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JPH0753634B2 - Oxide thin film manufacturing equipment - Google Patents
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JPH0753634B2 - Oxide thin film manufacturing equipment - Google Patents

Oxide thin film manufacturing equipment

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JPH0753634B2
JPH0753634B2 JP25248686A JP25248686A JPH0753634B2 JP H0753634 B2 JPH0753634 B2 JP H0753634B2 JP 25248686 A JP25248686 A JP 25248686A JP 25248686 A JP25248686 A JP 25248686A JP H0753634 B2 JPH0753634 B2 JP H0753634B2
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thin film
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oxide thin
oxygen
vapor deposition
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和幸 森脇
敏明 村上
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Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明は酸化物薄膜の製造装置、さらに詳細には、光学
素子、圧電素子、表面弾性波素子などに使用される各種
酸化物薄膜の製造装置に関するものである。
Description: TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION The present invention relates to an apparatus for producing an oxide thin film, and more specifically, an apparatus for producing various oxide thin films used for optical elements, piezoelectric elements, surface acoustic wave elements and the like. It is about.

〔発明の技術的背景〕[Technical background of the invention]

従来、酸化物薄膜を作製する最も優れた方法はスパッタ
リング法である。スパッタリング装置は第1図に示すよ
うに、対向する極板1、2間に放電によるプラズマを発
生させ、一方の極板2上に置かれたターゲット1にイオ
ンを衝突させ、その際、ターゲット1よりスパッタされ
た原子あるいは分子をターゲット1と対向して設置され
た極板2上の基板3に堆積させることにより薄膜を製造
する装置である。この際、Ar等のスパッタガスをガス導
入口4より排出口5に流しておく。
Conventionally, the best method for producing an oxide thin film is a sputtering method. As shown in FIG. 1, the sputtering apparatus generates a plasma by discharge between the electrode plates 1 and 2 facing each other, and causes ions to collide with the target 1 placed on one electrode plate 2, while the target 1 This is an apparatus for producing a thin film by depositing more sputtered atoms or molecules on a substrate 3 on an electrode plate 2 placed opposite to a target 1. At this time, a sputtering gas such as Ar is made to flow from the gas inlet 4 to the outlet 5.

一般にターゲット材料に所望の酸化物を用い、スパッタ
ガスのAr中にO2ガスを混入させることにより、酸化物薄
膜が作製される。
Generally, a desired oxide is used as a target material, and an oxide thin film is formed by mixing O 2 gas into Ar as a sputtering gas.

しかし、上述のスパッタ法においては、酸素量の制御が
酸素分圧に依存しているために、原子レベルの制御は不
可能であり、またターゲット組成比に経時変化等によ
り、再現性も充分でないという欠点があった。事実、X
線回折や高速電子線回折で単結晶と認められる酸化膜に
おいても、膜中の酸素欠陥が膜の電気特性に大きく影響
している実験結果が報告されている(鈴木、村上、Soli
d State Comun.53巻、1985年、P691参照)。
However, in the above-mentioned sputtering method, the control of the oxygen amount depends on the oxygen partial pressure, so that it is not possible to control the atomic level, and the reproducibility is not sufficient due to changes in the target composition ratio over time. There was a drawback. In fact, X
Even in oxide films that are recognized as single crystals by line diffraction and high-energy electron diffraction, experimental results have been reported that oxygen defects in the film have a large effect on the electrical properties of the film (Suzuki, Murakami, Soli.
d State Comun. 53, 1985, see P691).

また、このような酸素欠陥を含めた結晶欠陥が膜の密度
を低下させて、電気耐圧低下などの膜特性低下の原因と
なっていた。
In addition, such crystal defects including oxygen defects reduce the density of the film and cause deterioration of film characteristics such as a decrease in electric breakdown voltage.

スパッタ法の他に、第2図に示すようなカウマン型など
のイオン源6を蒸着装置に組み込み、酸素イオン照射を
蒸着と同時に行うことによって酸化膜を得る装置が公表
されている(たとえば、P.J.Martin,J.Material Scienc
e21巻1986年参照)。この装置は、装置内の下方に蒸発
源7を設けて極板2に設置された基板3に前記蒸発源7
よりの物質を蒸着するものであり、この際イオン源6よ
り酸素イオン照射を行って、酸素欠陥のない酸化膜を製
造せんとするものである。なお、第2図において4はガ
ス導入口、5は排出口である。
In addition to the sputtering method, a device for obtaining an oxide film by incorporating an ion source 6 such as a Cowman type shown in FIG. 2 into a vapor deposition device and performing oxygen ion irradiation simultaneously with vapor deposition has been disclosed (for example, PJMartin. , J. Material Scienc
See e21 volume 1986). In this apparatus, an evaporation source 7 is provided in the lower part of the apparatus, and the evaporation source 7 is provided on a substrate 3 installed on an electrode plate 2.
In this case, oxygen ions are irradiated from the ion source 6 to produce an oxide film having no oxygen defects. In FIG. 2, 4 is a gas inlet, and 5 is an outlet.

このような装置においては、イオン源6の動作ガス圧が
1×10-4Torr以上であるため、1×10-5Torr以下の高真
空中で蒸着を行うことは不可能である。このため蒸着分
子は残留ガスと何度も衝突を行いながら基板3に到達
し、さらに基板3表面にも残留ガスによる吸着が起こる
ため、蒸着膜の組成制御を充分に行うことは困難であ
る。また、一般に照射酸素イオン中にO+、O2 +、O2+など
のイオンや中性ラジカルがランダムに混在するため、正
確な酸素量がモニタできない。したがって、半導体のSi
やGaAs薄膜で達成されているような組成制御および不純
物レベル制御を酸化物薄膜に対し達成することは、従来
においては原理的に不可能であった。
In such an apparatus, since the operating gas pressure of the ion source 6 is 1 × 10 −4 Torr or more, it is impossible to perform vapor deposition in a high vacuum of 1 × 10 −5 Torr or less. Therefore, the vapor deposition molecules reach the substrate 3 while colliding with the residual gas many times, and the adsorption of the residual gas also occurs on the surface of the substrate 3, so that it is difficult to sufficiently control the composition of the vapor deposition film. Further, generally, ions such as O + , O 2 + , and O 2+ and neutral radicals are randomly mixed in the irradiated oxygen ions, so that an accurate oxygen amount cannot be monitored. Therefore, the semiconductor Si
In principle, it has been impossible in the past to achieve composition control and impurity level control for oxide thin films, as has been achieved for GaAs and GaAs thin films.

〔発明の概要〕[Outline of Invention]

本発明は良好な特性の、すなわち結晶欠陥がなく、バル
ク値に近い密度の酸化物薄膜を製造するための装置を提
供することを目的とする。
It is an object of the present invention to provide an apparatus for producing an oxide thin film having good characteristics, that is, having no crystal defects and having a density close to a bulk value.

本発明はまた、酸化物薄膜に組成ずれがない酸化物薄膜
を製造する装置を提供することを目的とする。
Another object of the present invention is to provide an apparatus for producing an oxide thin film having no composition deviation in the oxide thin film.

さらに、本発明は、不純物レベル制御を良好に行える酸
化物薄膜装置を提供することを目的とするものである。
A further object of the present invention is to provide an oxide thin film device capable of excellent impurity level control.

また、本発明は多層構造の酸化物薄膜を製造する場合に
多層の酸化物薄膜相互間に拡散を生じない多層酸化物薄
膜を製造できる装置を提供することを目的とする。
Another object of the present invention is to provide an apparatus capable of producing a multi-layered oxide thin film which does not cause diffusion between the multi-layered oxide thin films when producing a multi-layered oxide thin film.

上述の目的を達成するために、本発明による酸化物薄膜
製造装置は、成膜室内に備えられた基板を加熱するため
の基板ホルダと、前記基板に堆積させる物質を分子線に
よって蒸発させる分子線蒸着源を有する酸化物薄膜の製
造装置において、プラズマを生成し、かつそのプラズマ
より10〜50KeVのエネルギで酸素イオンを引き出すため
のイオン室とこのイオン室よりの酸素イオンよりO+また
はO2 +イオンのみを分離するための質量分離機と、前記
酸素イオンを10〜200eVに減速する減速電極とを有し、
高真空下で前記基板上に堆積する薄膜に蒸着と同時に前
記減速された酸素イオンを照射できるようになっている
ことを特徴としている。
In order to achieve the above object, an oxide thin film manufacturing apparatus according to the present invention comprises a substrate holder for heating a substrate provided in a film forming chamber, and a molecular beam for evaporating a substance to be deposited on the substrate by a molecular beam. In a device for producing an oxide thin film having a vapor deposition source, an ion chamber for generating plasma and extracting oxygen ions with energy of 10 to 50 KeV from the plasma, and O + or O 2 + from oxygen ions from this ion chamber. A mass separator for separating only ions, and a deceleration electrode for decelerating the oxygen ions to 10 to 200 eV,
The thin film deposited on the substrate under high vacuum can be irradiated with the decelerated oxygen ions simultaneously with vapor deposition.

本発明による酸化物薄膜の製造装置によれば、組成制御
性がよい分子線蒸着によって基板上に薄膜を堆積させる
とともに、O+またはO2 +を10〜200eVに減速して基板上の
堆積膜に照射するため、高真空中で結晶欠陥のない酸化
物薄膜が製造できるようになる。このため組成制御性が
良好で、結晶欠陥のない酸化物薄膜を得ることができる
という利点を生じる。また、高真空中で酸化物薄膜を製
造するため、基板温度を低くしても結晶化が開始される
ことになり、酸化物薄膜を多層積層する場合、酸化物薄
膜間に拡散を生じることがないという利点もある。
According to the apparatus for producing an oxide thin film of the present invention, a thin film is deposited on a substrate by molecular beam vapor deposition having good composition controllability, and O + or O 2 + is decelerated to 10 to 200 eV to form a deposited film on the substrate. Therefore, an oxide thin film without crystal defects can be produced in a high vacuum. Therefore, there is an advantage that the composition controllability is good and an oxide thin film having no crystal defects can be obtained. Further, since the oxide thin film is manufactured in a high vacuum, crystallization is started even when the substrate temperature is lowered, and when the oxide thin films are laminated in multiple layers, diffusion may occur between the oxide thin films. There is also the advantage of not having it.

〔発明の具体的説明〕[Specific Description of the Invention]

第3図は本発明による酸化物薄膜の製造装置の一具体例
の概略図であるが、この図より明らかなように、本発明
による酸化物薄膜の製造装置によれば、酸化物薄膜の原
料となる薄膜原料を装入し分子線によって蒸発させるた
めの分子線源であるK−セル8、8′と他の薄膜原料を
蒸発させるための電子ビーム蒸着源9を備えた成膜室11
を備えている。そして、プラズマ源より10〜50KeVのエ
ネルギで酸素イオンを引き出すためのイオン化室10は、
前記イオン化室10で発生した酸素イオンよりO+またはO2
+を分離する質量分離機13とこの前記O+またはO2 +を10〜
200eVに減速するための減速電極12とを介して前記成膜
室11に接続しており、基板ホルダ2上の基板3に前記O+
またはO2 +の酸素イオンを打ち込めるようになってい
る。
FIG. 3 is a schematic view of a specific example of the apparatus for producing an oxide thin film according to the present invention. As is clear from this figure, according to the apparatus for producing an oxide thin film according to the present invention, a raw material for an oxide thin film is obtained. A film forming chamber 11 equipped with K-cells 8 and 8'which are molecular beam sources for charging a thin film raw material to be vaporized by a molecular beam and an electron beam evaporation source 9 for vaporizing other thin film raw materials.
Is equipped with. And the ionization chamber 10 for extracting oxygen ions from the plasma source with energy of 10 to 50 KeV is
O + or O 2 from oxygen ions generated in the ionization chamber 10
Mass separator 13 for separating + and this O + or O 2 +
Via the decelerating electrode 12 for decelerating the 200eV are connected to the film forming chamber 11, the substrate 3 on the substrate holder 2 O +
Or it is designed so that oxygen ions of O 2 + can be implanted.

前記成膜室11内には分子線の強度をモニタするための水
晶振動子またはイオンゲージ14および質量分析計15が備
えられており、また前記イオンをモニタするためのファ
ラデーカップ16が設けられている。
A quartz oscillator or an ion gauge 14 and a mass spectrometer 15 for monitoring the intensity of the molecular beam are provided in the film forming chamber 11, and a Faraday cup 16 for monitoring the ions is provided. There is.

また減速電極12と基板3との間には、熱電子フィラメン
トなどの電子放出源17が設けられており、前記基板3に
絶縁膜を形成するときイオンまたは基板3に電子を照射
して堆積された膜の帯電を防止できるようになってい
る。
An electron emission source 17 such as a thermionic filament is provided between the deceleration electrode 12 and the substrate 3, and when an insulating film is formed on the substrate 3, ions or electrons are radiated onto the substrate 3 to be deposited. The film can be prevented from being charged.

前記イオン化室10は、質量分離機13とゲートバルブ20を
介して接続している。なお符合19は試料導入室である。
The ionization chamber 10 is connected to the mass separator 13 via a gate valve 20. Note that reference numeral 19 is a sample introduction chamber.

このような本発明による酸化物薄膜の製造装置は以下の
ように作動する。
The apparatus for manufacturing an oxide thin film according to the present invention operates as follows.

まず、成膜室11をクライオポンプなどによって高真空
(10-5Torr以上の高真空)とする。
First, the film forming chamber 11 is set to a high vacuum (high vacuum of 10 −5 Torr or more) by a cryopump or the like.

そして酸素以外の元素の蒸着を行う分子線蒸着において
は、上述の超高真空(たとえば10-9Torr)中でK−セル
蒸着源8、8′または電子ビーム蒸着源9より前記基板
3に蒸着を行う。このとき、分子線源強度を水晶振動子
またはイオンゲージ14および質量分析計15によってモニ
タし、これをフィードバックすることによって各蒸着源
への入力パワーを制御することができる。
In the molecular beam vapor deposition for vapor-depositing elements other than oxygen, vapor deposition is performed on the substrate 3 from the K-cell vapor deposition sources 8 and 8'or the electron beam vapor deposition source 9 in the above-mentioned ultra-high vacuum (for example, 10 -9 Torr). I do. At this time, the intensity of the molecular beam source is monitored by the crystal oscillator or the ion gauge 14 and the mass spectrometer 15, and by feeding back this, the input power to each vapor deposition source can be controlled.

前記イオン化室10で10〜50KeVのエネルギで発生した酸
素イオンはゲートバルブ20を介して質量分離機13中に入
り、O+またはO2 +を分離される。このO+またはO2 +の酸素
イオンビームは減速電極12によって10〜200eVのエネル
ギに減速されて基板3に照射される。このとき、前記酸
素イオンビームはファラデーカップ16によってモニタさ
れ、フィードバックされてエネルギが制御される。この
照射される酸素イオンビームは、10〜100μA/cm2の高密
度である。
Oxygen ions generated in the ionization chamber 10 with energy of 10 to 50 KeV enter the mass separator 13 through the gate valve 20 and are separated into O + or O 2 + . This O + or O 2 + oxygen ion beam is decelerated by the deceleration electrode 12 to have an energy of 10 to 200 eV and is applied to the substrate 3. At this time, the oxygen ion beam is monitored by the Faraday cup 16 and fed back to control the energy. The irradiated oxygen ion beam has a high density of 10 to 100 μA / cm 2 .

酸素イオン照射においては、酸素イオンエネルギの設定
が重要である。すなわち、イオンエネルギが10KeV以上
では、得られた薄膜に結晶欠陥が残存し、200eVを超え
て10KeVまでの範囲ではスパッタ効果による膜厚減少が
著しく、また10eV未満においてはエネルギが低すぎて、
通常の真空蒸着と同様に基板温度を上昇させる必要を生
じる。このため酸素イオンエネルギは10〜200eVに設定
したものである。
In oxygen ion irradiation, setting of oxygen ion energy is important. That is, when the ion energy is 10 KeV or more, crystal defects remain in the obtained thin film, the film thickness is significantly reduced by the sputtering effect in the range of more than 200 eV to 10 KeV, and the energy is too low at less than 10 eV,
It is necessary to raise the substrate temperature as in the ordinary vacuum deposition. Therefore, the oxygen ion energy is set to 10 to 200 eV.

またイオン化室10は低真空(10-4Torr)であるため、イ
オン室10と分子線蒸着室(成膜室)11(10-9Torr)を充
分離す(たとえば1m以上)ことにより差圧排気がなされ
ている。この時、必然的にイオンは長い距離(1m以上)
を走行することになり、低エネルギ(10〜200eV)イオ
ンでは、空間電荷効果によりビーム径が広がってしま
う。このため、イオン引出し後、高エネルギ(10〜50Ke
V)のまま走行し、基板3の直前において低エネルギ(1
0〜200eV)に減速する減速電極12を設けた構造になって
いる。このため高密度(10〜100μA/cm2)のイオン照射
を得られる。
Since the ionization chamber 10 has a low vacuum (10 -4 Torr), the differential pressure exhaust is performed by separating (for example, 1 m or more) the ion chamber 10 and the molecular beam deposition chamber (film forming chamber) 11 (10 -9 Torr). Has been done. At this time, the ions are inevitably long distance (1m or more)
The low-energy (10 to 200 eV) ions cause the beam diameter to spread due to the space charge effect. Therefore, high energy (10 to 50 Ke
V), and the low energy (1
The structure has a deceleration electrode 12 that decelerates to 0 to 200 eV). Therefore, high-density (10 to 100 μA / cm 2 ) ion irradiation can be obtained.

また純粋なO+またはO2 +イオンをえるためイオン引出し
電極21と前記減速電極12間に質量分離機13を設けてい
る。
Further, a mass separator 13 is provided between the ion extracting electrode 21 and the deceleration electrode 12 in order to obtain pure O + or O 2 + ions.

前述のように基板3上に酸化物薄膜を形成する超高真空
は10-5Torr以上の高真空であることが望ましい。10-5To
rrに満たない低真空であると、結晶成長温度が上昇し、
基板温度を高温に保持しなければならなくなるからであ
る。
As described above, the ultrahigh vacuum for forming the oxide thin film on the substrate 3 is preferably a high vacuum of 10 −5 Torr or higher. 10 -5 To
When the vacuum is lower than rr, the crystal growth temperature rises,
This is because the substrate temperature must be kept high.

このような構成により、従来のスパッタ装置および蒸着
装置にイオン源を印加した装置と比較して、高真空中で
膜形成が可能になるため、単結晶膜のエピタキシャル温
度が下がる(600℃以下)とともに、酸素を含めた各元
素の組成を独立に、かつ正確に制御できるという利点が
ある。
With such a configuration, compared to the conventional sputtering device and vapor deposition device in which an ion source is applied, it is possible to form a film in a high vacuum, and the epitaxial temperature of the single crystal film is lowered (600 ° C or less). In addition, there is an advantage that the composition of each element including oxygen can be controlled independently and accurately.

以下本発明を実施例に基づき説明する。The present invention will be described below based on examples.

実施例1〔ZnO膜の製造〕 第3図のイオン化室10としてマイクロ波励起型イオン源
を用いることにより、反応性の強い酸素ガスを用いて
も、イオン源のメンテナンスなしに連続10時間以上の膜
形成が可能であった。動作時のイオン化室10の真空度は
5×10-4Torrであり、イオン源10と質量分離機13の間を
クライオポンプ(700/secの排気量)で排気すること
により、成膜室11を5×10-9Torrに保持した。
Example 1 [Manufacture of ZnO film] By using a microwave excitation type ion source as the ionization chamber 10 in FIG. 3, even if a highly reactive oxygen gas is used, the ion source can be continuously stored for 10 hours or more without any maintenance. It was possible to form a film. The vacuum degree of the ionization chamber 10 during operation is 5 × 10 −4 Torr, and the film formation chamber 11 is evacuated between the ion source 10 and the mass separator 13 by a cryopump (displacement of 700 / sec). Was maintained at 5 × 10 −9 Torr.

ここでプラズマ室10より引出し電20KVでイオンを引出
し、質量分析機13を通してO+としたのち、減速電極12に
より10〜200eVのエネルギにする。このとき、減速後の
エネルギに対する酸素イオン電流密度の値を第4図に示
す。第4図より、たとえば50eVのエネルギで最高50μA/
cm2のイオン電流密度が得られる。
Here, the ions are extracted from the plasma chamber 10 at an extraction voltage of 20 KV, converted into O + through the mass spectrometer 13, and then the energy is reduced to 10 to 200 eV by the deceleration electrode 12. At this time, the value of the oxygen ion current density with respect to the energy after deceleration is shown in FIG. From Fig. 4, for example, a maximum of 50 μA / at an energy of 50 eV
An ion current density of cm 2 is obtained.

ここで、あらかじめK−セル8に充填しておいたZn金属
粒子を蒸発させ、基板3上での蒸着レイトが0.73Å/sec
になるように、K−セル温度を制御し、同時に上記酸素
イオンビームを5eV、50μA/cm2の条件でガラス基板上に
照射することによって、単位時間当たり、単位面積当た
りに入射するZnとOの数が等しくなり、化学量論比Zn:O
=1:1のZnO多結晶膜が得られた。特に、基板としてサフ
ァイヤR面またはC面を用い、基板温度を室温から600
℃の間の一定温度に保持することにより、表面の平滑な
ZnO単結晶膜が得られた。Zn蒸発時の成膜室11中の真空
度は5×10-8Torrであった。このとき、サファイヤR面
にはZnO(1120)面が、またサファイヤC面にはZnO(00
01)面がエピタキシャル成長した。どちらの場合も得ら
れたZnO膜のX線回折測定より、(1120)、(0001)ピ
ークの半値幅は共に0.3゜以下と小さく、ピーク位置よ
り換算したZnO格子定数もバルク値とほとんど等しい
(0.1%以下の相違)値となって、結晶性の良さを示し
ている。通常、スパッタ法では基板温度が600℃以上で
ないと、同程度の結晶性は得られないので、本発明によ
る酸化物薄膜の製造装置によれば、低基板温度で結晶性
の良い単結晶膜が得られることが実証された。
Here, the Zn metal particles filled in the K-cell 8 in advance are evaporated, and the deposition rate on the substrate 3 is 0.73Å / sec.
By controlling the K-cell temperature so that the oxygen ion beam is irradiated onto the glass substrate under the conditions of 5 eV and 50 μA / cm 2 at the same time, Zn and O that are incident per unit time per unit area are added. The stoichiometric ratio Zn: O
A ZnO polycrystalline film of = 1: 1 was obtained. In particular, use sapphire R or C surface as the substrate, and keep the substrate temperature from room temperature to 600
By maintaining a constant temperature between ℃, smooth surface
A ZnO single crystal film was obtained. The degree of vacuum in the film forming chamber 11 at the time of Zn evaporation was 5 × 10 −8 Torr. At this time, the ZnO (1120) surface is on the sapphire R surface and the ZnO (00
01) surface has grown epitaxially. In both cases, the half-value widths of the (1120) and (0001) peaks were both smaller than 0.3 ° by X-ray diffraction measurement of the obtained ZnO film, and the ZnO lattice constant converted from the peak position was almost equal to the bulk value ( The difference is 0.1% or less), which indicates good crystallinity. Usually, in the sputtering method, the same degree of crystallinity cannot be obtained unless the substrate temperature is 600 ° C. or higher. Therefore, according to the oxide thin film manufacturing apparatus of the present invention, a single crystal film having good crystallinity at a low substrate temperature can be obtained. It was proved that it could be obtained.

実施例2〔LiNbO3膜の製造〕 実施例1と同じ方法で、50eV、50μA/cm2の条件のO+
オンビームを得た後、熱電子放出用フィラメント17(中
和用フィラメント)を通電加熱し、O+イオンビームに熱
電子シャワーを当てることにより中性の酸素ビームを得
た。またK−セル8よりLiを、電子ビーム蒸着源9より
Nbを蒸発させて、前記酸素ビームと同時にサファイヤC
面基板上に照射することにより、LiNbO3単結晶膜を得
た。酸素イオンビームを中性化することによって絶縁体
のLiNbO3膜でも、波長633nmの光に対する屈折率n0(通
常光)は2.32、ne(異常光)は2.18でバルクに近い密度
のLiNbO3膜が得られていることを示している。
Example 2 [Production of LiNbO 3 film] In the same manner as in Example 1, after obtaining an O + ion beam under the conditions of 50 eV and 50 μA / cm 2 , the thermionic emission filament 17 (neutralizing filament) is energized. A neutral oxygen beam was obtained by heating and applying a thermionic shower to the O + ion beam. Also, Li from the K-cell 8 and electron beam evaporation source 9
By evaporating Nb, sapphire C at the same time as the oxygen beam
By irradiating the surface substrate, a LiNbO 3 single crystal film was obtained. Also oxygen ion beam in LiNbO 3 film of insulator by neutralization, the refractive index n 0 (normal light) having a wavelength of 633nm to light 2.32, ne (extraordinary light) is LiNbO 3 film density close to the bulk at 2.18 Is obtained.

実施例3〔BaPbO3−BaBiO3多層膜〕 第3図のK−セル8を3本用意し、それぞれにBa、Pb、
Bi金属粒を入れ、蒸着を行うとともに、実施例1と同様
に酸素イオン照射を行い、SrTiO3(110)面基板3上に
多層膜を形成した。まず、シャッタによりBiのみ蒸着さ
れないようにし、BaBiO3膜を50Å厚さで形成したのち、
別のシャッタによりPbのみ蒸着されないようにし、BaPb
O3膜を50Åの厚さで形成する。このプロセスを50回繰り
返し、厚さ5000Åの厚さのBaPbO3−BaBiO3の多層膜を形
成した。このとき、基板温度は300℃と低くても単結晶
膜が形成され、かつそのときBaPbO3とBaBiO3各層の相互
拡散がなく、原子オーダで急峻な超格子膜構造を採って
いることが電子顕微鏡観察により確かめられた。
Example 3 [BaPbO 3 -BaBiO 3 multilayer film] Figure 3 of the K- cell 8 three prepared, Ba, respectively, Pb,
Bi metal particles were added, vapor deposition was performed, and oxygen ion irradiation was performed in the same manner as in Example 1 to form a multilayer film on the SrTiO 3 (110) plane substrate 3. First, the shutter is used to prevent vapor deposition of only Bi, and a BaBiO 3 film is formed to a thickness of 50Å,
A separate shutter prevents only Pb from being vapor-deposited.
An O 3 film is formed with a thickness of 50Å. This process was repeated 50 times to form a BaPbO 3 —BaBiO 3 multilayer film having a thickness of 5000Å. At this time, even if the substrate temperature is as low as 300 ° C, a single crystal film is formed, and at that time, there is no mutual diffusion of each layer of BaPbO 3 and BaBiO 3 and the superlattice film structure that is steep on the atomic order is adopted. It was confirmed by microscopic observation.

〔発明の効果〕〔The invention's effect〕

以上説明したように、本発明による酸化物薄膜の製造装
置によれば、バルク値に近い密度を有する酸化物単結晶
薄膜が充分な組成制御で、かつ低基板温度(室温から60
0℃)で形成できる。したがって、酸化物の多層構造も
相互拡散がなく、設計通りに形成でき、従来相互拡散に
より制作できなかった薄膜の形成も可能になるという利
点がある。
As described above, according to the oxide thin film manufacturing apparatus of the present invention, an oxide single crystal thin film having a density close to the bulk value has sufficient composition control and a low substrate temperature (from room temperature to 60 ° C.).
Can be formed at 0 ° C. Therefore, there is an advantage that the multi-layered structure of oxides can be formed as designed without mutual diffusion, and a thin film which could not be produced by conventional mutual diffusion can be formed.

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

第1図はスパッタ装置の構成図、第2図はカウマン型な
どのイオン源を組む込んだ蒸着装置の構成図、第3図は
本発明による酸化物薄膜製造装置の一実施例の構成図、
第4図は前記実施例の装置において酸素イオンエネルギ
に対する最大酸素イオン電流密度特性を示す図である。 1……ターゲット、2……基板ホルダ、3……基板、4
……ガス導入口、5……ガス排気口、6……イオン源、
7……蒸着源、8、8′……クヌードセル(K−セ
ル)、9……電子ビーム蒸着源、10……イオン化室、11
……成膜室、12……減速電極、13……質量分離機、14…
…膜厚計またはイオンゲージ、15……質量分析計、16…
…ファラデーカップ、17……中和用フィラメント、18…
…基板加熱用ヒータ、19……試料導入室、20……ゲート
バルブ、
FIG. 1 is a block diagram of a sputtering apparatus, FIG. 2 is a block diagram of a vapor deposition apparatus incorporating an ion source such as a Cowman type, and FIG. 3 is a block diagram of one embodiment of an oxide thin film manufacturing apparatus according to the present invention.
FIG. 4 is a diagram showing the maximum oxygen ion current density characteristics with respect to oxygen ion energy in the apparatus of the above-mentioned embodiment. 1 ... Target, 2 ... Substrate holder, 3 ... Substrate, 4
…… Gas inlet, 5 …… Gas outlet, 6 …… Ion source,
7 ... Evaporation source, 8, 8 '... Knud cell (K-cell), 9 ... Electron beam evaporation source, 10 ... Ionization chamber, 11
…… Deposition chamber, 12 …… Deceleration electrode, 13 …… Mass separator, 14 ・ ・ ・
… Thickness gauge or ion gauge, 15 …… Mass spectrometer, 16…
Faraday cup, 17 Neutralizing filament, 18 ...
... Heater for heating substrate, 19 ... Sample introduction chamber, 20 ... Gate valve,

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 C30B 29/22 Z 8216−4G 29/30 A 8216−4G ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (51) Int.Cl. 6 Identification code Internal reference number FI Technical indication C30B 29/22 Z 8216-4G 29/30 A 8216-4G

Claims (5)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】成膜室内に備えられた基板を加熱するため
の基板ホルダと、前記基板に堆積させる物質を分子線に
よって蒸発させる分子線蒸着源を有する酸化物薄膜の製
造装置において、プラズマを生成し、かつそのプラズマ
より10〜50KeVのエネルギで酸素イオンを引き出すため
のイオン化室とこのイオン化室よりの酸素イオンよりO+
またはO2 +イオンのみを分離するための質量分離機と、
前記酸素イオンを10〜200eVに減速する減速電極とを有
し、高真空下で前記基板上に堆積する薄膜に蒸着と同時
に前記減速された酸素イオンを照射できるようになって
いることを特徴とする酸化物薄膜の製造装置。
1. An apparatus for producing an oxide thin film, comprising: a substrate holder for heating a substrate provided in a film forming chamber; and a molecular beam evaporation source for evaporating a substance to be deposited on the substrate by a molecular beam. O + from the ionization chamber to generate and extract oxygen ions from the plasma with energy of 10 to 50 KeV and from the oxygen ions from this ionization chamber
Or a mass separator for separating only O 2 + ions,
With a deceleration electrode for decelerating the oxygen ions to 10 to 200 eV, the thin film deposited on the substrate under high vacuum can be irradiated with the decelerated oxygen ions simultaneously with vapor deposition. Oxide thin film manufacturing apparatus.
【請求項2】前記分子線蒸着源は1以上であり、それぞ
れの蒸着源より、相互に独立して蒸着ができるようにな
っていることを特徴とする特許請求の範囲第1項記載の
酸化物薄膜の製造装置。
2. The oxidation according to claim 1, wherein the number of the molecular beam vapor deposition sources is one or more, and the vapor deposition sources can perform vapor deposition independently of each other. Thin film manufacturing equipment.
【請求項3】前記成膜室にファラデーカップと水晶振動
子またはイオンゲージを備え、それぞれ酸素イオン照射
量と分子ビーム照射量をモニタし、フィードバック制御
できるようになっていることを特徴とする特許請求の範
囲第1項または第2項記載の酸化物薄膜の製造装置。
3. A Faraday cup, a crystal oscillator, or an ion gauge is provided in the film forming chamber, and the oxygen ion irradiation amount and the molecular beam irradiation amount can be monitored and feedback-controlled, respectively. An apparatus for producing an oxide thin film according to claim 1 or 2.
【請求項4】前記成膜室はイオン化室と基板間に電子照
射機構を備えており、酸素イオンビームまたは基板に電
子を照射可能になっていることを特徴とする特許請求の
範囲第1項から第3項いずれかの酸化物薄膜の製造装
置。
4. The film forming chamber is provided with an electron irradiation mechanism between the ionization chamber and the substrate so that the oxygen ion beam or the substrate can be irradiated with electrons. 4. An apparatus for producing an oxide thin film according to any one of items 3 to 3.
【請求項5】前記成膜室は中性酸素ビーム照射による2
次電子放出量を測定する機構を備えたことを特徴とする
特許請求の範囲第4項による酸化物薄膜の製造装置。
5. The film forming chamber is formed by irradiation with a neutral oxygen beam.
The apparatus for manufacturing an oxide thin film according to claim 4, further comprising a mechanism for measuring the amount of secondary electron emission.
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