JP3079509B2 - 薄膜積層結晶体およびその製造方法 - Google Patents
薄膜積層結晶体およびその製造方法Info
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Description
表面波素子、あるいは、光導波路素子に用いられる酸化
亜鉛薄膜などで形成される薄膜積層結晶体およびその製
造方法に係わり、特に、高配向化、および、高品質化を
行なうのに好適な薄膜積層結晶体およびその製造方法に
関するものである。
アィト型構造を有し、大きな圧電性を示すことから種々
の応用が検討され、また実用化もなされている。酸化亜
鉛(ZnO)薄膜を超音波変換素子に用いた超音波顕微
鏡や、弾性表面波素子に適用した各種周波数フィルタ−
などがその例である。圧電応用に関しては、高感度を実
現するために電気・機械変換効率が高い膜が要求され
る。また、光応用については、透明かつ伝播損失の少な
い膜が必要である。これらを実現するには、高配向、高
品質な酸化亜鉛薄膜の作製が必要不可欠であり、単結晶
膜に近いものが理想である。
の非晶質体、あるいは、サファイア単結晶基板上に形成
され、配向性、結晶性の高い薄膜を得るための作製条件
が、種々検討されている。しかしながら、これらの基板
上に、薄膜を、直接形成するだけでは、配向性、およ
び、結晶性の向上に限界があった。例えば、基板にサフ
ァイア単結晶を用いた場合で説明すると、サファイア
(α−Al2O3)は、コランダム型構造をとり、酸化亜
鉛と同じ六方晶系に属する。従って、例えば、サファイ
アの(0001)面上に酸化亜鉛膜を形成した場合、
(0001)配向した膜が得られる。しかし、この時、
(0001)面内における酸素−酸素の原子間距離を比
較すると、酸化亜鉛の0.325nmに対して、サファ
イアでは0.269nmであり、格子の不整合性が大き
い(17.5%)。そのために、酸化亜鉛膜の配向性は
あまり高くなく、おのずと限界がある。
の結晶性などに関しては、例えば、電子情報通信学会編
「電子情報通信ハンドブック」(1988年、オーム社
発行)の第74頁から第77頁に、また、薄膜の形成に
関しては、同じく、電子情報通信学会編「電子情報通信
ハンドブック」(1988年、オーム社発行)の第74
0頁から第748頁に記載されている。
点は、従来の技術では、基板上に、薄膜を、直接形成し
ているために、配向性、および、結晶性の良い薄膜を、
効率良く形成することができない点である。本発明の目
的は、これら従来技術の課題を解決し、酸化亜鉛薄膜な
どの高配向、高結晶性な薄膜の形成を可能とし、超音波
変換素子や弾性表面波素子、あるいは、光導波路素子な
どの性能を向上させる薄膜積層結晶体およびその製造方
法を提供することである。
め、本発明の薄膜積層結晶体およびその製造方法は、
(1)単結晶の基板上に六方晶系薄膜を形成してなる薄
膜積層結晶体において、基板と六方晶系薄膜との間に、
この基板と六方晶系薄膜のそれぞれの格子定数の中間の
格子定数を有するコランダム型構造酸化物を形成してな
ることを特徴とする。また、(2)上記(1)に記載の
薄膜積層結晶体において、六方晶系薄膜は、酸化亜鉛薄
膜からなることを特徴とする。また、(3)上記
(1)、もしくは、(2)のいずれかに記載の薄膜積層
結晶体において、基板は、サファイア単結晶からなるこ
とを特徴とする。また、(4)上記(1)から(3)の
いずれかに記載の薄膜積層結晶体において、コランダム
型構造酸化物は、Ti2O3、V2O3、Cr2O3、Fe2
O3、Ga2O3、Al2O3のいずれか一つからなること
を特徴とする。また、(5)上記(1)から(4)のい
ずれかに記載の薄膜積層結晶体において、基板と六方晶
系薄膜との間に、複数種類のコランダム型構造酸化物を
形成してなることを特徴とする。また、(6)上記
(1)から(5)のいずれかに記載の薄膜積層結晶体の
製造方法において、基板上に、この基板および六方晶系
薄膜のそれぞれの格子定数の中間の格子定数のコランダ
ム型構造酸化物を形成し、このコランダム型構造酸化物
上に、六方晶系薄膜を形成することを特徴とする。ま
た、(7)上記(6)に記載の薄膜積層結晶体の製造方
法において、六方晶系薄膜およびコランダム型構造酸化
物をc軸に配向して形成することを特徴とする。
からなる基板と、酸化亜鉛薄膜などの六方晶系薄膜との
間に、サファイアと同じコランダム型構造をとり、格子
定数(原子間距離を表す)が、酸化亜鉛とサファイアと
の中間のTi、V、Cr、Fe、あるいは、Gaのいず
れかの酸化物の層を形成する。このことにより、酸化亜
鉛膜の配向性を向上させることができる。すなわち、T
i2O3、V2O3、Cr2O3、α−Fe2O3、α−Ga2
O3などの(0001)面内における酸素−酸素原子間
距離は、それぞれ、0.294nm、0.282nm、
0.281nm、0.284nm、および、0.283
nmである。これらの値は、サファイアと酸化亜鉛の酸
素−酸素原子間距離(酸化亜鉛=0.325nm、サフ
ァイア=0.269nm)の中間値をとる。従って、こ
れらのコランダム型酸化物の層を薄く挟むことによっ
て、格子の整合性が改善され、高配向、かつ、高結晶性
の酸化亜鉛薄膜を形成することができる。
説明する。図1は、本発明を施した薄膜積層結晶体の本
発明に係わる構成の一実施例を示す側断面図である。本
実施例の薄膜積層結晶体は、サファイア単結晶の鏡面研
磨したc軸に垂直な(0001)面の板を用いた基板1
と、この基板1上に形成したコランダム型酸化物層2
と、このコランダム型酸化物層2上に形成した酸化亜鉛
薄膜3とにより構成されている。このように、本実施例
の薄膜積層結晶体は、その製造過程において、基板1上
に、酸化亜鉛薄膜3を形成する前に、まず、コランダム
型酸化物の一つであるCr2O3を、コランダム型酸化物
層2として、基板1上に堆積させた。この時のCr2O3
層の膜厚は、5nmであり、Cr、あるいは、Cr2O3
を蒸着源に用いて、通常の真空蒸着法によって作製す
る。Cr源の場合は、抵抗加熱、また、Cr2O3源で
は、電子線加熱による。Cr金属を蒸着源に用いた時の
作製条件として、真空度は約5×10 ̄4Pa、基板温
度は250℃、蒸着速度は約0.1nm/sである。こ
のようにして得た酸化亜鉛薄膜3は、透明で均質なもの
であり、その結晶性、および、配向性をX線回折法によ
り調べると、次の図2に示すように、基板1上に直接形
成したものに比べて改善されている。
化亜鉛薄膜の配向性の評価の一実施例を示す説明図であ
る。本図は、特に、図1における酸化亜鉛薄膜3のc軸
配向性の評価に用いた(002)X線回折線のロッキン
グ曲線の標準偏差値σを示すものであり、4は、従来の
薄膜積層結晶体の酸化亜鉛薄膜におけるロッキング曲
線、また、5は、図1における酸化亜鉛薄膜3における
ロッキング曲線を示す。ロッキング曲線5においては、
酸化亜鉛(ZnO)のc軸配向性は、(002)X線回
折線のロッキング曲線の標準偏差値σで評価した場合、
標準偏差値σが「0.60°」である。この値は、酸化
亜鉛(ZnO)を、サファイア(α−Al2O3)基板上
に、同条件で、直接、スパッタ蒸着した場合のロッキン
グ曲線4における値「1.2°」に比べて小さい。この
ことは、図1において、基板1と、酸化亜鉛薄膜3との
間に、Cr2O3からなるコランダム型酸化物層2を挿入
することによって、酸化亜鉛薄膜3のc軸配向性が向上
することを示している。
透過電子顕微鏡観察により、格子像を調べてみると、C
r2O3層が、サファイア(α−Al2O3)上にエピタキ
シャル成長していることが明らかとなる。これは、Cr
2O3が、サファイア(α−Al2O3)と同じコランダム
型の結晶構造をとるためである。そして、Cr2O3の
(0001)面内における酸素−酸素原子間距離が、
0.281nmであり、サファイア(α−Al2O3)の
0.269nmに比べて大きく、酸化亜鉛(ZnO)の
0.325nmに近い。従って、酸化亜鉛(ZnO)に
対する結晶格子の整合性は、Cr2O3の方が、サファイ
ア(α−Al2O3)より良い。そのために、Cr2O3か
らなるコランダム型酸化物層2の挿入が、酸化亜鉛薄膜
3のc軸配向性、および、結晶性の向上をもたらす。
Cr2O3の代わりに、Ti2O3層を設ける実施例を説明
する。サファイア(α−Al2O3)単結晶の(000
1)基板上に、Tiを蒸着源にして電子線加熱蒸着をす
る。厚さ3nmのこの層(Ti2O3層)の上に、図1に
示す酸化亜鉛薄膜3を、上述のCr2O3の場合と同様
に、高周波スパッタリング法により形成する。この時の
スパッタリング条件は、ZnOセラミックターゲット
(直径100mm)を用い、高周波パワー150W、基
板温度300℃、雰囲気はアルゴン−酸素(50%−5
0%)混合ガス、ガス圧2Paであり、得られた酸化亜
鉛薄膜は、透明で均質なものとなる。この酸化亜鉛薄膜
の(002)X線回折線ロッキング曲線のσ値は0.5
2°であり、極めてc軸配向性に優れた酸化亜鉛薄膜と
なる。この場合も、上述のCr2O3を用いた場合と同じ
ように、サファイア(α−Al2O3)上に酸化亜鉛薄膜
を直接形成したものに比べて、配向性、および、結晶性
が改善される。
1)板上に、Ti蒸発源から、電子線加熱により堆積し
た厚さ3nmの層は、透過電子顕微鏡観察による断面格
子像から、コランダム型のTi2O3層であり、エピタキ
シャル成長していることが判明する。そして、Ti2O3
の(0001)面内における酸素−酸素原子間距離は、
0.294nmであり、酸化亜鉛(ZnO)の値に、C
r2O3の場合よりも、さらに近い。従って、Ti2O3を
用いることにより、極めてc軸配向性に優れた酸化亜鉛
薄膜が得られる。
の代わりに、シリコンSi単結晶を用いた場合の説明を
行なう。Siの(111)板表面に熱酸化膜を形成し、
その上に、Cr2O3の層を、Cr2O3の粉末を蒸発源に
して、電子線加熱蒸着法により作製する。この時の膜厚
は10nmであり、このCr2O3層の上に、酸化亜鉛
(ZnO)薄膜を、上述と同様に高周波マグネトロンス
パッッタリング法を用いて形成する。このようにして得
られた酸化亜鉛薄膜は、c軸配向性に優れた膜であり、
(002)回折線のσ値が、1.0°となる。これは、
Cr2O3層を介さず、基板上に直接形成した場合に比べ
て小さく、配向性の向上が認められる。
たように、本実施例の薄膜積層結晶体およびその製造方
法では、基板上に、予め、コランダム型構造の酸化物層
を形成し、この上に、酸化亜鉛膜を形成する。そして、
このコランダム型構造の酸化物層により、酸化亜鉛膜と
基板間の結晶格子の不整合性を緩和し、酸化亜鉛薄膜の
配向性、結晶性の向上を促進する。このことにより、形
成された酸化亜鉛薄膜は、電気機械変換効率が大きく、
透明で光の伝播損失が小さいものとなり、超音波変換素
子や弾性表面波素子、および、光導波路素子などの適用
に好適である。
て説明した実施例に限定されるものではない。例えば、
以上で述べた実施例では、Cr2O3あるいはTi2O3の
層を中間層として挿入した例について述べたが、α−F
e2O3、α−Ga2O3、あるいはα−Al2O3などの他
のコランダム型酸化物を用いても、同様な効果が得られ
し、これらのコランダム型酸化物を複数種類組み合わせ
も良い。また、これらコランダム型酸化物の固溶体でも
かまわない。さらに、上述の実施例では、基板にサファ
イア(α−Al2O3)、あるいは、シリコン単結晶を用
いた例を述べたが、これらに限るわけでなく、酸化マグ
ネシウム(MgO)、チタン酸ストロンチウム(SrT
iO3)、ニオブ酸リチウム(LiNbO3)、タンタル
酸リチウム(LiTaO3)等の単結晶でもかまわな
い。また、基板の結晶方位に関しても、例えば、サファ
イアの場合、(0001)板の例を示したが、他の方位
でも良い。そして、酸化亜鉛の製造法についても、上述
の実施例では、高周波スパッタリング法の例をあげた
が、化学気相成長法などの他の手法を用いても良い。
化亜鉛薄膜などの薄膜を、効率良く形成でき、超音波変
換素子や弾性表面波素子、あるいは、光導波路素子など
の性能を向上させることが可能である。
る構成の一実施例を示す側断面図である。
配向性の評価の一実施例を示す説明図である。
Claims (7)
- 【請求項1】 単結晶の基板上に六方晶系薄膜を形成し
てなる薄膜積層結晶体において、上記基板と六方晶系薄
膜との間に、該基板と六方晶系薄膜のそれぞれの格子定
数の中間の格子定数を有するコランダム型構造酸化物を
形成してなることを特徴とする薄膜積層結晶体。 - 【請求項2】 請求項1に記載の薄膜積層結晶体におい
て、上記六方晶系薄膜は、酸化亜鉛薄膜からなることを
特徴とする薄膜積層結晶体。 - 【請求項3】 請求項1、もしくは、請求項2のいずれ
かに記載の薄膜積層結晶体において、上記基板は、サフ
ァイア単結晶からなることを特徴とする薄膜積層結晶
体。 - 【請求項4】 請求項1から請求項3のいずれかに記載
の薄膜積層結晶体において、上記コランダム型構造酸化
物は、Ti2O3、V2O3、Cr2O3、Fe2O3、Ga2
O3、Al2O3のいずれか一つからなることを特徴とす
る薄膜積層結晶体。 - 【請求項5】 請求項1から請求項4のいずれかに記載
の薄膜積層結晶体において、上記基板と六方晶系薄膜と
の間に、複数種類の上記コランダム型構造酸化物を形成
してなることを特徴とする薄膜積層結晶体。 - 【請求項6】 請求項1から請求項5のいずれかに記載
の薄膜積層結晶体の製造方法において、上記基板上に、
該基板および上記六方晶系薄膜のそれぞれの格子定数の
中間の格子定数のコランダム型構造酸化物を形成し、該
コランダム型構造酸化物上に、上記六方晶系薄膜を形成
することを特徴とする薄膜積層結晶体の製造方法。 - 【請求項7】 請求項6に記載の薄膜積層結晶体の製造
方法において、上記六方晶系薄膜、および、上記コラン
ダム型構造酸化物を、c軸に配向して形成することを特
徴とする薄膜積層結晶体の製造方法。
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Publication Number | Publication Date |
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JPH05254991A JPH05254991A (ja) | 1993-10-05 |
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- 1992-03-11 JP JP04052264A patent/JP3079509B2/ja not_active Expired - Lifetime
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