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 吉本・松田グループでは薄膜作製にパルスレーザ堆積(PLD; pulsed laser deposition)法を採用しており、3台のPLD装置を使用して薄膜試料を作製しています。
パルスレーザ堆積(PLD; pulsed laser deposition)法
吉本研究室で使用するPLD装置の概略一例を右図に示します。
PLD法で薄膜を堆積するときの、大まかな流れは次のようです。
  1. 短波長・短パルス幅のエキシマレーザ(1)を集光レンズ(2)を通して真空チャンバ(3)内部に入射します
  2. 真空チャンバ内に設置された原料ターゲット(4)表面に集光照射し、レーザアブレーション現象を起こします
    レーザアブレーションとは、光–熱的過程や光–電子的な過程を介して、ターゲット表層近傍の原子を爆発的に剥離・放出させる過程です
  3. アブレーションによりプルーム(5)が生じ、対向位置の基板(6)上に薄膜を堆積させます
また一般的なPLD法、およびPLD装置の特徴としては以下のことが挙げられます。
  • 薄膜堆積は、真空チャンバをロータリーポンプやターボ分子ポンプ(7)によって、10−5–10−9の高–超高真空に引いて行います
  • 従って、アブレーションされた原料が基板に到達するまでの平均自由工程が100m–100kmと長く、薄膜と原料との組成ずれを比較的小さく抑えることできます
  • 薄膜堆積中は、様々な雰囲気ガス(8)を導入したり、基板をヒータ(9)で加熱することにより、組成や結晶性を変化させることが可能です
  • 成膜中にはRHEEDなど様々なin-situ(その場)観察(10)を行います
吉本研究室のPLD装置
薄膜作製装置 1 (通称:バキュプロチャンバ) KrFエキシマレーザ 1
薄膜作製装置 1
Thin film deposition “Vacupro” chamber
PLD法により機能性酸化物材料の薄膜作製を行います。薄膜堆積中にin-situ解析が可能なため、エピタキシャル薄膜の合成や原子層堆積などを実施しています。また、ロードロック式なので、成膜室を大気曝露することなく、基板・ターゲットの交換が可能です。
  • レーザー:KrFエキシマレーザ (波長248nm / パルス幅20ns)
  • 常用真空度:10−9〜10−5 Torr
  • 成膜雰囲気:真空 or O2/N2ガス中
  • 基板温度:基板温度:室温〜800℃ (背面ランプ加熱方式)
  • in-situ分析装置:反射型高速電子線回折装置(RHEED)
  • 使用ターゲット:NiO、機能性ガラス、ITO、TiO2、YSZ、SnO2、CeO2など
*RHEED = Reflection High-Energy Electron Diffraction
薄膜作製装置 2 (通称:CAICISSチャンバ) KrFエキシマレーザ 2 (薄膜作製装置2および3で共有)
薄膜作製装置 2
Thin film deposition “CAICISS” chamber
PLD法により酸化物・窒化物のエピタキシャル成長を行います。RHEEDによるin-situ成長観察に加え、イオン散乱分光による詳細な表面構造解析が可能です。本装置もロードロック式であり、成膜室を大気曝露することなく、基板の交換が可能です。
  • レーザー:KrFエキシマレーザ (波長248nm / パルス幅20ns)
  • 常用真空度:10−9〜10−5 Torr
  • 成膜雰囲気:真空 or O2/N2ガス中
  • 基板温度:室温〜800℃ (背面ランプ加熱方式)
  • in-situ分析装置:
     反射型高速電子線回折装置(RHEED)
     同軸型直衝突イオン散乱分光(CAICISS)
  • 使用ターゲット:NiO、ZnO、AlN、TiN、GaNなど酸化物、窒化物
*RHEED = Reflection High-Energy Electron Diffraction
*CAICISS = CoAxial Impact Collision Ion Scattering Spectroscopy
薄膜作製装置 3 (通称:ダイヤモンドチャンバ) OES測定中のプルーム
薄膜作製装置 3
Thin film deposition “DIAMOND” chamber
PLD法により炭素同位体、炭素系化合物、ヒドロキシル期含有化合物の薄膜作製を行います。表面構造のin-situ解析はできませんが、プルームのスペクトル解析により薄膜前駆体の分析が可能です。吉本グループで作製したダイヤモンド薄膜は本装置で作製しました。
  • レーザー:KrFエキシマレーザ (波長248nm / パルス幅20ns)
  • 常用真空度:10−7〜10−5 Torr
  • 成膜雰囲気:真空 or O2/N2ガス中
  • 基板温度:室温〜600℃ (抵抗加熱方式)
  • in-situ分析装置:
     プルーム発光分光分析(OES)
  • 使用ターゲット:炭素同位体、樹脂系炭素化合物、ヒドロキシアパタイトなど
*OES =Optical Emission Spectroscopy