JP2007182335A - 単結晶薄膜およびその形成方法 - Google Patents

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純 小宮山
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俊一 鈴木
Hideo Nakanishi
秀夫 中西
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Abstract

【課題】ニオブ酸リチウム(LN)またはタンタル酸リチウム(LT)単結晶からなり、より結晶性に優れた電気光学用途向け単結晶薄膜およびその形成方法を提供する。
【解決手段】Si(111)基板1上に、立方晶炭化ケイ素層3および酸化マグネシウム単結晶層4を順次積層させ、前記酸化マグネシウム層4の上に、LNまたはLTからなる薄膜5をエピタキシャル成長させることにより、LNまたはLTからなる単結晶薄膜6を形成させる。
【選択図】図1

Description

本発明は、電気光学的特性に優れたニオブ酸リチウム(LiNbO3:LN)およびタンタル酸リチウム(LiTaO3:LT)の単結晶薄膜およびその形成方法に関する。
ニオブ酸リチウム(LN)およびタンタル酸リチウム(LT)単結晶は、電気光学的に優れた特性を有する透明な単結晶であり、従来、チョクラルスキー法により、バルク結晶が工業的に製造されており、これらを用いて、FM変調器、光導波路等の様々な光学デバイスが作製されている。
一方、LNやLTを、シリコン基板上に薄膜として形成させる技術の検討開発も進められている。LNやLTのエピタキシャル薄膜は、これらの優れた電気光学的特性を電子デバイスと融合させる上で有効である。
また、シリコン基板は、直径300mmの大口径サイズのものが市販されていることから、シリコン基板上にエピタキシャル成長させれば、LNやLTの単結晶薄膜を大口径で得ることが可能であり、広い面積が求められる光導波路等の形成にも有利である。
上記のような薄膜としては、例えば、非特許文献1に、Si(001)基板上に、急速な酸化により形成された厚さ2〜4nmのアモルファス中間層を介して、LN膜が形成されることが開示されている。
"Journal of Crystal Growth",2004年,vol.270,p.560−567
しかしながら、基板となるシリコン単結晶と、その上に成長させるLNまたはLTとでは、格子不整合により、LNまたはLTが多結晶化しやすく、上記非特許文献1に記載されているようなLN膜では、結晶化が必ずしも十分であるとは言えず、光学デバイスの作製は困難であった。
したがって、格子定数の相違による多結晶化を抑制することができるLNおよびLT単結晶薄膜の形成技術が求められている。
本発明は、上記技術的課題を解決するためになされたものであり、LNまたはLT単結晶からなり、より結晶性に優れた電気光学用途向け単結晶薄膜およびその形成方法を提供することを目的とするものである。
本発明に係る単結晶薄膜は、Si(111)基板上に順次積層された立方晶炭化ケイ素層(3C−SiC層)および酸化マグネシウム単結晶層(MgO層)の上に形成された薄膜であり、ニオブ酸リチウム(LN)またはタンタル酸リチウム(LT)からなることを特徴とする。
上記のように、3C−SiCおよびMgOを、LNまたはLTとSiとの緩衝層とすることにより、段階的に格子不整合を抑制することができ、LNまたはLTを、結晶性に優れた高品質な薄膜として得ることができる。
また、本発明に係る単結晶薄膜の形成方法は、Si(111)基板上に、立方晶炭化ケイ素層(3C−SiC層)および酸化マグネシウム単結晶層(MgO層)を順次積層させ、前記酸化マグネシウム層(MgO層)の上に、ニオブ酸リチウム(LN)またはタンタル酸リチウム(LT)からなる薄膜をエピタキシャル成長させることを特徴とする。
上記方法によれば、結晶性に優れたLNまたはLTからなる高品質な電気光学用途向け単結晶薄膜を好適に形成することができる。
本発明によれば、シリコン基板上に、LNまたはLT単結晶を薄膜として形成させる際、シリコン基板との格子不整合を抑制することができ、結晶性に優れたLNまたはLTからなる高品質な電気光学用途向け単結晶薄膜が得られる。
したがって、本発明により得られる単結晶薄膜は、FM変調器、光導波路等の様々な光学デバイスを作製する上で好適に用いることができる。
以下、本発明について、より詳細に説明する。
本発明に係る単結晶薄膜は、LNまたはLTの単結晶薄膜であり、Si(111)基板上に順次積層された3C−SiC層およびMgO層の上に形成されたものである。
上述したように、SiとLNまたはLTとでは、格子定数差が大きいため、相互間に緩衝層を設ける必要があり、本発明においては、LNまたはLTとSiとの緩衝層として、MgO/3C−SiCを採用することにより、段階的に格子不整合を抑制することができ、高品質なLNまたはLTを結晶性に優れた薄膜として得ることができる。
また、LNおよびLTは、結晶形態が三方晶系であるため、立方晶であるSiとの整合性に鑑みて、Si基板には、結晶面の形態が三角形となる(111)面を選択することが好ましい。
したがって、Si基板を(111)面とし、その上に緩衝層を介在させることにより、上記非特許文献1記載のLN膜よりも、結晶性の向上がより一層図られる。
3C−SiCの格子定数は0.436nmであり、Siの格子定数0.543nmと比較して、約20%の相違があるが、Si基板表面を炭化することにより、その上に、3C−SiC層をヘテロエピタキシャル成長させることができる。
Si基板表面の炭化は、まず、水素雰囲気下、1000℃以上に加熱し、表面の自然酸化膜を除去した後、プロパン等の炭化水素ガス雰囲気下、1100〜1350℃程度に加熱することにより行うことができる。
この炭化層は、上述のように、その上に3C−SiC層をエピタキシャル成長させることを目的として形成されるものであり、その厚さは、1nm以上50nm以下であることが好ましい。
上記のように表面が炭化されたSi(111)基板上に、緩衝層となる3C−SiC層が形成される。
前記3C−SiC層は、例えば、シランおよびプロパン等の炭化水素ガス雰囲気下、1100〜1350℃程度に加熱し、エピタキシャル成長させることにより形成することができる。
前記3C−SiC層の厚さは、100nm以上1000nm以下であることが好ましい。
前記3C−SiC層の厚さが100nm未満である場合、その上に積層されるMgO層を単結晶層として得ることが難しい。一方、前記厚さが1000nmを超える場合、3C−SiC層が厚すぎて、基板全体に反りが生じやすくなる。
さらに、前記3C−SiC層の上に第2の緩衝層となるMgO層を形成する。
MgOは、格子定数がLNまたはLTと3C−SiCとの中間値(0.421nm)をとり、また、LNとの格子定数差は、1.01%、LTとの格子定数差は1.14%と小さいため、MgOを緩衝層である3C−SiC層上に成膜させることにより、高品質なLNまたはLTのエピタキシャル成長膜を形成させることができる。
前記MgO層は、例えば、MgOターゲットを用い、また、アルゴンおよび酸素の混合気体をスパッタガスとして、300〜600℃で、RFスパッタリング装置にて形成することができる。
前記MgO層の厚さは、100nm以上500nm以下であることが好ましい。
前記MgO層の厚さが100nm未満である場合、3C−SiCの格子定数の影響を受けやすく、MgOの結晶格子が歪んだ状態のままになりやすい。一方、前記厚さが500nmを超える場合、基板全体に割れが生じやすくなる。
そして、前記MgO層上に、LNまたはLT膜をエピタキシャル成長させる。前記LNまたはLT膜は、MgO/3C−SiCが、Siとの緩衝層として形成されているため、所望の厚さで、結晶性に優れた状態で形成することができ、厚さ1μm以上での成膜も可能である。
前記LNまたはLT膜は、例えば、酸化リチウム(Li2O)と、酸化ニオブ(Nb25)または酸化タンタル(Ta25)をターゲットし、アルゴンおよび酸素の混合気体をスパッタガスとして、300〜900℃で、RFスパッタリング装置にて形成することができる。
以下、本発明を実施例に基づきさらに具体的に説明するが、本発明は下記の実施例により制限されるものではない。
図1に、本実施例に係る単結晶薄膜の形成工程の概略を示す。以下、図1を参照に説明する。
[実施例1]
まず、Si(111)基板1を、水素雰囲気下、1000℃に加熱し、自然酸化膜を除去した(図1(a)参照)。
次いで、C38を供給し、1150℃まで昇温し、Si基板1表面を炭化させ、炭化層2とした(図1(b)参照)。
次に、基板温度1180℃にて、SiH4およびC38を供給し、厚さ500nmのSiC層3を形成させた(図1(c)参照)。
このSiC/Si基板を、RFスパッタリング装置内に配置し、MgOターゲットを用い、スパッタガスとしてArおよびO2の混合気体を用いて、基板温度600℃で、厚さ200nmのMgO膜4を形成させた(図1(d)参照)。
得られたMgO/SiC/Si基板を、RFスパッタリング装置内に配置し、Li2OおよびNb25ターゲットを用い、スパッタガスとしてArおよびO2の混合気体を用いて、基板温度750℃で、厚さ1μmのLN膜5を形成させた(図1(e)参照)。
X線回折による分析の結果、前記LN膜5は、結晶性に優れた単結晶膜であることが確認された。
[実施例2]
最終工程(図1(e)参照)において、スパッタリングのターゲットとしてNb25をTa25に変え、それ以外については、実施例1と同様の方法により、LT膜5を形成した。
X線回折による分析の結果、前記LT膜5は、結晶性に優れた単結晶膜であることが確認された。
本実施例に係る単結晶薄膜の形成工程を説明するための概略断面図であり、(a)は第1工程説明図、(b)は第2工程説明図、(c)は第3工程説明図、(d)は第4工程説明図、(e)は最終工程説明図である。
符号の説明
1 Si(111)基板
2 炭化層
3 3C−SiC層
4 MgO層
5 LNまたはLT層

Claims (2)

  1. Si(111)基板上に順次積層された立方晶炭化ケイ素層および酸化マグネシウム単結晶層の上に形成された薄膜であり、ニオブ酸リチウムまたはタンタル酸リチウムからなることを特徴とする単結晶薄膜。
  2. Si(111)基板上に、立方晶炭化ケイ素層および酸化マグネシウム単結晶層を順次積層させ、前記酸化マグネシウム層の上に、ニオブ酸リチウムまたはタンタル酸リチウムからなる薄膜をエピタキシャル成長させることを特徴とする単結晶薄膜の形成方法。
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