JPH11160662A

JPH11160662A - 電気光学デバイスの作製方法

Info

Publication number: JPH11160662A
Application number: JP32991297A
Authority: JP
Inventors: Mitsuhiro Iwata; 充浩岩田; Ryoji Namikata; 量二南方
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1997-12-01
Filing date: 1997-12-01
Publication date: 1999-06-18

Abstract

(57)【要約】【課題】優れた電気光学特性と高い光透過率を有しか
つ駆動電圧が低くて大面積の電気光学デバイスの製造を
可能にして提供する。【解決手段】電気光学デバイスの作製方法は、透明基
板１上に第１透明導電膜２、窒化アルミニウム膜３、お
よび第２透明導電膜４を順次堆積する工程を含み、窒化
アルミニウム膜３の形成工程において、ターゲット電圧
とターゲット電流が互いに独立に制御され得るスパッタ
法を用い、ターゲットとしてアルミニウムを使用し、ス
パッタガスとしてアルゴンと窒素の混合ガスを用いるこ
とを特徴としている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、光スイッチン
グ、光画像処理、光コンピューティングなどに用いられ
得る電気光学デバイスの作製方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】電気光学デバイスの最大の特徴は、その
動作速度が速いことである。したがって、この効果を利
用して、高速で広帯域の光スイッチや光変調器などの開
発が進められている。このような電気光学デバイス用の
材料としては、電気光学効果の大きなＬｉＮｂＯ₃が、
従来から典型的に用いられている。

【０００３】ところで、窒化アルミニウム膜は、圧電
性、絶縁性、熱伝導性などの特性に優れていることか
ら、絶縁層やＳＡＷ（表面弾性波）デバイスなどへの応
用が考えられている。

【０００４】窒化アルミニウム膜の形成方法については
多くの報告があり、たとえばＲＦ（高周波）スパッタ
（特開昭６２−２１４１６７、またはJpn. J. Appl. Ph
ys., Vol.31, 1992, pp. 3446-3451参照）、ＤＣ（直
流）マグネトロン・スパッタ（J.Vac. Sci. Technol.,
A7 （３）, 1989, pp. 2252-2255 参照）、イオンビー
ム・スパッタ（特開平４−１９８４７０参照）、デュア
ル・イオンビーム・スパッタ（J. Appl. Phys., 58
（１）, 1985, pp. 550-563 参照）、プラズマＣＶＤ
（化学気相析出）（特開平３−４７９７１参照）などが
報告されている。

【０００５】ここで、種々のスパッタ方法の特性を比較
すれば、以下の（１）〜（４）のようにまとめることが
できる。

【０００６】（１）２極スパッタ（ＤＣまたはＲＦ）２極スパッタでは放電インピーダンスが高いために高い
放電電圧が必要となり、ＤＣを用いる場合には高ガス圧
が必要でしかもチャージアップの理由で絶縁物のスパッ
タには使用できないので、現在ではＤＣ２極スパッタは
ほとんど用いられていない。一方、ＲＦを用いる場合に
は、ＤＣの場合に比べて低ガス圧でも放電が可能であ
り、またターゲットが絶縁物でも放電が可能なことか
ら、ＲＦ２極スパッタは広く使用されている。しかし、
２極スパッタではターゲットへの入力の制御がパワー制
御で行なわれるので、スパッタ粒子のエネルギを決定す
るターゲット電圧を自由に選択することができず、ま
た、一般に数ｋＶ程度の高いターゲット電圧を必要とす
る。

【０００７】（２）２極マグネトロン・スパッタ（Ｄ
ＣまたはＲＦ）これは、上述の２極スパッタに磁場を付加することによ
って放電インピーダンスを低下させた方式であり、スパ
ッタ効率も改善されることから、ＤＣとＲＦのいずれに
ついても広く使用されている。ＲＦ２極マグネトロン・
スパッタにおいては、ターゲットへの入力の制御はパワ
ー制御で行なわれるので、通常の２極スパッタの場合と
同じ理由で、スパッタ粒子のエネルギを自由に制御する
ことができない。一方、ＤＣ２極マグネトロン・スパッ
タにおいては、その放電特性に基づいてターゲットへの
入力の制御は一般にパワー制御もしくは定電流制御で行
なわれるので、ＲＦの場合と同様に、スパッタ粒子のエ
ネルギを自由に制御することができない。もし、スパッ
タ粒子のエネルギを制御するために無理に定電圧制御を
行なおうとすれば、ターゲットへの入力パワーの制御が
困難となり、成膜速度の不安定を生じたり、最悪の場合
にはターゲットの溶融を生じる。

【０００８】（３）３極スパッタもしくは４極スパッ
タ（ＤＣまたはＲＦ）３極スパッタもしくは４極スパッタにおいては、ターゲ
ットとは別個の放電用の電極が設けられている。ターゲ
ット電流を決める放電密度はこの放電用電極で制御さ
れ、他方、ターゲットに入射するスパッタ粒子のエネル
ギはターゲットに印加される電圧で個別に制御される。
ＤＣとＲＦのいずれを用いることも可能であるが、ＲＦ
を用いる場合にはターゲットへの入力の制御がパワー制
御で行なわれるので、この３極スパッタもしくは４極ス
パッタの特徴を発揮することができない。なお、３極ス
パッタよりも４極スパッタの方が低ガス圧まで放電が安
定であるが、逆に構造が複雑となる。また、ターゲット
電圧とターゲット電流を互いに独立に制御できる点にお
いては、３極スパッタも４極スパッタも同様である。

【０００９】（４）イオンビーム・スパッタイオンビーム・スパッタにおいては、ターゲットがセッ
トされている反応室とは別の真空室（イオンガン）で放
電によりイオンを形成する。そして、ターゲットのセッ
トされた反応室とイオンガンとの境界にあるメッシュ状
の引出電極によって電圧を印加してイオンを加速し、そ
の加速イオンをターゲットに衝突させる。したがって、
ターゲットに入射するスパッタ粒子のエネルギは、引出
電極に印加される電圧で制御することができる。ターゲ
ット電流は、引出電極の電圧を変えれば変化するが、イ
オンガン中の放電密度を制御することによって一定に保
つことができる。しかし、イオンビーム・スパッタ装置
は一般に構造が複雑で、高い放電密度を得ることが困難
である。

【００１０】ところで、ＳＡＷデバイスを目的とした窒
化アルミニウム膜の形成方法においては、ＳＡＷデバイ
スに必要な圧電特性を有する窒化アルミニウム膜を得る
ために、その膜の成長のための基板としては単結晶Ｓｉ
基板や単結晶サファイア基板が用いられることが多い。
また、光磁気ディスクではプラスチック基板上で窒化ア
ルミニウム膜が透明な絶縁層として使用されているが、
その膜厚は非常に薄くて、主として屈折率の制御を目的
として成膜されているものである。

【００１１】他方、窒化アルミニウム膜を用いて２次高
調波を測定した例（SPIE, Vol. 2397, 1995, pp. 304-3
10参照）も報告されているが、窒化アルミニウム膜を用
いた電気光学デバイスについての報告例は見当たらな
い。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】図１は、電気光学デバ
イスの一例における積層構造を模式的な断面図で示して
いる。この電気光学デバイスにおいては、透明基板１上
に、第１の透明導電膜２、電気光学効果膜３、および第
２の透明導電膜４が順次積層されている。

【００１３】図１に示されているような光透過型の電気
光学デバイスにおいては、光が基板１に対して垂直な方
向に透過し、信号電界も第１と第２の透明導電膜２と４
の間で基板１に対して垂直な方向に印加される。したが
って、光透過型の電気光学デバイスを作製する場合に
は、透明基板１上に形成された第１透明導電膜２上に、
優れた電気光学特性を有しかつ良好な光透過率を有する
電気光学効果膜３を形成する必要がある。

【００１４】このような観点から、本発明は、透明導電
膜上に優れた電気光学特性と高い光透過率を有する電気
光学効果膜を作製する方法を提供することによって、優
れた電気光学特性と高い光透過率を有しかつ駆動電圧が
低い大面積の電気光学デバイスを提供することを目的と
している。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明による電気光学デ
バイスの作製方法は、透明基板上に第１の透明導電膜を
形成する工程と、第１透明導電膜上に窒化アルミニウム
膜を形成する工程と、窒化アルミニウム膜上に第２の透
明導電膜を形成する工程を含み、窒化アルミニウム膜の
形成工程において、ターゲット電圧とターゲット電流が
互いに独立に制御され得るスパッタ法を用い、ターゲッ
トとしてアルミニウムを使用し、スパッタガスとしてア
ルゴンと窒素の混合ガスを使用することを主要な特徴と
している。

【００１６】なお、ターゲット電圧は、−２００Ｖから
−５００Ｖの範囲内にあることが好ましい。

【００１７】また、スパッタガス中の窒素ガス分率は、
５〜６５％の範囲内にあることが好ましい。

【００１８】さらに、第１透明導電膜は、錫がドープさ
れた酸化インジウム（ＩＴＯ）としてスパッタ法で形成
されることが好ましい。

【００１９】

【発明の実施の形態】図２は、本発明による電気光学デ
バイスの作製方法において窒化アルミニウム膜の堆積の
ために好ましく用いられ得る３極スパッタ装置を模式的
なブロック図で図解している。このような３極スパッタ
装置において、まず、アルゴンと窒素の混合ガスがスパ
ッタガスとしてガス導入口８を介してスパッタ反応室内
に導入される。そして、フィラメントモジュール１２に
よってフィラメント７に電流が流され、そこから熱電子
が発生させられる。アノード５には点火モジュール１１
によって高電圧が印加され、熱電子がアノード５側へ引
き寄せられる。このとき、熱電子がスパッタガスに衝突
してプラズマが発生する。このプラズマは、プラズマデ
ィスチャージモジュール１０によって維持される。そし
て、ターゲットモジュール９によってアルミニウムのタ
ーゲット６に負電位が印加されれば、電離したガスイオ
ンがターゲット６に衝突し、そのターゲットのスパッタ
が行なわれる。

【００２０】このように、ターゲット電圧はターゲット
モジュール９によって制御することができ、これとは別
に、ターゲット電流はプラズマ量、すなわちガス圧と熱
電子量（フィラメント電流量）によって制御することが
できる。したがって、プラズマを一定に保ったままで、
窒化アルミニウム膜堆積用の基板上に入射するスパッタ
粒子の運動エネルギを制御することができる。このスパ
ッタ粒子の運動エネルギの制御により、堆積される窒化
アルミニウム膜の結晶配向の制御が可能となる。

【００２１】また、反応スパッタ時にスパッタガス中の
窒素含有率を制御することによって、良好な光透過率を
有する化学量論的組成またはその近傍の窒化アルミニウ
ム膜を得ることができる。

【００２２】さらにまた、窒化アルミニウム膜の結晶の
配向率が下地となる第１透明導電膜の影響を受けること
から、最適な配向率を実現できるように第１透明導電膜
の成膜方法を選択することにより、優れた電気光学特性
を有する窒化アルミニウム膜を得ることができる。

【００２３】以上のようにして第１透明導電膜上に窒化
アルミニウム膜を形成することによって、優れた電気光
学特性と高い光透過性を有しかつ駆動電圧が低くて大面
積の電気光学デバイスを提供することが可能になる。

【００２４】

【実施例】以下において、本発明に従って図１に示され
ているような電気光学デバイスを作製した実施例を説明
する。

【００２５】まず、コーニング社製♯０２１１のガラス
基板１上に、第１の透明導電膜２としてＩＴＯ膜が２極
スパッタ法で形成された。このときのＩＴＯ膜２の堆積
条件は次のようである。

【００２６】膜堆積方法：ＲＦ２極スパッタ法ターゲット：ＩＴＯ（５ｗｔ％ＳｎＯ₂）スパッタガス：アルゴンスパッタガス圧：１．３ＰａＲＦパワー：１００Ｗ堆積時間：３０分（膜厚２００ｎｍ）以上のような堆積条件の下に形成されたＩＴＯ膜２上
に、３極スパッタ法にて窒化アルミニウム膜３が形成さ
れた。窒化アルミニウム膜３の堆積条件は、次のようで
ある。

【００２７】膜堆積方法：ＤＣ３極スパッタ法ターゲット：アルミニウムスパッタガス：窒素ガスまたはアルゴンと窒素の混合ガ
ス（窒素：５〜１００％）スパッタガス圧：０．６Ｐａターゲット電圧：−２００Ｖから−５００Ｖの範囲内ターゲット電流：１．０Ａ基板温度：２００℃ 堆積時間：１２０分（膜厚１μｍ）上記の条件で形成された窒化アルミニウム膜３上に、第
２の透明導電膜４として、ＩＴＯ膜が第１導電膜２と同
じ条件の下に形成され、これによって図１に示されてい
るような電気光学デバイスを作製した。

【００２８】図３は、このようにして得られた電気光学
デバイスにおける窒化アルミニウム膜３の結晶配向率と
電気光学特性との関係を示している。すなわち、図３の
グラフにおいて、横軸は窒化アルミニウム膜３の結晶の
配向率を表わし、縦軸は電気光学特性を表わしている。
ここで、結晶配向率は、窒化アルミニウムの結晶構造が
六方晶であることから、次の式で示されているようにｃ
軸の配向性の程度を表わす値Ｈとして表わされている。

【００２９】Ｈ＝Ｉ（００２）／ΣＩ（ｈｋｌ）ここで、Ｉ（００２）は（００２）結晶面からのＸ線回
折ピーク強度を表わし、ΣＩ（ｈｋｌ）はすべての結晶
面からの回折ピーク強度の総計を表わしている。また、
電気光学特性は、得られた電気光学デバイスに電圧を印
加したときの窒化アルミニウム膜３における屈折率変化
を測定することによって求められた。ただし、結晶配向
率Ｈ＝１のときの電気光学特性値を１として規格化し
た。

【００３０】図３のグラフから明らかなように、窒化ア
ルミニウム膜３の結晶配向率が高いほど良好な電気光学
特性が得られており、窒化アルミニウム膜３の電気光学
特性の良否はＸ線回折測定で求められる結晶配向率で判
断できることがわかる。

【００３１】図４は、スパッタガス中の窒素分率を２５
％に固定した状態でターゲット電圧を変化させて成膜し
た場合において、ターゲット電圧と窒化アルミニウム膜
の結晶配向率との関係を示している。すなわち、図４の
グラフにおいて、横軸はターゲット電圧（Ｖ）を表わ
し、縦軸は窒化アルミニウム膜３の結晶の配向率を表わ
している。

【００３２】図４から明らかなように、ターゲット電圧
が−２００Ｖから正電圧側に変化すれば窒化アルミニウ
ム膜３の結晶配向率が低下し、それに伴って光透過率も
著しく低下する。他方、ターゲット電圧が−５００Ｖよ
りさらに負電圧側に変化すれば、窒化アルミニウム膜３
中の歪応力が著しく増大し、その膜厚が厚くなればクラ
ックが生じることもある。したがって、ターゲット電圧
の範囲としては−２００Ｖから−５００Ｖの範囲内が望
ましく、窒化アルミニウム膜３の結晶配向率の観点から
は−３００Ｖから−５００Ｖの範囲内がさらに好まし
い。

【００３３】図５は、ターゲット電圧を−３００Ｖに固
定した状態でスパッタガス中の窒素分率を変化させた場
合において、その窒素分率と窒化アルミニウム膜３の光
透過率との関係を表わしている。すなわち、図５のグラ
フにおいて、横軸はスパッタガス中の窒素分率（％）を
表わし、縦軸は窒化アルミニウム膜３の光透過率（％）
を表わしている。図５からわかるように、スパッタガス
中の窒素分率が５〜６５％の範囲内にある場合に、５０
％以上の好ましい光透過率を有する窒化アルミニウム膜
３が得られる。

【００３４】さらに他の実施例として、コーニング社製
♯０２１１のガラス基板１上に第１透明導電膜２として
ＩＴＯ膜がＥＢ（電子ビーム）蒸着法で形成され、その
上に窒化アルミニウム膜３および第２透明導電膜４が上
述の実施例と同様の条件で形成された。この場合の第１
透明導電膜２の堆積条件は、次のようである。

【００３５】膜堆積法：ＥＢ蒸着法蒸着源：ＩＴＯ（５ｗｔ％ＳｎＯ₂）酸素分圧：０．０４Ｐａ基板温度：２００℃ 堆積時間：５０分（膜厚２００ｎｍ）なお、窒化アルミニウム膜３の形成時のターゲット電圧
は−３００Ｖであり、スパッタガス中の窒素分率は２５
％であった。この場合の窒化アルミニウム膜３の結晶配
向率は０．９５であり、第１透明導電膜２をスパッタ法
で形成した場合の結晶配向率の１．０に比べて少し低下
していた。したがって、窒化アルミニウム膜３の結晶配
向率の観点からは、第１透明導電膜２としてはスパッタ
法で形成したＩＴＯ膜を使用することが望ましい。

【００３６】ところで、基板１の材料は上述の実施例に
限定されるものではなく、透明であれば他の基板をも用
いることができる。

【００３７】第１透明導電膜２としてＲＦスパッタ法で
形成されるＩＴＯ膜の堆積条件も上述の実施例に限定さ
れるものではない。すなわち、０．１〜３．０Ｐａの範
囲内のスパッタガス圧の下でＩＴＯ膜２を形成すること
ができる。ＲＦパワーおよび堆積時間については、ＩＴ
Ｏ膜２の必要な厚さに応じて適宜定めることができる。
また、ＩＴＯ中の錫のドープ量も上述の実施例に制限さ
れるものではなく、０〜２０％の範囲内にあればよい。

【００３８】窒化アルミニウム膜３をＤＣ３極スパッタ
法で形成するときのターゲット電圧およびスパッタガス
中の窒素分率以外の条件も、上述の実施例に限定される
ものではない。すなわち、０．１〜２．０Ｐａの範囲内
のスパッタガス圧の下で成膜を行なうことができる。基
板温度については一般に高い方が結晶配向率の向上の観
点から好ましいが、基板温度の上限は使用基板の種類や
その他の要因に左右されることが多い。ガラス基板を使
用する場合には、６００℃程度が上限温度となる。一
方、基板温度の下限については膜の付着強度の理由で制
限されることが多く、十分な付着強度を得るためには１
００℃程度以上であることが望ましい。ターゲット電流
および堆積時間については必要な膜厚に応じて適宜定め
ることができる。

【００３９】第２透明導電膜４は窒化アルミニウム膜３
の結晶配向率に影響を与えることはないので、ＩＴＯ中
の錫のドープ量は上述の実施例に制限されるものではな
く、０〜２０％の範囲内ならば十分である。また、第２
透明電極４は光透過性と導電性を備えていればよいの
で、酸化錫、酸化亜鉛等の他の透明導電膜を使用するこ
ともできる。さらに、第２透明導電膜４の形成方法につ
いても、上述の実施例のＲＦスパッタ法以外にＥＢ蒸着
法、反応性スパッタ法等を使用することも可能である。

【００４０】なお、図１の電気光学デバイスでは第１透
明導電膜２および第２透明導電膜４のそれぞれが単一の
膜として示されているが、実際の使用においては、第１
透明導電膜２もしくは第２透明導電膜４またはそれらの
両方の透明導電膜が用途に応じた形状に加工して使用さ
れることも考えられる。

【００４１】また、窒化アルミニウム膜３の絶縁性を改
善して電気光学デバイスの信頼性を高めるために、窒化
アルミニウム膜３と第２透明導電膜４との間に無機ある
いは有機の薄い絶縁層を挿入することも可能である。さ
らに、第２透明導電膜４上に透明の保護膜もしくは保護
板を設けることにより、さらに電気光学デバイスの信頼
性を高めることもできる。

【００４２】

【発明の効果】本発明においては、電気光学デバイスの
電気光学効果膜として窒化アルミニウム膜を形成し、そ
の窒化アルミニウム膜の形成工程において、ターゲット
電圧とターゲット電流が互いに独立に制御され得るスパ
ッタ法を用い、ターゲットとしてアルミニウムを使用
し、スパッタガスとしてアルゴンと窒素の混合ガスを使
用することを特徴としているので、優れた電気光学特性
と高い光透過率を有しかつ駆動電圧が低くて大面積の電
気光学デバイスを容易に提供することができる。

【００４３】特に、窒化アルミニウム膜を形成するとき
に−２００Ｖから−５００Ｖの範囲内のターゲット電圧
を用い、より好ましくは−３００Ｖから−５００Ｖの範
囲内のターゲット電圧を用いることにより、良好なｃ軸
配向率を有する窒化アルミニウム膜を得ることができ、
電気光学デバイスの特性を向上させることができる。

【００４４】また、窒化アルミニウム膜を形成するとき
にスパッタガス中の窒素ガス分率を５〜６５％の範囲内
に設定することにより、光透過率の高い電気光学デバイ
スを得ることができる。

【００４５】さらに、窒化アルミニウム膜を堆積すると
きの下地となる第１透明導電膜として錫をドープした酸
化インジウム膜をスパッタ法で形成することにより、窒
化アルミニウム膜のｃ軸配向率がさらに向上し、電気光
学デバイスの特性がさらに改善されたものになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】電気光学デバイスの一例の積層構造を模式的に
示す断面図である。

【図２】３極スパッタ装置を説明するための模式的なブ
ロック図である。

【図３】窒化アルミニウム膜の結晶の配向率と電気光学
特性の関係を示すグラフである。

【図４】スパッタ法におけるターゲット電圧と得られた
窒化アルミニウム膜の結晶配向率との関係を示すグラフ
である。

【図５】スパッタガス中の窒素分率と得られた窒化アル
ミニウム膜の光透過率との関係を示すグラフである。

【符号の説明】

１透明基板２第１の透明導電膜３電気光学効果膜４第２の透明導電膜５アノード６ターゲット７フィラメント８スパッタガス導入口９ターゲットモジュール１０プラズマディスチャージモジュール１１点火モジュール１２フィラメントモジュール

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】透明基板上に第１の透明導電膜を形成す
る工程と、前記第１透明導電膜上に窒化アルミニウム膜を形成する
工程と、前記窒化アルミニウム膜上に第２の透明導電膜を形成す
る工程を含み、前記窒化アルミニウム膜の形成工程において、ターゲッ
ト電圧とターゲット電流が互いに独立に制御され得るス
パッタ法を用い、ターゲットとしてアルミニウムを使用
し、そしてスパッタガスとしてアルゴンと窒素の混合ガ
スを使用することを特徴とする電気光学デバイスの作製
方法。
【請求項２】前記ターゲット電圧が−２００Ｖから−
５００Ｖの範囲内にあることを特徴とする請求項１に記
載の電気光学デバイスの作製方法。
【請求項３】前記スパッタガス中の窒素ガス分率が５
〜６５％の範囲内にあることを特徴とする請求項１また
は２に記載の電気光学デバイスの作製方法。
【請求項４】前記第１透明導電膜は錫がドープされた
酸化インジウム膜としてスパッタ法で形成されることを
特徴とする請求項１から３のいずれかの項に記載の電気
光学デバイスの作製方法。