JPH09315896A - 酸化物単結晶薄膜の合成方法 - Google Patents

酸化物単結晶薄膜の合成方法

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JPH09315896A
JPH09315896A JP13450096A JP13450096A JPH09315896A JP H09315896 A JPH09315896 A JP H09315896A JP 13450096 A JP13450096 A JP 13450096A JP 13450096 A JP13450096 A JP 13450096A JP H09315896 A JPH09315896 A JP H09315896A
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JP
Japan
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single crystal
substrate
thin film
raw material
oxide
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JP13450096A
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Inventor
Soichiro Okubo
総一郎 大久保
Takahiro Imai
貴浩 今井
Akira Okamoto
暁 岡本
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Sumitomo Electric Industries Ltd
Original Assignee
Sumitomo Electric Industries Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 ゾル−ゲル法を用いた光反応によって、単結
晶基板表面に酸化物単結晶の薄膜をエピタキシャル成長
させる方法を提供する。 【解決手段】 単結晶基板1の表面1aを原料前駆体溶
液3に接触させ、励起光を該基板1の裏面1b側から照
射して表面1aから原料前駆体溶液3に入射させること
により、原料前駆体を分解して単結晶基板1の表面1a
に酸化物単結晶をエピタキシャル成長させる。励起光の
単結晶基板1の表面1aでの入射角θが全反射臨界角と
なるように、裏面1b側への励起光の照射角度を調整す
ることが好ましい。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、ゾルーゲル法を用
いて酸化物単結晶薄膜を基板上にエピタキシャルに成長
させる方法に関する。
【0002】
【従来の技術】従来、ゾル−ゲル法を用いて基板上に単
結晶薄膜をエピタキシャル成長させる場合、有機金属化
合物を加水分解して目的物質の水和物やそのコロイドを
含む懸濁液から超微粒子を基板上に沈降させ、これを熱
処理することで単結晶薄膜をエピタキシャル成長させて
いた。
【0003】特に、ゾル−ゲル法により酸化物を合成す
るときは、原料の金属アルコキシドと水を反応させて加
水分解と脱水縮重合を起こさせる。このときの加水分解
反応と脱水縮重合によって酸化物微粒子が形成され、こ
の微粒子が凝集してネットワーク構造をつくることによ
りゲル化する。このゲルを焼成することによって、ガラ
スや窯業原料粉末等を作製することができる。
【0004】この方法を利用して酸化物薄膜を合成する
場合には、スピンコート法や基板引き上げ法などにより
基板表面にゲルの薄膜を形成し、これを焼成して作製し
ていた。しかし、この方法では加水分解反応と脱水縮重
合が一気に起こってゲル化するので、多結晶化しやすか
った。また、エピタキシャル成長させるためには、この
薄膜を更に熱処理して結晶格子の再配列を行う必要があ
った。
【0005】また、光反応を用いてゾルの加水分解と脱
水縮重合を進め、酸化物薄膜を合成する形成することも
知られている。例えば、光反応基のβ−ジケトン等で化
学修飾された金属アルコキシドからなる前駆体溶液の薄
膜を基板上に形成し、この薄膜に光を照射して光の照射
された部分のみをゲル化させることにより、パターニン
グされた酸化物薄膜を形成する方法があった(特開平7
−320539号公報参照)。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】上記したゾル−ゲル法
を用いる薄膜の合成においても、エピタキシャルに単結
晶薄膜を成長させるためには、基板の表面からの結晶格
子配列の情報を継続して伝える必要があり、このために
は基板表面での化学反応過程が重要となる。
【0007】これまで報告されている単結晶薄膜をエピ
タキシャル成長させた例は、基板の上にゲルを堆積させ
た後、このゲルのランダムな原子配列を熱処理等により
再配列させて結晶化する方法であった。しかし、この熱
処理等により結晶を再配列する方法では、ゲル体内での
核生成により多結晶化したり、ゲルから結晶へ変わると
きの構造の変化による体積収縮が非常に大きいため表面
粗さが増大したり、更には空孔や亀裂、粒界等が生成さ
れやすく、広い範囲での平滑な単結晶化ができなかっ
た。
【0008】また、光反応を用いた酸化物薄膜の合成で
は、光の照射された部分の前駆体だけが反応してゲル化
されるため、基板表面からの結晶格子配列の情報がその
部分に伝わり難く、酸化物をエピタキシャル成長させこ
とはできなかった。
【0009】本発明は、このような従来の問題点を解決
し、ゾル−ゲル法を用いた光反応によって、基板表面に
酸化物単結晶の薄膜をエピタキシャル成長させる方法を
提供することを目的としている。
【0010】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明が提供する方法は、単結晶基板の表面を原料
前駆体溶液に接触させ、励起光を該単結晶基板の裏面側
から照射して表面から原料前駆体溶液に入射させること
により、原料前駆体を分解して単結晶基板の表面から酸
化物単結晶をエピタキシャル成長させることを特徴とす
るものである。
【0011】また、上記本発明の酸化物単結晶薄膜の合
成方法においては、励起光の単結晶基板表面での入射角
が全反射臨界角となるように、単結晶基板の裏面側への
励起光の照射角度を調整することが好ましい。
【0012】
【発明の実施の形態】従来の光反応による酸化物の合成
では、基板上に形成したゾル膜の表面から光が照射され
ていたため、ゾルの表面付近でのみ光反応が起こり、基
板表面での反応が殆ど起こらない。そのため、基板表面
ではなく、ゾル中に微結晶核が生成される結果、得られ
る酸化物薄膜は多結晶膜となり、基板表面からエピタキ
シャル成長させることはできなかった。
【0013】そこで本発明においては、励起光を基板の
裏面側から照射することによって、励起光が基板中を通
過して表面から原料前駆体溶液に入射し、光反応による
前駆体の分解縮重合を基板表面で起こすようにしたもの
である。その結果、原料前駆体溶液中に余分な加水分解
された分子が発生せず、基板表面でのみ結晶核生成が起
こることになり、基板表面に前駆体の分解した分子が結
合して酸化物単結晶薄膜がエピタキシャル成長する。
【0014】更に、基板裏面からの励起光の照射角度を
調整することによって、基板表面から原料前駆体溶液に
出射される時の励起光を全反射させること、即ち励起光
の基板表面への入射角を全反射臨界角とすることが好ま
しい。基板表面に全反射臨界角で入射した励起光は、基
板表面と原料前駆体溶液の境界面に沿って進むので、原
料前駆体溶液中への光の侵入による溶液中での前駆体の
分解縮重合反応をほぼ完全に防ぐことができ、より完全
な酸化物単結晶薄膜をエピタキシャル成長させることが
できるからである。
【0015】励起光としては、紫外光、可視光、赤外光
のいずれでも良いが、波長350nm以下の紫外光が反
応を促進する作用が強く、特に好ましい。光源として
は、水銀ランプ、エキシマレーザー、N2レーザー、Y
AGレーザー、自由電子レーザー、SOR光などを用い
ることができる。尚、原料前駆体の特定の結合を励起す
る場合には、波長可変レーザーを利用する。
【0016】また、原料前駆体溶液の調整は、従来のゾ
ル−ゲル法を用いた光反応による酸化物の合成の場合と
同様である。即ち、原料は金属アルコキシドであるが、
必要に応じて、これに溶媒を添加したり、β−ジケトン
等の光反応基により光反応の安定化を図ったり、加水分
解を進めやすくするため水を加えたり、触媒を加えたり
して原料前駆体溶液を調整する。例えば、金属アルコキ
シドにβ−ジケトンのような光反応基を混合して還流
し、得られた光反応基で化学修飾された金属アルコキシ
ドに更に溶媒と水を加えることにより原料前駆体溶液と
する。
【0017】上記の本発明方法により、単結晶基板の表
面から酸化物を順にエピタキシャル成長させることがで
きるので、大面積の均一な酸化物単結晶薄膜を簡単に合
成することができる。尚、本発明方法の対象となる酸化
物は、ゾル−ゲル法で合成できる酸化物であれば良く、
例えば水晶(SiO2)、GeO2、LiNbO3、Li
TaO3、ZrO2、SrTiO3、PZT、BaTi
3、TiO2、ZnO、SnO2、ITO、高温超電導
酸化物などを合成することが可能である。また、使用す
る単結晶基板は、目的とする酸化物に応じて適宜選択す
る。
【0018】
【実施例】図1に示す工程図に従って、薄膜の原料であ
るゲルマニウムテトラエトキシドGe(OC25)4と、
光反応基としてのβ−ジケトンとを混合し、還流して反
応させた。このβ−ジケトンで化学修飾されたGe(O
25)4に、エタノールと水を混合して、原料前駆体溶
液とした。
【0019】単結晶基板としては、水晶基板のz面を使
用した。図2に示すように、単結晶基板1の表面1aが
容器2に入れた上記原料前駆体溶液3と接触するように
単結晶基板1を保持しながら、原料前駆体溶液3と接触
している表面1aの反対側の面(裏面1b)から、レン
ズ5で平行光線にした水銀ランプ4の紫外光を光ファイ
バ6で導入して照射した。
【0020】この時、単結晶基板1の表面1aにおける
紫外光の入射角θが全反射臨界角度となるように、単結
晶基板1の裏面1bに照射する紫外光を調整した。入射
角θを全反射臨界角とすることで、紫外光は図2に示す
ごとく単結晶基板1の表面1aと原料前駆体溶液3の境
界面に平行に出射する。
【0021】尚、この実施例において、原料前駆体溶液
中のGe(OC25)4の濃度は0.5モル/リットルと
し、照射した紫外光の波長は200nm、及び照射時間
は10時間とした。
【0022】その結果、紫外光を照射した部分と照射し
ていない部分では段差ができ、単結晶基板1の表面1a
に薄膜7が1μmの厚さで形成されていることがわかっ
た。この薄膜を薄膜X線回析法及びφスキャンにより測
定したところ、酸化ゲルマニウム(GeO2)の単結晶
薄膜であった。
【0023】尚、GeO2以外の酸化物の単結晶薄膜に
ついても、原料と単結晶基板材料及び励起光波長を変更
すれば、上記と同様の方法により合成することができ
る。
【0024】
【発明の効果】本発明によれば、単結晶基板表面から原
料前駆体の加水分解と脱水縮合を進めることができ、全
体に均一な酸化物単結晶薄膜を低温でエピタキシャル成
長させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明方法を示す工程図である。
【図2】本発明方法における光の進行を示す概略の説明
図である。
【符号の説明】
1 単結晶基板 1a 表面 1b 裏面 2 容器 3 原料前駆体溶液 4 水銀ランプ 5 レンズ 6 光ファイバ 7 薄膜

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 単結晶基板の表面を原料前駆体溶液に接
    触させ、励起光を該単結晶基板の裏面側から照射して表
    面から原料前駆体溶液に入射させることにより、原料前
    駆体を分解して単結晶基板の表面から酸化物単結晶をエ
    ピタキシャル成長させることを特徴とする酸化物単結晶
    薄膜の合成方法。
  2. 【請求項2】 励起光の単結晶基板表面での入射角が全
    反射臨界角となるように、単結晶基板の裏面側への励起
    光の照射角度を調整することを特徴とする、請求項1に
    記載の酸化物単結晶薄膜の合成方法。
JP13450096A 1996-05-29 1996-05-29 酸化物単結晶薄膜の合成方法 Pending JPH09315896A (ja)

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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104088008A (zh) * 2014-06-30 2014-10-08 吉林师范大学 一种用于制备胶体晶体的系统及胶体晶体的制备方法
US9512521B2 (en) 2011-04-28 2016-12-06 Ricoh Company, Ltd. Manufacturing method of and manufacturing apparatus for metal oxide film

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9512521B2 (en) 2011-04-28 2016-12-06 Ricoh Company, Ltd. Manufacturing method of and manufacturing apparatus for metal oxide film
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