JP2012033693A - 圧電体薄膜ウェハの製造方法、圧電体薄膜素子、及び圧電体薄膜デバイス - Google Patents
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Abstract
【解決手段】基板2上に圧電体薄膜4を備えた圧電体薄膜ウェハ1は、Arを含むガスを用いてイオンエッチングを行う第1の加工工程と、反応性ガスとArとを混合した混合エッチングガスを用いて反応性イオンエッチングを行う第2の加工工程とにより製造される。圧電体薄膜4だけを短時間でエッチングすることが可能である。
【選択図】図1
Description
RFマグネトロンスパッタリング法を用いて、Si基板2上にPt下部電極層3を形成する。Pt下部電極層3を形成するにあたり、Si基板2とPt下部電極層3との間に図示しないチタン(Ti)密着層を蒸着してもよい。これにより、Pt下部電極層3の密着性を高めることができる。Pt下部電極層3の算術平均表面粗さRaは、0.86nm以下であることが好ましい。
RFマグネトロンスパッタリング法を用いて、KNN圧電体薄膜層4上にTi膜を成膜する。次に、OFPR−800などのフォトレジストを塗布し、露光及び現像を行い、Ti膜上にフォトレジストパターンを形成する。そして、フッ酸と硝酸の混合液(HF:HNO3:H2O=1:1:50)を用いてTi膜をエッチングし、アセトン洗浄によりフォトレジストパターンを除去することで、TiパターンをKNN圧電体薄膜層4上に形成する。このTi膜は、非鉛の圧電体薄膜ウェハ1の微細加工における適切なマスク材料として用いられ、Arイオンエッチングにおけるマスク厚さの増加によるパターン精度の悪化を防止する。
上記のように形成されたTiパターンをマスクとして、KNN圧電体薄膜層4をArと反応性ガスとを用いて反応性イオンエッチングを行うことで微細加工する。
(2)第2の加工工程としては、第1の加工工程よりエッチング速度が遅いこと。
(3)反応性ガスとしては、CHF3、C2F6、CF4、SF6、C4F8などのフッ素系の反応性ガスを用いること。
(4)Ar/CHF3ガスの混合比は、1以上であること。
(5)第1及び第2の加工工程を行うにあたり、KNN圧電体薄膜層4上にTi又はTaをマスクパターンとして形成すること。
(6)「圧電体薄膜厚/マスクパターン厚」の比を3以下に設定すること。
(7)KNN圧電体薄膜層4としては、エッチング断面をSi基板2の面に向けて漸次拡大するテーパー状に加工すること。
(8)Si基板2とKNN圧電体薄膜層4との間にPt下部電極層3を形成すること。
(9)「圧電体薄膜厚/下部電極層厚」の比が15以下となるPt下部電極層3を用いること。
(10)第2の加工工程としては、第1の加工工程よりKNN圧電体薄膜層4とPt下部電極層3とのエッチング選択比が高いこと。
(11)第1の加工工程において、KNN圧電体薄膜層4の膜厚全体の半分以上微細加工を行い、第2の加工工程において、残りのKNN圧電体薄膜層4の微細加工を行うこと。
基板は、熱酸化膜付きのSi基板2((100)面方位、厚さ0.525mm、熱酸化膜厚さ200nm、サイズ4インチウェハ)を用いた。先ず、RFマグネトロンスパッタリング法を用いて、Si基板2上に図示しないTi密着層(膜厚25nm)、及びPt下部電極層3(膜厚220nm)を形成した。Ti密着層とPt下部電極層とは、基板温度100〜350℃、放電パワー200W、導入ガスAr雰囲気、圧力2.5Pa、成膜時間1〜3分、10分の条件で成膜した。Pt下部電極層3の面内表面粗さを測定したところ、算術平均表面粗さRaが0.86nm以下であった。X線回折測定により、Pt下部電極層3は(111)に優先配向していることが確認された。
はじめに、KNN圧電体薄膜層4上にTi膜をRFマグネトロンスパッタリング法により約1.2μm成膜した。次に、OFPR−800などのフォトレジストを塗布し、露光及び現像を行い、Ti膜上にフォトレジストパターンを形成した。その後、フッ酸と硝酸の混合液(HF:HNO3:H2O=1:1:50)を用いてTi膜をエッチングし、アセトン洗浄によりフォトレジストパターンを除去し、TiパターンをKNN圧電体薄膜層4上に形成した。
下記の表1に、主にArガスを用いてKNN圧電体薄膜層4を短時間でエッチングする第1の加工工程(以下、「工程1」という。)と、主にCHF3ガスを用いてPt下部電極層3においてエッチングを停止させる第2の加工工程(以下、「工程2」という。)とを含む反応性イオンエッチングにより、微細加工を行った実施例1〜7をまとめて示す。RF出力は400Wとし、チャンバー内圧力は33.3Pa(0.25Torr)とした。工程2におけるAr/CHF3ガスの混合比は、3:1及び1:1とした。
KNN圧電体薄膜層4上にTiマスクパターンを施した圧電体薄膜ウェハを用いて反応性イオンエッチングによる微細加工特性の評価を行った。RF出力を400Wとし、チャンバー内圧力を33.3Paとして、Ar/CHF3ガスの混合比を5通りに変えた際のエッチング時間とエッチング深さとの関係を図3に示す。
上記実施例では、KNN圧電体薄膜層4の膜厚を3μmとしたが、Pt下部電極層3の膜厚を200nm、250nmとし、Tiマスクパターンの膜厚を1.0μm、2.5μmとした試料を作製し、表1の実施例1と同様の条件で微細加工を行った。いずれの試料においても、Pt下部電極層3においてエッチングを選択的に停止することができた。また、得られた圧電体薄膜ウェハ1の傾斜部のテーパー角θは、50°〜53°の範囲であった。
KNN圧電体薄膜層4の膜厚を1μm、2μm、5μmの3通りとした。Pt下部電極層3の膜厚は、それぞれ75nm、150nm、350nmの3通りとした。Tiマスクパターンの膜厚のそれぞれは、400nm、800nm、2000nmの3通りに形成した。そして、表1の実施例1と同様の条件で微細加工を行った。いずれの試料においても、Pt下部電極層3においてエッチングを選択的に停止し、所望の圧電体薄膜ウェハ1を得ることができた。下部電極層として単層のPt層を用いる場合は、膜厚は500nmを超えない厚さに形成するのが好ましい。500nmより厚く形成しようとすると、Pt層を(111)に優先配向するように形成することが困難になるためである。
電極としては、一般的に半導体プロセスで用いられている電極材料を用いることができる。マスクとしてTiを用いたが、Tiに代えてTa(タンタル)やW(タングステン)を用いた場合でも同様の微細加工を施すことができる。
2 Si基板
3 Pt下部電極層
4 KNN圧電体薄膜層
Claims (13)
- 基板上に圧電体薄膜を備えた圧電体薄膜ウェハに、Arを含むガスを用いてイオンエッチングを行う第1の加工工程と、前記第1の加工工程に続いて、フッ素系反応性ガスとArとを混合した混合エッチングガスを用いて反応性イオンエッチングを行う第2の加工工程とを実施することを特徴とする圧電体薄膜ウェハの製造方法。
- フッ素系反応性ガスとArの混合比は、1以上であることを特徴とする請求項1記載の圧電体薄膜ウェハの製造方法。
- 前記第2の加工工程は、前記第1の加工工程よりエッチング速度が遅いことを特徴とする請求項1又は2記載の圧電体薄膜ウェハの製造方法。
- 前記圧電体薄膜にTi又はTaをマスクパターンとして形成し、前記第1及び第2の加工工程を行うことを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の圧電体薄膜ウェハの製造方法。
- 「圧電体薄膜厚さ/マスクパターン厚さ」の比が3以下であることを特徴とする請求項4記載の圧電体薄膜ウェハの製造方法。
- 前記圧電体薄膜は、エッチング断面を前記基板の面に向けて漸次拡大するテーパー状に加工することを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の圧電体薄膜ウェハの製造方法。
- 前記基板と前記圧電体薄膜との間に下地層を形成することを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載の圧電体薄膜ウェハの製造方法。
- 前記下地層が、Pt層であることを特徴とする請求項7記載の圧電体薄膜ウェハの製造方法。
- 「圧電体薄膜厚さ/Pt層厚さ」の比が15以下であることを特徴とする請求項8記載の圧電体薄膜ウェハの製造方法。
- 前記圧電体薄膜は、組成式(K1−xNax)NbO3で表されるアルカリニオブ酸化物系ペロブスカイト構造であり、
組成比xは、0.4≦x≦0.7であることを特徴とする請求項1〜9のいずれかに記載の圧電体薄膜ウェハの製造方法。 - 基板と、前記基板上に形成されるアルカリニオブ酸化物系ペロブスカイト構造の圧電体薄膜とを備え、
前記圧電体薄膜は、エッチング断面に外方に向けてテーパー状に拡がる傾斜部を有し、前記傾斜部にはフッ素が含有されてなることを特徴とする圧電体薄膜素子。 - 前記傾斜部の角度は、46°〜68°であることを特徴とする請求項11記載の圧電体薄膜素子。
- 上記請求項11又は12記載の圧電体薄膜素子の前記基板と前記圧電体薄膜との間に下部電極を備えるとともに、前記圧電体薄膜上に上部電極を備え、前記下部電極及び前記上部電極に電圧印加手段又は電圧検知手段を更に備えたことを特徴とする圧電体薄膜デバイス。
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