JPH01156462A - 強誘電体薄膜の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （イ）産業上の利用分野 本発明は強誘電体薄膜の製造方法に関し、さらに詳しく
は、高純度のＬｉＮｂ１−ｘＴａｘｏｔ（０≦Ｘ≦１）
薄膜を製造する方法に関するものである。

（ロ）従来の技術 一般に、ＬｉＮｂＩ−ｘＴａｘｏ＊（０≦Ｘ≦１）は、
高融点でかつ高いキュリー温度を有する強誘電体であり
、その電気機械結合係数が大きい事を利用した表面弾性
波（５ＡＴ）デバイス用材料として実用に供されている
。又、光デバイスの分野においても、その電気光学効果
や非線形光学効果を利用して先導波路、光スィッチ、波
長変換器（高調波によるレーザー光の短波長化）等の基
板材料として注目され広範なデバイス開発が試みられて
いる。

一方、これらの応用分野では、現在、バルク単結晶から
切り出されたウェハーが用いられている。

しかしながら、実際にデバイスとして機能するのは結晶
表面の十数ミクロン厚の領域にすぎない。

従って、高価なバルク単結晶に代わり望みの結晶方位（
及び配向性）を有するＬＩＮｂｌ’−ＸＴａＸＯ３（０
≦Ｘ≦１）単結晶薄膜及びその製造方法を確立すること
は、各種デバイス製造におけるコストの低減に大きく寄
与し、更には、異種材料との積層化を可能にせしめ新機
能の発現をもたらすものとして期待されている。

現在、ＬｉＮｂＩ−ｘＴａｘｏ＊の薄膜化法としては、
スパッタリング法、液相エピタキシャル法、ＣＶＤ法が
報告されている。そのうち、スパッタリング法が最も一
般的に用いられており、サファイヤ（Ｚ面、Ｒ面）、水
晶（Ｚ面）、酸化マグネシウム（（１１１）面）等の単
結晶基板上に、双晶の薄膜結晶がヘテロエピタキシャル
成長することが報告されている（特公昭５８−２９２８
０号公報）。

（ハ）発明が解決しようとする問題点 しかしながら、上記スパッタリング法では、目的とする
薄膜の組成に対応した粉末結晶の焼結体を原料ターゲッ
トとして用いるために、作製される薄膜の組成は原料組
成によって規定されてしまう。従って、ＬｉＮｂ＋−ｘ
ＴａｘＯ３（０≦ｘ≦１）の場合、組成（Ｘ値）の異な
る薄膜を作製しようとすると、原料調製からやり直す必
要があり膜組成を厳密に制御する事は非常に困難である
。更に、スパッタリング用のガスとして一般的にＡｒガ
スが使用されるため、これが膜中に不純物として取り込
まれ易いという問題がある。

本発明は組成を容易に制御することができるとともに、
高純度の強誘電体薄膜が得られる製造方法を提供するこ
とを目的の一つとするものである。

（ニ）問題点を解決するための手段 本発明者らは、原料を変えることなく任意の組成（Ｘ値
）の薄膜を膜厚制御性良く、かつ、可能な限り不純物の
混入を避ける方法について鋭意研究をおこなった。その
結果、以下に詳述する方法によって、上述した従来法で
は得ることが困難な高純度の結晶性の良好なＬｉＮｂｏ
、５Ｔａｏ、＋Ｏｓ単結晶薄膜を作製することができる
事実を見出し、本発明に到達した。

本発明によれば、実質的に酸素ガスプラズマ雰囲気下で
、Ｌｉ源として金属Ｌｉまたはその酸化物、Ｎｂ源とし
て金属Ｎｂまたはその酸化物、Ｔａ源として金属Ｔａま
たはその酸化物をそれぞれ独立に加熱温度を調節して蒸
発させ、同時に基板上に蒸着することによってｔ、ｉｉ
ｂ＋−ｘｒａｘｏ３（ｏ≦Ｘ≦１）の強誘電体薄膜が得
られる。

本発明によれば、Ｒｆ励起（１００〜２５０Ｗ　）のプ
ラズマ陽極酸化を利用した多成分同時蒸着法によって高
純度のＬＩＮｂ＋−ｘＴａｘｏ＋（０≦Ｘ≦１）薄膜が
所定の基板上に形成される。かかるＬＩＮｂ＋−ｘＴａ
ｘ０３薄膜は、実質的に酸素ガスプラズマ雰囲気下で多
成分同時蒸着法を行なう通常の方法で形成できるもので
ある。ここで、実質的に酸素ガスプラズマ雰囲気下とは
、蒸着雰囲気を設定する真空チャンバー内への酸素ガス
の導入を積極的におこない、蒸着条件を設定する真空雰
囲気中には酸素ガスおよび薄膜の構成元素以外のものが
ほとんど皆無であるという状態を意味する。

本発明における蒸着原料（蒸着源）としては、Ｌｉ（リ
チウム）、Ｎｂにニオブ）およびＴａ（タンタル）それ
ぞれの単元素金属からなるものあるいはそれぞれの酸化
物からなるものを使用するのが好ましく、また、それら
の組合せでも良い。

本発明における多成分同時蒸着法では、蒸着原料を加熱
する装置としては、電子ビーム加熱装置またはクヌード
センセルが好ましいものとして挙げられるが、これらに
限らず、蒸着原料を所定温度まで加熱できるものであれ
ば如何なる機構の加熱装置でも良い。

特にスタンタル、ニオブのごとき高融点の金属は、圧力
が１０−’Ｔｏｒｒ程度以下の真空下でそれぞれ独立の
電子ビーム加熱装置により電子ビーム融解されるのが好
ましい。すなわち、Ｔａ、Ｎｂが水冷銅るつぼ中にある
いは金属環として保持台に垂直に配設され、これの一部
に独立して電子ビームの焦点を結ばせて融解して蒸発し
、同時に真空容器に設置された基板上に蒸着するのが好
ましい。この際、電子ビームの照射量（原料加熱温度）
、電子ビームの当たる位置等についてはあらかじめ適当
なプログラムで電子ビーム照射が制御される。−方、金
属リチウムは、上記プログラムにより所定の加熱温度に
設定されたクヌードセンセルによりこれもＴａ、Ｎｂと
独立して加熱蒸発され、同時に基板上に蒸着される。こ
れにより酸素プラズマ中でＬｉ、Ｔａ、Ｎｂを多成分同
時蒸着できる。このようにして膜組成（Ｘ値）の制御、
すなわち、各原料の蒸着量の制御を原料加熱温度を変え
ることで容易にできる。具体的に、例えば、ＬｉＮｂ’
ｏ、５Ｔａｏ、　！０３ｒ４膜を作製するには、 ■Ｎｂ、Ｔａ、Ｌｉ金属として、それぞれが純度９９．
９％以上のものを用いるのが好ましい。

■Ｎｂ、Ｔａに照射される電子ビーム加熱用エミッショ
ン電流は、Ｎｂでは１００〜２００ｍＡが好ましく、１
５０ｍＡがより好ましく、Ｔａでは３０〜１００ｍＡが
好ましく、５０ｍＡがより好ましい。また、Ｌｉ金属の
場合クヌードセンセルの加熱温度は５００〜６００６Ｃ
に設定するのが好ましく、５５０℃がより好ましい。

この際、真空チャンバー内をｌＸｌ０−”〜ｌＸｌ０−
７Ｔｏｒｒに設定するのが好ましく、ＬＸ　１０−’Ｔ
ｏｒｒがより好ましい。また、酸素ガスをｌＸｌ０−’
〜５Ｘ１０−’Ｔｏｒｒまで導入するのが好ましく、２
Ｘ１０−’Ｔｏｒｒがより好ましい。

本発明における基板は、蒸着膜の密着性などの点で蒸着
中に加熱されているのが適している。

（ホ）作用 上記構成により、薄膜を構成するＬｉ　、　Ｎｂおよび
Ｔａの各元素に対応した原料を酸素ガスプラズマ中で、
それぞれ独立して加熱温度を調節して蒸発させ、同時に
基板上へ多成分同時蒸着するようにしたことから、原料
を変えることなく異なる組成（Ｘ値）のＬｉＮｂ＋−ｘ
Ｔａｘｏ３（０≦Ｘ≦１）薄膜が膜厚制御性良く効率的
に作製でき、しかも薄膜の構成元素以外のものが成膜中
に存在しないため、薄膜への不純物の混入は防止され得
る。

（へ）実施例 以下本発明の一実施例について説明する。なお、これに
よって本発明は限定されるものではない。

電子ビーム加熱装置（２機）、クヌードセンセル（１機
）及び高周波プラズマ発生用ワーキングコイルを内部に
装備した真空チャンバーにおいて、まず、真空チャンバ
ー内をＩ　Ｘ　１０−’Ｔｏｒｒまで真空排気した後、
酸素ガスを２Ｘ１０−’Ｔｏｒｒまで導入し高周波プラ
ズマを発生さ仕た。Ｒｆパワーは、１８０Ｗとした。こ
の後、電子ビーム加熱装置により金属Ｎｂ（純度９９．
９％）及び金属Ｔａ（純度９９．９％）を、クヌードセ
ンセルにより金属Ｌｉ（純度９９，９％）をそれぞれ独
立に加熱蒸発させ６５０℃に保持したサファイヤ（Ｒ面
）基板上に同時蒸着を行なった。

この場合の、電子ビーム加熱のエミッション電流はＮｂ
源１５０ｍＡ、　Ｔａ源５０ｍＡとし、クヌードセンセ
ルの加熱温度は５５０℃に設定した。２．５時間の蒸着
によりサファイヤ基板上に、膜厚７５００人の透明薄膜
が得られた。

作製した薄膜について二次イオン質量分析計（ＳＩＭＳ
）及びオージェ電子分光装置（ＡＥＳ）により、深さ方
向の組成分布を調べたところ、膜中全体にわたり均一で
、組成的にはＬｉＮｂａ　、　ｅＴａｏ　、　＋０３で
あることがわかった。又、原料としてＬｉ１Ｎｂ、Ｔａ
、Ｏ以外の元素を使用していないことに対応して、膜中
不純物は検出されなかった。次に、Ｘ線回折測定を行な
ったところ、第１図に示すようにサファイヤ基板のＲ面
（０１２ＸＯ２４ＸＯ３６）におけるそれぞれの反射に
対応してＬｉＮｂｏ　、　５Ｔａ６　、　＋０３の（０
Ｌ２）（０２４）（０３６）反射が確認された。使用し
たＸ線は、ＣｕＫａ線で、θはブラッグ角である。すな
わち、サファイヤ基板（Ｒ面）のブラッグ反射と同じミ
ラー指数のＬｉＮｂ、　、　５Ｔａｏ　、　、０３のブ
ラッグ反射が観測されることがわかる。これは、ＬＩＮ
ｂｏ、５Ｔａｏ、＋０３がサファイヤと同じ菱面晶系に
属していることによるものである。又、この回折パター
ンから得た格子定数の値は完全に文献値と一致した。こ
れらの事実は、上述の方法によりサファイヤＲ面基板上
にヘテロエピタキシャル成長したＬｔＮｂｏ、５Ｔａｏ
、＋Ｏｔ単結晶薄膜が得られたことを示している。

（ト）発明の効果 本発明により作製したＬｉＮｂ　＋−ｘＴａｘｏ＋　（
０≦Ｘ≦１）の薄膜は非常に高純度のものが得られ結晶
性が良い。

しかも、組成の異なる膜厚が膜厚制御性良く効率的に作
製できるとともに、各原料の蒸着をシャッターで制御す
ることにより、組成（Ｘ値）の異なる薄膜を多層に積層
することも容易となる。

そのため、光デバイスとして、先導波路、光スィッチ、
波長変換器等に使用した場合に光劣化のないものが実現
する。

従って、安価に、大量に各種デバイスに適合するＬｉＮ
ｂ＋−ｘＴａｘｏ３薄膜を提供することが可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例による強誘電体薄膜の製造方
法にて作製したＬＩＮｂｏ、５Ｔａｏ、＋０３薄膜のＸ
線回折パターンを示す図である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １．実質的に酸素ガスプラズマ雰囲気下で、Ｌｉ源とし
   て金属Ｌｉまたはその酸化物、Ｎｂ源として金属Ｎｂま
   たはその酸化物、Ｔａ源として金属Ｔａまたはその酸化
   物をそれぞれ独立に加熱温度を調節して蒸発させた後、
   同時に基板上に蒸着することによって強誘電性を示すＬ
   ｉＮｂ＿１＿−＿ｘＴａ＿ｘＯ＿３（０≦ｘ≦１）薄膜
   を得ることを特徴とする強誘電体薄膜の製造方法。