圧電体薄膜の製造方法及び圧電体薄膜の製造装置
【課題】圧電特性のばらつきが少ないチタン酸ジルコン酸鉛薄膜を効率よく製造する圧電体薄膜の製造方法を提供する。
【解決手段】チタン酸ジルコン酸鉛のターゲット３を使用し、スパッタ法により基板５の上にチタン酸ジルコン酸鉛薄膜を製造する圧電体薄膜の製造方法において、基板を加熱する基板加熱工程と、基板加熱工程で加熱した基板の温度を維持し、スパッタ法により基板の上に成膜する成膜工程と、を有し、基板加熱工程では、基板が所定の温度分布となるように加熱され、成膜工程では、基板と前記ターゲットとで挟まれる空間の、ターゲット面に平行な面の面内で、所定の酸素濃度分布となるように酸素が導入され、基板及び平行な面それぞれへターゲットの面を垂直投影した場合、基板と平行な面との相互に対応する位置における所定の温度分布の増減方向と所定の酸素濃度分布の増減方向とは同じ方向である。
【解決手段】チタン酸ジルコン酸鉛のターゲット３を使用し、スパッタ法により基板５の上にチタン酸ジルコン酸鉛薄膜を製造する圧電体薄膜の製造方法において、基板を加熱する基板加熱工程と、基板加熱工程で加熱した基板の温度を維持し、スパッタ法により基板の上に成膜する成膜工程と、を有し、基板加熱工程では、基板が所定の温度分布となるように加熱され、成膜工程では、基板と前記ターゲットとで挟まれる空間の、ターゲット面に平行な面の面内で、所定の酸素濃度分布となるように酸素が導入され、基板及び平行な面それぞれへターゲットの面を垂直投影した場合、基板と平行な面との相互に対応する位置における所定の温度分布の増減方向と所定の酸素濃度分布の増減方向とは同じ方向である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電体薄膜の製造方法及び圧電体薄膜の製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、圧電素子の応用開発、例えばメモリ、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ ＥＩｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）のアクチュエータやトランスデューサー等への展開が進み、その形成技術が注目されている。特に薄膜圧電素子の形成方法は、スパッタ法、エアロゾルデポジション法、化学溶液法及び化学気層成長法などがある。この中で、スパッタ法は、シリコンプロセスへの親和性が高いだけでなく、薄膜化による高集積化、ターゲット組成による薄膜組成制御の容易さ、ターゲットの大口径化による大口径基板への成膜による大量の製造の容易さ等の点で優位であると考えられている。
【０００３】
圧電素子の代表的な材料としてチタン酸ジルコン酸鉛（以下、ＰＺＴ）があるが、ＰＺＴをスパッタ法により成膜する場合、Ｐｂ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｏを有する焼結体のターゲットを用い、ＡｒとＯ２のガスを導入して成膜する。スパッタ法によりＰＺＴを成膜する場合、高い圧電特性を発現するためにはペロブスカイト構造を形成する必要があり、ペロブスカイト構造の結晶化温度はおよそ５５０℃〜６００℃程度の範囲にある。
【０００４】
ＰＺＴの構成元素であるＰｂの蒸気圧は、他の元素であるＴｉやＺｒと比較して高い（１Ｐａ時の昇華温度はＰｂ（鉛）が７０５℃、Ｔｉが１７０９℃、Ｚｒが２３６６℃）。ＰＺＴ薄膜製造時の基板温度と鉛組成比との関係を図５に示す（非特許文献１）。図５において、横軸は基板温度（℃）、縦軸はＰＺＴ成膜の基板温度が５５０℃における鉛組成比を１として規格化した値である。図５が示すように、基板温度が変化すると鉛組成比が変化し、例えば温度が高くなると鉛組成比が減少し、結晶性の低下を招き、圧電特性が低下する。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】中村僖良監修、「圧電材料の高性能化と先端応用技術」、サイエンス＆テクノロジー株式会社、２００７年１１月２９日、ｐ．１４６ 図４
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
効率よくＰＺＴ素子を製造するには、例えばターゲットに対向する全面に大口径基板、又は小口径ながら複数枚の基板を配置することが望まれる。しかしながら、大口径基板の全面での温度分布を均一にすることは困難であり、基板全面に亘って、圧電特性のばらつきの少ない強誘電体薄膜は得られない。
【０００７】
本発明は、上記の課題を鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、大面積の基板であっても、圧電特性のばらつきが少ない圧電薄膜を効率よく製造する圧電体薄膜の製造方法及び圧電体薄膜の製造装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の課題は、以下の構成により解決される。
【０００９】
１．チタン酸ジルコン酸鉛からなるターゲットを使用し、スパッタリング法により基板の上にチタン酸ジルコン酸鉛薄膜を製造する圧電体薄膜の製造方法において、
前記基板を加熱する基板加熱工程と、
前記基板加熱工程で加熱した前記基板の温度を維持し、前記スパッタリング法により前記基板の上に成膜する成膜工程と、を有し、
前記基板加熱工程では、前記基板が、所定の温度分布となるように加熱され、
前記成膜工程では、前記基板と前記ターゲットとで挟まれる空間の、前記ターゲットの面に平行な面の面内で、所定の酸素濃度分布となるように酸素が導入され、
前記基板及び前記平行な面それぞれへ前記ターゲットの面を垂直投影した場合、前記基板と前記平行な面との相互に対応する位置における前記所定の温度分布の増減方向と前記所定の酸素濃度分布の増減方向とは同じ方向であることを特徴とする圧電体薄膜の製造方法。
【００１０】
２．前記所定の温度分布において、前記基板に、前記ターゲットの中心が該ターゲットの面に対して垂直投影される中心位置の温度が最も高く、前記中心位置から周辺に向かって低くなることを特徴とする前記１に記載の圧電体薄膜の製造方法。
【００１１】
３．前記所定の温度分布において、前記基板に、前記ターゲットの中心が該ターゲットの面に対して垂直投影される中心位置の温度が最も低く、前記中心位置から周辺に向かって高くなることを特徴とする前記１に記載の圧電体薄膜の製造方法。
【００１２】
４．チタン酸ジルコン酸鉛からなるターゲットを使用し、スパッタリング法により基板の上にチタン酸ジルコン酸鉛薄膜を製造する圧電体薄膜の製造方法において、
前記基板を加熱する基板加熱工程と、
前記基板加熱工程で加熱した前記基板の温度を維持し、前記スパッタリング法により前記基板の上に成膜する成膜工程と、を有し、
前記基板加熱工程では、前記基板が、所定の温度勾配を持つように加熱され、
前記成膜工程では、前記基板と前記ターゲットとで挟まれる空間の、前記ターゲットの面に平行な面の面内で、前記温度勾配に沿って、酸素が濃度勾配を持つように酸素が導入されることを特徴とする圧電体薄膜の製造方法。
【００１３】
５．前記所定の温度勾配を持つ前記基板の上で温度が最も高い部分に対応する前記平行な面の面内での前記酸素の濃度が、最も高くなる濃度勾配を持つように酸素が導入されることを特徴とする前記４に記載の圧電体薄膜の製造方法。
【００１４】
６．チタン酸ジルコン酸鉛からなるターゲットを使用し、スパッタリング法により基板の上にチタン酸ジルコン酸鉛薄膜を製造する圧電体薄膜の製造装置において、
前記基板を所定の温度分布となるように加熱し、維持する基板加熱手段と、
前記基板と前記ターゲットとで挟まれる空間の、前記ターゲットの面に平行な面の面内で、所定の酸素濃度分布となるように酸素を導入する酸素導入手段と、を備え、
前記基板及び前記平行な面それぞれへ前記ターゲットの面を垂直投影した場合、前記基板と前記平行な面との相互に対応する位置における前記所定の温度分布の増減方向と前記所定の酸素濃度分布の増減方向とは同じ方向であることを特徴とする圧電体薄膜の製造装置。
【００１５】
７．チタン酸ジルコン酸鉛からなるターゲットを使用し、スパッタリング法により基板の上にチタン酸ジルコン酸鉛薄膜を製造する圧電体薄膜の製造装置において、
前記基板を所定の温度勾配を持つように加熱し、維持する基板加熱手段と、
前記基板と前記ターゲットとで挟まれる空間の、前記ターゲットの面に平行な面の面内で、前記温度勾配に沿って、酸素が濃度勾配を持つように酸素を導入する酸素導入手段と、を備えることを特徴とする圧電体薄膜の製造装置。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、大面積の基板に圧電特性のばらつきが少ない圧電薄膜を効率よく製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】圧電薄膜を形成する本発明に係る製造装置を示す図である。
【図２】圧電薄膜を形成する本発明に係る製造装置の別例を示す図である。
【図３】圧電薄膜を形成する本発明に係る製造装置の別例を示す図である。
【図４】圧電素子を製造する工程を示す図である。
【図５】ＰＺＴ薄膜製造時の基板温度と鉛組成比との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明を実施の形態に基づいて説明するが、本発明は該実施の形態に限らない。
【００１９】
本発明に到る過程において、発明者らは、高周波マグネトロンスパッタリング法によるＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）薄膜を製造する上で、基板全体における鉛の組成比を均一にすることに関して検討した。基板全体の温度を均一にすれば、鉛の組成比も均一にできると考えられるが、以下の理由より困難である。
【００２０】
スパッタ法は真空中で行われるため、基板への伝熱は輻射と熱伝導のみであるので熱伝達は生じない。よって、基板の温度分布は、基板が基板ホルダと接触する状態に依存して大きく変わるため、基板が大きくなると温度分布を均一にすることは一層困難となる。
【００２１】
基板の加熱方法がランプ加熱の場合、基板と基板ホルダとの接触をできるだけ避けて熱伝導を抑え、基板とランプとの間に均熱板を設けることにより温度分布の改善を図る方法がある。
【００２２】
しかし、ランプの温度分布が均熱板で吸収しきれない場合が多く、均熱板だけでは基板の温度分布が均一になるようにするには不十分である。例えば、中央部に１個のランプを設け、さらに均熱板を設けてＰＺＴ薄膜を形成した場合、基板の大きさにもよるが、４インチのＳｉ基板を例にすると基板の中央部と周辺部とでは、圧電定数ｄ３１の平均値に対するばらつき幅が±１５％程度と大きくなってしまう。ランプを複数個配置し、個々のランプ出力を調整するようにして、基板の温度分布の均一化を図ることが考えられるが、装置が複雑になり高価になってしまう問題がある。
【００２３】
また、静電チャック等により基板を吸着し、ＳｉＣヒータ等によって基板を加熱する方法もあるが、温度分布を均一にしようとすると、ランプの場合と同様に装置が高価になってしまう。更に、基板に反りがある場合や吸着面に異物がある場合は、基板と吸着面との熱伝導が不均一となってしまい、良好な温度分布を得ることは困難である。
【００２４】
発明者らは、スパッタリング法により基板上にＰＺＴを成膜する検討を行う過程において、理由は定かではないが、成膜時の酸素濃度を増加させると薄膜中の鉛の含有率が増加するがことが分かった。成膜時の酸素濃度を、基板温度分布に適合するような分布をもたせることにより大面積の基板に均一なＰＺＴ薄膜を形成することができる。
【００２５】
（第１の実施の形態）
図１は、スパッタリング法で成膜する圧電体薄膜であるＰＺＴ薄膜の製造装置１００（以下、製造装置１００）を模式的に示す。
【００２６】
製造装置１００において、１はチャンバー、２はマグネトロン・カソード、３はＰＺＴからなるターゲット、４は基板ホルダ（アノード電極）、５は成膜される基板、６は基板５を加熱するための加熱部、８は酸素（Ｏ２）ガス噴射部、９はマグネトロン・カソード２に印加する高周波（ＲＦ）電力を供給するための高周波（ＲＦ）電源を示している。
【００２７】
Ａはスパッタリングガスとして、例えば、アルゴン（Ａｒ）ガスの導入口、Ｂはチャンバー１の中を真空排気するための真空ポンプ（図示しない）に接続される排気口、Ｃは酸素ガスの供給路をそれぞれ示している。円形状の基板５を円形状のターゲット３上に投影すると、両者の中心位置はほぼ同じ位置となる。
【００２８】
基板ホルダ４は、円板状の基板５を取り付け可能とする断面を示している。また、基板ホルダ４は、基板面により均一な膜厚を得る上で、回転導入機構（図示しない）を設けて成膜時に成膜面内で回転できる様にするのが好ましい。尚、基板５を１枚として示しているが、複数枚を並べてもよい。
【００２９】
加熱部６は、スポット型ランプ６ａと一方向にスポット型ランプの光を指向させるための反射鏡６ｂを備えている。反射鏡６ｂは、回転楕円形状とし、その焦点位置にスポット型ランプ６ａのフィラメント等の発光部を配置することでランプから発せられる光束を概ね平行光束とすることができる。
【００３０】
基板ホルダ４により保持される基板５と加熱部６との間には、均熱板７を設けることが好ましい。加熱部６により加熱される基板５の温度分布は、基板５中央部が最も高く、周辺に向かって次第に低くなる勾配を持っている。均熱板７を設けることにより、基板５の温度分布は、中央部が最も高く、周辺に向かって次第に低くなることに変わりはないが、加熱部６から放射される光束が拡散され、温度分布の中央部の先鋭度合いが適度に緩和された、勾配がよりなだらかな分布状態となる。
【００３１】
図１（ｂ）は、基板５側からターゲット３の方向を見たときの酸素ガス噴射部８及びターゲット３の様子を示す俯瞰図である。酸素ガス噴出口８ａから噴出される酸素ガスの噴出方向８ｂを模式的に示す。
【００３２】
図１（ｂ）に示すように、酸素ガス噴射部８は、円形状のガス配管であって、その内側に、ガス配管内に導入された酸素ガスを内向きで、且つ、ターゲット３がある下向きに噴出する複数の酸素ガス噴出口８ａを備えている。
【００３３】
酸素ガス噴射部８をターゲット３から基板５側に適度に離して配置し、酸素ガス噴射部８に酸素ガスを導入し、酸素ガスがターゲット３のおおよそ中央部に集まるようガス噴出口８ａを設け、酸素ガスの供給圧を調整する。これにより、温度勾配に沿うような、酸素濃度が中央部で最も高く、中央部から周辺に向かって低くなる濃度勾配を持たせることができる。
【００３４】
図１では、ガス噴出口８ａをターゲット３がある下向きとしているが、酸素ガス濃度が、ターゲット３と基板５との間の空間で、ターゲット３と基板５とが対向する方向に略垂直な方向で基板中央部付近（符号Ｆ）が最も高く同心状に外側の周辺部に向かって（矢印Ｇ方向）低くなる分布であればよく、ガス噴出口８ａの向きは水平方向としても良い。
【００３５】
酸素ガス濃度分布は、その濃度及び勾配がガス噴出口８ａの向き、ガス噴出口８ａの数、ガス噴出口の大きさ、ガス供給圧の高低により調整することができる。これは、以降の第３の実施の形態においても同様である。
【００３６】
このように基板５の温度分布においては、基板中央部の温度が最も高く、周辺に向かって次第に低くなる勾配を持つのに対し、チャンバー１の雰囲気中で、酸素濃度分布においては、その中央部が最も高く外側周辺に向かって（矢印Ｇ方向）次第に低くなる勾配を持つ。このため、基板５に成膜されるＰＺＴ薄膜は、基板５の温度分布よっては、中央部の温度が周辺より高いため、鉛組成比は、中央部が小さく周辺部が大きくなろうとし、その一方で、酸素濃度によっては、中央部の酸素濃度が周辺より高いため、鉛組成比は中央が大きく周辺部が小さくなろうとする。
【００３７】
従って、基板５の温度分布と酸素濃度分布との調整により、基板５に形成される圧電体薄膜のＰｂ組成比は、基板５の全面に亘ってばらつきが少ないものとすることができる。
【００３８】
図１（ｂ）では、リング状ガス配管の内側に多数のガス噴出口８ａを設け、そのガス噴出口８ａを等間隔としているが、これに限定されることはなく、チヤンバ１の排気口の位置や、Ａｒガス等のスパッタガス導入口の位置を考慮し、酸素濃度が偏らず良好な分布となるように、噴出口の個数、配置を適宜決めればよい。酸素濃度がターゲット中心に効率良く集まるようガス噴出口８ａにガス噴出方向の指向性を高めるためのノズルを設けても良い。
【００３９】
尚、均熱板７は、均一な温度分布と高い熱応答性が得られる熱伝導が高い材料が良く、更にチヤンバ１内を汚染しないように高温耐性のある材料が好ましい。具体的な材料としては、ＳｉＣ、ＡｌＮ、ＳｉＮなどが挙げられる。また、スパッタ法は真空プロセスであることから、均熱板の保持方法にもよるが、スポット型ランプ６ａから均熱板７への伝熱や均熱板から基板５への伝熱は輻射が支配的となる。そのため、スポット型ランプ６ａから基板５へ効率よく熱を伝えるために、均熱板７の輻射率は高い方が望ましい。
【００４０】
（第２の実施の形態）
図２（ａ）は、チャンパー１等を省略し、本発明の別の実施例を示す加熱部６とガス噴射部１８を有する製造装置２００の主要部断面図であり、図２（ｂ）は、基板５側からターゲット３の方向を見たときの酸素ガス噴射部１８及びターゲット３の様子を示す俯瞰図である。
【００４１】
加熱部６は、第１の実施の形態と同じであり、スポット型ランプ６ａ及び反射鏡６ｂのため、基板５の温度分布は、中央部が最も高く、周辺に向かって次第に低くなる勾配を持っている。
【００４２】
ガス噴射部１８は、図２（ｂ）にも示すように、ガス噴出口１８ａの先端をターゲット３の中心上部に設置して、酸素ガスをガス噴出口１８ａからターゲット中央部に向けて下向きに噴出するようにしてある。ターゲット３の中央部に噴出された酸素ガスは、ターゲット３の上面で中央部から周辺に向かって拡がり、酸素濃度分布は、温度勾配に沿うような、ターゲット３の中央部が最も高く、周辺に向かって低くなる勾配を持つ。
【００４３】
第１の実施の形態と同様に、基板５の温度分布においては、基板中央部の温度が最も高く、周辺に向かって次第に低くなる勾配を持つのに対し、酸素濃度分布においては、ターゲット３の表面の中央部の酸素濃度が最も高く外側周辺に向かって次第に低くなる勾配を持つ。
【００４４】
このため、基板５に成膜されるＰＺＴ薄膜は、基板５の温度分布にあっては、中央部の温度が周辺より高いため、鉛組成比は、中央部が小さく周辺部が大きくなろうとし、その一方で、酸素濃度にあっては、中央部の酸素濃度が周辺より高いため、鉛組成比は中央部が大きく周辺部が小さくなろうとする。
【００４５】
従って、基板５の温度分布と酸素濃度分布との調整により、基板５に形成される圧電体薄膜の鉛組成比は、基板５の全面に亘ってばらつきが少ないものとすることができる。
【００４６】
本実施の形態では、ガス噴射部１８が、ターゲット３上に近接して、半径を示すように設置してあるため、基板５への成膜においてターゲット３からの粒子の影なって膜質分布が生じる懸念があるが、基板５をターゲット３に対し回転させることにより膜質分布を防ぐことができる。
【００４７】
（第３の実施の形態）
図３（ａ）は、チャンパー１等を省略し、本発明の別の実施の形態を示す加熱部２６とガス噴射部２８を有する製造装置３００の主要部断面図であり、図３（ｂ）は、基板５側からターゲット３の方向を見たときの酸素ガス噴射部２８及びターゲット３の様子を示す俯瞰図である。
【００４８】
加熱部２６がサークル状ランプ２６ａであるため基板５の温度分布は、外周側が最も高く外周側から中央部に向かって次第に温度が低くなる勾配を持つ。
【００４９】
また、図３（ｂ）に示すように、酸素ガス噴射部２８は、円形状のガス配管で、その内側に、ガス配管内に導入された酸素ガスを内向きで、且つ、ターゲット３の上面に沿うような略水平方向に噴出する複数のガス噴出口２８ａを備えている。このようにターゲット外周に沿って酸素ガス噴出口２８ａを設け、中央部に向かって酸素ガスの供給圧を調整して噴出させることにより、酸素濃度分布は、温度勾配に沿うような、ターゲット３の周辺部で最も高く、ターゲット３の周辺部から中央部に向かって低くなる勾配を持たせることができる。
【００５０】
従って、本実施の形態においては、第１及び第２の実施の形態とは逆に、基板５の温度分布においては、基板周辺部の温度が最も高く、中央部に向かって次第に低くなる勾配を持つのに対し、酸素濃度分布おいては、ターゲット３の表面付近で、その外側周辺の酸素濃度が最も高く中央部に向かって次第に低くなる勾配を持つ。
【００５１】
このため、基板５に成膜されるＰＺＴ薄膜は、基板５の温度分布にあっては、周辺部の温度が中央部より高いため、鉛組成比は、周辺部が小さく中央部が大きくなろうとし、その一方で、酸素濃度にあっては、中央部の酸素濃度が周辺部より低いため、相対的に鉛組成比は周辺部が大きく中央部が小さくなろうとする。
【００５２】
従って、基板５の温度分布とターゲット３付近の酸素濃度分布との調整により、基板５に形成される圧電体薄膜のＰｂ組成比は、基板５の全面に亘ってばらつきが少ないものとすることができる。
【実施例】
【００５３】
（実施例１）
圧電薄膜の製造装置１００を用いて圧電薄膜を製造し、その圧電特性を測定した。図４に示す圧電薄膜の製造工程を用いて説明する。
【００５４】
まず、４インチの熱酸化膜付きＳｉ基板５ａに密着層としてＴｉ（チタニウム）を厚さ２０ｎｍ、更にＰｔ（白金）を厚さ１００ｎｍとなるようにスパッタ法により成膜した（図４（ａ））。この際の成膜条件は、
Ｔｉ層：Ａｒ流量１０ｓｃｃｍ、圧力０．５Ｐａ、高周波電力２００Ｗ、
Ｐｔ層：Ａｒ流量２０ｓｃｃｍ、圧力０．２Ｐａ、高周波電力１５０Ｗ、
とした。
【００５５】
尚、Ｐｔ層は４００℃で基板を加熱した状態で成膜している。Ｐｔ層の成膜後、ＸＲＤ法（Ｘ線回折法）により結晶性を測定すると（１１１）面に配向していることを確認した。Ｔｉ層及びＰｔ層５ｂを積層した熱酸化膜付きＳｉ基板を、圧電薄膜を形成する基板５とする。尚、Ｐｔ層５ｂは下部電極として機能する。
【００５６】
次に、図１に示す製造装置１００を用い、本発明に係る圧電薄膜の製造方法により基板５に厚み約３μｍのＰＺＴ薄膜２０を成膜した（図４（ｂ））。加熱部６において、スポット型ランプ６ａを点灯し、均熱板７を介して基板５を加熱し、温度が安定した状態で成膜した。成膜時の基板５の周辺部の温度は約５５０℃、中央部の温度は約６００℃であった。
【００５７】
ターゲット３と基板５との距離は約５０ｍｍ、ターゲットから酸素ガス噴射部８までの距離は約１０ｍｍ、酸素ガス噴射部８のリング形状の内径は約１７０ｍｍ、酸素ガス噴射部８の管の直径は１０ｍｍ、酸素ガス噴出口８ａは、径４ｍｍの穴が円周の内側を３０等分割する位置にそれぞれ設けてある。
【００５８】
ターゲット３は、組成がＰｂ１．５（Ｚｒ０．５２Ｔｉ０．４８）ＯＸからなる直径６インチで、成膜条件は、Ａｒ流量１０ｓｃｃｍ、酸素流量０．８ｓｃｃｍ、圧力０．３Ｐａ、高周波電力４００Ｗとした。
【００５９】
次に、スパッタ法により上部電極２１としてＰｔ層をＰＺＴ薄膜上に形成した。この際の成膜条件は、Ａｒ流量２０ｓｃｃｍ、圧力０．２Ｐａ、高周波電力１５０Ｗ、であり、ＰＺＴ薄膜の一部を露出させるようステンレス製のステンシルマスクを使って成膜した（図４（ｃ））。
【００６０】
次に、感光性レジスト２２を厚み約３μｍで塗布し、上部電極上のみが感光性レジストで覆われるようフォトリソグラフィー処理を行った（図４（ｄ））。フォトリソグラフィー処理の際、後工程のエッチングに対して感光性レジストの耐性を上げるために現像後に約９０℃のベークを行った。
【００６１】
次に、フッ硝酸を含むエッチング液を用いて、下部電極層が露出するまでエッチングしＰＺＴの一部を除去した（図４（ｅ））。
【００６２】
次に、感光性レジストをアルカリ系の剥離液を用いて除去した後、圧電素子の大きさが長さ１５ｍｍ、幅２ｍｍになるようにダイシングにより個々の圧電素子に分離した（図４（ｆ））。尚、圧電素子の分離はダイシングによるだけでなく、Ｓｉドライエッチング法によっても可能である。
【００６３】
次に、熱硬化性導電性ペースト２３を上部電極２１及び下部電極５ｂに設け（図４（ｇ））、配線部材２４を熱硬化性導電性ペースト２３に接触させた状態で、硬化温度まで加熱させて配線部材２４を上部電極２１及び下部電極５ｂに接着した（図４（ｈ））。
【００６４】
基板５の中央部から圧電素子を２個切り出し、可動長さが１０ｍｍのカンチレバーとなるように圧電素子の端部をクランプ３０で挟んで固定した（図４（ｉ））。さらに、上部電極をＧＮＤとし、下部電極に最小−２０Ｖとなる振幅１０Ｖ、周波数５００Ｈｚの電圧を印加し、圧電素子の端部Ａを変位観察箇所としてレーザードップラー計により変位量を測定したところ変位量は２μｍであった。
【００６５】
この圧電変位より、下記の式（１）（参照文献：Ｉ．Ｋａｎｎｏ ｅｔ ａｌ． Ｓｅｎｓｏｒｓ ａｎｄ Ａｃｔｕａｔｏｒｓ Ａ １０７（２００３）６８−７４）により圧電定数ｄ３１を算出した。
【００６６】
【数１】
【００６７】
ここで、ｈｓは基板厚さ、ｓｐは薄膜ＰＺＴの弾性コンプライアンス、ｓｓは基板の弾性コンプライアンス、Ｌはカンチレバーの長さ、Ｖは印加電圧、δはカンチレバーの変位量である。よって、ｈｓ＝４００μｍ、ｓｐ＝９０ＧＰａ、ｓｓ＝１８０ＧＰａ、Ｌ＝１０ｍｍより、圧電定数ｄ３１＝−１６０ｐｍ／Ｖとなる。
【００６８】
同様にして、基板５の外周部から切り出した圧電素子４個について、上記と同様にして圧電定数ｄ３１を算出した。この結果、６個全ての圧電素子の圧電定数ｄ３１は、全てによる平均値の±６％以内にあり、実用的範囲と考えられる±１０％以内に十分に収まっており、４インチの基板５の何れの箇所においても、特性バラツキの少ない圧電素子を形成できることが確認できた。
【００６９】
また別途、基板５にＰＺＴ薄膜を形成する（図４（ｂ））まで上記と同じとし、その後上部電極がない圧電素子の状態でダイシングにより基板５の中央部から１個、外周部から４個切り出した。これらの圧電素子の組成を蛍光Ｘ線組成分析装置により測定した結果、基板中央部の圧電素子と周辺部の圧電素子との組成はほぼ同一であることが確認できた。
【符号の説明】
【００７０】
１ チャンバー
２ マグネトロン・カソード
３ ターゲット
４ 基板ホルダ
５ 基板
６ 加熱部
６ａ スポット型ランプ
６ｂ 反射鏡
７ 均熱板
８ 酸素ガス噴射部
８ａ ガス噴出口
８ｂ 噴出方向
９ 高周波電源
Ａ アルゴンガスの導入口
Ｂ 排気口
Ｃ 酸素ガスの供給路
１００ 製造装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電体薄膜の製造方法及び圧電体薄膜の製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、圧電素子の応用開発、例えばメモリ、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ ＥＩｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）のアクチュエータやトランスデューサー等への展開が進み、その形成技術が注目されている。特に薄膜圧電素子の形成方法は、スパッタ法、エアロゾルデポジション法、化学溶液法及び化学気層成長法などがある。この中で、スパッタ法は、シリコンプロセスへの親和性が高いだけでなく、薄膜化による高集積化、ターゲット組成による薄膜組成制御の容易さ、ターゲットの大口径化による大口径基板への成膜による大量の製造の容易さ等の点で優位であると考えられている。
【０００３】
圧電素子の代表的な材料としてチタン酸ジルコン酸鉛（以下、ＰＺＴ）があるが、ＰＺＴをスパッタ法により成膜する場合、Ｐｂ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｏを有する焼結体のターゲットを用い、ＡｒとＯ２のガスを導入して成膜する。スパッタ法によりＰＺＴを成膜する場合、高い圧電特性を発現するためにはペロブスカイト構造を形成する必要があり、ペロブスカイト構造の結晶化温度はおよそ５５０℃〜６００℃程度の範囲にある。
【０００４】
ＰＺＴの構成元素であるＰｂの蒸気圧は、他の元素であるＴｉやＺｒと比較して高い（１Ｐａ時の昇華温度はＰｂ（鉛）が７０５℃、Ｔｉが１７０９℃、Ｚｒが２３６６℃）。ＰＺＴ薄膜製造時の基板温度と鉛組成比との関係を図５に示す（非特許文献１）。図５において、横軸は基板温度（℃）、縦軸はＰＺＴ成膜の基板温度が５５０℃における鉛組成比を１として規格化した値である。図５が示すように、基板温度が変化すると鉛組成比が変化し、例えば温度が高くなると鉛組成比が減少し、結晶性の低下を招き、圧電特性が低下する。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】中村僖良監修、「圧電材料の高性能化と先端応用技術」、サイエンス＆テクノロジー株式会社、２００７年１１月２９日、ｐ．１４６ 図４
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
効率よくＰＺＴ素子を製造するには、例えばターゲットに対向する全面に大口径基板、又は小口径ながら複数枚の基板を配置することが望まれる。しかしながら、大口径基板の全面での温度分布を均一にすることは困難であり、基板全面に亘って、圧電特性のばらつきの少ない強誘電体薄膜は得られない。
【０００７】
本発明は、上記の課題を鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、大面積の基板であっても、圧電特性のばらつきが少ない圧電薄膜を効率よく製造する圧電体薄膜の製造方法及び圧電体薄膜の製造装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の課題は、以下の構成により解決される。
【０００９】
１．チタン酸ジルコン酸鉛からなるターゲットを使用し、スパッタリング法により基板の上にチタン酸ジルコン酸鉛薄膜を製造する圧電体薄膜の製造方法において、
前記基板を加熱する基板加熱工程と、
前記基板加熱工程で加熱した前記基板の温度を維持し、前記スパッタリング法により前記基板の上に成膜する成膜工程と、を有し、
前記基板加熱工程では、前記基板が、所定の温度分布となるように加熱され、
前記成膜工程では、前記基板と前記ターゲットとで挟まれる空間の、前記ターゲットの面に平行な面の面内で、所定の酸素濃度分布となるように酸素が導入され、
前記基板及び前記平行な面それぞれへ前記ターゲットの面を垂直投影した場合、前記基板と前記平行な面との相互に対応する位置における前記所定の温度分布の増減方向と前記所定の酸素濃度分布の増減方向とは同じ方向であることを特徴とする圧電体薄膜の製造方法。
【００１０】
２．前記所定の温度分布において、前記基板に、前記ターゲットの中心が該ターゲットの面に対して垂直投影される中心位置の温度が最も高く、前記中心位置から周辺に向かって低くなることを特徴とする前記１に記載の圧電体薄膜の製造方法。
【００１１】
３．前記所定の温度分布において、前記基板に、前記ターゲットの中心が該ターゲットの面に対して垂直投影される中心位置の温度が最も低く、前記中心位置から周辺に向かって高くなることを特徴とする前記１に記載の圧電体薄膜の製造方法。
【００１２】
４．チタン酸ジルコン酸鉛からなるターゲットを使用し、スパッタリング法により基板の上にチタン酸ジルコン酸鉛薄膜を製造する圧電体薄膜の製造方法において、
前記基板を加熱する基板加熱工程と、
前記基板加熱工程で加熱した前記基板の温度を維持し、前記スパッタリング法により前記基板の上に成膜する成膜工程と、を有し、
前記基板加熱工程では、前記基板が、所定の温度勾配を持つように加熱され、
前記成膜工程では、前記基板と前記ターゲットとで挟まれる空間の、前記ターゲットの面に平行な面の面内で、前記温度勾配に沿って、酸素が濃度勾配を持つように酸素が導入されることを特徴とする圧電体薄膜の製造方法。
【００１３】
５．前記所定の温度勾配を持つ前記基板の上で温度が最も高い部分に対応する前記平行な面の面内での前記酸素の濃度が、最も高くなる濃度勾配を持つように酸素が導入されることを特徴とする前記４に記載の圧電体薄膜の製造方法。
【００１４】
６．チタン酸ジルコン酸鉛からなるターゲットを使用し、スパッタリング法により基板の上にチタン酸ジルコン酸鉛薄膜を製造する圧電体薄膜の製造装置において、
前記基板を所定の温度分布となるように加熱し、維持する基板加熱手段と、
前記基板と前記ターゲットとで挟まれる空間の、前記ターゲットの面に平行な面の面内で、所定の酸素濃度分布となるように酸素を導入する酸素導入手段と、を備え、
前記基板及び前記平行な面それぞれへ前記ターゲットの面を垂直投影した場合、前記基板と前記平行な面との相互に対応する位置における前記所定の温度分布の増減方向と前記所定の酸素濃度分布の増減方向とは同じ方向であることを特徴とする圧電体薄膜の製造装置。
【００１５】
７．チタン酸ジルコン酸鉛からなるターゲットを使用し、スパッタリング法により基板の上にチタン酸ジルコン酸鉛薄膜を製造する圧電体薄膜の製造装置において、
前記基板を所定の温度勾配を持つように加熱し、維持する基板加熱手段と、
前記基板と前記ターゲットとで挟まれる空間の、前記ターゲットの面に平行な面の面内で、前記温度勾配に沿って、酸素が濃度勾配を持つように酸素を導入する酸素導入手段と、を備えることを特徴とする圧電体薄膜の製造装置。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、大面積の基板に圧電特性のばらつきが少ない圧電薄膜を効率よく製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】圧電薄膜を形成する本発明に係る製造装置を示す図である。
【図２】圧電薄膜を形成する本発明に係る製造装置の別例を示す図である。
【図３】圧電薄膜を形成する本発明に係る製造装置の別例を示す図である。
【図４】圧電素子を製造する工程を示す図である。
【図５】ＰＺＴ薄膜製造時の基板温度と鉛組成比との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明を実施の形態に基づいて説明するが、本発明は該実施の形態に限らない。
【００１９】
本発明に到る過程において、発明者らは、高周波マグネトロンスパッタリング法によるＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）薄膜を製造する上で、基板全体における鉛の組成比を均一にすることに関して検討した。基板全体の温度を均一にすれば、鉛の組成比も均一にできると考えられるが、以下の理由より困難である。
【００２０】
スパッタ法は真空中で行われるため、基板への伝熱は輻射と熱伝導のみであるので熱伝達は生じない。よって、基板の温度分布は、基板が基板ホルダと接触する状態に依存して大きく変わるため、基板が大きくなると温度分布を均一にすることは一層困難となる。
【００２１】
基板の加熱方法がランプ加熱の場合、基板と基板ホルダとの接触をできるだけ避けて熱伝導を抑え、基板とランプとの間に均熱板を設けることにより温度分布の改善を図る方法がある。
【００２２】
しかし、ランプの温度分布が均熱板で吸収しきれない場合が多く、均熱板だけでは基板の温度分布が均一になるようにするには不十分である。例えば、中央部に１個のランプを設け、さらに均熱板を設けてＰＺＴ薄膜を形成した場合、基板の大きさにもよるが、４インチのＳｉ基板を例にすると基板の中央部と周辺部とでは、圧電定数ｄ３１の平均値に対するばらつき幅が±１５％程度と大きくなってしまう。ランプを複数個配置し、個々のランプ出力を調整するようにして、基板の温度分布の均一化を図ることが考えられるが、装置が複雑になり高価になってしまう問題がある。
【００２３】
また、静電チャック等により基板を吸着し、ＳｉＣヒータ等によって基板を加熱する方法もあるが、温度分布を均一にしようとすると、ランプの場合と同様に装置が高価になってしまう。更に、基板に反りがある場合や吸着面に異物がある場合は、基板と吸着面との熱伝導が不均一となってしまい、良好な温度分布を得ることは困難である。
【００２４】
発明者らは、スパッタリング法により基板上にＰＺＴを成膜する検討を行う過程において、理由は定かではないが、成膜時の酸素濃度を増加させると薄膜中の鉛の含有率が増加するがことが分かった。成膜時の酸素濃度を、基板温度分布に適合するような分布をもたせることにより大面積の基板に均一なＰＺＴ薄膜を形成することができる。
【００２５】
（第１の実施の形態）
図１は、スパッタリング法で成膜する圧電体薄膜であるＰＺＴ薄膜の製造装置１００（以下、製造装置１００）を模式的に示す。
【００２６】
製造装置１００において、１はチャンバー、２はマグネトロン・カソード、３はＰＺＴからなるターゲット、４は基板ホルダ（アノード電極）、５は成膜される基板、６は基板５を加熱するための加熱部、８は酸素（Ｏ２）ガス噴射部、９はマグネトロン・カソード２に印加する高周波（ＲＦ）電力を供給するための高周波（ＲＦ）電源を示している。
【００２７】
Ａはスパッタリングガスとして、例えば、アルゴン（Ａｒ）ガスの導入口、Ｂはチャンバー１の中を真空排気するための真空ポンプ（図示しない）に接続される排気口、Ｃは酸素ガスの供給路をそれぞれ示している。円形状の基板５を円形状のターゲット３上に投影すると、両者の中心位置はほぼ同じ位置となる。
【００２８】
基板ホルダ４は、円板状の基板５を取り付け可能とする断面を示している。また、基板ホルダ４は、基板面により均一な膜厚を得る上で、回転導入機構（図示しない）を設けて成膜時に成膜面内で回転できる様にするのが好ましい。尚、基板５を１枚として示しているが、複数枚を並べてもよい。
【００２９】
加熱部６は、スポット型ランプ６ａと一方向にスポット型ランプの光を指向させるための反射鏡６ｂを備えている。反射鏡６ｂは、回転楕円形状とし、その焦点位置にスポット型ランプ６ａのフィラメント等の発光部を配置することでランプから発せられる光束を概ね平行光束とすることができる。
【００３０】
基板ホルダ４により保持される基板５と加熱部６との間には、均熱板７を設けることが好ましい。加熱部６により加熱される基板５の温度分布は、基板５中央部が最も高く、周辺に向かって次第に低くなる勾配を持っている。均熱板７を設けることにより、基板５の温度分布は、中央部が最も高く、周辺に向かって次第に低くなることに変わりはないが、加熱部６から放射される光束が拡散され、温度分布の中央部の先鋭度合いが適度に緩和された、勾配がよりなだらかな分布状態となる。
【００３１】
図１（ｂ）は、基板５側からターゲット３の方向を見たときの酸素ガス噴射部８及びターゲット３の様子を示す俯瞰図である。酸素ガス噴出口８ａから噴出される酸素ガスの噴出方向８ｂを模式的に示す。
【００３２】
図１（ｂ）に示すように、酸素ガス噴射部８は、円形状のガス配管であって、その内側に、ガス配管内に導入された酸素ガスを内向きで、且つ、ターゲット３がある下向きに噴出する複数の酸素ガス噴出口８ａを備えている。
【００３３】
酸素ガス噴射部８をターゲット３から基板５側に適度に離して配置し、酸素ガス噴射部８に酸素ガスを導入し、酸素ガスがターゲット３のおおよそ中央部に集まるようガス噴出口８ａを設け、酸素ガスの供給圧を調整する。これにより、温度勾配に沿うような、酸素濃度が中央部で最も高く、中央部から周辺に向かって低くなる濃度勾配を持たせることができる。
【００３４】
図１では、ガス噴出口８ａをターゲット３がある下向きとしているが、酸素ガス濃度が、ターゲット３と基板５との間の空間で、ターゲット３と基板５とが対向する方向に略垂直な方向で基板中央部付近（符号Ｆ）が最も高く同心状に外側の周辺部に向かって（矢印Ｇ方向）低くなる分布であればよく、ガス噴出口８ａの向きは水平方向としても良い。
【００３５】
酸素ガス濃度分布は、その濃度及び勾配がガス噴出口８ａの向き、ガス噴出口８ａの数、ガス噴出口の大きさ、ガス供給圧の高低により調整することができる。これは、以降の第３の実施の形態においても同様である。
【００３６】
このように基板５の温度分布においては、基板中央部の温度が最も高く、周辺に向かって次第に低くなる勾配を持つのに対し、チャンバー１の雰囲気中で、酸素濃度分布においては、その中央部が最も高く外側周辺に向かって（矢印Ｇ方向）次第に低くなる勾配を持つ。このため、基板５に成膜されるＰＺＴ薄膜は、基板５の温度分布よっては、中央部の温度が周辺より高いため、鉛組成比は、中央部が小さく周辺部が大きくなろうとし、その一方で、酸素濃度によっては、中央部の酸素濃度が周辺より高いため、鉛組成比は中央が大きく周辺部が小さくなろうとする。
【００３７】
従って、基板５の温度分布と酸素濃度分布との調整により、基板５に形成される圧電体薄膜のＰｂ組成比は、基板５の全面に亘ってばらつきが少ないものとすることができる。
【００３８】
図１（ｂ）では、リング状ガス配管の内側に多数のガス噴出口８ａを設け、そのガス噴出口８ａを等間隔としているが、これに限定されることはなく、チヤンバ１の排気口の位置や、Ａｒガス等のスパッタガス導入口の位置を考慮し、酸素濃度が偏らず良好な分布となるように、噴出口の個数、配置を適宜決めればよい。酸素濃度がターゲット中心に効率良く集まるようガス噴出口８ａにガス噴出方向の指向性を高めるためのノズルを設けても良い。
【００３９】
尚、均熱板７は、均一な温度分布と高い熱応答性が得られる熱伝導が高い材料が良く、更にチヤンバ１内を汚染しないように高温耐性のある材料が好ましい。具体的な材料としては、ＳｉＣ、ＡｌＮ、ＳｉＮなどが挙げられる。また、スパッタ法は真空プロセスであることから、均熱板の保持方法にもよるが、スポット型ランプ６ａから均熱板７への伝熱や均熱板から基板５への伝熱は輻射が支配的となる。そのため、スポット型ランプ６ａから基板５へ効率よく熱を伝えるために、均熱板７の輻射率は高い方が望ましい。
【００４０】
（第２の実施の形態）
図２（ａ）は、チャンパー１等を省略し、本発明の別の実施例を示す加熱部６とガス噴射部１８を有する製造装置２００の主要部断面図であり、図２（ｂ）は、基板５側からターゲット３の方向を見たときの酸素ガス噴射部１８及びターゲット３の様子を示す俯瞰図である。
【００４１】
加熱部６は、第１の実施の形態と同じであり、スポット型ランプ６ａ及び反射鏡６ｂのため、基板５の温度分布は、中央部が最も高く、周辺に向かって次第に低くなる勾配を持っている。
【００４２】
ガス噴射部１８は、図２（ｂ）にも示すように、ガス噴出口１８ａの先端をターゲット３の中心上部に設置して、酸素ガスをガス噴出口１８ａからターゲット中央部に向けて下向きに噴出するようにしてある。ターゲット３の中央部に噴出された酸素ガスは、ターゲット３の上面で中央部から周辺に向かって拡がり、酸素濃度分布は、温度勾配に沿うような、ターゲット３の中央部が最も高く、周辺に向かって低くなる勾配を持つ。
【００４３】
第１の実施の形態と同様に、基板５の温度分布においては、基板中央部の温度が最も高く、周辺に向かって次第に低くなる勾配を持つのに対し、酸素濃度分布においては、ターゲット３の表面の中央部の酸素濃度が最も高く外側周辺に向かって次第に低くなる勾配を持つ。
【００４４】
このため、基板５に成膜されるＰＺＴ薄膜は、基板５の温度分布にあっては、中央部の温度が周辺より高いため、鉛組成比は、中央部が小さく周辺部が大きくなろうとし、その一方で、酸素濃度にあっては、中央部の酸素濃度が周辺より高いため、鉛組成比は中央部が大きく周辺部が小さくなろうとする。
【００４５】
従って、基板５の温度分布と酸素濃度分布との調整により、基板５に形成される圧電体薄膜の鉛組成比は、基板５の全面に亘ってばらつきが少ないものとすることができる。
【００４６】
本実施の形態では、ガス噴射部１８が、ターゲット３上に近接して、半径を示すように設置してあるため、基板５への成膜においてターゲット３からの粒子の影なって膜質分布が生じる懸念があるが、基板５をターゲット３に対し回転させることにより膜質分布を防ぐことができる。
【００４７】
（第３の実施の形態）
図３（ａ）は、チャンパー１等を省略し、本発明の別の実施の形態を示す加熱部２６とガス噴射部２８を有する製造装置３００の主要部断面図であり、図３（ｂ）は、基板５側からターゲット３の方向を見たときの酸素ガス噴射部２８及びターゲット３の様子を示す俯瞰図である。
【００４８】
加熱部２６がサークル状ランプ２６ａであるため基板５の温度分布は、外周側が最も高く外周側から中央部に向かって次第に温度が低くなる勾配を持つ。
【００４９】
また、図３（ｂ）に示すように、酸素ガス噴射部２８は、円形状のガス配管で、その内側に、ガス配管内に導入された酸素ガスを内向きで、且つ、ターゲット３の上面に沿うような略水平方向に噴出する複数のガス噴出口２８ａを備えている。このようにターゲット外周に沿って酸素ガス噴出口２８ａを設け、中央部に向かって酸素ガスの供給圧を調整して噴出させることにより、酸素濃度分布は、温度勾配に沿うような、ターゲット３の周辺部で最も高く、ターゲット３の周辺部から中央部に向かって低くなる勾配を持たせることができる。
【００５０】
従って、本実施の形態においては、第１及び第２の実施の形態とは逆に、基板５の温度分布においては、基板周辺部の温度が最も高く、中央部に向かって次第に低くなる勾配を持つのに対し、酸素濃度分布おいては、ターゲット３の表面付近で、その外側周辺の酸素濃度が最も高く中央部に向かって次第に低くなる勾配を持つ。
【００５１】
このため、基板５に成膜されるＰＺＴ薄膜は、基板５の温度分布にあっては、周辺部の温度が中央部より高いため、鉛組成比は、周辺部が小さく中央部が大きくなろうとし、その一方で、酸素濃度にあっては、中央部の酸素濃度が周辺部より低いため、相対的に鉛組成比は周辺部が大きく中央部が小さくなろうとする。
【００５２】
従って、基板５の温度分布とターゲット３付近の酸素濃度分布との調整により、基板５に形成される圧電体薄膜のＰｂ組成比は、基板５の全面に亘ってばらつきが少ないものとすることができる。
【実施例】
【００５３】
（実施例１）
圧電薄膜の製造装置１００を用いて圧電薄膜を製造し、その圧電特性を測定した。図４に示す圧電薄膜の製造工程を用いて説明する。
【００５４】
まず、４インチの熱酸化膜付きＳｉ基板５ａに密着層としてＴｉ（チタニウム）を厚さ２０ｎｍ、更にＰｔ（白金）を厚さ１００ｎｍとなるようにスパッタ法により成膜した（図４（ａ））。この際の成膜条件は、
Ｔｉ層：Ａｒ流量１０ｓｃｃｍ、圧力０．５Ｐａ、高周波電力２００Ｗ、
Ｐｔ層：Ａｒ流量２０ｓｃｃｍ、圧力０．２Ｐａ、高周波電力１５０Ｗ、
とした。
【００５５】
尚、Ｐｔ層は４００℃で基板を加熱した状態で成膜している。Ｐｔ層の成膜後、ＸＲＤ法（Ｘ線回折法）により結晶性を測定すると（１１１）面に配向していることを確認した。Ｔｉ層及びＰｔ層５ｂを積層した熱酸化膜付きＳｉ基板を、圧電薄膜を形成する基板５とする。尚、Ｐｔ層５ｂは下部電極として機能する。
【００５６】
次に、図１に示す製造装置１００を用い、本発明に係る圧電薄膜の製造方法により基板５に厚み約３μｍのＰＺＴ薄膜２０を成膜した（図４（ｂ））。加熱部６において、スポット型ランプ６ａを点灯し、均熱板７を介して基板５を加熱し、温度が安定した状態で成膜した。成膜時の基板５の周辺部の温度は約５５０℃、中央部の温度は約６００℃であった。
【００５７】
ターゲット３と基板５との距離は約５０ｍｍ、ターゲットから酸素ガス噴射部８までの距離は約１０ｍｍ、酸素ガス噴射部８のリング形状の内径は約１７０ｍｍ、酸素ガス噴射部８の管の直径は１０ｍｍ、酸素ガス噴出口８ａは、径４ｍｍの穴が円周の内側を３０等分割する位置にそれぞれ設けてある。
【００５８】
ターゲット３は、組成がＰｂ１．５（Ｚｒ０．５２Ｔｉ０．４８）ＯＸからなる直径６インチで、成膜条件は、Ａｒ流量１０ｓｃｃｍ、酸素流量０．８ｓｃｃｍ、圧力０．３Ｐａ、高周波電力４００Ｗとした。
【００５９】
次に、スパッタ法により上部電極２１としてＰｔ層をＰＺＴ薄膜上に形成した。この際の成膜条件は、Ａｒ流量２０ｓｃｃｍ、圧力０．２Ｐａ、高周波電力１５０Ｗ、であり、ＰＺＴ薄膜の一部を露出させるようステンレス製のステンシルマスクを使って成膜した（図４（ｃ））。
【００６０】
次に、感光性レジスト２２を厚み約３μｍで塗布し、上部電極上のみが感光性レジストで覆われるようフォトリソグラフィー処理を行った（図４（ｄ））。フォトリソグラフィー処理の際、後工程のエッチングに対して感光性レジストの耐性を上げるために現像後に約９０℃のベークを行った。
【００６１】
次に、フッ硝酸を含むエッチング液を用いて、下部電極層が露出するまでエッチングしＰＺＴの一部を除去した（図４（ｅ））。
【００６２】
次に、感光性レジストをアルカリ系の剥離液を用いて除去した後、圧電素子の大きさが長さ１５ｍｍ、幅２ｍｍになるようにダイシングにより個々の圧電素子に分離した（図４（ｆ））。尚、圧電素子の分離はダイシングによるだけでなく、Ｓｉドライエッチング法によっても可能である。
【００６３】
次に、熱硬化性導電性ペースト２３を上部電極２１及び下部電極５ｂに設け（図４（ｇ））、配線部材２４を熱硬化性導電性ペースト２３に接触させた状態で、硬化温度まで加熱させて配線部材２４を上部電極２１及び下部電極５ｂに接着した（図４（ｈ））。
【００６４】
基板５の中央部から圧電素子を２個切り出し、可動長さが１０ｍｍのカンチレバーとなるように圧電素子の端部をクランプ３０で挟んで固定した（図４（ｉ））。さらに、上部電極をＧＮＤとし、下部電極に最小−２０Ｖとなる振幅１０Ｖ、周波数５００Ｈｚの電圧を印加し、圧電素子の端部Ａを変位観察箇所としてレーザードップラー計により変位量を測定したところ変位量は２μｍであった。
【００６５】
この圧電変位より、下記の式（１）（参照文献：Ｉ．Ｋａｎｎｏ ｅｔ ａｌ． Ｓｅｎｓｏｒｓ ａｎｄ Ａｃｔｕａｔｏｒｓ Ａ １０７（２００３）６８−７４）により圧電定数ｄ３１を算出した。
【００６６】
【数１】
【００６７】
ここで、ｈｓは基板厚さ、ｓｐは薄膜ＰＺＴの弾性コンプライアンス、ｓｓは基板の弾性コンプライアンス、Ｌはカンチレバーの長さ、Ｖは印加電圧、δはカンチレバーの変位量である。よって、ｈｓ＝４００μｍ、ｓｐ＝９０ＧＰａ、ｓｓ＝１８０ＧＰａ、Ｌ＝１０ｍｍより、圧電定数ｄ３１＝−１６０ｐｍ／Ｖとなる。
【００６８】
同様にして、基板５の外周部から切り出した圧電素子４個について、上記と同様にして圧電定数ｄ３１を算出した。この結果、６個全ての圧電素子の圧電定数ｄ３１は、全てによる平均値の±６％以内にあり、実用的範囲と考えられる±１０％以内に十分に収まっており、４インチの基板５の何れの箇所においても、特性バラツキの少ない圧電素子を形成できることが確認できた。
【００６９】
また別途、基板５にＰＺＴ薄膜を形成する（図４（ｂ））まで上記と同じとし、その後上部電極がない圧電素子の状態でダイシングにより基板５の中央部から１個、外周部から４個切り出した。これらの圧電素子の組成を蛍光Ｘ線組成分析装置により測定した結果、基板中央部の圧電素子と周辺部の圧電素子との組成はほぼ同一であることが確認できた。
【符号の説明】
【００７０】
１ チャンバー
２ マグネトロン・カソード
３ ターゲット
４ 基板ホルダ
５ 基板
６ 加熱部
６ａ スポット型ランプ
６ｂ 反射鏡
７ 均熱板
８ 酸素ガス噴射部
８ａ ガス噴出口
８ｂ 噴出方向
９ 高周波電源
Ａ アルゴンガスの導入口
Ｂ 排気口
Ｃ 酸素ガスの供給路
１００ 製造装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
チタン酸ジルコン酸鉛からなるターゲットを使用し、スパッタリング法により基板の上にチタン酸ジルコン酸鉛薄膜を製造する圧電体薄膜の製造方法において、
前記基板を加熱する基板加熱工程と、
前記基板加熱工程で加熱した前記基板の温度を維持し、前記スパッタリング法により前記基板の上に成膜する成膜工程と、を有し、
前記基板加熱工程では、前記基板が、所定の温度分布となるように加熱され、
前記成膜工程では、前記基板と前記ターゲットとで挟まれる空間の、前記ターゲットの面に平行な面の面内で、所定の酸素濃度分布となるように酸素が導入され、
前記基板及び前記平行な面それぞれへ前記ターゲットの面を垂直投影した場合、前記基板と前記平行な面との相互に対応する位置における前記所定の温度分布の増減方向と前記所定の酸素濃度分布の増減方向とは同じ方向であることを特徴とする圧電体薄膜の製造方法。
【請求項２】
前記所定の温度分布において、前記基板に、前記ターゲットの中心が該ターゲットの面に対して垂直投影される中心位置の温度が最も高く、前記中心位置から周辺に向かって低くなることを特徴とする請求項１に記載の圧電体薄膜の製造方法。
【請求項３】
前記所定の温度分布において、前記基板に、前記ターゲットの中心が該ターゲットの面に対して垂直投影される中心位置の温度が最も低く、前記中心位置から周辺に向かって高くなることを特徴とする請求項１に記載の圧電体薄膜の製造方法。
【請求項４】
チタン酸ジルコン酸鉛からなるターゲットを使用し、スパッタリング法により基板の上にチタン酸ジルコン酸鉛薄膜を製造する圧電体薄膜の製造方法において、
前記基板を加熱する基板加熱工程と、
前記基板加熱工程で加熱した前記基板の温度を維持し、前記スパッタリング法により前記基板の上に成膜する成膜工程と、を有し、
前記基板加熱工程では、前記基板が、所定の温度勾配を持つように加熱され、
前記成膜工程では、前記基板と前記ターゲットとで挟まれる空間の、前記ターゲットの面に平行な面の面内で、前記温度勾配に沿って、酸素が濃度勾配を持つように酸素が導入されることを特徴とする圧電体薄膜の製造方法。
【請求項５】
前記所定の温度勾配を持つ前記基板の上で温度が最も高い部分に対応する前記平行な面の面内での前記酸素の濃度が、最も高くなる濃度勾配を持つように酸素が導入されることを特徴とする請求項４に記載の圧電体薄膜の製造方法。
【請求項６】
チタン酸ジルコン酸鉛からなるターゲットを使用し、スパッタリング法により基板の上にチタン酸ジルコン酸鉛薄膜を製造する圧電体薄膜の製造装置において、
前記基板を所定の温度分布となるように加熱し、維持する基板加熱手段と、
前記基板と前記ターゲットとで挟まれる空間の、前記ターゲットの面に平行な面の面内で、所定の酸素濃度分布となるように酸素を導入する酸素導入手段と、を備え、
前記基板及び前記平行な面それぞれへ前記ターゲットの面を垂直投影した場合、前記基板と前記平行な面との相互に対応する位置における前記所定の温度分布の増減方向と前記所定の酸素濃度分布の増減方向とは同じ方向であることを特徴とする圧電体薄膜の製造装置。
【請求項７】
チタン酸ジルコン酸鉛からなるターゲットを使用し、スパッタリング法により基板の上にチタン酸ジルコン酸鉛薄膜を製造する圧電体薄膜の製造装置において、
前記基板を所定の温度勾配を持つように加熱し、維持する基板加熱手段と、
前記基板と前記ターゲットとで挟まれる空間の、前記ターゲットの面に平行な面の面内で、前記温度勾配に沿って、酸素が濃度勾配を持つように酸素を導入する酸素導入手段と、を備えることを特徴とする圧電体薄膜の製造装置。
【請求項１】
チタン酸ジルコン酸鉛からなるターゲットを使用し、スパッタリング法により基板の上にチタン酸ジルコン酸鉛薄膜を製造する圧電体薄膜の製造方法において、
前記基板を加熱する基板加熱工程と、
前記基板加熱工程で加熱した前記基板の温度を維持し、前記スパッタリング法により前記基板の上に成膜する成膜工程と、を有し、
前記基板加熱工程では、前記基板が、所定の温度分布となるように加熱され、
前記成膜工程では、前記基板と前記ターゲットとで挟まれる空間の、前記ターゲットの面に平行な面の面内で、所定の酸素濃度分布となるように酸素が導入され、
前記基板及び前記平行な面それぞれへ前記ターゲットの面を垂直投影した場合、前記基板と前記平行な面との相互に対応する位置における前記所定の温度分布の増減方向と前記所定の酸素濃度分布の増減方向とは同じ方向であることを特徴とする圧電体薄膜の製造方法。
【請求項２】
前記所定の温度分布において、前記基板に、前記ターゲットの中心が該ターゲットの面に対して垂直投影される中心位置の温度が最も高く、前記中心位置から周辺に向かって低くなることを特徴とする請求項１に記載の圧電体薄膜の製造方法。
【請求項３】
前記所定の温度分布において、前記基板に、前記ターゲットの中心が該ターゲットの面に対して垂直投影される中心位置の温度が最も低く、前記中心位置から周辺に向かって高くなることを特徴とする請求項１に記載の圧電体薄膜の製造方法。
【請求項４】
チタン酸ジルコン酸鉛からなるターゲットを使用し、スパッタリング法により基板の上にチタン酸ジルコン酸鉛薄膜を製造する圧電体薄膜の製造方法において、
前記基板を加熱する基板加熱工程と、
前記基板加熱工程で加熱した前記基板の温度を維持し、前記スパッタリング法により前記基板の上に成膜する成膜工程と、を有し、
前記基板加熱工程では、前記基板が、所定の温度勾配を持つように加熱され、
前記成膜工程では、前記基板と前記ターゲットとで挟まれる空間の、前記ターゲットの面に平行な面の面内で、前記温度勾配に沿って、酸素が濃度勾配を持つように酸素が導入されることを特徴とする圧電体薄膜の製造方法。
【請求項５】
前記所定の温度勾配を持つ前記基板の上で温度が最も高い部分に対応する前記平行な面の面内での前記酸素の濃度が、最も高くなる濃度勾配を持つように酸素が導入されることを特徴とする請求項４に記載の圧電体薄膜の製造方法。
【請求項６】
チタン酸ジルコン酸鉛からなるターゲットを使用し、スパッタリング法により基板の上にチタン酸ジルコン酸鉛薄膜を製造する圧電体薄膜の製造装置において、
前記基板を所定の温度分布となるように加熱し、維持する基板加熱手段と、
前記基板と前記ターゲットとで挟まれる空間の、前記ターゲットの面に平行な面の面内で、所定の酸素濃度分布となるように酸素を導入する酸素導入手段と、を備え、
前記基板及び前記平行な面それぞれへ前記ターゲットの面を垂直投影した場合、前記基板と前記平行な面との相互に対応する位置における前記所定の温度分布の増減方向と前記所定の酸素濃度分布の増減方向とは同じ方向であることを特徴とする圧電体薄膜の製造装置。
【請求項７】
チタン酸ジルコン酸鉛からなるターゲットを使用し、スパッタリング法により基板の上にチタン酸ジルコン酸鉛薄膜を製造する圧電体薄膜の製造装置において、
前記基板を所定の温度勾配を持つように加熱し、維持する基板加熱手段と、
前記基板と前記ターゲットとで挟まれる空間の、前記ターゲットの面に平行な面の面内で、前記温度勾配に沿って、酸素が濃度勾配を持つように酸素を導入する酸素導入手段と、を備えることを特徴とする圧電体薄膜の製造装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１１−１２７１３９（Ｐ２０１１−１２７１３９Ａ）
【公開日】平成２３年６月３０日（２０１１．６．３０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２８３８６６（Ｐ２００９−２８３８６６）
【出願日】平成２１年１２月１５日（２００９．１２．１５）
【出願人】（０００００１２７０）コニカミノルタホールディングス株式会社 (4,463)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年６月３０日（２０１１．６．３０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１２月１５日（２００９．１２．１５）
【出願人】（０００００１２７０）コニカミノルタホールディングス株式会社 (4,463)
【Ｆターム（参考）】
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