JP5859921B2 - Method for producing hydroxyapatite thin film - Google Patents
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Description
本発明は、様々な基板の上にハイドロキシアパタイトの薄膜を形成するハイドロキシアパタイト薄膜の製造方法に関するものである。 The present invention relates to a method for producing a hydroxyapatite thin film, which forms a hydroxyapatite thin film on various substrates.
ハイドロキシアパタイトは、化学式「Ｃａ10（ＰＯ4）6（ＯＨ）2」で表され、例えば人体の骨の主成分であり、生体親和性を有する無機材料である。このハイドロキシアパタイト（ＨＡｐ）は、人工的に合成可能な生体適合材料であって、医用工学および再生医療やバイオテクノロジーに用いられている。 Hydroxyapatite is represented by the chemical formula “Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2 ”, and is, for example, a main component of human bone and is an inorganic material having biocompatibility. Hydroxyapatite (HAp) is a biocompatible material that can be artificially synthesized, and is used in medical engineering, regenerative medicine, and biotechnology.
例えば、ＨＡｐ多孔体を骨の欠損部へ埋入すると、骨の一部分として認識され、時間の経過とともに新生骨に取り込まれる性質がある。これを利用して、骨の治療が行われている。あるいは、医学生物学分野において、細胞培養のための足場材料として使用されている。さらに、アミノ酸，タンパク質などの生体物質を吸着する能力に優れていることから、クロマトグラフィーの充填剤としても利用されている。これらのバルク結晶粉末やペースト状の利用形態に加え、近年では、ＨＡｐ薄膜を基板上に形成し、バイオテクノロジーへ応用しようとする研究が盛んに行われるようになっている。 For example, when a HAp porous body is embedded in a bone defect, it is recognized as a part of the bone and is taken into the new bone over time. This is used to treat bone. Alternatively, it is used as a scaffold material for cell culture in the field of medical biology. Furthermore, since it has an excellent ability to adsorb biological substances such as amino acids and proteins, it is also used as a packing material for chromatography. In recent years, in addition to these bulk crystal powder and pasty forms of use, studies have been actively conducted to form HAp thin films on substrates and apply them to biotechnology.
工学的な応用分野にＨＡｐ基板を供するには、溶液法などによるバルク結晶の析出ではなく、結晶工学的な成膜技術を用いるのが有利である。このようにすることで、リソグラフィーによるパタニングやエッチングなど、半導体プロセスによる加工を施すことも可能になる。これまでに、ＲＦマグネトロンスパッタリング（非特許文献１，２参照）、イオンビームスパッタリング（非特許文献３参照）、パルスレーザー堆積（ＰＬＤ）法（非特許文献４参照）などによるＨＡｐ膜の形成が報告されている。 In order to provide an HAp substrate for an engineering application field, it is advantageous to use a crystal engineering film forming technique rather than precipitation of a bulk crystal by a solution method or the like. By doing so, it is also possible to perform processing by a semiconductor process such as lithography patterning and etching. So far, formation of HAp films by RF magnetron sputtering (see Non-Patent Documents 1 and 2), ion beam sputtering (see Non-Patent Document 3), pulse laser deposition (PLD) method (see Non-Patent Document 4), etc. has been reported. Has been.
一般にスパッタリングよりもＰＬＤの方が良質な膜が得られる。この理由としては、ＰＬＤ成膜は、アブレーション時にＰＯ4ユニットが壊れずにこのまま蒸発しやすいことがある。また、ＰＬＤ成膜では、基本的にターゲットの組成が保たれて薄膜に転写される特徴を有するからである。しかし、ＰＬＤ成膜では、成膜可能な面積が小さすぎて、工業的には不向きである。 In general, a better quality film can be obtained with PLD than with sputtering. The reason for this is that PLD film formation tends to evaporate as it is without breaking the PO 4 unit during ablation. Moreover, PLD film formation has a characteristic that the composition of the target is basically maintained and transferred to a thin film. However, PLD film formation is not suitable industrially because the area where film formation is possible is too small.
一方で、膜厚，組成，結晶性，配向性などを制御して、任意の基板上にＨＡｐ膜を形成するプロセス技術が望まれている。とりわけ配向性は、ＨＡｐ結晶薄膜と他の分子との相互作用を規定する重要な指標である。ＨＡｐ結晶は六方晶形であり、六角柱の端面がＣ面、側面がＡ面で構成されているが、Ｃ面は疎水性、Ａ面は親水性である。このような結晶面による反応性の違いを巧みに利用する応用先が、既にいくつか提案されている。 On the other hand, there is a demand for a process technique for forming a HAp film on an arbitrary substrate by controlling film thickness, composition, crystallinity, orientation, and the like. In particular, the orientation is an important index that defines the interaction between the HAp crystal thin film and other molecules. The HAp crystal is a hexagonal crystal, and the end face of the hexagonal column is a C plane and the side surface is an A plane. The C plane is hydrophobic and the A plane is hydrophilic. Several application destinations that skillfully utilize the difference in reactivity depending on the crystal plane have already been proposed.
しかし一般的な成膜方法で得られるＨＡｐ結晶膜は、基本的にランダム配向であって、親水性と疎水性の結晶面が入り混じっているために、中間的な特性しか示さない。疎水性のＣ面だけで終端された結晶膜を得るには、サファイアなどのエピタキシャル基板を用いればよいが、実用上は、一般の金属膜やシリコンなどの非エピタキシャル基板上に、例えばＣ面だけからなる結晶膜を形成できれば、応用範囲が広がると考えられる。 However, the HAp crystal film obtained by a general film forming method is basically randomly oriented and has only intermediate characteristics because it has a mixture of hydrophilic and hydrophobic crystal faces. In order to obtain a crystal film terminated only with a hydrophobic C-plane, an epitaxial substrate such as sapphire may be used. However, in practice, on a non-epitaxial substrate such as a general metal film or silicon, for example, only the C-plane is used. If a crystalline film made of can be formed, the range of application will be expanded.
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、様々な基板の上に結晶性を制御した状態でハイドロキシアパタイトの薄膜が形成できるようにすることを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to allow a hydroxyapatite thin film to be formed on various substrates in a state where crystallinity is controlled.
本発明に係るハイドロキシアパタイト薄膜の製造方法は、基板を所定温度に加熱する第１工程と、ハイドロキシアパタイトの焼結体からなるターゲットおよびＨ2Ｏガスを含むスパッタガスを用いた電子サイクロトロン共鳴スパッタ法で、上記所定温度に加熱されている基板の上にハイドロキシアパタイトの薄膜を形成する第２工程とを少なくとも備え、所定温度は、第２工程で基板の上に形成されるハイドロキシアパタイトの薄膜が結晶化する４６０℃〜５００℃の範囲とする。 A method for producing a hydroxyapatite thin film according to the present invention includes a first step of heating a substrate to a predetermined temperature, and an electron cyclotron resonance sputtering method using a target made of a sintered hydroxyapatite and a sputtering gas containing H 2 O gas. And at least a second step of forming a hydroxyapatite thin film on the substrate heated to the predetermined temperature, wherein the hydroxyapatite thin film formed on the substrate in the second step is crystallized. It is set as the range of 460 to 500 degreeC which changes .
上記ハイドロキシアパタイト薄膜の製造方法において、スパッタガスは、キセノンガスであればよい。 In the manufacturing method of the hydroxyapatite film, scan Pattagasu may if xenon gas.
以上説明したことにより、本発明によれば、様々な基板の上に結晶性を制御した状態でハイドロキシアパタイトの薄膜が形成できるようになるという優れた効果が得られる。 As described above, according to the present invention, it is possible to obtain an excellent effect that a hydroxyapatite thin film can be formed on various substrates in a state where crystallinity is controlled.
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。図１は、本発明の実施の形態におけるハイドロキシアパタイト薄膜の製造方法を説明するための説明図である。この製造方法は、第１工程Ｓ１０１で基板１０１を所定温度に加熱する。基板１０１は、例えば、シリコン基板であればよい。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is an explanatory diagram for explaining a method for producing a hydroxyapatite thin film according to an embodiment of the present invention. In this manufacturing method, the
次に、第２工程Ｓ１０２で、ハイドロキシアパタイトの焼結体からなるターゲットおよびＨ2Ｏガスを含むスパッタガスを用いた電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）スパッタ法で、所定温度に加熱されている基板１０１の上にハイドロキシアパタイトの薄膜１０２を形成する。スパッタガスは、アルゴンおよびキセノンなどの不活性ガスである。このようなスパッタガスに、Ｈ2Ｏガスを加えてスパッタ成膜を行う。上述した所定温度は、第２工程で基板１０１の上に形成されるハイドロキシアパタイトの薄膜１０２が、結晶化する温度とすることが重要である。
Next, in the second step S102, the
本実施の形態では、スパッタ法で堆積しているときに結晶化させているところに特徴がある。このようにすることで、成膜した後で加熱して結晶化する方法に比較して、工程の簡略化が図れる。また、一般に、成膜した後で加熱して結晶化すると、膜と基板との間の密着力が弱い状態となるが、これに対し、成膜中に結晶化する方が密着性の観点からも望ましい。 This embodiment is characterized in that it is crystallized when deposited by sputtering. By doing in this way, the process can be simplified as compared with the method of heating and crystallizing after film formation. In general, when the film is heated and crystallized after film formation, the adhesion between the film and the substrate becomes weak. On the other hand, crystallization during film formation is more advantageous from the viewpoint of adhesion. Is also desirable.
また、ＥＣＲスパッタ法を用いることにより、１０-2Ｐａ台という低ガス圧下の成膜が可能であり、良質な薄膜が得られることが多くの材料について実証されている。ＥＣＲプラズマはリモートプラズマであり、円筒型ターゲットと組み合わせることにより、陰イオン入射による薄膜へのプラズマダメージが少ない。 In addition, it has been demonstrated for many materials that an ECR sputtering method can be used to form a film at a gas pressure as low as 10 −2 Pa, and that a high-quality thin film can be obtained. The ECR plasma is a remote plasma, and when combined with a cylindrical target, the plasma damage to the thin film due to anion incidence is small.
また、ＥＣＲスパッタ法の成膜速度はあまり高くないが、成膜時間を要するために、成膜中にプラズマが照射される時間が長い。これにより、プラズマがハイドロキシアパタイト薄膜と基板との間の原子拡散を促進し、基板とハイドロキシアパタイト薄膜との間に接着層を挟まなくても、優れた密着性が得られるといった最大の特徴を有している。これは他のスパッタ法やＰＬＤ法にはないメリットである。さらに、ＥＣＲスパッタ法を実現する装置では、ＰＬＤ法では不可能な、８インチ基板までの大面積成膜が可能であり、生産目的にも向いている。 In addition, although the film formation rate of the ECR sputtering method is not so high, since the film formation time is required, the time during which the plasma is irradiated during the film formation is long. As a result, the plasma promotes atomic diffusion between the hydroxyapatite thin film and the substrate, and the greatest feature is that excellent adhesion can be obtained without interposing an adhesive layer between the substrate and the hydroxyapatite thin film. doing. This is an advantage not found in other sputtering methods or PLD methods. Furthermore, an apparatus that realizes the ECR sputtering method can form a large-area film up to an 8-inch substrate, which is impossible with the PLD method, and is suitable for production purposes.
次に、Ｈ2Ｏガスを含むスパッタガスを用いることについて説明する。ハイドロキシアパタイトには、ＯＨ基が構成要素として含まれているが、ハイドロキシアパタイトターゲットをスパッタすると、質量の小さいＯＨは空間的に広い範囲に散らばり、これらの全てが基板へ到達することはない。このため、薄膜中に取り込ませるＯＨ基を補うことが必要になる。Ｈ2とＯ2ガスの混合ガスを用いると、Ｈ2、Ｏ2の各々の分解が必要となり、両者の流量比も制御しなければならない。これに対し、Ｈ2Ｏ分子は、ＯＨとＨへ分解するだけですぐにＯＨ基を生成するため、反応ガスとして優れている。 Next, the use of a sputtering gas containing H 2 O gas will be described. Hydroxyapatite contains an OH group as a constituent element. However, when a hydroxyapatite target is sputtered, OH having a small mass is scattered in a wide range, and all of these do not reach the substrate. For this reason, it is necessary to supplement the OH groups incorporated into the thin film. When a mixed gas of H 2 and O 2 gas is used, it is necessary to decompose H 2 and O 2 , and the flow rate ratio between them must be controlled. On the other hand, H 2 O molecules are excellent as a reaction gas because they generate OH groups immediately by being decomposed into OH and H.
更に、スパッタリングにおいて通常用いられるアルゴンガスの代わりに、キセノンガスを用いるとよりよい。ＨＡｐ焼結体ターゲットがスパッタされる場合には、ＰＯ4ユニットがこのままの形で飛び出すこともあれば、ユニットが壊れてＰＯx（０≦ｘ≦３）の形で放出される場合もある。イオン半径および質量がＰ原子と同じ程度のアルゴンイオンを用いると、ターゲットへ衝突する際の衝撃により、ＰＯ4ユニットが壊れ、ＰＯx＋Ｏの形で飛び散る頻度が高くなる。また、Ｐ原子の質量は、アルゴン原子よりも小さいことから、広範囲の立体角へ等方的に飛散する。 Furthermore, it is better to use xenon gas instead of the argon gas normally used in sputtering. When the HAp sintered body target is sputtered, the PO 4 unit may jump out as it is, or the unit may be broken and released in the form of PO x (0 ≦ x ≦ 3). If argon ions having the same ion radius and mass as P atoms are used, the PO 4 unit is broken by the impact when colliding with the target, and the frequency of scattering in the form of PO x + O increases. Moreover, since the mass of P atoms is smaller than that of argon atoms, it isotropically scatters over a wide range of solid angles.
これらのことにより、アルゴンガスを用いる場合、基板へ到達するＰＯxの量がＣａに比べて少なくなる。この結果、Ｃａと結びつくべきＰＯ4ユニットの数が欠乏して組成ずれが生じる。一部のＣａは、ＨＡｐターゲット中に含まれている酸素原子やＨ2Ｏガスから供給される酸素原子と結びつくことになる。非晶質膜形成した後で加熱して結晶化する場合には、定組成に対応する割合で構成する原子が寄り集まって部分的にＨＡｐ結晶が生成し、残りの部分は、結晶粒の外へ追いやられるか、脱離する。 For these reasons, when argon gas is used, the amount of PO x reaching the substrate is smaller than that of Ca. As a result, the number of PO 4 units to be combined with Ca is deficient, resulting in a composition shift. Some Ca is combined with oxygen atoms contained in the HAp target and oxygen atoms supplied from H 2 O gas. In the case of crystallization by heating after forming an amorphous film, atoms constituting a proportion corresponding to the constant composition gather together to partially form a HAp crystal, and the remaining part is outside the crystal grains. Be driven away or detached.
一方、基板を加熱しながらの成膜においては、Ｐ原子に比して過剰なＣａ原子はＣａＯ結晶として析出する。この問題は、キセノンをスパッタリングガスに用いることで解決される。キセノンのイオン半径と質量は大きいので、スパッタされるＣａとＰＯxは主に前方へ向かって放出され、両者の放出角度分布に差がなくなり、基板へ到達する原子に関して組成ずれがおきにくい。 On the other hand, in film formation while heating the substrate, excess Ca atoms are precipitated as CaO crystals compared to P atoms. This problem is solved by using xenon as a sputtering gas. Since the ion radius and mass of xenon are large, the sputtered Ca and PO x are mainly emitted forward, there is no difference between the emission angle distributions of the two, and the compositional deviation is less likely to occur with respect to the atoms reaching the substrate.
次に、ＥＣＲスパッタ法を用いたハイドロキシアパタイト薄膜（試料）の形成についてＥＣＲスパッタ装置の構成とともに説明する。 Next, formation of a hydroxyapatite thin film (sample) using the ECR sputtering method will be described together with the configuration of the ECR sputtering apparatus.
ＥＣＲスパッタ装置は、図２に示すように、成膜室２０１と、成膜室２０１に連通するプラズマ生成室２０３とを備える。プラズマ生成室２０３には、マイクロ波供給源２０４により例えば２．４５ＧＨｚのマイクロ波が供給可能とされている。また、プラズマ生成室２０３の周囲には、例えば、０．０８７５Ｔ（テスラ）の磁場をプラズマ生成室２０３内に発生させる磁気コイル２０５が備えられている。
As shown in FIG. 2, the ECR sputtering apparatus includes a
また、成膜室２０１には、プラズマ生成室２０３の出口近傍を取り巻くリング状のターゲット２０２が配置されている。ターゲット２０２は、例えば、ハイドロキシアパタイトの粉末を焼結した焼結体から構成され、所定のターゲットバイアス（高周波電力）が印加可能とされている。また、成膜室２０１内に載置される基板１０１は、ヒータ２０６により加熱可能とされている。
In the
上述したように構成されたＥＣＲスパッタ装置の成膜室２０１の内部に、ターゲット２０２と所定の間隔を開けて基板１０１を載置した後、よく知られた排気機構（不図示）により、成膜室２０１の内部を所定の圧力にまで真空排気する。例えば、成膜室２０１の内部を、１０-4〜１０-5Ｐａ台の高真空状態の圧力に減圧する。なお、基板１０１としては、自然酸化膜をフッ酸で除去したＳｉ（００１）ウエハを用いる。また、ヒータ２０６を動作させ、基板温度を４６０〜５００℃程度に加熱する。なお、比較対象の試料作製のために、他の温度にも設定している。
After the
次に、ＥＣＲスパッタ装置の処理室、例えばプラズマ生成室２０３に、アルゴンガスもしくはキセノンガスを導入して所定の真空度（圧力）とし、この状態で、磁気コイル２０５により２．４５ＧＨｚのマイクロ波（５００Ｗ程度）と０．０８７５Ｔの磁場とを供給して電子サイクロトロン共鳴条件とすることで、プラズマ生成室２０３内にＥＣＲプラズマを形成させる。この状態で、成膜室２０１に、バリアブルリークバルブ（不図示）を通してＨ2Ｏガスを導入する。Ｈ2Ｏガスの導入により内部圧力が１０-3Ｐａから１０-2Ｐａ台となるように設定した。
Next, argon gas or xenon gas is introduced into a processing chamber of the ECR sputtering apparatus, for example, the
上述したことにより生成されたＥＣＲプラズマは、ＥＣＲスパッタ装置の磁気コイルの発散磁場により、プラズマ生成室２０３から、これに連通する成膜室２０１の側に放出される。この状態で、プラズマ生成室２０３の出口に配置されたターゲット２０２に、例えば、１３．５６ＭＨｚ・５００Ｗの高周波電力（ターゲットバイアス）を供給（印加）する。このことにより、生成されているＥＣＲプラズマにより発生した粒子が、ターゲット２０２に衝突してスパッタリング現象が起こり、ターゲット２０２を構成している粒子が飛び出す状態となる。また、成膜室２０１に導入されているＨ2ＯよりＯＨおよびＨが生成される。
The ECR plasma generated as described above is emitted from the
以上のようにしてＥＣＲプラズマを生成してスパッタ状態にすることで、ターゲット２０２よりスパッタされている粒子が、加熱されている基板１０１の上に堆積する。また、ＯＨおよびＨが、基板１０１の上に堆積する膜中に取り込まれるようになる。この結果、基板１０１の上に結晶化した薄膜１０２（ハイドロキシアパタイト薄膜）が形成される。
As described above, the ECR plasma is generated and put into the sputtering state, whereby the particles sputtered from the
図３は、上述した本実施の形態における製造方法で作製した各試料のＸ線回折パタンを示す特性図である。ここでは、まず、成膜中の基板加熱温度は、４２０℃、４６０℃、５００℃とした。また、アルゴンガスを用いた。また、Ｈ2Ｏの分圧を１．７×１０-2Ｐａとし、温度条件５００℃では、Ｈ2Ｏの分圧を５．３×１０-3Ｐａとした条件でも試料作製を行った。
FIG. 3 is a characteristic diagram showing an X-ray diffraction pattern of each sample produced by the manufacturing method in the present embodiment described above. Here, first, the substrate heating temperature during film formation was set to 420 ° C., 460 ° C., and 500 ° C. Argon gas was used. Also, the partial pressure of H 2 O and 1.7 × 10 -2 Pa, the
図３に示すように、基板温度４２０℃では結晶のピークが観測されないが、基板温度４６０℃では、結晶のピークが観測されている。従って、基板温度が４６０℃であれば、結晶化が行えることがわかる。なお、ＥＣＲスパッタによる成膜中においては、円筒型ターゲットの空洞を通過したプラズマが下流に位置する基板に対して連続的に照射されるために、基板温度に対して最大で７０℃程度表面付近の温度が高くなる。従って、４６０℃の条件は、実際には５３０℃と見積もられる。このような温度上昇以外に、１０−３０ｅＶの運動エネルギーを有する低速のアルゴンイオンが照射されることで、実効的な温度はこれよりも高いはずである。これはキセノンの場合も同様である。 As shown in FIG. 3, no crystal peak is observed at a substrate temperature of 420 ° C., but a crystal peak is observed at a substrate temperature of 460 ° C. Therefore, it can be seen that crystallization can be performed if the substrate temperature is 460 ° C. During film formation by ECR sputtering, the plasma that has passed through the cavity of the cylindrical target is continuously radiated to the substrate located downstream, so the surface temperature is around 70 ° C. at the maximum. Temperature rises. Therefore, the condition of 460 ° C. is actually estimated to be 530 ° C. In addition to such a temperature rise, the effective temperature should be higher by irradiation with low-speed argon ions having a kinetic energy of 10-30 eV. The same applies to xenon.
一方、室温で基板上に堆積したＨＡｐ膜を酸素ガス中でアニールして結晶化する場合には、５５０℃が結晶化温度の下限である。しかしこの温度で結晶化するには、長時間アニールが必要で、現実的には６００℃以上の温度が必要になる。従って、スパッタ成膜中に５３０℃の表面温度のもとで結晶化可能であることは、プラズマによる電子励起が寄与していることを意味している。 On the other hand, when the HAp film deposited on the substrate at room temperature is crystallized by annealing in oxygen gas, 550 ° C. is the lower limit of the crystallization temperature. However, in order to crystallize at this temperature, annealing for a long time is required, and in reality, a temperature of 600 ° C. or higher is required. Therefore, the fact that crystallization is possible at a surface temperature of 530 ° C. during sputter deposition means that electron excitation by plasma contributes.
基板温度（設定温度）が５００℃になると、ＨＡｐ結晶膜からの回折ピーク強度が増大している。同時に、ＣａＯの析出を示すＣａＯ（２００）ピークも出現した。ＰＯ4ユニットが失われていることを示唆しており、このような組成ずれの現象は、既に論文で報告されている（非特許文献１〜３参照）。５００℃の場合、Ｈ2Ｏガス圧を５．３×１０-3Ｐａと低く設定すると、Ｃ軸配向を示すＨＡｐ（００２）ピークが強くなっているが、同時にＣａＯの析出ピークも強くなった。いずれにしても、ＨＡｐ結晶膜からの回折ピーク強度とＣａＯからの回折ピーク強度が同程度ということは、ＨＡｐ単相膜が得られていないことを示している。 When the substrate temperature (set temperature) reaches 500 ° C., the diffraction peak intensity from the HAp crystal film increases. At the same time, a CaO (200) peak indicating the precipitation of CaO also appeared. This suggests that the PO 4 unit is lost, and such a phenomenon of compositional deviation has already been reported in a paper (see Non-Patent Documents 1 to 3). In the case of 500 ° C., when the H 2 O gas pressure was set to a low value of 5.3 × 10 −3 Pa, the HAp (002) peak indicating the C-axis orientation became strong, but at the same time, the precipitation peak of CaO became strong. . In any case, the fact that the diffraction peak intensity from the HAp crystal film and the diffraction peak intensity from CaO are approximately the same indicates that the HAp single-phase film has not been obtained.
図４は、キセノンガスを用いて成膜したＨＡｐ膜のＸ線回折パタンである。この場合においても、基板温度（設定温度）４６０℃であれば、結晶のピークが観測されている。基板温度を上げるにつれて、特に（００２）回折ピークの強度が増大している。５００℃においては、（００２），（００４）ピークが他の回折ピークに比べて十分に強く、Ｃ軸配向したＨＡｐ結晶膜が得られていることが分かる。この場合には、図３のようなＣａＯの析出は見られない。基板温度が５００℃よりも高くなると、ＨＡｐ膜中に取り込まれるＯＨの量が激減する。ＯＨ量を確保するためにＨ2Ｏガス圧を上げると、今度はＨＡｐターゲット表面を覆うＨ2Ｏの量が増えて、スパッタ速度が著しく低下する。以上の結果から、シリコン基板上へスパッタ成膜中に結晶化させる最適な温度（設定温度）は、４６０℃以上、５００℃以下ということが分かった。 FIG. 4 is an X-ray diffraction pattern of the HAp film formed using xenon gas. Even in this case, when the substrate temperature (set temperature) is 460 ° C., a crystal peak is observed. In particular, the intensity of the (002) diffraction peak increases as the substrate temperature increases. It can be seen that at 500 ° C., the (002) and (004) peaks are sufficiently stronger than the other diffraction peaks, and a C-axis oriented HAp crystal film is obtained. In this case, the precipitation of CaO as shown in FIG. 3 is not observed. When the substrate temperature is higher than 500 ° C., the amount of OH taken into the HAp film is drastically reduced. Increasing the H 2 O gas pressure in order to secure the OH content in turn increasing the amount of H 2 O to cover the HAp target surface, the sputtering rate is significantly lowered. From the above results, it was found that the optimum temperature (set temperature) for crystallization during sputtering film formation on a silicon substrate was 460 ° C. or higher and 500 ° C. or lower.
次に、アルゴンを用いてスパッタ成膜した図３の試料に対応する赤外透過スペクトルを図５に示す。これは、ＨＡｐ膜の透過スペクトルからシリコン基板の透過スペクトルを差し引いたものであり、ＨＡｐ膜本来の吸収に対応する。ＨＡｐ薄膜からは、ＰＯ4 3-ユニットのＰ−Ｏ結合の非対称伸縮モードが、ν3＝１０２０ｃｍ-1に、対称伸縮モードがν1＝９６０ｃｍ-1に、変角振動モードがν4＝５７０−６１０ｃｍ-1に観測されている。成膜時の温度が４２０℃の試料は非晶質であるため、ν3吸収ピークの形状はブロードであり、ν4吸収ピークも２本に***していない。 Next, an infrared transmission spectrum corresponding to the sample of FIG. 3 formed by sputtering using argon is shown in FIG. This is obtained by subtracting the transmission spectrum of the silicon substrate from the transmission spectrum of the HAp film, and corresponds to the original absorption of the HAp film. From the HAp thin film, the PO 4 3- unit PO bond asymmetric stretching mode is ν 3 = 1020 cm −1 , the symmetric stretching mode is ν 1 = 960 cm −1 , and the bending vibration mode is ν 4 = 570. Observed at -610 cm- 1 . Since the sample with a temperature of 420 ° C. during film formation is amorphous, the shape of the ν 3 absorption peak is broad, and the ν 4 absorption peak is not split into two.
図６は、アルゴンを用いて基板温度４６０℃でスパッタ成膜する際のＨ2Ｏガス圧力を変えたときの赤外透過スペクトルを示した特性図である。Ｈ2Ｏ圧力が５．３×１０-3Ｐａと低い場合には、ＨＡｐ膜の結晶性が良好でなく、ν3吸収ピークは大変ブロードになっている。同様にν4吸収ピークも２本に***していない。Ｈ2Ｏ圧力が１．１×１０-2Ｐａ以上になれば、十分な数のＯＨ基が結晶格子中に取り込まれ、吸収ピークはシャープになっている。 FIG. 6 is a characteristic diagram showing an infrared transmission spectrum when the H 2 O gas pressure is changed when sputtering is performed at a substrate temperature of 460 ° C. using argon. When the H 2 O pressure is as low as 5.3 × 10 −3 Pa, the crystallinity of the HAp film is not good, and the ν 3 absorption peak is very broad. Similarly, the ν 4 absorption peak is not split into two. When the H 2 O pressure is 1.1 × 10 −2 Pa or more, a sufficient number of OH groups are taken into the crystal lattice, and the absorption peak is sharp.
次に、図４を用いて状態を説明した、キセノンを用いてスパッタ成膜した試料に対応する赤外透過スペクトルを図７に示す。図５に示した結晶膜のスペクトルと同様の状態が得られているが、図５では４５０−５５０ｃｍ-1の領域に弱い吸収があるのに対して、図７では該当する吸収がなく、ほぼフラットになっている。図５と図７を見比べるだけでは、ＣａＯの析出の有無を知ることはできない。 Next, FIG. 7 shows an infrared transmission spectrum corresponding to a sample formed by sputtering using xenon, the state of which has been described with reference to FIG. Although the same state as the spectrum of the crystal film shown in FIG. 5 is obtained, in FIG. 5 there is weak absorption in the region of 450-550 cm −1 , whereas in FIG. It is flat. It is not possible to know whether CaO is precipitated by simply comparing FIG. 5 and FIG.
上述したことに対し、図８に、次の３つ条件で成膜した場合の３吸収ピークの形状を比較した結果を示す。図８において、まず、実線が、キセノンを用いたスパッタ法で５００℃の条件で加熱しながらスパッタ成膜したＣ軸配向膜の結果を示している。また、破線が、アルゴンを用いたスパッタ法で５００℃の条件で加熱しながらスパッタ成膜して部分的にＣａＯが析出しているＨＡｐ結晶膜の結果を示している。また、点線が、非晶質ＨＡｐ膜を成膜した後で６００℃の条件で加熱して得られたＨＡｐ結晶膜の結果を示している。 In contrast to the above, FIG. 8 shows the result of comparing the shapes of the three absorption peaks when the film is formed under the following three conditions. In FIG. 8, first, the solid line shows the result of the C-axis alignment film formed by sputtering while heating at 500 ° C. by the sputtering method using xenon. Also, the broken line shows the result of the HAp crystal film in which CaO is partially deposited by sputtering while heating at 500 ° C. by sputtering using argon. Also, the dotted line shows the result of the HAp crystal film obtained by heating at 600 ° C. after forming the amorphous HAp film.
成膜後に加熱して結晶化した薄膜のピーク形状が一番幅広であり、結晶性が低いことを示唆している。キセノンを用いてスパッタ成膜した薄膜のピーク形状が最も急峻で、薄膜全体が完全に結晶化しており、非晶質部分やＣａＯなどの析出物がないことを示唆している。 The peak shape of the thin film heated and crystallized after film formation is the widest, suggesting that the crystallinity is low. The peak shape of the thin film formed by sputtering using xenon is the steepest, and the entire thin film is completely crystallized, suggesting that there are no amorphous portions and precipitates such as CaO.
図５、図６の赤外吸収スペクトルにおいて、ν1＝９６０ｃｍ-1における対称伸縮モードの吸収が非常に小さいことは、このモードが本来、赤外吸収スペクトルにおいて不活性であることに対応している。このことを確かめる目的で、図９に示すラマン散乱スペクトルを取得した。キセノンガスを用いて４８０℃の加熱条件でスパッタ成膜して得られたＨＡｐ結晶膜試料と、アルゴンガスを用いて４２０℃の加熱条件でスパッタ成膜して得られた非晶質試料のスペクトルを比較している。 In the infrared absorption spectra of FIGS. 5 and 6, the very small absorption of the symmetric stretching mode at ν 1 = 960 cm −1 corresponds to the fact that this mode is inherently inactive in the infrared absorption spectrum. Yes. In order to confirm this, the Raman scattering spectrum shown in FIG. 9 was acquired. Spectra of HAp crystal film sample obtained by sputtering using xenon gas under a heating condition of 480 ° C. and amorphous sample obtained by sputtering film formation under heating condition of 420 ° C. using argon gas Are comparing.
図９より明らかなように、９５０−１０００ｃｍ-1におけるシリコン基板からのブロードな散乱ピークに、ＨＡｐ結晶膜からの鋭いν1振動モードの散乱ピークが重畳している。これは、ν1振動モードが、確かにラマン活性であることを示しており、結晶場の乱れが少ない良好な結晶であり、一方で、赤外不活性なために、赤外吸収が弱いものと解釈できる。 As is clear from FIG. 9, a sharp ν 1 vibration mode scattering peak from the HAp crystal film is superimposed on a broad scattering peak from the silicon substrate at 950 to 1000 cm −1 . This indicates that the ν 1 vibration mode is indeed Raman-active, and is a good crystal with little disturbance of the crystal field, while it is weak in infrared absorption due to infrared inactivity. Can be interpreted.
以上に説明したように、本発明では、形成（堆積）されるハイドロキシアパタイトの薄膜が結晶化する温度で加熱している状態で、ハイドロキシアパタイトの焼結体からなるターゲットおよびＨ2Ｏガスを含むスパッタガスを用いたＥＣＲスパッタ法で、基板の上にハイドロキシアパタイトの薄膜を形成するようにした。この結果、サファイアなどエピタキシャル基板を用いることなく、シリコン基板などの様々な基板の上に結晶性を制御した状態でハイドロキシアパタイトの薄膜が形成できるようになる。 As described above, the present invention includes a target composed of a sintered body of hydroxyapatite and H 2 O gas in a state where the formed (deposited) hydroxyapatite thin film is heated at a temperature at which it is crystallized. A hydroxyapatite thin film was formed on the substrate by ECR sputtering using a sputtering gas. As a result, a hydroxyapatite thin film can be formed on various substrates such as a silicon substrate with controlled crystallinity without using an epitaxial substrate such as sapphire.
ＣａやＰなどの軽元素からなるＨＡｐ膜へのプラズマダメージは大きいため、ＲＦマグネトロンスパッタ法に代表される一般的なスパッタ法を使ったのでは、加熱しながらの成膜で良好な膜質のＨＡｐ結晶膜を得るのが困難である。ＥＣＲスパッタ法を用いることで、レーザーアブレーション法と同等程度のダメージに留めることが可能となった。さらに、アルゴンの代わりにキセノンをスパッタリングガスとして用いれば、組成ずれの影響を最小限に抑えることができる。 Since the plasma damage to the HAp film made of light elements such as Ca and P is large, if a general sputtering method typified by the RF magnetron sputtering method is used, the HAp having a good film quality can be formed by heating. It is difficult to obtain a crystal film. By using the ECR sputtering method, it is possible to keep the damage to the same extent as the laser ablation method. Furthermore, if xenon is used as the sputtering gas instead of argon, the influence of the composition shift can be minimized.
なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。 The present invention is not limited to the embodiment described above, and many modifications and combinations can be implemented by those having ordinary knowledge in the art within the technical idea of the present invention. It is obvious.
１０１…基板、１０２…薄膜。 101 ... substrate, 102 ... thin film.
Claims (2)
ハイドロキシアパタイトの焼結体からなるターゲットおよびＨ2Ｏガスを含むスパッタガスを用いた電子サイクロトロン共鳴スパッタ法で、前記所定温度に加熱されている前記基板の上にハイドロキシアパタイトの薄膜を形成する第２工程と
を少なくとも備え、
前記所定温度は、前記第２工程で前記基板の上に形成されるハイドロキシアパタイトの薄膜が結晶化する４６０℃〜５００℃の範囲とする
ことを特徴とするハイドロキシアパタイト薄膜の製造方法。 A first step of heating the substrate to a predetermined temperature;
Secondly, a thin film of hydroxyapatite is formed on the substrate heated to the predetermined temperature by electron cyclotron resonance sputtering using a target composed of a sintered body of hydroxyapatite and a sputtering gas containing H 2 O gas. Comprising at least a process,
The said predetermined temperature is made into the range of 460 degreeC-500 degreeC which the thin film of the hydroxyapatite formed on the said board | substrate at the said 2nd process crystallizes. The manufacturing method of the hydroxyapatite thin film characterized by the above-mentioned.
前記スパッタガスは、キセノンガスであることを特徴とするハイドロキシアパタイト薄膜の製造方法。 The method of manufacturing a hydroxyapatite film of claim 1 Symbol placement,
The method for producing a hydroxyapatite thin film, wherein the sputtering gas is xenon gas.
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