圧電体素子の製造方法
【課題】
密着膜を備え、配向の揃った圧電体膜を製造する。
【解決手段】
（ａ）基板上方に、Ｔｉ層、その上にＰｔ層を堆積し、（ｂ）Ｔｉ層、Ｐｔ層を堆積した基板をプラズマ気相堆積装置に搬入し、（ｃ）プラズマ気相堆積装置内において、酸素を含む雰囲気中で、基板を圧電体膜堆積温度まで加熱し、（ｄ）プラズマ気相堆積装置内において、加熱した前記基板上に、プラズマ気相堆積により、酸化物圧電体膜を堆積する。
密着膜を備え、配向の揃った圧電体膜を製造する。
【解決手段】
（ａ）基板上方に、Ｔｉ層、その上にＰｔ層を堆積し、（ｂ）Ｔｉ層、Ｐｔ層を堆積した基板をプラズマ気相堆積装置に搬入し、（ｃ）プラズマ気相堆積装置内において、酸素を含む雰囲気中で、基板を圧電体膜堆積温度まで加熱し、（ｄ）プラズマ気相堆積装置内において、加熱した前記基板上に、プラズマ気相堆積により、酸化物圧電体膜を堆積する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電体素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザ光等の光ビームを走査する装置（光スキャナ）が、バーコードリーダ、レーザプリンタ、レーザアニール装置等の光学機器に用いられている。現在、光スキャナの小型化、より正確な動作等が求められている。
【０００３】
特開２００５−１４８４５９号公報は、下地単結晶Ｓｉ基板上に酸化シリコン膜を介して薄い単結晶Ｓｉ層を結合したＳＯＩ基板を用い、ミラー部を第１の枠に結合した第１の軸で支持し、第１の枠を第１の軸と交差する第２の軸で支持し、第２の軸を外枠で支持し、第１の軸、第２の軸を梁とその上に形成された圧電薄膜素子を含む圧電アクチュエータで揺動させて二次元走査する光スキャナを提案している。
【０００４】
このような圧電薄膜素子の圧電材料として、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰｂＺｒ１−ｘＴｉｘＯ３、ＰＺＴ）等のペロブスカイト型酸化物圧電材料が用いられる。チタン酸ジルコン酸鉛（ＰｂＺｒ１−ｘＴｉｘＯ３、ＰＺＴ）は、高い圧電率、高い強誘電率を有し、電圧（電界）−変位変換素子、メモリ等として利用されている。
【０００５】
マイクロエレクトロメカニカルシステム（ＭＥＭＳ）における圧電素子は、一般的にアモルファス相や多結晶相の絶縁膜の上に形成される。絶縁膜上に、電極を介して形成される圧電材料の多くは結晶粒子の集合体からなる多結晶体であり、各結晶粒子の結晶軸方向はランダムな方向を向いている。従って、自発分極の方向もランダムに配列している。電界を印加すると、各結晶粒子は、電界と平行方向に分極軸を向けようとする。圧電特性は電圧依存性を示し、バラツキが大きくなったり、経時変化が生じたりする。信頼性に問題が生じうる。ＰＺＴ膜の配向が制御できれば、応答を大きくでき、信頼性の向上にもなる。
【０００６】
圧電薄膜素子は、基本的に圧電材料膜を上下の電極で挟んだ構成を有する。下部電極上に酸化物圧電材料膜を堆積するため、下部電極は酸化性雰囲気に曝される。下部電極としては、酸化しないか、酸化しても導電性である貴金属が用いられる。例えば、Ｐｔ／ＰＺＴ／Ｐｔの積層構造である。Ｐｔ層は酸化シリコン膜に対して密着性が弱い。酸化シリコン膜上に圧電薄膜素子を形成する場合には、酸化シリコン膜とＰｔ下部電極との間にＴｉ密着層を形成することも多い。
【０００７】
上下電極層は、電子ビーム蒸着、スパッタリングなどで成膜できる。ＰＺＴ膜の成膜方法としては、ゾルゲル法、蒸着、スパッタリング、化学気相堆積（ＣＶＤ）等が知られている。
【０００８】
特開２００１−２３４３３１号公報、特開２００２−１７７７６５号公報、特開２００３−２３４３３１号公報は、それらの実施の態様の欄で、圧力勾配型アーク放電プラズマガンで生成した高密度プラズマで、蒸発源から蒸発したソースガスを活性化し、酸素雰囲気中で下地基板上に薄膜を形成する、アーク放電反応式イオンプレーティング法を提案している。アーク放電反応式イオンプレーティング法は、比較的低い成膜温度においても、高速に強誘電体（圧電体）膜を形成できる方法である。
【０００９】
酸化膜を形成したＳｉ基板（ＳｉＯ2／Ｓｉ）上にＰｔ／Ｔｉ下部電極層をスパッタ蒸着したものを下地基板として、その上に強誘電体薄膜を成膜すると、強誘電体薄膜の結晶構造は、下地であるＰｔ／Ｔｉ層の結晶構造に大きく依存する。
【００１０】
上記のような強誘電体薄膜にあっては、通常Ｐｔ層は（１１１）面に優先配向した多結晶薄膜層であることが多く、その上に成長させた強誘電体薄膜層は、全く優先配向のない膜か、成膜プロセスの工夫によってＰｔ層と同じ（１１１）優先配向した薄膜になる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００５−１４８４５９号公報
【特許文献２】特開２００１−２３４３３１号公報
【特許文献３】特開２００２−１７７７６５号公報
【特許文献４】特開２００３−２３４３３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
密着膜を備え、配向の揃った圧電体膜を製造する。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の１観点によれば、
（ａ）基板上方に、Ｔｉ層、その上にＰｔ層を堆積する工程と、
（ｂ）前記Ｔｉ層、Ｐｔ層を堆積した基板をプラズマ気相堆積装置に搬入する工程と、
（ｃ）前記プラズマ気相堆積装置内において、前記基板を酸素を含む雰囲気中で、圧電体膜堆積温度まで加熱する工程と、
（ｄ）前記プラズマ気相堆積装置内において、加熱した前記基板上に、プラズマ気相堆積により、酸化物圧電体膜を堆積する工程と、
を含む圧電体素子の製造方法
が提供される。
【発明の効果】
【００１４】
（１１１）配向した圧電体膜が得られる。
【００１５】
均一性が向上する。
再現性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１Ａは、圧電体薄膜素子製造工程中の基板断面図、図１Ｂは、Ｔｉ層上に成膜したＰｔ層をＸ線回折により測定した結果を示すグラフである。
【図２−１】図２Ａは、圧電体薄膜堆積に用いるアーク放電反応性イオンプレーティング装置を示す概略側面図、 図２Ｂは、ＰＺＴ圧電体膜を形成した基板の概略断面図である。
【図２−２】図２Ｃは、ＰＺＴ圧電体膜１８表面を観察したスケッチ、図２Ｄは、真空中で加熱処理したＰｔ膜に生じたと考えられうる結晶性の分布を示す概念図、図２Ｅは、真空中で加熱処理したＰｔ膜表面をＸ線回折で測定した結果を示すグラフである。
【図３】図３Ａは、基板加熱処理工程におけるアーク放電反応性イオンプレーティング装置を示す概略側面図、図３Ｂは、ＰＺＴ圧電体膜成膜後のＸ線回折測定の結果を示すグラフである。
【図４】図４Ａは、酸素（Ｏ２）を含む雰囲気中で加熱したサンプルのＸＰＳ測定結果を示すグラフ、図４Ｂは，真空中で加熱したサンプルのＸＰＳ測定結果を示すグラフである。
【図５−１】図５Ａ−５Ｃは、真空中加熱サンプルの配向度測定結果を示すグラフである。
【図５−２】図５Ｄ−５Ｆは、（Ａｒ＋Ｈｅ＋Ｏ２）雰囲気中加熱サンプルの配向度測定結果を示すグラフである。
【図６】図６は、２次元光スキャナの斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明者は、圧電薄膜素子を製造する技術を開発している。まず、予備実験に沿って説明する。ＭＥＭＳ用の圧電薄膜素子はＳＯＩ基板上に形成するが、研究用の圧電薄膜素子は、（１００）面Ｓｉ基板上に形成した。
【００１８】
図１Ａに示すように、Ｓｉ基板１１表面に熱酸化により厚さ約５００ｎｍの酸化シリコン膜１２を形成し、酸化シリコン膜１２上にスパッタリングで、厚さ約５０ｎｍのＴｉ密着層１４、厚さ約１５０ｎｍのＰｔ主電極層１６を形成した。Ｔｉ密着層１４とＰｔ主電極層１６が下部電極を構成する。
【００１９】
図１Ｂは、Ｐｔ主電極層１６を形成した基板をＸ線回折により測定した結果を示すグラフである。横軸が回折角２θを単位、度（deg）で示し、縦軸が回折強度を任意単位で示す。回折角２θ：３０度−５０度の範囲では、Ｐｔの（１１１）面ピークのみが明瞭に認められる。Ｐｔ層１６は、主として（１１１）配向していると考えられる。Ｐｔ層１６を堆積した基板１１をアーク放電反応性イオンプレーティング装置に装荷し、ＰＺＴ圧電体膜を堆積した。
【００２０】
図２Ａは、圧電体薄膜を堆積するのに用いたアーク放電反応性イオンプレーティング装置を示す概略側面図である。反応チャンバ１０１は真空排気装置に接続され、高真空（１ｘ１０−４Ｐａ以上の真空度、圧力としては１ｘ１０−４Ｐａ以下）に排気可能である。なお、真空度（圧力）の計器はＴoｒｒを単位としており、圧力の数値はほぼ有効数字１桁で扱っているため、本願においては１００Ｐａ＝１Ｔｏｒｒで換算している。
【００２１】
反応チャンバ１０１の上面を貫通して回転軸１０２が設けられており、背面に輻射加熱方式のヒータ１０３を備えた基板ホルダ１０４が接続されている。基板ホルダ１０４は、複数の基板１０５を支持できる構成である。反応チャンバ１０１底部には、Ｐｂ蒸発源１０６、Ｚｒ蒸発源１０７、Ｔｉ蒸発源１０８が備えられ、Ｐｂビーム、Ｚｒビーム、Ｔｉビームを発生できる。反応チャンバ１０１上面を貫通して、ガス供給機構１０９が設けられている。
【００２２】
反応チャンバ１０１の側面には、陽極１１４、陰極１１２、磁場発生コイル１１６を備えたプラズマガン１１０が設けられている。プラズマガン１１０には、プラズマ発生ガス供給機構１２０が設けられ、Ａｒ、Ｈｅ等の不活性ガス（放電ガス）が供給される。プラズマ発生ガス供給機構１２０から供給された不活性ガス（放電ガス）がアーク放電により電離・活性化し、磁場・放電ガスの圧力勾配によって誘導されて反応チャンバ１０１内にプラズマ１１８が導出される。蒸発源１０６，１０７，１０８から蒸発したソースガスは、プラズマ１１８を通過する際に活性化され、基板１０５に到達する。ガス供給機構１０９からは酸素が導入されることによって高密度の酸素プラズマ及び酸素の活性種を生成され、基板近傍でソースガスと反応して酸化物を形成する。
【００２３】
Ｔｉ密着層１４とＰｔ主電極層１６の積層からなる下部電極を形成したＳｉ基板１１が、基板１０５として、反応チャンバ１０１内に装荷され、反応チャンバ１０１内は、１ｘ１０−４Ｐａ以上の高真空に排気され、ヒータ１０３により基板１０５を５００℃程度まで加熱する。基板１０５が約５００℃に達した後、プラズマ発生ガス供給機構１２０からＡｒガスを１ｓｃｃｍ〜１００ｓｃｃｍ、Ｈｅガスを５ｓｃｃｍ〜３００ｓｃｃｍ導入し、プラズマガン１１０の陰極１１２と陽極１１４との間に直流電圧を印加することによりアーク放電プラズマ１１８を発生させる。そしてガス供給機構１０９から酸素ガスを５０ｓｃｃｍ〜４００ｓｃｃｍ導入して高密度の酸素プラズマ及び酸素の活性種を生成し、蒸発源１０６，１０７，１０８からＰｂ、Ｚｒ、Ｔｉを蒸発させる。このときの放電電圧は５０Ｖ〜１２０Ｖ、放電電流は１５Ａ〜８０Ａの間で制御を行なった。
ガス供給機構１０９から酸素ガスを導入することによって反応チャンバ１０１内に生成された酸素活性種の存在下で、輻射加熱方式のヒータ１０３によって５００℃程度に加熱された基板１０５上にＰＺＴ薄膜の成膜をおこなった。
また水晶振動子式膜厚モニタにて、Ｐｂ蒸発量がＺｒとＴｉの蒸発量の合計に対して１０倍までの範囲になるように、かつＺｒとＴｉの蒸発量がほぼ同等になるように、蒸発源１０６，１０７，１０８のパワーを制御することにより、ペロブスカイト型結晶構造を有するＰＺＴ圧電体薄膜を形成した。
上記薄膜形成時の真空容器内圧力は０．１Ｐａ前後であり、ＰＺＴ膜の堆積速度は約１５Å／ｓｅｃ程度であった。
この膜の誘電率・誘電損を測定したところ、それぞれ８００〜１２００、０．０３程度のものが得られた。
【００２４】
図２Ｂは、ＰＺＴ圧電体膜を形成した基板の概略断面図である。Ｓｉ基板１１の上に、酸化シリコンの絶縁膜１２が形成され、その上にＴｉ層１４、Ｐｔ層１６によって下部電極が形成され、その上にＰＺＴ圧電体膜１８が形成される。
【００２５】
図２Ｃは、ＰＺＴ圧電体膜１８表面を観察したスケッチである。矩形状のＰＺＴ圧電体膜１８に、例えば図に示すような大きな三角形状の不均一（ムラ）が観察される。
膜の様子はＰｔ電極の影響を受けてグレーに見えるが、ムラの部分は図に示すように他の部分と比較して若干黒みがかった色をしている。
ともに光沢は見られるが、顕微鏡などで表面を拡大して観察すると、黒みがかった部分のほうは若干平坦性が無かった。
そして誘電率は、黒みがかった部分のほうが大きいという傾向が見られた。
このような不均一な膜を用いて圧電薄膜素子を形成すると歩留まりは悪い。基板内の温度分布を無くすために長時間温度を保持した後に、圧電体膜を成膜しても、ムラは発生した。繰り返し成膜をおこなってもムラの発生のしかたが変化するので、基板ホルダに何らかの原因がある可能性は小さいと考えられる。どのような現象が生じているか検討する為に、Ｔｉ膜・Ｐｔ膜を成膜した基板を真空中で成膜基板温度で加熱処理を行なった後、取り出して分析をおこなった。
【００２６】
図２Ｅは、真空中で加熱処理したＰｔ膜表面をＸ線回折で測定した結果である。横軸が回折角２θを単位、度（deg）で示し、縦軸が回折強度を任意単位で示す。図１Ｂの（１１１）ピークと同じ位置に、回折強度が著しく減衰したピークが観察された。このことより、真空中で基板を加熱することによって、（１１１）配向していたＰｔ膜の結晶性が大きく変化したものと考えられる。
この結晶性の変化の仕方が基板内で大きく異なり、例えば図２Ｄの色の濃淡で示すように結晶性に分布が出来たとすると、その上に成膜したＰＺＴ膜の結晶性等もそれによって大きな影響を受け、図２Ｃに示すような膜ムラになったものと考えられる。
本発明者は、真空中での加熱に代え、酸素を含む雰囲気中で加熱を行なうことを考えた。例えば、酸素を含む雰囲気として、不活性ガスである（Ａｒ＋Ｈｅ）に酸素Ｏ２を混合する。化学的に活性なガスは酸素であり、不活性ガスの第１の役割は酸素を希釈することである。Ｈｅは熱伝導特性を改良する役割も有する。
【００２７】
図１Ａに示すように、Ｓｉ基板１１表面に厚さ約５００ｎｍの熱酸化シリコン膜１２を形成し、その上に厚さ約５０ｎｍのＴｉ密着層１４、厚さ約１５０ｎｍのＰｔ主電極層１６をスパッタリング法を用いて形成する。
【００２８】
図３Ａに示すように、この基板をアーク放電反応性イオンプレーティング装置の反応チャンバ１０１内に導入し、基板ホルダ１０４上に装荷する。反応チャンバ１０１内を１ｘ１０−４Pa以上の高真空に排気した後、ガス導入機構１０９から（Ａｒ＋Ｈｅ＋Ｏ２）ガス（流速比２：２：１）を供給し、雰囲気圧力を１００Pa〜１０−２Pa、例えば１０−１Pa程度に維持する。この圧力下でＳｉ基板１１を輻射加熱ヒータ１０３で裏面側から加熱し、Ｓｉ基板１１の温度が５００℃程度になるまで昇温させる。昇温時間としては、８０分を目安に昇温させている。
そして輻射加熱ヒータ１０３の温度の変化に対するＳｉ基板１１の温度変化には時間的なズレ（遅れて変化する）があるので、一定の時間をおいてから成膜をおこなう。一定の時間の例として、ヒータの温度が一定となってから６０分程度経てから成膜を実施している。５００℃程度に昇温する１例において、雰囲気圧力は、１ｘ１０−１Ｐａであった。
【００２９】
ＰＺＴ薄膜を成膜する際には、ガス供給機構１０９から供給するガスを（Ａｒ＋Ｈｅ＋Ｏ２）ガスからＯ２ガスに切り換え、流量を５０ｓｃｃｍ〜４００ｓｃｃｍに設定する。
【００３０】
プラズマ発生ガス供給機構１２０からＡｒガスを１ｓｃｃｍ〜１５０ｓｃｃｍ、Ｈｅガスを５０ｓｃｃｍ〜２００ｓｃｃｍ導入して、直流バイアス電圧を印加することによりプラズマガン１１０を駆動させアーク放電プラズマ１１８を発生させる。この際の放電電圧は５０Ｖ〜１２０Ｖ、放電電流は４０Ａ〜１００Ａで制御を行なった。
このプラズマガン１１０で生成した高密度プラズマをプラズマ制御用磁場発生源１１６により発生した磁場によって反応チャンバ１０１内に導いた。この状態で、ガス供給機構１０９から反応ガスとして酸素を、例えば１００ｓｃｃｍ〜３００ｓｃｃｍ、導入することにより、反応チャンバ１０１内に高密度の酸素プラズマ及び酸素の活性種を生成した。
このアーク放電プラズマ１１８の中で蒸発源１０６，１０７，１０８からＰｂ、Ｚｒ、Ｔｉを蒸発させ、Ｐｔ膜１６上にＰＺＴ膜１８を堆積する。
【００３１】
図３Ｂは、Ｐｔ層を形成した基板を（Ａｒ＋Ｈｅ＋Ｏ２）ガス雰囲気中で加熱し、その上にＰＺＴ膜１８を成膜した基板のＸ線回折結果を示すグラフである。横軸が回折角２θを単位、度（deg）で示し、縦軸が回折強度を任意単位で示す。Ｐｔ層の（１１１）配向のピークと、ＰＺＴ膜の（１１１）配向のピークが明瞭に示されている。真空中加熱の場合、図２Ｅに示されるようにＰｔ層の（１１１）配向が著しく減衰した。加熱を（Ａｒ＋Ｈｅ＋Ｏ２）ガス雰囲気中で行なうことにより、Ｐｔ層の結晶性の低下が回避され、その結果、Ｐｔ層の影響を受けて（１１１）に配向したＰＺＴ膜が形成されていると考えることができよう。
【００３２】
真空中加熱を（Ａｒ＋Ｈｅ＋Ｏ２）雰囲気中加熱に切り換えたことにより、以下のような変化が観察された：
１）上述のように＜１１１＞方向に高配向したＰＺＴ膜が得られる。Ｘ線回折のピーク強度比を算出すると、（１１１）／（００１）＝５２／１、（１１１）／（１１０）＝４１／１であった。
２）ＰＺＴ圧電体膜において、膜ムラが見られなくなった、
３）再現性が向上した、
４）膜厚分布が、±６．７％から±４．８％に減少した、
５）基板面内において誘電率の分布が±９．７％から±４．２％に減少し、誘電損が±２５％から±５．３％に減少した（誘電特性のばらつきが減少した）。
【００３３】
なお、（Ａｒ＋Ｈｅ＋Ｏ２）混合ガスに換え、酸素ガスのみを供給して、酸素ガス雰囲気中で昇温を行なった場合も、ほぼ同様の結果が得られた。酸素を含む雰囲気中で加熱することで、これらの効果が生じると考えられる。
【００３４】
真空加熱と酸素を含む雰囲気中加熱の差を確認する為、真空中で加熱を行った下部電極付き基板と酸素を含む雰囲気で加熱を行なった下部電極付き基板の深さ方向の組成分析をＸ線光電子分光分析（ＸＰＳ）で行なった。
【００３５】
図４Ａが酸素を含む雰囲気中で加熱を行なったサンプル、図４Ｂが真空中で加熱したサンプルの分析結果である。横軸がＰｔ膜表面からの深さを単位ｎｍで示し、縦軸が元素濃度を単位ａｔ％で示す。図４Ａにおいて、Ｓｉは深さ約２２０ｎｍより深い領域に分布する。Ｔｉの分布は深さ約２３０ｎｍ程度から増加し、約１２０ｎｍの深さまで２０ａｔ％近い値を示し、その後表面に向かって漸減し、深さ約２０ｎｍ以下では５ａｔ％未満である。Ｏの分布は表面で２０ａｔ％以上であるが深さ約１０ｎｍ近くで７ａｔ％程度まで急激に減少し、その後深さと共に増大し、深さ約１３０ｎｍ程度で６０ａｔ％を超える値となり、深さ１５０ｎｍ付近でピーク値を取り、その後Ｔｉ領域内では減少している。Ｐｔの濃度分布はＯの濃度分布と相補的な動きを示している。Ｏが膜に取り込まれた分、組成としては減少していると考えられる。
【００３６】
これに対して真空中で加熱したサンプルの分析結果であるの図４Ｂにおいては、Ｓｉの濃度分布が深さ約１５０ｎｍ付近から上昇している。図４Ａの（Ａｒ＋Ｈｅ＋Ｏ２）ガス雰囲気中で加熱したサンプルと比較して浅い深さからＳｉ濃度が上昇しているのは、深さ方向分析をおこなう際のエッチングレートの違いによるものであると思われる。
酸素の濃度は深さ８０ｎｍ程度から深い領域で上昇しており、深さ約８０ｎｍ以下の領域では表面層を除いて殆ど観察されなかった。Ｔｉの濃度分布は、深さ約１５０ｎｍ程度から深さ約１００ｎｍ程度まで２０ａｔ％近い値で推移し、それより浅い領域では漸減しているが５ａｔ％以上の値は維持し、表面に達している。Ｐｔの分布は、大まかに１００％からＯとＴｉの濃度を引いた分といえよう。
【００３７】
図４Ａと４Ｂの濃度分布を比較すると、真空中で基板加熱をおこなうとＴｉが基板表面まで拡散しているのに対し酸素を含む雰囲気中で加熱した場合では表面まではほとんど達していないこと、真空中で加熱したサンプルは酸素がＰｔ膜中にほとんど分布していないのに対し、酸素を含む雰囲気中で加熱したサンプルでは酸素がＰｔ膜表面からＴｉ膜中にかけて次第に増加していることが観察された。
【００３８】
これらの分析結果から、酸素を含む雰囲気中で基板を加熱することにより、Ｔｉが酸素と反応して酸化物となり、結果としてＴｉがＰｔ膜表面まで拡散するのを妨げたものと考えることができよう。
【００３９】
こうした現象が起こることによって下部電極であるＰｔ層表面の結晶性は、Ｐｔ層成膜時の状態を維持できるものと考えられる。そしてこの上に成膜する圧電体層（ＰＺＴ）も成長表面である下部電極の表面状態の影響を受けて（１１１）に配向して成長すると推測される。その結果、（１１１）に高配向したＰＺＴ膜を得ることができるのであろう。
【００４０】
またそれに伴ってＰｔ層の面内均一性も維持されるので、下部電極と基板・圧電体層との密着性などにばらつきが少なくなり、圧電素子の性能のばらつきが少なくなるものと思われる。
【００４１】
Ｐｔ膜上に形成したＰＺＴ膜のＸ線回折測定の結果より、成膜したＰＺＴ膜の配向性の評価をおこなった。
【００４２】
成膜した膜の配向性を、下記の式
α（ｘｙｚ）＝Ｉ（ｘｙｚ）／ΣＩ（ａｂｃ）
で定義した配向度で評価した。
【００４３】
ここでＩ（ｘｙｚ）は（ｘｙｚ）面の回折強度、ΣＩ（ａｂｃ）は全回折強度の総和で、配向度α（ｘｙｚ）は全回折強度の総和に対する（ｘｙｚ）面の回折強度の割合を示したものである。ただし（００２）は、（００１）面と等価な面であるため、回折強度の総和には含めなかった。
図５Ａ−５Ｃは真空中で基板加熱をおこなって成膜したサンプルの結果、図５Ｄ−５Ｆは（Ａｒ+Ｈｅ+Ｏ２）雰囲気中で基板加熱をおこなって成膜したサンプルの結果を示す。
横軸は、図５Ａ、５Ｄが（００１）配向度分布、図５Ｂ、５Ｅが（１１０）配向度分布、図５Ｃ、５Ｆが（１１１）配向度分布を示す。縦軸は作製したサンプルのうち、配向度を満たすサンプルの割合を示している。
【００４４】
真空中で基板加熱をおこなったサンプルにおいては、どちらかといえば（００１）に配向したサンプルが多いが、（００１）の回折強度がＸ線回折強度の総和の８割以上に達したサンプルの割合は、４割に留まっている。回折強度の割合を６割以上に下げても、占めるサンプルの割合は高々７割程度である。また（００１）の回折強度がＸ線回折強度の総和の８割以上に達したサンプルの割合も１割あることより、真空中で基板加熱をおこなって成膜したサンプルは（００１）に配向しやすい傾向は見られるが、配向度のばらつきが大きいと言えよう。
ところが（Ａｒ+Ｈｅ+Ｏ２）雰囲気中で基板加熱をおこなったサンプルにおいては、図５Ｄ−５Ｆに示すように（００１）、（１１０）の回折強度がＸ線回折強度の総和の１割以下のサンプルの割合がそれぞれ８割以上であり、（１１１）の回折強度がＸ線回折強度の総和の８割以上に達したサンプルの割合も８割を超えている。
このことより、酸素を含有した雰囲気中で基板加熱をおこなうと（１１１）に強く配向する傾向が見られると言えよう。
チタンの拡散が関与するとすれば、低温では変化は少なく、閾値温度以上で変化が大きくなると考えられる。
【００４５】
基板温度の昇温直後に（Ａｒ+Ｈｅ+Ｏ２）ガスを供給しても程度は小さくなるものの同様な効果が観察された。
このことより基板温度が所定温度以上となった段階で、酸素を含む雰囲気を形成することでも配向性向上の効果が得られる可能性が期待される。
絶縁膜上に、Ｔｉ密着膜、Ｐｔ主電極膜を積層した基板を圧電体膜堆積装置に搬入し、酸素を含む雰囲気中で昇温し、プラズマを用いる堆積法で圧電体膜を堆積することにより、配向の揃った圧電体膜が得られることが判明した。配向の揃った圧電体膜を用いることにより、特性の優れた圧電体素子が形成できる。
【００４６】
図６は、２次元光スキャナ２０１の斜視図を示す。２次元スキャナ２０１には、中央に矩形のミラー部が形成されている。ミラー部は、表面に酸化膜が形成されたシリコン（Ｓｉ）層からなる可動基板２０３と、その上部に形成された金（Ａｕ）やアルミニウム（Ａｌ）等の金属薄膜による反射膜２０３ｍとを含んで構成されている。反射膜２０３ｍは、入射光の反射率を高める。
【００４７】
一対の第１のトーションバー２０４ａ、２０４ｂが、ミラー部を通過するひとつの軸上に配置され、可動基板２０３を各々の一端で軸支する。第１のトーションバー２０４ａ、２０４ｂの他端には、ミラー部を囲む矩形枠状の内部可動枠２０２が接続されている。
【００４８】
第１の圧電振動板２０５ａ、２０５ｄ（および２０５ｂ、２０５ｃ）が、内部可動枠２０２の第１のトーションバーと平行な辺２０２Ｌと第１のトーションバー２０４ａ（および２０４ｂ）とを接続する。第１の振動板２０５ａ、２０５ｄ（および２０５ｂ、２０５ｃ）の表面上で、第１のトーションバー２０４ａ（および２０４ｂ）の両側には、圧電素子２０８ａ、２０８ｄ（および２０８ｂ、２０８ｃ）がそれぞれ積層されている。圧電素子２０８ａ〜２０８ｄは、第１の圧電振動板の表面から内部可動枠２０２の表面の一部にかけて形成されており、内部可動枠２０２の表面上に引き出し電極を有している。圧電素子２０８ａ〜２０８ｄは、上述の実施例に従って作成する。
【００４９】
第１のトーションバー２０４ａ、２０４ｂと軸方向が交差する一対の第２のトーションバー２０６ａ、２０６ｂが、各々の一端で内部可動枠２０２を軸支する。第１のトーションバーと第２のトーションバーは直交する。矩形開口を有する支持体２０１が、第２のトーションバー２０６ａ、２０６ｂの他端に接続され、内部可動枠２０２を囲む。
【００５０】
第２の圧電振動板２０７ａ、２０７ｄ（および２０７ｂ、２０７ｃ）が、支持体２０１の第２のトーションバーと平行な辺２０１Ｌと第２のトーションバー２０６ａ（および２０６ｂ）とを接続する。第２の圧電振動板２０７ａ（および２０７ｂ）の表面上で、第２のトーションバー２０６ａ（および２０６ｂ）の両側には、圧電素子２０９ａ、２０９ｄ（および２０９ｂ、２０９ｃ）がそれぞれ積層されている。圧電素子２０９ａ〜２０９ｄは、第２の圧電振動板の表面から支持体２０１の表面の一部にかけて形成されており、支持体２０１の表面上に引き出し電極を有している。圧電素子２０９ａ〜２０９ｄは、上述の実施例に従って作成する。
【００５１】
これらの、内部可動枠２０２、可動基板２０３、第１のトーションバー２０４ａ、２０４ｂ、第１の圧電振動板２０５ａ、２０５ｂ、２０５ｃ、２０５ｄ、第２のトーションバー２０６ａ、２０６ｂ、第２の圧電振動板２０７ａ、２０７ｂ、２０７ｃ、２０７ｄは、表面に酸化膜を有するシリコンからなる共通基板をエッチング加工することにより形成されている。また、この加工の際に、ミラー部および内部可動枠２０２が所定の角度で揺動するのに支障のないような空隙も形成される。上記の各構成要素２０２、２０３、２０４ａ、２０４ｂ、２０５ａ、２０５ｂ、２０５ｃ、２０５ｄ、２０６ａ、２０６ｂ、２０７ａ、２０７ｂ、２０７ｃ、２０７ｄは、支持体２０１の厚さに比べて薄くなっており、曲げ変形及び捩れ変形が容易にできる構造になっている。ただし、内部可動枠２０２は、活性基板の下にＳｉからなる支持構造体２０２Ｍが形成されており、機械的な剛性を向上させている。この構造体２０２Ｍは厚さの調整が可能である。このような構造体は、例えばＳＯＩ基板を用いて作成できる。
【００５２】
以上実施例に沿って、本発明を説明したが、本発明はこれらに限定されるものではない。圧電体は、ＰＺＴに限らない。チタン酸鉛（ＰＴ），チタン酸ジルコン酸鉛ランタン（ＰＬＺＴ）等他のペロブスカイト型酸化物圧電体（強誘電体）も可能であろう。
【００５３】
圧電体膜の成膜方法は、アーク放電反応性イオンプレーティングに限らない。プラズマ励起を利用し、真空中で気相堆積するプラズマ気相堆積に適用可能であろう。このような堆積方法は公知であり、公知の堆積装置、公知の堆積方法を用いることが可能であろう。
【００５４】
その他、種々の変更、置換、改良、組み合わせ等が可能なことは、当業者に自明であろう。
【符号の説明】
【００５５】
１１ 基板、
１２ 酸化シリコン膜、
１４ Ｔｉ層、
１６ Ｐｔ層、
１８ ＰＺＴ膜、
２０ Ｐｔ層、
１０１ 反応チャンバ、
１０３ ヒータ、
１０４ 基板ホルダ、
１０９ ガス供給機構、
１２０ プラズマ発生ガス供給機構。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電体素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザ光等の光ビームを走査する装置（光スキャナ）が、バーコードリーダ、レーザプリンタ、レーザアニール装置等の光学機器に用いられている。現在、光スキャナの小型化、より正確な動作等が求められている。
【０００３】
特開２００５−１４８４５９号公報は、下地単結晶Ｓｉ基板上に酸化シリコン膜を介して薄い単結晶Ｓｉ層を結合したＳＯＩ基板を用い、ミラー部を第１の枠に結合した第１の軸で支持し、第１の枠を第１の軸と交差する第２の軸で支持し、第２の軸を外枠で支持し、第１の軸、第２の軸を梁とその上に形成された圧電薄膜素子を含む圧電アクチュエータで揺動させて二次元走査する光スキャナを提案している。
【０００４】
このような圧電薄膜素子の圧電材料として、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰｂＺｒ１−ｘＴｉｘＯ３、ＰＺＴ）等のペロブスカイト型酸化物圧電材料が用いられる。チタン酸ジルコン酸鉛（ＰｂＺｒ１−ｘＴｉｘＯ３、ＰＺＴ）は、高い圧電率、高い強誘電率を有し、電圧（電界）−変位変換素子、メモリ等として利用されている。
【０００５】
マイクロエレクトロメカニカルシステム（ＭＥＭＳ）における圧電素子は、一般的にアモルファス相や多結晶相の絶縁膜の上に形成される。絶縁膜上に、電極を介して形成される圧電材料の多くは結晶粒子の集合体からなる多結晶体であり、各結晶粒子の結晶軸方向はランダムな方向を向いている。従って、自発分極の方向もランダムに配列している。電界を印加すると、各結晶粒子は、電界と平行方向に分極軸を向けようとする。圧電特性は電圧依存性を示し、バラツキが大きくなったり、経時変化が生じたりする。信頼性に問題が生じうる。ＰＺＴ膜の配向が制御できれば、応答を大きくでき、信頼性の向上にもなる。
【０００６】
圧電薄膜素子は、基本的に圧電材料膜を上下の電極で挟んだ構成を有する。下部電極上に酸化物圧電材料膜を堆積するため、下部電極は酸化性雰囲気に曝される。下部電極としては、酸化しないか、酸化しても導電性である貴金属が用いられる。例えば、Ｐｔ／ＰＺＴ／Ｐｔの積層構造である。Ｐｔ層は酸化シリコン膜に対して密着性が弱い。酸化シリコン膜上に圧電薄膜素子を形成する場合には、酸化シリコン膜とＰｔ下部電極との間にＴｉ密着層を形成することも多い。
【０００７】
上下電極層は、電子ビーム蒸着、スパッタリングなどで成膜できる。ＰＺＴ膜の成膜方法としては、ゾルゲル法、蒸着、スパッタリング、化学気相堆積（ＣＶＤ）等が知られている。
【０００８】
特開２００１−２３４３３１号公報、特開２００２−１７７７６５号公報、特開２００３−２３４３３１号公報は、それらの実施の態様の欄で、圧力勾配型アーク放電プラズマガンで生成した高密度プラズマで、蒸発源から蒸発したソースガスを活性化し、酸素雰囲気中で下地基板上に薄膜を形成する、アーク放電反応式イオンプレーティング法を提案している。アーク放電反応式イオンプレーティング法は、比較的低い成膜温度においても、高速に強誘電体（圧電体）膜を形成できる方法である。
【０００９】
酸化膜を形成したＳｉ基板（ＳｉＯ2／Ｓｉ）上にＰｔ／Ｔｉ下部電極層をスパッタ蒸着したものを下地基板として、その上に強誘電体薄膜を成膜すると、強誘電体薄膜の結晶構造は、下地であるＰｔ／Ｔｉ層の結晶構造に大きく依存する。
【００１０】
上記のような強誘電体薄膜にあっては、通常Ｐｔ層は（１１１）面に優先配向した多結晶薄膜層であることが多く、その上に成長させた強誘電体薄膜層は、全く優先配向のない膜か、成膜プロセスの工夫によってＰｔ層と同じ（１１１）優先配向した薄膜になる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００５−１４８４５９号公報
【特許文献２】特開２００１−２３４３３１号公報
【特許文献３】特開２００２−１７７７６５号公報
【特許文献４】特開２００３−２３４３３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
密着膜を備え、配向の揃った圧電体膜を製造する。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の１観点によれば、
（ａ）基板上方に、Ｔｉ層、その上にＰｔ層を堆積する工程と、
（ｂ）前記Ｔｉ層、Ｐｔ層を堆積した基板をプラズマ気相堆積装置に搬入する工程と、
（ｃ）前記プラズマ気相堆積装置内において、前記基板を酸素を含む雰囲気中で、圧電体膜堆積温度まで加熱する工程と、
（ｄ）前記プラズマ気相堆積装置内において、加熱した前記基板上に、プラズマ気相堆積により、酸化物圧電体膜を堆積する工程と、
を含む圧電体素子の製造方法
が提供される。
【発明の効果】
【００１４】
（１１１）配向した圧電体膜が得られる。
【００１５】
均一性が向上する。
再現性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１Ａは、圧電体薄膜素子製造工程中の基板断面図、図１Ｂは、Ｔｉ層上に成膜したＰｔ層をＸ線回折により測定した結果を示すグラフである。
【図２−１】図２Ａは、圧電体薄膜堆積に用いるアーク放電反応性イオンプレーティング装置を示す概略側面図、 図２Ｂは、ＰＺＴ圧電体膜を形成した基板の概略断面図である。
【図２−２】図２Ｃは、ＰＺＴ圧電体膜１８表面を観察したスケッチ、図２Ｄは、真空中で加熱処理したＰｔ膜に生じたと考えられうる結晶性の分布を示す概念図、図２Ｅは、真空中で加熱処理したＰｔ膜表面をＸ線回折で測定した結果を示すグラフである。
【図３】図３Ａは、基板加熱処理工程におけるアーク放電反応性イオンプレーティング装置を示す概略側面図、図３Ｂは、ＰＺＴ圧電体膜成膜後のＸ線回折測定の結果を示すグラフである。
【図４】図４Ａは、酸素（Ｏ２）を含む雰囲気中で加熱したサンプルのＸＰＳ測定結果を示すグラフ、図４Ｂは，真空中で加熱したサンプルのＸＰＳ測定結果を示すグラフである。
【図５−１】図５Ａ−５Ｃは、真空中加熱サンプルの配向度測定結果を示すグラフである。
【図５−２】図５Ｄ−５Ｆは、（Ａｒ＋Ｈｅ＋Ｏ２）雰囲気中加熱サンプルの配向度測定結果を示すグラフである。
【図６】図６は、２次元光スキャナの斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明者は、圧電薄膜素子を製造する技術を開発している。まず、予備実験に沿って説明する。ＭＥＭＳ用の圧電薄膜素子はＳＯＩ基板上に形成するが、研究用の圧電薄膜素子は、（１００）面Ｓｉ基板上に形成した。
【００１８】
図１Ａに示すように、Ｓｉ基板１１表面に熱酸化により厚さ約５００ｎｍの酸化シリコン膜１２を形成し、酸化シリコン膜１２上にスパッタリングで、厚さ約５０ｎｍのＴｉ密着層１４、厚さ約１５０ｎｍのＰｔ主電極層１６を形成した。Ｔｉ密着層１４とＰｔ主電極層１６が下部電極を構成する。
【００１９】
図１Ｂは、Ｐｔ主電極層１６を形成した基板をＸ線回折により測定した結果を示すグラフである。横軸が回折角２θを単位、度（deg）で示し、縦軸が回折強度を任意単位で示す。回折角２θ：３０度−５０度の範囲では、Ｐｔの（１１１）面ピークのみが明瞭に認められる。Ｐｔ層１６は、主として（１１１）配向していると考えられる。Ｐｔ層１６を堆積した基板１１をアーク放電反応性イオンプレーティング装置に装荷し、ＰＺＴ圧電体膜を堆積した。
【００２０】
図２Ａは、圧電体薄膜を堆積するのに用いたアーク放電反応性イオンプレーティング装置を示す概略側面図である。反応チャンバ１０１は真空排気装置に接続され、高真空（１ｘ１０−４Ｐａ以上の真空度、圧力としては１ｘ１０−４Ｐａ以下）に排気可能である。なお、真空度（圧力）の計器はＴoｒｒを単位としており、圧力の数値はほぼ有効数字１桁で扱っているため、本願においては１００Ｐａ＝１Ｔｏｒｒで換算している。
【００２１】
反応チャンバ１０１の上面を貫通して回転軸１０２が設けられており、背面に輻射加熱方式のヒータ１０３を備えた基板ホルダ１０４が接続されている。基板ホルダ１０４は、複数の基板１０５を支持できる構成である。反応チャンバ１０１底部には、Ｐｂ蒸発源１０６、Ｚｒ蒸発源１０７、Ｔｉ蒸発源１０８が備えられ、Ｐｂビーム、Ｚｒビーム、Ｔｉビームを発生できる。反応チャンバ１０１上面を貫通して、ガス供給機構１０９が設けられている。
【００２２】
反応チャンバ１０１の側面には、陽極１１４、陰極１１２、磁場発生コイル１１６を備えたプラズマガン１１０が設けられている。プラズマガン１１０には、プラズマ発生ガス供給機構１２０が設けられ、Ａｒ、Ｈｅ等の不活性ガス（放電ガス）が供給される。プラズマ発生ガス供給機構１２０から供給された不活性ガス（放電ガス）がアーク放電により電離・活性化し、磁場・放電ガスの圧力勾配によって誘導されて反応チャンバ１０１内にプラズマ１１８が導出される。蒸発源１０６，１０７，１０８から蒸発したソースガスは、プラズマ１１８を通過する際に活性化され、基板１０５に到達する。ガス供給機構１０９からは酸素が導入されることによって高密度の酸素プラズマ及び酸素の活性種を生成され、基板近傍でソースガスと反応して酸化物を形成する。
【００２３】
Ｔｉ密着層１４とＰｔ主電極層１６の積層からなる下部電極を形成したＳｉ基板１１が、基板１０５として、反応チャンバ１０１内に装荷され、反応チャンバ１０１内は、１ｘ１０−４Ｐａ以上の高真空に排気され、ヒータ１０３により基板１０５を５００℃程度まで加熱する。基板１０５が約５００℃に達した後、プラズマ発生ガス供給機構１２０からＡｒガスを１ｓｃｃｍ〜１００ｓｃｃｍ、Ｈｅガスを５ｓｃｃｍ〜３００ｓｃｃｍ導入し、プラズマガン１１０の陰極１１２と陽極１１４との間に直流電圧を印加することによりアーク放電プラズマ１１８を発生させる。そしてガス供給機構１０９から酸素ガスを５０ｓｃｃｍ〜４００ｓｃｃｍ導入して高密度の酸素プラズマ及び酸素の活性種を生成し、蒸発源１０６，１０７，１０８からＰｂ、Ｚｒ、Ｔｉを蒸発させる。このときの放電電圧は５０Ｖ〜１２０Ｖ、放電電流は１５Ａ〜８０Ａの間で制御を行なった。
ガス供給機構１０９から酸素ガスを導入することによって反応チャンバ１０１内に生成された酸素活性種の存在下で、輻射加熱方式のヒータ１０３によって５００℃程度に加熱された基板１０５上にＰＺＴ薄膜の成膜をおこなった。
また水晶振動子式膜厚モニタにて、Ｐｂ蒸発量がＺｒとＴｉの蒸発量の合計に対して１０倍までの範囲になるように、かつＺｒとＴｉの蒸発量がほぼ同等になるように、蒸発源１０６，１０７，１０８のパワーを制御することにより、ペロブスカイト型結晶構造を有するＰＺＴ圧電体薄膜を形成した。
上記薄膜形成時の真空容器内圧力は０．１Ｐａ前後であり、ＰＺＴ膜の堆積速度は約１５Å／ｓｅｃ程度であった。
この膜の誘電率・誘電損を測定したところ、それぞれ８００〜１２００、０．０３程度のものが得られた。
【００２４】
図２Ｂは、ＰＺＴ圧電体膜を形成した基板の概略断面図である。Ｓｉ基板１１の上に、酸化シリコンの絶縁膜１２が形成され、その上にＴｉ層１４、Ｐｔ層１６によって下部電極が形成され、その上にＰＺＴ圧電体膜１８が形成される。
【００２５】
図２Ｃは、ＰＺＴ圧電体膜１８表面を観察したスケッチである。矩形状のＰＺＴ圧電体膜１８に、例えば図に示すような大きな三角形状の不均一（ムラ）が観察される。
膜の様子はＰｔ電極の影響を受けてグレーに見えるが、ムラの部分は図に示すように他の部分と比較して若干黒みがかった色をしている。
ともに光沢は見られるが、顕微鏡などで表面を拡大して観察すると、黒みがかった部分のほうは若干平坦性が無かった。
そして誘電率は、黒みがかった部分のほうが大きいという傾向が見られた。
このような不均一な膜を用いて圧電薄膜素子を形成すると歩留まりは悪い。基板内の温度分布を無くすために長時間温度を保持した後に、圧電体膜を成膜しても、ムラは発生した。繰り返し成膜をおこなってもムラの発生のしかたが変化するので、基板ホルダに何らかの原因がある可能性は小さいと考えられる。どのような現象が生じているか検討する為に、Ｔｉ膜・Ｐｔ膜を成膜した基板を真空中で成膜基板温度で加熱処理を行なった後、取り出して分析をおこなった。
【００２６】
図２Ｅは、真空中で加熱処理したＰｔ膜表面をＸ線回折で測定した結果である。横軸が回折角２θを単位、度（deg）で示し、縦軸が回折強度を任意単位で示す。図１Ｂの（１１１）ピークと同じ位置に、回折強度が著しく減衰したピークが観察された。このことより、真空中で基板を加熱することによって、（１１１）配向していたＰｔ膜の結晶性が大きく変化したものと考えられる。
この結晶性の変化の仕方が基板内で大きく異なり、例えば図２Ｄの色の濃淡で示すように結晶性に分布が出来たとすると、その上に成膜したＰＺＴ膜の結晶性等もそれによって大きな影響を受け、図２Ｃに示すような膜ムラになったものと考えられる。
本発明者は、真空中での加熱に代え、酸素を含む雰囲気中で加熱を行なうことを考えた。例えば、酸素を含む雰囲気として、不活性ガスである（Ａｒ＋Ｈｅ）に酸素Ｏ２を混合する。化学的に活性なガスは酸素であり、不活性ガスの第１の役割は酸素を希釈することである。Ｈｅは熱伝導特性を改良する役割も有する。
【００２７】
図１Ａに示すように、Ｓｉ基板１１表面に厚さ約５００ｎｍの熱酸化シリコン膜１２を形成し、その上に厚さ約５０ｎｍのＴｉ密着層１４、厚さ約１５０ｎｍのＰｔ主電極層１６をスパッタリング法を用いて形成する。
【００２８】
図３Ａに示すように、この基板をアーク放電反応性イオンプレーティング装置の反応チャンバ１０１内に導入し、基板ホルダ１０４上に装荷する。反応チャンバ１０１内を１ｘ１０−４Pa以上の高真空に排気した後、ガス導入機構１０９から（Ａｒ＋Ｈｅ＋Ｏ２）ガス（流速比２：２：１）を供給し、雰囲気圧力を１００Pa〜１０−２Pa、例えば１０−１Pa程度に維持する。この圧力下でＳｉ基板１１を輻射加熱ヒータ１０３で裏面側から加熱し、Ｓｉ基板１１の温度が５００℃程度になるまで昇温させる。昇温時間としては、８０分を目安に昇温させている。
そして輻射加熱ヒータ１０３の温度の変化に対するＳｉ基板１１の温度変化には時間的なズレ（遅れて変化する）があるので、一定の時間をおいてから成膜をおこなう。一定の時間の例として、ヒータの温度が一定となってから６０分程度経てから成膜を実施している。５００℃程度に昇温する１例において、雰囲気圧力は、１ｘ１０−１Ｐａであった。
【００２９】
ＰＺＴ薄膜を成膜する際には、ガス供給機構１０９から供給するガスを（Ａｒ＋Ｈｅ＋Ｏ２）ガスからＯ２ガスに切り換え、流量を５０ｓｃｃｍ〜４００ｓｃｃｍに設定する。
【００３０】
プラズマ発生ガス供給機構１２０からＡｒガスを１ｓｃｃｍ〜１５０ｓｃｃｍ、Ｈｅガスを５０ｓｃｃｍ〜２００ｓｃｃｍ導入して、直流バイアス電圧を印加することによりプラズマガン１１０を駆動させアーク放電プラズマ１１８を発生させる。この際の放電電圧は５０Ｖ〜１２０Ｖ、放電電流は４０Ａ〜１００Ａで制御を行なった。
このプラズマガン１１０で生成した高密度プラズマをプラズマ制御用磁場発生源１１６により発生した磁場によって反応チャンバ１０１内に導いた。この状態で、ガス供給機構１０９から反応ガスとして酸素を、例えば１００ｓｃｃｍ〜３００ｓｃｃｍ、導入することにより、反応チャンバ１０１内に高密度の酸素プラズマ及び酸素の活性種を生成した。
このアーク放電プラズマ１１８の中で蒸発源１０６，１０７，１０８からＰｂ、Ｚｒ、Ｔｉを蒸発させ、Ｐｔ膜１６上にＰＺＴ膜１８を堆積する。
【００３１】
図３Ｂは、Ｐｔ層を形成した基板を（Ａｒ＋Ｈｅ＋Ｏ２）ガス雰囲気中で加熱し、その上にＰＺＴ膜１８を成膜した基板のＸ線回折結果を示すグラフである。横軸が回折角２θを単位、度（deg）で示し、縦軸が回折強度を任意単位で示す。Ｐｔ層の（１１１）配向のピークと、ＰＺＴ膜の（１１１）配向のピークが明瞭に示されている。真空中加熱の場合、図２Ｅに示されるようにＰｔ層の（１１１）配向が著しく減衰した。加熱を（Ａｒ＋Ｈｅ＋Ｏ２）ガス雰囲気中で行なうことにより、Ｐｔ層の結晶性の低下が回避され、その結果、Ｐｔ層の影響を受けて（１１１）に配向したＰＺＴ膜が形成されていると考えることができよう。
【００３２】
真空中加熱を（Ａｒ＋Ｈｅ＋Ｏ２）雰囲気中加熱に切り換えたことにより、以下のような変化が観察された：
１）上述のように＜１１１＞方向に高配向したＰＺＴ膜が得られる。Ｘ線回折のピーク強度比を算出すると、（１１１）／（００１）＝５２／１、（１１１）／（１１０）＝４１／１であった。
２）ＰＺＴ圧電体膜において、膜ムラが見られなくなった、
３）再現性が向上した、
４）膜厚分布が、±６．７％から±４．８％に減少した、
５）基板面内において誘電率の分布が±９．７％から±４．２％に減少し、誘電損が±２５％から±５．３％に減少した（誘電特性のばらつきが減少した）。
【００３３】
なお、（Ａｒ＋Ｈｅ＋Ｏ２）混合ガスに換え、酸素ガスのみを供給して、酸素ガス雰囲気中で昇温を行なった場合も、ほぼ同様の結果が得られた。酸素を含む雰囲気中で加熱することで、これらの効果が生じると考えられる。
【００３４】
真空加熱と酸素を含む雰囲気中加熱の差を確認する為、真空中で加熱を行った下部電極付き基板と酸素を含む雰囲気で加熱を行なった下部電極付き基板の深さ方向の組成分析をＸ線光電子分光分析（ＸＰＳ）で行なった。
【００３５】
図４Ａが酸素を含む雰囲気中で加熱を行なったサンプル、図４Ｂが真空中で加熱したサンプルの分析結果である。横軸がＰｔ膜表面からの深さを単位ｎｍで示し、縦軸が元素濃度を単位ａｔ％で示す。図４Ａにおいて、Ｓｉは深さ約２２０ｎｍより深い領域に分布する。Ｔｉの分布は深さ約２３０ｎｍ程度から増加し、約１２０ｎｍの深さまで２０ａｔ％近い値を示し、その後表面に向かって漸減し、深さ約２０ｎｍ以下では５ａｔ％未満である。Ｏの分布は表面で２０ａｔ％以上であるが深さ約１０ｎｍ近くで７ａｔ％程度まで急激に減少し、その後深さと共に増大し、深さ約１３０ｎｍ程度で６０ａｔ％を超える値となり、深さ１５０ｎｍ付近でピーク値を取り、その後Ｔｉ領域内では減少している。Ｐｔの濃度分布はＯの濃度分布と相補的な動きを示している。Ｏが膜に取り込まれた分、組成としては減少していると考えられる。
【００３６】
これに対して真空中で加熱したサンプルの分析結果であるの図４Ｂにおいては、Ｓｉの濃度分布が深さ約１５０ｎｍ付近から上昇している。図４Ａの（Ａｒ＋Ｈｅ＋Ｏ２）ガス雰囲気中で加熱したサンプルと比較して浅い深さからＳｉ濃度が上昇しているのは、深さ方向分析をおこなう際のエッチングレートの違いによるものであると思われる。
酸素の濃度は深さ８０ｎｍ程度から深い領域で上昇しており、深さ約８０ｎｍ以下の領域では表面層を除いて殆ど観察されなかった。Ｔｉの濃度分布は、深さ約１５０ｎｍ程度から深さ約１００ｎｍ程度まで２０ａｔ％近い値で推移し、それより浅い領域では漸減しているが５ａｔ％以上の値は維持し、表面に達している。Ｐｔの分布は、大まかに１００％からＯとＴｉの濃度を引いた分といえよう。
【００３７】
図４Ａと４Ｂの濃度分布を比較すると、真空中で基板加熱をおこなうとＴｉが基板表面まで拡散しているのに対し酸素を含む雰囲気中で加熱した場合では表面まではほとんど達していないこと、真空中で加熱したサンプルは酸素がＰｔ膜中にほとんど分布していないのに対し、酸素を含む雰囲気中で加熱したサンプルでは酸素がＰｔ膜表面からＴｉ膜中にかけて次第に増加していることが観察された。
【００３８】
これらの分析結果から、酸素を含む雰囲気中で基板を加熱することにより、Ｔｉが酸素と反応して酸化物となり、結果としてＴｉがＰｔ膜表面まで拡散するのを妨げたものと考えることができよう。
【００３９】
こうした現象が起こることによって下部電極であるＰｔ層表面の結晶性は、Ｐｔ層成膜時の状態を維持できるものと考えられる。そしてこの上に成膜する圧電体層（ＰＺＴ）も成長表面である下部電極の表面状態の影響を受けて（１１１）に配向して成長すると推測される。その結果、（１１１）に高配向したＰＺＴ膜を得ることができるのであろう。
【００４０】
またそれに伴ってＰｔ層の面内均一性も維持されるので、下部電極と基板・圧電体層との密着性などにばらつきが少なくなり、圧電素子の性能のばらつきが少なくなるものと思われる。
【００４１】
Ｐｔ膜上に形成したＰＺＴ膜のＸ線回折測定の結果より、成膜したＰＺＴ膜の配向性の評価をおこなった。
【００４２】
成膜した膜の配向性を、下記の式
α（ｘｙｚ）＝Ｉ（ｘｙｚ）／ΣＩ（ａｂｃ）
で定義した配向度で評価した。
【００４３】
ここでＩ（ｘｙｚ）は（ｘｙｚ）面の回折強度、ΣＩ（ａｂｃ）は全回折強度の総和で、配向度α（ｘｙｚ）は全回折強度の総和に対する（ｘｙｚ）面の回折強度の割合を示したものである。ただし（００２）は、（００１）面と等価な面であるため、回折強度の総和には含めなかった。
図５Ａ−５Ｃは真空中で基板加熱をおこなって成膜したサンプルの結果、図５Ｄ−５Ｆは（Ａｒ+Ｈｅ+Ｏ２）雰囲気中で基板加熱をおこなって成膜したサンプルの結果を示す。
横軸は、図５Ａ、５Ｄが（００１）配向度分布、図５Ｂ、５Ｅが（１１０）配向度分布、図５Ｃ、５Ｆが（１１１）配向度分布を示す。縦軸は作製したサンプルのうち、配向度を満たすサンプルの割合を示している。
【００４４】
真空中で基板加熱をおこなったサンプルにおいては、どちらかといえば（００１）に配向したサンプルが多いが、（００１）の回折強度がＸ線回折強度の総和の８割以上に達したサンプルの割合は、４割に留まっている。回折強度の割合を６割以上に下げても、占めるサンプルの割合は高々７割程度である。また（００１）の回折強度がＸ線回折強度の総和の８割以上に達したサンプルの割合も１割あることより、真空中で基板加熱をおこなって成膜したサンプルは（００１）に配向しやすい傾向は見られるが、配向度のばらつきが大きいと言えよう。
ところが（Ａｒ+Ｈｅ+Ｏ２）雰囲気中で基板加熱をおこなったサンプルにおいては、図５Ｄ−５Ｆに示すように（００１）、（１１０）の回折強度がＸ線回折強度の総和の１割以下のサンプルの割合がそれぞれ８割以上であり、（１１１）の回折強度がＸ線回折強度の総和の８割以上に達したサンプルの割合も８割を超えている。
このことより、酸素を含有した雰囲気中で基板加熱をおこなうと（１１１）に強く配向する傾向が見られると言えよう。
チタンの拡散が関与するとすれば、低温では変化は少なく、閾値温度以上で変化が大きくなると考えられる。
【００４５】
基板温度の昇温直後に（Ａｒ+Ｈｅ+Ｏ２）ガスを供給しても程度は小さくなるものの同様な効果が観察された。
このことより基板温度が所定温度以上となった段階で、酸素を含む雰囲気を形成することでも配向性向上の効果が得られる可能性が期待される。
絶縁膜上に、Ｔｉ密着膜、Ｐｔ主電極膜を積層した基板を圧電体膜堆積装置に搬入し、酸素を含む雰囲気中で昇温し、プラズマを用いる堆積法で圧電体膜を堆積することにより、配向の揃った圧電体膜が得られることが判明した。配向の揃った圧電体膜を用いることにより、特性の優れた圧電体素子が形成できる。
【００４６】
図６は、２次元光スキャナ２０１の斜視図を示す。２次元スキャナ２０１には、中央に矩形のミラー部が形成されている。ミラー部は、表面に酸化膜が形成されたシリコン（Ｓｉ）層からなる可動基板２０３と、その上部に形成された金（Ａｕ）やアルミニウム（Ａｌ）等の金属薄膜による反射膜２０３ｍとを含んで構成されている。反射膜２０３ｍは、入射光の反射率を高める。
【００４７】
一対の第１のトーションバー２０４ａ、２０４ｂが、ミラー部を通過するひとつの軸上に配置され、可動基板２０３を各々の一端で軸支する。第１のトーションバー２０４ａ、２０４ｂの他端には、ミラー部を囲む矩形枠状の内部可動枠２０２が接続されている。
【００４８】
第１の圧電振動板２０５ａ、２０５ｄ（および２０５ｂ、２０５ｃ）が、内部可動枠２０２の第１のトーションバーと平行な辺２０２Ｌと第１のトーションバー２０４ａ（および２０４ｂ）とを接続する。第１の振動板２０５ａ、２０５ｄ（および２０５ｂ、２０５ｃ）の表面上で、第１のトーションバー２０４ａ（および２０４ｂ）の両側には、圧電素子２０８ａ、２０８ｄ（および２０８ｂ、２０８ｃ）がそれぞれ積層されている。圧電素子２０８ａ〜２０８ｄは、第１の圧電振動板の表面から内部可動枠２０２の表面の一部にかけて形成されており、内部可動枠２０２の表面上に引き出し電極を有している。圧電素子２０８ａ〜２０８ｄは、上述の実施例に従って作成する。
【００４９】
第１のトーションバー２０４ａ、２０４ｂと軸方向が交差する一対の第２のトーションバー２０６ａ、２０６ｂが、各々の一端で内部可動枠２０２を軸支する。第１のトーションバーと第２のトーションバーは直交する。矩形開口を有する支持体２０１が、第２のトーションバー２０６ａ、２０６ｂの他端に接続され、内部可動枠２０２を囲む。
【００５０】
第２の圧電振動板２０７ａ、２０７ｄ（および２０７ｂ、２０７ｃ）が、支持体２０１の第２のトーションバーと平行な辺２０１Ｌと第２のトーションバー２０６ａ（および２０６ｂ）とを接続する。第２の圧電振動板２０７ａ（および２０７ｂ）の表面上で、第２のトーションバー２０６ａ（および２０６ｂ）の両側には、圧電素子２０９ａ、２０９ｄ（および２０９ｂ、２０９ｃ）がそれぞれ積層されている。圧電素子２０９ａ〜２０９ｄは、第２の圧電振動板の表面から支持体２０１の表面の一部にかけて形成されており、支持体２０１の表面上に引き出し電極を有している。圧電素子２０９ａ〜２０９ｄは、上述の実施例に従って作成する。
【００５１】
これらの、内部可動枠２０２、可動基板２０３、第１のトーションバー２０４ａ、２０４ｂ、第１の圧電振動板２０５ａ、２０５ｂ、２０５ｃ、２０５ｄ、第２のトーションバー２０６ａ、２０６ｂ、第２の圧電振動板２０７ａ、２０７ｂ、２０７ｃ、２０７ｄは、表面に酸化膜を有するシリコンからなる共通基板をエッチング加工することにより形成されている。また、この加工の際に、ミラー部および内部可動枠２０２が所定の角度で揺動するのに支障のないような空隙も形成される。上記の各構成要素２０２、２０３、２０４ａ、２０４ｂ、２０５ａ、２０５ｂ、２０５ｃ、２０５ｄ、２０６ａ、２０６ｂ、２０７ａ、２０７ｂ、２０７ｃ、２０７ｄは、支持体２０１の厚さに比べて薄くなっており、曲げ変形及び捩れ変形が容易にできる構造になっている。ただし、内部可動枠２０２は、活性基板の下にＳｉからなる支持構造体２０２Ｍが形成されており、機械的な剛性を向上させている。この構造体２０２Ｍは厚さの調整が可能である。このような構造体は、例えばＳＯＩ基板を用いて作成できる。
【００５２】
以上実施例に沿って、本発明を説明したが、本発明はこれらに限定されるものではない。圧電体は、ＰＺＴに限らない。チタン酸鉛（ＰＴ），チタン酸ジルコン酸鉛ランタン（ＰＬＺＴ）等他のペロブスカイト型酸化物圧電体（強誘電体）も可能であろう。
【００５３】
圧電体膜の成膜方法は、アーク放電反応性イオンプレーティングに限らない。プラズマ励起を利用し、真空中で気相堆積するプラズマ気相堆積に適用可能であろう。このような堆積方法は公知であり、公知の堆積装置、公知の堆積方法を用いることが可能であろう。
【００５４】
その他、種々の変更、置換、改良、組み合わせ等が可能なことは、当業者に自明であろう。
【符号の説明】
【００５５】
１１ 基板、
１２ 酸化シリコン膜、
１４ Ｔｉ層、
１６ Ｐｔ層、
１８ ＰＺＴ膜、
２０ Ｐｔ層、
１０１ 反応チャンバ、
１０３ ヒータ、
１０４ 基板ホルダ、
１０９ ガス供給機構、
１２０ プラズマ発生ガス供給機構。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）基板上方に、Ｔｉ層、その上にＰｔ層を堆積する工程と、
（ｂ）前記Ｔｉ層、Ｐｔ層を堆積した基板をプラズマ気相堆積装置に搬入する工程と、
（ｃ）前記プラズマ気相堆積装置内において、酸素を含む雰囲気中で、前記基板を圧電体膜堆積温度まで加熱する工程と、
（ｄ）前記プラズマ気相堆積装置内において、加熱した前記基板上に、プラズマ気相堆積により、酸化物圧電体膜を堆積する工程と、
を含む圧電体素子の製造方法。
【請求項２】
前記酸素を含む雰囲気が、不活性ガスと酸素を含む、請求項１記載の圧電体素子の製造方法。
【請求項３】
前記不活性ガスが、（Ａｒ＋Ｈｅ）の混合ガスである、請求項３に記載の圧電体素子の製造方法。
【請求項４】
前記工程（ｃ）の雰囲気圧力が、１０−０Ｐａ〜１０−２Ｐａの範囲内である請求項１〜３のいずれか１項記載の圧電体素子の製造方法。
【請求項５】
前記工程（ａ）がスパッタリング又は蒸着で行なわれ、前記工程（ｄ）がアーク放電反応性イオンプレーティングで行なわれ、前記酸化物圧電体が、ＰＺＴである請求項１〜４のいずれか１項記載の圧電体素子の製造方法。
【請求項１】
（ａ）基板上方に、Ｔｉ層、その上にＰｔ層を堆積する工程と、
（ｂ）前記Ｔｉ層、Ｐｔ層を堆積した基板をプラズマ気相堆積装置に搬入する工程と、
（ｃ）前記プラズマ気相堆積装置内において、酸素を含む雰囲気中で、前記基板を圧電体膜堆積温度まで加熱する工程と、
（ｄ）前記プラズマ気相堆積装置内において、加熱した前記基板上に、プラズマ気相堆積により、酸化物圧電体膜を堆積する工程と、
を含む圧電体素子の製造方法。
【請求項２】
前記酸素を含む雰囲気が、不活性ガスと酸素を含む、請求項１記載の圧電体素子の製造方法。
【請求項３】
前記不活性ガスが、（Ａｒ＋Ｈｅ）の混合ガスである、請求項３に記載の圧電体素子の製造方法。
【請求項４】
前記工程（ｃ）の雰囲気圧力が、１０−０Ｐａ〜１０−２Ｐａの範囲内である請求項１〜３のいずれか１項記載の圧電体素子の製造方法。
【請求項５】
前記工程（ａ）がスパッタリング又は蒸着で行なわれ、前記工程（ｄ）がアーク放電反応性イオンプレーティングで行なわれ、前記酸化物圧電体が、ＰＺＴである請求項１〜４のいずれか１項記載の圧電体素子の製造方法。
【図１】
【図２−１】
【図３】
【図４】
【図５−１】
【図５−２】
【図６】
【図２−２】
【図２−１】
【図３】
【図４】
【図５−１】
【図５−２】
【図６】
【図２−２】
【公開番号】特開２０１１−２０４７７７（Ｐ２０１１−２０４７７７Ａ）
【公開日】平成２３年１０月１３日（２０１１．１０．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−６８４８７（Ｐ２０１０−６８４８７）
【出願日】平成２２年３月２４日（２０１０．３．２４）
【出願人】（０００００２３０３）スタンレー電気株式会社 (2,684)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１０月１３日（２０１１．１０．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年３月２４日（２０１０．３．２４）
【出願人】（０００００２３０３）スタンレー電気株式会社 (2,684)
【Ｆターム（参考）】
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