JP2006027929A

JP2006027929A - 電気光学的単結晶薄膜成長用基板及びその製造方法

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Publication number: JP2006027929A
Application number: JP2004206150A
Authority: JP
Inventors: Yoshihisa Abe; 芳久阿部; Jun Komiyama; 純小宮山; Shunichi Suzuki; 俊一鈴木; Hideo Nakanishi; 秀夫中西
Original assignee: Toshiba Ceramics Co Ltd
Current assignee: Coorstek KK
Priority date: 2004-07-13
Filing date: 2004-07-13
Publication date: 2006-02-02
Also published as: US7262485B2; US20060011941A1

Abstract

【課題】サイズが大きく、かつ、品質が極めて高い電気光学的単結晶薄膜を得ることが可能な電気光学的単結晶薄膜成長用基板の提供。
【解決手段】Ｓｉ（００１）基板２上にＢＴＯ単結晶薄膜６等をエピタキシャル成長させるための電気光学的単結晶薄膜成長用基板１であって、Ｓｉ（００１）基板上にＳｉとＢＴＯとの格子不整合を緩衝する緩衝層３，４，５が２層以上形成されている。
【選択図】図４

Description

本発明は、光スィッチや光変調器等に用いるＢａＴｉＯ₃（ＢＴＯ：バリウムチタネート）やＰｂＴｉＯ₃、ＢｉＫＴｉＯ₃等からなる電気光学的単結晶薄膜をエピタキシャル成長させるために使用する基板及びその製造方法に関する。

ＢＴＯ単結晶は、光デバイスの性能を決定する２次の電気光学効果（カー効果）が極めて大きい材料であることが知られている。

ＢＴＯ単結晶は、Ｂａ（バリウム）、Ｔｉ（チタン）及びＯ（酸素）からなる透明な結晶で、２次の電気光学効果が大きい材料であることが知られている。
上記ＢＴＯ単結晶としては、Ｓｉ（００１）（シリコン、（００１）面）基板上に、ＳｉとＢＴＯの格子不整合を緩衝する緩衝層としてのＭｇＯ（マグネシウムオキサイド）単結晶層を介在してＢＴＯ単結晶薄膜を形成したものが知られている（非特許文献１参照）。

しかし、上述したＢＴＯ単結晶は、ＳｉとＢＴＯの格子不整合が十分に抑制緩和されておらず、ＢＴＯが多結晶化し、光デバイスの作製が困難となっている。
J.Mater.Res.,Vol.12,No.4, Apr 1997 p.1152〜1159

本発明は、サイズが大きく、かつ、品質が極めて高い電気光学的単結晶薄膜を得ることが可能な電気光学的単結晶薄膜成長用基板及びその製造方法の提供を課題とする。

本発明の電気光学的単結晶薄膜成長用基板は、Ｓｉ（００１）基板上に電気光学的単結晶薄膜をエピタキシャル成長させるための基板であって、Ｓｉ（００１）基板上にＳｉと電気光学的単結晶薄膜との格子不整合を緩衝する緩衝層が２層以上形成されていることを特徴とする。

前記緩衝層は、Ｓｉ（００１）基板上に順に形成したＳｒＴｉＯ₃（ＳＴＯ）単結晶層及びＢａＴｉＯ₃（ＢＴＯ）単結晶層であることが好ましい。
ただし、電気光学的単結晶薄膜がＢＴＯの場合は含まない。

なお、前記ＳＴＯ単結晶層とＢＴＯ単結晶層との間にＳＴＯとＢＴＯの混晶層が介在されていることがより好ましい。
ただし、電気光学的単結晶薄膜がＢＴＯの場合は含まない。

又、前記緩衝層は、Ｓｉ（００１）基板上に順に形成した３Ｃ−ＳｉＣ単結晶層及びＭｇＯ単結晶層であってもよい。

なお、電気光学的単結晶薄膜は、ＢＴＯであることが好ましい。

一方、前記緩衝層は、Ｓｉ（００１）基板上に順に形成したＳＴＯ単結晶層及びＳＴＯとＢＴＯの混晶層であることが好ましい。

又、本発明の電気光学的単結晶薄膜成長用基板の製造方法は、Ｓｉ（００１）基板上に電気光学的単結晶薄膜をエピタキシャル成長させるための基板の製造方法であって、Ｓｉ（００１）基板上にＳｉと電気光学的単結晶薄膜との格子不整合を緩衝する緩衝層を２層以上エピタキシャル成長により順に積層することを特徴とする。

前記緩衝層を、Ｓｉ（００１）基板上にエピタキシャル成長により順に積層するＳＴＯ単結晶層及びＢＴＯ単結晶層とすることが好ましい。
ただし、電気光学的単結晶薄膜がＢＴＯの場合は含まない。

なお、前記ＢＴＯ単結晶層のエピタキシャル成長の前に、ＳＴＯ単結晶層上にＳＴＯとＢＴＯの混晶層をエピタキシャル成長により積層することがより好ましい。
ただし、電気光学的単結晶薄膜がＢＴＯの場合は含まない。

又、前記緩衝層を、Ｓｉ（００１）基板上にエピタキシャル成長により順に積層する３Ｃ−ＳｉＣ単結晶層及びＭｇＯ単結晶層としてもよい。

一方、前記緩衝層を、Ｓｉ（００１）基板上にエピタキシャル成長により順に積層するＳＴＯ単結晶層及びＳＴＯとＢＴＯの混晶層とすることが好ましい。

本発明の電気光学的単結晶薄膜成長用基板及びその製造方法によれば、ＢＴＯ単結晶薄膜等が、Ｓｉ（００１）基板の大きさになると共に、ＳｉとＢＴＯとの格子不整合が２層以上の緩衝層により少くとも２段階で抑制緩和されるので、サイズが大きく、かつ、品質が極めて高い電気光学的単結晶薄膜を得ることができる。

緩衝層は、ＢＴＯ等が結晶形態としてそれぞれ立方晶、正方晶をとるため、Ｓｉが立方晶であることもあり、立方晶、正方晶系の結晶を選択することが望ましい。

ＳＴＯ単結晶層の厚さは、２〜１００ｎｍが好ましい。
ＳＴＯ単結晶層の厚さが、２ｎｍ未満であると、さらに積層される結晶膜が下地の影響を受け、面内で結晶方位が４５°回転のみでなく、９０°回転する結晶が発生し、多結晶になる場合がある。一方、１００ｎｍを超えても構わないが、結晶性に大きな変化はない。
なお、、立方晶であるＳＴＯは、格子定数が０．３９０５ｎｍで、Ｓｉの１×１ユニットセル長０．３８４ｎｍと近い値を有するために、Ｓｉ上にＳＴＯのエピタキシャル成長をすると、Ｓｉに対して４５°面内回転をした方位で成長することが知られている。

ＢＴＯ単結晶層の厚さは、５〜１５ｎｍが好ましい。
ＢＴＯ単結晶層の厚さが、５ｎｍ未満であると、ＳＴＯの格子定数のまま変化しない。一方、１５ｎｍを超えると、ＢＴＯ本来の格子定数に近づくため、ここで大きな格子歪みが生じ、結晶欠陥が発生する。
たとえば、立方晶単結晶薄膜の基板として用いる場合は、ＢＴＯの膜厚は５〜１５ｎｍとして、ＳＴＯと超格子構造を作製するべきである。
ただし、活性層としてＢＴＯを使用する場合は、この限りではなく、ＳＴＯとの超格子構造作製の後、必要な膜厚を得ることができる。

ＳＴＯとＢＴＯ混晶層の厚さは、１００〜１０００ｍが好ましい。
ＳＴＯとＢＴＯ混晶層の厚さが、１００ｎｍ未満であると、格子定数の傾斜が激しくなるために、格子欠陥が誘起される。一方、１０００ｎｍを超えると、ウエハの反りが激しくなる。
ＳＴＯとＢＴＯの混晶層は、格子定数をＳＴＯ単結晶層側ではそれに近い値とし、ＢＴＯ単結晶層側ではそれに近い値となるように変化させることが好ましい。

３Ｃ−ＳｉＣ（立方晶炭化ケイ素）単結晶層の厚さは、５〜１０００ｎｍが好ましい。
３Ｃ−ＳｉＣ単結晶層の厚さが、５ｎｍ未満であると、さらに積層される結晶膜が単結晶とならない。一方、１０００ｎｍを超えると、ウエハの反りが激しくなる。
なお、立方晶である３Ｃ−ＳｉＣは、格子定数（０．４３６ｎｍ）がＳｉの格子定数（０．５４３ｎｍ）と比較して約２０％の違いがあるものの、Ｓｉ表面を炭化することにより、Ｓｉ上にヘテロエピタキシャル成長できることが知られている。

ＭｇＯ単結晶の厚さは、５〜１０００ｎｍが好ましい。
ＭｇＯ単結の厚さが、５ｎｍ未満であると、ＳｉＣの格子定数の影響を受け、ＭｇＯの格子が歪んだ状態のままとなり、ＭｇＯ自体の格子定数にならない。一方、１０００ｎｍを超えると、ウエハの反りが激しくなる。
なお、立方晶であるＭｇＯは、格子定数（０．４２１ｎｍ）が３Ｃ−ＳｉＣの格子定数に近く、ミスフィット転位を抑制した状態で３Ｃ−ＳｉＣ上にヘテロエピタキシャル成長ができる。
又、ＭｇＯは、格子定数が、ＢＴＯのそれに近く、その上へのＢＴＯのヘテロエピタキシャル成長が可能となる。

エピタキシャル成長法としては、ＣＶＤ法（化学的方法）、ＰＶＤ法（物理的方法）からなるＶＰＥ（気相エピタキシャル法）、ゾーンメルティング法、ＣＺ法（チョクラルスキー法）等からなるＬＰＥ（液相エピタキシャル法）、その他が挙げられる。

図１は、本発明に係る電気光学的単結晶薄膜成長用基板の実施例１を示す概念的な断面図である。

この電気光学的単結晶薄膜成長用基板１は、ＢＴＯ単結晶薄膜を成長させるためのものであり、Ｓｉ（００１）基板２上に、ＳｉとＢＴＯの格子不整合を緩衝する緩衝層として、厚さ１００ｎｍ程度のＳＴＯ単結晶層３、厚さ１００ｎｍ程度のＳＴＯとＢＴＯの混晶層４、及び厚さ１０００ｎｍ程度のＢＴＯ単結晶層５が順に形成されているものである。

上述した電気光学的単結晶薄膜成長用基板１を製造するには、先ず、Ｓｉ（００１）基板２をその自然酸化膜上にＳＴＯ単結晶層３を成膜するため、ＲＦ(Radio Frequency）スパッタリング装置に納置し、基板温度を８００℃として、ＳＴＯ単結晶層３（図２（ｂ）参照）を１００ｎｍ程度の厚さに成長させる。
原料には、焼結ＳＴＯターゲットを採用し（図２（ａ）参照）、スパッタガスには、Ａｒ（アルゴン）とＯ₂の混合気体を用いる。

次に、基板温度を同じく８００℃として、ＳＴＯとＢＴＯの混晶層４（図２（ｃ）参照）を１００ｎｍ程度の厚さに成長させる。
原料には、焼結ＳＴＯ及び焼結ＢＴＯターゲットを採用し（図２（ｂ）参照）、スパッタガスには、ＡｒとＯ₂の混合気体を用いる。

次いで、基板温度を同じく８００℃に保持し、ＢＴＯの単結晶層５（図１参照）を１０００ｎｍの厚さに成長させる。
原料には、焼結ＳＴＯターゲットを採用し（図２（ｃ）参照）、スパッタガスには、ＡｒとＯ₂の混合気体を用いる。

前記ＢＴＯの単結晶層を１００ｎｍ程度とし、その上に更に別の単結晶層を設けてもよい。
その時は、最後に形成する単結晶層を１０００ｎｍ以上の厚さに成長させるとよい。

なお、ＳＴＯ単結晶層３とＢＴＯ単結晶層５との間にＳＴＯとＢＴＯの混晶層４を介在させることなく、Ｓｉ（００１）基板上にＳＴＯ単結晶層及びＢＴＯ単結晶層を順に形成した電気光学的単結晶薄膜成長用基板を用いて成膜してもよい。

図３は、本発明に係る電気光学的単結晶薄膜成長用基板の実施例２を示す概念的な断面図である。

この電気光学的単結晶薄膜成長用基板７は、ＢＴＯ単結晶薄膜等を成長させるためのものであり、Ｓｉ（００１）基板８上に、ＳｉとＢＴＯ等の格子不整合を緩衝する緩衝層として、厚さ１０ｎｍ程度の炭化層９、厚さ５００ｎｍ程度の３Ｃ−ＳｉＣ単結晶層１０、及び厚さ５００ｎｍ程度のＭｇＯ単結晶層１１が順に形成されているものである。

上述した電気光学的単結晶薄膜成長用基板７を製造するには、先ず、Ｓｉ（００１）基板８をＨ２（水素ガス）雰囲気中で１０００℃以上の温度で加熱することにより自然酸化膜を除去した後、基板温度を１１５０℃程度まで昇温し、かつ、Ｃ₃Ｈ₈（プロパン）を供給し（図４（ａ）参照）、基板表面を炭化して厚さ１０ｎｍ程度の炭化層９（図４（ｂ）参照）を形成する。

次に、基板温度を同じく１１５０℃として、ＳｉＨ₄（モノシラン）及びＣ₃Ｈ₈
を供給し（図４（ｂ）参照）、３Ｃ−ＳｉＣ単結晶層１０（図４（ｃ）参照）を５００ｎｍ程度の厚さに成長させる。

次いで、炭化層９及び３Ｃ−ＳｉＣ単結晶層１０を形成したＳｉ（００１）基板８をＲＦスパッタリング装置に納置し、基板温度を６００℃として、ＭｇＯ単結晶層１１（図４参照）を５００ｎｍ程度の厚さに成長させる。
原料には、ＭｇＯターゲットを採用し（図４（ｃ）参照）、スパッタガスには、ＡｒとＯ₂の混合気体を用いる。

得られた電気光学的単結晶薄膜成長用基板７を用いてＢＴＯ単結晶薄膜を成長させるには、電気光学的単結晶薄膜成長用基板７をＲＦスパッタリング装置に納置し、基板温度を９００℃とし、スパッタガスには、ＡｒとＯ₂の混合気体を用い、ＢＴＯ単結晶薄膜を１０００ｎｍ以上の厚さに成長させる。

図５は、本発明に係る電気光学的単結晶薄膜成長用基板の実施例３を示す概念的な断面図である。

この電気光学的単結晶薄膜成長用基板１３は、ＢＴＯ単結晶薄膜を成長させるためのものであり、Ｓｉ（００１）基板１４上に、ＳｉとＢＴＯの格子不整合を緩衝する緩衝層として、厚さ１００ｎｍ程度のＳＴＯ単結晶層１５、及び厚さ１００ｎｍ程度のＳＴＯとＢＴＯの混晶層１６が順に形成されているものである。

上述した電気光学的単結晶薄膜成長用基板１３を製造するには、実施例１の場合と同様に、先ず、Ｓｉ（００１）基板１４をその自然酸化膜上にＳＴＯ単結晶層１５を成膜するため、ＲＦスパッタリング装置に納置し、基板温度を８００℃として、ＳＴＯ単結晶層１５（図６（ｂ）参照）を１００ｎｍ程度の厚さに成長させる。
原料には、焼結ＳＴＯターゲットを採用し（図６（ａ）参照）、スパッタガスには、ＡｒとＯ₂の混合気体を用いる。

次に、基板温度を同じく８００℃に保持し、ＳＴＯとＢＴＯの混晶層１６（図５参照）を１００ｎｍ程度の厚さに成長させる。
原料には、焼結ＳＴＯ及び焼結ＢＴＯターゲットを採用し（図６（ｂ）参照）、スパッタガスには、ＡｒとＯ₂の混合気体を用いる。

得られた電気光学的単結晶薄膜成長用基板１３を用いてＢＴＯ単結晶薄膜を成長させるには、電気光学的単結晶薄膜成長用基板１３をＲＦスパッタリング装置に納置し、基板温度を８００℃とし、原料には、焼結ＢＴＯターゲットを採用する（図７参照）と共に、スパッタガスには、ＡｒとＯ₂の混合気体を用い、ＢＴＯ単結晶薄膜１７（図８参照）を１０００ｎｍ以上の厚さに成長させる。

ここで、ＢＴＯ単結晶薄膜をＸＲＤ評価したところ、ＢＴＯ（００１）に関するピーク以外は検出されず、ヘテロエピタキシャルを示していることが分かった。

本発明に係る電気光学的単結晶薄膜成長用基板の実施例１を示す概念的な断面図である。図１の基板の製造方法を示すもので、（ａ）は第１工程説明図、（ｂ）は第２工程説明図、（ｃ）は最終工程説明図である。本発明に係る電気光学的単結晶薄膜成長用基板の実施例２を示す概念的な断面図である。図３の基板の製造方法を示すもので、（ａ）は第１工程説明図、（ｂ）は第２工程説明図、（ｃ）は最終工程説明図である。本発明に係る電気光学的単結晶薄膜成長用基板の実施例３を示す概念的な断面図である。図５の基板の製造方法を示すもので、（ａ）は第１工程説明図、（ｂ）は最終工程説明図である。図５の基板を用いたＢＴＯ単結晶薄膜の製造方法の説明図である。図５の基板を用いたＢＴＯ単結晶薄膜の概念的な断面図である。

符号の説明

１電気光学的単結晶薄膜成長用基板
２Ｓｉ（００１）基板
３ＳＴＯ単結晶層（緩衝層）
４ＳＴＯとＢＴＯの混晶層（緩衝層）
５ＢＴＯ単結晶層（緩衝層）
７電気光学的単結晶薄膜成長用基板
８Ｓｉ（００１）基板
１０３Ｃ−ＳｉＣ単結晶層（緩衝層）
１１ＭｇＯ単結晶層（緩衝層）
１３電気光学的単結晶薄膜成長用基板
１４Ｓｉ（００１）基板
１５ＳＴＯ単結晶層（緩衝層）
１６ＳＴＯとＢＴＯの混晶層（緩衝層）
１７ＢＴＯ単結晶薄膜

Claims

Ｓｉ（００１）基板上に電気光学的単結晶薄膜をエピタキシャル成長させるための基板であって、Ｓｉ（００１）基板上にＳｉと電気光学的単結晶薄膜との格子不整合を緩衝する緩衝層が２層以上形成されていることを特徴とする電気光学的単結晶薄膜成長用基板。
前記緩衝層が、Ｓｉ（００１）基板上に順に形成したＳｒＴｉＯ₃（ＳＴＯ）単結晶層及びＢａＴｉＯ₃（ＢＴＯ）単結晶層であることを特徴とする請求項１記載の電気光学的単結晶薄膜成長用基板。
前記ＳＴＯ単結晶層とＢＴＯ単結晶層との間にＳＴＯとＢＴＯの混晶層が介在されていることを特徴とする請求項２記載の電気光学的単結晶薄膜成長用基板。
前記緩衝層が、Ｓｉ（００１）基板上に順に形成した３Ｃ−ＳｉＣ単結晶層及びＭｇＯ単結晶層であることを特徴とする請求項１記載の電気光学的単結晶薄膜成長用基板。
前記電気光学的単結晶薄膜が、ＢＴＯであることを特徴とする請求項１記載の電気光学的単結晶薄膜成長用基板。
前記緩衝層が、Ｓｉ（００１）基板上に順に形成したＳＴＯ単結晶層及びＳＴＯとＢＴＯの混晶層であることを特徴とする請求項１又は５記載の電気光学的単結晶薄膜成長用基板。
前記緩衝層が、Ｓｉ（００１）基板上に順に形成した３Ｃ−ＳｉＣ単結晶層及びＭｇＯ単結晶層であることを特徴とする請求項１、５又は６記載の電気光学的単結晶薄膜成長用基板。
Ｓｉ（００１）基板上に電気光学的単結晶薄膜をエピタキシャル成長させるための基板の製造方法であって、Ｓｉ（００１）基板上にＳｉと電気光学的単結晶薄膜との格子不整合を緩衝する緩衝層を２層以上エピタキシャル成長により順に積層することを特徴とする電気光学的単結晶薄膜成長用基板の製造方法。
前記緩衝層を、Ｓｉ（００１）基板上にエピタキシャル成長により順に積層するＳＴＯ単結晶層及びＢＴＯ単結晶層とすることを特徴とする請求項８記載の電気光学的単結晶薄膜成長用基板の製造方法。
前記ＢＴＯ単結晶層のエピタキシャル成長の前に、ＳＴＯ単結晶層上にＳＴＯとＢＴＯの混晶層をエピタキシャル成長により積層することを特徴とする請求項９記載の電気光学的単結晶薄膜成長用基板の製造方法。
前記緩衝層を、Ｓｉ（００１）基板上にエピタキシャル成長により順に積層する３Ｃ−ＳｉＣ単結晶層及びＭｇＯ単結晶層とすることをことを特徴とする請求項８記載の電気光学的単結晶薄膜成長用基板の製造方法。
前記緩衝層を、Ｓｉ（００１）基板上にエピタキシャル成長により順に積層するＳＴＯ単結晶層及びＳＴＯとＢＴＯの混晶層とすることを特徴とする請求項８記載の電気光学的単結晶薄膜成長用基板の製造方法。
前記緩衝層を、Ｓｉ（００１）基板上にエピタキシャル成長により順に積層する３Ｃ−ＳｉＣ単結晶層及びＭｇＯ単結晶層とすることを特徴とする請求項８記載の電気光学的単結晶薄膜成長用基板の製造方法。