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Dokumentenidentifikation DE60304780T2 14.09.2006
EP-Veröffentlichungsnummer 0001396889
Titel Substratstruktur für eine elektronische Anordnung und elektronische Anordnung
Anmelder TDK Corp., Tokio/Tokyo, JP
Erfinder Noguchi, Takao, Chuo-ku Tokyo, JP;
Saitou, Hisatoshi, Chuo-ku Tokyo, JP;
Abe, Hidenori, Chuo-ku Tokyo, JP;
Yamashita, Yoshinari, Chuo-ku Tokyo, JP
Vertreter Grünecker, Kinkeldey, Stockmair & Schwanhäusser, 80538 München
DE-Aktenzeichen 60304780
Vertragsstaaten DE, FR, GB, NL
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 01.09.2003
EP-Aktenzeichen 030198535
EP-Offenlegungsdatum 10.03.2004
EP date of grant 26.04.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 14.09.2006
IPC-Hauptklasse H03H 9/17(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, EP
IPC-Nebenklasse H03H 3/02(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   H01L 29/04(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   

Beschreibung[de]
HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Substratstruktur für eine elektronische Vorrichtung und insbesondere eine Substratstruktur für eine elektronische Vorrichtung, die mit einem Dünnfilm versehen ist, der eine Wurtzit-Kristallstruktur aufweist und auf einem Silizium-Einkristallsubstrat ausgebildet ist, und die auf Vorrichtungen angewendet wird, die den piezoelektrischen Effekt nutzen, wie zum Beispiel Dünnfilm-Volumenschwingungserzeugungseinrichtungen (thin-film bulk vibrators), SAW-Bauelemente (akustische Oberflächenwelle), usw., Licht aussendende Geräte wie LED (Leuchtdioden), Laserdioden, usw.; Kühlbleche integrierter Schaltkreise und optische Geräte wie optische Modulatoren, optische Schalter, OEIC (optoelektronische integrierte Schaltkreise), usw.; und eine diese Substratstruktur verwendende elektronische Vorrichtung.

Es ist eine integrierte elektronische Vorrichtung erfunden worden, die funktionale Dünnschichten aus Oxid, Nitrid, usw. aufweist, die auf einem Siliziumsubstrat als Halbleiter-Kristallsubstrat ausgebildet sind. Zum Beispiel wurde ein hochintegrierter Schaltkreis mit höherem Integrationsgrad oder ein hochintegrierter Schaltkreis der dielektrischen Isolierung durch Sol-Technologie durch Kombination eines Halbleitersubstrats und eines dielektischen Dünnfilms geprüft. Wenn ein Dünnfilm aus einer ferroelektrischen Substanz als eine Art Dielektrikum weiter verwendet wird, ist es möglich, einen Permanentspeicher, einen Infrarotsender, einen optischen Modulator, einen optischen Schalter, einen integrierten Schaltkreis in Erstausrüstung, usw. zu bilden. Wenn ein Halbleitersubstrat und ein Supraleiter-Dünnfilm kombiniert werden, ist es möglich, ein Squid, Josephson-Bauelement, einen supraleitenden Transistor, einen Sensor für elektromagnetische Wellen, eine supraleitende Verdrahtung hoher Integration, usw. zu bilden. Wenn ein Halbleiter-Substrat und ein piezoelektrischer Dünnfilm kombiniert werden, ist es möglich, ein SAW-Bauelement, eine Zusammenrolleinrichtung (Convolver), einen Koordinator, ein Speicherbauelement, einen Bildscanner, eine Dünnfilm-Volumenschwingungserzeugungseinrichtung (thin-film bulk vibrator), einen Filter, usw. zu bilden.

Um in den elektronischen Bauelementen, die diese funktionalen Filme verwenden, optimale Bauelementeigenschaften zu erzielen und um deren Reproduzierbarkeit hochzuhalten, ist es vorzuziehen, dass die Kristallinität der funktionalen Filme so hoch wie möglich gemacht wird. Das als typische piezoelektrische Substanz weit verbreitet bekannte ZnO oder AlN zeigt eine hohe Piezoelektrizität in der <0001>-Kristallrichtung, das heißt, in Richtung einer c-Achse, weil ZnO und AlN eine Wurtzit-Kristallstruktur besitzen. In den elektronischen Bauelementen, die diese Werkstoffe als funktionale Filme nutzen, ist es deshalb vorzuziehen, dass die funktionalen Filme als einfache c-flächenorientierte, hochkristalline Filme bereitgestellt werden.

Unter diesen Umständen haben die gegenwärtigen Erfinder der Erfindung in der Druckschrift JP-A-11-260 835, die der Druckschrift US 6 045 626 A entspricht, einen Vorschlag unterbreitet. In dem Vorschlag ist eine Pufferschicht aus ZrO2 oder dergleichen als Einkristall-Dünnfilm (Epitaxieschicht) auf einem Si-Einkristallsubstrat vorgesehen, wobei außerdem ein metallischer Dünnfilm aus Pt oder dergleichen als ein Einkristall-Dünnfilm auf der Pufferschicht vorgesehen ist, und weiter ein Wurtzit-Dünnfilm aus ZnO, AlN oder dergleichen mit der Wurtzit-Kristallstruktur auf dem metallischen Dünnfilm ausgebildet wird, so dass der Wurtzit-Dünnfilm als ein einfacher c-flächenorientierter Einkristall-Dünnfilm bereitgestellt wird.

In einer Dünnfilm-Volumenschwingungserzeugungseinrichtung, die ein Silizium-Einkristallsubstrat nutzt, wird das Si-Einkristallsubstrat in einem Produktionsprozess mit einer KOH-Lösung oder dergleichen anisotrop geätzt, um dadurch ein Kontaktloch zu bilden. Aus diesem Grund ist es notwendig, ein Si-Einkristallsubstrat zu verwenden, das eine parallel zu der Substratfläche orientierte Si(100)-Ebene aufweist.

ABRISS DER ERFINDUNG

Eine Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung einer elektronischen Vorrichtung, die ausgezeichnete Eigenschaften zeigt und eine Struktur besitzt, die ein Si(100)-Substrat, einen als Elektrode verwendeten Metall-Dünnfilm, eine auf dem Si(100)-Substrat ausgebildete reflektierende Schicht oder dergleichen und einen einfachen c-flächenorientierten hochkristallinen funktionalen Dünnfilm mit einer Wurtzit-Kristallstruktur, der auf dem metallischen Dünnfilm ausgebildet ist, aufweist.

Die vorhergehende Aufgabe wird durch die Erfindung gelöst wie auf sie Anspruch erhoben wird und in den folgenden Abschnitten (1) bis (12) dargestellt ist.

  • (1) Eine Substratstruktur für eine elektronische Vorrichtung mit einem Substrat, das zumindest eine Fläche aufweist, die aus einem Silizium(100)-Einkristall besteht, einem Metall-Dünnfilm mit einer flächenzentrierten kubischen Struktur oder einer auf dem Substrat ausgebildeten, hexagonal dichtest gepackten Struktur sowie einem Wurtzit-Dünnfilm mit einer Wurtzit-Kristallstruktur, der auf dem Metall-Dünnfilm ausgebildet ist, wobei: der Metall-Dünnfilm aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus einem (111)-orientierten Dünnfilm oder einer flächenzentrierten kubischen Struktur mit einer (111)-Ebene, die parallel zur Substratfläche orientiert ist, und einem (0001)-orientierten Film einer hexagonal dichtest gepackten Struktur mit einer (0001)-Ebene, die parallel zu der Substratfläche ausgerichtet ist, besteht; wobei der Wurtzit-Dünnfilm eine (0001)-orientierte Dünnschicht mit einer (0001)-Ebene ist, die parallel zu der Substratfläche orientiert ist; wobei jeweils der Metall-Dünnfilm und der Wurtzit-Dünnfilm ein polykristalliner Film ist, der zumindest zwei Arten von Kristallkörnern enthält, die sich hinsichtlich der Richtung der Kristallorientierung in der Ebene unterscheiden; wenn der Metall-Dünnfilm ein (111)-orientierter Dünnfilm ist, ist der Wurtzit-Dünnfilm epitaxial auf dem Metall-Dünnfilm aufgewachsen, so dass <11-20>-Achsen in der Ebene des Wurtzit-Dünnfilms parallel zu <1-10>-Achsen in der Ebene des Metall-Dünnfilms sind; und wenn der Metall-Dünnfilm ein (0001)-orientierter Film ist, ist der Wurtzit-Dünnfilm auf dem Metall-Dünnfilm epitaxial aufgewachsen, so dass <11-20> Achsen in der Ebene des Wurtzit-Dünnfilms parallel zu <11-20>-Achsen in der Ebene des Metall-Dünnfilms sind.
  • (2) Eine Substratstruktur für eine elektronische Vorrichtung gemäß Absatz (1), bei der der Metall-Dünnfilm zwei Arten von Kristallkörnern enthält, die sich hinsichtlich der Richtung der Kristallorientierung unterscheiden; wenn der Metall-Dünnfilm ein (111)-orientierter Film ist, sind entsprechende <1-10>-Achsen der beiden Arten von Kristallkörnern senkrecht zueinander; und wenn der Metall-Dünnfilm ein (0001)-orientierter Film ist, sind entsprechende <11-20> Achsen der beiden Arten von Kristallkörnern senkrecht zueinander.
  • (3) Eine Substratstruktur für eine elektronische Vorrichtung gemäß Absatz (2), die des Weiteren eine Pufferschicht enthält, die zwischen dem Substrat und dem Metall-Dünnfilm angeordnet ist, wobei die Pufferschicht epitaxial aufgewachsen ist, so dass eine (001)-Ebene der Pufferschicht parallel zu dem Substrat und eine <100>-Achse in der Ebene der Pufferschicht parallel zu einer <010>-Achse in der Si(100)-Einkristallebene des Substrats ist.
  • (4) Eine Substratstruktur für eine elektronische Vorrichtung gemäß Absatz (3), bei der, wenn der Metall-Dünnfilm ein (111)-orientierter Film ist, eine <1-10>-Achse in einer der zwei Arten von in dem Metall-Dünnfilm enthaltenen Kristallkörnern parallel zu der <100>-Achse in der Ebene der Pufferschicht ist, während eine <1-10>-Achse in der anderen der zwei Arten von Kristallkörnern parallel zu der <010>-Achse in der Ebene der Pufferschicht ist; und wenn der Metall-Dünnfilm einen (0001)-orientierter Film ist, eine<11-20>-Achse in einer der zwei Arten von in dem Metall-Dünnfilm enthaltenen Kristallkörnern parallel zu der <100>-Achse in der Ebene der Pufferschicht ist, während eine <11-20>-Achse in der anderen der zwei Arten von Kristallkörnern parallel zu der <010>-Achse in der Ebene der Pufferschicht ist.
  • (5) Eine Substratstruktur für eine elektronische Vorrichtung gemäß Absatz (4), bei der eine <11-20>-Achse in einer der zwei Arten von in dem Wurtzit-Dünnfilm enthaltenen Kristallkörnern parallel zu der <010>-Achse in der Si (100) Einkristallebene des Substrats ist, während eine <11-20>-Achse in der anderen der zwei Arten von in dem Wurtzit-Dünnfilm enthaltenen Kristallkörnern senkrecht zu der <010>-Achse in der Si(100)Einkristallebene des Substrats ist.
  • (6) Eine Substratstruktur für eine elektronische Vorrichtung nach einem der Absätze (3) bis (5), bei der die Pufferschicht Zirkoniumdioxid als Hauptbestandteil enthält.
  • (7) Eine Substratstruktur für eine elektronische Vorrichtung nach einem der Absätze (1) bis (6), bei der der Metall-Dünnfilm eine durchschnittliche Kristallkorngröße aufweist, die größer als die des Wurtzit-Dünnfilms ist.
  • (8) Eine Substratstruktur für eine elektronische Vorrichtung nach einem der Absätze (1) bis (7), bei der der Wurtzit-Dünnfilm als Hauptbestandteil zumindest ein Element enthält, das aus der aus Pt, Au, Ir, Os, Re, Pd, Rh und Ru bestehenden Gruppe ausgewählt wird.
  • (9) Eine Substratstruktur für eine elektronische Vorrichtung gemäß einem der Absätze (1) bis (8), bei der der Wurtzit-Dünnfilm entweder ein Dünnfilm vom Typ AlGalnN ist, der als Hauptbestandteile N und mindestens ein Element aufweist, das von der aus Al, Ga und In bestehenden Gruppe ausgewählt wird, oder ein Dünnfilm vom Typ ZnO ist, der als Hauptbestandteil Zinkoxid enthält.
  • (10) Eine Substratstruktur für eine elektronische Vorrichtung nach einem der Absätze (1) bis (9), bei der der Metall-Dünnfilm so vorgesehen ist, dass eine Halbwertbreite einer Reflexions-Schwenkkurve in einer (111)- oder (0002)-Ebene bei Röntgenstrahlbeugung nicht größer als 3° ist.
  • (11) Eine elektronische Vorrichtung mit der Substratstruktur eines elektronischen Bauelements, die in einem der Absätze (1) bis (10) definiert ist, und einen auf dem Wurtzit-Dünnfilm der Substratstruktur ausgebildeten zweiten Metall-Dünnfilm, wobei das Paar von Metall-Dünnfilmen, zwischen denen der Wurtzit-Dünnfilm eingeschlossen wird, als Elektroden dient.
  • (12) Elektronische Vorrichtung gemäß Absatz (11), bei der der Wurtzit-Dünnfilm eine piezoelektrische Eigenschaft aufweist, so dass die elektronische Vorrichtung als eine Dünnfilm-Volumenschwingungserzeugungseinrichtung dient.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

1 ist eine Schnittansicht, die ein Beispiel einer Ausführung der erfindungsgemäßen elektronischen Vorrichtung darstellt;

2 ist eine typische Ansicht, die Richtungen der Kristallorientierung in Ebenen eines Substrats und entsprechende Dünnfilme darstellt, wie auf dem Substrat in einer erfindungsgemäßen Substratstruktur für elektronische Bauelemente ausgebildet sind;

3 ist eine typische Ansicht, die Richtungen der Kristallorientierung in Ebenen eines Substrats und entsprechende Dünnfilme darstellt, die auf dem Substrat in einer erfindungsgemäßen Substratstruktur für elektronische Bauelemente ausgebildet sind;

4 ist eine typische Ansicht, die Richtungen der Kristallorientierung in Ebenen eines Substrats und entsprechende Dünnfilme darstellt, die auf dem Substrat in einer Substratstruktur für elektronische Bauelemente gemäß der Erfindung ausgebildet sind;

5 ist eine Schnittansicht, die ein Beispiel der Ausführung einer Dünnfilm-Volumenschwingungserzeugungseinrichtung darstellt;

6 ist eine Ansicht, die ein Beispiel eines Bedampfungssystems darstellt, das zur Produktion einer erfindungsgemäßen Substratstruktur für elektronische Bauteile verwendet wird;

7 ist eine Beugungskurve, die das Ergebnis einer &thgr;-20 Röntgenstrahlenbeugung einer in dem Beispiel hergestellten Si (100)/ZrO2/Pt/AlN Laminatstruktur darstellt;

8 ist eine Röntgenstrahlen-Schwenkkurve von Pt (111) in der im Beispiel hergestellten Si (100)/ZrO2/Pt/AlN Laminatstruktur;

9 ist eine Röntgenstrahlen-Schwenkkurve von AlN (0002) in der in dem Beispiel hergestellten Si (100)/ZrO2/Pt/AlN Laminatstruktur;

10 ist ein die Zeichnung ersetzendes Foto, das eine Kristallstruktur zeigt, das heißt ein RHEED-Muster von AlN (0001) in einer in dem Beispiel in dem Fall hergestellten Si(100)/ZrO2/Pt/AlN Laminatstruktur zeigt, wo die Achse des einfallenden Elektronenstrahls zu der Si<010>-Richtung parallel ist;

11 ist ein die Zeichnung ersetzendes Foto, das eine Kristallstruktur zeigt, das heißt ein TEM-Bild von Pt (111) in einer in dem Beispiel in dem Fall hergestellten Si (100)/ZrO2/Pt/AlN Laminatstruktur zeigt, wo Pt (111) von oben fotografiert ist;

12 ist ein die Zeichnung ersetzendes Foto, das eine Kristallstruktur zeigt, das heißt ein SEM-Bild von AlN (0001) in der in dem Beispiel in dem Fall hergestellten Si (100)/ZrO2 (001) Pt (111)/AlN (0001) Laminatstruktur zeigt, wo AlN (0001) von oben fotografiert ist; und

13 ist ein die Zeichnung ersetzendes Foto, das eine Kristallstruktur zeigt, das heißt ein TEM-Bild von AlN (0001) in der in dem Beispiel in dem Fall hergestellten Si (100)/ZrO2/Pt/AlN Laminatstruktur zeigt, wo AlN (0001) von oben fotografiert ist.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGEN

1 zeigt typischerweise ein Beispiel der Ausführung einer erfindungsgemäßen elektronischen Vorrichtung. Die in 1 gezeigte elektronische Vorrichtung enthält eine Substratstruktur für elektronische Bauelemente und einen zweiten Metall-Dünnfilm 6. Die Substratstruktur für elektronische Bauelemente enthält ein Substrat 2, eine auf dem Substrat 2 ausgebildete Pufferschicht 3 und einen auf dem Metall-Dünnfilm 4 ausgebildeten Wurtzit-Dünnfilm. Der zweite Metall-Dünnfilm 6 ist auf dem Wurtzit-Dünnfilm 5 der Substratstruktur für elektronische Bauelemente ausgebildet. Der Metall-Dünnfilm 4 und der zweite Metall-Dünnfilm 6, zwischen denen der Wurtzit-Dünnfilm 5 eingeschlossen ist, dienen als Elektroden. Das Substrat 2 besteht aus Si (100) Einkristall als Ganzes oder besitzt eine Fläche, die aus Si (100) Einkristall besteht.

Metall-Dünnfilm 4 und Wurtzit-Dünnfilm 5

Der Metall-Dünnfilm 4 besteht aus Kristall mit flächenzentrierter kubischer Struktur oder aus Kristall mit einer hexagonal dichtest gepackten Struktur. Der Wurtzit-Dünnfilm 5 besteht aus Kristall mit einer Wurtzit-Kristallstruktur.

Wenn der Metall-Dünnfilm 4 eine flächenzentrierte kubische Struktur aufweist, ist der Metall-Dünnfilm 4 ein (111)-orientierter Film mit einer (111)-Ebene, die parallel zu der Fläche des Substrats 2 orientiert ist. Wenn der Metall-Dünnfilm 4 eine hexagonal dichttest gepackte Struktur aufweist, ist der Metall-Dünnfilm 4 ein (0001)-orientierter Film mit einer (0001)-Ebene, die parallel zu der Fläche des Substrats 2 orientiert ist. Der Wurtzit-Dünnfilm 5 ist ein (0001)-orientierter Film mit einer Wurtzit-Kristallebene (0001), die parallel zu der Fläche des Substrats 2 orientiert ist.

In der Erfindung ist der Metall-Dünnfilm 4 und der Wurtzit-Dünnfilm 5 jeweils ein polykristalliner Film, der zumindest zwei Arten von Kristallkörnern enthält, die sich hinsichtlich der Richtung der Kristallorientierung in der Ebene unterscheiden. Das heißt, jeder der zwei Dünnfilme ist kein Einkristallfilm, jedoch ein einfach orientierter Film wie zum Beispiel ein (111)-orientierter Film oder ein (0001)-orientierter Film.

Der in dieser Patentbeschreibung verwendete Begriff „einfach orientierer Film" bedeutet einen Film, bei dem die Spitzenintensität der Reflexion in Ebenen außer einer Zielebene nicht höher als 10%, vorzugsweise nicht höher als 5% der maximalen Spitzenintensität der Reflexion in der Zielebene ist, wenn der Film durch Röntgenstrahlenbeugung gemessen wird. Zum Beispiel ist der einfach (0001)-orientierte Film, das heißt, der einfach c-flächenorientierte Film ein Film, bei dem die Spitzenintensität der Reflexion in Ebenen außer einer (000L)-Ebene nicht höher als 10%, vorzugsweise nicht höher als 5% der maximalen Spitzenintensität der Reflexion in der (000L)-Ebene ist, wenn der Film durch 2&thgr;-&thgr; Röntgenstrahlenbeugung gemessen wird. Nebenbei bemerkt, das in dieser Patentbeschreibung verwendete „(000L)" ist ein allgemeiner Begriff für äquivalente Ebenen wie z. B. (0001), (0002), usw. Zum Beispiel ist der einfach (111)-orientierte Film ein Film, bei dem die Spitzenintensität der Reflexion in Ebenen außer einer (LLL)-Ebene nicht höher als 10%, vorzugsweise nicht höher als 5% der maximalen Spitzenintensität der Reflexion in der (LLL)-Ebene ist. Nebenbei bemerkt, ist „(LLL)" ein allgemeiner Begriff für äquivalente Ebenen wie zum Beispiel (111), (222), usw.

Richtungen der Kristallorientierung drücken die Richtungen der Kristallgitter aus. In dem Falle eines Einkristalls sind die Richtungen aller Kristallgitter gleich. Andererseits sind die Richtungen aller Kristallgitter in dem Falle eines nicht orientierten Polykristalls im Allgemeinen gleich (d. h. die Kristallorientierung besitzt eine Richtung), jedoch ist die Richtung der Kristallorientierung in einem Einkristallkorn unterschiedlich zu denjenigen in anderen Kristallkörnern. Das heißt, die Richtung der Kristallorientierung ändert sich zufällig entsprechend den Kristallkörnern. In der Erfindung kann sich die Richtung der Kristallorientierung in dem Metall-Dünnfilm 4 und in dem Wurtzit-Dünnfilm 5 entsprechend der Kristallkörner in der gleichen Art und Weise zufällig ändern wie das allgemeine Polykristall; oder der Metall-Dünnfilm 4 und der Wurtzit-Dünnfilm 5 können jeweils eine Vielzahl von Kristallkörnern enthalten, die die gleiche Richtung der Kristallorientierung besitzen. In der Erfindung bedeutet der Satz „der Dünnfilm enthält zumindest zwei Arten von Kristallkörnern, die sich hinsichtlich der Richtung der Kristallorientierung unterscheiden", dass der Dünnfilm wenigstens zwei Arten von Kristallkörnern unter der Annahme enthält, das Kristallkörner mit der gleichen Richtung der Kristallorientierung gemeinsam als eine Art gezählt werden.

Wenn ein Metall-Dünnfilm 4 ein (111)-orientierter Film ist, ist der Wurtzit-Dünnfilm 5 auf dem Metall-Dünnfilm 4 epitaxial aufgewachsen, so dass <11-20>-Achsen in der Ebene des Wurtzit-Dünnfilms 5 parallel zur <1-10>-Achse in der Ebene des Metall-Dünnfilms 4 sind. Andererseits ist der Wurtzit-Dünnfilm 5 auf dem Metall-Dünnfilm 4 epitaxial aufgewachsen, wenn der Metall-Dünnfilm 4 ein (0001)-orientierter Film ist, so dass <11-20>-Achsen in der Ebene des Wurtzit-Dünnfilms 5 parallel zu <11-20>-Achsen in der Ebene des Metall-Dünnfilms 4 sind. Das heißt, wenn einem spezifischen Kristallkorn im (111)-orientierten Metall-Dünnfilm 4 Aufmerksamkeit geschenkt wird, ist die <1-10>-Achse des spezifischen Kristallkorns parallel zu der <11-20>-Achse des Kristallkorns des auf dem spezifischen Kristallkorn aufgewachsenen Wurtzit-Dünnfilms 5. Andererseits ist die <11-20>-Achse des spezifischen Kristallkorns parallel zu der <11-20>-Achse eines Kristallkorns des auf dem spezifischen Kristallkorn aufgewachsenen Wurtzit-Dünnfilms 5, wenn einem spezifischen Kristallkorn in dem (0001)-orientierten Metall-Dünnfilm 4 Aufmerksamkeit geschenkt wird.

Nebenbei bemerkt, wenn zum Beispiel in dieser Patentbeschreibung eine Kristallachse als <11-20> ausgedrückt wird, bedeutet „–2" eine überschriebene 2 (d. h. „2"). Was durch das Minuszeichen „–" in anderen Kristallachsen und Kristallflächen gemeint ist, ist das gleiche wie oben beschrieben.

Wenn die durchschnittliche Kristallkorngröße des Metall-Dünnfilms 4 als dM und die durchschnittliche Kristallkorngröße des Wurtzit-Dünnfilms 5 als dw ausgedrückt wird, werden dM und dW so ausgewählt, dass sie die folgende Beziehung aufweisen:

vorzugsweise 1 < dM/dW,

besser 5 ≤ dM/dW,

noch besser 10 ≤ dM/dW

Wenn ein Herstellungsverfahren, das später beschrieben werden wird, verwendet wird, ist es schwierig, dW weitestgehend zu ändern. Im Allgemeinen wird dW so gewählt, dass es in einem Bereich von 1 nm bis 100 nm, speziell in einem Bereich von 5 nm bis 50 nm, liegt. Andererseits wurde herausgefunden, dass dM verhältnismäßig leicht geändert werden kann, wenn die Herstellungsbedingung gesteuert wird. Wenn dM so gewählt wird, dass es größer als dW ist, sind viele Kristallkörner des Wurtzit-Dünnfilms 5 auf einem großen Kristallkorn des Metall-Dünnfilms 4 vorhanden. Weil die Vielzahl von Kristallkörnern auf dem großen Kristallkorn des Metall-Dünnfilms 4 epitaxial aufgewachsen ist, sind die Orientierungsrichtungen der Kristallachsen einer Vielzahl von Kristallkörnern in der Ebene des Dünnfilms die gleichen. Das heißt, die Vielzahl von Kristallkörnern kann als ein Kristall (Einkristall) als Ganzes betrachtet werden. Folglich ist die Kristallinität des Wurtzit-Dünnfilms 5 so ausgezeichnet, dass eine exzellente Eigenschaft eines elektronischen Bauelements erreicht werden kann.

Es ist jedoch schwierig, dM ungewöhnlich groß zu machen. Im Allgemeinen wird dM so gewählt, dass es in dem folgenden Bereich liegt, der reproduzierbar erzielt werden kann.

dM/dW ≤ 1000,

insbesondere dM/dW ≤ 50

Nebenbei bemerkt sind in der Vielzahl von Kristallkörnern in dem Wurtzit-Dünnfilm 5 Grenzen zwischen benachbarten Kristallkörnern klar, obwohl Orientierungsrichtungen von Kristallachsen in der Ebene der Dünnschicht die gleichen sind. Die Grenzen können durch ein Transmissionselektronenmikroskop (TEM) bestätigt werden. In einer sekundären Elektronenabbildung eines Rasterelektronenmikroskops sind nach außen gewölbte Kristallkörner so angeordnet, dass Kristallkorngrenzen wie Vertiefungen geschwächt sind.

In dieser Patentbeschreibung wird die durchschnittliche Kristallkorngröße wie folgt berechnet. Zuerst wird in einer TEM-Abbildung der Bereich eines Betrachtungsfeldes durch die Anzahl von in dem Betrachtungsfeld enthaltenen Kristallkörnern geteilt, um dadurch eine durchschnittliche Fläche pro Kristallkorn zu berechnen. Anschließend, während ein Kreis mit durchschnittlicher Fläche angenommen wird, wird der Durchmesser des Kreises als eine durchschnittliche Kristallkorngröße berechnet.

Wie oben beschrieben, können Richtungen der Kristallorientierung in der Ebene des Metall-Dünnfilms 4 zufällig sein. In dieser Erfindung kann eine entsprechende Pufferschicht 3 vorgesehen werden, so dass der Metall-Dünnfilm 4, der nur zwei Arten von Kristallkörnern aufweist, die in der Richtung der Kristallorientierung in der Ebene unterschiedlich sind, reproduzierbar ausgebildet werden kann wie es nachstehend beschrieben wird.

2 und 3 zeigen die Orientierung von Kristallachsen in der Ebene jeweils des Substrats 2, der Pufferschicht 3, des Metall-Dünnfilms 4 und des Wurtzit-Dünnfilms 5 durch Verwendung von Polygonen, die durch Oberflächenatome gebildet werden. In 2 besteht der Metall-Dünnfilm 4 aus Kristall mit einer flächenzentrierten kubischen Struktur. In 3 besteht der Metall-Dünnfilm 4 aus Kristall mit einer hexagonal dichtest gepackten Struktur.

Weil die Differenz der Gitterkonstanten zwischen der (100)-Ebene des Substrats 2 und der (001)-Ebene der Pufferschicht 3 klein ist, das heißt, weil eine in JP-A-11-260835 beschriebene Gitterfehlanpassung klein ist, ist die Pufferschicht 3 epitaxial aufgewachsen, so dass das Quadrat in der (001)-Ebene der Pufferschicht 3 auf dem Quadrat in der Si(100)-Ebene des Substrats 2 angehäuft ist.

In 2 ist der Metall-Dünnfilm 4 epitaxial aufgewachsen, weil die Differenz der Gitterkonstanten zwischen der (001)-Ebene der Pufferschicht 3 und der (111)-Ebene des Metall-Dünnfilms 4 klein ist, so dass jedes Sechseck in der (111)-Ebene des Metall-Dünnfilms 4 auf dem Quadrat in der (001)-Ebene der Pufferschicht 3 angehäuft wird. Nebenbei bemerkt sind Sechsecke in der (111)-Ebene in zwei Richtungsarten, wie in 2 dargestellt, vorgesehen, weil eine Seite jedes Sechsecks in der (111)-Ebene in hohem Maße jeder der zwei senkrechten Seiten des Quadrat in der (001)-Ebene entspricht. Das heißt, deren Metall-Dünnfilm 4 besteht aus zwei Arten von Kristallkörnern, die senkrecht zueinander stehende <1-10>-Achsen besitzen.

3 ist die gleiche wie 2, außer dass jedes Sechseck in dem Metall-Dünnfilm 4 in der (0001)-Ebene liegt. Sechsecke in der (0001)-Ebene sind in zwei Richtungsarten in der gleichen Weise wie in 2 vorgesehen. In diesem Fall besteht der Metall-Dünnfilm 4 aus zwei Arten von Kristallkörnern, die senkrecht zueinander stehende Achsen besitzen.

Das Verhältnis der Anzahl von in der einen Art enthaltenen Kristallkörnern zu der gesamten Anzahl von Kristallkörnern, die in den jeweils in 2 und 3 dargestellten Arten von Kristallkörnern enthalten sind, ist nicht besonders beschränkt, sondern wird im Allgemeinen so gewählt, dass es in einem Bereich von 0,1 bis 0,9 liegt.

Der Wurtzit-Dünnfilm 5 ist epitaxial aufgewachsen, so dass Sechsecke in der (0001)-Ebene des Wurtzit-Dünnfilms 5 auf den Sechsecken in der (111)-Ebene des Metall-Dünnfilms 4 angehäuft werden. Folglich ist der Wurtzit-Dünnfilm 5 in 2 auf dem Metall-Dünnfilm 4 epitaxial aufgewachsen, so dass <11-20>-Achsen in der Ebene des Wurtzit-Dünnfilms 5 parallel zu <1-10>-Achsen in der Ebene des Metall-Dünnfilms 4 sind. In 3 ist der Wurtzit-Dünnfilm 5 auf dem Metall-Dünnfilm 4 epitaxial aufgewachsen, so dass <11-20>-Achsen in der Ebene des Wurtzit-Dünnfilms 5 parallel zu <11-20>-Achsen in der Ebene des Metall-Dünnfilms 4 sind.

In jeder der 2 und 3 ist die <11-20>-Achse von einer der zwei Arten von in dem Wurtzit-Dünnfilm 5 enthaltenen Kristallkörnern parallel zu der <010>-Achse in der Si(100)-Einkristallebene des Substrats 2, wogegen die <11-20>-Achse der anderen der zwei Arten von in dem Wurtzit-Dünnfilm 5 enthaltenen Kristallkörnern senkrecht zu der <010>-Achse in der Si(100)-Einkristallebene des Substrats 2 ist.

Nebenbei bemerkt, kann bei den eigentlichen Dünnschichten eine Verzerrung in den Kristallgittern auftreten. Aus diesem Grund können Kristallachsen, die in dieser Patentbeschreibung als senkrecht oder parallel zueinander ausgedrückt sind, nicht strikt senkrecht oder parallel zueinander sein. Das in dieser Erfindung verwendete Konzept „senkrecht" oder „parallel" erlaubt jedoch eine sehr kleine Verschiebung von „senkrecht" oder „parallel", wie es durch Gitterstörung oder dergleichen verursacht wird.

In der erfindungsgemäßen Substratstruktur für eine elektronische Vorrichtung funktioniert der Metall-Dünnfilm hauptsächlich wie eine Elektrode. In einem elektronischen Bauteil wie zum Beispiel ein optischer Modulator, eine Dünnfilm-Volumenschwingungserzeugungseinrichtung, usw., die einen Dünnfilm vom Typ einer Wurtzit-Verbindung wie ZnO oder AlN als funktionale Dünnschicht verwenden, wird ein elektrisches Feld in Richtung der Dicke der funktionalen Dünnschicht angelegt, um dadurch die Funktionen des elektronischen Bauteils zu beeinflussen. Bei einem solchen Verwendungszweck ist es notwendig, eine Elektrode unter der funktionalen dünnen Schicht vorzusehen. In einer Licht emittierenden Vorrichtung wie eine LED oder Laserdiode ist es wichtig, die Leuchtdichte hoch zu machen. Obwohl eine Zunahme der Leuchtdichte durch Erhöhung der Qualität eines Halbleiter-Dünnfilms erzielt werden kann, kann eine Zunahme der Leuchtdichte leicht erzielt werden, wenn in der Vorrichtung eine Funktion zum Reflektieren von emittiertem Licht vorgesehen ist. Zum Beispiel kann ein Dünnfilm, der als eine reflektierende Schicht dient, in einer passenden Position in der Vorrichtung angeordnet werden, so dass eine Emission von ausgesendetem Licht außerhalb der Vorrichtung unterstützt werden kann. Der erfindungsgemäße Metall-Dünnfilm kann wie eine reflektierende Schicht funktionieren. Darüber hinaus verhindert der Metall-Dünnfilm wirksam, dass ein auf dem Metall-Dünnfilm ausgebildeter Dünnfilm reißt.

Außerdem spielt der Metall-Dünnfilm beim Ausbilden des Dünnfilms als hochkristalliner Dünnfilm eine Rolle, wenn die Gitterkonstante des Metall-Dünnfilms vorzugsweise so hergestellt wird, dass sie der Gitterkonstanten eines auf dem Metall-Dünnfilm auszubildenden Dünnfilms entspricht. Deshalb ist es vorzuziehen, dass der Metall-Dünnfilm eine ausgezeichnete Kristallinität und Oberflächenebenheit aufweist.

Zur Herstellung einer Substratstruktur für elektronische Bauelemente mit ausgezeichneten Eigenschaften ist es besser, dass der Metall-Dünnfilm 4 und der Wurtzit-Dünnfilm 5 eine ausgezeichnete Kristallinität und Oberflächenebenheit aufweisen. Speziell hat der Metall-Dünnfilm 4 vorzugsweise eine solche Kristallinität, dass die Halbwertbreite einer Reflexions-Schwenkkurve in einer (111)-Ebene der flächenzentrierten kubischen Struktur oder in einer (0002)-Ebene der hexagonal dichtest gepackten Struktur bei Röntgenstrahlenbeugung nicht größer als etwa 3° ist, wogegen der Wurtzit-Dünnfilm 5 vorzugsweise eine solche Kristallinität aufweist, dass die Halbwertbreit einer Reflexions-Schwenkkurve in einer (0002)-Ebene bei Röntgenstrahlenbeugung nicht größer als etwa 3° ist.

Die untere Grenze der Halbwertbreite der Schwenkkurve muss jeweils in dem Metall-Dünnfilm 4 und in dem Wurtzit-Dünnfilm 5 nicht besonders eingestellt werden. Obwohl es vorzuziehen ist, dass die untere Grenze so klein wie möglich ist, ist die untere Grenze der Halbwertbreite der Schwenkkurve momentan im Allgemeinen etwa 0,5°.

Nebenbei bemerkt können die Oberflächen der dünnen Filme poliert werden, damit sie eine verbesserte Ebenheit besitzen. Als Polieren kann das chemische Polieren genutzt werden, indem eine alkalische Lösung oder dergleichen eingesetzt wird, mechanisches Polieren, indem kolloidales Siliziumoxid oder dergleichen eingesetzt wird, oder es kann eine Kombination von chemischem Polieren und mechanischem Polieren genutzt werden.

Vorzugsweise enthält der Metall-Dünnfilm 4 als Hauptbestandteil zumindest ein Element, das von der aus Pt, Au, Ir, Os, Re, Pd, Rh und Ru bestehenden Gruppe ausgewählt wird. Vorzugsweise besteht der Metall-Dünnfilm 4 aus einem einzigen Metall, das aus der Gruppe ausgewählt wird, oder aus einer Legierung, die die aus der Gruppe ausgewählten Metalle enthält. Nebenbei bemerkt bilden Pt, Au, Ir, Pd und Rh eine flächenzentrierte kubische Struktur, wogegen Os, Re und Ru eine hexagonal dichtest gepackte Struktur bilden.

Die Dicke des Metall-Dünnfilms ändert sich entsprechend dem Verwendungszweck. Die Dicke des Metall-Dünnfilms ist so gewählt, dass sie vorzugsweise in einem Bereich von 5 nm bis 500 nm, besser in einem Bereich von 50 nm bis 250 nm, liegt. Die Dicke des Metall-Dünnfilms wird vorzugsweise auf einen solchen Grad reduziert, dass sowohl die Kristallinität als auch die Oberflächenebenheit nicht schlecht werden. Spezieller wird die Dicke der Metall-Dünnschicht vorzugsweise so gewählt, dass sie nicht kleiner als 30 nm ist, um die Funktion des Metall-Dünnfilms als einen reflektierenden Spiegel tauglich zu machen. Wenn die Dicke nicht größer als 100 nm ist, kann ein ausreichendes Reflexionsvermögen erreicht werden. Damit der Metall-Dünnfilm als Elektrode ausreichend funktioniert, wird die Dicke des Metall-Dünnfilms vorzugsweise so gewählt, dass sie in einem Bereich von 50 nm bis 500 nm liegt.

Die Zusammensetzung des Wurtzit-Dünnfilms 5 ist nicht besonders eingeschränkt, kann jedoch geeignet festgelegt werden, so dass die für die Substratstruktur für elektronische Bauelemente benötigte Eigenschaft als ein Ziel erreicht werden kann. Zum Beispiel kann die Zusammensetzung entsprechend Gitterkonstante und Wärmeausdehnungskoeffizient eines auf der Substratstruktur des elektronischen Bauelements zu bildenden Dünnfilms ausgewählt werden, weil Gitterkonstanten und Wärmeausdehnungskoeffizienten durch die Zusammensetzung eingestellt werden können. Vorzugsweise wird der Wurtzit-Dünnfilm 5 durch einen Dünnfilm vom Typ AlGalnN oder durch einen Dünnfilm vom ZnO-Typ gebildet, wie es nachstehend beschrieben wird.

Der Dünnfilm vom AlGalnN-Typ enthält als Hauptbestandteile N und zumindest ein Element, das von der aus Al, Ga und In bestehenden Gruppe ausgewählt wird. Die Zusammensetzung des Dünnfilms vom AlGalnN-Typ ist nicht besonders eingeschränkt, jedoch besitzt der Dünnfilm vom AlGalnN-Typ vorzugsweise eine Zusammensetzung, die im Wesentlichen durch GaxInyAl1-x-yN (0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ x ≤ 1) dargestellt wird. Der Dünnfilm vom AlGalnN-Typ kann ein Halbleiter-Dünnfilm vom n-Typ oder p-Typ sein. Wenn der Dünnfilm vom AlGalnN-Typ als ein Halbleiter-Dünnfilm vorgesehen ist, kann der AlGalnN-Dünnfilm als Teil eines Nitrid-Halbleiterbauelements verwendet werden. Wenn dem als ein Halbleiter ausgebildeten GaxInyAl1-x-yN zum Beispiel ein bekanntes Dotierungselement wie Si oder Mg beigemengt wird, kann der Dünnfilm vom AlGalnN-Typ als ein Halbleiterfilm zur Verfügung gestellt werden. Der Dünnfilm vom AlGalnN-Typ kann als mehrschichtiger Dünnfilm ausgebildet werden, so dass der AlGalnN-Dünnfilm p-n-Übergänge oder doppelte Heteroübergänge aufweist. Der ZnO-Dünnfilm enthält Zinkoxid als Hauptbestandteil. Vorzugsweise besteht der ZnO-Dünnfilm im Wesentlichen aus ZnO. Wenn der ZnO-Dünnfilm um Li ergänzt wird, erhöht sich der Widerstand oder es tritt Ferroelektrizität auf. Deshalb kann dem ZnO-Dünnfilm, wenn es der Anlass erfordert, Li oder Li-Oxid beigemengt werden.

Die Dicke des Wurtzit-Dünnfilms 5 wird so gewählt, dass sie vorzugsweise in einem Bereich von 5 nm bis 50 &mgr;m, besser in einem Bereich von 0,1 &mgr;m bis 10 &mgr;m, liegt. Wenn der Wurtzit-Dünnfilm 5 zu dünn ist, kann keine Substratstruktur für elektronische Bauelemente mit ausgezeichneten Eigenschaften entsprechend dem Verwendungszweck erhalten werden. Andererseits wird die Produktionsleistung gesenkt, wenn der Wurtzit-Dünnfilm 5 zu dick ist. Nebenbei bemerkt wird die Dicke des Wurtzit-Dünnfilms 5 vorzugsweise so gewählt, dass sie nicht kleiner als etwa 3 &mgr;m ist, wenn die erfindungsgemäße Substratstruktur für eine elektronische Vorrichtung als Substrat für ein SAW-Bauelement genutzt wird, so dass die durch den Wurtzit-Dünnfilm 5 verbreitete akustische Oberflächenwelle nicht durch das Si-Substrat mit langsamer Ausbreitungsgeschwindigkeit beeinflusst wird.

Der Wurtzit-Dünnfilm 5 kann ein Laminat von zwei oder mehreren Arten von Dünnfilmen mit unterschiedlicher Zusammensetzung sein oder kann ein Gradientstruktur-Film sein, der eine Zusammensetzung aufweist, die sich in Richtung der Dicke des Films allmählich verändert.

Pufferschicht 3

Zusammensetzung und Kristallinität der Pufferschicht 3 werden entsprechend dem auf der Pufferschicht 3 auszubildenden Metall-Dünnfilm 4 geeignet ausgewählt.

Wenn der Metall-Dünnfilm 4 als polykristalliner Dünnfilm gebildet werden soll, in dem die Richtungen der Kristallorientierung in der Ebene zufällig sind, kann die Pufferschicht 3 aus Siliziumoxid wie SiO2, Siliziumnitrid wie Si3N4, Aluminiumoxid wie Al2O3 oder Aluminiumnitrid wie AlN bestehen. Als Material zum Bilden der Pufferschicht 3 kann Oxid, Nitrid oder sauerstoffhaltiges Nitrid verwendet werden, die zwei oder mehrere Arten von Verbindungen enthalten, die aus diesen Oxiden und Nitriden ausgewählt sind. Speziell ist Aluminiumnitrid vorzugsweise kristallin, und andere Verbindungen sind vorzugsweise amorph.

Wenn der Metall-Dünnfilm 4 so ausgebildet ist, dass er zwei Arten von Kristallkörnern enthält, die sich hinsichtlich der Richtung der Kristallorientierung in der Ebene unterscheiden wie es jeweils in den 2 und 3 dargestellt ist, wird vorzugsweise eine Pufferschicht 3 zur Verfügung gestellt, die Zirkoniumdioxid als Hauptkomponente enthält.

Obwohl die Zirkoniumdioxid als Hauptbestandteil enthaltende Pufferschicht 3 am besten nur aus Zirkoniumdioxid wie ZrO2 hergestellt wird, kann die Pufferschicht 3 aus stabilisierter Zirkonerde, die ein Oxid eines Seltenerdelements enthält, hergestellt werden. In dieser Patentbeschreibung ist das "Seltenerdelement" ein Element, das von der aus Lanthanoiden, Sc und Y bestehenden Gruppe ausgewählt wird.

Als Oxid des Seltenerdelements wird vorzugsweise zumindest ein Element von der aus Yb2O3, Tm2O3, Er2O3, Y2O3, Ho2O3, Gd2O3, Dy2O3, Tb2O3, Pr2O3, Nd2O3, CeO2, Eu2O3, Sm2O3, La2O3, Sc2O3 und Lu2O3 bestehenden Gruppe ausgewählt. Bei Berücksichtigung, dass die Gitterkonstante einem auf der Pufferschicht zu bildenden Dünnfilm entspricht, wird ein Element besser von der aus Yb2O3, Sc2O3 und Lu2O3 bestehenden Gruppe ausgewählt. Wenn zwei oder mehrere Arten von Seltenerdelementen enthalten sind, ist deren Verhältnis optional.

Obwohl die Zirkoniumdioxid als Hauptbestandteil enthaltende Pufferschicht 3 vorzugsweise aus einem Oxid mit stöchiometrischer Zusammensetzung hergestellt wird, kann das Oxid von einer solchen stöchiometrischen Zusammensetzung abweichen.

ZrO2 erzeugt eine Phasenumwandlung von einer kubischen Struktur → tetragonale Struktur → monokline Struktur, wenn sich die Temperatur von Hochtemperatur auf Raumtemperatur ändert. Das durch Hinzufügen eines Seltenerdelements zu dem ZrO2 erhaltene Material zum Stabilisieren der kubischen Struktur ist stabilisierte Zirkonerde. Die Kristallinität von Zr1-xRxO2-2x-Dünnfilmen ist von dem Bereich von x abhängig. Wie in Jpn. J. Appl. Phy., 27 (8)L1404–L1405, (1988) berichtet wird, wird in dem Bereich der Zusammensetzung, bei dem x kleiner als 0,2 ist, tetragonales oder monoklines Kristall hergestellt.

Zum Bilden des Metall-Dünnfilms 4 mit Richtungen der Kristallorientierung, die jeweils in 2 und 3 dargestellt sind, ist es vorzuziehen, dass die Zirkoniumdioxid als Hauptbestandteil enthaltende Pufferschicht 3 ein (001)-orientierter Dünnfilm ist, der eine monokline oder tetragonale Struktur besitzt sowie eine (001)-Ebene aufweist, die parallel zu dem Substrat 2 ausgerichtet ist. Es ist besonders vorzuziehen, dass die Pufferschicht 3 als monokline (001)-orientierte Dünnschicht ausgebildet wird.

In der Zirkoniumdioxid als Hauptbestandteil enthaltenden Pufferschicht 3 erhöht sich der Isolationswiderstand, wenn die Reinheit von Zirkoniumdioxid zunimmt, so dass Ableitstrom reduziert wird. Wenn Isolationseigenschaft gefordert wird, ist es daher besser, dass die Reinheit von Zirkoniumdioxid hoch ist. Der prozentuale Anteil von Zr in den Grundbestandteilen außer Sauerstoff in dem Dünnfilm wird so gewählt, dass er vorzugsweise höher als 93 Mol-%, besser nicht geringer als 95 Mol-%, noch besser nicht geringer als 98 Mol-%, am besten nicht geringer als 99,5 Mol-% ist. In dem Dünnfilm mit Zirkoniumdioxid von hohem Reinheitsgrad sind die Bestandteile außer Sauerstoff und Zr im Allgemeinen Seltenerdelemente, P, usw. Nebenbei bemerkt beträgt die obere Grenze des prozentualen Anteils von Zr im Augenblick etwa 99,99 Mol-%. Weil ZrO2 und HfO2 durch das gegenwärtige hoch reinigende Verfahren kaum voneinander getrennt werden können, wird die Reinheit von ZrO2 einschließlich HfO2 normalerweise als die Reinheit von ZrO2 betrachtet. Folglich ist die Reinheit von ZrO2 in dieser Patentbeschreibung ein Wert, der aus der Annahme berechnet wird, das Hf und Zr als ein Element betrachtet werden. Es gibt jedoch kein Problem, weil HfO2 die gleiche Funktion wie ZrO2 in der Pufferschicht 3 nach dieser Erfindung besitzt.

Eine Beimischung zum Verbessern von Eigenschaften kann in die Zirkoniumdioxid als Hauptbestandteil enthaltende Pufferschicht 3 eingeleitet werden. Wenn die Pufferschicht 3 zum Beispiel mit einem alkalischen Seltenerdmetall wie Ca oder Mg dotiert ist, können Feinlunker des Dünnfilms reduziert werden, um den Ableitstrom zu unterdrücken. Des Weiteren ist ein Element wie Al oder Si wirksam, um die Widerstandsfähigkeit des Films zu verbessern. Außerdem kann ein Übergangselement wie Mn, Fe, Co oder Ni ein Unreinheitsniveau (Fangstellenniveau) in dem Film bilden und durch Verwendung dieses Niveaus die Leiteigenschaften elektrisch steuern.

Die Dicke der Zirkoniumdioxid als Hauptbestandteil enthaltenden Pufferschicht 3 wird so gewählt, dass sie vorzugsweise in einem Bereich von 5 nm bis 500 nm, besser in einem Bereich von 10 nm bis 50 nm, liegt. Falls die Pufferschicht 3 zu dünn oder zu dick ist, ist es schwierig, Kristallinität, Oberflächenebenheit und Isolationseigenschaft gleichzeitig zu erfüllen. Andererseits wird die Dicke der Pufferschicht des anderen Typs, das heißt die aus Siliziumoxid oder dergleichen hergestellte Pufferschicht, ebenfalls vorzugsweise so gewählt, dass sie in dem gleichen Bereich liegt wie die Dicke der Zirkoniumdioxid als Hauptbestandteil enthaltenden Pufferschicht bei Berücksichtigung von Oberflächenebenheit und Isoliereigenschaft.

Nebenbei bemerkt kann die Pufferschicht ein Laminat sein, das derart ausgebildet ist, dass zwei oder mehrere Arten von in der Zusammensetzung unterschiedlichen Dünnfilmen als zwei oder mehrere Schichten laminiert werden. Oder die Pufferschicht kann eine Dünnschicht mit Gradientenstruktur sein, die eine Zusammensetzung aufweist, die sich allmählich in Richtung der Dicke des Dünnfilms ändert. Beispiele der laminierten Pufferschicht umfassen: ein Laminat, das so ausgebildet ist, dass Dünnfilme aus Siliziumoxid und Aluminiumnitrid abwechselnd als zwei Schichten oder als drei oder mehrere Schichten laminiert werden; und ein Laminat, das so ausgebildet ist, dass Dünnfilme aus Siliziumnitrid und Aluminiumnitrid abwechselnd als zwei Schichten oder als drei oder mehrere Schichten laminiert werden. Die Reihenfolge der Laminierung der jeweiligen Dünnfilme in jeder laminierten Pufferschicht ist nicht speziell beschränkt. Wenn die laminierte Pufferschicht auf eine Dünnfilm-Schwingungserzeugungseinrichtung angewandt wird, kann die Pufferschicht wie eine akustische Reflexionsschicht funktionieren. In diesem Falle wird die Dicke von jedem Dünnfilmbestandteil der Pufferschicht vorzugsweise so gewählt, dass sie etwa ein Viertel so groß ist wie die Wellenlänge einer zu reflektierenden akustischen Welle.

Substrat 2

Eine Fläche des Substrats 2 wird durch eine (100)-Ebene eines Silizium-Einkristalls gebildet. Die Gesamtheit des Substrats 2 kann aus einem Si(100)-Einkristall hergestellt werden, oder es kann nur die Fläche des Substrats 2 aus einem Si(100)-Einkristall hergestellt werden. Verschiedene Arten von auf dem Substrat 2 ausgebildeten Dünnfilmen können dem Zustand entsprechend reißen. Die Dicke des Substrat 2 kann so gewählt werden, dass sie vorzugsweise in einem Bereich von etwa 10 &mgr;m bis etwa 100 &mgr;m, besser in einem Bereich von etwa 25 &mgr;m bis etwa 70 &mgr;m liegt, so dass verhindert werden kann, dass verschiedene Arten von Dünnfilmen reißen.

Das in dieser Erfindung verwendete Si-Einkristallsubstrat ist billiger als ein Saphirsubstrat und ein SiC-Einkristallsubstrat. Folglich kann eine preiswerte Substratstruktur für elektronische Bauelemente zur Verfügung gestellt werden.

Elektronische Vorrichtung

Die erfindungsgemäße Substratstruktur für eine elektronische Vorrichtung kann verwendet werden so wie sie ist oder kann in Kombination mit einem zweiten Metall-Dünnfilm 6, der auf dem Wurtzit-Dünnfilm 5 vorgesehen ist, verwendet werden. Wie oben beschrieben ist, kann die Substratstruktur für eine elektronische Vorrichtung auf verschiedene Geräte wie zum Beispiel ein Permanentspeicher, ein Infrarotsender, ein optischer Modulator, ein optischer Schalter, ein OEIC, ein SQUID (supraleitendes Quanteninterferometer), ein Josephson-Bauelement, ein supraleitender Transistor, ein Sensor für elektromagnetische Wellen, eine supraleitende Verdrahtung hoher Integration, ein SAW-Bauelement, Zusammenrolleinrichtung (Convolver), ein Kollimator, ein Speicherbauelement, ein Bildscanner, eine Dünnfilm-Volumenschwingungserzeugungseinrichtung, verschiedene Filterarten, usw. sowie eine LED und eine Laserdiode angewendet werden.

Dünnfilm-Volumenschwingungserzeugungseinrichtung

5 zeigt ein Beispiel der Ausführung einer Dünnfilm-Volumenschwingungserzeugungseinrichtung als Beispiel einer elektronischen Vorrichtung mit einem funktionalen Dünnfilm wie zum Beispiel ein auf einem Si-Substrat vorgesehener piezoelektrischer Dünnfilm.

Die in 5 gezeigte Dünnfilm-Volumenschwingungserzeugungseinrichtung umfasst: ein Substrat 2, das aus einem Silizium(100)-Einkristall besteht und ein darin ausgebildetes Kontaktloch 1 aufweist; eine auf dem Substrat 2 gebildete Pufferschicht 3; einen auf der Pufferschicht 3 ausgebildeten Metall-Dünnfilm 4 (untere Elektrode); einen auf dem Metall-Dünnfilm 4 ausgebildeten Wurtzit-Dünnfilm 5 (piezoelektrischer Dünnfilm); und einen auf dem Wurtzit-Dünnfilm 5 ausgebildeten zweiten Metall-Dünnfilm 6 (obere Elektrode). Das Kontaktloch 1 wird durch anisotropes Ätzen eines Si(100)-Einkristalls von der Unterseite in 5 ausgebildet. Das Kontaktloch 1 und Dünnfilme, die über dem Kontaktloch 1 laminiert werden, bilden eine Membran. Die untere Fläche des Substrats 2 wird mit einer unteren Fläche einer kompakten Baugruppe 11 durch ein Mittel 10 zum Chipbonden verbunden. Ein oberer Abschnitt der kompakten Baugruppe 11 wird mit einer Abdeckung 13 verschlossen. Nebenbei bemerkt wird diese Struktur wie folgt hergestellt. Auf dem Substrat werden entsprechende Dünnfilme ausgebildet. Nachdem das Substrat geätzt ist, wird es mit den entsprechenden Dünnfilmen durch eine Plättchenschneidemaschine in Chips geteilt. Einer der Chips wird mit der kompakten Baugruppe verbunden, um dadurch diese Struktur zu erzeugen. In der kompakten Baugruppe 11 sind außen liegende Verbindungsklemmen A und B, die nach außen in Verbindung stehen, angeordnet. Die außen liegenden Verbindungsklemmen A und B sind durch Drähte 12 jeweils mit dem Metall-Dünnfilm 4 und dem zweiten Metall-Dünnfilm 6 elektrisch verbunden.

Weil es notwendig ist, das Kontaktloch 1 durch anisotopes Ätzen eines Si-Einkristalls zu bilden, wird das Substrat 2 aus einem Si(100)-Einkristall hergestellt, das eine kubische (100)-Ebene aufweist, die parallel zu der Substratfläche ausgerichtet ist.

Nitrid-Halbleiterbauelement

Wenn der Wurtzit-Dünnfilm 5 nach der Erfindung aus einem als ein Halbleiter vorgesehenem Wurtzit-Nitrid besteht, kann ein Halbleitersubstrat zur Verfügung gestellt werden, das einen Halbleiter-Dünnfilm aus Nitrid aufweist.

Wenn die erfindungsgemäße Substratstruktur für eine elektronische Vorrichtung auf ein Nitrid-Halbleiterbauelement angewandt wird, kann eine Ausführung vorzugsweise so hergestellt werden, dass der aus Nitrid bestehende Wurtzit-Dünnfilm zu einem Halbleiter-Dünnfilm verarbeitet wird. Wenn es der Anlass erfordert, kann eine Ausführung hergestellt werden, so dass auf dem Wurtzit-Dünnfilm eine Nitrid-Halbleiterschicht ausgebildet wird. Anschließend wird die Substratstruktur für eine elektronische Vorrichtung um eine Elektrode oder dergleichen ergänzt, um dadurch ein Nitrid-Halbleiterbauelement zu bilden.

Der Grund, weshalb des Weiteren eine Nitrid-Halbleiterschicht auf dem aus Nitrid bestehenden Wurtzit-Dünnfilm ausgebildet wird, ist folgender. Wenn die Substrattemperatur zur Zeit der Bildung des Wurtzit-Dünnfilms aus Nitrid hoch ist, ist es verhältnismäßig schwierig, einen Wachstumskern homogen zu bilden, so dass es schwer ist, eine gute Oberflächenebenheit zu erhalten. Andererseits, wenn die Substrattemperatur niedrig ist, ist es relativ schwierig, eine gute Kristallinität zu erhalten, obwohl ein Wachstumskern homogen ausgebildet werden kann. Folglich kann, wenn es schwierig ist, in dem durch einen Einzelnitrid-Dünnfilm gebildeten Wurtzit-Dünnfilm gleichzeitig gute Oberflächenebenheit und hohe Kristallinität zu erzielen, der Wurtzit-Dünnfilm aus Nitrid bei relativ niedriger Temperatur als eine Grundierung ausgebildet werden, bevor eine Nitrid-Halbleiterschicht bei relativ hoher Temperatur auf der Grundierung ausgebildet wird. In diesem Falle kann die Zusammensetzung des Wurtzit-Dünnfilms und der Nitrid-Halbleiterschicht unterschiedlich sein oder kann die gleiche Zusammensetzung aufweisen.

Die Nitrid-Halbleiterschicht kann in der gleichen Weise wie der als ein Halbleiterfilm vorgesehene AlGalnN-Dünnfilm ausgebildet werden. Die Dicke der Nitrid-Halbleiterschicht ändert sich entsprechend ihrer Funktion, ist jedoch im Allgemeinen so gewählt, dass sie in einem Bereich von etwa 2 &mgr;m bis etwa 5 &mgr;m liegt.

Der Verwendungszweck des Nitrid-Halbleiterbauelements, der die Substratstruktur für eine elektronische Vorrichtung gemäß der Erfindung nutzt, ist nicht speziell beschränkt. Das Nitrid-Halbleiterbauelement kann vorzugsweise für verschiedene Verwendungszwecke genutzt werden, um die hohe Kristallinität und Ebenheit der Nitrid-Halbleiterschicht zu nutzen. Spezieller kann zum Beispiel auf einer Nitrid-Halbleiterschicht eine Schottky-Elektrode ausgebildet werden, um eine Schottky-Diode zu bilden. Zum Bilden von mindestens einem p-n-Übergang kann eine Vielzahl von Nitrid-Halbleiterschichten vorgesehen werden, um dadurch eine Diode, einen Transistor, eine Solarzelle oder dergleichen herzustellen. Es kann des Weiteren eine aktive Schicht vorgesehen werden, um eine Licht aussendende Diode herzustellen. Es kann eine Resonanzstruktur gebildet werden, um eine Leserdiode zu erzeugen.

Herstellungsverfahren

Bei der Herstellung der erfindungsgemäßen Substratstruktur für eine elektronische Vorrichtung besteht keine besondere Einschränkung hinsichtlich des Verfahrens zum Bilden jeder Dünnschicht. Nach dem in der JP-A-8-109099 beschriebenen Verfahren wird vorzugsweise Aufdampfung eingesetzt, um die Pufferschicht und den Metall-Dünnfilm zu bilden. Vorzugsweise wird zum Bilden des Wurtzit-Dünnfilms ein Sputterverfahren, das MOVPE-Verfahren (metallorganische Bedampfungs-Epitaxie) oder ein MBE-Verfahren (Molekularstrahlepitaxie) eingesetzt. Besonders vorzuziehen ist ein Sputterverfahren, das zum Bilden des Wurtzit-Dünnfilms eingesetzt wird. Bei dem MOVPE-Verfahren ist es notwendig, die Substrattemperatur auf etwa 1000°C anzuheben. Entsprechend dem Versuch der Erfinder wurde jedoch herausgefunden, dass der Wurtzit-Dünnfilm hoher Kristallinität durch das Sputter-Verfahren ohne die Notwendigkeit ausgebildet werden kann, das Substrat von außen zu erhitzen. Nebenbei bemerkt kann das Substrat vorzugsweise auf eine Temperatur von nicht geringer als 200°C erhitzt werden, um die Kristallinität zu erhöhen. Nicht speziell vorgesehen ist die obere Grenze der Temperatur zum Erhitzen des Substrats. Die Temperatur zum Erhitzen des Substrats braucht nicht höher als 800°C zu sein, weil es schwierig ist, das Substrat auf eine Temperatur zu erhitzen, die hoher als 800°C ist, wenn eine elektrische Heizvorrichtung, die eine gewöhnliche Heizeinheit ist, verwendet wird; und weil die Kristallinität des Wurtzit-Dünnfilms auch in dem Falle nicht bedeutend verbessert ist, wenn das Substrat auf eine Temperatur von höher als 800°C erhitzt wird. Das Sputter-Verfahren ist dadurch anders als das MOVPE-Verfahren, als dass es leicht ist, die auf den Dünnfilm aufgebrachte innere Spannung zu reduzieren, weil die innere Spannung auf der Basis verschiedener Arten von Bedingungen wie Gasdruck, Substrat-Target-Abstand, Eingangsleistung, usw. ungehindert gesteuert werden kann.

Nach der Erfindung wird der Metall-Dünnfilm 4 vorzugsweise unter der folgenden Bedingung gebildet, um die durchschnittliche Kristallkorngröße dM des Metall-Dünnfilms 4 zu vergrößern und dadurch das Verhältnis dM/dW zu erhöhen, damit zwei Arten von Kristallkörnern gebildet werden, die sich hinsichtlich der Richtung der Kristallorientierung in der Ebene unterscheiden wie es in 2 und 3 dargestellt ist.

Mit dieser Bedingung wird bei einer ersten Bildungsstufe, wenn der Metall-Dünnfilm 4 durch ein Bedampfungsverfahren ausgebildet wird, zuerst ein Sauerstoffplasma in eine Vakuumkammer eingeleitet. Zum Beispiel kann ein elektrisches hochfrequentes Feld an der Innenseite der Vakuumkammer angelegt werden, während Sauerstoffgas in die Vakuumkammer eingeleitet wird, um dadurch eine Einleitung von Sauerstoffplasma durchzuführen. Die Dauer der Einleitung von Sauerstoffplasma ist vorzugsweise als eine Periode von einem Zeitpunkt eingestellt, wenn die Bildung des Metall-Dünnfilms 4 beginnt (d. h. die Dicke des Metall-Dünnfilms 4 ist Null), bis zu einem Zeitpunkt, bei dem die Dicke des Metall-Dünnfilms 4 einen Bereich von 1 nm bis 50 nm, speziell einen Bereich von 5 nm bis 20 nm, erreicht. Nebenbei bemerkt wird die Einleitungsperiode von Sauerstoffplasma vorzugsweise gesteuert, so dass die Dicke des Metall-Dünnfilms 4 zu einem Zeitpunkt, wenn die Einleitung von Sauerstoffplasma beendet ist, nicht größer als 50%, insbesondere 20% der endgültigen Dicke des Metall-Dünnfilms 4 ist, weil die Möglichkeit vorhanden ist, dass die Menge von mit dem Metall-Dünnfilm 4 gemischten Sauerstoff unerwünscht zu groß sein wird, wenn die Dicke (endgültige Dicke) des Metall-Dünnfilms 4 zu dünn ist, obwohl die Einleitungsperiode von Sauerstoffplasma wie oben beschrieben gesteuert wird. Die Menge von Sauerstoffplasma, das zum Zeitpunkt der Aufdampfung eingeleitet wird, wird vorzugsweise so gewählt, dass sie in einem Bereich von 1 sccm bis 100 sccm, insbesondere in einem Bereich von 5 sccm bis 50 sccm unter dem Aspekt der Menge von eingeleitetem Sauerstoffgas liegt. Wenn die Periode der Sauerstoffeinleitung zu kurz ist oder die Menge von eingeleitetem Sauerstoffplasma zu klein ist, wird es schwierig, einen geforderten Metall-Dünnfilm zu erhalten. Andererseits ist es unmöglich, wenn die Periode der Sauerstoffeinleitung zu lang oder die Menge von eingeleitetem Sauerstoffplasma zu groß ist, eine gute Charakteristik zu erreichen, weil eine große Menge von Sauerstoff mit dem Metall-Dünnfilm gemischt wird.

Die Substrattemperatur zum Zeitpunkt der Bildung des Metall-Dünnfilms 4 durch Aufdampfung wird so gewählt, dass sie vorzugsweise in einem Bereich von 300°C bis 800°C, spezieller in einem Bereich von 500°C bis 600°C liegt. Wenn die Substrattemperatur zu niedrig ist, kann kein Metall-Dünnfilm mit guter Kristallinität erreicht werden, oder die Haftung zwischen dem Metall-Dünnfilm und der Pufferschicht wird verschlechtert. Wenn die Substrattemperatur zu hoch ist, wird andererseits die Oberflächenebenheit des Metall-Dünnfilms verschlechtert oder es werden feinste Löcher erzeugt.

Die Aufdampfrate des Metall-Dünnfilm wird so gewählt, dass sie vorzugsweise in einem Bereich von 0,01 nm/s bis 1 nm/s, besser in einem Bereich von 0,02 nm/s bis 0,1 nm/s liegt. Wenn die Aufdampfrate zu gering ist, tritt das Problem auf, dass der Metall-Dünnfilm wahrscheinlich mit verbleibendem Gas oder dergleichen kontaminiert oder der Durchsatz zum Zeitpunkt der Produktion verringert wird, weil zum Ausbilden des Metall-Dünnfilms eine lange Zeit benötigt wird. Andererseits wird die Kristallinität des Metall-Dünnfilms verschlechtert oder die Kristallkorngröße wird zu klein, wenn die Aufdampfrate zu hoch ist.

Beispiele

Die Erfindung wird nachstehend auf der Basis der folgenden spezifischen Beispiele der Erfindung ausführlicher beschrieben.

Beispiel 1

Es wurde ein Si(100)-Substrat 2 mit einer Dicke von 250 &mgr;m und einem spezifischen elektrischen Widerstand von 1000 &OHgr; cm hergestellt, das aus einem Silizium-Einkristall geschnitten und spiegelpoliert wurde, so dass es eine (100)-Ebene als Fläche aufweist. Die Fläche des Si(100)-Substrats 2 wurde mit einer wässrigen Lösung von 40% Ammoniumfluorid geätzt und gereinigt. Auf dem Substrat 2 wurde durch folgendes Verfahren eine Pufferschicht 3 aus ZrO2, ein Metall-Dünnfilm 4 aus Pt und ein Wurtzit-Dünnfilm 5 aus AlN ausgebildet, um ein Prüfstück der Substratstruktur für eine elektronische Vorrichtung zu erhalten.

Zuerst wurde ein in 6 dargestelltes Aufdampfungssystem 101 verwendet. Das Substrat 2 wurde an einem Substrathalter 103 fixiert, der in einer Vakuumkammer 101a des Aufdampfungssystems 101 installiert ist und einen auf einer Drehwelle 104 und einem Motor 105 basierenden Drehmechanismus aufwies, sowie einen Heizmechanismus, der auf der Heizvorrichtung 106 basiert. Die Vakuumkammer wurde durch eine Öldiffusionspumpe auf 6·10–4 Pa abgesaugt. Anschließend wurde das Substrat 2 bei 20 U/min gedreht und auf 600°C erhitzt, während 25 cc/min von Sauerstoff in die Umgebung des Substrats 2 von einer Oxidationsgas-Zuführdüse 108 der Oxidationsgas-Versorgungseinheit 107 eingeleitet wurde, um Si-Oxid zum Schutz der gereinigten Oberfläche des Substrats 2 herzustellen. Die Folge davon war, dass eine thermische Oxidation auftrat, so dass eine Si-Oxidschicht von etwa 1 nm Dicke in der Substratfläche ausgebildet wurde.

Anschließend wurde das Substrat 2 auf 900°C erhitzt und mit 20 U/min gedreht. Metallisches Zr, das von einem Zr-Verdampfungsteil 109 verdampft wurde, wurde der Oberfläche des Substrats 2 zugeführt, während 25 cc/min von Sauerstoffgas aus der Düse 108 eingeleitet wurde. Infolgedessen wurde sowohl eine Reduktion des in dem vorhergehenden Schritt ausgebildeten Si-Oxids als auch eine Bildung der Pufferschicht 3 durchgeführt. Die Dicke der Pufferschicht 3 wurde auf 10 nm eingestellt.

Anschließend, während das Substrat 2 mit der auf seiner Oberfläche ausgebildeten Pufferschicht 3 auf 600°C erhitzt und bei 20 U/min gedreht wurde, wurde durch Aufdampfung ein 150 nm dicker Metall-Dünnfilm 4 ausgebildet. Während der Aufdampfung wurde ein Sauerstoffplasma mit einem Sauerstoffgas-Durchsatz von 10 sccm und einer RW-Leistung von 100 W eingeleitet, bis die Dicke des Metall-Dünnfilms 4 nach dem Beginn der Aufdampfung 10 nm erreicht hat. Nebenbei bemerkt wurde die Aufdampfrate des Metall-Dünnfilms 4 auf 0,06 nm/s eingestellt.

Anschließend wurde auf dem Metall-Dünnfilm 4 in einer Atmosphäre von Ar + N2 durch ein RF-Magnetron-Sputterverfahren ein 1,7 &mgr;m dicker Wurtzit-Dünnfilm 5 ausgebildet. Als Target wurde metallisches Al verwendet, und die Substrattemperatur wurde auf 200°C eingestellt.

Die Kristallinität von jedem Dünnfilm in der erhaltenen Probe wurde durch Röntgenstrahlenbeugung bewertet. 7 zeigt ein Ergebnis von &thgr;-2&thgr;X-Röntgenstrahlenbeugung der Probe. In 7 wurden nur Beugungslinien beobachtet, die mit den ebenen Räumen von entsprechenden AlN (0002), Pt (111) und ZrO2(002)-Ebenen übereinstimmen, außer der von dem Substrat 2 abgeleiteten Beugungslinie. Aus diesem Ergebnis wird offensichtlich, dass die Pufferschicht 3 ein einfacher ZrO2(001)-orientierter Film ist, der Metall-Dünnfilm 4 ein einfacher Pt(111)-orientierter Film und der Wurtzit-Dünnfilm 5 ein einfacher AlN(0001)-orientierter Film ist.

8 zeigt eine Röntgenstrahlen-Schwenkkurve von Pt (111). 9 stellt eine Röntgenstrahlen-Schwenkkurve von AlN (0002) dar. Die Halbwertbreite der Röntgenstrahlen-Schwenkkurve in dem Metall-Dünnfilm 4 von Pt beträgt 0,62°. Die Halbwertbreite der Schwenkkurve in dem Wurtzit-Dünnfilm 5 von AlN beträgt 1,2°. Es wird ersichtlich, dass die zwei Dünnfilme 4 und 5 hochorientierte Filme sind.

Nachdem jeder Dünnfilm zum Zeitpunkt der Herstellung der Probe ausgebildet war, wurde eine Bewertung unter Verwendung von RHEED (Beugung hochenergetischer Reflexionselektronen) durchgeführt. Die Bewertung durch RHEED ist eine Anzeige zur Orientierung von Kristallachsen in einer Filmebene. 10 zeigt ein RHEED-Muster des Wurtzit-Dünnfilms 5 von AlN. Das in 10 gezeigte Muster ist ein Überlappungsmuster, welches ein Muster umfasst, das erhalten wird, wenn Elektronenstrahlen auf die (0001)-Ebene des AlN-Einkristalls aus der <2-1-0>-Richtung einfallen, und ein Muster umfasst, das erhalten wird, wenn Elektronenstrahlen auf die (0001)-Ebene des AlN-Einkristalls von der <10-10>-Richtung einfallen. Das in 10 dargestellte RHEED-Muster wurde sowohl in einer Si<010> entsprechenden Richtung des Si(100)-Substrats 2 als auch in einer um 30° davon gedrehten Richtung beobachtet. Als RHEED-Muster des Metall-Dünnfilms 4 aus Pt wurde ein Überlappungsmuster, das erhalten wurde, als die Elektronenstrahlen auf die Pt(111)-Ebene aus der <1-10>- und der <11-2>-Richtung einfielen, sowohl in einer Si<010> entsprechenden Richtung als auch in einer um 30° davon gedrehten Richtung beobachtet. Aus diesem Ergebnis wird ersichtlich, dass Richtungen der Kristallorientierung in den entsprechenden Ebenen des Substrats und den entsprechenden Dünnfilmen in dieser Probe so sind, wie es in 4 dargestellt ist. Die Richtungen der Kristallorientierung in 4 entsprechen denen von 2.

11 zeigt ein TEM-Bild, das durch Fotografieren des Metall-Dünnfilms 4 der erzeugten Probe von oben erhalten wird. Aus 11 wird ersichtlich, dass der Metall-Dünnfilm 4 ein polykristalliner Film ist, der aus Kristallkörnern zusammengesetzt ist, die jeweils eine Korngröße von 200 nm aufweisen.

12 zeigt ein SEM-Bild, das durch Fotografieren des Wurtzit-Dünnfilms 5 von oben nach der Bildung des Wurtzit-Dünnfilms 5 erhalten wird. In 12 werden in der Oberfläche des Films körnige, nach außen gewölbte Abschnitte beobachtet, die jeweils einen Durchmesser der Größenordnung von Zehnern von Nanometern besitzen. Spalten zwischen benachbarten, nach außen gewölbten Abschnitten sind wie Vertiefungen geschwächt. Aus 12 wird ersichtlich, dass der Wurtzit-Dünnfilm 5 ein polykristalliner Film ist, der aus Kristallkörnern zusammengesetzt ist, die jeweils eine Korngröße der Größenordnung von Zehnern von Nanometern in der Ebene aufweisen. 13 zeigt ein TEM-Bild, das durch Fotografieren des Wurtzit-Dünnfilms 5 von oben nach der Bildung des Wurtzit-Dünnfilms 5 erhalten wird. In 13 wird ein Muster von angeordneten Sechsecken, von denen jedes einen Durchmesser von etwa 10 nm bis etwa 20 nm aufweist, beobachtet. Aus diesem Ergebnis und dem in 12 dargestellten SEM-Bild wird ersichtlich, dass der Wurtzit-Dünnfilm 5 aus Kristallkörnern zusammengesetzt ist, von denen jedes eine Korngröße von etwa 10 nm bis etwa 20 nm aufweist.

Die durchschnittliche Kristallkorngröße dm des Metall-Dünnfilms 4 und die durchschnittliche Kristallkorngröße dw des Wurtzit-Dünnfilms 5 wurden durch das oben erwähnte Verfahren erhalten, wobei das Verhältnis dM/dW wie folgt berechnet wurde.

dM = 194 nm,

dW = 10,6 nm, und

dM/dW= 18,3

Nebenbei bemerkt wurde in der unteren rechten Ecke des TEM-Bildes des in 13 dargestellten Wurtzit-Dünnfilms 5 ein Bereich mit Moiré-Muster beobachtet. Die Richtungen der Gitter verschieben sich mit diesem Bereich als Grenze um 30° voneinander. Es wird in Erwägung gezogen, dass dieser Bereich der Grenze von Pt-Kristallkörnern als Grundierung entspricht, und dass sich die Richtung in Ebene des Pt-Kristalls als Grundierung um 30° über diesen Bereich verschiebt. Die AlN-Kristallkörner sind auf Pt-Kristallkörnern epitaxial größer aufgewachsen als die AlN-Kristallkörner. Folglich sind alle AlN-Kristallkörner, die auf einem Pt-Kristallkorn vorhanden sind, so aufgewachsen, dass sich Richtungen in Ebene der AlN-Kristallkörner überdecken.

In 13 werden Gitterstörungen oder Defekte zwischen Kristallkörnern beobachtet, die zueinander benachbart und in der Richtung in Ebene gleich sind. Es wird in Erwägung gezogen, dass diese Gitterstörungen oder Defekte durch Verzerrung verursacht werden, die sich aus einer Verbindung von benachbarten Kristallkörnern in einem leicht verschobenen Periodizitätszustand ergeben, wenn entsprechende AlN-Kristallkörner wie Stützen aufgewachsen sind.

Beispiel 2

Eine Pufferschicht 3, ein Metall-Dünnfilm 4 (untere Elektrode) und ein Wurtzit-Dünnfilm 5 (piezoelektrischer Film) wurden auf einem Substrat 2 in der gleichen Weise wie in dem Beispiel 1 ausgebildet. Ein zweiter Metall-Dünnfilm 6 (obere Elektrode) aus Al mit einer Dicke von 300 nm wurde durch ein Sputter-Verfahren auf dem Wurtzit-Dünnfilm 5 ausgebildet, um dadurch eine Dünnfilm-Volumenschwingungserzeugungseinrichtung herzustellen. Das Substrat 2 wurde mit einer KOH-Lösung anisotrop geätzt, um ein Kontaktloch zu bilden.

Es wurde die Charakteristik der Dünnfilm-Volumenschwingungserzeugungseinrichtung gemessen. Als Ergebnis wurde eine gute Resonanzeigenschaft wie folgt erhalten. Das heißt, die Resonanzfrequenz fr betrug 1,786 GHz, die Antiresonanzfrequenz fa betrug 1,835 GHz, der effektive elektromechanische Kopplungsfaktor (fa2 – fr2)/fr2 betrug 5,5% und der Impedanzunterschied zwischen Resonanz und Antiresonanz betrug etwa 50 dB. Der effektive elektromechanische Kopplungsfaktor erreichte fast 6%, was einem Wert entsprach, der auf der Basis von Materialkonstanten eines AlN-Einkristalls berechnet wurde.

Beispiel 3

Es wurde ein Si(100)-Substrat 2 mit einer Dicke von 250 &mgr;m und einem spezifischen Widerstand von 500 &OHgr; cm vorbereitet, das aus einem geschnittenen und spiegelpolierten Silizium-Einkristall hergestellt ist, so dass es als eine Fläche eine (100)-Ebene aufweist. Nachdem das Si(100)-Substrat 2 gereinigt war, wurden 1,4 &mgr;m dicke AlN-Filme und 0,8 &mgr;m dicke SiO2-Filme abwechselnd in dieser Reihenfolge auf dem Si(100)-Substrat 2 laminiert und des Weiteren ein 50 nm dicker AlN-Film als eine Schicht ausgebildet, um dadurch eine Pufferschicht 3 zu erhalten, die insgesamt aus neun Filmschichten zusammengesetzt ist. Jeder Film wurde durch ein Sputter-Verfahren gebildet. Durch Röntgenstrahlenbeugung wurde bestätigt, dass jeder SiO2-Film in der Pufferschicht 3 eine amorphe Dünnschicht war, wogegen jeder AlN-Film in der Pufferschicht 3 ein c-flächenorientierter Film war. Auf der Pufferschicht 3 wurde ein 150 nm dicker Metall-Dünnfilm 4 aus Pt und ein 0,8 &mgr;m dicker Wurtzit-Dünnfilm 5 aus ZnO ausgebildet, um eine Probe der Substratstruktur für eine elektronische Vorrichtung zu produzieren. Der Metall-Dünnfilm 4 wurde bei einer Substrattemperatur von 600°C und einer Aufdampfrate von 0,6 nm/s durch Aufdampfung gebildet. Der Wurtzit-Dünnfilm 5 wurde in einer Atmosphäre von Ar + O2 durch ein RF-Magnetron-Sputterverfahren unter Verwendung von ZnO als Target ausgebildet, ohne das Substrat zu erhitzen.

Die Kristallstruktur dieser Probe wurde durch Röntgenstrahlenbeugung, RHEED und TEM analysiert. Im Ergebnis wurde bestätigt, dass der Metall-Dünnfilm 4 und der Wurtzit-Dünnfilm 5 ein einfacher (111)-orientierter polykristalliner Film bzw. ein einfacher (0001)-orientierter polykristalliner Film war, und dass <1-10>-Achsen in der Ebene des Metall-Dünnfilms 4 parallel zu den <11-20>-Achsen in der Ebene des Wurtzit-Dünnfilms 5 lagen. Die Halbwertbreite einer Schwenkkurve von ZnO (0002) im Wurtzit-Dünnfilm 5 betrug 2,5°, so dass bestätigt wurde, dass der Wurtzit-Dünnfilm 5 ein hochkristalliner Film war. Die durch TEM und SEM gemessenen durchschnittlichen Kristallkorngrößen des Metall-Dünnfilms 4 und des Wurtzit-Dünnfilms 5 waren wie folgt.

dM = 200 nm,

dW = 19 nm, und

dM/dW = 10,5

Beispiel 4

Auf einem Substrat 2 wurden in der gleichen Art und Weise wie im Beispiel 3 eine Pufferschicht 3, ein Metall-Dünnfilm 4 (untere Elektrode) und ein Wurtzit-Dünnfilm 5 (piezoelektrischer Film) ausgebildet. Auf dem Wurtzit-Dünnfilm 5 wurde ein zweiter Metall-Dünnfilm 6 (obere Elektrode) aus Al mit einer Dicke von 300 nm durch Sputterverfahren ausgebildet, um dadurch eine Dünnfim-Volumenschwingungserzeugungseinrichtung herzustellen. In dieser Struktur funktionierte die Pufferschicht 3, die ein Laminat von AlN-Filmen und SiO2-Filmen war, wie ein akustischer Reflexionsfilm. Folglich wurde in dieser Struktur kein Kontaktloch gebildet.

Es wurde die Charakteristik der Dünnfilm-Volumenschwingungserzeugungseinrichtung gemessen. Im Ergebnis wurde eine gute Resonanzeigenschaft wie folgt erreicht. Das heißt, die Resonanzfrequenz fr betrug 2,0 GHz, die Antiresonanzfrequenz fa betrug 2,06 GHz, der effektive elektromechanische Kopplungsfaktor (fa2 – fr2)/fr2 betrug 6,0% und der Impedanzunterschied zwischen Resonanz und Antiresonanz betrug etwa 50 dB. Der effektive elektromechanische Kopplungsfaktor erreichte fast einen Wert, der auf der Basis von Materialkonstanten eines ZnO-Einkristalls berechnet wurde.

Nach der Erfindung kann eine Wurtzit-Verbindung epitaxial auf einem Metall-Dünnfilm als polykristalliner Film aufgewachsen sein, um dadurch einen polykristallinen Wurtzit-Dünnfilm mit guter Kristallinität zu bilden. Weil der Metall-Dünnfilm als eine Elektrodenschicht oder eine reflektierende Schicht in einer elektronischen Vorrichtung verwendet werden kann, kann eine solche Elektrodenschicht oder eine solche reflektierende Schicht in eine elektronische Vorrichtung gemäß der Erfindung integriert werden, ohne die Eigenschaft der elektronischen Vorrichtung zu mindern.


Anspruch[de]
  1. Substratstruktur für eine elektronische Vorrichtung, die umfasst:

    ein Substrat (2), das wenigstens eine Fläche hat, die aus Si(100)-Einkristall besteht;

    einen Metall-Dünnfilm (4), der eine flächenzentrierte kubische Struktur oder eine hexagonal dichtest gepackte Struktur hat und auf dem Substrat ausgebildet ist, wobei der Metall-Dünnfilm aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus einem (111)-orientierten Film einer flächenzentrierten kubischen Struktur mit einer (111)-Ebene, die parallel zu der Substratfläche orientiert ist, und einem (0001)-orientierten Film einer hexagonal dichtest gepackten Struktur mit einer (0001)-Ebene, die parallel zu der Substratfläche orientiert ist, besteht; und

    einen Wurtzit-Dünnfilm (5) mit einer Wurtzit-Kristallstruktur, der auf dem Metall-Dünnfilm ausgebildet ist, wobei der Wurtzit-Dünnfilm ein (0001)-orientierter Film mit einer (0001)-Ebene ist, die parallel zu der Substratfläche ausgerichtet ist;

    dadurch gekennzeichnet, dass der Metall-Dünnfilm und der Wurtzit-Dünnfilm jeweils ein polykristalliner Film ist, der wenigstens zwei Arten von Metallkörnern enthält, die sich hinsichtlich der Richtung der Kristallorientierung in der Ebene unterscheiden;

    wenn der Metall-Dünnfilm ein (111)-orientierter Film ist, der Wurtzit-Dünnfilm epitaxial auf den Metall-Dünnfilm aufgewachsen ist, so dass <11-20>-Achsen in der Ebene des Wurtzit-Dünnfilms parallel zu <1-10>-Achsen in der Ebene des Metall-Dünnfilms sind; und

    wenn der Metall-Dünnfilm ein (0001)-orientierter Film ist, der Wurtzit-Dünnfilm epitaxial auf den Metall-Dünnfilm aufgewachsen ist, so dass <11-20>-Achsen in der Ebene des Wurtzit-Dünnfilms parallel zu <11-20>-Achsen in der Ebene des Metall-Dünnfilms sind.
  2. Substratstruktur für eine elektronische Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Metall-Dünnfilm zwei Arten von Kristallkörnern enthält, die sich hinsichtlich der Richtung der Kristallorientierung in der Ebene unterscheiden;

    wenn der Metall-Dünnfilm ein (111)-orientierter Film ist, entsprechende <1-10>-Achsen der zwei Arten von Kristallkörnern senkrecht zueinander sind; und

    wenn der Metall-Dünnfilm ein (0001)-orientierter Film ist, entsprechende <1-20>-Achsen der zwei Arten von Kristallkörnern senkrecht zueinander sind.
  3. Substratstruktur für eine elektronische Vorrichtung nach Anspruch 2, die des Weiteren eine Pufferschicht umfasst, die zwischen dem Substrat und dem Metall-Dünnfilm angeordnet ist, wobei die Pufferschicht epitaxial aufgewachsen ist, so dass eine (001)-Ebene der Pufferschicht parallel zu dem Substrat ist und eine <100>-Achse in der Ebene der Pufferschicht parallel zu einer <010>-Achse in einer Si(100)-Einkristallebene des Substrats ist.
  4. Substratstruktur für eine elektronische Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei:

    der Metall-Dünnfilm ein (111)-orientierter Film ist, eine <1-10>-Achse bei einer der zwei Arten von Kristallkörnern, die in dem Metall-Dünnfilm enthalten sind, parallel zu der <100>-Achse in der Ebene der Pufferschicht ist, während eine <1-10>-Achse bei der anderen der zwei Arten von Kristallkörnern parallel zu der <010>-Achse in der Ebene der Pufferschicht ist; und

    wenn der Metall-Dünnfilm ein (001)-orientierter Film ist, eine <11-20>-Achse bei einer der zwei Arten von Kristallkörnern, die in dem Metall-Dünnfilm enthalten sind, parallel zu der <100>-Achse in der Ebene der Pufferschicht ist, während eine <11-20>-Achse bei der anderen der zwei Arten von Kristallkörnern parallel zu der <010>-Achse in der Ebene der Pufferschicht ist.
  5. Substratstruktur für eine elektronische Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei eine <11-20>-Achse bei einer der zwei Arten von Kristallkörpern, die in dem Wurtzit-Dünnfilm enthalten sind, parallel zu der <010>-Achse in der Si(100)-Einkristallebene des Substrats ist, während eine <11-20>-Achse bei der anderen der zwei Arten von Kristallkörnern, die in dem Wurtzit-Dünnfilm enthalten sind, senkrecht zu der <010>-Achse in der Si(100)-Einkristallebene des Substrats ist.
  6. Substratstruktur für eine elektronische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei die Pufferschicht Zirkonoxid als einen Hauptbestandteil enthält.
  7. Substratstruktur für eine elektronische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Metall-Dünnfilm eine größere durchschnittliche Kristallkorngröße hat als der Wurtzit-Dünnfilm.
  8. Substratstruktur für eine elektronische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Metall-Dünnfilm als Hauptbestandteil wenigstens ein Element enthält, das aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus Pt, Au, Ir, Os, Re, Pd, Rh und Ru besteht.
  9. Substratstruktur für eine elektronische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Wurtzit-Dünnfilm entweder ein AlGalnN-Dünnfilm, der als Hauptbestandteile N und wenigstens ein Element enthält, das aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus Al, Ga und In besteht, oder ein ZnO-Dünnfilm ist, der Zinkoxid als einen Hauptbestandteil enthält.
  10. Substratstruktur für eine elektronische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der Metall-Dünnfilm so vorhanden ist, dass eine Halbwertsbreite einer Reflexions-Schwingkurve in einer (111)- oder (0002)-Ebene bei Röntgenstrahlbeugung nicht größer ist als 3°.
  11. Elektronische Vorrichtung, die eine Substratstruktur für eine elektronische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10 und einen zweiten Metall-Dünnfilm umfasst, der auf dem Wurtzit-Dünnfilm der Substratstruktur für eine elektronische Vorrichtung ausgebildet ist, wobei das Paar von Metall-Dünnfilmen, zwischen denen der Wurtzit-Dünnfilm eingeschlossen ist, als Elektroden dient.
  12. Elektronische Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei der Wurtzit-Dünnfilm piezoelektrische Eigenschaften hat, so dass die elektronische Vorrichtung als eine Dünnfilm-Volumenschwingungserzeugungseinrichtung (thin-film bulk vibrator) dient.
Es folgen 8 Blatt Zeichnungen






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