(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
定組成のＬｉＮｂＯ３のターゲットを用いた電子サイクロトロン共鳴スパッタリング法によるＬｉＮｂＯ３の薄膜形成方法において、
単結晶基板の温度が４５０℃以上６００℃以下の状態で、酸素を、ＬｉＮｂ３Ｏ８相が生じるよりも低く、かつ、ターゲット表面を一定量の酸素原子が覆った状態を保つのに十分な流量で供給して、前記単結晶基板上にＬｉＮｂＯ３薄膜を形成することを特徴とするＬｉＮｂＯ３薄膜形成方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光導波路や機能性光学部品に用いられるLiNbＯ３光学薄膜を形成するためのLiNbＯ３薄膜形成方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
LiNbＯ３(ニオブ酸リチウム)は、透明であり、しかも、非線形効果、電気光学効果、光変調効果など数々の有用な特性を示すため、広く使われている光学材料である。その応用的利用のほとんどにおいて、組成の安定性、結晶の完全さ、結晶の大きさなどの観点から、バルクの単結晶が用いられている。一方で、異種基板上にLiNbＯ３薄膜を堆積して、バルク結晶の代用としたり、光導波路として用いる試みも旧来から行われている。
【０００３】
LiNbＯ３薄膜の作製方法としては、ＲＦスパッタリング法、マグネトロンスパッタリング法、ゾル-ゲル法、有機金属気相成長法、レーザースパッタリング法などが挙げられる。しかし、膜質がバルク結晶に及ばないことから、LiNbＯ３薄膜は実質的に研究レベルに留まっていた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
LiNbＯ３薄膜の先に述べた作製方法には、次のような問題点がある。つまり、ＲＦスパッタリング法やマグネトロンスパッタリング法などの方法では、多くの場合、堆積したLiNbＯ３膜中にLi原子の欠損が生じる。このため、装置の成膜条件に合わせて、Li２ＯとLiNbＯ３が混合したターゲットを用いる必要性があった。この場合、最適な組成のターゲットを準備しないと、Li不足な薄膜（LiNbＯ３とLiNb３Ｏ８の混合体）やLi過剰な薄膜（LiNbＯ３とLi３NbＯ８の混合体）が得られ、定組成のLiNbＯ３だけから成る薄膜を得るのが困難であった。
【０００５】
また、ＲＦスパッタリング法やマグネトロンスパッタリング法では、エネルギーの高いＯ−イオンによる薄膜の再スパッタリングによる組成の崩れを防ぐために、イオンソースの中心からはずれた位置に基板を置く必要があった。このため、イオンフラックスの低い位置での堆積を余儀無くされ、薄膜の高い堆積速度を得られないといった問題点があった。
【０００６】
ゾル-ゲル法では、ある一定膜厚のLiNbＯ３アモルファス膜を溶液反応により基板上に付着させた後、熱処理を施しての再結晶化過程が不可欠なため、結晶性に問題があった。有機金属気相成長法にあっては、再結晶化過程の必要性に加え、有機分子の膜中への混入の問題があった。レーザースパッタリング法においては、成膜可能な領域の面積が小さいことに加え、異物が基板上に付着するといった問題点があった。
【０００７】
さらに、それらの方法においては、基本的に薄膜と基板材料との間の格子整合をとる必要性から、唯一サファイア基板を用いないと、良好な配向の薄膜を得ることが困難であった。そのため、実用上有用であったとしても、格子定数および格子の形状が一致しないSi基板に対しては、アモルファス膜が堆積してしまい、配向性薄膜を得ることが困難であった。
【０００８】
本発明は、前記の課題を解決し、熱処理による再結晶化を施さなくても、十分な結晶性の高配向LiNbＯ３薄膜を単結晶基板上に大面積で形成することを可能にするLiNbＯ３薄膜形成方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、請求項１の発明は、定組成のＬｉＮｂＯ３のターゲットを用いた電子サイクロトロン共鳴スパッタリング法によるＬｉＮｂＯ３の薄膜形成方法において、単結晶基板の温度が４５０℃以上６００℃以下の状態で、酸素を、ＬｉＮｂ３Ｏ８相が生じるよりも低く、かつ、ターゲット表面を一定量の酸素原子が覆った状態を保つのに十分な流量で供給して、前記単結晶基板上にＬｉＮｂＯ３薄膜を形成することを特徴とするＬｉＮｂＯ３薄膜形成方法である。
【００１１】
電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）スパッタリング法は、イオン流のエネルギーが１０−３０ｅＶ程度と低いにも関わらず、電子密度が高いので、高密度プラズマが得られる。そのため、ＲＦスパッタリングにおいて顕著に見られるような、高エネルギーイオン衝撃による軽元素の再スパッタリングで組成が著しく崩れる問題は生じない。むしろ、１０−３０ｅＶ程度のイオン流照射がもたらす基板表面へのエネルギー移動の効果により、密度の高い緻密な薄膜が形成される。
【００１２】
ターゲットとしては、高純度のLiNbＯ３バルク材を用いるので、ゾル-ゲル法やＭＯＣＶＤ法の場合に問題となるような、膜中への有機分子の混入も基本的にあり得ない。適切な成膜条件を選ぶことにより、LiNbＯ３薄膜の組成を精密に制御できる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
つぎに、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳しく説明する。本実施の形態によるLiNbＯ３薄膜形成方法は、ＥＣＲスパッタリング法によって、図１に示す薄膜形成装置で行われる。図１の薄膜形成装置は、マイクロ波出力部１、プラズマ源部２、成膜室３、ＲＦバイアス部４、およびターボ分子ポンプ５を備えている。
【００１４】
マイクロ波出力部１は、導波部分１１、コイル１２、接続部分１３、および石英窓１４を備えている。マイクロ波出力部１は、導波部分１１に加えられた２.４５ＧＨｚのマイクロ波を、石英窓１４を経てプラズマ源部２に出力する。
【００１５】
プラズマ源部２は、容器部分２１とコイル２２とを備えている。プラズマ源部２には、接続部分１３によってマイクロ波出力部１に接続されている。また、プラズマ源部２には、ArガスやXeガスが供給される。プラズマ源部２は、プラズマを生成し、このプラズマを成膜室３に加える。
【００１６】
成膜室３は、容器部分３１、LiNbＯ３ターゲット３２、およびテーブル３３を備えている。成膜室３の容器部分３１は、プラズマ源部２の容器部分２１に接続されている。成膜室３には、Ｏ２ガスが供給される。成膜室３は、プラズマ源部２からのプラズマによって発生する、LiNbＯ３ターゲット３２からのLi、Nb、Ｏ原子によって、テーブル３３の基板１０１に、LiNbＯ３薄膜を形成する。なお、テーブル３３は、容器部分３１の中心軸１１１に対して傾斜した軸１１２を中心にして回転する。これによって、基板１０１にLiNbＯ３薄膜を形成する際に、この薄膜の厚さを均一にする。
【００１７】
ＲＦバイアス部４は、高周波のバイアスを成膜室３のLiNbＯ３ターゲット３２に加える。ターボ分子ポンプ５は、マイクロ波出力部１の接続部分１３および石英窓１４と、プラズマ源部２の容器部分２１と、成膜室３の容器部分３１とで形成されるチャンバを真空排気する。
【００１８】
この薄膜形成装置によって、ＥＣＲプラズマ源であるプラズマ源部２へ導入されたArあるいはXeなどのスパッタリングガスは、マイクロ波出力部１からの２.４５ＧＨｚのマイクロ波による放電でイオン化し、ＥＣＲ領域２０１に高密度のプラズマが発生する。成膜室３のLiNbＯ３ターゲット３２に、ＲＦバイアス部４からＲＦ電圧を印加すると、生成したArやXeイオンがLiNbＯ３ターゲット３２に衝突し、Li、Nb、Ｏ原子がスパッタされる。成膜室３に酸素ガスを導入すると、これらも高励起状態やイオンになり、スパッタされた粒子とともに酸素原子も基板１０１に付着し、テーブル３３上の単結晶基板である基板１０１に薄膜が形成される。
【００１９】
本実施の形態では、基板１０１の背後からヒーターにより基板１０１を加熱する。薄膜中にアモルファス成分が含まれないためには、基板温度として４５０℃以上が必要である。逆に、基板温度が高すぎると配向性が悪化して多結晶に成りやすくなるので、６００℃以下に保たなければならない。特に、基板温度を５００〜５５０℃とすることにより、結晶性が高く高配向の膜をより安定して形成することができる。
【００２０】
図２にアルゴンガス流量８sccm、酸素ガス流量１sccm、ＲＦパワー５００Ｗ、マイクロ波パワー５００ＷでSi（１００）基板上へ成膜したLiNbＯ３薄膜のCuＫα線によるＸ線回折スペクトルを示す。成膜時の基板温度は５３０℃である。Si（１００）基板からの＜００４＞反射（６９°）、分光器で除き切れなかったCuＫβ線による＜００４＞反射（６１.７°）以外に、＜００１＞配向したLiNbＯ３薄膜からの＜００６＞反射（３８.９°）、＜００１２＞反射（８３.５°）だけが観測されている。
【００２１】
このことは、得られた薄膜は、LiNbＯ３の単一相であって、しかも＜００１＞方向へ強く配向していることを示している。このように、半導体基板上への高配向のLiNbＯ３薄膜の形成は、本発明により初めて可能となった。同様の成膜条件でSi（１１１）基板上へ成長したときも、LiNbＯ３薄膜からの＜００６＞反射（３８.９°）と＜００１２＞反射（８３.５°）だけが観測される。他の単結晶基板を用いた場合でも、同様に＜００１＞方向へ配向したLiNbＯ３薄膜が得られる。
【００２２】
成膜速度は、図３の酸素ガス圧依存性が示すように、酸素ガス流量が低いほど大きくなる。これは、酸素ガス圧が高いと、解離・イオン化した酸素が、LiNbＯ３ターゲット３２のターゲット表面上を強く被覆し、Li、Nb原子のスパッタが抑制されるためである。酸素ガス圧の影響は、堆積した薄膜の組成にも影響を与える。図４のＸ線回折スペクトルは、酸素ガス流量だけを３sccmに変え、その他は図２の試料作製と同一の条件で成膜した試料からのものである。LiNbＯ３相を示す３８.９°のピークに付随して、＜６０２＞配向したLiNb３Ｏ８相からのピークが３８°に出現している。このことは過剰な酸素分圧により、基板に付着したLi原子がLi２Ｏとして一部脱離し、Li欠損のLiNb３Ｏ８相が結晶化していることを意味している。また、他にもいくつかの回折ピークが観測されており、図１の試料に比べて配向性が劣っていることを示している。
【００２３】
したがって、所望のLiNbＯ３相だけからなる薄膜を形成するには、酸素流量はある一定値以下でなければならない。
【００２４】
他方、酸素ガスを全く導入しないで堆積した薄膜のＸ線回折スペクトル（酸素流量：０sccm）を図５に示す。この場合、ターゲットヘは酸素原子が全く供給されないため、ターゲットの表面近傍は酸素不足になる。その結果として、基板に堆積する薄膜が酸素欠損の組成になる。実際、３８.９°の回折強度が図１に比べ約１／５に減少していることから、LiNbＯ３結晶相の体積も同程度に減少していると考えられる。また、ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆなどの余分なピークが出現しており、基板上にLi、Nb原子が過剰に含まれたアモルファス状の化合物が堆積しているものと思われる。
【００２５】
このことから、ターゲット表面の酸素量を一定値に保ちながらスパッタを行うためには、酸素流量の最低値が存在することが分かる。
【００２６】
さらに、もし酸素分圧が低すぎると、薄膜の光学的吸収が大きくなり、光導波路への応用に問題が生じる。また、酸素不足の薄膜がチャンバ内壁に付着してしまい、これらがダスト源となる可能性がある。
【００２７】
以上のように、高配向したLiNbＯ３結晶相だけの薄膜を得るには、酸素流量の最適値が存在する。つまり、LiNb３Ｏ８相が生じるよりも低く、かつ、ターゲット表面を一定量の酸素原子が覆った状態を保つのに十分な流量にする。図２、４、５の試料を作製した装置においては、０.５〜１sccmが最適値であったが、その値は、成膜室の大きさ、ポンプの排気速度、プラズマ源と成膜室のコンダクタンス、マイクロ波パワー、ＲＦパワーなどによって決まり、その装置に固有の値となる。
【００２８】
以上、本発明の実施の形態を詳述してきたが、具体的な構成は本実施の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。
【００２９】
【発明の効果】
以上、説明したように、本発明は、定組成のLiNbＯ３ターゲットを用いたＥＣＲスパッタリング法によって、LiNbＯ３薄膜を形成する際に、単結晶基板の温度が４５０℃以上６００℃以下の状態で酸素を供給して、単結晶基板上にLiNbＯ３薄膜を形成する。また、酸素の供給は、LiNb３Ｏ８相が生じるよりも低く、かつ、ターゲット表面を一定量の酸素原子が覆った状態を保つのに十分な流量にする。これによって、Li原子や酸素原子の欠損がなく、結晶性が高く高配向のLiNbＯ３薄膜を単結晶基板上に形成できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態を行うための薄膜形成装置の構成を示す構成図である。
【図２】  Si（１００）基板上へ＜００１＞配向したLiNbＯ３薄膜のＸ線回折スペクトルを示す図である。
【図３】成膜速度の酸素流量依存性を示す図である。
【図４】  Si（１００）基板上へ＜００１＞配向したLiNbＯ３相と＜６０２＞配向したLiNb３Ｏ８相が混合した薄膜のＸ線回折スペクトルを示す図である。
【図５】酸素ガスを導入しないで成膜した時のＸ繰回折スペクトルを示す図である。
【符号の説明】
１  マイクロ波出力部
１１  導波部分
１２  コイル
１３  接続部分
１４  石英窓
２  プラズマ源部
２１  容器部分
２２  コイル
３  成膜室
３１  容器部分
３２  LiNbＯ３ターゲット
３３  テーブル
４  ＲＦバイアス部
５  ターボ分子ポンプ
【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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