JP4358760B2

JP4358760B2 - ＬｉＮｂＯ３結晶薄膜成膜方法

Info

Publication number: JP4358760B2
Application number: JP2005034347A
Authority: JP
Inventors: 方省赤澤; 勝嶋田
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2005-02-10
Filing date: 2005-02-10
Publication date: 2009-11-04
Anticipated expiration: 2025-02-10
Also published as: JP2006219339A

Description

本発明は、ＬｉＮｂＯ₃結晶薄膜成膜方法に関する。

ＬｉＮｂＯ₃結晶は、電気光学効果や非線形光学効果などを使った機能光デバイスヘと応用されている。このようなデバイスには普通、ＬｉＮｂＯ₃単結晶基板が用いられる。その一方で、サファイア単結晶基板上にＬｉＮｂＯ₃結晶薄膜を成膜し、バルク単結晶の代わりに用いることも可能である。ＬｉＮｂＯ₃結晶薄膜において良質な結晶を得られるのであれば、ＬｉＮｂＯ₃結晶とサファイア単結晶基板との間の屈折率差が十分に大きいため、ＬｉＮｂＯ₃結晶薄膜内に伝播光が強く閉じ込められる。この効果により、例えば波長変換素子においては、狭いＬｉＮｂＯ₃光導波路に光を集中させることができるため、波長変換効率を飛躍的に高めることが可能となる。また、電気光学効果を利用したデバイスにおいては、低印加電圧でもＬｉＮｂＯ₃光導波路内に実効的な高電界を形成できるため、素子の低電圧駆動、高集積化が可能となる。

ＬｉＮｂＯ₃結晶薄膜は様々な方法により成膜できるが、そのほとんどがランダム配向またはｃ軸配向のものである。ただし、ランダム配向の薄膜はデバイス作製に不向きである。

ＬｉＮｂＯ₃結晶薄膜の有力な成膜方法として、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）プラズマスパッタ法（以下「ＥＣＲスパッタ法」）がある。ＥＣＲプラズマはガス分子の励起効率が高いので、反応性ガスとして酸素ガスを導入した場合には、高濃度の酸素ラジカルが生成される。その結果、酸素原子層を完成するのに十分な数の酸素原子が成長表面へ供給される。さらに、基板へのプラズマ照射に伴い、基板表面の原子の拡散が促進される。これらの特徴を合わせ持つＥＣＲスパッタ法においては、基板表面が原子レベルで平坦であれば、基板表面の原子配列によらず、ＬｉＮｂＯ₃結晶がｃ軸配向する。つまり、図５に示すように、基板１０１としてサファイアＣ面、Ａ面基板のどちらを使用しても、ｃ軸方向に優先配向したＬｉＮｂＯ₃結晶薄膜１０２が得られる（例えば、非特許文献１を参照）。

なお、出願人は、本明細書に記載した先行技術文献情報で特定される先行技術文献以外には、本発明に関連する先行技術文献を出願時までに発見するには至らなかった。
H.Akazawa and M.Shimada,J.Vac.Sci.Techol.A54(2004)234.

ＬｉＮｂＯ₃結晶の電気光学効果などを利用するにあたって、ＬｉＮｂＯ₃結晶の分極方向を制御するには、分極軸の方向、すなわちｃ軸方向に電界を印加する必要がある。
しかし、従来のＥＣＲスパッタ法を用いてサファイア基板１０１上に成膜されたＬｉＮｂＯ₃結晶薄膜１０２については、サファイア基板１０１に電気伝導性がなく電極として使用できないため、薄膜表面に垂直なｃ軸方向に電界を印加することができない。その結果、ＬｉＮｂＯ₃結晶の分極方向を容易に制御できず、ＬｉＮｂＯ₃結晶を用いたデバイス作成が困難になるという問題があった。

本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、その目的は、ＬｉＮｂＯ₃結晶の分極方向を容易に制御できるようにすることにある。

このような目的を達成するために、本発明は、電子サイクロトロン共鳴プラズマを用いたスパッタ法により、サファイアＡ面基板の上にアモルファス状態のＬｉＮｂＯ₃膜を成膜する第１の工程と、前記ＬｉＮｂＯ₃膜を加熱して結晶化させ、ａ軸配向のＬｉＮｂＯ₃結晶薄膜を形成する第２の工程とを備えることを特徴とする。
また、第２の工程は、３２０℃以上の温度で加熱するようにしてもよい。

本発明では、サファイアＡ面基板上にアモルファス状態のＬｉＮｂＯ₃膜を成膜し、このＬｉＮｂＯ₃膜を加熱して結晶化させる。これにより、固相エピタキシーが進行し、基板表面の原子配列を反映したａ軸配向のＬｉＮｂＯ₃結晶薄膜が形成される。このａ軸配向のＬｉＮｂＯ₃結晶薄膜において、ｃ軸はａ軸に直交し、ＬｉＮｂＯ₃結晶薄膜の表面に対して平行になる。したがって、例えばＬｉＮｂＯ₃結晶薄膜を両側から挟むようにサファイアＡ面基板上に電極を形成することにより、ＬｉＮｂＯ₃結晶薄膜のｃ軸方向に電界を印加することができる。このように、ＬｉＮｂＯ₃結晶の分極方向を容易に制御できるようになり、ＬｉＮｂＯ₃結晶を用いて様々なデバイス作成が可能となる。

また、ＥＣＲスパッタ法を用いることにより、緻密なＬｉＮｂＯ₃が得られ、固相エピタキシーが起きやすくなる。
また、３２０℃以上の温度で加熱することにより、ＬｉＮｂＯ₃が十分に結晶化される。

以下、本発明の一実施の形態に係るＬｉＮｂＯ₃結晶薄膜成膜方法について、図面を参照しながら詳細に説明する。
本実施の形態では、図１に示すようなサファイアＡ面基板１の上に、ａ軸配向のＬｉＮｂＯ₃結晶薄膜２を成膜する。

まず、サファイアＡ面基板１の上にアモルファス状態のＬｉＮｂＯ₃膜を成膜する（図２の工程Ｓ１）。ここでは、ＬｉＮｂＯ₃をターゲットとして備えたＥＣＲプラズマスパッタ装置（以下「ＥＣＲスパッタ装置」）を用いる。ＥＣＲスパッタ装置を用いることにより、緻密なＬｉＮｂＯ₃膜を形成ことができる。この際、基板温度を例えば２５０℃以下という低温にすることにより、ＬｉＮｂＯ₃膜がアモルファス状態になる。

なお、成膜時の酸素分圧を変えると、ＬｉＮｂＯ₃膜の組成が変化する。ＬｉとＮｂとＯとの組成比を１：１：３にするためには、最適な酸素分圧を選択しなければならない。しかし、最適な酸素分圧はマイクロ波のパワー、ターゲットヘ投入するＲＦパワー、装置の排気速度などにより決まるため、個々の装置によって異なる。一例を挙げると、マイクロ波のパワーが５００Ｗ、ターゲットヘ投入するＲＦパワーを５００Ｗ、排気速度が毎秒１０００リットルの条件下では、酸素分圧を１０^-2Ｐａとすることができる。

次に、サファイアＡ面基板１の上に成膜したアモルファスＬｉＮｂＯ₃膜を３２０℃以上の温度で加熱する（図２の工程Ｓ２）。これにより、アモルファスＬｉＮｂＯ₃膜において、固相エピタキシーが進行する。サファイアＡ面基板１の基板表面の原子配列と最もよい格子整合をするのはＬｉＮｂＯ₃結晶のＡ面であり、この方向に配向した結晶が成長する。その結果、ａ軸配向のＬｉＮｂＯ₃結晶薄膜２が形成される。
このように、加熱だけで結晶化を行うことにより、ｃ軸配向の原因であるプラズマ照射の影響がＬｉＮｂＯ₃結晶に及ばないようにすることができる。
なお、ＥＣＲスパッタ装置により得られた緻密なＬｉＮｂＯ₃膜には、固相エピタキシーを起こしやすくする効果がある。

ａ軸配向のＬｉＮｂＯ₃結晶の方位は、図１に示すように、薄膜表面の法線方向にａ軸が一致し、薄膜表面に対して平行にｍ軸とｃ軸とが直交して存在する。したがって、例えばＬｉＮｂＯ₃結晶薄膜２を両側から挟むようにサファイアＡ面基板１の上に電極を形成することにより、ＬｉＮｂＯ₃結晶薄膜２のｃ軸方向に電界を印加することができる。このように、ＬｉＮｂＯ₃結晶の分極方向を容易に制御できるようになり、ＬｉＮｂＯ₃結晶を用いて様々なデバイス作成が可能となる。

次に、上述したＬｉＮｂＯ₃結晶薄膜成膜方法に関して行った実験結果について説明する。
まず、サファイアＡ面基板１の上に基板温度２５０℃、酸素分圧５×１０^-3Ｐａの条件下、ＥＣＲスパッタ法でアモルファスＬｉＮｂＯ₃膜を成膜し、その後に６００℃で加熱処理した。このようにして作製された試料のＸ線回折スペクトルを図３に示す。
サファイアＡ面基板（Ａｌ₂Ｏ₃）１からの＜１１２０＞、＜２２４０＞回折ピーク以外にＬｉＮｂＯ₃結晶薄膜２からの＜１１２０＞、＜２２４０＞回折ピークだけが観測され、ＬｉＮｂＯ₃がａ軸配向していることが分かる。よって、この成膜条件でサファイアＡ面基板１の上にａ軸配向のＬｉＮｂＯ₃結晶薄膜２を形成できることが示された。

アモルファスＬｉＮｂＯ₃膜成膜後の加熱温度（アニール温度）に対するＬｉＮｂＯ₃の＜１１２０＞ピーク強度の関係を図４に示す。加熱時間（アニール時間）は３時間であった。
＜１１２０＞ピーク強度は３２０℃以上で飽和しており、結晶化がほぼ完了していることが分かる。４５０℃以上の温度で加熱した場合には、１０分程度の加熱時間で飽和に達したが、３２０℃という低温の場合には、十分長い加熱時間が必要であった。３００℃以下では結晶化が不十分であった。
３２０℃という低温において進む結晶化は、まさに固相エピタキシー機構によるものであることは明らかである。実際に、断面ＴＥＭ写真により、サファイアＡ面基板１の基板表面から伸びる柱状結晶のドメインが観察された。

本発明は、例えば光通信や光エレクトロニクス分野で用いられる波長変換素子、電気光学変調器、光電界センサ、ＳＨＧレーザーなどの基幹材料であるＬｉＮｂＯ₃結晶薄膜の成膜に利用することができる。

本発明の一実施の形態に係る方法により成膜されたＬｉＮｂＯ₃結晶薄膜を示す斜視図である。本発明の一実施の形態に係る方法の主要な工程を示すフローチャートである。本発明の一実施の形態に係る方法により成膜されたＬｉＮｂＯ₃結晶薄膜のＸ線回折スペクトルを示す図である。アモルファスＬｉＮｂＯ₃膜成膜後の加熱温度に対するＬｉＮｂＯ₃の＜１１２０＞ピーク強度の関係を示す図である。従来の方法により成膜されたＬｉＮｂＯ₃結晶薄膜を示す斜視図である。

符号の説明

１…サファイアＡ面基板、２…ＬｉＮｂＯ₃結晶薄膜。

Claims

電子サイクロトロン共鳴プラズマを用いたスパッタ法により、サファイアＡ面基板の上にアモルファス状態のＬｉＮｂＯ₃膜を成膜する第１の工程と、
前記ＬｉＮｂＯ₃膜を加熱して結晶化させ、ａ軸配向のＬｉＮｂＯ₃結晶薄膜を形成する第２の工程と
を備えることを特徴とするＬｉＮｂＯ₃結晶薄膜成膜方法。
請求項１記載のＬｉＮｂＯ₃結晶薄膜成膜方法において、
前記第２の工程は、３２０℃以上の温度で加熱することを特徴とするＬｉＮｂＯ₃結晶薄膜成膜方法。