薄膜製造方法及び前記薄膜製造方法により製造された六方晶系圧電薄膜
【課題】結晶構造が六方晶系となった結晶薄膜をｃ軸面内配向させて成膜することのできる薄膜製造方法を提供する。
【解決手段】矩形のターゲット２２の下面には矩形タイプのマグネトロン回路２３を配置する。ターゲット２２の片半分を遮蔽板５１によって覆い、その下のエロージョン領域３９（磁束密度の最も大きな領域）から飛び出たスパッタ粒子が基板２８へ飛来しないように遮断する。真空チャンバ２１内のプラズマ領域の内部に位置する高さに基板２８を配置し、エロージョン領域３９の遮蔽板５１から露出している領域から飛び出たスパッタ粒子を基板２８の表面に入射させる。こうしてガス圧を小さくすれば、スパッタ粒子の平均自由工程が長くなってエネルギーの高いスパッタ粒子が大量に入射する結果、エネルギーの高いスパッタ粒子の入射による損傷を受けにくい結晶面である（１１−２０）面を持つ結晶粒が優先的に成長してｃ軸面内配向膜が形成される。
【解決手段】矩形のターゲット２２の下面には矩形タイプのマグネトロン回路２３を配置する。ターゲット２２の片半分を遮蔽板５１によって覆い、その下のエロージョン領域３９（磁束密度の最も大きな領域）から飛び出たスパッタ粒子が基板２８へ飛来しないように遮断する。真空チャンバ２１内のプラズマ領域の内部に位置する高さに基板２８を配置し、エロージョン領域３９の遮蔽板５１から露出している領域から飛び出たスパッタ粒子を基板２８の表面に入射させる。こうしてガス圧を小さくすれば、スパッタ粒子の平均自由工程が長くなってエネルギーの高いスパッタ粒子が大量に入射する結果、エネルギーの高いスパッタ粒子の入射による損傷を受けにくい結晶面である（１１−２０）面を持つ結晶粒が優先的に成長してｃ軸面内配向膜が形成される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は薄膜製造方法及び前記薄膜製造方法により製造された六方晶系圧電薄膜に関し、具体的にいうと、面方向に配向した多結晶薄膜又は単結晶薄膜の製造方法、当該方法により得られた酸化亜鉛薄膜等の六方晶系圧電薄膜、圧電素子、トランスデューサ及びＳＡＷデバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
マグネトロンスパッタリングはスパッタ法の一種であり、産業界で広く利用されている。マグネトロンスパッタリング装置では、チャンバ内に基板とターゲットを対向させて配置し、チャンバ内にＡｒガスを流してチャンバ内圧力を数Ｐａ〜数１０Ｐａ程度に保つ。ターゲットの背面には磁石を配置し、ターゲット位置に磁界を発生させる。Ａｒガス雰囲気中でターゲットに数ｋＶの負の高電圧を印加し放電させると、Ａｒガスが電離してターゲットと基板との間にプラズマ領域が生成する。そして、正イオン（Ａｒ＋）がターゲットに衝突し、ターゲットの原子または分子を叩き出す（スパッタリング現象）。ターゲットから飛び出たスパッタ粒子は基板の表面に堆積し、ターゲットの構成原子からなる薄膜が基板表面に形成される。このときマグネトロンスパッタリングでは、ターゲット位置に磁界が集中しているためにターゲットの表面近傍におけるプラズマ密度が高くなり、ターゲットから飛び出るスパッタ粒子が増加し、薄膜の堆積速度が大きくなる。
【０００３】
従来より、上記のようなマグネトロンスパッタリング装置を用いてＺｎＯの薄膜を成膜することが試みられている。このような報告としては、例えば特許文献１（特開平１１−２８４２４２号公報）がある。特許文献１には、２層のＺｎＯ薄膜からなる圧電性薄膜が開示されており、その段落００４１には、基板加熱を行なわず、ＲＦパワー５００ワット、プロセスガスの圧力０.６Ｐａという成膜条件の下で、Ａｒ雰囲気中におけるマグネトロンＲＦスパッタリングにより導電性ＺｎＯ薄膜を成膜し、またＡｒ＋Ｏ２雰囲気中においてマグネトロンＲＦスパッタリングにより絶縁性ＺｎＯ薄膜を成膜することが記載されている。
【０００４】
なお、ｃ軸面内配向したＺｎＯ薄膜を得るための技術としては、特許文献２（特許第３５６１７４５号公報）や特許文献３（特開２００６−８３０１０号公報）に開示されたものもある。しかし、前者は基板に温度勾配を付与することによって結晶配向を制御するものであり、後者は基板を傾斜させて薄膜を得ることによって大面積でｃ軸面内配向したＺｎＯ薄膜を得ようとするものであり、本発明とは本質的に異なる原理によるものである。
【０００５】
【特許文献１】特開平１１−２８４２４２号公報
【特許文献２】特許第３５６１７４５号公報
【特許文献３】特開２００６−８３０１０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
六方晶系のｃ軸が薄膜の表面に垂直な方向を向いた（このような結晶配向をｃ軸配向という。）ＺｎＯ薄膜は、１９７０年代より圧電性薄膜として広く応用されている。しかし、用途やデバイスの種類（例えば、ＳＨ型ＳＡＷデバイス）によっては、ｃ軸（分極方向）が薄膜の表面と平行な方向を向いているもの（このような結晶配向をｃ軸面内配向という。）、特にｃ軸が薄膜の表面と平行で且つ薄膜全体で一方向に揃ったものが必要とされる。そのためには、ＺｎＯ薄膜の成膜時にｃ軸を薄膜表面と平行な方向に揃える必要がある。
【０００７】
しかしながら、上記特許文献１で得られたＺｎＯ薄膜は、その段落００１０、００２６に記載されているように、いずれもｃ軸が薄膜の表面に垂直な方向を向いており、ｃ軸配向している。また、特許文献１の図２に示されているＸ線回折結果を示す図には、（０００２）面におけるｃ軸配向を示すピークは顕著に表れているが、ｃ軸面内配向を示すピークは見られない。
【０００８】
本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであって、結晶構造が六方晶系となった結晶薄膜をｃ軸面内配向させて成膜することのできる薄膜製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
このような目的を達成するために、本発明の薄膜製造方法は、スパッタリング法により基板の表面に薄膜を製造する方法であって、粒子発生源に対向させて前記基板を配置し、前記粒子発生源から出射したエネルギー粒子を前記基板に入射させ、所定の結晶軸方向が前記基板の表面と平行となるように前記エネルギー粒子を前記基板の表面に入射させて前記エネルギー粒子を含む薄膜を形成することを特徴としている。
【００１０】
この薄膜製造方法は、六方晶系の薄膜、たとえば酸化亜鉛のような圧電性薄膜を形成するのに適している。特に、六方晶系のｃ軸方向が薄膜表面と平行で、かつ、ｃ軸方向が一方向に揃っているような薄膜を得る用途に用いると効果がある。また、粒子発生源は、スパッタされて薄膜の構成元素を供給するものであって、例えばスパッタリング用のターゲットである。
【００１１】
薄膜を作製するにあたっては、チャンバ内の圧力を下げてガスを希薄にすると、粒子発生源から出射したエネルギー粒子の平均自由工程が長くなり、基板にはエネルギーの高い粒子が大量に入射する。六方晶系の材料は（０００１）面に、最も表面エネルギーが低くなる最密面を持ち、薄膜にするとｃ軸配向する性質がある。そのため、少量のエネルギー粒子が入射した場合には、基板上に最密面、例えば六方晶系の（０００１）面が優先的に成長するが、大量のエネルギー粒子が基板に入射した場合には、最密面を持つ結晶粒はエネルギー粒子の衝突により損傷する確率が高く、その成長が抑制される。その結果、エネルギー粒子の入射による影響が小さいチャネリング効果を持つ結晶面、例えば六方晶系の（１１−２０）面を持つ結晶粒が優先的に成長して面内配向膜が形成される。このような成長メカニズムはＺｎＯにおいて顕著であるが、ＺｎＯ以外にも適用が可能である。また、エネルギーを持った粒子の入射方向やコリメート性により、基板に形成される薄膜の配向方向や配向バラツキをコントロールすることができる。
【００１２】
本発明の薄膜製造方法においては、ガス圧を下げることにより、エネルギーを持った粒子の平均自由工程が長くなり、エネルギーを持ったより多くの粒子が基板に入射するように０.１５Ｐａ以下（より好ましくは、０.１Ｐａ以下）の低い雰囲気圧力中で粒子発生源をスパッタしてエネルギー粒子を出射させたり、基板を粒子発生源の近傍に配置したりすることにより、エネルギーを有するより多くの粒子を基板に入射させて薄膜を形成することで、基板全面においてｃ軸方向が薄膜の表面と平行な方向に配向したｃ軸面内配向薄膜を得ることができた。なお、基板を配置する粒子発生源近傍とは、プラズマ領域内であれば十分に条件を満たす。
【００１３】
この薄膜製造方法においては、粒子発生源は１つに限らず、少なくとも１つの粒子発生源から出射したエネルギー粒子によって成膜するようにしてもよい。
【００１４】
また、粒子発生源から出射したエネルギー粒子とプラズマガス粒子とを反応させて基板表面に薄膜を形成することもできる。
【００１５】
なお、本発明の薄膜製造方法においては、前記エネルギー粒子の、前記基板に対する入射角度、入射方向または入射方向の拡がりを制御することによって良質な薄膜を得ることができる。また、前記基板と前記粒子発生源との間の空間に遮蔽板又はスリットを設置することにより、前記エネルギー粒子の、前記基板に対する入射角度、入射方向または入射方向の拡がりを制御することによっても良質な薄膜を得ることができる。
【００１６】
上記のような薄膜製造方法によれば、基板全面において薄膜をｃ軸面内配向させることができるが、磁気回路の形状など（例えば、円形のマグネトロン回路）によってはｃ軸方向が一方向に揃わず、基板全面でｃ軸方向がランダムになることがある。
【００１７】
本発明の薄膜製造方法のある実施態様においては、前記粒子発生源の背後に磁気回路を設け、前記磁気回路によって発生する磁界の磁束密度が高い領域のうち直線部分で前記粒子発生源から出射されたエネルギー粒子のみによって前記基板の表面に前記薄膜を形成する。このような磁気回路を用いたスパッタリング法は、マグネトロンスパッタリング法を含むものであり、成膜速度を向上させることができる。また、この実施態様では、磁束密度が高い領域のうち直線部分で粒子発生源から出射したエネルギー粒子のみによって薄膜を形成しているので、粒子発生源の複数箇所から飛来したエネルギー粒子で薄膜が形成された領域では、ｃ軸方向もランダムになる。しかし、磁束密度が高い領域のうち単一の直線部分からのエネルギー粒子のみで薄膜が形成されている領域では、エネルギー粒子の入射方向がほぼ均一となるので、その領域全体ではｃ軸方向が一方向に揃う。よって、この実施形態により得られる薄膜は、基板全体においてｃ軸面内配向しており、基板の少なくとも一部領域においては領域全体でｃ軸方向が一方向に揃っていた。また、基板の位置や基板の大きさによっては、基板全面においてｃ軸面内配向しており、かつ、基板全面においてｃ軸方向が一方向に揃った薄膜を得ることができた。
【００１８】
本発明の薄膜製造方法の別な実施態様においては、前記粒子発生源の背後に磁気回路を設け、前記磁気回路によって発生する磁界の磁束密度が高い領域のうち単一の直線部分で前記粒子発生源から出射されたエネルギー粒子のみによって前記基板の表面に前記薄膜を形成する。この実施態様では、磁束密度が高い領域のうち単一の直線部分で粒子発生源から出射したエネルギー粒子のみによって薄膜を形成しているので、基板のいずれの領域もほぼ一定の方向から飛来したエネルギー粒子が入射して薄膜が形成される。その結果、この実施態様によれば、基板全面においてｃ軸面内配向しており、かつ、基板全面においてｃ軸方向が一方向に揃った薄膜を得ることができた。
【００１９】
磁束密度が高い領域のうち単一の直線部分で粒子発生源から出射されたエネルギー粒子のみによって薄膜を形成できるようにするには、磁気回路を１つのＮ極と１つのＳ極によって構成し、当該Ｎ極と当該Ｓ極との間にのみ磁束密度が高い直線領域が生じるようにすればよい。
【００２０】
あるいは、粒子発生源の一部領域を遮蔽板により覆って粒子発生源のうち遮蔽板で覆われた領域から出射されたエネルギー粒子を基板の表面に到達させないようにし、粒子発生源のうち遮蔽板によって覆われていない領域にあって、磁束密度が高い領域のうち単一の直線部分で粒子発生源から出射されたエネルギー粒子のみが基板に到達するようにしてもよい。
【００２１】
あるいはまた、粒子発生源の一部領域を難スパッタ材により覆って粒子発生源のうち難スパッタ材で覆われた領域から出射されたエネルギー粒子を基板の表面に到達させないようにし、粒子発生源のうち難スパッタ材によって覆われていない領域にあって、磁束密度が高い領域のうち単一の直線部分で前記粒子発生源から出射されたエネルギー粒子のみが基板に到達するようにしてもよい。
【００２２】
また、Ｎ極とＳ極のうちいずれか一方の極を挟んでその両側に他方の極を配置した磁気回路の場合には、いずれか一方のＮ極とＳ極間の領域では粒子発生源として難スパッタ材を用いてもよい。難スパッタ材からはエネルギー粒子が出射されないので、残る一方の磁束密度が高い領域の直線部分のみからエネルギー粒子が出射されて薄膜が形成される。
【００２３】
また、Ｎ極とＳ極のうちいずれか一方の極を挟んでその両側に他方の極を配置した磁気回路の場合には、いずれか一方のＮ極とＳ極間の領域だけに粒子発生源を設けるようにしてもよい。粒子発生源の無い部分からはエネルギー粒子が出射されないので、残る一方の磁束密度が高い領域の直線部分のみで粒子発生源からエネルギー粒子が出射されて薄膜が形成される。
【００２４】
また、磁束密度が高い領域のうち１つの直線部分と前記基板の交差する角度が常に一定となるような配置してもよい。
【００２５】
なお、このような酸化亜鉛薄膜は、圧電素子、トランスデューサ、ＳＡＷデバイス、薄膜共振子（ＦＢＡＲ）などに用いることができる。
【００２６】
なお、本発明における前記課題を解決するための手段は、以上説明した構成要素を適宜組み合せた特徴を有するものであり、本発明はかかる構成要素の組合せによる多くのバリエーションを可能とするものである。また、本発明は圧電薄膜として好適な窒化アルミニウム、酸化亜鉛、窒化ガリウムを用いた圧電薄膜の形成にも適用できるものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。
【００２８】
（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１による薄膜製造方法を実施するためのマグネトロンスパッタリング装置１０１の構造を示す概略断面図である。このマグネトロンスパッタリング装置１０１においては、真空チャンバ２１内の下部にＺｎＯ焼結体からなる円板状のターゲット２２（粒子発生源）を配置している。ターゲット２２の下面には、マグネトロン回路２３（磁気回路）が設けられている。マグネトロン回路２３は円形タイプとなっており、中心に位置する一方の磁極（以下、Ｓ極２４とする。）とＳ極２４を中心とする円環状の磁極（以下、Ｎ極２５とする。）とをヨーク２６で結合させたものであって、Ｓ極２４とＮ極２５との間には磁界（磁束）が発生している。真空チャンバ２１内の天井部分には基板ホルダ２７が設けられており、基板ホルダ２７の下面は薄膜形成用の基板２８を取付け可能となっている。また、ターゲット２２と基板ホルダ２７との間には、高周波電界を発生させるための電源２９を設けている。
【００２９】
真空チャンバ２１にはガス流入口３０とガス排出口３１が設けられている。ガス流入口３０には、混合ガス流量調整バルブ３２を介して２つに分岐したガス供給管３３が接続され、その一方には流量調整バルブ３４を介してＡｒガス供給源３５が接続され、他方には流量調整バルブ３６を介してＯ２ガス供給源３７が接続されている。
【００３０】
実施形態１においては、上記マグネトロンスパッタリング装置１０１を用いて次のような成膜条件により下記のようにしてＺｎＯ２薄膜を成膜した。
ＲＦパワー密度： ２.５Ｗ／ｃｍ２
成膜圧力： ０.１Ｐａ〜０.０１Ｐａ
Ｏ２／Ａｒ比： ２
Ｏ２ガス流量： ３２ｓｃｃｍ
Ａｒガス流量： １６ｓｃｃｍ
【００３１】
まず、真空チャンバ２１内の基板ホルダ２７下面に基板２８を固定した。基板２８の種類は選ばないが、例えばＳｉ基板やパイレックス（登録商標）ガラス基板などを用いることができる。成膜時にはターゲット２２と基板ホルダ２７との間にプラズマ領域３８（プラズマ柱）が生じるが、基板２８をプラズマ領域３８内に位置させ、通常よりもターゲット２２に近い位置に基板２８を配置した。ついで、真空チャンバ２１内を排気して真空状態とした後、流量調整バルブ３４、３６及び混合ガス流量調整バルブ３２を開いて真空チャンバ２１内にＡｒガスとＯ２ガスを流した。このとき、流量調整バルブ３４と流量調整バルブ３６を調節することによってＯ２ガスとＡｒガスの流量比が２：１となるように調整し、混合ガス流量調整バルブ３２を調節することによって混合ガス流量が４８ｓｃｃｍ（Ｏ２ガス流量３２ｓｃｃｍ、Ａｒガス流量１６ｓｃｃｍ）となるように調整し、成膜圧力（チャンバ内ガス圧）を０.１Ｐａ〜０.０１Ｐａに保った。また、成膜時には電源２９をオンにしてターゲット２２と基板ホルダ２７の間に２.５Ｗ／ｃｍ２に相当する高周波電界を加えた。
【００３２】
高周波電界を印加すると、真空チャンバ２１内に磁界及び電界が形成され、Ａｒガス及びＯ２ガスがその電界により電離して電子を放出する。この電子はターゲット２２近傍の電界及び磁界によりトロイダル曲線を描きながら運動し、これによりターゲット２２の近傍にプラズマが発生してターゲット２２がスパッタされる。スパッタされてターゲット２２から叩き出されたスパッタ粒子（ＺｎＯ）はプラズマ中において基板２８側に向かう一軸方向の流れを形成する。このスパッタ粒子は基板２８の表面に入射し、基板２８の表面にＺｎＯ薄膜を形成する。
【００３３】
また、マグネトロン回路２３による磁束密度の最も強い領域ではプラズマ密度が大きくなるので、この領域ではターゲット２２に正イオンが集中的に衝突し、ターゲット２２からスパッタ粒子が叩き出される。その結果、磁束密度の最も強い領域でターゲット２２が浸食されることになるので、以下においては、この浸食される領域をエロージョン領域３９と呼ぶ。このエロージョン領域３９から飛び出たスパッタ粒子は基板２８の表面に入射し、基板２８の表面にＺｎＯ薄膜が形成される。
【００３４】
図２はマグネトロンスパッタリング装置１０１により成膜されたＺｎＯ薄膜（実施形態１）と比較例によるＺｎＯ薄膜（比較例）とのＸ線回折実験の結果（ＸＲＤパターン）を示す図である。図２の横軸は照射Ｘ線の回折角２θ、縦軸はＸ線回折強度（任意スケール）である。比較例のＺｎＯ薄膜は、プラズマ領域３８から離れた位置に基板を配置して成膜したものである。
【００３５】
また、図３の（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）は六方晶系のＺｎＯ結晶が配向する様子を表わしている。図３（ｃ）にはｃ軸が薄膜表面４０と垂直な方向を向いてｃ軸配向したＺｎＯ結晶を表わしており、ＺｎＯ結晶の（０００１）面が薄膜表面４０に並んでいる。この場合には、Ｘ線回折実験では、回折角２θ＝３４.４°あたりに（０００２）面の強度ピークが現れる。ｃ軸面内配向には、図３（ａ）及び（ｂ）に示すとおり２通りの配向の仕方がある。図３（ａ）はＺｎＯ結晶の（１０−１０）面が薄膜表面４０に並んでｃ軸面内配向しており、この場合には、Ｘ線回折実験では、回折角２θ＝３１.８°あたりに強度ピークが現れる。図３（ｂ）はＺｎＯ結晶の（１１−２０）面が薄膜表面４０に並んでｃ軸面内配向しており、この場合には、Ｘ線回折実験では、回折角２θ＝５６.６°あたりに強度ピークが現れる。
【００３６】
よって、図２のＸ線回折実験によれば、比較例のＺｎＯ薄膜ではｃ軸配向を表わす（０００２）面のピークが顕著に表れており、ｃ軸面内配向を示すピークは全く見られない。これに対し、実施形態１のＺｎＯ薄膜では（１１−２０）面によるｃ軸面内配向のピークが顕著に表れており、ｃ軸配向を示すピークは見られない。従って、真空チャンバ２１内を高真空化し、かつ、基板２８をプラズマ領域３８中に置いてターゲット２２に近づけることで、基板２８の全面にわたってｃ軸面内配向したＺｎＯ薄膜が得られた。
【００３７】
こうして基板２８にＺｎＯ薄膜を作製するにあたっては、真空チャンバ２１内のガス圧を小さくしているので、ターゲット２２から出射したスパッタ粒子の平均自由工程が長くなり、基板２８にはエネルギーの高いスパッタ粒子が大量に入射する。少量のスパッタ粒子が入射した場合には、基板２８上には最密面である（０００１）面が優先的に成長するが、エネルギーの高いスパッタ粒子が大量に基板２８に入射した場合には、最密面である（０００１）面の結晶粒の成長（ｃ軸配向）が抑制される。その結果、エネルギーの高いスパッタ粒子の入射による影響が小さい結晶面、すなわち（１１−２０）面（チャネリング効果）を持つ結晶粒が優先的に成長してｃ軸面内配向膜が形成される。なお、薄膜の配向方向や配向バラツキは、スパッタ粒子の入射方向やコリメート性によりコントロールすることができる。
【００３８】
ただし、実施形態１のＺｎＯ薄膜を用いて（１１−２２）極点図を作成した結果、図４のような結果を得た。図４に示す（１１−２２）極点図によれば、実施形態１のＺｎＯ薄膜は（１１−２０）面でｃ軸面内配向しているものの、そのｃ軸方向は一定方向に整列しておらず、ランダム配向していることが分かった。これは円形タイプのマグネトロン回路２３を用いているため、場所によってＺｎＯ粒子の飛来方向が変化するためである。
【００３９】
なお、図４の（１１−２２）極点図は、薄膜の仰角Ψを０°としたときのＸ線の入射角度を（１１−２２）面の回折条件である３３.９８°（２θ＝６７.９６°）に固定し、薄膜の仰角Ψ及び方位角φを走査して、検出したＸ線回折の強度をマッピングしたものである。この図４の表示ではグレーの領域が最も強度が低く（強度ゼロ）、黒色の領域が中間の強度を有し、白色の領域が最も強度が高くなっている。この極点図によれば、Ψが（１１−２０）面と（１１−２２）面のなす角である約３２°の方向で任意の方位角に（１１−２２）面の極が同心円状に分布しており、ｃ軸が薄膜表面と平行な面内でランダムな方向を向いていることを表わしている。
【００４０】
この実施形態１のように真空チャンバ内を高真空化し、かつ、基板をプラズマ領域中に配置してターゲット２２に近づけると、ターゲット２２から飛び出したスパッタ粒子が他のスパッタ粒子やガスと衝突しにくくなり、基板２８にほぼ一定方向から大量に入射し、基板表面にｃ軸面内配向すると考えられる。その一方で、円形タイプのマグネトロン回路２３を用いた場合には、場所によってスパッタ粒子の基板２８への入射方向が変化するので、ｃ軸方向が基板全体で１方向に揃わず、ランダムになると考えられる。
【００４１】
（実施形態２）
図５は本発明の実施形態２による薄膜製造方法を実施するためのマグネトロンスパッタリング装置１０２の構造を示す概略断面図である。実施形態２のマグネトロンスパッタリング装置１０２も実施形態１のマグネトロンスパッタリング装置１０１と同様な構造を有しており、同じ構成要素には同じ符号を付している。実施形態２のマグネトロンスパッタリング装置１０２では、図６に示すような矩形状をした矩形タイプのマグネトロン回路２３と矩形状のターゲット２２を使用している。
【００４２】
マグネトロン回路２３は、図６に示すように矩形状となっており、中央部に配置されたＳ極２４と、Ｓ極２４を取り囲むように矩形環状に形成されたＮ極２５と、Ｓ極２４及びＮ極２５を結合するヨーク２６とを備えている。また、当該Ｎ極２５のうち少なくとも対向する２辺の長さは、基板２８の直径に比較して十分な直線長さを有している。ターゲット２２もマグネトロン回路２３に合わせてＺｎＯ焼結体により矩形状に形成されている。このような矩形タイプのマグネトロン回路２３を用いたマグネトロンスパッタリング装置１０２では、Ｎ極２５が直線状に長く伸びている部分の上方に基板２８を配置する。
【００４３】
なお、以下においては、基板２８の配置される領域におけるＮ極２５の長さ方向をｙ方向と呼び、ｙ方向に垂直な面内で水平方向をｘ方向、上下方向をｚ方向と呼ぶ。
【００４４】
成膜条件は、実施形態１と同じく
ＲＦパワー密度： ２.５Ｗ／ｃｍ２
成膜圧力： ０.１Ｐａ〜０.０１Ｐａ
Ｏ２／Ａｒ比： ２
Ｏ２ガス流量： ３２ｓｃｃｍ
Ａｒガス流量： １６ｓｃｃｍ
とし、基板２８はプラズマ領域３８の内部となる高さに配置している。
【００４５】
マグネトロン回路２３のＮ極２５が直線状に延びている領域では、Ｓ極２４とＮ極２５の間に生じる磁界はＮ極２５の長さ方向に垂直な面（ｚｘ面）内にあるので、エロージョン領域３９から飛び出るスパッタ粒子の飛散方向もほぼｚｘ面内となり、ｙ方向ではスパッタ粒子の広がりが非常に小さい。しかし、エロージョン領域３９から飛び出すＺｎＯ粒子は、ｚｘ面内では図５に示すように広がりが大きいので、図上で左右に位置するエロージョン領域３９（以下、長辺部分３９ａ、３９ｂと呼ぶ。）間の中央部上方では、左右のエロージョン領域３９から飛び出たスパッタ粒子が混在し合う領域４１が生じる。基板２８の表面にはランダムな方向から飛来したスパッタ粒子が入射する結果、基板２８の表面にはランダムな配向のＺｎＯ多結晶が成長する。
【００４６】
また、エロージョン領域３９の左右の長辺部分３９ａ、３９ｂから飛び出るスパッタ粒子の分布密度４２は、図５に示すように長辺部分３９ａ、３９ｂの直上方向（ｚ方向）で大きく、直上方向からの傾きが大きくなるに従って減少する。
【００４７】
従って、実施形態２においては、エロージョン領域３９の直上方向に基板を配置したとき、前記混在領域４１に基板が位置しない程度まで基板２８をターゲット２２に近づけ、さらに基板２８をターゲット２２の中心よりもｘ方向（他のエロージョン領域から遠くなる方向）に偏らせて配置している。
【００４８】
このようなマグネトロンスパッタリング装置１０２によって基板２８の表面にＺｎＯ薄膜を成膜すると、図７に示す基板２８の表面のうち前記混在領域４１に位置していた領域２８ａにはｃ軸方向がランダムな方向を向いたｃ軸面内配向の薄膜が生成される。これに対し、エロージョン領域３９の一方の長辺部分３９ａから飛来したスパッタ粒子のみが入射する領域２８ｂでは、ほぼ一定の方向からスパッタ粒子が飛来して基板２８の表面に入射するので、領域全体でｃ軸方向が一方向に揃ったｃ軸面内配向のＺｎＯ薄膜が得られた。よって、実施形態２によれば、薄膜２８は基板全体でｃ軸面内配向しているが、ｃ軸方向が一方向に揃った領域は基板２８の一部でしか得ることができなかった。
【００４９】
図８（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）は、上記のようにして成膜された実施形態２のＺｎＯ薄膜サンプルを用い、エロージョン領域３９のうち一方の長辺部分３９ａから飛来したＺｎＯ粒子のみが入射する領域２８ｂにおけるＺｎＯ薄膜の（１１−２２）極点図を作成した結果を表わしている。図８（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）はｙ方向に沿った３点の（１１−２２）極点図であって、図８（ａ）は図７のＰ１点における（１１−２２）極点図、図８（ｂ）は図７のＰ２点における（１１−２２）極点図、図８（ｃ）は図７のＰ３点における（１１−２２）極点図を表わす。これらの（１１−２２）極点図によれば、仰角Ψが（１１−２０）面と（１１−２２）面のなす角である約３２°の方向において、方位角φ＝０°の近傍と方位角φ＝１８０°の近傍においてそれぞれ（１１−２２）面極と（−１−１２２）面極による強度分布が集中しており、ＺｎＯ薄膜のｃ軸が面内でφ＝０°とφ＝１８０°を結ぶ方向に一方向に配向していて（１１−２０）面でｃ軸面内配向していることが観察された。そして、図８（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）のいずれの極点図もほぼ同じ方位角φに強度分布が集まっており、ＺｎＯ薄膜が（１１−２０）面でｃ軸面内配向しており、かつｃ軸方向が基板の一部領域の全体で同じ方向に揃っていることを確認できる。
【００５０】
（実施形態３）
図９は本発明の実施形態３による薄膜製造方法を実施するためのマグネトロンスパッタリング装置１０３の構造を示す概略断面図である。実施形態３のマグネトロンスパッタリング装置１０３も実施形態２のマグネトロンスパッタリング装置１０２と同様な構造を有しており、矩形タイプのマグネトロン回路２３を備えている。
【００５１】
成膜条件も、実施形態２と同じく
ＲＦパワー密度： ２.５Ｗ／ｃｍ２
成膜圧力： ０.１Ｐａ〜０.０１Ｐａ
Ｏ２／Ａｒ比： ２
Ｏ２ガス流量： ３２ｓｃｃｍ
Ａｒガス流量： １６ｓｃｃｍ
とし、基板２８はプラズマ領域３８の内部となる高さに配置している。
【００５２】
実施形態３のマグネトロンスパッタリング装置１０３の特徴は、エロージョン領域３９のうちの互いに平行に対向する長辺部分３９ａ、３９ｂの一方を空間を隔てて非磁性体金属からなる遮蔽板５１で覆っている点にある。具体的には、図１０に示すように、ターゲット２２の片側半分の上に遮蔽板５１を設け、エロージョン領域３９の長辺部分３９ｂ全体と短辺部分３９ｃ、３９ｄの半分を遮蔽板５１で覆い隠している。
【００５３】
このマグネトロンスパッタリング装置１０３では、エロージョン領域３９の一方の長辺部分３９ｂを遮蔽板５１で覆っているので、電源２９をオンにすると、ここでは遮蔽板５１とその下のターゲット２２との間に高周波電界が発生し、エロージョン領域３９の長辺部分３９ｂから飛び出たスパッタ粒子は遮蔽板５１の下面に衝突する。よって、この長辺部分３９ｂから飛び出たスパッタ粒子は基板２８の表面には入射しない。
【００５４】
一方、遮蔽板５１の外側では、ターゲット２２と基板ホルダ２７の間に高周波電界が発生し、遮蔽板５１の外側に位置する長辺部分３９ａから飛び出たスパッタ粒子は基板２８の表面に入射する。
【００５５】
矩形タイプのマグネトロン回路２３を用いた場合には、前記のようにエロージョン領域３９から飛び出るスパッタ粒子の飛散方向がほぼｚｘ面内にあり、ｙ方向では広がりが非常に小さい。しかも、実施形態３の場合には、ｚｘ面内で考えると、基板２８に飛来するスパッタ粒子は遮蔽板５１から露出している単一のエロージョン領域３９（長辺部分３９ａ）から叩き出されたものだけであり、さらに真空チャンバ２１内を高真空に保ってスパッタ粒子どうしの衝突確率やスパッタ粒子とガスとの衝突確率を小さくしているので、基板２８の表面には、単一の長辺部分３９ａから飛び出てほぼ一定の方向から飛来したスパッタ粒子が入射する。その結果、基板２８の表面全体には、同一方向にｃ軸が整列したｃ軸面内配向のＺｎＯ薄膜が得られる。
【００５６】
図１１は実施形態３のマグネトロンスパッタリング装置１０３により成膜されたＺｎＯ薄膜のＸ線回折実験の結果（ＸＲＤパターン）を示す図である。図１１の横軸は入射Ｘ線の回折角２θ、縦軸はＸ線回折強度である。また、図１１に示す３つのＸ線回折強度は、基板２８の中心Ｏからｙ方向へそれぞれＹ＝＋４０ｍｍ（図７における基板上のＱ１点）、Ｙ＝０ｍｍ（図７における基板上のＯ点）、Ｙ＝−４０ｍｍ（図７における基板上のＱ２点）の各位置におけるＺｎＯ薄膜の回折強度を表わす。これら３つのＸ線回折強度を見ると、いずれも回折角２θ＝３４.４°あたりにｃ軸配向による（０００２）面のピークがわずかに観察され、回折角２θ＝５６.５°あたりに（１１−２０）面によるｃ軸面内配向による大きなピークが観察される。
【００５７】
また、図１２（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）は、実施形態３のマグネトロンスパッタリング装置１０３により成膜されたＺｎＯ薄膜の（１１−２２）極点図を表わしている。図１２（ａ）は基板２８の中心ＯからＹ＝＋４０ｍｍの点における（１１−２２）極点図、図１２（ｂ）は基板２８の中心ＯからＹ＝０ｍｍの点における（１１−２２）極点図、図１２（ｃ）は基板２８の中心ＯからＹ＝−４０ｍｍの点における（１１−２２）極点図を表わす。これらの（１１−２２）極点図によれば、仰角Ψが約３２°の方向において、ほぼ同じ方位角φに強度分布が集まっており、ＺｎＯ薄膜が（１１−２０）面でｃ軸面内配向しており、かつｃ軸方向が同一方向に揃っていることが分かる。
【００５８】
なお、図示例では、遮蔽板５１は水平板部５２と垂直板部５３によって断面逆Ｌ字状に形成されており、垂直板部５３の下端とターゲット２２の上面との間にはガスを流通させるための隙間５４が設けられている。遮蔽板５１は水平板部５２のみで構成されていてもよいが、遮蔽板５１を水平板部５２と垂直板部５３によって構成し、一方の長辺部分３９ｂを包み込むような形状にすれば、この長辺部分３９ｂから叩き出されたスパッタ粒子が遮蔽板５１内の空間から漏れにくくなる。
【００５９】
また、遮蔽板５１に代えて、長辺部分３９ａから飛び出たスパッタ粒子のみを通過させるようなスリットを設けてもよい。
【００６０】
図１３は実施形態３の変形例を示す概略平断面図である。この変形例では、略矩形状をしたエロージョン領域３９のうち一方の長辺部分３９ｂと２つの対向する短辺部分３９ｃ、３９ｄとを遮蔽板５１で覆い、遮蔽板５１を平面視でコ字状に配置している。このような変形例によれば、エロージョン領域３９の短辺部分３９ｃ、３９ｄから飛び出たスパッタ粒子が基板２８に飛来しないように遮蔽でき、基板２８の表面にｃ軸面内配向したＺｎＯ薄膜のｃ軸方向をより均一に揃えることができる。
【００６１】
（実施形態４）
図１４は本発明の実施形態４による薄膜製造方法を実施するためのマグネトロンスパッタリング装置１０４の構造を示す概略断面図であり、図１５はその概略平断面図である。実施形態４のマグネトロンスパッタリング装置１０４も実施形態２と同様な構造を有しており、矩形タイプのマグネトロン回路２３を備えている。なお、図１４においては、ガスの供給系統や電源等は図示を省略している（以下の実施形態についても同じ）。
【００６２】
実施形態４では、図１５に示すように、ターゲット２２の片側半分の上面に難スパッタ材６１を積層してエロージョン領域３９の一方の長辺部分３９ｂを覆っている。難スパッタ材６１としては、アルミナ、カーボン、ステンレス等の硬くてスパッタされない材質のものを用いればよい。あるいは、難スパッタ材６１として絶縁材料を用い、電源２９に直流電源を用いてもよい。ターゲット２２の片側半分を絶縁材料からなる難スパッタ材６１で覆い、ターゲット２２と基板ホルダ２７の間に直流電界を印加すると、難スパッタ材６１に入射した正イオンがチャージアップされることによって難スパッタ材６１で覆われた側では放電が停止し、難スパッタ材６１がスパッタされなくなる。
【００６３】
このマグネトロンスパッタリング装置１０４では、エロージョン領域３９の一方の長辺部分３９ｂを難スパッタ材６１で覆い、他方の長辺部分３９ａの上方に基板２８を配置しているので、難スパッタ材６１で覆われていない長辺部分３９ａから叩き出されたスパッタ粒子だけが基板２８の表面に入射する。その結果、実施形態３と同様な理由により、基板２８の表面には、単一の長辺部分３９ａから飛び出てほぼ一定の方向から飛来したＺｎＯ粒子が入射し、基板２８の表面全体に同一方向に沿ってｃ軸が整列したｃ軸面内配向のＺｎＯ薄膜が得られる。
【００６４】
なお、図示しないが、実施形態４の場合にも実施形態３の図１２と同様な（１１−２２）極点図が得られた。
【００６５】
図１６は実施例４の変形例であり、ターゲット２２の片側半分を難スパッタ材６１で覆う代わりにターゲット２２を２分割し、一方をＺｎＯ焼結体からなるターゲット２２ａとし、他方を難スパッタ材２２ｂとしている。このようなターゲット２２を用いることによっても実施例４と同様な作用効果を得ることができ、基板２８の全面で同一方向に沿ってｃ軸が整列したｃ軸面内配向のＺｎＯ薄膜を得ることができる。
【００６６】
（実施形態５）
図１７は本発明の実施形態５による薄膜製造方法を実施するためのマグネトロンスパッタリング装置１０５の構造を示す概略断面図であり、図１８はその概略平断面図である。このマグネトロンスパッタリング装置１０５も実施形態２のマグネトロンスパッタリング装置１０２と同様な構造を有しており、矩形タイプのマグネトロン回路２３を備えている。
【００６７】
実施形態５では、複数枚の垂直な仕切り壁を平面視で「エ」状となるように組み合わせて構成した遮蔽板７１を真空チャンバ２１内に配設し、遮蔽板７１によって矩形状をしたエロージョン領域３９の２つの長辺部分３９ａ、３９ｂと２つの短辺部分３９ｃ、３９ｄを区画している。また、エロージョン領域３９の各長辺部分３９ａと３９ｂの上方には、それぞれ基板２８を配置している。遮蔽板７１の上端は、少なくとも基板２８の配置されている高さよりも上方まで延びていることが好ましいが、遮蔽板７１の下端とターゲット２２上面との間にはガス流通用の隙間７２をあけている。
【００６８】
このマグネトロンスパッタリング装置１０５では、エロージョン領域３９の一方の長辺部分３９ａ（または３９ｂ）に配置された基板２８では、その下の長辺部分３９ａ（または３９ｂ）から叩き出されたスパッタ粒子が飛来するが、他方の長辺部分３９ｂ（または３９ａ）から叩き出されたスパッタ粒子は遮蔽板７１で遮られて当該基板２８には到達しない。その結果、実施形態３と同様な理由により、基板２８の表面には単一の長辺部分３９ａから飛び出てほぼ一定の方向から飛来したスパッタ粒子が入射し、基板２８の表面全体には同一方向に沿ってｃ軸が整列したｃ軸面内配向のＺｎＯ薄膜が得られる。また、このマグネトロンスパッタリング装置１０５では、エロージョン領域３９の２つの長辺部分３９ａ、３９ｂでそれぞれＺｎＯ薄膜を成膜することができるので、ＺｎＯ薄膜製造工程のスループットが向上する。
【００６９】
（実施形態６）
図１９は本発明の実施形態６による薄膜製造方法を実施するためのマグネトロンスパッタリング装置１０６の構造を示す概略断面図である。このマグネトロンスパッタリング装置１０６も実施形態２と同様な構造を有しており、矩形タイプのマグネトロン回路２３を備えている。
【００７０】
このマグネトロンスパッタリング装置１０６は、マグネトロン回路８１に特徴を有している。このマグネトロン回路８１では、直線状に延びたＮ極８２と直線状に延びたＳ極８３とが平行に配置され、Ｎ極８２とＳ極８３とがヨーク８４によって結合されている。
【００７１】
このマグネトロンスパッタリング装置１０６では、直線状に延びたエロージョン領域３９が１本しか生じないので、実施形態３と同様な理由により、基板２８の表面には単一のエロージョン領域３９から飛び出てほぼ一定の方向から飛来したＺｎＯ粒子が入射し、基板２８の表面全体には同一方向に沿ってｃ軸が整列したｃ軸面内配向のＺｎＯ薄膜が得られる。
【００７２】
（実施形態７）
図２０は本発明の実施形態７による薄膜製造方法を実施するためのマグネトロンスパッタリング装置１０７の構造を示す概略断面図、図２１はその概略平断面図である。このマグネトロンスパッタリング装置１０７は、基板２８の直径に比較して非常に大きなターゲット２２を備えており、それに対応して大きな矩形タイプのマグネトロン回路２３を有している。
【００７３】
このような大型のマグネトロンスパッタリング装置１０７では、エロージョン領域３９の平行な２つの長辺部分３９ａ、３９ｂから飛び出たスパッタ粒子どうしが混じり合わない領域も基板２８のサイズに比べて十分に大きな面積を持つので、一方の長辺部分３９ａ又は３９ｂからのスパッタ粒子しか飛来しない領域に複数枚の基板２８を配置することができる。よって、実施形態７のように基板２８に比べてターゲット２２等が十分に大きい場合には、一方の長辺領域３９ａ又は３９ｂを覆ったりしなくても基板全体でｃ軸面内配向し、かつｃ軸方向が基板全体で一方向に揃った薄膜を得ることができる。また、複数枚の基板２８の表面に一度に、基板全面で同一方向に沿ってｃ軸が整列したｃ軸面内配向のＺｎＯ薄膜を得ることができるので、高いスループットを実現できる。
【００７４】
（実施形態８）
図２２は本発明の実施形態８による薄膜製造方法を実施するためのマグネトロンスパッタリング装置の構造を示す概略断面図である。実施形態８のマグネトロンスパッタリング装置では、ターゲット２２ａとしてＺｎターゲットを用いており、ターゲット２２ａから出射されたスパッタ粒子（Ｚｎ）と、真空チャンバ２１内のプラズマガスの内のＯ−とによって基板２８上に成膜を行なう。
【００７５】
すなわち、基板ホルダ２７とターゲット２２ａとの間に直流電界を印加すると、真空チャンバ２１内の雰囲気ガス（Ａｒ＋Ｏ２）が電離してプラズマガスが発生する。このプラズマガスのうち、Ａｒ＋はターゲット２２ａに引き付けられてターゲット２２ａに衝突し、ターゲット２２ａからＺｎを叩き出す。ターゲット２２ａの一方のエロージョン領域３９（長辺部分３９ａ）から出射したスパッタ粒子（Ｚｎ）は、対向して配置されている基板２８に入射する。一方、プラズマガスのうちＯ−は基板ホルダ２７に引き付けられ、基板２８に入射する。
【００７６】
こうして基板２８に入射したスパッタ粒子であるＺｎとＯ−とは、基板２８に入射し化学反応を起こし、基板２８の表面にＺｎＯの薄膜を形成する。
【００７７】
なお、上記実施形態３〜８においては、基板をＺｎＯ薄膜のｃ軸方向と平行な方向に向けて水平に平行移動させながら成膜することも有効である。
【００７８】
また、本発明の薄膜製造方法は、ＺｎＯに限らず、窒化アルミ、酸化亜鉛、窒化ガリウム等からなる圧電薄膜を成膜するのにも有効である。その場合、薄膜の組成によっては２種以上のターゲットから出射されたスパッタ粒子を基板上で結晶化させて薄膜を形成することも可能である。
【００７９】
また、上記実施形態１〜８においては、いずれも基板を水平に配置していたが、基板を真空チャンバ内において基板を傾けて配置してもよい。即ち、磁束密度が高い領域（エロージョン領域）のうち１つの直線部分と基板の交差する角度が常に一定となるように基板を配置して成膜を行なってもよい。
【００８０】
（応用分野）
つぎに、ｃ軸面内配向したＺｎＯ薄膜の応用例を示す。図２３及び図２４はＳＨ型ＳＡＷ（横波型弾性表面波）デバイス１０８を表わしており、図２３はその斜視図、図２４はその側面図である。このＳＡＷデバイス１０８は、基板２８の表面にＺｎＯ薄膜８５を形成し、その上に電極材料によって一対のＩＤＴ（櫛歯状電極）８６、反射電極８７及びアンテナ８８を形成している。ＩＤＴ８６は一定のピッチで平行に延びた複数本の電極指を有しており、一対のＩＤＴ８６は電極指どうしを交互に噛み合わせるようにして配置されている。また、ＺｎＯ薄膜８５は、ｃ軸面内配向しており、さらにＩＤＴ８６の電極指の長さ方向と平行な方向にｃ軸方向が揃っている。
【００８１】
このＳＡＷデバイス１０８においては、様々な周波数が重畳した高周波信号がアンテナ８８で受信すると、アンテナ８８からＩＤＴ８６間に高周波信号が印加される。これにより、電極指に平行な方向に振動する横波型ＳＡＷが生成される。この横波型ＳＡＷは、波長が各ＩＤＴ８６の電極指間の間隔と等しい場合以外は打ち消される。この横波型ＳＡＷの波長は高周波信号の周波数に依存する。従って、このＳＡＷデバイス１０８は、高周波信号に重畳した所定周波数以外の信号を排除して、所定周波数の信号のみからなる横波型ＳＡＷを生成するフィルタとなる。この横波型ＳＡＷは、同様なＳＡＷデバイス１０８を用いて高周波電気信号に変換し、アンテナ８８から電波として発信することができる。
【００８２】
図２５はトランスデューサ１０９の断面図である。このトランスデューサ１０９は、空洞９０が貫通した支持部８９の上面に薄膜状のメンブレン９１（ダイヤフラム）を張設したものである。メンブレン９１は、金属基板や表面に金属を蒸着させた金属膜蒸着基板などの基板９１ａの上に本発明にかかるＺｎＯ薄膜９１ｂを形成したものである。ＺｎＯ薄膜９１ｂの上下両面はそれぞれ引出線９２によって計測器９３に接続されている。
【００８３】
このトランスデューサ１０９が例えば圧力センサとして用いられる場合には、上面で圧力を受けてメンブレン９１が撓むことによってＺｎＯ薄膜９１ｂに圧電効果による電位差が生じるので、計測器９３によって電位差を計測することで圧力を測定することができる。
【００８４】
図２６は別なトランスデューサ１１０の断面図である。このトランスデューサ１１０は、支持部９４の上面に薄膜状のカンチレバー９５の基端部を固定し、カンチレバー９５を片持ち状に支持したものである。カンチレバー９５は、金属基板や表面に金属を蒸着させた金属膜蒸着基板などの基板９５ａの上に本発明にかかるＺｎＯ薄膜９５ｂを形成したものである。ＺｎＯ薄膜９５ｂの上下両面は引出線９６によって計測器９７に接続されている。
【００８５】
このトランスデューサ１１０が例えば負荷センサとして用いられる場合には、先端部で負荷を受けてカンチレバー９５が撓むことによってＺｎＯ薄膜９５ｂに圧電効果による電位差が生じるので、計測器９７によって電位差を計測することでカンチレバー９５の先端に加わっている負荷の大きさを測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００８６】
【図１】図１は、本発明の実施形態１にかかるマグネトロンスパッタリング装置の構造を示す概略断面図である。
【図２】図２は、実施形態１のマグネトロンスパッタリング装置により成膜されたＺｎＯ薄膜と比較例によるＺｎＯ薄膜とのＸ線回折実験の結果（ＸＲＤパターン）を示す図である。
【図３】図３は、六方晶系のＺｎＯ結晶が薄膜表面に配向する様子を表わした図である。
【図４】図４は、実施形態１によるＺｎＯ薄膜の（１１−２２）極点図である。
【図５】図５は、本発明の実施形態２にかかるマグネトロンスパッタリング装置の構造を示す概略断面図である。
【図６】図６は、実施形態２のマグネトロンスパッタリング装置の概略平断面図である。
【図７】図７は、基板の形状と基板上の位置を示す図である。
【図８】図８（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）は、実施形態２によるＺｎＯ薄膜の（１１−２２）極点図である。
【図９】図９は、本発明の実施形態３にかかるマグネトロンスパッタリング装置の構造を示す概略断面図である。
【図１０】図１０は、実施形態３のマグネトロンスパッタリング装置の概略平断面図である。
【図１１】図１１は、実施形態３のＺｎＯ薄膜のＸ線回折実験の結果（ＸＲＤパターン）を示す図である。
【図１２】図１２（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）は、実施形態３によるＺｎＯ薄膜の（１１−２２）極点図である。
【図１３】図１３は、実施形態３の変形例を示す概略平断面図である。
【図１４】図１４は、本発明の実施形態４にかかるマグネトロンスパッタリング装置の構造を示す概略断面図である。
【図１５】図１５は、実施形態４のマグネトロンスパッタリング装置の概略平断面図である。
【図１６】図１６は、実施例４の変形例を示す概略断面図である。
【図１７】図１７は、本発明の実施形態５にかかるマグネトロンスパッタリング装置の構造を示す概略断面図である。
【図１８】図１８は、実施形態５のマグネトロンスパッタリング装置の概略平断面図である。
【図１９】図１９は、本発明の実施形態６にかかるマグネトロンスパッタリング装置の構造を示す概略断面図である。
【図２０】図２０は、本発明の実施形態７にかかるマグネトロンスパッタリング装置の構造を示す概略断面図である。
【図２１】図２１は、実施形態７のマグネトロンスパッタリング装置の概略平断面図である。
【図２２】図２２は、本発明の実施形態８にかかるマグネトロンスパッタリング装置の構造を示す概略断面図である。
【図２３】図２３は、本発明にかかるＳＡＷデバイスの斜視図である。
【図２４】図２４は、同上のＳＡＷデバイスの側面図である。
【図２５】図２５は、本発明にかかるトランスデューサの断面図である。の概略断面図である。
【図２６】図２６は、本発明にかかる別なトランスデューサの断面図である。の概略断面図である。
【符号の説明】
【００８７】
２１ 真空チャンバ
２２ ターゲット
２３ マグネトロン回路
２７ 基板ホルダ
２８ 基板
２９ 電源
３０ ガス流入口
３１ ガス排出口
３８ プラズマ領域
３９ エロージョン領域
３９ａ、３９ｂ エロージョン領域の長辺部分
３９ｃ、３９ｄ エロージョン領域の短辺部分
４０ 薄膜表面
５１ 遮蔽板
５２ 水平板部
５３ 垂直板部
６１ 難スパッタ材
７１ 遮蔽板
８１ マグネトロン回路
８５ ＺｎＯ薄膜
８６ ＩＤＴ
８７ 反射電極
８８ アンテナ
９１ メンブレン
９１ｂ ＺｎＯ薄膜
９５ カンチレバー
９５ｂ ＺｎＯ薄膜
１０１〜１０７ マグネトロンスパッタリング装置
１０８ ＳＡＷデバイス
１０９、１１０ センサ
【技術分野】
【０００１】
本発明は薄膜製造方法及び前記薄膜製造方法により製造された六方晶系圧電薄膜に関し、具体的にいうと、面方向に配向した多結晶薄膜又は単結晶薄膜の製造方法、当該方法により得られた酸化亜鉛薄膜等の六方晶系圧電薄膜、圧電素子、トランスデューサ及びＳＡＷデバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
マグネトロンスパッタリングはスパッタ法の一種であり、産業界で広く利用されている。マグネトロンスパッタリング装置では、チャンバ内に基板とターゲットを対向させて配置し、チャンバ内にＡｒガスを流してチャンバ内圧力を数Ｐａ〜数１０Ｐａ程度に保つ。ターゲットの背面には磁石を配置し、ターゲット位置に磁界を発生させる。Ａｒガス雰囲気中でターゲットに数ｋＶの負の高電圧を印加し放電させると、Ａｒガスが電離してターゲットと基板との間にプラズマ領域が生成する。そして、正イオン（Ａｒ＋）がターゲットに衝突し、ターゲットの原子または分子を叩き出す（スパッタリング現象）。ターゲットから飛び出たスパッタ粒子は基板の表面に堆積し、ターゲットの構成原子からなる薄膜が基板表面に形成される。このときマグネトロンスパッタリングでは、ターゲット位置に磁界が集中しているためにターゲットの表面近傍におけるプラズマ密度が高くなり、ターゲットから飛び出るスパッタ粒子が増加し、薄膜の堆積速度が大きくなる。
【０００３】
従来より、上記のようなマグネトロンスパッタリング装置を用いてＺｎＯの薄膜を成膜することが試みられている。このような報告としては、例えば特許文献１（特開平１１−２８４２４２号公報）がある。特許文献１には、２層のＺｎＯ薄膜からなる圧電性薄膜が開示されており、その段落００４１には、基板加熱を行なわず、ＲＦパワー５００ワット、プロセスガスの圧力０.６Ｐａという成膜条件の下で、Ａｒ雰囲気中におけるマグネトロンＲＦスパッタリングにより導電性ＺｎＯ薄膜を成膜し、またＡｒ＋Ｏ２雰囲気中においてマグネトロンＲＦスパッタリングにより絶縁性ＺｎＯ薄膜を成膜することが記載されている。
【０００４】
なお、ｃ軸面内配向したＺｎＯ薄膜を得るための技術としては、特許文献２（特許第３５６１７４５号公報）や特許文献３（特開２００６−８３０１０号公報）に開示されたものもある。しかし、前者は基板に温度勾配を付与することによって結晶配向を制御するものであり、後者は基板を傾斜させて薄膜を得ることによって大面積でｃ軸面内配向したＺｎＯ薄膜を得ようとするものであり、本発明とは本質的に異なる原理によるものである。
【０００５】
【特許文献１】特開平１１−２８４２４２号公報
【特許文献２】特許第３５６１７４５号公報
【特許文献３】特開２００６−８３０１０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
六方晶系のｃ軸が薄膜の表面に垂直な方向を向いた（このような結晶配向をｃ軸配向という。）ＺｎＯ薄膜は、１９７０年代より圧電性薄膜として広く応用されている。しかし、用途やデバイスの種類（例えば、ＳＨ型ＳＡＷデバイス）によっては、ｃ軸（分極方向）が薄膜の表面と平行な方向を向いているもの（このような結晶配向をｃ軸面内配向という。）、特にｃ軸が薄膜の表面と平行で且つ薄膜全体で一方向に揃ったものが必要とされる。そのためには、ＺｎＯ薄膜の成膜時にｃ軸を薄膜表面と平行な方向に揃える必要がある。
【０００７】
しかしながら、上記特許文献１で得られたＺｎＯ薄膜は、その段落００１０、００２６に記載されているように、いずれもｃ軸が薄膜の表面に垂直な方向を向いており、ｃ軸配向している。また、特許文献１の図２に示されているＸ線回折結果を示す図には、（０００２）面におけるｃ軸配向を示すピークは顕著に表れているが、ｃ軸面内配向を示すピークは見られない。
【０００８】
本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであって、結晶構造が六方晶系となった結晶薄膜をｃ軸面内配向させて成膜することのできる薄膜製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
このような目的を達成するために、本発明の薄膜製造方法は、スパッタリング法により基板の表面に薄膜を製造する方法であって、粒子発生源に対向させて前記基板を配置し、前記粒子発生源から出射したエネルギー粒子を前記基板に入射させ、所定の結晶軸方向が前記基板の表面と平行となるように前記エネルギー粒子を前記基板の表面に入射させて前記エネルギー粒子を含む薄膜を形成することを特徴としている。
【００１０】
この薄膜製造方法は、六方晶系の薄膜、たとえば酸化亜鉛のような圧電性薄膜を形成するのに適している。特に、六方晶系のｃ軸方向が薄膜表面と平行で、かつ、ｃ軸方向が一方向に揃っているような薄膜を得る用途に用いると効果がある。また、粒子発生源は、スパッタされて薄膜の構成元素を供給するものであって、例えばスパッタリング用のターゲットである。
【００１１】
薄膜を作製するにあたっては、チャンバ内の圧力を下げてガスを希薄にすると、粒子発生源から出射したエネルギー粒子の平均自由工程が長くなり、基板にはエネルギーの高い粒子が大量に入射する。六方晶系の材料は（０００１）面に、最も表面エネルギーが低くなる最密面を持ち、薄膜にするとｃ軸配向する性質がある。そのため、少量のエネルギー粒子が入射した場合には、基板上に最密面、例えば六方晶系の（０００１）面が優先的に成長するが、大量のエネルギー粒子が基板に入射した場合には、最密面を持つ結晶粒はエネルギー粒子の衝突により損傷する確率が高く、その成長が抑制される。その結果、エネルギー粒子の入射による影響が小さいチャネリング効果を持つ結晶面、例えば六方晶系の（１１−２０）面を持つ結晶粒が優先的に成長して面内配向膜が形成される。このような成長メカニズムはＺｎＯにおいて顕著であるが、ＺｎＯ以外にも適用が可能である。また、エネルギーを持った粒子の入射方向やコリメート性により、基板に形成される薄膜の配向方向や配向バラツキをコントロールすることができる。
【００１２】
本発明の薄膜製造方法においては、ガス圧を下げることにより、エネルギーを持った粒子の平均自由工程が長くなり、エネルギーを持ったより多くの粒子が基板に入射するように０.１５Ｐａ以下（より好ましくは、０.１Ｐａ以下）の低い雰囲気圧力中で粒子発生源をスパッタしてエネルギー粒子を出射させたり、基板を粒子発生源の近傍に配置したりすることにより、エネルギーを有するより多くの粒子を基板に入射させて薄膜を形成することで、基板全面においてｃ軸方向が薄膜の表面と平行な方向に配向したｃ軸面内配向薄膜を得ることができた。なお、基板を配置する粒子発生源近傍とは、プラズマ領域内であれば十分に条件を満たす。
【００１３】
この薄膜製造方法においては、粒子発生源は１つに限らず、少なくとも１つの粒子発生源から出射したエネルギー粒子によって成膜するようにしてもよい。
【００１４】
また、粒子発生源から出射したエネルギー粒子とプラズマガス粒子とを反応させて基板表面に薄膜を形成することもできる。
【００１５】
なお、本発明の薄膜製造方法においては、前記エネルギー粒子の、前記基板に対する入射角度、入射方向または入射方向の拡がりを制御することによって良質な薄膜を得ることができる。また、前記基板と前記粒子発生源との間の空間に遮蔽板又はスリットを設置することにより、前記エネルギー粒子の、前記基板に対する入射角度、入射方向または入射方向の拡がりを制御することによっても良質な薄膜を得ることができる。
【００１６】
上記のような薄膜製造方法によれば、基板全面において薄膜をｃ軸面内配向させることができるが、磁気回路の形状など（例えば、円形のマグネトロン回路）によってはｃ軸方向が一方向に揃わず、基板全面でｃ軸方向がランダムになることがある。
【００１７】
本発明の薄膜製造方法のある実施態様においては、前記粒子発生源の背後に磁気回路を設け、前記磁気回路によって発生する磁界の磁束密度が高い領域のうち直線部分で前記粒子発生源から出射されたエネルギー粒子のみによって前記基板の表面に前記薄膜を形成する。このような磁気回路を用いたスパッタリング法は、マグネトロンスパッタリング法を含むものであり、成膜速度を向上させることができる。また、この実施態様では、磁束密度が高い領域のうち直線部分で粒子発生源から出射したエネルギー粒子のみによって薄膜を形成しているので、粒子発生源の複数箇所から飛来したエネルギー粒子で薄膜が形成された領域では、ｃ軸方向もランダムになる。しかし、磁束密度が高い領域のうち単一の直線部分からのエネルギー粒子のみで薄膜が形成されている領域では、エネルギー粒子の入射方向がほぼ均一となるので、その領域全体ではｃ軸方向が一方向に揃う。よって、この実施形態により得られる薄膜は、基板全体においてｃ軸面内配向しており、基板の少なくとも一部領域においては領域全体でｃ軸方向が一方向に揃っていた。また、基板の位置や基板の大きさによっては、基板全面においてｃ軸面内配向しており、かつ、基板全面においてｃ軸方向が一方向に揃った薄膜を得ることができた。
【００１８】
本発明の薄膜製造方法の別な実施態様においては、前記粒子発生源の背後に磁気回路を設け、前記磁気回路によって発生する磁界の磁束密度が高い領域のうち単一の直線部分で前記粒子発生源から出射されたエネルギー粒子のみによって前記基板の表面に前記薄膜を形成する。この実施態様では、磁束密度が高い領域のうち単一の直線部分で粒子発生源から出射したエネルギー粒子のみによって薄膜を形成しているので、基板のいずれの領域もほぼ一定の方向から飛来したエネルギー粒子が入射して薄膜が形成される。その結果、この実施態様によれば、基板全面においてｃ軸面内配向しており、かつ、基板全面においてｃ軸方向が一方向に揃った薄膜を得ることができた。
【００１９】
磁束密度が高い領域のうち単一の直線部分で粒子発生源から出射されたエネルギー粒子のみによって薄膜を形成できるようにするには、磁気回路を１つのＮ極と１つのＳ極によって構成し、当該Ｎ極と当該Ｓ極との間にのみ磁束密度が高い直線領域が生じるようにすればよい。
【００２０】
あるいは、粒子発生源の一部領域を遮蔽板により覆って粒子発生源のうち遮蔽板で覆われた領域から出射されたエネルギー粒子を基板の表面に到達させないようにし、粒子発生源のうち遮蔽板によって覆われていない領域にあって、磁束密度が高い領域のうち単一の直線部分で粒子発生源から出射されたエネルギー粒子のみが基板に到達するようにしてもよい。
【００２１】
あるいはまた、粒子発生源の一部領域を難スパッタ材により覆って粒子発生源のうち難スパッタ材で覆われた領域から出射されたエネルギー粒子を基板の表面に到達させないようにし、粒子発生源のうち難スパッタ材によって覆われていない領域にあって、磁束密度が高い領域のうち単一の直線部分で前記粒子発生源から出射されたエネルギー粒子のみが基板に到達するようにしてもよい。
【００２２】
また、Ｎ極とＳ極のうちいずれか一方の極を挟んでその両側に他方の極を配置した磁気回路の場合には、いずれか一方のＮ極とＳ極間の領域では粒子発生源として難スパッタ材を用いてもよい。難スパッタ材からはエネルギー粒子が出射されないので、残る一方の磁束密度が高い領域の直線部分のみからエネルギー粒子が出射されて薄膜が形成される。
【００２３】
また、Ｎ極とＳ極のうちいずれか一方の極を挟んでその両側に他方の極を配置した磁気回路の場合には、いずれか一方のＮ極とＳ極間の領域だけに粒子発生源を設けるようにしてもよい。粒子発生源の無い部分からはエネルギー粒子が出射されないので、残る一方の磁束密度が高い領域の直線部分のみで粒子発生源からエネルギー粒子が出射されて薄膜が形成される。
【００２４】
また、磁束密度が高い領域のうち１つの直線部分と前記基板の交差する角度が常に一定となるような配置してもよい。
【００２５】
なお、このような酸化亜鉛薄膜は、圧電素子、トランスデューサ、ＳＡＷデバイス、薄膜共振子（ＦＢＡＲ）などに用いることができる。
【００２６】
なお、本発明における前記課題を解決するための手段は、以上説明した構成要素を適宜組み合せた特徴を有するものであり、本発明はかかる構成要素の組合せによる多くのバリエーションを可能とするものである。また、本発明は圧電薄膜として好適な窒化アルミニウム、酸化亜鉛、窒化ガリウムを用いた圧電薄膜の形成にも適用できるものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。
【００２８】
（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１による薄膜製造方法を実施するためのマグネトロンスパッタリング装置１０１の構造を示す概略断面図である。このマグネトロンスパッタリング装置１０１においては、真空チャンバ２１内の下部にＺｎＯ焼結体からなる円板状のターゲット２２（粒子発生源）を配置している。ターゲット２２の下面には、マグネトロン回路２３（磁気回路）が設けられている。マグネトロン回路２３は円形タイプとなっており、中心に位置する一方の磁極（以下、Ｓ極２４とする。）とＳ極２４を中心とする円環状の磁極（以下、Ｎ極２５とする。）とをヨーク２６で結合させたものであって、Ｓ極２４とＮ極２５との間には磁界（磁束）が発生している。真空チャンバ２１内の天井部分には基板ホルダ２７が設けられており、基板ホルダ２７の下面は薄膜形成用の基板２８を取付け可能となっている。また、ターゲット２２と基板ホルダ２７との間には、高周波電界を発生させるための電源２９を設けている。
【００２９】
真空チャンバ２１にはガス流入口３０とガス排出口３１が設けられている。ガス流入口３０には、混合ガス流量調整バルブ３２を介して２つに分岐したガス供給管３３が接続され、その一方には流量調整バルブ３４を介してＡｒガス供給源３５が接続され、他方には流量調整バルブ３６を介してＯ２ガス供給源３７が接続されている。
【００３０】
実施形態１においては、上記マグネトロンスパッタリング装置１０１を用いて次のような成膜条件により下記のようにしてＺｎＯ２薄膜を成膜した。
ＲＦパワー密度： ２.５Ｗ／ｃｍ２
成膜圧力： ０.１Ｐａ〜０.０１Ｐａ
Ｏ２／Ａｒ比： ２
Ｏ２ガス流量： ３２ｓｃｃｍ
Ａｒガス流量： １６ｓｃｃｍ
【００３１】
まず、真空チャンバ２１内の基板ホルダ２７下面に基板２８を固定した。基板２８の種類は選ばないが、例えばＳｉ基板やパイレックス（登録商標）ガラス基板などを用いることができる。成膜時にはターゲット２２と基板ホルダ２７との間にプラズマ領域３８（プラズマ柱）が生じるが、基板２８をプラズマ領域３８内に位置させ、通常よりもターゲット２２に近い位置に基板２８を配置した。ついで、真空チャンバ２１内を排気して真空状態とした後、流量調整バルブ３４、３６及び混合ガス流量調整バルブ３２を開いて真空チャンバ２１内にＡｒガスとＯ２ガスを流した。このとき、流量調整バルブ３４と流量調整バルブ３６を調節することによってＯ２ガスとＡｒガスの流量比が２：１となるように調整し、混合ガス流量調整バルブ３２を調節することによって混合ガス流量が４８ｓｃｃｍ（Ｏ２ガス流量３２ｓｃｃｍ、Ａｒガス流量１６ｓｃｃｍ）となるように調整し、成膜圧力（チャンバ内ガス圧）を０.１Ｐａ〜０.０１Ｐａに保った。また、成膜時には電源２９をオンにしてターゲット２２と基板ホルダ２７の間に２.５Ｗ／ｃｍ２に相当する高周波電界を加えた。
【００３２】
高周波電界を印加すると、真空チャンバ２１内に磁界及び電界が形成され、Ａｒガス及びＯ２ガスがその電界により電離して電子を放出する。この電子はターゲット２２近傍の電界及び磁界によりトロイダル曲線を描きながら運動し、これによりターゲット２２の近傍にプラズマが発生してターゲット２２がスパッタされる。スパッタされてターゲット２２から叩き出されたスパッタ粒子（ＺｎＯ）はプラズマ中において基板２８側に向かう一軸方向の流れを形成する。このスパッタ粒子は基板２８の表面に入射し、基板２８の表面にＺｎＯ薄膜を形成する。
【００３３】
また、マグネトロン回路２３による磁束密度の最も強い領域ではプラズマ密度が大きくなるので、この領域ではターゲット２２に正イオンが集中的に衝突し、ターゲット２２からスパッタ粒子が叩き出される。その結果、磁束密度の最も強い領域でターゲット２２が浸食されることになるので、以下においては、この浸食される領域をエロージョン領域３９と呼ぶ。このエロージョン領域３９から飛び出たスパッタ粒子は基板２８の表面に入射し、基板２８の表面にＺｎＯ薄膜が形成される。
【００３４】
図２はマグネトロンスパッタリング装置１０１により成膜されたＺｎＯ薄膜（実施形態１）と比較例によるＺｎＯ薄膜（比較例）とのＸ線回折実験の結果（ＸＲＤパターン）を示す図である。図２の横軸は照射Ｘ線の回折角２θ、縦軸はＸ線回折強度（任意スケール）である。比較例のＺｎＯ薄膜は、プラズマ領域３８から離れた位置に基板を配置して成膜したものである。
【００３５】
また、図３の（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）は六方晶系のＺｎＯ結晶が配向する様子を表わしている。図３（ｃ）にはｃ軸が薄膜表面４０と垂直な方向を向いてｃ軸配向したＺｎＯ結晶を表わしており、ＺｎＯ結晶の（０００１）面が薄膜表面４０に並んでいる。この場合には、Ｘ線回折実験では、回折角２θ＝３４.４°あたりに（０００２）面の強度ピークが現れる。ｃ軸面内配向には、図３（ａ）及び（ｂ）に示すとおり２通りの配向の仕方がある。図３（ａ）はＺｎＯ結晶の（１０−１０）面が薄膜表面４０に並んでｃ軸面内配向しており、この場合には、Ｘ線回折実験では、回折角２θ＝３１.８°あたりに強度ピークが現れる。図３（ｂ）はＺｎＯ結晶の（１１−２０）面が薄膜表面４０に並んでｃ軸面内配向しており、この場合には、Ｘ線回折実験では、回折角２θ＝５６.６°あたりに強度ピークが現れる。
【００３６】
よって、図２のＸ線回折実験によれば、比較例のＺｎＯ薄膜ではｃ軸配向を表わす（０００２）面のピークが顕著に表れており、ｃ軸面内配向を示すピークは全く見られない。これに対し、実施形態１のＺｎＯ薄膜では（１１−２０）面によるｃ軸面内配向のピークが顕著に表れており、ｃ軸配向を示すピークは見られない。従って、真空チャンバ２１内を高真空化し、かつ、基板２８をプラズマ領域３８中に置いてターゲット２２に近づけることで、基板２８の全面にわたってｃ軸面内配向したＺｎＯ薄膜が得られた。
【００３７】
こうして基板２８にＺｎＯ薄膜を作製するにあたっては、真空チャンバ２１内のガス圧を小さくしているので、ターゲット２２から出射したスパッタ粒子の平均自由工程が長くなり、基板２８にはエネルギーの高いスパッタ粒子が大量に入射する。少量のスパッタ粒子が入射した場合には、基板２８上には最密面である（０００１）面が優先的に成長するが、エネルギーの高いスパッタ粒子が大量に基板２８に入射した場合には、最密面である（０００１）面の結晶粒の成長（ｃ軸配向）が抑制される。その結果、エネルギーの高いスパッタ粒子の入射による影響が小さい結晶面、すなわち（１１−２０）面（チャネリング効果）を持つ結晶粒が優先的に成長してｃ軸面内配向膜が形成される。なお、薄膜の配向方向や配向バラツキは、スパッタ粒子の入射方向やコリメート性によりコントロールすることができる。
【００３８】
ただし、実施形態１のＺｎＯ薄膜を用いて（１１−２２）極点図を作成した結果、図４のような結果を得た。図４に示す（１１−２２）極点図によれば、実施形態１のＺｎＯ薄膜は（１１−２０）面でｃ軸面内配向しているものの、そのｃ軸方向は一定方向に整列しておらず、ランダム配向していることが分かった。これは円形タイプのマグネトロン回路２３を用いているため、場所によってＺｎＯ粒子の飛来方向が変化するためである。
【００３９】
なお、図４の（１１−２２）極点図は、薄膜の仰角Ψを０°としたときのＸ線の入射角度を（１１−２２）面の回折条件である３３.９８°（２θ＝６７.９６°）に固定し、薄膜の仰角Ψ及び方位角φを走査して、検出したＸ線回折の強度をマッピングしたものである。この図４の表示ではグレーの領域が最も強度が低く（強度ゼロ）、黒色の領域が中間の強度を有し、白色の領域が最も強度が高くなっている。この極点図によれば、Ψが（１１−２０）面と（１１−２２）面のなす角である約３２°の方向で任意の方位角に（１１−２２）面の極が同心円状に分布しており、ｃ軸が薄膜表面と平行な面内でランダムな方向を向いていることを表わしている。
【００４０】
この実施形態１のように真空チャンバ内を高真空化し、かつ、基板をプラズマ領域中に配置してターゲット２２に近づけると、ターゲット２２から飛び出したスパッタ粒子が他のスパッタ粒子やガスと衝突しにくくなり、基板２８にほぼ一定方向から大量に入射し、基板表面にｃ軸面内配向すると考えられる。その一方で、円形タイプのマグネトロン回路２３を用いた場合には、場所によってスパッタ粒子の基板２８への入射方向が変化するので、ｃ軸方向が基板全体で１方向に揃わず、ランダムになると考えられる。
【００４１】
（実施形態２）
図５は本発明の実施形態２による薄膜製造方法を実施するためのマグネトロンスパッタリング装置１０２の構造を示す概略断面図である。実施形態２のマグネトロンスパッタリング装置１０２も実施形態１のマグネトロンスパッタリング装置１０１と同様な構造を有しており、同じ構成要素には同じ符号を付している。実施形態２のマグネトロンスパッタリング装置１０２では、図６に示すような矩形状をした矩形タイプのマグネトロン回路２３と矩形状のターゲット２２を使用している。
【００４２】
マグネトロン回路２３は、図６に示すように矩形状となっており、中央部に配置されたＳ極２４と、Ｓ極２４を取り囲むように矩形環状に形成されたＮ極２５と、Ｓ極２４及びＮ極２５を結合するヨーク２６とを備えている。また、当該Ｎ極２５のうち少なくとも対向する２辺の長さは、基板２８の直径に比較して十分な直線長さを有している。ターゲット２２もマグネトロン回路２３に合わせてＺｎＯ焼結体により矩形状に形成されている。このような矩形タイプのマグネトロン回路２３を用いたマグネトロンスパッタリング装置１０２では、Ｎ極２５が直線状に長く伸びている部分の上方に基板２８を配置する。
【００４３】
なお、以下においては、基板２８の配置される領域におけるＮ極２５の長さ方向をｙ方向と呼び、ｙ方向に垂直な面内で水平方向をｘ方向、上下方向をｚ方向と呼ぶ。
【００４４】
成膜条件は、実施形態１と同じく
ＲＦパワー密度： ２.５Ｗ／ｃｍ２
成膜圧力： ０.１Ｐａ〜０.０１Ｐａ
Ｏ２／Ａｒ比： ２
Ｏ２ガス流量： ３２ｓｃｃｍ
Ａｒガス流量： １６ｓｃｃｍ
とし、基板２８はプラズマ領域３８の内部となる高さに配置している。
【００４５】
マグネトロン回路２３のＮ極２５が直線状に延びている領域では、Ｓ極２４とＮ極２５の間に生じる磁界はＮ極２５の長さ方向に垂直な面（ｚｘ面）内にあるので、エロージョン領域３９から飛び出るスパッタ粒子の飛散方向もほぼｚｘ面内となり、ｙ方向ではスパッタ粒子の広がりが非常に小さい。しかし、エロージョン領域３９から飛び出すＺｎＯ粒子は、ｚｘ面内では図５に示すように広がりが大きいので、図上で左右に位置するエロージョン領域３９（以下、長辺部分３９ａ、３９ｂと呼ぶ。）間の中央部上方では、左右のエロージョン領域３９から飛び出たスパッタ粒子が混在し合う領域４１が生じる。基板２８の表面にはランダムな方向から飛来したスパッタ粒子が入射する結果、基板２８の表面にはランダムな配向のＺｎＯ多結晶が成長する。
【００４６】
また、エロージョン領域３９の左右の長辺部分３９ａ、３９ｂから飛び出るスパッタ粒子の分布密度４２は、図５に示すように長辺部分３９ａ、３９ｂの直上方向（ｚ方向）で大きく、直上方向からの傾きが大きくなるに従って減少する。
【００４７】
従って、実施形態２においては、エロージョン領域３９の直上方向に基板を配置したとき、前記混在領域４１に基板が位置しない程度まで基板２８をターゲット２２に近づけ、さらに基板２８をターゲット２２の中心よりもｘ方向（他のエロージョン領域から遠くなる方向）に偏らせて配置している。
【００４８】
このようなマグネトロンスパッタリング装置１０２によって基板２８の表面にＺｎＯ薄膜を成膜すると、図７に示す基板２８の表面のうち前記混在領域４１に位置していた領域２８ａにはｃ軸方向がランダムな方向を向いたｃ軸面内配向の薄膜が生成される。これに対し、エロージョン領域３９の一方の長辺部分３９ａから飛来したスパッタ粒子のみが入射する領域２８ｂでは、ほぼ一定の方向からスパッタ粒子が飛来して基板２８の表面に入射するので、領域全体でｃ軸方向が一方向に揃ったｃ軸面内配向のＺｎＯ薄膜が得られた。よって、実施形態２によれば、薄膜２８は基板全体でｃ軸面内配向しているが、ｃ軸方向が一方向に揃った領域は基板２８の一部でしか得ることができなかった。
【００４９】
図８（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）は、上記のようにして成膜された実施形態２のＺｎＯ薄膜サンプルを用い、エロージョン領域３９のうち一方の長辺部分３９ａから飛来したＺｎＯ粒子のみが入射する領域２８ｂにおけるＺｎＯ薄膜の（１１−２２）極点図を作成した結果を表わしている。図８（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）はｙ方向に沿った３点の（１１−２２）極点図であって、図８（ａ）は図７のＰ１点における（１１−２２）極点図、図８（ｂ）は図７のＰ２点における（１１−２２）極点図、図８（ｃ）は図７のＰ３点における（１１−２２）極点図を表わす。これらの（１１−２２）極点図によれば、仰角Ψが（１１−２０）面と（１１−２２）面のなす角である約３２°の方向において、方位角φ＝０°の近傍と方位角φ＝１８０°の近傍においてそれぞれ（１１−２２）面極と（−１−１２２）面極による強度分布が集中しており、ＺｎＯ薄膜のｃ軸が面内でφ＝０°とφ＝１８０°を結ぶ方向に一方向に配向していて（１１−２０）面でｃ軸面内配向していることが観察された。そして、図８（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）のいずれの極点図もほぼ同じ方位角φに強度分布が集まっており、ＺｎＯ薄膜が（１１−２０）面でｃ軸面内配向しており、かつｃ軸方向が基板の一部領域の全体で同じ方向に揃っていることを確認できる。
【００５０】
（実施形態３）
図９は本発明の実施形態３による薄膜製造方法を実施するためのマグネトロンスパッタリング装置１０３の構造を示す概略断面図である。実施形態３のマグネトロンスパッタリング装置１０３も実施形態２のマグネトロンスパッタリング装置１０２と同様な構造を有しており、矩形タイプのマグネトロン回路２３を備えている。
【００５１】
成膜条件も、実施形態２と同じく
ＲＦパワー密度： ２.５Ｗ／ｃｍ２
成膜圧力： ０.１Ｐａ〜０.０１Ｐａ
Ｏ２／Ａｒ比： ２
Ｏ２ガス流量： ３２ｓｃｃｍ
Ａｒガス流量： １６ｓｃｃｍ
とし、基板２８はプラズマ領域３８の内部となる高さに配置している。
【００５２】
実施形態３のマグネトロンスパッタリング装置１０３の特徴は、エロージョン領域３９のうちの互いに平行に対向する長辺部分３９ａ、３９ｂの一方を空間を隔てて非磁性体金属からなる遮蔽板５１で覆っている点にある。具体的には、図１０に示すように、ターゲット２２の片側半分の上に遮蔽板５１を設け、エロージョン領域３９の長辺部分３９ｂ全体と短辺部分３９ｃ、３９ｄの半分を遮蔽板５１で覆い隠している。
【００５３】
このマグネトロンスパッタリング装置１０３では、エロージョン領域３９の一方の長辺部分３９ｂを遮蔽板５１で覆っているので、電源２９をオンにすると、ここでは遮蔽板５１とその下のターゲット２２との間に高周波電界が発生し、エロージョン領域３９の長辺部分３９ｂから飛び出たスパッタ粒子は遮蔽板５１の下面に衝突する。よって、この長辺部分３９ｂから飛び出たスパッタ粒子は基板２８の表面には入射しない。
【００５４】
一方、遮蔽板５１の外側では、ターゲット２２と基板ホルダ２７の間に高周波電界が発生し、遮蔽板５１の外側に位置する長辺部分３９ａから飛び出たスパッタ粒子は基板２８の表面に入射する。
【００５５】
矩形タイプのマグネトロン回路２３を用いた場合には、前記のようにエロージョン領域３９から飛び出るスパッタ粒子の飛散方向がほぼｚｘ面内にあり、ｙ方向では広がりが非常に小さい。しかも、実施形態３の場合には、ｚｘ面内で考えると、基板２８に飛来するスパッタ粒子は遮蔽板５１から露出している単一のエロージョン領域３９（長辺部分３９ａ）から叩き出されたものだけであり、さらに真空チャンバ２１内を高真空に保ってスパッタ粒子どうしの衝突確率やスパッタ粒子とガスとの衝突確率を小さくしているので、基板２８の表面には、単一の長辺部分３９ａから飛び出てほぼ一定の方向から飛来したスパッタ粒子が入射する。その結果、基板２８の表面全体には、同一方向にｃ軸が整列したｃ軸面内配向のＺｎＯ薄膜が得られる。
【００５６】
図１１は実施形態３のマグネトロンスパッタリング装置１０３により成膜されたＺｎＯ薄膜のＸ線回折実験の結果（ＸＲＤパターン）を示す図である。図１１の横軸は入射Ｘ線の回折角２θ、縦軸はＸ線回折強度である。また、図１１に示す３つのＸ線回折強度は、基板２８の中心Ｏからｙ方向へそれぞれＹ＝＋４０ｍｍ（図７における基板上のＱ１点）、Ｙ＝０ｍｍ（図７における基板上のＯ点）、Ｙ＝−４０ｍｍ（図７における基板上のＱ２点）の各位置におけるＺｎＯ薄膜の回折強度を表わす。これら３つのＸ線回折強度を見ると、いずれも回折角２θ＝３４.４°あたりにｃ軸配向による（０００２）面のピークがわずかに観察され、回折角２θ＝５６.５°あたりに（１１−２０）面によるｃ軸面内配向による大きなピークが観察される。
【００５７】
また、図１２（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）は、実施形態３のマグネトロンスパッタリング装置１０３により成膜されたＺｎＯ薄膜の（１１−２２）極点図を表わしている。図１２（ａ）は基板２８の中心ＯからＹ＝＋４０ｍｍの点における（１１−２２）極点図、図１２（ｂ）は基板２８の中心ＯからＹ＝０ｍｍの点における（１１−２２）極点図、図１２（ｃ）は基板２８の中心ＯからＹ＝−４０ｍｍの点における（１１−２２）極点図を表わす。これらの（１１−２２）極点図によれば、仰角Ψが約３２°の方向において、ほぼ同じ方位角φに強度分布が集まっており、ＺｎＯ薄膜が（１１−２０）面でｃ軸面内配向しており、かつｃ軸方向が同一方向に揃っていることが分かる。
【００５８】
なお、図示例では、遮蔽板５１は水平板部５２と垂直板部５３によって断面逆Ｌ字状に形成されており、垂直板部５３の下端とターゲット２２の上面との間にはガスを流通させるための隙間５４が設けられている。遮蔽板５１は水平板部５２のみで構成されていてもよいが、遮蔽板５１を水平板部５２と垂直板部５３によって構成し、一方の長辺部分３９ｂを包み込むような形状にすれば、この長辺部分３９ｂから叩き出されたスパッタ粒子が遮蔽板５１内の空間から漏れにくくなる。
【００５９】
また、遮蔽板５１に代えて、長辺部分３９ａから飛び出たスパッタ粒子のみを通過させるようなスリットを設けてもよい。
【００６０】
図１３は実施形態３の変形例を示す概略平断面図である。この変形例では、略矩形状をしたエロージョン領域３９のうち一方の長辺部分３９ｂと２つの対向する短辺部分３９ｃ、３９ｄとを遮蔽板５１で覆い、遮蔽板５１を平面視でコ字状に配置している。このような変形例によれば、エロージョン領域３９の短辺部分３９ｃ、３９ｄから飛び出たスパッタ粒子が基板２８に飛来しないように遮蔽でき、基板２８の表面にｃ軸面内配向したＺｎＯ薄膜のｃ軸方向をより均一に揃えることができる。
【００６１】
（実施形態４）
図１４は本発明の実施形態４による薄膜製造方法を実施するためのマグネトロンスパッタリング装置１０４の構造を示す概略断面図であり、図１５はその概略平断面図である。実施形態４のマグネトロンスパッタリング装置１０４も実施形態２と同様な構造を有しており、矩形タイプのマグネトロン回路２３を備えている。なお、図１４においては、ガスの供給系統や電源等は図示を省略している（以下の実施形態についても同じ）。
【００６２】
実施形態４では、図１５に示すように、ターゲット２２の片側半分の上面に難スパッタ材６１を積層してエロージョン領域３９の一方の長辺部分３９ｂを覆っている。難スパッタ材６１としては、アルミナ、カーボン、ステンレス等の硬くてスパッタされない材質のものを用いればよい。あるいは、難スパッタ材６１として絶縁材料を用い、電源２９に直流電源を用いてもよい。ターゲット２２の片側半分を絶縁材料からなる難スパッタ材６１で覆い、ターゲット２２と基板ホルダ２７の間に直流電界を印加すると、難スパッタ材６１に入射した正イオンがチャージアップされることによって難スパッタ材６１で覆われた側では放電が停止し、難スパッタ材６１がスパッタされなくなる。
【００６３】
このマグネトロンスパッタリング装置１０４では、エロージョン領域３９の一方の長辺部分３９ｂを難スパッタ材６１で覆い、他方の長辺部分３９ａの上方に基板２８を配置しているので、難スパッタ材６１で覆われていない長辺部分３９ａから叩き出されたスパッタ粒子だけが基板２８の表面に入射する。その結果、実施形態３と同様な理由により、基板２８の表面には、単一の長辺部分３９ａから飛び出てほぼ一定の方向から飛来したＺｎＯ粒子が入射し、基板２８の表面全体に同一方向に沿ってｃ軸が整列したｃ軸面内配向のＺｎＯ薄膜が得られる。
【００６４】
なお、図示しないが、実施形態４の場合にも実施形態３の図１２と同様な（１１−２２）極点図が得られた。
【００６５】
図１６は実施例４の変形例であり、ターゲット２２の片側半分を難スパッタ材６１で覆う代わりにターゲット２２を２分割し、一方をＺｎＯ焼結体からなるターゲット２２ａとし、他方を難スパッタ材２２ｂとしている。このようなターゲット２２を用いることによっても実施例４と同様な作用効果を得ることができ、基板２８の全面で同一方向に沿ってｃ軸が整列したｃ軸面内配向のＺｎＯ薄膜を得ることができる。
【００６６】
（実施形態５）
図１７は本発明の実施形態５による薄膜製造方法を実施するためのマグネトロンスパッタリング装置１０５の構造を示す概略断面図であり、図１８はその概略平断面図である。このマグネトロンスパッタリング装置１０５も実施形態２のマグネトロンスパッタリング装置１０２と同様な構造を有しており、矩形タイプのマグネトロン回路２３を備えている。
【００６７】
実施形態５では、複数枚の垂直な仕切り壁を平面視で「エ」状となるように組み合わせて構成した遮蔽板７１を真空チャンバ２１内に配設し、遮蔽板７１によって矩形状をしたエロージョン領域３９の２つの長辺部分３９ａ、３９ｂと２つの短辺部分３９ｃ、３９ｄを区画している。また、エロージョン領域３９の各長辺部分３９ａと３９ｂの上方には、それぞれ基板２８を配置している。遮蔽板７１の上端は、少なくとも基板２８の配置されている高さよりも上方まで延びていることが好ましいが、遮蔽板７１の下端とターゲット２２上面との間にはガス流通用の隙間７２をあけている。
【００６８】
このマグネトロンスパッタリング装置１０５では、エロージョン領域３９の一方の長辺部分３９ａ（または３９ｂ）に配置された基板２８では、その下の長辺部分３９ａ（または３９ｂ）から叩き出されたスパッタ粒子が飛来するが、他方の長辺部分３９ｂ（または３９ａ）から叩き出されたスパッタ粒子は遮蔽板７１で遮られて当該基板２８には到達しない。その結果、実施形態３と同様な理由により、基板２８の表面には単一の長辺部分３９ａから飛び出てほぼ一定の方向から飛来したスパッタ粒子が入射し、基板２８の表面全体には同一方向に沿ってｃ軸が整列したｃ軸面内配向のＺｎＯ薄膜が得られる。また、このマグネトロンスパッタリング装置１０５では、エロージョン領域３９の２つの長辺部分３９ａ、３９ｂでそれぞれＺｎＯ薄膜を成膜することができるので、ＺｎＯ薄膜製造工程のスループットが向上する。
【００６９】
（実施形態６）
図１９は本発明の実施形態６による薄膜製造方法を実施するためのマグネトロンスパッタリング装置１０６の構造を示す概略断面図である。このマグネトロンスパッタリング装置１０６も実施形態２と同様な構造を有しており、矩形タイプのマグネトロン回路２３を備えている。
【００７０】
このマグネトロンスパッタリング装置１０６は、マグネトロン回路８１に特徴を有している。このマグネトロン回路８１では、直線状に延びたＮ極８２と直線状に延びたＳ極８３とが平行に配置され、Ｎ極８２とＳ極８３とがヨーク８４によって結合されている。
【００７１】
このマグネトロンスパッタリング装置１０６では、直線状に延びたエロージョン領域３９が１本しか生じないので、実施形態３と同様な理由により、基板２８の表面には単一のエロージョン領域３９から飛び出てほぼ一定の方向から飛来したＺｎＯ粒子が入射し、基板２８の表面全体には同一方向に沿ってｃ軸が整列したｃ軸面内配向のＺｎＯ薄膜が得られる。
【００７２】
（実施形態７）
図２０は本発明の実施形態７による薄膜製造方法を実施するためのマグネトロンスパッタリング装置１０７の構造を示す概略断面図、図２１はその概略平断面図である。このマグネトロンスパッタリング装置１０７は、基板２８の直径に比較して非常に大きなターゲット２２を備えており、それに対応して大きな矩形タイプのマグネトロン回路２３を有している。
【００７３】
このような大型のマグネトロンスパッタリング装置１０７では、エロージョン領域３９の平行な２つの長辺部分３９ａ、３９ｂから飛び出たスパッタ粒子どうしが混じり合わない領域も基板２８のサイズに比べて十分に大きな面積を持つので、一方の長辺部分３９ａ又は３９ｂからのスパッタ粒子しか飛来しない領域に複数枚の基板２８を配置することができる。よって、実施形態７のように基板２８に比べてターゲット２２等が十分に大きい場合には、一方の長辺領域３９ａ又は３９ｂを覆ったりしなくても基板全体でｃ軸面内配向し、かつｃ軸方向が基板全体で一方向に揃った薄膜を得ることができる。また、複数枚の基板２８の表面に一度に、基板全面で同一方向に沿ってｃ軸が整列したｃ軸面内配向のＺｎＯ薄膜を得ることができるので、高いスループットを実現できる。
【００７４】
（実施形態８）
図２２は本発明の実施形態８による薄膜製造方法を実施するためのマグネトロンスパッタリング装置の構造を示す概略断面図である。実施形態８のマグネトロンスパッタリング装置では、ターゲット２２ａとしてＺｎターゲットを用いており、ターゲット２２ａから出射されたスパッタ粒子（Ｚｎ）と、真空チャンバ２１内のプラズマガスの内のＯ−とによって基板２８上に成膜を行なう。
【００７５】
すなわち、基板ホルダ２７とターゲット２２ａとの間に直流電界を印加すると、真空チャンバ２１内の雰囲気ガス（Ａｒ＋Ｏ２）が電離してプラズマガスが発生する。このプラズマガスのうち、Ａｒ＋はターゲット２２ａに引き付けられてターゲット２２ａに衝突し、ターゲット２２ａからＺｎを叩き出す。ターゲット２２ａの一方のエロージョン領域３９（長辺部分３９ａ）から出射したスパッタ粒子（Ｚｎ）は、対向して配置されている基板２８に入射する。一方、プラズマガスのうちＯ−は基板ホルダ２７に引き付けられ、基板２８に入射する。
【００７６】
こうして基板２８に入射したスパッタ粒子であるＺｎとＯ−とは、基板２８に入射し化学反応を起こし、基板２８の表面にＺｎＯの薄膜を形成する。
【００７７】
なお、上記実施形態３〜８においては、基板をＺｎＯ薄膜のｃ軸方向と平行な方向に向けて水平に平行移動させながら成膜することも有効である。
【００７８】
また、本発明の薄膜製造方法は、ＺｎＯに限らず、窒化アルミ、酸化亜鉛、窒化ガリウム等からなる圧電薄膜を成膜するのにも有効である。その場合、薄膜の組成によっては２種以上のターゲットから出射されたスパッタ粒子を基板上で結晶化させて薄膜を形成することも可能である。
【００７９】
また、上記実施形態１〜８においては、いずれも基板を水平に配置していたが、基板を真空チャンバ内において基板を傾けて配置してもよい。即ち、磁束密度が高い領域（エロージョン領域）のうち１つの直線部分と基板の交差する角度が常に一定となるように基板を配置して成膜を行なってもよい。
【００８０】
（応用分野）
つぎに、ｃ軸面内配向したＺｎＯ薄膜の応用例を示す。図２３及び図２４はＳＨ型ＳＡＷ（横波型弾性表面波）デバイス１０８を表わしており、図２３はその斜視図、図２４はその側面図である。このＳＡＷデバイス１０８は、基板２８の表面にＺｎＯ薄膜８５を形成し、その上に電極材料によって一対のＩＤＴ（櫛歯状電極）８６、反射電極８７及びアンテナ８８を形成している。ＩＤＴ８６は一定のピッチで平行に延びた複数本の電極指を有しており、一対のＩＤＴ８６は電極指どうしを交互に噛み合わせるようにして配置されている。また、ＺｎＯ薄膜８５は、ｃ軸面内配向しており、さらにＩＤＴ８６の電極指の長さ方向と平行な方向にｃ軸方向が揃っている。
【００８１】
このＳＡＷデバイス１０８においては、様々な周波数が重畳した高周波信号がアンテナ８８で受信すると、アンテナ８８からＩＤＴ８６間に高周波信号が印加される。これにより、電極指に平行な方向に振動する横波型ＳＡＷが生成される。この横波型ＳＡＷは、波長が各ＩＤＴ８６の電極指間の間隔と等しい場合以外は打ち消される。この横波型ＳＡＷの波長は高周波信号の周波数に依存する。従って、このＳＡＷデバイス１０８は、高周波信号に重畳した所定周波数以外の信号を排除して、所定周波数の信号のみからなる横波型ＳＡＷを生成するフィルタとなる。この横波型ＳＡＷは、同様なＳＡＷデバイス１０８を用いて高周波電気信号に変換し、アンテナ８８から電波として発信することができる。
【００８２】
図２５はトランスデューサ１０９の断面図である。このトランスデューサ１０９は、空洞９０が貫通した支持部８９の上面に薄膜状のメンブレン９１（ダイヤフラム）を張設したものである。メンブレン９１は、金属基板や表面に金属を蒸着させた金属膜蒸着基板などの基板９１ａの上に本発明にかかるＺｎＯ薄膜９１ｂを形成したものである。ＺｎＯ薄膜９１ｂの上下両面はそれぞれ引出線９２によって計測器９３に接続されている。
【００８３】
このトランスデューサ１０９が例えば圧力センサとして用いられる場合には、上面で圧力を受けてメンブレン９１が撓むことによってＺｎＯ薄膜９１ｂに圧電効果による電位差が生じるので、計測器９３によって電位差を計測することで圧力を測定することができる。
【００８４】
図２６は別なトランスデューサ１１０の断面図である。このトランスデューサ１１０は、支持部９４の上面に薄膜状のカンチレバー９５の基端部を固定し、カンチレバー９５を片持ち状に支持したものである。カンチレバー９５は、金属基板や表面に金属を蒸着させた金属膜蒸着基板などの基板９５ａの上に本発明にかかるＺｎＯ薄膜９５ｂを形成したものである。ＺｎＯ薄膜９５ｂの上下両面は引出線９６によって計測器９７に接続されている。
【００８５】
このトランスデューサ１１０が例えば負荷センサとして用いられる場合には、先端部で負荷を受けてカンチレバー９５が撓むことによってＺｎＯ薄膜９５ｂに圧電効果による電位差が生じるので、計測器９７によって電位差を計測することでカンチレバー９５の先端に加わっている負荷の大きさを測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００８６】
【図１】図１は、本発明の実施形態１にかかるマグネトロンスパッタリング装置の構造を示す概略断面図である。
【図２】図２は、実施形態１のマグネトロンスパッタリング装置により成膜されたＺｎＯ薄膜と比較例によるＺｎＯ薄膜とのＸ線回折実験の結果（ＸＲＤパターン）を示す図である。
【図３】図３は、六方晶系のＺｎＯ結晶が薄膜表面に配向する様子を表わした図である。
【図４】図４は、実施形態１によるＺｎＯ薄膜の（１１−２２）極点図である。
【図５】図５は、本発明の実施形態２にかかるマグネトロンスパッタリング装置の構造を示す概略断面図である。
【図６】図６は、実施形態２のマグネトロンスパッタリング装置の概略平断面図である。
【図７】図７は、基板の形状と基板上の位置を示す図である。
【図８】図８（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）は、実施形態２によるＺｎＯ薄膜の（１１−２２）極点図である。
【図９】図９は、本発明の実施形態３にかかるマグネトロンスパッタリング装置の構造を示す概略断面図である。
【図１０】図１０は、実施形態３のマグネトロンスパッタリング装置の概略平断面図である。
【図１１】図１１は、実施形態３のＺｎＯ薄膜のＸ線回折実験の結果（ＸＲＤパターン）を示す図である。
【図１２】図１２（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）は、実施形態３によるＺｎＯ薄膜の（１１−２２）極点図である。
【図１３】図１３は、実施形態３の変形例を示す概略平断面図である。
【図１４】図１４は、本発明の実施形態４にかかるマグネトロンスパッタリング装置の構造を示す概略断面図である。
【図１５】図１５は、実施形態４のマグネトロンスパッタリング装置の概略平断面図である。
【図１６】図１６は、実施例４の変形例を示す概略断面図である。
【図１７】図１７は、本発明の実施形態５にかかるマグネトロンスパッタリング装置の構造を示す概略断面図である。
【図１８】図１８は、実施形態５のマグネトロンスパッタリング装置の概略平断面図である。
【図１９】図１９は、本発明の実施形態６にかかるマグネトロンスパッタリング装置の構造を示す概略断面図である。
【図２０】図２０は、本発明の実施形態７にかかるマグネトロンスパッタリング装置の構造を示す概略断面図である。
【図２１】図２１は、実施形態７のマグネトロンスパッタリング装置の概略平断面図である。
【図２２】図２２は、本発明の実施形態８にかかるマグネトロンスパッタリング装置の構造を示す概略断面図である。
【図２３】図２３は、本発明にかかるＳＡＷデバイスの斜視図である。
【図２４】図２４は、同上のＳＡＷデバイスの側面図である。
【図２５】図２５は、本発明にかかるトランスデューサの断面図である。の概略断面図である。
【図２６】図２６は、本発明にかかる別なトランスデューサの断面図である。の概略断面図である。
【符号の説明】
【００８７】
２１ 真空チャンバ
２２ ターゲット
２３ マグネトロン回路
２７ 基板ホルダ
２８ 基板
２９ 電源
３０ ガス流入口
３１ ガス排出口
３８ プラズマ領域
３９ エロージョン領域
３９ａ、３９ｂ エロージョン領域の長辺部分
３９ｃ、３９ｄ エロージョン領域の短辺部分
４０ 薄膜表面
５１ 遮蔽板
５２ 水平板部
５３ 垂直板部
６１ 難スパッタ材
７１ 遮蔽板
８１ マグネトロン回路
８５ ＺｎＯ薄膜
８６ ＩＤＴ
８７ 反射電極
８８ アンテナ
９１ メンブレン
９１ｂ ＺｎＯ薄膜
９５ カンチレバー
９５ｂ ＺｎＯ薄膜
１０１〜１０７ マグネトロンスパッタリング装置
１０８ ＳＡＷデバイス
１０９、１１０ センサ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スパッタリング法により基板の表面に薄膜を製造する方法であって、
粒子発生源に対向させて前記基板を配置し、前記粒子発生源から出射したエネルギー粒子を前記基板に入射させ、所定の結晶軸方向が前記基板の表面と平行となるように前記エネルギー粒子を前記基板の表面に入射させて前記エネルギー粒子を含む薄膜を形成することを特徴とする薄膜製造方法。
【請求項２】
前記薄膜は、少なくとも１つの粒子発生源から出射した前記エネルギー粒子によって形成されていることを特徴とする、請求項１に記載の薄膜製造方法。
【請求項３】
前記薄膜は、少なくとも１つの粒子発生源から出射したエネルギー粒子と、前記基板に入射したプラズマガス粒子によって形成されていることを特徴とする、請求項１に記載の薄膜製造方法。
【請求項４】
前記基板の表面に六方晶系の前記薄膜を形成することを特徴とする、請求項１から３のいずれか１項に記載の薄膜製造方法。
【請求項５】
前記六方晶系のｃ軸方向が前記薄膜の表面と平行で、かつ、前記ｃ軸方向が一方向に揃っていることを特徴とする、請求項４に記載の薄膜製造方法。
【請求項６】
前記薄膜が圧電性薄膜であることを特徴とする、請求項１から３のいずれか１項に記載の薄膜製造方法。
【請求項７】
前記薄膜が酸化亜鉛からなることを特徴とする、請求項６に記載の薄膜製造方法。
【請求項８】
前記粒子発生源がスパッタリング用のターゲットであることを特徴とする、請求項１から７のいずれか１項に記載の薄膜製造方法。
【請求項９】
０.１５Ｐａ以下の圧力のガス中において放電を行なうことにより前記粒子発生源をスパッタして、前記粒子発生源からエネルギー粒子を出射させることを特徴とする、請求項１から８のいずれか１項に記載の薄膜製造方法。
【請求項１０】
前記基板を前記粒子発生源の近傍に配置することを特徴とする、請求項１から３のいずれか１項に記載の薄膜製造方法。
【請求項１１】
ガス中における放電により生じるプラズマ領域内に前記基板を配置することを特徴とする、請求項９に記載の薄膜製造方法。
【請求項１２】
前記エネルギー粒子の、前記基板に対する入射角度、入射方向または入射方向の拡がりを制御することを特徴とする、請求項１から１１のいずれか１項に記載の薄膜製造方法。
【請求項１３】
前記基板と前記粒子発生源との間の空間に遮蔽板又はスリットを設置することにより、前記エネルギー粒子の、前記基板に対する入射角度、入射方向または入射方向の拡がりを制御することを特徴とする、請求項１２に記載の薄膜製造方法。
【請求項１４】
前記粒子発生源の背後に磁気回路を設け、前記磁気回路によって発生する磁界の磁束密度が高い領域のうち直線部分で前記粒子発生源から出射されたエネルギー粒子のみによって前記基板の表面に前記薄膜を形成することを特徴とする、請求項１から３のいずれか１項に記載の薄膜製造方法。
【請求項１５】
前記粒子発生源の背後に磁気回路を設け、前記磁気回路によって発生する磁界の磁束密度が高い領域のうち単一の直線部分で前記粒子発生源から出射されたエネルギー粒子のみによって前記基板の表面に前記薄膜を形成することを特徴とする、請求項１から３のいずれか１項に記載の薄膜製造方法。
【請求項１６】
前記磁気回路は、１つのＮ極と１つのＳ極を有し、当該Ｎ極と当該Ｓ極との間にのみ前記磁束密度が高い直線領域を生成することを特徴とする、請求項１５に記載の薄膜製造方法。
【請求項１７】
前記粒子発生源の一部領域を遮蔽板によって覆うことにより、前記粒子発生源のうち前記遮蔽板で覆われた領域から出射されたエネルギー粒子を前記基板の表面に到達させず、
前記粒子発生源のうち前記遮蔽板によって覆われていない領域にあって、前記磁束密度が高い領域のうち単一の直線部分で前記粒子発生源から出射されたエネルギー粒子のみによって前記基板の表面に前記薄膜を形成することを特徴とする、請求項１５に記載の薄膜製造方法。
【請求項１８】
前記粒子発生源の一部領域を難スパッタ材によって覆うことにより、前記粒子発生源のうち前記難スパッタ材で覆われた領域から出射されたエネルギー粒子を前記基板の表面に到達させず、
前記粒子発生源のうち前記難スパッタ材によって覆われていない領域にあって、前記磁束密度が高い領域のうち単一の直線部分で前記粒子発生源から出射されたエネルギー粒子のみによって前記基板の表面に前記薄膜を形成することを特徴とする、請求項１５に記載の薄膜製造方法。
【請求項１９】
前記磁気回路は、Ｎ極とＳ極のうちいずれか一方の極を挟んでその両側に他方の極を配置したものであり、いずれか一方のＮ極とＳ極間の領域では前記粒子発生源として難スパッタ材を用いることを特徴とする、請求項１５に記載の薄膜製造方法。
【請求項２０】
前記磁気回路は、Ｎ極とＳ極のうちいずれか一方の極を挟んでその両側に他方の極を配置したものであり、いずれか一方のＮ極とＳ極間の領域だけに前記粒子発生源を設けることを特徴とする、請求項１５に記載の薄膜製造方法。
【請求項２１】
前記磁束密度が高い領域のうち１つの直線部分と前記基板の交差する角度が常に一定となるような配置にすることを特徴とする、請求項１４又は１５に記載の薄膜製造方法。
【請求項２２】
酸化亜鉛からなる前記粒子発生源を用いて請求項１３から２１のいずれか１項に記載の薄膜製造方法により前記基板の表面に製造された酸化亜鉛薄膜であって、
ｃ軸方向が前記基板の表面に平行で、かつ、前記基板の表面内で一方向に配向していることを特徴とする酸化亜鉛薄膜。
【請求項２３】
金属基板もしくは金属膜蒸着基板の上に請求項２２に記載の酸化亜鉛薄膜を成膜したことを特徴とする圧電素子。
【請求項２４】
請求項２２に記載の酸化亜鉛薄膜を備えたトランスデューサ。
【請求項２５】
請求項２２に記載の酸化亜鉛薄膜を備えたＳＡＷデバイス。
【請求項１】
スパッタリング法により基板の表面に薄膜を製造する方法であって、
粒子発生源に対向させて前記基板を配置し、前記粒子発生源から出射したエネルギー粒子を前記基板に入射させ、所定の結晶軸方向が前記基板の表面と平行となるように前記エネルギー粒子を前記基板の表面に入射させて前記エネルギー粒子を含む薄膜を形成することを特徴とする薄膜製造方法。
【請求項２】
前記薄膜は、少なくとも１つの粒子発生源から出射した前記エネルギー粒子によって形成されていることを特徴とする、請求項１に記載の薄膜製造方法。
【請求項３】
前記薄膜は、少なくとも１つの粒子発生源から出射したエネルギー粒子と、前記基板に入射したプラズマガス粒子によって形成されていることを特徴とする、請求項１に記載の薄膜製造方法。
【請求項４】
前記基板の表面に六方晶系の前記薄膜を形成することを特徴とする、請求項１から３のいずれか１項に記載の薄膜製造方法。
【請求項５】
前記六方晶系のｃ軸方向が前記薄膜の表面と平行で、かつ、前記ｃ軸方向が一方向に揃っていることを特徴とする、請求項４に記載の薄膜製造方法。
【請求項６】
前記薄膜が圧電性薄膜であることを特徴とする、請求項１から３のいずれか１項に記載の薄膜製造方法。
【請求項７】
前記薄膜が酸化亜鉛からなることを特徴とする、請求項６に記載の薄膜製造方法。
【請求項８】
前記粒子発生源がスパッタリング用のターゲットであることを特徴とする、請求項１から７のいずれか１項に記載の薄膜製造方法。
【請求項９】
０.１５Ｐａ以下の圧力のガス中において放電を行なうことにより前記粒子発生源をスパッタして、前記粒子発生源からエネルギー粒子を出射させることを特徴とする、請求項１から８のいずれか１項に記載の薄膜製造方法。
【請求項１０】
前記基板を前記粒子発生源の近傍に配置することを特徴とする、請求項１から３のいずれか１項に記載の薄膜製造方法。
【請求項１１】
ガス中における放電により生じるプラズマ領域内に前記基板を配置することを特徴とする、請求項９に記載の薄膜製造方法。
【請求項１２】
前記エネルギー粒子の、前記基板に対する入射角度、入射方向または入射方向の拡がりを制御することを特徴とする、請求項１から１１のいずれか１項に記載の薄膜製造方法。
【請求項１３】
前記基板と前記粒子発生源との間の空間に遮蔽板又はスリットを設置することにより、前記エネルギー粒子の、前記基板に対する入射角度、入射方向または入射方向の拡がりを制御することを特徴とする、請求項１２に記載の薄膜製造方法。
【請求項１４】
前記粒子発生源の背後に磁気回路を設け、前記磁気回路によって発生する磁界の磁束密度が高い領域のうち直線部分で前記粒子発生源から出射されたエネルギー粒子のみによって前記基板の表面に前記薄膜を形成することを特徴とする、請求項１から３のいずれか１項に記載の薄膜製造方法。
【請求項１５】
前記粒子発生源の背後に磁気回路を設け、前記磁気回路によって発生する磁界の磁束密度が高い領域のうち単一の直線部分で前記粒子発生源から出射されたエネルギー粒子のみによって前記基板の表面に前記薄膜を形成することを特徴とする、請求項１から３のいずれか１項に記載の薄膜製造方法。
【請求項１６】
前記磁気回路は、１つのＮ極と１つのＳ極を有し、当該Ｎ極と当該Ｓ極との間にのみ前記磁束密度が高い直線領域を生成することを特徴とする、請求項１５に記載の薄膜製造方法。
【請求項１７】
前記粒子発生源の一部領域を遮蔽板によって覆うことにより、前記粒子発生源のうち前記遮蔽板で覆われた領域から出射されたエネルギー粒子を前記基板の表面に到達させず、
前記粒子発生源のうち前記遮蔽板によって覆われていない領域にあって、前記磁束密度が高い領域のうち単一の直線部分で前記粒子発生源から出射されたエネルギー粒子のみによって前記基板の表面に前記薄膜を形成することを特徴とする、請求項１５に記載の薄膜製造方法。
【請求項１８】
前記粒子発生源の一部領域を難スパッタ材によって覆うことにより、前記粒子発生源のうち前記難スパッタ材で覆われた領域から出射されたエネルギー粒子を前記基板の表面に到達させず、
前記粒子発生源のうち前記難スパッタ材によって覆われていない領域にあって、前記磁束密度が高い領域のうち単一の直線部分で前記粒子発生源から出射されたエネルギー粒子のみによって前記基板の表面に前記薄膜を形成することを特徴とする、請求項１５に記載の薄膜製造方法。
【請求項１９】
前記磁気回路は、Ｎ極とＳ極のうちいずれか一方の極を挟んでその両側に他方の極を配置したものであり、いずれか一方のＮ極とＳ極間の領域では前記粒子発生源として難スパッタ材を用いることを特徴とする、請求項１５に記載の薄膜製造方法。
【請求項２０】
前記磁気回路は、Ｎ極とＳ極のうちいずれか一方の極を挟んでその両側に他方の極を配置したものであり、いずれか一方のＮ極とＳ極間の領域だけに前記粒子発生源を設けることを特徴とする、請求項１５に記載の薄膜製造方法。
【請求項２１】
前記磁束密度が高い領域のうち１つの直線部分と前記基板の交差する角度が常に一定となるような配置にすることを特徴とする、請求項１４又は１５に記載の薄膜製造方法。
【請求項２２】
酸化亜鉛からなる前記粒子発生源を用いて請求項１３から２１のいずれか１項に記載の薄膜製造方法により前記基板の表面に製造された酸化亜鉛薄膜であって、
ｃ軸方向が前記基板の表面に平行で、かつ、前記基板の表面内で一方向に配向していることを特徴とする酸化亜鉛薄膜。
【請求項２３】
金属基板もしくは金属膜蒸着基板の上に請求項２２に記載の酸化亜鉛薄膜を成膜したことを特徴とする圧電素子。
【請求項２４】
請求項２２に記載の酸化亜鉛薄膜を備えたトランスデューサ。
【請求項２５】
請求項２２に記載の酸化亜鉛薄膜を備えたＳＡＷデバイス。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【公開番号】特開２００８−１３３１４５（Ｐ２００８−１３３１４５Ａ）
【公開日】平成２０年６月１２日（２００８．６．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−３１８７２０（Ｐ２００６−３１８７２０）
【出願日】平成１８年１１月２７日（２００６．１１．２７）
【出願人】（０００００２９４５）オムロン株式会社 (3,542)
【出願人】（５０３０２７９３１）学校法人同志社 (346)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年６月１２日（２００８．６．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年１１月２７日（２００６．１１．２７）
【出願人】（０００００２９４５）オムロン株式会社 (3,542)
【出願人】（５０３０２７９３１）学校法人同志社 (346)
【Ｆターム（参考）】
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