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JP3018001B1 - Combinatorial laser molecular beam epitaxy system - Google Patents

Combinatorial laser molecular beam epitaxy system

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Publication number
JP3018001B1
JP3018001B1 JP10258969A JP25896998A JP3018001B1 JP 3018001 B1 JP3018001 B1 JP 3018001B1 JP 10258969 A JP10258969 A JP 10258969A JP 25896998 A JP25896998 A JP 25896998A JP 3018001 B1 JP3018001 B1 JP 3018001B1
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
substrate
chamber
target
beam epitaxy
molecular beam
Prior art date
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Expired - Lifetime
Application number
JP10258969A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2000086389A (en
Inventor
秀臣 鯉沼
雅司 川崎
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Japan Science and Technology Agency
Original Assignee
Japan Science and Technology Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Japan Science and Technology Corp filed Critical Japan Science and Technology Corp
Priority to JP10258969A priority Critical patent/JP3018001B1/en
Priority to EP99943276A priority patent/EP1038996B1/en
Priority to PCT/JP1999/004946 priority patent/WO2000015884A1/en
Priority to DE69937042T priority patent/DE69937042T2/en
Priority to US09/554,011 priority patent/US6344084B1/en
Application granted granted Critical
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Publication of JP2000086389A publication Critical patent/JP2000086389A/en
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  • Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
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  • Physical Deposition Of Substances That Are Components Of Semiconductor Devices (AREA)

Abstract

【要約】 【課題】 分子層ごとにエピタキシャル成長して主とし
て無機系超構造を形成するとともに、短時間で効率的な
物質探索をするためのコンビナトリアルレーザー分子線
エピタキシー装置を提供する。 【解決手段】 コンビナトリアルレーザー分子線エピタ
キシー装置20は、共通室22、成長室24、アニール
室26、余熱加熱室28、ターゲットロードロック室3
2及び基板ホルダーロードロック室34を備え、これら
の各室は真空シールドされ独立して高真空に排気される
真空チャンバーとなっている。成長室24には基板ホル
ダー48に対向して、ターゲット12を装填したターゲ
ットテーブル10と、マスクプレート102とを有し、
ターゲット12を気化するエキシマレーザー光13と、
薄膜成長基板上の分子層エピタキシャル成長をその場で
モニターする反射高速電子線回折とを備えている。
An object of the present invention is to provide a combinatorial laser molecular beam epitaxy apparatus for performing an efficient material search in a short time while mainly forming an inorganic superstructure by epitaxial growth for each molecular layer. SOLUTION: A combinatorial laser molecular beam epitaxy apparatus 20 includes a common chamber 22, a growth chamber 24, an annealing chamber 26, a preheating heating chamber 28, and a target load lock chamber 3.
2 and a substrate holder load lock chamber 34. Each of these chambers is a vacuum chamber which is vacuum shielded and independently evacuated to a high vacuum. The growth chamber 24 has a target table 10 loaded with the target 12 and a mask plate 102, facing the substrate holder 48.
An excimer laser beam 13 for vaporizing the target 12;
Reflection high-energy electron diffraction for monitoring in-situ molecular layer epitaxial growth on a thin film growth substrate.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】この発明は、分子層ごとにエ
ピタキシャル成長する主として無機系超構造を形成する
ために利用し、特に短時間で効率的な物質探索をするた
めのコンビナトリアルレーザー分子線エピタキシー装置
に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a combinatorial laser molecular beam epitaxy apparatus which is used mainly for forming an inorganic superstructure which is epitaxially grown for each molecular layer, and particularly for efficient material search in a short time. .

【0002】[0002]

【従来の技術】近時、ランタン・バリウム・銅酸化物系
超伝導体が発見され、高温超伝導酸化物の薄膜形成技術
が格段の進歩をとげるにつれ、金属材料、無機材料及び
有機材料など様々な新機能物質の探索及び研究が行われ
ている。高温超伝導酸化物の薄膜形成では、ペロブスカ
イトなどの酸化物機能材料自体が多成分の複酸化物を基
にしているため、成分の最適化や薄膜作製条件と特性と
の相関関係を理論的に予測することが困難であり、試行
錯誤的に最適化を図らざるを得ない。
2. Description of the Related Art Recently, a lanthanum / barium / copper oxide superconductor has been discovered, and as the technology for forming a thin film of a high-temperature superconducting oxide has made remarkable progress, various materials such as metallic materials, inorganic materials and organic materials have been developed. The search and research of new functional materials are being conducted. In the formation of high-temperature superconducting oxide thin films, functional oxides such as perovskite are themselves based on multi-component double oxides. It is difficult to predict and optimization must be performed by trial and error.

【0003】このような中で、X.−D.Xiangら
は多元スパッタリング法による薄膜形成を基板上の特定
の場所をマスクで覆うマスクパターンニング技術と組み
合わせ、多数の無機物質を並行して合成する無機材料の
コンビナトリアル薄膜合成により酸化物高温超伝導体の
探索を行い、多元系物質の機能探索に威力を発すること
を示している(X.−D.Xiangら、Scienc
e., 268、1738(1995))。
Under such circumstances, X.M. -D. Xiang et al. Combine thin film formation by multi-source sputtering with mask patterning technology that covers a specific location on a substrate with a mask, and combine oxide high-temperature superconductors by synthesizing a combinatorial thin film of inorganic materials that synthesizes many inorganic substances in parallel. And show that it is effective in searching for functions of multi-dimensional materials (X.-D. Xiang et al., Sciencec).
e., 268, 1738 (1995)).

【0004】また、G.Bricenoらは、超巨大磁
気抵抗(CMR)材料の探索のために、コバルト酸化物
をベースとする新材料のLnx y CoO3-δ(Ln=
La,Y、M=Ba,Sr,Ca,Pb)をコンビナト
リアル合成法で組成の異なる128個の試料をスパッタ
蒸着し、酸素雰囲気中での焼結後に磁気抵抗を測定し
て、CoO2 をベースとする複酸化物も最大磁気抵抗比
72%CMRを示すことを明らかにし、焼結条件を変え
たわずか2回のコンビナトリアル合成で、Co系CMR
材料の発見と最適化を行っている。
[0004] Further, G. Briceno et al, for the search of colossal magnetoresistance (CMR) materials, new materials for the cobalt oxide based Ln x M y CoO 3- δ ( Ln =
La, Y, M = Ba, Sr, Ca, and Pb) were sputter deposited 128 samples of different compositions in combinatorial synthesis, by measuring the magnetic resistance after sintering in an oxygen atmosphere, based CoO 2 It was clarified that the composite oxide of the present invention also showed a maximum magnetoresistance ratio of 72% CMR, and only two combinatorial syntheses with different sintering conditions resulted in a Co-based CMR.
Finding and optimizing materials.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記無
機材料に対するコンビナトリアル合成では薄膜形成がい
ずれも室温で堆積されているため組成制御の役割を果た
しているにすぎず、また有機・無機系いずれの材料にお
いても分子層ごとのエピタキシャル成長で超格子構造を
形成した薄膜をコンビナトリアル合成することは未だ実
現されていない。
However, in the combinatorial synthesis of the above-mentioned inorganic materials, since the thin films are all formed at room temperature, they only play the role of controlling the composition. However, combinatorial synthesis of a thin film having a superlattice structure formed by epitaxial growth for each molecular layer has not yet been realized.

【0006】そこで、本発明は上記課題にかんがみて、
分子層ごとにエピタキシャル成長して主として無機系超
構造を形成するとともに、短時間で効率的な物質探索を
するためのコンビナトリアルレーザー分子線エピタキシ
ー装置を提供することを目的とするものである。
Accordingly, the present invention has been made in view of the above problems,
It is an object of the present invention to provide a combinatorial laser molecular beam epitaxy apparatus for forming an inorganic superstructure mainly by epitaxial growth for each molecular layer, and for performing efficient material search in a short time.

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項1記載の発明のコンビナトリアルレーザー分
子線エピタキシー装置は、基板を加熱する加熱手段と、
一以上の基板を保持し成長位置に回転搬送する基板ホル
ダーと、エキシマレーザーの照射によって気化する複数
の異なる固体原料のターゲットと、ターゲットを装填し
基板に対向する位置にターゲットを配置する回転かつ上
下移動可能なターゲットテーブルと、ターゲットと基板
との間に配設した移動可能なマスクプレートと、基板表
面にガスを供給するガス供給手段と、基板表面での単分
子層ごとのエピタキシャル成長をその場で観察する反射
高速電子線回折とを圧力制御可能な高真空室内に備え、
基板及び基板の所定領域のいずれか、あるいは両方にマ
スクプレートにより元素の組み合わせや積層シーケンス
が異なる多層膜を系統的に反射高速電子線回折に基づい
て分子層ごとのエピタキシャル成長で合成する構成とし
た。
According to a first aspect of the present invention, there is provided a combinatorial laser molecular beam epitaxy apparatus comprising: a heating means for heating a substrate;
A substrate holder that holds and rotates one or more substrates and transports them to a growth position, a plurality of different solid material targets that are vaporized by excimer laser irradiation, and a rotating and up-and-down operation in which the targets are loaded and the targets are arranged at positions facing the substrates. A movable target table, a movable mask plate disposed between the target and the substrate, a gas supply means for supplying a gas to the substrate surface, and an in-situ epitaxial growth for each monolayer on the substrate surface. Equipped with a high-vacuum chamber capable of controlling the reflected high-speed electron beam diffraction to be observed,
A multilayer film having a different combination of elements and a different lamination sequence in one or both of the substrate and a predetermined region of the substrate is systematically synthesized by epitaxial growth for each molecular layer based on reflection high-speed electron diffraction.

【0008】さらに請求項2記載の発明は、マスクプレ
ートが複数のマスクパターンを有して回転かつ上下移動
可能であり、異なるマスクパターンを順次交換すること
を特徴とする。また請求項3記載の発明は、マスクプレ
ートが基板に対して水平移動可能なシャッターの可動マ
スクであり、基板及び基板の所定領域のいずれか、ある
いは両方を可動マスクで覆ったりはずしたりすることを
特徴とするものである。さらに請求項4記載の発明は、
基板が、α−Al2 3 、YSZ、MgO、SrTiO
3 、LaAlO3 、NdGaO3 、YAlO3 、LaS
rGaO4 、NdAlO3 、Y2 5 、SrLaAlO
4 、CaNdAlO4 、Si及び化合物半導体のいずれ
かであることを特徴とする。また請求項5記載の発明
は、ターゲットの固体原料が高温超伝導体、発光材料、
誘電体、強誘電体、巨大磁気抵抗材料及び酸化物のいず
れかであることを特徴とするものである。酸化物は単成
分及び多成分のいずれでもよい。さらに請求項6記載の
発明は、基板が基板表面を原子レベルで平坦化し最表面
原子層を特定した基板であることを特徴とする。また請
求項7記載の発明は、高真空室内のターゲットテーブル
に高真空を保持したままターゲットを装填するためのタ
ーゲットロードロック室を備えたことを特徴とする。さ
らに請求項8記載の発明は上記高真空室に加え、共通室
と、薄膜成長後の基板をアニールするアニール室と、薄
膜成長前に前記基板を高真空かつ所定温度で加熱してお
く余熱加熱室とを備え、共通室内にて加熱手段と基板ホ
ルダーとを一体的に成長室、アニール室及び余熱加熱室
に回転搬送し独立して真空シールして真空チャンバーを
形成することを特徴とするものである。また請求項9記
載の発明は、共通室に、高真空を保持したまま基板ホル
ダーを交換するための基板ホルダーロードロック室を備
えたことを特徴とする。さらに請求項10記載の発明
は、加熱手段がランプヒーターであり、ランプヒーター
の焦点位置に基板ホルダーを配置したことを特徴とする
ものである。
Further, the invention according to claim 2 is characterized in that the mask plate has a plurality of mask patterns, is rotatable and vertically movable, and sequentially exchanges different mask patterns. According to a third aspect of the present invention, the mask plate is a movable mask of a shutter capable of moving horizontally with respect to the substrate, and one or both of the substrate and a predetermined region of the substrate is covered or removed by the movable mask. It is a feature. Further, the invention according to claim 4 provides:
The substrate is α-Al 2 O 3 , YSZ, MgO, SrTiO
3 , LaAlO 3 , NdGaO 3 , YAlO 3 , LaS
rGaO 4 , NdAlO 3 , Y 2 O 5 , SrLaAlO
4 , CaNdAlO 4 , Si or a compound semiconductor. In the invention according to claim 5, the solid material of the target is a high-temperature superconductor, a luminescent material,
It is one of a dielectric, a ferroelectric, a giant magnetoresistive material and an oxide. The oxide may be either a single component or a multi-component. Further, the invention according to claim 6 is characterized in that the substrate is a substrate in which the surface of the substrate is flattened at the atomic level and the outermost atomic layer is specified. According to a seventh aspect of the present invention, there is provided a target load lock chamber for loading a target while maintaining a high vacuum on a target table in the high vacuum chamber. The invention according to claim 8 further comprises, in addition to the high vacuum chamber, a common chamber, an annealing chamber for annealing the substrate after the growth of the thin film, and a residual heat heating for heating the substrate at a high vacuum and a predetermined temperature before the growth of the thin film. Wherein a heating means and a substrate holder are integrally rotated in a common chamber, and rotated and transported to a growth chamber, an annealing chamber and a preheating heating chamber, and independently vacuum-sealed to form a vacuum chamber. It is. The invention according to claim 9 is characterized in that the common chamber is provided with a substrate holder load lock chamber for exchanging the substrate holder while maintaining a high vacuum. Further, the invention according to claim 10 is characterized in that the heating means is a lamp heater, and a substrate holder is arranged at a focal position of the lamp heater.

【0009】このような構成の請求項1〜3記載の発明
のコンビナトリアルレーザー分子線エピタキシー装置で
は、[多原料]×[多基板]×[マスクパターン]×
[温度,圧力及び気相からのフラックス(堆積速度)な
どの反応パラメータ]の組合せを独立に制御し、1シリ
ーズの反応により単分子層ごとのエピタキシャル成長し
た超格子構造を系統的に合成することができる。また請
求項4及び5記載の発明では、ターゲットの原料組成を
忠実に基板表面に供給し、成分によらず付着確率がほぼ
1である点が有利に働くので、単分子層ごとにエピタキ
シャル成長した薄膜の高温超伝導体、発光材料、誘電
体、強誘電体、巨大磁気抵抗材料を形成できる。さらに
請求項6記載の発明では、格段に規則正しく、長く続く
RHEED振動を観察できるので、単分子層ごとに進行
するエピタキシャル成長を確実に実現することができ
る。また請求項7及び9記載の発明では、高真空のロー
ドロック室を設けているので、基板及びターゲットを大
気にさらすことなく清浄な状態で交換することができ
る。さらに請求項8記載の発明では、基板ホルダーを加
熱したまま回転搬送でき、さらにアニール室、余熱加熱
室及び超高真空室を独立して温度制御及び圧力制御する
ことができる。また請求項10記載の発明では、例えば
酸素量が特性に大きく影響する高温超伝導薄膜の作製時
のような酸化雰囲気下で基板加熱ができるとともに、赤
外線が基板ホルダーに集光し、基板を効果的に加熱する
ことができる。
In the combinatorial laser molecular beam epitaxy apparatus according to the present invention having the above-mentioned structure, [multiple materials] × [multiple substrates] × [mask pattern] ×
Independently controlling the combination of [reaction parameters such as temperature, pressure, and flux (deposition rate) from the gas phase], it is possible to systematically synthesize a superlattice structure epitaxially grown for each monolayer by a series of reactions. it can. According to the inventions described in claims 4 and 5, since the fact that the raw material composition of the target is faithfully supplied to the substrate surface and the adhesion probability is approximately 1 irrespective of the components works advantageously, the thin film epitaxially grown for each monolayer is advantageous. High temperature superconductors, luminescent materials, dielectrics, ferroelectrics, and giant magnetoresistive materials. Furthermore, in the invention according to claim 6, it is possible to observe the RHEED oscillation that is much more regular and long-lasting, so that the epitaxial growth that proceeds for each monolayer can be reliably realized. In the inventions according to the seventh and ninth aspects, since the high vacuum load lock chamber is provided, the substrate and the target can be exchanged in a clean state without being exposed to the atmosphere. Further, according to the present invention, the substrate holder can be rotated and transported while being heated, and the temperature control and the pressure control of the annealing chamber, the preheating heating chamber and the ultrahigh vacuum chamber can be performed independently. According to the tenth aspect of the present invention, the substrate can be heated in an oxidizing atmosphere, for example, when a high-temperature superconducting thin film in which the amount of oxygen greatly affects the characteristics, and infrared rays are focused on the substrate holder, thereby making the substrate effective. Heating.

【0010】[0010]

【発明の実施の形態】以下、図面に示した実施形態に基
づいて本発明を詳細に説明する。図1は本発明の実施形
態にかかるコンビナトリアルレーザー分子線エピタキシ
ー装置の外観図である。本実施形態に係るコンビナトリ
アルレーザー分子線エピタキシー装置20は、共通室2
2、成長室24、アニール室26、余熱加熱室28、タ
ーゲットロードロック室32及び基板ホルダーロードロ
ック室34を備え、これらの各室は真空シールドされ独
立して高真空に排気される真空チャンバーとなってい
る。なお、図1中のTMPはターボ分子ポンプの略称を
示すが、図示しないゲートバルブを介して超高真空ポン
プにより排気されるようになっており、補助ポンプとし
てロータリポンプを使用している。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, the present invention will be described in detail based on embodiments shown in the drawings. FIG. 1 is an external view of a combinatorial laser molecular beam epitaxy apparatus according to an embodiment of the present invention. The combinatorial laser molecular beam epitaxy apparatus 20 according to the present embodiment includes a common chamber 2
2, a growth chamber 24, an annealing chamber 26, a preheating heating chamber 28, a target load lock chamber 32, and a substrate holder load lock chamber 34. Each of these chambers is a vacuum shielded vacuum chamber which is independently evacuated to a high vacuum. Has become. Although TMP in FIG. 1 is an abbreviation of a turbo molecular pump, it is evacuated by an ultra-high vacuum pump through a gate valve (not shown), and a rotary pump is used as an auxiliary pump.

【0011】また各真空チャンバーは図示しないバルブ
の開閉度を調節して圧力制御でき、さらに図示しないバ
ルブ及び質量流量計が所定個所に設けられて、酸素及び
ドライ窒素などを流量制御して導入できるようになって
いる。
In each vacuum chamber, pressure can be controlled by adjusting the opening / closing degree of a valve (not shown). Further, a valve and a mass flow meter (not shown) are provided at predetermined locations, and oxygen and dry nitrogen can be introduced at a controlled flow rate. It has become.

【0012】共通室22は成長室24、アニール室26
及び余熱加熱室28と隔壁39に設けられた開口部4
2,42,42を介して連結され、この開口部の周囲の
溝にOリング41が埋め込まれている。さらに成長室2
4、アニール室26及び余熱加熱室28は隔壁39に対
してそれぞれ真空シールドされて固定保持されている。
The common chamber 22 includes a growth chamber 24 and an annealing chamber 26.
And the opening 4 provided in the preheating chamber 28 and the partition 39
The O-ring 41 is buried in a groove around the opening. Further growth room 2
4. The annealing chamber 26 and the preheating heating chamber 28 are vacuum-shielded and fixedly held to the partition wall 39, respectively.

【0013】共通室22には基板ホルダー48、基板ホ
ルダーのチャッカー45及びランプヒーター8(図2を
参照)とを円筒状のハウジング35内に格納した基板加
熱部36が図1では3つ設けられている。これらの基板
加熱部36は公転移動シャフト43によって回転搬送及
び上下方向に移動する搬送プレート38にハウジング3
5のフランジ部31で真空シールドされ、かつ、保持さ
れている。公転移動シャフト43は共通室22を真空シ
ールドしたまま回転機構60により回転し、移動機構7
0により上下方向に移動するようになっている。
The common chamber 22 is provided with three substrate heating units 36 in which a substrate holder 48, a substrate holder chucker 45, and a lamp heater 8 (see FIG. 2) are stored in a cylindrical housing 35 in FIG. ing. These substrate heating units 36 are rotatably conveyed by a revolving movement shaft 43 and mounted on a transfer plate 38 which moves in the up-down direction.
5 is vacuum-shielded and held by the flange portion 31. The revolving moving shaft 43 is rotated by the rotating mechanism 60 while the common chamber 22 is vacuum-shielded, and the moving mechanism 7
0 moves in the vertical direction.

【0014】ハウジング35の他端のフランジ部33
は、搬送プレート38が下方の終点に移動したとき隔壁
39の開口部42の周囲の溝に埋め込まれたOリング4
1に当接し、共通室22と隔離して真空シールドされて
いる。このとき各基板加熱部36,36,36と、成長
室24、アニール室26及び余熱加熱室28とで形成さ
れる各真空チャンバーは独立して真空排気及び圧力制御
され、かつ、所定温度に加熱されるようになっている。
The flange portion 33 at the other end of the housing 35
The O-ring 4 embedded in the groove around the opening 42 of the partition 39 when the transport plate 38 moves to the lower end point.
1 and is vacuum-shielded separately from the common chamber 22. At this time, the vacuum chambers formed by the substrate heating units 36, 36, 36, the growth chamber 24, the annealing chamber 26, and the preheating heating chamber 28 are independently evacuated and pressure-controlled, and heated to a predetermined temperature. It is supposed to be.

【0015】図1に示すように、共通室22にゲートバ
ルブ46を介して設けられた基板ホルダーロードロック
室34には、基板5が装填された基板ホルダー48を複
数個保持したストッカー49が設置されており、基板ホ
ルダーロードロック室34を高真空に保持したまま外部
から操作するクリップ52で基板ホルダー48を基板加
熱部36のチャッカーに装填するようになっている。
As shown in FIG. 1, in a substrate holder load lock chamber 34 provided in the common chamber 22 via a gate valve 46, a stocker 49 holding a plurality of substrate holders 48 loaded with the substrates 5 is installed. The substrate holder 48 is loaded on the chuck of the substrate heating unit 36 by a clip 52 that is operated from the outside while the substrate holder load lock chamber 34 is maintained at a high vacuum.

【0016】また、成長室24にゲートバルブ47を介
して設けられたターゲットロードロック室32には、タ
ーゲット12を複数個保持したプレート54が設置され
ており、ターゲットロードロック室32を高真空に保持
したまま外部から操作するクリップ56でターゲット1
2を図示しないターゲットテーブルに装填できるように
なっている。
In the target load lock chamber 32 provided in the growth chamber 24 via a gate valve 47, a plate 54 holding a plurality of targets 12 is installed, and the target load lock chamber 32 is evacuated to a high vacuum. Target 1 with clip 56 operated from outside while holding
2 can be loaded on a target table (not shown).

【0017】次に、基板加熱部について説明する。図2
は基板加熱部の詳細断面図であり、搬送プレートが下方
の終点に移動して基板加熱部が隔壁に当接している状態
を示す図である。図2に示すように、基板加熱部36
は、フランジ31,33を両端に有する円筒状のハウジ
ング35と、このハウジングの中心線上に設けられたラ
ンプホルダー82と、このランプホルダーに設置された
ランプヒーター8とを有し、基板ホルダーを回転させる
基板回転機構を備えている。なお、ランプヒーター8は
安全性と温度制御性のため水冷配管が設けられ、水冷さ
れている。
Next, the substrate heating section will be described. FIG.
FIG. 3 is a detailed cross-sectional view of the substrate heating unit, showing a state in which the transport plate has moved to a lower end point and the substrate heating unit is in contact with a partition. As shown in FIG.
Has a cylindrical housing 35 having flanges 31 and 33 at both ends, a lamp holder 82 provided on the center line of the housing, and a lamp heater 8 installed in the lamp holder. A substrate rotation mechanism for causing the substrate to rotate. The lamp heater 8 is provided with a water cooling pipe for safety and temperature control, and is water cooled.

【0018】基板回転機構は、ランプホルダー82の外
側に配設された基板ホルダー回転部84と、この回転部
に設けられていて基板ホルダー48をランプヒーター8
の焦点位置に配置するチャッカー45とを備えている。
基板ホルダー回転部84の上部には回転用ギヤ83が設
けられ、自転シャフト86のギヤ85と噛み合ってお
り、またこの自転シャフト86の他端に設けられた自転
用ギヤ88は公転用ギヤ65と噛み合っている。さらに
基板ホルダー回転部の下部には、ベアリング87が設け
られている。
The substrate rotating mechanism includes a substrate holder rotating section 84 provided outside the lamp holder 82, and a substrate holder 48 provided on the rotating section for rotating the lamp heater 8
And a chucker 45 disposed at the focal position of the camera.
A rotation gear 83 is provided on the upper portion of the substrate holder rotating portion 84 and meshes with a gear 85 of a rotation shaft 86. A rotation gear 88 provided at the other end of the rotation shaft 86 is connected to a revolution gear 65. Are engaged. Further, a bearing 87 is provided below the rotating portion of the substrate holder.

【0019】次に、成長室について説明する。図3は成
長室の要部外観図であり、基板加熱部と成長室とでなる
独立した真空チャンバーを示す図である。図3に示すよ
うに、基板加熱部36が隔壁(図示省略)に当接して基
板加熱部36と成長室24とで独立した真空チャンバー
100を形成し、複数の基板5を有する基板ホルダー4
8が基板加熱部36の基板ホルダー回転部84に設けら
れており(図2に示す)、基板ホルダーが回転可能にな
っている。成長室24には、基板ホルダー48に対向し
て設けられた回転可能なターゲットテーブル10と、基
板ホルダー48とターゲットテーブル10との間に設け
られたマスクプレート102とが備えられている。マス
クプレート102には例えば8種類のマスクパターン1
04が形成されている。図3に示すマスクプレートは円
板状であるが、他のマスクプレートの例として基板に対
して両方向から可動なシャッター状であってもよく、そ
の場合マスクプレートは可動マスクとして水平方向及び
上下方向に移動可能になっている。
Next, the growth chamber will be described. FIG. 3 is an external view of a main part of the growth chamber, showing an independent vacuum chamber consisting of a substrate heating unit and a growth chamber. As shown in FIG. 3, the substrate heating unit 36 contacts a partition (not shown) to form an independent vacuum chamber 100 between the substrate heating unit 36 and the growth chamber 24, and the substrate holder 4 having a plurality of substrates 5.
8 is provided on the substrate holder rotating unit 84 of the substrate heating unit 36 (shown in FIG. 2), and the substrate holder is rotatable. The growth chamber 24 includes a rotatable target table 10 provided facing the substrate holder 48, and a mask plate 102 provided between the substrate holder 48 and the target table 10. The mask plate 102 includes, for example, eight types of mask patterns 1
04 is formed. Although the mask plate shown in FIG. 3 has a disk shape, another example of the mask plate may be a shutter shape movable from both directions with respect to the substrate. In this case, the mask plate may be used as a movable mask in horizontal and vertical directions. It can be moved to.

【0020】さらに、ターゲットテーブル10に装填さ
れた複数の異なる固定原料のターゲット12と、これら
のターゲット12を気化するエキシマレーザー光13の
光源14と、このレーザ光を集光するレンズ15と、レ
ーザー光を真空チャンバー100内に導入する窓16
と、薄膜成長基板上の分子層エピタキシャル成長をその
場でモニターする反射高速電子線回折(以下、「RHE
ED」という。)の電子銃18と、RHEEDのスクリ
ーン17とが備えられている。ターゲットテーブル10
及びマスクプレート102は成長室24の真空度を維持
したまま回転可能かつ上下移動可能になっており、それ
ぞれマスク回転機構、ターゲットテーブル回転機構、マ
スク上下移動機構及びターゲットテーブル上下移動機構
を有している。特にマスク回転機構は所定領域での薄膜
成長の膜厚を制御して可動できるように、例えばステッ
ピングモーターで精密制御されている。
Further, a plurality of targets 12 of different fixed raw materials loaded on the target table 10, a light source 14 of an excimer laser beam 13 for vaporizing these targets 12, a lens 15 for condensing the laser beams, and a laser Window 16 for introducing light into vacuum chamber 100
And reflection high-energy electron diffraction (hereinafter referred to as "RHE") for monitoring in situ molecular layer epitaxial growth on a thin film growth substrate.
ED ". ) And a screen 17 of RHEED. Target table 10
The mask plate 102 is rotatable and vertically movable while maintaining the degree of vacuum in the growth chamber 24, and has a mask rotation mechanism, a target table rotation mechanism, a mask vertical movement mechanism, and a target table vertical movement mechanism, respectively. I have. In particular, the mask rotation mechanism is precisely controlled by, for example, a stepping motor so as to be movable by controlling the thickness of the thin film growth in a predetermined area.

【0021】また成長室24には、常圧復帰のための大
気及び窒素や高温超伝導関連の酸化エピタキシーのため
に、ノズルなどで供給される酸素及び反応性ガスなどの
ガス供給系(図示せず)が設けられている。
In the growth chamber 24, a gas supply system (not shown) such as oxygen and a reactive gas supplied by a nozzle or the like is supplied for atmospheric epitaxy for returning to normal pressure and nitrogen or oxidation epitaxy related to high-temperature superconductivity. Z) is provided.

【0022】さらに基板ホルダー48、マスクプレート
102及びターゲットテーブル10のホームポジション
と回転位置は、図示しない制御装置により管理されると
共に、この制御装置により薄膜成長させる基板の位置に
対して各回転機構によりマスクパターン104の種類及
びターゲットの種類が選択され、単分子層ごとのエピタ
キシャル成長をその場でRHEEDでモニターしつつ、
このモニターと連動してエキシマレーザーをパルス状に
照射する時間が制御されるようになっている。
Further, the home position and the rotational position of the substrate holder 48, the mask plate 102 and the target table 10 are managed by a control device (not shown), and the position of the substrate on which the thin film is to be grown is controlled by each rotary mechanism. The type of the mask pattern 104 and the type of the target are selected, and while the epitaxial growth for each monolayer is monitored in-situ by RHEED,
In conjunction with this monitor, the time for irradiating an excimer laser in a pulsed manner is controlled.

【0023】基板として、α−Al2 3 、YSZ、M
gO、SrTiO3 、LaAlO3、NdGaO3 、Y
AlO3 、LaSrGaO4 、NdAlO3 、Y
2 5 、SrLaAlO4 、CaNdAlO4 、Si及
び化合物半導体が使用できる。
As the substrate, α-Al 2 O 3 , YSZ, M
gO, SrTiO 3 , LaAlO 3 , NdGaO 3 , Y
AlO 3 , LaSrGaO 4 , NdAlO 3 , Y
2 O 5 , SrLaAlO 4 , CaNdAlO 4 , Si and compound semiconductors can be used.

【0024】ところで分子層エピタキシーに基づくRH
EED振動を検出し、しかもこのRHEED振動をモニ
ターして単分子層ごとに制御して単分子層エピタキシャ
ル成長を持続させるには、基板表面の原子レベルでの平
坦化と最表面原子層の特定が極めて重要である。例えば
ABO3 の一般式で表されるペロブスカイト酸化物はA
OとBO2 の原子層の繰り返しで構成されるが、最表面
がAOの場合、BO2 の場合、両者が共存する場合で、
その上に堆積していく膜の成長モードが異なる。
RH based on molecular layer epitaxy
In order to detect the EED vibration and monitor the RHEED vibration to control each monolayer to maintain the monolayer epitaxial growth, it is extremely necessary to planarize the substrate surface at the atomic level and specify the outermost atomic layer. is important. For example, the perovskite oxide represented by the general formula of ABO 3 is A
It is composed of the repetition of atomic layers of O and BO 2 , but when the outermost surface is AO, when it is BO 2 , when both coexist,
The growth mode of the film deposited thereon is different.

【0025】例えばSrTiO3 研磨基板は最表面が主
としてTiO2 であり、表面荒さは数nmである。この
SrTiO3 (100)基板をHF/NH3 緩衝溶液
(pH=4.5)でウエットエッチング処理すると表面
を原子レベルで平坦化でき、最表面原子層がTiO2
にできる。このように表面が原子レベルで平坦化された
基板では、単分子層ごとの成長に起因するRHEED振
動を検出できる。したがって、本実施形態では、基板表
面を原子レベルで平坦化し最表面原子層を特定した基板
を用いるのが好ましい。
For example, the SrTiO 3 polished substrate has a top surface mainly made of TiO 2 and a surface roughness of several nm. When the SrTiO 3 (100) substrate is wet-etched with an HF / NH 3 buffer solution (pH = 4.5), the surface can be flattened at the atomic level, and the outermost atomic layer can be formed on the TiO 2 surface. In the case of the substrate whose surface is flattened at the atomic level in this manner, RHEED oscillation caused by the growth of each monolayer can be detected. Therefore, in this embodiment, it is preferable to use a substrate in which the surface of the substrate is flattened at the atomic level and the outermost atomic layer is specified.

【0026】ターゲットの固体原料としては固体であれ
ば何でも使用可能であるが、例えば、YBa2 Cu3
7 などの高温超伝導体、ZnO,(ZnMg)O,(Z
nCd)Oなどの発光材料、SrTi O3 ,BaTiO
3 ,PZT,(SrBa)TiO3 などの誘電体や強誘
電体、(LaSr)MaO3 などの巨大磁気抵抗材料等
が使用可能である。さらに単成分及び多成分の酸化物を
使用して成分ごとに供給することも可能である。
As the solid material for the target, any solid can be used. For example, YBa 2 Cu 3 O
7 , high-temperature superconductors such as ZnO, (ZnMg) O, (Z
nCd) a light emitting material such as O, SrTiO 3 , BaTiO
A dielectric or ferroelectric such as 3 , PZT or (SrBa) TiO 3 , or a giant magnetoresistive material such as (LaSr) MaO 3 can be used. Furthermore, it is also possible to supply each component using single component and multicomponent oxides.

【0027】次に、コンビナトリアルレーザー分子線エ
ピタキシー装置の薄膜形成時の動作について説明する。
図3を参照すると、例えば真空チャンバー100を10
-4Torr程度の高真空に制御し、ランプヒーター8で
基板5を例えば850℃の成長温度に制御しつつ、基板
ホルダー6が回転して基板5を成長位置に配置する。こ
の基板5に対応してマスク回転機構によりマスクパター
ン104を選択し、この成長位置にある基板5に対向す
るようにターゲットテーブル10が回転してターゲット
12を所定位置に配置し、このターゲット12にエキシ
マレーザー光13を例えばパルス状に所定時間照射す
る。
Next, the operation of the combinatorial laser molecular beam epitaxy apparatus when forming a thin film will be described.
Referring to FIG. 3, for example, the vacuum chamber 100 is
The substrate holder 6 is rotated to position the substrate 5 at the growth position while controlling the substrate 5 at a high vacuum of about -4 Torr and controlling the substrate 5 at a growth temperature of, for example, 850 ° C. by the lamp heater 8. A mask pattern 104 is selected by a mask rotating mechanism corresponding to the substrate 5, and the target table 10 is rotated to face the substrate 5 at the growth position, and the target 12 is arranged at a predetermined position. The excimer laser light 13 is irradiated, for example, in a pulse shape for a predetermined time.

【0028】このエキシマレーザー光の照射によって、
ターゲットの表面で急激な発熱と光化学反応の両方が起
き、原料成分が爆発的に気化し、基板上に狙い通りの組
成の薄膜を形成する。さらにRHEEDの鏡面反射点で
は、一層ごとの成長による核発生と平坦化の繰り返しに
伴う振動を観測でき、厳密に一分子層ごとの自己制御性
のある膜厚モニターをする。単分子層ごとのエピタキシ
ャル成長後、ターゲットテーブル10が回転し他のター
ゲット12を所定位置に配置し、他の超格子構造物であ
る薄膜成長を行う。
By the irradiation of the excimer laser light,
Both rapid heat generation and photochemical reaction occur on the surface of the target, and the raw material components explosively evaporate, forming a thin film of the desired composition on the substrate. Further, at the specular reflection point of RHEED, vibrations due to repeated nucleation and flattening due to the growth of each layer can be observed, and a film thickness monitor having strictly self-controllability for each monolayer is performed. After the epitaxial growth for each monolayer, the target table 10 is rotated to place another target 12 at a predetermined position, and a thin film as another superlattice structure is grown.

【0029】一つの基板に新たな格子構造を有する人工
結晶や超格子を作製後、基板ホルダー6が回転し、次の
基板の処理をする。エピタキシャル成長膜が超伝導体の
場合、成長室24内の酸素分圧を高くして必要な酸化条
件を満たしておく。なお、本実施形態では減圧度が低
く、成長室内の酸素分圧を広い範囲で制御可能である。
After producing an artificial crystal or a superlattice having a new lattice structure on one substrate, the substrate holder 6 is rotated to process the next substrate. When the epitaxially grown film is a superconductor, the necessary oxidation conditions are satisfied by increasing the oxygen partial pressure in the growth chamber 24. In this embodiment, the degree of pressure reduction is low, and the oxygen partial pressure in the growth chamber can be controlled in a wide range.

【0030】以上は多基板に対してマスクパターンを固
定してコンビナトリアル合成をした場合であるが、一つ
の基板に対して異なるマスクパターンを順次交換移動さ
せて、つまりマスクプレートを移動させたマスクパター
ンを可動マスクとして、複数の所定領域に組成の異なる
薄膜や積層構造の異なる超格子を作製してもよい。さら
に基板に対してシャッター状のマスクプレートを可動マ
スクとして、基板の所定領域を覆ったりはずしたりして
組成の異なる薄膜や積層構造の異なる超格子を作製して
もよい。
The above is the case where combinatorial synthesis is performed by fixing a mask pattern on multiple substrates, but a mask pattern obtained by sequentially changing and moving different mask patterns on one substrate, that is, moving a mask plate. May be used as a movable mask to form thin films having different compositions or superlattices having different laminated structures in a plurality of predetermined regions. Further, a thin film having a different composition or a superlattice having a different laminated structure may be manufactured by covering or removing a predetermined region of the substrate by using a shutter-shaped mask plate as a movable mask with respect to the substrate.

【0031】このようにして、本実施形態のコンビナト
リアルレーザー分子層エピタキシー装置では、[多原
料]×[多基板]×[マスクパターン]×[温度,圧力
及び気相からのフラックス(堆積速度)などの反応パラ
メータ]の組合せを独立に制御し、1シリーズの反応に
より構造を系統的に制御した物質群を合成することがで
きる。
As described above, in the combinatorial laser molecular layer epitaxy apparatus of the present embodiment, [multiple raw materials] × [multiple substrates] × [mask pattern] × [temperature, pressure, flux (deposition rate) from gas phase, etc. Are independently controlled, and a group of substances whose structures are systematically controlled can be synthesized by one series of reactions.

【0032】次に、搬送プレートを回転搬送する回転機
構と上下方向に移動する移動機構とを説明する。図1に
示すように、搬送プレート38を回転させる回転機構6
0は、移動プレート72に設けられたモーター61と、
このモーター61の回転駆動力を伝達するシャフト62
と、このシャフト62の端部に設けられた駆動ギヤ64
とを備え、この駆動ギヤ64が公転移動シャフトに設け
られた公転用ギヤ65に噛み合って回転機動力を伝達す
るようになっている。なお、回転シャフト62は、移動
プレート72と成長室22との間に真空シールドするた
めに設けられたフレキシブルチューブ82の内部を通っ
ている。
Next, a rotating mechanism for rotating and transporting the transport plate and a moving mechanism for vertically moving the transport plate will be described. As shown in FIG. 1, a rotation mechanism 6 for rotating the transport plate 38
0 is a motor 61 provided on the moving plate 72;
A shaft 62 for transmitting the rotational driving force of the motor 61
And a drive gear 64 provided at an end of the shaft 62.
The drive gear 64 is configured to mesh with a revolving gear 65 provided on the revolving movement shaft to transmit the power of the rotating machine. The rotating shaft 62 passes through a flexible tube 82 provided between the moving plate 72 and the growth chamber 22 for vacuum shielding.

【0033】図2を参照して、公転移動シャフト43の
端部には搬送プレート38を複数の固定用シャフト91
を介して固定する支持部92が固定されて設けられてお
り、この支持部92に対してベアリング93を介して所
定トルクで回転するように、公転用ギヤ65が設けられ
ている。
Referring to FIG. 2, a transport plate 38 is attached to a plurality of fixing shafts 91 at the end of the revolving shaft 43.
A support gear 92 is fixedly provided via a bearing 93, and a revolving gear 65 is provided so as to rotate at a predetermined torque with respect to the support 92 via a bearing 93.

【0034】図1を参照して、移動機構70は、共通室
22の上蓋71に固定されたブラケット73と、このブ
ラケット73に設けられたモーター74により回転駆動
する回転シャフト75と、この回転シャフト75の回転
により上下移動する移動プレート72とを備え、公転移
動シャフト42は移動プレート72と成長室22との間
に真空シールドするために設けられたフレキシブルチュ
ーブ83の内部を通り、移動プレート72上に固定され
た磁気シールドユニット77により磁気シールドされ、
かつ、回転可能に保持されている。なお、この磁気シー
ルドユニットは磁性流体により公転移動シャフトを真空
シールドしている。
Referring to FIG. 1, a moving mechanism 70 includes a bracket 73 fixed to an upper cover 71 of the common chamber 22, a rotating shaft 75 driven by a motor 74 provided on the bracket 73, and a rotating shaft 75. And a moving plate 72 that moves up and down by the rotation of 75. The revolving moving shaft 42 passes through the inside of a flexible tube 83 provided for vacuum shielding between the moving plate 72 and the growth chamber 22, and is placed on the moving plate 72. Magnetically shielded by the magnetic shield unit 77 fixed to
And it is held rotatably. The magnetic shield unit vacuum shields the revolving shaft with a magnetic fluid.

【0035】先ず、移動機構の動作を説明する。移動プ
レート72が上始点にあるとき、モーター74により回
転シャフト75が回転し移動プレート72が下降する。
このとき移動プレート72と成長室22の上蓋71間の
フレキシブルチューブ82,83が縮んでいく。移動プ
レート72が下降するにつれて公転移動シャフト43が
下降し、この公転移動シャフト43の下降につれて搬送
プレート38に設けられた基板加熱部36のフランジ3
3がOリング41に当接し、Oリング41を圧縮して停
止する。したがって、各真空チャンバーは基板加熱部で
真空シールドされ、さらに独立して真空排気及び圧力制
御され、かつ、所定温度に加熱できる。
First, the operation of the moving mechanism will be described. When the moving plate 72 is at the upper starting point, the rotating shaft 75 is rotated by the motor 74 and the moving plate 72 is lowered.
At this time, the flexible tubes 82 and 83 between the moving plate 72 and the upper lid 71 of the growth chamber 22 shrink. As the moving plate 72 moves down, the revolving moving shaft 43 moves down. As the revolving moving shaft 43 moves down, the flange 3 of the substrate heating section 36 provided on the transport plate 38 moves.
3 comes into contact with the O-ring 41, compresses the O-ring 41 and stops. Therefore, each vacuum chamber is vacuum shielded by the substrate heating unit, and can be independently evacuated and controlled in pressure, and can be heated to a predetermined temperature.

【0036】次に、搬送プレート及び基板回転機構の動
作について説明する。移動プレート72が上始点にある
とき、モーター61により回転駆動力がシャフト62に
伝達し駆動ギヤ64が回転する。この駆動ギヤ64によ
り公転用ギヤ65とともに公転移動シャフト43が回転
し、この回転につれて搬送プレートが回転し、基板加熱
部36が公転する。このとき自転用ギヤ88も回転する
ため、自転シャフト86により回転駆動力を回転ギヤ8
3に伝達し、基板ホルダー回転部85が回転し、基板ホ
ルダー48が回転する。なお、公転移動シャフト43、
回転シャフト62及び自転シャフト86は各真空チャン
バーにおいて真空シールドされたまま回転する。これに
より、搬送プレートに設けられた基板加熱部を各真空チ
ャンバーまで搬送することができるとともに、基板ホル
ダーを回転することができる。
Next, the operation of the transport plate and the substrate rotating mechanism will be described. When the moving plate 72 is at the upper starting point, the rotational driving force is transmitted to the shaft 62 by the motor 61 and the driving gear 64 rotates. The drive gear 64 rotates the revolving movement shaft 43 together with the revolving gear 65, and the transport plate rotates with this rotation, so that the substrate heating unit 36 revolves. At this time, since the rotation gear 88 also rotates, the rotation driving force is applied by the rotation shaft 86 to the rotation gear 8.
3, the substrate holder rotating unit 85 rotates, and the substrate holder 48 rotates. The revolving movement shaft 43,
The rotation shaft 62 and the rotation shaft 86 rotate while being vacuum-shielded in each vacuum chamber. Thereby, the substrate heating unit provided on the transport plate can be transported to each vacuum chamber, and the substrate holder can be rotated.

【0037】搬送プレート38が下方の終点に移動して
基板加熱部が共通室と隔離して真空シールドされている
とき、回転シャフト62の回転駆動力を公転用ギヤ65
に伝達するが、基板加熱部はOリングに当接してロック
状態にあるため、公転用ギヤ65だけがベアリング93
に沿って回転し、この回転につれて自転用ギヤ88が回
転して基板ホルダー回転部85が回転し、基板ホルダー
48が回転する。これにより、各真空チャンバー内で基
板ホルダーを回転することができる。
When the transfer plate 38 moves to the lower end point and the substrate heating section is vacuum-shielded separately from the common chamber, the rotational driving force of the rotary shaft 62 is transmitted to the revolving gear 65.
However, since the substrate heating section abuts on the O-ring and is in a locked state, only the revolving gear 65 is mounted on the bearing 93.
, The rotation gear 88 rotates with this rotation, the substrate holder rotating unit 85 rotates, and the substrate holder 48 rotates. Thereby, the substrate holder can be rotated in each vacuum chamber.

【0038】つぎに、本実施形態のプロセスにおける動
作について説明する。所定圧力の室温下、搬送プレート
38が上始点のホームポジションにあるとき第1基板ホ
ルダー48を余熱加熱室に対応する基板加熱部のチャッ
カー45に装填後、搬送プレート38が下降し、各基板
加熱部36が隔壁のOリング41に当接し圧縮して停止
する。余熱加熱室28を高真空の例えば10-6Torr
に維持しクリーニングを行うとともに、昇温レート10
℃/分で950℃まで温度を上げていく。
Next, the operation in the process of this embodiment will be described. When the transfer plate 38 is at the home position of the upper starting point at room temperature at a predetermined pressure, the first substrate holder 48 is loaded into the chucker 45 of the substrate heating unit corresponding to the preheating chamber, and then the transfer plate 38 is lowered, and each substrate is heated. The portion 36 comes into contact with the O-ring 41 of the partition wall, compresses and stops. The preheating chamber 28 is set to a high vacuum of, for example, 10 -6 Torr.
And cleaning, and at a temperature rise rate of 10
The temperature is raised to 950 ° C at a rate of ° C / min.

【0039】所定時間経過後、各基板加熱部の温度を維
持したまま各真空チャンバー及び共通室を所定圧力に戻
し、搬送プレート38が上始点まで移動する。この搬送
プレート38が回転し、余熱加熱室28に対応して第1
基板ホルダーを装填している基板加熱部を成長室24ま
で搬送する。このとき室温下、つまりランプヒーター8
をOFFにした基板加熱部に、次の処理をする第2基板
ホルダー48を余熱加熱室に対応する基板加熱部36の
チャッカー45に装填しておく。
After a lapse of a predetermined time, each vacuum chamber and the common chamber are returned to a predetermined pressure while maintaining the temperature of each substrate heating unit, and the transfer plate 38 moves to the upper starting point. This transport plate 38 rotates, and the first plate corresponding to the preheat heating chamber 28 is rotated.
The substrate heating section loaded with the substrate holder is transported to the growth chamber 24. At this time, at room temperature, that is, the lamp heater 8
A second substrate holder 48 for performing the next process is loaded in the chuck 45 of the substrate heating unit 36 corresponding to the preheating chamber in the substrate heating unit where is turned off.

【0040】搬送プレート38が下降して各真空チャン
バーを隔離し、成長室24を高真空の例えば10-4To
rrに維持し、950℃に加熱したまま所定時間、レー
ザー分子線エピタキシー成長を行う。このとき余熱加熱
室28では10-6Torrに維持され、昇温レート10
℃/分で950℃まで昇温中である。
The transport plate 38 is lowered to isolate each vacuum chamber, and the growth chamber 24 is kept at a high vacuum of, for example, 10 -4 To.
While maintaining the temperature at rr and heating to 950 ° C., laser molecular beam epitaxy is performed for a predetermined time. At this time, the temperature in the preheating heating chamber 28 is maintained at 10 -6 Torr,
The temperature is being raised to 950 ° C at a rate of ° C / min.

【0041】成長室24で単分子層ごとの分子層エピタ
キシャル成長で超格子構造などを基板ホルダーを回転し
て各基板に形成後、設定温度950℃を維持したまま各
真空チャンバー及び共通室を所定圧力に戻し、搬送プレ
ート38が上始点まで移動する。この搬送プレート38
が回転し、成長室24に対応して第1基板ホルダーを装
填している基板加熱部をアニール室26まで搬送する。
このとき、余熱加熱室28に対応する基板加熱部36の
チャッカー45に第3基板ホルダー48を装填してお
く。
In the growth chamber 24, a superlattice structure or the like is formed on each substrate by rotating the substrate holder by molecular layer epitaxial growth for each monolayer, and then, while maintaining the set temperature of 950 ° C., the vacuum chamber and the common chamber are subjected to a predetermined pressure. And the transport plate 38 moves to the upper starting point. This transport plate 38
Rotates, and transports the substrate heating unit loaded with the first substrate holder corresponding to the growth chamber 24 to the annealing chamber 26.
At this time, the third substrate holder 48 is loaded in the chucker 45 of the substrate heating unit 36 corresponding to the preheating chamber 28.

【0042】搬送プレート38が下降して各真空チャン
バーを隔離し、アニール室28を例えば1Torrに維
持したまま、例えば950℃から降温レート10℃/分
で所定時間アニールを行う。このアニール室28では、
酸素分圧を最適に制御している。ランプヒーター8をO
FFにしてアニール室28が室温になったら、他の基板
加熱部は950℃に維持したまま、各真空チャンバー及
び共通室を所定圧力に戻し、搬送プレート38が上始点
まで移動して、この搬送プレート38が回転してホーム
ポジションに帰る。そして、エピタキシャル成長後の基
板ホルダーを取り出してストッカー49に格納後、新た
な第4基板ホルダーを基板加熱部36のチャッカー45
に装填し、逐次処理していく。
The transfer plate 38 is lowered to isolate each vacuum chamber, and annealing is performed at a temperature lowering rate of, for example, 950 ° C. at a rate of 10 ° C./min for a predetermined time while the annealing chamber 28 is maintained at, for example, 1 Torr. In this annealing chamber 28,
The oxygen partial pressure is controlled optimally. Turn on the lamp heater 8
When the annealing chamber 28 is cooled to room temperature, the vacuum chamber and the common chamber are returned to a predetermined pressure while the other substrate heating units are maintained at 950 ° C., and the transfer plate 38 is moved to the upper starting point. The plate 38 rotates and returns to the home position. Then, the substrate holder after the epitaxial growth is taken out and stored in the stocker 49, and a new fourth substrate holder is placed in the chucker 45 of the substrate heating unit 36.
, And sequentially processed.

【0043】このようにして、本実施形態では、[多原
料]×[多基板]×[マスクパターン]×[温度,圧力
及び気相からのフラックス(堆積速度)などの反応パラ
メータ]の組合せを独立に制御し、1シリーズの反応に
より構造を系統的に制御した物質群を合成することがで
きる。さらに基板に単分子層エピタキシャル成長層を形
成する成長室24、薄膜成長させた基板をアニールする
アニール室28及び基板をクリーニングしつつ加熱する
余熱加熱室28を各対応した基板加熱部36,36,3
6とともに独立して圧力制御及び温度制御しているの
で、基板温度を下げることなく搬送でき、異なる基板温
度及び圧力でのプロセスを連続的に行うことができる。
As described above, in the present embodiment, the combination of [multiple raw materials] × [multiple substrates] × [mask pattern] × [reaction parameters such as temperature, pressure, and flux (deposition rate) from the gas phase] is used. A group of substances whose structures are systematically controlled by one series of reactions can be synthesized independently. Further, a growth chamber 24 for forming a monolayer epitaxial growth layer on the substrate, an annealing chamber 28 for annealing the substrate on which the thin film has been grown, and a residual heat heating chamber 28 for cleaning and heating the substrate are respectively provided in the corresponding substrate heating sections 36, 36, and 3.
Since the pressure control and the temperature control are independently performed together with the pressure control 6, the transfer can be performed without lowering the substrate temperature, and the process at a different substrate temperature and pressure can be continuously performed.

【0044】[0044]

【発明の効果】以上の説明から理解されるように、本発
明のコンビナトリアルレーザー分子線エピタキシー装置
では、[多原料]×[多基板]×[マスクパターン]×
[温度,圧力及び気相からのフラックス(堆積速度)な
どの反応パラメータ]の組合せを独立に制御し、1シリ
ーズの反応により単分子層ごとのエピタキシャル成長し
た超格子構造を系統的に合成することができるという効
果を有する。
As will be understood from the above description, in the combinatorial laser molecular beam epitaxy apparatus of the present invention, [multiple materials] × [multiple substrates] × [mask pattern] ×
Independently controlling the combination of [reaction parameters such as temperature, pressure, and flux (deposition rate) from the gas phase], it is possible to systematically synthesize a superlattice structure epitaxially grown for each monolayer by a series of reactions. It has the effect of being able to.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の実施形態にかかるコンビナトリアルレ
ーザー分子線エピタキシー装置の外観図である。
FIG. 1 is an external view of a combinatorial laser molecular beam epitaxy apparatus according to an embodiment of the present invention.

【図2】本実施形態にかかる基板加熱部の詳細断面図で
ある。
FIG. 2 is a detailed sectional view of a substrate heating unit according to the embodiment.

【図3】本実施形態にかかる成長室の要部外観図であ
る。
FIG. 3 is an external view of a main part of a growth chamber according to the embodiment.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

5 基板 6 基板ホルダー 8 ランプヒーター 10 ターゲットテーブル 12 ターゲット 13 エキシマレーザー光 14 光源 15 レンズ 16 窓 17 スクリーン 18 電子銃 19 ノズル 20 コンビナトリアルレーザー分子線エピタキシー
装置 22 共通室 24 成長室 26 アニール室 28 余熱加熱室 34 基板ホルダーロードロック室 35 ハウジング 36 基板加熱部 38 搬送プレート 39 隔壁 41 Oリング 42 開口部 43 公転移動シャフト 45 チャッカー 48 基板ホルダー 52 クリップ 60 回転機構 62 シャフト 64 駆動ギヤ 65 公転用ギヤ 70 移動機構 71 上蓋 72 移動プレート 73 ブラケット 74 モーター 75 回転シャフト 77 磁気シールユニット 82 フレキシブルチューブ 83 回転用ギヤ 84 基板ホルダー回転部 85 ギヤ 86 自転シャフト 87 ベアリング 88 自転用ギヤ 91 固定用シャフト 92 支持部 93 ベアリング 100 真空チャンバー 102 マスクプレート 104 マスクパターン
Reference Signs List 5 substrate 6 substrate holder 8 lamp heater 10 target table 12 target 13 excimer laser beam 14 light source 15 lens 16 window 17 screen 18 electron gun 19 nozzle 20 combinatorial laser molecular beam epitaxy device 22 common room 24 growth room 26 annealing room 28 preheating room 34 substrate holder load lock chamber 35 housing 36 substrate heating part 38 transfer plate 39 partition 41 O-ring 42 opening 43 revolving movement shaft 45 chucker 48 substrate holder 52 clip 60 rotating mechanism 62 shaft 64 drive gear 65 revolving gear 70 moving mechanism 71 Upper lid 72 Moving plate 73 Bracket 74 Motor 75 Rotating shaft 77 Magnetic seal unit 82 Flexible tube 83 Rotating gear 84 Holder rotating part 85 gear 86 rotates the shaft 87 bearing 88-rotating gear 91 fixed shaft 92 support 93 bearing 100 vacuum chamber 102 mask plate 104 mask pattern

フロントページの続き (56)参考文献 米国特許5776359(US,A) 国際公開96/11878(WO,A1) Science 268(1995)P. 1738−1740 Nature 389(1997)P.944− 948 Appl.Phys.Lett. (1997)P.3353−3355 (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) C30B 23/08 B01J 19/00 H01L 21/203 H01L 43/08 INSPEC(DIALOG) JICSTファイル(JOIS)Continuation of the front page (56) Reference US Pat. No. 5,776,359 (US, A) WO 96/11878 (WO, A1) Science 268 (1995) P. 1738-1740 Nature 389 (1997) 944-948 Appl. Phys. Lett. (1997) p. 3353-3355 (58) Field surveyed (Int. Cl. 7 , DB name) C30B 23/08 B01J 19/00 H01L 21/203 H01L 43/08 INSPEC (DIALOG) JICST file (JOIS)

Claims (10)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 基板を加熱する加熱手段と、一以上の基
板を保持し成長位置に回転搬送する基板ホルダーと、エ
キシマレーザーの照射によって気化する複数の異なる固
体原料のターゲットと、これらのターゲットを装填し上
記基板に対向する位置に上記ターゲットを配置する回転
かつ上下移動可能なターゲットテーブルと、上記ターゲ
ットと上記基板との間に配設した移動可能なマスクプレ
ートと、上記基板表面にガスを供給するガス供給手段
と、上記基板表面での単分子層ごとのエピタキシャル成
長をその場で観察する反射高速電子線回折とを圧力制御
可能な高真空室内に備え、 上記基板及び上記基板の所定領域のいずれか、あるいは
両方に上記マスクプレートにより元素の組み合わせや積
層シーケンスが異なる多層膜を系統的に上記反射高速電
子線回折に基づいて分子層ごとのエピタキシャル成長で
合成する、コンビナトリアルレーザー分子線エピタキシ
ー装置。
1. A heating means for heating a substrate, a substrate holder for holding one or more substrates and rotating and transporting them to a growth position, a plurality of different solid material targets vaporized by irradiation of excimer laser, and A rotatable and vertically movable target table for loading and disposing the target at a position facing the substrate, a movable mask plate disposed between the target and the substrate, and supplying gas to the substrate surface Gas supply means, and reflection high-speed electron beam diffraction for observing in situ the epitaxial growth of each monolayer on the substrate surface in a high-vacuum chamber capable of pressure control, wherein any of the substrate and a predetermined region of the substrate is provided. Either or both, systematically reflect multi-layer films with different element combinations and lamination sequences depending on the mask plate Fast synthesized by epitaxial growth per molecule layer on the basis of electron diffraction, combinatorial laser molecular beam epitaxy apparatus.
【請求項2】 前記マスクプレートが、複数のマスクパ
ターンを有して回転かつ上下移動可能であり異なる上記
マスクパターンを順次交換することを特徴とする、請求
項1に記載のコンビナトリアルレーザー分子線エピタキ
シー装置。
2. The combinatorial laser molecular beam epitaxy according to claim 1, wherein the mask plate has a plurality of mask patterns, is rotatable and vertically movable, and sequentially exchanges the different mask patterns. apparatus.
【請求項3】 前記マスクプレートが前記基板に対して
水平移動可能なシャッターの可動マスクであり、前記基
板及び前記基板の所定領域のいずれか、あるいは両方を
上記可動マスクで覆ったりはずしたりすることを特徴と
する、請求項1に記載のコンビナトリアルレーザー分子
線エピタキシー装置。
3. The method according to claim 1, wherein the mask plate is a movable mask of a shutter that is horizontally movable with respect to the substrate, and one or both of the substrate and a predetermined region of the substrate is covered or removed by the movable mask. The combinatorial laser molecular beam epitaxy apparatus according to claim 1, characterized in that:
【請求項4】 前記基板がα−Al2 3 、YSZ、M
gO、SrTiO3、LaAlO3 、NdGaO3 、Y
AlO3 、LaSrGaO4 、NdAlO3、Y
2 5 、SrLaAlO4 、CaNdAlO4 、Si及
び化合物半導体のいずれかであることを特徴とする、請
求項1に記載のコンビナトリアルレーザー分子線エピタ
キシー装置。
4. The method according to claim 1, wherein the substrate is α-Al 2 O 3 , YSZ, M
gO, SrTiO 3 , LaAlO 3 , NdGaO 3 , Y
AlO 3 , LaSrGaO 4 , NdAlO 3 , Y
2 O 5, SrLaAlO 4, CaNdAlO 4, characterized in that any one of Si and compound semiconductor, combinatorial laser molecular beam epitaxy apparatus according to claim 1.
【請求項5】 前記ターゲットの固体原料が高温超伝導
体、発光材料、誘電体、強誘電体、巨大磁気抵抗材料及
び酸化物のいずれかであることを特徴とする、請求項1
に記載のコンビナトリアルレーザー分子線エピタキシー
装置。
5. The target according to claim 1, wherein the solid material of the target is any one of a high-temperature superconductor, a luminescent material, a dielectric, a ferroelectric, a giant magnetoresistive material, and an oxide.
3. The combinatorial laser molecular beam epitaxy apparatus according to 1.
【請求項6】 前記基板が基板表面を原子レベルで平坦
化し最表面原子層を特定した基板であることを特徴とす
る、請求項1に記載のコンビナトリアルレーザー分子線
エピタキシー装置。
6. The combinatorial laser molecular beam epitaxy apparatus according to claim 1, wherein the substrate is a substrate in which a surface of the substrate is flattened at an atomic level and an outermost atomic layer is specified.
【請求項7】 前記高真空室内の前記ターゲットテーブ
ルに、高真空を保持したまま前記ターゲットを装填する
ためのターゲットロードロック室を備えたことを特徴と
する、請求項1に記載のコンビナトリアルレーザー分子
線エピタキシー装置。
7. The combinatorial laser molecule according to claim 1, wherein a target load lock chamber for loading the target while maintaining a high vacuum is provided on the target table in the high vacuum chamber. Line epitaxy equipment.
【請求項8】 前記高真空室に加え、共通室と、薄膜成
長後の基板をアニールするアニール室と、薄膜成長前に
前記基板を高真空かつ所定温度で加熱しておく余熱加熱
室とを備え、上記共通室内にて前記加熱手段と前記基板
ホルダーとを一体的に上記成長室、アニール室及び余熱
加熱室に回転搬送し独立して真空シールして真空チャン
バーを形成することを特徴とする、請求項1に記載のコ
ンビナトリアルレーザー分子線エピタキシー装置。
8. In addition to the high vacuum chamber, a common chamber, an annealing chamber for annealing the substrate after growing the thin film, and a preheating heating chamber for heating the substrate at a high vacuum and a predetermined temperature before growing the thin film are provided. Wherein the heating means and the substrate holder are integrally rotated and conveyed to the growth chamber, the annealing chamber and the preheating heating chamber in the common chamber and vacuum sealed independently to form a vacuum chamber. A combinatorial laser molecular beam epitaxy apparatus according to claim 1.
【請求項9】 前記共通室に、高真空を保持したまま前
記基板ホルダーを交換するための基板ホルダーロードロ
ック室を備えたことを特徴とする、請求項8に記載のコ
ンビナトリアルレーザー分子線エピタキシー装置。
9. The combinatorial laser molecular beam epitaxy apparatus according to claim 8, further comprising a substrate holder load lock chamber for replacing the substrate holder while maintaining a high vacuum in the common chamber. .
【請求項10】 前記加熱手段がランプヒーターであ
り、このランプヒーターの焦点位置に前記基板ホルダー
を配置したことを特徴とする、請求項1又は8に記載の
コンビナトリアルレーザー分子線エピタキシー装置。
10. The combinatorial laser molecular beam epitaxy apparatus according to claim 1, wherein said heating means is a lamp heater, and said substrate holder is disposed at a focal position of said lamp heater.
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