(57)【要約】【課題】  格子整合性が劣る基板を用いても、欠陥やクラックの内在しない、良質な薄膜結晶を有する誘電体素子を提供する。【解決手段】  基板１と、基板１上に形成された誘電体薄膜ＫＴａｘＮｂ１−ｘＯ３（０≦ｘ≦１）からなる誘電体素子において、基板１と誘電体薄膜３との間に、成長方向において組成ｙが変化するバッファ層ＫＴａｙＮｂ１−ｙＯ３（０≦ｙ≦１）を有する。組成ｙは、バッファ層２の基板１と接合する面の格子定数Ｘｆと、基板１の表面に表出する面の格子定数を自然数で除したＸとが、２｜Ｘｆ−Ｘ｜／｜Ｘｆ＋Ｘ｜＜０．０５となるような組成から、誘電体薄膜３の組成ｘまで変化する。【選択図】  図２
2006169074.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、該基板上に形成された誘電体薄膜ＫＴａｘＮｂ１−ｘＯ３（０≦ｘ≦１）からなる誘電体素子において、
前記基板と前記誘電体薄膜との間に、成長方向において組成ｙが変化するバッファ層ＫＴａｙＮｂ１−ｙＯ３（０≦ｙ≦１）を有することを特徴とする誘電体素子。
【請求項２】
前記組成ｙは、前記バッファ層の前記基板と接合する面の格子定数Ｘｆと、前記基板の表面に表出する面の格子定数を自然数で除したＸとが、
２｜Ｘｆ−Ｘ｜／｜Ｘｆ＋Ｘ｜＜０．０５  
となるような組成から、前記誘電体薄膜の組成ｘまで変化することを特徴とする請求項１に記載の誘電体素子。
【請求項３】
前記基板は、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＳｉＣ、ＧａＮ、ＭｇＯ、ＭｇＡｌ２Ｏ４、ＳｉＯ２、サファイヤ、ガーネット、ＳｒＴｉＯ３、ＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３のいずれかであることを特徴とする請求項１または２に記載の誘電体素子。
【請求項４】
前記誘電体薄膜と前記バッファ層の少なくとも一方に、Ｉａ族とＩＩａ族の中の少なくとも１つの元素が添加されていることを特徴とする請求項１、２または３に記載の誘電体素子。
【請求項５】
誘電体薄膜ＫＴａｘＮｂ１−ｘＯ３（０≦ｘ≦１）からなる誘電体素子の製造方法において、
基板上にバッファ層ＫＴａｙＮｂ１−ｙＯ３（０≦ｙ≦１）を形成する第１工程であって、前記バッファ層は、前記基板と接合する面の格子定数Ｘｆと、前記基板の表面に表出する面の格子定数を自然数で除したＸとが、
２｜Ｘｆ−Ｘ｜／｜Ｘｆ＋Ｘ｜＜０．０５  
となるような組成ｙを有する第１工程と、
前記組成ｙを、成長方向において前記誘電体薄膜の組成ｘまで変化させて、前記バッファ層を形成する第２工程と、
前記バッファ層上に前記誘電体薄膜形成する第３工程と
を備えたことを特徴とする誘電体素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、誘電体素子およびその製造方法に関し、より詳細には、光通信、光計測、電子回路に用いられ、誘電体材料が薄膜状に形成された誘電体素子およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
材料に電界を加えることにより、屈折率が変化する電気光学効果を有する材料の研究が行われている。電気光学効果を有する材料は、主として、強誘電体である酸化物結晶であり、代表的な材料にＬｉＮｂＯ３が知られている。また、２次の電気光学効果が極めて大きい誘電体材料として、ＫＴａｘＮｂ１−ｘＯ３（０≦ｘ≦１、以下、ＫＴＮという）が知られている。
【０００３】
従来、ＫＴＮの薄膜を用いた誘電体素子を作製するために、格子整合性を有したＫＴａｘ’Ｎｂ１−ｘ’Ｏ３（０≦ｘ’≦１）基板を用いて、この基板上にＫＴＮ薄膜を形成していた（例えば、特許文献１参照）。誘電体素子に光を注入したり、誘電体素子に駆動用の電圧を印加する場合に、材料特有の物性を発現させながら、均一に光を透過させ、均一に電界を印加するためには、十分な結晶品質を誘電体素子に保持させる必要がある。そこで、このような結晶品質を実現するために、薄膜材料と格子整合した基板を用いて、基板上に薄膜をエピタキシャル成長させていた。
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−３６３７４９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
基板となるＫＴａｘ’Ｎｂ１−ｘ’Ｏ３結晶は、構成する材料が一致溶融する材料ではないために、溶媒を用いたＴＳＳＧ（Top-Seeded Solution-Growth）法に代表される単結晶育成方法が用いられている。しかしながら、溶媒を用いた単結晶育成方法は、原料に含まれる過分の溶媒を排出する必要があるため、Ｓｉなどの一致溶融する材料を成長させる場合と比較して、約１０分の１の成長速度しか実現できない。従って、ＫＴａｘ’Ｎｂ１−ｘ’Ｏ３結晶の育成に長い時間を要するため、ＫＴａｘ’Ｎｂ１−ｘ’Ｏ３基板は非常に高価であるという問題があった。
【０００６】
また、安価な市販基板を使用すると、格子整合性が劣るので、十分な結晶品質を有する結晶を成長させることができない。また、ＫＴＮ薄膜を成長させることかできても、欠陥やクラックの内在したＫＴＮ薄膜しか得られず、良質なＫＴＮ薄膜を有する誘電体素子を得ることが難しかった。
【０００７】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、格子整合性が劣る基板を用いても、欠陥やクラックの内在しない、良質な薄膜結晶を有する誘電体素子およびその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、基板と、該基板上に形成された誘電体薄膜ＫＴａｘＮｂ１−ｘＯ３（０≦ｘ≦１）からなる誘電体素子において、前記基板と前記誘電体薄膜との間に、成長方向において組成ｙが変化するバッファ層ＫＴａｙＮｂ１−ｙＯ３（０≦ｙ≦１）を有することを特徴とする。
【０００９】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の前記組成ｙは、前記バッファ層の前記基板と接合する面の格子定数Ｘｆと、前記基板の表面に表出する面の格子定数を自然数で除したＸとが、
２｜Ｘｆ−Ｘ｜／｜Ｘｆ＋Ｘ｜＜０．０５  
となるような組成から、前記誘電体薄膜の組成ｘまで変化することを特徴とする。
【００１０】
請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の前記基板は、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＳｉＣ、ＧａＮ、ＭｇＯ、ＭｇＡｌ２Ｏ４、ＳｉＯ２、サファイヤ、ガーネット、ＳｒＴｉＯ３、ＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３のいずれかであることを特徴とする。
【００１１】
請求項４に記載の発明は、請求項１、２または３に記載の前記誘電体薄膜と前記バッファ層の少なくとも一方に、Ｉａ族とＩＩａ族の中の少なくとも１つの元素が添加されていることを特徴とする。
【００１２】
請求項５に記載の発明は、誘電体薄膜ＫＴａｘＮｂ１−ｘＯ３（０≦ｘ≦１）からなる誘電体素子の製造方法において、基板上にバッファ層ＫＴａｙＮｂ１−ｙＯ３（０≦ｙ≦１）を形成する第１工程であって、前記バッファ層は、前記基板と接合する面の格子定数Ｘｆと、前記基板の表面に表出する面の格子定数を自然数で除したＸとが、
２｜Ｘｆ−Ｘ｜／｜Ｘｆ＋Ｘ｜＜０．０５  
となるような組成ｙを有する第１工程と、前記組成ｙを、成長方向において前記誘電体薄膜の組成ｘまで変化させて、前記バッファ層を成長させる第２工程と、前記バッファ層上に前記誘電体薄膜形成する第３工程とを備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
以上説明したように、本発明によれば、基板に格子整合する組成から誘電体薄膜ＫＴａｘＮｂ１−ｘＯ３に格子整合した組成ｘまで、成長方向に組成ｙを順次変化させたＫＴａｙＮｂ１−ｙＯ３バッファ層を形成することより、基板とバッファ層、およびバッファ層と誘電体薄膜に対して、同時に格子整合性を有する基板を実現することができる。従って、欠陥やクラックの内在しない、良質な薄膜結晶を有する誘電体素子を得ることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。本実施形態では、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＳｉＣ、ＧａＮ、ＭｇＯ、ＭｇＡｌ２Ｏ４、ＳｉＯ２、サファイヤ、ガーネット、ＳｒＴｉＯ３、ＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３などの安価な市販基板を用いて、この基板上にできるだけ格子整合のとれた組成ｙ（０≦ｙ≦１）のＫＴａｙＮｂ１−ｙＯ３薄膜を形成する。次に、この薄膜の成長過程において、徐々にＫＴａｙＮｂ１−ｙＯ３薄膜の組成ｙを成長方向に順次変化させ、最終的に誘電体素子を形成するＫＴａｘＮｂ１−ｘＯ３薄膜に格子整合した組成とする。すなわち、組成ｙをｘまで順次変化させたＫＴａｙＮｂ１−ｙＯ３バッファ層を成長させる。
【００１５】
バッファ層の形成により、基板とバッファ層、およびバッファ層と誘電体薄膜とに対して、同時に格子整合させることができる。従って、誘電体素子を形成するＫＴａｘＮｂ１−ｘＯ３薄膜と格子整合のとれていない市販基板でも、誘電体素子を形成するＫＴａｘＮｂ１−ｘＯ３薄膜をエピタキシャル成長させることができる。
【００１６】
誘電体薄膜結晶と基板結晶との格子整合状態は、２｜Ｘｆ−Ｘ｜／｜Ｘｆ＋Ｘ｜の値で評価することができる。ここで、Ｘｆは誘電体薄膜の基板表面と接合する面の格子定数、Ｘは基板結晶の表面に表出する面の格子定数を自然数で除したものである。良質な薄膜結晶を得るためには、  
２｜Ｘｆ−Ｘ｜／｜Ｘｆ＋Ｘ｜＜０．００５
であることが好ましい。また、実用に障害となるクラックを、成長した誘電体薄膜に生じさせないためには、  
２｜Ｘｆ−Ｘ｜／｜Ｘｆ＋Ｘ｜＜０．０５
であることが好ましいことが知られている。この条件を満足するように、ＫＴａｙＮｂ１−ｙＯ３バッファ層の組成ｙを調整することにより、高価なＫＴａｘ’Ｎｂ１−ｘ’Ｏ３基板を用いなくても、安価な市販基板で代用することができる。
【００１７】
以下に本発明の具体的実施例を説明する。本実施例では、薄膜作製で代表的なＣＶＤ法による成膜を説明するが、スパッタ法など組成ｙを順次変化させる機能を有する薄膜作製方法を使用しても、同様の効果を発揮できることは言うまでもない。その他、本発明の精神を逸脱しない範囲で種々の変更あるいは改良を行い得ることはいうまでもない。
【実施例１】
【００１８】
図１に、本発明の一実施形態にかかる誘電体素子用の薄膜製造装置を示す。独立に温度制御が可能な原料バブラー４ａ〜４ｃにキャリアガスを注入して、原料ガスを混合器５に送り、混合された原料ガスを反応管６に導入する。反応管６にはＳｒＴｉＯ３基板７を配置して、ＣＶＤ法により、誘電体素子を形成するＫＴａｘＮｂ１−ｘＯ３薄膜を成膜する。
【００１９】
Ｋ原料としては、置換基の両方がｔ−ブチル基である、Ｋ（ＤＰＭ）（２，２，６，６−テトラメチル３，５−ヘプタンジオン錯体）を用い、Ｔａ原料にはＴａ（ＯＣ２Ｈ５)５を用い、Ｎｂ原料にはＮｂ（ＯＣ２Ｈ５)５を用いる。Ｋ（ＤＰＭ）は固体原料であり、Ｔａ（ＯＣ２Ｈ５)５およびＮｂ（ＯＣ２Ｈ５)５は液体原料である。原料を、それぞれ原料バブラー４ａ〜４ｃに充填して、バブラーに内蔵されたヒーターによって温度制御を行う。
【００２０】
原料のキャリアガスとしては、Ｋ原料についてはアルゴンを用い、Ｔａ原料およびＮｂ原料については酸素を用いる。原料温度は、Ｋ（ＤＰＭ）は２００℃とし、Ｔａ（ＯＣ２Ｈ５)５は１４２℃とし、Ｎｂ（ＯＣ２Ｈ５)５は１４５℃として、供給量はキャリアガス流量で調整する。
【００２１】
配管は原料の凝縮を防止するために２０５℃に温度管理されている。原料ガスを混合器５にて混合した後、反応管６に導入する。装置内の圧力は１．３ｋＰａ（１０Ｔｏｒｒ）の減圧とし、基板７を電気炉８ａ，８ｂにより加熱する。
【００２２】
立方晶ＳｒＴｉＯ３の格子定数は０．３９０４ｎｍである。立方晶ＫＴａｙＮｂ１−ｙＯ３（ｙ≧０．６１）の格子定数は、組成ｙを用いて０．４００２２−０．００１３２３ｙｎｍであり、ｙ＝１のＫＴａＯ３の格子定数は０．３９８９ｎｍである。従って、ＫＴａＯ３とＳｒＴｉＯ３の格子整合性は、２｜Ｘｆ−Ｘ｜／（Ｘｆ＋Ｘ）＝０．０２２と評価でき、クラックを発生しない０．０５以下の数値を有している。
【００２３】
図２に、本発明の一実施形態にかかる誘電体素子の構成を示す。バッファ層ＫＴａｙＮｂ１−ｙＯ３の組成が、順次ｙ＝１（ＫＴａＯ３）からｙ＝０．６５（ＫＴａ０．６５Ｎｂ０．３５Ｏ３）になるよう、キャリアガスの流量または原料バブラーの温度を制御する。このようにして、基板１上に、０．５μｍ厚のバッファ層２を形成した後、引続き厚さ５．０μｍのＫＴａ０．６５Ｎｂ０．３５Ｏ３膜１を形成する。
【００２４】
形成された結晶膜についてＳＥＭにより断面観察を行うと、基板１、バッファ層２、ＫＴａ０．６５Ｎｂ０．３５Ｏ３膜３のいずれにもクラック等の欠陥がなく、良質なＫＴａ０．６５Ｎｂ０．３５Ｏ３膜を観察することができる。結晶相をＸ線回折によって同定すると、単結晶膜が得られていることが分かる。また、この薄膜を用いた誘電体薄膜素子の特性は、バルク結晶から予測される設計特性に等しい特性を得ることができる。
【００２５】
また、基板１上に、０．５μｍ厚のバッファ層２を形成し、一旦成長を中断した後、改めて５．０μｍのＫＴａ０．６５Ｎｂ０．３５Ｏ３膜３を形成する。この方法によっても、連続成長の場合と同様に、良質な薄膜結晶を得ることができる。
【実施例２】
【００２６】
基板としてスピネル（ＭｇＡｌ２Ｏ４）を用いて、図１に示した薄膜製造装置により誘電体素子を作製する。スピネルの格子定数はａ０＝０．８０８６ｎｍであり、それを自然数２で割るとａ０／２＝０．４０４３ｎｍである。ｙ＝０のＫＮｂＯ３の格子定数は０．４００２である。従って、ＫＮｂＯ３と格子定数ａ０／２のスピネルの格子整合性は、２｜Ｘｆ−Ｘ｜／（Ｘｆ＋Ｘ）＝０．０１０と評価でき、クラックを発生しない０．０５以下の数値を有している。
【００２７】
薄膜製造装置の条件は実施例１と同じく、Ｋ原料としては、置換基の両方がｔ−ブチル基である、Ｋ（ＤＰＭ）（２，２，６，６−テトラメチル３，５−ヘプタンジオン錯体）を用い、Ｔａ原料にはＴａ（ＯＣ２Ｈ５)５を用い、Ｎｂ原料にはＮｂ（ＯＣ２Ｈ５)５を用いる。Ｋ（ＤＰＭ）は固体原料であり、Ｔａ（ＯＣ２Ｈ５)５およびＮｂ（ＯＣ２Ｈ５)５は液体原料である。原料を、それぞれ原料バブラー４ａ〜４ｃに充填して、バブラーに内蔵されたヒーターによって温度制御を行う。
【００２８】
原料のキャリアガスとしては、Ｋ原料についてはアルゴンを用い、Ｔａ原料およびＮｂ原料については酸素を用いる。原料温度は、Ｋ（ＤＰＭ）は２００℃とし、Ｔａ（ＯＣ２Ｈ５)５は１４２℃とし、Ｎｂ（ＯＣ２Ｈ５)５は１４５℃として、供給量はキャリアガス流量で調整する。
【００２９】
配管は原料の凝縮を防止するために２０５℃に温度管理されている。原料ガスを混合器５にて混合した後、反応管６に導入する。装置内の圧力は１．３ｋＰａ（１０Ｔｏｒｒ）の減圧とし、基板７を電気炉８ａ，８ｂにより加熱する。
【００３０】
バッファ層ＫＴａｙＮｂ１−ｙＯ３の組成が、順次ｙ＝０（ＫＮｂＯ３）からｙ＝０．６５（ＫＴａ０．６５Ｎｂ０．３５Ｏ３）になるよう、キャリアガスの流量または原料バブラーの温度を制御する。図２に示すように、基板１上に、０．５μｍ厚のバッファ層２を形成した後、引続き厚さ５．０μｍ厚のＫＴａ０．６５Ｎｂ０．３５Ｏ３膜１を形成する。
【００３１】
形成された結晶膜についてＳＥＭにより断面観察を行うと、基板１、バッファ層２、ＫＴａ０．６５Ｎｂ０．３５Ｏ３膜３のいずれにもクラック等の欠陥がなく、良質なＫＴａ０．６５Ｎｂ０．３５Ｏ３膜を観察することができる。結晶相をＸ線回折によって同定すると、単結晶膜が得られていることが分かる。また、この薄膜を用いた誘電体薄膜素子の特性は、バルク結晶から予測される設計特性に等しい特性を得ることができる。
【００３２】
また、基板１上に、０．５μｍ厚のバッファ層２を形成し、一旦成長を中断した後、改めて５．０μｍのＫＴａ０．６５Ｎｂ０．３５Ｏ３膜３を形成する。この方法によっても、連続成長の場合と同様に、良質な薄膜結晶を得ることができる。
【実施例３】
【００３３】
基板としてＧａＡｓを用いて、図１に示した薄膜製造装置により誘電体素子を作製する。ＧａＡｓの格子定数は０．５６４２ｎｍであるが、｛１００｝面に直交配列する｛１１０｝面の格子間隔は０．３９９０ｎｍである。ｙ＝０．９２のＫＴａｙＮｂ１−ｙＯ３基板の格子定数は、０．３９９０ｎｍである。従って、ＫＴａ０．９２Ｎｂ０．０８Ｏ３とＧａＡｓ｛１１０｝面の格子整合性は、２｜Ｘｆ−Ｘ｜／（Ｘｆ＋Ｘ）＝０．０００である。
【００３４】
薄膜製造装置の条件は実施例１と同じく、Ｋ原料としては、置換基の両方がｔ−ブチル基である、Ｋ（ＤＰＭ）（２，２，６，６−テトラメチル３，５−ヘプタンジオン錯体）を用い、Ｔａ原料にはＴａ（ＯＣ２Ｈ５)５を用い、Ｎｂ原料にはＮｂ（ＯＣ２Ｈ５)５を用いる。Ｋ（ＤＰＭ）は固体原料であり、Ｔａ（ＯＣ２Ｈ５)５およびＮｂ（ＯＣ２Ｈ５)５は液体原料である。原料を、それぞれ原料バブラー４ａ〜４ｃに充填して、バブラーに内蔵されたヒーターによって温度制御を行う。
【００３５】
原料のキャリアガスとしては、Ｋ原料についてはアルゴンを用い、Ｔａ原料およびＮｂ原料については酸素を用いる。原料温度は、Ｋ（ＤＰＭ）は２００℃とし、Ｔａ（ＯＣ２Ｈ５)５は１４２℃とし、Ｎｂ（ＯＣ２Ｈ５)５は１４５℃として、供給量はキャリアガス流量で調整する。
【００３６】
配管は原料の凝縮を防止するために２０５℃に温度管理されている。原料ガスを混合器５にて混合した後、反応管６に導入する。装置内の圧力は１．３ｋＰａ（１０Ｔｏｒｒ）の減圧とし、基板７を電気炉８ａ，８ｂにより加熱する。
【００３７】
バッファ層ＫＴａｙＮｂ１−ｙＯ３の組成が、順次ｙ＝０．９２（ＫＴａ０．９２Ｎｂ０．０５Ｏ３）からｙ＝０．６５（ＫＴａ０．６５Ｎｂ０．３５Ｏ３）になるよう、キャリアガスの流量または原料バブラーの温度を制御する。図２に示すように、基板１上に、０．５μｍ厚のバッファ層２を形成した後、引続き厚さ５．０μｍのＫＴａ０．６５Ｎｂ０．３５Ｏ３膜３を形成する。
【００３８】
形成された結晶膜についてＳＥＭにより断面観察を行うと、基板１、バッファ層２、ＫＴａ０．６５Ｎｂ０．３５Ｏ３膜３のいずれにもクラック等の欠陥がなく、良質なＫＴａ０．６５Ｎｂ０．３５Ｏ３膜を観察することができる。結晶相をＸ線回折によって同定すると、単結晶膜が得られていることが分かる。また、この薄膜を用いた誘電体薄膜素子の特性は、バルク結晶から予測される設計特性に等しい特性を得ることができる。
【００３９】
また、基板１上に、０．５μｍ厚のバッファ層２を形成し、一旦成長を中断した後、改めて５．０μｍのＫＴａ０．６５Ｎｂ０．３５Ｏ３膜３を形成する。この方法によっても、連続成長の場合と同様に、良質な薄膜結晶を得ることができる。
【００４０】
なお、誘電体薄膜とバッファ層の主成分に、Ｉａ族とＩＩａ族の中の少なくとも１つの元素を添加することができる。典型的には、Ｋ１−ｙＬｉｙＴａ１−ｘＮｂｘＯ３（０≦ｘ≦１、０＜ｙ≦１）など、ＫＴＮと同様に、２次の電気光学効果が極めて大きい誘電体材料がある。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の一実施形態にかかる誘電体素子用の薄膜製造装置を示す構成図である。
【図２】本発明の一実施形態にかかる誘電体素子の構成を示す断面図である。
【符号の説明】
【００４２】
１  基板
２  バッファ層
３  ＫＴａ０．６５Ｎｂ０．３５Ｏ３膜
４ａ〜４ｃ  原料バブラー
５  混合器
６  反応管
７  基板
８ａ，８ｂ  電気炉
【図１】
2006169074.tif 000003
【図２】
2006169074.tif 000004