JP2004307310A

JP2004307310A - Ｆｅ−Ｓｉ系薄膜の作製方法及びＦｅ−Ｓｉ系薄膜

Info

Publication number: JP2004307310A
Application number: JP2003106784A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Funakubo; 浩舟窪
Original assignee: Tokyo Institute of Technology NUC
Current assignee: Tokyo Institute of Technology NUC
Priority date: 2003-04-10
Filing date: 2003-04-10
Publication date: 2004-11-04
Also published as: US20040206387A1

Abstract

【課題】Ｆｅ−Ｓｉ系薄膜をエピタキシャル成長させる方法を確立させる。
【解決手段】主面と垂直な方向において、同種のイオンからなる結晶面が配向してなる基板を準備する。次いで、前記基板の前記主面に対して成膜処理を施し、Ｆｅ−Ｓｉ系薄膜をエピタキシャル成長させる。
【選択図】なし

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、太陽電池、太陽電池と熱電素子との複合発電素子、発光デバイス、及びスピンを電界制御することが可能なスピントロニックス素子などに適用することのできるＦｅ−Ｓｉ系薄膜の作製方法及びＦｅ−Ｓｉ系薄膜に関する。
【０００２】
【従来の技術】
β−ＦｅＳｉ_２は室温で現在の光通信波長である１．５μｍのエレクトロルミネッセンスの発光が確認され、また、Ｆｅ−Ｓｉ系材料はＦｅ_３Ｓｉなる相を有することができるため、組成を変化させるのみで、光学、電気及び磁気特性の相関デバイスを作製することも可能であると考えられている。このような観点より、Ｆｅ−Ｓｉ系薄膜をエピタキシャル成長させる試みがなされているが、今までのところ、Ｆｅ−Ｓｉ系薄膜をエピタキシャル成長させる方法は十分に確立されていない。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、Ｆｅ−Ｓｉ系薄膜をエピタキシャル成長させる方法を確立させることを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成すべく、本発明は、
主面と垂直な方向において、同種のイオンからなる結晶面が配向してなる基板を準備する工程と、
前記基板の前記主面に対して成膜処理を施し、Ｆｅ−Ｓｉ系薄膜をエピタキシャル成長させる工程と、
を具えることを特徴とする、Ｆｅ−Ｓｉ系薄膜の作製方法に関する。
【０００５】
また、本発明は、
所定の基板を準備する工程と、
前記基板上において、主面と垂直な方向において、同種のイオンからなる結晶面が配向してなるバッファ層を準備する工程と、
前記バッファ層の前記主面に対して成膜処理を施し、Ｆｅ−Ｓｉ系薄膜をエピタキシャル成長させる工程と、
を具えることを特徴とする、Ｆｅ−Ｓｉ系薄膜の作製方法に関する。
【０００６】
本発明者は、上記目的を達成すべく鋭意検討を実施した。その結果、上述したように、主面と垂直な方向において同種のイオンからなる結晶面が配向してなる基板又はバッファ層を用い、この基板又はバッファ層の前記主面に対して所定の成膜処理を施すことにより、従来困難であったＦｅ−Ｓｉ系薄膜のエピタキシャル成長を実現できることを見出した。
【０００７】
図１及び図２は、本発明で使用する基板の配向状態を説明するための図である。図１及び図２は、基板の主面に対して略平行な平面で前記基板を切った状態（断面）を示すものである。上述したように、本発明においては、使用する基板がその主面に垂直な方向において同種のイオンからなる結晶面が配向していることが必要であるので、この場合、前記結晶面は図１に示すように同種のイオン（白丸）から構成されることが要求される。
【０００８】
前記基板の前記結晶面が、例えば図２に示すように異種イオン（白丸と黒丸）から構成される場合には、前記基板は本発明の上記要件を満足しないので、前記基板に対してはＦｅ−Ｓｉ系薄膜をエピタキシャル成長させることはできない。
【０００９】
なお、上述した基板に代えてバッファ層を用いる場合には、このバッファ層が図１及び図２に示すような配向状態を呈することが必要になる。
【００１０】
本発明によれば、所定の基板あるいはバッファ層上においてエピタキシャル成長させたＦｅ−Ｓｉ系薄膜を得ることができるので、Ｆｅ−Ｓｉ系材料が有する光学的、電気的及び磁気的な特性を利用することにより、種々のデバイスへの応用が可能となり、発光デバイスや光学、電気及び磁気特性などを相関させた新規なデバイスを実現することができる。
【００１１】
なお、本発明の好ましい態様においては、前記基板又は前記バッファ層と前記Ｆｅ−Ｓｉ系薄膜との格子定数差を１６％以上、さらには−６％から１６％とする。これによって、Ｆｅ−Ｓｉ系薄膜のエピタキシャル成長をより簡易に実現することができる。なお、前記格子定数差は、前記基板又は前記バッファ層の格子定数を基準として算出している。すなわち、基板の格子定数をｄｓとし、Ｆｅ−Ｓｉ系薄膜の格子定数をｄｆとした場合において、（ｄｆ−ｄｓ）／ｄｓ×１００として計算している。
本発明のその他の特徴及び利点については、以下において詳述する。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明においては、主面と垂直な方向において、同種のイオンからなる結晶面が配向してなる基板又はバッファ層を用いることが要求される。この要件を満足するものであれば基板及びバッファ層の種類は限定されるものではないが、上述したように、前記基板又は前記バッファ層と前記Ｆｅ−Ｓｉ系薄膜との格子定数差が１６％以上、さらには−６％から１６％であることが好ましい。
【００１３】
このような要件を満足するものとして、具体的には、（１００）Ｓｉ、（１１１）Ｓｉ、（１００）Ｙ_２Ｏ_３−ＺｒＯ_２、（１１１）Ｙ_２Ｏ_３−ＺｒＯ_２、（００１）Ａｌ_２Ｏ_３、（００１）Ａｌ_２Ｏ_３、及び（１００）ＣｅＯ_２を例示することができる。また、（１００）Ｙ_２Ｏ_３−ＺｒＯ_２／（１００）Ｓｉなどの積層構造を例示することもできる。これらの材料からなる基板又はバッファ層を用いれば、目的とするＦｅ−Ｓｉ系薄膜を容易にエピタキシャル成長させることができる。但し、本発明の要件を満足すれば、これらの基板に限定されるものではない。
【００１４】
また、Ｆｅ−Ｓｉ系薄膜をエピタキシャル成長させるための成膜処理としてはスパッタリング、蒸着法、ＣＶＤ法などの公知の成膜手法を用いることができる。しかしながら、特に上述したような種類の基板を用い、成膜条件を適宜に制御することによりスパッタリング法、特にＲＦマグネトロンスパッタリング法及びＣＶＤ法を用いて、Ｆｅ−Ｓｉ系薄膜のエピタキシャル成長を実現することができる。特に、スパッタリング法は制御が比較的容易であるとともに大面積の成膜が可能であり、さらに再現性に優れるので、将来の工業化に向けた大量生産を実現することができる。
【００１５】
通常の成膜手法を用いてＦｅ−Ｓｉ系薄膜をエピタキシャル成長させる場合、前記薄膜の成長中において何らかのエネルギーを付加しなければならない。最も簡単な方法としては、基板を所定温度に加熱し、成長過程にあるＦｅ−Ｓｉ系薄膜に対して熱エネルギーを付加する。特に、上述したスパッタリング法やＣＶＤ法を用いた場合は、基板を６００℃〜９００℃、さらには７００℃〜８５０℃に加熱することが好ましい。これによって、本発明の要件を満足する限り、基板の種類によらずにＦｅ−Ｓｉ系薄膜を簡易にエピタキシャル成長させることができる。
【００１６】
上述にようにしてエピタキシャル成長を実施した場合、得られたＦｅ−Ｓｉ系薄膜は、例えばＦｅ元素からなる結晶面及びＳｉ元素からなる結晶面が交互に積層して配向したような結晶構造を呈するようになる。
【００１７】
図３及び図４は、上述のようにエピタキシャル成長させて得たＦｅ−Ｓｉ系薄膜の結晶構造を概略的に示す図である。図３は、基板上において（１００）配向したＦｅ−Ｓｉ系薄膜の結晶構造を示しており、図４は、（１１０）／（１０１）配向したＦｅ−Ｓｉ系薄膜の結晶構造を示している。
【００１８】
図３に示すように、（１００）配向したＦｅ−Ｓｉ系薄膜は、Ｆｅ元素からなる結晶面（ｉ）及び（ｉｉｉ）と、Ｓｉ元素からなる結晶面（ｉｉ）及び（ｉｖ）とを含み、結晶面（ｉ）〜（ｉｖ）が順次に積層されたような構成を呈している。換言すれば、図３のように（１００）配向したＦｅ−Ｓｉ系薄膜は、Ｆｅ元素からなる結晶面とＳｉ元素からなる結晶面とが交互に積層して配向したような結晶構造を呈する。
【００１９】
一方、図４に示すように、（１１０）／（１０１）配向したＦｅ−Ｓｉ系薄膜も、Ｆｅ元素からなるＦｅ面とＳｉ元素からなるＳｉ面とが交互に積層されたような構成を呈している。換言すれば、図４のように（１１０）／（１０１）配向したＦｅ−Ｓｉ系薄膜は、Ｆｅ元素からなる結晶面とＳｉ元素からなる結晶面とが交互に積層して配向したような結晶構造を呈する。
【００２０】
図３に示すような（１００）配向したＦｅ−Ｓｉ系薄膜は、特に（１００）Ｓｉ基板、（１００）Ｙ_２Ｏ_３−ＺｒＯ_２基板、（００１）Ａｌ_２Ｏ_３基板、又は（１００）ＣｅＯ_２基板を用いることによって得ることができる。また、図４に示すような（１１０）／（１０１）配向したＦｅ−Ｓｉ系薄膜は、特に（１１１）Ｓｉ基板、（１１１）Ｙ_２Ｏ_３−ＺｒＯ_２基板、又は（１１１）ＣｅＯ_２基板を用いることによって得ることができる。
【００２１】
図５及び図６は、（１００）配向したＦｅ−Ｓｉ系薄膜の、配向状態を示す図である。例えば、図５に示すように（１００）Ｙ_２Ｏ_３−ＺｒＯ_２基板を用いた場合は、２回対称のＦｅ−Ｓｉ系薄膜を得ることができる。また、図６に示すように（００１）Ａｌ_２Ｏ_３基板を用いた場合は、３回対称のＦｅ−Ｓｉ系薄膜を得ることができる。
【００２２】
なお、同様の結果は、前記基板と同じ材料からなるバッファ層を用い、このバッファ層上にエピタキシャル成長させたＦｅ−Ｓｉ系薄膜についても得られる。
【００２３】
【実施例】
（実施例）
本発明の要件を満足する、上述した（１００）Ｓｉ基板、（１１１）Ｓｉ基板、（１００）Ｙ_２Ｏ_３−ＺｒＯ_２基板、（１１１）Ｙ_２Ｏ_３−ＺｒＯ_２基板、及び（００１）Ａｌ_２Ｏ_３基板を準備し、これらの基板に対して２インチのＦｅＳｉ_２ターゲットからＲＦマグネトロンスパッタリング法を用いることにより、成膜処理を施した。なお、基板−ターゲット間距離は１２ｃｍとし、ＲＦパワーは３０Ｗとした。また、成膜雰囲気はＡｒ雰囲気とし、圧力は３×１０^−３Ｔｏｒｒに設定した。さらに、基板温度は７３５℃に設定するとともに、成膜速度は０．８ｎｍ／分とした。
【００２４】
得られたＦｅ−Ｓｉ系薄膜の結晶状態を調べたところ、（１００）Ｓｉ基板、（１００）Ｙ_２Ｏ_３−ＺｒＯ_２基板又は（００１）Ａｌ_２Ｏ_３基板では、（１００）配向したＦｅ−Ｓｉ系薄膜が得られていることが確認され、（１１１）Ｓｉ基板又は（１１１）Ｙ_２Ｏ_３−ＺｒＯ_２基板では、（１１０）／（１０１）配向したＦｅ−Ｓｉ系薄膜が得られていることが確認された。
【００２５】
（比較例）
本発明の要件を満足しない、（１００）ＭｇＯ基板、（１１１）ＭｇＯ基板、（１００）ＭｇＡｌ_２Ｏ_４基板、（１００）ＳｒＴｉＯ_３基板、（１１１）ＳｒＴｉＯ_３基板、（１０２）Ａｌ_２Ｏ_３基板、（１１０）Ａｌ_２Ｏ_３基板、及び（１１０）Ｙ_２Ｏ_３−ＺｒＯ_２基板を準備し、実施例と同様の条件でＦｅ−Ｓｉ系薄膜の作製を試みた。しかしながら、いずれの基板上においてもＦｅ−Ｓｉ系薄膜をエピタキシャル成長させることはできなかった。
【００２６】
上記基板と同じ材料からなるバッファ層を用い、このバッファ層上に上記同様の条件で成膜処理を施した場合においても、上記実施例及び比較例と同様の結果が得られた。
【００２７】
以上、具体例を示しながら発明の実施の形態に則して本発明を説明してきたが、本発明は上記内容に限定されるものではなく、本発明の範疇を逸脱しない範囲において、あらゆる変形や変更が可能である。
【００２８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、従来困難であったＦｅ−Ｓｉ系薄膜をエピタキシャル成長させる方法を確立させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明で使用する基板の配向状態を説明するための図である。
【図２】同じく、本発明で使用する基板の配向状態を説明するための図である。
【図３】エピタキシャル成長させたＦｅ−Ｓｉ系薄膜の結晶構造を概略的に示す図である。
【図４】同じく、エピタキシャル成長させたＦｅ−Ｓｉ系薄膜の結晶構造を概略的に示す図である。
【図５】（１００）配向したＦｅ−Ｓｉ系薄膜の、配向状態を示す図である。
【図６】同じく、（１００）配向したＦｅ−Ｓｉ系薄膜の、配向状態を示す図である。

Claims

主面と垂直な方向において、同種のイオンからなる結晶面が配向してなる基板を準備する工程と、
前記基板の前記主面に対して成膜処理を施し、Ｆｅ−Ｓｉ系薄膜をエピタキシャル成長させる工程と、
を具えることを特徴とする、Ｆｅ−Ｓｉ系薄膜の作製方法。
前記基板と前記Ｆｅ−Ｓｉ系薄膜との格子定数差が１６％以下であることを特徴とする、請求項１に記載のＦｅ−Ｓｉ系薄膜の作製方法。
前記格子定数差は−６％から１６％であることを特徴とする、請求項２に記載のＦｅ−Ｓｉ系薄膜の作製方法。
前記Ｆｅ−Ｓｉ系薄膜はＲＦマグネトロンスパッタリング法又はＣＶＤ法で作製することを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一に記載のＦｅ−Ｓｉ系薄膜の作製方法。
前記基板は６００℃〜９００℃に加熱することを特徴とする、請求項４に記載のＦｅ−Ｓｉ系薄膜の作製方法。
前記基板は、（１００）Ｓｉ、（１１１）Ｓｉ、（１００）Ｙ_２Ｏ_３−ＺｒＯ_２、（１１１）Ｙ_２Ｏ_３−ＺｒＯ_２、（００１）Ａｌ_２Ｏ_３、（１００）ＣｅＯ_２及び（１１１）ＣｅＯ_２からなる群より選ばれる少なくとも一種から構成することを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一に記載のＦｅ−Ｓｉ系薄膜の作製方法。
前記Ｆｅ−Ｓｉ系薄膜は、Ｆｅ元素からなる結晶面及びＳｉ元素からなる結晶面が交互に積層して配向することを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一に記載のＦｅ−Ｓｉ系薄膜の作製方法。
前記基板は、（１１１）Ｓｉ、（１１１）Ｙ_２Ｏ_３−ＺｒＯ_２、及び（１１１）ＣｅＯ_２の少なくとも一つからなり、前記Ｆｅ−Ｓｉ系薄膜は、（１１０）／（１０１）配向することを特徴とする、請求項７に記載のＦｅ−Ｓｉ系薄膜の作製方法。
前記基板は、（１００）Ｓｉ、（１００）Ｙ_２Ｏ_３−ＺｒＯ_２、（００１）Ａｌ_２Ｏ_３、及び（１００）ＣｅＯ_２の少なくとも一つからなり、前記Ｆｅ−Ｓｉ系薄膜は、（１００）配向することを特徴とする、請求項７に記載のＦｅ−Ｓｉ系薄膜の作製方法。
前記基板は（１００）Ｙ_２Ｏ_３−ＺｒＯ_２からなり、前記Ｆｅ−Ｓｉ系薄膜は２回対称でエピタキシャル成長することを特徴とする、請求項９に記載のＦｅ−Ｓｉ系薄膜の作製方法。
前記基板は（００１）Ａｌ_２Ｏ_３からなり、前記Ｆｅ−Ｓｉ系薄膜は３回対称でエピタキシャル成長することを特徴とする、請求項９に記載のＦｅ−Ｓｉ系薄膜の作製方法。
所定の基板を準備する工程と、
前記基板上において、主面と垂直な方向において、同種のイオンからなる結晶面が配向してなるバッファ層を準備する工程と、
前記バッファ層の前記主面に対して成膜処理を施し、Ｆｅ−Ｓｉ系薄膜をエピタキシャル成長させる工程と、
を具えることを特徴とする、Ｆｅ−Ｓｉ系薄膜の作製方法。
前記バッファ層と前記Ｆｅ−Ｓｉ系薄膜との格子定数差が１６％以下であることを特徴とする、請求項１２に記載のＦｅ−Ｓｉ系薄膜の作製方法。
前記格子定数差は−６％から１６％であることを特徴とする、請求項１２に記載のＦｅ−Ｓｉ系薄膜の作製方法。
前記Ｆｅ−Ｓｉ系薄膜はＲＦマグネトロンスパッタリング法又はＣＶＤ法で作製することを特徴とする、請求項１２〜１４のいずれか一に記載のＦｅ−Ｓｉ系薄膜の作製方法。
前記基板は６００℃〜９００℃に加熱することを特徴とする、請求項１５に記載のＦｅ−Ｓｉ系薄膜の作製方法。
前記バッファ層は、（１００）Ｓｉ、（１１１）Ｓｉ、（１００）Ｙ_２Ｏ_３−ＺｒＯ_２、（１１１）Ｙ_２Ｏ_３−ＺｒＯ_２、（００１）Ａｌ_２Ｏ_３、（１００）ＣｅＯ_２及び（１１１）ＣｅＯ_２からなる群より選ばれる少なくとも一種から構成することを特徴とする、請求項１２〜１６のいずれか一に記載のＦｅ−Ｓｉ系薄膜の作製方法。
前記Ｆｅ−Ｓｉ系薄膜は、Ｆｅ元素からなる結晶面及びＳｉ元素からなる結晶面が交互に積層して配向することを特徴とする、請求項１２〜１７のいずれか一に記載のＦｅ−Ｓｉ系薄膜の作製方法。
前記バッファ層は、（１１１）Ｓｉ、（１１１）Ｙ_２Ｏ_３−ＺｒＯ_２、及び（１１１）ＣｅＯ_２の少なくとも一つからなり、前記Ｆｅ−Ｓｉ系薄膜は、（１１０）／（１０１）配向することを特徴とする、請求項１８に記載のＦｅ−Ｓｉ系薄膜の作製方法。
前記バッファ層は、（１００）Ｓｉ、（１００）Ｙ_２Ｏ_３−ＺｒＯ_２、（００１）Ａｌ_２Ｏ_３、及び（１００）ＣｅＯ_２の少なくとも一つからなり、前記Ｆｅ−Ｓｉ系薄膜は、（１００）配向することを特徴とする、請求項１８に記載のＦｅ−Ｓｉ系薄膜の作製方法。
前記バッファ層は（１００）Ｙ_２Ｏ_３−ＺｒＯ_２からなり、前記Ｆｅ−Ｓｉ系薄膜は２回対称でエピタキシャル成長することを特徴とする、請求項２０に記載のＦｅ−Ｓｉ系薄膜の作製方法。
前記バッファ層は（００１）Ａｌ_２Ｏ_３からなり、前記Ｆｅ−Ｓｉ系薄膜は３回対称でエピタキシャル成長することを特徴とする、請求項２０に記載のＦｅ−Ｓｉ系薄膜の作製方法。
Ｆｅ元素からなる結晶面及びＳｉ元素からなる結晶面が交互に積層して配向することを特徴とする、Ｆｅ−Ｓｉ系薄膜。
（１１０）／（１０１）配向することを特徴とする、請求項２３に記載のＦｅ−Ｓｉ系薄膜。
（１００）配向することを特徴とする、請求項２３に記載のＦｅ−Ｓｉ系薄膜。
２回対称でエピタキシャル成長することを特徴とする、請求項２５に記載のＦｅ−Ｓｉ系薄膜。
３回対称でエピタキシャル成長することを特徴とする、請求項２５に記載のＦｅ−Ｓｉ系薄膜。