JP2013173647A - Dielectric laminate thin film - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、イルメナイト構造の誘電体膜を備える誘電体積層薄膜に関するものである。 The present invention relates to a dielectric laminated thin film including a dielectric film having an ilmenite structure.
現在、高周波デバイスにおける受信、送信の信号処理回路では、ノイズ信号の低減のためのフィルタが必要であり、特に小型携帯機器においては、従来用いられる電子部品全般で機器の高機能化と共に、小型化、高性能化が求められている。表面弾性波を応用したSAWフィルタは、小型の共振回路の作製が可能であるため、現在のこれらの携帯機器においては主流のフィルタとなっているが、その基材としては高い結合係数、低い温度係数、低い伝搬損失等の理由で、ニオブ酸リチウム(LiNbO3)やタンタル酸リチウム(LiTaO3)などの、イルメナイト構造を有する単結晶基板が主として用いられている。 Currently, signal processing circuits for reception and transmission in high-frequency devices require filters to reduce noise signals. Especially in small portable devices, the electronic devices used in the past have become more sophisticated and smaller in size. There is a need for higher performance. SAW filters using surface acoustic waves are the mainstream filters in these current portable devices because they can produce small resonant circuits, but their base materials have a high coupling coefficient and low temperature. Single crystal substrates having an ilmenite structure, such as lithium niobate (LiNbO 3 ) and lithium tantalate (LiTaO 3 ), are mainly used for reasons such as coefficient and low propagation loss.
特許文献1には、LiNbO3、及びLiTaO3基板のSAWデバイスへの応用例として、その基板のカット角に対する結合係数や、伝搬速度との関係を示すと共に、圧電薄膜を積層した基板が開示されている。
一方、高速信号伝送を目的として光ケーブルを用いた信号配線が広がっているが、この電気信号を光信号に変換する光変調器においても高い電気光学特性や透光性などの光学特性を理由として、その構成部材にLiNbO3の単結晶基板が用いられている。 On the other hand, although signal wiring using optical cables is spreading for the purpose of high-speed signal transmission, optical modulators that convert this electrical signal into an optical signal also have high electro-optical characteristics and optical characteristics such as translucency, A LiNbO 3 single crystal substrate is used as the constituent member.
特許文献2には、LiNbO3基板上に、Ti拡散を用いた導波路を形成した光変調器が開示されている。
特許文献3には、Si(100)基板上に酸化ジルコニウム(ZrO2)のエピタキシャル膜を下地膜をすることで、その上に結晶性の良いチタン酸バリウム(BTO)、チタン酸ストロンチウム(STO)、チタンジルコン酸鉛(PZT)などのペロブスカイト構造のエピタキシャル膜が開示されている。
In
特許文献3には、ペロブスカイト構造とイルメナイト構造を分けず、化学式ABX3にて同一のものとして、ペロブスカイト構造での効果を、LiNbO3等のイルメナイト構造を持つものとして開示されている。
特許文献4には、光導波路に向けて、(111)配向のSi基板に、(001)配向のAl2O3エピタキシャル膜を成膜し、その上に(001)配向のLiNbO3のエピタキシャル膜を形成したものが開示されている。しかしながら、X線回析、すなわち、XRD等によるLiNbO3の配向性は開示されておらず、LiNbO3膜、Al2O3膜、共にエピタキシャル膜としての、十分な配向性を得ることは困難である。
In
LiNbO3やLiTaO3の、イルメナイト構造を持つ強誘電体の単結晶基板はその電気的、光学的な材料特性を用いて、現在、高周波デバイスや光デバイスに広く応用されている。また携帯機器向けの電子デバイスにおいては、その製品設計において、小型化や低コスト化、高性能化、高機能化等を目的として、複数個の電子部品や電子回路との複合化が求められている A ferroelectric single crystal substrate having an ilmenite structure, such as LiNbO 3 or LiTaO 3 , is currently widely applied to high-frequency devices and optical devices because of its electrical and optical material characteristics. In addition, electronic devices for portable devices are required to be combined with multiple electronic components and electronic circuits for the purpose of miniaturization, low cost, high performance, high functionality, etc. in product design. Have
数百MHz以上の周波数を利用した高周波デバイスや光デバイスにおいては、高周波領域の圧電特性によりペロブスカイトではなく、LiNbO3などのイルメナイト構造の膜を用いることが好ましい。つまり通常のペロブスカイト構造の膜は、圧電材料としてこれらのデバイスの応用したとき、電気機械結合係数や電気光学係数において不十分であるのに対し、イルメナイト構造の膜は良好な値を示すことがわかっている。 In a high-frequency device or an optical device using a frequency of several hundred MHz or more, it is preferable to use a film having an ilmenite structure such as LiNbO 3 instead of a perovskite due to piezoelectric characteristics in a high-frequency region. In other words, ordinary perovskite structure films have insufficient electromechanical coupling coefficient and electro-optic coefficient when these devices are applied as piezoelectric materials, while ilmenite structure films show good values. ing.
ここで、イルメナイト構造を有するエピタキシャル成長した誘電体積層薄膜は、小型化かつ高性能化のために薄くすることが望まれている。そのためには、誘電体積層薄膜の結晶配向性を保ちながら、機械的強度を確保できる基板が誘電体積層薄膜のベースになる必要があり、最も適した基板はSiである。 Here, the epitaxially grown dielectric laminated thin film having an ilmenite structure is desired to be thin for miniaturization and high performance. For this purpose, a substrate capable of ensuring mechanical strength while maintaining the crystal orientation of the dielectric laminated thin film needs to be the base of the dielectric laminated thin film, and the most suitable substrate is Si.
しかし、ペロブスカイト構造とイルメナイト構造を分けず、化学式ABX3にて同一のものとして、ペロブスカイト構造での効果を、LiNbO3等のイルメナイト構造を持つものとして、Si基板に同じように成膜しても、その結晶構造の違いは大きく、ペロブスカイト構造に対するエピタキシャル膜の効果が、同様にイルメナイト構造に行えるものではない。 However, the perovskite structure and the ilmenite structure are not separated, and the same effect is obtained by the chemical formula ABX 3 and the effect of the perovskite structure can be formed on the Si substrate in the same manner as having an ilmenite structure such as LiNbO 3. The difference in crystal structure is large, and the effect of the epitaxial film on the perovskite structure cannot be similarly achieved in the ilmenite structure.
すなわち、Si基板上に結晶配向性の良好なイルメナイト構造を有するエピタキシャル成長した誘電体積層薄膜を形成することは、Si基板上に結晶配向性を保ちながら積層させることが困難であったため、実用化されていなかった。 In other words, forming an epitaxially grown dielectric laminated thin film having an ilmenite structure with good crystal orientation on a Si substrate has been put to practical use because it was difficult to laminate while maintaining crystal orientation on the Si substrate. It wasn't.
本発明は、上記の点を考慮してなされたもので、Si基板上に結晶配向性の良好なイルメナイト構造を有するエピタキシャル成長した誘電体積層薄膜を形成することを目的とする。 The present invention has been made in consideration of the above points, and an object thereof is to form an epitaxially grown dielectric laminated thin film having an ilmenite structure with good crystal orientation on a Si substrate.
本発明は、単結晶Si(111)基板面上に、酸化ジルコニウム(ZrO2)を主成分としたエピタキシャル成長した少なくとも一層の下地膜が形成され、前記下地膜上に、イルメナイト構造の誘電体材料からなるエピタキシャル成長したイルメナイト構造膜が形成されていることを特徴とする誘電体積層薄膜である。 According to the present invention, at least one base layer epitaxially grown mainly composed of zirconium oxide (ZrO 2 ) is formed on the surface of a single crystal Si (111) substrate, and a dielectric material having an ilmenite structure is formed on the base layer. A dielectric laminated thin film characterized in that an epitaxially grown ilmenite structure film is formed.
つまり、単結晶Si(111)基板上に、エピタキシャル成長を促進させるZrO2の下地膜を形成し、基板との結晶の整合性を制御しながら、エピタキシャル成長したイルメナイト構造膜を形成させることで、安定してエピタキシャル成長した誘電体積層薄膜を得ることが可能になる。 In other words, by forming a ZrO 2 base film that promotes epitaxial growth on a single crystal Si (111) substrate and controlling the crystal matching with the substrate, an epitaxially grown ilmenite structure film is formed stably. Thus, a dielectric laminated thin film epitaxially grown can be obtained.
本発明により、Si基板上に結晶配向性の良好なイルメナイト構造を有するエピタキシャル成長した誘電体積層薄膜を形成することが可能となった。 According to the present invention, it is possible to form an epitaxially grown dielectric laminated thin film having an ilmenite structure with good crystal orientation on a Si substrate.
以下、本発明の好適な実施形態について説明する。なお、本発明の対象は以下の実施形態に限定されるものではない。また以下に記載した構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のものが含まれると共に、その構成要素は、適宜組み合わせることが可能である。また説明図は模式的なものであり、説明の便宜上、厚みと平面寸法との関係は、本実施形態の効果が得られる範囲内で実際の構造とは異なっていても良いこととする。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described. The subject of the present invention is not limited to the following embodiment. In addition, the constituent elements described below include those that can be easily assumed by those skilled in the art and substantially the same elements, and the constituent elements can be appropriately combined. Further, the explanatory diagram is schematic, and for convenience of explanation, the relationship between the thickness and the planar dimension may be different from the actual structure within a range in which the effect of the present embodiment can be obtained.
なお、本実施形態におけるエピタキシャル膜とは、膜面内をX−Y面とし、膜厚方向をZ軸としたとき、結晶がX軸、Y軸およびZ軸方向にともにそろって配向しているものである。これを証明するために、2つの条件を満たす必要がある。すなわち、X線回折により、第1に配向位置でのピーク強度の確認と、第2に極点の確認が必要である。 Note that the epitaxial film in this embodiment is such that the crystal is aligned along the X-axis, Y-axis, and Z-axis directions when the film plane is the XY plane and the film thickness direction is the Z-axis. Is. In order to prove this, two conditions must be met. That is, it is necessary to first confirm the peak intensity at the orientation position and secondly confirm the pole by X-ray diffraction.
具体的には、第1にX線回折、すなわち、XRDによる測定を行ったとき、目的とする面以外の全ての反射のピーク強度が目的とする面の最大ピーク強度の10%以下、好ましくは5%以下である必要がある。例えば、(001)エピタキシャル膜、すなわちc面エピタキシャル膜では、膜の2θ−θXRDで(00L)面以外のピーク強度が、(00L)面の最大ピーク強度の10%以下、好ましくは5%以下である。 Specifically, first, when measurement is performed by X-ray diffraction, that is, XRD, the peak intensity of all reflections other than the target surface is 10% or less of the maximum peak intensity of the target surface, preferably It must be 5% or less. For example, in a (001) epitaxial film, that is, a c-plane epitaxial film, the peak intensity of the film other than the (00L) plane at 2θ-θXRD is 10% or less, preferably 5% or less of the maximum peak intensity of the (00L) plane. is there.
第2に、極点測定において、極点が見えることが必要である。前述の第1の配向位置でのピーク強度の確認の条件においては、一方向における配向性を示しているのみであり、前述の第1の条件を得たとしても、面内において結晶配向がそろっていない場合には、特定角度位置でX線の反射強度が高まることはなく、極点は見られない。LiNbO3は三方晶の結晶構造であるため、面内においてそろっている場合、三方向からの角度位置においてX線反射強度が高まる。このため極点図においては三角形の3つの極点を示す。 Second, in pole measurement, it is necessary to see the pole. The condition for confirming the peak intensity at the first orientation position described above shows only the orientation in one direction. Even if the first condition is obtained, the crystal orientation is aligned in the plane. If not, the X-ray reflection intensity does not increase at a specific angular position, and no pole is seen. Since LiNbO3 has a trigonal crystal structure, the X-ray reflection intensity increases at an angular position from three directions when they are aligned in the plane. For this reason, in the pole figure, three triangular poles are shown.
このため、前述の第1、第2の両方の条件が得られることにより、結晶がX軸、Y軸およびZ軸方向にともにそろって配向していることの証明になり、エピタキシャル膜になっているといえる。 Therefore, by obtaining both the first and second conditions described above, it is proved that the crystals are aligned along the X-axis, Y-axis, and Z-axis directions, and the epitaxial film is formed. It can be said that.
また、LiNbO3の結晶の場合、c軸において、180°回転させた結晶が対称的に結合した、いわゆる双晶の状態にてエピタキシャル成長することが知られている。この場合、三角形の極点が対称的に2つ結合した状態になるため、極点は6つとなる。
In addition, in the case of
また、本実施形態における配向膜とは、基板表面と平行に目的とする結晶面がそろっている結晶化膜のことを意味する。具体的には、例えば、(001)配向膜、すなわちc面配向膜は、膜の2θ−θX線回折、すなわち、XRDで(00L)面以外の反射強度が、(00L)面反射の最大ピーク強度の10%以下、好ましくは5%以下のものである。なお、本明細書において(00L)は、(001)や(002)などの等価な面を総称する表示であり、(L00)などについても同様である。 In addition, the alignment film in the present embodiment means a crystallized film in which target crystal planes are aligned in parallel with the substrate surface. Specifically, for example, in the (001) orientation film, that is, the c-plane orientation film, the 2θ-θ X-ray diffraction of the film, that is, the reflection intensity other than the (00L) plane in XRD is the maximum peak of (00L) plane reflection. The strength is 10% or less, preferably 5% or less. In the present specification, (00L) is a display collectively indicating equivalent surfaces such as (001) and (002), and the same applies to (L00) and the like.
なお、LiNbO3の結晶構造は、擬イルメナイト型、イルメナイト類似型、変形イルメナイト型、LiNbO3型などとして、その表記において、イルメナイト型とは区別する場合もあるが、本実施形態では、これらを総称して、イルメナイト型と定義する。擬イルメナイト型(LiNbO3型)とイルメナイト型の違いは、2つの陽イオンが、c軸に沿った層の中で、一つの層に両イオンが入った状態で積層されるか、別の層で交互に積層されるかであるが、基本的なコランダム構造から導かれる結晶格子は同一であり、差異は小さい。 The crystal structure of LiNbO 3 is pseudo ilmenite, ilmenite similar type, variant ilmenite, as such LiNbO 3 type, in the notation, there is a case to be distinguished from ilmenite, in this embodiment, collectively referred to And defined as the ilmenite type. The difference between the pseudo-ilmenite type (LiNbO 3 type) and the ilmenite type is that two cations are stacked in a layer along the c-axis with both ions in one layer or another layer. The crystal lattices derived from the basic corundum structure are the same and the difference is small.
本実施形態における双晶とは、イルメナイト結晶構造のc軸において、180°回転させた結晶が、対称的な状態で結合したものを意味する。このため、本来の三方晶のイルメナイトの単結晶構造は、XRDの極点測定において3極を示すが、本実施形態の双晶の場合では6極を示す。 The twin in this embodiment means a crystal in which crystals rotated by 180 ° in the c-axis of the ilmenite crystal structure are combined in a symmetric state. Therefore, the original single crystal structure of trigonal ilmenite shows three poles in the XRD pole measurement, but shows six poles in the case of the twin crystal of this embodiment.
前述したとおり、SAWフィルタ等の高周波デバイスや光変調器等の光デバイスにおいては、良好な電気機械結合係数や電気光学係数等の材料特性により、ペロブスカイト構造ではなく、イルメナイト構造の膜を用いることが好ましい。つまり通常のペロブスカイト構造の膜は、圧電材料としてこれらのデバイスの応用したとき、イルメナイトの構造膜に比べて、これらの材料特性が不十分である。本実施形態はこの様な高周波対応のデバイスに対して有用となるイルメナイト膜を用いた誘電体積層薄膜である。 As described above, a high-frequency device such as a SAW filter or an optical device such as an optical modulator may use a film having an ilmenite structure instead of a perovskite structure due to good material properties such as an electromechanical coupling coefficient and an electro-optic coefficient. preferable. In other words, a film having a normal perovskite structure has insufficient material properties when applied to these devices as a piezoelectric material, compared to an ilmenite structure film. The present embodiment is a dielectric laminated thin film using an ilmenite film that is useful for such high-frequency compatible devices.
図1を用いて、本実施形態の具体的な説明を行う。本実施形態の誘電体積層薄膜10の構造は、図1に示す通り、Si基板111上に下地膜2を形成し、その上にイルメナイト構造膜3を形成させたものである。
A specific description of this embodiment will be given with reference to FIG. As shown in FIG. 1, the structure of the dielectric laminated
本実施形態の構成は、基板面にSi(111)配向を有する基板111を用いている。その上に形成される下地膜2は、少なくとも一層のZrO2を含むエピタキシャル膜で、その上のイルメナイト構造膜3のエピタキシャル化を促進させる。イルメナイト構造膜3は、ペロブスカイト構造と結晶における原子配列が異なり、例えばニオブ酸リチウム(LiNbO3)などである。
The configuration of the present embodiment uses a
ここで、従来技術においては、Si基板表面が(100)面に規定されている。Si(100)積層面での、a‐b軸が成す格子角度は90°の正方形である。図1で基板111がSi(100)に置き換わったと考えればよい。
Here, in the prior art, the Si substrate surface is defined as the (100) plane. The lattice angle formed by the ab axis on the Si (100) laminated surface is a square of 90 °. It can be considered that the
一般的に、ペロブスカイト構造は化学式ABX3で表される。ここで安定したペロブスカイト構造は、以下のShannonのイオン半径を用いた式で表されるトレランスファクタtの値が0.9〜1.1の範囲にて成り立つ。
t=(RA+RX)/√2(RB+RX)
t:トレランスファクタ(ペロブスカイト構造における許容度、理想は1)
RA:Aサイトにおけるイオン半径
RB:Bサイトにおけるイオン半径
RX:Xサイトにおけるイオン半径
ここでLiNbO3などは、ペロブスカイトと同じ化学式のABX3でありながら、トレランスファクタの値が0.75と小さいため、その結晶内での歪が大きくなり、イルメナイト構造という別の結晶構造になる。
Generally, the perovskite structure represented by a chemical formula ABX 3. Here, a stable perovskite structure is established when the value of the tolerance factor t expressed by the following formula using Shannon's ionic radius is in the range of 0.9 to 1.1.
t = (RA + RX) / √2 (RB + RX)
t: tolerance factor (tolerance in perovskite structure, ideal is 1)
RA: Ion radius at the A site RB: Ion radius at the B site RX: Ion radius at the X site Here, LiNbO 3 and the like are ABX 3 having the same chemical formula as the perovskite, but have a small tolerance factor of 0.75. , The strain in the crystal increases, resulting in another crystal structure called an ilmenite structure.
次に、ペロブスカイト構造とイルメナイト構造の違いについて説明する。図3は従来構造のチタン酸バリウム(BTO)等のペロブスカイト構造の結晶構造を示している。31はa軸、32はb軸、33はc軸を示している。斜線丸Aは、ABX3のAの原子を示しており、この場合はBaである、黒丸Bは、ABX3のBの原子を示しており、この場合はTiである、白丸Xは、ABX3のXの原子を示しており、この場合はOである。 Next, the difference between the perovskite structure and the ilmenite structure will be described. FIG. 3 shows a crystal structure of a perovskite structure such as barium titanate (BTO) having a conventional structure. 31 indicates an a-axis, 32 indicates a b-axis, and 33 indicates a c-axis. A hatched circle A indicates an A atom of ABX 3 , which is Ba in this case. A black circle B indicates a B atom of ABX 3. In this case, Ti is a white circle X is ABX. 3 X atoms are shown, in this case O.
図3の原子におけるShannonのイオン半径はそれぞれ、Ba(Aイオン)=0.161nm、Ti(Bイオン)=0.061nm、O(Xイオン)=0.140nmで、トレランスファクタは1.06である。31はa軸、32はb軸、33はc軸を示している。その構造はBaのAイオンを格子枠とし、面心位置にOのXイオン、体心位置にTiのBイオンが入り、比較的に単純な構造である。図3によると、積層面でのa−b軸が成す格子角度が90°の正方形であるため、Si(100)の格子面と同じ格子角度の正方形のため、格子整合は可能である。 The ionic radii of Shannon in the atoms of FIG. 3 are Ba (A ion) = 0.161 nm, Ti (B ion) = 0.061 nm, O (X ion) = 0.140 nm, and the tolerance factor is 1.06. is there. 31 indicates an a-axis, 32 indicates a b-axis, and 33 indicates a c-axis. The structure is relatively simple, with Ba A ions as the lattice frame, O X ions at the face center position, and Ti B ions at the body center position. According to FIG. 3, since the lattice angle formed by the ab axis on the laminated surface is a square with a 90 ° angle, lattice matching is possible because the square has the same lattice angle as the lattice surface of Si (100).
これに対し、図4は本実施形態のLiNbO3等のイルメナイト構造膜3の結晶構造を示している。斜線丸Aは、ABX3のAの原子を示しており、この場合はLiである、黒丸Bは、ABX3のBの原子を示しており、この場合はNbである、白丸Xは、ABX3のXの原子を示しており、この場合はOである。
On the other hand, FIG. 4 shows the crystal structure of the
図4の原子におけるShannonのイオン半径はそれぞれ、Li(Aイオン)=0.076nm、Nb(Bイオン)=0.064nm、O(Xイオン)=0.140nmで、AイオンのLiが先のBTOのBaに比べて小さく、その計算におけるトレランスファクタは0.75と、ペロブスカイト構造の理想とされる1に対して小さい。このため結晶内の歪は大きくなり、通常のペロブスカイトではない複雑な構造であるイルメナイト構造を有する。このため両者共にABX3の化学式として表される誘電体であるが、その結晶形態は大きく異なっている。 The ionic radii of Shannon in the atoms of FIG. 4 are Li (A ion) = 0.076 nm, Nb (B ion) = 0.064 nm, O (X ion) = 0.140 nm, respectively, and Li of A ion is first. Compared to Ba of BTO, the tolerance factor in the calculation is 0.75, which is smaller than 1 which is an ideal perovskite structure. For this reason, the strain in the crystal increases, and it has an ilmenite structure which is a complex structure that is not a normal perovskite. For this reason, both are dielectrics expressed as a chemical formula of ABX 3 , but their crystal forms are greatly different.
図4によると、a‐b軸が成す格子角度は60°又は120°のひし型となるため、Si(100)の格子面は平面上において整合しない。このため、この基板Si(100)の表面をもって、LiNbO3等、イルメナイト構造のエピタキシャル膜を製作することは困難であると言える。 According to FIG. 4, the lattice angle formed by the ab axis is a rhombus of 60 ° or 120 °, and therefore the lattice plane of Si (100) is not aligned on the plane. For this reason, it can be said that it is difficult to produce an epitaxial film having an ilmenite structure such as LiNbO 3 with the surface of the substrate Si (100).
上記について詳細な説明を行う。図5はSiの結晶構造、すなわち、ダイヤモンド構造である。31はa軸、32はb軸、33はc軸を示している。斜線丸は、Siの原子を示している。 The above will be described in detail. FIG. 5 shows a crystal structure of Si, that is, a diamond structure. 31 indicates an a-axis, 32 indicates a b-axis, and 33 indicates a c-axis. The hatched circles indicate Si atoms.
図6は、図5のSiの結晶構造における(100)面の位置を示している。斜線丸は、Siの原子を示している。b軸とc軸で形成される斜線で示した平面部は、Si(100)面である。 FIG. 6 shows the position of the (100) plane in the Si crystal structure of FIG. The hatched circles indicate Si atoms. A plane portion indicated by oblique lines formed by the b-axis and the c-axis is a Si (100) plane.
図7は、図6のSiの結晶構造において、b軸とc軸で形成される斜線で示した平面部が実際に並んだ状態のSi(100)面の格子配列を示している。図7によると、Si(100)面の格子配列は、角度90°の正方形の格子配列となる。 FIG. 7 shows the lattice arrangement of the Si (100) plane in the state where the flat portions shown by the oblique lines formed by the b-axis and the c-axis are actually aligned in the Si crystal structure of FIG. According to FIG. 7, the lattice arrangement of the Si (100) plane is a square lattice arrangement with an angle of 90 °.
図8は、図3のペロブスカイト構造の結晶構造において、a軸とb軸で形成される平面上の、BTO(001)の格子配列を示している。斜線丸は、ABX3のAの原子を示しており、この場合はBaである、白丸は、ABX3のXの原子を示しており、この場合はOである。図7のSi(100)面の格子配列に対して、BTO(001)等のペロブスカイト構造の格子配列は、図8の通りSi(100)と同様の格子角度90°で正方形となるため、平面上において結晶整合を合わせることが可能である。 FIG. 8 shows the lattice arrangement of BTO (001) on the plane formed by the a axis and the b axis in the crystal structure of the perovskite structure of FIG. The hatched circle indicates the A atom of ABX 3 and is Ba in this case, and the white circle indicates the X atom of ABX 3 and is O in this case. The lattice arrangement of the perovskite structure such as BTO (001) is square with the same lattice angle of 90 ° as Si (100) as shown in FIG. It is possible to match the crystal matching above.
図9は、a軸とb軸で形成される平面上の、イルメナイト構造の格子配列を示している。黒丸は、ABX3のBの原子を示しており、この場合はNbである。LiNbO3(001)等のイルメナイト構造においては、その格子配列が図9の通り、格子角度60°又は120°のひし型となるため、図7の様なSi(100)の正方形の格子面は平面上において整合しない。このため、Si(100)の結晶表面をもって、LiNbO3等のイルメナイト構造のエピタキシャル膜を製作することは困難であると言える。 FIG. 9 shows a lattice arrangement of an ilmenite structure on a plane formed by the a axis and the b axis. The black circle indicates the B atom of ABX 3 , which is Nb in this case. In the ilmenite structure such as LiNbO 3 (001), the lattice arrangement is a rhombus with a lattice angle of 60 ° or 120 ° as shown in FIG. 9, and thus the square lattice plane of Si (100) as shown in FIG. Does not align on a plane. For this reason, it can be said that it is difficult to produce an epitaxial film having an ilmenite structure such as LiNbO 3 with a crystal surface of Si (100).
LiNbO3(001)面のひし型の結晶構造を、Si基板表面にて得る場合、Si基板の切断方向を変えることが有効である。ここで、図10aは、Si基板において、図中の斜線部は、Si(111)面を出す方向にて切断したものである。斜線丸はSiである。その格子配列は、図10bの通り、正三角形が2つ対向して重なった状態において、格子角度60°又は120°のひし形の形状を得ることができる。これにより、Si基板とLiNbO3等のイルメナイト構造膜3において、結晶の整合性をとることが可能となる。 When a diamond-shaped crystal structure of the LiNbO 3 (001) plane is obtained on the Si substrate surface, it is effective to change the cutting direction of the Si substrate. Here, FIG. 10A shows a Si substrate, in which the hatched portion in the drawing is cut in the direction of projecting the Si (111) plane. The hatched circle is Si. The lattice arrangement can obtain a rhombus shape with a lattice angle of 60 ° or 120 ° in a state where two equilateral triangles overlap each other as shown in FIG. This makes it possible to achieve crystal matching between the Si substrate and the ilmenite structure film 3 such as LiNbO 3 .
ここで、Si(111)基板111面上に直接LiNbO3を成膜した場合においては、良好なエピタキシャル膜は得られない。良好なLiNbO3のエピタキシャル膜を得るためには、基板との間で格子整合の合った、エピタキシャル成長を促進させる下地膜が必要である。具体的には以下の様な下地膜構成を用いて、Si(111)基板111上に良好な(001)配向を示すLiNbO3のエピタキシャル膜を得ることが可能となる。
Here, when LiNbO 3 is formed directly on the surface of the Si (111)
(1)下地膜
Si(111)基板111面上に形成された、少なくとも一層のZrを主成分とする酸化物のエピタキシャル膜2が下地膜2であり、その膜厚は100nm以下である。その上には結晶配向の安定化や、デバイスへの応用上の理由により別の酸化物、又は金属のエピタキシャル膜を追加して構成させることが可能である。これらの膜構成を合わせて下地膜2とする。格子整合の状態は、Si基板と下地膜2との結晶性のずれを示すmisfitとして、以下の計算式を用いて求められる。
misfit(%)=((上部膜a軸長−下部ベースa軸長)/下部ベースa軸長)×100
(1) Base Film The
misfit (%) = ((upper film a-axis length−lower base a-axis length) / lower base a-axis length) × 100
ここで、Si基板111とZrO2からなる下地膜2とのmisfitの値は、Si(111)のa軸長が0.384nm、ZrO2のa軸長が0.364nmであるため、−5.2%となる。このmisfitは±15%以下の状態において、格子整合の取れた良好なエピタキシャル膜が得られる。その結晶配向性を示すZrO2(111)面のロッキングカーブの値は、Si基板111上において1.6°以下である。
Here, since the value of the misfit between the
(2)イルメナイト構造膜
下地膜2を有するSi基板111上に形成された、イルメナイト構造のエピタキシャル膜3で、LiNbO3の場合、a軸長は0.520nmである。ここで、図11は、Si基板と下地膜の格子面上にイルメナイトの格子面をあわせた図である。白丸で示す原子は、下地膜の格子面8であり、Si基板と下地膜の格子面は、a軸長はほぼ同様の値であり、1:1で同じ格子面8となる。黒丸で示す原子は、イルメナイト格子面9である。
(2) Ilmenite Structure Film In the case of the
図11の、太線で囲われたひし形の結晶格子8は、対向する三角形の下地膜の格子面8を2つ合わせたものに相当し、太い破線で囲われたひし形の結晶格子9は1つのイルメナイトの格子面9である。図11によると、a軸上に沿って、下地膜3つのひし形の結晶格子に対し、イルメナイト2つのひし形の結晶格子の割合で形成されていることを示している。また、格子面は互いに、ひし形であるので当然、b軸上においても同様である。このときの下地膜2とのmisfitは−4.8%と良く整合する。またイルメナイト構造膜3であるLiNbO3膜のXRD測定における(006)面のロッキングカーブは1.6°以下の良好な配向性を示す。
The diamond-shaped
Si基板111はその表面に(111)面を有する単結晶基板である。Si基板111の電気抵抗は、本実施形態においては主として10Ωcm以下の低抵抗のものを用いているが、高周波デバイス用途によく用いられる1kΩcm以上の高抵抗の基板においても、イルメナイト構造のエピタキシャル膜3は作製可能であり、基板の電気抵抗に限定されるものではない。
The
またSi基板111における(111)の方位軸は、基板面に対して垂直であることが望ましいが、Si基板の切断において、数度程度傾斜した状態においても、これらのエピタキシャル膜は作製可能である。
In addition, the (111) azimuth axis of the
本実施形態における下地膜2は、ZrO2を主成分とした、厚さ5〜50nmのエピタキシャル膜で、成膜時の基板温度が600〜1200℃の高温条件下で成膜される。ここで、図2に示すように、ZrO2の膜上に、別の酸化物、又は金属薄膜を形成させた場合においても、その上方においてイルメナイト構造を持ったエピタキシャル膜の作製は可能である。この場合、下地膜2は、ZrO2からなる第1のエピタキシャル下地膜21を少なくとも含んだ、金属薄膜からなる第2のエピタキシャル下地膜22という構成になる。
The
また、上記において、下地膜2として複合構成される第2のエピタキシャル下地膜22である金属薄膜としては、白金(Pt)、イリジウム(Ir)、レニウム(Re)、パラジウム(Pd)、ロジウム(Rh)、ルテニウム(Ru)などが挙げられる。これらの金属薄膜は、ニオブ酸リチウム(LiNbO3)膜からなるイルメナイト構造膜3とSi基板1の間に成膜されるが、デバイスで用いる際において、電圧印加する場合の下部電極として用いることが可能である。
In the above, the metal thin film which is the second epitaxial base film 22 composed as the
本実施形態における、LiNbO3のエピタキシャル膜であるイルメナイト構造膜3は、下地膜2上に、高温度条件下でスパッタリング法に成膜されることにより作製されているが、真空蒸着法や化学蒸着法(CVD)、ゾルゲル法を用いても作製は可能である。また本実施形態においてはLiNbO3にて行われているが、同じ結晶形態であるタンタル酸リチウム(LiTaO3)などのイルメナイト構造の材料においては、同様の方法にてエピタキシャル膜の作製が可能である。
In this embodiment, the
LiNbO3等のイルメナイト構造膜3の成膜時の基板温度は、600〜1200℃にて良好なエピタキシャルを得ることが可能である。しかしながら基板温度で1000℃を超える高温の状態においては、装置上におけるヒータへの負荷も大きい上に、基板や下地膜との熱膨張差による膜剥がれやクラックが生じやすくなるため、基板温度として望ましくは600〜800℃である。 The substrate temperature at the time of forming the ilmenite structure film 3 such as LiNbO 3 is 600 to 1200 ° C., and good epitaxial properties can be obtained. However, in a high temperature state where the substrate temperature exceeds 1000 ° C., the load on the heater on the apparatus is large, and film peeling or cracking due to a difference in thermal expansion from the substrate or the base film is likely to occur. Is 600-800 degreeC.
またLiNbO3等のイルメナイト構造膜3の単結晶は、通常、三方晶の単晶であるが、Si基板111上の下地膜2の場合、成膜時の膜応力が大きく、膜剥がれが生じやすくなる。このためこれを回避するためには、成膜時については結晶c軸に対して回転双晶のエピタキシャル膜として成膜し、成膜後の分極処理により圧電特性を得る方法が有効である。
The single crystal of the ilmenite structure film 3 such as LiNbO 3 is usually a trigonal single crystal. However, in the case of the
イルメナイト型構造は、化学式ABX3で表される。この時、A、及びBイオンは結晶構造における陽イオンであり、AイオンはLiを含む元素で、一部を他の元素で置き換えることが可能である。またBイオンはNb、Taから選ばれた1種類以上の元素で、さらにその一部を他の元素で置き換えることが可能である。Xは酸素(O)である。 Ilmenite structure represented by the chemical formula ABX 3. At this time, the A and B ions are cations in the crystal structure, and the A ion is an element containing Li, and a part thereof can be replaced with another element. B ions are one or more elements selected from Nb and Ta, and a part of them can be replaced with other elements. X is oxygen (O).
上記元素から選ばれた、イルメナイト構造膜3、すなわち、イルメナイト構造のエピタキシャル膜3としては、LiNbO3、又はLiTaO3が最も望ましいが、この両者の固溶体、又は他の元素を添加物として導入した状態においてもエピタキシャル膜の作製は可能である。
As the
また、化学式ABX3においては、A、及びBイオンの一部を他の添加物元素に置き換えることが可能である。具体的にAイオンにて置き換えられる元素としては、K、Na、Rb、Cs、Be、Mg、Ca、Sr、Baなどが挙げられる。またBイオンにて置き換えられる元素としては、Ti、Zr、Hf、V、Cr、Mo、W、Fe、Co、Ni、Znなどが挙げられる。またXの一部をこれら列挙された一種以上の元素にて置き換えることも可能である。 In addition, in the chemical formula ABX 3 , it is possible to replace some of the A and B ions with other additive elements. Specific examples of elements that can be replaced with A ions include K, Na, Rb, Cs, Be, Mg, Ca, Sr, and Ba. Examples of elements that can be replaced by B ions include Ti, Zr, Hf, V, Cr, Mo, W, Fe, Co, Ni, and Zn. It is also possible to replace part of X with one or more of these listed elements.
上記化学式ABX3において、A/Bイオンのモル比は0.9〜1.1であり、さらには0.95〜1.05であることが好ましい。またXにおいては、3に限定されるものでなく、酸素欠陥、又は酸素過剰の状態下においても、エピタキシャル膜の作製は可能である。 In the above chemical formula ABX 3 , the molar ratio of A / B ions is 0.9 to 1.1, and more preferably 0.95 to 1.05. Further, X is not limited to 3, and an epitaxial film can be produced even in an oxygen defect or oxygen excess state.
以下に、Si基板111上の、イルメナイト構造膜3としてのLiNbO3の配向関係を示している。このような配向関係にすることで、最も安定したエピタキシャル膜を形成することができる。
水平面:Si(111)/ZrO2(111)/LiNbO3(001)
面直A:Si(112)/ZrO2(112)/LiNbO3(110)
面直B:Si(110)/ZrO2(101)/LiNbO3(100)
ここで、水平面は基板面と平行な面であり、面直Aは積層された基板を任意に垂直に切った一つの断面であり、面直Bは面直Aと垂直に交差する断面である。
The orientation relationship of LiNbO 3 as the
Horizontal plane: Si (111) / ZrO 2 (111) / LiNbO 3 (001)
Straightness A: Si (112) / ZrO 2 (112) / LiNbO 3 (110)
Face B: Si (110) / ZrO 2 (101) / LiNbO 3 (100)
Here, the horizontal plane is a plane parallel to the substrate plane, the plane A is a section obtained by cutting the stacked substrates arbitrarily vertically, and the plane B is a section perpendicular to the plane A. .
Si(100)基板上のペロブスカイト構造のエピタキシャル膜に比べ、イルメナイト構造膜3としての、Si(111)基板111上の、イルメナイト構造のエピタキシャル膜3の成膜の場合は、その結晶の原子配列の複雑さより、基板面内に一様に安定した膜を得ることは難しく、Si(100)基板1上のペロブスカイト構造のエピタキシャル膜と同様の成膜条件においては成し得ない。特に、成膜時の膜応力や、結晶面がひし形であること、Si(111)面を用いることは、イルメナイト構造のエピタキシャル膜を作製するにあたり、重要になる条件で、ペロブスカイトに比べ基板面に垂直のエピタキシャル膜を作製することは困難である。
In the case of forming the ilmenite
このため、イルメナイト構造膜3については、これまでペロブスカイト構造のエピタキシャル膜では考慮していなかった、膜応力等に関する成膜条件への考慮が必要である。具体的には以下の通りである。
For this reason, with respect to the
(1)下地膜
Si基板111の(111)面の結晶配向を継承して、下地膜2が酸化ジルコニウム(ZrO2)からなる第1のエピタキシャル下地膜21である場合は、その表面に(111)面が得られる様に形成される。ZrO2の(111)面は格子結晶においてSi(111)と同様で、傾斜を持って形成される。ここで下地膜2が厚いと、成膜途中で発生した結晶中に本来あるべき位置にその原子が欠損している、すなわち、格子欠陥等の影響が、表面において大きく現れるため、ペロブスカイト構造の膜の場合より薄い条件の方が良好である。その膜厚は2〜50nm、願わくは2〜20nmである。
(1) Base Film Inheriting the crystal orientation of the (111) plane of the
(2)イルメナイト構造膜
イルメナイト構造を持つエピタキシャル膜、すなわち、イルメナイト構造膜3についても、格子欠陥の観点より膜厚は200〜2000nmと比較的薄い方が良好であり、願わくは200〜1000nmである。
(3)成膜レート
イルメナイト構造膜3の成膜レートは、格子欠陥や膜応力増加の観点より0.5〜30.0nm/minが好ましい。
(2) Ilmenite Structure Film An epitaxial film having an ilmenite structure, that is, an
(3) Film formation rate The film formation rate of the
(4)膜厚分布
成膜レートと共にその膜面における分布は、面内における応力の分布につながる。すなわち、膜の厚い部分は相対的に膜応力が大きくなり、また、その膜厚は一般的に基板中央から外側に向けて薄くなるため、膜応力は中央から外側に向かって開放される方向に向かう。このため膜厚分布は出来る限り抑制する必要があり、願わくは(MAX−MIN)/MAXの計算式において10%以下である。
(4) Film thickness distribution The distribution on the film surface along with the film formation rate leads to the distribution of stress in the surface. That is, the film stress is relatively large in the thick part of the film, and the film thickness generally decreases from the center to the outside of the substrate, so that the film stress is released from the center to the outside. Head. For this reason, it is necessary to suppress the film thickness distribution as much as possible, and it is preferably 10% or less in the formula of (MAX−MIN) / MAX.
(5)基板温度分布
Si基板111の熱膨張係数が2.6×10−7〔m/K〕に対して、LiNbO3からなるイルメナイト構造膜3は15〜16×10−7〔m/K〕とLiNbO3の熱膨張係数は基板のSiに対して一桁大きい。このため成膜時の基板温度の差は、内部応力として分布を持つことになり、安定したエピタキシャル成長の妨げとなる。また温度分布は酸化等の化学的な安定性への影響もあり、基板面における温度分布は(MAX−MIN)/MAXの計算式において10℃以下、願わくは5℃以下の制御が好ましい。
(5) the substrate temperature distribution Si to thermal expansion coefficient of 2.6 × 10 -7 of the substrate 111 [m / K],
(6)膜応力
Si基板111面上に成膜されたイルメナイト構造膜3の、成膜における応力は、膜剥がれの起きていない状態において、200MPa以下であることが望ましい。このためには、成膜レート、成膜分布、基板温度分布を上記の設定にすると共に、基板温度の設定は1000℃以下、望ましくは600〜800℃とすることが望ましい。
(6) Film stress The stress in film formation of the
(7)雰囲気制御
イルメナイト構造膜3の成膜においては、成膜の時間と共に、結晶内でのLiなどの軽元素とNb、Taなどの元素の比率や、Oの欠損、過剰の状態が変化していくため、成膜中にスパッタガスの圧力やO2ガス分圧などの雰囲気を調節する必要がある。具体的な調整の範囲はガス圧力で0.1〜1.5Pa、O2分圧で20〜50%の範囲にて調整される事が好ましい。
(7) Atmosphere control In the film formation of the
LiNbO3等のイルメナイト構造膜3の単結晶は三方晶の単晶であるが、この単晶のエピタキシャル膜は成膜時の膜応力が大きく、剥がれやクラックが生じやすいため、成膜時においては双晶であることが望ましい。双晶のエピタキシャル膜の成膜は上記の成膜条件にて制御されることにより、作製が可能である。 The single crystal of the ilmenite structure film 3 such as LiNbO 3 is a trigonal single crystal, but this single crystal epitaxial film has a large film stress at the time of film formation and is liable to be peeled off or cracked. A twin crystal is desirable. The twin epitaxial film can be formed by controlling the film formation conditions described above.
(実施例1)
以下に、実施形態に基づいた実施例1について、実際に試作を作製し、評価を行ったので、具体的に説明する。
Example 1
In the following, since Example 1 based on the embodiment was actually produced and evaluated, it will be specifically described.
酸化物薄膜をエピタキシャル成長させる基板として、その表面が(111)面となる様に切断、及び鏡面研磨したSi単結晶基板111を用いた。Si基板111は基板抵抗を下げるために添加物元素をドープしたP型の3インチ基板で、その電気抵抗値は10Ωcm以下の低抵抗基板であるが、特に添加物元素やその基板抵抗値を規定するものではなく、基板表面にSi(111)面が出ているものであれば良い。
As a substrate on which an oxide thin film is epitaxially grown, a Si
図1に基づく、下地膜2の成膜のため、真空チャンバー内に設置された加熱機構を備えるホルダーに、上記基板111の一方を固定し、チャンバー内を真空ポンプにて1×10−4〔Pa〕以下まで排気した後、酸素ガスを導入しながら、基板温度を600〜1200℃に加熱し、Si基板111表面に5nm以下のSi酸化物を形成させる。
In order to form the
その後、金属Zrを、基板面に向けて蒸発させることにより、Si(111)基板111面上に下地膜2としての良質な、ZrO2の第1のエピタキシャル下地膜21を形成した。実施例1における設定膜厚は10nmとしたが、5〜50nmにて同様の下地膜の効果が可能である。下地膜2は、ZrO2からなる第1のエピタキシャル下地膜21の1層である。
Thereafter, the metal Zr was evaporated toward the substrate surface to form a high-quality ZrO 2 first
このZrO2の第1のエピタキシャル下地膜21が形成されたSi(111)基板111と、下記に示す比較例1〜3としての、比較用のSi基板を、スパッタリング装置の加熱装置を備える基板ホルダーに固定して、真空チャンバー内で1×10−4〔Pa〕以下まで排気した後、基板温度を600〜1000℃に加熱する。その後、20〜50%のO2とArを混合させたスパッタガスを導入し、ガス圧力を調整するためのスパッタ装置に付属する部品であるオリフィスを用いて、ガス圧力を0.1〜1.0Paに調整した後、ターゲット基板間に電圧をかけて放電させ、500nm程度の膜を積層させた。
The Si (111)
実施例1で用いるターゲットは、Li2CO3とNb2O5を主原料とする、Li/Nbのモル比が1.0で作製されたLiNbO3で、純度は2N以上のものである。 The target used in Example 1 is LiNbO 3 produced using Li 2 CO 3 and Nb 2 O 5 as main raw materials and having a Li / Nb molar ratio of 1.0, and has a purity of 2N or more.
LiとNbの分子量は、Liの6.94に対してNbが92.91とその差が大きく、スパッタリングによる成膜時の直進性等の差異により、組成ズレが懸念されるところであったが、分子量を測定する装置であるICP−AESによるLiとNbの組成比の確認の結果、ターゲット組成に対して大きな組成ズレはなく、膜の状態においても、ほぼLi/Nbモル比は1.0で形成されることを確認した。すなわち、ターゲットのLi/Nbモル比と、成膜後であって製品完成時のLi/Nbモル比は、同等であるということである。 The molecular weights of Li and Nb were large in that Nb was 92.91 compared to 6.94 in Li, and there was a concern about compositional deviation due to differences in straightness during film formation by sputtering. As a result of confirming the composition ratio of Li and Nb by ICP-AES which is an apparatus for measuring molecular weight, there is no large composition deviation with respect to the target composition, and even in the state of the film, the Li / Nb molar ratio is almost 1.0. It was confirmed that it was formed. That is, the Li / Nb molar ratio of the target is equivalent to the Li / Nb molar ratio after the film formation and at the completion of the product.
また、実施例1に用いられるターゲットの作製においては、粉材の焼結体を粉砕して調合をするために、耐磨耗性の高いZrO2材のボールミルを用いて、粉砕調合が行われることが望ましい。この際、ターゲット粉材には、粉砕時にボールミルが削れて若干のZrが混入されるが、0.002〜0.1wt%の少量のZrの混入したLiNbO3ターゲットにおいて成膜されたLiNbO3膜においても、エピタキシャル成長は可能である。 Further, in the production of the target used in Example 1, in order to pulverize and mix the sintered compact of the powder material, pulverization and mixing are performed using a ZrO 2 material ball mill with high wear resistance. It is desirable. At this time, the target powder material is scraped by a ball mill at the time of pulverization, and some Zr is mixed, but a LiNbO 3 film formed on a LiNbO 3 target mixed with a small amount of Zr of 0.002 to 0.1 wt%. In this case, epitaxial growth is possible.
実施例1における成膜の構成は、図1の通り、上から、イルメナイト構造膜3/ZrO2からなる第1のエピタキシャル下地膜21/Si(111)基板111の構成である。下地膜2は、ZrO2からなる第1のエピタキシャル下地膜21の1層である。
The structure of film formation in Example 1 is the structure of the first
Si基板111上の、イルメナイト構造膜3としてのLiNbO3の実施例1の配向関係は以下のように作られている。
水平面:Si(111)/ZrO2(111)/LiNbO3(001)
面直A:Si(112)/ZrO2(112)/LiNbO3(110)
面直B:Si(110)/ZrO2(101)/LiNbO3(100)
ここで、水平面は基板面と平行な面であり、面直Aは積層された基板を任意に垂直に切った一つの断面であり、面直Bは面直Aと垂直に交差する断面である。
On the
Horizontal plane: Si (111) / ZrO 2 (111) / LiNbO 3 (001)
Straightness A: Si (112) / ZrO 2 (112) / LiNbO 3 (110)
Face B: Si (110) / ZrO 2 (101) / LiNbO 3 (100)
Here, the horizontal plane is a plane parallel to the substrate plane, the plane A is a section obtained by cutting the stacked substrates arbitrarily vertically, and the plane B is a section perpendicular to the plane A. .
これに対し、図12aに、比較例1の膜構成を示す。比較例1として、上から、LiNbO3からなるイルメナイト構造膜3/ZrO2からなる下地膜21/Si(100)基板100、の構成の試作を用意した。下地膜21は、ZrO2からなる第1のエピタキシャル下地膜21の1層である。
On the other hand, the film configuration of Comparative Example 1 is shown in FIG. As Comparative Example 1, a prototype of an
図12bに、比較例2の膜構成を示す。比較例2として、下地膜2のない、LiNbO3からなるイルメナイト構造膜3/Si(111)基板111の構成の試作を用意した。
FIG. 12 b shows the film configuration of Comparative Example 2. As Comparative Example 2, a prototype of an
図12cに、比較例3の膜構成を示す。比較例3として、ZrO2からなる下地膜21/Si(111)基板111の構成の試作を用意した。下地膜21は、ZrO2からなる第1のエピタキシャル下地膜21の1層である。
FIG. 12 c shows the film configuration of Comparative Example 3. As Comparative Example 3, a prototype of the configuration of the
図13aと図13bは、実施例1における膜構成を、X線回折、すなわち、XRDによるLiNbO3のエピタキシャル膜3の結晶性の状態をθ−2θの回折ピークについて、比較例1〜3と共に、測定を行ったものである。以後、図中においては、LiNbO3のことを、略して、LNと示す。図中の、LN(***)は、LiNbO3の結晶面を示している。 13a and 13b show the film configuration in Example 1, the X-ray diffraction, that is, the crystalline state of the LiNbO 3 epitaxial film 3 by XRD, and the diffraction peak of θ-2θ, together with Comparative Examples 1 to 3. It was measured. Hereinafter, in the drawing, LiNbO3 is abbreviated as LN. In the figure, LN (***) indicates the crystal plane of LiNbO3.
θ−2θの回折ピークにおいて、c軸配向となる38.9°のLiNbO3(006)のピーク位置において、高いピークがあり、本来の主ピークである23.6°付近のLN(012)を含め、他の結晶位置において、回折ピークはないか、十分に小さいと、エピタキシャルと言えるのであるが、実施例1の膜構成を示す曲線11は、図1のLiNbO3/ZrO2/Si(111)の構成で、図13aによると、LiNbO3のc軸方向となる(006)の38.9°の位置において高い回折ピークが得られている。ここでLiNbO3の本来の主ピークである(012)の23.6°付近を含め、他の結晶位置での回折ピークは全く見られないか、又は極度に低くなっており、c軸の(006)に優先配向されていることが分かる。
In the diffraction peak of θ-2θ, there is a high peak at the peak position of 38.9 ° LiNbO 3 (006) that becomes c-axis orientation, including LN (012) near 23.6 ° that is the original main peak. In other crystal positions, if there is no diffraction peak or it is sufficiently small, it can be said that it is epitaxial, but the
また、図13b上の曲線12は、図12aの比較例1の、LiNbO3/ZrO2/Si(100)の構成における回折ピークであるが、実施例1の曲線11に見られるような38.9°付近のLiNbO3(006)の高いピークは見られない。このため、イルメナイト構造のエピタキシャル膜3を得るためには、結晶形状を合わせた基板のSi(111)面が必要であることが分かる。
13b is a diffraction peak in the configuration of LiNbO 3 / ZrO 2 / Si (100) of Comparative Example 1 of FIG. 12a, and 38.38 as seen in the
更に、図13a上の曲線13は、図12bの比較例2の、直接LiNbO3膜をSi(111)基板111面上に成膜したものであるが、実施例1の曲線11においても、38.9°付近のLiNbO3(006)のピークは見られない。このためイルメナイト構造のエピタキシャル膜を得るためには、エピタキシャル成長を促進させるための、良好な下地膜2が必要であることが分かる。
Further, a
図13b上の曲線14は、図12cの比較例3の、LiNbO3膜の無い下地膜2のみの状態で、ZrO2/Si(111)の測定結果である。本結果においてはLiNbO3膜がないため、38.9°付近を含め、全てのLiNbO3の回折ピークは見られず、実施例1の結果が、ZrO2/Si(111)の構成によるものではなく、LiNbO3膜によるものであることが分かる。
A
図14は、実施例1の、LiNbO3の結晶方向(014)からの、φスキャン測定による極点図で、明瞭な6つの極点4が見られる。これにより、LiNbO3膜の結晶構造において、c軸を回転軸とした双晶の状態であると共に、基板表面におけるエピタキシャル膜としての、良好な配向性が得られていることが分かる。 FIG. 14 is a pole figure obtained by φ scan measurement from the crystal direction (014) of LiNbO 3 in Example 1, and six clear pole points 4 can be seen. Thus, it can be seen that the crystal structure of the LiNbO 3 film is in a twin state with the c-axis as the rotation axis, and has good orientation as an epitaxial film on the substrate surface.
(実施例2)
次に、スパッタリングターゲットにおけるLi/Nbのモル比を変更した後、上記と同様の方法、同様の膜厚構成にて成膜し、その膜の組成比に対する結晶性の違いを確認した。
(Example 2)
Next, after changing the Li / Nb molar ratio in the sputtering target, a film was formed by the same method and the same film thickness configuration as above, and the difference in crystallinity with respect to the composition ratio of the film was confirmed.
図15に、Li/Nbモル比に対するロッキングカーブおける半値幅の結果を示す。これによると、Li/Nbモル比は0.9〜1.1の範囲にかけて良好な結晶の配向性を示し、1.0付近において、最も良好である。つまりこの組成範囲にて、Si(111)基板111上にLiNbO3膜のエピタキシャル膜を形成することにより、高周波領域において良好な圧電特性を有する、電子デバイスや光デバイスを作製することによりが可能になる。
FIG. 15 shows the results of the half width in the rocking curve with respect to the Li / Nb molar ratio. According to this, the Li / Nb molar ratio shows good crystal orientation in the range of 0.9 to 1.1, and is the best in the vicinity of 1.0. In other words, by forming an LiNbO 3 epitaxial film on the Si (111)
(実施例3)
次に、下地膜2の構成において、第2のエピタキシャル下地膜22である、金属薄膜を複合させた形態について、試作し、評価を行った。
(Example 3)
Next, in the configuration of the
図2は、実施例3として、下地膜2の構成において、第1のエピタキシャル下地膜21の上に、第2のエピタキシャル下地膜22として、エピタキシャル成長させたPt膜を複合させ、2層にしたものである。この、上から、Pt/ZrO2/Si(111)の下地構成においても、LiNbO3膜のエピタキシャル膜の作製は可能である。下地膜に下部電極として機能する、Pt金属膜を複合させる事により、分極処理のほか、本実施例による基板が様々なデバイスに向けて活用が可能になる。
FIG. 2 shows, as Example 3, the structure of the
図16aは、実施例3の、LiNbO3/Pt/ZrO2/Si(111)の成膜構造におけるXRDの回折ピークである。前記のPt膜が構成されない場合と同様に、その測定結果においては、38.9°のLiNbO3(006)に高いピーク15が見られ、LiNbO3に関する他の結晶ピークは見られないことから、c軸に優先配向していることが分かる。
FIG. 16 a is an XRD diffraction peak in the LiNbO 3 / Pt / ZrO 2 / Si (111) film-forming structure of Example 3. As in the case where the Pt film is not configured, in the measurement result, a
また、図16bは、実施例3の、LiNbO3/Pt/ZrO2/Si(111)の成膜構造におけるイルメナイト構造膜3であるLiNbO3(014)からの極点図である。前記のPt膜が構成されない場合と同様に、その測定結果においては、6つの極点4が観察されており、その結晶構造において、c軸を回転軸とした双晶の状態であると共に、表面における良好なエピタキシャル膜としての配向性が得られていることを確認した。
FIG. 16B is a pole figure from LiNbO 3 (014) which is the
本発明に係わるエピタキシャルのLiNbO3膜を上面に形成したSi基板は、表面弾性波を利用した高周波フィルタなどの電子デバイスや、電気光学特性を利用した光変調器などへの利用が見込まれ、Si基板上に形成する回路との統合や、他のSi基板で作製した部品との複合化を含めて、様々な用途において利用することが可能である。 The Si substrate on which the epitaxial LiNbO 3 film according to the present invention is formed is expected to be used for electronic devices such as high-frequency filters using surface acoustic waves, optical modulators using electro-optic characteristics, etc. It can be used in various applications including integration with a circuit formed on a substrate and compounding with a component manufactured on another Si substrate.
2 下地膜
21 第1のエピタキシャル下地膜
22 第2のエピタキシャル下地膜
3 イルメナイト構造膜
4 極点
8 下地膜の格子面
9 イルメナイトの格子面
11 実施例1のX線回折ピーク
12 比較例1のX線回折ピーク
13 比較例2のX線回折ピーク
14 比較例3のX線回折ピーク
15 実施例3のX線回折ピーク
31 a軸
32 b軸
33 c軸
110 Si(100)基板
111 Si(111)基板
2
Claims (6)
前記下地膜上に、イルメナイト構造の誘電体材料からなるエピタキシャル成長したイルメナイト構造膜が形成されていることを特徴とする誘電体積層薄膜 On the single crystal Si (111) substrate surface, at least one base film epitaxially grown mainly composed of zirconium oxide (ZrO 2 ) is formed,
A dielectric laminated thin film characterized in that an epitaxially grown ilmenite structure film made of a dielectric material having an ilmenite structure is formed on the base film.
水平面:Si基板(111)/ZrO2下地膜(111)/イルメナイト構造膜(001)
面直A:Si基板(112)/ZrO2下地膜(112)/イルメナイト構造膜(110)
面直B:Si基板(110)/ZrO2下地膜(101)/イルメナイト構造膜(100) The dielectric laminated thin film horizontal plane according to any one of claims 1 to 3, wherein the crystal orientation of each thin film constituting the dielectric laminated thin film satisfies a condition defined in the following direction: Substrate (111) / ZrO 2 base film (111) / ilmenite structure film (001)
Surface A: Si substrate (112) / ZrO 2 base film (112) / ilmenite structure film (110)
Surface B: Si substrate (110) / ZrO 2 base film (101) / ilmenite structure film (100)
6. The dielectric laminated thin film according to claim 1, wherein the base film includes an epitaxially grown metal thin film.
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