JP4388294B2

JP4388294B2 - 単結晶基板の熱処理方法

Info

Publication number: JP4388294B2
Application number: JP2003077151A
Authority: JP
Inventors: 秀臣鯉沼; 祐司松本; 雄一山本; 圭介望月; 大吾福士
Original assignee: Asahi Glass Co Ltd; Japan Science and Technology Agency; Shinkosha KK; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Current assignee: Japan Science and Technology Agency; Shinkosha KK; AGC Inc; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Priority date: 2003-03-20
Filing date: 2003-03-20
Publication date: 2009-12-24
Anticipated expiration: 2023-03-20
Also published as: JP2004288767A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、誘電体、磁性体、高温超電導体などの薄膜成長用基板や光触媒材料の発現機構解明のための材料などに適用される単結晶基板の熱処理方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
良質なエピタキシャル膜の作製には、単結晶基板表面の原子レベルの平坦性が大きく影響されることは知られている。これまで、ＳｒＴｉＯ_３単結晶基板やサファイア単結晶基板については、極めて高い平坦度が得られる処理技術が開発され、その処理技術が例えば特許第３２５２０５２号特許公報、特許第３０１５２６１号特許公報及び特許第３２４４９６６号特許公報などにおいて提案されており、現在は超平坦化技術が確立されているのが実情である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
一方、ＴｉＯ_２単結晶については、光触媒の発現機構の解明のために、また薄膜電子ディバイス応用のために、多くの研究が行われてきた。
しかしながら、発明者の知る限りではＴｉＯ_２単結晶基板の表面の原子レベル制御についてはこれまで系統的に研究された例は見当たらない。
本願発明の目的は、ＴｉＯ_２ルチル単結晶基板（以下「ルチル単結晶基板」と略称する。）の表面を原子レベルでの高い平坦化を可能にすることにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明において、選択した面方位のルチル単結晶基板を大気下約３００°Ｃ〜約１，１００°Ｃの加熱温度で電気炉などの加熱装置を用いて所定時間焼成して、上記ルチル単結晶基板の表面に約０．２２ｎｍ〜約０．４６ｎｍの高さ原子ステップ及びテラス構造を得るようにする方法である。
熱処理の対象となる上記ルチル単結晶基板はその面方位が選択される。選択される面方位は、所望の高さの原子ステップ及びテラス構造を制御できる面方位か又はルチル単結晶基板上に成長させる異種物質の結晶格子に適合する格子定数を有する面方位である。面方位は、（１１０），（１００），（００１），（１１１）及び（１０１）の中から選択され、選択の範囲は最小で少なくとも１つ、最大ですべての面方位である。
加熱温度は約３００°Ｃ〜約１，１００°Ｃの範囲が望ましい。約３００°Ｃより低温になると、上記ルチル単結晶基板の表面に所望のステップが得にくく、また約１，１００°Ｃを越えて高温になると、ステップの高さが不均一となって高平坦性を有する基板が得にくくなるおそれがある。
加熱時間として上記加熱温度の範囲においては１時間程度で良いが、１時間未満又は１時間を越えても良い。もっとも、加熱時間については、加熱温度との関係で相対的に決定され、高温の場合には短時間の加熱処理が可能であり、また時間をかけることにより低温でも処理が可能である。
ルチル単結晶基板を焼成する段階において、前処理として基板表面を洗浄剤を用いて洗浄しておく場合と、洗浄することなく焼成する場合の双方があるが、前処理することは超平坦面であるテラス構造を得やすくするためには望ましい。前処理工程である洗浄工程では、洗浄剤例えば有機溶剤で洗浄し、ついで例えば酸性溶剤で洗浄すると、上記効果が高められる。有機溶剤としてはアセトン、エタノールなどが用いられ、また酸性溶剤としては塩酸、硝酸、硫酸、リン酸、フッ酸などが使用される。
【０００５】
【作用】
選択した面方位（１１０），（１００），（００１），（１１１）又は（１０１）を持つ表面のルチル単結晶基板を所定温度で所定時間焼成することにより、上記ルチル単結晶基板表面には所望の高さの原子レベルのステップを有する超平坦面であるテラス構造が形成される。
【０００６】
【実施例】
（実施例１）
面方位（１１０）であるルチル単結晶基板の表面をまず有機溶剤によって洗浄し、ついで酸性溶剤で洗浄処理した後、研磨仕上げされたルチル単結晶基板を電気炉内において大気中４００°Ｃの加熱温度で１時間焼成した。
同様に、上記ルチル単結晶基板に対して異なった加熱温度すなわち、５００°Ｃ、６００°Ｃ、７００°Ｃ、８００°Ｃ、９００°Ｃ及び１，０００°Ｃのそれぞれの加熱温度でも１時間焼成した。
このように、上記の面方位で、かつ下限を４００°Ｃ、上限を１，０００°Ｃとして加熱温度を順次１００°Ｃそれぞれ上昇させた７ケースについて、個別に焼成後、原子間力顕微鏡でルチル単結晶基板の表面を観察したところ、７ケースのいずれの加熱温度の場合でもその表面には高さ０．３２ｎｍのステップ及びテラス構造が形成されていた。テラス幅はルチル単結晶基板の表面の結晶軸精度すなわち面方位（１１０）からのずれ幅に依存して相対的に変化した。
この観察では、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）としてＳＩＩ社製のＳＰＡ３００／ＳＰＩ３８００を使用した。観察範囲は１×１μｍ^２である。
図１（Ａ）及び図１（Ｂ）は、加熱温度が９００°Ｃにおける焼成後の上記ルチル単結晶基板における配向面（１１０）のＡＦＭ像の斜視図及び同断面図である。ルチル単結晶基板の表面には高さ０．３２ｎｍのステップ２及びテラス幅が１００ｎｍを越えるテラス１を有する構造が形成されていた。
【０００７】
（実施例２）
面方位（１００）であるルチル単結晶基板の表面をまず有機溶剤によって洗浄し、ついで酸性溶剤で洗浄処理した後、研磨仕上げされたルチル単結晶基板を電気炉内において大気中４００°Ｃの加熱温度で１時間焼成した。
同様に、上記ルチル単結晶基板に対して異なった加熱温度すなわち、５００°Ｃ、６００°Ｃ、７００°Ｃ、８００°Ｃ、９００°Ｃ、１，０００°Ｃ及び１，１００°Ｃで個別毎に１時間焼成した。
このように、上記の面方位で、かつ下限を４００°Ｃ、上限を１，１００°Ｃとして加熱温度を順次１００°Ｃそれぞれ上昇させた８ケースについて、焼成後、上記原子間力顕微鏡でルチル単結晶基板の表面を観察したところ、いずれの加熱温度の場合でもその表面には高さ０．４６ｎｍのステップ及びテラス構造が形成されていた。テラス幅はルチル単結晶基板の表面の結晶軸精度すなわち面方位（１００）からのずれ幅に依存して相対的に変化した。観察範囲は１×１μｍ^２である。
図２（Ａ）及び図２（Ｂ）は、加熱温度が８００°Ｃにおける焼成後の上記ルチル単結晶基板における配向面（１００）のＡＦＭ像の斜視図及び同断面図である。ルチル単結晶基板の表面には高さ０．４６ｎｍのステップ２及びテラス幅が１００ｎｍを越えるテラス１を有する構造が形成されていた。
【０００８】
（実施例３）
選択する面方位及び加熱温度を除いて、実施例１に示す条件と同一の条件でルチル単結晶基板の表面を熱処理した。
本例の面方位は（００１）、加熱温度は８００°Ｃ及び９００°Ｃの２ケースであった。
焼成後のルチル単結晶基板の表面を上記原子間力顕微鏡で観察したところ、いずれの加熱温度の場合でもその表面には高さ０．３０ｎｍのステップ及びテラス構造が形成されていた。テラス幅はルチル単結晶基板の表面の結晶軸精度すなわち面方位（００１）からのずれ幅に依存して相対的に変化した。観察範囲は１×１μｍ^２である。
図３（Ａ）及び図３（Ｂ）は加熱温度が９００°Ｃにおける焼成後の上記ルチル単結晶基板における配向面（００１）のＡＦＭ像の斜視図及び同断面図である。
ルチル単結晶基板の表面には高さ０．３０ｎｍのステップ２及びテラス幅が１００ｎｍを越えるテラス１を有する構造が形成されていた。
【０００９】
（実施例４）
選択する面方位及び加熱温度を除いて、実施例１に示す条件と同一の条件でルチル単結晶基板の表面を熱処理した。
本例の面方位は（１１１）、加熱温度は５００°Ｃ、６００°Ｃ、７００°Ｃ、８００°Ｃ及び９００°Ｃの５ケースであった。
焼成後のルチル単結晶基板の表面を上記原子間力顕微鏡で観察したところ、いずれのケース（加熱温度）でも上記ルチル単結晶基板の表面には高さ０．２２ｎｍのステップ及びテラス構造が形成されていた。テラス幅はルチル単結晶基板の表面の結晶軸精度すなわち面方位（１１１）からのずれ幅に依存して相対的に変化した。観察範囲は１×１μｍ^２である。
図４（Ａ）及び図４（Ｂ）は加熱温度が８００°Ｃにおける焼成後の上記ルチル単結晶基板における配向面（１１１）のＡＦＭ像の斜視図及び同断面図である。ルチル単結晶基板の表面には高さ０．２２ｎｍのステップ２及びテラス幅が８０ｎｍを越えるテラス１を有する構造が形成されていた。
【００１０】
（実施例５）
選択する面方位及び加熱温度を除いて、実施例１に示す条件と同一の条件でルチル単結晶基板の表面を熱処理した。
本例の面方位は（１０１）、加熱温度は６００°Ｃ、７００°Ｃ及び８００°Ｃの３ケースであった。
焼成後のルチル単結晶基板の表面を上記原子間力顕微鏡で観察したところ、いずれのケース（加熱温度）においても、ルチル単結晶基板の表面には高さ０．２５ｎｍのステップ及びテラス構造が形成されていた。テラス幅はルチル単結晶基板の表面の結晶軸精度すなわち面方位（１０１）からのずれ幅に依存して相対的に変化した。観察範囲は１×１μｍ^２である。
図５（Ａ）及び図５（Ｂ）は加熱温度が８００°Ｃにおける焼成後の上記ルチル単結晶基板における配向面（１０１）のＡＦＭ像の斜視図及び同断面図である。ルチル単結晶基板の表面には高さ０．２５ｎｍのステップ２及びテラス幅が５０ｎｍを越えるテラス１を有する構造が形成されていた。
【００１１】
【発明の効果】
本発明によれば、ルチル単結晶基板の表面を原子レベルでの平坦化が可能となるから、光触媒の発現機構の解明用材料に応用でき、また性能の良い薄膜電子ディバイスに適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（Ａ）及び（Ｂ）はルチル単結晶基板における配向面（１１０）のＡＦＭ像の斜視図及び同断面図である。
【図２】（Ａ）及び（Ｂ）はルチル単結晶基板における配向面（１００）のＡＦＭ像の斜視図及び同断面図である。
【図３】（Ａ）及び（Ｂ）はルチル単結晶基板における配向面（００１）のＡＦＭ像の斜視図及び同断面図である。
【図４】（Ａ）及び（Ｂ）はルチル単結晶基板における配向面（１１１）のＡＦＭ像の斜視図及び同断面図である。
【図５】（Ａ）及び（Ｂ）はルチル単結晶基板における配向面（１０１）のＡＦＭ像の斜視図及び同断面図である。
【符号の説明】
１テラス
２ステップ

Claims

ＴｉＯ_２ルチル単結晶基板を大気下４００°Ｃ〜１，０００°Ｃの加熱温度で１時間焼成して、選択した面方位（１１０）の上記ＴｉＯ_２ルチル単結晶基板の表面に０．３２ｎｍの高さの原子ステップ及びテラス構造を得るようにしたことを特徴とする単結晶基板の熱処理方法。
ＴｉＯ _２ルチル単結晶基板を大気下４００°Ｃ〜１，１００°Ｃの加熱温度で１時間焼成して、選択した面方位（１００）の上記ＴｉＯ _２ルチル単結晶基板の表面に０．４６ｎｍの高さの原子ステップ及びテラス構造を得るようにしたことを特徴とする単結晶基板の熱処理方法。
ＴｉＯ _２ルチル単結晶基板を大気下８００°Ｃ〜９００°Ｃの加熱温度で１時間焼成して、選択した面方位（００１）の上記ＴｉＯ _２ルチル単結晶基板の表面に０．３０ｎｍの高さの原子ステップ及びテラス構造を得るようにしたことを特徴とする単結晶基板の熱処理方法。
ＴｉＯ _２ルチル単結晶基板を大気下５００°Ｃ〜９００°Ｃの加熱温度で１時間焼成して、選択した面方位（１１１）の上記ＴｉＯ _２ルチル単結晶基板の表面に０．２２ｎｍの高さの原子ステップ及びテラス構造を得るようにしたことを特徴とする単結晶基板の熱処理方法。
ＴｉＯ _２ルチル単結晶基板を大気下６００°Ｃ〜８００°Ｃの加熱温度で１時間焼成して、選択した面方位（１０１）の上記ＴｉＯ _２ルチル単結晶基板の表面に０．２５ｎｍの高さの原子ステップ及びテラス構造を得るようにしたことを特徴とする単結晶基板の熱処理方法。
前処理としてＴｉＯ _２ルチル単結晶基板の表面を有機溶剤で洗浄し、ついで酸性溶剤で洗浄しておくことを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の単結晶基板の熱処理方法。