(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板表面に部分的に金属層を形成し、金属層の上から基板の上にＺｎＯ層又はＡｌＮ層からなる配向層を形成した薄膜構造体であって、
金属層上に形成されている領域と基板上に形成されている領域とで当該配向膜の結晶配向がｃ軸配向し、かつｃ軸方向が反転していることを特徴とする薄膜構造体。
【請求項２】
基板表面に２種類以上の金属層を形成し、これらの金属層の上から基板の上方にＺｎＯ層又はＡｌＮ層からなる配向膜を形成した薄膜構造体であって、
異種の金属層の上に形成されている領域で当該配向膜の結晶配向がｃ軸配向し、かつｃ軸方向が反転していることを特徴とする薄膜構造体。
【請求項３】
基板表面に部分的に金属層を形成し、金属層の上から基板の上にＺｎＯ層又はＡｌＮ層からなる配向膜を形成した薄膜構造体であって、
金属層上に形成されている領域の当該配向膜がｃ軸配向しており、かつ基板上に形成されている領域の当該配向膜の結晶軸のｃ軸方向が基板表面にほぼ平行な方向であることを特徴とする薄膜構造体。
【請求項４】
請求項１，２又は３に記載の薄膜構造体を用いたことを特徴とする電子部品。
【請求項５】
請求項１，２又は３に記載の薄膜構造体を用いたことを特徴とする光学部品。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、薄膜構造体ならびに薄膜構造体を備えた電子部品及び光学部品に関する。具体的にいうと、ＺｎＯ等の配向膜の結晶配向を自由にコントロールすることができる薄膜構造体に関する。また、当該薄膜構造体を利用したバルク波トランスジューサ等の電子部品や、広帯域光偏向器等の光学部品に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体製造技術の進歩に伴って結晶成長技術も長足の進歩を遂げており、薄膜形成技術を用いれば、基板上に所望配向の配向膜を形成することができることは従来より広く知られている。しかし、しかも、基板としてサファイア基板を用いれば、エピタキシャル薄膜を得ることができる。このエピタキシャル薄膜の場合には、基板上に形成されるエピタキシャル薄膜の結晶配向は、基板の種類や基板表面の結晶配向によって決まっている。
【０００３】
例えば、六方晶系の結晶構造を有するＺｎＯ薄膜を例にとると、ガラス基板上に成膜された多結晶ＺｎＯ薄膜、アルミニウム薄膜を表面全体もしくは一部に形成されたガラス基板上に成膜された多結晶ＺｎＯ薄膜（例えばガラス基板上にアルミニウムの櫛歯電極を形成し、さらにその上にＺｎＯ薄膜を形成したトランスジューサ）、シリコン基板上に成膜された多結晶ＺｎＯ薄膜、Ｃ面サファイア基板上に成膜されたエピタキシャルＺｎＯ薄膜などの場合には、ｃ軸が基板表面と垂直な方向を向いたｃ軸配向膜となる。また、Ｒ面サファイア基板上に成膜されたエピタキシャルＺｎＯ薄膜では、
【外１】
0003661710.tif 000002
〔以下、（１１２*０）と記す〕配向膜となる。
【０００４】
しかし、いずれの場合も、ＺｎＯ薄膜は１軸配向膜であって、ＺｎＯ薄膜の結晶配向、例えばｃ軸方向は基板全体にわたって均一であった。この事情はＺｎＯ薄膜以外のエピタキシャル薄膜の場合も同様であって、同一基板上に結晶配向の異なるエピタキシャル薄膜を形成する技術は存在していなかった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は叙上の従来技術の状況に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、同一結晶基板上に結晶配向の異なる領域を有する薄膜を形成することを可能にし、さらに薄膜の結晶配向を自由にコントロールできるようにすると共に、このようにして形成された薄膜構造体の有用性を明らかにすることにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の薄膜構造体は、基板表面に部分的に金属層を形成し、金属層の上から基板の上にＺｎＯ層又はＡｌＮ層からなる配向層を形成した薄膜構造体であって、金属層上に形成されている領域と基板上に形成されている領域とで当該配向膜の結晶配向がｃ軸配向し、かつｃ軸方向が反転していることを特徴としている。
【０００７】
本発明の第２の薄膜構造体は、基板表面に２種類以上の金属層を形成し、これらの金属層の上から基板の上方にＺｎＯ層又はＡｌＮ層からなる配向膜を形成した薄膜構造体であって、異種の金属層の上に形成されている領域で当該配向膜の結晶配向がｃ軸配向し、かつｃ軸方向が反転していることを特徴としている。
また、本発明の第３の薄膜構造体は、基板表面に部分的に金属層を形成し、金属層の上から基板の上にＺｎＯ層又はＡｌＮ層からなる配向膜を形成した薄膜構造体であって、金属層上に形成されている領域の当該配向膜がｃ軸配向しており、かつ基板上に形成されている領域の当該配向膜の結晶軸のｃ軸方向が基板表面にほぼ平行な方向であることを特徴としている。
【０００９】
また、上記薄膜構造体は電子部品や光学部品に応用することができる。
【００１０】
適当な金属の層を介して基板の上にＺｎＯ膜又はＡｌＮ膜を成膜した場合には、基板表面に直接配向膜を成膜した場合と配向の仕方が異なることが分かった。本発明の第１及び第２の薄膜構造体は、このような知見に基づくものであって、このような基板と金属層とを組合せ、部分的に金属層を形成された基板の上にＺｎＯ膜又はＡｌＮ膜を形成すれば、金属層上と基板上とでＺｎＯ膜又はＡｌＮ膜の結晶配向を異なせることができる。
【００１１】
また、同一の基板であっても金属の種類が異なれば、その上に形成されたＺｎＯ膜又はＡｌＮ膜の配向の仕方が異なる場合があることも分かった。本発明の第２の薄膜構造体は、このような知見に基づいてなされたものであって、適当な金属の組合せを選択し、２種類以上の金属層を形成された基板の上にＺｎＯ膜又はＡｌＮ膜を形成すれば、異種の金属層の上でＺｎＯ膜又はＡｌＮ膜の結晶配向を異ならせることができる。
【００１２】
したがって、本発明によれば、同一基板上に２つ以上の結晶配向を有するＺｎＯ膜又はＡｌＮ膜、つまり異なる結晶配向が混在した同種配向膜を得ることができ、従来知られていなかった新規な薄膜構造体を得ることができる。また、基板と金属との組合せや、異種金属の組合せを選択することによりＺｎＯ膜又はＡｌＮ膜の各結晶配向の向きを自由にコントロールすることができる。
【００１３】
このようにして結晶配向の混在した配向膜は、結晶配向の異なる領域でその物理的特性、電気的特性や光学特性なども異なるので、このような特徴を利用した新規な電子部品や光学部品を製作することができる。
【００１４】
【実施例】
図１は本発明の一実施例によるＺｎＯ薄膜構造体１を示す概略断面図である。この実施例にあっては、基板としてＲ面サファイア基板２を用いており、蒸着法によってＲ面サファイア基板２の表面にアルミニウム電極３を部分的に形成している。アルミニウム電極３は、用途に応じて規則的に形成しても良く、ランダムに形成しても良く、あるいは所望パターンとなるように形成しても良い。さらに、このＲ面サファア基板の表面には、スパッタ法、分子線成長法（ＭＢＥ）や気相成長法（ＶＰＥ）等によってアルミニウム電極３の上から適宜厚みの配向膜としてＺｎＯ薄膜４が成膜させられている。このようにして形成されたＺｎＯ薄膜構造体１においては、アルミニウム電極３を介することなくＲ面サファイア基板２上に直接成膜された領域では、ＺｎＯ薄膜４は（１１２*０）配向膜となっていて、その結晶軸のｃ軸方向は図１に矢印で示すようにＲ面サファイア基板２の表面とほぼ平行な方向を向いている。一方、アルミニウム電極３の上に成膜された領域では、ＺｎＯ薄膜４は（００２）配向膜となっていて、そのｃ軸方向は図１に矢印で示すようにＲ面サファイア基板２の表面と垂直な方向に配向している。
【００１５】
上記ＺｎＯ薄膜構造体１におけるＺｎＯ薄膜４のｃ軸配向をＸ線回折法によって確認する試験を行なった。しかし、上記ＺｎＯ薄膜構造体１を直接試験したところ（１１２*０）面からの回折と（００２）面からの回折が同時に表われて領域毎に配向が異なっていることの確認を行なえなかった。そのため、Ｒ面サファイア基板の上に直接ＺｎＯ薄膜を形成した試料（ＺｎＯ／Ｒ面サファイア試料）と、Ｒ面サファイア基板の表面全体にアルミニウム電極を形成し、その上にＺｎＯ薄膜をエピタキシャル成長させた試料（ＺｎＯ／Ａｌ／Ｒ面サファイア試料）とを作製し、両試料のｃ軸配向を調べた。図２はＺｎＯ／Ｒ面サファイア試料を用いてＸ線回折試験した結果得られたスペクトルを示す図であって、ここにはＺｎＯの（１１２*０）面を示すピークだけが顕著に表われている。また、図３はＺｎＯ／Ａｌ／Ｒ面サファイア試料を用いてＸ線回折試験した結果得られたスペクトルを示す図であって、ここにはＺｎＯの（００２）面を示すピークだけが表われている。配向膜の結晶配向はその下の基板部分の構造によって決まるから、上記試験より、アルミニウム電極３の上ではＺｎＯ薄膜４は（００２）面となっていてｃ軸が垂直方向に配向し、アルミニウム電極３のない領域ではＺｎＯ薄膜４は（１１２*０）面となっていてｃ軸が水平方向に配向していることが分かる。
【００１６】
従って、このＺｎＯ薄膜構造体１では、ＺｎＯ薄膜４のｃ軸が垂直方向を向いた領域と水平方向を向いた領域とがあり、このｃ軸配向の分布はアルミニウム電極３のパターンにより自由にコントロールすることができる。
【００１７】
このように領域毎に配向の異なるＺｎＯ薄膜４を有するＺｎＯ薄膜構造体１では、配向の異なる領域毎にその物理的性質や光学的性質等が異なるので、これを利用すれば特異なデバイスを製作することができる。例えば、図４はバルク波トランスジューサ５として用いた場合を示している。これはＲ面サファイア基板２の上に微小ピッチの櫛型のアルミニウム電極３を形成し、その上にＺｎＯ薄膜４を形成した上記のようなＺｎＯ薄膜構造体１をトランスジューサ基板６とし、その上に電極７等を設けたものである。ｃ軸が水平方向を向いた領域では、ＺｎＯ薄膜と逆方向に縦波成分が伝搬し、ｃ軸が垂直方向を向いた領域では横波成分が伝搬するので、入力電極としてアルミニウム電極３と電極７を用いることにより、縦波と横波の両成分をもったバルク波トランスジューサ５となる。
【００１８】
また、図５に示すものは本発明の別な実施例によるＺｎＯ薄膜構造体８を示す断面図である。この実施例にあっては、ガラス基板９の表面にＮｉＣｒ電極１０とＴａ電極１１とを区分的に形成している。さらに、このＮｉＣｒ電極１０及びＴａ電極１１の上には適宜厚みのＺｎＯ薄膜４が成膜させられている。このようにして形成されたＺｎＯ薄膜構造体８においては、ＮｉＣｒ電極１０の上に成膜された領域とＴａ電極１１の上に成膜された領域とでは、いずれもｃ軸はガラス基板９の表面に対して垂直方向となっているが、その向きは互いに逆向きとなっている。
【００１９】
これはエッチピット観察により確認した。この場合も、ガラス基板の表面全体にＮｉＣｒ電極を形成し、その上にＺｎＯ薄膜を成膜させた試料（ＺｎＯ／ＮｉＣｒ／ガラス試料）と、ガラス基板の表面全体にＴａ電極を形成し、その上にＺｎＯ薄膜を成膜させた試料（ＺｎＯ／Ｔａ／ガラス試料）とを作製し、そのエッチピット観察を行なった。図６はＺｎＯ／ＮｉＣｒ／ガラス試料のエッチピット写真であり、図７はＺｎＯ／Ｔａ／ガラス試料のエッチピット写真である。図６及び図７のエッチピット写真から分かるように、ＺｎＯ／ＮｉＣｒ／ガラス試料とＺｎＯ／Ｔａ／ガラス試料とではエッチピット構造が異なっており、詳細は省略するが、図６のエッチピット写真に表われているものはＺｎＯ薄膜のうちのＯ原子面で、図７のエッチピット写真に表われているものはＺｎＯ薄膜のうちのＺｎ原子面であると考えられる。従って、図５に示すＺｎＯ薄膜構造体８では、上記のようにｃ軸が垂直方向を向いており、しかもＮｉＣｒ電極１０の領域とＴａ電極１１の領域とでｃ軸方向が反転していると考えられる。なお、Ｘ線回折により図６と図７はいずれもｃ軸配向（００２）していることを確認している。
【００２０】
また、図８に示すものは本発明のさらに別な実施例によるＺｎＯ薄膜構造体１２を示す断面図である。この実施例にあっては、ガラス基板９の表面に部分的にＮｉＣｒ電極１０を形成している。さらに、このガラス基板９の表面には、ＮｉＣｒ電極１０の上から適宜厚みのＺｎＯ薄膜４がエピタキシャル成長させられている。このようにして形成されたＺｎＯ薄膜構造体１２においては、第２の実施例と同様、ＮｉＣｒ電極１０の上に成膜された領域とガラス基板９の上に直接成膜された領域とでは、いずれもｃ軸はガラス基板９の表面に対して垂直方向となっているが、その向きは互いに逆向きとなっている。
【００２１】
これらのＺｎＯ薄膜構造体の他の応用としては、例えば広帯域光偏向器が考えられる。ＺｎＯ薄膜の配向方向が異なると、その偏向特性、特に偏向周波数が異なるので、２種以上の配向を有する薄膜構造体を用いることにより広帯域の光偏向器を製作することができる。また、フォトルミネセンス用のＺｎＯ薄膜として用いた場合も、配向の異なる領域でその発光波長もシフトすると考えられるので、発光波長幅の広いフォトルミネセンスを実現することができる。
【００２２】
なお、上記実施例では、薄膜としてＺｎＯ薄膜を用いた場合について説明したが、薄膜材料であるＺｎＯの化学的反応を利用したものではないので、基板材料や金属材料を選択することによりＡｌＮなどの他の薄膜についても実施できることはいうまでもない。そして、他の薄膜材料を用いることにより、デバイスとしての応用もより広範となる。
【００２３】
【発明の効果】
本発明によれば、新規な薄膜構造体を製作することができ、同一基板上に２つ以上の結晶配向を有する配向膜、つまり異なる結晶配向が混在した同種配向膜を得ることができる。また、基板と金属との組合わせや、異種金属の組合わせを選択することにより配向膜の各結晶配向の向きを自由にコントロールすることができる。
【００２４】
このようにして結晶配向の混在した配向膜は、結晶配向の異なる領域でその物理的、電気的特性や光学特性なども異なるので、各種デバイスに応用することができ、例えばバルク波トランスジューサのような電子部品や広帯域光偏向器のような光学部品に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例による薄膜構造体を示す概略断面図である。
【図２】Ｒ面サファイア基板表面に成膜されたＺｎＯ薄膜のＸ線回折スペクトルを示す図である。
【図３】Ｒ面サファイア基板表面のＡｌ電極上に成膜されたＺｎＯ薄膜のＸ線回折スペクトルを示す図である。
【図４】同上の薄膜構造体を用いたバルク波トランスジューサの一部分を示す概略断面図である。
【図５】本発明の別な実施例による薄膜構造体を示す概略断面図である。
【図６】ガラス基板表面のＮｉＣｒ電極上に成膜されたＺｎＯ薄膜のエッチピット構造を示す写真である。
【図７】ガラス基板表面のＴａ電極上に成膜されたＺｎＯ薄膜のエッチピット構造を示す写真である。
【図８】本発明のさらに別な実施例による薄膜構造体を示す概略断面図である。
【符号の説明】
２  Ｒ面サファイア基板
３  アルミニウム電極
４  ＺｎＯ薄膜
９  ガラス基板
１０  ＮｉＣｒ電極
１１  Ｔａ電極
【図１】
0003661710.tif 000003
【図４】
0003661710.tif 000004
【図２】
0003661710.tif 000005
【図３】
0003661710.tif 000006
【図５】
0003661710.tif 000007
【図８】
0003661710.tif 000008
【図６】
0003661710.tif 000009
【図７】
0003661710.tif 000010