JP3824787B2

JP3824787B2 - 超微粒子分散膜の製造方法及び製造装置

Info

Publication number: JP3824787B2
Application number: JP25249498A
Authority: JP
Inventors: 清石井; 裕貴濱欠; 兼治隅山
Original assignee: Japan Science and Technology Agency; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Current assignee: Japan Science and Technology Agency; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Priority date: 1998-09-07
Filing date: 1998-09-07
Publication date: 2006-09-20
Anticipated expiration: 2018-09-07
Also published as: JP2000087233A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、金属，半導体，酸化物等の各種原料の超微粒子を異種物質に分散させた超微粒子分散膜を製造する方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
Ｆｅ，Ｃｏ等の超微粒子をＡｇ，Ｃｕ，カーボン等に分散させた超微粒子分散膜は、相分離法や複合蒸着法等で製造されている。
相分離法では、相互に固溶量が少ない関係にある複数の物質からスパッタリング，融体急冷等によって強制固溶体を作製し、作製段階又は後続する熱処理段階で相分離を促進させることにより、超微粒子が分散した組織にしている。この方法では、分散媒に分散微粒子が固溶しないことが必要であるため、作製可能な超微粒子分散膜の種類に制約を受ける。また、分散微粒子の粒径と分散量とを独立して制御できない。
【０００３】
これに対し、複合蒸着法は、ガス中蒸発法で用意された複数種の超微粒子を真空室に導入し、基板上に同時蒸着させている。蒸着物質に関する制約がないため、分散微粒子と分散媒との組合せを自由に選択でき、ニーズに合った微粒子分散体の作製に適している。
複合蒸着法では、図１に示すように蒸発室１及び蒸着室２に区分された真空室３を使用する。
蒸発室１は、雰囲気ガスの圧力が１００Ｐａ程度に維持され、蒸発源４を収容している。蒸着室２は、隔壁に設けた噴出孔５を介して蒸発室１に連通しており、蒸発室１からの超微粒子が蒸着される基板６を配置している。また、マトリックスとなる材料を基板６に蒸着させるため、第２の蒸発源７が蒸着室２に配置されている。蒸着室２は、蒸発室１との間に圧力差をつけるため、排気ポンプ８で１Ｐａ程度の高真空に維持されている。
蒸発源４に配置された材料は、高周波加熱，アーク加熱，レーザ加熱，スパッタリング等によって蒸発し、超微粒子となって蒸発室１に充満する。そして、蒸発室１と蒸着室２との圧力差が駆動エネルギとなって超微粒子を蒸着室２に送り込み、基板６上に蒸着させる。このとき、蒸着室２で超微粒子と異なるマトリックス材料を蒸気化し、基板６上に同時蒸着させることにより超微粒子分散膜が作製される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
蒸発室１から蒸着室２に超微粒子を送り込む駆動力は、蒸発室１と蒸着室２の圧力差に依っている。すなわち、蒸発室１が１００Ｐａ程度の圧力であるのに対し、蒸着室２の圧力を通常１Ｐａ程度以下にする必要がある。このような差動排気の条件を保つため、排気能力の大きな排気ポンプ８の使用，噴出孔５の小口径化等が採用されている。
しかし、噴出孔５を小孔径化すると、噴出孔５の内壁に付着する超微粒子の影響が大きく現れ、蒸発室１から蒸着室２への超微粒子の流れが不安定になる。その結果、基板６への超微粒子供給量が変動し、安定した性質をもつ超微粒子分散膜が得られない。極端な場合には、付着した超微粒子で噴出孔５が詰まってしまい、運転不能に陥ることもある。他方、排気能力の大きな排気ポンプの使用は、設備負担を大きくし、実際的な解決策とはいえない。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、このような問題を解消すべく案出されたものであり、同じ雰囲気中で超微粒子及び異種材料を蒸発し均質に混合した後で基板上に蒸着させることにより、安定条件下で蒸気流を基板上に供給し、品質が一定化した超微粒子分散膜を作製することを目的とする。
本発明の製造方法は、その目的を達成するため、同じ真空室に配置されている複数のスパッタ源から複数種の蒸気を発生させ、単数又は複数の第１の蒸気を筒状案内部を介して基板の表面に導く過程で超微粒子に凝縮させ、筒状案内部を送られてくる他の蒸気と相互に拡散混合し、拡散混合した超微粒子及び他の蒸気を基板表面に蒸着させ、他の蒸気から生成したマトリックスに超微粒子が均一分散した蒸着膜を基板表面に形成することを特徴とする。
この方法で使用される装置は、一つの真空室に配置され、独立して投入電力が制御される複数のスパッタ源と、第１のスパッタ源で発生した蒸気を超微粒子に凝縮させて同じ真空室に配置された基板に導くと共に、他のスパッタ源で発生した他の蒸気を同じ真空室に配置された前記基板に導く筒状案内部とを備えている。複数の蒸気が筒状案内部を通過する際、相互拡散により超微粒子と他の原子状蒸気が均質化されたガス流となって基板表面に導かれる。
【０００６】
【実施の形態】
本発明では、真空室１０に２個の排気系及び複数のスパッタ源をそれぞれ複数個付設している。
スパッタ源の個数は作製しようとする超微粒子分散膜に分散させる超微粒子に応じて定められるが、図２では２種の材料からなる超微粒子分散膜を作製することから２機のスパッタ源２０，３０を組み込んでいる。スパッタ源２０，３０としては、本発明を拘束するものではないが、具体的には内面がスパッタされるパイプ状のターゲットが装着されることが好ましい。
排気系には、高真空の予備排気系として油拡散ポンプ４１と、低真空用の大容量排気系として油回転ポンプ４２を使用している。
【０００７】
超微粒子用の材料はスパッタ源２０のターゲット２１として配置され、マトリックス材料はスパッタ源３０のターゲット３１として配置される。超微粒子用の材料としては、本発明を拘束するものではないがＦｅ，Ｃｏ，Ｆｅ−Ｎｉ等の金属又は合金，半導体，Ｓｉ等が使用される。マトリックス材料としては、同様に本発明を拘束するものではないがＣｕ，Ａｇ等の金属又は合金，Ｓｉ半導体等が使用される。これら材料の組合せは、目標とする超微粒子分散膜の用途に応じて自由に選択される。
【０００８】
各スパッタ源２０，３０には、Ａｒ等のスパッタリングガスがガスボンベ２２から流量調整弁２３，３３を経て供給される。スパッタ源２０，３０は、放電出力が独立して制御できるように、それぞれ個別の電源２４，３４に接続されている。
蒸着に際しては、先ず油拡散ポンプ４１により十分な高真空まで真空室１０を排気した後、スパッタリングガスを導入し、それぞれのスパッタ源２０，３０を稼動させる。このとき、スパッタ源２０，３０に投入する放電電力を調整することにより、ターゲット２１，３１から叩き出される物質の量が独立して制御される。なお、スパッタ源２０，３０の稼働中には油回転ポンプ４２を駆動し、真空室１０を排気する。
【０００９】
スパッタリングによって放出された蒸気を含むガスは、筒状案内部１１を経て基板Ｓに吹付けられる。スパッタ源２０，３０から送り出されたガスは、筒状案内部１１を通過する際、相互拡散により十分混合され、均質な混合ガスとなって基板Ｓに供給される。
筒状案内部１１としては、ガス流に対する抵抗が小さくなるように、たとえば内径数ｃｍ程度の円筒が使用される。筒状案内部１１を介して蒸発域（スパッタ源２０，３０）と蒸着域（基板Ｓ）とが連通しているので、真空室１０のどの部分でも圧力差がほとんど生じない。
【００１０】
このように、同じ真空雰囲気下に維持された真空室１０内で蒸着が進行するため、超微粒子等の蒸着材料は安定したガス流となって基板Ｓ上に供給される。しかも、超微粒子とマトリックス材料の蒸気が筒状案内部１１で均一に混合された後、基板Ｓに供給される。したがって、ガス流の流動変動，組成変動等に起因する変質がなく、長期間にわたって品質が安定した超微粒子分散膜が基板Ｓ上に形成される。
また、超微粒子とマトリックスとの組合せ自由度も高いため、種々の用途に対応した機能薄膜が作製できる。たとえば、Ｆｅ，Ｃｏ等の超微粒子をＡｇ，Ｃｕ等のマトリックスに分散させると、巨大磁気抵抗効果を利用した磁界センサ用薄膜が得られる。また、Ｃｏ，Ｆｅ−Ｐｔ合金等の超微粒子をカーボン質マトリックスに分散させた磁気記録媒体，Ｆｅ超微粒子をＳｉマトリックスに分散させた軟磁性薄膜材料等も製造される。
【００１１】
【実施例】
超微粒子用のターゲット２１としてＦｅ，マトリックス用のターゲット３１としてＡｇを使用した。真空室１０を１０^-4Ｐａまで排気した後、Ａｒガスを供給しながら、次の条件でターゲット２１，３１をスパッタリングした。スパッタリング中には、真空室１０の雰囲気圧を２６０Ｐａに維持した。
スパッタ源２０では、内径６ｍｍ，長さ３０ｍｍのパイプ状Ｆｅターゲット２１を用い、Ａｒガスの流量を５００ＳＣＣＭ，放電電力を一定値５００Ｗに設定した。ターゲット２１から放出されたＦｅ蒸気は、Ａｒガスで運ばれる途中で平均粒径６ｎｍの超微粒子に凝縮した。
スパッタ源３０では、内径２０ｍｍ，長さ３０ｍｍのパイプ状Ａｇターゲット３１を用い、Ａｒガスの流量を５００ＳＣＣＭ，放電電力を３０〜２００Ｗ間の一定値に設定した。ターゲット３１から放出されたＡｇは、原子状蒸気又はクラスタ状蒸気となってＦｅ超微粒子と混合された。このとき、Ａｇ蒸気に対するＦｅ超微粒子の混合比は、放電電力を調整することにより変更できた。
【００１２】
Ｆｅ超微粒子及びＡｇ蒸気を浮遊させたＡｒガスを内部断面積２０ｃｍ² の筒状案内部１１を経て、流量１０００ＳＣＣＭで基板Ｓに供給した。
このようにして基板Ｓ上に膜厚０．３μｍの超微粒子分散膜を蒸着させた。なお、製膜速度は組成に応じて変わるが、Ｆｅ超微粒子の分散量が４０原子％である膜では０．１ｎｍ／秒の製膜速度であった。得られた超微粒子分散膜の断面を電子顕微鏡で観察したところ、図３に示すようにＦｅ超微粒子がＡｇマトリックスに分散した組織になっていた。Ｆｅ超微粒子は、分散量１８原子％で、粒径がほぼ６ｎｍになっており、基板Ｓ上に堆積する前のクラスタ状微粒子の粒径に等しいことが判る。
次いで、スパッタ源３０に投入する放電電力によりＡｇの蒸気密度を変化させ、種々の組成をもつ超微粒子分散膜を作製した。そして、組成変化、すなわちＦｅ微粒子の分散量が超微粒子分散膜の磁化曲線に及ぼす影響を調査した。
超微粒子分散膜は、図４に示すようにＦｅ微粒子の分散量に応じて異なる磁化曲線を示した。なかでも、Ｆｅ微粒子分散量が１８原子％の超微粒子分散膜は、超常磁性を示しており、このことからもＦｅ超微粒子が相互干渉せずに分散していることが判る。
【００１３】
また、Ｆｅ超微粒子の分散量が４０原子％以下の膜では粒子的な磁化機構が観察され、Ｆｅ超微粒子相互の集合合体が進行していないことが窺がわれる。球状粒子が平面上にランダム配置された状態を想定すると、理論的には粒子の面密度が平面の約４０％を占めるようになると粒子が全体にわたって接触し始めるといえる。この点、Ｆｅ超微粒子の４０原子％は、その閾値に近い値である。本実施例で作製された薄膜において、限界密度までＦｅ超微粒子に合体成長がみられないことは、Ｆｅ超微粒子がランダムに基板上に堆積し、固定化されていることを示している。すなわち、本発明によるとき、超微粒子がマトリックス中にほぼ限界密度までランダムに分散することが確認される。
【００１４】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明においては、同じ真空室に複数の蒸発域と蒸着域を設け、蒸発域で生成した複数の蒸気を筒状案内部を介して基板表面に導いている。筒状案内部を複数の蒸気が流動する段階で相互拡散するため、均質組成のガス流となって基板表面に供給される。そのため、超微粒子が均質分散した蒸着膜が基板上に堆積し、品質安定性に優れた超微粒子分散膜が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】真空室を蒸発室，蒸着室に区分した従来の真空蒸着装置
【図２】本発明に従って蒸発域及び真空域を同じ雰囲気下に配置した真空蒸着装置
【図３】本発明実施例で得られたＦｅ超微粒子分散膜の電子顕微鏡写真
【図４】Ｆｅ微粒子の分散量が超微粒子分散膜の磁化曲線に及ぼす影響を示したグラフ
【符号の説明】
１０：真空室１１：筒状案内部
２０：超微粒子用のスパッタ源３０：マトリックス用のスパッタ源
２１，３１：ターゲット２２：ガスボンベ２３，３３：流量調整弁
２４，３４：電源
４１：高真空用の油拡散ポンプ４２：低真空用の油回転ポンプ
Ｓ：基板

Claims

同じ真空室に配置されている複数のスパッタ源から複数種の蒸気を発生させ、単数又は複数の第１の蒸気を筒状案内部を介して基板の表面に導く過程で超微粒子に凝縮させ、筒状案内部を送られてくる他の蒸気と相互に拡散混合し、拡散混合した超微粒子及び他の蒸気を基板表面に蒸着させ、他の蒸気から生成したマトリックスに超微粒子が均一分散した蒸着膜を基板表面に形成することを特徴とする超微粒子分散膜の製造方法。
一つの真空室に配置され、独立して投入電力が制御される複数のスパッタ源と、第１のスパッタ源で発生した蒸気を超微粒子に凝縮させて同じ真空室に配置された基板に導くと共に、他のスパッタ源で発生した他の蒸気を同じ真空室に配置された前記基板に導く筒状案内部とを備え、超微粒子及び他の蒸気が筒状案内部を通過する際に相互に拡散混合することを特徴とする超微粒子分散膜の製造装置。