7636696 ニオブ酸リチウム結晶薄膜の成膜方法およびニオブ酸リチウム結晶薄膜を含む積層体

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2025-02-18

(45)【発行日】2025-02-27

(54)【発明の名称】ニオブ酸リチウム結晶薄膜の成膜方法およびニオブ酸リチウム結晶薄膜を含む積層体

(51)【国際特許分類】

   C23C 14/08 20060101AFI20250219BHJP

   C23C 14/34 20060101ALI20250219BHJP

   C23C 14/35 20060101ALI20250219BHJP

   C30B 29/30 20060101ALI20250219BHJP

【ＦＩ】

C23C14/08 K

C23C14/34 N

C23C14/35 F

C30B29/30 A

【請求項の数】 5

(21)【出願番号】P 2023529181

(86)(22)【出願日】2021-06-18

(86)【国際出願番号】 JP2021023264

(87)【国際公開番号】W WO2022264426

(87)【国際公開日】2022-12-22

【審査請求日】2023-10-02

(73)【特許権者】

【識別番号】000004226

【氏名又は名称】日本電信電話株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001243

【氏名又は名称】弁理士法人谷・阿部特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】赤澤 方省

【審査官】▲高▼橋 真由

(56)【参考文献】

【文献】特開２００４－０５９３４１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特公昭５８－０２９２８０（ＪＰ，Ｂ２）

【文献】国際公開第２００５／０４５８２１（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１３－０７２０９９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平１１－１３５４７５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７－０５８１９４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０４－１７０３９６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０８－１５４０３３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００２－０２６６８７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｃ２３Ｃ

Ｃ３０Ｂ

Ｇ０２Ｂ

ＪＳＴＰｌｕｓ／ＪＭＥＤＰｌｕｓ／ＪＳＴ７５８０（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）プラズマスパッタ法を用いて、ｃ軸配向したニオブ酸リチウムの結晶薄膜を、基板の上に成膜する成膜方法であって、
前記基板を準備する工程と、
前記ＥＣＲプラズマスパッタ法を実施する成膜装置の成膜室を減圧したあと、ニオブ酸リチウムターゲットに電位を印加しない状態でアルゴンプラズマを発生させることにより、前記成膜装置の前記成膜室内の壁面に吸着した水分を離脱する工程と、
前記成膜装置の前記成膜室にアルゴンおよび酸素を供給しながらＥＣＲプラズマを発生させ、さらに前記ニオブ酸リチウムターゲットに高周波（ＲＦ）パワーを印加し、前記ニオブ酸リチウムターゲットの表面においてスパッタリング現象を発生させることにより、前記ニオブ酸リチウムターゲットの粒子を前記基板の上に堆積する工程と、
を備え、
前記基板が、ＺｎＯ／ＳｉＯ ₂ であり、
前記基板を準備する工程が、
（１１１）配向したＳｉの単結晶を熱酸化することによって、前記Ｓｉの表層にＳｉＯ ₂ を形成させた前記基板を作成する工程と、
ＺｎＯを成膜する前記成膜装置の前記成膜室を減圧したあと、ＺnターゲットまたはＺｎＯターゲットに電位を印加しない状態でアルゴンプラズマを発生させることにより、前記ＺｎＯを成膜する前記成膜装置の前記成膜室内の壁面に吸着した水分を離脱する工程と、
前記ＺｎＯを成膜する前記成膜装置の前記成膜室内で、ＥＣＲプラズマを発生させ、さらに前記Ｚｎターゲットまたは前記ＺｎＯターゲットにＲＦパワーを印加し、前記Ｚｎターゲットまたは前記ＺｎＯターゲットの表面でスパッタリング現象を発生させることにより、前記ＺｎＯの粒子を、４００から５００℃に加熱された前記ＳｉＯ ₂ 上に堆積する工程と、
を備え、
前記ＺｎＯの粒子を４００から５００℃に加熱された前記ＳｉＯ ₂ 上に堆積する工程において、前記ＳｉＯ ₂ 上に、ｃ軸配向を有し、膜厚が７０から１００ｎｍの前記ＺｎＯの結晶性の膜が成膜されることを特徴とする、
ニオブ酸リチウム結晶薄膜の成膜方法。

【請求項2】

電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）プラズマスパッタ法を用いて、ｃ軸配向したニオブ酸リチウムの結晶薄膜を、基板の上に成膜する成膜方法であって、
前記基板を準備する工程と、
前記ＥＣＲプラズマスパッタ法を実施する成膜装置の成膜室を減圧したあと、ニオブ酸リチウムターゲットに電位を印加しない状態でアルゴンプラズマを発生させることにより、前記成膜装置の前記成膜室内の壁面に吸着した水分を離脱する工程と、
前記成膜装置の前記成膜室にアルゴンおよび酸素を供給しながらＥＣＲプラズマを発生させ、さらに前記ニオブ酸リチウムターゲットに高周波（ＲＦ）パワーを印加し、前記ニオブ酸リチウムターゲットの表面においてスパッタリング現象を発生させることにより、前記ニオブ酸リチウムターゲットの粒子を前記基板の上に堆積する工程と、
を備え、
前記基板が、（１１１）配向したチタン酸ストロンチウム（ＳＴＯ）の単結晶であり、
前記ニオブ酸リチウムターゲットの粒子を前記基板の上に堆積する工程は、前記ＳＴＯの単結晶の温度が、３５０℃から５５０℃の範囲内に保持された状態で行われることを特徴とする、
ニオブ酸リチウム結晶薄膜の成膜方法。

【請求項3】

基板と、
前記基板の上に成膜されたｃ軸配向したニオブ酸リチウム結晶薄膜と、
を備えたニオブ酸リチウム結晶薄膜を含む積層体であって、
前記基板が、（１１１）配向したチタン酸ストロンチウム（ＳＴＯ）の単結晶であり、
前記基板の上に成膜された前記ｃ軸配向したニオブ酸リチウム結晶薄膜が、前記ｃ軸配向したＬｉＮｂ ₃ Ｏ ₈ とＬｉＮｂＯ ₃ とが共存した混合膜であることを特徴とする、
ることを特徴とする、積層体。

【請求項4】

前記ＳＴＯの単結晶が、Ｎｂがドープされた、透明導電膜であることを特徴とする、請求項３に記載の積層体。

【請求項5】

基板と、
前記基板の上に成膜されたｃ軸配向したニオブ酸リチウム結晶薄膜と、
を備えたニオブ酸リチウム結晶薄膜を含む積層体であって、
前記基板が、（１１１）配向したチタン酸ストロンチウム（ＳＴＯ）の単結晶であり、
前記ＳＴＯの単結晶が、Ｎｂがドープされた、透明導電膜であることを特徴とする、
積層体。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、ｃ軸配向したニオブ酸リチウム結晶薄膜の成膜方法、およびそのｃ軸配向したニオブ酸リチウム結晶薄膜を含む積層体に関する。

【背景技術】

【0002】

光学素子を一つの光回路の中に集積することは、近年の光通信デバイス開発における潮流である。とりわけ、相補型ＭＯＳ（ＣＭＯＳ）回路と互換性のあるシリコンフォトニクスは、電子デバイスと光デバイスの機能を統合したシステムを構築する上で、重要なプラットフォームを提供する。

【0003】

シリコン（Ｓｉ）とシリカ（ＳｉＯ_２）を主要な構成材料とする高屈折率差光導波路では、マイクロメータースケールの急峻な曲率で光導波路を湾曲させる、あるいはＹ分岐させることが可能である。そのため、限られた空間内における光信号の選択的な取り出しや、加算演算が実現できるという利点を有する。しかし、ＳｉとＳｉＯ_２のみで構成される光導波路の機能は、あくまで受動的なものに留まるため、光信号をより能動的に取り扱うためには、光回路の中に新たな機能素子を挿入することが必要となる。この新たに挿入する機能素子の候補材料には、強誘電性、電気光学効果、非線形光学効果、フォトリフラクティブ効果などの特性を有する、強誘電体材料が挙げられる。

【0004】

酸化リチウム Ｌｉ_２Ｏと酸化ニオブＮｂ_２Ｏ_５を１：１のモル比で複合化したニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３：以下、ＬＮと記す）は、単結晶の入手性が高く、代表的な強誘電体材料であるため、電気光学変調器、光偏向器、波長変換器等に応用されている。ＬＮ結晶の結晶系は三方晶系であり、その格子定数は、ａ＝５．１４８Å、ｃ＝１３．８６Åである。ＬＮ結晶の特性を光導波路として最大限に引き出すためには、単結晶であることが好ましいが、基板上に形成した光導波路内にＬＮ単結晶を挿入することは、技術的に困難である。従来までに報告されている例では、ＳｉＯ_２基板にＬＮ結晶ウエハを貼り合わせた後、ＬＮ結晶をマイクロメーターオーダーの厚さまで研磨し、その後、フォトリソグラフィーとエッチングによって光導波路形状へ加工するという方法が挙げられる（例えば、非特許文献１参照）。しかし、このプロセスは、貼り合わせに高度な技術を要し、研磨にも時間が掛かるという問題があるため、生産には不向きである。

【0005】

一方、スパッタ法などの薄膜を成膜する方法は、配向性、および膜厚を制御した多結晶のＬＮ結晶膜を基板上の任意の場所に形成できるという利点を有するが、ＬＮ多結晶は、ＬＮ単結晶に比べて、光学素子としての特性が劣るという欠点がある。しかし、ＬＮ多結晶であっても、配向を制御するなどにより、結晶性を単結晶に近づけられれば、多少の特性の低下を考慮したとしても実用に供される可能性が十分にある。このような観点から、ＬＮ多結晶の成膜に対する研究が、多数行われてきた。

【0006】

このようなＬＮ多結晶の成膜に関する研究では、安価で汎用性が高いという理由から、基板としてＳｉが広く用いられてきた。しかし、Ｓｉは光吸収が大きいため、光導波路を形成するための基板としては不向きである。一方、ＳｉＯ_２は、光透過率が高く、波長６３３ｎｍにおける屈折率も１．４５７と小さいため、光導波路のコアを構成するすべての材料に対して、クラッド層となり得る材料である。実際、ＳｉＯ_２の屈折率は、ＬＮ結晶の常光線屈折率ｎ_０＝２．２８、および異常光線屈折率ｎ_ｅ= ２．２０と比べても、はるかに小さい。したがって、コアとしてＬＮ結晶を用いた光導波路においても、ＳｉＯ_２はクラッド層として有効な材料であり、ＳｉＯ_２基板上に成膜したＬＮ結晶は、光学素子としての応用上、重要と言える。しかし、一般的に、ＳｉＯ_２基板上にＬＮ結晶を成膜する場合、高い結晶性を有する膜を得ることは困難であり、必ずしもｃ軸配向したＬＮ結晶の薄膜が得られるとは限らないことが知られている（例えば、非特許文献２参照）。

【0007】

ＬＮ結晶のｃ軸は、自発分極の方向と一致するため、光学素子としての機能を最大限に引き出すためには、その結晶方位を、選択的にｃ軸配向させることが求められる。これを実現する方法として、ＬＮ結晶と格子整合する単結晶基板上に成長させる方法が挙げられ、これまで、サファイアＣ面基板上にＬＮ結晶のエピタキシャル膜を形成した多くの実験結果が報告されている（例えば、非特許文献３参照）。また、サファイアＡ面やＲ面上において結晶方位を制御した試みもある。その他にも、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）の単結晶であるＭｇＯ（１１１）や、ＭｇＯ（１００）の基板上にＬＮ結晶のエピタキシャル膜を成長させた例が報告されている（例えば、非特許文献４参照）。しかし、入手性の高いＭｇＯ基板は、通常、その大きさが１０×１０ｍｍ程度に限られるため、光学素子としての実用化には不向きである。

【0008】

加えて、光学素子として機能させる上でＬＮ結晶に電界を印加する必要がある場合、基板は、高い光透過率だけでなく、高い導電率も有していることが好ましい。これに対し、上述したＳｉＯ_２やサファイアは絶縁性が高いため、これらの基板上にＬＮ結晶膜を成膜した場合、電極はＬＮ結晶上に横に並べて配置せざるを得ない。このような構成を有する光学素子は、印加できる電界の大きさに関して自ずと限界があるため、光偏向器や光変調器等、高い電界が必要になる光学素子への応用は困難である。一方、高い導電率を有する基板上へＬＮ結晶を成膜すれば、基板は下部電極として作用するため、ＬＮ結晶の上部に電極を形成することで、高い電界を確保することができる。これは、ポーリングによって強誘電体ドメインの分極方向を揃える上でも有利である。このような試みとして、Ｓｉ（１１１）基板上に、白金（Ｐｔ）の単結晶であるＰｔ（１１１）のエピタキシャル膜や、ＭｇＯ（１００）基板上にＰｔ（１００）エピタキシャル膜を成膜し、さらに、その上にＬＮ結晶を成膜した例が報告されている（例えば、非特許文献４）。しかし、このように金属膜上にＬＮ膜を直接成膜すると、ＬＮ結晶の膜中を伝搬する光ビームと金属膜が干渉し、光の強度が減衰する可能性があるため、ＬＮ結晶の膜厚を厚くする必要がある。このような観点から、金属膜の代わりに、例えば、ＩＴＯなどの透明導電膜を用いることが考えられるが、この場合、ＬＮ結晶の結晶方位がランダムな配向になることが報告されている（例えば、非特許文献５）。

【0009】

このように、ＬＮ結晶を光学素子として適用するにあたり、ｃ軸配向したＬＮ結晶の薄膜を、高い光透過率を有する基板上に成膜することが望まれる。とりわけ、ＬＮ結晶に電界を印加する場合を考慮すると、基板は、更に高い導電率を有することが好ましい。しかし、このような条件を満たす基板に対し、ｃ軸配向したＬＮ結晶膜を成膜する技術であって、光学素子への実用化に適したものは、現状では報告されていない。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0010】

【文献】P. Rabiei and P. Gunter, Optical and electro-optical properties of submicrometer lithium niobate slab waveguides prepared by crystal ion slicing and wafer bonding, Appl. Phys. Lett. 85 (2004) 4603-4605.

【文献】C. H. J. Huang, and T. A. Rabson, Low-loss thin-film LiNbO3 optical waveguide sputtered onto a SiO2/Si substrate, Opt. Lett. 18 (1993) 811-813.

【文献】K. Nashimoto, M. J. Cima, P. C. McIntyre, and W. E. Rhine, Microstructure development of sol-gel derived epitaxial LiNO3 thin films, J. Mater. Res. 10 (1995) 2564-2572.

【文献】S. Ono and S. Hirano, Processing of highly oriented lithium niobate films throgh chemical solution deposition, J. Mater. Res. 16 (2001) 1155-1162.

【文献】H. Akazawa and M. Shimada, Factors driving c-axis-orientation and disorientation of LiNbO3 thin films deposited on TiN and indium tin oxide by electron cyclotron resonance plasma sputtering, J. Appl. Phys. 99 (2006) 124103.

【文献】H. Akazawa and M. Shimada, Mechanism for LiNb3O8 phase formation during thermal annealing of crystalline and amorphous LiNbO3 thin films, J. Mater. Res. 22 (2007) 1726-1736.

【発明の概要】

【0011】

本開示は、このような課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、光学素子として適用するためのＬＮ結晶の薄膜であって、高い光透過率と、ＬＮ結晶と大きい屈折率差を有する基板上に、ｃ軸配向したＬＮ結晶を成膜する方法およびその積層体を提供することである。

【0012】

上記の課題を解決するために、本開示では、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）プラズマスパッタ法を用いて、ｃ軸配向したニオブ酸リチウムの結晶薄膜を、基板の上に成膜する成膜方法であって、基板を準備する工程と、ＥＣＲプラズマスパッタ法を実施する成膜装置の成膜室を減圧したあと、ニオブ酸リチウムターゲットに電位を印加しない状態でアルゴンプラズマを発生させることにより、前記成膜装置の前記成膜室内の壁面に吸着した水分を離脱する工程と、成膜装置の成膜室にアルゴンおよび酸素を供給しながらＥＣＲプラズマを発生させ、さらにニオブ酸リチウムターゲットに高周波（ＲＦ）パワーを印加し、ニオブ酸リチウムターゲットの表面においてスパッタリング現象を発生させることにより、ニオブ酸リチウムターゲットの粒子を前記基板の上に堆積する工程とを備え、基板が、ＺｎＯ／ＳｉＯ_２、Ｚカットクォーツ、または（１１１）配向したチタン酸ストロンチウム（ＳＴＯ）の単結晶のいずれかであり、ニオブ酸リチウムターゲッの粒子を基板の上に堆積する工程において、基板の上にｃ軸配向した前記ニオブ酸リチウムの結晶薄膜が成膜されることを特徴とする、ニオブ酸リチウム結晶薄膜の成膜方法を提供する。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】本開示による、ＥＣＲプラズマスパッタ法を用いてＳｉＯ_２基板上にＬＮ結晶膜を成膜する方法を示したフローチャートである。

【図2】ＥＣＲプラズマスパッタ法により、様々な成膜温度、および酸素流量で、ＳｉＯ_２上に成膜したＬＮ結晶のＸＲＤパターンを示す図である。

【図3】本開示の一実施形態による、ＳｉＯ_２上にバッファ層としてＺｎＯを成膜し、その上にｃ軸配向したＬＮ結晶を成膜する方法を示したフローチャートである。

【図4】本開示の一実施形態において、ＺｎＯの成膜温度が５００℃、膜厚が７０ｎｍであるＺｎＯ／ＳｉＯ_２の上に、ＬＮ結晶を成膜した積層体のＸＲＤパターンを示す図である。

【図5】本開示の一実施形態において、ＺｎＯの成膜温度が５００℃、膜厚が１０ｎｍであるＺｎＯ／ＳｉＯ_２の上に、ＬＮ結晶を成膜した積層体のＸＲＤパターンを示す図である。

【図6】本開示の一実施形態において、ＺｎＯの成膜温度が４００℃、膜厚が７０ｎｍであるＺｎＯ／ＳｉＯ_２の上に、ＬＮ結晶を成膜した積層体のＸＲＤパターンを示す図である。

【図7】本開示の一実施形態による、Ｚカットクォーツ上にｃ軸配向したＬＮ結晶を成膜する方法を示したフローチャートである。

【図8】本開示の一実施形態において、Ｚカットクォーツ基板上にＬＮ結晶を成膜した積層体のＸＲＤパターンを示す図である。

【図9】本開示の一実施形態による、Ｚカットクォーツ上にｃ軸配向したＬＮ結晶を成膜する方法を示したフローチャートである。

【図10】本開示の一実施形態において、Ｚカットクォーツ基板上にＬＮ結晶を成膜した積層体のＸＲＤパターンを示す図である。

【図11】本開示の一実施形態による、ＳＴＯ（１１１）上にｃ軸配向したＬＮ結晶膜を成膜する方法を示したフローチャートである。

【図12】本開示の一実施形態において、ＳＴＯ（１１１）上にＬＮ結晶を成膜した積層体のＸＲＤパターンを示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0014】

以下に、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。高い光透過率と、ＬＮ結晶と大きい屈折率差を有する基板上に、ｃ軸配向したＬＮ結晶を成膜するためには、その基板の選定が重要である。本開示の一実施形態では、基板として、ＳｉＯ_２上にスパッタ法を用いて酸化亜鉛（ＺｎＯ）をバッファ層として成膜した２層体（以下、ＺｎＯ／ＳｉＯ_２と記す）、Ｚカットクォーツ、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ_３：以下、ＳＴＯと記す）単結晶の３種を選定した。以下に、各基板材料の特徴と選定理由を記す。

【0015】

スパッタ法により成膜されたＺｎＯは、成膜時の基板の温度が室温であったとしても、多くの基板上で強くｃ軸配向する傾向がある。ＺｎＯの結晶は、六方晶系の結晶系に属するウルツ鉱型結晶構造を有し、その格子定数は、ａ＝３．２５Åである。もし、ＬＮ結晶のＣ面がバッファ層であるＺｎＯに対して６０°回転して成長するなら、その単位格子の長さは５．６３Åとなり、ＬＮ結晶の格子定数、ａ＝５．１４８Åとほぼ一致する。したがって、ＺｎＯ上へのＬＮ結晶膜の成長は、エピタキシャル成長とは言えないまでも、ＬＮ結晶の格子整合成長を促進し、ｃ軸配向したＬＮ結晶膜の成膜が期待される。

【0016】

ＺカットクォーツはＳｉＯ_２を主成分とする水晶の一種であり、Ｑｕａｒｔｚ（０００１）に優先配向した単結晶材料である。そして、その格子定数は、ａ＝４．９１Å、ｃ＝５．４１Åであるため、ＺカットクォーツのＱｕａｒｔｚ（０００１）面は、ＬＮ結晶のＣ面（格子定数ａ＝５.１４８Å）に対して、格子定数差は約５％と小さい。したがって、６回対称の結晶構造と同様な格子定数により、ＬＮ結晶膜はＺカットクォーツのＱｕａｒｔｚ（０００１）面上に、エピタキシャル成長することが期待できる。また、Ｚカットクォーツは、上述の通り、ＳｉＯ_２を成分とするため、波長６３３ｎｍの光に対する屈折率は、ＳｉＯ_２とおなじｎ_０＝１．５４４、ｎ_ｅ＝１．５５３である。したがって、Ｚカットクォーツは、ＬＮ結晶をコアとした光導波路において、クラッド層として機能する。

【0017】

ＳＴＯ結晶は、ＡサイトをＳｒ、ＢサイトをＴｉが占有する立方晶の構造を有しており、その格子定数は、ａ＝３．９０５Åである。ＳＴＯ（１１１）表面は、酸素原子が六方格子状に配列した構造を持ち、酸素原子間距離は５．５２Åである。この値は、ＬＮ結晶の格子定数ａ＝５.１４８Åに対し、格子定数差は約７％と小さいため、ＬＮ結晶は、ＳＴＯ（１１１）表面上に成膜した場合、エピタキシャル成長することが期待される。

【0018】

このように、ＬＮ結晶がｃ軸配向することが見込まれる基板に対し、本開示では、電子サイクロトロン共鳴（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ：以下、ＥＣＲと記す）プラズマスパッタ法により、ＬＮ結晶を成膜する。上述した３種の各基板に対し、ｃ軸配向したＬＮ結晶を成膜する方法を述べるに先立ち、ＳｉＯ_２基板に直接ＬＮ結晶を成膜し、その結晶方位が成膜条件に対して、どのように変化するかについて評価した内容を説明する。

【0019】

図１は、本開示による、ＥＣＲプラズマスパッタ法を用いてＳｉＯ_２基板上にＬＮ結晶膜を成膜する方法を示したフローチャートである。本開示による、ＳｉＯ_２基板上にＬＮ結晶を成膜する方法は、Ｓｉ（１１１）単結晶を熱酸化することによって表層にＳｉＯ_２を形成させた基板を作成する工程１１と、ＬＮ結晶の成膜を行う成膜装置において、成膜室を真空ポンプにより減圧したあと、ＬＮターゲットに電位を印加しない状態でアルゴンプラズマを発生させ、成膜室内の壁面に吸着した水分を離脱する工程１２と、ＥＣＲプラズマを発生させ、さらにＬＮターゲットに高周波（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ：以下、ＲＦと記す）パワーを印加することにより、ＬＮターゲット表面でスパッタリング現象を発生させ、ＬＮターゲットから放出した粒子を、基板上に堆積する工程１３を含む。ここでは、一例として、工程１におけるＳｉＯ_２は、膜厚５００ｎｍとした。また、工程１２において、成膜室の到達真空度は９×１０^－５Ｐａとした。さらに、工程１３において、ＥＣＲプラズマを発生させるためのマイクロ波のパワーは５００Ｗとし、ＬＮターゲットに印加するＲＦのパワーも５００Ｗとした。また、工程１３において、基板はヒーター上に設置し、基板および成長する薄膜を所望の温度（以下、成膜温度という）に保持して成膜を行った。加えて、成膜されるＬＮ結晶の酸化度を保つため、成膜室内には、スパッタガスであるアルゴンに加え、酸素を供給した。尚、アルゴンの流量は８ｓｃｃｍで固定とした。

【0020】

このような方法において、成膜温度および酸素流量を変動させ、それに伴うＬＮ結晶の結晶性の変化を評価した。成膜温度は４００～４６０℃、酸素流量は０．５～３．０ｓｃｃｍの範囲で変動させた。なお、ＬＮ結晶の膜厚は、いずれの条件においても１μｍである。また、結晶性の評価は、Ｘ線回折（Ｘ－Ｒａｙ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ：以下、ＸＲＤと記す）法による、結晶構造分析とした。なお、本手法で用いた特性Ｘ線は、ＣｕＫα線であり、スキャンモードはθ／２θである。

【0021】

図２に、ＥＣＲプラズマスパッタ法により、様々な成膜温度、および酸素流量で、ＳｉＯ_２上に成膜したＬＮ結晶のＸＲＤパターンを示す。成膜温度を４００℃、酸素流量を０．５ｓｃｃｍとした場合、成膜したＬＮ結晶のＸＲＤパターンでは、ｃ軸配向に対応するＬＮ（００６）のピーク強度よりも、ｃ軸配向に対応しないＬＮ（１２２）のピーク強度の方が強い。したがって、この条件で成膜したＬＮ結晶は、ｃ軸配向が弱いことが伺える。一方、同じ酸素流量で、成膜温度を４６０℃に上げたところ、ＬＮ（００６）のピーク強度が著しく増大した。同じＸＲＤパターン中において２番目に強いＬＮ（２０２）のピーク強度は、ＬＮ（００６）のピーク強度よりも１桁小さいため、この条件で成膜されたＬＮ結晶は、ｃ軸配向したＬＮ結晶であると言える。なお、成膜温度を４６０℃に上げても、Ｌｉが欠損したＬｉＮｂ_３Ｏ_８相に対応するピークは検出されていない。更に、成膜温度を４６０℃としたまま、酸素流量を１．５ｓｃｃｍに増加させると、ＬＮ結晶のＸＲＤパターンは、ＬＮ（００６）のピーク強度が維持されたまま、ＬＮ（２０２）の ピークが検出されなくなる様子が見られ、よりｃ軸配向が強くなっている様子が認められる。一方、同じ成膜温度４６０℃で、酸素流量を３ｓｃｃｍまで増大させると、ＬＮ（００６）のピーク強度は著しく減少し、ＬＮ（０１２）、ＬＮ（１１０）、ＬＮ（２０２）、ＬＮ（１１６）、ＬＮ（１２２）など、方位が異なるピークが多数検出され、ランダムな配向を有する多結晶となっている様子が認められた。これは、薄膜成長表面において酸素過剰となり、成長するＬＮ結晶の格子間位置に酸素が存在することによって、ＬＮ結晶が様々な方位に向いた多数の結晶子に分かれたことを意味する。

【0022】

以上のことから、上述した方法によって、ＳｉＯ_２基板上にｃ軸配向したＬＮ結晶膜を成膜することが可能あり、成膜温度が４６０℃の場合、酸素流量が０．５～１．５ｓｃｃｍの範囲において、ｃ軸配向したＬＮ結晶が得られることが分かる。尚、上述した通り、通常ＳｉＯ_２上にＬＮをスパッタ法で成膜した場合、ｃ軸配向させることは困難とされているが、本開示では、アモルファスであるＳｉＯ_２上に成膜したＬＮ結晶膜の配向がｃ軸方向に揃った膜が成膜された。これは、ＬＮ膜表面を最密充填のＣ面で終端することにより表面エネルギーを最小化することに起因すると考えられる。そして、上述した、本開示における成膜方法では、酸素流量が０．５～１．５ｓｃｃｍと比較的低い場合において、この条件に合致していたことになる。ただし、光学素子としての適用を考えた場合、ｃ軸配向がさらに強いＬＮ結晶が求められる。また、上述した様に、ＬＮ結晶に電界を印加する必要がある場合、ＳｉＯ_２は基板として不向きである。そこで、本開示では、上述した３種の各基板を用い、ｃ軸配向がより強いＬＮ結晶を成膜する方法を提案する。以下に、その各々の基板を用いた実施形態について説明する。

【0023】

（第１の実施形態）
以下に、本開示における第１の実施形態を、図面を参照して説明する。本実施形態は、ＳｉＯ_２上にバッファ層としてＺｎＯを成膜したＺｎＯ／ＳｉＯ_２を基板とし、ＺｎＯ上に、ｃ軸配向したＬＮ結晶膜を成膜する例である。

【0024】

図３は、本開示の一実施形態による、ＳｉＯ_２上にバッファ層としてＺｎＯを成膜し、その上にｃ軸配向したＬＮ結晶を成膜する方法を示したフローチャートである。本実施形態によるＬＮ結晶の成膜方法は、Ｓｉ（１１１）単結晶を熱酸化することによって表層にＳｉＯ_２を形成させた基板を作成する工程３１と、バッファ層であるＺｎＯを成膜する成膜装置において、成膜室を真空ポンプにより減圧したあと、Ｚｎターゲットに電位を印加しない状態でアルゴンプラズマを発生させ、成膜室内の壁面に吸着した水分を離脱する工程３２と、ＺｎＯを成膜する成膜装置の成膜室内で、酸素を供給しながらＥＣＲプラズマを発生させ、さらにＺｎターゲットにＲＦパワーを印加することによって、Ｚｎターゲット表面においてスパッタリング現象を発生させ、酸化したＺｎターゲット表面から放出した粒子をＳｉＯ_２上に堆積する工程３３と、ＬＮ結晶膜を成膜する成膜装置において、成膜室を真空ポンプにより減圧したあと、ＬＮターゲットに電位を印加しない状態でプラズマを発生させ、成膜室内の壁面に吸着した水分を離脱する工程３４と、ＬＮを成膜する成膜装置の成膜室内でＥＣＲプラズマを発生させ、さらにＬＮターゲットにＲＦパワーを印加することによって、ＬＮターゲット表面においてスパッタリング現象を発生させ、ＬＮターゲットから放出した粒子をＺｎＯ上に堆積する工程３５とを含む。本実施形態では、一例として、工程３１において用いられるＳｉ（１１１）の大きさは４インチのとし、形成されるＳｉＯ_２の膜厚は１４０ｎｍとした。また、工程３３で行われるＥＣＲプラズマスパッタ法は、酸素を用いた反応性スパッタ法とし、成膜温度は４００℃および５００℃、ＺｎＯの膜厚は１０ｎｍおよび７０ｎｍとした。なお、工程３４および工程３５における、ＬＮ結晶の成膜は、上述したＳｉＯ_２上にＬＮ結晶を形成した場合と同じ条件とした。ただし、成膜温度および酸素流量は、ＳｉＯ_２上にＬＮ結晶を形成した場合において最もｃ軸配向が強いＬＮ結晶が成膜できた条件（それぞれ４６０℃、１．５ｓｃｃｍ）で固定した。成膜したＬＮ結晶膜の膜厚は１μｍである。

【0025】

このようにして、ＺｎＯ／ＳｉＯ_２上に成膜されたＬＮ結晶の結晶性を、ＸＲＤを用いて評価した。なお、本実施形態では、スキャンモードをθ／２θとした測定に加え、ＬＮ結晶の薄膜表面に対し、Ｘ線の入射角を１．５°としたまま、検出器の２θ角のみをスキャンする斜入射Ｘ線回折（Ｇｒａｚｉｎｇ Ｉｎｃｉｄｅｎｔ Ｘ－ｒａｙ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ：以下、ＧＩＸＲＤと記す）パターンの取得も行った。また、検出された一部のピークに対して、ロッキングカーブの取得を行い、その形状および半値幅から、配向性の評価を、より詳細に行った。

【0026】

図４は、本開示の一実施形態において、ＺｎＯの成膜温度が５００℃、膜厚が７０ｎｍであるＺｎＯ／ＳｉＯ_２の上に、ＬＮ結晶を成膜した積層体のＸＲＤパターンである。図４（ａ）はスキャンモードをθ－２θとしたＸＲＤパターン、図４（ｂ）はＧＩＸＲＤパターン、図４（ｃ）は、ＬＮ（００６）とＺｎＯ（００２）のピークに対するロッキングカーブを、それぞれ示している。図４（ａ）に示される通り、バッファ層であるＺｎＯのｃ軸方向に相当するＺｎＯ（００２）のピークは、１×１０^５カウントと高強度で検出されている。一方、他に検出されたＺｎＯに由来するピークは、ＺｎＯ（１０２）、ＺｎＯ（１１０）、ＺｎＯ（１０３）、ＺｎＯ（００４）などが検出されたが、これらのピーク強度は、ＺｎＯ（００２）のそれと比較しても２桁以上小さい。このことから、本実施形態により、バッファ層として成膜した膜厚７０ｎｍのＺｎＯは、強くｃ軸配向した膜であると言える。また、図４（ａ）において、ＬＮ結晶に関するピークは、ＬＮ（００６）しか検出されていないことから、成膜したＬＮ結晶はＺｎＯ（００２）を反映し、強くｃ軸配向していることが伺える。一方、図４（ｂ）に示されるＧＩＸＲＤパターンにおいては、ＬｉＮｂ_３Ｏ_８（－６０２）、ＬＮ（００６）、ＬＮ（１１６）などのピークも検出されている。これは、ｃ軸とは異なる方位を有する結晶子も混入していることを示している。しかし、図４（ｃ）に示す、ＬＮ（００６）とＺｎＯ（００２）のロッキングカーブでは、いずれも半値幅は１０°程度であり、このことから、本実施形態により膜厚７０ｎｍのＺｎＯ上に形成したＬＮ結晶膜は、ある程度のｃ軸配向を有していることが示唆される。

【0027】

図５は、本開示の一実施形態において、ＺｎＯの成膜温度が５００℃、膜厚が１０ｎｍであるＺｎＯ／ＳｉＯ_２の上に、ＬＮ結晶を成膜した積層体のＸＲＤパターンである。図５（ａ）はスキャンモードをθ－２θとしたＸＲＤパターン、図５（ｂ）はＧＩＸＲＤパターン、それぞれ示している。図４に示した、ＺｎＯの膜厚が７０ｎｍの場合に比べ、ＺｎＯ（００２）のピークの強度は、１×１０^３カウントと２桁程度弱く、ＬＮ結晶に由来するピークも、ＬＮ（０１２）、ＬＮ（１０４）、ＬＮ（１１６）、ＬＮ（０１８）といった、結晶方位がｃ軸でないピークが、ＬＮ（００６）と同程度のピーク強度で多数検出されている。さらに、図５（ｂ）に示されるＧＩＸＲＤパターンにおいて、これら回折ピークがθ／２θスキャンの場合と同程度のピーク強度を有していることが分かる。このことから、ＺｎＯの膜厚が１０ｎｍであるＺｎＯ／ＳｉＯ_２上に成膜したＬＮ結晶は、ＺｎＯのｃ軸配向の影響をほとんど受けず、ランダムな配向を有するように結晶成長したことが示唆される。ＳｉＯ_２上にＺｎＯをスパッタ法によって成膜した際の一般的な傾向として、初期段階の結晶性が最も悪く、膜厚が増加するにつれて、膜上部の結晶性が向上することが知られている。したがって、本実施形態においても、ＺｎＯの膜厚が１０ｎｍの場合では、その膜厚が薄かったため、ＺｎＯのｃ軸配向が弱く、むしろＬＮ成長表面の表面粗さを増大させるように作用したために、ＬＮ結晶もそれに伴って、ランダムな配向を有する多結晶構造になったものと考えられる。

【0028】

図６は、本開示の一実施形態において、ＺｎＯの成膜温度が４００℃、膜厚が７０ｎｍであるＺｎＯ／ＳｉＯ_２の上に、ＬＮ結晶を成膜した積層体のＸＲＤパターンである。図６（ａ）はスキャンモードをθ－２θとしたＸＲＤパターン、図６（ｂ）はＧＩＸＲＤパターン、図６（ｃ）は、ＬＮ（００６）とＺｎＯ（００２）のピークに対するロッキングカーブを、それぞれ示している。図６（ａ）に示される通り、ＺｎＯ、ＬＮ結晶ともに、検出された回折ピークは、全てｃ軸方向に関するピークであり、ＺｎＯ、およびＬＮ結晶ともに、成膜温度が５００℃の場合に比べて、ｃ軸配向が更に強くなっている様子が認められる。また、図６（ｂ）のＧＩＸＲＤパターンにおいて、ＬＮ結晶に由来するピークが、微弱なＬＮ（００６）が検出されたのみであったことからも、このＬＮ結晶が強くｃ軸配向していることが示唆される。さらに、図６（ｃ）に示すＺｎＯ（００２）およびＬＮ（００６）のロッキングカーブは、ガウス分布上の形状を呈しており、半値幅もそれぞれ６°、および４°と小さいことから、高い結晶性を有していると考えられる。すなわち、ＺｎＯの成膜温度を４００℃とすることにより、成膜温度が５００℃の場合に比べ、さらにｃ軸配向の強いＬＮ結晶が成膜されたと言える。これは、ＺｎＯの成膜温度が低くなったことにより、成膜されたＺｎＯの表面粗さが低減され、かつ７０ｎｍと、強いｃ軸配向を有するに十分な膜厚を有していたために、これに伴ってＬＮ結晶も、ｃ軸配向が強くなったと考えられる。

【0029】

以上のことから、成膜温度４００～５００℃で、７０ｎｍの膜厚を有するＺｎＯをＳｉＯ_２上に成膜したＺｎＯ／ＳｉＯ_２を基板とし、ＥＣＲプラズマスパッタ法を用いてＬＮ結晶膜を成膜することによって、強くｃ軸配向したＬＮ結晶が成膜できる。ＺｎＯは、光透過率が高いため光損失が少ない。そのため、本実施形態によって成膜されたＬＮ／ＺｎＯ／ＳｉＯ_２積層体は、ＬＮ結晶をコアとする光導波路に応用することができる。

【0030】

また、本実施形態において、ＺｎＯの膜厚は７０ｎｍとしたが、７０～１００ｎｍであれば、同様の効果を奏する。これ以上厚い場合は、ＺｎＯの表面粗さが増大する、ＳｉＯ_２との線膨張係数差による内部応力が増大するという問題が生じ得る。逆に、これ以下の膜厚の場合、ＺｎＯの結晶性が低く、その上に成膜するＬＮ結晶が、強いｃ軸配向を示さないことが考え得る。

【0031】

加えて、本実施形態においては、ＺｎＯの成膜方法としては、酸素を用いた反応性スパッタ法としたが、ＺｎＯターゲットとアルゴンを用いたスパッタ法であっても、同様の効果を奏する。

【0032】

また、本実施形態においては、ＺｎＯを結晶構造が崩れない程度に還元してもよい。こうすることにより、ＺｎＯは透明導電膜となるため、高い光透過率を維持したまま、高い導電率を有することが可能となる。これは、還元により生成した酸素空孔が、２個の電子を放出するドナー順位を形成するためである。ＺｎＯを還元する方法としては、例えば、ＺｎＯのスパッタ法による成膜において、ＺｎＯターゲットを用い、スパッタガスにアルゴンに加えて、水素を導入するなどの方法が用いられ得る。

【0033】

さらに、ＺｎＯにアルミニウム（Ａｌ）、またはガリウム（Ｇａ）をドープし、ＡＺＯ、またはＧＺＯとすることによって、さらに導電率を高くすることも可能である。これは、ドープしたＡｌやＧａがＺｎＯのＺｎサイトに置換型固溶することにより、１個の電子を放出するドナー順位を形成するためである。ＺｎＯにＡｌやＧａをドープする方法としては、例えば、ＺｎＯのスパッタ法による成膜において、ターゲットをＡＺＯまたはＧＺＯとする方法が用いられ得る。

【0034】

このように、ＺｎＯに高い導電率を付与すれば、例えば、上部にもＺｎＯ膜を成膜し、ＬＮ結晶をＺｎＯの透明電極で挟んだサンドイッチ構造とすることによって、電気光学効果を利用した導波路型素子へ応用することができる。

【0035】

（第２の実施形態）
以下に、本開示における第２の実施形態を、図面を参照して説明する。本実施形態は、ｃ軸配向したＺカットクォーツを基板とし、その上にｃ軸配向したＬＮ結晶膜を成膜する例である。

【0036】

図７は、本開示の一実施形態による、Ｚカットクォーツ上にｃ軸配向したＬＮ結晶を成膜する方法を示したフローチャートである。本実施形態による、Ｚカットクォーツ上にｃ軸配向したＬＮ結晶を成膜する方法は、ｃ軸配向したＺカットクォーツ基板を準備する工程７１と、ＬＮ結晶を成膜する成膜装置において、成膜室を真空ポンプにより減圧したあと、ＬＮターゲットに電位を印加しない状態でアルゴンプラズマを発生させ、成膜室内の壁面に吸着した水分を離脱する工程７２と、ＥＣＲプラズマを発生させ、さらにＬＮターゲットにＲＦパワーを印加することによって、ＬＮターゲット表面においてスパッタリング現象を発生させ、ＬＮターゲットから放出した粒子を、Ｚカットクォーツ基板上に堆積する工程７３とを含む。本実施形態におけるＺカットクォーツ基板の大きさは３インチとした。また、ＬＮ結晶の成膜方法は、ＥＣＲプラズマスパッタ法とし、成膜条件は、上述したＳｉＯ_２上にＬＮ結晶膜を形成した場合において、最も強くｃ軸配向したＬＮ結晶を得た条件、すなわち、成膜温度が４６０℃、酸素流量が１．５ｓｃｃｍと、同じ条件した。ＬＮ結晶の膜厚は、第１の実施形態と同様に、１μｍである。このような方法で成膜されたＬＮ結晶膜に対し、第１の実施形態と同様に、ＸＲＤを用いて結晶性の評価を行った。

【0037】

図８は、本開示の一実施形態において、Ｚカットクォーツ基板上にＬＮ結晶を成膜した積層体のＸＲＤパターンである。図８（ａ）はスキャンモードをθ－２θとしたＸＲＤパターン、図８（ｂ）はＧＩＸＲＤパターン、図８（ｃ）は、ＬＮ（００６）のピークに対するロッキングカーブを、それぞれ示している。なお、図中に示したＱの表記は、Ｑｕａｒｔｚを略記したものである。図８（ａ）に示される通り、Ｚカットクォーツに由来する回折ピークは、Ｑ（００１）、Ｑ（００２）、Ｑ（００３）、Ｑ（００４）であり、ｃ軸方向に対応するピークが主に検出された。このことから、本実施形態で用いたＺカットクォーツ基板は、強くｃ軸配向していることが確認された。これは、図８（ｂ）のＧＩＸＲＤパターンにおいても、Ｚカットクォーツに由来するピークが検出されていないことからも立証される。一方、ＬＮ結晶に由来する回折ピークは、ｃ軸方向に相当するＬＮ（００６）が最も強く、ピーク強度は２×１０^４カウントに達していることから、このＬＮ結晶は、基板の影響を受け、ｃ軸配向した結晶であると言える。ただし、ｃ軸方向に相当しないＬＮ（２０２）、ＬＮ（０１８）、ＬＮ（１０１０）のピークも微弱ながら検出されており、結晶性に多少の乱れがある様子も伺える。さらに、図８（ｂ）のＧＩＸＲＤパターンにおいても、ＬＮ（１０４）、ＬＮ（１１６）、ＬＮ（０１８）、ＬＮ（２０８）、ＬＮ（１０１０）、ＬＮ（１２８）といった、ｃ軸方向に相当しないピークが検出されている。このことから、本実施形態により、Ｚカットクォーツ基板上に成膜したＬＮ結晶膜は、ｃ軸配向はしているものの、ｃ軸方向に相当しない結晶子も膜中に共存した状態になっていると考えられる。

【0038】

このような方法を用いることにより、一部ｃ軸方向に相当しない結晶子が共存するものの、Ｚカットクォーツ基板上にｃ軸配向したＬＮ結晶を成膜することが可能となる。上述の通り、Ｚカットクォーツは、組成としてはＳｉＯ_２であるため、その屈折率はＳｉＯ_２と同じ、ｎ＝１．５４である。したがって、ＳｉＯ_２に直接ＬＮ結晶が成膜された構造が要求されるような場合、ＳｉＯ_２の屈折率を維持しながら、ｃ軸配向したＬＮ結晶の特性が反映された光導波路を提供できる。

【0039】

（第２の実施形態の変形例）
上述の通り、第２の実施形態による成膜方法を用いれば、Ｚカットクォーツ基板上にｃ軸配向したＬＮ結晶膜を成膜することが可能であるが、このＬＮ結晶膜は、ｃ軸方向に相当しない結晶子が共存した状態であり、結晶性は高くはない。しかし、第２の実施形態による成膜方法に、固相結晶化の工程を加えれば、ＬＮ結晶の結晶性を向上させることが可能である。以下にその詳細を説明する。

【0040】

図９は、本開示の一実施形態による、Ｚカットクォーツ上にｃ軸配向したＬＮ結晶を成膜する方法を示したフローチャートである。図９に示す方法は、図７に示した方法の後に、Ｚカットクォーツ基板上にＬＮ結晶が成膜された積層体に対し、固相結晶化を目的とした熱処理を実施する工程７４を更に含む。ここでは、工程７３の成膜時における成膜温度は室温とし、固相結晶化のための熱処理の温度は６００℃、保持時間は１時間とした。このような方法で成膜された、Ｚカットクォーツ基板上にＬＮ結晶が成膜された積層体に対し、第１の実施形態と同様に、ＸＲＤによる結晶性の評価を行った。

【0041】

図１０は、本開示の一実施形態において、Ｚカットクォーツ基板上にＬＮ結晶を成膜した積層体のＸＲＤパターンである。図１０（ａ）はスキャンモードをθ－２θとしたＸＲＤパターン、図１０（ｂ）はＧＩＸＲＤパターン、図１０（ｃ）は、ＬＮ（００６）のピークに対するロッキングカーブを、それぞれ示している。図１０（ａ）に示される通り、上記のような工程７４を加えた方法で成膜されたＬＮ結晶膜のＸＲＤパターンは、図８（ａ）と同様に、ＬＮ結晶に由来する回折ピークは、ＬＮ（００６）が主であるが、ＬＮ（０１８）やＬＮ（１０１０）の回折ピークも僅かに検出されている。また、図１０（ｂ）のＧＩＸＲＤパターンにおいても、図８（ｂ）と同様に、ｃ軸方向に相当しない回折ピークが検出されている。すなわち、本実施形態によって成膜されたＬＮ結晶は、第２の実施形態で述べた、工程７４を含まない方法で成膜したＬＮ結晶膜と同様に、ｃ軸方向に相当しない結晶子が共存した状態にあると言える。しかし、ＬＮ（００６）のピーク強度は５×１０^４カウントであり、図８（ａ）のそれと比較すると、２倍以上の強度を示している。加えて、図１０（ｃ）のロッキングカーブにおいても、図８（ｃ）に示したものに比べて半値幅が狭く、ω＝１９．５°を中心とするブラッグ反射を示していることが分かる。このことから、成膜温度を室温とし、更に工程７４の熱処理を加えることによって、よりｃ軸配向が強く、結晶性が向上したＬＮ結晶を、Ｚカットクォーツ基板上に成膜するができる。なお、図１０（ａ）において、ＬｉＮｂ_３Ｏ_８に由来するＬｉＮｂ_３Ｏ_８（－６０２）の回折ピークが検出されていることから、このＬＮ結晶膜にはＬｉＮｂ_３Ｏ_８が混入していると考えられる。これは、熱処理によりＬＮ結晶中のＬｉが、Ｌｉ_２Ｏの形で一定割合蒸発したことに起因すると考えられる（例えば、非特許文献６参照）。

【0042】

なお、本例においては、ＬＮ結晶の成膜温度は室温としたが、ＬNがＥＣＲプラズマスパッタ法による成膜時において結晶化しない温度範囲、すなわち、室温から３００℃の範囲であれば、同様の効果を奏する。また、成膜後の熱処理の温度は、本実施形態では６００℃としたが、５００から６５０℃の範囲であれば、同様の効果を奏する。これ以下の温度では、ＬＮ結晶膜の結晶化が不十分であり、逆にこれ以上の温度で熱処理をすると、ＬＮ結晶中のＬｉの再蒸発が生じる。

【0043】

（第３の実施形態）
以下に、本開示における第２の実施形態を、図面を参照して説明する。本実施形態は、ＳＴＯ（１１１）単結晶を基板とし、その上にｃ軸配向したＬＮ結晶膜を成膜する例である。

【0044】

図１１は、本開示の一実施形態による、ＳＴＯ（１１１）上にｃ軸配向したＬＮ結晶膜を成膜する方法を示したフローチャートである。本実施形態による、ＳＴＯ（１１１）上にｃ軸配向したＬＮ結晶膜を成膜する方法は、ＳＴＯ（１１１）の単結晶基板を準備する工程１１１と、ＬN結晶を成膜する成膜装置において、成膜室を真空ポンプにより減圧したあと、ＬＮターゲットに電位を印加しない状態でアルゴンプラズマを発生させ、成膜室内の壁面に吸着した水分を離脱する工程１１２と、ＥＣＲプラズマを発生させ、さらにＬＮターゲットにＲＦパワーを印加することによって、ＬＮターゲット表面においてスパッタリング現象を発生させ、ＬＮターゲットから放出した粒子を、ＳＴＯ（１１１）上に堆積する工程１１３とを含む。本実施形態において、工程１１３に示したＬＮ結晶の成膜において、成膜温度は３５０℃とした。酸素流量など、その他の成膜条件は、第１の実施形態および第２の実施形態における、ＬＮ結晶の成膜条件と同じとした。また、ＬＮ結晶の膜厚も１μｍで同じとした。このようにして、ＳＴＯ（１１１）上に成膜されたＬＮ結晶に対し、第１の実施形態、および第２の実施形態と同様に、ＸＲＤを用いて結晶性の評価を行った。

【0045】

図１２は、本開示の一実施形態において、ＳＴＯ（１１１）上にＬＮ結晶を成膜した積層体のＸＲＤパターンである。図１２（ａ）はスキャンモードをθ－２θとしたＸＲＤパターン、図１２（ｂ）はＧＩＸＲＤパターン、図１２（ｃ）は、ＬｉＮｂ_３Ｏ_８（－６０２）のピークに対するロッキングカーブを、それぞれ示している。図１２（ａ）に示される通り、ＬＮ結晶に由来する回折ピークとしては、ＬＮ（００６）のみが検出され、ＬＮ結晶がｃ軸配向していることが分かる。また、ＬｉＮｂ_３Ｏ_８に由来する、ＬｉＮｂ_３Ｏ_８（－３０１）、およびＬｉＮｂ_３Ｏ_８（－６０２）の回折ピークも検出されている。上述の通り、本実施形態におけるＬＮ結晶膜の成膜条件は、第１の実施形態および第２の実施形態と大きくは変わらない。したがって、ＳＴＯ（１１１）の場合に限って限定されたＬｉＮｂ_３Ｏ_８の生成は、成膜プロセスに起因するものではないと考えられ、堆積したＬＮ結晶膜とＳＴＯとの化学的な相互作用（例えば、Ｌｉ原子がＳＴＯ内に拡散する等）により、生じたものと考えられる。なお、ＬＮ（００６）面とＬｉＮｂ_３Ｏ_８（－６０２）面はエピタキシャル関係にあるため（例えば、非特許文献６参照）、両者が共存することは自然である。すなわち、本実施形態によって成膜された膜は、ＬｉＮｂ_３Ｏ_８とＬＮが共存した混合膜（以下、ＬｉＮｂ_３Ｏ_８／ＬＮと記す）であると言える。また、図１２（ｂ）のＧＩＸＲＤパターンにおいて、ｃ軸方向に相当する回折ピークが全く検出されていないこと、図１２（ｃ）に示すロッキングカーブにおいて、半値幅が１．５°のシャープな分布が観測されていることから、このＬｉＮｂ_３Ｏ_８／ＬＮは、エピタキシャル成長をしていることが認められた。

【0046】

以上のことから、本実施形態により、ｃ軸配向したＬｉＮｂ_３Ｏ_８／ＬＮのエピタキシャル膜を成膜することが可能であると言える。なお、成膜温度は３５０～５５０℃の間であれば、成膜したＬｉＮｂ_３Ｏ_８／ＬＮ結晶膜のＸＲＤパターンが、図１２（ａ）と同様な回折パターンを示すことを確認している。すなわち、本実施形態によるＬｉＮｂ_３Ｏ_８／ＬＮ結晶膜の成膜方法において、成膜温度は３５０～５５０℃の間であれば、同様の効果を奏する。

【0047】

なお、本実施形態において基板として用いたＳＴＯに、結晶構造が崩れない程度のニオブ（Ｎｂ）をドープすることにより、ＳＴＯを透明導電膜とすることによって、導電率を高くすることが可能である。このような構成とすることにより、電気光学効果を利用した導波路型デバイスへ応用することができるようになる。

【産業上の利用可能性】

【0048】

ＬＮ結晶をコアとして用いた導波路型の光学素子において、従来よりも信号光の伝送効率が高い素子としての実用化や、電気光学効果を利用した素子としての実用化が見込める。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】