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JP2881843B2 - Preparation method of Pb lower 5 CrO lower 8 thin film - Google Patents
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JP2881843B2 - Preparation method of Pb lower 5 CrO lower 8 thin film - Google Patents

Preparation method of Pb lower 5 CrO lower 8 thin film

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JP2881843B2
JP2881843B2 JP1238252A JP23825289A JP2881843B2 JP 2881843 B2 JP2881843 B2 JP 2881843B2 JP 1238252 A JP1238252 A JP 1238252A JP 23825289 A JP23825289 A JP 23825289A JP 2881843 B2 JP2881843 B2 JP 2881843B2
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Description

【発明の詳細な説明】 (発明の属する技術分野) 本発明は光電変換素子において光電材料として用いて
好適なPb5CrO8薄膜の作製方法に関する。
Description: TECHNICAL FIELD The present invention relates to a method for producing a Pb 5 CrO 8 thin film suitable for use as a photoelectric material in a photoelectric conversion element.

(従来の技術) 近年、システムの高度化に伴って光、磁気、振動など
を感知する各種センサの役割が重要度を増している。そ
の中で光センサはプロセス、メカトロニクスからホーム
エレクトロニクスに至るまで、各種機器のシステム制御
に用いられつつあり、非常に重要な役割を担っている。
光センサは主に光導電効果、光起電力効果等の光電変換
現象を用いているが、材料としては従来、Ge、Siあるい
は2元素系のIII−V族化合物半導体が用いられてき
た。ニーズの多様化に伴って光センサはより高性能化、
多機能化を要求されるようになり、様々な角度から新た
な機能材料の開発が行われている。材料面ではII−VI族
さらには多元素系の化合物半導体が用いられ、技術的に
は微細加工技術の発達や超格子構造の実現といった取り
組みが活発になされている。3元素系酸化物の一つとし
てPb2CrO5を取り上げ、光電変換デバイスとしての機能
を引き出す研究が進められてきた。
(Prior Art) In recent years, with the advancement of systems, the role of various sensors for sensing light, magnetism, vibration, and the like has been increasing in importance. Among them, optical sensors are being used for system control of various devices from processes and mechatronics to home electronics, and play a very important role.
The optical sensor mainly uses photoelectric conversion phenomena such as a photoconductive effect and a photovoltaic effect. Conventionally, Ge, Si, or a two-element III-V compound semiconductor has been used as a material. With the diversification of needs, optical sensors have become more sophisticated,
As multifunctionality is required, new functional materials are being developed from various angles. In terms of material, II-VI group and multi-element compound semiconductors are used, and technically, efforts are being made to develop fine processing techniques and realize superlattice structures. Pb 2 CrO 5 has been taken up as one of the three-element oxides, and research has been advanced to bring out the function as a photoelectric conversion device.

酸化物材料を用いてデバイスを作成する場合、セラミ
ックよりも単結晶の形態の方が材料固有の特性を引き出
す上で有利であるが、多元素系酸化物材料の単結晶化は
一般に困難である。マイクロエレクトロニクスの観点か
らデバイスの小型化、多機能化を図るとき、薄膜化は有
効な手段である。
When a device is manufactured using an oxide material, a single crystal form is more advantageous than a ceramic in extracting material-specific properties, but it is generally difficult to single crystallize a multi-element oxide material. . When miniaturizing and multifunctional devices from the viewpoint of microelectronics, thinning is an effective means.

(発明が解決しようとする課題) 本発明は光電変換デバイスとして利用可能な薄膜の作
成方法を提供することを目的とする。
(Problems to be Solved by the Invention) An object of the present invention is to provide a method for forming a thin film that can be used as a photoelectric conversion device.

(課題を解決するための手段) 本発明の特徴は、電子ビーム照射装置が備えてある真
空槽内にPb5CrO8セラミックと基板とを置き、前記装置
により電子ビームを前記Pb5CrO8セラミックに照射してP
b5CrO8蒸気を発生させ、該蒸気の分子を前記基板上に薄
い膜状に堆積させ、該基板上に堆積された薄膜に熱処理
を施し、前記基板上にPb5CrO8の薄膜を作製する方法に
おいて、前記蒸気の分子を前記基板上に堆積させている
期間には該基板の温度は20℃〜300℃の範囲に維持し、
前記熱処理は250℃〜370℃の範囲で行なうPb5CrO8薄膜
の作成方法にある。
(Means for Solving the Problems) A feature of the present invention is that a Pb 5 CrO 8 ceramic and a substrate are placed in a vacuum chamber provided with an electron beam irradiation device, and the electron beam is applied by the device to the Pb 5 CrO 8 ceramic. Irradiate P
b 5 CrO 8 vapor is generated, molecules of the vapor are deposited in a thin film on the substrate, and a thin film deposited on the substrate is subjected to a heat treatment to produce a Pb 5 CrO 8 thin film on the substrate. Maintaining the temperature of the substrate in the range of 20 ° C. to 300 ° C. during the deposition of the vapor molecules on the substrate;
The heat treatment is in the Pb 5 CrO 8 thin film forming method performed in a range of 250 ° C. to 370 ° C..

(実施例) 本発明で扱う材料はPb5CrO8で、前出のPb2CrO5と同系
の材料である。この材料は1968年にNegasがPbOと酸化ク
ロムの相図に関する研究の中でその存在を明らかにして
以来、全くと言っていい程問題にされなかった材料であ
る。この材料の光電的機能を検討し、薄膜デバイスを構
成することを企図して、薄膜作製を試みた。
Material handling (Example) The present invention is a Pb 5 CrO 8, which is a material of the preceding Pb 2 CrO 5 and syngeneic. This is a material that has been less or less problematic since Negas revealed it in a study of the phase diagram of PbO and chromium oxide in 1968. We examined the photoelectric function of this material and attempted to fabricate a thin film in order to construct a thin film device.

薄膜の作製には蒸着法、スパッタリング法、気相成長
法などの使用があげられるが、ここでは電子ビーム加熱
による真空蒸着法を用いてPb5CrO8の薄膜化を試みた結
果を述べる。電子ビーム蒸着法は一般に高融点材料の蒸
着が可能であること、スパッタリング法などに比して蒸
着速度が大きいこと、超高真空中において蒸着するため
に不純物の混入が少ないことなどの利点を有する蒸着法
である。
For the production of the thin film, use of a vapor deposition method, a sputtering method, a vapor phase growth method, etc. can be mentioned. Here, the result of an attempt to make the Pb 5 CrO 8 thin film using a vacuum vapor deposition method by electron beam heating will be described. The electron beam evaporation method generally has advantages such as being capable of depositing a high melting point material, having a higher deposition rate than a sputtering method and the like, and having less contamination with impurities due to deposition in an ultra-high vacuum. It is an evaporation method.

ここではPb5CrO8薄膜の作製条件として、蒸着基板の
温度(Ts)及び蒸着後の熱処理温度(Ta)をパラメータ
とし、得られた薄膜をX線回折、TEM像による観察によ
って評価している。また光学的特性の評価のために、分
光光度計による解析を行っている。
Here, as the conditions for producing the Pb 5 CrO 8 thin film, the temperature of the deposition substrate (Ts) and the heat treatment temperature after the deposition (Ta) are used as parameters, and the obtained thin film is evaluated by X-ray diffraction and observation with a TEM image. . In order to evaluate the optical characteristics, analysis using a spectrophotometer is performed.

(薄膜の作製) Pb5CrO8の薄膜作製に用いたターゲット用セラミック
は、PbO粉末とCrO3粉末を5:1の割合で混合、成形し、50
0℃で仮焼後、650℃で焼結した直径12.7mm、厚さ3.5mm
の円板状のものである。図1はこのセラミックを粉末状
にしたもののX線回折データ(CuKα、30kV、15mA、2de
g/min)である。このデータから求めた面間隔はASTMカ
ードのデータと一致しており、このセラミックがPb5CrO
8であることを確認した。
(Preparation of thin film) The target ceramic used for preparing the Pb 5 CrO 8 thin film was prepared by mixing and molding PbO powder and CrO 3 powder in a ratio of 5: 1.
After calcination at 0 ° C, sintered at 650 ° C, diameter 12.7mm, thickness 3.5mm
Disk shape. Figure 1 shows the X-ray diffraction data (CuKα, 30kV, 15mA, 2de) of this ceramic powder.
g / min). The surface spacing obtained from this data is consistent with the data of the ASTM card, and this ceramic is Pb 5 CrO
Confirmed to be 8 .

薄膜作製には図2に示す磁場偏向型電子ビーム蒸着装
置を用いた。真空排気系はロータリーポンプによる低真
空排気系と、ノーブルポンプ、チタンサブリメーション
ポンプによる超高真空排気系という構成になっており、
10-9Torrのオーダーまで排気することが可能である。電
子ビームはフィラメントの加熱により発生し、カソード
−アノード間に印加される高圧によって加速され、永久
磁石の磁場中で曲げられた後、銅製の坩堝内に設置され
たターゲットのPb5CrO8セラミックに照射された。電子
ビームの強度はフィラメントへの印加電圧を変化させ
て、放出する熱電子の数を制御することによって調節が
可能である。ビームの照射位置はカソード−アノード間
の加速電圧を変化させて熱電子の速度を制御することに
より、任意に決定することができた。基板は坩堝の上方
約20cmの位置に設置され、ヒータによって所望の温度に
加熱された。基板には熱的特性の良いCorning社の硼珪
酸ガラス(No.0211、35mm×35mm、厚さ0.12〜0.16mm)
を用い、1×10-7Torr以下の真空中に1時間以上置い
て、ガラスに含まれる残留ガスを抜いた。ターゲットの
Pb5CrO8セラミックの1度の蒸着に半分ずつ使用し、蒸
着直前に10-7Torrの真空中にて電子ビームを照射するこ
とによって加熱し、ガス抜きを行なった。
For the production of the thin film, a magnetic field deflection type electron beam evaporation apparatus shown in FIG. 2 was used. The vacuum pumping system has a low vacuum pumping system using a rotary pump, and an ultra-high vacuum pumping system using a noble pump and a titanium sublimation pump.
It is possible to pump down to the order of 10 -9 Torr. The electron beam was generated by heating a filament, cathode - are accelerated by the high pressure applied between the anode, after being bent in the permanent magnet field, the target installed in a copper crucible Pb 5 CrO 8 in ceramic Irradiated. The intensity of the electron beam can be adjusted by changing the voltage applied to the filament and controlling the number of emitted thermoelectrons. The irradiation position of the beam could be arbitrarily determined by changing the acceleration voltage between the cathode and the anode to control the speed of the thermoelectrons. The substrate was placed at a position about 20 cm above the crucible and heated to a desired temperature by a heater. Corning borosilicate glass (No.0211, 35mm x 35mm, 0.12-0.16mm thick) with good thermal properties
The glass was placed in a vacuum of 1 × 10 −7 Torr or less for 1 hour or more to remove residual gas contained in the glass. Target
The Pb 5 CrO 8 ceramic was used in half for each vapor deposition, heated just before vapor deposition by irradiating an electron beam in a vacuum of 10 −7 Torr, and degassed.

蒸着は、図11に示すようにアノード−カソード間の電
圧を3.5〜4kV、電流を100mA以下とし、真空度を一定に
保って行なった。パラメータの1つである基板温度は、
室温、100、150、200、250及び300℃の6通りに設定し
た。蒸着後は基板温度を100℃/hの割合で降下させ、急
冷によるひずみ及び剥離を防止した。この際の蒸着速度
は、どの薄膜についても約400Å/minであり、蒸着膜の
膜厚は1.54〜1.72μmとほぼ一定であった。蒸着後、薄
膜の結晶化及び配向促進のために熱処理を施した。熱処
理温度は空気中にて250、275、300、325、350、375及び
400℃の7通りに設定し、2時間実施した。この際、温
度の急激な変化によって薄膜にひずみ、剥離などが生じ
ないように、温度の上昇及び下降速度は50℃/hとした。
As shown in FIG. 11, the vapor deposition was performed while the voltage between the anode and the cathode was 3.5 to 4 kV, the current was 100 mA or less, and the degree of vacuum was kept constant. The substrate temperature, one of the parameters, is
Room temperature, 100, 150, 200, 250 and 300 ° C. were set in 6 ways. After the vapor deposition, the substrate temperature was lowered at a rate of 100 ° C./h to prevent strain and peeling due to rapid cooling. The deposition rate at this time was about 400 ° / min for all the thin films, and the thickness of the deposited film was almost constant at 1.54 to 1.72 μm. After the vapor deposition, a heat treatment was performed to promote crystallization and orientation of the thin film. Heat treatment temperature is 250, 275, 300, 325, 350, 375 and in air
The temperature was set to 7 at 400 ° C., and the operation was performed for 2 hours. At this time, the temperature was raised and lowered at a rate of 50 ° C./h so that the thin film would not be distorted or peeled due to a rapid change in temperature.

(解析結果及び考察) 作製した薄膜を評価するために、結晶学的な面からX
線回折、電子顕微鏡による薄膜の表面状態の観察、及び
光学的な面から分光光度計による薄膜の波長特性の測定
を行なった。以下、それぞれの解析結果及び考察を述べ
る。
(Analysis Results and Discussion) In order to evaluate the prepared thin film, X
Observation of the surface state of the thin film by line diffraction and an electron microscope, and measurement of the wavelength characteristic of the thin film by a spectrophotometer from an optical surface were performed. Hereinafter, each analysis result and consideration will be described.

(X線回折データによる解析) Pb5CrO8薄膜の構造を解析する手段として、X線回折
法を用いて結晶の配向性を調べた。図3は代表的なX線
回折パターンである。図(a)及び(b)はそれぞれ基
板温度Tsを室温(図3a)、300℃(図3b)に設定して蒸
着した薄膜で、熱処理を施していない状態のものであ
る。基板温度が室温の場合の薄膜(a)は非晶質に近
く、顕著なピークは認められないが、300℃に設定した
薄膜(b)では30.27゜に顕著なピークが存在する。こ
れらのことから、蒸着時の基板温度によって薄膜の結晶
状態が異なることが明らかである。図(c)及び(d)
は、(b)状態の薄膜をTa=250℃(図3c)あるいはTa
=350℃(図3d)で熱処理した後のX線回折パターンで
ある。熱処理を施すことによって薄膜の配向の度合いが
進んでいることがわかる。主ピークは30.27゜から、タ
ーゲットに用いたセラミック(粉末)の主ピークである
27.5゜に変化し、その反射強度は熱処理温度によって異
なっている。
(Analysis by X-ray Diffraction Data) As means for analyzing the structure of the Pb 5 CrO 8 thin film, the crystal orientation was examined by using an X-ray diffraction method. FIG. 3 is a representative X-ray diffraction pattern. (A) and (b) are thin films deposited at a substrate temperature Ts of room temperature (FIG. 3a) and 300 ° C. (FIG. 3b), respectively, without heat treatment. When the substrate temperature is room temperature, the thin film (a) is nearly amorphous and no remarkable peak is observed, but the thin film (b) set at 300 ° C. has a remarkable peak at 30.27 °. From these facts, it is clear that the crystal state of the thin film differs depending on the substrate temperature during the vapor deposition. Figures (c) and (d)
Is to apply the thin film in the state (b) to Ta = 250 ° C (Fig.
= X-ray diffraction pattern after heat treatment at 350 ° C (Figure 3d). It can be seen that the degree of orientation of the thin film is advanced by performing the heat treatment. The main peak is the main peak of the ceramic (powder) used for the target from 30.27 ゜
It changes to 27.5 °, and its reflection intensity varies depending on the heat treatment temperature.

基板温度及び熱処理温度の配向性への影響を調べるた
めに、基板温度、熱処理温度と、27.5゜ピークのX線反
射強度の関係を表わしたのが図4である。蒸着直後には
どの薄膜もほとんど配向していないが、熱処理を施すこ
とによって配向性が表れ、27.5゜にピークが表れてい
る。配向の度合いは熱処理温度に依存するが、基板温度
とも強く関係している。基板温度に関しては、高い方が
より配向し、300℃が最もよく配向している。実験で
は、325℃以上の基板温度で蒸着した薄膜についても検
討したが、得られた薄膜の状態が300℃でのものと大き
な差違が無かったことから、以後の議論は基板温度が30
0℃以下のもので行なう。熱処理温度に関しては、350℃
までは温度が高いほど配向性が良い。これは加えられた
熱エネルギーによってガラス基板上のPb5CrO8分子が活
性化され、結晶が規則的に整列するものと考えられる。
なお、375℃を超えると27.5゜のピークは減少する傾向
にある。
FIG. 4 shows the relationship between the substrate temperature and the heat treatment temperature and the X-ray reflection intensity of the 27.5 ° peak in order to examine the influence of the substrate temperature and the heat treatment temperature on the orientation. Immediately after the deposition, almost no thin film is oriented, but the orientation is revealed by the heat treatment, and a peak appears at 27.5 °. Although the degree of orientation depends on the heat treatment temperature, it is also strongly related to the substrate temperature. Regarding the substrate temperature, the higher the orientation, the more the orientation is, and 300 ° C. is the best orientation. In the experiments, thin films deposited at a substrate temperature of 325 ° C or higher were also examined.However, there was no significant difference between the state of the obtained thin film and that at 300 ° C.
Perform at 0 ° C or lower. 350 ℃ for heat treatment temperature
Until the temperature is higher, the orientation is better. This is considered to be because the Pb 5 CrO 8 molecules on the glass substrate are activated by the applied thermal energy, and the crystals are regularly arranged.
When the temperature exceeds 375 ° C., the peak at 27.5 ° tends to decrease.

次に、27.5゜ピークの最も大きいTs=300℃で蒸着さ
れた薄膜について、配向性が熱処理温度とともにどのよ
うに変化するかについて表わしたものが図5である。丸
印は27.5゜ピーク、角印は30.27゜ピークを示す。蒸着
直後の薄膜は殆どが30.27゜にピークを持つが、その大
きさはわずかである。この薄膜を250℃で熱処理する
と、30.27゜のピークは大きくなり、同時に27.5゜のピ
ークも大きくなる。Ta=300℃になると、30.27゜のピー
クは小さくなり、27.5゜のピークはさらに大きくなる。
Ta=350℃になると、30.27゜のピークは蒸着時より小さ
くなり、27.5゜ピークが支配的になる。Ta=400℃では
結晶の配向が大きく変化し、27.5゜及び30.27゜での反
射はほとんど無くなり、代わりに26.3゜と36.2゜での反
射強度が強くなる。これはPb2CrO5セラミックの(310)
面及び(202)面からの反射に相当する。このことは熱
エネルギーを加えることによって、薄膜の組成が一部Pb
2CrO5に変化したものと考えられる。27.5゜及び30.27゜
での反射が主となるPb5CrO8薄膜の色が赤みがかった茶
色であるのに比して、26.3゜及び36.2゜での反射が強い
状態の薄膜はPb2CrO5と酷似した橙色を呈しており、上
述のX線からの結果と矛盾していない。
Next, FIG. 5 shows how the orientation changes with the heat treatment temperature for a thin film deposited at Ts = 300 ° C., which has the largest 27.5 ° peak. The circle indicates the 27.5 ° peak, and the square indicates the 30.27 ° peak. Most of the thin films immediately after evaporation have a peak at 30.27 °, but their size is small. When this thin film is heat-treated at 250 ° C., the peak at 30.27 ° increases and the peak at 27.5 ° also increases. At Ta = 300 ° C., the peak at 30.27 ° becomes smaller and the peak at 27.5 ° becomes even larger.
When Ta = 350 ° C., the peak at 30.27 ° becomes smaller than that at the time of vapor deposition, and the peak at 27.5 ° becomes dominant. At Ta = 400 ° C., the orientation of the crystal greatly changes, and the reflection at 27.5 ° and 30.27 ° almost disappears, but the reflection intensity at 26.3 ° and 36.2 ° increases instead. This is Pb 2 CrO 5 ceramic (310)
This corresponds to reflection from the plane and the (202) plane. This means that by applying thermal energy, the composition of the thin film is partially Pb
It is considered that changes to 2 CrO 5. The Pb 5 CrO 8 thin film mainly reflected at 27.5 ゜ and 30.27 ゜ has a reddish brown color, whereas the thin film with strong reflection at 26.3 ゜ and 36.2 ゜ has Pb 2 CrO 5 It has a very similar orange color and is consistent with the results from X-rays described above.

27.5゜及び30.27゜でのX線反射強度の基板温度との
関係を表わしたのが図6である。図中には未処理状態と
350℃で熱処理を施した2つの場合が示されている。蒸
着直後の30.27゜での反射は基板温度に強く依存してい
る。結晶化の過程においてランダムな方向を向いていた
個々の分子は、集合する際に同一方向を向いて結晶粒を
形成し、その結果30.27゜での反射が最も大きくなって
いる。27.5゜での反射強度は未熱処理の状態では基板温
度にほとんど依存しないが、熱処理の過程で基板温度の
影響が大きく現れる。蒸着時にPb5CrO8分子が受けるエ
ネルギーでは薄膜としての安定状態には至らないが、熱
処理が配向を促進する要因になっていると考えられる。
熱処理前後での反射強度の変化を見ると、30.27゜ピー
クの変化が少ないのに比べて、27.5゜ピークは基板温度
が高いほどその変化が大きい。このことは、30.27゜ピ
ークの生成に寄与している分子はあまり動かず、30.27
゜と27.5゜以外のX線反射に寄与している分子が、新た
に27.5゜ピークに加わるように整列するものと考えられ
る。
FIG. 6 shows the relationship between the X-ray reflection intensity at 27.5 ° and 30.27 ° and the substrate temperature. The unprocessed state is shown in the figure.
Two cases of heat treatment at 350 ° C. are shown. The reflection at 30.27 ° immediately after deposition strongly depends on the substrate temperature. Individual molecules that were oriented in random directions during the crystallization process form crystal grains that are oriented in the same direction when assembled, resulting in the largest reflection at 30.27 °. The reflection intensity at 27.5 ° hardly depends on the substrate temperature in the unheated state, but the influence of the substrate temperature appears greatly during the heat treatment. The energy received by the Pb 5 CrO 8 molecules during the vapor deposition does not lead to a stable state as a thin film, but it is considered that the heat treatment is a factor promoting the orientation.
Looking at the change in the reflection intensity before and after the heat treatment, the change in the 30.27 ° peak is small, whereas the change in the 27.5 ° peak is larger as the substrate temperature is higher. This means that the molecules contributing to the generation of the 30.27 ° peak did not move much,
It is thought that molecules contributing to X-ray reflection other than ゜ and 27.5 ° are arranged so as to newly add to the 27.5 ° peak.

以上のことから、基板加熱は蒸着の際の薄膜の結晶化
を促進し、蒸着後の熱処理は薄膜の配向性を高めるもの
として説明することができる。同時に、図6の結果から
27.5゜と30.27゜での反射強度の比をとると、Ts=300℃
における値が最も大きく、Ts=300℃、Ta=350℃が薄膜
作製に適した条件であると言える。
From the above, it can be explained that heating the substrate promotes crystallization of the thin film at the time of vapor deposition, and heat treatment after the vapor deposition enhances the orientation of the thin film. At the same time, from the results in FIG.
When the ratio of the reflection intensity at 27.5 ゜ and 30.27 ゜ is calculated, Ts = 300 ℃
Is the largest, and it can be said that Ts = 300 ° C. and Ta = 350 ° C. are conditions suitable for thin film production.

(TEM像による表面観察) 蒸着時及び熱処理後の表面状態の変化を観察すること
は、薄膜の結晶状態を知る有力な手掛かりとなる。本節
では透過型電子顕微鏡(Transmission Electron Micr
oscope:TEM)を用いて、未処理膜及び熱処理を施した膜
の表面を観察し、前節でのX線解析による考察の妥当性
を検証している。図7は透過型電子顕微鏡(JEOL社製、
200CX)を加速電圧200kVで使用し、レプリカ法による試
料に対して得られたTEM像を示している。一般に蒸着薄
膜内部の分子は基板に到達した時点で表面運動(surfac
e migration)し、多結晶状態の薄膜が形成されること
が知られている。蒸着直後の薄膜である図(a)(Ts=
室温の未処理膜)と図(b)(Ts=300℃の未処理膜)
は、共に非晶質状態に近い多結晶であることが写真から
も認められる。基板温度が室温で蒸着された薄膜では結
晶粒径が非常に小さく、300℃で得られた薄膜では結晶
成長によって結晶粒径が大きくなっていることがわか
る。X線回折データでは、基板温度が低い(室温)とき
には薄膜はほとんど非晶質状態に近く、顕著な配向が見
られないのに対して、基板温度を上げると、結晶が成長
し、30.27゜での反射が強くなっている。このことはTEM
像での結果とよく対応している。写真(b)には(a)
にはない島状の平らな部分があり、この島状の部分での
X線の反射角が30.27゜ピークに相当しているものと考
えられる。
(Surface observation by TEM image) Observing changes in the surface state during vapor deposition and after heat treatment is a powerful clue to know the crystal state of the thin film. In this section, the transmission electron microscope
Using a microscope (TEM), the surfaces of the untreated film and the film subjected to the heat treatment are observed, and the validity of the consideration by the X-ray analysis in the previous section is verified. FIG. 7 shows a transmission electron microscope (manufactured by JEOL,
200CX) is used at an accelerating voltage of 200 kV, and shows a TEM image obtained for a sample by the replica method. In general, molecules inside the evaporated thin film reach their surface when they reach the substrate (surfac).
e migration), and a polycrystalline thin film is known to be formed. Figure (a) showing a thin film immediately after vapor deposition (Ts =
Untreated film at room temperature) and Fig. (B) (Untreated film at Ts = 300 ° C)
It is also confirmed from the photograph that both are polycrystals near the amorphous state. It can be seen that the thin film deposited at a substrate temperature of room temperature has a very small crystal grain size, and the thin film obtained at 300 ° C. has a large crystal grain size due to crystal growth. According to the X-ray diffraction data, when the substrate temperature is low (room temperature), the thin film is almost in an amorphous state and no remarkable orientation is observed. On the other hand, when the substrate temperature is increased, the crystal grows and the crystal grows at 30.27 ゜. The reflection is getting stronger. This is TEM
It corresponds well with the result in the image. Photo (b) shows (a)
It is considered that there is an island-like flat portion which is not present in the above, and the X-ray reflection angle at this island-like portion corresponds to the peak of 30.27 °.

写真(c)及び(d)は、(b)状態の薄膜をそれぞ
れTa=300℃及びTa=350℃で熱処理した後の表面の観察
結果である。X線回折の結果との比較から、(b)の微
結晶の部分及び大きな島状の結晶の一部が、300℃での
熱処理によって(c)の粒径の小さい結晶に変化し、そ
の小さい結晶粒の部分が27.5゜ピークに寄与するものと
考えることができる。(d)状態の薄膜では結晶粒径が
小さいことから27.5゜ピークが主となり、一部の粒径が
大きい部分からの反射が30.27゜ピークになっていると
推察される。
The photographs (c) and (d) are the observation results of the surface after the thin film in the state (b) was heat-treated at Ta = 300 ° C. and Ta = 350 ° C., respectively. From the comparison with the result of the X-ray diffraction, it is found that the fine crystal part (b) and a part of the large island-like crystal change to a crystal having a small grain size in (c) by heat treatment at 300 ° C. It can be considered that the crystal grains contribute to the 27.5 ° peak. In the thin film in the state (d), the peak is 27.5 ° mainly due to the small crystal grain size, and it is inferred that the reflection from a part having a large grain size is a peak at 30.27 °.

(分光光度計による解析) 薄膜の光電特性を議論する上で、光学的性質を調べる
ことは重要である。ここでの光学的特性として、分光光
度計(島津:UV−2100型)を用いて透過率及び反射率を
測定し、その結果から薄膜の光学的バンドギャップエネ
ルギーを求めた。図8はTs=300℃で蒸着された薄膜を
(a)300、(b)350、(c)400℃で熱処理したもの
の、透過率及び反射率の波長依存性の測定結果である。
Ta=300℃の膜状態では長波長側での測定値が波打って
いることが認められる。これは薄膜の前面と後面の間で
の多重反射による干渉に起因しており、TEM写真で粒径
が大きいこととも関係している。Ta=350℃での薄膜の
反射率が小さいことから、この膜は結晶の配向性が高
く、格子欠陥などの構造の乱れも比較的少ないと言え
る。Ta=400℃での薄膜での透過率が小さく、反射率が
大きいのは、結晶構造の変化によってPb5CrO8とPb2CrO5
の両方が混在しているため、配向性が低く、また格子欠
陥などのひずみも大きいことに起因している。透過率が
0になる吸収端の波長は、3種類の熱処理温度で異なっ
ているが、このことは薄膜の色が赤茶色から橙色に変化
していることと対応している。この図から熱処理温度は
薄膜の配向性に影響を及ぼすが、薄膜の組成を変化させ
る要因にもなることが分かる。
(Analysis by Spectrophotometer) In discussing the photoelectric properties of the thin film, it is important to examine the optical properties. As the optical characteristics, transmittance and reflectance were measured using a spectrophotometer (Shimadzu: UV-2100 type), and the optical band gap energy of the thin film was determined from the results. FIG. 8 shows the measurement results of the wavelength dependence of the transmittance and the reflectance of the thin film deposited at Ts = 300 ° C., which was heat-treated at (a) 300, (b) 350, and (c) 400 ° C.
In the film state of Ta = 300 ° C., it is recognized that the measured value on the long wavelength side is wavy. This is due to interference due to multiple reflections between the front and back surfaces of the thin film, and is also related to the large particle size in the TEM photograph. Since the reflectance of the thin film at Ta = 350 ° C. is small, it can be said that this film has high crystal orientation and relatively little structural disorder such as lattice defects. The low transmittance and high reflectance of the thin film at Ta = 400 ° C. are due to changes in the crystal structure of Pb 5 CrO 8 and Pb 2 CrO 5.
Both are mixed, resulting in low orientation and large strain such as lattice defects. The wavelength at the absorption edge at which the transmittance becomes zero differs at the three heat treatment temperatures, which corresponds to the change in the color of the thin film from reddish brown to orange. From this figure, it can be seen that the heat treatment temperature affects the orientation of the thin film, but also causes a change in the composition of the thin film.

基板温度Tsを(a)100、(b)200、(c)300℃に
設定して蒸着した後、Ta=350℃の熱処理で得られた膜
の透過率及び反射率の変化を測定した結果を図9に示
す。Ts=100℃及び200℃での薄膜はTs=300℃での結果
と比較して配向性が劣る。このことは、X線回折データ
の27.5゜ピークと30.27゜ピークの混在とも符合してい
る。しかしながら、薄膜の組成は変化しておらず、薄膜
の配向の度合いが基板温度に依存するとの前節での結果
を支持している。また吸収端の波長がほぼ等しいこと
は、薄膜の色が同じであるという観察結果とも矛盾しな
い。
(A) 100, (b) 200, (c) After setting the substrate temperature at 300 ° C., and measuring the change in transmittance and reflectance of the film obtained by the heat treatment at Ta = 350 ° C. Is shown in FIG. The thin films at Ts = 100 ° C. and 200 ° C. have poor orientation compared to the results at Ts = 300 ° C. This is consistent with the mixture of the 27.5 ° peak and the 30.27 ° peak in the X-ray diffraction data. However, the composition of the thin film has not changed, supporting the result in the previous section that the degree of orientation of the thin film depends on the substrate temperature. The fact that the wavelengths at the absorption edges are substantially equal does not contradict the observation that the colors of the thin films are the same.

薄膜の透過率、吸収率の値から吸収係数を算出し、薄
膜の光学的バンドギャップエネルギーを求めた。吸収係
数αと薄膜の透過率T及び反射率Rの間には次式の関係
があることが知られている。
The absorption coefficient was calculated from the values of the transmittance and the absorptivity of the thin film, and the optical band gap energy of the thin film was obtained. It is known that the following relationship exists between the absorption coefficient α and the transmittance T and reflectance R of the thin film.

ここで、tは膜厚、rは薄膜界面での反射率である。
(1)及び(2)式から、αはR、Tと膜厚の値を用い
て次式で与えられる。
Here, t is the film thickness, and r is the reflectance at the thin film interface.
From the equations (1) and (2), α is given by the following equation using the values of R, T and the film thickness.

図10はTs=300℃、Ta=350℃で作製した試料につい
て、光子エネルギーと吸収係数の関係をプロットしたも
のである。図中の直線と横軸である光子エネルギーの座
標軸との交点の値は、Pb5CrO8薄膜における価電子帯と
伝導帯の直接遷移における光学的バンドギャップエネル
ギーの値に相当し、その値は2.22eVである。室温で同程
度のバンドギャップを持つ半導体材料としては、CdS
(2.41eV)、GaP(2.24eV)、ZnTe(2.26eV)が挙げら
れる。このことからPb5CrO8薄膜は可視領域に光感度を
有する半導体として扱える材料であることがわかる。
FIG. 10 is a plot of the relationship between the photon energy and the absorption coefficient of a sample manufactured at Ts = 300 ° C. and Ta = 350 ° C. The value of the intersection between the straight line in the figure and the coordinate axis of the photon energy, which is the horizontal axis, corresponds to the value of the optical band gap energy in the direct transition between the valence band and the conduction band in the Pb 5 CrO 8 thin film. 2.22 eV. As a semiconductor material having a similar band gap at room temperature, CdS
(2.41 eV), GaP (2.24 eV) and ZnTe (2.26 eV). This indicates that the Pb 5 CrO 8 thin film is a material that can be treated as a semiconductor having photosensitivity in the visible region.

(発明の効果) 3元素系酸化物であるPb5CrO8の薄膜化を電子ビーム
蒸着法によって試み、その作製条件について検討した。
薄膜作製時に考慮するパラメータとして、基板温度及び
熱処理温度を重視し、X線回折、TEM像の観察及び分光
光度計による結果を通じて得られた薄膜の評価を行なっ
た。
(Effects of the Invention) Thinning of Pb 5 CrO 8 , which is a three-element oxide, was attempted by an electron beam evaporation method, and the manufacturing conditions were examined.
With emphasis on the substrate temperature and the heat treatment temperature as parameters to be considered when preparing the thin film, evaluation of the thin film obtained through X-ray diffraction, observation of a TEM image, and results using a spectrophotometer was performed.

作製した薄膜は、セラミック状態のものと比べて分子
の配向性に優れ、27.5゜でのX線反射強度が主となる方
向に配列している。薄膜作製条件として、基板温度300
℃、熱処理温度350℃が最適であることが分かった。基
板温度は蒸着時の薄膜の結晶化と関係し、結晶化が進ん
でいる薄膜ほど熱処理後の配向性が良い。熱処理温度は
薄膜の配向促進を左右する要因であるが、375℃以上で
熱処理を行なうと一部のPb5CrO8分子が分解し、Pb2CrO5
に変化することが分かった。
The prepared thin film has better molecular orientation than the ceramic thin film, and is arranged in a direction in which the X-ray reflection intensity at 27.5 ° is dominant. Substrate temperature 300
° C and heat treatment temperature of 350 ° C were found to be optimal. The substrate temperature is related to the crystallization of the thin film at the time of vapor deposition, and the thinner the crystallization is, the better the orientation after the heat treatment. The heat treatment temperature is a factor that influences the promotion of orientation of the thin film. However, when heat treatment is performed at 375 ° C. or more, some Pb 5 CrO 8 molecules are decomposed, and Pb 2 CrO 5
Was found to change.

薄膜表面の観察によって、X線解析の結果からの考察
を裏付けることができた。分光光度計による解析から、
基板温度及び熱処理温度の薄膜に対する影響を光学的に
検討した。光子エネルギーの関数として薄膜の吸収係数
を評価した結果、Pb5CrO8薄膜の光学的バンドギャップ
エネルギーは2.22eVであり、可視光域で使用可能な半導
体として扱いうることが明らかになった。
Observation of the surface of the thin film supported the consideration from the results of the X-ray analysis. From analysis with a spectrophotometer,
The effects of the substrate temperature and the heat treatment temperature on the thin film were studied optically. Evaluation of the absorption coefficient of the thin film as a function of the photon energy revealed that the optical band gap energy of the Pb 5 CrO 8 thin film was 2.22 eV, which can be treated as a semiconductor usable in the visible light region.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

図1はPb5CrO8セラミック粉末のX線回折パターンを示
す図である。 図2はPb5CrO8薄膜作製に用いた電子ビーム蒸着装置の
概略構成図である。 図3は薄膜のX線回折パターンを示す図である。 図4は27.5゜ピークの基板温度と熱処理温度とX線回折
強度の関係を示す図である。 図5はTs=300℃での熱処理温度とX線回折強度の関係
を示す図である。 図6は未処理及びTa=350℃における基板温度とX線回
折強度の関係を示す図である。 図7はPb5CrO8薄膜のTEM写真を示す図である。 図8はガラス基板上に蒸着したPb5CrO8薄膜の透過率
(T)及び反射率(R)を示す図である。 図9はガラス基板上に蒸着したPb5CrO8薄膜の透過率
(T)及び反射率(R)を示す図である。 図10はαと光子エネルギーの関係を示す図である。 図11はPb5CrO8薄膜の作製条件を示す図である。
FIG. 1 is a view showing an X-ray diffraction pattern of a Pb 5 CrO 8 ceramic powder. FIG. 2 is a schematic configuration diagram of an electron beam evaporation apparatus used for producing a Pb 5 CrO 8 thin film. FIG. 3 shows an X-ray diffraction pattern of the thin film. FIG. 4 is a graph showing the relationship between the substrate temperature at 27.5 ° peak, the heat treatment temperature, and the X-ray diffraction intensity. FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the heat treatment temperature at Ts = 300 ° C. and the X-ray diffraction intensity. FIG. 6 is a diagram showing the relationship between the substrate temperature and the X-ray diffraction intensity at untreated and at Ta = 350 ° C. FIG. 7 is a view showing a TEM photograph of the Pb 5 CrO 8 thin film. FIG. 8 is a diagram showing the transmittance (T) and the reflectance (R) of a Pb 5 CrO 8 thin film deposited on a glass substrate. FIG. 9 is a diagram showing the transmittance (T) and the reflectance (R) of a Pb 5 CrO 8 thin film deposited on a glass substrate. Figure 10 is a diagram showing the relationship of alpha 2 and photon energy. FIG. 11 is a diagram showing conditions for producing a Pb 5 CrO 8 thin film.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 FI H01L 31/0264 H01L 31/08 M ──────────────────────────────────────────────────の Continued on the front page (51) Int.Cl. 6 Identification code FI H01L 31/0264 H01L 31/08 M

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】電子ビーム照射装置が備えてある真空槽内
にPb5CrO8セラミックと基板とを置き、前記装置により
電子ビームを前記Pb5CrO8セラミックに照射してPb5CrO8
蒸気を発生させ、該蒸気の分子を前記基板上に薄い膜状
に堆積させ、該基板上に堆積された薄膜に熱処理を施
し、前記基板上にPb5CrO8の薄膜を作製する方法におい
て、前記蒸気の分子を前記基板上に堆積させている期間
には該基板の温度は20℃〜300℃の範囲に維持し、前記
熱処理は250℃〜370℃の範囲で行なうことを特徴とする
Pb5CrO8薄膜の作製方法。
1. A electron beam in a vacuum chamber in which the irradiation apparatus are provided Place and Pb 5 CrO 8 ceramic and the substrate, wherein the electron beam by the device Pb 5 CrO 8 by irradiating the ceramic Pb 5 CrO 8
Steam is generated, is deposited molecules of the gas the evaporated thin film shape on the substrate, a heat treatment to a thin film deposited on the substrate, a method of making a thin film of Pb 5 CrO 8 on the substrate, During the period in which the vapor molecules are deposited on the substrate, the temperature of the substrate is maintained in a range of 20 ° C. to 300 ° C., and the heat treatment is performed in a range of 250 ° C. to 370 ° C.
Preparation method of Pb 5 CrO 8 thin film.
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