平成10年度 研究報告 大分県産業科学技術センター

酸化物薄膜の成膜技術に関する研究（第2斡一顧脚乍製とその和こ関す掛秋本恭喜・小幡睦憲。池田 哲
機械電子部

Thestudya奴犯tthedqpsitiontechniqueoftheoxidethinfilm 恥琉2）
一廿紀S噛血t血of七b最由良mti00al御感髄nfii皿撼itseⅧ1血ion−

YasukiAKIMOTO・MutsunoriOBATAoTetsuIKEDA
Mechanics＆Electronics Division
要旨
ヘリコンスパッタ装置を用い，酸素ラジカルの照射及び基板近傍への酸素導入を検討し，STi03基板へYBaCu（二薄膜の作製昌平価を行い，aS−depoでの臨界温度特性としてオンセットTc on≒91K，ゼロ抵抗温度Tc zero≒88Kのc軸配向性の良い膜及びその成膜条件を得た（1）．また，酸素ラジかレ照射により，照射電力の増加に比例して膜の臨界温度特性が向上（成膜速度が向上）することを確認した．ており，カソード近傍のみでの放電の局在化が可能で，従ト はじめに酸化物，とくにべロブスカイト系酸化物は超伝導性，来の平行平板タイプの形式と比較し基板の関与が少ない

高・強誘電性，強磁性など，これからのエレクトロニクスため，より低プラズマダメージ化が図れると期待されていデバイス応用において，重要な物質に位置づけられている．

る．本スパッタ装置は準備室を備え，成膜室の到達真空度良好な酸化物薄膜の作製を行うには，「効率的な酸化」がは，ターボ分子ポンプを用いて1．3×10￣5pa以下である．

1つのカギを握っており，酸化を促進・制御できることが2．2 酸化制御について重要となっている．

より効率的な酸化技術を確立するため，成膜時の酸素抜

ここでは，酸化の制御に取り組むことにより，膜質及び，けに着目し，酸化制御に取り組み膜質等への影響について以下の実験を行う．Flg．2に概略図を示す．

成膜速度の向上へ向けた成膜技術の確立を目標とし実験

ここで酸化制御の実験項目は，を行った．

①酸素ラジカル源（酸素ラジカルを基板への供給）の付加による成膜．

2．実験方法②基板近傍にチャンバー圧よりも局所的に酸素圧の高い

2．1成膜装置について
本実験では，成膜装置にヘリコンスパッタを使用した．

酸素導入部を設け，ターゲット及び基板双方へ成膜に必

Flg．1に実験装置の外観を示す．ヘリコンスパッタ装置は，要な酸素の迅速な供給及び酸素抜けをリカバーする酸カソードにR Fコイルによる放電維持形式を採用し化の促進を狙った成膜の二点である．

Flg．2酸化制御について

Flg．1成績装置外観−115−平成10年度 研究報告 大分県産業科学技術センター
Flg．3〜Flg．11にラジカル源供給RF電力0Ⅵ7き1001も「，2，3成膿方法及び条件

ターゲットは，ペロブスカイト系酸化物のなかでは成膜150Ⅵr各試料の表面形状についての計測結果を各々示す。

が難しいとされているイットリウムを含む酸化物Y臨2（1）ラジカル源供給RF電力OWの場合

Cu307一．5（以下YBCOとする）焼結体を用いた．
成膜対象のYBCO薄膜は，液体窒素温度以上で超伝導を示す高温超伝導体であり，デバイス分野で実用化に向け広範な研究が行われている。しかし，膜の特性として酸素が抜けて特性が劣化し易いこと，また大気中の水蒸気等との結合により特性が劣化するという化学的不安定性を兼ね備えている．
基板は，10mm魚0．瓦m厚の片面鏡面研磨隷7 iO二i（100）単結晶基板を用いた．

成膜方法は，基板温度を設定温度まで昇温後プリスパッタを15mln，そして所定時間のスパッタを行った−成膜後は∴約27Kpaの純酸素ガスを導入し，基板の自然冷却を行った．成膜条件をTぬ1elに示す．

Tablel成膜条件
ターゲット
基 板
基板温度

l召a2叫507【占焼結体（2inch￠）
SrTiO：∃（100）単結晶基板（10mm□）
550〜6200c（コントローラ設定値）

タサヾット一基横間距離（T−S）

基板回転
スパッタガス
全 圧
RF電力 ターゲット

100，150mm
9 rpm
キrニ02＝3：1

14 Pa
70（一80 W

コイル

成膜時間

Fig．3 Toplrl飾ラシヾかレ0Ⅵr0〜150 W
480．1680 mln

2．4薄膜の評価

成膜したYBC（二薄膜の評価方法をTable2に示す．
Table2 YBCq薄膜の評価

F土g．4 3I）クヾラフイクス表示 ラン㌔かレ0簾

3．実験結果及び考察
3．1表面形状め評価

酸素ラジカル照射による表面形状の評価については5 コ

ンタクトAFMにより計測を行った，Tab〕e3は，計測に用いた走査型プローブ顕微鏡の仕様を示す

項 目
測定十十仕 様（コンタクト，ノンコンタクト）AFM，STト雪

スキヤト1

面内20〃m，垂直2ノum

スキャナー2

面内150√⊥m，垂直5拉m

分解能

面内0．2nm，垂直0．01nm
最大35mm（さ×5mm

試料サイズて「able3 走査プローーブ顕微鏡ついてfニュg。5 Cl−0SS Sectjori表示ランヾかレOW−116−平成10年度 研究離告 大分県産業科学技術センター（3）ラジカル源供給RF電力150Wの場合

一三2）ラジカル源供給RF電力100Ⅵrの場合

F主g．9 Toplrlewラシヾかレ150W

Flg．6 TopIFiewランヾかレ100Ⅵr

Fig．10 3D夕ヾラフイクス表示ラシ〜かレ150W

F土g．7 3Dクヾラフイクス表示ラシヾかレ100W

Fig．11Cross Sectjon表示ラシヾ餌150W

王Tig．8 Cross Section表示ラシ、かシ100俵ー117−平成10年度 研究部告 大分県産業科学技術センタw

1Flg．3，6，9のToplr土ewは表面形状計測イメージデータの00700050す．

6次元粗さ）についてのパラメータの一つで平均面粗さを示0︵00C︶∝ ＼ ︵ ト ︶ ∝を解析したもので，断面図（Ⅹ，Y，Z）及び表面粗さ（三次元粗さ）パラメータを示す．特にRaは，表面粗さ（三80が3Dクヾラフイクス表示，またCrossSectionはイメージデータ90

トップビューを示し，このデータを三次元表示にしたもの

各データの平均面粗さを比較するとラジカル源供給R

4F電力OWの場合が最も良い値を示した．また，ラジカル

302

供給電力増加により成膜した膜の表面が粗くなることも50 100 150 200 250 300T（K）﹂∵0示されている．膜の平坦性向上については今後の課題としFlg．13 酸素ラジカル照射と臨界温度特性の関係て検討したい．

3．2酸素ラジカルの照射と臨界温度特性の関係
0807Flg．12にラジカル源及び酸素導入部設置の状況について示す．

60

Flg．13に酸素ラジカル照射時の臨界温度特性変化をプ′盲50⊂

ロットした．酸素ラジカル照射については，ラジカル源供転40

給RF電力をパラメータにとり0〜150Wまで変化させた

埜30とき，照射電力の増加に比例して膜の臨界温度特性が2K20程度向上することがわかった．

10Flg．14は，同サンプルについて酸素ラジカル照射と膜厚050との関係をプロットしたもので，照射電力の増加に比例し100radicalげpower（W）て成膜速度が向上していることがわかる．膜の臨界温度特Flg．14 酸素ラジカル照射と膜厚との関係性の向上には，この膜厚が寄与していると考えられる．

これらのことから，ラジカル照射により成膜中の酸化反応の促進に有効であることを確認した．

今後は，得られた成膜条件及びその膜をベースとして，センサデバイス化へ向け取り組む予定である．

近年，液体窒素温度で動作する酸化物高温超伝導磁気センサ（HTc−SQUID）を用いた高感度の磁気センサの開発が進められ，マルチチャンネルシステムを用いて微弱な時間的，空間的磁場強度の計測を行い材料評価や医療分野での生体の機能診断等が試みられている．

一方，発電所や工場などの設備の保全・劣化診断技術の中で，対象物を破壊せずに金属材料の劣化や損傷を検査す
る非破壊検査は，事故の未然防止や設備等余寿命の適正管理のため，その技術開発の重要性が高まっている．

このため，非接触。無侵襲計測であり格段に優れた磁場分解能を有し、冷却装置が簡素化でき保守も容易である酸
Flg．12 ラジカル源及び酸素導入部設置の状況

化物高温超伝導磁気センサについて，非破壊検査等工業分
野での計測応用技術（強磁性材料や導電材料の欠陥検出や4．むすび材料評価ほか）の用途開発の研究に繋げていきたい．

今回のヘリコンスパッタ装置を用いたYBCO薄膜の文 献

成膜実験により酸素ラジカル照射により，照射電力の増加（1）秋本恭喜・小幡睦憲8池田哲：大分県産業科学技術センターに比例して膜の臨界温度特性が向上（成膜速度が向上）す

研究報告，平成9年度，pP6−8ることを確認，酸化物薄接（YBCO薄膜）の成膜に対して有意な実験データを得た．

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