(57)【要約】【課題】  クラックのない、より厚い薄膜を得ることを可能する、結晶性薄膜形成方法およびこの方法を用いた薄膜構造体を提供する。【解決手段】  基板温度を所望の薄膜材料の結晶化温度以上にした状態で、薄膜材料からなる結晶性薄膜２を成膜する第１の成膜工程と、結晶性薄膜２を所定の真空度に真空排気した雰囲気中においたまま、結晶性薄膜２の表面にアモルファス状態の保護膜３を成膜する第２の成膜工程とを含む。また、第１の成膜工程の後で基板温度を下げる調整工程を含み、この調整工程の後、第２の成膜工程を行う。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板温度を所望の薄膜材料の結晶化温度以上にした状態で、前記薄膜材料からなる結晶性薄膜を成膜する第１の成膜工程と、
前記結晶性薄膜を所定の真空度に真空排気した雰囲気中においたまま、前記結晶性薄膜の表面にアモルファス状態の保護膜を成膜する第２の成膜工程と、
を含むことを特徴とする結晶性薄膜形成方法。
【請求項２】
前記第１の成膜工程の後で基板温度を下げる調整工程を含み、
この調整工程の後、前記第２の成膜工程を行うことを特徴とする請求項１に記載の結晶性薄膜形成方法。
【請求項３】
前記アモルファス状態の保護膜は、前記第１の成膜工程で用いた前記薄膜材料を用いて成膜することを特徴とする請求項１または２に記載の結晶性薄膜形成方法。
【請求項４】
前記アモルファス状態の保護膜は、前記第１の成膜工程で用いた前記薄膜材料と異なる材料を用いて成膜することを特徴とする請求項１または２に記載の結晶性薄膜形成方法。
【請求項５】
前記第１の成膜工程および前記第２の成膜工程の成膜を、スパッタ法あるいは蒸着あるいは、レーザーアブレーション法あるいは、分子線エピタキシー法あるいは有機金属気相成長法を用いて行うことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の結晶性薄膜形成方法。
【請求項６】
前記スパッタ法として電子サイクロトロン共鳴スパッタ法を用いることを特徴とする請求項５に記載の結晶性薄膜形成方法。
【請求項７】
前記結晶性薄膜は、酸化物結晶性薄膜であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の結晶性薄膜形成方法。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１項による結晶性薄膜形成方法を用いた薄膜構造体であって、
基板（１）と、
前記第１の成膜工程によって、前記基板（１）に成膜された結晶性薄膜（２）と、
前記第２の成膜工程によって、前記結晶性薄膜（２）に成膜されたアモルファス状態の保護膜（３）と、
を有する、結晶性薄膜形成方法を用いた薄膜構造体。
【請求項９】
前記アモルファス状態の保護膜（３）は、前記調整工程の後、前記第２の成膜工程によって成膜されたことを特徴とする請求項８に記載の、結晶性薄膜形成方法を用いた薄膜構造体。
【請求項１０】
前記アモルファス状態の保護膜（３）は、前記結晶性薄膜（２）と同じ材料で成膜されていることを特徴とする請求項８または９に記載の、結晶性薄膜形成方法を用いた薄膜構造体。
【請求項１１】
前記アモルファス状態の保護膜（３）は、前記結晶性薄膜（２）と異なる材料で成膜されていることを特徴とする請求項８または９に記載の、結晶性薄膜形成方法を用いた薄膜構造体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、薄膜光導波路や機能性光学部品に用いられる酸化物結晶薄膜を成膜する際に問題となる、薄膜内のクラックの生成を防止する、結晶性薄膜形成方法およびこの方法を用いた薄膜構造体に関する。
【背景技術】
【０００２】
金属酸化物薄膜の異種結晶基板上への結晶成長は、通常、結晶化に必要な温度まで基板温度を上げて行われる。このとき、膜厚が一定値以下であれば、図５（ａ）に示すように、基板１０１上に平滑な結晶薄膜１０２が得られる。しかし、膜厚がある臨界値を超えると、最終的に図５（ｂ）に示すように、結晶薄膜１０２の内部にクラック１０３が入ってしまうことが知られている。
【０００３】
こうしたクラックが発生する主たる原因として、まず挙げられるのが、基板と薄膜材料との熱膨張係数の違いから、薄膜内に生ずるストレスである。成膜温度においては、薄膜と基板との間で格子整合が実現していても、降温時に熱膨張係数の違いが実効的な格子定数の違いとなって反映され、薄膜内にストレスを生じる（非特許文献１）。そのエネルギーがある一定の限界を超えると、格子歪みだけでは耐えられなくなり、クラックを導入して歪みを緩和させる。
【０００４】
このクラックは、結晶におけるミスフィット転移などに比べて、裂け目の幅が大きく、電気的・光学的特性に悪い影響を及ぼす。クラックが導入されるぎりぎりの臨界膜厚は、基板と薄膜とのそれぞれの格子定数、熱膨張係数、成膜温度の関数として与えられる。その臨界膜厚は成膜手法にも依存する。成膜温度が高いほど、低温に下げたときの格子の歪み量が大きいため、クラックは発生しやすい。この熱膨張係数の違いに起因するクラックは、スパッタリング法、レーザーアブレーション法、ＭＢＥ（分子線エピタキシー）法など、真空下での成膜手法に共通して見られるものであって、これを回避するには、膜厚を臨界膜厚以下に留めるか、低温での成膜を行うことぐらいしか方法が知られていなかった。
【０００５】
このようなクラックの問題は、溶液を用いた成膜法であるゾルゲル法でも、懸案事項として広く知られている。ゾルゲル法では、一般に、１００ｎｍ程度の厚さの前駆体となる膜を基板上にコートし、乾燥、アニールまでが１サイクルで、これを複数回繰り返すことにより、膜厚を増していく。一度に厚い膜をコートして乾燥とアニールとをすると、クラックが入りやすい。
【０００６】
スパッタ法で成膜した薄膜によく見られる現象であるが、成膜後に基板温度を室温に戻した場合、真空チャンバ中に試料があるときには問題がなくても、大気下に取り出した際に、クラックが導入されることがある。これは、薄膜内に圧縮応力が働いて、膜内に僅かでも酸素欠損の部分があると、格子ネットワークを切断して、大気中の水分が結晶内部に浸入しようとすることにより生じる現象である。この問題はあまり認識されておらず、有効な解決手段も提示されていなかった。
【非特許文献１】Y. Shibata, K. Kaya,K. Akashi, M. Kanai, T. Kawai, and S. Kawai, J. Appl. Phys. 77, 1498(1995).
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
金属酸化物薄膜の異種結晶基板上への従来技術による薄膜形成では、クラックが入りやすい。また、クラックが入った薄膜は、伝播光強度の著しい減衰を招くため、光導波路としては使用できない。薄膜を光導波路として用いるためには、一般的に、光の波長よりも大きな膜厚が必要である。したがって、薄膜にクラックが生じるのを、何らかの方法により防止することが可能なら、クラックのないより厚い薄膜を得ることが可能になり、光導波路などへの応用範囲が拡がる。
【０００８】
本発明は、前記の課題を解決し、クラックのない、より厚い薄膜を得ることを可能する、結晶性薄膜形成方法およびこの方法を用いた薄膜構造体を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記課題を解決するために、請求項１の発明は、基板温度を所望の薄膜材料の結晶化温度以上にした状態で、前記薄膜材料からなる結晶性薄膜を成膜する第１の成膜工程と、前記結晶性薄膜を所定の真空度に真空排気した雰囲気中においたまま、前記結晶性薄膜の表面にアモルファス状態の保護膜を成膜する第２の成膜工程とを含むことを特徴とする結晶性薄膜形成方法である。
請求項２の発明は、請求項１に記載の結晶性薄膜形成方法において、前記第１の成膜工程の後で基板温度を下げる調整工程を含み、この調整工程の後、前記第２の成膜工程を行うことを特徴とする。
請求項３の発明は、請求項１または２に記載の結晶性薄膜形成方法において、前記アモルファス状態の保護膜は、前記第１の成膜工程で用いた前記薄膜材料を用いて成膜することを特徴とする。
請求項４の発明は、請求項１または２に記載の結晶性薄膜形成方法において、前記アモルファス状態の保護膜は、前記第１の成膜工程で用いた前記薄膜材料と異なる材料を用いて成膜することを特徴とする。
請求項５の発明は、請求項１〜４のいずれか１項に記載の結晶性薄膜形成方法において、前記第１の成膜工程および前記第２の成膜工程の成膜を、スパッタ法あるいは蒸着あるいは、レーザーアブレーション法あるいは、分子線エピタキシー法あるいは有機金属気相成長法を用いて行うことを特徴とする。
請求項６の発明は、請求項５に記載の結晶性薄膜形成方法において、前記スパッタ法として電子サイクロトロン共鳴スパッタ法を用いることを特徴とする。
請求項７の発明は、請求項１〜６のいずれか１項に記載の結晶性薄膜形成方法において、前記結晶性薄膜は、酸化物結晶性薄膜であることを特徴とする。
請求項８の発明は、請求項１〜７のいずれか１項による結晶性薄膜形成方法を用いた薄膜構造体であって、基板と、前記第１の成膜工程によって、前記基板に成膜された結晶性薄膜と、前記第２の成膜工程によって、前記結晶性薄膜に成膜されたアモルファス状態の保護膜とを有する、結晶性薄膜形成方法を用いた薄膜構造体である。
請求項９の発明は、請求項８に記載の結晶性薄膜形成方法を用いた薄膜構造体において、前記アモルファス状態の保護膜は、前記調整工程の後、前記第２の成膜工程によって成膜されたことを特徴とする。
請求項１０の発明は、請求項８または９に記載の結晶性薄膜形成方法を用いた薄膜構造体において、前記アモルファス状態の保護膜は、前記結晶性薄膜と同じ材料で成膜されていることを特徴とする。
請求項１１の発明は、請求項８または９に記載の結晶性薄膜形成方法を用いた薄膜構造体において、前記アモルファス状態の保護膜は、前記結晶性薄膜と異なる材料で成膜されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の結晶性薄膜形成方法によれば、クラックのない、厚い薄膜を形成することを可能にし、光導波路など広範囲な応用を可能とする。また、本発明の結晶性薄膜形成方法を用いた薄膜構造体によれば、アモルファス状態の保護膜が結晶性薄膜を覆うので、クラックのない、厚い結晶性薄膜を形成することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
つぎに、本発明の実施形態について説明する。本実施形態による晶性薄膜形成方法では、プロセス温度において結晶薄膜を成膜し（第１の成膜工程）、結晶薄膜の形成後に、基板温度を結晶化温度以下にする（調整工程）。この調整工程の後、結晶薄膜の表面をアモルファス状態の保護膜（以下、アモルファス薄膜という）で被覆する（第２の成膜肯定）。
【００１２】
こうした工程によって、図１に示すような薄膜構造体が形成される。この薄膜構造体は、基板１と、基板１上に形成された結晶薄膜２と、結晶薄膜２に形成されたアモルファス薄膜３とで構成されている。アモルファス薄膜３のアモルファス状態は、そのフレキシブルな構造のゆえに、下部に存在する結晶薄膜から伝わる応力を、連続的に緩和する効果を持っている。したがって、ストレスが特定の場所に集中することを避けることができる。アモルファス薄膜３にはクラックが入りにくいため、結晶薄膜２にストレスがかかったままの状態で保持される。また、アモルファス薄膜３は、大気から結晶薄膜２への水分の進入をシャットアウトする効果を有する。この結果、結晶薄膜２にクラックが発生することを防ぐことができる。
【００１３】
アモルファス薄膜３の成膜は、結晶薄膜２と同一の材料を用いて、同一の成膜室内で行うことが可能である。つまり、単に結晶薄膜２の形成後に、基板温度を結晶化温度以下にして、成膜を継続すればよい。材料が結晶薄膜２と同一であれば、結晶状態とアモルファス状態とで、若干の屈折率の違いはあったとしても、光導波路などに応用する上で、アモルファス薄膜３が存在することのデメリットは小さい。
【００１４】
また、アモルファス薄膜３の材料として、結晶薄膜２と異なる材料を用いると、アモルファス薄膜３は結晶薄膜２と異なる屈折率になる。結晶薄膜２とアモルファス薄膜３との屈折率差によって、光の閉じ込めが可能になり、光導波路などに応用することができる。
【実施例１】
【００１５】
以下に、上記の発明をＥＣＲ（電子サイクロトロン共鳴）スパッタ法によるＬiＮbＯ３結晶薄膜の成膜に適用した場合について、実施例を述べる。
Ａl２Ｏ３（０００１）基板を用いると、ＬiＮbＯ３薄膜と格子整合し、エピタキシャル成長が可能である。この様子を図２を用いて説明する。図２では、黒丸で示す曲線が、Ａl２Ｏ３（０００１）基板上に成膜したＬiＮbＯ３薄膜について、各成膜温度ごとに、クラックの発生しなかった結晶の膜厚を示し、×印で示す曲線が、クラックの発生した結晶の膜厚を示す。また、白丸で示す曲線が、結晶膜の成膜後にアモルファス薄膜で結晶膜を覆った構造でクラックの発生しなかった結晶の膜厚を示す。
【００１６】
図２の黒丸の曲線に示すように、成膜温度４６０℃では６００ｎｍ、４９０℃では５００ｎｍ、５３０℃では４００ｎｍの膜厚では、ＬiＮbＯ３薄膜は大気中に取り出しても安定で、クラックが生じないことを確認した。
【００１７】
しかし、図２の×印の曲線に示すように、成膜温度４６０℃では７００ｎｍ、４９０℃では６００ｎｍ、５３０℃では５００ｎｍの膜厚で、クラックが生じた。このクラックを防止するため、ＬiＮbＯ３結晶膜を成膜後、基板温度を３００℃に下げて、引き続き、膜厚３００ｎｍのＬiＮbＯ３アモルファス薄膜を成膜した。こうすると、図２の白丸の曲線に示すように、成膜温度４６０℃では１２００ｎｍ、４９０℃では９００ｎｍ、５３０℃では６００ｎｍの膜厚の結晶膜において、クラックの発生は見られなかった。
【００１８】
また、ＬiＮbＯ３アモルファス薄膜の厚さが２００ｎｍである場合は、大気の遮断が十分でなく、クラックが発生した。しかし、ＬiＮbＯ３アモルファス薄膜の厚さが３００ｎｍである場合には、クラックの発生は見られなかった。
【００１９】
同様に、Ｓi（１００）基板上にＣ軸方向へ優先配向したＬiＮbＯ３膜を成膜することができる。この様子を図３を用いて説明する。図３では、黒丸で示す曲線が、Ｓi（１００）基板上に成膜したＬiＮbＯ３薄膜について、各成膜温度ごとに、クラックの発生しなかった結晶の膜厚を示し、×印で示す曲線が、クラックの発生した結晶の膜厚を示し、白丸で示す曲線が、結晶膜の成膜後にアモルファス薄膜で結晶膜を覆った構造でクラックの発生しなかった結晶の膜厚を示す。
【００２０】
図３の黒丸の曲線に示すように、成膜温度４６０℃では６００ｎｍ、５３０℃では４００ｎｍ、６００℃では３００ｎｍの膜厚では、ＬiＮbＯ３薄膜は大気中に取り出しても安定で、クラックが生じないことを確認した。
【００２１】
しかし、図３の×印の曲線に示すように、成膜温度４６０℃では８００ｎｍ、５３０℃では５００ｎｍ、６００℃では４５０ｎｍの膜厚で、クラックが生じた。このクラックを防止するため、ＬiＮbＯ３結晶膜を成膜後、基板温度を３００℃に下げて、引き続き膜厚３００ｎｍのＬiＮbＯ３アモルファス薄膜を成膜した。こうすると、図３の白丸の曲線に示すように、成膜温度４６０℃では１２００ｎｍ、５３０℃では９００ｎｍ、６００℃では６００ｎｍの膜厚の結晶膜において、クラックの発生は見られなかった。
【００２２】
また、ＬiＮbＯ３アモルファス薄膜の厚さが２００ｎｍである場合は、大気の遮断が十分でなく、クラックが発生した。しかし、ＬiＮbＯ３アモルファス薄膜の厚さが３００ｎｍである場合には、クラックの発生は見られなかった。
【００２３】
以上の結果から、ＬiＮbＯ３結晶薄膜をＬiＮbＯ３アモルファス薄膜で覆うことにより、クラックの生じない膜厚を増大させることができることが示された。このように結晶薄膜をアモルファス膜で覆う構造によりクラックを抑制できることは、ＬiＮbＯ３に限らず、一般の酸化物結晶薄膜に共通であり、本発明はこれらに適用可能である。
【００２４】
なお、本実施例では、電子サイクロトロン共鳴スパッタ法を用いて成膜したが、これ以外にも、蒸着、レーザーアブレーション法、分子線エピタキシー法、有機金属気相成長法などを用いてもよい。
【実施例２】
【００２５】
本実施例は、光が導波するコアにあたる結晶膜と、上層アモルファス保護膜とが異なる材料の場合を例としている。本実施例による薄膜構造体は、図４に示すように、基板１１と、基板１１上に形成されたＬiＮbＯ３結晶膜１２と、ＬiＮbＯ３結晶膜１２に形成されたＳiＯ２アモルファス膜１３とで構成されている。
【００２６】
この構成の薄膜構造体は、次のようにして形成される。１つの真空薄膜形成装置内に、ＬiＮbＯ３とＳiＯ２とのソースを備えることで実現される。まず、ＬiＮbＯ３よりも低屈折率の基板１１上に、ＬiＮbＯ３の結晶膜を成膜する。つぎに、ＬiＮbＯ３よりも低屈折率のＳiＯ２のアモルファス膜を結晶膜上に成膜する。こうして、図４に示す薄膜構造を、真空を破ることなく作製すれば、ＬiＮbＯ３の結晶膜（ＬiＮbＯ３結晶膜１２）は、ＳiＯ２のアモルファス膜（ＳiＯ２アモルファス膜）により安定に存在でき、上下の層よりも高屈折率であるため、光導波路として機能する。
【００２７】
以上、本発明の実施形態を詳述してきたが、具体的な構成は本実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても、本発明に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の実施形態による薄膜構造体を示す断面図である。
【図２】Ａl２Ｏ３（０００１）基板上に成膜したＬiＮbＯ３薄膜について、各成膜温度ごとに、クラックの発生しなかった結晶の膜厚（黒丸）、クラックの発生した結晶の膜厚（×印）、結晶膜の成膜後にアモルファス薄膜で結晶膜を覆った構造でクラックの発生しなかった結晶の膜厚（白丸）を示す図である。
【図３】Ｓｉ（１００）基板上に成膜したＬiＮbＯ３薄膜について、各成膜温度ごとに、クラックの発生しなかった結晶の膜厚（黒丸）、クラックの発生した結晶の膜厚（×印）、結晶膜の成膜後にアモルファス薄膜で結晶膜を覆った構造でクラックの発生しなかった結晶の膜厚（白丸）を示す図である。
【図４】本発明の実施例２による薄膜構造体を示す断面図である。
【図５】従来の薄膜構造を説明する図であり、（ａ）は、クラックのない結晶薄膜の薄膜構造を示す断面図であり、（ｂ）は、クラック発生の臨界膜厚を超えて、クラックが発生した結晶薄膜の薄膜構造を示す断面図である。
【符号の説明】
【００２９】
１、１１  基板
２  結晶薄膜
３  アモルファス薄膜
１２  ＬiＮbＯ３結晶膜
１３  ＳiＯ２アモルファス膜
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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