(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
単結晶基板上に、
この単結晶基板とは異なる物質からなるエピタキシャル薄膜を、エピタキシャル成長可能な第１の温度でエピタキシャル成長させる、第１の工程と、
上記単結晶基板とエピタキシャル薄膜との界面に転位が導入される第２の温度で熱処理する、第２の工程とから成り、
上記第２の工程において、上記転位を上記界面に固定し、上記エピタキシャル薄膜を上記物質のバルクの格子定数に同等な面内格子定数とし且つその表面を原子レベルで平坦にすることを特徴とする、面内格子定数調整基板の作製方法。
【請求項２】
前記界面に転位が導入される第２の温度は、前記第１の温度よりも高温で且つ前記単結晶基板及びエピタキシャル薄膜の融点温度の内のいずれか低い融点温度未満の温度であることを特徴とする、請求項１に記載の面内格子定数調整基板の作製方法。
【請求項３】
前記単結晶基板及び前記物質は酸化物であることを特徴とする、請求項１に記載の面内格子定数調整基板の作製方法。
【請求項４】
前記酸化物の単結晶基板はＳｒＴｉＯ3 であり、前記酸化物の物質はＢａＴｉＯ3 であることを特徴とする、請求項３に記載の面内格子定数調整基板の作製方法。
【請求項５】
単結晶基板上に、
この単結晶基板とは異なる第１の物質からなるエピタキシャル薄膜を、エピタキシャル成長可能な第１の所定の温度で且つ第１の所定の厚さでエピタキシャル成長させる、第１の工程と、
上記第１の物質からなるエピタキシャル薄膜上に、上記第１の物質と該第１の物質と固溶体を形成する他の物質とを所定の成分比で含む第２の物質からなるエピタキシャル薄膜を、エピタキシャル成長可能な上記第１の所定の温度で且つ第２の所定の厚さでエピタキシャル成長させる、第２の工程と、
上記第１の物質からなるエピタキシャル薄膜と第２の物質からなるエピタキシャル薄膜を成長させた上記単結晶基板を第２の所定の温度で熱処理する、第３の工程とからなり、 上記第１の工程において上記第１の所定の厚さと、上記第２の工程において上記所定の成分比及び上記第２の所定の厚さとを選択し、
上記第３の工程において、上記第１の物質からなるエピタキシャル薄膜と第２の物質からなるエピタキシャル薄膜との界面及び上記単結晶基板面に転位を固定するか、又は、上記単結晶基板面のみに転位を固定し、上記第２のエピタキシャル薄膜を上記第２の物質のバルクの格子定数に同等な面内格子定数とし且つその表面を原子レベルで平坦にすることを特徴とする、面内格子定数調整基板の作製方法。
【請求項６】
前記界面に転位が導入される第２の温度は、前記第１の温度より高く、且つ、前記単結晶基板、第１の物質からなるエピタキシャル薄膜及び第２の物質からなるエピタキシャル薄膜の融点温度の内、最も低い融点温度未満の温度であることを特徴とする、請求項５に記載の面内格子定数調整基板の作製方法。
【請求項７】
前記第１の所定の厚さと前記第２の所定の厚さは、第１の所定の厚さが第２の所定の厚さよりも薄いことを特徴とする、請求項５に記載の面内格子定数調整基板の作製方法。
【請求項８】
前記単結晶基板、第１の物質からなるエピタキシャル薄膜及び第２の物質からなるエピタキシャル薄膜は酸化物であることを特徴とする、請求項５に記載の面内格子定数調整基板の作製方法。
【請求項９】
前記酸化物の単結晶基板はＳｒＴｉＯ3 であり、前記酸化物の第１の物質からなるエピタキシャル薄膜はＢａＴｉＯ3 であり、前記酸化物の第２の物質からなるエピタキシャル薄膜はＢａx Ｓｒ1-x ＴｉＯ3 （但しｘは組成比）であることを特徴とする、請求項８に記載の面内格子定数調整基板の作製方法。
【請求項１０】
単結晶基板と、
この単結晶基板上に形成された、単結晶基板とは異なる第１の物質からなるエピタキシャル薄膜と、を有し、
上記単結晶基板とエピタキシャル薄膜との界面にのみ転位が存在し、
上記エピタキシャル薄膜は上記第１の物質のバルクの格子定数に同等な面内格子定数を有し、且つ、
上記エピタキシャル薄膜の表面は原子レベルで平坦であることを特徴とする、面内格子定数調整基板。
【請求項１１】
単結晶基板と、
この単結晶基板上に形成された、単結晶基板とは異なる第１の物質からなり、且つ、第１の所定の厚さを有するエピタキシャル薄膜と、
この第１の物質からなるエピタキシャル薄膜上に、第１の物質と該第１の物質と固溶体を形成する他の物質とを所定の成分比で含む第２の物質からなり、且つ、第２の所定の厚さを有するエピタキシャル薄膜と、を有し、
上記単結晶基板と上記第１の物質からなるエピタキシャル薄膜との界面及び上記第１の物質からなるエピタキシャル薄膜と第２の物質からなるエピタキシャル薄膜との界面に転位が固定されているか、又は上記単結晶基板面のみに転位が固定されていて、
上記第２のエピタキシャル薄膜は上記第２の物質のバルクの格子定数に同等な面内格子定数を有し、且つ、
上記第２のエピタキシャル薄膜の表面は原子レベルで平坦であることを特徴とする、面内格子定数調整基板。
【請求項１２】
前記単結晶基板はＳｒＴｉＯ3 であり、前記第１の物質はＢａＴｉＯ3 であることを特徴とする請求項１０に記載の面内格子定数調整基板。
【請求項１３】
前記単結晶基板はＳｒＴｉＯ3 であり、前記第１の物質はＢａＴｉＯ3 であり、前記第２の物質は、Ｂａx Ｓｒ1-x ＴｉＯ3 （但しｘは組成比）であることを特徴とする、請求項１１に記載の面内格子定数調整基板。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、所望の面内格子定数を実現できる面内格子定数調整基板の作製方法及び面内格子定数調整基板に関する。
【０００２】
【従来の技術】
結晶基板上にエピタキシャル成長して形成される薄膜は、その結晶完全性によって特性が左右される。例えば、（Ｂａ、Ｓｒ）ＣｕＯ系等の酸化物超伝導体薄膜作製においては、基板上に酸化物超伝導層をエピタキシャル成長して積層するが、そのエピタキシャル成長した超伝導層の結晶欠陥密度、結晶配向性といった結晶完全性によって超伝導転移温度や臨界磁界が左右される。また、半導体集積回路にメモリー素子として用いられるエピタキシャルＢａＴｉＯ３薄膜も、結晶配向性によって大きく容量値が異なる。
従来、結晶完全性に優れた高品質の薄膜を得るために、薄膜の面内格子定数に近い面内格子定数を有する基板が使用されている。また、薄膜の面内格子定数に近い面内格子定数を有する基板が存在しない場合には、基板と薄膜の面内格子定数の中間の面内格子定数を有する物質をバッファ層として基板上に体積し、その上に薄膜を成長している。
しかしながら、面内格子定数が一致する基板は希れであり、存在していたとしても非常に脆かったり、コストが高かったりする。また、バッファ層を用いる場合でも完全に面内格子定数を一致できる場合は希である。
このように、従来は、完全に面内格子定数の一致する基板上に薄膜を成長できないために、薄膜中に基板との格子不整合に基づく転位が導入され易く、その結果、結晶欠陥密度が高く、結晶配向性が十分でない薄膜となり、高品質の特性が得られないといった課題があった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記課題に鑑み、基板の面内格子定数の調整方法及び面内格子定数調整基板を提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明の面内格子定数調整基板の作製方法は、単結晶基板上に、この単結晶基板とは異なる物質からなるエピタキシャル薄膜を、エピタキシャル成長可能な第１の温度でエピタキシャル成長させる第１の工程と、上記単結晶基板とエピタキシャル薄膜との界面に転位が導入される第２の温度で熱処理する第２の工程とから成り、第２の工程において、上記転位を上記界面に固定し、上記エピタキシャル薄膜を上記物質のバルクの格子定数に同等な面内格子定数とし且つその表面を原子レベルで平坦にすることを特徴とする。
第２の所定の温度は、好ましくは、第１の所定の温度よりも高温、かつ、基板及び第１のエピタキシャル薄膜の融点温度のうち、いずれか低い融点温度未満の温度である。
この構成によれば、第１の所定の温度で第１の物質を基板上にエピタキシャル成長することによって、第１のエピタキシャル薄膜が基板との面内格子定数の不整合に基づく歪みを有して基板上にエピタキシャル成長し、第２の所定の温度で熱処理することによって結晶基板とエピタキシャル薄膜との界面に転位が導入され、第１のエピタキシャル薄膜の面内格子定数は第１の物質のバルク結晶の格子定数に近い値に緩和する。転位は単結晶基板と第１のエピタキシャル薄膜の界面に固定され、エピタキシャル薄膜の表面は原子レベルで平坦になる。この表面に他の物質をエピタキシャル成長しても、転位は動かない。
【０００５】
本発明において、好ましくは、基板及び第１のエピタキシャル薄膜は酸化物である。また、基板はＳｒＴｉＯ3 結晶基板であり、第１のエピタキシャル薄膜はＢａＴｉＯ3 であることが好ましい。
この構成によれば、低コストかつ堅牢なＳｒＴｉＯ3 単結晶基板の面内格子定数をＢａＴｉＯ3 の面内格子定数に調整することができ、ＢａＴｉＯ3 の面内格子定数を必要とする用途において、脆く、かつ高コストのＢａＴｉＯ3 基板の代わりに用いることができる。例えば、高誘電率のＢａＴｉＯ3 コンデンサを低コストで製造することが可能である。
【０００６】
本発明の別態様による面内格子定数調整基板の作製方法は、単結晶基板上に、この単結晶基板とは異なる第１の物質からなるエピタキシャル薄膜を、エピタキシャル成長可能な第１の所定の温度で且つ第１の所定の厚さでエピタキシャル成長させる第１の工程と、第１の物質からなるエピタキシャル薄膜上に、第１の物質と該第１の物質と固溶体を形成する他の物質とを所定の成分比で含む第２の物質からなるエピタキシャル薄膜を、エピタキシャル成長可能な第１の所定の温度で且つ第２の所定の厚さでエピタキシャル成長させる第２の工程と、第１の物質からなるエピタキシャル薄膜と第２の物質からなるエピタキシャル薄膜を成長させた単結晶基板を第２の所定の温度で熱処理する第３の工程とからなり、第１の工程において第１の所定の厚さと、第２の工程において所定の成分比及び第２の所定の厚さとを選択し、第３の工程において、第１の物質からなるエピタキシャル薄膜と第２の物質からなるエピタキシャル薄膜との界面及び単結晶基板面に転位を固定するか、又は、単結晶基板面のみに転位を固定し、第２のエピタキシャル薄膜を第２の物質のバルクの格子定数に同等な面内格子定数とし且つその表面を原子レベルで平坦にすることを特徴とする。
界面に転位が導入される第２の温度は、第１の温度より高く、且つ、単結晶基板、第１の物質からなるエピタキシャル薄膜及び第２の物質からなるエピタキシャル薄膜の融点温度の内、最も低い融点温度未満の温度である。第１の所定の厚さと第２の所定の厚さは、第１の所定の厚さが第２の所定の厚さよりも薄いことが好ましい。
この構成によれば、第１の物質からなるエピタキシャル薄膜が、単結晶基板と第１の物質からなるエピタキシャル薄膜との面内格子定数の不整合に基づく歪みを有して単結晶基板上にエピタキシャル成長し、第２の物質からなるエピタキシャル薄膜が、第１の物質からなるエピタキシャル薄膜と第２の物質からなるエピタキシャル薄膜との面内格子定数の不整合に基づく歪みを有して第１の物質からなるエピタキシャル薄膜上にエピタキシャル成長し、第２の所定の温度で熱処理することによって、第１の物質からなるエピタキシャル薄膜と第２の物質からなるエピタキシャル薄膜との界面及び単結晶基板面に転位が導入されて固定されるか、又は、単結晶基板面のみに転位が導入されて固定され、第２の物質からなるエピタキシャル薄膜の面内格子定数を第２の物質からなるバルク結晶の格子定数に近い値に緩和すると共に、第２の物質からなるエピタキシャル薄膜の表面は原子レベルで平坦になる。この表面に他の物質をエピタキシャル成長しても、転位は動かない。
第１の工程において第１の所定の厚さと、第２の工程において所定の成分比及び第２の所定の厚さと、を選択することにより、所定の面内格子定数を有し、且つ、表面が原子レベルで平坦な基板を形成することができる。
【０００７】
好ましくは、単結晶基板、第１の物質からなるエピタキシャル薄膜及び第２の物質からなるエピタキシャル薄膜は酸化物である。酸化物の単結晶基板はＳｒＴｉＯ3 、酸化物の第１の物質からなるエピタキシャル薄膜はＢａＴｉＯ3 、酸化物の第２の物質からなるエピタキシャル薄膜はＢａx Ｓｒ1-x ＴｉＯ3 （但しｘは組成比）であれば好ましい。
この方法によれば、例えば、超伝導層と同一の面内格子定数を有する基板を形成できるから、極めて優れた品質の酸化物高温超伝導体薄膜が得られる。
【０００８】
本発明の面内格子定数調整基板は、単結晶基板と、単結晶基板上に形成された、単結晶基板とは異なる第１の物質からなるエピタキシャル薄膜と、を有し、単結晶基板とエピタキシャル薄膜との界面にのみ転位が存在し、エピタキシャル薄膜は第１の物質のバルクの格子定数に同等な面内格子定数を有し、且つ、エピタキシャル薄膜の表面は原子レベルで平坦であることを特徴とする。
単結晶基板はＳｒＴｉＯ3 であり、第１の物質はＢａＴｉＯ3 であれば好ましい。この構成の基板を用いれば、ＢａＴｉＯ3 基板を必要とする用途において、脆く、かつ高コストなＢａＴｉＯ3 基板の代わりに用いることができる。
【０００９】
また、本発明の面内格子定数調整基板は、単結晶基板と、単結晶基板上に形成された、単結晶基板とは異なる第１の物質からなり、且つ、第１の所定の厚さを有するエピタキシャル薄膜と、この第１の物質からなるエピタキシャル薄膜上に、第１の物質と該第１の物質と固溶体を形成する他の物質とを所定の成分比で含む第２の物質からなり、且つ、第２の所定の厚さを有するエピタキシャル薄膜と、を有し、単結晶基板と第１の物質からなるエピタキシャル薄膜との界面及び第１の物質からなるエピタキシャル薄膜と第２の物質からなるエピタキシャル薄膜との界面に転位が固定されているか、又は単結晶基板面のみに転位が固定されていて、第２のエピタキシャル薄膜は第２の物質のバルクの格子定数に同等な面内格子定数を有し、且つ、第２のエピタキシャル薄膜の表面は原子レベルで平坦であることを特徴とする。
また、単結晶基板はＳｒＴｉＯ3 であり、第１の物質はＢａＴｉＯ3 であり、第２の物質は、Ｂａx Ｓｒ1-x ＴｉＯ3 （但しｘは組成比）であれば好ましい。
この構成の基板を用いれば、この基板上に成長しようとする薄膜の面内格子定数に一致した基板を使用できるので、極めて高品質の薄膜を形成することができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づき本発明の実施の形態を詳細に説明する。
始めに本発明の第１の実施の形態を説明する。
図１は、本発明の第１の実施の形態の面内格子定数調整基板の作製原理を示す模式図である。
図１（ａ）は、基板１上に第１の物質からなる第１のエピタキシャル薄膜２を形成した後の基板１及び第１のエピタキシャル薄膜２の結晶格子の状態を、基板面３に垂直な断面で模式的に示す図であり、図の正方形及び長方形は基板１及び第１のエピタキシャル薄膜２の結晶格子を模式的に表している。
図１（ｂ）は、基板１上に第１のエピタキシャル薄膜２を形成した後に、第２の所定の温度で熱処理した後の基板１及び第１のエピタキシャル薄膜２の結晶格子の状態を基板面３に垂直な断面で示す図であり、図の正方形及び長方形は基板１及び第１のエピタキシャル薄膜２の結晶格子を模式的に表している。
【００１１】
本発明の面内格子定数調整基板の作製方法は、最初に、基板１上に第１の所定の温度で第１の物質を供給し、基板１上に第１の物質からなる第１のエピタキシャル薄膜２を成長させる。第１の所定の温度は、第１のエピタキシャル薄膜２が成長可能な温度であれば、低くても高くてもかまわない。第１の物質を基板１上にエピタキシャル成長させる方法は、ＭＯＣＶＤ法、ＣＶＤ法、あるいはレーザーアブレーション法等、エピタキシャル成長できる方法であればどのような方法でも良い。
エピタキシャル成長後においては、図１（ａ）に示すように、第１のエピタキシャル薄膜２の格子面と基板１の格子面とはほぼ連続しており、第１のエピタキシャル薄膜２の面内格子定数ａ1 は基板の面内格子定数ａs にほぼ等しく、また基板面３に垂直方向の格子定数も第１の物質のバルク状態の格子定数とは異なっており、第１のエピタキシャル薄膜２は、基板１とこの第１のエピタキシャル薄膜２の面内格子定数の不整合に基づく歪みを有して基板上にエピタキシャル成長する。
【００１２】
次に、第１のエピタキシャル薄膜２を成長した基板１を第２の所定の温度で熱処理する。第２の所定の温度は、上記の第１の所定の温度より高く、かつ、基板１の融点温度か、あるいは第１のエピタキシャル薄膜２の融点温度か、どちらか低い方の融点温度未満の温度である。
この熱処理後においては、図１（ｂ）に示すように、基板面３に転位４が導入され、第１のエピタキシャル薄膜２の歪みが緩和し、第１のエピタキシャル薄膜２の面内格子定数ａ1 は、第１の物質のバルク状態の格子定数にほぼ等しくなり、また、基板面３に垂直方向の格子定数も緩和され、バルク状態の格子定数にほぼ等しくなる。転位４は基板面３に固定され、第１のエピタキシャル薄膜２の表面５は原子レベルで平坦になる。第１のエピタキシャル薄膜２の表面５に他の物質をエピタキシャル成長しても転位４は動かない。
【００１３】
次に、本発明の第２の実施の形態を説明する。
図２は、本発明の第２の実施の形態の面内格子定数調整基板の作製原理を示す模式図である。
図２（ａ）は、基板１上に第１の物質からなる第１のエピタキシャル薄膜２を第１の所定の膜厚で形成し、第１のエピタキシャル薄膜２上に第２の物質からなる第２のエピタキシャル薄膜６を第２の所定の膜厚で形成した後の、基板１、第１のエピタキシャル薄膜２及び第２のエピタキシャル薄膜６の結晶格子の状態を、基板面３に垂直な断面で模式的に示す図であり、図の正方形及び長方形は、基板１、第１のエピタキシャル薄膜２及び第２のエピタキシャル薄膜６の結晶格子を模式的に表している。
図２（ｂ）は、基板１上に第１のエピタキシャル薄膜２及び第２のエピタキシャル薄膜６を形成し、第２の所定の温度で熱処理した後の基板１、第１のエピタキシャル薄膜２及び第２のエピタキシャル薄膜６の結晶格子の状態を基板面３に垂直な断面で示す模式図であり、図の正方形及び長方形は、基板１、第１のエピタキシャル薄膜２及び第２のエピタキシャル薄膜６の結晶格子を模式的に示している。
【００１４】
本発明の面内格子定数調整基板の作製方法は、最初に、基板１上に第１の所定の温度で第１の物質を供給し、基板１上に第１の所定の膜厚の第１のエピタキシャル薄膜２を成長させ、引き続いて第２の物質を供給し、第２の所定の膜厚の第２のエピタキシャル薄膜６をエピタキシャル成長させる。第１の所定の膜厚は、第２の所定の膜厚より十分薄くする。第２の物質は、第１の物質と固溶体を形成する他の物質を所定の成分比で含んでいる。
第１の所定の温度は、エピタキシャル成長可能な温度であれば、低くても高くてもかまわない。第１の物質及び第２の物質を基板上にエピタキシャル成長させる方法は、ＭＯＣＶＤ法、ＣＶＤ法、あるいはレーザーアブレーション法等、エピタキシャル成長できる方法であればどのような方法でも良い。
エピタキシャル成長後の状態は、図２（ａ）に示すように、基板１、第１のエピタキシャル薄膜２及び第２のエピタキシャル薄膜６の格子面は連続しており、第１エピタキシャル薄膜２及び第２のエピタキシャル薄膜６の面内格子定数ａ1 、ａ2 は基板１の面内格子定数ａs に等しく、第１のエピタキシャル薄膜２及び第２のエピタキシャル薄膜６は面内格子定数の不整合に基づく歪みを有して基板上にエピタキシャル成長する。
【００１５】
次に、第１のエピタキシャル薄膜２及び第２のエピタキシャル薄膜６を成長させた基板１を第２の所定の温度で熱処理する。第２の所定の温度は、上記の第１の所定の温度より高く、かつ、基板１、第１のエピタキシャル薄膜２及び第２のエピタキシャル薄膜６の融点温度の内、最も低い融点温度未満の温度である。
この熱処理後においては、図２（ｂ）に示すように、基板面３、及び第１のエピタキシャル薄膜２と第２のエピタキシャル薄膜６との界面７に転位４が導入され、あるいは、基板面３のみに転位４が導入されて、第１のエピタキシャル薄膜２及び第２のエピタキシャル薄膜６の面内格子定数は緩和する。第１の所定の膜厚が第２の所定の膜厚より十分薄いので、第１のエピタキシャル薄膜２及び第２のエピタキシャル薄膜６の面内格子定数は、第２の物質のバルク結晶の格子定数に近い値に緩和する。
第２の物質の成分比、すなわち、第１の物質と、第１の物質と固溶体を形成する他の物質との成分比に応じて面内格子定数ａ2 が変化する。基板面３に垂直方向の格子定数も緩和される。
また、転位４は、基板面３及び界面７、あるいは、基板面３に固定され、第２のエピタキシャル薄膜６の表面８は原子レベルで平坦になる。また、第２のエピタキシャル薄膜６上に他の物質をエピタキシャル成長しても転位は動かない。
このようにして本発明によれば、基板の面内格子定数を所望の値に調節できるから、エピタキシャル薄膜を使用するデバイス作製において、最適の面内格子定数を有する基板を提供することができる。
【００１６】
次に、第１の実施の形態に係る実施例を示す。
ＳｒＴｉＯ3 結晶基板の面内格子定数をＢａＴｉＯ3 の格子定数に調整した実施例を示す。
試料は、ＳｒＴｉＯ3 結晶基板上に、レーザーアブレーション法により、第１のエピタキシャル薄膜として、ＢａＴｉＯ3 エピタキシャル薄膜をエピタキシャル成長温度６５０℃で膜厚１２０Åに形成し、引き続き、同一真空槽内でレーザー加熱法により、約１３５０℃の温度で約１時間、熱処理を行って作製した。
図３は、基板表面、エピタキシャル薄膜表面及び熱処理後のエピタキシャル薄膜表面の走査型トンネル顕微鏡による像を示す図である。
【００１７】
図３（ａ）に示す原子レベルで平坦なＳｒＴｉＯ3 結晶基板上に、ＢａＴｉＯ3 エピタキシャル薄膜を成長させると、図３（ｂ）に示すように表面の凹凸が激しいＢａＴｉＯ3 エピタキシャル薄膜が形成される。熱処理を施すと図３（ｃ）に示すように原子レベルで平坦な表面が得られる。図３（ａ）及び（ｂ）の縦縞は、１分子層に相当する原子面のステップに相当し、縦縞間は同一原子面に相当する。
【００１８】
図４は、ＡＦＭ（原子間力顕微鏡）で測定した熱処理後の試料表面の像を示す図である。縦縞は、１分子層に相当する原子面のステップに相当し、縦縞間は同一原子面に相当する。
図３、図４から、ＢａＴｉＯ3 エピタキシャル薄膜の表面は原子レベルで平坦であることがわかる。
【００１９】
図５は、ＳｒＴｉＯ3 基板面にＢａＴｉＯ3 エピタキシャル薄膜を成長した後の試料の基板面に垂直方向のＴＥＭ（透過電子線回折顕微鏡）像を示す図である。図５（ａ）は、ＴＥＭ像であり、図の点は格子点に対応する。図５（ｂ）は図５（ａ）のＴＥＭ像を基に画像処理し、格子面の連続性を可視化した図である。
図５から、基板とエピタキシャル薄膜の格子面はほとんど連続しており、エピタキシャル薄膜中には格子面の不連続、すなわち転位が多数存在することがわかる。
【００２０】
図６は、ＳｒＴｉＯ3 基板面にＢａＴｉＯ3 エピタキシャル薄膜を成長し、熱処理を加えた後の試料の基板面に垂直方向のＴＥＭ（透過電子線回折顕微鏡）像を示す図である。図６（ａ）は、ＴＥＭ像であり、図の点は格子点に対応する。図６（ｂ）は図６（ａ）のＴＥＭ像を基に画像処理し、格子面の連続性を可視化した図である。
図６（ａ）は、図５（ａ）に較べて格子点が整然と並んでいることがわかる。また、図６（ｂ）から、転位は基板面のみに存在し、エピタキシャル薄膜中には存在しないことがわかる。
これらの結果から、本発明の方法によれば、転位は基板面に固定され、第１のエピタキシャル薄膜の表面は原子レベルで平坦になることがわかる。
【００２１】
図７は、上記試料を４軸Ｘ線回折装置によって格子定数を測定した結果を示す図である。
図において、横軸は逆格子空間の（３００）方向を示し、縦軸は（００３）方向を示す。図においてＡ点は回折強度が極大値を示す点であり、ＢａＴｉＯ3 エピタキシャル薄膜の回折点である。Ｂ点は回折強度が極大値を示す点であり、基板であるＳｒＴｉＯ3 結晶基板の回折点である。Ａ点の座標から、ＢａＴｉＯ3 エピタキシャル薄膜の面内格子定数ａは３．９９０Åであることがわかる。この格子定数の値は、ＢａＴｉＯ3 バルク結晶の格子定数（ａ＝４．０００Å）にほぼ等しい。
従って、本発明の方法によれば、第１のエピタキシャル薄膜の面内格子定数はほぼバルク結晶の格子定数に緩和されることがわかる。
【００２２】
次に、第２の実施の形態に係る実施例を示す。ここでは、ＳｒＴｉＯ3 結晶基板の面内格子定数を所望の面内格子定数に調整した実施例を示す。
試料は、ＳｒＴｉＯ3 結晶基板上に、レーザーアブレーション法により、第１のエピタキシャル薄膜として、ＢａＴｉＯ3 エピタキシャル薄膜をエピタキシャル成長温度６５０℃で１２０Åに形成し、引き続き、第２のエピタキシャル薄膜として、Ｂａ0.5 Ｓｒ0.5 ＴｉＯ3 エピタキシャル薄膜をエピタキシャル成長温度６５０℃で１８００Åに形成し、引き続き、同一真空槽内でレーザー加熱法により、約１３５０℃で約１時間、熱処理を行って作製した。
図８は、ＡＦＭ（原子間力顕微鏡）で測定した熱処理後の試料表面の像を示す図である。図において、縦縞は１分子層に相当する原子面のステップに相当し、縦縞間は同一原子面に相当する。
図から、Ｂａ0.5 Ｓｒ0.5 ＴｉＯ3 エピタキシャル薄膜の表面は原子レベルで平坦であることがわかる。
従って、本発明の方法によれば、転位は基板面に固定され、第２のエピタキシャル薄膜の表面は原子レベルで平坦になることがわかる。
【００２３】
図９は、熱処理後の試料の格子定数を４軸Ｘ線回折装置によって測定した結果を示す図である。
図において、横軸は逆格子空間の（３００）方向を示し、縦軸は（００３）方向を示す。図において、Ｃ点は回折強度の極大点であり、第２のエピタキシャル薄膜であるＢａ0.5 Ｓｒ0.5 ＴｉＯ3 の回折点である。Ａ点は回折強度の極大点であり、第１のエピタキシャル薄膜であるＢａＴｉＯ3 エピタキシャル薄膜の回折点である。Ｃ点の座標からＢａ0.5 Ｓｒ0.5 ＴｉＯ3 の面内格子定数ａは３．９５２Åであることがわかる。この格子定数の値は、基板のＳｒＴｉＯ3 格子定数（ａ＝３．９０５Å）とＢａＴｉＯ3 バルク結晶の格子定数（ａ＝４．０００Å）の中間の格子定数である。Ａ点の座標から第１のエピタキシャル薄膜ＢａＴｉＯ3 エピタキシャル薄膜の面内格子定数は３．９５５Åであることがわかる。この格子定数の値は、上記のＢａ0.5 Ｓｒ0.5 ＴｉＯ3 の面内格子定数とほぼ同等である。Ｂａ0.5 Ｓｒ0.5 ＴｉＯ3 の膜厚は１８００Åであり、ＢａＴｉＯ3 の膜厚１２０Åより遙かに厚く、このため、第１のエピタキシャル薄膜であるＢａＴｉＯ3 エピタキシャル薄膜の面内格子定数は、Ｂａ0.5 Ｓｒ0.5 ＴｉＯ3 の面内格子定数に近い値になる。
第１と第２のエピタキシャル薄膜の膜厚比によって、実現される第１及び第２の薄膜の面内格子定数は変化する。また、第２のエピタキシャル薄膜のみで面内格子定数を調整することもできる。
この実施例においては、成分比ｘは０．５としたが、ｘを変化させることによって、基板のＳｒＴｉＯ3 格子定数（ａ＝３．９５２Å）とバルクＢａＴｉＯ3 の格子定数（ａ＝４．０００Å）の間の任意の面内格子定数を実現できることは明らかである。
従って、本発明の方法によれば、成分比ｘを選択することによって、第２のエピタキシャル薄膜の面内格子定数を所望の面内格子定数に調整できることがわかる。
【００２４】
上記説明では、熱処理温度が融点未満の温度であるが、物質によっては物質の構成元素が固相拡散する場合がある。この場合には、固相拡散開始温度、すなわちシンタリング温度未満の温度で熱処理することが望ましい。
また、上記実施例では、ペロブスカイト型結晶構造を有する酸化物を例に取って説明したが、他の結晶構造、例えば六方晶結晶構造を有する酸化物であっても良い。また、酸化物に限らず、他の物質にも適用できることは明らかである。
【００２５】
【発明の効果】
上記説明から理解されるように、本発明によれば、基板の面内格子定数を所望の値に調整できる。本発明の面内格子定数調整基板を、エピタキシャル薄膜を利用するデバイスに用いれば、極めて高品質のデバイスを作製することができる。したがって、本発明は、酸化物高温超伝導デバイスの基板に用いれば極めて有用である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態の面内格子定数調整基板の作製原理を示す模式図である。
【図２】本発明の第２の実施の形態の面内格子定数調整基板の作製原理を示す模式図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態における、基板表面、エピタキシャル薄膜表面及び熱処理後のエピタキシャル薄膜表面の走査型トンネル顕微鏡による像を示す図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態の面内格子定数調整基板の表面をＡＦＭ（原子間力顕微鏡）で測定した像を示す図である。
【図５】本発明の第１の実施の形態において、ＳｒＴｉＯ3 基板面にＢａＴｉＯ3 エピタキシャル薄膜を成長した後の試料の基板面に垂直方向のＴＥＭ（透過電子線回折顕微鏡）像を示す図である。図５（ａ）はＴＥＭ像であり、図の点は格子点に対応する。図５（ｂ）は図５（ａ）のＴＥＭ像を基に画像処理し、格子面の連続性を可視化した図である。
【図６】本発明の第１の実施の形態において、ＳｒＴｉＯ3 基板面にＢａＴｉＯ3 エピタキシャル薄膜を成長した後に熱処理を加えた試料の基板面に垂直方向のＴＥＭ（透過電子線回折顕微鏡）像を示す図である。図６（ａ）はＴＥＭ像であり、図の点は格子点に対応する。図６（ｂ）は図６（ａ）のＴＥＭ像を基に画像処理し、格子面の連続性を可視化した図である。
【図７】本発明の第１の実施の形態の面内格子定数調整基板の面内格子定数を４軸Ｘ線回折装置によって測定した結果を示す図である。
【図８】本発明の第２の実施の形態の面内格子定数調整基板の表面をＡＦＭ（原子間力顕微鏡）で測定した像を示す図である。
【図９】本発明の第２の実施の形態の面内格子定数調整基板の面内格子定数を４軸Ｘ線回折装置によって測定した結果を示す図である。
【符号の説明】
１    基板
２    第１のエピタキシャル薄膜
３    基板面
４    転位
５    面内格子定数調整基板の表面
６    第２のエピタキシャル薄膜
７    第１及び第２のエピタキシャル薄膜界面
８    面内格子定数調整基板の表面
【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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【図９】
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