JPH01317199A - 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】 〈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、更に詳しく
は高純度かつ単一強誘電性分域を有するＬｉＮｂ１−ｘ
ＴａｘＯ３（０≦ｘ≦１）単結晶薄膜の製造方法に関す
るものである。

〈従来の技術〉 Ｌ　ｉＮｂ　１−ｘ’ｒａ　ＸＯ８（０≦ｘ≦１）は、
高融点でかつ高いキュー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ことを利用した表面
弾性波（ＳＡＷ）デバイス用材料として実用に供されて
いる。また、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に用いられている。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センサーへの適用も試みられている。一方、Ｌ
＋Ｎｂ１−ｘＴａｘ０８　（０≦ｘ≦１）には、Ｆｅ等
の不純物添加によって光照射に対して屈折率が大きく変
化すると言う光損傷効果が存在し、この現象を利用した
光メモリーや３次元ホログラム材料としての応用も検討
されている。

以上の応用開発では、一般に引き上げ法により作製され
たＬｉＮｂ１−）（Ｔａ）（０３（０≦ｘ≦１）バルク
単結晶から、Ｙ面やＺ面等の特定の面方位を持った厚さ
数百ミクロンのウェハーを切り出して使用している。更
に、応用分野によっては高電界印加によるポーリング（
単分域化）処理を施す場合もあ、る。

一方、多くのデバイスでは、実際に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、望みの面方位を
有し単一分域状態にあるＬｉＮｂ１−＞（ＴａｘＯ３（
０≦ｘ≦１）単結晶薄膜を製造する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も可能にせしめ新規
機能の発現をもたらすことが期待される。

現在、Ｌ　］　Ｎ　ｂ　１−ｘＴ　ａ　ｘ　ＯＢ　（０
≦ｘ≦１）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、ゾル・ゲル法等が報告
されている。これらのうち、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（７面、Ｒ面）、水
晶（Ｚ面〕、酸化マグネシウム（（Ｈｇ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５８−２９２８０号
公報）。

〈発明が解決しようとする課題〉 しかしながら、スパッタリング法では原料ターゲットの
組成によって得られる薄膜の組成は規定されてしまい、
ＬＩＮｂトｘＴａｘＯ３（０≦ｘ≦１）のような混晶薄
膜を作製する場合、組成（ｘ）を変える度に原料調製を
厳密にやり直さねばならず効率性に欠ける。また、一般
にスパッタリング用ガスとしてＡｒ等の不活性ガスが使
用される為、不純物としてＡｒ等が薄膜中へ混入する恐
れがある。

ＬｉＮｂ１−ｘＴａ）＜０３（０≦ｘ≦１）の光学的性
質には不純物の存在が大きな影響を与える為、薄膜中へ
の不純物混入は極力無くする必要がある。

これらの問題点を克服する方法として本発明者らは、酸
素ガス雰囲気中で目的物質の各構成元素の蒸発量を各々
独立に制御した後、基板上へ同時蒸着する反応性多成分
同時蒸着法を試みた。しかし、この方法では薄膜中への
酸素の取り込み量が十分でなく、結晶性薄膜を得るには
蒸着後に酸素雰囲気まだは大気中での熱処理が必要であ
った。

〈問題点を解決する為の手段〉 そこで本発明者らは、以上の問題点を解決する方法につ
いで、鋭意研究を行なった結果、酸素ガスプラズマ雰囲
気中での反応性多成分同時蒸着法により、高純度のＬｉ
ＮＪ−ｘＴａｘ０３（０≦ｘ≦１９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。

すなわち、本発明によればＲ’ｆ励起（１００〜２５０
Ｗ）の酸素ガスプラズマ雰囲気中で、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Ｔ　ａまたはその酸化物を
、クヌードセンセル、電子ビーム加熱装置等により各々
独立に所定の蒸発量が得られる様に加熱温度を調節した
後、所定の温度に加熱保持した基板上へ同時蒸着するこ
とで、高純度のＬＩＮｂｌ−ｘＴａｘ０３（０≦ｘ≦１
）薄膜が得られる。なお、本発明における蒸着原料を加
熱する装置としては、上記のクヌードセンセル、電子ビ
ーム加熱装置に限らず、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。

更に、本発明によれば、基板として単結晶サファイヤ（
７面）を用いることによって比較的低い基板温度（４０
０乃至８００℃）において７面のＬｉＮｂ１−）（Ｔａ
）（０３（０≦ｘ≦１）単結晶薄膜を容易にヘテロエピ
タキシャル成長させることができる。また、この様な単
結晶薄膜が得られる条件で基板と蒸着源との間に、直流
バイアス電場（１００〜２００Ｖ）を印加することによ
って、特別なポーリング処理無しに単一強誘電分域状態
を有する単結晶薄膜を得ることができる。

〈作　用〉 本発明によれば、酸素ガスプラズマ雰囲気中で薄膜の構
成元素に対応した原料元素以外の不純物の介在無しに、
各構成元素成分の蒸発量を独立に制御し基板上へ多成分
同時蒸着することから、原料の変更無しに異なる組成（
Ｘ）の高純度のＬ　ｉ　Ｎ　ｂ　１−ＸＴａｘ０３　（
０≦ｘ≦１）薄膜を得ることが可能になる。更に、基板
としてサファイヤ（７面）単結晶を用いることによって
、比較的低温で単一強誘電分域状態のＬ　＋　Ｎ　ｂ　
１−ｘＴ　ａ　ｘ　０３　（０≦ｘ≦１）単結晶薄膜を
、膜厚制御性良く製造することが可能となる。

〈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（第１図）において、まず、真
空チャンバー内をＩ　Ｘ　１０−８Ｔｏｒｒまで真空排
気した後、酸素ガスを２Ｘ１０−４’ｒ　ｏ　ｒ　ｒま
で導入し高周波プラズマを発生させる。

この時のＲｆパワーは２００Ｗとした。次に、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９９９％）を、クヌードセンセルにより金属
Ｌｉ（純度９９．９％）を各々独立に所定の蒸発量とな
るように加熱温度を設定した後、蒸発源に対して一１０
０Ｖの電位でかつ７００℃に保持した基板ホルダー上の
単結晶サファイヤ（２面）基板に同時蒸着させる。この
場合の電子ビーム加熱のエミッション電流はＮｂ源１５
０　ｍＡ。

Ｔａ源５０ｍＡとし、クヌードセンセルの加熱温度は５
５０℃に設定する。なお、基板は蒸着前に予め２０分間
、酸素ガスプラズマに晒して表面の清浄化を行なう。２
時間の蒸着により、サファイヤ基板上には膜厚６ｏｏｏ
Ｘの透明薄膜が得られる。

作製した薄膜について２次イオン質量分析計（ＳＩＭＳ
）により深さ方向の組成分布を測定したところ、膜中全
体にわたり均一で組成的にはＬ　ｉＮｂ　Ｏ，ｇＴａ　
ｏ、１０８であることがわかった。また、他の不純物元
素は検出されなかった。次に、Ｘ線回折パターンの測定
を行なったところ、第２図に示すように、サファイヤ基
板の２面（０，０，６）、（０，０，１２）反射に対応
して、Ｌ　ｉＮｂ　Ｏ，ｇＴａｏ、１０３の（０，０，
６）、（０，０，１２）反射が確認された。

これらの回折ピークから薄膜の格子定数はＣ＝１３８８
λと決定され、この値は文献値と一致した。更に、フッ
硝酸を用いたエツチング法（Ｋ。

Ｎａ５ｓａｕ　　、Ｈ，Ｊ、Ｌｅｖｉｎｓｔｅｉｎ　　
ａｎｄ　　Ｇ、Ｍ、Ｌｏｉａｃｏｎｏ　：　Ａｐｐｌ、
Ｐｈｙｓ、Ｌｅｔｔ、Ｖｏｌ、６．（１９６５）。

ｐ、２２８）により分域構造の有無の確認を行なったが
、多分域構造を示すようなエッチピット等は観察されな
かった。

以上の実験結果は、本実施例によってＬｉＮｂｏ、ｇ’
ｒ　ａ　０．１０３　のＺ簡単一分域単結晶薄膜が得ら
れたことを示している。

〈発明の効果〉 本発明により作製したＬｉＮｂ１−）（Ｔａ）（０３（
０≦ｘ≦１）薄膜は、非常に高純度でかつ結晶性が良く
、更に単一分域構造を有する。これらのことから、光デ
バイス用基板材料として光損傷の無いものが実現できる
。従って、安価に、大量に各種デバイスに適合するＬｉ
Ｎｂ１−）（Ｔａ）４０３　（０≦ｘ≦１）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の説明に供するＬｉＮｂ１−
ｘＴａ）（０３（０≦ｘ≦１）単結晶薄膜を製造する装
置の構成図、 第２図は上記実施例で得られた薄膜のＸ線回折パターン
を示す図である。 １：真空槽（ペルジャー）　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：ヒーター８．１４：熱電対　９
．基板　１０：Ｒｆコイル１１：自動整合装置（マツチ
ングボックス）１２ａ、１２ｂ：電子ビーム蒸発源　１
８：に−ＣＥＬＬ　（クヌードセンセル）　　１５．１
６：シャッター　１７：圧力計

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、酸素ガスプラズマ雰囲気中で、Ｌｉ源として金属Ｌ
   ｉ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各々
   独立に加熱温度を調節することで蒸発量を制御した後、
   ４００乃至８００℃に保った単結晶サファイア（Ｚ面）
   基板上に同時蒸着することによって、強誘電体ＬｉＮｂ
   ＿１＿−＿ｘＴａ＿ｘＯ＿３（０≦ｘ≦１）の薄膜を得
   ることを特徴とする強誘電体薄膜の製造方法。