JP2012059909A - 圧電体薄膜の加工方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】圧電体薄膜を短時間で微細加工することができるとともに、制御性よく加工を停止させることができる圧電体薄膜の加工方法を提供する。
【解決手段】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、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の加工工程とを備えることで、圧電体薄膜を短時間で制御性良くエッチングすることが可能である。
【選択図】図1
【解決手段】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、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の加工工程とを備えることで、圧電体薄膜を短時間で制御性良くエッチングすることが可能である。
【選択図】図1
Description
本発明は、圧電体薄膜の加工方法に関するものである。
圧電体は、種々の目的に応じて様々な圧電体素子に加工され、特に電圧を加えて変形を生じさせるアクチュエータや逆に素子の変形から電圧を発生するセンサなどの機能性電子部品として広く利用されている。
アクチュエータやセンサの用途に利用されている圧電体としては、大きな圧電特性を有する鉛系の誘電体、特にPZTと呼ばれるPb(Zr1-XTiX)O3系のペロブスカイト型の強誘電体が広く用いられている。この強誘電体は、各構成元素を含む酸化物の焼結により形成される。
近年では、環境への配慮から鉛を含有しない非鉛圧電体の開発が望まれており、ニオブ酸カリウムナトリウム(一般式:(K1-xNax)NbO3(0<x<1))[以下、KNNと記す。]等が開発されている。このKNNは、PZTに匹敵する圧電特性を有することから、鉛を含有しない圧電材料の有力な候補として期待されている。
圧電体薄膜として非鉛圧電体薄膜を形成することにより、環境負荷の小さいインクジェットプリンタ用ヘッドやジャイロセンサなどを作製することができる。このことから、非鉛圧電体薄膜の具体的な候補として、KNNの薄膜化の基礎研究が進められている。しかしながら、アルカリニオブ酸化物系ペロブスカイト構造を有する圧電体薄膜に対しては微細加工方法が確立されておらず、高い精度をもつ微細加工が要求されるアクチュエータ、センサ、フィルタデバイス、又はMEMS(Micro Electro Mechanical System)デバイスなどへの適用を困難なものとしていた。
本発明の目的は、圧電体薄膜を短時間で微細加工することができるとともに、制御性よく加工の停止が可能な圧電体薄膜の加工方法を提供することにある。
本発明は、アルカリニオブ酸化物系ペロブスカイト構造を有する圧電体薄膜の加工方法であって、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、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の加工工程とを有することを特徴とする。
また、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を、0.4≦x≦0.7としてもよい。
また、前記第2の加工工程において、フッ素系反応性ガスとArの混合比を、1以上としてもよい。
また、前記第2の加工工程におけるエッチング速度を、前記第1の加工工程のエッチング速度よりも遅くしてもよい。
また、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の加工工程をしてもよい。
前記圧電体薄膜を下地層上に設け、前記圧電体薄膜はエッチング断面を前記下地層の面に向けて漸次拡大するテーパー状に加工してもよい。
前記下地層をPt層により形成してもよく、下地層を基板上に形成しても良い。
本発明によれば、圧電体薄膜を高精度に微細加工することができる。
以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面に基づいて具体的に説明する。
図1において、全体を示す符号1は、この実施の形態に係る加工方法により加工される圧電体薄膜が形成された圧電体薄膜ウェハの構成を模式的に示している。この圧電体薄膜ウェハ1は、シリコン(Si)基板2上に、下地層となる下部電極層3が形成され、その下部電極層3上に圧電体薄膜層4を備える。
この圧電体薄膜層4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の薄膜から形成されている(以下、KNN圧電体薄膜層4ともいう。)。その組成比xは、0.4≦x≦0.7である。
この圧電体薄膜ウェハ1を用い、図示しないセンサやアクチュエータを作製する場合は、微細加工プロセスにより、非鉛圧電材料であるKNN圧電体薄膜層4を梁や音叉の形状に加工する。この圧電体薄膜ウェハ1の微細加工においては、そのKNN圧電体薄膜層4が短時間で加工できることに加え、例えば、下部電極層3などの所望の位置又は層において、選択的に加工を停止できることが、高い精度で微細加工する際に必要である。
下部電極層3としては、(111)に配向させた白金(Pt)薄膜からなる(以下、Pt下部電極層3という。)ことが好ましい。圧電体薄膜層4が高い圧電特性を得るためには、圧電体薄膜層4を配向させる必要がある。この実施の形態に係る圧電体薄膜ウェハ1は、自己配向性が強いPt下部電極層3の存在により、Pt下部電極層3の結晶配向に基づき、圧電体薄膜層4を(001)に優先配向させる構成となっている。
なお、Si基板2の表面に図示しない酸化膜(SiO2膜)を形成し、Si基板2とPt下部電極層3との密着性を向上させる構成としてもよい。
なお、Si基板2の表面に図示しない酸化膜(SiO2膜)を形成し、Si基板2とPt下部電極層3との密着性を向上させる構成としてもよい。
C.M.Kang等の「Etching Characteristics of (Na0.5K0.5)NbO3 Thin Films in an Inductively Coupled Cl2/Ar Plasma」、Ferroelectrics,357,p.179-184(2007)には、Cl系の反応性ガスを用いて反応性イオンエッチングを行い、エッチング速度を制御するためにArガスの混合を行うことが記載されている。しかしながら、Cl系の反応性ガス単独で、KNN圧電体薄膜を加工することはできるが、Cl系の反応ガスは、Ptなどの下地層に対してエッチングガスとして働き、エッチング選択比(エッチング速度の比率)が得られず、高い精度で微細加工することができないという問題がある。
また、KNN圧電体薄膜の微細加工においてArガスのみを用いた場合は、Arイオンの衝突による物理的なエッチングにより加工が進行するため、所望のエッチング速度は得られるが、KNN圧電体薄膜とPt下部電極層とのエッチングの選択性が低い。
本件発明者等は、熱意検討を重ねたところ、フッ素系反応ガスを物理的なエッチングが可能なガスと混合して用いることで、エッチングが進行することを知った。CHF3などのフッ素系反応ガスは、フッ素系反応ガス単独では、KNN圧電体薄膜に対しエッチング速度が低く、殆どKNN圧電体薄膜のエッチングが進行しないが、Arガスを主とする物理的なエッチングとの組み合わせにより、KNN膜の微細加工が可能であることが分かった。
そこで、Si基板2上に形成されたPt下部電極層3と、Pt下部電極層3上に形成されたKNN圧電体薄膜層4とを有する圧電体薄膜ウェハ1を多数試作し、Ar及びCHF3の混合ガスを用いて反応性イオンエッチングにより微細加工特性を評価した。その結果、ArガスとCHF3ガスの混合比が、KNN圧電体薄膜層4のエッチング速度と、Pt下部電極層3とのエッチング選択比に大きな影響を与えていることが分かった。
そこで、Si基板2上に形成されたPt下部電極層3と、Pt下部電極層3上に形成されたKNN圧電体薄膜層4とを有する圧電体薄膜ウェハ1を多数試作し、Ar及びCHF3の混合ガスを用いて反応性イオンエッチングにより微細加工特性を評価した。その結果、ArガスとCHF3ガスの混合比が、KNN圧電体薄膜層4のエッチング速度と、Pt下部電極層3とのエッチング選択比に大きな影響を与えていることが分かった。
主にArガスを用いたイオンエッチングの場合は、KNN圧電体薄膜層4を短時間で微細加工することができた。主にArガスを用いたイオンエッチングで物理的に加工する方が適しているためであると考えられる。CHF3などのフッ素系の反応性ガスを主に用いた場合は、下地層(本実施形態では、Pt下部電極層3)においてKNN圧電体薄膜層4と最適なエッチング選択比が得られ、容易に下地層においてエッチングを停止させることができるということが分かった。
本件発明者等は、Arガスと混合させるフッ素系反応性ガスの種類及び比率を変化させ、エッチング速度とエッチング選択比とについて更に調査した。その調査によって得られたKNN圧電体薄膜の形成、及び反応性イオンエッチングによるエッチング速度とエッチング選択比について以下に説明する。
(下部電極層の形成)
RFマグネトロンスパッタリング法を用いて、Si基板2上に下地層としても機能する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、Si基板2上に下地層としても機能する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。
(KNN圧電体薄膜の形成)
Pt下部電極層3上に、RFマグネトロンスパッタリング法を用いて、本発明の加工方法の加工対象であるKNN圧電体薄膜層4を形成する。
KNN圧電体薄膜層4は、KNN焼結体をターゲットとして用い、基板温度、放電パワー、チャンバー内圧力、Ar分圧比などを制御し、所望の圧電体薄膜層を形成する。圧電体薄膜層の厚さは適用されるデバイスにより適宜変更される。具体的には、成膜時間を変更して膜厚を制御すればよい。また、このときのKNN圧電体薄膜層は、KNNの柱状多結晶により形成される。
Pt下部電極層3上に、RFマグネトロンスパッタリング法を用いて、本発明の加工方法の加工対象であるKNN圧電体薄膜層4を形成する。
KNN圧電体薄膜層4は、KNN焼結体をターゲットとして用い、基板温度、放電パワー、チャンバー内圧力、Ar分圧比などを制御し、所望の圧電体薄膜層を形成する。圧電体薄膜層の厚さは適用されるデバイスにより適宜変更される。具体的には、成膜時間を変更して膜厚を制御すればよい。また、このときのKNN圧電体薄膜層は、KNNの柱状多結晶により形成される。
(マスクとしてのTiパターンの形成)
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。
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。
(反応性イオンエッチングによるエッチング速度、及びエッチング選択比)
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。
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。
KNN圧電体薄膜層4を備えた圧電体薄膜ウェハ1に微細加工を行う場合は、Arを含むガスを用いてイオンエッチングを行う第1の加工工程に続いて、Arガスと反応性ガス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の加工工程により、微細加工を行うことが肝要である。それに加えて、特に限定するものではないが、次の条件で微細加工を行うことが好適である。
(1)第2の加工工程としては、第1の加工工程より反応性ガスの比率が高いこと。
(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。
(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。
以上より、KNN圧電体薄膜層4を短時間で微細加工することができるとともに、特定の層において(本実施の形態では下地層であるPt下部電極層3において)、選択的に加工を停止させることができ、圧電体薄膜の加工制御が容易となる。
なお、KNN圧電体薄膜層とPt下部電極層との選択比が十分に取れる場合には、第1の加工工程のエッチング速度に対し、第2の加工工程のエッチング速度を遅くする必要はなく、第2の加工工程のエッチング速度を速くすることもできる。
なお、KNN圧電体薄膜層とPt下部電極層との選択比が十分に取れる場合には、第1の加工工程のエッチング速度に対し、第2の加工工程のエッチング速度を遅くする必要はなく、第2の加工工程のエッチング速度を速くすることもできる。
上記により得られた微細加工が施された圧電体薄膜ウェハ1から、圧電性薄膜素子を作製する。例えば、ダイシング等により、微細加工が施された圧電体薄膜ウェハ1から切り出される。なお、目的とするアクチュエータ、センサ等によっては、基板の裏面側からの加工が必要になる。
そして、Pt下部電極層3及び図示しない上部電極層に、電圧検知手段を接続することでセンサが得られ、電圧印加手段を接続することでアクチュエータが得られる。
上部電極層は、エッチングによる微細加工後にTi膜を除去し、その後形成しても良いが、工程の簡略化のためには、エッチング前に圧電体薄膜層上に形成しても良い。この場合は、上部電極層上に、Tiなどのマスクを形成する。
そして、Pt下部電極層3及び図示しない上部電極層に、電圧検知手段を接続することでセンサが得られ、電圧印加手段を接続することでアクチュエータが得られる。
上部電極層は、エッチングによる微細加工後にTi膜を除去し、その後形成しても良いが、工程の簡略化のためには、エッチング前に圧電体薄膜層上に形成しても良い。この場合は、上部電極層上に、Tiなどのマスクを形成する。
以下に、本発明の更に具体的な実施の形態として、実施例1〜7を挙げて、図1〜図5、及び表1を参照しながら、本発明の加工方法を用いた微細加工について詳細に説明する。なお、この実施例にあっては、基板上に圧電体薄膜層が設けられる圧電体薄膜ウェハを用いた場合における、本発明の加工方法の一例を挙げており、本発明の加工方法は、これらの実施例に限定されるものではないことは勿論である。
(KNN圧電体薄膜の形成)
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3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。
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3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。
このPt下部電極層3上に(K1-xNax)NbO3薄膜をRFマグネトロンスパッタリング法で形成した。この(K1-xNax)NbO3薄膜は、Na/(K+Na)=0.425〜0.730の(K1-xNax)NbO3焼結体をターゲットに用い、基板温度:520℃、放電パワー:700W、O2/Arの混合比:0.005、チャンバー内圧力:1.3Paの条件で成膜した。KNN圧電体薄膜層4のスパッタ成膜時間としては、膜厚がほぼ3μmとなるように調整して行った。
なお、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を確認するため、膜厚600nm〜2μmのPt下部電極層3のみの試料も作製した。
(マスクとしてのTiパターンの形成)
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。
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。
このTiパターンをマスクとして、KNN圧電体薄膜層4をArガスとCHF3ガス(以下、Ar/CHF3ガスともいう。)を用いた反応性イオンエッチング法により、Pt下部電極層3が露呈するまでエッチングを行い、エッチング断面形状がSi基板2の面に向けて漸次拡大するテーパー状となるように上辺が短く下辺が長い上短下長の台形状となるように微細加工を行った。
Ar/CHF3ガスの混合比と、KNN圧電体薄膜及びTi膜のエッチング選択比との関係を図2に示す。ここではエッチングにより減少したTi膜の量(厚さ)と、KNN膜の量(厚さ)を測定することにより、エッチング選択比を確認した。
図2は、エッチング後に、残留したTiパターンをフッ酸と硝酸の混合液を用いて除去し、段差を測定することで求めたエッチング深さと、エッチング前後の段差測定から求めた「圧電体薄膜層とTiマスク層」(以下、「KNN/Ti」ともいう。)のエッチング選択比との関係を示す。
図2は、エッチング後に、残留したTiパターンをフッ酸と硝酸の混合液を用いて除去し、段差を測定することで求めたエッチング深さと、エッチング前後の段差測定から求めた「圧電体薄膜層とTiマスク層」(以下、「KNN/Ti」ともいう。)のエッチング選択比との関係を示す。
図2から明らかなように、「KNN/Ti」のエッチング選択比は、Arガスを100%導入した場合は4程度であり、Ar/CHF3ガスの混合比が1〜10の範囲では、2.2〜2.4程度の範囲内であった。これらの結果から、Arガスにフッ素系反応ガスを混合させると、エッチング選択比が小さくなる傾向が分かる。更に、これらの結果から、Arガスにフッ素系反応ガスを所定分量混合させてエッチングを行う第2の加工工程の割合に応じて、Tiパターンの膜厚(マスク厚)を適宜厚く形成すれば、Tiマスク層を設けた領域の圧電体薄膜層を露出させることなく、所望のエッチングパターンが得られるということが分かる。この実施例においては、「KNN/Ti」の厚さの比を3以下となるよう、Tiマスク層を形成した。
(反応性イオンエッチングによる微細加工)
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とした。
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とした。
(反応性イオンエッチングによるエッチング速度、及びエッチング選択比の確認)
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ガスの混合比を変更し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。
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ガスの混合比を変更し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。
図3から明らかなように、Arガス比が多い程、エッチングレートが大きいということが分かる。Arガスを用いた場合は、最大で2.1[μm/h]のエッチング速度が得られた。Ar/CHF3ガスの混合比を1:1とした場合は、エッチング速度が0.56[μm/h]であった。
図4を参照すると、図4には、膜厚600nm〜2μmのPt下部電極層3のみを試料として用いて得られたAr/CHF3ガスの混合比と、「KNN圧電体薄膜層とPt下部電極層」(以下、「KNN/Pt」ともいう。)のエッチング選択比との関係が示されている。
図4から明らかなように、Ar/CHF3ガスの混合比が1〜10の範囲内において、「KNN/Pt」の高いエッチング選択比が得られることが分かる。「KNN/Pt」のエッチング選択比は、最大で4.5程度であった。マスク材料とは異なり、Pt下部電極層3は、加工の際にPt下部電極層3の一部が露出してから、ウェハ全面においてKNN圧電体薄膜層4がエッチングされ、KNN圧電体薄膜層4が所望の形状になると共に、所定部位のPt下部電極層3の全てが露出するまでの間、エッチングに耐えられる程度の厚みがあればよい。換言すれば、Si基板2が露出することなく、工程2の後に、Pt下部電極層3が所定の厚さを備えていればよい。
この実施例では、KNN圧電体薄膜層4の3μm厚に対して、Pt下部電極層3を220nm厚さに形成することで、Si基板2が露出することなく、工程2のエッチングが実施できた。
なお、Pt下部電極層3を、ボンディングパッド電極として用いる場合には、工程2の後に、100nm以上の厚さを有することが好ましい。
この実施例では、KNN圧電体薄膜層4の3μm厚に対して、Pt下部電極層3を220nm厚さに形成することで、Si基板2が露出することなく、工程2のエッチングが実施できた。
なお、Pt下部電極層3を、ボンディングパッド電極として用いる場合には、工程2の後に、100nm以上の厚さを有することが好ましい。
本件発明者等の検討によれば、次のことが分かった。即ち、工程2におけるAr/CHF3ガスの混合比が1〜10の範囲内では、ウェハ面内におけるエッチングのムラが小さく、エッチング選択比が高い。そのため、「KNN/Pt」厚さの比が、15以下のPt下部電極層3を用いれば、工程1及び工程2のエッチングによりSi基板2を露出させることなく、選択的に圧電体薄膜層4のエッチングが可能となる。
なお、Arガスにおいてチャンバー内圧力を20〜66.7Pa(0.15〜0.50Torr)まで変化させて確認したところ、エッチング速度に20%程度の差がみられた。チャンバー内圧力が33.3Pa(0.25Torr)である場合は、エッチング速度が最大となることを確認している。また、CHF3以外のC2F6、CF4、SF6、C4F8などのフッ素系の反応性ガスを用いた場合でも同様の傾向がみられた。
図5を参照すると、図5には、表1に示す実施例1に係る微細加工後の圧電体薄膜ウェハ1の断面が示されている。表1に示す実施例1〜7のいずれの場合もPt下部電極層3でエッチングを選択的に停止することができた。図5から明らかなように、工程1と工程2を組み合わせることでKNN圧電体薄膜層4のみを除去し、Pt下部電極層3においてエッチングが停止できている様子が確認できる。
工程1及び工程2による微細加工を施した実施例1〜7に係るKNN圧電体薄膜層4においては、図5に示すように、Tiパターンマスク部分とTiパターンマスクを施していない部分との界面であるエッチング断面には、外方に向けてテーパー状に拡がる傾斜部が形成されている。その傾斜部は、所定の傾斜角θをもって上辺が短く下辺が長い上短下長の台形状断面に形成されている。これは、フッ素系反応性ガスの比率が半分以下であり、主にKNN圧電体薄膜層4を物理的にエッチングしているためであると考えられる。
表1に示す実施例1〜7におけるKNN圧電体薄膜層4のテーパー角θ(傾斜角θ)は、実施例1:51°、実施例2:68°、実施例3:53°、実施例4:66°、実施例5:46°、実施例6:47°、実施例7:60°である。このテーパー角θは、KNN圧電体薄膜層4の上面端と底面端とを結んだ法面とKNN圧電体薄膜層4の底面とがなす角度から求めたものであり、小数点1桁目を四捨五入した数値である。なお、この実施例では、バイアス電力を0Wとしたが、バイアス電力を変更することでテーパー角を変化させることもできる。
図3及び図4から明らかなように、KNN圧電体薄膜層4を短時間で微細加工するためには、主にArガスを用いたイオンエッチングを用いる必要があり、Pt下部電極層3でエッチングを停止させるためには、KNN圧電体薄膜層4と最大4.5程度のエッチング選択比が得られるCHF3などのフッ素系反応性ガスを主に用いるエッチングが適している。ただし、Ar/CHF3ガスの混合比が1より小さい場合には、KNN圧電体薄膜層4のエッチングレートが大きく落ちるため、現実的な微細加工には不向きである。よって、Ar/CHF3ガスの混合比としては、1以上であることが好適である。
Arガスを用いたイオンエッチングの場合は、マスクとして用いたTiパターンにより、KNN圧電体薄膜層4に対して3〜4程度のエッチング選択比を得ることができるが、CHF3を主とする反応性ガスを用いた場合は、マスクとして用いたTiパターンにより、KNN圧電体薄膜層4に対して2.2〜2.5程度のエッチング選択比しか得ることができない。このため、工程1によりKNN圧電体薄膜層4を半分以上加工する条件が適している。
以上の説明からも明らかなように、本発明の圧電体薄膜の加工方法を上記実施の形態及び実施例に基づいて説明したが、本発明は上記実施の形態、実施例及び図示例に限定されるものではない。次に記載する通り、圧電体薄膜の厚さを変化させても、所望の加工が実現できる。
[変形例1]
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。
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。
[変形例2]
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700nm、好ましくは500nmを超えない厚さに形成するのが好ましい。Pt層を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。
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700nm、好ましくは500nmを超えない厚さに形成するのが好ましい。Pt層を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。
KNN圧電体薄膜層4の膜厚が1μm以下と薄い場合は、表1に示すように、工程1においてフッ素系の反応性ガスを混合する。このフッ素系の反応性ガスとしては、例えば工程2と同程度のCHF3の割合とし、反応性イオンエッチングを行い、CHF3量を変えずに微細加工を継続するか、あるいはCHF3ガス量を変えて最後まで微細加工を行ってもよい。反応炉内の圧力やパワーについても適宜決定すればよい。
これらの条件によりエッチング速度を制御すれば、薄い膜厚のKNN圧電体薄膜層4であっても制御性よく微細加工が可能となる。200nm、500nmの厚さを有するKNN圧電体薄膜層4に対し、エッチングを実施したところ、エッチング選択性に問題はなく、所望の加工精度が得られることが確認できた。
上記した実施例では、圧電体薄膜をスパッタ法により形成した例を示したが、他の方法により成膜したKNN圧電体薄膜であっても、制御性よく微細加工ができることを確認した。
[変形例3]
(ゾルゲル法により形成したKNN圧電体薄膜の加工)
ゾルゲル法やMOD法により圧電体層を形成する場合には、所望の組成式となるよう材料の組成比を調製した前駆体溶液を用いて塗布層を形成し、塗布層を結晶化することで圧電体層を形成する。例えば、Naを含む有機金属化合物としてナトリウムエトキシド、カリウムを含む有機金属化合物としてカリウムエトキシド、ニオブを含む有機金属化合物としてニオブエトキシドを用い、これらを所望のモル比となるよう混合し、さらにアルコールなどの有機溶媒を用いて溶解、分散して、前駆体溶液を作製する。
(ゾルゲル法により形成したKNN圧電体薄膜の加工)
ゾルゲル法やMOD法により圧電体層を形成する場合には、所望の組成式となるよう材料の組成比を調製した前駆体溶液を用いて塗布層を形成し、塗布層を結晶化することで圧電体層を形成する。例えば、Naを含む有機金属化合物としてナトリウムエトキシド、カリウムを含む有機金属化合物としてカリウムエトキシド、ニオブを含む有機金属化合物としてニオブエトキシドを用い、これらを所望のモル比となるよう混合し、さらにアルコールなどの有機溶媒を用いて溶解、分散して、前駆体溶液を作製する。
変形例3では、カリウムエトキシド、ナトリウムエトキシド、ニオブエトキシドを所定もモル比で混合して作製した前駆体溶液を、下地層として100nm厚さのPt層が設けられたNbドープのSrTiO3基板上に、スピンコート法により塗布し、ホットプレート上で乾燥、仮焼結した後、700℃〜800℃でアニール処理を施した。この工程を繰り返し行い、1.5μm厚さのKNN圧電体薄膜を形成した。
このゾルゲル法により形成したKNN圧電体薄膜に対し、マスクとしてTa(タンタル)を1.3μm厚さ形成し、本発明の加工方法を行ったところ、上記スパッタにより成膜した圧電体薄膜と同様に、Pt層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の傾斜部のテーパー角θも、上記実施例と同様の範囲に形成された。
このゾルゲル法により形成したKNN圧電体薄膜に対し、マスクとしてTa(タンタル)を1.3μm厚さ形成し、本発明の加工方法を行ったところ、上記スパッタにより成膜した圧電体薄膜と同様に、Pt層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の傾斜部のテーパー角θも、上記実施例と同様の範囲に形成された。
[変形例4]
(AD法により形成したKNN圧電体薄膜の加工)
次に、エアロゾルデポジション法(AD法)により形成したKNN圧電体薄膜の加工を検討した。主原料としては、所望のKNN圧電体薄膜の組成と同じ組成比の原料粉末を用い、ヘリウムガスを搬送ガスとして成膜を行った。また、副原料としてエアロゾルデポジション法で成膜されやすい誘電体の結晶粉体を混合してもよい。副原料は、主原料に対し重量比で3〜10%程度とするとよい。
(AD法により形成したKNN圧電体薄膜の加工)
次に、エアロゾルデポジション法(AD法)により形成したKNN圧電体薄膜の加工を検討した。主原料としては、所望のKNN圧電体薄膜の組成と同じ組成比の原料粉末を用い、ヘリウムガスを搬送ガスとして成膜を行った。また、副原料としてエアロゾルデポジション法で成膜されやすい誘電体の結晶粉体を混合してもよい。副原料は、主原料に対し重量比で3〜10%程度とするとよい。
変形例4においては、具体的には、主原料である「K:Na:Nb:O=7.5:6.5:16:70(原子数%)」の原料粉末に対し、Al2O3を副原料として混合した材料を用い、基板温度500℃として吹き付けを行い、10μm厚さのKNN圧電体薄膜を成膜した。なお、基板としては、150nm厚さのPt層を形成したSi基板を用いた。
このAD法により形成したKNN圧電体薄膜に対し、マスクとしてW(タングステン)を1.3μm厚さ形成し、本発明の加工方法を行ったところ、上記スパッタにより成膜した圧電体薄膜と同様に、Pt層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の傾斜部のテーパー角θも、上記実施例と同様の範囲に形成された。
このAD法により形成したKNN圧電体薄膜に対し、マスクとしてW(タングステン)を1.3μm厚さ形成し、本発明の加工方法を行ったところ、上記スパッタにより成膜した圧電体薄膜と同様に、Pt層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の傾斜部のテーパー角θも、上記実施例と同様の範囲に形成された。
[他の変形例]
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。実施例では、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。
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。実施例では、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。
上記実施例では、Si基板2とPt下部電極層3との間にTi密着層を形成したが、Tiに代えて、Taを密着層に用いてもよい。密着層を用いない場合でも、Pt下部電極層3の面方位を制御することにより、上記実施例と同様の効果が得られる。基板についても、熱酸化膜付き(001)面Si基板2を用いたが、異なる面方位のSi基板、熱酸化膜なしのSi基板、SOI基板でも、上記実施例と同様の効果が得られる。また、Si基板に代えて、石英ガラス基板、GaAs基板、サファイア基板、あるいはステンレスなどの金属基板、MgO基板、SrTiO3基板などを用いてもよい。また、圧電体(バルク体)から切り出した、例えばKNN材料からなる圧電性基板を用いても良い。KNN圧電体薄膜層4は、特に他の元素を添加していないが、5原子数%以下のLi(リチウム)、Ta、Sb(アンチモン)、Ca(カルシウム)、Cu(銅)、Ba(バリウム)、Ti等をKNN圧電体薄膜に添加してもよい。
また、エッチングガスとして、Arを含むガスを用いたが、さらにO2やN2などのガスを更に加えたエッチングガスを用いても良い。
また、エッチングガスとして、Arを含むガスを用いたが、さらにO2やN2などのガスを更に加えたエッチングガスを用いても良い。
本発明の圧電体薄膜の加工方法を用いることにより、良好な微細加工が施された圧電体薄膜ウェハ1の実現が可能になる。これにより、アクチュエータ、センサ、フィルタデバイス、又はMEMSデバイスに適用できる加工精度の良い圧電体薄膜素子が得られる。電圧検知手段又は印加手段を設けた圧電薄膜デバイスを従来品と同等の信頼性と、安価な製造コストとで作製することができる。アクチュエータとしては、インクジェットプリンタ用ヘッド、スキャナー、超音波発生装置などに用いることができる。センサとしては、ジャイロ、超音波センサ、圧カセンサ、速度・加速度センサなどに用いることができる。
1 圧電体薄膜ウェハ
2 Si基板
3 Pt下部電極層
4 KNN圧電体薄膜層
2 Si基板
3 Pt下部電極層
4 KNN圧電体薄膜層
Claims (9)
- アルカリニオブ酸化物系ペロブスカイト構造を有する圧電体薄膜の加工方法において、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、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の加工工程とを有する圧電体薄膜の加工方法。
- 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に記載の圧電体薄膜の加工方法。
- 前記第2の加工工程の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又は2に記載の圧電体薄膜の加工方法。
- 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1〜3いずれかに記載の圧電体薄膜の加工方法。
- 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1〜4のいずれかに記載の圧電体薄膜の加工方法。
- 前記圧電体薄膜はテーパー状に加工され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の加工方法。
- 前記圧電体薄膜は、下地層上に設けられ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の加工方法。
- 前記下地層が、Pt層であることを特徴とする請求項7に記載の圧電体薄膜の加工方法。
- 前記下地層は、基板上に設けられることを特徴とする請求項7又は8に記載の圧電体薄膜の加工方法。
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