JP2011015148A - 圧電体薄膜の製造方法および当該製造方法により製造される圧電体薄膜 - Google Patents
圧電体薄膜の製造方法および当該製造方法により製造される圧電体薄膜 Download PDFInfo
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Abstract
【課題】スカンジウムを含有する窒化アルミニウム薄膜を備えた圧電体薄膜において、スカンジウムの含有率が３５〜４０原子％の範囲であっても、スカンジウムを含有させない場合と比較して圧電応答性が低下しない圧電体薄膜の製造方法を提供する。
【解決手段】本発明に係るスカンジウムを含有する窒化アルミニウム薄膜を備えた圧電体薄膜の製造方法は、少なくとも窒素ガスを含む雰囲気下において、アルミニウムとスカンジウムとでスパッタリングするスパッタリング工程を含む。本発明に係る製造方法におけるスパッタリング工程では、基板温度を５〜４５０℃の範囲で、スカンジウムの含有率が０．５〜５０原子％の範囲となるようにスパッタリングする。
【選択図】図１
【解決手段】本発明に係るスカンジウムを含有する窒化アルミニウム薄膜を備えた圧電体薄膜の製造方法は、少なくとも窒素ガスを含む雰囲気下において、アルミニウムとスカンジウムとでスパッタリングするスパッタリング工程を含む。本発明に係る製造方法におけるスパッタリング工程では、基板温度を５〜４５０℃の範囲で、スカンジウムの含有率が０．５〜５０原子％の範囲となるようにスパッタリングする。
【選択図】図１
Description
本発明は、圧電体薄膜の製造方法に関するものであり、特に、基板上にスカンジウムを添加した窒化アルミニウム薄膜を備えた圧電体薄膜の製造方法に関するものである。
圧電現象を利用するデバイスは、幅広い分野において用いられており、小型化および省電力化が強く求められている携帯電話機などの携帯用機器において、その使用が拡大している。その一例として、ＩＦ（Intermediate Frequency）およびＲＦ（Radio Frequency）用フィルタなどを挙げることができる。ＩＦおよびＲＦ用フィルタの具体例としては、弾性表面波共振子（Surface Acoustic Wave Resonator；ＳＡＷＲ）を用いたフィルタであるＳＡＷフィルタなどがある。
ＳＡＷフィルタは、固体表面を伝わる音響波を利用する共振子を用いたフィルタであり、設計および生産技術の向上により、ユーザーの厳しい要求に対応している。しかし、ＳＡＷフィルタは、利用周波数の高周波数化とともに、特性向上の限界に近づいている。
そこで、ＳＡＷフィルタに代わる新たなフィルタとして、ＲＦ−ＭＥＭＳ（Radio Frequency−Micro Electro Mechanical System）デバイスの一つである、薄膜バルク音響波共振子（Film Bulk Acoustic Resonator；ＦＢＡＲ）を用いた、ＦＢＡＲフィルタの開発が進められている。
ＲＦ−ＭＥＭＳは、近年注目を集めている技術であり、機械的な微小構造を主に半導体基板上に作り付け、極小のアクチュエータおよびセンサー、共振器などのデバイスを作製する技術であるＭＥＭＳをＲＦフロントエンドに適用したものである。
ＲＦ−ＭＥＭＳデバイスの一つであるＦＢＡＲフィルタは、圧電応答性を示す薄膜の厚み縦振動モードを用いた共振子によるフィルタである。すなわち、入力される高周波電気信号に対して、圧電体薄膜が厚み縦振動を起こし、その振動が薄膜の厚さ方向において共振を起こす現象を用いた共振子によるフィルタであり、ギガヘルツ帯における共振が可能である。このような特性を有するＦＢＡＲフィルタは、低損失であり、かつ広帯域における動作を可能としつつ、携帯用機器のさらなる小型化および省電力化を実現している。
また、ＦＢＡＲフィルタ以外のＲＦ−ＭＥＭＳデバイスであるＲＦ−ＭＥＭＳキャパシタおよびＲＦ−ＭＥＭＳスイッチなどにおいても、圧電現象を利用することによって、高周波数帯における低損失、高アイソレーションおよび低ひずみを実現している。
特許文献１には、第３成分としてスカンジウムを添加した窒化アルミニウム薄膜を備えた圧電体薄膜において、良好な圧電応答性が得られることが開示されている。
しかし、特許文献１に記載の圧電体薄膜では、スカンジウムの原子数と窒化アルミニウム薄膜におけるアルミニウムの原子数との総量を１００原子％としたとき、スカンジウムの原子数が３５〜４０原子％の範囲の場合には、スカンジウムを含有させない場合と比較して、圧電応答性が低下している（図１（ｂ）参照）。すなわち、特許文献１に記載の圧電体薄膜には、未だ改良の余地が残されている。
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その主たる目的は、スカンジウムを添加した窒化アルミニウム薄膜を備えた圧電体薄膜において、スカンジウムの原子数が３５〜４０原子％の範囲であっても、スカンジウムを含有させない場合と比較して圧電応答性が低下しない、圧電体薄膜を作製することができる製造方法を提供することにある。
本発明の発明者らは、スカンジウムの原子数が３５〜４０原子％の範囲であっても圧電応答性が低下しない、圧電体薄膜の製造方法について鋭意検討した結果、スカンジウムおよびアルミニウムをスパッタリングする際の基板温度をある温度範囲とすることにより、圧電体薄膜における圧電応答性の低下が生じないことを見出し、本発明を完成させるに至った。本発明は、係る新規な知見に基づいて完成されたものであり、以下の発明を包含する。
本発明に係る圧電体薄膜の製造方法では、上記課題を解決するために、基板上にスカンジウムを含有する窒化アルミニウム薄膜を備えた圧電体薄膜の製造方法であって、少なくとも窒素ガスを含む雰囲気下において、スカンジウムの原子数と上記窒化アルミニウム薄膜におけるアルミニウムの原子数との総量を１００原子％としたときのスカンジウムの含有率が０．５〜５０原子％の範囲となるように、アルミニウムとスカンジウムとでスパッタリングするスパッタリング工程を含み、上記スパッタリング工程における上記基板の温度が、５〜４５０℃の範囲であることを特徴としている。
上記の構成によれば、スカンジウムの原子数と窒化アルミニウム薄膜におけるアルミニウムの原子数との総量を１００原子％としたとき、スカンジウムの含有率が、３５原子％〜４０原子％である場合であっても、圧電体薄膜における圧電応答性が低下することを防止することができる。また、スカンジウムの含有率が３５原子％〜４０原子％の場合であっても、スカンジウムを含有させていない窒化アルミニウム薄膜と比べて向上させることができる。
これによって、圧電体薄膜の製造におけるスカンジウムの含有率の緻密な設定を不要にすることができるため、スカンジウムを含有する窒化アルミニウム薄膜を備えた圧電体薄膜を容易に製造することができる効果を奏する。すなわち、製造される圧電体薄膜における不良品の発生率を低減することができる。
本発明に係る圧電体薄膜の製造方法では、さらに、上記スパッタリング工程における上記基板の温度が２００〜４００℃の範囲であることが好ましい。
上記の構成によれば、従来のスカンジウムを含有する窒化アルミニウム薄膜を備えた圧電体薄膜において生じていた、スカンジウム含有率３５原子％〜４０原子％の範囲における圧電応答性の低下を防止することができる。
これによって、製造される圧電体薄膜における不良品の発生率をより一層低減することができるため、圧電体薄膜の製造品質を向上することができる効果を奏する。
本発明に係る圧電体薄膜の製造方法では、さらに、上記スパッタリング工程における上記基板の温度が４００℃であることが好ましい。
上記の構成によれば、スカンジウムを含有する窒化アルミニウム薄膜を備えた圧電体薄膜における圧電応答性の最大値をより一層向上することができる効果を奏する。
本発明に係る圧電体薄膜の製造方法では、さらに、上記スパッタリング工程では、上記スカンジウムの含有率が３５〜４０原子％の範囲となるようにスパッタリングすることが好ましい。
なお、本発明に係る製造方法により製造される圧電体薄膜についても本発明の範疇に含まれる。
また、製造された圧電体薄膜は、Ｘ線ロッキングカーブの半値全幅が３．２度以下であることが好ましい。
また、製造された圧電体薄膜は、表面の算術平均粗さが１．２ｎｍより小さい値であることが好ましい。
以上説明したように、本発明に係る圧電体薄膜の製造方法では、少なくとも窒素ガスを含む雰囲気下において、アルミニウムとスカンジウムとで、スカンジウムの原子数と窒化アルミニウム薄膜におけるアルミニウムの原子数との総量を１００原子％としたときのスカンジウムの含有率が０．５〜５０原子％の範囲となるように、スパッタリングする。そして、スパッタリング時における基板の温度を５〜４５０℃の範囲とする。
これによって、スカンジウムの含有率が、３５〜４０原子％である場合であっても、スカンジウムを含有させない場合と比較して圧電応答性が低下することを防止することができる。
本発明に係る圧電体薄膜について、図１（ａ）および（ｂ）〜図２（ａ）および（ｂ）を参照して以下に説明する。本発明に係る圧電体薄膜について説明するに先立って、本明細書等において用いる用語等について以下に説明する。
本発明に係る圧電体薄膜は、圧電現象を利用した圧電素子に用いる場合、その具体的な用途は特に限定されるものではない。例えば、ＳＡＷデバイスまたはＲＦ−ＭＥＭＳデバイスに利用することができる。ここで、本明細書等における「圧電体」とは、力学的な力が印加されることにより電位差を生じる性質、すなわち圧電性（以下、圧電応答性とも称する）を有する物質を意味する。また、「圧電体薄膜」とは、上記性質を有する薄膜を意味する。
また、本明細書等における「原子％」とは、原子百分率を指しており、本明細書等においては、特に断りのない限り、スカンジウム原子数とアルミニウム原子数との総量を１００原子％としたときのスカンジウム原子の数またはアルミニウム原子の数を表す。すなわち、スカンジウムを含有した窒化アルミニウムにおけるスカンジウム原子およびアルミニウム原子の濃度と言い換えることもできる。また、本明細書においては、スカンジウムの原子％を、窒化アルミニウムに対するスカンジウムの含有率として以下に説明する。
スカンジウムを含有した窒化アルミニウム薄膜（以下、Ｓｃ含有窒化アルミニウム薄膜とも称する）は、一般式を用いて、ＳｃｘＡｌ１−ｘＮ（式中、ｘはスカンジウムの含有率を示し、０．００５〜０．５の範囲である）と表すこともある。例えば、スカンジウムの含有率が１０原子％である窒化アルミニウム薄膜は、「Ｓｃ０．１０Ａｌ０．９０Ｎ」と表す。
（圧電体薄膜の構成）
以下に、本発明に係る圧電体薄膜の構成について説明する。本発明に係る圧電体薄膜は、基板上にＳｃ含有窒化アルミニウム薄膜が形成されている。Ｓｃ含有窒化アルミニウム薄膜は、スカンジウムの原子数とアルミニウムの原子数との総量を１００原子％としたとき、０．５〜５０原子％の範囲のスカンジウム原子を含有している。
以下に、本発明に係る圧電体薄膜の構成について説明する。本発明に係る圧電体薄膜は、基板上にＳｃ含有窒化アルミニウム薄膜が形成されている。Ｓｃ含有窒化アルミニウム薄膜は、スカンジウムの原子数とアルミニウムの原子数との総量を１００原子％としたとき、０．５〜５０原子％の範囲のスカンジウム原子を含有している。
基板は、Ｓｃ含有窒化アルミニウム薄膜を変形することなく保持することができるものであれば特に限定されるものではない。基板の材質としては、例えば、シリコン（Ｓｉ）単結晶、またはＳｉ単結晶などの基材の表面にシリコン、ダイヤモンドおよびその他の多結晶膜を形成したものを用いることができる。
また、本発明に係る圧電体薄膜は、Ｘ線ロッキングカーブのＦＷＨＭが３．２度以下であることが好ましい。Ｘ線ロッキングカーブのＦＷＨＭが３．２度以下となるスカンジウム含有率は、０．５原子％〜４５原子％である。したがって、本発明に係る圧電体薄膜は、スカンジウム含有率が０．５原子％〜４５原子％であることが好ましいと換言することもできる。なお、圧電体薄膜におけるＸ線ロッキングカーブの測定条件などの詳細については下記に示すため、ここではその説明を省略する。
さらに、本発明に係る圧電体薄膜は、表面粗さＲａが１．２ｎｍより小さい値であることが好ましい。
Ｘ線ロッキングカーブのＦＷＨＭが３．２度以下であり、圧電体薄膜の表面粗さＲａが１．２ｎｍより小さい値であるということは、結晶配向度が大きいことを意味している。すなわち、Ｘ線ロッキングカーブのＦＷＨＭおよび圧電体薄膜の表面粗さを上記の範囲内とすることにより、結晶が同じ方向を向いている度合いを大きくなるため、圧電体薄膜の圧電性を高めることができる。
（圧電体薄膜の製造方法）
次に、本発明に係る圧電体薄膜の製造方法について、以下に説明する。本発明に係る圧電体薄膜の製造方法は、窒素ガス（Ｎ２）を含む雰囲気下（例えば、窒素ガス（Ｎ２）雰囲気下、または、窒素ガス（Ｎ２）およびアルゴンガス（Ａｒ）混合雰囲気下）において、基板（例えばシリコン（Ｓｉ）基板）に、アルミニウムとスカンジウムとで、スカンジウムの原子数と窒化アルミニウム薄膜におけるアルミニウムの原子数との総量を１００原子％としたときのスカンジウムの含有率が０．５〜５０原子％の範囲内となるように、スパッタリングするスパッタリング工程を含む。また、本発明に係る圧電体薄膜の製造方法では、スパッタリング工程における基板温度を５〜４５０℃とする。この温度範囲内においても、スパッタリング工程における基板温度は、２００〜４００℃であることが好ましく、４００℃であることが最も好ましい。
次に、本発明に係る圧電体薄膜の製造方法について、以下に説明する。本発明に係る圧電体薄膜の製造方法は、窒素ガス（Ｎ２）を含む雰囲気下（例えば、窒素ガス（Ｎ２）雰囲気下、または、窒素ガス（Ｎ２）およびアルゴンガス（Ａｒ）混合雰囲気下）において、基板（例えばシリコン（Ｓｉ）基板）に、アルミニウムとスカンジウムとで、スカンジウムの原子数と窒化アルミニウム薄膜におけるアルミニウムの原子数との総量を１００原子％としたときのスカンジウムの含有率が０．５〜５０原子％の範囲内となるように、スパッタリングするスパッタリング工程を含む。また、本発明に係る圧電体薄膜の製造方法では、スパッタリング工程における基板温度を５〜４５０℃とする。この温度範囲内においても、スパッタリング工程における基板温度は、２００〜４００℃であることが好ましく、４００℃であることが最も好ましい。
スパッタリング工程における基板温度を５〜４５０℃とすることにより、スパッタリングにより薄膜を形成することによって、密着性に優れ、純度の高いＳｃ含有窒化アルミニウム薄膜を形成することができる。スパッタリング工程における基板温度を５〜４５０℃とすることにより、スカンジウムの含有率が３５〜４０原子％の範囲内の圧電応答性を、スカンジウム含有率が０％の窒化アルミニウム薄膜の圧電応答性と比べて向上することができる。
また、スパッタリング工程における基板温度を、２００〜４００℃とすることにより、従来では圧電応答性に低下が生じていたスカンジウム含有率３５〜４０原子％における範囲における圧電応答性の低下を防止することができる。これによって、製造される圧電体薄膜における不良品の発生率をより一層低減することができるため、圧電体薄膜の製造品質を向上することができる。
なお、スパッタリング工程は、スカンジウムとアルミニウムとを用いればよいが、スカンジウムとアルミニウムとを同時にスパッタリングすることが好ましい。スカンジウムとアルミニウムとを同時にスパッタリングすることによって、スカンジウムおよびアルミニウムが一部に偏在することなく、均一に分布したＳｃ含有窒化アルミニウム薄膜を形成することができる。
（スパッタリング工程の詳細：基板温度）
続いて、スパッタリング工程における基板温度の範囲について以下に説明する。本発明に係る圧電体薄膜の製造において、スパッタリング工程時には、基板温度を常温〜４５０℃の温度範囲とする。上述したように、この温度範囲の中でも、スパッタリング工程時の基板温度を４００℃とすることが最も好ましい。
続いて、スパッタリング工程における基板温度の範囲について以下に説明する。本発明に係る圧電体薄膜の製造において、スパッタリング工程時には、基板温度を常温〜４５０℃の温度範囲とする。上述したように、この温度範囲の中でも、スパッタリング工程時の基板温度を４００℃とすることが最も好ましい。
以下には、基板温度を４００℃することが最も好ましいことを導出した理由について簡単に説明する。図２（ａ）は、シリコン基板上にＳｃ０．４３Ａｌ０．５７Ｎ薄膜を形成する際の基板温度を２７〜５８０℃までの間で変化させた時のＸ線回折強度を示す図である。なお、Ｘ線回折強度は、マックサイエンス社製のＭ０３Ｘ−ＨＦを用いて測定している。
図２（ａ）に示すように、基板温度が２７〜４００℃の間は、単一のピークが３７．００°に観測され、４００℃のときに最大となる。基板温度が５００℃を超えると、ピークは、３６．０６°および３７．３０°の２つの角度において観測され、ピークの大きさも減少する。そして、基板温度が５８０℃では、再度単一のピークが３７．３０°に観測されるものの、ピークの大きさはさらに減少する。
このように、図２（ａ）には、基板温度が４００℃のときにピークが最大となり、５００℃を超えると、ピーク位置が高い角度にシフトすると共に、ピークの大きさが減少することが示されている。これは、基板温度が４００℃の場合に、Ｓｃ含有窒化アルミニウムの結晶性が最も高くなり、基板温度が５００℃を超えると、結晶の格子定数ｃが短くなると換言することもできる。
なお、本明細書等における「常温」とは、ＪＩＳ規格（ＪＩＳ Ｚ ８７０３）において規定された温度であり、２０℃±１５℃（すなわち、５〜３５℃）の範囲の温度を意味している。
（スパッタリング工程の詳細：スカンジウム含有率）
続いて、Ｓｃ含有窒化アルミニウム薄膜におけるスカンジウムの含有率について以下に説明する。
続いて、Ｓｃ含有窒化アルミニウム薄膜におけるスカンジウムの含有率について以下に説明する。
Ｓｃ含有窒化アルミニウム薄膜におけるスカンジウムの含有率は、０．５〜５０原子％の範囲であればよく、３５〜４３原子％の範囲であることがより好ましく、４３原子％であることが最も好ましい。
ここで、スカンジウムを含有しない（すなわち、Ｓｃ含有率０原子％）の窒化アルミニウムであっても、ある程度の圧電応答性を示す（図１（ａ））。そのため、本発明に係る圧電体薄膜におけるＳｃ含有窒化アルミニウム薄膜は、スカンジウム含有率０原子％である場合の圧電応答性を超えるように、スカンジウム含有率を０．５〜５０原子％とする。
以下には、４３原子％が好ましいことを導出した理由について簡単に説明する。図２（ｂ）は、スカンジウム含有率を０〜５５原子％の間で変化させたときのＸ線回折強度の変化を示す図である。なお、Ｘ線回折強度は、先と同様に、マックサイエンス社製のＭ０３Ｘ−ＨＦを用いて測定している。
図２（ｂ）に示すように、スカンジウム含有率が４１原子％まではスカンジウム含有率の増加と共にＸ線回折強度も増加している。しかし、スカンジウム含有率が４５原子％以上となるとＸ線回折強度は急激に低下する。このように、図２（ｂ）には、スカンジウム含有率が４３原子％のときにピークが最大となることが示されている。
なお、ピーク位置は、スカンジウム含有率の増加と共に、角度２θが小さくなるようにシフトした後、スカンジウム含有率が３７％以上になると角度２θが大きくするようにシフトする。これらのことは、Ｓｃ含有窒化アルミニウム薄膜の結晶がウルツ鉱型構造であり、ｃ軸配向を有していることを示している。
次に、スパッタリング工程時の基板温度を４００℃とし、スカンジウム含有率を０〜５５原子％の間で変化させたときの圧電応答性について図１（ａ）を参照しつつ以下に説明する。図１（ａ）に示すデータの測定方法については、下記の実施例１において詳述するため、ここではその詳細な説明は省略する。
図１（ａ）には、スカンジウム含有率を０〜４３原子％まで増加すると、それに伴って圧電応答性が増加することが示されている。そして、スカンジウム含有率が４３原子％のときに、圧電体薄膜の圧電応答性を最大値（約２８ｐＣ／Ｎ）となる。これは、従来の基板温度５８０℃の場合の圧電応答性（約２５ｐＣ／Ｎ）よりも大きい。
また、図１（ａ）に示すように、本発明に係る圧電体薄膜では、従来のＳｃ含有窒化アルミニウム薄膜を備えた圧電体薄膜と異なり、スカンジウム含有率が３５〜４０原子％の間で圧電応答性の低下が生じていない。
続いて、スカンジウム含有率を０．５〜５０原子％の範囲とするための手法について、以下に説明する。スカンジウム含有率を０．５〜５０原子％の範囲とするためには、スパッタリング工程において、アルミニウムのターゲット電力密度を７．９Ｗ/ｃｍ２の範囲内と固定した場合、スカンジウムのターゲット電力密度を、０．０５〜１０Ｗ/ｃｍ２の範囲内とするようにすればよい。
なお、本明細書等における「電力密度」とは、スパッタリング電力をターゲット面積で割った値である。また、本発明に係る圧電体薄膜の製造方法では、スカンジウムとアルミニウムとを同時にスパッタリングするため、スカンジウムのターゲット電力密度と、アルミニウムのターゲット電力密度との２種類のターゲット電力密度がある。本明細書等において、単に「ターゲット電力密度」と称する場合には、特に断りのない限り、スカンジウムのターゲット電力密度のことを指すものとする。
ターゲット電力密度が０．０５〜１０Ｗ/ｃｍ２の範囲内である場合には、スカンジウム含有率が０．５〜５０原子％の範囲内である場合に対応する。
スカンジウム含有率を３５〜４０原子％とする場合には、ターゲット電力密度を６．５〜８．５Ｗ/ｃｍ２の範囲とすればよい。
なお、スパッタリング工程において、基板温度が常温〜４５０℃の範囲であり、ターゲット電力密度が上記の範囲内であれば、その他の条件は、特に限定されるものではない。例えば、スパッタリング圧力およびスパッタリング時間は作製する圧電体薄膜に応じて、適宜設定することができる。
（本発明に係る製造方法により作製された圧電体薄膜の利点）
以上説明したように、Ｓｃ含有窒化アルミニウム薄膜を備えた圧電体薄膜におけるスパッタリング工程時の基板温度を常温〜４５０℃の範囲とすることにより、スカンジウム含有率が３５〜４０原子％の際に生じる圧電応答性の低下を防止するだけでなく、Ｓｃを含有させていない窒化アルミニウム薄膜と比べて、スカンジウム含有率が３５〜４０原子％の圧電体薄膜における圧電応答性を向上させることができる。
以上説明したように、Ｓｃ含有窒化アルミニウム薄膜を備えた圧電体薄膜におけるスパッタリング工程時の基板温度を常温〜４５０℃の範囲とすることにより、スカンジウム含有率が３５〜４０原子％の際に生じる圧電応答性の低下を防止するだけでなく、Ｓｃを含有させていない窒化アルミニウム薄膜と比べて、スカンジウム含有率が３５〜４０原子％の圧電体薄膜における圧電応答性を向上させることができる。
これによって、Ｓｃ含有窒化アルミニウム薄膜を備えた圧電体薄膜の製造におけるＳｃの含有率の緻密な設定を不要にすることができるため、より一層容易に圧電応答性の向上したＳｃ含有窒化アルミニウム薄膜を備えた圧電体薄膜を製造することができる。
また、Ｓｃ含有窒化アルミニウム薄膜を備えた圧電体薄膜の工業的な生産の際には、緻密なスカンジウム含有率を設定する必要がないため、圧電体薄膜の製造に要するコストを低減することができる。また、製造される圧電体薄膜における不良品の発生率を低減することができるため、圧電体薄膜の製造品質を向上することもできる。
〔実施例１〕
（スカンジウムを添加した窒化アルミニウム薄膜の作製方法）
シリコン基板に対して、窒素雰囲気下でアルミニウムおよびスカンジウムをスパッタリングし、シリコン基板上にＳｃ含有窒化アルミニウム薄膜を作製した。
（スカンジウムを添加した窒化アルミニウム薄膜の作製方法）
シリコン基板に対して、窒素雰囲気下でアルミニウムおよびスカンジウムをスパッタリングし、シリコン基板上にＳｃ含有窒化アルミニウム薄膜を作製した。
スパッタリングには、デュアルＲＦマグネトロン反応性スパッタリング装置（ＵＬＶＡＣ社製、ＭＰＳシリーズ）を用いた。スパッタリング条件は、基板温度４００℃、窒素ガス濃度４０％、粒子成長圧力０．２５Ｐａとした。このとき、アルミニウムおよびスカンジウムは、直径５０．８ｍｍのターゲットに、それぞれ１６０Ｗのターゲット電力でスパッタリングした。
また、スパッタリングチャンバーは、１．２×１０−６Ｐａ以下に減圧し、９９．９９９％のアルゴンおよび９９．９９９％の窒素ガスを導入した。なお、ターゲットは、蒸着前に、蒸着条件と同条件で３分間スパッタリングした。
なお、作製したＳｃ含有窒化アルミニウム薄膜中のスカンジウム含有率は、エネルギー分散型蛍光Ｘ線分析装置（Horida社製、ＥＸ−３２０Ｘ）により分析した結果に基づいて算出した。
（圧電応答性測定方法）
作製したＳｃ含有窒化アルミニウム薄膜の圧電応答性は、ピエゾメーター（Piezoptest社製 ＰＭ１００）を用いて、加重０．２５Ｎ、周波数１１０Ｈｚで測定した。
作製したＳｃ含有窒化アルミニウム薄膜の圧電応答性は、ピエゾメーター（Piezoptest社製 ＰＭ１００）を用いて、加重０．２５Ｎ、周波数１１０Ｈｚで測定した。
（Ｘ線による結晶構造解析）
作製したＳｃ含有窒化アルミニウム薄膜におけるＳｃ含有窒化アルミニウムの結晶構造および配向は、Ｘ線源としてＣｕＫα線を使用した全自動Ｘ線回折装置（マックサイエンス社製、Ｍ０３Ｘ−ＨＦ）により測定した。
作製したＳｃ含有窒化アルミニウム薄膜におけるＳｃ含有窒化アルミニウムの結晶構造および配向は、Ｘ線源としてＣｕＫα線を使用した全自動Ｘ線回折装置（マックサイエンス社製、Ｍ０３Ｘ−ＨＦ）により測定した。
測定されたＸ線回折パターンに基づいて結晶格子におけるｃ軸の長さを算出した。また、Ｘ線ロッキングカーブの半値全幅（ＦＷＨＭ）を測定した。
〔比較例１〕
スパッタリングにおけるシリコン基板の温度を５８０℃とした以外は、実施例１と同様の製造方法によりＳｃ含有窒化アルミニウム薄膜を作製した。
スパッタリングにおけるシリコン基板の温度を５８０℃とした以外は、実施例１と同様の製造方法によりＳｃ含有窒化アルミニウム薄膜を作製した。
また、実施例１と同様の方法により作製したＳｃ含有窒化アルミニウム薄膜の圧電応答性を測定した。さらに、実施例１と同様の方法で、結晶格子におけるｃ軸の長さおよびＸ線ロッキングカーブの半値全幅（ＦＷＨＭ）についても測定した。
〔実施例１および比較例１の測定結果〕
実施例１において測定された圧電応答性を図１（ａ）に示し、比較例１において測定された圧電応答性を図１（ｂ）に示す。
実施例１において測定された圧電応答性を図１（ａ）に示し、比較例１において測定された圧電応答性を図１（ｂ）に示す。
図１（ａ）に示すように、スパッタリング工程時の基板温度を４００℃とすることにより、基板温度を５８０℃とした際にみられたＳｃ含有率３５〜４０原子％における圧電応答性の低下を防止することができることが示された。
また、基板温度を４００℃として作製したＳｃ含有窒化アルミニウム薄膜では、図１（ａ）に示すように、Ｓｃ含有率３５〜４０原子％における圧電応答性の低下を防ぐだけでなく、スカンジウムを含有させないときと比べて、圧電応答性の向上を確認することができた。
次に、実施例１において作製したＳｃ含有窒化アルミニウム薄膜と比較例１において作製したＳｃ含有窒化アルミニウム薄膜とのＸ線回折パターンに基づいて算出したパラメータについて図３（ａ）および（ｂ）に示す。図３（ａ）は、作製したＳｃ含有窒化アルミニウムの結晶格子におけるｃ軸の長さを示す図であり、図３（ｂ）は、作製したＳｃ含有窒化アルミニウムのＸ線ロッキングカーブのＦＷＨＭ（半値全幅）を示す図である。
図３（ａ）に示すように、実施例１（基板温度４００℃）および比較例１（基板温度５８０℃）とのいずれも、Ｓｃ含有率が３０原子％を超えると格子定数ｃの値は急激に低下していた。しかし、実施例１と比較例１との間には、Ｓｃ含有率の増加に伴う格子定数ｃの値の増減にほとんど違いはみられなかった。
しかし、Ｘ線ロッキングカーブのＦＷＨＭは、図３（ｂ）に示すように、実施例１と比較例１との間で大きく異なっていた。実施例１（基板温度４００℃）では、Ｓｃ含有率の増加と共にＦＷＨＭが徐々に低下し、Ｓｃ含有率４３原子％を超えると、急激にＦＷＨＭの値が増加していた。一方で、比較例１（基板温度５８０℃）では、ＦＷＨＭの値が、Ｓｃ含有率３０原子％を超えると急激に増加し、３５原子％を超えると急激に減少していた。そして、実施例１と同様に、Ｓｃ含有率が４３原子％を超えると、再度急激に増加していた。
なお、ロッキングカーブのＦＷＨＭは、株式会社マックサイエンス製の全自動Ｘ線回折装置(ＭＸＰ３ＶＡ-Ｂ型)を使用して測定した。Ｘ線回折装置において、Ｘ線源としてはＣｕ−Ｋα使用し、スリットはＤ：１°、Ｓ：１°、Ｒ：０．３°を使用した。
〔実施例２〕
スパッタリング時における基板温度を４００℃とし、スカンジウム含有率が０原子％、３６原子％、４３原子％であるＳｃ含有窒化アルミニウム薄膜における表面粗さを測定した。また、Ｓｃ含有窒化アルミニウムの粒子サイズ（粒径）についても測定した。
スパッタリング時における基板温度を４００℃とし、スカンジウム含有率が０原子％、３６原子％、４３原子％であるＳｃ含有窒化アルミニウム薄膜における表面粗さを測定した。また、Ｓｃ含有窒化アルミニウムの粒子サイズ（粒径）についても測定した。
表面粗さは、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）を用いて測定した。なお、本明細書等における「表面粗さ」とは、算術平均粗さ（Ｒａ）を意味している。
なお、表面粗さの測定には、株式会社ＳＩＩ製のＳＰＩ３８００Ｎを使用し、カンチレバーにオリンパスのＳＮ−ＡＦ−０１（長さ１００ミクロン、周波数３４ｋＨｚ、Spring constant：０．０８Ｎ／ｍ）を使用した。
〔比較例２〕
スパッタリング時における基板温度を５８０℃とした以外は、実施例２と同様にしてＳｃ含有窒化アルミニウム薄膜における表面粗さおよび粒径を測定した。
スパッタリング時における基板温度を５８０℃とした以外は、実施例２と同様にしてＳｃ含有窒化アルミニウム薄膜における表面粗さおよび粒径を測定した。
〔実施例２および比較例２の測定結果〕
実施例２および比較例２において測定した表面粗さの結果を図４（ａ）〜（ｇ）に示す。図４（ａ）〜（ｇ）は、実施例２および比較例２における表面粗さおよび結晶の粒径を原子間力顕微鏡を用いて測定した図であり、（ａ）は基板温度５８０℃でＳｃ含有率０原子％の場合であり、（ｂ）は基板温度５８０℃でＳｃ含有率３６原子％の場合であり、（ｃ）は基板温度５８０℃でＳｃ含有率４３原子％の場合であり、（ｄ）は基板温度４００℃でＳｃ含有率０原子％の場合であり、（ｅ）は基板温度４００℃でＳｃ含有率３６原子％の場合であり、（ｆ）は基板温度４００℃でＳｃ含有率４３原子％の場合である。また、図４（ｇ）はスパッタリング時の基板温度を４００℃または５８０℃としたときのＳｃ含有率とＳｃ含有窒化アルミニウムの粒径との関係を示す図である。
実施例２および比較例２において測定した表面粗さの結果を図４（ａ）〜（ｇ）に示す。図４（ａ）〜（ｇ）は、実施例２および比較例２における表面粗さおよび結晶の粒径を原子間力顕微鏡を用いて測定した図であり、（ａ）は基板温度５８０℃でＳｃ含有率０原子％の場合であり、（ｂ）は基板温度５８０℃でＳｃ含有率３６原子％の場合であり、（ｃ）は基板温度５８０℃でＳｃ含有率４３原子％の場合であり、（ｄ）は基板温度４００℃でＳｃ含有率０原子％の場合であり、（ｅ）は基板温度４００℃でＳｃ含有率３６原子％の場合であり、（ｆ）は基板温度４００℃でＳｃ含有率４３原子％の場合である。また、図４（ｇ）はスパッタリング時の基板温度を４００℃または５８０℃としたときのＳｃ含有率とＳｃ含有窒化アルミニウムの粒径との関係を示す図である。
図４（ｇ）に示すように、基板温度が高い方が、粒径も大きくなることが示された。また、基板温度に関わらず、スカンジウム含有率が増加するにつれて粒径が大きくなることが示された。
また、図４（ａ）および図４（ｄ）ならびに図４（ｃ）および図４（ｆ）に示すように、スカンジウム含有率が０原子％および４３原子％である場合は、基板温度が４００℃であっても５８０℃であっても、表面粗さにほとんど差異はみられなかった。しかし、図４（ｂ）および図４（ｅ）に示すように、スカンジウム含有率が３６原子％の場合には、基板温度４００℃では表面粗さが０．５ｎｍであるのに対し、基板温度５８０℃では表面粗さが２．７ｎｍであった。また、図４（ｇ）に示すように、基板温度が５８０℃であって、スカンジウム含有率が３６原子％である場合には、粒子のサイズが不均一となっていた。
図４（ａ）〜（ｇ）から、基板温度を５８０℃としたときのスカンジウム含有率３５〜４０原子％におけるＳｃ含有窒化アルミニウム薄膜における圧電応答性の低下が、粒子成長の不均一性に起因するものであることが示された。
〔実施例３〕
スパッタリング時の基板温度を、常温（２０℃）、２００℃、４００℃、４５０℃、５００℃および５８０℃としたときのＳｃ含有率が３７原子％であるＳｃ含有窒化アルミニウム薄膜の圧電応答性を測定した。なお、Ｓｃ含有窒化アルミニウム薄膜の製造における基板温度以外の条件および圧電応答性の測定条件は、実施例１と同様である。
スパッタリング時の基板温度を、常温（２０℃）、２００℃、４００℃、４５０℃、５００℃および５８０℃としたときのＳｃ含有率が３７原子％であるＳｃ含有窒化アルミニウム薄膜の圧電応答性を測定した。なお、Ｓｃ含有窒化アルミニウム薄膜の製造における基板温度以外の条件および圧電応答性の測定条件は、実施例１と同様である。
基板温度を常温（２０℃）、２００℃、４００℃、４５０℃、５００℃および５８０℃としたときの圧電応答性を示す図を図５に示す。
図５に示すように、圧電応答性は、常温から４００℃までは基板温度の増加と共に増加し、４００℃において最大値を示した。基板温度が４００℃を超えると、圧電応答性は急激に減少し、５００℃ではＳｃ含有率が０原子％の窒化アルニウム薄膜の圧電応答性を下回る値となった。図５に示す結果から、Ｓｃ含有率３５〜４０原子％において、Ｓｃ含有率が０原子％の場合よりも圧電応答性が低下するという現象は、スパッタリング時の基板温度を常温（２０℃）〜４５０℃の範囲とすることにより防止できることが示された。
本発明に係る製造方法により製造された圧電体薄膜は、例えば、ＲＦ−ＭＥＭＳデバイスなどの圧電現象を利用したデバイスにおいて好適に用いることができる。また、本発明に係る製造方法により製造された圧電体薄膜を備えたＲＦ−ＭＥＭＳデバイスは、携帯電話などの小型かつ高性能な電子機器類に好適に用いることができる。
Claims (7)
- 基板上にスカンジウムを含有する窒化アルミニウム薄膜を備えた圧電体薄膜の製造方法であって、
少なくとも窒素ガスを含む雰囲気下において、スカンジウムの原子数と上記窒化アルミニウム薄膜におけるアルミニウムの原子数との総量を１００原子％としたときのスカンジウムの含有率が０．５〜５０原子％の範囲となるように、アルミニウムとスカンジウムとでスパッタリングするスパッタリング工程を含み、
上記スパッタリング工程における上記基板の温度が、５〜４５０℃の範囲であることを特徴とする製造方法。 - 上記スパッタリング工程における上記基板の温度が２００〜４００℃の範囲であることを特徴とする請求項１に記載の製造方法。
- 上記スパッタリング工程における上記基板の温度が４００℃であることを特徴とする請求項１または２に記載の製造方法。
- 上記スパッタリング工程では、上記スカンジウムの含有率が３５〜４０原子％の範囲となるようにスパッタリングすることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の製造方法。
- 請求項１から４のいずれか１項に記載の製造方法により製造される圧電体薄膜。
- Ｘ線ロッキングカーブの半値全幅が３．２度以下であることを特徴とする請求項５に記載の圧電体薄膜。
- 表面の算術平均粗さが１．２ｎｍより小さい値であることを特徴とする請求項５または６に記載の圧電体薄膜。
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