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2019 年度 実施状況報告書

基板とターゲットの表面状態を独立に制御した高速スパッタ成膜技術

研究課題

研究課題/領域番号 19K05090
研究機関北見工業大学

研究代表者

阿部 良夫  北見工業大学, 工学部, 教授 (20261399)

研究分担者 川村 みどり  北見工業大学, 工学部, 教授 (70261401)
金 敬鎬  北見工業大学, 工学部, 准教授 (70608471)
研究期間 (年度) 2019-04-01 – 2023-03-31
キーワード水蒸気スパッタ法 / 金属ターゲットモード / 高速成膜 / 酸化物薄膜 / プロトン伝導性
研究実績の概要

現有のスパッタ装置を改造し、反応ガスとして供給する水蒸気を、基板側とターゲット側の2つの方向から噴射できる構造とした。
金属タンタルターゲットをアルゴンと水蒸気雰囲気中で反応性スパッタすることで、プロトン伝導性の酸化タンタル(Ta2O5)薄膜を作製した。膜中に水分子を取り込んだ水和酸化物を作製するため、水蒸気を基板方向に噴射し、基板温度は室温から-170℃まで変えた。X線回折、およびフーリエ変換赤外分光法を用いて膜構造を調べた結果、OH基を含むアモルファス構造の酸化タンタル薄膜が形成されることを確認した。また、基板温度が室温の場合には酸化タンタル薄膜の堆積速度が約3 nm/minと遅いのに対し、基板を液体窒素で冷却することにより、約50 nm/minの高速成膜を実現した。この原因を調べるため、プラズマ発光分析と放電電圧の測定を行った結果、タンタルターゲットは酸化されることなく、金属モードでスパッタされていることを確認した。また、作製した酸化タンタル薄膜のイオン伝導率をACインピーダンス法を用いて測定した結果、基板温度が-120~-80℃の範囲で0.001 S/mの高いイオン伝導率を示す優れた固体電解質材料であることを確認した。
金属クロムターゲットをアルゴンと水蒸気雰囲気中で反応性スパッタすることで、酸化クロム(CrOx)薄膜を作製した。基板を液体窒素で冷却するかわりに、スパッタチャンバ内部に液体窒素トラップを設置する方法を採用し、酸化タンタル薄膜と同様に金属ターゲットモードで高速成膜できることを確認した。また、水蒸気を基板側に噴射する場合とターゲット側に噴射する場合を比較した結果、基板側に噴射した方が、ターゲットの酸化が抑制され、高い成膜速度が得られることを見出した。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

スパッタ装置の改造を予定通り実施した。
このスパッタ装置を使って酸化物薄膜の高速成膜について検討し、ほぼ期待した結果を得た。また、高速成膜の原因についても検討した。

今後の研究の推進方策

アルゴンと水蒸気の流量、および水蒸気の噴射方向を変えるなどの成膜パラメーターを調整することで、遷移金属酸化物薄膜の酸化数制御を行う。また、純粋な酸化物(MOx)のほか、水酸化物(M(OH)x)やオキシ水酸化物(MOx(OH)y)などの組成制御方法について検討する。

次年度使用額が生じた理由

理由:ほぼ予定した使用額であったが、真空部品の購入数が予定より少なかったため、次年度使用額が生じた。
使用計画:酸化物薄膜の特性評価に必要な試薬を購入するため、物品費に使用する予定である。

  • 研究成果

    (5件)

すべて 2020 2019

すべて 雑誌論文 (1件) (うち査読あり 1件) 学会発表 (4件) (うち国際学会 2件)

  • [雑誌論文] High-rate sputter deposition of chromium oxide thin films using water vapor as a reactive gas2020

    • 著者名/発表者名
      Fan Wang, Yoshio Abe, Midori Kawamura, Kyung Ho Kim, Takayuki Kiba
    • 雑誌名

      Surface & Coatings Technology

      巻: 387 ページ: 125509-1-5

    • DOI

      https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2020.125509

    • 査読あり
  • [学会発表] High-rate sputter deposition of chromium oxide thin films under metallic target mode using water vapor as a reactive gas2019

    • 著者名/発表者名
      Fan Wang, Yoshio Abe, Midori Kawamura, Kyung Ho Kim, Takayuki Kiba
    • 学会等名
      TACT2019 International Thin Films Conference
    • 国際学会
  • [学会発表] Reactive sputtering of tantalum oxide solid-electrolyte thin films under metallic-target mode by water vapor injection2019

    • 著者名/発表者名
      Yusuke Ito, Yoshio Abe, Midori Kawamura, Kyung Ho Kim, Takayuki Kiba
    • 学会等名
      TACT2019 International Thin Films Conference
    • 国際学会
  • [学会発表] 水蒸気を基板表面に吹き付けてスパッタ成膜したクロム酸化物薄膜2019

    • 著者名/発表者名
      王ハン;、阿部良夫、川村みどり、金 敬鎬、木場隆之
    • 学会等名
      第80回応用物理学会秋季学術講演会
  • [学会発表] 水蒸気スパッタ法におけるターゲット状態の制御と酸化タンタル薄膜の作製2019

    • 著者名/発表者名
      伊藤勇佑、阿部良夫、川村みどり、金 敬鎬、木場隆之
    • 学会等名
      第80回応用物理学会秋季学術講演会

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公開日: 2021-01-27  

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