(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
スパッタリング装置において、ターゲットに対して平行に基板を取り付ける基板電極と、この基板電極とターゲットとの間に長辺が基板に対して平行に、かつ、短辺が垂直に配置される複数枚（ｎ枚）の矩形電極板からなる補助電極と、補助電極と基板電極との間に複数枚（ｎ−１枚）の帯状マスクとが組み込まれ、帯状マスクは、補助電極の隣合う２枚１組からなる電極対の間の中央線上毎に、かつ、補助電極の上端上方に、補助電極と電気的に絶縁されて配設され、基板電極と補助電極に直流バイアス電圧が印加されて基板表面に結晶配向膜が成膜されることを特徴とする結晶配向膜製造装置。
【請求項２】
請求項１の装置において、基板電極には、ターゲットに対して上下方向に垂直移動させる上下移動機構、もしくはこの上下移動機構とともに水平方向に平行移動させる水平移動機構とが備えられていることを特徴とする結晶配向膜製造装置。
【請求項３】
請求項１の装置において、補助電極の水平方向への移動機構が備えられていることを特徴とする結晶配向膜製造装置。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかの装置により結晶配向膜をスパッタリング成膜することを特徴とする結晶配向膜の製造方法。
【請求項５】
請求項４の方法において、成膜途中に基板電極または補助電極のいずれかの水平移動機構により基板を両電極に対して相対的に水平移動させて成膜を続けることにより、ａ、ｂ、及びｃの３軸が配向した薄膜を基板全面に製造させることを特徴とする結晶配向膜の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、結晶配向膜製造装置とこの装置を用いた結晶配向膜の製造方法に関するものである。さらに詳しくは、この発明は、スパッタリング装置を用いてスパッタリング成膜する際に、方向の揃った陽イオン流速を加速して斜入射させることにより、結晶配向が重要な圧電膜、強誘電膜、磁性体薄膜などの機能性薄膜や金属基板上に超伝導薄膜などをエピタキシャル成長させるためのバッファー層用薄膜の製造などに好適に用いることのできる、３軸配向した薄膜等を効率よく安価に、また低温においても製造することのできる、新しい結晶配向膜製造装置とこれを用いての結晶配向膜製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術とその課題】
近年の超精密技術、超微細技術の進展とともに、機能性薄膜技術は長足の進歩を遂げている。このような進歩は、いわゆるエピタキシー技術に代表されるように薄膜の結晶配向構造の制御技術の発展によって支えられてもいる。
このような結晶配向膜の製造においては、金属などの電気伝導性で多結晶体やアモルファス体を基板とし、その基板上に、結晶配向を制御しながら薄膜を成長させ、優れた電磁気的・光学的・機械的・化学的特性や新しい機能を有する薄膜を提供することが目的とされている。
【０００３】
しかしながら、従来より、多結晶体やアモルファス体からなる導電性基板上に配向性膜を製造する場合には、例えばＺｎＯやＡｌＮ等のｃ軸配向圧電膜などのようなｃ軸配向多結晶膜のように、１軸方向のみに配向した薄膜の製造が主なものとなっており、３軸配向の薄膜を製造することは非常に困難であった。また、単結晶的に３軸配向した薄膜を得るためには、多結晶体やアモルファス体ではなく、単結晶体の基板を用い、エピタキシー技術によって、あるいは、基板表面にパターニング技術で微細なステップ加工を施して単結晶膜を成長させるグラフォエピタキシー技術によって成膜する方法が知られているが、この方法では、単結晶的に３軸配向した薄膜を多結晶体やアモルファス体基板上に成膜させることはほとんど不可能であった。
【０００４】
このような状況において、１９９１年にフジクラのIijima等によって、デュアルイオンビームスパッタ法と同様のイオンビームアシストデポジション法により多結晶金属基板上にＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）薄膜を３軸配向させたことが報告されてもいる（Y. Iijima, et al: Appl. Phys. Lett. ６０（１９９２）Ｐ．７６９）。
【０００５】
さらに、１９９２年には、 Reade等が、レーザー蒸着にイオンビームアシスト銃を使用して同様の結果を得ている。
しかしながら、これらの報告に見られる成膜法では、デュアルイオンビームのような高価な成膜装置の使用が必須であって、より簡便に、しかも安価な汎用装置によって結晶配向を制御することは依然として不可能であった。
【０００６】
そこで、このような従来技術の欠点を克服するために、この発明の発明者らは新しい結晶配向膜製造装置をすでに提案している（たとえば特願平４−３２２３１８号、特願平５−２３９５１２号）。新しく提案された結晶配向膜製造装置では、スパッタリング装置に、特徴のある構造で電極が組み込まれており、この電極に印加されているバイアス電圧により形成されるプラズマ空間において荷電粒子群を成長膜面に斜入射させることにより多結晶体やアモルファス体基板表面に３軸配向した薄膜を製造することを可能としている。
【０００７】
そして、この装置により、従来の高価な成膜装置を用いずに、安価、かつ、簡便に、特性の優れた配向性薄膜を得ることを可能としている。
しかしながら、その後の検討により、この新しい結晶配向膜製造装置にもその特徴を生かすためにもさらに改善すべき点が存在することがわかってきた。それと言うのも、従来のデュアルイオンビームやイオンビームアシスト銃等を用いた装置に比べると、この結晶配向膜製造装置は小さく、形状も簡易で安価であるが、まだ、その装置に用いられている電極の構造などについては、装置の小型化や成膜特性の向上等の点において改良できることが明らかになってきたからである。
【０００８】
そこで、この発明は、以上の通りの背景を踏まえて、デュアルイオンビームのような高価な成膜装置を用いることなく、小さく安価で汎用性の優れた装置であって、多結晶体、アモルファス体基板上に軸配向の薄膜を効率よく製造することのできる、さらに新しい結晶配向膜製造装置とこれを用いた方法を提供することを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
この発明は、上記の課題を解決するものとして、スパッタリング装置において、ターゲットに対して平行に基板を取り付ける基板電極と、この基板電極とターゲットとの間に長辺が基板に対して平行に、かつ、短辺が垂直に配置される複数枚（ｎ枚）の矩形電極板からなる補助電極と、補助電極と基板電極との間に複数枚（ｎ−１枚）の帯状マスクとが組み込まれ、帯状マスクは、補助電極の隣合う２枚１組からなる電極対の間の中央線上毎に、かつ、補助電極の上端上方に、補助電極と電気的に絶縁されて配設され、基板電極と補助電極に直流バイアス電圧が印加されて基板表面に結晶配向膜が成膜されることを特徴とする結晶配向膜製造装置（請求項１）を提供する。
【００１０】
また、この発明は、上記の装置において、基板電極には、ターゲットに対して上下方向に垂直移動させる上下移動機構、もしくはこの上下移動機構とともに水平方向に平行移動させる水平移動機構が備えられていること（請求項２）、補助電極の水平方向への移動機構が備えられていること（請求項３）等もその態様としている。
【００１１】
さらにまた、この発明は、上記の装置により結晶配向膜をスパッタリング成膜することを特徴とする結晶配向膜の製造方法（請求項４）とともに、その態様の一つとして、成膜途中に基板電極または補助電極のいずれかの水平移動機構により基板を両電極に対して相対的に水平移動させて成膜を続けることにより、ａ、ｂ、及びｃの３軸が配向した薄膜を基板全面に製造させる方法（請求項５）等も提供する。
【００１２】
【発明の実施の形態】
この発明の結晶配向膜製造装置は、上記の通り、スパッタリング装置に基板電極と補助電極と帯状マスクとから成る電極が組み込まれた構造を有しているが、このようなこの発明の構造としては、たとえば図１および図２に例示したものとすることができる。図１は、装置の要部斜視図であり、図２はその正断面図である。
【００１３】
たとえばこの図１および図２に例示したように、この発明の結晶配向膜の製造装置では、スパッタリング装置として、ターゲット（１）に対して平行に基板（２）を取付ける基板電極（３）と、この基板電極（３）とターゲット（１）との間に配置する複数枚（ｎ枚）の矩形電極板（４）からなる補助電極と、この矩形電極板（４）と基板電極（３）との間に複数枚（ｎ−１枚）の帯状マスク（５）とが備えられている。
【００１４】
また、基板電極（３）には、上下方向または水平方向もしくは両方向にこれを移動させる移動機構が設けられ、補助電極としての矩形電極板（４）についても、その水平移動機構が設けられてもいる。
さらに詳しく例示説明すると、スパッタターゲット（１）の上方には、矩形電極板（４）が複数枚、互いにたとえば１５〜２０ｍｍ程度の間隔（Ｓ）で並列に、ターゲット（１）に対してその短辺が垂直に長辺が水平に配設されており、その枚数は、基板（２）の面積、ターゲット（１）の大きさ、および各電極板の間隔（Ｓ）等により適宜に決めることができる。これらの矩形電極板（４）の複数枚により補助電極が形成される。そして、補助電極の上方には、複数の帯状のマスク（５）が、補助電極の隣り合う２枚１組から成る電極対の間の中央線上毎に、かつ、補助電極の矩形電極板（４）の上端からたとえば３ｍｍ程度上方に、補助電極と電気的に絶縁されて組み込まれる。帯状マスク（５）の上方には、基板（２）を装着する基板電極（３）が、帯状マスク（５）の水平面からたとえば１〜３ｍｍ程度上方に、帯状マスク（５）に対して水平に組み込まれる。この基板電極（３）には、上下移動機構を備えることで、帯状マスク（５）との間隔を任意に調整できるようにすることができる。さらにこの基板電極（３）と補助電極の矩形電極板（４）には、それぞれ直流バイアス電圧が印加される。
【００１５】
このような構造を有するこの発明の結晶配向膜製造装置では、たとえばまず、基板電極（３）に基板（２）を取り付ける。そして、基板電極（３）と補助電極の矩形電極板（４）に直流電力を印加する。成膜を開始する前に、基板電極（３）と補助電極の矩形電極板（４）間のシャッタを閉じた状態にして、ターゲット（１）面をプリスパッタによりクリーニングしておく。その後、シャッタを開け、基板電極（３）を上下移動機構により移動させて帯状マスク（５）の上方の任意の位置に保持し、成膜を開始する。成膜開始から一定時間後に、必要に応じて基板電極（３）もしくは補助電極の矩形電極板（４）に備わっている水平移動機構により電極間隔（Ｓ）の１／２の距離だけ水平移動させて、引き続き成膜を行う。たとえばこのようにすることで基板表面に３軸配向した薄膜を成長させることができる。
【００１６】
ここで、補助電極を構成する矩形電極板（４）の短辺をたとえば１５〜２５ｍｍ程度、および各矩形電極板（４）の間隔を１５〜２０ｍｍ程度とし、両電極に直流電圧を印加すると、基板電極（３）と補助電極の矩形電極板（４）とにより形成されるプラズマ空間に高密度のプラズマを生成させ、かつスパッタリングのためのＡｒ+ イオン等を一方向にそろえて斜めに引き出すために適した電界分布を形成することができる。
【００１７】
また、帯状マスク（５）の設置位置を補助電極の矩形電極板（４）の上端からたとえば３ｍｍ程度上方とすることにより、Ａｒ+ イオンが基板（２）面に垂直入射してしまって面内配向の生じない領域での膜成長を避けることができる。
また、成膜中に、基板電極もしくは補助電極の矩形電極板（４）を水平方向に平行移動させることにより、基板（２）表面の全域にわたって良質の薄膜を成長させることができる。
【００１８】
もちろん、上記の装置構成における寸法数値は限定的なものでない。これらの数値条件は、基板（２）、ターゲット（１）の種類や大きさにより当然に適宜なものとして決められることになる。
また、基板としては、電気伝導性の金属等のうちの各種のものが選択されることになる。
【００１９】
以下、実施例を示し、さらに詳しくこの発明の実施の形態について説明する。もちろんこの発明は以下の例によって限定されるものではない。
【００２０】
【実施例】
（実施例１）
ハステロイ板上に３軸配向のＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニウム）薄膜を成膜した。
図１および図２の装置を用いた。薄膜を成膜させる基板（２）としては、寸法４０×４０ｍｍ（横×縦）のハステロイ板を用い、電極基板（３）の基板取付面に取り付ける。補助電極は、矩形電極板（４）が平列に配設された構造となっている。帯状マスク（５）は、幅４ｍｍのＺｒ製のものを補助電極を構成する矩形電極板（４）それぞれの間の各中央線上に、かつ、その矩形電極板（４）の上方に、これと電気的に絶縁された状態で配設されている。ターゲット（１）には、１００φの８ｍｏｌ％ＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）を用いる。スパッタガスとしては、Ａｒ−２％Ｏ2 を圧力２×１０-3Ｔｏｒｒで用いる。成膜前に、基板電極（３）と補助電極としての矩形電極板（４）間のシャッタを閉じた状態にしたまま、基板電極（３）と補助電極としての矩形電極板（４）に直流電圧を印加し、さらにターゲット面（１）をプリスパッタによりクリーニングしておく。その後、シャッタを開け、基板電極（３）をその上下移動機構により下降させて、基板電極（３）と帯状マスク（５）との間隔を調整して、成膜を開始する。この成膜時には、基板電極（３）と補助電極としての矩形電極板（４）に負バイアスの直流電圧−２００Ｖを印加し、ＹＳＺターゲット（１）に高周波電圧を５０〜２５０Ｗ投入する。成膜開始から２時間後に、基板（２）を基板電極（３）の水平移動機構により、１０ｍｍ水平方向に移動させて、引き続き２時間成膜を行う。
【００２１】
このようにしてハステロイ基板（２）に成膜されたＹＳＺ薄膜をＸ線θ−２θスキャン、極点図、φ−スキャンの測定をした。これらの測定結果より、成膜されたＹＳＺ薄膜は、ハステロイ基板全面にｃ軸（２００）配向およびａ−ｂ面内配向していることが確認された。また、この基板面内の配向度をφ−スキャンの半値巾から求めた。図３は、基板面内の配向度の分布を示したものである。この図３から明らかなように、成膜中において固定されていた基板に比べ、この発明の水平に移動されてた基板のほうが、基板面の全領域において配向度が均一なものとなっていることがわかる。つまり、成膜中に基板を水平移動させることにより基板全面に良質な面内配向の薄膜を得る。
【００２２】
以上のように、ハステロイ基板全面に３軸配向したＹＳＺ薄膜を得る。
【００２３】
【発明の効果】
以上詳しく説明した通り、この発明の装置によって、膜成長の優先方位配列（Bravais の経験則）によらない特異な方位配列を持ち、またｃ軸に強く配向すると同時にａ−ｂ面内にも配向した、つまり３軸配向した単結晶的な薄膜を基板全面に得ることができる。またさらに、イオン照射効果により低温成膜条件においても結晶性のよい薄膜を得ることができる。
【００２４】
なお、たとえば酸化物超伝導体薄膜をマイクロ波デバイス等に応用する場合には、大型の基板を安価に得ることができ、かつ、誘電率が低く、等方的な多結晶体やアモルファス基板上に高い臨界電流密度を有する良質の超伝導薄膜を成長させることができる成膜技術が要求されている。しかしながら、従来一般には、酸化物超伝導体を多結晶基板上に気相成膜する場合、ｃ軸方向の一軸のみへの配向は比較的容易に基板に垂直に配向させることにより達成できるが、基板面内のａ、ｂ両面にも配向させることは容易でない。その結果、基板面内には結晶軸が無秩序になり、結晶粒間に大きな傾きの粒界が形成されてしまうため、膜に通電することのできる臨界電流が低く抑えられてしまう。
【００２５】
この問題を解決する一つの方法は、この発明により与えられる。すなわち、超伝導膜との界面反応を抑えることのできるＹＳＺ膜などの薄膜を予め金属等の導電体基板上にバッファー層として面内配向させて成長させておき、その上に超伝導膜をエピタキシャル成長させることにより解決することができる。
そして、この発明は、通常のスパッタ装置に簡単な電極構造を組み込むだけで、高価なイオン銃、高真空排気系などの使用を必要としないため、高効率かつ簡便で安価に導電体基板に３軸配向した薄膜を作製できるという点で、従来の成膜装置に比べてはるかに優れている。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施例である結晶配向膜製造装置を例示した要部斜視図である。
【図２】図１に対応する正断面図である。
【図３】ハステロイ基板面内の配向度の分布を示した図である。
【符号の説明】
１  ターゲット
２  基板
３  基板電極
４  矩形電極板
５  帯状マスク
【図１】
0003780297.tif 000002
【図２】
0003780297.tif 000003
【図３】
0003780297.tif 000004