JP2007277606A

JP2007277606A - 圧電体薄膜の製造方法

Info

Publication number: JP2007277606A
Application number: JP2006102946A
Authority: JP
Inventors: Makoto Furuhata; 誠古畑; Satoru Fujii; 知藤井
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2006-04-04
Filing date: 2006-04-04
Publication date: 2007-10-25

Abstract

【課題】結晶性のより良好な圧電体薄膜の製造方法を提供すること。
【解決手段】圧電体薄膜１を第１圧電体薄膜１３と第２圧電体薄膜１５との２回に分けて
形成する。ここで、第１圧電体薄膜１３形成後に熱処理を行うため、第１圧電体薄膜１３
の結晶性が、熱処理前の第１圧電体薄膜１３と比較して向上できる。そして、その後形成
される第２圧電体薄膜１５も熱処理後の第１圧電体薄膜１４に倣って結晶成長し、全体と
して結晶性の向上した圧電体薄膜１を得ることができる。また、第１圧電体薄膜１３，１
４の膜厚が、５ｎｍ以上で１００ｎｍ以下で、圧電体薄膜１全体の膜厚である数μｍと比
較すると薄い。この程度の厚さの薄膜は、結晶の欠陥数自体が少ない。そして、熱処理温
度が３００℃より大きければ、欠陥数が少ないので十分な結晶性を得ることができ、８０
０℃以下であれば、基板１０との熱膨張係数の違いによる薄膜の剥離も少なくできる。
【選択図】図３

Description

本発明は、圧電体装置に使用される圧電体薄膜の製造方法に関する。

ＳＡＷ（Surface Acoustic Wave）デバイスやＦＢＡＲ（Film Bulk Acoustic Res
onator）デバイス等の圧電体装置は、小型電子機器に広く用いられている。
圧電体装置の小型化のために、基板上に薄膜振動子を形成したものが知られている。薄
膜振動子は、圧電体薄膜、電極等から構成されている。
ここで、薄膜振動子の性能は、圧電体薄膜の結晶性が良好なほどよく、一般に圧電体薄
膜の結晶性は、その成膜温度が高いほどよい。

ところが、圧電体薄膜の成膜温度は、基板の耐熱温度によって制約を受ける。特に、集
積回路基板には、融点の低いアルミニウム配線が用いられているため、耐熱温度が低い。
基板の耐熱温度（最高使用温度）以下で、結晶性の良好な圧電体薄膜を製造する方法と
して、結晶性のよい薄い圧電体薄膜（バッファ層）を形成した後、成膜速度の速い条件で
数μｍの圧電体薄膜（成長層）を形成する方法が知られている。バッファ層の成膜条件と
して、成膜速度が０．４μｍ／ｈ以下または成膜温度（基板温度）が１５０℃〜３００℃
の条件が示されている（例えば、特許文献１参照）。

特開平９−２５６１３９号公報（第２頁、段落番号［０００９］および［００１０］）

しかしながら、バッファ層の成膜条件の最適化を行っただけでは、十分な結晶性を有す
るバッファ層が得られない。その結果、成長層もバッファ層以上の結晶性をもって成長で
きず、全体として結晶性のより良好な圧電体薄膜が得られない。また、ＳＡＷやＦＢＡＲ
では音響設計により膜厚が決まっているためバッファ層ができるだけないほうがよい。そ
の結果、バッファ層を使い結晶性を得られたとしても、ＳＡＷやＦＢＡＲの品質を満たす
ことが出来ない。
本発明の目的は、従来のバッファ層とは異なった手法により、結晶性のより良好な圧電
体薄膜の製造方法を提供することにある。

本発明の圧電体薄膜の製造方法は、基板上に第１圧電体薄膜を形成する工程と、前記第
１圧電体薄膜を熱処理する工程と、前記熱処理後の前記第１圧電体薄膜上に第２圧電体薄
膜を形成する工程とを含むことを特徴とする。

この発明によれば、圧電体薄膜を、バッファ層としての第１圧電体薄膜と成長層として
の第２圧電体薄膜との２回に分けて形成する。ここで、第１圧電体薄膜形成後に熱処理を
行うため、第１圧電体薄膜の結晶性が、熱処理前の第１圧電体薄膜と比較してより向上す
る。そして、その後形成される第２圧電体薄膜も第１圧電体薄膜に倣って結晶成長し、全
体として結晶性のより向上した圧電体薄膜が得られる。

本発明では、前記第１圧電体薄膜の材料と前記第２圧電体薄膜の材料とが同一材料であ
るのが好ましい。
この発明では、第１圧電体薄膜の材料と第２圧電体薄膜の材料とが、同じ結晶定数を持
つことができる同一材料で形成されるので、第２圧電体薄膜が第１圧電体薄膜により倣っ
て形成され、結晶性がより向上する。また、圧電特性が同じ材料であれば、圧電体薄膜と
しての圧電特性も安定する。

本発明では、前記第１圧電体薄膜の膜厚は５ｎｍ以上で１００ｎｍ以下で、かつ前記熱
処理の温度は３００℃より大きく８００℃以下であるのが好ましい。
この発明では、第１圧電体薄膜の膜厚が、５ｎｍ以上で１００ｎｍ以下で、圧電体薄膜
全体の膜厚である数μｍと比較すると薄い。この程度の厚さの薄膜は、結晶の欠陥数自体
が少ない。そして、熱処理温度が３００℃より大きければ、欠陥数が少ないので十分な結
晶性が得られ、８００℃以下であれば、基板との熱膨張係数の違いによる薄膜の剥離も少
ない。

本発明では、前記熱処理を、前記第１圧電体薄膜の材料を構成する元素のうち、最も分
圧の低い元素が存在する雰囲気中で行うのが好ましい。
この発明では、熱処理中の雰囲気が分圧の低い元素で満たされているので、分圧の低い
元素の抜けが防げるため、組成変化が押さえられ絶縁特性が向上する。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は実施形態にかかる圧電体薄膜１を示す概略断面図、図２は圧電体薄膜１の製造方
法を示すフロー図、図３は圧電体薄膜１の製造方法を示す概略断面図である。

図１において、圧電体薄膜１は基板１０上に形成されている。
圧電体薄膜１としては、酸化亜鉛、窒化アルミニウム、チタン酸鉛、ジルコン酸鉛、チ
タン酸ジルコン酸鉛、ニオブ酸カリウム、ニオブ酸ナトリウムカリウム等の薄膜が挙げら
れる。
基板１０は、シリコン、ダイヤモンド、サファイヤ等の単結晶基板または多結晶基板で
あってもよいし、これらの基板上に酸化シリコン、窒化シリコン等のアモルファス薄膜、
金属薄膜が形成されていてもよい。図１では、シリコン基板１１上に多結晶ダイヤモンド
層１２が形成された基板１０が示されている。また、基板１０にはトランジスタ等の電子
部品が形成されていてもよい。

以下に、圧電体薄膜１の製造方法について説明する。
図２において、圧電体薄膜１の製造方法は、第１圧電体薄膜形成工程であるステップ１
（Ｓ１）と、第１圧電体薄膜熱処理工程であるステップ２（Ｓ２）と、第２圧電体薄膜形
成工程であるステップ３（Ｓ３）とを含んでいる。各ステップは、ステップの番号順に行
う。

図３において、図３（ａ）はＳ１、（ｂ）はＳ２、（ｃ）はＳ３を示す概略断面図であ
る。
図３（ａ）において、基板１０に第１圧電体薄膜１３を形成する。
第１圧電体薄膜１３の形成方法は、ＲＦスパッタリング法等のＰＶＤ（Physical Vapo
r Deposition）法であってもよいし、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法であっ
てもよい。また、第１圧電体薄膜の厚みは、５ｎｍ〜１００ｎｍが好ましい。

図３（ｂ）において、第１圧電体薄膜１３の熱処理を行い、熱処理後の第１圧電体薄膜
１４を形成する。
熱処理は、ランプ加熱による熱処理、レーザ光による熱処理であってもよいが、４００
℃以下での熱処理には、温度管理ができ温度を低温から上昇できる熱処理が好ましい。
具体的には、より安定した温度管理ができる熱処理炉による熱処理、より簡便なホット
プレートによる熱処理、真空チャンバ中での熱処理が好ましい。これらの方法は、基板１
０に半導体の配線が施されている等、温度を基板１０の耐熱温度以上に上げられない場合
に有効である。
熱処理温度は、第１圧電体薄膜１３の材料の物性によって選択できるが、３００℃より
大きく８００℃以下が好ましい。
また、熱処理の雰囲気は、第１圧電体薄膜１３の材料を構成する元素のうち、最も分圧
の低い元素が存在する雰囲気中で行う。より具体的に例を挙げると、第１圧電体薄膜１３
の材料が酸化亜鉛である場合は酸素雰囲気中での熱処理が好ましく、窒化アルミニウムの
場合は窒素雰囲気中での熱処理が好ましい。

図３（ｃ）において、熱処理後の第１圧電体薄膜１４上に第２圧電体薄膜１５を形成す
る。
第２圧電体薄膜１５は、結晶化の進んだ熱処理後の第１圧電体薄膜１４上で結晶成長す
るものであればどのような圧電体薄膜でもよいが、好ましくは、第１圧電体薄膜１３と同
一材料からなるのが好ましい。
第２圧電体薄膜１５も第１圧電体薄膜１３と同様に、ＰＶＤ法、ＣＶＤ法で形成するこ
とができる。第２圧電体薄膜１５は、数μｍの厚さに形成する。
このような本実施形態によれば、以下の効果がある。

（１）圧電体薄膜１を第１圧電体薄膜１３と第２圧電体薄膜１５との２回に分けて形成
する。ここで、第１圧電体薄膜１３形成後に熱処理を行うため、第１圧電体薄膜１３の結
晶性が、熱処理前の第１圧電体薄膜１３と比較して向上できる。そして、その後形成され
る第２圧電体薄膜１５も熱処理後の第１圧電体薄膜１４に倣って結晶成長し、全体として
結晶性の向上した圧電体薄膜１を得ることができる。

（２）第１圧電体薄膜１３の材料と第２圧電体薄膜１５の材料とが、同じ結晶定数を持
つことができる同一材料で形成されるので、第２圧電体薄膜１５が熱処理後の第１圧電体
薄膜１４により倣って形成され、結晶性を向上できる。また、圧電特性が同じ材料であれ
ば、圧電体薄膜１としての圧電特性を安定にできる。

（３）第１圧電体薄膜１３，１４の膜厚が、５ｎｍ以上で１００ｎｍ以下で、圧電体薄
膜１全体の膜厚である数μｍと比較すると薄い。この程度の厚さの薄膜は、結晶の欠陥数
自体が少ない。そして、熱処理温度が３００℃より大きければ、欠陥数が少ないので十分
な結晶性を得ることができ、８００℃以下であれば、基板１０との熱膨張係数の違いによ
る薄膜の剥離も少なくできる。

（４）熱処理中に分圧の低い元素の抜けを防ぐことができ、組成変化が押さえられ、絶
縁特性を向上することができる。

以下に、実施例および比較例によって本発明をより具体的に説明する。
（実施例１）
基板１０として、平均厚みが８００μｍのシリコン基板１１上に、厚みが２０μｍの多
結晶ダイヤモンド層１２が形成されたものを用意した（図１参照）。
Ｓ１の工程として、第１圧電体薄膜１３として、多結晶のダイヤモンド層１２上にＲＦ
（Radio Frequency）スパッタリング法により、膜厚ｔが５０ｎｍの酸化亜鉛膜を形成し
た（図３（ａ）参照）。ＲＦスパッタリング法の条件は、ＲＦスパッタリングパワーを１
．０ｋＷ、アルゴン流量を５０ｓｃｃｍ、酸素流量を５０ｓｃｃｍ、ガス圧を０．５Ｐａ
、成膜温度を５００℃で、ターゲットを酸化亜鉛の焼結体として行った。
次に、Ｓ２の工程として、第１圧電体薄膜１３の熱処理として、ランプ熱処理炉のチャ
ンバ内に酸素を３リットル／分の流量で流し、酸素雰囲気中で６００℃、３０秒の条件で
熱処理を行った（図３（ｂ）参照）。
次に、Ｓ３の工程として、熱処理後の第１圧電体薄膜１４上に、第２圧電体薄膜１５と
して酸化亜鉛膜を形成した（図３（ｃ）参照）。酸化亜鉛膜は、第１圧電体薄膜１３と同
様にＲＦスパッタリングで行ったが、膜厚は、１．９５μｍで形成した。

（実施例２）〜（実施例５）は、実施例１における第１圧電体薄膜１３の熱処理温度を
それぞれ３１０℃、４００℃、５００℃、７００℃と変え、その他は実施例１と同様に実
施した。

（実施例６）〜（実施例１０）は、実施例１における第１圧電体薄膜１３の膜厚ｔを１
０ｎｍとし、第２圧電体薄膜１５の膜厚を１．９９μｍとして、熱処理温度をそれぞれ３
１０℃、４００℃、５００℃、６００℃、７００℃と変えて、その他は実施例１と同様に
実施した。

（実施例１１）〜（実施例１４）は、圧電体薄膜１として窒化アルミニウムを形成した
。第１圧電体薄膜１３の膜厚は５０ｎｍで、第２圧電体層の厚みを１．９５μｍとして、
熱処理温度をそれぞれ２００℃、３００℃、４００℃、５００℃に変えて実施した。

（実施例１５）〜（実施例１８）は、圧電体薄膜１としてチタン酸ジルコン酸鉛を形成
した。第１圧電体薄膜１３の膜厚は５０ｎｍで、第２圧電体薄膜１５の厚みを１．９５μ
ｍとして、熱処理温度をそれぞれ５００℃、６００℃、７００℃、８００℃に変えて実施
した。

（比較例１）
第１圧電体薄膜１３としての酸化亜鉛膜を形成せずに、多結晶ダイヤモンド層１２上に
直接、圧電体薄膜１としての酸化亜鉛膜を実施例１と同じ条件でＲＦスパッタリング法で
行った。膜厚は、２．００μｍで形成した。

（比較例２）〜（比較例６）は、実施例１における第１圧電体薄膜１３の膜厚ｔを２０
０ｎｍとし、第２圧電体薄膜１５の膜厚を１．８０μｍとして、熱処理温度を３１０℃、
４００℃、５００℃、６００℃、７００℃と変えて、その他は実施例１と同様に実施した
。

（比較例７）〜（比較例１１）は、実施例１における第１圧電体薄膜１３の膜厚ｔを５
００ｎｍとし、第２圧電体薄膜１５の膜厚を１．５０μｍとして、熱処理温度をそれぞれ
３１０℃、４００℃、５００℃、６００℃、７００℃と変えて、その他は実施例１と同様
に実施した。
以上の実施例および比較例の条件を表１としてまとめた。

以下に、実施例および比較例で得られた圧電体薄膜１を評価した結果を示す。
［ＸＲＤ（X-ray diffraction）による結晶性評価］
図４には、実施例１、比較例１で得られた圧電体薄膜１をＸＲＤで測定したロッキング
曲線の結果が示されている。
図４（ａ）は、実施例１の結果を示し、図４（ｂ）は、比較例１の結果を示している。
横軸は試料角度ω（ｄｅｇ）、縦軸は散乱強度（ｃｐｓ）である。
実施例１でのσ値は０．７で、比較例１でのσ値は１．５であり、第１圧電体薄膜１３
を形成した後熱処理を行い、第２圧電体薄膜１５を形成した圧電体薄膜１の結晶性が、圧
電体薄膜１を単体で形成した場合と比較して向上することが確認できた。

図５には、実施例１〜実施例１０、比較例２〜比較例１１で得られた圧電体薄膜１をＸ
ＲＤで測定して、結晶性について得られた結果を、横軸を熱処理温度、縦軸をσ値として
示した。
比較例２〜比較例６の第１圧電体薄膜１３の膜厚ｔが２００ｎｍの結果は、三角で示し
、比較例７〜比較例１１の膜厚ｔが５００ｎｍの結果は、四角で示した。熱処理温度７０
０℃の比較例６および比較例１１（図中点線で示した点）は、圧電体薄膜１が剥離してし
まい評価できなかった点を予測して描いてある。これらは、実際には測定できなかった点
である。
実施例６〜実施例１０の第１圧電体薄膜１３の膜厚ｔが１０ｎｍの結果は、塗りつぶし
た丸印で示してある。７００℃の熱処理でも圧電体薄膜１の剥離は生じなかった。第１圧
電体薄膜１３の膜厚ｔが２００ｎｍおよび５００ｎｍの結果と比較すると、σ値も若干低
下し結晶性の向上が見られる。
実施例１〜実施例５の第１圧電体薄膜１３の膜厚ｔが５０ｎｍの結果は、○印で示して
ある。熱処理温度を上げると、σ値が大きくて低下し結晶性の著しい向上が見られ、かつ
７００℃においても圧電体薄膜１の剥離は生じなかった。

図６（ａ）には、窒化アルミニウムの例である実施例１１〜実施例１４で得られた圧電
体薄膜１をＸＲＤで測定した結果を、横軸を熱処理温度、縦軸をσ値として示した。
図６（ｂ）には、チタン酸ジルコン酸鉛の例である実施例１５〜実施例１８で得られた
圧電体薄膜１をＸＲＤで測定した結果を、横軸を熱処理温度、縦軸をσ値として示した。

これらの膜は、第１圧電体薄膜１３を膜厚ｔが５０ｎｍとなるように形成した。
窒化アルミニウムおよびチタン酸ジルコン酸鉛においても、酸化亜鉛と同様に第１圧電
体薄膜１３の膜厚ｔが５０ｎｍで、熱処理温度を上げることにより、σ値が著しく低下し
、結晶性が向上することが確認できた。

［挿入損失評価］
実施例１で得られた酸化亜鉛膜を用いて圧電体装置としてのＳＡＷフィルタを形成し、
フィルタ特性を評価した。
その結果、周波数２．５ＧＨｚにて、伝播損失０．０１ｄＢ／λ、で挿入損失が６．０
ｄＢときわめて挿入損失の小さいＳＡＷフィルタを得ることができた。
以上、実施例および比較例により、本発明における工程および数値範囲内での結晶性向
上の効果が具体的に確認できた。

本発明の実施形態にかかる圧電体薄膜を示す概略断面図。圧電体薄膜の製造方法を示すフロー図。圧電体薄膜の製造方法を示す概略断面図。（ａ）は、本発明の実施例１のロッキング曲線を表す図、（ｂ）は、比較例１のロッキング曲線を表す図。本発明にかかる実施例１〜実施例１０、比較例２〜比較例１１で得られた圧電体薄膜のＸＲＤ測定結果を表す図。（ａ）は、本発明にかかる実施例１１〜実施例１４で得られた圧電体薄膜のＸＲＤ測定結果を表す図、（ｂ）は、本発明にかかる実施例１５〜実施例１８で得られた圧電体薄膜のＸＲＤで測定結果を表す図。

符号の説明

１…圧電体薄膜、１０…基板、１３…第１圧電体薄膜、１４…熱処理後の第１圧電体薄
膜、１５…第２圧電体薄膜。

Claims

基板上に第１圧電体薄膜を形成する工程と、
前記第１圧電体薄膜を熱処理する工程と、
前記熱処理後の前記第１圧電体薄膜上に第２圧電体薄膜を形成する工程とを含む
ことを特徴とする圧電体薄膜の製造方法。
請求項１に記載の圧電体薄膜の製造方法において、
前記第１圧電体薄膜の材料と前記第２圧電体薄膜の材料とが同一材料である
ことを特徴とする圧電体薄膜の製造方法。
請求項１または請求項２に記載の圧電体薄膜の製造方法において、
前記第１圧電体薄膜の膜厚は５ｎｍ以上で１００ｎｍ以下で、かつ前記熱処理の温度は
、３００℃より大きく８００℃以下である
ことを特徴とする圧電体薄膜の製造方法。
請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の圧電体薄膜の製造方法において、
前記熱処理を、前記第１圧電体薄膜の材料を構成する元素のうち、最も分圧の低い元素
が存在する雰囲気中で行う
ことを特徴とする圧電体薄膜の製造方法。