熱エネルギーに代わる新規なスパッタ薄膜構造制御技術開発

2015 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 25820371
• Research Institution: Miyakonojo National College of Technology
• Principal Investigator: 野口 大輔 都城工業高等専門学校, 物質工学科, 准教授 (00413881)
• Project Period (FY): 2013-04-01 – 2016-03-31
• Keywords: スパッタリング法 / 薄膜構造制御 / ラジカル / 化学アニーリング効果 / 高速低温結晶化 / 光触媒

Outline of Annual Research Achievements

本年度はスパッタ工程において数原子層レベルで構成されたスパッタ薄膜構造が、ラジカルの化学アニーリング効果によって構造変化していく様子を成長段階ごとに観察し、結晶性および光触媒特性評価を行った。昨年度より薄膜物性において大きな差異が確認できた各運動エネルギー(Ef)条件下で作製されたスパッタ薄膜に対して、ラジカル照射を実施することを繰り返し、成長の差異からラジカルの化学アニーリング効果に有効なスパッタ薄膜構造を決定した。
スパッタ薄膜構造は、多数の島が形成されており、3次元的に成長しているのが確認できた。この島状成長した粒子の数は、Efの増加に伴い増加し、粒子間の距離が縮まっていることから、スパッタ粒子の表面拡散の駆動力はEfであることが分かった。ラジカル処理により化合物化して堆積した薄膜は、一般的な反応性スパッタ法で作製した薄膜と比較して、化学アニーリング効果により粒子の成長が促進されており、粒径が成長していた。表面は粒径が約20～60nm程度の粒子で構成されており、粒子と粒子の間に10～50nm程度の隙間が存在する構造である。粒子径はEfが低い、つまり島状成長した粒子の数が少なく隙間が多い表面構造のものほど大きく成長しており、粒子と粒子の隙間も狭い。
Thorntonのゾーンモデルから判断するとEfが低いほどスパッタ薄膜は多孔質な構造であることが推測され、反応工程におけるラジカルの吸着・拡散が起こりやすいため酸化および化学アニーリング効果が効率よく進行する。その結果、ラジカルによる金属化合物粒子のマイグレーション効果が大きく、生成される薄膜はZONE Tに近い緻密な構造になると同時に結晶性も向上すると考えられる。つまり島状成長した粒子の数が少なく隙間が多い構造がラジカルの化学アニーリング効果を効率よく進行させるため結晶性が向上し、優れた光触媒特性を示すことが分かった。