JPH09256152A

JPH09256152A - 整列イオンビームアシスト成膜法

Info

Publication number: JPH09256152A
Application number: JP6355696A
Authority: JP
Inventors: Katsuo Fukutomi; 勝夫福富; Shunji Kumagai; 俊司熊谷
Original assignee: Mitsuba Corp; National Research Institute for Metals
Current assignee: Mitsuba Corp; National Institute for Materials Science
Priority date: 1996-03-19
Filing date: 1996-03-19
Publication date: 1997-09-30

Abstract

(57)【要約】【課題】プラズマビームアシスト法における成膜時の
面内配向の出現機構の検討から、イオンビーム側のイオ
ンの位置空間に着目し、従来技術の限界を越えた高い配
向度を持つイオンビーム成膜法を提供する。【解決手段】希ガス・活性ガスなどのイオンを、ビー
ム断面において一方向に直線状に整列させた平行ビーム
を形成し、低真空空間に引出して成長膜面にアシスト照
射し、結晶性、配向性、特に３軸配向性の制御が可能で
あることを特徴とする整列イオンビームアシスト成膜法
を提供する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、整列イオンビー
ムアシスト成膜法に関するものである。さらに詳しく
は、低エネルギー（数ｅＶ〜数１００ｅＶ）イオンビー
ムを援用し、結晶成長させたり結晶配向を制御する整列
イオンビームを用いたＩＢＡＤ（イオンビームアシスト
デポジション）に関するものである。

【０００２】

【従来の技術とその課題】従来より、薄膜形成の方法と
して、イオンビームを用いる方法が知られている。そし
て、このイオンビーム法においては、膜生成特性はビー
ムの制御性に大きく依存していることから、イオンビー
ムの質の重要性が指摘されている。そこで、このような
イオンビームの制御性、その質の観点に留意したイオン
源の開発研究が近年盛んに進められている。たとえば、
目的により平行イオンビーム、集束イオンビーム、微細
ビーム、大口径一様ビーム、大口径大電流ビームなどが
検討されている。しかし、これら従来の検討では主にビ
ームの幾何学的形状、大きさ、イオン密度（ｆｌｕｅｎ
ｃｅ）に関するものに限られていた。

【０００３】また、ＩＢＡＤ（イオンビームアシストデ
ポジション）で三軸配向膜を得る方法が、１９８５年Ｉ
ＢＭのＹｕらにより、ついで１９９１年フジクラのＩｉ
ｊｉｍａらにより報告されているが、この場合には、ビ
ームは、結晶の軸または面間のイオンチャネリング方向
に一致するように、基板面に対して斜め入射させてい
る。このため、入射イオンは、チャネリング方位と異な
る方位関係の結晶粒を選択的に再スパッタし、その結晶
粒の成長を抑止することになる。その結果、チャネリン
グ方位に沿った結晶粒のみが柱状に成長を始め、イオン
の斜め入射により優勢に成長する柱状晶の影にあたると
ころの結晶核の成長は抑えられ（シャドー効果）、最終
的には基板全面に面内方位配列を有する膜が得られるこ
とになる。

【０００４】このように、成膜法におけるイオンビーム
の検討は、従来方法の改良、あるいは、新しい観点から
の様々な工夫としてなされてきてはいるが、対象となる
物質の結晶構造によっては配向制御が出来ないものもあ
り、成膜可能な物質の種類は限られているのが実情であ
った。また成膜が可能な物質の結晶成長においても、そ
の配向度の向上のためには更なる工夫が必要とされてい
た。

【０００５】一方、発明者らは、従来のＩＢＡＤとは異
なる、プラズマビームアシスト法と言われるべき薄膜の
新しい３軸配向制御法をすでに考案している（結晶配向
薄膜製造装置・特許第 1966676号他）。そしてさらに、
このプラズマビームアシスト法における入射イオンビー
ム中のイオンの空間的位置配置が、３軸配向膜を得る上
で極めて重要な意味を有することを見いだしてもいる。

【０００６】そこで、この発明は、このような状況に鑑
みてなされたものであり、プラズマビームアシスト法に
おける成膜時の面内配向の出現機構の検討から、イオン
ビーム側のイオンの位置空間に着目し、従来技術の限界
を越えた高い配向度を持つことを可能とした、新しいイ
オンビーム成膜法を提供することを目的としている。

【０００７】

【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、イオンをビーム断面において一
方向に直線状に整列させた平行イオンビームを形成し、
これを成長膜面にアシスト照射することを特徴とする整
列イオンビームアシスト成膜法を提供する。

【０００８】

【実施の形態】この発明の整列イオンビームアシスト成
膜法は、上記の通り、プラズマビームアシスト法におけ
る面内配向の出現機構の詳細な検討から、入射イオンビ
ーム中のイオンの空間的位置配置が、配向度を向上させ
る上で重要であることを見出し、この知見からイオンビ
ームの平行性のみでなくビーム断面を考えて、イオンが
一方向に直線的に規則性を持って配列した整列ビームを
成長中の膜面にアシスト照射することを特徴としてい
る。

【０００９】このような成膜法の実施の形態としては、
たとえば図１のような装置を例示することができる。図
１に例示したこの発明の整列イオンビームアシスト法で
は、成膜チャンバー内で基板ホルダー（２）の垂直下方
に整列イオンビーム発生源（１）を配置する構造となっ
ている。基板ホルダー（２）は水平面に対し任意角度
（θ）傾けることができる。基板の斜め下方には回転タ
ーゲットホルダー（３）を水平面から４５°傾け配置す
る。チャンバー側壁に設けたレーザー光導入窓からはエ
キシマレーザーパルス（４）を導入し、ターゲット上で
焦点を結びターゲット物質を蒸発させる。ターゲットに
は目的とする成膜物質をペレット状に焼結したものが使
われる。生成した蒸気は基板上で析出し膜となって成長
するが、この時、成長中の膜面に整列イオンビームをア
シスト照射する。イオンの入射角は基板を水平面からθ
傾けることで、垂直入射（θ＝０）から斜め入射の範囲
で結晶形を考慮して適切に選択する。

【００１０】図２に例示したのは、この発明で用いた整
列イオンビーム発生源（１）の断面図である。アシスト
したいイオンの原料ガスのプラズマ生成室（６）側に、
整列イオン形成電極（７）と微細スリット入りイオン引
出し電極（８）とで放物線上の電界分布を形成し、イオ
ン流に規則性を持たせる。イオン源は紙面垂直方向（ｙ
軸方向）が電極長手方向となる。図３は、発生する整列
イオンビームを模式的に例示したものである。イオン
（１３）はｚ軸方向に平行ビームとなって進行し、その
断面においてイオン（１３）の飛跡は、ｙ軸方向からみ
た時は直線上の秩序が存在するが、ｘ軸方向からはラン
ダムでいかなる秩序もみられない状態である。このよう
な整列イオンビームを、図２に示したように、加速・減
速電極（９）で所定のエネルギーに調整し、かつ発散抑
制電極（１０）で平行性を持たせ真空中を輸送し膜面に
照射するものである。

【００１１】このような構造の装置による整列イオンビ
ームアシスト法では，イオンビーム側のイオンの位置空
間に規則性を持たせることで、斜め入射させた場合のみ
ならず、成長膜面に垂直にイオンビームを入射させた場
合にも、面内配向膜を得ることができる。その結果、従
来法では配向制御ができなかった結晶構造でも本発明の
方法では可能となり、配向膜の得られる物質群を広げる
ことができる。また、すでに従来のＩＢＡＤで成膜可能
だった物質の場合にも、照射するビーム側のイオン配列
の規則性の存在により、アシストされてできる膜の配向
性は一層向上する。

【００１２】また、整列イオンビーム発生源を回転させ
ることにより、基板面内で結晶の整列方向を任意に回転
制御できる。またイオンビームを斜め入射させるとしば
しば結晶軸がビーム方向に傾く問題が生じるが、本方法
の垂直入射では結晶軸の傾きは無くなり、バッファー層
あるいは圧電性や電気光学効果を使う音響デバイス、光
デバイス等の機能膜の特性向上を望むことができる。

【００１３】そして、このような３軸高配向膜（単結晶
状薄膜）を種々の物質で得ることができるようになれ
ば、これらをバッファー層に応用することで、安価かつ
大型基板が入手可能なアモルファス（ガラス、溶融石
英）セラミックス、金属基板などを、高価な単結晶基板
の代わりに用いることも可能になる。また、３軸高配向
膜は粒界弱結合が問題となる超伝導膜のバッファー層、
キャリアの粒界散乱を抑制したい透明導電膜、多結晶Ｓ
ｉ膜あるいはその機能に結晶異方性を有する機能膜（磁
性薄膜、強誘電体膜）等への広範な応用も期待できる。

【００１４】整列イオンビームは、この発明においては
代表的には不活性ガス、反応性ガス等からの比較的低エ
ネルギー（数ｅＶ〜数１００ｅＶ）のイオンビームが用
いられるが、これらに限定されることはない。ところ
で、この発明は整列イオンビームアシストによる成膜法
に関するものであり、従って膜物質の基板状での堆積法
はレーザー法に限る必要はない。真空蒸着、イオンビー
ムスパッタなどのどの方法でも良く、また整列イオンビ
ーム発生法も、ここに例示したイオン源に限定されるも
のではない。

【００１５】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。

【００１６】

【実施例】

（実施例１）多結晶金属基板（ハステロイ）上にＳｒＴ
ｉＯ₃（ペロブスカイト構造）を成長させながら整列イ
オンビームを成長膜面に垂直に入射アシストした。ハス
テロイ基板は、たとえば図４（Ａ）（Ｂ）として例示す
ることのできる構造の電極に組み込んだ。スパッタ装置
でＡｒ⁺イオン流が整列し、垂直に基板に入射する基板
電極（Ｖｓ）の領域、すなわち２枚の補助電極（Ｖａ）
の中心線がＶｓに交差する領域に取り付けた。主な成膜
条件はＶｓ，Ｖａ；ー２００Ｖ，Ｄ；〜１０ｍｍ，Ｌ；
〜７０ｍｍ，作用ガスＡｒ−２％Ｏ₂（４ｘ１０^-3Ｔ
ｏｒｒ）、ターゲットＳｒＴｉＯ₃焼結板（１００
φ）、ターゲットへのＲＦパワー〜１５０Ｗである。
得られた膜のＸ線回折の結果を図５に示した。（１１
１）、（２２２）のピークしか現れず、（１１１）面を
単一配向面としていることがわかる。さらに、（１１
０）面のＸ線極点図測定の結果を図６に示した。また、
整列イオンビーム源を３０°回転して配置し、同じよう
にアシスト成膜した膜の極点図も図７に示した。これら
の図から、成長した結晶もイオン配列の回転角３０°だ
け基板上で面内回転していることがわかる。これはＳｒ
ＴｉＯ₃の（２２１）面間チャネリングに、整列Ａｒ⁺
イオンが入射した結果生じたことであり、図８はその様
子を模式的に示している。イオンを斜めに入射させる従
来のイオンアシスト、またはイオンの直線上の秩序のな
い単なる平行ビームの垂直入射アシストでは、この物質
の面内配向は得られない。ペロブスカイトはその圧電性
などが結晶方位依存性を有するため、得られた３軸配向
膜は種々の機能薄膜として用途が期待できる。

【００１７】（実施例２）ＣｒＮ膜（ＮａＣｌ構造）に
ついても実施例１と同様の実験を行った。作用ガスとし
てＡｒー４０％Ｎ₂、ターゲットに金属Ｃｒ（１００
φ）を使った以外は実施例１と同じ条件である。整列イ
オンビームをアシスト成膜すると（２２０）が単一配向
面となり、ビームの中のイオンの整列方向にそろった面
内配向を示した。すなわち、図９に示したように、イオ
ンビームの入射角度を、基板に対して斜めから垂直へと
変えると、面内で結晶が９０°回転していることがわか
る。これは、結晶の（２００）面間へ整列イオンがチャ
ネリング入射するために起こっていて、従来のＩＢＡＤ
法では得られない面内方位配列である。このことから、
バッファー層、薄膜抵抗体などへの用途が期待できる。
なお、図９においては、ＣｒＮ単位胞の立面図（１４）
ＣｒＮ単位胞の平面図（１５）および長手方向が図２の
ｙ軸方向に対応する基板面（１６）を模式的に示してい
る。

【００１８】（実施例３）ＹＳＺ膜（イットリア安定化
ＺｒＯ₂）［ＣａＦ₂構造］についても実施例１と同様
の実験を行った。ターゲットにＹ₂Ｏ₃８ｍｏｌ％ーＺ
ｒＯ₂（ＹＳＺ）焼結板（１００φ）を使った以外は実
施例１と同じ条件である。ＹＳＺはイオン照射下で（２
００）面が基板に平行に優先配向する。またイオンの斜
め入射（最適条件は基板面に対し５５度）により［１１
１］軸方向のイオンチャネリングで強い面内配向が生じ
る。しかしながら、従来のＩＢＡＤでは基板に垂直入射
した場合面内配向は得られない。それに対して、整列イ
オンビームの場合、（１１０）面間のイオンチャネリン
グが生じ、図１０のように面内配向が得られる。この場
合もイオン源を４５度回転してアシスト成膜すると、図
１１のようにＹＳＺの結晶も基板上で４５度回転して配
列させることができる。

【００１９】高温超伝導バッファー層として金属基板に
この３軸配向ＹＳＺ膜を施し、その上にＹＢａ₂Ｃｕ₃
Ｏ₇超伝導膜をエピタキシャル成長させることで臨界温
度〜９０Ｋ、臨海電流〜１０⁵Ａ／ｃｍ²（ＯＴ、７７
Ｋ）の高特性が得られる。また、以上の実施例において
用いたイオンビームのイオンの整列性、平行度をさらに
向上させることで、得られる３軸配向膜の配向度は格段
と強くなっていくと考えられる。

【００２０】

【発明の効果】以上詳しく説明したとおり、この発明の
整列イオンビームアシスト成膜法により、従来のＩＢＡ
Ｄでは配向制御できなかった結晶構造の成膜が可能とな
る。また、従来法で成膜可能だった物質の場合にも、照
射するビーム側のイオン配列の規則性の存在により、ア
シストされてできる膜の配向性は一層向上する。さら
に、３軸高配向膜が種々の物質で得られることで、それ
ぞれの機能膜の用途を広範に広げることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の整列イオンビームアシスト成膜法の
装置構成を例示した概要図である。

【図２】この発明の整列イオンビームアシスト成膜法に
おける整列イオンビーム発生源を例示した概要図であ
る。

【図３】この発明の整列イオンビームアシスト成膜法に
おける整列イオンビームの概念を例示した説明図であ
る。

【図４】実施例としてのハステロイ基板の電極取り付け
の様子を例示した概要図である。

【図５】実施例としてのＳｒＴｉＯ₃膜のＸ線回折チャ
ートを例示した図である。

【図６】実施例としてのＳｒＴｉＯ₃膜の（１１０）面
のＸ線極点図を例示した図である。

【図７】実施例としてのＳｒＴｉＯ₃膜結晶の３０度の
基板面内回転を例示した（１１０）面のＸ線極点図であ
る。

【図８】実施例としてのＳｒＴｉＯ₃結晶の［１１１］
方向からみた原子配置とイオンチャネリング面｛２２
１｝との関係を例示した説明図である。

【図９】実施例としてのＣｒＮ膜結晶基板の配列方位を
例示した説明図と、ＣｒＮ膜の（１１０）面のＸ線極点
図を例示した図である。

【図１０】実施例としての整列イオンビーム垂直入射の
様子を例示するＹＳＺ（１１１）面のＸ線極点図であ
る。

【図１１】実施例としての整列イオンビーム発生源を４
５度回転してアシスト入射した場合のＹＳＺ（１１１）
面のＸ線極点図で、結晶の４５度基板面内回転を例示し
た説明図である。

【符号の説明】

１整列イオンビーム発生源２基板ホルダー３回転ターゲット４レーザービーム５真空排気孔６プラズマ生成室７整列イオン形成電極８微細スリット入りイオン引出し電極９加速・減速イオン引出し電極１０発散抑制電極１１ガス導入孔１２フィラメント１３イオン１４ＣｒＮ単位胞の立面図１５ＣｒＮ単位胞の平面図１６長手方向が図２のｙ軸方向に対応する基板面

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】イオンビーム断面において一方向に直線
状に整列させた平行イオンビームを形成し、これを成長
膜面にアシスト照射することを特徴とする整列イオンビ
ームアシスト成膜法。