JP2005335964A - 複合酸化物半導体膜及びその形成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 可視光応答性のある複合酸化物半導体膜の形成方法を提供する。
【解決手段】 基体２０に複合酸化物半導体膜を形成する膜形成方法である。タンタルからなる第１ターゲット部１１ａ及びインジウムからなる第２ターゲット部１１ｂを備えたターゲット材１１へ向けてイオンビームを照射するスパッタイオン照射工程と、基体２０に向けて少なくとも酸素イオンを含むイオンビームを照射するアシストイオン照射工程とを併用することで、基体２０にタンタル酸インジウムを構成成分とする複合酸化物半導体膜を形成する。
【選択図】 図６

Description

本発明は複合酸化物半導体膜及び複合酸化物半導体膜の形成方法に係り、特に可視光線に応答し、水素製造用，水分解用及び有害物質分解用の光触媒薄膜等に用いることが可能な複合酸化物半導体膜及びその形成方法に関する。

地球温暖化や地球資源枯渇の問題から、新エネルギー源の開発が盛んに行われている。なかでも、太陽エネルギーは年間エネルギー消費量の１万倍に相当するともいわれ、その効率的な利用のための研究が活発である。代表的な研究に光触媒がある。光触媒は、太陽光と水から、水素と酸素をクリーンに製造することができるため、エネルギー創出の有望な手段として注目されている。

光触媒反応は下記式に示すように、エネルギー蓄積型の反応である。

この種の光触媒は、そのバンドギャップ以上のエネルギーを吸収すると、正孔と電子を生成する。これにより、酸化反応や還元反応をともなって、酸素や水素を発生させると考えられている。
エネルギー源となる太陽光は、波長５００ｎｍ付近に放射の最大強度をもっており、波長４００ｎｍ〜７５０ｎｍの可視光領域のエネルギー量は、全太陽光の約４３％と考えられている。これに対して、波長４００ｎｍ以下の紫外線領域のエネルギー量は全太陽光の５％にも満たないと考えられている。したがって、太陽光を効率よく利用するためには、可視光線に応答する可視光応答性の光触媒が望まれている。

しかし、紫外線を照射したときに水素と酸素の双方を生成できる半導体光触媒は、従来からよく知られているが、可視光線に応答する可視光応答性の半導体光触媒について充分に研究されているとは必ずしもいえない。

光触媒は、上述の新エネルギー分野の他にも、農薬や悪臭物質などの有機物の分解除去、固体表面のセルフクリーニングなどの数多くの応用例があるが、その大部分は二酸化チタンによる光触媒である。しかし、二酸化チタンは、可視光線線に対しては、その分解機能やセルフクリーニング効果が十分に発現されているものではなかった。

以上の点から、可視光線に応答するインジウム含有複合酸化物半導体からなる光触媒が注目されるようになった（例えば、特許文献１）。

特開２００３―１９４３７号公報（第３−５頁）

上記特許文献１では、インジウム含有複合酸化物半導体からなる光触媒を得ることができるが、得られるインジウム含有複合酸化物半導体からなる光触媒は、焼成物や、その粉砕物や、その粉砕物であった。このため、光触媒材料／製品として応用できる範囲が限定的だった。また、１２００度の高温での焼成工程を必要としていた。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであって、本発明の目的は、可視光応答性のある膜状の複合酸化物半導体である複合酸化物半導体膜及びその形成方法を提供することにある。

上記課題を解決するために、請求項１に記載の複合酸化物半導体膜は、基体に形成される薄膜であって、タンタル酸インジウムを構成成分としたことを特徴とする。
このように本発明の複合酸化物半導体膜はタンタル酸インジウムを構成成分としているため、可視光応答性のある酸化物半導体を膜の状態で得ることが可能となる。

上記課題を解決するために、請求項２に記載の複合酸化物半導体膜は、基体に形成される薄膜であって、前記基体の表面に厚さ５０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下で形成され、タンタル酸インジウムを構成成分としたことを特徴とする。
このように本発明の複合酸化物半導体膜は、５０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下で形成され、タンタル酸インジウムを構成成分としているため、可視光応答性のある酸化物半導体の薄膜を、光触媒薄膜として有望な膜厚５０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下の膜の状態で得ることが可能となる。

上記課題を解決するために、請求項３に記載の複合酸化物半導体膜は、基体に形成される薄膜であって、前記基体の表面に厚さ５０ｎｍ以上１００ｎｍ以下で形成され、タンタル酸インジウムを構成成分としたことを特徴とする。
このように本発明の複合酸化物半導体膜は、５０ｎｍ以上１００ｎｍ以下で形成され、タンタル酸インジウムを構成成分としているため、可視光応答性のある酸化物半導体を膜厚５０ｎｍ以上１００ｎｍ以下の膜の状態で得ることが可能となる。

また、請求項１乃至請求項３のうちいずれか１つに記載の複合酸化物半導体膜において、前記基体は酸化マグネシウム、ケイ素、ガラスのうちのいずれか１つからなると好適である。

上記課題を解決するために、請求項５に記載の複合酸化物半導体膜の形成方法は、基体に複合酸化物半導体膜を形成する膜形成方法において、タンタル及びインジウムからなるターゲット材、またはタンタルの酸化物及びインジウムの酸化物からなるターゲット材へ向けてイオンビームを照射するスパッタイオン照射工程と、前記基体に向けて少なくとも酸素イオンを含むイオンビームを照射するアシストイオン照射工程とを併用することで、前記基体にタンタル酸インジウムを構成成分とする複合酸化物半導体膜を形成することを特徴とする。
このような方法により、可視光応答性のある酸化物半導体を膜の状態で得ることが可能となる。

上記課題を解決するために、請求項６に記載の複合酸化物半導体膜の形成方法は、基体に複合酸化物半導体膜を形成する膜形成方法において、タンタルからなる第１ターゲット部及びインジウムからなる第２ターゲット部を備えたターゲット材へ向けてイオンビームを照射するスパッタイオン照射工程と、前記基体に向けて少なくとも酸素イオンを含むイオンビームを照射するアシストイオン照射工程とを併用することで、前記基体にタンタル酸インジウムを構成成分とする複合酸化物半導体膜を形成することを特徴とする。
このような方法により、可視光応答性のある酸化物半導体を膜の状態で得ることが可能となる。

このとき、請求項６に記載の複合酸化物半導体膜の形成方法において、前記スパッタイオン照射工程では、前記ターゲットへ向けたイオンビームの照射方向における前記第１ターゲット部と前記第２ターゲット部の投影面積比が２：１ないし３：１の範囲にあるターゲット材へ向けてイオンビームを照射すると好適である。
このように、前記スパッタイオン照射工程において、前記第１ターゲット部と前記第２ターゲット部の投影面積比が２：１ないし３：１の範囲にあるターゲット材へ向けてイオンビームを照射することで、可視光応答性のある酸化物半導体を膜の状態で得ることが可能となる。

このとき、請求項６又は請求項７に記載の複合酸化物半導体薄膜の形成方法において、前記スパッタイオン照射工程では、前記第１ターゲット部と前記第２ターゲット部のうちの少なくともいずれか一方が複数に分割されたターゲット材へ向けてイオンビームを照射すると好適である。
このように、第１ターゲット部と第２ターゲット部のうちの少なくともいずれか一方が複数に分割されているため、第１ターゲット部と第２ターゲット部のうちの少なくともいずれか一方の数を増減させることで、第１ターゲット部と第２ターゲット部の比率を容易に変更することができる。したがって、第１ターゲット部と第２ターゲット部との比率に応じた形状のターゲット材を改めて製造する場合に比べて、第１ターゲット部と第２ターゲット部との比率の変更を低コストで、且つ迅速に行うことが可能になる。

また、請求項５乃至請求項８のうちいずれか１つに記載の複合酸化物半導体膜の形成方法において、前記スパッタイオン照射工程では、前記ターゲット材へ向けてアルゴンを含むイオンビームを照射すると好適である。

また、請求項５乃至請求項８のうちいずれか１つに記載の複合酸化物半導体膜の形成方法において、スパッタイオン照射工程及びアシストイオン照射工程を、前記前記基体の温度を室温〜７１０℃以下の範囲に保って行うと好適である。

以上のように、本発明の複合酸化物半導体膜によれば、タンタル酸インジウムを構成成分とした薄膜を得ることができる。
また、本発明の複合酸化物半導体膜の形成方法によれば、インジウム含有複合酸化物半導体からなる光触媒の焼成物を得るために従来必要であった温度に比べて低温で、可視光応答性のある膜状のインジウム含有複合酸化物半導体を得ることができ、光触媒薄膜として活用することが可能となる。

以下、本発明の一実施例を図面に基づいて説明する。なお、以下に説明する部材，配置等は本発明を限定するものでなく、本発明の趣旨の範囲内で種々改変することができるものである。

図１は、本発明の複合酸化物半導体膜を形成するために用いる成膜装置の概略図である。図２乃至図５は、本発明の複合酸化物半導体膜を形成するために用いるターゲットの各実施形態を説明する斜視図である。図６，図７は、本発明の実施例により得られた複合酸化物半導体膜のＸ線回折パターンを示すグラフである。

図１は、本発明の複合酸化物半導体膜を形成するために用いる成膜装置の一実施形態を示すものである。図１に示すように、本実施形態では、成膜装置１００としてイオンビームスパッタを行うイオンビームスパッタ装置を用いる。

成膜装置１００は、真空槽１と、ターゲットホルダ２と、基体ホルダ３と、スパッタイオンビーム源４と、アシストイオンビーム源５と、を備えている。
真空槽１は、公知のスパッタ装置で通常用いられるようなステンレススチール製の略直方体形状を備える中空体であり、アースされている。真空槽１の内部の空間は、スパッタによる成膜を行う空間である膜形成室１Ａとなっている。真空槽１には排気用の排気口が設けられ、該排気口を介して真空ポンプが接続されている。真空ポンプ６を作動させることで、膜形成室１Ａを真空状態にすることができる。本実施形態では、真空ポンプ６と真空槽１との間には制御バルブ６ａが設けられ、この制御バルブ６ａの開閉によって膜形成室１Ａの圧力調整を行う。

ターゲットホルダ２は、ターゲット１０を保持するものであり、真空槽１の内部に設けられている。ターゲットホルダ２は、真空槽１の外壁に支えられた支持棒（図示せず）によって支持され、真空槽１を介してアースされている。ターゲットホルダ２には、ターゲット１０が固着具、例えばボルトで固定されている。ターゲット１０は、後述のスパッタイオンビーム源４，基板２０に面した状態でターゲットホルダ２に固定されている。ターゲット１０の構成については後述する。本実施形態では、後述のスパッタイオンビーム源４を用いて、このターゲット１０に対してイオンビームスパッタを行う。

基体ホルダ３は、ターゲットホルダ２に設けられるターゲット１０に面した状態で、膜形成室１Ａに配置されている。基体ホルダ３は、本発明の基体に相当する基板２０を保持するものである。基体ホルダ３は、真空槽１の外壁に支持され、真空槽１を介してアースされている。基体ホルダ３には、ヒーター（図示せず）が設けられている。このヒーターで基板２０を加熱可能な構成となっている。本実施形態では、ヒーターへ供給する電流値を制御することで、基板２０の温度を調整可能にしている。

基板２０は、ボルトや固定フランジ、板バネ等の固定具を用いて基体ホルダ３に保持される。このとき、基板２０は、ターゲット１０，後述のアシストイオンビーム源５に面した状態で固定されている。基板２０の材料としては、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）やケイ素（Ｓｉ）、又はガラス等種々の材質のものを用いることができる。酸化マグネシウム（ＭｇＯ）からなる基板２０を用いると、タンタル酸インジウムを構成成分とした複合酸化物半導体薄膜がエピタキシャル成長し易いため、本実施形態では、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）からなる基板２０を用いている。なお、本実施形態では、基体として板状の基板２０を用いているが、他の形状であってもよい。

スパッタイオンビーム源４は、公知のものと同様に、プラズマを発生させるプラズマ発生手段と、発生させたプラズマからイオンをスパッタイオンビーム源４の外へ引き出す引き出し電極を備えている。また、スパッタイオンビーム源４には、配管を介してスパッタガスボンベ４ａが接続されている。スパッタガスボンベ４ａには、スパッタガスが収容されている。スパッタイオンビーム源４としては、例えば、株式会社シンクロン社製ＫＩＳ−５０を用いればよい。

スパッタガスとしては、ヘリウム（Ｈｅ）やネオン（Ｎｅ）やアルゴン（Ａｒ）やクリプトン（Ｋｒ）やキセノン（Ｘｅ）等が収容される。スパッタガスは、配管を介してスパッタガスボンベ４ａからスパッタイオンビーム源４へ供給され、スパッタイオンビーム源４のプラズマ発生手段でプラズマ化される。スパッタイオンビーム源４は、引き出し電極で発生させた電界によってスパッタガスのプラズマからイオンを引き出し、加速させて、スパッタガスのイオンの流れであるイオンビームを生成する。スパッタイオンビーム源４は、このイオンビームをターゲット１０へ照射する向きで、真空槽１の外壁に挿嵌されている。

本実施形態では、スパッタ率を大きくするため等の理由から、スパッタガスボンベ４ａにアルゴン（Ａｒ）を収容し、スパッタイオンビーム源４からターゲット１０へ向けてアルゴンイオンを照射している。

アシストイオンビーム源５は、公知のものと同様に、プラズマを発生させるプラズマ発生手段と、発生させたプラズマからイオンをアシストイオンビーム源５の外へ引き出す引き出し電極を備えている。また、アシストイオンビーム源５には、配管を介してアシストガスボンベ５ａが接続されている。アシストガスボンベ５ａには、アシストガスが収容される。アシストイオンビーム源５としては、例えば、株式会社シンクロン社製ＫＩＳ−５０を用いればよい。

アシストガスとしては、酸素（Ｏ_２）や、酸素（Ｏ_２）とアルゴン（Ａｒ）の混合ガス等を用いることができる。アシストガスとして酸素（Ｏ_２）とアルゴン（Ａｒ）の混合ガスを用いる場合には、アシストガスボンベ５ａを複数設けて、酸素（Ｏ_２）とアルゴン（Ａｒ）を別々のアシストガスボンベ５ａに収容するようにするとよい。アシストガスは、配管を介してアシストガスボンベ５ａからアシストイオンビーム源５へ供給され、アシストイオンビーム源５のプラズマ発生手段でプラズマ化される。アシストイオンビーム源５は、引き出し電極で発生させた電界によってアシストガスのプラズマからアシストガスのイオンを引き出し、加速させて、アシストガスのイオンの流れであるイオンビームを生成する。アシストイオンビーム源５は、このイオンビームを基板２０へ照射する向きで、真空槽１の外壁に挿嵌されている。

本実施形態では、このようにアシストガスボンベ５ａに酸素ガスからなるアシストガス、又は酸素（Ｏ_２）ガス及びアルゴン（Ａｒ）ガスからなるアシストガスが収容され、アシストイオンビーム源５から基板２０へ向けて、酸素イオンを含むイオンビームを照射する。これにより、基板２０表面に堆積している飛散物質の酸化・結晶成長が促進される。

なお、真空槽１には、シャッター７，８，９が軸支されている。シャッター７は、スパッタイオンビーム源４とターゲット１０の間に位置する閉状態と、スパッタイオンビーム源４とターゲット１０の間から退避した開状態との間で回動する。シャッター８は、アシストイオンビーム源５と基板２０の間に位置する閉状態と、アシストイオンビーム源５と基板２０の間から退避した開状態との間で回動する。シャッター９は、ターゲット１０と基板２０の間に位置する閉状態と、ターゲット１０と基板２０の間から退避した開状態との間で回動する。

ターゲット１０の構成について説明する。図２は、本実施形態のターゲット１０を説明する斜視図である。本実施形態のターゲット１０は、ターゲット材１１とバッキングプレート１２とで構成されている。図２に示すように、本実施形態のターゲット材１１は、ターゲット片１１ａと、ターゲット片１１ｂとを備えて構成されている。ターゲット片１１ｂは、複数片に分割されていている。図２に示した例では、ターゲット片１１ｂは、ターゲット片１１ｂ_１，１１ｂ_２，１１ｂ_３，１１ｂ_４，１１ｂ_５，１１ｂ_６で構成されている。なお、ターゲット片１１ａは、本発明の第１ターゲット部に相当し、ターゲット片１１ｂは本発明の第２ターゲット部に相当する。

ターゲット片１１ａの形状は特に限定されるものではないが、本実施形態のターゲット片１１ａの形状は円板形である。ターゲット片１１ａの形状は円板形に限らず、直方体状であってもよいし、その他の形状であってもよい。ターゲット片１１ａは、タンタル(Ｔａ)で形成されている。ターゲット片１１ｂ_１〜１１ｂ_６の形状は、それぞれ短冊板状をしている。ターゲット片１１ｂ_１〜１１ｂ_６は、インジウム（Ｉｎ）で形成されている。ターゲット片１１ａ，１１ｂの製法は特に限定されるものではなく、鋳造・圧延、切断加工、熱処理、粉末冶金等で製造される。
バッキングプレート１２は、円板状に形成された銅製の部材である。

本実施形態では、スパッタイオンビーム源４からターゲット材１１をみたときのターゲット片１１ａとターゲット片１１ｂの投影面積比、言い換えると、スパッタイオンビーム源４からターゲット材１１へ向けたイオンビームの照射方向における投影面積比が、２：１〜３：１となるように（すなわち、タンタル(Ｔａ)とインジウム（Ｉｎ）の比が、２：１〜３：１となるように）、ターゲット片１１ａとターゲット片１１ｂの形状が設定されている。

ターゲット片１１ａは、インジウム（Ｉｎ）やインジウム系合金のボンディング材を用いてバッキングプレート１２にボンディングされている。ターゲット片１１ｂ_１〜１１ｂ_６は、ターゲット片１１ａの表面に取着されている。本実施形態では、ターゲット片１１ｂ_１〜１１ｂ_６をターゲット片１１ａに押し付けることで、ターゲット片１１ｂ_１〜１１ｂ_６をターゲット片１１ａの表面に取着している。なお、ターゲット片１１ｂ_１〜１１ｂ_６がずれたり、ターゲット材１１から脱落したりしないように、ターゲット片１１ｂ_１〜１１ｂ_６の端を屈曲させて、ターゲット片１１ｂ_１〜１１ｂ_６がターゲット片１１ａの表面から側面，バッキングプレート１２の裏面にかけて巻き込むようにして固定すると好適である。本実施形態では、このようにターゲット片１１ｂ_１〜１１ｂ_６を、ターゲット片１１ａに押し付け、屈曲させることでターゲット片１１ａに取着しているが、インジウム（Ｉｎ）やインジウム系合金をボンディング材として用いて、ターゲット片１１ａとターゲット片１１ｂ_１〜１１ｂ_６をボンディングすることもできる。

また、本実施形態では、バッキングプレート１２がアースされる。このため、バッキングプレート１２とボンディングされているタンタル(Ｔａ)からなるターゲット片１１ａや、インジウム（Ｉｎ）からなるターゲット片１１ｂ_１〜１１ｂ_６もアースされる。したがって、本実施形態では、帯電しやすい酸化物からなるターゲットを用いて成膜する場合等と異なり、成膜する際にターゲット材１１が帯電することによる異常放電の発生を抑制することができ、異常放電を抑制して安定した成膜を行うことができる。

図２の実施形態では、ターゲット片１１ｂ_１〜１１ｂ_６が、短冊板状をしたターゲット片１１ｂ_１〜１１ｂ_６の長手方向が並行になった状態で、ターゲット片１１ａの直径方向の中央付近にまとまって配置されている例を示した。ターゲット片１１ｂ_１〜１１ｂ_６の配置は、図２に例示した配置に限らず、スパッタイオンビーム源４からターゲット材１１をみたときのターゲット片１１ａとターゲット片１１ｂの投影面積比が、２：１〜３：１となるように（すなわち、タンタル(Ｔａ)とインジウム（Ｉｎ）の比が、２：１〜３：１となるように）配置されていれば、他の配置とすることができる。ただし、いずれの配置にする場合でも、できるだけスパッタされるタンタル(Ｔａ)とインジウム（Ｉｎ）の分布に斑が生じないように配置すると好適である。

図２に例示した以外のターゲット片１１ａとターゲット片１１ｂの配置は、種々考えられる。例えば、ターゲット片１１ｂ_１〜１１ｂ_６のそれぞれの長手方向が並行になるように、間隔をあけて縞状に配置することもできる。また、ターゲット片１１ａとターゲット片１１ｂの配置としては、図３乃至図５に例示した実施形態の構成とすることもできる。図３乃至図５に例示した実施形態の場合も、スパッタイオンビーム源４からターゲット材１１をみたときのターゲット片１１ａとターゲット片１１ｂの投影面積比が、２：１〜３：１となるように（すなわち、タンタル(Ｔａ)とインジウム（Ｉｎ）の比が、２：１〜３：１となるように）、ターゲット片１１ａとターゲット片１１ｂの形状が設定される。

図３に示した例では、ターゲット片１１ｂはターゲット片１１ｂ_１１〜１１ｂ_１６に分割されている。図３では、短冊板状をしたターゲット片１１ｂ_１１〜１１ｂ_１６の長手方向が、円板状をしたターゲット片１１ａの周縁から中心へ向くように配置されている。図３に例示した場合にも、ターゲット片１１ｂ_１〜１１ｂ_６を、ターゲット片１１ａに押し付け、屈曲させることでターゲット片１１ａに取着することもできるし、ボンディング材を用いて、ターゲット片１１ａとターゲット片１１ｂ_１〜１１ｂ_６をボンディングすることもできる。

図４に示した例では、ターゲット片１１ｂが複数の小片に分割されている。そして、ターゲット片１１ａの表面に、分割されたターゲット片１１ｂの小片を格子状に配置している。図４に示す例では、ボンディング材を用いて、ターゲット片１１ａとターゲット片１１ｂをボンディングしている。

図５(ａ)はターゲット１０の分解斜視図、図５（ｂ）はターゲット１０を組付けた状態を示す斜視図である。図５に示した例では、ターゲット片１１ａとターゲット片１１ｂが、ともにバッキングプレート１２にボンディングされている。図５に示した例では、ターゲット片１１ａは扇板状のターゲット片１１ａ_１，１１ａ_４，と、棒状（または短冊板状）のターゲット片１１ａ_２,１１ａ_３に分割されている。ターゲット片１１ｂは、棒状（または短冊板状）のターゲット片１１ｂ_２１，１１ｂ_２２，１１ｂ_２３に分割されている。

図２乃至図５いずれの実施形態においても、ターゲット片１１ｂが複数に分割されているため、ターゲット片１１ｂの分割片の一部を取り外したり、分割片を足したり、分割片の大きさを変更したりすることができ、これにより、スパッタイオンビーム源４からターゲット材１１をみたときのターゲット片１１ａとターゲット片１１ｂの投影面積比を調整することができる。特に、図２や図３の実施形態のように、短冊板状のターゲット片１１ｂ_１〜１１ｂ_６を用いれば、ターゲット片１１ｂ_１〜１１ｂ_６の長さを変えるだけで容易に所望の投影面積をもつターゲット片１１ｂを準備できる。また、図４実施形態のように、分割されたターゲット片１１ｂの小片を格子状に配置すれば、小片の数を増減することで、容易に所望の投影面積をもつターゲット片１１ｂを準備できる。

このように、ターゲット片１１ａとターゲット片１１ｂの投影面積比を調整することで、スパッタされるタンタル（Ｔａ）とインジウム（Ｉｎ）の量の調整を簡便かつ迅速に行うことができるため、所望の構造・組成の複合酸化物半導体薄膜の形成するための、最適なタンタル（Ｔａ）とインジウム（Ｉｎ）の量の比を迅速に決定することができる。特に、ターゲット片１１ａとターゲット片１１ｂの投影面積比を変更するたびに、新たな材料組成を有するターゲット材を製造又は購入する必要がないため経済的である。

上述の図２乃至図５を用いて説明した実施の形態では、ターゲット材１１がターゲット片１１ａとターゲット片１１ｂとを備えて構成され、ターゲット片１１ｂの分割片の数を増減させたり、分割片の大きさを変更したりして、ターゲット片１１ａとターゲット片１１ｂの投影面積比を調整可能にして、スパッタされるタンタル（Ｔａ）とインジウム（Ｉｎ）の量の調整を簡便かつ迅速に行うことができるようにしていた。しかし、タンタル（Ｔａ）とインジウム（Ｉｎ）の量の調整を行う必要がない場合等には、タンタル（Ｔａ）とインジウム（Ｉｎ）が所定の割合で混合されて形成されたターゲット材１１を用いることもできる。例えば、粉末状のタンタル（Ｔａ）及びインジウム（Ｉｎ）を２：１〜３：１の体積比で混合して、高圧で押し固めて形成したターゲット材１１や、これを焼結させたターゲット材１１を用いることもできる。

また、タンタル（Ｔａ）の酸化物及びインジウム（Ｉｎ）の酸化物からなるターゲット材１１を用いることもできる。例えば、タンタル（Ｔａ）の酸化物粉末とインジウム（Ｉｎ）の酸化物粉末を混合して、高圧で押し固めて形成したターゲット材１１や、これを焼結させたターゲット材１１を用いることもできる。また、例えば、タンタル（Ｔａ）の酸化物の板とインジウム（Ｉｎ）の酸化物の板を組み合わせたターゲット材１１を用いることもできる。

成膜装置１００には、上述の構成の他にも、基板２０に形成されている膜の膜厚を測定するために、膜厚測定手段（図示せず）が設けられている。本実施形態では、基体ホルダ３に膜厚測定手段として水晶振動子モニタを設置している。水晶振動子モニタの共振周波数変化を測定することで、成膜中に膜厚のモニタリングを行っている。膜厚測定手段として、投光部と受光部を備えたものを用いることもできる。この場合には、投光部から発した光を基板２０に形成された薄膜に照射し、その反射光を受光部で受光し、光学的に膜厚のモニタリングを行う。

以上に説明した成膜装置１００を用いて、基板２０表面にタンタル酸インジウムを構成成分とした複合酸化物半導体薄膜を形成する方法を説明する。

先ず、基体ホルダ３に、基板２０を保持させる。また、ターゲットホルダ２に、ターゲット１０を取り付ける。
次に、真空槽１の内部を、膜形成室１Ａの全圧が約１×１０^−４Ｐａ以下になるように真空ポンプ６で減圧する。また、基板２０の温度が室温〜約７００℃になるように、基体ホルダ３のヒーター（図示せず）を制御する。

続いて、シャッター７を開状態にして、スパッタイオンビーム源４にスパッタガスボンベ４ａからスパッタガスを供給し、スパッタイオンビーム源４を作動させて、プリスパッタリングを行う。すなわち、シャッター７を開状態にして、シャッター８，９を閉状態にして、ターゲット１０に対するプリスパッタリングを行い、ターゲット１０の表面の浄化・安定化を行う。このプリスパッタリングの最中又は前又は後に、基板２０の温度を一旦約７００℃にして、基板２０の浄化（ガス出し）も行う。なお、プリスパッタの最中は、アシストイオンビーム源５は作動させていない。

続いて、シャッター８を開状態にして、アシストイオンビーム源５にアシストガスボンベ５ａからアシストガスを供給し、アシストイオンビーム源５を作動させる。

続いて、膜形成室１Ａの圧力及びスパッタイオンビーム源４，アシストイオンビーム源５が安定状態になったら、シャッター９も開状態にして、スパッタイオンビーム源４及びアシストイオンビーム源５を同時に作動させた状態でイオンビームスパッタを行う。なお、スパッタイオンビーム源４及びアシストイオンビーム源５を間欠的に作動させたり、シャッター７，８の開閉を制御したりすることで、スパッタイオンビーム源４やアシストイオンビーム源５からのイオンビームの照射を間欠的に行ったり、必要なタイミングだけ行ったりすることもできる。

スパッタイオンビーム源４から照射されたイオンがターゲット１０の表面に照射されることで、高いエネルギーを持つイオンがターゲットに衝突し、スパッタを引き起こす。スパッタによりターゲット１０から生じた原子や粒子など飛散物質は、あらゆる方向に飛散して、その一部が基板２０に堆積する。そして、基板２０表面に堆積している飛散物質は、アシストイオンビーム源５から照射されたイオンビームで叩かれ、緻密化するとともに、イオンビームに含まれる酸素イオンと反応し、酸化・結晶成長が促進され、成膜が行われる。成膜の最中は、基板２０の温度を、室温〜約７００℃に保持する。

成膜中は、膜厚測定手段によって、形成された膜の膜厚をモニタする。そして、基板２０に５０ｎｍ〜１０００ｎｍ程度の膜厚の膜が形成されたところで、シャッター７，８，９を閉状態にし、スパッタイオンビーム源４，アシストイオンビーム源５の作動を終了させ、基板２０及び形成された薄膜の冷却を行い、成膜を終了する。

以上のように、ターゲット１０に対するスパッタイオンビーム源４からのスパッタガスイオンの照射と、基板２０に対するアシストイオンビーム源５からのアシストガスイオンの照射によって、基板２０の表面にタンタル酸インジウムを構成成分とした複合酸化物半導体薄膜を形成することができる。

次に、以上説明した成膜装置１００を用いて、基板２０表面にタンタル酸インジウムを構成成分とした複合酸化物半導体薄膜を形成した実験例を説明する。

基体ホルダ３には、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）からなる基板２０を取り付けた。ターゲットホルダ２に、図２に示したターゲット１０を取り付けた。タンタル（Ｔａ）からなるターゲット片１１ａとして、直径１５０ｍｍ，厚さ５ｍｍのものを用いた。インジウム（Ｉｎ）からなるターゲット片１１ｂ_１〜１１ｂ_６として、巾１０ｍｍ，厚さ１ｍｍ，長さ７５ｍｍ〜１５０ｍｍのものを用いた。そして、スパッタイオンビーム源４からターゲット材１１をみたときのターゲット片１１ａとターゲット片１１ｂの投影面積比が約３：１となるように、ターゲット片１１ａとターゲット片１１ｂを配置した。

本実験例では、ターゲット片１１ｂ_１〜１１ｂ_６は、ターゲット片１１ａの表面に取着した。すなわち、ターゲット片１１ｂ_１〜１１ｂ_６をターゲット片１１ａに押し付けるとともに、ターゲット片１１ｂ_１〜１１ｂ_６の端を屈曲させて、ターゲット片１１ｂ_１〜１１ｂ_６をターゲット片１１ａの表面から側面，バッキングプレート１２の裏面にかけて巻き込ませた。また、ターゲット片１１ｂ_１〜１１ｂ_６をバッキングプレート１２の裏面でクリップ止めした。バッキングプレート１２とターゲット片１１ａとは、インジウム（Ｉｎ）のボンディング材を用いてボンディングした。

次に、膜形成室１Ａの全圧が約１×１０^−４Ｐａ以下になるように、真空ポンプ６で減圧した。

続いて、シャッター７を開状態にして、スパッタイオンビーム源４にスパッタガスボンベ４ａからスパッタガスを供給し、スパッタイオンビーム源４を作動させて、プリスパッタリングを行う。そして、基板２０の温度を一旦約７００℃にして３０分程度保持した後、基板２０の温度を約４００℃に保った。
続いて、シャッター８を開状態にして、アシストイオンビーム源５にアシストガスボンベ５ａからアシストガスとして酸素（Ｏ_２）を供給し、アシストイオンビーム源５を作動させる。

そして、膜形成室１Ａの圧力及びスパッタイオンビーム源４，アシストイオンビーム源５が安定状態になったら、シャッター９も開状態にして、スパッタイオンビーム源４及びアシストイオンビーム源５を同時に作動させた状態でイオンビームスパッタを行うことで成膜を行った。

本実験例では、スパッタイオンビーム源４，アシストイオンビーム源５として、株式会社シンクロン社製ＫＩＳ−５０を使用した。スパッタイオンビーム源４へは、３ｃｍ^３/ｍｉｎでアルゴンガスを供給するとともに、加速電圧を１．２ｋＶ，加速電流を１５ｍＡとした。アシストイオンビーム源５へは、７ｃｍ^３/ｍｉｎで酸素ガスを供給するとともに、加速電圧を０．２ｋＶ，加速電流を１０ｍＡとした。

成膜中は、膜形成室１Ａの圧力は、アルゴンの分圧が約３．０×１０^−５Ｔｏｒｒ（４．０×１０^−３Ｐａ）、酸素の分圧が約３．３×１０^−５Ｔｏｒｒ（４．４×１０^−３Ｐａ）、全圧が約６．３×１０^−５Ｔｏｒｒ（８．４×１０^−３Ｐａ）であった。また、成膜中は、基板２０の温度を４００℃±１０℃に保った。

また、成膜中は、膜厚測定手段（水晶振動子モニタ）によって、形成された膜の膜厚をモニタした。そして、基板２０に５０ｎｍ（又は１００ｎｍ）程度の膜厚の膜が形成されたところで、シャッター７，８，９を閉状態にし、スパッタイオンビーム源４，アシストイオンビーム源５の作動を終了させて成膜を終了した。

図６，７に、本実験例で形成した複合酸化物半導体膜のＸ線回折パターンを示す。
図６には、本実験例の結果とともに、成膜前の基板２０のＸ線回折パターンも示している。図６中（ａ）で指し示した上段のチャートが本実験例の結果であり、基板２０表面に形成されている膜のＸ線回折パターンを示す。図６中（ｂ）で指し示した下段のチャートは、比較のために示した基板２０のＸ線回折パターンである。

図６中に示したように、ＪＣＰＤＳ（Ｊｏｉｎｔ Ｃｏｍｍｉｔｔｅｅ ｏｎ Ｐｏｗｄｅｒ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ Ｓｔａｎｄａｒｄｓ）のファイルを用いた同定の結果、図６中（ａ）のチャートにタンタル酸インジウムのピークが確認された。図６の結果から明らかなように、本実験例により基板２０表面に作成した膜はタンタル酸インジウムを構成成分とした膜であることがわかる。

図７には、本実験例の結果とともに、アシストイオンビーム源５を作動させることなく成膜した膜のＸ線回折パターンも示している。図７中（ａ）で指し示した上段のチャートは、本実験例の結果であり、図７中（ａ）のチャートと同じである。図７中（ｂ）で指し示した下段のチャートが、比較例として、アシストイオンビーム源５を作動させることなく成膜した膜のＸ線回折パターンも示している。なお、比較例では、スパッタイオンビーム源４を本実験例と同条件で作動させ、アシストイオンビーム源５は作動させずに成膜している。

図７中に示したように、ＪＣＰＤＳファイルを用いた同定の結果、図７中（ａ）のチャートにタンタル酸インジウムのピークが確認された。一方で、ＪＣＰＤＳのファイルを用いた同定の結果、図７中（ｂ）のチャートには酸化インジウムのピークが確認されたものの、タンタル酸インジウムのピークは確認できなかった。図７の結果から明らかなように、本実験例で行ったように、アシストイオンビーム源５を用いて酸素イオンを基板２０に向けて照射しながら成膜することで、基板２０表面にタンタル酸インジウムを構成成分とした膜を形成可能であることがわかる。

上記の実験例１の他に、成膜装置１００を用いて、基板２０表面にタンタル酸インジウムを構成成分とした複合酸化物半導体薄膜を形成した他の実験例を説明する。

上記の実験例１と、本実験例が異なる点は、上記の実験例１では、スパッタイオンビーム源４からターゲット材１１をみたときのタンタル（Ｔａ）からなるターゲット片１１ａと、インジウム（Ｉｎ）からなるターゲット片１１ｂの投影面積比が約３：１となるように、ターゲット片１１ａとターゲット片１１ｂを配置していた。これに対して、本実験例２では、スパッタイオンビーム源４からターゲット材１１をみたときのタンタル（Ｔａ）からなるターゲット片１１ａと、インジウム（Ｉｎ）からなるターゲット片１１ｂの投影面積比が約２：１となるように、ターゲット片１１ａとターゲット片１１ｂを配置した点である。他の条件・方法は、上記の実験例１と同様である。

図８に、本実験例２で形成した複合酸化物半導体膜のＸ線回折パターンを示す。図８には、本実験例２の結果とともに、上記の実験例１の結果と、成膜前の基板２０のＸ線回折パターンも示している。図８中（ａ）で指し示した上段のチャートが上記実験例１の結果であり、図８中（ｂ）で指し示した中段のチャートが本実験例２の結果であり、図８中（ｃ）で指し示した下段のチャートが比較のために示した基板２０のＸ線回折パターンである。

図８中に示したように、ＪＣＰＤＳのファイルを用いた同定の結果、本実験例２の結果を示す図８中（ｂ）のチャートに、タンタル酸インジウムのピークが確認された。図８の結果から明らかなように、本実験例２により基板２０表面に作成した膜はタンタル酸インジウムを構成成分とした膜であることがわかる。

上記の実験例２の他に、成膜装置１００を用いて、基板２０表面にタンタル酸インジウムを構成成分とした複合酸化物半導体薄膜を形成した他の実験例を説明する。

上記の実験例２と、本実験例３が異なる点は、上記の実験例２では、成膜中は、基板２０の温度を４００℃±１０℃に保ったが、本実験例３では、成膜中は、基板２０の温度を３００℃±１０℃、又は７００℃±１０℃に保った点である。他の条件・方法は、上記の実験例２と同様である。

図９に、本実験例３で形成した複合酸化物半導体膜のＸ線回折パターンを示す。図９には、本実験例３の結果とともに、上記の実験例２の結果も示している。図９中（ａ）で指し示した上段のチャートが、成膜中に基板２０の温度を７００℃±１０℃に保った場合の本実験例３の結果である。図９中（ｃ）で指し示した下段のチャートが、成膜中に基板２０の温度を３００℃±１０℃に保った場合の本実験例３の結果である。図９中（ｂ）で指し示した中段のチャートが上記実験例２の結果である。

図９中に示したように、ＪＣＰＤＳのファイルを用いた同定の結果、本実験例３の結果を示す図９中（ａ），（ｂ）のチャートに、タンタル酸インジウムのピークが確認された。図９の結果から明らかなように、本実験例３により基板２０表面に作成した膜はタンタル酸インジウムを構成成分とした膜であることがわかる。

以上に説明した実施の形態から把握できる、特許請求の範囲に記載した以外の発明として、例えば、次の（１）,（２）に示す薄膜形成方法が考えられる。

（１） 請求項６又は請求項７に記載の前記スパッタイオン照射工程において、前記第２ターゲット部が前記第１ターゲット部に着脱可能に取着されたターゲット材へ向けてイオンビームを照射することを特徴とする複合酸化物半導体膜の形成方法。
このように、スパッタイオン照射工程において、第２ターゲット部が第１ターゲット部に着脱可能に取着されたターゲット材を用いることで、第２ターゲット部を第１ターゲット部から取り外して、異なる大きさの第２ターゲット部を取り付け直すことを容易に行うことが可能になる。したがって、第１ターゲット部と第２ターゲット部との比率に応じた形状のターゲット材を改めて製造する場合に比べて、第１ターゲット部と第２ターゲット部との比率の変更を低コストで、且つ迅速に行うことが可能になる。

（２） 請求項６又は請求項７に記載の前記スパッタイオン照射工程において、複数に分割された前記第２ターゲット部が前記第１ターゲット部に着脱可能に取着されたターゲット材へ向けてイオンビームを照射することを特徴とする複合酸化物半導体膜の形成方法。
このように、スパッタイオン照射工程において、複数に分割された前記第２ターゲット部が前記第１ターゲット部に着脱可能に取着されたターゲット材を用いることで、第１ターゲット部に取着する第２ターゲット部の数の変更を容易に行うことが可能になる。したがって、第１ターゲット部と第２ターゲット部との比率に応じた形状のターゲット材を改めて製造する場合に比べて、第１ターゲット部と第２ターゲット部との比率の変更を低コストで、且つ迅速に行うことが可能になる。

複合酸化物半導体膜を形成するために用いる成膜装置の概略図である。 複合酸化物半導体膜を形成するために用いるターゲットの斜視図である。 複合酸化物半導体膜を形成するために用いる他の実施形態に係るターゲットの斜視図である。 複合酸化物半導体膜を形成するために用いる、さらに他の実施形態に係るターゲットの斜視図である。 複合酸化物半導体膜を形成するために用いるさらに他の実施形態に係るターゲットの斜視図である。 本発明の実施例１により得られた複合酸化物半導体膜のＸ線回折パターンを示すグラフである。 本発明の実施例１により得られた複合酸化物半導体膜のＸ線回折パターンを示すグラフである。 本発明の実施例２により得られた複合酸化物半導体膜のＸ線回折パターンを示すグラフである。 本発明の実施例３により得られた複合酸化物半導体膜のＸ線回折パターンを示すグラフである。

符号の説明

１・・・真空槽
１Ａ・・・膜形成室
２・・・ターゲットホルダ
３・・・基体ホルダ
４・・・スパッタイオンビーム源
４ａ・・・スパッタガスボンベ
５・・・アシストイオンビーム源
５ａ・・・アシストガスボンベ
６・・・真空ポンプ
７，８，９・・・シャッター
１０・・・ターゲット
１１・・・ターゲット材
１１ａ，１１ｂ・・・ターゲット片
１１ａ_１，１１ａ_２，１１ａ_３，１１ａ_４・・・ターゲット片
１１ｂ_１，１１ｂ_２，１１ｂ_３，１１ｂ_４，１１ｂ_５，１１ｂ_６・・・ターゲット片
１１ｂ_１，１１ｂ_１２，１１ｂ_１３，１１ｂ_１４，１１ｂ_１５，１１ｂ_１６・・・ターゲット片
１１ｂ_２１，１１ｂ_２２，１１ｂ_２３・・・ターゲット片
１２・・・バッキングプレート
２０・・・基板
１００・・・成膜装置

Claims (10)

1. 基体に形成される薄膜であって、タンタル酸インジウムを構成成分としたことを特徴とする複合酸化物半導体膜。
2. 基体に形成される薄膜であって、前記基体の表面に厚さ５０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下で形成され、タンタル酸インジウムを構成成分としたことを特徴とする複合酸化物半導体膜。
3. 基体に形成される薄膜であって、前記基体の表面に厚さ５０ｎｍ以上１００ｎｍ以下で形成され、タンタル酸インジウムを構成成分としたことを特徴とする複合酸化物半導体膜。
4. 前記基体は酸化マグネシウム、ケイ素、ガラスのうちのいずれか１つからなることを特徴とする請求項１乃至請求項３のうちいずれか１つに記載の複合酸化物半導体膜。
5. 基体に複合酸化物半導体膜を形成する膜形成方法において、
   タンタル及びインジウムからなるターゲット材、またはタンタルの酸化物及びインジウムの酸化物からなるターゲット材へ向けてイオンビームを照射するスパッタイオン照射工程と、前記基体に向けて少なくとも酸素イオンを含むイオンビームを照射するアシストイオン照射工程とを併用することで、前記基体にタンタル酸インジウムを構成成分とする複合酸化物半導体膜を形成することを特徴とする複合酸化物半導体膜の形成方法。
6. 基体に複合酸化物半導体膜を形成する膜形成方法において、
   タンタルからなる第１ターゲット部及びインジウムからなる第２ターゲット部を備えたターゲット材へ向けてイオンビームを照射するスパッタイオン照射工程と、前記基体に向けて少なくとも酸素イオンを含むイオンビームを照射するアシストイオン照射工程とを併用することで、前記基体にタンタル酸インジウムを構成成分とする複合酸化物半導体膜を形成することを特徴とする複合酸化物半導体膜の形成方法。
7. 前記スパッタイオン照射工程では、前記ターゲットへ向けたイオンビームの照射方向における前記第１ターゲット部と前記第２ターゲット部の投影面積比が２：１ないし３：１の範囲にあるターゲット材へ向けてイオンビームを照射することを特徴とする請求項６に記載の複合酸化物半導体膜の形成方法。
8. 前記スパッタイオン照射工程では、前記第１ターゲット部と前記第２ターゲット部のうちの少なくともいずれか一方が複数に分割されたターゲット材へ向けてイオンビームを照射することを特徴とする請求項６又は請求項７に記載の複合酸化物半導体膜の形成方法。
9. 前記スパッタイオン照射工程では、前記ターゲット材へ向けてアルゴンを含むイオンビームを照射することを特徴とする請求項５乃至請求項８のうちいずれか１つに記載の複合酸化物半導体膜の形成方法。
10. 前記スパッタイオン照射工程及び前記アシストイオン照射工程を、前記基体の温度を室温〜７１０℃以下の範囲に保って行うことを特徴とする請求項５乃至８のうちいずれか１つに記載の複合酸化物半導体膜の形成方法。

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