(57)【要約】【課題】ニオブ酸リチウム（ＬＮ）またはタンタル酸リチウム（ＬＴ）単結晶からなり、より結晶性に優れた電気光学用途向け単結晶薄膜およびその形成方法を提供する。【解決手段】Ｓｉ（１１１）基板１上に、立方晶炭化ケイ素層３および酸化マグネシウム単結晶層４を順次積層させ、前記酸化マグネシウム層４の上に、ＬＮまたはＬＴからなる薄膜５をエピタキシャル成長させることにより、ＬＮまたはＬＴからなる単結晶薄膜６を形成させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｓｉ（１１１）基板上に順次積層された立方晶炭化ケイ素層および酸化マグネシウム単結晶層の上に形成された薄膜であり、ニオブ酸リチウムまたはタンタル酸リチウムからなることを特徴とする単結晶薄膜。
【請求項２】
Ｓｉ（１１１）基板上に、立方晶炭化ケイ素層および酸化マグネシウム単結晶層を順次積層させ、前記酸化マグネシウム層の上に、ニオブ酸リチウムまたはタンタル酸リチウムからなる薄膜をエピタキシャル成長させることを特徴とする単結晶薄膜の形成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気光学的特性に優れたニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ3：ＬＮ）およびタンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ3：ＬＴ）の単結晶薄膜およびその形成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ニオブ酸リチウム（ＬＮ）およびタンタル酸リチウム（ＬＴ）単結晶は、電気光学的に優れた特性を有する透明な単結晶であり、従来、チョクラルスキー法により、バルク結晶が工業的に製造されており、これらを用いて、ＦＭ変調器、光導波路等の様々な光学デバイスが作製されている。
【０００３】
一方、ＬＮやＬＴを、シリコン基板上に薄膜として形成させる技術の検討開発も進められている。ＬＮやＬＴのエピタキシャル薄膜は、これらの優れた電気光学的特性を電子デバイスと融合させる上で有効である。
また、シリコン基板は、直径３００ｍｍの大口径サイズのものが市販されていることから、シリコン基板上にエピタキシャル成長させれば、ＬＮやＬＴの単結晶薄膜を大口径で得ることが可能であり、広い面積が求められる光導波路等の形成にも有利である。
【０００４】
上記のような薄膜としては、例えば、非特許文献１に、Ｓｉ（００１）基板上に、急速な酸化により形成された厚さ２〜４ｎｍのアモルファス中間層を介して、ＬＮ膜が形成されることが開示されている。
【非特許文献１】“Journal of Crystal Growth”，２００４年，ｖｏｌ．２７０，ｐ．５６０−５６７
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、基板となるシリコン単結晶と、その上に成長させるＬＮまたはＬＴとでは、格子不整合により、ＬＮまたはＬＴが多結晶化しやすく、上記非特許文献１に記載されているようなＬＮ膜では、結晶化が必ずしも十分であるとは言えず、光学デバイスの作製は困難であった。
【０００６】
したがって、格子定数の相違による多結晶化を抑制することができるＬＮおよびＬＴ単結晶薄膜の形成技術が求められている。
【０００７】
本発明は、上記技術的課題を解決するためになされたものであり、ＬＮまたはＬＴ単結晶からなり、より結晶性に優れた電気光学用途向け単結晶薄膜およびその形成方法を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る単結晶薄膜は、Ｓｉ（１１１）基板上に順次積層された立方晶炭化ケイ素層（３Ｃ−ＳｉＣ層）および酸化マグネシウム単結晶層（ＭｇＯ層）の上に形成された薄膜であり、ニオブ酸リチウム（ＬＮ）またはタンタル酸リチウム（ＬＴ）からなることを特徴とする。
上記のように、３Ｃ−ＳｉＣおよびＭｇＯを、ＬＮまたはＬＴとＳｉとの緩衝層とすることにより、段階的に格子不整合を抑制することができ、ＬＮまたはＬＴを、結晶性に優れた高品質な薄膜として得ることができる。
【０００９】
また、本発明に係る単結晶薄膜の形成方法は、Ｓｉ（１１１）基板上に、立方晶炭化ケイ素層（３Ｃ−ＳｉＣ層）および酸化マグネシウム単結晶層（ＭｇＯ層）を順次積層させ、前記酸化マグネシウム層（ＭｇＯ層）の上に、ニオブ酸リチウム（ＬＮ）またはタンタル酸リチウム（ＬＴ）からなる薄膜をエピタキシャル成長させることを特徴とする。
上記方法によれば、結晶性に優れたＬＮまたはＬＴからなる高品質な電気光学用途向け単結晶薄膜を好適に形成することができる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、シリコン基板上に、ＬＮまたはＬＴ単結晶を薄膜として形成させる際、シリコン基板との格子不整合を抑制することができ、結晶性に優れたＬＮまたはＬＴからなる高品質な電気光学用途向け単結晶薄膜が得られる。
したがって、本発明により得られる単結晶薄膜は、ＦＭ変調器、光導波路等の様々な光学デバイスを作製する上で好適に用いることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明について、より詳細に説明する。
本発明に係る単結晶薄膜は、ＬＮまたはＬＴの単結晶薄膜であり、Ｓｉ（１１１）基板上に順次積層された３Ｃ−ＳｉＣ層およびＭｇＯ層の上に形成されたものである。
上述したように、ＳｉとＬＮまたはＬＴとでは、格子定数差が大きいため、相互間に緩衝層を設ける必要があり、本発明においては、ＬＮまたはＬＴとＳｉとの緩衝層として、ＭｇＯ／３Ｃ−ＳｉＣを採用することにより、段階的に格子不整合を抑制することができ、高品質なＬＮまたはＬＴを結晶性に優れた薄膜として得ることができる。
【００１２】
また、ＬＮおよびＬＴは、結晶形態が三方晶系であるため、立方晶であるＳｉとの整合性に鑑みて、Ｓｉ基板には、結晶面の形態が三角形となる（１１１）面を選択することが好ましい。
したがって、Ｓｉ基板を（１１１）面とし、その上に緩衝層を介在させることにより、上記非特許文献１記載のＬＮ膜よりも、結晶性の向上がより一層図られる。
【００１３】
３Ｃ−ＳｉＣの格子定数は０．４３６ｎｍであり、Ｓｉの格子定数０．５４３ｎｍと比較して、約２０％の相違があるが、Ｓｉ基板表面を炭化することにより、その上に、３Ｃ−ＳｉＣ層をヘテロエピタキシャル成長させることができる。
Ｓｉ基板表面の炭化は、まず、水素雰囲気下、１０００℃以上に加熱し、表面の自然酸化膜を除去した後、プロパン等の炭化水素ガス雰囲気下、１１００〜１３５０℃程度に加熱することにより行うことができる。
この炭化層は、上述のように、その上に３Ｃ−ＳｉＣ層をエピタキシャル成長させることを目的として形成されるものであり、その厚さは、１ｎｍ以上５０ｎｍ以下であることが好ましい。
【００１４】
上記のように表面が炭化されたＳｉ（１１１）基板上に、緩衝層となる３Ｃ−ＳｉＣ層が形成される。
前記３Ｃ−ＳｉＣ層は、例えば、シランおよびプロパン等の炭化水素ガス雰囲気下、１１００〜１３５０℃程度に加熱し、エピタキシャル成長させることにより形成することができる。
【００１５】
前記３Ｃ−ＳｉＣ層の厚さは、１００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下であることが好ましい。
前記３Ｃ−ＳｉＣ層の厚さが１００ｎｍ未満である場合、その上に積層されるＭｇＯ層を単結晶層として得ることが難しい。一方、前記厚さが１０００ｎｍを超える場合、３Ｃ−ＳｉＣ層が厚すぎて、基板全体に反りが生じやすくなる。
【００１６】
さらに、前記３Ｃ−ＳｉＣ層の上に第２の緩衝層となるＭｇＯ層を形成する。
ＭｇＯは、格子定数がＬＮまたはＬＴと３Ｃ−ＳｉＣとの中間値（０．４２１ｎｍ）をとり、また、ＬＮとの格子定数差は、１．０１％、ＬＴとの格子定数差は１．１４％と小さいため、ＭｇＯを緩衝層である３Ｃ−ＳｉＣ層上に成膜させることにより、高品質なＬＮまたはＬＴのエピタキシャル成長膜を形成させることができる。
前記ＭｇＯ層は、例えば、ＭｇＯターゲットを用い、また、アルゴンおよび酸素の混合気体をスパッタガスとして、３００〜６００℃で、ＲＦスパッタリング装置にて形成することができる。
【００１７】
前記ＭｇＯ層の厚さは、１００ｎｍ以上５００ｎｍ以下であることが好ましい。
前記ＭｇＯ層の厚さが１００ｎｍ未満である場合、３Ｃ−ＳｉＣの格子定数の影響を受けやすく、ＭｇＯの結晶格子が歪んだ状態のままになりやすい。一方、前記厚さが５００ｎｍを超える場合、基板全体に割れが生じやすくなる。
【００１８】
そして、前記ＭｇＯ層上に、ＬＮまたはＬＴ膜をエピタキシャル成長させる。前記ＬＮまたはＬＴ膜は、ＭｇＯ／３Ｃ−ＳｉＣが、Ｓｉとの緩衝層として形成されているため、所望の厚さで、結晶性に優れた状態で形成することができ、厚さ１μｍ以上での成膜も可能である。
前記ＬＮまたはＬＴ膜は、例えば、酸化リチウム（Ｌｉ2Ｏ）と、酸化ニオブ（Ｎｂ2Ｏ5）または酸化タンタル（Ｔａ2Ｏ5）をターゲットし、アルゴンおよび酸素の混合気体をスパッタガスとして、３００〜９００℃で、ＲＦスパッタリング装置にて形成することができる。
【実施例】
【００１９】
以下、本発明を実施例に基づきさらに具体的に説明するが、本発明は下記の実施例により制限されるものではない。
図１に、本実施例に係る単結晶薄膜の形成工程の概略を示す。以下、図１を参照に説明する。
［実施例１］
まず、Ｓｉ（１１１）基板１を、水素雰囲気下、１０００℃に加熱し、自然酸化膜を除去した（図１（ａ）参照）。
次いで、Ｃ3Ｈ8を供給し、１１５０℃まで昇温し、Ｓｉ基板１表面を炭化させ、炭化層２とした（図１（ｂ）参照）。
次に、基板温度１１８０℃にて、ＳｉＨ4およびＣ3Ｈ8を供給し、厚さ５００ｎｍのＳｉＣ層３を形成させた（図１（ｃ）参照）。
このＳｉＣ／Ｓｉ基板を、ＲＦスパッタリング装置内に配置し、ＭｇＯターゲットを用い、スパッタガスとしてＡｒおよびＯ2の混合気体を用いて、基板温度６００℃で、厚さ２００ｎｍのＭｇＯ膜４を形成させた（図１（ｄ）参照）。
得られたＭｇＯ／ＳｉＣ／Ｓｉ基板を、ＲＦスパッタリング装置内に配置し、Ｌｉ2ＯおよびＮｂ2Ｏ5ターゲットを用い、スパッタガスとしてＡｒおよびＯ2の混合気体を用いて、基板温度７５０℃で、厚さ１μｍのＬＮ膜５を形成させた（図１（ｅ）参照）。
Ｘ線回折による分析の結果、前記ＬＮ膜５は、結晶性に優れた単結晶膜であることが確認された。
【００２０】
［実施例２］
最終工程（図１（ｅ）参照）において、スパッタリングのターゲットとしてＮｂ2Ｏ5をＴａ2Ｏ5に変え、それ以外については、実施例１と同様の方法により、ＬＴ膜５を形成した。
Ｘ線回折による分析の結果、前記ＬＴ膜５は、結晶性に優れた単結晶膜であることが確認された。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本実施例に係る単結晶薄膜の形成工程を説明するための概略断面図であり、（ａ）は第１工程説明図、（ｂ）は第２工程説明図、（ｃ）は第３工程説明図、（ｄ）は第４工程説明図、（ｅ）は最終工程説明図である。
【符号の説明】
【００２２】
１  Ｓｉ（１１１）基板
２  炭化層
３  ３Ｃ−ＳｉＣ層
４  ＭｇＯ層
５  ＬＮまたはＬＴ層
【図１】
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