JP2004244703A

JP2004244703A - ＬｉＮｂＯ３配向性薄膜形成方法

Info

Publication number: JP2004244703A
Application number: JP2003037803A
Authority: JP
Inventors: Masayoshi Akazawa; 方省赤澤; Masaru Shimada; 勝嶋田
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2003-02-17
Filing date: 2003-02-17
Publication date: 2004-09-02
Anticipated expiration: 2023-02-17
Also published as: JP4023677B2

Abstract

【課題】十分な結晶性と配向性とを有するＬｉＮｂＯ_３薄膜を、石英基板上またはＳｉＯ_２膜上に形成することができるＬｉＮｂＯ_３配向性薄膜形成方法を提供する。
【解決手段】定組成のＬｉＮｂＯ_３ターゲットを用いた電子サイクロトロン共鳴スパッタリング法によるＬｉＮｂＯ_３配向性薄膜形成方法において、石英基板もしくはＳｉＯ_２膜１の温度が４３０℃以上４９０℃以下の状態で酸素ガスを供給して、石英基板もしくはＳｉＯ_２膜１上にＬｉＮｂＯ_３薄膜２を形成する。また、酸素ガスの供給は、ＬｉＮｂ_３Ｏ_８相が生ずるよりも低く、かつ、ＬｉＮｂＯ_３ターゲット表面を一定量の酸素原子が覆った状態を保つのに十分な流量にする。これによって、ＳｉＯ_２膜１または石英基板上では非常に限られた成膜条件の範囲で、ＬｉＮｂＯ_３の配向性膜を得ることができ、光学的薄膜としての利用に適した配向性結晶薄膜を得ることができる。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光導波路や機能性光学部品に用いられるＬｉＮｂＯ_３光学薄膜を作製するＬｉＮｂＯ_３配向性薄膜形成方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＬｉＮｂＯ_３（ニオブ酸リチウム）のバルク結晶は、電気光学効果、非線形光学効果、音響光学効果、ピエゾ電気効果など数々の特性を示す。このため、ＬｉＮｂＯ_３のバルク結晶は光通信分野や光応用分野で広く用いられてきた。その一方で、ＬｉＮｂＯ_３薄膜を異種基板上に成膜して、薄膜ならではの低電圧駆動、素子の微細化などのメリットを活かすことを目的とするＬｉＮｂＯ_３薄膜の成膜方法が開発されている。その方法の代表的なものとして、例えばＲＦ（高周波）スッパタ法、マグネトロンスパッタ法、ＥＣＲ（電子サイクロトロン共鳴）スパッタ法、有機金属気相成長法、ゾル−ゲル法、レーザーアブレーション法などが挙げられる。
【０００３】
ＬｉＮｂＯ_３薄膜を光導波路のコアとして用いるには、ＬｉＮｂＯ_３よりも低屈折率の材料をクラッド層とし、この上にＬｉＮｂＯ_３薄膜を形成する必要がある。従来から、ＬｉＮｂＯ_３結晶と格子整合が取れて、しかも、低屈折率であるサファイア基板が主に用いられてきた。
【０００４】
最近、シリコンとＳｉＯ_２との間の高い屈折率差に着目した微小光回路の可能性が指摘されている。そのような系にＬｉＮｂＯ_３薄膜を組み入れ、電気光学効果や非線形光学効果を利用して、機能素子部品として働かせるために、ＬｉＮｂＯ_３結晶よりも屈折率の低い石英基板やＳｉＯ_２膜の上に、ＬｉＮｂＯ_３の配向性膜を成膜することが必要である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、ＬｉＮｂＯ_３結晶よりも屈折率の低い石英基板やＳｉＯ_２膜の上に、ＬｉＮｂＯ_３配向性膜を成膜するためには、次のような問題点がある。つまり、ＳｉＯ_２は元来無定形であるため、サファイア基板上のようなエピタキシャル成長を期待することはできない。しかし、ＥＣＲスパッタ法を用いると、本来、ＬｉＮｂＯ_３と格子整合しないＳｉ基板上で、良好な結晶性と配向性を兼ね備えるＬｉＮｂＯ_３薄膜が得られている。この点については、次の文献に記載されている。
文献１：特願２００２−１１８７１３ＬｉＮｂＯ_３薄膜形成方法；赤澤方省、嶋田勝Ｈ１４／０４／２２
【０００６】
ところが、Ｓｉ基板上の成膜と同様な条件をＳｉＯ_２膜上での成長に適用した場合、十分な結晶性と配向性とを有するＬｉＮｂＯ_３薄膜が得られないという問題点があった。
【０００７】
本発明は、前記の課題を解決し、十分な結晶性と配向性とを有するＬｉＮｂＯ_３薄膜を、石英基板上またはＳｉＯ_２膜上に形成することができるＬｉＮｂＯ_３配向性薄膜形成方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、請求項１の発明は、定組成のＬｉＮｂＯ_３ターゲットを用いた電子サイクロトロン共鳴スパッタリング法によるＬｉＮｂＯ_３配向性薄膜形成方法において、石英基板もしくはＳｉＯ_２膜（１）の温度が４３０℃以上４９０℃以下の状態で酸素ガスを供給して、前記石英基板もしくは前記ＳｉＯ_２膜（１）上にＬｉＮｂＯ_３薄膜（２）を形成することを特徴とするＬｉＮｂＯ_３配向性薄膜形成方法である。
請求項２の発明は、請求項１に記載のＬｉＮｂＯ_３配向性薄膜形成方法において、前記酸素ガスの供給は、ＬｉＮｂ_３Ｏ_８相が生ずるよりも低く、かつ、前記ＬｉＮｂＯ_３ターゲット表面を一定量の酸素原子が覆った状態を保つのに十分な流量にすることを特徴とする。
【０００９】
本発明により、ＳｉＯ_２上では非常に限られた成膜条件の範囲において、配向性膜が得られることが明らかになり、光学的薄膜としての利用に適した配向性結晶薄膜が得られるようになった。
【００１０】
【発明の実施の形態】
つぎに、この発明の実施の形態について、図面を参照して詳しく説明する。この実施の形態では、図１に示すように、ＳｉＯ_２膜１上にＬｉＮｂＯ_３薄膜２を形成する。
【００１１】
ＥＣＲスパッタ法によりＳｉ基板上にＬｉＮｂＯ_３薄膜を成膜する場合の最適温度は、前述の文献１に記載されているように５３０℃である。この温度ではＳｉＯ_２膜で良好な配向性結晶薄膜が得られないため、以下にその原因を検討した。
【００１２】
図２は、基板温度４６０℃および酸素分圧１．２ｍＰａの条件下において、膜厚１４０ｎｍのＳｉＯ_２膜１上に成膜した膜厚３６０ｎｍのＬｉＮｂＯ_３薄膜２試料中の各元素の深さ分布を、二次イオン質量分析法により測定した結果である。Ｌｉ原子の分布はＬｉＮｂＯ_３／ＳｉＯ_２界面３付近（深さ４６０ｎｍ）にパイルアップ３Ａが見られるものの、ＬｉＮｂＯ_３薄膜２とＳｉＯ_２膜１との界面３で急峻に落ちている。同様に、Ｎｂ原子の分布もＬｉＮｂＯ_３薄膜２とＳｉＯ_２膜１の界面３で２桁近く落ちている。したがって、基板温度４６０℃では、ＬｉＮｂＯ_３薄膜２とＳｉＯ_２膜１とは基本的に界面で分離している。この結果、良好な配向性結晶薄膜を得ることができる。
【００１３】
一方、成膜温度５３０℃および酸素分圧１．２ｍＰａの条件下による結果を図３に示す。図３の結果では、Ｌｉ原子とＮｂ原子の分布はＬｉＮｂＯ_３薄膜とＳｉＯ_２膜との界面より深い領域でも緩やかにしか下がらず、ＳｉＯ_２膜中へ拡散していることが分かる。Ｓｉ原子のＬｉＮｂＯ_３膜内の濃度は、図２に比べて約２桁程度高く、ＳｉＯ_２膜から拡散してＬｉＮｂＯ_３薄膜の表面まで達している。このように、ＬｉＮｂＯ_３／ＳｉＯ_２界面が著しくだれていることが、ＬｉＮｂＯ_３薄膜の配向性に多大な影響を与えることは必死である。プラズマが作る電界のもとで成膜をするスパッタリング法の最中には、このようなＳｉ、Ｌｉ、Ｎｂ原子の相互拡散現象は、単なる加熱の効果以上に顕著に起るものと推察される。この結果、良好な配向性結晶薄膜を得ることができない。
【００１４】
逆に、基板温度が４６０℃よりもさらに低くなると、ＬｉＮｂＯ_３薄膜２の結晶性は悪化する。このことから、ＬｉＮｂＯ_３配向性結晶薄膜を得るためには、基板温度４６０℃付近が最適である。また、基板温度４６０℃付近から少しでもずれると、結晶性もしくは配向性が悪くなることが分かる。
【００１５】
同様に、酸素分圧に関しても最適な条件が存在する。もし、酸素分圧が高すぎると、一度成膜したＬｉＮｂＯ_３薄膜２からのＬｉ_２Ｏ分子の脱離が促進されて、ＬｉＮｂ_３Ｏ_８相が生じてしまう。逆に、酸素分圧が低すぎると、ターゲット表面が酸素欠損をした状態になり、多結晶状態のＬｉＮｂＯ_３が成長する。したがって、ターゲット表面を一定量の酸素原子が覆う程度に酸素分圧は高く、ＬｉＮｂＯ_３の単一相だけが得られる程度に酸素分圧は低くなければならない。
【００１６】
以上述べた基板温度と酸素分圧とによって、ＳｉＯ_２膜上に＜００１＞方向へ高配向したＬｉＮｂＯ_３結晶薄膜であるＬｉＮｂＯ_３薄膜２を得ることが可能になった。
【００１７】
【実施例】
以下に、実施例をあげて本発明をさらに詳細に説明するが、本発明は本実施例によって限定されるものではない。ＥＣＲプラズマスパッタ法により、ＳｉＯ_２膜上に連続成膜したＬｉＮｂＯ_３薄膜（薄膜３５０ｎｍ）のＸ線回折スペクトルを図４に示す。スパッタガスとしてアルゴンと酸素との混合気体を用い、実施の形態で述べた実験結果を踏まえて、酸素流量０．５ｓｃｃｍ、基板温度４６０℃の条件で連続的にＬｉＮｂＯ_３薄膜を成長させた。
【００１８】
Ｓｉ基板からの＜００４＞反射（６９．５°）以外には、ＬｉＮｂＯ_３薄膜がＣ軸配向していることを示す＜００６＞反射（３８．９°）、＜００１２＞反射（８３．５°）だけが観測されている。図５に示す基板温度を変化させたときの＜００６＞反射点強度の変化から、４６０℃で結晶性が最大になることが分かる。４６０℃以下では、基板温度が低くなる程、結晶性が劣化して、＜００６＞反射点の強度が低下する。４６０℃以上では、Ｌｉ原子の拡散による組成性の崩れや界面のラフネス増大による配向性の変位の拡大により、＜００６＞反射点の強度が低下するものと考えられる。アモルファス状態から結晶化が始まる温度は４３０℃であるため、４３０〜４９０℃の範囲で成膜が可能であるが、基板温度４４０〜４９０℃が実用上成膜に使用できる温度である。
【００１９】
一方、酸素流量に関しては、図６に示す酸素分圧を０〜８ｍＰａの範囲で変化させたときの＜００６＞反射点強度の変化から、１ｍＰａで配向性・結晶性が最大になることが分かる。実用上は、１〜３ｍＰａが成膜に使える範囲であることが分かる。この最適酸素ガス分圧は、装置の排気速度、イオン源に投入するマイクロ波のパワー、ターゲットに印加する電圧に依存するため、使用する装置ごとに異なる。しかし、共通して言えることは、高酸素分圧で配向性・結晶性が低下するのは、ＬｉＯ_２分子の離脱が促進されるからであり、１ｍＰａより低い酸素分圧で配向性・結晶性が低下するのは、成膜されるＬｉＮｂＯ_３薄膜の内部が酸素不足になるからである。
【００２０】
以上、本発明の実施の形態および実施例を詳述してきたが、具体的な構成は本実施の形態および実施例に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても、本発明に含まれる。たとえば、前記の実施の形態および実施例では、結晶性と配向性とを有するＬｉＮｂＯ_３薄膜をＳｉＯ_２膜上に形成する場合を例としたが、ＳｉＯ_２膜と同様に石英基板上にＬｉＮｂＯ_３薄膜を形成してもよい。
【００２１】
【発明の効果】
以上、説明したように、本発明によれば、ＳｉＯ_２膜または石英基板上では非常に限られた成膜条件の範囲で、ＬｉＮｂＯ_３の配向性膜を得ることができることが明らかになり、光学的薄膜としての利用に適した配向性結晶薄膜を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】発明の実施の形態によってＳｉＯ_２膜上に成膜したＬｉＮｂＯ_３薄膜を示す断面図である。
【図２】ＥＣＲスパッタ法により、基板温度４６０℃、酸素分圧１．２ｍＰａの条件下でＳｉＯ_２膜上に成膜したＬｉＮｂＯ_３薄膜の二次イオン質量分析法による各元素の深さ分布を示す図である。
【図３】ＥＣＲスパッタ法により、基板温度５３０℃、酸素分圧１．２ｍＰａの条件下でＳｉＯ_２膜上に成膜したＬｉＮｂＯ_３薄膜の二次イオン質量分析法による各元素の深さ分布を示す図である。
【図４】ＥＣＲスパッタ法により、基板温度４６０℃、酸素分圧１．２ｍＰａの条件下でＳｉＯ_２膜上に成膜したＬｉＮｂＯ_３薄膜のＸ線回折θ−２θスペクトルを示す図である。
【図５】ＥＣＲスパッタ法により成膜したＬｉＮｂＯ_３薄膜の＜００６＞反射点の基板温度依存性を示す図である。
【図６】ＥＣＲスパッタ法により成膜したＬｉＮｂＯ_３薄膜の＜００６＞反射点の酸素分圧依存性を示す図である。
【符号の説明】
１ＳｉＯ_２膜
２ＬｉＮｂＯ_３薄膜
３ＬｉＮｂＯ_３／ＳｉＯ_２界面

Claims

定組成のＬｉＮｂＯ_３ターゲットを用いた電子サイクロトロン共鳴スパッタリング法によるＬｉＮｂＯ_３配向性薄膜形成方法において、
石英基板もしくはＳｉＯ_２膜（１）の温度が４３０℃以上４９０℃以下の状態で酸素ガスを供給して、前記石英基板もしくは前記ＳｉＯ_２膜（１）上にＬｉＮｂＯ_３薄膜（２）を形成することを特徴とするＬｉＮｂＯ_３配向性薄膜形成方法。
前記酸素ガスの供給は、ＬｉＮｂ_３Ｏ_８相が生ずるよりも低く、かつ、前記ＬｉＮｂＯ_３ターゲット表面を一定量の酸素原子が覆った状態を保つのに十分な流量にすることを特徴とする請求項１に記載のＬｉＮｂＯ_３配向性薄膜形成方法。