JP2008227145A - 誘電体積層基板の製造方法およびこれに用いる加熱処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】基板に形成される誘電体の特性が基板面内で均一な誘電体積層基板の製造方法を提供すること。
【解決手段】本発明にかかる誘電体積層基板の製造方法は、基板１０の上方に誘電体の原料組成物１２ａを塗布する工程と、基板１０の下面に流体状の熱媒体５０を接触させて基板１０を加熱する工程と、を含み、基板１０を加熱する工程において、熱媒体５０の上面の形状が基板１０の下面の形状に追従して変形し、基板１０の下面が熱媒体５０に全面的に接触する。
【選択図】図２

Description

本発明は、誘電体積層基板の製造方法およびこれに用いる加熱処理装置に関する。

基板の上方に誘電体層を有する誘電体積層基板は、圧電素子や記憶素子を製造するときに広く用いられている。当該素子の誘電体層は、多くはセラミックで構成され、ゾル−ゲル法、有機金属熱塗布分解法（ＭＯＤ法）等の液相法によって形成されることが多い。

基板の上方に誘電体層を液相法によって形成する工程は、まず基板の上方に誘電体の原料組成物を塗布する。つぎに塗布された原料組成物を乾燥した後、必要に応じて脱脂を行い、さらに結晶化する工程を有するのが一般的である。乾燥、脱脂、および結晶化の工程は、基板ごと加熱されて行われるのが普通である。加熱の方法としては、たとえば、加熱炉内に基板を配置する、ホットプレート等の上に基板を載置する、基板に電磁波を照射する（特開２００３−２７９２４５号公報等を参照）方法がある。特に乾燥と脱脂の工程は、ホットプレート上に基板を載せて加熱することが簡便であるためよく行われる。

誘電体の原料組成物を塗布した基板を加熱すると基板が反ることがある。その主たる原因は、原料組成物が加熱され溶媒の蒸発や有機成分の脱離分解によって収縮するためである。このような反りは通常下向きに凸となり、ホットプレートで加熱している場合は、基板の中央部のみがホットプレートに接触する状態になる。このような状態になると、基板の中央部と周縁部との間に温度分布が生じ、乾燥または脱脂の程度が基板面内で不均一となる。この不均一性は、結晶化して誘電体が形成された後にも残る。そのため、基板の中央部から得られる素子と、周縁部から得られる素子の特性がばらつき、歩留まりが低下することになる。このような不具合に対しては、特開２００１−２９８２２２号公報には、基板の反りを外力によって矯正してホットプレートに密着させる方法が提案されている。
特開２００３−２７９２４５号公報 特開２００１−２９８２２２号公報

しかしながら、外力によって基板の反りを矯正すると、基板面内の温度分布は改善される一方、当該外力により不均一な応力が生じてしまう。その結果、誘電体結晶の配向が基板面内で不均一になって、素子の特性がばらつくことがある。またこのような方法では、基板や原料組成物の層が厚い場合に、大きな外力が必要になり、薄い場合には、加えた外力によって基板が破損してしまうことがある。このような外力を加えることによる反りの矯正は、誘電体の原料組成物を塗布した基板の処理に適用する上で限界があった。

本発明の目的は、基板に形成される誘電体の特性が基板面内で均一な誘電体積層基板の製造方法および前記製造方法に好適な加熱処理装置を提供することにある。

本発明にかかる誘電体積層基板の製造方法は、
基板の上方に誘電体の原料組成物を塗布する工程と、
前記基板の下面に流体状の熱媒体を接触させて前記基板を加熱する工程と、
を含み、
前記基板を加熱する工程において、前記熱媒体の上面の形状が前記基板の下面の形状に追従して変形し、前記基板の下面が前記熱媒体に全面的に接触する。

このような製造方法によれば、基板に形成される誘電体の特性が基板面内で均一な誘電体積層基板を得ることができる。

なお本発明において、特定のＡ部材（以下、「Ａ部材」という。）の上方に設けられた特定のＢ部材（以下、「Ｂ部材」という。）というとき、Ａ部材の上に直接Ｂ部材が設けられた場合と、Ａ部材の上に他の部材を介してＢ部材が設けられた場合とを含む意味である。

また本発明において、Ｃ面がＤ部材に全面的に接触するというとき、Ｃ面の全体またはほとんどの部分が同時にＤ部材の表面に接することを意味する。

本発明の誘電体積層基板の製造方法において、前記熱媒体は、オイル、金属粉、シリコン粉、およびガラス粉からなる群から選ばれる少なくとも１種を含むことができる。

本発明にかかる誘電体積層基板の製造方法は、
基板の上方に誘電体の原料組成物を塗布する工程と、
上面に凹部を有する加熱可能な載置部に前記基板の下面を接触させて前記基板を加熱する工程と、
を含み、
前記基板を加熱する工程において、前記基板の下面が前記載置部の凹部の上面に全面的に接触する状態が、少なくとも工程の終了時点で形成される。

このような製造方法によれば、基板に形成される誘電体の特性が基板面内で均一な誘電体積層基板を得ることができる。

本発明の誘電体積層基板の製造方法において、前記基板を加熱する工程は、前記誘電体の原料組成物を乾燥および脱脂のいずれか一方のために行われることができる。

本発明の誘電体積層基板の製造方法において、さらに、前記基板を加熱して前記誘電体の原料組成物を結晶化する工程を含むことができる。

本発明にかかる加熱処理装置は、
加熱部と、
前記加熱部の熱が伝導されるように設けられた容器部と、
前記容器部の内部に充填された流体状の熱媒体と、
を含む。

このような加熱処理装置は、被加熱体の変形が生じても、熱媒体が当該変形に追従して変形するため、被加熱体を均一に加熱することができる。

本発明にかかる加熱処理装置は、
加熱部と、
前記加熱部の熱が伝導されるように設けられ、上面に凹部を有する載置部と、
を含み、
前記凹部は、前記載置部の上に載せられた被加熱体が所定の温度に達した時点で、当該被加熱体の下面が前記凹部の上面に全面的に接触可能な形状を有する。

このような加熱処理装置は、所定の温度における被加熱体の下面の形状に適合した凹部を有するため被加熱体を均一に加熱することができる。

以下に本発明の好適な実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施形態は、本発明の一例を説明するものである。

１．誘電体積層基板の製造方法
図１は、本実施形態の製造工程の一部を模式的に示す断面図である。図２は、本実施形態の製造工程の一部を模式的に示す断面図である。図３は、本実施形態の製造工程の一部を模式的に示す平面図である。図２は、図３のＡ−Ａ線の断面に対応する。図４は、本実施形態の製造工程の一部を模式的に示す断面図である。図５は、本実施形態の製造工程によって製造される誘電体積層基板２０を模式的に示す断面図である。

まず、図１に示すような基板１０を準備する。基板１０は、誘電体の原料組成物１２ａの塗膜を保持し、誘電体積層基板２０の基体として機能する。基板１０の形状は、板状である。基板１０の厚みは、２０μｍないし２ｍｍとすることができる。基板１０の材質は、広範に選ぶことができる。基板１０は、たとえばシリコンウエハ、化合物半導体ウエハ、酸化ジルコニウム基板、金属板などを用いることができる。また、例示した基板の上面や内部には、半導体回路、酸化物層、導電層、絶縁層などが形成されていてもよい。

図１に示すように、基板１０の上方に誘電体の原料組成物１２ａを塗布する工程を行う。さらに、原料組成物１２ａに強誘電体原料組成物を用いる場合は、焼成（結晶化）すると、圧電性、強誘電性などを示すことができる。圧電性、あるいは強誘電性を示す誘電体としては、たとえば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ；Ｐｂ（Ｔｉ・Ｚｒ）Ｏ_３）やチタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ_３）といった一般式ＡＢＯ_３で示される単純ペロブスカイト型化合物や、タンタル酸ストロンチウムビスマス（ＳＢＴ；ＳｒＢｉ_２Ｔａ_２Ｏ_９）といった層状ペロブスカイト型化合物などが挙げられる。

原料組成物１２ａは、金属アルコキシドおよび有機金属の少なくとも一方を含んで構成することができる。たとえば、ＰＺＴの原料組成物１２ａとしては、酢酸鉛、ジルコニウムテトラブトキシド、およびチタニウムテトライソプロポキシドからなる金属原料をアルコールなどの溶媒に溶解せしめることで、原料組成物１２ａとすることができる。また、たとえば、ＳＢＴの原料組成物１２ａとしては、２−エチルヘキサン酸ストロンチウム、２−エチルヘキサン酸ビスマス、２−エチルヘキサン酸タンタル、および有機溶剤を含む組成物が挙げられる。なお、原料組成物１２ａには、金属原料および溶媒の他に、アセチルアセトンやジエタノールアミンなどの安定化剤や、ポリエチレングリコールなどのクラック抑制剤を添加することが可能である。

誘電体の原料組成物１２ａを基板１０の上方に塗布する方法は、公知のスピンコート法、ディップコート法、液滴吐出法などを選択することができる。このような方法により、基板１０の上方に原料組成物１２ａの塗膜が形成される。原料組成物１２ａの塗膜の厚みは、１０ｎｍないし２μｍとすることができる。最終的な誘電体層１２を厚く厚く形成する場合には、原料組成物１２ａの粘度を調整するなどして、本工程によって一度に厚い塗膜を形成することができる。また、最終的な誘電体層１２を厚く厚く形成する場合には、原料組成物１２ａを本工程によって塗布した後、次の乾燥（脱脂）または結晶化工程を行い、再び本工程によって塗布（重ね塗り）するというように、一連の工程を所望の厚みに達するまで繰り返してもよい。このようにして本工程によって、基板１０の上方に原料組成物１２ａが塗布された、原料組成物積層基板２０ａが形成される。

次に、図２に示すように、基板１０の下面に流体状の熱媒体５０を接触させて基板１０を加熱する工程を行う。

一般に、誘電体層は、ゾル−ゲル法や有機金属分解法（ＭＯＤ法）によって製造することができる。ゾル−ゲル法と有機金属分解法の違いは、塗布する原料組成物中に含まれる金属原料の化学種の状態である。具体的には、ゾル−ゲル法の場合は金属原料を溶媒に溶解させた後に、さらに加水分解・重縮合反応を行うことによって、原料組成物中の化学種として、溶解させた金属原料とは異なる金属−酸素−金属結合をもつ化学種が新たに形成される。これに対して、有機金属分解法の場合は金属原料を溶媒に溶解させるのみであり、加水分解・重縮合反応は行わないため、原料組成物中の化学種は溶解させた金属原料と同一である。従って、ゾル−ゲル法と有機金属分解法を用いた誘電体膜の製造工程は、基本的に同一の処理を用いることが可能である。具体的には、原料組成物を基板に塗布する工程と、原料組成物に熱を加えて原料組成物にふくまれる溶媒を乾燥させる乾燥工程と、乾燥した組成物に熱を加えて残存する有機成分の脱離分解を行うことによって非晶質誘電体を得る脱脂工程と、非晶質誘電体に熱を加えて非晶質誘電体を結晶化させる工程を含む。本実施形態の製造方法の加熱工程は、上述のゾル−ゲル法および有機金属分解法などの液相法を用いて誘電体膜を製造する工程に適用することができる。

熱媒体５０の性状は、流体状である。したがって、熱媒体５０は、自由に変形することができる。熱媒体５０を変形させるために必要な外力は、熱媒体５０の材質を変えることで調節することができる。熱媒体５０は、容器等に入れられた状態で保持されていてもよい。熱媒体５０は、熱源の熱を基板１０に伝達する機能を有する。熱媒体５０の材質としては、流体状となりうる物質であればよく、液体、粘性体および粉体のいずれかあるいはそれらの混合物を用いることができる。具体的には、熱媒体５０の材質としては、オイル、金属粉、シリコン粉、およびガラス粉からなる群から選ばれる１種または複数種の混合物が好適である。また、熱媒体５０は、高沸点の有機化合物、高分子化合物、シリコンオイル、鉄粉、シリコンビーズ、砂などを含むこともできる。

図２は、上述のような熱媒体５０を原料組成物１２ａが塗布された基板１０（原料組成物積層基板２０ａ）に接触させた様子を示す。基板１０の下面、および熱媒体５０の表面は、両者が接触する前は反りのない平坦な状態である。この状態で両者を接触させると、全面的に接触して熱媒体５０の熱が基板１０に伝導し、基板１０の上方の原料組成物１２ａが加熱される。原料組成物１２ａが加熱されると、原料組成物１２ａに含まれる溶媒の蒸発（乾燥）または有機成分の脱離分解（脱脂）が生じる。本実施形態では、このように乾燥または脱脂された原料組成物１２ａを、非晶質誘電体１２ｂといい、基板１０の上方に非晶質誘電体１２ｂが積層された誘電体積層基板を誘電体積層基板２０ｂとして符号を付す。非晶質誘電体１２ｂは、乾燥または脱脂前の原料組成物１２ａと比較して体積が減少している。これにより基板１０の上方には収縮するような応力が発生する。その結果、誘電体積層基板２０ｂは、下に凸となるように反ることになる。また、反りの原因としては、誘電体積層基板２０ｂの厚み方向の温度分布も挙げられる。厚み方向の温度分布は、基板１０や塗膜が厚いと生じやすい。この場合も反りは、誘電体積層基板２０ｂは、下に凸となるように反ることになる。

上述のように原料組成物積層基板２０ａは、熱媒体５０に全面的に接触して、反りを有する誘電体積層基板２０ｂとなる。しかし、熱媒体５０が流体状であるため、熱媒体５０の上面が誘電体積層基板２０ｂの下面の反りに追従して変形する（図２参照）。これにより、基板１０が熱媒体５０に全面的に接触した状態が維持され、基板面内に温度分布を有さない均一な加熱が行われる。本工程において、誘電体積層基板２０ｂが到達する温度は、原料組成物１２ａの組成と、工程の目的とによって変化する。原料組成物１２ａを乾燥するためには、たとえば、溶媒の除去を主目的とする乾燥工程においては８０℃ないし２００℃とすることができる。原料組成物１２ａに含まれる残存有機成分を脱脂するためには、たとえば２００℃ないし５００℃とすることができる。このようにして本工程によって、基板１０の上方に非晶質誘電体１２ｂが形成された、誘電体積層基板２０ｂが形成される。

本実施形態の加熱工程は、次のような変形実施が可能である。上述の加熱工程において、流体状の熱媒体５０に代えて、上面に凹部６２を有する加熱可能な載置部６０を基板１０に接触させて、基板１０を加熱することができる（図４）。載置部６０の上面は、椀状の凹部６２を有する。凹部６２は、原料組成物積層基板２０ａが加熱されて誘電体積層基板２０ｂとなり、反りを生じたときの下面の形状に適合する形状を有する。凹部６２の形状は、あらかじめ実験または計算機シミュレーションなどにより、本工程の終了時の温度における基板１０の反りに適合するように形成されている。載置部６０は、熱伝導性を有すればどのような材質で構成されてもよい。

この変形実施においては、基板１０が載置部６０に載置された時点では、基板１０の周縁部においてのみ両者が接触する。そして接触による熱伝導または輻射による熱伝導によって、原料組成物１２ａの乾燥または脱脂が進行するにしたがって基板１０に反りが生じる。したがって、少なくとも本工程の終了時点で、基板１０の下面が載置部６０の凹部６２の上面に全面的に接触することができる。したがって、このような変形実施を行っても、基板面内に温度分布を有さない均一な加熱が達成される。

本実施形態において、さらに、基板１０を加熱して非晶質誘電体１２ｂを結晶化する工程を含むことができる。この結晶化工程は、公知の方法で行うことができる。この方法としては、たとえば、拡散炉やＲＴＡ（Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌｉｎｇ）装置などに基板１０を配置する方法、基板１０に電磁波を照射する方法などが挙げられる。結晶化の温度は、結晶化させる誘電体によって好適な温度範囲は異なるが、一般的には、５００℃ないし１０００℃とすることができる。具体的には、チタン酸ジルコン酸鉛を結晶化させる場合には、６００℃ないし８００℃とするのが好適である。本工程によって、非晶質誘電体１２ｂを結晶化し結晶質誘電体１２を形成することができる。

また、本実施形態の製造方法において、加熱処理工程の後に、基板１０を洗浄する工程や、基板１０の下面を研磨する工程を含むこともできる。洗浄工程および研磨工程は、いずれも公知の方法で行うことができる。

以上のようにして、基板１０に形成される誘電体の特性が基板面内で均一な誘電体積層体２０ｂ、２０が製造される。本実施形態の誘電体積層基板の製造方法は、圧電体積層基板、強誘電体積層基板などの製造に広く適用することができる。

２．加熱処理装置
以下に、図２および図３を参照して、本発明の実施形態に好適な加熱処理装置１００および加熱処理装置２００について説明する。

図２に示すように、本発明の実施形態に好適な加熱処理装置１００は、加熱部３０と容器部４０と熱媒体５０とを含む。

加熱部３０は、容器部４０に熱を伝導する。加熱部３０は、内部に電熱線３２などの発熱体が備えられる。加熱部３０は、制御回路（図示せず）等により、発熱が制御されている。加熱部３０の温度は、加熱部３０、容器部４０、熱媒体５０または非加熱体の温度によってフィードバック制御されることができる。

容器部４０は、加熱部３０の上に設けられる。容器部４０は、容器内部に流体を湛えることができる。容器部４０は、加熱部３０から与えられた熱を、内部の流体に伝導する。容器部４０は、熱伝導性を有する限り材質は限定されない。

熱媒体５０は、「１．誘電体積層基板の製造方法」の項で述べた通りである。

このような加熱処理装置１００は、被加熱体の変形が生じても、熱媒体が当該変形に追従して変形するため、被加熱体を均一に加熱することができる。

また、図３に示すように、加熱処理装置２００は、加熱部３０と載置部６０とを含む。

加熱部３０は、載置部６０に熱を伝導する以外は、加熱処理装置１００の加熱部３０と実質的に同様であり、載置部６０は、「１．誘電体積層基板の製造方法」の項で述べた載置部６０と同様であるため、説明を省略する。

このような加熱処理装置２００は、所定の温度における被加熱体の下面の形状に適合した凹部を有するため被加熱体を均一に加熱することができる。

加熱処理装置１００または加熱処理装置２００を誘電体積層基板の製造方法において使用した場合、基板面内で素子の特性ばらつきが小さい誘電体積層基板を得ることができる。

本発明は、実施の形態で説明した構成と実質的に同一の構成（例えば、機能、方法及び結果が同一の構成、あるいは目的及び効果が同一の構成）を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成又は同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。

本実施形態の製造工程の一部を模式的に示す断面図。 本実施形態の製造工程の一部および加熱処理装置を模式的に示す断面図。 本実施形態の製造工程の一部および加熱処理装置を模式的に示す平面図。 本実施形態の製造工程の一部および加熱処理装置を模式的に示す断面図。 本実施形態によって製造される誘電体積層基板を模式的に示す断面図。

符号の説明

１０ 基板、１２ 結晶質誘電体、１２ａ 原料組成物、１２ｂ 非晶質誘電体、
２０ 誘電体積層基板、２０ａ 原料組成物積層基板、２０ｂ 誘電体積層基板、
３０ 加熱部、４０ 容器部、５０ 熱媒体、６０ 載置部、１００ 加熱処理装置、
２００加熱処理装置

Claims (7)

1. 基板の上方に誘電体の原料組成物を塗布する工程と、
   前記基板の下面に流体状の熱媒体を接触させて前記基板を加熱する工程と、
   を含み、
   前記基板を加熱する工程において、前記熱媒体の上面の形状が前記基板の下面の形状に追従して変形し、前記基板の下面が前記熱媒体に全面的に接触する、誘電体積層基板の製造方法。
2. 請求項１において、
   前記熱媒体は、オイル、金属粉、シリコン粉、およびガラス粉からなる群から選ばれる少なくとも１種を含む、誘電体積層基板の製造方法。
3. 基板の上方に誘電体の原料組成物を塗布する工程と、
   上面に凹部を有する加熱可能な載置部に前記基板の下面を接触させて前記基板を加熱する工程と、
   を含み、
   前記基板を加熱する工程において、前記基板の下面が前記載置部の凹部の上面に全面的に接触する状態が、少なくとも工程の終了時点で形成される、誘電体積層基板の製造方法。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれかにおいて、
   前記基板を加熱する工程は、前記誘電体の原料組成物を乾燥および脱脂の少なくとも一方のために行われる、誘電体積層基板の製造方法。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれかにおいて、
   さらに、前記基板を加熱して前記誘電体の原料組成物を結晶化する工程を含む、誘電体積層基板の製造方法。
6. 加熱部と、
   前記加熱部の熱が伝導されるように設けられた容器部と、
   前記容器部の内部に充填された流体状の熱媒体と、
   を含む、加熱処理装置。
7. 加熱部と、
   前記加熱部の熱が伝導されるように設けられ、上面に凹部を有する載置部と、
   を含み、
   前記凹部は、前記載置部の上に載せられた被加熱体が所定の温度に達した時点で、当該被加熱体の下面が前記凹部の上面に全面的に接触可能な形状を有する、加熱処理装置。

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