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JP2014148718A - Method for producing hydroxyapatite thin film - Google Patents

Method for producing hydroxyapatite thin film Download PDF

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JP2014148718A
JP2014148718A JP2013018112A JP2013018112A JP2014148718A JP 2014148718 A JP2014148718 A JP 2014148718A JP 2013018112 A JP2013018112 A JP 2013018112A JP 2013018112 A JP2013018112 A JP 2013018112A JP 2014148718 A JP2014148718 A JP 2014148718A
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hydroxyapatite
film
thin film
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JP2013018112A
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Japanese (ja)
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Masayoshi Akazawa
方省 赤澤
Yuko Ueno
祐子 上野
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NTT Inc
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Nippon Telegraph and Telephone Corp
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To readily produce a thin film of hydroxyapatite a surface of which has a C face.SOLUTION: In a first process S101, a thin film 102 is formed on a sapphire substrate 101 having a main surface with a C face by using an electron cyclotron resonance (ECR) sputtering method using a target composed of a sintered body of hydroxyapatite and xenon gas including HO gas (first process). Then, the thin film 102 (sapphire substrate 101) is heated in the atmosphere having oxygen for crystallization (second process). It may be done in the atmosphere of oxygen gas or in the ambient air.

Description

本発明は、表面をC面としたハイドロキシアパタイトの薄膜を形成するハイドロキシアパタイト薄膜の製造方法に関するものである。   The present invention relates to a method for producing a hydroxyapatite thin film that forms a hydroxyapatite thin film having a C-face surface.

ハイドロキシアパタイト[Ca10(PO46(OH)2]は、骨や歯を構成する主成分であり、また、人工的に合成可能な生体適合性を有する無機材料であり、医用工学やバイオテクノロジーに応用されている。特に、様々な基板上に成膜したハイドロキシアパタイト膜の特性を制御することで、生体物質との相互作用を規定した上で、新たな応用先を開拓できる可能性が指摘されている。例えば、C面で終端されたハイドロキシアパタイト結晶膜は、骨に類似の構造を持ち、骨と生体物質との相互作用を研究する上で、プラットホームとしての利用が考えられる。 Hydroxyapatite [Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2 ] is a main component constituting bones and teeth, and is an artificially synthesized biocompatible inorganic material that can be used for medical engineering and biotechnology. Applied to technology. In particular, it has been pointed out that by controlling the properties of hydroxyapatite films formed on various substrates, it is possible to pioneer new applications while prescribing interactions with biological materials. For example, a hydroxyapatite crystal film terminated at the C-plane has a structure similar to bone and can be used as a platform in studying the interaction between bone and biological material.

現在、ハイドロキシアパタイトは、細胞培養のための足場材料として、医学生物学分野において使用されている。例えば、骨の欠損部へハイドロキシアパタイト多孔体やペーストを埋入し、骨の再生を促進する治療などが行われている。これらの粉末やペーストではなく、基板上に堆積したハイドロキシアパタイト薄膜を中間層に用いると、骨との接合強度がより高く、回復の早い治療が可能になると期待されている。また、生体内へ埋め込む金属構造の表面を、ハイドロキシアパタイト膜で被覆して用いることもなされている。   At present, hydroxyapatite is used in the field of medical biology as a scaffold material for cell culture. For example, a hydroxyapatite porous material or paste is embedded in a bone defect to promote bone regeneration. When a hydroxyapatite thin film deposited on a substrate is used for the intermediate layer instead of these powders and pastes, it is expected that the joint strength with the bone will be higher and a treatment with quick recovery will be possible. In addition, the surface of a metal structure embedded in a living body is used by being coated with a hydroxyapatite film.

上述したことから明らかなように、様々な基体(基板)の上にハイドロキシアパタイトの膜を形成する技術が重要となる。例えば、金属構造体の表面をハイドロキシアパタイト膜で被覆する場合、主にプラズマスプレー法により行われている。また、これまで、基板上にハイドロキシアパタイト膜を形成する試みが様々な成膜手法によりなされている。例えば、RFマグネトロンスパッタリングによるハイドロキシアパタイト膜の形成(非特許文献1,2参照)、イオンビームスパッタリングによるハイドロキシアパタイト膜の形成(非特許文献3参照)、パルスレーザー堆積(PLD)法によるハイドロキシアパタイト膜の形成(非特許文献4参照)が報告されている。   As is apparent from the above, a technique for forming a hydroxyapatite film on various substrates (substrates) is important. For example, when the surface of a metal structure is covered with a hydroxyapatite film, it is mainly performed by a plasma spray method. In addition, various attempts have been made to form a hydroxyapatite film on a substrate so far. For example, the formation of a hydroxyapatite film by RF magnetron sputtering (see Non-Patent Documents 1 and 2), the formation of a hydroxyapatite film by ion beam sputtering (see Non-Patent Document 3), and the formation of a hydroxyapatite film by pulsed laser deposition (PLD) method Formation (see Non-Patent Document 4) has been reported.

K. Yamashita, T. Arashi, K. Kitagaki, S. Yamada, and T. Umegaki, "Preparation of Apatite Thin Films through rf-Sputtering form Calcium Phosphate Glasses", J.Am.Ceram.Soc. , vol.77. no.9, pp.2401-2407, 1994.K. Yamashita, T. Arashi, K. Kitagaki, S. Yamada, and T. Umegaki, "Preparation of Apatite Thin Films through rf-Sputtering form Calcium Phosphate Glasses", J. Am. Ceram. Soc., Vol. 77. no.9, pp.2401-2407, 1994. K.van Dijk et al. , "Influence of annealing temperature on RF magnetron aputtered calcium phosphate coatings", Biometerials, vol.17, pp.405-410, 1996.K.van Dijk et al., "Influence of annealing temperature on RF magnetron aputtered calcium phosphate coatings", Biometerials, vol.17, pp.405-410, 1996. M. Hamdi and A. Ide-Ektessabi, "Preparation of hydrooxyapatite layer by ion beam assisted simultaneous vapor deposition", Surface and Coatings Technology, 163-164, pp.362-367, 2003.M. Hamdi and A. Ide-Ektessabi, "Preparation of hydroapatite layer by ion beam assisted simultaneous vapor deposition", Surface and Coatings Technology, 163-164, pp.362-367, 2003. J. M. Fernandez-Pradas, G. Sardin, L. Cleries, P. Serra, C. Ferrater, and J. L. Morenza, "Deposition of hydroxyapatite thin films by excimer laser ablation", Thin Solid Films, vol.317, pp393-396, 1998.JM Fernandez-Pradas, G. Sardin, L. Cleries, P. Serra, C. Ferrater, and JL Morenza, "Deposition of hydroxyapatite thin films by excimer laser ablation", Thin Solid Films, vol.317, pp393-396, 1998 .

しかしながら、上述した技術により形成されたハイドロキシアパタイト膜の結晶の方位は、通常ランダム配向である。これに対し、膜厚,組成,結晶性,配向性などを精密に制御して、ハイドロキシアパタイト膜を形成するプロセス技術が望まれている。特に、配向性は、ハイドロキシアパタイト結晶薄膜と他の分子との相互作用を規定する重要な指標である。ハイドロキシアパタイト結晶は、六方晶系に属し、六角柱の端面がC面、側面がA面で構成されている。C面は疎水性、A面は親水性とされている。このように外部の分子との相互作用は面指数に強く依存する。   However, the crystal orientation of the hydroxyapatite film formed by the above-described technique is usually random orientation. On the other hand, a process technique for forming a hydroxyapatite film by precisely controlling the film thickness, composition, crystallinity, orientation, and the like is desired. In particular, the orientation is an important index that defines the interaction between the hydroxyapatite crystal thin film and other molecules. Hydroxyapatite crystal belongs to the hexagonal system, and the end face of the hexagonal column is constituted by the C plane and the side face is constituted by the A plane. The C surface is hydrophobic and the A surface is hydrophilic. Thus, the interaction with external molecules strongly depends on the plane index.

例えば、骨はコラーゲン繊維のc軸配向したハイドロキシアパタイトナノ結晶が多数配列したものである。従って、C面終端したハイドロキシアパタイト結晶膜が得られれば、骨類似のハイドロキシアパタイト結晶膜と生体物質との相互作用の研究に弾みがつくと考えられる。また、C面に特有な反応性を利用したバイオセンサ/バイオチップを開発することも可能となる。   For example, a bone is a structure in which a number of c-axis oriented hydroxyapatite nanocrystals of collagen fibers are arranged. Therefore, if a hydroxyapatite crystal film terminated with a C-plane is obtained, it is considered that research on the interaction between a bone-like hydroxyapatite crystal film and a biological material will gain momentum. It is also possible to develop a biosensor / biochip that uses the reactivity specific to the C-plane.

しかしながら、上述したように、一般的な成膜方法で得られるハイドロキシアパタイト結晶膜は基本的にランダム配向であり、親水性と疎水性の結晶面が混在している。成膜条件を適切に選べば、C面が主な結晶膜が得られる場合もあるが、この場合、プロセスパラメータの範囲は非常に狭いという問題点があった。   However, as described above, the hydroxyapatite crystal film obtained by a general film forming method is basically randomly oriented, and has both hydrophilic and hydrophobic crystal faces. If the film forming conditions are appropriately selected, a crystal film having a main C-plane may be obtained. However, in this case, there is a problem that the range of process parameters is very narrow.

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、表面をC面としたハイドロキシアパタイトの薄膜が容易に形成できるようにすることを目的とする。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to facilitate the formation of a hydroxyapatite thin film having a C-face surface.

本発明に係るハイドロキシアパタイト薄膜の製造方法は、ハイドロキシアパタイトの焼結体からなるターゲットおよびH2Oガスを含むキセノンガスを用いた電子サイクロトロン共鳴スパッタ法で、主表面をC面としたサファイア基板の上に薄膜を形成する第1工程と、酸素が存在する雰囲気で薄膜を加熱して結晶化する第2工程とを備える。 The method for producing a hydroxyapatite thin film according to the present invention is an electron cyclotron resonance sputtering method using a target made of a sintered hydroxyapatite and a xenon gas containing H 2 O gas. A first step of forming a thin film thereon, and a second step of crystallizing the thin film by heating in an atmosphere in which oxygen is present.

上記ハイドロキシアパタイト薄膜の製造方法において、第2工程では、600℃〜900℃の範囲で加熱を行えばよい。   In the method for producing a hydroxyapatite thin film, in the second step, heating may be performed in the range of 600 ° C to 900 ° C.

以上説明したことにより、本発明によれば、表面をC面としたハイドロキシアパタイトの薄膜が容易に形成できるようになるという優れた効果が得られる。   As described above, according to the present invention, it is possible to obtain an excellent effect that a hydroxyapatite thin film having a C-plane surface can be easily formed.

図1は、本発明の実施の形態におけるハイドロキシアパタイト薄膜の製造方法を説明するための説明図である。FIG. 1 is an explanatory diagram for explaining a method for producing a hydroxyapatite thin film according to an embodiment of the present invention. 図2は、ECRスパッタ装置の構成を示す構成図である。FIG. 2 is a configuration diagram showing the configuration of the ECR sputtering apparatus. 図3は、本発明の実施の形態における製造方法で作製したハイドロキシアパタイトの薄膜のX線回折パタンを示す特性図である。FIG. 3 is a characteristic diagram showing an X-ray diffraction pattern of a hydroxyapatite thin film produced by the production method according to the embodiment of the present invention. 図4は、キセノンガスを用い、主表面をC面としたサファイア基板を420℃あるいは470℃に保ち、堆積するハイドロキシアパタイト膜を結晶化させながら成長した試料のX線回折パタンを示す特性図である。FIG. 4 is a characteristic diagram showing an X-ray diffraction pattern of a sample grown using xenon gas and maintaining a sapphire substrate having a C-plane main surface at 420 ° C. or 470 ° C. while crystallizing the deposited hydroxyapatite film. is there. 図5は、c軸配向していない状態で形成されたハイドロキシアパタイト膜のX線回折パタンを示す特性図である。FIG. 5 is a characteristic diagram showing an X-ray diffraction pattern of a hydroxyapatite film formed without being c-axis oriented. 図6は、主表面をC面としたサファイア基板上にECRスパッタ成膜したハイドロキシアパタイト膜のラマンスペクトルの加熱温度依存性を示す特性図である。FIG. 6 is a characteristic diagram showing the heating temperature dependence of the Raman spectrum of a hydroxyapatite film formed by ECR sputtering on a sapphire substrate having a C-plane main surface. 図7は、主表面をA面としたサファイア基板上にECRスパッタ成膜したハイドロキシアパタイト膜のラマンスペクトルの加熱温度依存性を示す特性図である。FIG. 7 is a characteristic diagram showing the heating temperature dependence of the Raman spectrum of a hydroxyapatite film formed by ECR sputtering on a sapphire substrate whose main surface is an A-plane. 図8は、主表面をC面としたサファイア基板および主表面をA面としたサファイア基板の各々で、成膜したハイドロキシアパタイト膜の加熱温度と水の接触角との関係を示した特性図である。FIG. 8 is a characteristic diagram showing the relationship between the heating temperature of the formed hydroxyapatite film and the contact angle of water in each of the sapphire substrate having the main surface as the C-plane and the sapphire substrate having the main surface as the A-plane. is there.

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。図1は、本発明の実施の形態におけるハイドロキシアパタイト薄膜の製造方法を説明するための説明図である。この製造方法は、第1工程S101で、ハイドロキシアパタイトの焼結体からなるターゲットおよびH2Oガスを含むスパッタガスを用いた電子サイクロトロン共鳴(ECR)スパッタ法で、主表面をC面としたサファイア(コランダム)基板101の上にハイドロキシアパタイトの薄膜102を形成する(第1工程)。スパッタガスは、キセノンガスである。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is an explanatory diagram for explaining a method for producing a hydroxyapatite thin film according to an embodiment of the present invention. This manufacturing method is an electron cyclotron resonance (ECR) sputtering method using a sputtering gas containing a target composed of a sintered body of hydroxyapatite and H 2 O gas in the first step S101. (Corundum) A hydroxyapatite thin film 102 is formed on a substrate 101 (first step). The sputtering gas is xenon gas.

例えば、H2Oガスの圧力は10-3Paから10-2Pa台に設定すればよい。また、ECRプラズマ生成のためのマイクロ波パワーは、500W、ターゲットへ印加するRFパワーは500Wとすればよい。 For example, the pressure of the H 2 O gas may be set in the range of 10 −3 Pa to 10 −2 Pa. The microwave power for generating ECR plasma may be 500 W, and the RF power applied to the target may be 500 W.

次に、酸素が存在する雰囲気で薄膜102を加熱して結晶化する(第2工程)。例えば、酸素ガスの雰囲気中、または大気中で、薄膜102が形成されているサファイア基板101を加熱することで、薄膜102の加熱を行えばよい。   Next, the thin film 102 is heated and crystallized in an atmosphere in which oxygen is present (second step). For example, the thin film 102 may be heated by heating the sapphire substrate 101 over which the thin film 102 is formed in an oxygen gas atmosphere or in the air.

上述したようにECRスパッタ法を用いることにより、10-2Pa台という低ガス圧下の成膜が可能であり、良質な薄膜が得られることが多くの材料について実証されている。ECRプラズマはリモートプラズマであり、円筒型ターゲットと組み合わせることにより、陰イオン入射による薄膜へのプラズマダメージが少ない。 As described above, by using the ECR sputtering method, it is possible to form a film under a gas pressure as low as 10 −2 Pa, and it has been demonstrated for many materials that a high-quality thin film can be obtained. The ECR plasma is a remote plasma, and when combined with a cylindrical target, the plasma damage to the thin film due to anion incidence is small.

また、ECRスパッタ法の成膜速度はあまり高くないが、成膜時間を要するために、成膜中にプラズマが照射される時間が長い。例えば、成膜中に、10−30eVの低エネルギーイオンが連続的に薄膜に照射される。これにより、プラズマがハイドロキシアパタイトの薄膜と基板の間の原子拡散を促進し、基板とハイドロキシアパタイト薄膜との間に接着層を挟まなくても、優れた密着性が得られるといった最大の特徴を有している。これは他のスパッタ法やPLD法にはないメリットである。さらに、ECRスパッタ法を実現する装置では、PLD法では不可能な、8インチ基板までの大面積成膜が可能であり、生産目的にも向いている。   In addition, although the film formation rate of the ECR sputtering method is not so high, since the film formation time is required, the time during which the plasma is irradiated during the film formation is long. For example, during film formation, low energy ions of 10-30 eV are continuously irradiated on the thin film. As a result, the plasma promotes atomic diffusion between the hydroxyapatite thin film and the substrate, and the greatest feature is that excellent adhesion can be obtained without interposing an adhesive layer between the substrate and the hydroxyapatite thin film. doing. This is an advantage not found in other sputtering methods or PLD methods. Furthermore, an apparatus that realizes the ECR sputtering method can form a large area film up to an 8-inch substrate, which is impossible with the PLD method, and is suitable for production purposes.

また、H2Oガスを含むスパッタガスを用いているので、次に説明するように、形成している薄膜中に効率的にOHを取り込ませることが可能となり、良質なハイドロキシアパタイトの薄膜が形成できる。ハイドロキシアパタイトには、OH基が構成要素として含まれているが、ハイドロキシアパタイトターゲットをスパッタすると、質量の小さいOHは空間的に広い範囲に散らばり、これらの全てが基板へ到達することはない。このため、薄膜中に取り込ませるOH基を補うことが必要になる。H2とO2ガスの混合ガスを用いると、H2、O2の各々の分解が必要となり、両者の流量比も制御しなければならない。これに対し、H2O分子は、OHとHへ分解するだけですぐにOH基を生成するため、堆積している膜中に取り込ませるOHを補うための反応ガスとして優れている。 In addition, since a sputtering gas containing H 2 O gas is used, OH can be efficiently taken into the formed thin film as described below, and a high-quality hydroxyapatite thin film is formed. it can. Hydroxyapatite contains an OH group as a constituent element. However, when a hydroxyapatite target is sputtered, OH having a small mass is scattered in a wide range, and all of these do not reach the substrate. For this reason, it is necessary to supplement the OH groups incorporated into the thin film. When a mixed gas of H 2 and O 2 gas is used, it is necessary to decompose H 2 and O 2 , and the flow rate ratio between them must be controlled. On the other hand, H 2 O molecules are excellent as a reactive gas for supplementing OH to be taken into the deposited film because they generate OH groups immediately by being decomposed into OH and H.

以上に説明したように、実施の形態では、主表面をC面としたサファイア基板を用いているところに特徴がある。ここで、ハイドロキシアパタイトの結晶単位ユニットには、Ca2+、PO4 3-、OH-と3種類のイオンが含まれ、複雑な構造をしている。このため、単純な二元系の金属酸化物とは異なり、基板の原子配列が、この上に形成されるハイドロキシアパタイト薄膜の結晶の原子配列を規定するだけの影響を及ぼしにくく、C面終端のハイドロキシアパタイト膜を得ることは、かなり困難である。このことは、成長条件によっては、C面とは別の面指数の面が趨勢になることもあり得ることを意味している。 As described above, the embodiment is characterized in that a sapphire substrate having a C-plane main surface is used. Here, the crystal unit unit of hydroxyapatite includes Ca 2+ , PO 4 3− , OH and three kinds of ions, and has a complicated structure. For this reason, unlike simple binary metal oxides, the atomic arrangement of the substrate hardly affects the atomic arrangement of the hydroxyapatite thin film formed on the substrate, and the C-plane terminal It is quite difficult to obtain a hydroxyapatite film. This means that depending on the growth conditions, a plane index plane different from the C plane may become a trend.

これらのことに対し、本発明においては、上述したように、ハイドロキシアパタイト焼結体ターゲットを備えたECRスパッタ装置を用い、H2Oガスを流しながら、室温(20〜25℃)の状態で、主表面をC面としたサファイア基板の上へハイドロキシアパタイト膜を形成する第1の工程と、このようにして形成したハイドロキシアパタイト膜を酸素ガスが存在する雰囲気中において加熱して結晶化させる第2の工程により、C面だけで終端されたハイドロキシアパタイト膜を得るようにした。 In contrast, in the present invention, as described above, in the present invention, using an ECR sputtering apparatus equipped with a hydroxyapatite sintered compact target, while flowing H 2 O gas, at room temperature (20 to 25 ° C.), A first step of forming a hydroxyapatite film on a sapphire substrate having a main surface as a C-plane, and a second step of heating and crystallizing the hydroxyapatite film thus formed in an atmosphere containing oxygen gas Through this process, a hydroxyapatite film terminated only on the C-plane was obtained.

ECRスパッタ法は、リモートプラズマを下流に位置するRF印加したターゲットへ衝突させてスパッタするため、前述したように、堆積する膜に対してプラズマが与える損傷が少なく、優れた密着性が得られ、大面積成膜が可能であることが特長である。また、後述するように、特にスパッタリングガスとしてキセノンを用いることで、組成ずれを最小限に抑えることができる。また、第2工程において加熱する際の温度(基板温度)を600℃以上900℃以下に設定することで、他方位への結晶子の形成を抑え、C面だけに終端されたハイドロキシアパタイト膜が得られる。   In the ECR sputtering method, since remote plasma is sputtered by colliding with the RF applied target located downstream, as described above, there is little damage to the deposited film by the plasma, and excellent adhesion can be obtained. The feature is that large area film formation is possible. Further, as will be described later, the compositional deviation can be minimized by using xenon as the sputtering gas. Further, by setting the temperature (substrate temperature) at the time of heating in the second step to 600 ° C. or more and 900 ° C. or less, the formation of crystallites at the other position is suppressed, and the hydroxyapatite film terminated only on the C plane can get.

次に、ECRスパッタ法を用いて実際に作製したハイドロキシアパタイト薄膜(試料)について、ECRスパッタ装置の構成とともに説明する。   Next, the hydroxyapatite thin film (sample) actually produced using the ECR sputtering method will be described together with the configuration of the ECR sputtering apparatus.

ECRスパッタ装置は、図2に示すように、成膜室201と、成膜室201に連通するプラズマ生成室203とを備える。プラズマ生成室203には、マイクロ波供給源204により例えば2.45GHzのマイクロ波が供給可能とされている。また、プラズマ生成室203の周囲には、例えば、0.0875T(テスラ)の磁場をプラズマ生成室203内に発生させる磁気コイル205が備えられている。   As shown in FIG. 2, the ECR sputtering apparatus includes a film formation chamber 201 and a plasma generation chamber 203 that communicates with the film formation chamber 201. For example, 2.45 GHz microwaves can be supplied to the plasma generation chamber 203 by a microwave supply source 204. Further, around the plasma generation chamber 203, for example, a magnetic coil 205 that generates a magnetic field of 0.0875 T (Tesla) in the plasma generation chamber 203 is provided.

また、成膜室201には、プラズマ生成室203の出口近傍を取り巻くリング状のターゲット202が配置されている。ターゲット202は、例えば、ハイドロキシアパタイトの粉末を焼結した焼結体から構成され、所定のターゲットバイアス(高周波電力)が印加可能とされている。また、成膜室201内に載置されるサファイア基板101は、ヒータ206により加熱可能とされている。   In the film forming chamber 201, a ring-shaped target 202 surrounding the vicinity of the outlet of the plasma generation chamber 203 is disposed. The target 202 is made of, for example, a sintered body obtained by sintering hydroxyapatite powder, and a predetermined target bias (high frequency power) can be applied. Further, the sapphire substrate 101 placed in the film formation chamber 201 can be heated by a heater 206.

上述したように構成されたECRスパッタ装置の成膜室201の内部に、ターゲット202と所定の間隔を開けてサファイア基板101を載置した後、よく知られた排気機構(不図示)により、成膜室201の内部を所定の圧力にまで真空排気する。例えば、成膜室201の内部を、10-4〜10-5Pa台の高真空状態の圧力に減圧する。 After the sapphire substrate 101 is placed at a predetermined distance from the target 202 in the film forming chamber 201 of the ECR sputtering apparatus configured as described above, a well-known exhaust mechanism (not shown) is used to perform the formation. The inside of the film chamber 201 is evacuated to a predetermined pressure. For example, the inside of the film forming chamber 201 is depressurized to a high vacuum state pressure of 10 −4 to 10 −5 Pa.

次に、ECRスパッタ装置の処理室、例えばプラズマ生成室203に、キセノンを導入して所定の真空度(圧力)とし、この状態で、磁気コイル205により2.45GHzのマイクロ波(500W程度)と0.0875Tの磁場とを供給して電子サイクロトロン共鳴条件とすることで、プラズマ生成室203内にECRプラズマを形成させる。この状態で、成膜室201に、バリアブルリークバルブ(不図示)を通してH2Oガスを導入する。H2Oガスの導入により内部圧力が10-3Paから10-2Pa台となるように設定した。 Next, xenon is introduced into a processing chamber of the ECR sputtering apparatus, for example, the plasma generation chamber 203 to obtain a predetermined degree of vacuum (pressure), and in this state, 2.45 GHz microwave (about 500 W) is generated by the magnetic coil 205. An ECR plasma is formed in the plasma generation chamber 203 by supplying a 0.0875 T magnetic field and setting the electron cyclotron resonance condition. In this state, H 2 O gas is introduced into the film forming chamber 201 through a variable leak valve (not shown). The internal pressure was set to a level of 10 −3 Pa to 10 −2 Pa by introducing H 2 O gas.

上述したことにより生成されたECRプラズマは、ECRスパッタ装置の磁気コイルの発散磁場により、プラズマ生成室203から、これに連通する成膜室201の側に放出される。この状態で、プラズマ生成室203の出口に配置されたターゲット202に、例えば、13.56MHz・500Wの高周波電力(ターゲットバイアス)を供給(印加)する。このことにより、生成されているECRプラズマにより発生した粒子が、ターゲット202に衝突してスパッタリング現象が起こり、ターゲット202を構成している粒子が飛び出す状態となる。また、成膜室201に導入されているH2OよりOHおよびHが生成される。 The ECR plasma generated as described above is emitted from the plasma generation chamber 203 to the film formation chamber 201 connected to the plasma generation chamber 203 by the divergent magnetic field of the magnetic coil of the ECR sputtering apparatus. In this state, for example, high frequency power (target bias) of 13.56 MHz · 500 W is supplied (applied) to the target 202 disposed at the outlet of the plasma generation chamber 203. As a result, the particles generated by the generated ECR plasma collide with the target 202 to cause a sputtering phenomenon, and the particles constituting the target 202 jump out. Further, OH and H are generated from H 2 O introduced into the film formation chamber 201.

以上のようにしてECRプラズマを生成してスパッタ状態にすることで、ターゲット202よりスパッタされている粒子が、サファイア基板101の上に堆積し、サファイア基板101の上に薄膜102(ハイドロキシアパタイト薄膜)が形成される。また、OHおよびHが、サファイア基板101の上に堆積する膜中に取り込まれるようになる。なお、成膜中にサファイア基板101は加熱しないが、プラズマが照射されることにより、基板温度は70℃程度にまで上昇した。成膜時のH2Oガス圧によって多少変わるが、膜厚0.8−1μmのハイドロキシアパタイト薄膜を形成した。 By generating ECR plasma in the sputter state as described above, particles sputtered from the target 202 are deposited on the sapphire substrate 101, and a thin film 102 (hydroxyapatite thin film) is formed on the sapphire substrate 101. Is formed. In addition, OH and H are taken into a film deposited on the sapphire substrate 101. Note that the sapphire substrate 101 was not heated during the film formation, but the substrate temperature rose to about 70 ° C. by the plasma irradiation. A hydroxyapatite thin film having a film thickness of 0.8-1 μm was formed, although it varied somewhat depending on the H 2 O gas pressure during film formation.

また、結晶化のための加熱は、酸素雰囲気中および大気中で行う。また、成膜時のH2Oガス分圧および結晶化のための加熱の温度を変化させて複数の試料を作製する。なお、比較のため、真空中で加熱を行った比較試料、成膜中に加熱を行った比較試料、およびスパッタガスとしてアルゴンガスを用いて作製した比較試料も作製した。また、比較のため、主表面をA面としたサファイア基板の上に、上述同様にハイドロキシアパタイト薄膜を形成した比較試料も作製した。なお、加熱は、成膜室201内部でヒータ206により行えばよい。例えば、プラズマを生成しない状態で、成膜室201内に酸素を導入すれば、酸素雰囲気における加熱が行える。形成された薄膜は、平滑な表面を持ち、いずれの成膜/加熱条件においても、クラックが入ることも、剥離することもなかった。 Heating for crystallization is performed in an oxygen atmosphere and in the air. Further, a plurality of samples are manufactured by changing the H 2 O gas partial pressure during film formation and the heating temperature for crystallization. For comparison, a comparative sample heated in vacuum, a comparative sample heated during film formation, and a comparative sample prepared using argon gas as a sputtering gas were also prepared. For comparison, a comparative sample in which a hydroxyapatite thin film was formed on a sapphire substrate having the main surface as the A plane as described above was also produced. Note that heating may be performed by the heater 206 inside the deposition chamber 201. For example, if oxygen is introduced into the deposition chamber 201 without generating plasma, heating in an oxygen atmosphere can be performed. The formed thin film had a smooth surface and did not crack or peel off under any film forming / heating conditions.

図3は、上述した実施の形態における製造方法で作製したハイドロキシアパタイトの薄膜による各試料のX線回折パタンを示す特性図である。ここでは、H2Oの分圧を1.3×10-2PaとしたECRスパッタ法で成膜したハイドロキシアパタイトの薄膜を、酸素雰囲気中で、温度条件500℃、550℃、600℃、900℃において加熱(アニール)して形成した試料におけるハイドロキシアパタイト薄膜のX線回折パタンを示している。また、真空排気中で、温度条件900℃において加熱した試料におけるハイドロキシアパタイト薄膜のX線回折パタンも示している。なお、500℃、550℃は、加熱時間を10時間とし、600℃は加熱時間を2時間とし、900℃は加熱時間を1時間としている。 FIG. 3 is a characteristic diagram showing an X-ray diffraction pattern of each sample using a hydroxyapatite thin film manufactured by the manufacturing method according to the above-described embodiment. Here, a hydroxyapatite thin film formed by an ECR sputtering method with a partial pressure of H 2 O of 1.3 × 10 −2 Pa is subjected to temperature conditions of 500 ° C., 550 ° C., 600 ° C., 900 in an oxygen atmosphere. 2 shows an X-ray diffraction pattern of a hydroxyapatite thin film in a sample formed by heating (annealing) at ° C. In addition, an X-ray diffraction pattern of a hydroxyapatite thin film in a sample heated at a temperature condition of 900 ° C. in vacuum exhaust is also shown. 500 ° C. and 550 ° C. have a heating time of 10 hours, 600 ° C. has a heating time of 2 hours, and 900 ° C. has a heating time of 1 hour.

500℃および550℃の条件(10時間)では、ハイドロキシアパタイト結晶からの回折ピークはごく弱く、結晶化が十分に進展していないことが分かる。これに対し、600℃の条件においては、ハイドロキシアパタイト(002)、ハイドロキシアパタイト(004)ピークだけが強く観測されており、C面で終端されたハイドロキシアパタイト膜が得られていることが示されている。   Under the conditions of 500 ° C. and 550 ° C. (10 hours), it can be seen that the diffraction peak from the hydroxyapatite crystal is very weak and the crystallization has not progressed sufficiently. On the other hand, only the hydroxyapatite (002) and hydroxyapatite (004) peaks are strongly observed under the condition of 600 ° C., indicating that a hydroxyapatite film terminated at the C plane is obtained. Yes.

また、酸素雰囲気中900℃の条件は、十分に結晶化したはずであるが、ハイドロキシアパタイト(002)ピークはむしろ低くなっている。これは、高温加熱をすると、堆積した非晶質ハイドロキシアパタイト膜中に含有されたH2O分子が熱脱離し、ハイドロキシアパタイト結晶を構成するために十分な量のOH基が得られなくなったためと考えられる。900℃よりも高温で加熱すると、OH基が完全に抜けたCA3(PO42(TCP)が生成するため、加熱温度の上限は900℃と考えるのが妥当である。 Further, the condition of 900 ° C. in an oxygen atmosphere should be sufficiently crystallized, but the hydroxyapatite (002) peak is rather low. This is because, when heated at a high temperature, H 2 O molecules contained in the deposited amorphous hydroxyapatite film are thermally desorbed, and a sufficient amount of OH groups cannot be obtained for constituting a hydroxyapatite crystal. Conceivable. When heated at a temperature higher than 900 ° C., CA 3 (PO 4 ) 2 (TCP) from which OH groups are completely removed is generated. Therefore, it is appropriate to consider that the upper limit of the heating temperature is 900 ° C.

また、真空中で900℃に1時間加熱した比較試料については、ハイドロキシアパタイト(002)ピークが全く見られず、OH基がなくなったことを示唆している。   Moreover, about the comparative sample heated at 900 degreeC in the vacuum for 1 hour, a hydroxyapatite (002) peak is not seen at all, suggesting that OH group was lost.

以上の実験結果から、ハイドロキシアパタイト膜の加熱は、酸素ガス中において、600℃以上900℃以下の温度範囲にて行うのが適当であると言える。   From the above experimental results, it can be said that it is appropriate to heat the hydroxyapatite film in a temperature range of 600 ° C. or higher and 900 ° C. or lower in oxygen gas.

次に、他の条件で成膜した結果について図4を用いて説明する。以下では、サファイア基板を加熱しながらスパッタによる堆積を行った場合について説明する。図4は、キセノンガスを用い、主表面をC面としたサファイア基板を420℃あるいは470℃に保ち、堆積するハイドロキシアパタイト膜を結晶化させながら成長した比較試料のX線回折パタンを示す特性図である。   Next, the results of film formation under other conditions will be described with reference to FIG. Below, the case where deposition by sputtering is performed while heating the sapphire substrate will be described. FIG. 4 is a characteristic diagram showing an X-ray diffraction pattern of a comparative sample grown using a xenon gas and a sapphire substrate whose main surface is C-plane kept at 420 ° C. or 470 ° C. and crystallizing the deposited hydroxyapatite film. It is.

400℃以下の温度では、ハイドロキシアパタイト膜は十分に結晶化しなかったので、420℃が事実上の結晶化下限温度である。図4に示すように、420℃において、ハイドロキシアパタイト(002)ピークが最大でc軸方向へ優先配向していることが分かる。これに対し、基板温度を470℃に上げると、ハイドロキシアパタイト(002)ピーク強度は低下し、ハイドロキシアパタイト(310)ピークが趨勢になった。   Since the hydroxyapatite film was not sufficiently crystallized at a temperature of 400 ° C. or lower, 420 ° C. is a practical lower limit temperature for crystallization. As shown in FIG. 4, it can be seen that at 420 ° C., the hydroxyapatite (002) peak is preferentially oriented in the c-axis direction. On the other hand, when the substrate temperature was raised to 470 ° C., the hydroxyapatite (002) peak intensity decreased and the hydroxyapatite (310) peak became a trend.

いかなる基板に成膜したハイドロキシアパタイト膜であっても、ハイドロキシアパタイト(310)ピークが最大となるX線回折パタンは、これまで全く報告されていない。従って、ハイドロキシアパタイト(310)面もサファイアC面と格子整合し、エピタキシャル成長が生じたと考えられる。これらの結果から、C面で終端された(表面がC面の)ハイドロキシアパタイト膜を形成するためには、過不足なく420℃になるように基板温度を設定しなくてはならず、許容されるプロセス温度の範囲が極めて狭いことが分かった。また、ハイドロキシアパタイト(002)ピークの強度は、500カウントと、図3の600℃の場合の1500カウントに比べて1/3に留まっている。   No X-ray diffraction pattern having the maximum hydroxyapatite (310) peak has been reported so far for any hydroxyapatite film formed on any substrate. Therefore, it is considered that the hydroxyapatite (310) plane also lattice-matched with the sapphire C plane and epitaxial growth occurred. From these results, in order to form a hydroxyapatite film terminated at the C-plane (the surface is the C-plane), the substrate temperature must be set to 420 ° C. without excess or deficiency, which is permitted. The process temperature range was found to be very narrow. Further, the intensity of the hydroxyapatite (002) peak is 500 counts and remains 1/3 compared to 1500 counts at 600 ° C. in FIG.

これらのことより、成膜中に加熱して結晶化をするプロセスでは、許容範囲が狭く結晶化もあまり高くないため、成膜した後に加熱を行う固相エピタキシャル成長を行った方が、良好な結晶性の膜が得られ、有利である。   Therefore, in the process of heating and crystallizing during film formation, the allowable range is narrow and crystallization is not so high, so it is better to perform solid phase epitaxial growth with heating after film formation. Advantageous membranes are obtained and are advantageous.

次に、c軸配向しないハイドロキシアパタイト膜が生成する場合について説明する。図5は、c軸配向していない状態で形成されたハイドロキシアパタイト膜のX線回折パタンを示す特性図である。図5において、「C−phase」が、主表面をC面としたサファイア基板上にハイドロキシアパタイト膜を形成した試料の結果を示し、「A−phase」が、主表面をA面としたサファイア基板上にハイドロキシアパタイト膜を形成した比較試料の結果を示している。   Next, a case where a hydroxyapatite film that is not c-axis oriented is generated will be described. FIG. 5 is a characteristic diagram showing an X-ray diffraction pattern of a hydroxyapatite film formed without being c-axis oriented. In FIG. 5, “C-phase” indicates the result of a sample in which a hydroxyapatite film is formed on a sapphire substrate having a main surface as a C-plane, and “A-phase” indicates a sapphire substrate having a main surface as an A-plane. The result of a comparative sample having a hydroxyapatite film formed thereon is shown.

例えば、スパッタガスとしてアルゴンガスを用い、主表面をC面としたサファイア基板上に室温でハイドロキシアパタイト膜を成膜し、この後、形成したハイドロキシアパタイト膜を酸素ガス中で600℃・2時間の条件で加熱する。この条件で形成した場合、ハイドロキシアパタイト(002)ピークが出現しないばかりか、結晶性が悪い。2θ=37.5°の位置にCaOに帰属されるピークも見られる。   For example, a hydroxyapatite film is formed at room temperature on a sapphire substrate whose main surface is C-plane using argon gas as a sputtering gas, and then the formed hydroxyapatite film is heated at 600 ° C. for 2 hours in oxygen gas. Heat under conditions. When formed under these conditions, the hydroxyapatite (002) peak does not appear and the crystallinity is poor. A peak attributed to CaO is also observed at a position of 2θ = 37.5 °.

このように、アルゴンでスパッタ成膜すると、Ca過剰な組成になることで、大きな結晶ドメインの生成が妨げられているものと考えられる。従って、スパッタガスとしてアルゴンを用いても、C面で終端されたハイドロキシアパタイト膜が得られない。   Thus, when sputter deposition is performed with argon, it is considered that the formation of large crystal domains is hindered by the Ca-excess composition. Therefore, even if argon is used as the sputtering gas, a hydroxyapatite film terminated at the C plane cannot be obtained.

また、図5には、主表面をA面としたサファイア基板を用い、固相成長した場合の2例の結果も示している。主表面をA面としたサファイア基板を用いた場合、600℃において2時間、550℃において10時間アニールした比較試料では、ともにハイドロキシアパタイト(211)ピークが一番強く、ハイドロキシアパタイト(002)ピークが2番目に強いというハイドロキシアパタイト多結晶膜に特有なX線回折パタンになっている。この結果より明らかなように、主表面をA面としたサファイア基板を用いると、C面終端したハイドロキシアパタイト結晶膜が全く得られない。   FIG. 5 also shows results of two examples in the case of solid phase growth using a sapphire substrate whose main surface is an A plane. In the case of using a sapphire substrate with the main surface being A-plane, the hydroxyapatite (211) peak is the strongest and the hydroxyapatite (002) peak is the strongest in the comparative samples annealed at 600 ° C. for 2 hours and 550 ° C. for 10 hours. It is an X-ray diffraction pattern peculiar to a hydroxyapatite polycrystalline film that is the second strongest. As is clear from this result, when a sapphire substrate having a main surface as the A plane is used, a C-plane terminated hydroxyapatite crystal film cannot be obtained at all.

次に、主表面をC面としたサファイア基板の上に成膜した後の加熱(第2工程)の条件と結晶性について、図6を用いて説明する。図6は、主表面をC面としたサファイア基板上にECRスパッタ成膜したハイドロキシアパタイト膜のラマンスペクトルの加熱温度依存性を示す特性図である。図6において、380−450cm-1、580cm-1、750cm-1のピークは、全てサファイア基板からのものである。 Next, the conditions and crystallinity of heating (second step) after forming a film on the sapphire substrate having the C surface as the main surface will be described with reference to FIG. FIG. 6 is a characteristic diagram showing the heating temperature dependence of the Raman spectrum of a hydroxyapatite film formed by ECR sputtering on a sapphire substrate having a C-plane main surface. In FIG. 6, 380-450cm -1, 580cm -1, the peak of 750 cm -1 is from all the sapphire substrate.

図6において、950cm-1のピークは、PO4 3-の結晶ユニットのP−O結合の対称伸縮モードに対応している。PO4 3-ユニットの振動モードのうちで、ラマン活性なものは、このν1=950cm-1だけである。成膜後の加熱を実施する前の成膜直後の試料(As-depo)、および450℃で加熱した試料に関しては、このピークがブロードであり、結晶化していないことに対応している。これらに対し、600℃で2時間加熱した試料では、950cm-1のピークは非常にシャープになっており、結晶化と同時にPO4 3-ユニットが完全な形に自己組織化したことを示唆している。 In FIG. 6, the peak at 950 cm −1 corresponds to the symmetrical stretching mode of the PO bond of the PO 4 3− crystal unit. Of the vibration modes of the PO 4 3- unit, the only Raman-active one is this ν 1 = 950 cm −1 . For the sample immediately after film formation (As-depo) before heating after film formation and the sample heated at 450 ° C., this peak is broad, which corresponds to the fact that it is not crystallized. On the other hand, in the sample heated at 600 ° C. for 2 hours, the peak at 950 cm −1 was very sharp, suggesting that the PO 4 3- unit self-assembled into a perfect shape at the same time as crystallization. ing.

次に、主表面をA面としたサファイア基板の上に成膜した後の加熱の条件と結晶性について、図7を用いて説明する。図7は、主表面をA面としたサファイア基板上にECRスパッタ成膜したハイドロキシアパタイト膜のラマンスペクトルの加熱温度依存性を示す特性図である。   Next, heating conditions and crystallinity after film formation on a sapphire substrate having a main surface as an A plane will be described with reference to FIG. FIG. 7 is a characteristic diagram showing the heating temperature dependence of the Raman spectrum of a hydroxyapatite film formed by ECR sputtering on a sapphire substrate whose main surface is an A-plane.

図7に示すX線回折パタンから、全ての比較試料が、ランダム配向の結晶であることが分かっている。550℃で10時間、600℃で2時間、700℃で1時間の加熱により、ν1=950cm-1のピークは、全てシャープになっている。図6に示したスペクトルとの主な相違点は、PO4 3-の変角振動モード(ν4)が、570−610cm-1に、非対称伸縮モード(ν3)が、1050−1100cm-1に観測されている点である。これらは本来、ラマン不活性のはずであるが、スペクトル上に現れているということは、PO4 3-ユニットの対称性が崩れていることを意味している。多結晶からなることがこのような禁制のラマンピークの出現に関与しているものと考えられる。 From the X-ray diffraction pattern shown in FIG. 7, it is known that all the comparative samples are randomly oriented crystals. By heating at 550 ° C. for 10 hours, at 600 ° C. for 2 hours, and at 700 ° C. for 1 hour, the peak at ν 1 = 950 cm −1 is all sharp. The main difference from the spectrum shown in FIG. 6 is that the bending vibration mode (ν 4 ) of PO 4 3− is 570-610 cm −1 , and the asymmetric stretching mode (ν 3 ) is 1050-1100 cm −1. It is a point that has been observed. These should be Raman-inactive by nature, but appearing on the spectrum means that the symmetry of the PO 4 3- unit is broken. It is considered that the formation of polycrystals is involved in the appearance of such forbidden Raman peaks.

次に、上述した各条件で形成したハイドロキシアパタイト膜における水の接触角について図8を用いて説明する。図8は、主表面をC面としたサファイア基板および主表面をA面としたサファイア基板の各々で、成膜したハイドロキシアパタイト膜の加熱温度と水の接触角との関係を示した特性図である。温度は、ECRスパッタ成膜をした後に行った加熱のときの条件である。   Next, the contact angle of water in the hydroxyapatite film formed under each condition described above will be described with reference to FIG. FIG. 8 is a characteristic diagram showing the relationship between the heating temperature of the formed hydroxyapatite film and the contact angle of water in each of the sapphire substrate having the main surface as the C-plane and the sapphire substrate having the main surface as the A-plane. is there. The temperature is a condition for heating performed after ECR sputtering film formation.

主表面をC面としたサファイア基板の上に形成したハイドロキシアパタイト結晶膜の接触角は67°から88°の範囲にあり、疎水性である。一方、主表面をA面としたサファイア基板の上に形成したハイドロキシアパタイト結晶膜の接触角は、45°から65°と低い。これらの有為な差は、ハイドロキシアパタイト結晶のC面だけで終端されているハイドロキシアパタイト結晶膜と、主表面をA面としたサファイア基板の上に形成することでランダム配向しているハイドロキシアパタイト結晶膜との違いから生じていることは明らかである。   The contact angle of the hydroxyapatite crystal film formed on the sapphire substrate having the main surface as the C plane is in the range of 67 ° to 88 ° and is hydrophobic. On the other hand, the contact angle of the hydroxyapatite crystal film formed on the sapphire substrate whose main surface is the A plane is as low as 45 ° to 65 °. A significant difference between these is that the hydroxyapatite crystal film terminated only on the C-plane of the hydroxyapatite crystal and the hydroxyapatite crystal randomly oriented by being formed on the sapphire substrate having the main surface as the A-plane. It is clear that the difference is from the membrane.

以上に説明したように、本発明によれば、H2Oガスを含むスパッタガスを用いた電子サイクロトロン共鳴スパッタ法で、主表面をC面としたサファイア基板の上にECRスパッタ法によりハイドロキシアパタイトの薄膜を形成し、この後、酸素が存在する雰囲気で形成した薄膜を加熱して結晶化するようにしたので、表面をC面としたハイドロキシアパタイトの薄膜が容易に形成できるようになる。 As described above, according to the present invention, hydroxyapatite is formed on an sapphire substrate having a C-plane main surface by ECR sputtering by electron cyclotron resonance sputtering using a sputtering gas containing H 2 O gas. Since the thin film was formed and then the thin film formed in an atmosphere containing oxygen was heated and crystallized, a hydroxyapatite thin film having a C-plane surface can be easily formed.

本発明を適用すると、成膜した後の結晶感度を600℃から900℃までの広い範囲にとしても、強くc軸配向した結晶子からなるハイドロキシアパタイト膜を形成することができる。得られたハイドロキシアパタイト膜は、骨類似の反応性を持つ表面を与えるため、本発明によるハイドロキシアパタイト膜表面を用いることで、生体材料と骨の相互作用の研究を展開することが可能である。   By applying the present invention, it is possible to form a hydroxyapatite film made of strongly c-axis oriented crystallites even if the crystal sensitivity after film formation is in a wide range from 600 ° C. to 900 ° C. Since the obtained hydroxyapatite film gives a surface having a bone-like reactivity, the use of the hydroxyapatite film surface according to the present invention makes it possible to develop research on the interaction between the biomaterial and the bone.

なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。   The present invention is not limited to the embodiment described above, and many modifications and combinations can be implemented by those having ordinary knowledge in the art within the technical idea of the present invention. It is obvious.

101…サファイア基板、102…薄膜。   101: sapphire substrate, 102: thin film.

Claims (2)

ハイドロキシアパタイトの焼結体からなるターゲットおよびH2Oガスを含むキセノンガスを用いた電子サイクロトロン共鳴スパッタ法で、主表面をC面としたサファイア基板の上に薄膜を形成する第1工程と、
酸素が存在する雰囲気で前記薄膜を加熱して結晶化する第2工程と
を備えることを特徴とするハイドロキシアパタイト薄膜の製造方法。
A first step of forming a thin film on a sapphire substrate having a main surface as a C-plane by an electron cyclotron resonance sputtering method using a target composed of a sintered body of hydroxyapatite and a xenon gas containing H 2 O gas;
And a second step of crystallizing the thin film by heating in an atmosphere in which oxygen is present. A method for producing a hydroxyapatite thin film.
請求項1記載のハイドロキシアパタイト薄膜の製造方法において、
前記第2工程では、600℃〜900℃の範囲で加熱を行うことを特徴とするハイドロキシアパタイト薄膜の製造方法。
In the manufacturing method of the hydroxyapatite thin film of Claim 1,
In the second step, heating is performed in a range of 600 ° C. to 900 ° C., and the method for producing a hydroxyapatite thin film.
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