８】図１６に示した比較例２のサンプルを用いたＸ線回折実験の結果（ＸＲＤパターン）を示す図である。
【図１９】図１４に示した本発明の実施形態１のサンプルを用いたＸ線回折実験の結果（ＸＲＤパターン）を示す図である。
【図２０】図１４に示した本発明の実施形態１のサンプルを用いたＸ線回折実験の結果（ＸＲＤパターン）を示す図であって、基板表面温度依存性を示す。
【図２１】本発明の実施形態２において用いられるマグネトロンスパッタリング装置の概略図である。
【図２２】本発明の実施形態３において用いられるマグネトロンスパッタリング装置の概略図である。
【図２３】（Ａ）及び（Ｂ）は、本発明の実施形態４による薄膜素子を示す平面図及び概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３８】
以下、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態を説明する。但し、本発明は以下の実施形態に限定されるものでなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々設計変更することができる。
【００３９】
（実施形態１）
図４は、本発明の実施形態１による薄膜製造方法を実施するためのマグネトロンスパッタリング装置１０１の構造を示す概略断面図である。真空チャンバ２１内の下部においては、固定治具４０間にＺｎＯ焼結体からなる矩形板状のターゲット２２（粒子発生源）を配置している。ターゲット２２の下面には、マグネトロン回路２３（磁気回路）が設けられている。
【００４０】
図５に示すように、マグネトロン回路２３は矩形タイプとなっており、中央部に位置する一方の磁極（以下、Ｓ極２４とする。）とＳ極２４を中心とする矩形環状の磁極（以下、Ｎ極２５とする。）とをヨーク２６で結合させたものであって、Ｓ極２４とＮ極２５との間には磁界（磁束）が発生している。また、ターゲット２２と基板ホルダ２７との間には、高周波電界を発生させるための電源２９を設けている。
【００４１】
Ｎ極２５のうち少なくとも対向する２辺の長さは、基板２８の直径に比較して十分な直線長さを有している。ターゲット２２もマグネトロン回路２３に合わせてＺｎＯ焼結体により矩形板状に形成されている。ターゲット２２は、矩形環状のエロージョン領域３９を有している。エロージョン領域３９は、互いに平行に対向する長辺部分の一方を除いては、その上方を非磁性体金属からなる遮蔽板７１で覆われている。具体的にいうと、図５に示すように、コ字形をした遮蔽板７１をターゲット２２の上方に設け、エロージョン領域３９のうち片側の長辺部分と短辺部分の全体を遮蔽板７１で覆っている。
【００４２】
真空チャンバ２１内の天井部４１の下面には基板ホルダ２７が設けられており、基板ホルダ２７の下面は薄膜形成用の基板２８を取付け可能となっている。基板２８の表面の全面又は一部には導電膜３８が形成されている。導電膜３８の材料としては、Ａｕのような貴金属、導電性Ｓｉ、導電性酸化物などを用いることができる。基板２８の種類は選ばないが、たとえばＳｉ基板やパイレックス（登録商標）ガラス基板などの比較的安価な基板が好ましい。基板２８は、導電膜３８を下にしてターゲット２２と対向させるようにして基板ホルダ２７に固定される。基板ホルダ２７は接地配線４２によってグランドに短絡されており、基板２８の導電膜３８も接地配線４３によってグランドに短絡されている。なお、天井部４１内には冷却用流路４４が設けられており、冷却用流路４４内に冷水や冷却ガスなどの冷却用媒体を流すことにより、基板ホルダ２７や基板２８を冷却している。
【００４３】
真空チャンバ２１にはガス流入口３０とガス排出口３１が設けられている。ガス流入口３０には、混合ガス流量調整バルブ３２を介して２つに分岐したガス供給管３３が接続され、その一方には流量調整バルブ３４を介してＡｒガス供給源３５が接続され、他方には流量調整バルブ３６を介してＯ２ガス供給源３７が接続されている。
【００４４】
実施形態１においては、上記マグネトロンスパッタリング装置１０１を用いて次のような成膜条件により下記のようにしてＺｎＯ薄膜を成膜する。
ＲＦパワー密度：      ２.４Ｗ／ｃｍ２
成膜圧力：      １Ｐａ〜０.０１Ｐａ
Ｏ２／Ａｒ比：      １
Ｏ２ガス流量：      １５ｓｃｃｍ
Ａｒガス流量：      １５ｓｃｃｍ
【００４５】
ＺｎＯ薄膜の成膜時には、電源２９によってターゲット２２と基板ホルダ２７との間に高周波電圧が印加される。そのため、ターゲット２２と基板ホルダ２７との間にプラズマが生じる。基板２８は、プラズマ領域内に配置される。ついで、真空チャンバ２１内を排気して真空状態とした後、流量調整バルブ３４、３６及び混合ガス流量調整バルブ３２を開いて真空チャンバ２１内にＡｒガスとＯ２ガスを流す。このとき、流量調整バルブ３４と流量調整バルブ３６を調節することによってＯ２ガスとＡｒガスの流量比が１：１となるように調整し、混合ガス流量調整バルブ３２を調節することによって混合ガス流量が３０ｓｃｃｍ（Ｏ２ガス流量１５ｓｃｃｍ、Ａｒガス流量１５ｓｃｃｍ）となるように調整し、成膜圧力（チャンバ内ガス圧）を０.１Ｐａ〜０.０１Ｐａに保つ。また、成膜時には電源２９をオンにしてターゲット２２と基板ホルダ２７の間に２.４Ｗ／ｃｍ２に相当する高周波電界を加える。
【００４６】
高周波電界が発生すると、真空チャンバ２１内に電界が形成され、Ａｒガス及びＯ２ガスがその電界により電離して電子を放出する。この電子はターゲット２２近傍の電界及び磁界によりトロイダル曲線を描きながら運動し、これによりターゲット２２の近傍にプラズマが発生してターゲット２２がスパッタされる。スパッタされてターゲット２２から叩き出されたスパッタ粒子（ＺｎＯ）はプラズマ中において基板２８側に向かって飛んでいく。また、ターゲット２２から叩き出されて基板２８側へ飛んでいくスパッタ粒子は、基板ホルダ２７の全体に広がっている。このスパッタ粒子は基板２８の表面に入射し、基板２８及び導電膜３８の表面に単結晶又は多結晶のＺｎＯ薄膜を形成する。
【００４７】
また、マグネトロン回路２３による磁束密度の最も強い領域ではプラズマ密度が大きくなるので、この領域ではターゲット２２にイオンが集中的に衝突し、ターゲット２２からスパッタ粒子が叩き出される。その結果、磁束密度の最も強い領域でターゲット２２が浸食されることになるので、この浸食される領域をエロージョン領域３９と呼ぶ。
【００４８】
このマグネトロンスパッタリング装置１０１では、エロージョン領域３９の一方の長辺部分と短辺部分は遮蔽板７１によって覆われているので、遮蔽板７１とその下のターゲット２２との間に高周波電界が発生し、エロージョン領域３９のうち遮蔽板７１で覆われた領域から飛び出たスパッタ粒子は遮蔽板７１の下面に衝突する。よって、この領域から飛び出たスパッタ粒子は基板２８の表面には入射しない。
【００４９】
一方、遮蔽板７１の外側では、ターゲット２２と基板ホルダ２７の間に高周波電界が発生し、エロージョン領域３９のうち遮蔽板７１の外側に位置する領域から飛び出たスパッタ粒子は、ほぼ一定の方向から基板２８の表面に入射する。
【００５０】
この結果、エロージョン領域３９から飛び出たスパッタ粒子の一部は基板２８の表面に入射し、基板２８及び導電膜３８の表面にＺｎＯ薄膜が形成される。このとき、マグネトロンスパッタリング装置１０１によれば、ボンバードメント効果によってＺｎＯ結晶をｃ軸面内配向させるとともに、基板２８の表面に成長するＺｎＯ薄膜のｃ軸の方向を効果的に同一方向に整列させることができる。
【００５１】
ただし、このようなマグネトロンスパッタリング装置１０１を用いる場合には、基板２８の表面にスパッタ粒子が不均一に成長する恐れがある。よって、この場合には、遮蔽板７１から露出しているエロージョン領域３９の長辺部分の長さ方向と直交する方向へ基板２８及び基板ホルダ２７を一定速度で移動させながら成膜するのが望ましい。
【００５２】
基板２８及び導電膜３８の表面に着床するスパッタ粒子は、図６（Ａ）に示すようにｃ軸が基板２８及び導電膜３８の表面に垂直となるようにｃ軸配向してＺｎＯ結晶４５となるものもあれば、図６（Ｂ）に示すようにｃ軸が基板２８及び導電膜３８の表面に平行となるようにｃ軸面内配向してＺｎＯ結晶４５となるものもある。しかし、図６（Ａ）に示すように、プラズマ領域内の電離した酸素イオンがｃ軸配向したＺｎＯ結晶４５に照射すると、ＺｎＯ結晶４５が酸素イオンによって損傷を受け、ｃ軸配向でＺｎＯ結晶４５が成長しにくくなったり、ｃ軸配向したＺｎＯ結晶４５の結晶構造が破壊されたりする。これに対し、図６（Ｂ）に示すように、ｃ軸面内配向しているＺｎＯ結晶４５は、基板２８及び導電膜３８を上面の方向から見た原子密度が、ｃ軸配向のＺｎＯ結晶４５よりも小さい。そのため、ｃ軸面内配向したＺｎＯ結晶４５は酸素イオンが衝突する確率が低いため損傷を受けにくく、基板２８及び導電膜３８の表面において成長を阻害されにくい。この結果、基板２８及び導電膜３８の表面には、ｃ軸面内配向したＺｎＯ薄膜が優先的に成長し、ｃ軸面内配向のＺｎＯ薄膜が成膜されることになる。
【００５３】
なお、高周波プラズマなどによって発生したイオンによって薄膜表面の一部を破壊する方法はボンバードメント効果と呼ばれる。上記成膜原理は、このようなボンバードメント効果を利用してＺｎＯの結晶成長を制御するものである。よって、本明細書においては、上記成膜原理もボンバードメント効果と呼ぶ。
【００５４】
さらに、実施形態１のマグネトロンスパッタリング装置１０１では、基板２８の表面に形成された導電膜３８をグランドに接続して接地しているので、上記のようなボンバードメント効果ないしその効率を向上させることができる。この理由は、以下のように考えられる。この理由を、図７−図１１により導電膜を接地した場合（各図（Ａ）、（Ｂ））と接地していない場合（各図（Ｃ）、（Ｄ））を比較しながら模式的に説明する。
【００５５】
図７−図１１の各（Ａ）は導電膜を接地した成膜用基板の表面を表しており（本発明の実施形態１）、図７−図１１の各（Ｂ）は導電膜を接地した各図（Ａ）の成膜用基板の断面を表している。図７−図１１の各（Ｃ）は導電膜を接地していない成膜用基板の表面を表しており（比較例１）、図７−図１１の各（Ｄ）は導電膜を接地していない各図（Ｃ）の成膜用基板の断面を表している。
【００５６】
図７（Ａ）は、Ｓｉ基板やＳＯＩ基板などの基板２８（ウエハ）の表面に絶縁膜４６を形成し、絶縁膜４６の上に導電膜３８を形成した本発明の実施形態１による成膜用基板４７を示す。成膜用基板４７の導電膜３８は、基板２８の外周部に形成された接地導体部４８と、複数個の電極部４９と、各電極部４９を接地導体部４８と導通させる配線部５０によって構成されている。導電膜３８は、グランドに接続される。図７（Ｂ）は、図７（Ａ）に示す成膜用基板４７の一部を示す断面図である。図７（Ｂ）においては、配線部５０の厚みは電極部４９の厚みよりも薄くなっているが、これは電極部４９の領域と配線部５０の領域を図面上で区別しやすくするためであって、実際は同じ厚みでもよい。
【００５７】
図７（Ｃ）は、Ｓｉ基板やＳＯＩ基板などの基板２８（ウエハ）の表面に絶縁膜４６を形成し、絶縁膜４６の上に導電膜３８を形成した比較例１による成膜用基板５１を示す。成膜用基板５１の導電膜３８は、複数個の電極部５２からなり、各電極部５２は電気的に互いに独立している。また、導電膜３８（各電極部４９）は接地されていない。図７（Ｄ）は、図７（Ｃ）に示す成膜用基板５１の一部を示す断面図である。
【００５８】
図４に示したマグネトロンスパッタリング装置１０１に図７（Ａ）の成膜用基板４７又は図７（Ｃ）の成膜用基板５１をセットし、マグネトロンスパッタリング装置１０１により成膜する場合を考える。成膜を開始すると、図７（Ｂ）、（Ｄ）に示すように、いずれの成膜用基板４７、５１の場合もターゲットから叩き出されたスパッタ粒子５３（ＺｎＯ）が成膜用基板４７、５１に入射する。入射したスパッタ粒子５３は、成膜用基板４７、５１の表面に着床し、スパッタ粒子５３同士が次第に結合して薄膜成長していき、図８（Ａ）、（Ｂ）又は図８（Ｃ）、（Ｄ）のように成膜用基板４７、５１の表面はＺｎＯ薄膜５４で覆われる。
【００５９】
こうしてＺｎＯ薄膜５４が成長する過程においては、図９（Ｂ）、（Ｄ）に示すように成膜用基板４７、５１に酸素イオン５５も照射されるので、前記のボンバードメント効果によってＺｎＯ結晶のｃ軸配向が阻害され、成膜用基板４７、５１の表面にＺｎＯ薄膜５４が成長していく。
【００６０】
酸素イオン５５の照射によってＺｎＯ薄膜５４の配向が制御される一方、いずれの成膜用基板４７、５１の場合も照射された酸素イオン５５によって、表面に電荷が蓄積されていく。また、電離した電子なども成膜用基板４７、５１の表面に付着する。その結果、図１０（Ａ）、（Ｂ）又は図１０（Ｃ）、（Ｄ）に示すように、成膜用基板４７、５１には、負電荷５６が帯電する。
【００６１】
比較例１の成膜用基板５１の場合には、酸素イオン５５や電子などよる負電荷５６が表面に帯電しても、その負電荷５６を逃がすことができない。そのため比較例１の成膜用基板５１では、図１１（Ｃ）、（Ｄ）に示すように、表面に帯電した負電荷５６からの静電的な斥力によって酸素イオン５５が照射されにくくなり、十分なボンバードメント効果を得にくくなる。そのためイオン照射による配向制御が行われず、エネルギー的に安定なｃ軸配向のＺｎＯ薄膜５４が成長しやすくなる。
【００６２】
これに対し、本発明の実施形態１による成膜用基板４７では、導電膜３８がグランドに接続されているので、図１１（Ａ）、（Ｂ）に示すように、表面に付着した負電荷５６をグランドへ逃がすことができる。そのため、負電荷５６に妨げられることなく継続的に酸素イオン５５を照射することができ、ボンバードメント効果によって品質のよいｃ軸面内配向膜を得ることができる。
【００６３】
実施形態１の成膜用基板４７の表面のうち導電膜３８の形成されている領域では、上記のように帯電した負電荷５６をグランドへ逃がすことができる。これに対し、導電膜３８が形成されておらず絶縁膜４６が導電膜３８から露出している領域では、図１２（Ａ）、（Ｂ）に示すように、負電荷５６をグランドへ逃がすことができない。しかし、絶縁膜４６の領域に負電荷５６が残っていても、酸素イオンビーム照射によるボンバードメント効果は導電膜３８の縁から絶縁膜４６へ数ｍｍはみ出した領域でも効果がある。よって、グランドに接続された導電膜３８が近傍にあれば、絶縁膜４６の上にもＺｎＯ薄膜５４をｃ軸面内配向させることができる。したがって、導電膜３８のパターニング形状を工夫することによって絶縁膜４６の上でもＺｎＯ薄膜５４をｃ軸面内配向させることが可能になり、成膜用基板４７のほぼ全体にＺｎＯ薄膜５４をｃ軸面内配向させることが可能になる。
【００６４】
また、本発明の実施形態１による薄膜製造方法では、酸素イオンの照射によってＺｎＯ薄膜を配向制御しているので、適切な酸素イオンが照射されればよく、エピタキシャル成長法のように基板の種類を選ばない。よって、任意の基板、特にＳｉ基板などの安価な基板を用いることができる。また、表面に絶縁膜や導電膜が形成されていても適用することができる。たとえば、基板としては、Ｓｉ以外の半導体基板、単結晶基板、金属基板、合金基板、セラミック基板、プラスチック基板なども使用できる。
【００６５】
さらに、特許文献１や特許文献２のような方法では、大口径ウエハあるいは大きなサイズの基板にＺｎＯ薄膜を均一にｃ軸面内配向させることが困難であるが、本発明の実施形態１の薄膜製造方法によれば大口径ウエハや大きなサイズの基板のほぼ全面でＺｎＯ薄膜をｃ軸面内配向させることができる。これは、以下のような理由による。
【００６６】
特許文献２では、エネルギーの高いスパッタ粒子（ＺｎＯ）を基板に入射させることによって基板上のｃ軸配向したＺｎＯ結晶を損傷させ、基板上にｃ軸面内配向のＺｎＯ結晶を優先的に成長させると記載されている。しかし、近年の研究によれば、ｃ軸配向したＺｎＯ薄膜を叩いて損傷しているのは、スパッタ粒子ではなく、酸素イオンであることが分かっている。したがって、基板が酸素イオンや電子などの負電荷によって帯電すると、イオン照射が妨げられ、ボンバードメント効果が阻害されることになる。図１３（Ａ）に示すように、基板６２が小さい場合には、基板ホルダー６１が接地されていれば、基板６２の表面が帯電していても基板ホルダー６１におけるボンバードメント効果が基板６２内にまで及ぶので、基板６２の全体でＺｎＯ薄膜６３をｃ軸面内配向させることが可能である。しかし、図１３（Ｂ）に示すように、基板６２が大面積になると、基板６２の表面が帯電した場合、基板ホルダー６１（基板６２の外側）におけるボンバードメント効果は基板６２の外周部にまでしか及ばず、基板６２の中心部ではｃ軸面内配向を得られなくなる。
【００６７】
特許文献１に記載された薄膜製造方法についても特許文献２の場合と同様であり、基板が大面積になると、基板の中心部ではＺｎＯ薄膜の結晶性が大幅に悪化する。
【００６８】
これに対し、本願の実施形態１による場合では、導電膜３８をグランドに接続しておくことにより、大口径のウエハや大きなサイズの基板の場合でも、基板全体でＺｎＯ薄膜をｃ軸面内配向させることができる。
【００６９】
次に、本発明の実施形態１のサンプル、比較例１のサンプル、比較例２のサンプルを作製し、Ｘ線回折実験（ＸＲＤ）によって配向性評価を行った結果を述べる。図１４（Ａ）、（Ｂ）及び（Ｃ）は本発明の実施形態１のサンプルを示している。図１４（Ａ）は、大口径の基板２８（ＳＯＩウエハ）の表面に絶縁膜４６（シリコン酸化膜）を形成し、その上に複数個の電極部４９（Ａｕ層）を設け、各電極部４９を配線部５０（Ａｕ層）によって接地導体部４８（Ａｕ層）に接続したものを表しており、実際のサンプルに近いものである。図１４（Ｂ）、（Ｃ）は、図１４（Ａ）のサンプルを模式的に表した平面図及び断面図である。図１５（Ａ）、（Ｂ）及び（Ｃ）は比較例１のサンプルを示している。図１５（Ａ）は、大口径の基板２８（ＳＯＩウエハ）の表面に絶縁膜４６（シリコン酸化膜）を形成し、その上に互いに独立した複数個の電極部５２（Ａｕ層）を設けたものを表しており、実際のサンプルに近いものである。図１５（Ｂ）、（Ｃ）は、図１５（Ａ）のサンプルを模式的に表した平面図及び断面図である。図１６（Ａ）、（Ｂ）及び（Ｃ）は比較例２のサンプルを示している。図１６（Ａ）は、大口径の基板２８（ＳＯＩウエハ）の表面に絶縁膜４６（シリコン酸化膜）を形成し、その上に互いに独立した複数個の電極部６６（Ａｕ層）を設け、電極部６６との間の絶縁性を保って電極部６６の周囲を接地導体部６７（Ａｕ層）で囲んだものを表しており、実際のサンプルに近いものである。図１６（Ｂ）、（Ｃ）は、図１６（Ａ）のサンプルを模式的に表した平面図及び断面図である。
【００７０】
図１７は、図４に示したマグネトロンスパッタリング装置を用いて、図１５に示す比較例１のサンプルの表面にＺｎＯ薄膜を形成した場合のＸ線回折強度を示す。図１７の細線で表したグラフは、電極部５２の上に形成されたＺｎＯ薄膜のＸ線回折強度を示す。図１７の太線で表したグラフは、絶縁膜４６の上に形成されたＺｎＯ薄膜のＸ線回折強度を示す。比較例１のサンプルの場合には、電極部５２の上でも絶縁膜４６の上でも、ｃ軸面内配向の回折角２θ＝５６.６°、２θ＝３１.８°の位置にはＸ線回折強度のピークは見られず、ｃ軸配向の回折角２θ＝３４.４°の位置に大きなピークが見られる。よって、このようなサンプルを用いた場合には、ＺｎＯ薄膜は基板のほぼ全体でｃ軸配向する。
【００７１】
図１８は、図４に示したマグネトロンスパッタリング装置を用いて、図１６に示す比較例２のサンプルの表面にＺｎＯ薄膜を形成した場合のＸ線回折強度を示す。図１８の細線で表したグラフは、グランドに接地された接地導体部６７の上に形成されたＺｎＯ薄膜のＸ線回折強度を示す。図１８の太線で表したグラフは、電極部６６（グランドにつながっていない。）の上に形成されたＺｎＯ薄膜のＸ線回折強度を示す。比較例２のサンプルの場合には、電極部６６の上では、ｃ軸面内配向の回折角２θ＝５６.６°、２θ＝３１.８°の位置にはＸ線回折強度のピークは見られず、ｃ軸配向の回折角２θ＝３４.４°の位置に大きなピークが見られる。よって、このようなサンプルを用いた場合には、電極部６６の上に成膜されたＺｎＯ薄膜は基板のほぼ全体でｃ軸配向している。これに対し、接地導体部６７の上では、ｃ軸配向の回折角２θ＝３４.４°の位置にはＸ線回折強度のピークは見られず、ｃ軸面内配向の回折角２θ＝５６.６°の位置にＸ線回折強度の大きなピークが発生する。よって、このようなサンプルを用いた場合には、電極部６６の上に成膜されたＺｎＯ薄膜はｃ軸配向するが、接地導体部６７の上に成膜されたＺｎＯ薄膜はｃ軸面内配向する。すなわち、ｃ軸面内配向膜を得るためにはグランドに接地されているという要件が必要である。故に、比較例２の条件のサンプルでは、基板全体でｃ軸面内配向させることはできない。
【００７２】
図１９は、図１４に示す実施形態１のサンプルの接地導体部４８をグランドに接続しておき、図４に示したマグネトロンスパッタリング装置を用いて、図１４に示す実施形態１のサンプルの表面にＺｎＯ薄膜を形成した場合のＸ線回折強度を示す。図１９の細線で表したグラフは、電極部４９の上に形成されたＺｎＯ薄膜のＸ線回折強度を示す。図１７の太線で表したグラフは、絶縁膜４６の上に形成されたＺｎＯ薄膜のＸ線回折強度を示す。実施形態１のサンプルの場合には、電極部４９の上でも絶縁膜４６の上でも、ｃ軸面内配向の回折角２θ＝５６.６°の位置にＸ線回折強度の大きなピークが発生している。よって、実施形態１のサンプルを用いた場合には、任意の基板を用いて基板のほぼ全体でＺｎＯ薄膜をｃ軸面内配向させることが可能になる。
【００７３】
図２０も、図４に示したマグネトロンスパッタリング装置を用いて、図１４に示す実施形態１のサンプルの表面にＺｎＯ薄膜を形成した場合のＸ線回折強度を示す。図２０の細線のグラフは、プラズマ電力１.７ｋＷ、基板表面温度２５０°という条件でＺｎＯ薄膜を成膜し、電極部４９の上に形成されたＺｎＯ薄膜のＸ線回折強度を測定したものである。また、図２０の太線のグラフは、プラズマ電力１.７ｋＷ、基板表面温度３００°という条件でＺｎＯ薄膜を成膜し、電極部４９の上に形成されたＺｎＯ薄膜のＸ線回折強度を測定したものである。基板表面温度２５０℃でＺｎＯ薄膜を成膜した場合には、電極部４９の上のＺｎ薄膜は、（１１−２０）面配向の回折角２θ＝５６.６°の位置に大きなピークを示し、（１０−１０）面配向の回折角２θ＝３１.８°では強度は小さくなっている。これに対し、基板表面温度３００℃でＺｎＯ薄膜を成膜した場合には、電極部４９の上のＺｎＯ薄膜は、（１０−１０）面配向の回折角２θ＝３１.８°の位置に大きなピークを示し、（１１−２０）面配向の回折角２θ＝５６.６°では強度は小さくなっている。このように成膜条件、特に基板表面温度を変化させることにより、ｃ軸面内配向のうちでも（１１−２０）面配向を優勢にするか、（１０−１０）面配向を優勢にするか、あるいは両配向をほぼ均等にするかをコントロールできる。
【００７４】
（実施形態２）
図２１は、本発明の実施形態２による薄膜製造方法を実施するためのマグネトロンスパッタリング装置１０２の構造を示す概略断面図である。実施形態２のマグネトロンスパッタリング装置１０２では、基板２８の導電膜３８は、直流のバイアス用電源８１を介してグランドに接続されている。バイアス用電源８１は、導電膜３８が正電位となる向きに接続されている。
【００７５】
この実施形態によれば、導電膜３８が正電位になっているので、酸素イオン５５が導電膜３８に引き付けられ、導電膜３８に照射される酸素イオン５５が加速される。よって、酸素イオン５５によるボンバードメント効果を増強することができ、ＺｎＯ薄膜５４のｃ軸面内配向性を向上できる。
【００７６】
また、直流のバイアス電源に代えて交流のバイアス電源を用いてもよい。交流のバイアス電源であっても、周期的に酸素イオン５５を導電膜３８に引き付けて導電膜３８への入射速度を大きくできるので、酸素イオン５５によるボンバードメント効果を増強することができ、ＺｎＯ薄膜５４のｃ軸面内配向性を向上できる可能性がある。
【００７７】
（実施形態３）
図２２は、本発明の実施形態３による薄膜製造方法を実施するためのマグネトロンスパッタリング装置１０３の構造を示す概略断面図である。実施形態３のマグネトロンスパッタリング装置１０３では、真空チャンバ２１の側面などに外付けのイオンガン８６（イオンビーム照射装置）を設置し、イオンガン８６からも基板２８に酸素イオンを照射させるようにしている。
【００７８】
この実施形態によれば、イオンガン８６によって基板２８に照射される酸素イオン５５の照射量を調整することができるので、酸素イオン５５によるボンバードメント効果を調節することができる。
【００７９】
（実施形態４）
図２３（Ａ）及び（Ｂ）は、本発明の実施形態４による薄膜素子１０４を示す平面図及び断面図である。この薄膜素子１０４は本発明の薄膜製造方法により成膜されたＺｎＯ薄膜を備えており、たとえば薄膜圧電共振器などとして用いられるものである。
【００８０】
この薄膜素子１０４は、図２３（Ａ）及び（Ｂ）に示すような構造を有している。Ｓｉ基板やＳＯＩ基板などの基板２８の表面にはＳｉ酸化膜などからなる絶縁膜４６が形成されている。絶縁膜４６上にはＡｕなどの下面電極９２が形成されており、下面電極９２から延びたリード９３の先端にはパッド部９４が設けられている。下面電極９２の上面には、本発明の薄膜製造方法により成膜されたｃ軸面内配向のＺｎＯ薄膜５４が設けられている。ＺｎＯ薄膜５４は下面電極９２よりも少し大きなサイズを有している。従って、ＺｎＯ薄膜５４の外周部は下面電極９２よりも外にはみ出ていて絶縁膜４６の上に成膜されている。ＺｎＯ薄膜５４の上面には、ＺｎＯ薄膜５４よりも少し小さなサイズの上面電極９５が設けられており、上面電極９５からはＺｎＯ薄膜５４の側面及び絶縁膜４６の表面に沿ってリード９６が延びており、リード９６の先端にはパッド部９７が設けられている。また、下面電極９２、ＺｎＯ薄膜５４及び上面電極が積層された領域の下方においては、基板２８に上下に貫通するテーパー状の貫通孔９９が開口されている。
【００８１】
ＺｎＯ薄膜５４が下面電極９２よりも大きなサイズを有していて下面電極９２の周囲からはみ出ているのは、同じサイズであると上面電極９５から出ているリード９６が下面電極９２に接触して短絡するおそれがあるためである。このようにＺｎＯ薄膜５４が下面電極９２からはみ出ていても、ＺｎＯ薄膜５４を成膜する際に下面電極９２がグランドに接続されていれば、下面電極９２の上面に形成された領域はもちろん絶縁膜４６の上面に形成された外周領域でも良好なｃ軸面内配向膜を得ることができる。
【００８２】
なお、上記実施形態においては六方晶系のＺｎＯ結晶をｃ軸面内配向させる場合について説明したが、本発明はＺｎＯ以外の六方晶系の結晶にも適用することができる。たとえば、六方晶系酸化物、六方晶系窒化物、六方晶系硫化物、六方晶系硼化物などにも適用できる。
【００８３】
さらに、実施形態１における作用効果の説明からも分かるように、本発明の薄膜製造方法によれば、成膜面を上面の方向から見て原子密度の大きな配向で薄膜が成長するのを抑制することができるので、対象とする結晶は六方晶系の結晶に限らない。たとえば、正方晶系酸化物、正方晶系窒化物、正方晶系硫化物、正方晶系硼化物、斜方晶系酸化物、斜方晶系窒化物、斜方晶系硫化物、斜方晶系硼化物などにも本発明の薄膜製造方法を適用できる。
【００８４】
また、薄膜素子に用いる機能性薄膜としては、圧電性薄膜、光導電性薄膜（受光素子や太陽電池用）、超伝導性薄膜（たとえば、ペロブスカイト構造の酸化物超伝導体）などを用いることができる。
【００８５】
また、成膜方法としても、スパッタ法のほかに、蒸着法、イオンアシスト蒸着法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、ＣＶＤ法などを用いることができる。
【符号の説明】
【００８６】
２２      ターゲット
２３      マグネトロン回路
２７      基板ホルダ
２８      基板
３８      導電膜
３９      エロージョン領域
４２      接地配線
４３      接地配線
４５      ＺｎＯ結晶
４６      絶縁膜
４７      成膜用基板
４８      接地導体部
４９      電極部
５０      配線部
５３      スパッタ粒子
５４      ＺｎＯ薄膜
５５      酸素イオン
５６      負電荷
７１      遮蔽板
８１      バイアス用電源
８６      外付けのイオンガン
９２      下面電極
９５      上面電極
１０１−１０３      マグネトロンスパッタリング装置
１０４      薄膜素子
【図１】
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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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２】
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