JPH09506586A - 酸化膜のための結晶成長リフトオフ方法およびその結果の構造 - Google Patents

酸化膜のための結晶成長リフトオフ方法およびその結果の構造

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JPH09506586A JP7516927A JP51692795A JPH09506586A JP H09506586 A JPH09506586 A JP H09506586A JP 7516927 A JP7516927 A JP 7516927A JP 51692795 A JP51692795 A JP 51692795A JP H09506586 A JPH09506586 A JP H09506586A
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Abstract

(57)【要約】 酸化膜を成長基板から分離するために、層状の酸化銅緩和材料を用いる方法。以下の工程を含む、自立した酸化膜の形成方法。:LaAlO3のような成長基板(10)の上に、高温超電導体YBCOのような酸化銅緩和材料(12)を形成する第1の工程と、上記酸化銅緩和材料の上に、酸化膜(14)を形成する第2の工程と、好ましくは、上記酸化膜(14)を上記基板(10)から分離するために、上記酸化銅緩和材料(12)をエッチングする第3の工程。上記酸化膜(14)は、強誘電体、または光材料、またはSrTiO3またはCeO2のような更なる高温超電導体の成長に整合した材料でも良い。

Description

【発明の詳細な説明】 酸化膜のための結晶成長リフトオフ方法およびその結果の構造 発明の分野 本発明は、結晶質の膜、特に、結晶成長単結晶膜の成長に関する。本発明は、 更には、高温超電導膜、強誘電体膜および非線形光学膜を含む酸化膜の成長に関 する。 本発明は、ライトパターソン空軍基地からの連邦基金、契約番号F33615 −93−C−5342を用いて開発された。 発明の背景 結晶構造は、様々な大きさや形状で現れる。多くの有用なデバイスは、典型的 には基板上に形成された、薄い結晶膜として形成される。そのような膜の例とし ては、基板上に形成された薄膜高温超電導体、基板上に形成された強誘電体膜の ような薄い磁性膜、または非線形光学材料が半導体デバイスと接続されるような 光材料を含む。 通常、結晶膜とともに、どのような基板材料を用いるべきかの決定には、厳し い制限を必要とする。一般に、その膜の成長の見通しを最適化するように選択さ れる。それゆえに、コストを最小にし、または最終的な膜の予定される使用のた めの良い性能特性を供給するような要素は、強調されなかった。 一方、基板を選択するためには、多くの考慮が必要であり、以下の要素が重要 である。それらは、必ずしも重要度の順に挙げられていない。 第1に、基板と結晶の熱膨張特性は一致しなければならない。結晶膜の高温プ ロセスは、典型的に、基板と結晶の冷却中の結晶の”クラック”が最も少なくな るように、基板が結晶と似た熱膨張特性を有することを必要とする。 第2に、基板は、良好な熱安定特性を有しなければならない。結晶プロセスは 、しばしば数100℃で、またしばしば900℃より高い温度で起こり、それゆ え に基板は、プロセス温度領域を通して安定であることを要求される。 第3に、基板と膜の間の結晶格子構造は、比較的良好に整合しなければならな い。もし、格子不整合が大変大きいと、結晶および基板は、もっとも良い特性に 要求される成長の関係にはならないであろう。 第4に、基板と膜の間の相互拡散を考慮しなければならない。もし基板が、基 板と膜の間に、実質的な相互拡散があるような場合、次善の膜が結果として生じ る。 第5に、基板のこわれやすさを考慮しなければならない。基板の1つの機能は 、薄膜の支持を提供することである。もし、基板自体がこわれやすければ、全て の構造が、受け入れられないような大変こわれやすいものになるだろう。 第6に、様々な基板の構造が、考慮されるべきである。ある特別に問題のある 結晶の現象は、双晶化であり、ここでは、結晶が温度の関数により構造を変える 。双晶化温度より高い温度で形成される膜は、基板が双晶のない状態の時でも、 しばしばより低い温度で受け入れられないようになる。 第7に、基板の誘電体定数を考慮しなければならない。しばしば、他の理由で 受け入れられる基板は、受け入れられない高い誘電体定数を有している。これは 、基板の誘電体定数が、デバイスの誘電体定数全てに強く影響するようなマイク ロ波対応デバイスにとって、関係してくる。 最後に、基板のコストが、しばしば重要である。シリコンのような大変一般的 な材料を除き、単結晶基板材料は大変高価な傾向にある。一方、多結晶材料は、 比較的安価である。 このように、基板の選択を行う場合、歴史的に、基板と良質な膜の成長の一致 が強調された。例えば、熱膨張、熱安定性、格子不整合、相互拡散、および双晶 化の関係が、関心を持たれた。誘電体定数およびコストのような要素は、より重 要性が低かった。しかしながら、それらの要素は、有用なデバイスの形成、最終 的にはマーケットの受けには、極めて重要である。 多くの高温超伝導薄膜構造が、いくらかの期間の間に、知られるようになった 。1986年、ベドノルズおよびミューラにより発見されて以来、高温超電導体 材 料は、異なった形態で公式に表された。初期の材料は、一般にバルク形状に形成 された一方、有用なデバイスは、薄膜材料から作られていた。ハモンドらの論説 による。 1986年の、BaLaCuOの組織の発見を伴った高温超電導の発見(”B a−La−Cu−O組織での実現しうる高いTc超電導”、ベドノルズおよびミ ューラ、V.Phys.B−Condensed Matter No.64、 189−193(1986)参照)以来、続いてYBCO材料の発見(”大気圧 でのYBaCuO混合組織の新しい混合相の93Kにおける超電導”、ウら、P hysical Review Letter、Vol.58、No.9、pp 908−910(1986)参照)や、ビスマス材料(マエダら、Japane se Journal of Applied Physics、Vol.27 、No.2、pp L209−210(1988)および”希土類元素を含まな いBiAlCaSrCuO混合組織の114K以上の超電導”、チュウら、Ph ysical Review Letter、Vol.60、No.10、pp 941−943(1988)参照)やTlCaBaCuOやTlBaCuOのよ うなタリウム基組織(”Nature”、シェンおよびハーマン、332:55 −58(1988)およびシェンおよびハーマン、332:138−139(1 988)参照”の発見が続いた。一般に、それらの材料は、全て、層状の酸化銅 の面を含む。それらは、”層状の酸化銅”としてのクラスとして言及される。し ばしば、それらの材料は、代わりの代替要素を含む。様々な層状の酸化銅から選 択される典型的な基板としては、LaAlO3、MgO、SrTiO3、イットリ ウム安定化ジルコニアおよびサファイアがある。 更に、高温超電導を考慮すると、マイクロ波システムやマルチチップモジュー ルで用いられるようなデバイスに、超電導量子干渉素子(Squid)として、 赤外線ディテクタとして、ロジックの接続としての磁場共鳴イメージングコイル に、様々な応用が述べられている。しかしながら、それらのデバイスは、基板の ような他の材料の、超電導体でない特性により、それらの理論的な性能が限定さ れている。例えば、マイクロ波デバイスの場合、その上にYBCOやタリウムの 超電導ラインが形成されるSrTiO3のような基板は、SrTiO3基板がなお 150またはそれ以上の誘電体定数を有するにもかかわらず、根本的に、超電導 体でないデバイスに比べて長所を有することができる。これは、次善の結果によ り、全ての電気的環境について言える。しかしながら、SrTiO3は、YBC Oのような膜と、単に1.2%の違いである良好な格子整合を有し、良好な熱安 定性を有し、そして様々な層状の酸化銅材料と似た熱膨張特性を有するため、層 状の酸化銅のために選択される基板として試験された。このように、基板が注目 する応用のための次善の性質を有する場合であっても、基板の選択は、もう1度 成長の必要性により指示される。 半導体の分野では、強誘電体および非線形光デバイスを半導体上に形成するこ とが、知られた望まれるゴールである。誘電体の場合、不揮発性メモリが、半導 体上に基板誘電体を直接形成することにより形成することができる。光デバイス の場合、ファイバーオプティックスのようなデバイスを半導体デバイスの接続す ることが望まれる。現在まで、シリコン上にBaTiO3のような強誘電体を形 成するための努力が、原理的に、膜と基板の間の相互拡散および望まない膜のク ラックを引き起こすそれらの異なった熱膨張のために、不満足に試験されている 。 多くの試みが、膜の使用および経済性に最適にマッチしない基板の問題を克服 するために行なわれた。半導体領域で、ガリウムひ素(”GaAs”)膜が、犠 牲(sacrificial)層としてのアルミニウムひ素(”AlAs”)と 供に成長される。アルミニウムひ素は、ガリウムひ素のエッチング速度の108 倍の選択エッチング速度を有する。弗化水素酸が、上記犠牲層をエッチングする ために用いられる。しかしながら、弗化水素酸の使用は、その危険な特性ゆえに 好ましくない。更に、ガリウムひ素およびアルミニウムひ素は、層状の酸化銅や その上に形成される材料のように、必ずしも酸化膜とは整合しない。 半導体と超電導体の分野の双方で用いられてきた代わりの解決法は、バッファ 層である。一般に、バッファ層は、基板と所望の膜との間に配置される中間層で ある。バッファ層が、適当に選択されていると仮定すると、該バッファ層は、基 板と膜の間の相互拡散を防止し、その格子不整合を緩やかにしようとする点で優 れている。バッファ層を使用する欠点は次のとおりである。熱膨張の問題、コス ト、基板との関係における誘電率の問題である。更に、バッファ層は、基板と膜 の組み合わせに対して大変特殊な解決である傾向にあり、満足できる一般的な解 決法を提供するものではない。 この問題の長年のじれったい性質にもかかわらず、満足できる解決法はこれま でに提案されていない。 発明の概要 新しい構造および方法は、犠牲緩和材料として層状の酸化銅を利用する。一般 に、本方法は、成長基板上に層状の酸化銅のエッチング可能な膜を形成する工程 と、上記層状の酸化銅の上に相対的に不活性な酸化膜を成長する工程と、基板か ら上記膜を分離するために層状の酸化銅をエッチングする工程とを含む。代わり の追加の構造は、第1の相対的に不活性な膜の上に形成することができる。例え ば、もし、第1の比較的不活性な酸化膜が、SrTiOやCeO2のような高温 超電導体と整合した材料であれば、更に層状の酸化銅膜をその膜の上に形成する ことができる。層状の酸化銅緩和層のエッチングの前に、高温超電導構造がエッ チャントから適当に保護される。 一般に、層状の酸化銅膜のいくつかは、この技術に関連して用いられても良い 。特に、YBCOおよびタリウム基超電導膜を用いてもよい。選択的に、上記膜 は超電導体である必要はない。層状の酸化銅材料のエッチング速度は、短いチャ ネルには105が適当であるが、不活性膜のエッチング速度より108倍、更に好 ましくは109倍速いことが好ましい。 好ましい実施例では、YBCO超電導層が、SrTiO3、MgO、LaAl O3、イットリウム安定化ジルコニアまたはサファイアのような整合した基板上 に形成される。次に、相対的に不活性な酸化膜が形成される。強誘電体の場合、 これはBaTiO3のような材料であり、超電導体の場合は、LaAlO3、Sr TiO3、またはCeO2であるのが良い。もし、所望なら、付加的な構造を、比 較的に不活性な酸化膜の上に形成してもよい。その構造が形成された後、YBC O層が酸の中で、好ましくは塩酸、更に好ましくは、約3μm/分のエッチング 速度を得るために体積率で2:1から100:1の範囲の塩酸の中でエッチング される。 一度、上記膜が層状の酸化銅緩和材料の上に形成されれば、この膜は成長基板 から除去されてもよい。この膜は、所望の基板の付着させることができる。例え ば、その上に形成された第2のYBCOの超電導膜を有する薄いSrTiO3の 第1の酸化膜を、低誘電体定数および低コストを有する基板の上に付着させるこ とも望むことができる。この方法では、成長基板は選択的に再利用されても良い 。代わりに、膜は、好ましくは有機物誘電体により分離された、多層積層に形成 されても良い。この方法では、マルチチップモジュールのような様々な構造を作 ることができる。低誘電体定数の材料を、超電導材料の多くの層を分離するため に利用しても良い。重要なのは、この方法が、本質的に、単結晶膜を実質的に低 コストの多結晶基板に付着させることができる構造を可能とし、それにより、画 期的に全ての構造のコストを低減することができることである。 それによって、BaTiO3または光材料のような材料の酸化膜を形成する方 法を提供することが、本発明の本質的な目的である。 高温超電導体の成長に整合した薄い酸化材料の形成方法を提供することが、本 発明の更なる目的でもある。 酸化膜を成長基板から分離する方法を提供することが、本発明の更なる目的で もある。 上記膜の成長と整合しない、任意の基板と組み合わせて酸化膜を提供すること が、本発明の更なる目的でもある。 有機物誘電体のような材料により分離された酸化膜の多層構造を提供すること が、本発明の更なる目的でもある。 図の簡単な説明 図1は、本方法のプロセスフローを示す。 図2は、バッファ構造層、層状の酸化銅緩和層、および酸化膜の断面図を示す 。 図3は、層状の酸化銅緩和層の部分エッチングの選択的な工程を含むプロセス フローを示す。 詳細な説明 図1は、全製造方法のプロセスフローを示す。工程1は成長基板の断面図を示 す。成長基板の特性は、以下に述べるようが、基板は、一般に、成長基板10の 上の層状の酸化銅膜の最適な成長のために選択される。工程2は、成長基板10 の上に配置された層状の酸化銅材料12を示す。工程3は、上記層状の酸化銅材 料12上への第1の酸化層14の形成を示す。好ましい実施例では、第1の酸化 層は、BaTiO3のような強誘電体、またはLaAlO3、SrAl5Ta53 、NdGaO3、NdAlO3、BaTiO3、CeO2またはSrTiO3のよう な高温超電導材料の更なる形成に整合した酸化膜である。 工程4では、単結晶酸化膜14が、層状の酸化銅膜12の上に形成されたと仮 定する。層状の酸化銅膜を適当な酸を用いてエッチングすることにより、第1の 酸化膜14を成長基板10から分離することができる。酸化膜14は、それから 、膜14の使用に更に整合した特性を有する基板(図示せず)上に配置するよう な、幾つかの所望の方法で利用され、また代わりに多層配置として利用される。 図1の最初の工程は、更なるプロセスのための代わりを示す。工程4’から開 始して、成長基板10は、その上に配置された層状の酸化銅材料12と、続いた 第1の酸化膜14と、最後となる第2の膜16とを有する。例の方法では、材料 は、SrTiO3の成長基板10、YBCOの層状の酸化銅層12、SrTiO3 の第1酸化膜14およびYBCOの第2膜16を含んでも良い。工程5’は、第 2の膜16がパターニングされ、よく知られた方法を用いてエッチングされても よい。パターニングされた第2の膜18が、結果的に残る。もし、パターニング された膜18が、層状の酸化銅の平面12の上を用いたエッチングで、望まない 挙動をする場合は、第2の膜16またはパターニングされた膜18を保護するた めに、パッシベーション被覆20を形成すべきである。 工程7’では、第1の酸化膜14、パターニングされた第2の膜18およびパ ッ シベーション材料20の組み合わせが、層状の酸化銅層12のエッチングにより 、成長基板10から分離される。再度、上記成長基板10は、更なる結晶成長の ために利用することができる。 選択的に、バッファ層を成長基板10と層状の酸化銅材料12との間に利用し てもよい。図2に示されるように、成長基板10は、その中または上にバッファ 層22が配置される。全ての基板24は、成長基板10およびバッファ層22の 組み合わせから成る。バッファ層22は、層状の酸化銅材料26と面してもよい 。第1の酸化膜は、層状の酸化銅材料26の上に形成されてもよい。選択的に、 バッファ層は、第1の外側の層28と層状の酸化銅材料26との間に配置されて もよい。 図3に代わりに製造方法を示す。成長基板30は、その上に層状の酸化銅材料 32が形成される(工程2参照)。工程3では、第1の酸化膜34が、層状の酸 化銅材料32の上に形成されてもよい。それから、支持基板36が、第1酸化膜 34と結合される。選択的に、この工程で、層状の酸化銅材料が部分的にエッチ ングされる。工程5では、プロセス基板36と第1の酸化膜34が、成長基板3 0から分離され、エッチングが完了する。工程6では、選択的な第2の膜38が 、第1の酸化膜34の上に形成されても良く、ここでは、プロセス基板36の上 に配置される。追加の組み立て、または形成の幾つかのレベルが、デバイス上に 利用されても良い。 上記プロセスで用いられる様々な材料について、成長基板に関しては、上記層 状の酸化銅材料およびその上に成長される究極の膜と最適に整合した成長基板を 選択することが、一般に好ましい。例えば、成長基板は、層状の酸化銅および膜 材料に対して、良好な熱安定性、最小の格子不整合、最小の相互拡散、および良 好な熱膨張整合性であるように選択されるべきである。高温超電導体、強誘電体 および非線形光応用にとって、基板の一般的なリストには、LaAlO3、Mg O、SrTiO3、イットリウム安定化ジルコニア、NdGaO3、サファイア( サファイアは、比較的厚い膜としては良くない傾向にあるが)が含まれる。 選択的に、バッファ層を成長基板に用いても良い。これは、一般的に、上記バ ッ ファ層と上記層状の酸化銅材料の間の相互拡散を最小にするために用いられる。 更に、バッファ層は、より良い結晶整合を供給する中間結晶構造を提供する。バ ッファ層を利用する付加的な理由は、層状の酸化銅のエッチング中の成長基板の エッチングを低減することである。バッファ層を用いることにより、実際の成長 基板結晶を、エッチャントから保護することができる。この方法では、成長基板 が何回も再利用することができる。これは、実質的に、より安価な基板に基づい た混合膜の全てのコストを低減できる。 選択的に、成長基板は、それを通って配置されたエッチャントの通路を有して も良い。一般に、これらの通路は、エッチャントが成長基板を通って通過し、層 状の酸化銅材料をエッチングすることを許容する穴からなる。好ましい実施例で は、エッチング通路は、マルチチップモジュールで接続部が形成されるような、 酸化膜の結晶構造が厳密でないような位置に配置される。代わりに、エッチング 技術で知られているよいに、チャネルは、エッチングを許容するためにフォトレ ジストに形成してもよい。 エッチングできる材料については、一般的に、層状の酸化銅材料のいくつかの 部類が用いられる。このように、その部類は、現在、YBCO材料、タリウム基 材料、ビスマス材料およびランタン材料を含む。化合物のこの部類は、一般に超 電導体を形成することが分かるが、上記材料が超電導体である必要はない。例え ば、本発明の目的のためには、YBCO中のイットリウムを希土類材料に変える ことも可能である。一般に、層状の酸化銅の上に形成された酸化材料に比較して 、比較的速いエッチング速度の層状の酸化銅であることが、判断基準となる。典 型的には、厚さが50Åから0.5μmであることが望ましい。その範囲の薄い 方の端の層状の酸化銅膜は、より良い究極の酸化膜となる。 最初の酸化層は、層状の酸化銅材料または中間バッファ層と整合し、層状の酸 化銅に比べて、比較的遅いエッチング速度を有する幾つかの材料から形成されて も良い。例えば、SrTiO3またはCeO2は、YBCO上の成長に整合し、H Clや硝酸中で比較的遅いエッチング速度を有する酸化物である。一般に、第1 の酸化膜は、ピンホールやクラックを避けるのに十分な厚さであるべきである。 これは、一般に、第1の酸化膜の付着方法により決定される問題である。例えば 、レーザー溶解デポジション技術では、ターゲットから溶解除去される材料が比 較的大きいゆえに、ピンホールやクラック欠陥が生じやすくなる。もし、ピンホ ールや他のクラックが避けられないならば、エッチャントが、層状の酸化銅材料 のエッチング中に、第2の膜をアタックする可能性が存在する。 それから、第1の酸化膜は、その上に多くの材料が配置されてもかまわない。 好ましい実施例では、もし、第1の酸化膜が、SrTiO3やCeO2のような、 更なる高温超電導材料の成長に整合した酸化物であれば、超電導材料は、その上 に付着することができる。まず、超電導体が付着され、フォトリソグラフィのよ うな一般的な技術を用いて、選択的にパターニングされても良い。好ましい実施 例では、エッチングされた超電導体は、層状の酸化銅材料のエッチング前に、パ ッシベートや他の保護がなされる。好ましい実施例では、非晶質SrTiO3が 、パターニングされた超電導体および露出された第1の酸化膜の上にレーザー溶 融される。それから、パターニングされた超電導体がパッシベート被膜で保護さ れながら、層状の酸化銅材料がエッチングされる。ポリイミドのような有機物パ ッシベート被膜が用いられることが好ましい。 必要ならば、層状の酸化銅材料のような上に成長された膜や材料を支持するた めに、分離構造が用いられても良い。アピエゾン社製の商標名APIEZON− Wの材料のような黒ワックスが利用できる。選択的に、有機物のりが、酸化膜を プロセス基板に張り付けるのに用いられても良い。 剥がされた膜の可能な応用は多数ある。マイクロ波電気の領域では、歴史的に 、酸化膜の成長に適した基板は、技術的使用の観点から最適化されてきた。特に 、比較的高い誘電体定数を有する傾向にある基板は、高価であり、結晶の双晶化 に悩まされてきた。好ましい成長基板に形成された酸化膜の分離により、上記膜 は、水晶や多結晶アルミニウムのような最適の基板に取り付けることができる。 基板は、有益な低誘電体定数、比較的低コスト、および双晶化の無いように選択 することができる。更に、そのようなデバイスの高出力性能は、最良出力性能を 与える酸化と最良の誘電体定数を有する基板の組み合わせにより改良することが でき る。 他の応用では、基板の大きさが限界となる。例えば、医学イメージングへの応 用では、基板の大きさおよびコストがかぎであった。本技術では、基板のコスト と大きさはもはや、制限要素とはならない。マルチチップモジュールのように相 互接続の形成は、典型的には、実質的に平坦な基板を必要とする。述べた技術を 用いることにより、実質的に平坦で、有益に低コストの基板を選択することがで きる。更に、前には高誘電体定数であった中間層誘電体を、最も低い可能な値に まで低くできる。更に、誘電体の厚さは0.5μmから100μmまで変えるこ とができる。 この技術の他の応用は、赤外線検出、またはボロメトリックデバイスである。 基板は、好ましくは、基板から酸化膜が分離されることにより、デバイスの比較 的大きな熱体積に寄与され、基板を用いないため、最も低い可能な熱体積が達成 される。 本発明は、特定の好ましい実施例に関して述べたが、多くの変形および改良が 、当業者により現されるであろう。それゆえに、請求項に現された本発明は、当 業者の視点から、そのようなすべての変形および改良を含むようにできる限り広 く解釈される。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1.(1) 成長基板上に層状の酸化銅緩和材料を形成する工程と、 (2) 上記緩和材料上に酸化膜を形成する工程と、 (3) 上記酸化膜を上記成長基板から分離するために、上記緩和材料をエ ッチングする工程と、 を含む、酸化膜の形成方法。 2.上記層状の酸化銅緩和材料が、以下の群から選択される請求項1の方法: YBCO、TlCaBaCuOx、LaSrCuOx、BiSrCa CuOx。 3.上記層状の酸化銅が高温超電導体である請求項2の方法。 4.上記層状の酸化銅がYBCOである請求項2の方法。 5.上記酸化膜が、強誘電体である請求項1の方法。 6.上記酸化膜が、光材料である請求項1の方法。 7.上記光材料が、非線形光材料である請求項6の方法。 8.上記酸化膜が、高温超電導体と整合する請求項1の方法。 9.上記酸化膜が、SrTiO3、SrAl5Ta53、LaAlO3、BaTi O3、NdGaO3、NdAlO3またはCeO2の群から選択される請求項1の方 法。 10.上記成長基板が、上記層状の酸化銅緩和材料に隣接して配置されたバッフ ァ層を含む請求項1の方法。 11.上記エッチングが、以下の群から選択された酸を用いる請求項1の方法: 塩酸および硝酸。 12.上記塩酸エッチャントが、体積率で2:1から100:1までの範囲にあ る請求項11に方法。
JP7516927A 1993-12-13 1994-12-12 酸化膜のための結晶成長リフトオフ方法およびその結果の構造 Ceased JPH09506586A (ja)

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