JPH01167297A - ＬｉＮｂ↓１−ｘＴａｘＯ↓３（０≦ｘ≦１）単結晶薄膜の製造方法 - 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】 〈産業上の利用分野〉 本発明は、光デバイス等に用いられるＬｉＮｂ１−ｘＴ
　ａＸ　０３　（０≦ｘ≦１）単結晶薄膜の製造方法に
関する。

〈従来の技術〉 ＬｉＮｂ１　）（ＴａｘＯ３（０≦ｘ≦１）は、高融点
でかつ高いキューリ温度を有する強誘電体材料であり、
他の強誘電体材料に比べてその電気機械結合係数が大き
い事は良く知られている。それ等を利用した表面弾性波
（ＳＡＷ）デバイス材料としてバルク単結晶を用いたも
のが実用に供されている。又光デバイスの分野に於いて
も、その電気光学効果や非線形光学効果を利用した光導
波路、光スィッチ、光変調器、光結合器、波長変換器等
の光集積回路用基板材料として、広範囲な応用開発が行
なわルでいる。更に応力や温度等の外場の変化による屈
折率の変化を利用した各種の光ＩＣセンサへの適用も試
みられている。その上、Ｌ　ｉ　Ｎ　ｂＩ　Ｘ　ＴａＸ
０３　（０≦ｘ≦１）では、Ｆｅ等の不純物を添加させ
るとその不純物の影響により光照射に対して屈折率が大
きく変化する光損傷効果が存在する。この現象を利用し
た光メモリや三次元ホログラム材料としての応用が検討
されてきている。

上記の様な応用開発には、現在引き上げ法で作製さルた
バルク単結晶から適当な面方位を持った厚さ数百ミクロ
ンのウェーハを切り出して使用しているのが実情である
。

〈発明が解決しようとする問題点〉 引き上げ法で作製されたバルク単結晶から１１出された
ウェハーを使用する場合、実際にデバイスとして機能す
るはウェーハ表面の十数ミクロン厚の領域にすぎない。

従って最初から薄膜状のものが得られれば、特性的にも
、材料的にも、コヌト的にも並びに生産的にも大きな効
果が期待されるが、現状では十分確立された製造技術が
見い出されていない。

現在ＬｉＮｂ□−ＸＴａＸＯ３（０≦ｘ≦１）の薄膜化
法としては、スパッタリング法が最も一般的に用いら九
でおち、サファイア（７面、Ｒ面）、水晶面、酸化マグ
ネシウム（（１１］）面）等の単結晶基板上にヘテロエ
ピタキシャル成長する事が報告さ九ている。

スパッタリング法では目的とする材料と同じ組成の粉末
あるいはその粉末を焼結したターゲットを用いる方法と
酸素プラズマ雰囲気中で金属や合金ターゲットをスパッ
タリングして基板上に酸化物薄膜を作製する方法がある
。上記の方法では、いずれもスパッタガスとしてＡｒガ
ス等の不活性ガスを用いるため、膜中に不純物としてＡ
ｒ等の混入する慣れが多く、所望する特性の膜を比較的
低温で作製することが難かしい。

又、格子不整合の大きな基板上に薄膜単結晶をヘテロエ
ピタキシャル成長させる場合には、基板の格子定数に近
づけることが大切であシ、そのためには形成せしめる膜
の組成を変えることが必要となってくる。すなわち、膜
組成を連続的に変化させて格子不整合を緩和させたりあ
るいは組成の異なる薄膜を多層に積層しようとする際に
は、原料調整を根気よく行なって最適条件を求めるため
の実験を多くしなければならない。

その他の方法としては、酸化物原料を電子ビーム蒸着も
しくは抵抗加熱法を用いて薄膜の各構成成分に対応した
加熱源から同時に蒸着する方法が挙げられる。即ち、各
原料の加熱温度を変えることで蒸着速度と制御できる事
から、膜組成の制御が比較的容易に可能となる。しかし
この様な方法では、原料として酸化物を用いているため
酸素成分が欠乏し、均一な組成の薄膜を作製することが
困難である。そこで酸化物原料を用いる代りに酸素ガス
雰囲気中で複数の単元素成分原料を加熱同時蒸着する方
法が提唱されているが、ＬｉＮｂ１）（ＴａＸ０３（０
≦ｘ≦１）の場合にはエピタキシャル温度が高温である
ため酸素雰囲気中での成膜は難しい０ 〈問題点を解決するための手段〉 本発明は、上述の問題点を解決したものであり、不純物
が少なく膜組成の制御や多層膜作製の容易なＬｉＮｂｘ
−ＸＴａＸＯ３（０≦ｘ≦１）単結晶薄膜の製造方法を
提供することを目的とするものである。

即ち、金属ニオブ（Ｎｂ）　、タンタル（Ｔａ）及びリ
チウム（Ｌｉ）を独立かつ同時に酸素プラズマ中で基板
上へ加熱同時蒸着する方法である。

この様な製法を利用することによって模膜中への酸素の
導入やエピタキシー温度の低減を効率的に行ない、原料
を変更する事なく各原料の加熱温度を変えることによＶ
蒸着速度を制御し、膜組成を任意に変える事が可能とな
る。

更には、各原料の蒸着をシャッターで開閉する事によっ
て異なる組成の薄膜を積層する事も可能となり、その膜
厚制御も容易である。

〈作用〉 本発明では、金属ニオブ、クンタル及びリチウムの各蒸
発セルの温度を任意制御できるため、Ｎ　ｂ　＋　Ｔ　
ａ　＋　Ｌ　＋の各蒸発速度が組成に見合う形で蒸発す
る。その結果、任意の組成物かつ格子定数のものが容易
に得られる。又、連続的に組成を変えられるため基板の
格子定数とのミスマツチが緩和され基板を積層するＬ　
ｉ　Ｎ　ｂｌ−Ｘ　Ｔ　ａｘＯ３（０≦ｘ≦１）単結晶
薄膜との応力によるソリを少なくすることができる。

バルク単結晶では価格的にも高価であるが、本発明は異
種基板上へヘテロエピタキシャル成長させているため集
積化が容易になり、コスト的にも低廉化が可能になる点
では、バルク単結晶よシは有利であると言える。

本発明によって得られるＬ　１ＮｂＩ　ＸＴａＸｏ３　
（ｏ≦Ｘ≦１）は高純度の単結晶薄膜であるため、性能
的に優れており利用範囲の拡大が期待される。

〈実施例〉 第１図は本発明の１実施例であるＬｉＮｂ□−ｘＴａｘ
Ｏ３（０≦ｘ≦１）単結晶薄膜の製造方法の説明に供す
る蒸着装置の模式構成図である。

第１図に於いて、本蒸着装置は真空槽１内にＴ　ａ　＋
Ｎｂを蒸着させるための２個の電子ビーム蒸発源１２ａ
、１２ｂ、Ｌｉを蒸着するためのクヌーセンセル（Ｋ−
ＣＥＬＬ　）１３及び酸素をプラズマ化させるための高
周波誘導（Ｒｆ）コイル１０と自動整合装置１１等が配
置され、上部には基板９を挿入する基板ホルダー１８及
びそれ等を高温に加熱するヒータ７を備えている。

次にＬｉＮｂＴａＯ３の作製法について述べる。

真空槽１を真空排気装置３により　１０　”Ｔｏｒｒ台
まで真空排気した後、ゲートバルブ２を閉成し、バリア
プルリークバルブ５を開けて酸素ガヌ６を真空度が２Ｘ
１０　’Ｔｏｒｒ　ｉでなる様に酸素導入管４よシ導入
し、自動整合装置（マツチングボックス）１０に高周波
電流を印加し、Ｒｆコイル内に酸素プラズマを発生させ
た。印加するＲｆパワーは１８０Ｗであフ、この後電子
ビーム蒸発源１２ａ。

１２ｂとに−ＣＥＬＬ１３を独自に加熱蒸発させヒータ
７によシ、８５０℃壕で加熱した基板ホルダー１８内に
装着されたサファイア基板９上に同時蒸着させた。

この時の蒸着条件は電子ビーム蒸発源１２ａ。

１２ｂのエミッション電流はＮｂでは１５０ｍＡＴａで
は７０ｍＡで、Ｋ−ＣＥＬＬ１３の加熱温度は８００℃
に設定して行なった。蒸着時間は２時間３０分で、サフ
ァイア（Ｒ面）基板９上に、透明な薄膜が７５０ＯＡの
厚さに成長していた。

得られた薄膜について二次イオン質量分析装置（Ｓ　Ｉ
ＭＳ　）及びオージェ電子分光装置（ＡＥＳ）によシ、
深さ方向の組成分析を行ったところ、膜中全体に亘９均
一で、組成的にはＬｉＮｂｏ、９Ｔ　ａｏ、＋０３に成
っていることが判明した。

次に同じ膜をＸ線回折によシ測定を行ったところ、第２
図に示す様な結果が得られた。サファイア基板９上にＲ
面反射（０１２）、（０２４）。

（０３６）に対応してＬ　１Ｎｂｏ、ｇ　Ｔ　ａｏ、ｘ
　Ｏａの（０１２）。

（０２４）、（０３６）の反射が求められた。更に、こ
の回折パターンから得られた格子定数の値は文献値の１
３．８８４Ａ（Ｃ軸）と一致した。

以上の結果から得られた膜は１ｉＮｂ（１，ｇＴａｏ、
１０３の単結晶薄膜であり、この膜のＲ面がサファイア
（Ｒ面）基板上にヘテロエピタキシャル成長しているこ
とが確認できた。尚、上記実施例はＴａ。

Ｎｂの蒸発に電子ビーム蒸着を用いたが抵抗加熱法等で
蒸着条件の適するものであれば利用することができる。

またＬ１粒子の供給手段としてクヌーセンセル１３を用
いたが、制御性のよい他の供給手段を用いることも可能
である。

〈発明の効果〉 本発明によシ酸素プラズマ中で各Ｌ　ｌ＋　Ｎ　ｂ　＋
Ｔａの金属蒸気を酸化させ、基板温度が８００℃と非常
に低温でバルクの単結晶が１２００°Ｃ〜１６５０℃と
高いの比べて低い温度で成膜されかつ均一に単結晶基板
上にヘテロエピタキーが行なえることが判明した。又、
膜の組成を連続的に変えることが可能であり基板との格
子のミスマッケによるソリも認められず本製造方法が非
常に有効であると言える。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の１実施例の説明に供するＬ　ＩＮ　
ｂＩ　Ｘ　Ｔ　ａ）（０３（０≦ｘ≦１）単結晶薄膜を
製造する装置の構成図である。 第２図は上記実施例で得られた薄膜のＸ線回折結果を示
す特性図である。 １：真空槽（ベルジャ）　　２：ゲートバルブ３：真空
排気装置　　４：酸素導入管　　５：バリアプルリーク
バルブ　　６：酸素ガス７：ヒータ　　８．１４　：熱
電対　　９：基板１０：Ｒｆ：ｆｆイル　　１１：自動
整合装置（マツチングボックヌ）　　　１２ａ、１２ｂ
：電子ビ。 −ム蒸発源　　１３　：　Ｋ−ＣＥＬＬ　（クヌーセン
セル）　　　１５．１６：シャッター　　１７：圧力計 代理人　弁理士　　杉　山　毅　至（他１名）第１図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、金属Ｎｂ、金属Ｔａ及び金属Ｌｉを原料として、そ
   れぞれを独立にかつ同時に蒸発させ、前記各金属原料の
   蒸発粒子を酸素プラズマ中でイオン化して基板上へ堆積
   することにより単結晶薄膜を形成せしめることを特徴と
   するＬｉＮｂ＿１＿−＿ｘＴａ＿ｘＯ＿３（０≦ｘ≦１
   ）単結晶薄膜の製造方法。 ２、金属Ｎｂ及び金属Ｔａの蒸発手段として電子ビーム
   蒸発法を用いた特許請求の範囲第１項記載のＬｉＮｂ＿
   １＿−＿ｘＴａ＿ｘＯ＿３（０≦ｘ≦１）単結晶薄膜の
   製造方法。３、金属Ｌｉの蒸発手段としてクヌーセンセ
   ルを用いた特許請求の範囲第１項記載のＬｉＮｂ＿１＿
   −＿ｘＴａ＿ｘＯ＿３（０≦ｘ≦１）単結晶薄膜の製造
   方法。 ４、基板としてサファイヤ基板を用いた特許請求の範囲
   第１項記載のＬｉＮｂ＿１＿−＿ｘＴａ＿ｘＯ＿３（０
   ≦ｘ≦１）単結晶薄膜の製造方法。