JP2004346335A

JP2004346335A - ウルツ鉱型薄膜およびその作製方法

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Publication number: JP2004346335A
Application number: JP2003137688A
Authority: JP
Inventors: Morihito Akiyama; 守人秋山; Naohiro Ueno; 直広上野; Hiroshi Tateyama; 博立山; Toshihiro Kanbara; 敏浩蒲原
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2003-05-15
Filing date: 2003-05-15
Publication date: 2004-12-09

Abstract

【課題】ウルツ鉱型構造の化合物において、効果的な圧電特性を得るためには、結晶配向性のみならず、各結晶粒の自発分極の方向を一定の方向に揃える必要がある。なぜなら、反対の分極方向を持った結晶粒の存在により、全体での圧電効果が打ち消されてしまうためである。ウルツ鉱型構造の化合物の場合、分極方向の制御はその作製と同時に行われなくてはならない。
【解決手段】本発明は、金属材料をターゲットとし、窒素または酸素ガスを反応性ガスとして用いる反応性スパッタリング法により、ウルツ鉱型構造の化合物薄膜の作製方法において成膜条件、すなわち基板温度、スパッタリング圧力、窒素または酸素濃度、電力密度、膜厚を最適化し上記課題を解決した。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は結晶配向性が良好で分極方向が揃ったウルツ鉱型薄膜およびその作製方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】窒化アルミニウム（ＡｌＮ）などを含むウルツ鉱型構造の化合物半導体は、圧電性および焦電性を利用した電子デバイス、その広いバンドギャップを利用した光学デバイスまたは高耐圧・耐高温電子デバイス等多くのデバイスへの応用が期待されている。
【０００３】
特に、ＡｌＮは、１９世紀半ばに、初めて合成されて以来、研究者の関心を集めてきた。ＡｌＮは、構造的には六方晶系のウルツ鉱型構造を持つ化合物材料であり、ＩＩＩ−Ｖ属化合物の一種である。ウルツ鉱型構造の化合物は、共有結合を主体とする化合物であるが、ＡｌＮは、他のＩＩＩ−Ｖ属化合物とは異なり若干イオン性を有しているのが特徴とされている。
【０００４】
ウルツ鉱型構造の化合物の基本的特長は、
ａ．高温度まで化学的安定性を有する、
ｂ．溶融金属に対する耐食性が高い、
ｃ．電気絶縁性が優れている、
ｄ．熱伝導度が大きいなどがある。
また対称中心の無い結晶形であるので圧電性および焦電性を有することで知られている。
【０００５】
電子材料分野における各種機能性セラミックスの応用に、絶縁性セラミックスによる基板材料がある。それら基板材料に要求される基本的性質としては、高絶縁性、熱伝導性、低誘電率、他の素子とのマッチング、化学的安定性、焼結性などがあげられる。
【０００６】
ウルツ鉱型構造の化合物の薄膜や単結晶の合成方法として、物理気相成長法（ＰＶＤ）の一種である反応性スパッタリング法、分子線エピタキシー法、レザーアブレーション法、イオンプレーチィング法や塩化アルミニウムとアンモニアガスを用いた化学気相成長法（ＣＶＤ）、トリメチルアルミニウムとアンモニアガスを用いた有機金属ＣＶＤ法などが研究されている。
【０００７】
これらの試みは、ほとんどがウルツ鉱型構造の化合物の電子・光学的機能性薄膜の実用化を目的としている。特にＡｌＮは、弾性表面波（ＳＡＷ）の伝搬速度が圧電体の中で最も大きいことから、高周波領域のＳＡＷフィルターに代表される、ＳＡＷデバイスやバルク弾性波（ＢＡＷ）デバイスとしての応用が期待されている。
【０００８】
スパッタリング法によるＡｌＮは、多結晶構造を示すことが多いが、圧電体として応用するには結晶軸の配向性が成膜過程において制御されなければならない。ＡｌＮの場合、（０００２）面配向となるのが理想的であり多くの研究がなされてきた。
【０００９】
また、基板上に薄膜として形成する圧電性セラミックスは、１０００℃以上の高キュリー点を有し、且つ数１０００ＭＨｚ以上の高振動数にも対応できることが必要であるが、それらの特性を有するものを圧電性セラミックスの材料から適宜選択することができ、具体的には、ペロブスカイ型酸化物、ＬｉＮｂＯ３型酸化物、ウルツァイト型化合物があり、ウルツァイト型化合物としては、ＡｌＮ，ＺｎＯ等がある。特に、ウルツァイト型化合物であるＺｎＯ（酸化亜鉛）あるいはＡｌＮ（窒化アルミニウム）で、ｃ軸方向に配向された薄膜は、基板が燒結体であっても作製可能という点で有利なものである（下記特許文献１参照）。
【００１０】
【特許文献】特開平１０−１２２９４８号公報
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】しかし、効果的な圧電特性を得るためには、結晶配向性のみならず、各結晶粒の自発分極の方向を一定の方向に揃える必要がある。なぜなら、反対の分極方向を持った結晶粒の存在により、全体での圧電効果が打ち消されてしまうためである。
【００１２】
また、ウルツ鉱型構造の化合物は、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）に代表される強誘電体とは異なり、成型後の分極処理ができないため、これまで分極に関する検討は行われなかった。ウルツ鉱型構造の化合物の場合、分極方向の制御はその作製と同時に行われなくてはならない。
【００１３】
したがって、本発明の目的は、結晶配向性がよく、且つ自発分極方向の揃ったウルツ鉱型構造の化合物薄膜およびその作製方法を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】本発明は、金属材料をターゲットとし、窒素または酸素ガスを反応性ガスとして用いる反応性スパッタリング法により、ウルツ鉱型構造の化合物薄膜の作製方法において成膜条件、すなわち基板温度、スパッタリング圧力、窒素または酸素濃度、電力密度、膜厚を最適化し上記課題を解決した。
【００１５】
【実施の態様】本発明の実施の形態を以下に説明する。例えば、ＡｌＮ薄膜に圧電性を持たせるためには、（０００２）面に配向させる必要がある。そこでスパッタリング法の条件を最適化することにより、いかなる結晶構造の基板上にも（０００２）面に配向したＡｌＮの作製条件を見出した。しかし、（０００２）面に配向したＡｌＮでもなお充分な圧電性は得られず、その原因を図２に示すような分極方向の不揃いにあると考えた。そこでスパッタリング条件の更なる検討を行い、図１に示すように（０００２）面に配向して、なお且つ分極方向が揃ったＡｌＮの作成条件を見出した。
【００１６】
スパッタリングの条件は、基板温度を室温〜８００℃の範囲であり、好ましくは、３００℃〜４００℃である。
【００１７】
また、スパッタリング圧力は、０．０５〜５．０Ｐａの範囲であり、好ましくは、０．５〜１Ｐａである。
【００１８】
また、スパッタリングガスは、アルゴンと窒素の混合ガスであって窒素濃度は、５〜９０％の範囲である。また、酸素を付加する場合も、酸素濃度は、０．２〜１０％の範囲である。
【００１９】
また、高周波電力は、１〜２０Ｗ／ｃｍ^２の範囲であり、好ましくは、４〜８Ｗ／ｃｍ^２の範囲である。
【００２０】
また、膜厚は、２５ｎｍ〜１００μｍの範囲である。
【００２１】
ここで用いられる基板は、単結晶、多結晶および非晶質のいずれでも良い。
【００２２】
本発明は、ウルツ鉱型構造の化合物の圧電性を向上させるものであってＡｌＮのみならず他のウルツ鉱型構造の化合物、例えば酸化亜鉛等を用いた場合でも効果的である。
【００２３】
【実施例】基板温度を４００℃、窒素濃度を５０％、電力密度を７．８３Ｗ／ｃｍ^２、スパッタリング圧力を０．５Ｐａの条件において、窒化アルミニウムを１ミクロンの厚さに積層した結果、分極率は８０％程度であった。
【００２４】
【発明の効果】本発明によれば、結晶配向性がよく、且つ分極方向がそろったウルツ鉱型薄膜の作製が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明により作製されたウルツ鉱型薄膜の分極方向を示す図。
【図２】従来法により作製されたウルツ鉱型薄膜の分極方向を示す図。
【符号の説明】
１基板
２ウルツ鉱型薄膜
３結晶粒
４分極方向

Claims

ウルツ鉱型薄膜であって、分極率Ｘが５１≦Ｘ≦１００％の割合で分極方向がそろっていることを特徴とするウルツ鉱型薄膜。
ウルツ鉱型薄膜であって、（０００２）面に配向していることを特徴とする請求項１に記載されたウルツ鉱型薄膜。
上記ウルツ鉱型薄膜は、窒化アルミニウム、窒化ガリウム、窒化インジウム若しくは酸化亜鉛の中から選ばれるいずれか１種又はこれらの中から選ばれる２種以上の混晶であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載されたウルツ鉱型薄膜。
ウルツ鉱型薄膜の作製方法であって、分極率Ｘが５１≦Ｘ≦１００％の割合で分極方向がそろっているウルツ鉱型薄膜をスパッタリング法により作製することを特徴とするウルツ鉱型薄膜の作製方法。
ウルツ鉱型薄膜の作製方法であって、単結晶、多結晶又は非晶質の基板上へ成膜することを特徴とする請求項４に記載されたウルツ鉱型薄膜の作製方法。
ウルツ鉱型薄膜の作製方法であって、基板温度が室温〜８００℃の範囲であることを特徴とする請求項４又は５に記載されたウルツ鉱型薄膜の作製方法。
ウルツ鉱型薄膜の作製方法であって、スパッタリング圧力が０．０５〜５．０Ｐａの範囲であることを特徴とする請求項４乃至６のいずれかに記載されたウルツ鉱型薄膜の作製方法。
ウルツ鉱型薄膜の作製方法であって、スパッタリングガスは、アルゴン、窒素又は酸素の混合ガスであって、窒素又は酸素濃度は、５〜９０％の範囲であることを特徴とする請求項４乃至７のいずれかに記載されたウルツ鉱型薄膜の作製方法。
ウルツ鉱型薄膜の作製方法であって、高周波電力密度は、１〜１２Ｗ／ｃｍ^２の範囲であることを特徴とする請求項４乃至８のいずれかに記載されたウルツ鉱型薄膜の作製方法。
ウルツ鉱型薄膜の作製方法であって、膜厚は、２５ｎｍ以上の範囲であることを特徴とする請求項４乃至９のいずれかに記載されたウルツ鉱型薄膜の作製方法。
ウルツ鉱型薄膜の作製方法であって、ウルツ鉱型薄膜は、窒化アルミニウム、窒化ガリウム、窒化インジウム若しくは酸化亜鉛の中から選ばれるいずれか１種又はこれらの中から選ばれる２種以上の混晶であることを特徴とする請求項４乃至１０のいずれかに記載されたウルツ鉱型薄膜の作製方法。