JP2008147214A

JP2008147214A - 薄膜製造方法

Info

Publication number: JP2008147214A
Application number: JP2006329005A
Authority: JP
Inventors: Masato Kiuchi; 正人木内; Takahiko Yanagiya; 隆彦柳谷
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2006-12-06
Filing date: 2006-12-06
Publication date: 2008-06-26

Abstract

【課題】結晶ｃ軸を一定方向に配向させることができる薄膜製造方法を提供する。
【解決手段】本発明に係る薄膜製造方法は、電子ビーム蒸着法によって基板に薄膜を堆積させつつ基板１０に対してイオンビームを照射するとともに、基板１０とイオンビームの照射方向とのなす角度を略垂直とすることで、基板１０上に形成される薄膜の結晶ｃ軸を基板面内方向で一方向に配向させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、薄膜製造方法に関するものである。

酸化亜鉛などの（０００１）面に最密面を有する結晶等は、基板に薄膜蒸着させると、その結晶のｃ軸が基板に垂直な方向に配向して成長するという性質を有するため、この結晶ｃ軸を基板面内方向に配向させることは非常に困難である。そして、この結晶ｃ軸が基板に垂直な方向に配向されて形成された薄膜は、縦波やレイリー波を励振することができるが、横波や横波型弾性表面波（ＳＨ型ＳＡＷ）を励振することはできないため、横波等を利用するデバイスに応用することができないといった問題がある。この問題を解消するため、すなわち、横波等を励振できるようにするためには、結晶ｃ軸を基板に平行な方向に配向させる必要がある。例えば、特許文献１では、アルミニウム電極層上に、アルミニウム又はアルミニウム酸化物をドープしたＺｎＯ薄膜を形成することで、その結晶ｃ軸を基板と平行な方向に配向させている。
特公昭５０−２３９１８号公報

しかしながら、上記薄膜製造方法では、結晶ｃ軸を基板と平行な方向に配向することができても、その結晶ｃ軸は基板面内で種々の方向を向いており、結晶ｃ軸を面内の一定の方向に配向させることはできない。このため、膜を構成する微結晶で発生した圧電分極，応力は打ち消し合い，横波を励振することができないといった問題がある。

そこで、本発明は、結晶ｃ軸を基板面内の一定の方向に配向させることができる薄膜製造方法を提供することを課題とする。

本発明に係る薄膜製造方法は、上記課題を解決するためになされたものであり、電子ビーム蒸着法によって基板に薄膜を堆積させつつ前記基板に対してイオンビームを照射するとともに、前記基板と前記イオンビームの照射方向とのなす角度を略垂直とすることで、基板上に形成される結晶ｃ軸を基板面内方向で一方向に配向させている。

このように、基板に薄膜を堆積させながらその基板に向けて略垂直にイオンビームを照射することによって、基板に堆積された薄膜の結晶ｃ軸を基板面内方向に一方向に配向させることができる。このように結晶ｃ軸を一方向に配向させることにより、膜を構成する微結晶で発生した圧電分極，応力が同じ方向となり，横波を効率良く励振するという効果を得ることができる。また、その基板とイオンビームの照射方向とがなす角度を略垂直とすることによって、結晶ｃ軸を基板面内方向に配向させることができる。このように結晶ｃ軸の配向方向を基板面内方向とすることで、横波やＳＨ型ＳＡＷを励振することが可能な薄膜を製造することができる。なお、上記「基板とイオンビームの照射方向とのなす角度を略垂直」とは、必ずしも完全な垂直のことを指しているのではなく、イオンビームを照射することによって薄膜の結晶ｃ軸が基板面内方向に配向できる角度であればよく、垂直の９０°から±２０°、より好ましくは±１０°、さらに好ましくは±５°の範囲内であっても本発明の目的を達することができる。

上記薄膜製造方法は、種々の変更を加えることができるが、例えば、上記薄膜の結晶は、圧電性を有するウルツ鉱型であることが好ましく、その中でも特に圧電性が高く薄膜化
が容易な酸化亜鉛により薄膜を構成することが好ましい。

また、より効率的に所定の結晶軸を配向させるために、上記イオンビームの加速電圧は１００〜２０００Ｖであることが好ましい。

また、イオンビームを基板に照射する際、コリメートスリットを介してイオンビームを照射してもよい。このように、スリットを介してイオンビームを照射することで、イオンビームの発散角を抑え，イオンビームの指向性を高めることができる。これにより結晶c
軸の配向性も高まる．

本発明によれば、結晶ｃ軸を基板面内の一方向に配向させることが可能な薄膜製造方法を提供することができる。

以下、本発明に係る薄膜製造方法の実施形態を添付図面に従って説明する。図１は、本実施形態に係る薄膜製造方法に使用する薄膜製造装置を示す概略図である。

図１に示すように、薄膜製造装置１は、内部で成膜を行うための反応容器２を備えており、この反応容器２内に成膜対象となる基板１０を保持する基板ホルダ３と、この基板ホルダ３上の基板１０を加熱するヒータ５と、薄膜の原料を電子ビームによって蒸発させる電子ビーム蒸発源４とを有している。また、容器２には、その一方の側面（図１の左側）にターボ分子ポンプ６１及びロータリポンプ６２からなる真空装置６が設置されており、他方の側面（図１の右側）には、基板１０にイオンビームを照射するためのイオンビーム照射装置７が設置されている。

ヒータ５は、板状に形成されており、反応容器２内の上部壁面に取り付けられている。そして、外部の電源（図示省略）と接続され、その外部電源からの電力の供給により、基板１０を加熱して基板温度を上昇させるように構成されている。

基板ホルダ３は、ヒータ５の下面に設置されており、基板ホルダ３上の基板１０が反応容器２内の下方を臨むように配置される。この基板ホルダ３は、ヒータ５と４５°の角度をなす基板保持面３１を有している。この基板保持面３１上に、薄膜が形成される基板１０が保持されている。

このように構成された基板ホルダ３の下方には、基板ホルダ３と対向するように電子ビーム蒸発源４が設置されている。電子ビーム蒸発源４は、薄膜の原料である酸化亜鉛焼結体のインゴットが収容されたるつぼ４１と、るつぼ４１内から亜鉛を蒸発させるための電子ビームを発生させる電子ビーム源４２とを有している。

イオンビーム照射装置７は、ビームを照射する筒状の照射部７１が反応容器２内に突出しており、イオンビームの照射方向が図面の上下方向に延びる鉛直線に対して４５度の傾斜角度をなすように設置されている。このため、イオンビームの照射方向と基板１０とは垂直に交わっている。また、イオンビーム照射装置７は、酸素イオンビームを照射するよう構成されており、イオンビーム照射装置７から照射される酸素イオンビームは基板１０に対して垂直に照射される。

次に、上記のように構成された薄膜製造装置１による薄膜製造方法について図１を参照しつつ説明する。

まず、基板ホルダ３の基板保持面３１に基板１０を取り付ける。そして、反応容器２内を密閉し、真空装置６を作動させ反応容器２内を排気して真空状態にする。反応容器２内の成膜中の圧力は０．０１〜０．０４Ｐａとすることが好ましい。また、ヒータ５を作動させて、基板１０を加熱する。このときの基板温度は２００〜４００度とすることが好ましい。

次に、反応容器２内が真空状態になると、電子ビーム源４２から電子ビームを発生させて、その電子ビームをるつぼ４１内の酸化亜鉛焼結体のインゴットに照射する。この電子ビームの照射によって、るつぼ４１内の酸化亜鉛が加熱されて昇華し、亜鉛が基板１０に到達する。

このように、亜鉛を基板１０に到達させるとともに、イオンビーム照射装置７から酸素イオンビームを基板１０に対して照射する。このときのイオンビームの加速電圧は、１００〜２０００Ｖとすることが好ましい。このように基板温度が上昇している基板１０に亜鉛と酸素イオンが到達することによって、基板１０に酸化亜鉛の薄膜が形成される。

本実施形態では、以上のように基板１０に対して垂直にイオンビームを照射することにより、基板１０に形成される酸化亜鉛の薄膜の結晶ｃ軸を基板１０の面内に配向させることができる。この現象は、以下の理由により生じると考えられる。すなわち、酸化亜鉛は（０００１）面に最密面を持つため、通常、薄膜化すると結晶ｃ軸が基板１０に対して垂直になるように成長する。しかし、本実施形態では、イオンビーム照射装置７によって、基板１０に対して垂直な方向からイオンビームを照射している。このため、イオンビームの照射方向に対して原子が密に詰まった面を向けた状態の結晶粒、すなわち、結晶ｃ軸が基板１０に対して垂直になっている結晶粒は、イオンビーム照射装置７により照射されたイオンビームのイオンと衝突して損傷を受け、成長が阻害される。これに対して、原子が詰まっていない面がイオンビームの照射方向を向いている結晶粒、すなわち、結晶ｃ軸が基板と平行な方向に配向している結晶粒は、イオンビームのイオンと衝突しにくく損傷を受けにくいため、全体として、基板１０に形成される薄膜の結晶ｃ軸は基板１０と平行な方向に配向させることができると考えられる。

以上のように、本実施形態によれば、基板１０に薄膜を堆積させながらその基板１０に向けてイオンビームを照射することによって、基板１０に堆積された薄膜の結晶ｃ軸を基板面内の一方向に配向させることができる。このため、膜を構成する微結晶で発生した圧電分極、応力が同一方向となり、音波を効率よく励振することができる。また、基板１０とイオンビーム照射方向とのなす角度を９０°としているため、結晶ｃ軸の配向方向を基板１０と平行な方向である基板面内方向とすることでき、横波やＳＨ型ＳＡＷを励振することが可能な薄膜を製造することが可能になる。そして、このように製造された薄膜は、種々の圧電デバイスに応用することができ、例えば、図２に示すような横波モード薄膜共振子３０に応用することができる。この薄膜共振子３０は、窒化ケイ素板３１の上面に、空洞部を有するシリコン基板３２が形成されている。また、窒化ケイ素板３１の下面には、第１の電極膜３４が形成され、その下面に圧電薄膜３５が形成され、さらにその下面に第２の電極膜３６が形成されている。圧電薄膜３５は、窒化ケイ素板３１と平行な方向（図面右方向）に結晶ｃ軸が配向されているため、横波を励振することができる。

また、結晶ｃ軸が基板と平行な方向に配向されている薄膜は、図３に示すような、ＳＨ型ＳＡＷデバイスに応用することもできる。図３に示すＳＨ型ＳＡＷデバイス２０は、圧電基板２１の上面に圧電性薄膜２２が形成されており、さらにこの圧電性薄膜２２上の両端部に櫛形電極２３がそれぞれ形成されている。この圧電性薄膜２２は、その結晶ｃ軸が圧電基板２１と平行な方向に配向している。このため、ＳＨ型ＳＡＷデバイス２０は、ＳＨ型ＳＡＷを励振することができる。その他、基板１０とイオンビーム照射方向との角度
を調整して、結晶ｃ軸の配向が調整された種々の薄膜を製造することが可能であり、この薄膜をその結晶ｃ軸の配向に応じたデバイスに適用することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。例えば、上記実施形態では、イオンビーム照射装置７と基板１０との間には何も配置されていないが、イオンビームの発散角を抑えイオンビームの指向性を高めるために、コリメートスリットを介在させることができる。

また、上記実施形態では、薄膜の原料として、ウルツ鉱型の結晶を使用しているが、ウルツ鉱型以外の六方晶系の結晶を使用することができ、さらには立方晶系や斜方晶系などのその他の晶系に属する結晶を使用することもできる。また、上記実施形態では酸化亜鉛を使用しているが、特にこれに限定されるものではなく、窒化アルミニウム、窒化ガリウム等のウルツ鉱型結晶を使用することもできる。

さらには、上記実施形態では、基板１０に酸化亜鉛の薄膜を形成するために、電子ビーム蒸発源４から亜鉛を昇華させるとともに、イオン照射装置７から酸素イオンビームを照射しているが、イオン照射装置７から酸素イオンではなく不活性イオンを照射させることもできる。このときは、別途酸化亜鉛粒子源を設置し，基板１０に酸化亜鉛の薄膜が形成されるようにする。

以下本発明の実施例について説明する。但し、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。

実施例として、図１に示す薄膜製造装置１及び上記実施形態における薄膜製造方法において、Ｃｕ薄膜を蒸着した合成石英基板１０に酸化亜鉛の薄膜を形成する。基板１０の寸法は、長さ７５ｍｍ、奥行き２５ｍｍ、厚さ０．５ｍｍであり、イオンビーム照射装置７によるイオンビームの加速電圧を５０，２５０，５００，７５０，１０００Ｖの５パターンで実施した。基板温度は３００℃となるよう、ヒータ５で基板１０を加熱した。到達圧力は４×１０^−４Ｐａ、薄膜形成時の圧力である成膜圧力は３×１０^−２Ｐａ、成膜速度は１９．９〜３０．３ｎｍ／ｍｉｎ、酸素ガス流量７ｃｃｍであった。また、。このとき、基板１０の右端部から４０ｍｍの点での膜厚は４．８〜６．７μｍであった。

比較例としてイオンビームを照射しない場合についても測定した。基板は上記実施例と同様のものを使用した。また、基板温度は３５０℃、到達圧力は４×１０^−４Ｐａ、成膜圧力は２×１０^−２Ｐａ、酸素ガス流量５ｃｃｍ、成膜速度１．８ｎｍ／ｍｉｎであり、膜厚は０．６９μｍであった。

以上の各条件で形成された酸化亜鉛薄膜のＸ線回折（ＸＲＤ）パターンを図６に示す。図６に示すように、イオンビーム加速電圧が５０Ｖの場合（実施例１）及びイオンビームを照射しない場合（比較例）では、（０００２）面の回折ピークを観察することができる。これにより、実施例１及び比較例１で形成された薄膜の結晶ｃ軸は、基板に垂直な方向に配向していることがわかる。

これに対して、イオンビーム加速電圧が２５０，５００，７５０，１０００Ｖの場合（実施例２、３，４，５）では、（０００２）面の回折ピークを観察することができず、（１０−１０）面の回折ピークを観察することができる。これにより、薄膜の結晶ｃ軸が基板に垂直な方向に配向しておらず、基板面内方向に配向していることがわかる。また、イオンビーム加速電圧が大きくなるにつれ、回折ピークも大きくなることがわかる。

また、イオンビーム加速電圧が１０００Ｖの場合（実施例５）の（１０−１１）面の極点図を図４に示す。図４に示されるように、ψ＝２９°付近に（１０−１１）面と（−１０１１）面における極の集中が観測された。（１０−１１）面と（１０−１０）面とのなす角は約２９°であることから、実施例５により形成された薄膜の結晶ｃ軸は、基板１０と平行な方向で且つ一方向に配向していることが分かる。また、実施例５によって形成した薄膜のＳＥＭ写真を図５に示す。

本発明に係る薄膜製造方法に使用する薄膜製造装置の一実施形態を示す概略図である。本実施形態に係る薄膜製造方法により製造された薄膜の応用例を示す正面断面図である。本実施形態に係る薄膜製造方法により製造された薄膜の他の応用例を示す斜視図である。実施例１によって製造された薄膜の（１０−１１）面の極点図である。実施例１によって製造された薄膜のＳＥＭ写真である。本実施形態に係る薄膜製造方法により製造された薄膜や比較例に係る薄膜のＸＲＤパターンを示すグラフである。

符号の説明

１薄膜製造装置
７イオンビーム照射装置
１０基板

Claims

電子ビーム蒸着法によって基板に薄膜を堆積させつつ前記基板に対してイオンビームを照射するとともに、前記基板と前記イオンビームの照射方向とのなす角度を略垂直とすることで、基板上に形成される薄膜の結晶ｃ軸を基板面内方向で一方向に配向させる、薄膜製造方法。
前記薄膜の結晶は、ウルツ鉱型である、請求項１に記載の薄膜製造方法。
前記薄膜は、酸化亜鉛からなる、請求項１または２に記載の薄膜製造方法。
前記イオンビームの加速電圧は、１００〜２０００Ｖである、請求項１〜３のいずれかに記載の薄膜製造方法。
コリメートスリットを介してイオンビームを前記基板に照射する、請求項１〜４のいずれかに記載の薄膜製造方法。